Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
employee
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
Currently, the most common way to prevent and extinguish forest ground fires is laying of mineralized strips and ditches using forest plows, milling strip-laying machines and soil throwers. However, fire-break making soil throwers are not equipped with devices for removing the ground cover with combustible plant residues from the soil flow supplied to the fire zone when extinguishing forest ground fires, which significantly reduces the efficiency of the machine. Augers with a hydraulic drive are promising, which allow removing the ground cover, however, additional studies of kinematic and dynamic parameters are needed. The purpose of this work is to improve the quality of cleaning the flow of soil from the ground cover supplied to the edge of the fire by a forest fire stripper by substantiating the parameters of the auger working bodies. The analysis of literary sources showed that it is advisable to use modern mathematical models of the interaction between an object and the environment, based on the particle dynamics method, in the development of a forest fire soil-throwing machine. A new design of a forest fire soil thrower with auger working bodies, which are designed to remove the ground cover, is presented. A simulation model of the working process of auger working bodies using the particle dynamics method was compiled. A basic computer experiment was carried out to clean the soil flow from the forest litter. It has been established that pressure in the hydraulic motor decreases approximately exponentially, and the rotational speed of the working body also increases approximately exponentially up to 4 rpm during the acceleration of the working body. The interaction of the working body with the stump led to the appearance of a negative braking torque of up to 4.5 kNm. As a result, the rotational speed of the drum decreased from 4 rpm to almost zero. With a decrease in the rotational speed, the pressure in the hydraulic motor of the drive of the working body increased to 12.5 MPa. The auger working body provides approximately the same cleaning efficiency of the soil flow with a ground cover thickness of up to 20 cm, while the cleaning completeness is at least 0.86, and the power consumption is not more than 8 kW
modeling, ground cover, auger working body, soil-throwing machine
Введение
В настоящее время самым распространенным способом предупреждения и тушения лесных низовых пожаров является прокладка минерализованных полос и канав с применением лесных плугов, фрезерных полосопрокладывателей и грунтометательных машин. Однако грунтометы-полосопрокладыватели не снабжены устройствами для удаления напочвенного покрова с горючими растительными остатками из потока грунта, подаваемого в зону огня при тушении лесных низовых пожаров, что значительно снижает эффективность машины. Перспективными являются шнековые рабочие органы с гидроприводом, которые позволяют удалять напочвенный покров, однако необходимы дополнительные исследования кинематических и динамических параметров [2, 3, 9].
При разработке лесопожарной грунтометательной машины целесообразно использовать математическое моделирование, позволяющее с достаточно высокой точностью изучить эффективность машины и оптимизировать ее параметры без изготовления опытного образца [11, 12]. Современные математические модели взаимодействия объекта и среды, основанные на методе динамики частиц позволяют с высокой физической адекватностью и высоким пространственным разрешением имитировать работу машины [4-6]. Толщина слоя лесной подстилки (напочвенного покрова) может существенно варьировать на лесных объектах различных типов или в пределах одного лесного объекта [13]. Лесопожарная грунтометательная машина со шнековым рабочим органом должна обеспечивать эффективную работу в широком диапазоне толщин напочвенного покрова [7].
Цель настоящей работы повышение качества очистки потока грунта от напочвенного покрова, подаваемого на кромку огня лесопожарным полосопрокладывателем за счет обоснования параметров шнековых рабочих органов.
Материалы и методы
В качестве объекта исследования выбрана новая конструкция лесопожарного грунтомета-полосопрокладывателя со шнековым рабочим органом [7].
Согласно изобретению, шнек снабжен радиальными зубьями и установлен на раме посредством стоек с подвижным соединением, при этом между рамой и шнеком установлена демпфирующая пружина с возможностью регулирования усилия сжатия и давления шнека на опорную поверхность, причем усилие на демпфирующей пружине не превышает предельное окружное усилие на концах радиальных зубьев шнека, развиваемое гидромотором при перекатывании шнека через препятствие.
На рисунке 1 представлен общий вид лесопожарного грунтомета-полосопрокладывателя.
Разработанная имитационная модель обладает достаточной универсальностью и позволяет исследовать влияние десятков конструктивных, технологических параметров машины, а также параметров почвенно-растительной среды. Нами рассмотрено влияние на показатели эффективности только нескольких основных параметров для данной конструкции [9].
Рисунок 1. Общий вид лесопожарного грунтомета-полосопрокладывателя, вид сбоку
1-рама; 2-механизм навески; 3-шнек; 4-радиальные зубья; 5,8,10-гидромотор; 6-сферические диски; 7-предохранительные пружины растяжения; 9-фрезы метатели 9; 11-кожухи-направители; 12-опорные катки; 13-демпфирующая пружина
Figure 1. General view of the forest fire grunt-strip-laying machine, side view
1-frame; 2-suspension mechanism; 3-auger; 4-radial teeth; 5,8,10-hydraulic motor; 6-spherical discs; 7-tension safety springs; 9-thrower cutters 9; 11-guide casings; 12-support rollers; 13-damping spring
Дальнейшее теоретическое исследование заключается в поочередном изменении параметров шнекового барабана и поиске диапазонов изменения их параметров в которых показатели эффективности машины максимальны.
