Результаты экспериментальных исследований по оптимизации параметров и режимов работы лесопожарного агрегата с торцовой фрезой

Введение. Одной из важнейших причин сокращения в России покрытых лесом площадей являются лесные пожары. Они способны в кратчайшие сроки негативно изменить и преобразовать окружающую среду, состояние лесного биогеоценоза, динамику и тенденции дальнейшего его развития. Проблема борьбы с лесными пожарами является одной из наиболее актуальных в лесном хозяйстве Российской Федерации. Она стала важной составной частью более общей проблемы – охраны окружающей среды.

Самой распространённой технологической операцией при локализации лесных низовых пожаров является выполнение отжига от минерализованной опорной полосы. Для прокладки опорных полос перспективно использование торцовых фрез с осью вращения, параллельной продольной оси трактора, вырезающих в лесных почвах сегментную канавку и минерализующих прилегающую к ней полосу экскавированным грунтом [1].

Изучение процессов резания минеральных грунтов и лесных почв активными рабочими органами лесохозяйственных, и в частности лесопожарных, агрегатов при прокладке опорных и заградительных минерализованных полос при локализации и тушении лесных пожаров является весьма значимым.

Цель исследований . Достижение оптимальных параметров и режимов работы роторных рабочих органов типа торцовых фрез лесопожарных агрегатов, а также определение точности теоретических расчётов [2].

В соответствии с поставленной целью была сформулирована основная задача оптимизации – обеспечение качественной опорной полосы при минимальном значении энергоемкости процесса.

Планирование экспериментальных исследований. На основании системного анализа, а также исходя из поставленной задачи, были выделены выходные факторы и параметры оптимизации, характеризующие процесс взаимодействия торцовой фрезы с лесной почвой. Все выходные факторы разделены на три группы: неуправляемые, управляемые и контролируемые.

Неуправляемые факторы включают в себя все первичные входные факторы окружающей среды. К управляемым отнесены факторы, характеризующие параметры и режимы работы торцовой фрезы.

Реализация опытов осуществлялась с применением методов теории планирования экспериментов.

Планирование эксперимента позволяет одновременно варьировать несколькими факторами и получать количественные оценки основных факторов и эффектов взаимодействия.

При проведении эксперимента принято решение изменять в опытах два фактора: x 1 – угол резания в (угол установки ножа фрезы относительно плоскости фрезерного диска); Х 2 - частоту вращения фрезы n .

Для решения задач оптимизации объекта исследований и аппроксимации опытных данных использовали математическую модель y = f ( x 1 , x 2 ), связывающую параметры оптимизации с варьируемыми факторами и их взаимодействиями

y = a0 + ax + a2x2 + a

12 x 1 x 2

где y – значения параметра измерения (энергоёмкость процесса резания);

• x 1 , x 2 – значения уровней факторов, влияющих на процесс;

• а 0 – постоянная составляющая, своего рода фон, на котором проявляется действие факторов;

• a 1 , a 2 – коэффициенты регрессии, отображающие степень влияния каждого фактора на выход процесса;

• а 12 – коэффициент регрессии, соответствующий эффектам парного взаимодействия.

Выполнение серии опытов планируется произвести в соответствии с нижеприведенной схемой (табл. 1, для ПФЭ 22 с эффектом парного взаимодействия) [3, 4].

Матрица планирования эксперимента

Таблица 1

Номер опыта	х 0	x 1	x 2	х 1 ·х 2	y оп	y р	δ i
1	1	1	1	1	y оп(1)	y р(1)	δ 1
2	1	1	-1	-1	y оп(2)	y р(2)	δ 2
3	1	-1	1	-1	y оп(3)	y р(3)	δ 3
4	1	-1	-1	1	y оп(4)	y р(4)	δ 4

В таблице 1 столбцы х 1 и х 2 задают планирование – по ним непосредственно определяются условия опытов, а столбцы х 0 и х 1 ·х 2 служат только для расчета;

• y оп – результаты экспериментальных исследований (параметр оптимизации);

• y р – результаты вычислений с использованием уравнений регрессии;

• δ i – погрешность.

Пределы варьирования факторов составляют

40 ≤ x ≤ 55 ,

• 4,5 ≤ x ≤ 9.

