Моделирование рабочего процесса лесной фрезерной почвообрабатывающей машины с двухпоточным предохранительным устройством

Литература

1. Ваганов, Е.А. История климата и частота пожаров в Центральной части Красноярского края. 1. Климатические условия сезона роста и распределение пожаров в сезоне / Е.А. Ваганов, М.К. Арбатская // Сиб. экол. журн. - 1996а.- №1. - С. 9-18.

2. Винокуров, В.Н. Машины и механизмы лесного хозяйства и садово-паркового строительства: учеб. для вузов / В.Н. Винокуров, Г.В. Силаев, А.А. Золаторевский; под ред. В.Н. Винокурова. - М.: Академия, 2004. - 400с.

3. Гришин, А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними / А.М. Гришин. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1992. - 408 с.

4. Коровин, Г.Н. Интегрированная система мониторинга лесных пожаров / Г.Н. Коровин, С.А. Барталев,

А.И. Беляев //Лесн. хоз.-во. - 1998. - №4. - С.45-48.

5. Мелехов, И.С. Лесные пожары и борьба с ними / И.С. Мелехов; Севкрайгаз. - Архангельск, 1935.

6. Уоринг, Ф. Рост растений и дифференцировка / Ф. Уоринг, И. Филлипс. - М.: Мир, 1984.

7. Фелленберг, Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию: пер. с нем. / Г. Фел-ленберг. - М.: Мир, 1997. - 232с.

8. Лесозаготовительные машины: учеб. пособие / сост. Е.М. Рунова, В.А. Иванов, А.Н. Сухих, М.В. Беженцев. - Братск: Изд-во ГОУ ВПО ЪрГУ”, 2007. - 171 с.

УДК 631.31 И.Н. Журавлёв, С.В. Пономарев

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ЛЕСНОЙ ФРЕЗЕРНОЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ МАШИНЫ С ДВУХПОТОЧНЫМ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ

Разработана имитационная компьютерная модель фрезерной почвообрабатывающей машины с двухпоточным предохранительным устройством фрикционного типа. Модель адекватно описывает срабатывание предохранителя при стопорении фрезерного барабана препятствием. Исследование с помощью модели показывает, что фреза быстрее выходит на рабочий режим после схода с препятствия при использовании фрикционных материалов с высоким коэффициентом вязкого трения. Максимальный угол закручивания вала фрезы в момент встрече с камнем может достигать 3,5° и вызвать поломку вала.

Ключевые слова: фрезерная машина, рабочий процесс, предохранительное устройство, моделирование.

I.N. Zhuravlyov, S.V. Ponomarev

MODELLING OF THE WORKING PROCESS OF FOREST MILLING SOIL-CULTIVATING MACHINE WITH TWO-LINE SAFETY DEVICE

Imitation computer model of milling soil- cultivating machine with two-line friction type safety device is developed. The model adequately describes the operation of the fuse in case of milling drum stopping by the obstacle. Investigation by means of the model shows that the milling cutter begins to operate in the working regime quicker when the obstacle comes off and if we use the friction materials with high coefficcient of sticky friction. The maximum angle of milling cutter shaft twisting at the moment of encountering the stone may reach 3,5 ° and cause shaft damage.

Key words: milling machine, working process, safety device, modelling.

При обработке лесной почвы рабочие органы фрезерных почвообрабатывающих машин часто встречаются с препятствиями различных типов: с пнями, остатками пней, наземными и подземными корнями, камнями [1]. Эти препятствия могут вызвать поломку рабочих органов, так как ножи фрезы движутся в почве с большой скоростью. На лесных фрезерных культиваторах КФЛ-1,4, террасерах и других машинах применяется центральный привод от вала отбора мощности трактора (ВОМ) на два спаренных барабана [2]. Вращение передается обычно через коническо-цилиндрический редуктор, цепные передачи и две фрикционные муфты на каждый барабан. С целью более эффективной защиты рабочих органов от поломок авторами

предложено использовать более компактное двухпоточное предохранительное устройство фрикционного типа [3]. На фрезерной почвообрабатывающей машине вал выполнен в виде двух частей, на концах которых неподвижно смонтированы полумуфты 3 и 7, имеющие с двух сторон фрикционные элементы 4, причем по-лумуфты разделены центральным диском с зубчатым венцом 6, входящим в зацепление с приводной шестерней 2, а с внешних сторон полумуфт установлены нажимные диски 5, соединенные между собой регулировочными болтами с пружинами 8. При контакте любого из фрезерных барабанов 1 или 9 с препятствием происходит пробуксовывание ведущего центрального диска 6 и соответствующей ведомой полумуфты 3 или 7 (рис. 1). В результате этого фрезерный барабан механически разъединяется с ведущей частью системы, существенно замедляет вращение и постепенно преодолевает препятствие. В то же время второй фрезерный барабан не прекращает обработку почвы. После преодоления фрезерной машиной препятствия застопоренный фрезерный барабан снова раскручивается под действием сил фрикционного трения и продолжает обработку почвы.

