Введение. Предприятия обслуживающие трубопроводный транспорт, оптоволоконные трассы, магистральные электрические сети, полосы отвода автомобильных, железных дорог и т.п., ежегодно сталкиваются с проблемой борьбы с нежелательной растительностью. Расчистка линейных объектов механическим способом – один из наиболее экономически выгодных.
При расчистке линейных объектов активным навесным кусторезом необходимо учитывать параметры кустарника и пней, оставшихся от предыдущих расчисток (густоту, максимальные диаметры стволов), влияющие на энергосиловые показатели кустореза.
Скорость подачи кустореза зависит от рабочей скорости движения машины и меняется в зависимости от густоты и диаметра стволов.
Для расчета энергосиловых показателей кустореза необходимо учитывать самые неблагоприятные условия на обрабатываемом участке. В ходе проведенных экспериментов на трассе нефтепровода в Оршанском, Медведевском и Килемарском районах Республики Марий Эл [3] по методике [5] вывили, что самые плохие условия для механической расчистки трассы на пробной площадке 4 х 4 м имеют следующие характеристики: количество стволов растений и пней 45 шт. (из них 28 стволов растений и 17 стволов пней), максимальный диаметр ствола пня 75 мм (в расчетах будем принимать 
мм), максимальная густота растений 
шт./м2.
При фланговом расположении базовой машины для срезания кустарника возможно применение многодисковых рабочих органов. Ширина полосы расчистки зависит от размеров рабочего органа, которым осуществляется срезание поросли. Применение нескольких пильных головок в одном рабочем органе во много раз повышает производительность расчистки трассы и экономит время. Один и тот же рабочий орган кустореза может быть установлен на разные машины.
Рисунок 1. Принципиальная схема [2] бульдозера для срезки кустов и пней: 1 – бульдозер; 2 – навеска; 3 – рабочий орган; 4 – дисковые пилы
Базовая машина – бульдозер Четра Т11С. Масса бульдозера 18712 кг, мощность двигателя 132 кВт, удельное давление на грунт 74,5 кПа. Бульдозер Четра Т11С имеет гидростатическую трансмиссию с двумя независимыми контурами для привода левой и правой гусениц. Трансмиссия обеспечивает бесступенчатое плавное регулирование скорости движения оператором, а также автоматическое бесступенчатое регулирование скорости и силы тяги в зависимости от внешней нагрузки. Скорость движения 0-11 км/ч (0-3,06 м/с) [6].
Пильный механизм представляет собой последовательно расположенные на корпусе четыре кусторезных головки АСК-16М, параметры зубчатого венца приведены в таблице 1, пильные диски имеют диаметр 2300 мм.
Скорость подачи 
зависит от коробки передачи бульдозера, в нашем случае гидростатической трансмиссии, для максимальной производительности необходимо определить рабочую скорость бульдозера.
Таблица 1
Параметры зубчатого венца кусторезной головки АСК-16М
|
Мощность гидромотора, кВт |
39,6 |
|
Число оборотов ножа, об/мин |
0 - 9 |
|
Диаметр ножа и контр ножа, м |
2,3 |
|
Максимальное усилие срезания, кН |
58 |
|
Толщина полотна ножей, мм |
20 |
|
Число зубьев контрножа, шт. |
90 |
|
Число зубьев подвижного ножа, шт. |
90 |
|
Высота зуба, мм |
50 |
|
Шаг, мм |
80 |
Скорость инструмента из-за гидропривода зубчатого диска изменяется редуктором в пределах 0 - 9 об/мин. При номинальной мощности 39,6 кВт обеспечивается максимальное вращение 9 об/мин. Тогда скорость инструмента равна 
1,08 м/с.
Для расчета скорости движения бульдозера с кусторезом (скорости подачи ) была получена математическую модель [1]:
(1)
где 
- установленная мощность двигателя; 
- мощность на резание кусторезной головки; 
- мощность на перемещение; 
- КПД кусторезной головки, 0,9 [4]; 
- КПД трансмиссии машины, 0,7 [6]; 
- мощность на движение подачи кусторезной головки; 
- нормальная сила; 
- касательная сила; 
- сила, действующая на один зуб; 
- общая сила резания; 
- толщина реза; 
- угол движения.
Проведем расчеты математической модели, задавая скорость подачи от 0,10 м/с с шагом в 0,05 м/с до значения скорости, при котором установленная скорость будет иметь максимальное значение, но будет удовлетворять условию 
(таблица 2).