Размерность угла резания x 1 принимается в градусах, частоты вращения фрезы x 2 – в с^-1 .

Переход к нормированным переменным выполнен согласно таблице 2.

Характеристика плана

Таблица 2

Характеристика	x 1	x 2
Параметр z (i)н	47,5	6,75
Шаг нормирования	7,5	2,25
Нормирующие значения	z 1 - 47,5 7,5	z - 6,75 2,25

Частота вращения фрезы регулировалась за счет изменения передаточного отношения редуктора, связывающего карданный вал, идущий от вала отбора мощности трактора, с карданным валом привода фрезы. Угол резания регулировался подкладыванием шайб под болты крепления ножей фрезы к диску.

Объект исследований. В качестве объекта исследований и воздействия на лесные почвы на кафедре технологий и машин природообустройства (ТМП) СибГТУ был спроектирован и изготовлен натурный образец лесопожарного агрегата на базе самоходного шасси Т-16 М (табл. 3).

Техническая характеристика лесопожарного агрегата

Таблица 3

Параметр	Единица измерения	Числовое значение
Тип орудия		Навесное
Базовые трактора		Т-16 М
Тип рабочего органа		Торцовая фреза
Частота вращения рабочего органа n	с-1	4,5 и 9
Радиус фрезы по концам ножей R ф	м	0,3
Количество ножей z	шт.	6
Угол наклона режущей кромки ножа относительно радиуса фрезерного диска торцовой фрезы α	град	56
Глубина резания регулируется опорной лыжей

Из анализа научной литературы следует, что качественная опорная полоса достигается при толщине грунта на поверхности ЛГМ 3–4 см. При площади вырезаемого сегмента 0,05 м2 (табл. 4) обеспечивается ширина покрытия 1–1,5 м (рис. 1), что является достаточным для предотвращения низового пожара [5].

Минерализованная опорная полоса

Результаты экспериментальных исследований

Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице 4.

Результаты испытаний лесопожарного агрегата

Таблица 4

Параметр	n = 9 с-1, β=40°	n = 4,5 с-1, β=40°	n = 9 с-1, β=55°	n = 4,5 с-1, β=55°
Глубина борозды, см	15		15
Ширина борозды, см	50		50
Ширина полосы, см	131	116	142	121
Мощность привода, кВт	10,14	5,07	11,51	5,45
Коэффициент загрузки фрезы по моменту η	0,51	0,28	0,57	0,29
Энергоёмкость резания из опыта, кВт · ч/м3	0,125	0,067	0,149	0,071
Энергоёмкость резания расчётная, кВт · ч/м3	0,139	0,075	0,167	0,082
Скорость движения, м·с-1	0,4

Результаты реализации плана эксперимента после серии опытов и обработки экспериментальных значений представлены в таблице 5.

Результаты экспериментальных исследований

Таблица 5

Номер опыта	х 0	x 1	x 2	х 1 ·х 2	z 1	z 2	y оп	y р	δ i
1	1	1	1	1	55	9	0,148658769	0,148658769	2,78·10-17
2	1	1	-1	-1	55	4,5	0,070584064	0,070584064	1,39·10-17
3	1	-1	1	-1	40	9	0,131003985	0,131003985	0
4	1	-1	-1	1	40	4,5	0,066549968	0,066549968	0
Σδ=									4,17·10-17

После нахождения коэффициентов уравнение регрессии имеет следующий вид:

y = 0,10419919 7 + 0,00542222 • x , + 0,035632181 • х₂ +

+ 0,00340517 2 • х • х₂.                                   (2)

Так как разность между соответствующими значениями опытных и расчетных по уравнению регрессии результатов Σδ <  1, т.е. меньше погрешности измерения, следовательно, линейная аппроксимация хорошо описывает действительную зависимость y = f·(x 1 , x 2 ) [3].

Проверка гипотезы об адекватности уравнений регрессии по F -критерию Фишера показала, что уравнение является адекватным. Независимая проверка коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента выявила значимость всех коэффициентов при факторах x 1 и x 2 и при их взаимодействиях, так как величина расчетных значений критериев Стьюдента t Pi по абсолютной величине больше табличного значения t таб = 2,78 (табл. 6).