Рис. 1. Схема фрезерной почвообрабатывающей машины с двухпоточным предохранителем

Для исследования динамики рабочего процесса фрезерной машины с предложенным двухпоточным предохранительным устройством и оптимизации его параметров разработана имитационная компьютерная модель [4]. Вращающиеся части почвообрабатывающей фрезы в рамках модели представляются пятью телами вращения: ведущая часть системы (Л), ведомые полумуфты (Лл, Лп) и фрезерные барабаны (^2, Лз) (рис. 2). Ведущая часть вращается под действием рабочего момента Мр, передаваемого от вала отбора мощности, фрезерные барабаны испытывают сопротивление Мг{!) и Мз(0 со стороны обрабатываемой почвы. Считается, что фрезерный барабан соединен с фрикционной полумуфтой валом, допускающим упругую вращательную деформацию с коэффициентом жесткости С и коэффицентом демпфирования в.

2

М2 С

С

1—

1 в

Мф V/ Мф

МР

Л

С

—1

1 в

С Мз

Рис. 2. Расчетная динамическая схема фрезерной почвообрабатывающей машины

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Математическое описание механизма в целом базируется на использовании основного уравнения динамики вращательного движения, в частности, для фрезерного барабана J2 (аналогично для J) можно записать

Jnip —^{<р — <р —/3 ф — ф —

где ф2, фл - угловое положение фрезерного барабана и фрикционной полумуфты.

Фрикционные полумуфты Jл и Jn вращаются либо совместно с ведущим диском J как единое тело, либо, в случае стопорения фрезы препятствием, - как отдельные тела. В последнем случае для Jл (аналогично для Jn) получаем следующее уравнение:

J.n<P = - -ф_+Р Ф__ -ф_- Цр.

где - момент сил трения, который определяется физическими параметрами фрикционных пар, угловой нагруженностью пары (М? - М2), угловой скоростью на поверхностях контакта .

Для исследования системы дифференциальных уравнений вида (1) и (2), описывающей работу машин, нами разработана компьютерная программа (рис. 3) на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.0. В программе производится численное интегрирование системы дифференциальных уравнений модифицированным методом Эйлера-Коши [5]. Программа позволяет вводить основные конструктивные и технологические параметры фрезерной машины и проводить компьютерные эксперименты по стопорению одного или одновременно двух фрезерных барабанов. На экран выводится

схематичное изображение машины в реальном времени для визуального контроля правильности работы

предохранителя, а также временные зависимости основных характеристик: момента сопротивления вращению фрезы ЩО, угловой скорости фрезы Ш2(0, угла закручивания вала фрезы Дф2(0.

С13 |1 ООООО

Betl 2 |200 Ве113 |200

Рис. 3. Интерфейс программы для исследования эффективности двухпоточного предохранителя

фрезерной почвообрабатывающей машины

Для типичных значений конструктивных и технологических параметров фрезерной машины компьютерный эксперимент позволил получить следующие временные зависимости (рис. 4). При встрече препятствия одним из фрезерных барабанов происходящие процессы можно разделить на четыре этапа (рис. 4). На этапе I фрезерный барабан вращается, испытывая сопротивление только со стороны обрабатываемой почвы. В момент времени I = 0,5 с фрезерный барабан входит в контакт с препятствием, вследствие чего проис-

ходит резкий всплеск момента Щ/), который вызывает всплески угловой скорости и угла закручивания вала. На этапе II происходит постепенное затухание колебаний, вызванных ударом о препятствие. На этапе III фрезерный барабан является застопоренным препятствием (его угловая скорость Ы2 равна 0), а момент М2 и угол закручивания вала Дф2 имеют постоянные значения. В момент времени / = 0,9 с фрезерный барабан теряет контакт с препятствием и на протяжении этапа IV постепенно раскручивается, возвращаясь в рабочее состояние.