Таблица 2
Результаты расчетов по модели (1)
|
м/с |
мм |
град. |
кН |
кН |
кН |
кН |
кВт |
кВт |
кВт |
кВт |
|
0,10 |
7,38 |
5,27 |
2,06 |
16,49 |
16,42 |
1,52 |
17,73 |
0,15 |
2,17 |
22,80 |
|
0,15 |
11,01 |
7,91 |
3,07 |
24,60 |
24,37 |
3,38 |
26,31 |
0,51 |
3,54 |
34,29 |
|
0,20 |
14,57 |
10,49 |
4,07 |
32,56 |
32,02 |
5,93 |
34,58 |
1,19 |
5,22 |
45,88 |
|
0,25 |
18,04 |
13,01 |
5,04 |
40,33 |
39,29 |
9,09 |
42,43 |
2,27 |
7,32 |
57,60 |
|
0,30 |
21,41 |
15,53 |
5,98 |
47,86 |
46,11 |
12,81 |
49,80 |
3,84 |
9,90 |
69,48 |
|
0,35 |
24,66 |
17,93 |
6,89 |
55,13 |
52,44 |
17,00 |
56,64 |
5,95 |
13,02 |
81,52 |
|
0,40 |
27,79 |
20,34 |
7,76 |
62,11 |
58,24 |
21,57 |
62,90 |
8,63 |
16,70 |
93,75 |
|
0,45 |
30,77 |
22,63 |
8,60 |
68,78 |
63,48 |
26,45 |
68,56 |
11,90 |
20,99 |
106,17 |
|
0,50 |
33,61 |
24,87 |
9,39 |
75,12 |
68,17 |
31,56 |
73,63 |
15,78 |
25,88 |
118,77 |
|
0,55 |
36,30 |
26,99 |
10,14 |
81,15 |
72,31 |
36,82 |
78,10 |
20,25 |
31,36 |
131,57 |
|
0,60 |
38,85 |
29,05 |
10,86 |
86,84 |
75,91 |
42,17 |
81,99 |
25,30 |
37,42 |
144,55 |
,
,
,
,
При скорости подачи (по максимальному диаметру ствола) равной 0,55 м/с, 
это значение удовлетворяет условию 
. При скорости подачи равной 0,6 м/с установленная мощность двигателя 
, что не удовлетворяет условию. Таким образом, рабочая скорость подачи 0,55 м/с (1,98 км/ч) при срезании будет наиболее эффективной при расчистке трассы нефтепровода от древесно-кустарниковой растительности активным кусторезом с четырьмя дисковыми зубчатыми головками на базе бульдозера Четра Т11С с гидростатической трансмиссией.
Поскольку на пробных площадках не все кусты имеют максимальный диаметр, то возможно уточнение допустимой скорости подачи при учете рангового распределения кустов и пней от ранее срезанных растений. Изменив систему уравнений (1) подстановкой выявленных закономерностей рангового распределения по экспериментальным данным с наиболее тяжелым режимом работы кустореза, в расчет введем закон распределения диаметра от ранга по формуле
. (2)
Растение с максимальным диаметром встречается очень редко – один раз на 36 пробных площадок (вероятность встречи 
%). Поэтому на одном резе 
8 м все одновременно срезаемые кусты и пеньки не могут иметь максимальный диаметр 
.
Поэтому число одновременно срезаемых стволов 
выразим через распределение. Из-за того, что захват кустореза 8 м больше в два раза, то получим
, (3)
где 
0, 1, 2, …, 22. Густота 
2,81 шт./м2, то густота на ширине захвата кустореза 
22,48. Весь ряд распределения будет располагаться вдоль кусторезных ножей.