Расчетные значения критериев Стьюдента для коэффициентов регрессии

Таблица 6

	а 0	а 1	а 2	а 12
	0,104199197	0,00542222	0,035632181	0,003405172
t Pi	6,71567·1015	3,49464·1014	2,2965·1015	2,19464·1014

Заменив нормированные отклонения х 1 и х 2 параметрами z 1 , z 2 , получим зависимость y р = f·(z 1 , z 2 )

y = 0,10419919 7 + 0,00542222 -I —1

• -47                (z -6 75^

• -^75 1 + 0,035632181 -1 ^— 2— 675 1 +

7,5 J                 t 2,25 J

+ 0,00340517 2 •

- 47 , 5 1 ( z₂ - 6 , 75 1 ---------------------------------- I • I ------------------------------------------------ I

II                     I .

7 , 5 J t 2 , 25 J

После преобразования получаем формулу, являющуюся статистической моделью изучаемого процесса y = 2,7660195 • 10-2 + 6,3910613 • 10-4 • — + 6,2515963 • 10-3 • —2 +

+ 2 , 0178797 •Ю ^{- 4} • z 1 • z ₂ .

По уравнению регрессии можно оценить относительную степень влияния факторов на изменение выходной величины, для этого используем значение критерия t Pi (табл. 6); чем он больше, тем сильнее влияние соответствующего фактора на изменения выходной величины. Важную информацию несут знаки коэффициентов регрессии: если линейный коэффициент положителен, то выходная величина возрастает с увеличением соответствующего фактора и наоборот. На основании этого можно сделать вывод, что наибольшее влияние на выходную величину оказывает частота вращения фрезы, а меньшее влияние – угол резания; стоит отметить, что с увеличением данных факторов критерий оценки увеличивается. Также влияние на выходную величину оказывает и парное взаимодействие сочетания частоты вращения фрезы и угла резания, с увеличением этих факторов выходная величина увеличивается.

Обоснование параметров и режимов работы лесопожарного агрегата. Экспериментальные исследования фрезерных рабочих органов на натурном образце лесохозяйственного агрегата показали удовлетворительную сходимость результатов с теоретическими значениями. Расхождение результатов не превышает 10,2 %, что позволяет сделать вывод об адекватности методики расчета и достоверности полученных результатов [6, 7], а также, используя метод покоординатного спуска, провести оптимизацию параметров и режимов работы торцовой фрезы для данного лесохозяйственного агрегата (табл. 7).

Таблица 7

Оптимальные параметры и режимы работы лесопожарного агрегата с торцовой фрезой на базе Т-16М

Трактор	V дв , м·с-1	R ф , м	z, шТ .	n, с-1	α, град	β, град	η Т	ΣN, кВТ	ΣE, кВТ·ч/м3
Т-16M	0,4	0,3	6	4,5	52,26	23,01	0,49	7,02	0,08514

Примечание: V дв – скорость движения агрегата; ΣN – суммарная мощность, затрачиваемая на процесс фрезерования лесной почвы; ΣE – полная энергоёмкость процесса фрезерования лесной почвы.

Выводы

На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

• 1.    Уменьшение угла резания β вызывает снижение энергоёмкости резания почв. Величина минимально допустимых значений угла обуславливается механической прочностью ножа и угла его установки относительно плоскости фрезерного диска.

• 2.    Изменение частоты вращения фрезы в сторону увеличения вызывает возрастание энергоёмкости резания лесной почвы, что можно объяснить увеличением затрат энергии на метание почвенной стружки с учётом действия инерционных сил.

• 3.    Экспериментальные исследования, выполненные с применением теории планирования экспериментов, позволили оценить достоверность аналитического расчета, а также показали относительную степень влияния варьируемых факторов на энергоемкость процесса фрезерования лесной почвы, исходя из чего была проведена оптимизация параметров и режимов работы лесопожарного агрегата.

Заключение. Результаты работы имеют практическое внедрение, данный агрегат передан в Мининский опытно-механизированный лесхоз Агентства лесной отрасли при администрации Красноярского края и успешно используется на прокладке минерализованных опорных полос с целью профилактической защиты лесных поселков и тушения лесных пожаров.