Воронеж, Воронежская область, Россия
Россия
В работе представлен обзор исследований рабочих процессов шнековых рабочих органов технологических машин. Отмечено, что в настоящее времени не полностью решены такие важные вопросы в теории по шнековым рабочим органам, как необходимое число витков шнека, требуемое положение спирали шнека по отношению к центру и т.п., так как решение данных вопросов может обеспечить повышенную производительность орудия. Предлагается конструктивно-технологическая схема лесопожарной машины с многофункциональными модулями, которая состоят из шнековых рабочих органов, которые возможно сменять модульно с винтовой металлической нарезкой на щеточную, в зависимости от участка и вида почвы, ротора метателя, с возможностью замены на роторы-метатели с различной формой и расположением лопаток, осуществлять привод фрез–метателей и шнековых рабочих органов как от вала отбора мощности трактора, так и от гидромоторов, регулируемого кожуха-направителя с возможностью изменять направленный поток грунта. Составлена математическая модель шнекового рабочего органа с гидроприводом для удаления напочвенного покрова с лесной подстилкой при тушении лесных пожаров грунтометом, чтобы горючие материалы не попадали вместе с потоком грунта от ротора-метателя в зону огня. Рабочий процесс гидропривода шнековых рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины описан системой дифференциальных уравнений, включающей уравнения поступательного и вращательного движений шнекового рабочего органа и уравнение расходов рабочей жидкости. Поставлена задача оптимизации кинематических и динамических параметров шнековых рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины
напочвенный покров, шнеки, лесной пожар, грунтометательная машина, рабочий процесс
Введение. Одна из основных трудностей в борьбе с лесными пожарами обычными методами, использующими воду, связана с трудной топографией и с тем фактом, что обычно нет доступных дорог, чтобы приблизить противопожарную технику к очагу возгорания. На сегодняшний день большое количество научных коллективов прорабатывают тематику тушения кромки лесного пожара почвогрунтом. Одним из эффективных средств для профилактики и ликвидации низовых лесных пожаров являются грунтометательные машины, но у них отсутствует оборудование для удаления напочвенного покрова и горючих материалов из потока грунта, подаваемого роторами-метателями в зону огня. На наш взгляд, для этих целей подходят шнековые рабочие органы, которые широко применяются на различных технологических машинах для перемещения пластичных, сыпучих и пылевидных материалов. Однако они имеют серьезные недостатки - низкая производительность и высокая энергоемкость, вследствие чего, почвогрунт прилипает на шнек и не имеет осевого перемещения, кроме этого, замечен повышенный износ винта, также возросли потери на перегрузки. Все это объясняется тем, что уровень теории по шнековым рабочим органам отстает от практических испытаний. Поэтому работа направлена на повышение эффективности применения шнековых рабочих органов на лесопожарных грунтометательных машинах и является актуальной.
Цель исследования. Повышение эффективности профилактики и тушения лесных пожаров путем обоснования кинематических и динамических параметров шнековых рабочих органов лесопожарных грунтометательных машин на основании математической модели их взаимодействия с лесным напочвенным покровом при его перемещении от кромки огня.
Материалы и методы исследования. Теории и экспериментам роторно-винтовых и шнековых машин, где шнек это движитель, посвящены работы Российских учёных: Н.Ф. Кошарного, А.Ф. Николаева, С.В. Рукавишникова, В.И. Вологдина, В.И. Захаренкова, А.П. Куляшова, В.А. Шапкина, а также зарубежных ученых: Дж. Гордона, Х. Дугоффа, Р. Эрлиха, А. Солтынского, Б. Коула и др.
В работе Т.А. Погорова [1] рассмотрен рабочий процесс шнекового рабочего органа косилки с осью вращения в горизонтальной плоскости для осуществления безподпорного среза и измельчения стеблей растений. При исследованиях технологического процесса рабочего органа шнека был определен параметр высоты зуба. Решены уравнения проекций скорости по крайним точкам зуб 1 (рис. 1) в параметрическом виде:
(1)
где 𝞿 – угол разворота ножа в плоскости Y, O, X, равен 𝞿=
;
t – время поворота зуба, с.
В результате проведенных теоретических исследований с помощью программы Microsoft Excel, были получены данные траектории ленты ножа в зоне разрезания растений в зависимости от оборотов рабочего органа, диаметра, угла подъема лезвия шнека (рис. 2).
Рисунок 1. Траектория движения ленты ножа шнекового рабочего органа относительно покрова разрезаемых растений (вид сбоку) [1]
Рисунок 2- Траектория движения лезвия ножа [1]
Конечные параметры опытов вошли в создание мелиоративной косилки КОС-2,5. Данная косилка отлично проявила себя в государственных приемочных испытаниях на Северо-Кавказской машиноиспытательном предприятии.
