Обоснование параметров фрезы с гидроприводом для понижения пней твердолиственных пород на лесных участках
На правах рукописи
Беликов Евгений Владимирович
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФРЕЗЫ С ГИДРОПРИВОДОМ ДЛЯ ПОНИЖЕНИЯ ПНЕЙ ТВЕРДОЛИСТВЕННЫХ ПОРОД НА ЛЕСНЫХ УЧАСТКАХ
05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и
лесного хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж - 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ВГЛТА).
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Попиков Петр Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук Афоничев Дмитрий Николаевич
кандидат технических наук, доцент
Фокин Сергей Владимирович
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (БГИТА, 241037, г. Брянск, пр-т. Ст. Димитрова, 3)
Защита диссертации состоится « 25 » июня 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, зал заседания – аудитория 240).
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА).
Автореферат размещен на официальном сайте академии: E-mail: [email protected]
Автореферат разослан «14» мая 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Скрыпников А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В соответствии со статьей 62 лесного кодекса РФ необходимым условием для создания лесных культур является подготовка лесного участка, которая включает сплошную или полосную расчистку площади от валежной древесины, стволов усохших деревьев, корчевку пней или понижение их высоты до уровня, не препятствующего движению машино-тракторным агрегатам.
В настоящее время для удаления пней на вырубках в основном применяются различные корчевальные и фрезерные машины. При работе корчевателей вместе с пнём извлекается большая масса земли, происходит перемешивание почвенного горизонта, образуется подпневая яма, что влечет нарушение биогеоценоза. Измельчение пней фрезерными машинами позволяет понижать пни при минимальном воздействии на почву. Однако существующие фрезерные машины с громоздким механическим приводом от раздаточной коробки трактора предназначены в основном для понижения пней хвойных и мягколиственных пород, поэтому при фрезеровании пней твердолиственных пород их эффективность снижается из-за высоких динамических нагрузок.
В связи с этим возникает необходимость создания нового рабочего органа для понижения пней твердолиственных пород при обеспечении высокой эффективности и минимальной энергоемкости рабочего процесса. Наиболее перспективным для этих целей является фреза с гидроприводом и обоснованными параметрами и компоновкой скалывающих и подрезных ножей, однако теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов о ее взаимодействии с пнями твердолиственной древесины проведено недостаточно.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ГОУ ВПО «ВГЛТА» «Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного комплекса» (№ гос. регистрации 01.2.00609242).
Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности процесса понижения пней твердолиственных пород за счет обоснования основных параметров фрезы с гидроприводом.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
1. Обоснование рабочего процесса взаимодействия фрезы с гидроприводом при понижении высоты пней твердолиственных пород.
2. Разработка математической модели процесса понижения пней с учетом рациональной расстановки скалывающих и подрезных ножей на рабочем органе.
3. Получение в лабораторных условиях экспериментальных зависимостей взаимодействия фрезы с древесиной твердолиственных пород.
4. Обоснование параметров фрезы с гидроприводом, обеспечивающих эффективность понижения пней твердолиственных пород с минимальными энергозатратами и динамическими нагрузками.
Объектами исследования являются фрезерный рабочий орган, гидропривод, пни твердолиственных пород.
Предметом исследования являются математические модели, методы и алгоритмы поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров фрезы.
Методы исследования и достоверность результатов.
Теоретические исследования базировались на математическом моделировании рабочих процессов фрезы для понижения пней. Решение систем дифференциальных уравнений осуществлялось с применением численного интегрирования на ЭВМ. Обоснованность и достоверность теоретических результатов обеспечивается сопоставлением с данными лабораторных и производственных экспериментов.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Обоснован процесс взаимодействия новой фрезы с гидроприводом при понижении высоты пней, новизна которой подтверждена патентом (№ 78032) на полезную модель, отличающаяся тем, что под каждым скалывающим ножом установлен подрезной нож, который располагается с выступом относительно скалывающего в направлении подачи на расстоянии a = 2…4 мм, причем пары ножей размещены на фрезе по двухзаходной винтовой линии с перекрытием.