М2(?), кН-м 15

О' 0,0

^2(0, рад/с -

40

20

О

-20 0,0

I и \ III IV

1,5 ?, с

1,5 ?, с

Рис. 4. Основные выходные параметры компьютерного эксперимента

Для изучения влияния параметров фрикционных материалов на эффективность предохранительного устройства проведены два компьютерных эксперимента с коэффициентами вязкого трения 20 и 80 Н^м^с/рад (рис. 5). При большем коэффициенте трения угловая скорость Ш2, во-первых, испытывает меньший всплеск при контакте с препятствием (в момент времени t « 0,6 с), а во-вторых, быстрее выходит на постоянное значение Ы0 после схода фрезы с препятствия. Таким образом, целесообразно использовать фрикционные пары с возможно большим коэффициентом вязкого трения.

0,5

,0

Рис. 5. Зависимость коэффициента кинетического трения Ксц от времени выхода на рабочий режим

Модель позволяет также изучить влияние условий эксплуатации. В частности, проведено два компьютерных эксперимента с различными параметрами стопорящего препятствия (рис. 6). В одном из экспериментов выбраны параметры, соответствующие вязкоупругому взаимодействию фрезы с камнем (С = 20 кН^м/рад, в = 0,1 кН^с/рад2), в другом эксперименте - взаимодействию фрезы с пнем (С = 5 кН^м/рад, р = 0,4 кН^с/рад2) [6]. При стопорении фрезы камнем максимальный угол закручивания вала фрезерного барабана достигает

0,062 рад (3,51О), что может привести к поломкам вала.

Рис. 6. Зависимость максимального угла закручивания вала фрезы от вида препятствия

Универсальность разработанной модели позволит в дальнейшем провести подробное систематическое исследование, в рамках которого может быть изучено влияние параметров машины (моментов инерции, частоты вращения, упругих свойств вала), параметров стопорящего препятствия (вязкоупругих свойств, размеров, частоты встреч) и параметров фрикционной пары (параметров фрикционных материалов, регулировочного момента, давления в области контакта поверхностей).

Выполненное в данной работе теоретическое исследование фрезерной почвообрабатывающей машины позволило сделать следующие выводы:

1. Разработана математическая модель функционирования фрезерной почвообрабатывающей машины, оснащенной предохранительным устройством фрикционного типа. Модель позволяет по заданным параметрам фрезерной машины и условиям ее эксплуатации определить временные зависимости основных кинематических характеристик механизма, а также значения критических параметров, способных вызвать поломку механизма.

2. В процессе обработки почвы фрезерной машиной возможны четыре типа динамических процессов, отличающихся по характеру действия сил или протеканию переходных процессов: свободное вращение, удар о препятствие, стопорение препятствием, сход с препятствия и раскручивание.

3. Использование фрикционных материалов для узла трения с высоким коэффициентом вязкого трения позволяет застопоренной фрезе быстрее выходить на рабочий режим после схода с препятствия.

4. При стопорении фрезы препятствиями с высокими значениями коэффициента жесткости (например, камнями) возникающие в переходном процессе колебания приводят к увеличению максимального угла закручивания вала фрезы (более 3,50) и могут вызвать поломку вала.

Литература

1. Карамышев, В.Р. Новые и улучшенные средства защиты лесохозяйственных машин от перегрузок (конструкции и расчет) / В.Р. Карамышев; ВЛТИ. - Воронеж, 1986. - 147 с. - Деп. в ВНИПИЭИлеспром 22.07.86, №1796-лб.

2. Попиков, П.И. Повышение эффективности гидрофицированных машин при лесовосстановлении на вырубках / П.И. Попиков. - Воронеж: Изд-во ВГЛТА, 2001. - 156 с.

3. Пат. №36599 (Российская Федерация) МПК7 А01 В33/02. Фрезерная почвообрабатывающая машина /

В.Р. Карамышев, И.Н. Журавлев; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. - опубл. 20.03.2004, Бюл. № 8.

4. Советов, Б.Я. Моделирование систем: учеб. пособие / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. - М.: Высш. шк., 1998. - 319 с.

5. Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ: учеб. / под ред. Е.Ю. Малиновского. - М. : Машиностроение, 1980. - 216 с.

6. Синеоков, Г.Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин: учеб. / Г.Н. Синеоков, И.М. Панов. -М.: Машиностроение, 1977. - 328 с.