АДАПТИВНО-МОДУЛЬНЫЙ ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ АГРЕГАТ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЛЕСНЫХ КУЛЬТУР НА ВЫРУБКАХ

 

Онучин Е. М., Алексеев А. Э. (МарГТУ, Йошкар-Ола, РФ)

 

Presented adaptive modular forestry unit helps reduce energy costs by eliminating the cost of energy to move the tractor during plowing, and by eliminating the processing areas, which are not planted trees.

 

Проведение лесовосстановительных работ на вырубках и других категориях лесокультурных площадей представляет собой сложный технологический процесс.

Лесные машины на базе колесных сельскохозяйственных тракторов не способны развить достаточных тяговых усилий для эффективного выполнения таких энергоемких операций, как подготовка лесокультурных площадей и основная обработка почвы на них, поэтому была предложена представленная на рисунке1 компоновочная схема для клумбовой основной подготовки почвы на вырубках круговыми площадками.

Лесная машина для клумбовой основной подготовки почвы на вырубках (см. рисунок 1) состоит из базового колесного трактора 1 и прицепа с полноповоротными колесами и секционной рамой, включающей секцию 2 с опорно-сцепным устройством, секцию 3 с вращающимся плугом и секцию 4 с опорными колесами, с системой подъёма опускания 5.

Вращающийся плуг, в свою очередь, состоит из опорно-поворотного устройства 6, внутри которого имеются диаметрально установленные направляющие 7, снабженного приводом вращения 8 вокруг вертикальной оси. Параллельно диагональным направляющим 7 установлен ходовой винт 9 привода дисковых плугов 10, установленных на диаметральных направляющих 7 с помощью подвижных кронштейнов 11, обеспечивающих их свободное перемещение вдоль диагональных направляющих 7 под действием ходового винта привода.

Технологическая схема работы лесной машины для клумбовой основной подготовки почвы представлена на рисунке 2. Машина на лесокультурной площади занимает рабочую позицию, при этом дисковые плуги находятся в положении, наиболее близком к центру опорно-поворотного устройства. После этого включается привод вращения опорно-поворотного устройства вокруг вер

тикальной оси, и с помощью подъёмно-навесной системы происходит опускание вращающегося плуга до заглубления плужных корпусов в почву на заданную глубину. Далее включается привод ходового винта, перемещающего дисковые плуги синхронно с вращением опорно-поворотного устройства к крайним положениям, в процессе чего происходит вспашка почвы в круговой области под вращающимся плугом. После окончания пахоты вращающийся плуг поднимается с помощью подъёмно-навесной системы в транспортное положение. Произведя обработку почвы на одной рабочей позиции, машина переезжает на следующую, на которой цикл повторяется.

 

Рисунок 1 – Общая компоновка агрегата для клумбовой основной обработки почвы на вырубках

 

Рисунок 2 – Схема работы машины для клумбовой основной подготовки почвы

 

Согласно описанному алгоритму работы часовую производительность агрегата можно определить по формуле:

, ;                                       (1)

где  – диаметр обрабатываемой площадки, м;  – время заглубления рабочих органов (2…3 с);  – время подъема рабочих органов (2…3 с);  – время выполнения рабочего хода;  – скорость возврата рабочих органов в исходное положение (0,2 м/с);  – время на смену рабочей позиции (4…7 с);

 – коэффициент обрабатываемости площади вырубки (≈0.5);

где  – обработанная площадь вырубки, м²;  – общая площадь вырубки, м².

При определении времени, затрачиваемого машиной непосредственного на пахоту, необходимо учитывать, что в процессе выполнения данной операции скорость вращения опорно-поворотного устройства постоянно изменяется (уменьшается). Это обусловлено тем, что плуги, двигаясь по спирали от центра, увеличивают плечо приложения сил сопротивления пахоте, и соответственно увеличивается момент, необходимый для вращения опорно-поворотного устройства. Увеличение этого момента достигается за счет изменения передаточного отношения вариатора согласно соотношениям:

,                                                                             (2)

где  – угловая скорость опорно-поворотного устройства,  – угловая скорость гидромотора привода,  – передаточное отношение вариатора;

,                                                                              (3)

где  – номинальный момент гидромотора привода,  – момент, необходимый для вращения опорно-поворотного устройства.

,                                                                    (4)

где W – удельное сопротивление почвы вспашке;  – ширина срезаемого плугами слоя почвы; R – среднее расстояние от центра опорно-поворотного устройства до плугов.

В свою очередь, ширина срезаемого плугами слоя почвы находится по следующей зависимости

,                                                                               (5)

где p – шаг ходового винта, i – число заходов винта,  – передаточное отношение конической передачи привода ходового винта.

Среднее расстояние от центра опорно-поворотного устройства до плугов в процессе пахоты изменяется по следующей зависимости:

,                                                                        (6)

где  – начальное расстояние от центра опорно-поворотного устройства до плугов,  – скорость движения плугов по диаметральным направляющим, t – время с начала пахоты.

Скорость движения плугов по диаметральным направляющим находится по следующей зависимости:

.                                                                   (7)

Таким образом, после подстановки вышеприведённых выражений в начальное получается уравнение, описывающее изменение угловой скорости опорно-поворотного устройства:

,                                                  (8)

где  – номинальная мощность гидромотора привода.

Приемлемым (положительным) решением данного квадратного уравнения является следующее:

                                                      (9)

Для образования полноценной клумбы опорно-поворотному устройству следует выполнить  оборотов (последний полуоборот необходим для дозавершения клумбы, плуги при этом находятся в крайних точках диагональных направляющих). Соответственно время, затрачиваемое на образование клумбы, находится из соотношения:

.                                                  (10)

На рисунке 3 представлен график потребления мощности вращающимися плугами в процессе пахоты, полученный по соотношению:

                                                                 (11)

на котором видно, что длительность переходного процесса (по потреблению мощности) составляет порядка 10…15% от времени пахоты, после чего потребление мощности практически стабилизируется и асимптотически приближается к значению номинальной мощности гидромотора привода.

Основным показателем энергозатрат при вспашке является работа, затрачиваемая для обработки единицы площади. Удельная энергоемкость процесса определяется по формуле:

 Дж/га                                                                      (12)

Главный энергосберегающий эффект предложенного способа основной подготовки почвы на вырубках достигается за счет устранения затрат энергии на перемещение трактора в процессе вспашки и за счет исключения обработки площадей, на которые не высаживаются деревья.

Это позволяет понизить потребную мощность базового трактора на 20–25%. Дополнительным положительным эффектом является также то, что рабочее усилие на плуге создаётся не за счёт тягового усилия трактора, а это позволяет существенно уменьшить его массу.

Таким образом, в масштабе технологического процесса создания лесных культур на вырубках энергоёмкость снижается за счёт устранения самых энергоёмких операций, связанных с подготовкой лесокультурных площадей (расчистка лесосек, сбор порубочных остатков, корчёвка).

Следовательно, в малообъёмных лесозаготовительных предприятиях целесообразно производство всего комплекса лесосечных и лесовосстановительных работ машинно-тракторными агрегатами на базе колёсных тракторов класса тяги 6–14 кН и активных прицепов с полноповоротными колёсами.

Предложенный агрегат для основной обработки почвы на вырубках обеспечивает высокое качество и существенное снижение энергоемкости данной операции.

 

Рисунок 3 – Зависимость производительности модульной машины для частичной подготовки почвы на вырубках от мощности, расходуемой на привод вращающихся плугов

 

Работа выполнена при финансовой поддержке министерства образования и науки РФ в рамках НИР по государственному контракту №16.515.11.5053