В современной России твердая биомасса лидирует как источник тепловой энергии в сельских районах. Тем не менее, лесозаготовки губительно сказываются на природе, нарушая баланс в экосистеме. Экологические и экономические преимущества биомассы как энергоносителя значительно возрастают в регионах, где реализуются программы по организации плантационного выращивания древесины [1, 2].

Применение биотоплива, полученного с энергетических плантаций, может способствовать диверсификации энергетического сектора, уменьшить затраты на энергию в удаленных от транспортных путей населенных пунктах, создать новые рабочие места для местного населения, обеспечить экономию ресурсов и сократить выбросы парниковых газов и других загрязняющих веществ в атмосферу [3, 4].

В научных работах недостаточно освещен вопрос разработки высокопроизводительного оборудования для изготовления щепы в рамках комплексных систем топливоснабжения с использованием энергетических плантаций. Решение этой важной производственной задачи требует проведения научных изысканий с целью усовершенствования конструкций дробильного оборудования.

Основной задачей данного исследования являлось выявление закономерностей влияния и определение оптимальных значений конструктивных и технологических параметров привода рубильной машины на ее производительность.

Оценка результативности работы приводного механизма осуществлялась по следующей схеме. Выходная мощность P дробильной установки (количество щепы в килограммах, производимое машиной за минуту) рассчитывается следующим образом.

(1)

В моделировании, индекс τ обозначает текущий временной шаг. Анализируемый период определяется границами τ ₁ и τ ₂ , которые соответствуют начальному и конечному временным шагам интегрирования. Q _выхτ представляет собой поток щепы, произведенный рубильным диском, рассчитанный квазигидравлической моделью на каждом временном шаге τ.

Определим мощность N , потребляемую рубильной машиной от вала отбора мощности, как среднее значение мгновенной мощности за период наблюдения:

, (2)

где M _01τ — это вращающий момент, передающийся от вала отбора мощности трактора (тело 0) к нижнему шкиву (тело 1) на шаге τ, a ω ₀ — угловая скорость вала отбора мощности.

Наибольшее значение момента М _м , действующего на оси любого из подающих вальцов (максимум, зафиксированный в ходе всего компьютерного моделирования), находится по формуле:

, (3)

где i — номер подающего вальца, M _pimax — максимальный момент, переданный ременной передачей вальцу i, за все время моделирования, a t — текущее время.

Коэффициент k _пр , характеризующий проскальзывание нижнего подающего вальца (барабана) относительно выходного шкива редуктора, определяется как:

, (4)

где φ ₃ и φ ₈ — углы поворота выходного шкива редуктора и подающего барабана соответственно.

Максимальная радиальная сила F _пimax , воздействующая на подшипники тел вращения i , вычисляется по формуле:

, (5)

где R _шi — радиус шкива, B _рi — толщина ремня, k _н — коэффициент натяжения ремня (соотношение сил натяжения на разных сторонах шкива), m _i и m _{поi_max —} масса тела вращения i и максимальная масса контактирующих с ним порубочных остатков за время моделирования, g — ускорение свободного падения.

Разработанная модель позволяет оценивать эффективность механизма привода рубильной машины с точки зрения производительности, энергозатрат и силовых нагрузок на компоненты привода [5,6].

Для анализа эффективности механизма привода разработана специализированная программа для ЭВМ под названием «Программа для моделирования механизма привода рубильной машины для измельчения древесного сырья». Программное обеспечение было создано на языке Object Pascal с использованием среды разработки Borland Delphi 7.

Программа предназначена для моделирования различных рабочих режимов привода рубильной машины и изучения характеристик его эффективности. В программе решается задача динамического анализа вращательного движения 13 тел вращения, составляющих механизм привода с учетом упруго-вязкого взаимодействия между ними.

Входными параметрами программы являются геометрические, конструктивные, кинематические, динамические характеристики компонентов механизма привода и параметры силового воздействия, оказываемого перерабатываемым сырьем. В процессе имитационного моделирования программа визуализирует схематическое представление тел вращения и отображает графики изменения угловых скоростей и моментов, действующих на эти тела, во времени (рис. 1).

Рис. 1. Вывод результатов компьютерного эксперимента в программе «Программа для моделирования механизма привода рубильной машины для измельчения древесного сырья»

В разработанной программе существуют следующие лимитирующие факторы технического характера:

1. минимальный интервал интегрирования дифференциальных уравнений — 0,0001 секунды;
2. верхний предел скорости вращения измельчающего диска — 50 оборотов в секунду.