Базовый компьютерный эксперимент по очистке полосы от лесной подстилки состоял из четырех этапов. На первом этапе необходимое количество элементов (около 8000) распределялись случайным образом по объему моделирования (рисунок 2, а). Под действием силы тяжести и межэлементных сил элементы оседали и формировали случайную плотную упаковку в нижней части пространства моделирования [8]. По завершении формирования плотной упаковки срезалась верхняя части поверхности для выравнивания, и элементы разделялись на два слоя: нижний слой почвы и верхний слой напочвенного покрова (лесной подстилки) (рисунок 2, б).
а
б
Рисунок 2. Этапы движения шнекового рабочего органа в процессе компьютерного эксперимента по очистке поверхности почвы (вверху – проекция XZ, внизу – XY): а – начальное случайное размещение элементов перед формированием плотной упаковки; б – разделение элементов на почву и напочвенный покров и начальное размещение шнекового рабочего органа
Figure 2. The stages of movement of the screw working body in the process of a computer experiment on cleaning the soil surface (XZ projection at the top, XY at the bottom): a - initial random placement of elements before forming a dense package; b - separation of elements into soil and ground cover and initial placement of the screw working body
Результаты и обсуждение
Эффективность фрагментации и скорость бокового движения напочвенного покрова зависит от частоты вращения f шнекового рабочего орагана [10]. Для изучения влияния f на эффективность очистки полосы обработки провели серию компьютерных экспериментов, в которых f изменяли от 0 до 6 об/с с шагом 1 об/с. (рисунок 3, а, б)
Рисунок 3. Влияние частоты вращения шнекового барабана f на полноту очистки поверхности грунта от лесной подстилки pо (а) и потребляемую шнеком мощность Nш (б)
Figure 3. The effect of the rotation frequency of the screw drum f on the completeness of cleaning the soil surface from the forest litter po (a) and the power consumed by the screw Nш (b)
Установлено, что зависимость полноты очистки от частоты вращения рабочего органа имеет сигмоидальный характер (рисунок 3, а). При слишком малой частоте вращения 0 ... 3 об/с шнек не успевает сдвинуть вбок от полосы обработки весь фрагментированный объем напочвенного покрова [1]. При достаточто большой частоте вращения более 5 об/с шнек успевает сдвинуть вбок фрагментированный напочвенный покров, но определенная часть напочвенного покрова перемешивается с почвой и остается в полосе обработки, поэтому полнота очистки достигает более 0,9, но не достигает 1,0. С увеличением частоты вращения рабочего органа потребляемая гидромотором мощность увеличивается по закону, близкому к квадратичному (рисунок 3, б).
Статистическая оценка полноты очистки от частоты вращения приведена в таблице 1.
Для проверки влияния толщины подстилки на показатели эффективности пашины проведена серия компьютерных экспериментов, в которых изменяли толщину напочвенного покрова от 0 до 30 см с шагом 5 см.
Таблица 1
Статистическая оценка полноты очистки от частоты вращения
Table 1
Statistical relations of the completeness of cleaning from the speed of rotation
Обнаружено, что шнековый рабочий орган обеспечивает эффективную очистку до толщины напочвенного покрова 20 см: полнота очистки составляет не менее 0,86 (рисунок 4, а), потребляемая мощность составляет не более 8 кВт (рисунок 4, б). Здесь и далее эффективность процесса очистки лесной поверхности шнековым рабочим органом оценивалась двумя показателями:
pо – полнота очистки полосы обработки, рассчитываемая как отношение объемов удаленного напочвенного покрова к изначально присутствующему;
Nш – мощность, потребляемая шнековым рабочим органом, усредненная за время компьютерного эксперимента.
Рисунок 4. Влияние толщины слоя лесной подстилки hп на полноту очистки поверхности грунта от лесной подстилки pо (а) и потребляемую шнеком мощность Nш (б)
Figure 4. The effect of the thickness of the forest litter layer hp on the completeness of cleaning the soil surface from the forest litter pо (a) and the power consumed by the auger Nш (b)
С увеличением толщины напочвенного покрова более 20 см значительно ухудшается полнота очистки, при этом снижается также потребляемая рабочим органом мощность. Если грунтометательная машина рассчитана на работу в условиях мощного напочвенного покрова, целесообразно увеличивать глубину нарезки шнека [3].
Таким образом, шнековый рабочий орган обеспечивает приблизительно одинаковую эффективность очистки полосы обработки при толщине напочвенного покрова до 20 см, при этом.полнота очистки составляет не менее 0,86, а потребляемая мощность не более 8 кВт.
