Направления совершенствования динамического лункообразователя

Для механизации подготовки лунок для посадки растений при восстановлении леса на не-раскорчеванных вырубках с каменистыми почвами в Петрозаводском университете разработан динамический лункообразователь типа Л-2У [5]. Теоретическое обоснование проектных параметров для опытных образцов и опытных партий динамических лункообразователей типа Л-2У выполнено в работах [1], [2], [3], [4], [5], однако при переходе от испытаний к производственной эксплуатации возникли как непредвиденные поломки при взаимодействии с препятствиями (удары о камни, пни) на вырубках, так и ряд новых идей по расширению функциональных возможностей машины. В настоящее время исследовательские работы рекомендуется вести в следующих основных направлениях: 1. Анализ нагруженности основных рабочих органов лункообразователя типа Л-2У при работе в среде препятствий (пни, камни) на вырубке с целью научного обоснования коэффициентов динамичности, необходимых для проектных и конструкторских работ при создании и совершенствовании машины. 2. Обоснование размеров, формы и типа поперечного сечения основных рабочих органов лункообразователя типа Л-2У, обеспечивающих минимальную металлоемкость конструкции при заданных параметрах нагружения машины при работе в среде препятствий. 3. Расширение тех нологических возможностей лункообразователя типа Л-2У путем обоснования проектных параметров рабочих органов и приспособлений, обеспечивающих подготовку почвы и посев семян.

В рамках исследований по первому направлению были выполнены исследования нагруженности рабочих органов машины при работе в среде препятствий на вырубке [1], [2], [3], [4], также была разработана новая методика [2], [4] моделирования соударения элементов лункообразователя типа Л-2У с препятствиями на вырубке, развивающая ранее выполненные исследования [1], [5]. Установлено (рис. 1, 2), что при ударе иглой на конце рычага Л-2У (наиболее опасная ситуация) о камень коэффициент динамичности равен к = 465, напряжение изгиба о = 275,9 МПа, что больше допускаемого напряжения на изгиб углеродистой стали 5 (200 МПа), но меньше, чем предел ее прочности о _B = 500.. .620 МПа (для легированных сталей о B = 800.. .1000 МПа) [6]. При ударе иглой на конце рычага Л-2У о минеральную почву коэффициент динамичности равен k_dn = 22, напряжение изгиба о = 12,8 МПа, что не превышает допускаемое напряжение на изгиб углеродистой стали 5 (200 МПа) [6].

Коэффициент перегрузки материала рычага (определяется как отношение коэффициента динамичности при соударении иглы на конце рычага с камнем к аналогичному коэффициен-

ту при соударении с почвой) составляет k_пер = 21. В перспективном варианте конструкции модернизированного динамического лункообразова-теля типа Л-2М (патенты РФ № 56 766, № 75 910) предусмотрен одноплечий рычаг, то есть без хвостовой части (рис. 4). В этом случае длина рычага равна 1,26 м. Другие характеристики рычага остаются без изменений по сравнению с Л-2У. В результате расчетов для двух аналогичных ситуаций соударения рабочего органа перспективного лункообразователя установлено, что при ударе иглой на конце рычага Л-2М о камень коэффициент динамичности равен k_din = 191, напряжение изгиба σ = 187,8 МПа, что не превышает допускаемого напряжения на изгиб углеродистой стали 5 (200 МПа) и меньше, чем предел ее прочности σ _B = 500…620 МПа [6]. При ударе иглой на конце рычага Л-2М о минеральную почву коэффициент динамичности равен k_din = 49, напряжение изгиба σ = 49,7 МПа, что не превышает допускаемое напряжение на изгиб углеродистой стали 5 (200 МПа) [6]. Коэффициент перегрузки материала рычага составляет k_пер = 4, что значительно ниже, чем в случае лункообразователя типа Л-2У.

Рис. 1. Зависимость перемещений точек хвостовой (короткие) и передней (длинные волны) частей рычага от времени при соударении иглы с камнем. По оси ординат – перемещение в метрах, по оси абсцисс – время в секундах

Рис. 2. Изменение величины изгибающего момента по длине рычага при соударении иглы с камнем. По оси ординат – величина момента в ньютон-метрах, по оси абсцисс – расстояние от левого торца хвостовой части рычага в метрах;

M _max = 27917,5 Н ∙ м

В рамках исследований по второму направлению были выполнены исследования по обоснованию наилучшего профиля поперечного сечения основного рабочего органа динамического лункообразователя – рычага с шарнирно закрепленной на его конце иглой – по критерию минимальной металлоемкости [3]. По конструктивным соображениям рычаг лункообразовате-ля Л-2У изготавливается как двуплечий, коробчатого сечения, сварной из двух швеллеров № 12

(по ГОСТ 8240-97), материал сталь 5 (рис 3 а ) [5]. Для сравнения с имеющейся формой профиля поперечного сечения рычага были выбраны следующие предпочтительные с конструктивной точки зрения формы полых поперечных сечений (рис. 3 б , в , г , д ): квадратная, прямоугольная, круглая и овальная.