2. Разработана математическая модель взаимодействия фрезы с пнем, отличающаяся учетом влияния физико-механических свойств древесины пня, геометрических, кинематических и динамических параметров фрезы на эффективность и энергоемкость фрезерования. Программа решения модели на ЭВМ подтверждена свидетельством № 2009610415.
3. Получены закономерности взаимодействия фрезы с древесиной пня, отличающиеся учетом энергоемкости рабочего процесса и динамики гидропривода с различными геометрическими и кинематические параметрами.
4. Обоснованы геометрические, кинематические и динамические параметры фрезы для понижения пней, позволяющие снизить энергоемкость и повысить производительность выполняемого технологического процесса.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Процесс взаимодействия новой фрезы с пнем для уменьшения его высоты, позволяющий снизить энергоемкость и повысить производительность.
2. Математическая модель взаимодействия фрезы с пнем, позволяющая обосновать ее параметры с учетом влияния физико-механических свойств древесины пней на работу машины.
3. Закономерности взаимодействия фрезы с пнем, позволяющие оценить энергоемкость рабочего процесса и динамику гидропривода в зависимости от различных геометрических и кинематических параметров.
4. Обоснованные геометрические, кинематические и динамические параметры фрезы для понижения пней, позволяющие повысить эффективность рабочего процесса.
Значимость для науки заключается в установлении влияния конструктивных и эксплуатационных параметров рабочего органа на процесс измельчения пня при работе на вырубках; получении математической модели рабочих процессов фрезы с гидроприводом; разработке новой конструкции фрезы, новизна которой подтверждена патентом на полезную модель № 78032.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Разработанные на основе математического моделирования, алгоритмы и программы для ЭВМ, рекомендации использованы в научно-исследовательских институтах ГНУ ВНИАЛМИ, в конструкторском бюро ЦОКБлесхозмаш, в учебно-опытном лесхозе ВГЛТА, в учебном процессе ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» при подготовке инженеров лесотехнического профиля.
Достоверность полученных результатов. Выводы диссертационной работы базируются на результатах фактического материала, полученного при проведении лабораторных и полевых испытаний. Полученные данные обрабатывались методом с использованием программ Microsoft Office 2003, MathCad 2000, Microcal Origin 5.0. и Borland Delphi 7.0.
Личное участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении научно-технических исследований и анализа их результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2006-2009 гг.), на технических советах ВНИАЛМИ, ЦОКБлесхозмаш, а также заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии.
Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 10 работах, включая 4 статьи в издании центральной печати, рекомендованного ВАК Федерального агентства по образованию РФ, 3 публикации без соавторов, 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ математического моделирования работы фрезы для понижения пней.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающих 117 наименований. Общий объем работы 171 страница, включающий 142 страницы основного текста, 25 таблиц, 64 рисунка, приложений на 29.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и научные положения, выносимые на защиту, научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость, результаты внедрения.
В первом разделе проведен анализ существующих технологий удаления пней на вырубках. Проведен обзор исследований конструкций машин для удаления пней, сформулированы задачи исследований.
Процессы резания древесины рассмотрены в работах Амалицкого В.В., Андерзена А.В., Бершадского А.Л., Вильке Г.А., Воскресенского С.А., Виноградова П.Н., Грубе А.Э., Любченко В.И., Манжоса Ф.М., и др.
Вопросами исследования удаления пней корчевальными и фрезерными машинами посвящены работы Зима И.М., Баранова А.И., Бартенева И.М., Винокурова В.Н., Мазуркина П.М., Казакова В.И., Цыплакова В.В., Попикова П.И., Драпалюка М.В., Афоничев Д.Н., Гомоная М.В., Фокина С.В., Гилева Н.К., Вальщикова Н.М., Поромова В.Н., Апостолюка С.А. и др.