Закиров М.Ф. [2] провел экспериментальные исследования рабочего процесса малогабаритного шнекороторного снегоочистителя. Рабочий орган шнека, диаметром 0,3 м сделан в виде барабана с ленточной лопастью из острого листа, приваренной к валу диаметром 0,07 м, шириной 0,7 м и проходом лопасти 0,3 м, при угле подъема лезвия рабочего органа шнека всего 17,8°. Данные тензометрических датчиков указывались с преобразователя LTR-212, запитанному от ПК. В ходе испытаний на различных оборотах рабочего органа шнека использовали преобразователь Delta. В эксперименте было установлено, что при скорости движения лабораторной тележки 0,25 км/ч частоты вращения рабочего органа в диапазоне 350-450 об/мин хватает для удаления снега толщиной 110 мм. Общее сопротивление на рабочем органе возрастает в 2-5 раза, для уровня снега 120 и 26 мм. После обработки, полученных данных опытов, был получен график значений сопротивлений на шнековом рабочем органе (рис. 3).
Рисунок 3. Общее сопротивление резанию и перемещению снега шнеком [2]
Задачей будущих опытов является выявление соответствия оптимальной скорости движения базового шасси и частот вращения шнека при различных толщинах снега.
В результате исследований Липина А.А. [3] были получены картины напряженно-деформированного состояния НДС для трех типов грунтов, а) пластичной супеси, б) глины текучей в) насыщенного водой песка (рис. 4). Установлено, что для получения таких зависимостей требуется проведение трудоемких экспериментов по получению экспериментальных зависимостей «нагрузка-перемещение», возникают трудности из-за постоянно меняющейся площади контакта оболочки шнека с грунтовым основанием, также не учитывается особенности деформирования грунта при сложном напряженном состоянии. В настоящее время в области машиностроения наиболее перспективным является использование систем автоматического инженерного анализа на основе метода конечных элементов с использованием объемных моделей.
а) Пластичная супесь б) глина текучая в) насыщенный водой песок
Рисунок 4. Картина распределения перемещений [3]
Исследования А.В. Согина, А.Г. Китова, N.J. Whitehouse [5, 7] предназначены для решения вопросов технологии очистки водоемов. Донные отложения являются глинистыми грунтами, илом, песками и т.п. Проведен анализ кинематических параметров рабочих органов, физическое и механическое свойство грунта. Приведена зависимость скорости перемещения отложений по шнеку, момент сопротивлений на шнеке, объем производительности шнека от радиуса цилиндра, воспроизведены в программе Math CAD (рис. 5).
Рисунок 5. Зависимость момента сопротивления на шнеке от радиуса базовой точки шнека [5]
В работе Бартенева И.М., Малюкова С.В., Nunez-Regueira L., Parahina V.N. [4, 8, 9, 12-15] использовано математическое моделирование рабочих процессов шнековых рабочих органов лесопожарной машины, при котором лесной грунт представляется множеством (порядка 6000) шарообразных элементов (диаметром порядка 7 см). Из геометрических параметров шнекового барабана наиболее важными являются глубина нарезки (или высота винтовой полосы) h и шаг винта s. Для исследования глубины ленты был проведен компьютерный эксперимент из 7 серий, в которых изменили h от 4 до 16 см с шагом в 4 см.
Мощность, потребляемая грунтометательной машиной, около 16-24 кВт, при этом основная часть мощности потребляется шнековым барабаном, который глубоко внедрятся в почвенный покров. Оптимальная глубина нарезки шнекового барабана должна быть в пределах 8-10 см, при которой шнек практически полностью очищает рабочую полосу от напочвенного слоя, но в то же время не слишком сильно заглублен, чтобы вызвать большие потери мощности. В этом случае доля напочвенного покрова в метаемом грунте составляет 11-15 %, производительность грунтомета – около 41 кг/с, потребляемая – мощность 11-16 кВт.
Таким образом, анализ исследований, проведенных в смежных научных областях, позволяет проводить дальнейшее изучение процессов взаимодействии шнековых рабочих органов лесопожарных грунтометательных машин с напочвенным покровом.
Результаты и обсуждения. На основании совместных исследований с проф. Бартеневым И.М. [6, 9, 10, 11] предлагается конструктивно-технологическая схема лесопожарной грунтометательной машины с многофункциональными модулями: шнековых рабочих органов, которые возможно менять модульно с винтовой металлической нарезкой на щеточную, в зависимости от участка и вида почвы в зависимости от участка и вида почвы, ротора метателя с возможностью замены на роторы-метатели с различной формой и расположением лопаток, осуществлять привод фрез –метателей и шнековых рабочих органов от вала отбора мощности трактора, так и от гидромоторов, регулируемого кожуха-направителя с возможностью изменять направленный поток грунта (рис. 6).