Заключение
1. Разработанная имитационная модель позволила получить кинематические и динамические характеристики (вращающий момент, частота вращения, давление в гидромоторе привода) шнекового рабочего органа в процессе очистки полосы. По мере разгона рабочего органа давление в гидромоторе снижается приблизительно по экспоненциальному закону, а частота вращения рабочего органа увеличивается также приблизительно по экспоненциальному закону до 4 об/с.
2.Взаимодействия рабочего органа с пнем приводило к появлению отрицательного тормозящего момента до 4,5 КНм. В результате этого частота вращения барабана уменьшалась от 4 об/с практически до нуля. При уменьшении частоты вращения повышалось давление в гидромоторе привода рабочего органа до 12,5 МПа. Шнековый рабочий орган обеспечивает приблизительно одинаковую эффективность очистки полосы обработки при толщине напочвенного покрова до 20 см, при этом.полнота очистки составляет не менее 0,86, а потребляемая мощность не более 8 кВт.
1. Bartenev, I.M. Research and development of the method of soil formation and delivery in the form of a concentrated flow to the edge of moving ground forest fire / I.M. Bartenev, P.I. Popikov, S.V. Malyukov // IOP Conference Series: Earth and Environmental. - 2019. - no. 226 (1). - 012052. - DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/226/1/012052.
2. Popikov P. I. i dr. Teoreticheskoe issledovanie kinematicheskih i dinamicheskih harakteristik shnekovogo rabochego organa lesopozharnoy gruntometatel'noy mashiny // Lesotehnicheskiy zhurnal. - 2021. - T. 11. - №. 3 (43). - S. 140-151.
3. Bartenev, I. M. Analiz rabochih organov tehnicheskih sredstv dlya tusheniya lesnyh pozharov / I. M. Bartenev, A. K. Pozdnyakov // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika. - Voronezh, 2020. - №1 (48). - S. 119-122. DOI:https://doi.org/10.34220/2308-8877-2020-8-1-119-122.
4. Zaitsev A. S. et al. Why are forest fires generally neglected in soil fauna research? A mini-review // Applied soil ecology. - 2016. - T. 98. - P. 261-271.
5. Lourinho G., Brito P. Assessment of biomass energy potential in a region of Portugal (Alto Alentejo) // Energy. - 2015. - T. 81. - P. 189-201.
6. Bartenev, I. M. Kombinirovannyy lesopozharnyy gruntomet i rekomendacii po ego primeneniyu \ I. M. Bartenev [i dr.] // Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2012. - №. 84. https://cyberleninka.ru/article/n/kombinirovannyy-lesopozharnyy-gruntomet-i-rekomendatsii-po-ego-primeneniyu (data obrascheniya: 10.03.2022).
7. Patent № 2762160 Rossiyskaya Federaciya, MPK E02 F 3/18 (2006.01). Lesopozharnyy gruntomet-polosoprokladyvatel' : № 2021117040; zayavl. 10.06.2021; opubl. 16.12.2021 / P.I. Popikov, I.M. Bartenev, A.K. Pozdnyakov, M.N. Lysych, V.P. Popikov, A.F. Petkov; zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VO «VGLTU im. G.F. Morozova». https://patents.google.com/patent/RU2541987C1/ru (data obrascheniya: 10.03.2022).
8. Kitun A. V. et al. Determination of power to the drive of screw mixing working bodies // Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Agrarian Series. - 2016. - №. 1. - S. 104-108.
9. Gnusov M. A., Popikov P. I., Malyukov S. V., Sherstyukov N. A., Pozdnyakov A. K. - 2020. / Povyshenie effektivnosti preduprezhdeniya i tusheniya lesnyh pozharov s pomosch'yu lesopozharnoy mashiny. // V Serii konferenciy IOP: Materialovedenie i inzheneriya (Tom 919, № 3, str. 032025). Izdatel'stvo VGD. https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-rezhimov-raboty-lesopozharnoy-gruntometatelnoy-mashiny-s-gidroprivodom-na-pokazateli-effektivnosti (data obrascheniya: 22.02.2022).
10. Thornton C., Cummins S. J., Cleary P. W. On elastic-plastic normal contact force models, with and without adhesion // Powder Technology. - 2017. - T. 315. - P. 339-346.
11. Tsunazawa, Y., Shigeto, Y., Tokoro, C., & Sakai, M. (2015). / Numerical simulation of industrial die filling using the discrete element method. // Chemical engineering science, 138, 791-809. DOI:https://doi.org/10.14419/ijet.v7i2.23.11876.
12. Guo, Y., & Curtis, J. S. (2015). / Discrete element method simulations for complex granular flows. // Annual Review of Fluid Mechanics, 47, 21-46. https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-fluid-010814-014644 (data obrascheniya: 21.01.2022).
13. Orlovskiy S. N. Metodika rascheta rabochego organa gruntometa dlya tusheniya kromki lesnogo nizovogo pozhara // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. - 2014. - №. 4 (340). - S. 52-60.