В отечественной и зарубежной практике для удаления пней применяется ряд машин и механизмов корчевального и измельчающего типа МРП-2А, ДП-25, К-2А, КМ-1 МУП-4, МДП-1,5. Существующие конструкции машин частично удовлетворяют требования только при удалении пней мягколиственных и хвойных пород, а при удалении пней твердолиственных пород не справляются с поставленной задачей.
Теоретических исследований в области понижения пней твердолиственных пород фрезой с гидроприводом проведено, на наш взгляд, недостаточно.
Во втором разделе приводится разработка математической модели взаимодействия фрезы с пнем твердолиственной породы и обоснование оптимального рабочего процесса взаимодействия новой фрезы с гидроприводом при понижении высоты пней.
Предлагается новый рабочий орган в виде усеченного конуса с гидроприводом, с новой расстановкой комплексов ножей (рисунок 1) (пат. на пол. модель № 78032). Комплекс состоит из подрезного ножа, установленного относительно скалывающего ножа с выступом в направлении подачи на расстоянии 2…4 мм, причем пары ножей смещены друг относительно друга по винтовой линии с перекрытием. Это позволяет повысить устойчивость фрезы к поломкам за счет более равномерного распределения нагрузки.
а б
Рисунок 1 – Схемы рабочего органа (а) и крепления подрезного и скалывающего ножей (б): 1 – верхнее основание, 2 – нижнее, 3 – балки, 4 – скалывающий нож, 5 – подрезной нож, 6 – гидромотор, 7,8 – клинья, 9 – болты.
Составлены и проанализированы дифференциальные уравнения, описывающие процесс фрезерования пня новым рабочим органом и расход рабочей жидкости гидропривода:
(1)
где Jпр – приведенный момент инерции вращающихся масс к валу гидромотора, включающий момент инерции роторной группы гидромотора и момент инерции рабочего органа, кгм2; – угловая скорость вращения вала гидромотора, с-1; t – время, с; n – полный КПД гидромотора; 0 – объёмный КПД гидромотора; qт – рабочий объём гидромотора, м3/об; p – давление рабочей жидкости в гидросистеме, Па; kM – коэффициент, определяющий силу сопротивления при удалении элементарного куба, c; Np – количество удаленных элементарных кубов древесины пня; rпод и rскл – коэффициенты, определяющие влияние сил Fпод и Fскл со стороны подрезного и скалывающего ножей, м; kпод – удельное сопротивление перерезанию, Н/м2; hпод = 0,12vпод/2– подача на режущий нож, м; под – скорость подачи, м/с; под – коэффициент трения древесины о нож; n – угол резания передней режущей кромки; cпод – коэффициент пропорциональности, постоянный для данной обрабатываемой древесины, Н/м2; – радиус округления лезвия, м; – статическая твердость древесины в тангенциальном направлении, H/м2; – угол заострения; – задний угол; fтр – коэффициент трения древесины о режущий элемент, L– зона соприкосновения передней грани ножа с древесиной, м; см.r – предел прочности древесины на смятие поперек волокон в радиальном направлении, H/м2; – угол резания; r – статическая твердость древесины в радиальном направлении, H/м2; Rр – радиус резания, м; sign() – функция, возвращающая знак ; kб – коэффициент сопротивления трения при вращательном движении фрезы, Нмс/рад; Kр – коэффициент податливости упругих элементов гидропривода, м5/H; qн – рабочий объём насоса, м3/об; nн – частота вращения насоса, с-1; аy – коэффициент утечек, м5/(сН).