Согласно расчетной схемы (рис.7) нами оставлена математическая модель шнекового рабочего органа с гидроприводом для удаления напочвенного покрова с лесной подстилкой, чтобы горючие материалы не попадали в зону огня вместе с потоком грунта от ротора-метателя.
рама- 1, механизм навески- 2, шнековый рабочий орган- 3, гидромотор привода шнека- 4, сферические диски- 5, съемная режущая кромка- 6, гидромоторы привода сферических дисков-7 , фрезы-метатели 8 и 9, гидромоторы привода фрез-метателей- 10 и 11, выносной гидроцилиндр- 12, вертикальная ось- 13, щитки-направители- 14, стойка- 15, рыхлитель- 16, пружины растяжения -17, опорные катки- 18.
Рисунок 6 – Конструктивно-технологическая схема лесопожарной грунтометательной машины с шнековыми рабочими органами для удаления напочвенного покрова (собственные разработки).
Рисунок 7. Расчетная схема шнекового рабочего
органа (собственные разработки)
Рабочий процесс шнековых рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины описан системой дифференциальных уравнений, включающей уравнения поступательного и вращательного движения шнекового рабочего органа и уравнения расходов рабочей жидкости в гидроприводе:
1. Лобанов, Г. Л. Математическая модель траектории движения ножей шнекового режущего аппарата в зоне резания стеблей растений / Г. Л. Лобанов, Т. А. Погоров // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2017. - №. 1 (25).
2. Закиров, М. Ф. Исследование влияния шага шнека на мощность привода питателя малогабаритного шнекороторного снегоочистителя / М. Ф. Закиров // Интеллектуальные системы в производстве. - 2015. - №. 2. - С. 56-57.
3. Липин, А. А. Статический прочностной расчет системы «шнек-грунт» / А. А. Липин, А. Д. Стрижак // Наука сегодня: глобальные вызовы и механизмы развития. - 2017. - С. 17-19.
4. 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. DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/226/1/012052.
5. Согин, А. В. Средства гидромеханизиции для очистки водных объектов от донных отложений: дисс. … док. тех. наук / А.В.Согин. - М., 2011. 360 с.
6. Бартенев, И. М. Анализ рабочих органов технических средств для тушения лесных пожаров / И. М. Бартенев, А. К. Поздняков // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - Воронеж, 2020. - №1 (48). - С. 119-122. DOI:https://doi.org/10.34220/2308-8877-2020-8-1-119-122.
7. Whitehouse, N. J. Forest fires and insects: palaeoentomological research from a subfossil burnt forest / N. J. Whitehouse // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. - 2000. - Т. 164. - №. 1-4. - С. 231-246.
8. Nunez-Regueira, L. Calculation of forest biomass indices as a tool to fight forest fires / L. Nunez-Regueira [et al.] // Thermochimica Acta. - 2001. - Т. 378. - №. 1-2. - С. 9-25. DOI:https://doi.org/10.15372/SJFS20150609.
9. Бартенев, И. М. Комбинированный лесопожарный грунтомет и рекомендации по его применению \ И. М. Бартенев [и др.] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. - №. 84.
10. Патент № 2684940 Российская Федерация, МПК Е02 F 3/18. Пожарный грунтомет-полосопрокладыватель : № 2016104672; заявл. 09.07.2018; опубл. 16.04.2019 / И.М. Бартенев, П.И. Попиков, С.В. Малюков, С.В. Зимарин, Н.А. Шерстюков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова».
11. Драпалюк, М. В. Математическая модель процесса подачи и выброса грунта рабочими органами комбинированной машины для тушения лесных пожаров / М. В. Драпалюк [и др.] //Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. - №. 84.
12. Гнусов М. А., Попиков П. И., Малюков С. В., Шерстюков Н. А., Поздняков А. К. - 2020. / Повышение эффективности предупреждения и тушения лесных пожаров с помощью лесопожарной машины. // В Серии конференций IOP: Материаловедение и инженерия (Том 919, № 3, стр. 032025). Издательство ВГД.
13. Kruggel-Emden, H., Wirtz, S., & Scherer, V. (2008). / A study on tangential force laws applicable to the discrete element method (DEM) for materials with viscoelastic or plastic behavior. // Chemical Engineering Science, 63(6), 1523-1541.
14. 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.
15. Guo, Y., & Curtis, J. S. (2015). / Discrete element method simulations for complex granular flows. // Annual Review of Fluid Mechanics, 47, 21-46.