Для функционирования программы требуется компьютерная система с тактовой частотой центрального процессора не менее 2,0 ГГц и объемом оперативной памяти от 2 Гбайт. Размер исходного кода составляет 9 кбайт. Программа может быть использована в широком диапазоне значений параметров конструкции и технологии механизма привода рубильной машины. В результате, был создан программный инструмент, позволяющий анализировать влияние конструктивных особенностей и выбранных технологических режимов привода на его эффективность [7,8].

Одним из ключевых параметров привода является передаточное число k ₃₄ , представляющее собой соотношение между скоростью вращения вальцов и скоростью вращения рубильного диска. Созданная модель дала возможность изучить влияние данного параметра как на динамические характеристики привода, так и на характер перемещения и дробления древесного сырья [9,10]. В ходе 11 компьютерных экспериментов значение k ₃₄ изменялось в диапазоне 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0, 1,2, 1,4, 1,6, 1,8, 2,0.

Каждый эксперимент начинался с имитации разгона рубильного диска, за которой следовало моделирование нагрузки на вальцы и диск от древесного материала. После достижения динамического равновесия в моделируемой системе производилась оценка таких показателей эффективности, как P , N , M _м и k _пр .

При низких значениях передаточного числа (0,5 … 0,8) вальцы подают сырье недостаточно быстро, что приводит к недозагрузке рубильного диска. В результате производительность по щепе является невысокой (50 … 70 кг/мин), как и общая потребляемая мощность (4,8 … 6,0 кВт). Момент сопротивления вращению вальцов не превышает 20 Н∙м, и проскальзывание ременной передачи незначительно ( k _пр = 0,78…0,84).

При высоких значениях передаточного числа (1,6…2,0) вальцы подают сырье слишком быстро, не позволяя рубильному диску эффективно перерабатывать его в щепу. При этом производительность практически не увеличивается (выше 91 кг/мин при k ₃₄ > 1,6), потребляемая мощность находится в пределах 5,0 … 5,9 кВт, момент сопротивления вращению вальцов превышает 49 Н∙м, и наблюдается значительное проскальзывание ременной передачи между вальцами ( k _пр = 0,70 … 0,71).

Следовательно, оптимальное передаточное число находится в диапазоне 1,0…1,4. Это обеспечивает достаточно высокую производительность (75… 80 кг/мин), приемлемое энергопотребление (5,7 … 6,2 кВт), относительно низкий момент сопротивления вращению вальцов (26 … 40 Н∙м) и небольшое проскальзывание ременной передачи (0,73 … 0,76).

Литература:

1. Фетяев, А. Н. Об имитационной модели процесса измельчения порубочных остатков / А. Н. Фетяев, С. В. Фокин // Научно-технический вестник Поволжья. — 2012. — № 2. — С. 291–294.
2. Фокин, С. В. К обоснованию параметров и режимов работы устройства для измельчения порубочных остатков / С. В. Фокин // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. — 2011. — № 3. — С. 36–44.
3. Фокин, С. В. О конструктивных особенностях дисковой рубительной машины для измельчения порубочных остатков / С. В. Фокин, О. А. Фомина // Инновации в природообустройстве и защите в чрезвычайных ситуациях: Материалы VII Международной научно-практической конференции, Саратов, 17–19 марта 2020 года. — Саратов: Общество с ограниченной ответственностью «Амирит», 2020. — С. 390–393.
4. Фокин, С. В. Технические средства, применяемые при очистке вырубок от отходов лесосечных работ / С. В. Фокин, А. В. Храмченко // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. — 2015. — Т. 3, № 9–2(20–2). — С. 280–283. 2. Цыплаков, В. В. О создании комплекса машин для расчистки нераскорчеванных вырубок / В. В. Цыплаков, С. В. Фокин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. — 2008. — № 1. — С. 60–62.
5. Саввин, Е. В. О проблемах измельчения порубочных остатков на лесосеке / Е. В. Саввин, С. В. Фокин // Лесотехнический журнал. — 2011. — № 2(2). — С. 30–31.
6. Фокин, С. В. Экологосберегающие технологии при ведении современных агролесомелиоративных мероприятий / С. В. Фокин, О. Н. Шпортько, А. С. Бурлаков // Научная жизнь. — 2017. — № 7. — С. 78–91.
7. Фокин, С. В. Совершенствование технических средств переработки отходов лесосечных работ на топливную щепу в условиях вырубки / С. В. Фокин. — Москва: Общество с ограниченной ответственностью «Научно-издательский центр ИНФРА-М», 2018. — 187 с.
8. Цыплаков, В. В. О применении устройства для измельчения порубочных остатков при реконструкции защитных лесонасаждений / В. В. Цыплаков, С. В. Фокин // Научное обозрение. — 2011. — № 5. — С. 253–257.