При решении математической модели фрезеруемый пень первоначально представляет собой геометрическую область, имеющую форму цилиндра высотой Hп и радиусом Rп, заполненную совокупностью большого числа элементарных кубов малого размера d. Комплекс ножей представлен в виде шестигранника (рисунок 2). Вершинами комплекса шестигранника являются восемь точек, четыре из которых лежат на образующих конуса-фрезы (точки 1, 2, 3 и 4 на), а остальные четыре (точки 5, 6, 7, 8) отстоят от поверхности конуса-фрезы на расстояние az в направлении прямых, проходящих через ось рабочего органа параллельно его основаниям. Координаты точек (xi, yi, zi) шестигранника по отношению к системе координат AZ, связанной с рабочим органом, выражаются следующим образом
x1 = rz1·cos(z + /2); y1 = rz1·sin(z + /2); z1 = hz; x2 = rz1·cos(z – /2); y2 = rz1·sin(z – /2); z2 = hz; x3 = rz2·cos(z + /2); y3 = rz2·sin(z + /2); z3 = hz – bz; x4 = rz2·cos(z – /2); y4 = rz2·sin(z – /2); z4 = hz – bz; x5 = (rz1 + az)·cos(z + /2); y5 = (rz1 + az)·sin(z + /2); z5 = hz; x6 = (rz1 + az)·cos(z + /2); y6 = (rz1 + az)·sin(z + /2); z6 = hz; x7 = (rz2 + az)·cos(z + /2); y7 = (rz2 + az)·sin(z + /2); z7 = hz – bz; x8 = (rz2 + az)·cos(z + /2); y8 = (rz2 + az)·sin(z + /2); z8 = hz – bz,
где z = (i-1) 45 – угловое положение комплекса i; – угловая ширина комплекса; az и bz – длина и высота комплекса; hz=H-(H-bz)(i-1)/15 – положение комплекса i по высоте; rz1 = rв +(rн-rв)((H-hz)/H) – расстояние ближней грани комплекса от оси фрезы; rz2 = rв +(rн-rв)((H-hz+bz)/H) – расстояние дальней грани комплекса от оси фрезы. Проверка контакта ножей фрезы с пнем производится методом Монте-Карло.
Система дифференциальных уравнений (1) решена методом численного интегрирования – модифицированным методом Эйлера-Коши. Для решения системы дифференциальных уравнений, положенной в основу модели, и для проведения различных компьютерных экспериментов с моделью составлена компьютерная программа на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.0. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2009610415.
В процессе теоретического эксперимента на экран компьютера непрерывно выводятся следующие выходные характеристики (рисунок 3): схематичные изображения в масштабе трех проекций фрезерного рабочего органа и обрабатываемого пня, по которым можно визуально анализировать эффективность работы фрезы; временные зависимости момента сопротивления фрезерованию Mс.ф.(t), давления на гидромоторе Pгм(t) и угловой скорости вращения фрезы (t); текущие значения основных характеристик процесса.
В результате компьютерного эксперимента получены зависимости максимальной силы резания Fmax и работы резания A от угла резания п. В данной серии экспериментов изменяли угол резания п от 10 до 70 с шагом 10. Убывающий вид зависимости Fmax(п) и A(п) объясняется тем, что при малых значениях угла резания п передняя режущая кромка расположена почти перпендикулярно к направлению подачи древесины на нож, и сила сопротивления при этом велика (рисунок 4), минимальные значения Fmax(п) и A(п) находятся при угле резания п> 30.
Рисунок 4 – Зависимости максимальной силы Fmax резания (а) и работы A измельчению пня (б) от угла резания подрезного ножа п
Проведена серия компьютерных экспериментов, в рамках которых задний угол скалывающего ножа ск принимал следующие значения: 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50. При увеличении ск снижается максимальная сила на комплексе ножей и работа по измельчению пня вследствие более эффективного резания древесины (рисунок 5).
Рисунок 5 – Зависимости максимальной силы Fmax на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от заднего угла скалывающего ножа ск (1) и угла заострения скалывающего ножа ск (2)
В этой серии экспериментов изменяли угол заострения скалывающего ножа ск от 15О до 75О с шагом 10О. Зависимости Fmax(ск) и A(ск) имеют максимум в области 40 < ск < 55О (рисунок 5). Низкие значения Fmax и A в области малых ск можно объяснить тем, что при малых ск проекция силы отделения древесины на продольное направление невелика.
