Введение
Одна из наиболее актуальных проблем лесного хозяйства – проблема борьбы с лесными пожарами, которая в настоящее время вышла за рамки лесной отрасли и стала важной частью охраны природы и окружающей среды, социально-государственной задачей в обеспечении безопасности населенных пунктов и жизни человека. Самыми эффективными для профилактики и ликвидации низовых лесных пожаров являются грунтометательные машины [1;2]. Процесс метания грунта в количестве, достаточном для тушения лесной наземной кромки огня, представляет собой сложную систему взаимодействия рабочего органа со средой сыпучих элементов. Основная проблема, на наш взгляд, связана с недостаточным объемом почвогрунта, подаваемым существующими агрегатами.
Для повышения качества подготовки почвенного вала перед фрезами-метателями при создании противопожарных минерализованных полос применяются вырезные дисковые рабочие органы с гидроприводом [3]. В ходе серии экспериментов было установлено, что изменение угла атаки дисков оказывает существенное влияние на качество подготовки почвы и потребляемую мощность принудительного вращения от гидромоторов.
Процесс создания новой и усовершенствования существующей лесной техники, в том числе лесопожарной, производится при помощи математического и имитационного моделирования. В работах [4-6] представлены математические модели взаимодействия рабочих органов лесопожарной грунтометательной машины с почвогрунтом. При исследовании использовался метод многофакторного теоретического изучения процессов формирования почвенного потока, его движения в воздухе и воздействия на опушку лесного пожара с использованием созданной модели. Разработаны компьютерные программы, позволяющие исследовать влияние основных параметров рабочих органов на производительность, качество и энергоемкость лесопожарной грунтометательной машины.
Повышение эффективности рабочего процесса лесопожарной грунтометательной машины может быть достигнута за счет обоснования параметров энергосберегающего гидропривода ротора-метателя, который позволил уменьшить количество срабатываний предохранительных клапанов при встрече ротора-метателя с препятствиями в виде пней и крупных боковых корней [7].
В работе [8] получены формульные соотношения для модели в рамках физики полёта материальной точки под углом к горизонту при минимальном влиянии внешней среды (пренебрежимо малой вязкости воздуха) Тем не менее, для моделирования метания грунта в «кромку огня» вязкость воздуха может иметь важное значение, поскольку при увеличении температуры от 20 до 1200 градусов Цельсия кинематическая вязкость воздуха возрастает с 15,06·10-6 м2/с до 233,7·10-6 м2/с (то есть в 15 раз). С помощью этих соотношений модели можно определять в результате вычислительного эксперимента величину средней дальности полёта грунта. Физико-механические свойства почвогрунта многие авторы учитывают с использованием метода частиц [9]. Для обоснования модели используется тот факт, что в основе всего разнообразия бессеточных методов лежит концептуальный подход метода частиц.
Однако проведённых исследований взаимодействия ротора-метателя с почвогрунтом и его метания на кромку огня недостаточно для обоснования кинематических и динамических параметров.
Целью данной работы является повышение эффективности профилактики и тушения лесных пожаров грунтом, путем обоснования параметров грунтометательной машины на основе имитационного моделирования рабочего процесса ротора-метателя.
Материалы и методы
В качестве прототипа для проведения имитационного моделирования предложили и использовали конструкцию лесопожарной грунтометательной машины (рисунок 1), в которой осуществляется полная подача почвенного вала одновременно ко всем лопаткам многоступенчатого ротора-метателя [10].
Приведённая конструкция содержит: механизм навески 1, раму 2, наклонные ножи 3, кожух-рыхлитель 4, лопатки 5, многоступенчатый ротор-метатель 6, гидромотор 7, скобы с лемехом 8, лотка-подъемник 9.
The above design contains: a suspension mechanism 1, a frame 2, inclined knives 3, a ripper casing 4, blades 5, a multistage rotor-thrower 6, a hydraulic motor 7, brackets with a ploughshare 8, a tray-lift 9.
При однородном почвогрунте средний диск будет выбрасывать большую часть почвогрунта (более 12, 53%) по траектории с максимальной дальностью. Тогда как углы метания первого диска ротора-метателя будут соответствовать баллистическим и их дальность не будет превышать 6 м. Неоднородность почвогрунта в модели будет характеризоваться комбинированным разбросом углов по дискам.
Поскольку основной частью исследуемого рабочего процесса является собственно процесс метания почвогрунта и выявление зависимости его кинематических параметров от таких технологических параметров ротора-метателя, как скорость вращения, то на этапе исходного приближения необходимо определить базовые предположения для процесса кинематики полета грунта. Для решения этой задачи можно использовать модель поступательного движения материальной точки в поле силы тяжести, выброшенной под углом α к горизонту с высоты hмет с начальной скоростью Vмет. В этой модели движение материальной точки можно моделировать в двухкоординатном приближении, тогда при условии малости сопротивления воздуха в направлении метания (X) можно с большой долей вероятности полагать о постоянстве скорости, а в перпендикулярном направлении движения (Y) наличии ускорения (ускорения свободного падения g). Тогда зависимость координат от времени будет определяться известными соотношениями:
(1)
Длительность полёта почвогрунта τ можно определить из вполне логичного предположения, что в момент времени падения y(t)=0. Таким образом, в результате решения квадратного уравнения получим модельное соотношение:
(2)
С учётом (1) дальность метания будет определяться формульным соотношением:
(3)
Соотношение (3) определяет кинематический параметр процесса метания почвогрунта в зависимости от угла вылета, величины скорости изначальной высоты метания. Эти параметры в случае использования трёхступенчатого ротора-метателя будут определяться такими конструктивными параметрами, как радиусы дисков, длина и угол наклона лопатки с учётом соотношений (1 и 2).
При нулевом угле наклона лопатки величина угла метания полностью определяется соотношением (2). Для уменьшения разброса почвогрунта от дисков ротора-метателя был введён такой конструктивный параметр, как угол наклона лопаток γ. При его комбинированном подборе можно добиться уменьшения разброса практически вдвое (рисунок 2 б). Корректирование аксиоматики для угла и скорости метания трансформирует формульные соотношения:
Определение кинематических параметров процесса метания необходимо моделировать с учётом физико-механических свойств почвогрунта. В противном случае модель нельзя будет адаптировать к различным типам почвогрунта, а также к его слоистости. Поэтому классические модели, используемые для определения таких кинематических параметров, как дальность метания и разброс почвогрунта требуют дальнейшей корректировки при условии сохранения их зависимости от технологических и конструктивных параметров ротора-метателя и функциональных факторов гидромотора и гидронасоса. В рамках такого подхода предлагаем адаптировать соотношения (1) к условиям решаемой задачи, оставив аксиомы для определения скорости вращения без корректировки.
Основной кинематической характеристикой имитационного моделирования процесса метания почвогрунта является его траектория. Поэтому в качестве выходной характеристики процесса была выбрана в двухкоординатном приближении функция y(x). При этом для имитации траектории движения в качестве базовых аксиом выбраны рекуррентные соотношения для координат частиц повогрунта в дискретные моменты времени tj. Число дискретных моментов времени определяется шаговым интервалом моделирования (в настоящей реализации программного комплекса эта величина составляет 0,01 с)
(4)
В этих соотношениях i=1,2,3 – номер диска ротора-метателя, соответственно угол и скорость метания почвогрунта моделируются соотношениями:
При этом hi – высота метания для каждого диска определяется согласно конструктивным параметрам ротора-метателя из таблицы 1, рассчитанной из величины радиусов ступеней ротора-метателя.