Математическую модель для расчета скорости движения бульдозера с учетом закономерностей рангового распределения имеет вид:
(4)
Расчеты предельной скорости подачи при условии изменения инструмента и гидропривода с учетом распределения диаметров по модели (4) приведены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты расчетов по модели (4)
|
м/с |
мм |
град. |
кН |
кН |
кН |
кН |
кВт |
кВт |
кВт |
кВт |
|
0,10 |
7,38 |
5,27 |
2,85 |
6,69 |
6,29 |
0,62 |
6,80 |
0,06 |
2,08 |
10,52 |
|
0,15 |
11,01 |
7,91 |
4,25 |
9,99 |
6,26 |
1,37 |
6,76 |
0,21 |
3,23 |
12,13 |
|
0,20 |
14,57 |
10,49 |
5,63 |
13,22 |
6,21 |
2,41 |
6,71 |
0,48 |
4,52 |
13,91 |
|
0,25 |
18,04 |
13,01 |
6,97 |
16,37 |
6,16 |
3,69 |
6,65 |
0,92 |
5,97 |
15,92 |
|
0,30 |
21,41 |
15,53 |
8,27 |
19,43 |
6,09 |
5,20 |
6,58 |
1,56 |
7,62 |
18,19 |
|
0,35 |
24,66 |
17,93 |
9,53 |
22,38 |
6,01 |
6,90 |
6,49 |
2,41 |
9,48 |
20,76 |
|
0,40 |
27,79 |
20,34 |
10,73 |
25,21 |
5,93 |
8,76 |
6,40 |
3,50 |
11,58 |
23,65 |
|
0,45 |
30,77 |
22,63 |
11,88 |
27,92 |
5,83 |
10,74 |
6,30 |
4,83 |
13,92 |
26,88 |
|
0,50 |
33,61 |
24,87 |
12,98 |
30,50 |
5,73 |
12,81 |
6,19 |
6,41 |
16,50 |
30,46 |
|
0,55 |
36,30 |
26,99 |
14,02 |
32,95 |
5,63 |
14,95 |
6,08 |
8,22 |
19,33 |
34,37 |
|
0,60 |
38,85 |
29,05 |
15,01 |
35,26 |
5,53 |
17,12 |
5,97 |
10,27 |
22,39 |
38,61 |
|
0,65 |
41,25 |
31,05 |
15,93 |
37,44 |
5,41 |
19,30 |
5,85 |
12,55 |
25,67 |
43,17 |
|
0,70 |
43,51 |
32,95 |
16,81 |
39,49 |
5,30 |
21,48 |
5,73 |
15,03 |
29,17 |
48,03 |
|
0,75 |
45,63 |
34,78 |
17,62 |
41,41 |
5,19 |
23,62 |
5,61 |
17,72 |
32,86 |
53,17 |
|
0,80 |
47,62 |
36,56 |
18,39 |
43,21 |
5,08 |
25,72 |
5,48 |
20,58 |
36,73 |
58,56 |
|
0,85 |
49,48 |
38,22 |
19,11 |
44,90 |
4,97 |
27,77 |
5,36 |
23,60 |
40,77 |
64,20 |
|
0,90 |
51,21 |
39,82 |
19,78 |
46,48 |
4,85 |
29,75 |
5,24 |
26,78 |
44,95 |
70,04 |
|
0,95 |
52,84 |
41,31 |
20,41 |
47,95 |
4,75 |
31,67 |
5,13 |
30,09 |
49,27 |
76,08 |
|
1,00 |
54,35 |
42,80 |
20,99 |
49,32 |
4,64 |
33,51 |
5,01 |
33,51 |
53,70 |
82,28 |
|
1,05 |
55,77 |
44,18 |
21,54 |
50,61 |
4,53 |
35,28 |
4,90 |
37,04 |
58,24 |
88,64 |
|
1,10 |
57,09 |
45,55 |
22,05 |
51,80 |
4,43 |
36,97 |
4,78 |
40,66 |
62,87 |
95,13 |
|
1,15 |
58,32 |
46,81 |
22,52 |
52,92 |
4,33 |
38,58 |
4,67 |
44,36 |
67,58 |
101,74 |
|
1,20 |
59,46 |
48,01 |
22,97 |
53,96 |
4,23 |
40,11 |
4,57 |
48,13 |
72,36 |
108,45 |
|
1,25 |
60,53 |
49,16 |
23,38 |
54,94 |
4,13 |
41,57 |
4,46 |
51,96 |
77,20 |
115,25 |
|
1,30 |
61,54 |
50,31 |
23,77 |
55,84 |
4,04 |
42,95 |
4,36 |
55,84 |
82,09 |
122,11 |
|
1,35 |
62,47 |
51,34 |
24,13 |
56,69 |
3,95 |
44,27 |
4,26 |
59,76 |
87,02 |
129,05 |
|
1,40 |
63,34 |
52,37 |
24,46 |
57,48 |
3,86 |
45,51 |
4,17 |
63,72 |
91,99 |
136,04 |
Изучение закономерностей распределения диаметров стволов кустов и пней дает возможность производить расчистку трассы на более высокой скорости бульдозера, а именно на скорости подачи равной 1,35 м/с, 
, удовлетворяет условию 
.
Скорость подачи рабочего органа при изучении закономерностей распределения диаметров в 
раза выше. Тогда для расчета производительности можно учесть предельно возможную скорость подачи рабочего органа 1,35 м/с (4,86 км/ч).
Рецензенты:
Салихов М.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой автомобильных дорог, Поволжский государственный технологический университет, г.Йошкар-Ола.
Колупаев Б.И., д.б.н., профессор, кафедра водных ресурсов, Поволжский государственный технологический университет, г.Йошкар-Ола.