Проведена серия из восьми компьютерных экспериментов, в рамках которой скорость подачи vпод изменялась от 0,005 до 0,04 м/с с шагом в 0,005 м/с. Зависимость максимальной силы на комплексе ножей от скорости подачи Fmax(vпод) резко возрастает после vпод = 0,025 м/с, имеет приближенно квадратичный характер Fmax(vпод) v2под (рисунок 6, а). Увеличение работы A по измельчению пня с увеличением vпод (рисунок 6, б) имеет приближенно линейный характер от 30 до 60 кДж. Зависимости влияния радиуса округления лезвия скалывающего ножа ск на максимальную силу Fmax и работу A по измельчению пня являются линейными и сильно возрастающими (рисунок 6).
Рисунок 6 – Зависимости максимальной силы Fmax на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от скорости подачи фрезы vпод (1) и радиуса округления лезвия скалывающего ножа ск (2)
Исследовалось влияние механических свойств древесины на силу резания Fmax и работу измельчения A. Для легкообрабатываемой древесины (сосна) максимальная сила на комплексе меняется от 0,887 кН до 1,257 кН, для труднообрабатываемой древесины (дуб) работа по измельчению пня изменяется от 36,23 до 54,54 кДж соответственно. Таким образом, при обработке различных типов древесины динамические и энергетические параметры могут изменяться на 20–30 %.
Проведенный анализ привел к заключению, что на эффективность фрезерования наибольшее влияние оказывают следующие параметры:
- кинематические параметры (скорость подачи фрезерного рабочего органа и объем гидромотора, определяющий скорость вращения фрезы);
- параметры скалывающего ножа (задний угол и угол заострения ножа);
В связи с этим решены следующие две задачи оптимизации.
Важным преимуществом двухфакторной оптимизации является возможность графически изобразить поверхность отклика и провести ее визуальный анализ (рисунок 7).
Рисунок 7 – Поверхности отклика к оптимизации параметров фрезерной машины
Анализируя каждую из поверхностей отклика, представленных с помощью линий уровня, можно условно разделить факторное пространство на две области: благоприятную (заштрихована на рисунках 8 – 9) и неблагоприятную. В качестве границы между благоприятной и неблагоприятной областями экспертным путем выбирается некоторая линия уровня. При этом учитывается, что благоприятная область должна содержать минимальные значения критерия.
Рисунок 8 – Благоприятные области факторного пространства (vпод, qм) (заштрихованы) на поверхностях отклика, представленных линиями уровня
Рисунок 9 – Благоприятные области факторного пространства (ск, ск) (заштрихованы) на поверхностях отклика, представленных линиями уровня
В результате проведенной оптимизации выявлено, что оптимальные сочетания скорости подачи фрезы и объема гидромотора находятся в интервалах параметров: от 0,01 до 0,025 м/с для vпод и от 192*10-6до 256*10-6 м3/об для qм. Оптимальные сочетания заднего угла и угла заострения скалывающего ножа находятся в интервалах углов ск = 35О... 40О, ск = 40О... 45О. Предложены две новые схемы расположения комплексов ножей на рабочем органе, повышающие устойчивость фрезы к поломкам за счет более равномерного распределения нагрузок по ножам. Двухзаходная и синусоидальная схемы снижают максимальную силу на ноже на 40 % и 30 % соответственно.
В третьем разделе изложена программа экспериментальных исследований, описаны применяемое оборудование и методика проведения исследований. В первой серии определялась энергоемкость рабочего процесса для различных типов скалывающих ножей (с прямой режущей кромкой, со скосом, с ломаной, с дугообразной) с учётом режима их работы при измельчении древесины дуба. Во второй определялась энергоемкость работы единичного комплекса ножей при различных кинематических параметрах (скорость вращения рабочего органа, скорость подачи). В третьей оптимизировались параметры рабочего органа фрезерной машины (скорость подачи и выступ подрезного ножа). Для лабораторных исследований рабочих процессов новой конструкции рабочего органа фрезерной машины для удаления пней разработан лабораторный стенд, включающий механизмы резания и подачи, закрепленные на станине 1. Механизм резания состоит из рабочего органа 2 с закрепленным комплексом ножей 4, с приводом от гидромотора 5. Механизм подачи включает в себя подвижную платформу 6 с закрепленным пнем 7, с приводом от электродвигателя 8. Гидромотор приводится во вращение гидростанцией 10, которая подает рабочую жидкость через трубопроводы.