Рис. 3. Формы полых поперечных сечений рычага: а – коробчатое из двух швеллеров; б – квадратное; в – прямоугольное; г – круглое; д – овальное; h – высота сечения, м; b – ширина сечения, м; d , t – толщина стенки сечения, м

Результаты сравнения сечений рычага Сравнение по моменту инерции

№	h , м	b , м	J Х , м4	d , м	t , м	m П, кг/м
а	0,12	0,104	608 ∙ 10–8	0,0048	0,0078	20,80
б	0,12	–	608 ∙ 10–8	–	0,0062	22,06
в	0,12	0,104	608 ∙ 10–8	–	0,0071	23,28
г	0,12	–	608 ∙ 10–8	–	0,0122	32,48
д	0,12	0,104	608 ∙ 10–8	–	0,0147	35,22

Сравнение по моменту сопротивления

№	h , м	b , м	WХ	, м3	d , м	t , м	m П, кг/м
а	0,12	0,104	101 ∙	10–6	0,0048	0,0078	20,80
б	0,12	–	101 ∙	10–6	–	0,0081	28,39
в	0,12	0,104	101 ∙	10–6	–	0,0091	29,39
г	0,12	–	101 ∙	10–6	–	0,0157	40,38
д	0,12	0,104	101 ∙	10–6	–	0,0184	42,47

Сравнение по полярному моменту сопротивления

№	h , м	b , м	WP	, м3	d , м	t , м	m П, кг/м
а	0,12	0,104	84 ∙	10–6	0,0048	0,0078	20,80
б	0,12	–	84 ∙	10–6	–	0,0051	18,51
в	0,12	0,104	84 ∙	10–6	–	0,0091	29,39
г	0,12	–	84 ∙	10–6	–	0,0055	15,45
д	0,12	0,104	84 ∙	10–6	–	0,0061	15,93

Примечание. h – высота сечения, м; b – ширина сечения, м; d , t – толщина стенки сечения, м; J_Х – момент инерции сечения, м⁴; W_Х – момент сопротивления сечения, м³; W_P – полярный момент сопротивления сечения, м³; m _П – погонная масса рычага, кг/м

Результаты сравнения представлены в таблице (нумерация профилей поперечных сечений принята по рис. 3). Установлено, что наилучшим образом сопротивляется изгибам во всех направлениях поперечное сечение, профиль которого сформирован из двух швеллеров № 12

с уклоном внутренних полок (по ГОСТ 824097). Квадратный полый профиль поперечного сечения можно рекомендовать для тех случаев, когда изготовление рычага из двух швеллеров представляется нецелесообразным. Дальнейшие исследования в этой области рекомендуется вести в направлении подбора стандартных конструктивных элементов для профиля сечения с помощью комплексов специальных программ для ПЭВМ типа «SCAD Office», «ЛИРА» и др., а также изучить перспективы изготовления рычага из профиля нестандартного сечения.

В рамках исследований по третьему направлению были разработаны два варианта высевающего устройства к лункообразователю: механическое [1], [2] и более совершенное – пневматическое (рис. 4).

Рис. 4. Лункообразователь типа Л-2М с установленным пневматическим высевающим приспособлением

Механическое высевающее устройство является сменным приспособлением к лункообра-зователю Л-2У, устанавливаемым вместо игл. Приспособление предназначено для строчнолуночного посева мелких сыпучих семян (преимущественно хвойных древесных пород) по минерализованным полосам одновременно с об- работкой почвы. Лункообразователь типа Л-2М с пневматическим высевающим приспособлением содержит (рис. 4): остов (1), навесное устройство (2) для соединения с трактором (трактор не показан), по бокам остова смонтированы рычаги (3) с шарнирными иглами (4), регуляторы энер -гии в виде пружин сжатия (5), лыжеобразные полозы (6), оснащенные снизу устройствами для поверхностной обработки почвы (7), на остове также смонтировано устройство для выделения порций семян с воздухонагнетателем (8), внутри остова проложены семяпроводы (не показаны), заканчивающиеся выходными окнами (9) на лыжеобразных полозах. Лункообразователь типа Л-2М с пневматическим высевающим приспособлением без дополнительной переналадки режимов работы обеспечивает подготовку ямок для посадки растений, посев семян или поверхностную обработку почвы для восстановления леса на вырубках. В настоящее время коллективом авторов ведутся исследовательские и опытноконструкторские работы по обоснованию проектных параметров лункообразователей типа Л-2У и Л-2М, оснащенных высевающими приспособлениями, а также разработка технологий их рационального применения на вырубках в среде препятствий.

ВЫВОДЫ

• 1.    Динамический лункообразователь типа Л-2У со сменными высевающими приспособлениями позволяет механизировать трудоемкие работы по подготовке почвы для посадки растений, посев лесных семян и содействует естественному лесовозобновлению.

• 2.    Представленные в статье направления исследований и уже достигнутые результаты позволяют успешно завершить работы по созданию эффективной, универсальной машины для лесовосстановления на основе динамического лункообразователя типа Л-2У, работоспособной в среде препятствий (пни, камни) на вырубках.

* Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития (ПСР) ПетрГУ в рамках реализации комплекса мероприятий по развитию научно-исследовательской деятельности на 2012–2016 гг.