Изменение давления в подводящей гидромагистрали отслеживается датчиком 9, а угловая скорость – датчиком 3, подключенным к компьютеру (рисунок 10).
В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований энергоемкости рабочего процесса единичного комплекса ножей, рабочего органа фрезерной машины.
Проведена серия экспериментов для изучения влияния угла заострения ск скалывающего ножа при значениях 35О, 40О, 45О, 50О на удельную работу Aу по измельчению пня с прямой режущей кромкой (рисунок 11 а). Зависимость Aу(ск) имеет максимум при ск = 45О. В области низких значений Aу(ск) могут реализовываться два различных механизма отделения древесины: при ск < 45О происходит слоевое отделение древесины, при значениях же ск > 50О происходит дробление древесины. Угол заострения скалывающего ножа ск необходимо выбирать, исходя из механизма отделения древесины (слоевой или фрагментарный). Результаты эксперимента хорошо согласуются с результатами математического моделирования: максимальное расхождение составляет не более 10 % абсолютной величины.
Рисунок 11 – Влияние угла заострения скалывающего ножа ск (а) и скорости подачи vпод (б) на работу Aу по измельчению пня
Проведена серия лабораторных экспериментов с различными скоростями подачи: 0,00340, 0,00443, 0,00546, 0,00650, 0,00750, 0,00855, 0,00958, 0,011 м/с (рисунок 11 б). Экспериментальные зависимости Aу(vпод) близки к теоретической зависимости, в частности, в эксперименте подтверждается вогнутый характер теоретической кривой в области малых значениях скорости подачи vпод. При малых значениях vпод (от 0,004 до 0,007 м/с) древесина срезается тонкими слоями. При этом силы резания невелики, однако силы трения при пересчете на удельный объем оказываются значительными из-за большого количества срезаемых слоев. При больших значениях vпод (от 0,007 до 0,01 м/с) срезаются толстые слои древесины, при этом удельный вклад сил трения мал, однако силы резания велики, так как необходимо преодолевать изгибающие и расклинивающие свойства толстых слоев.
Проведена серия экспериментов по изучению влияния на работу измельчения пня одновременно двух параметров: скорости подачи vпод и выступа подрезного ножа hП. Поверхность Aу(vпод, hП) имеет вогнутый вид (рисунок 12, а). Аппроксимация функции Aу(vпод, hП) поверхностью второго порядка (рисунок 12, б), произведенная методом наименьших квадратов в математическом пакете MathCad 2000, позволила получить следующее уравнение регрессии:
Рисунок 12 – Результаты экспериментальной оптимизации параметров фрезы: экспериментальная поверхность отклика Aу(vпод, hП) (а); аппроксимация поверхности отклика поверхностью второго порядка (б); оптимальная область (заштрихована) на поверхности отклика, представленной линиями уровня (в)
Оптимальная область факторного пространства (vпод, hП) располагается в направлении увеличения vпод и уменьшения hП. Как показывают результаты оптимизации, подрезной нож должен выступать не более чем на 2 мм, при этом оптимальная скорость подачи находится в интервале 0,0045...0,007 м/с. На основе полученных данных, с помощью известной формулы теории резания древесины находим подачу Sz = 0,00147 м на комплекс ножей.
В пятом разделе определена технико-экономическая эффектив-ность экспериментальной машины для удаления пней. Для произ-водственной проверки экспе-риментальный образец машины для измельчения пней с гидроприводом рабочего органа смонтирован на конце стрелы манипулятора ЛВ-210, который установлен на трактор ЛТЗ-60А (рисунок 13). Производственная проверка работоспособности экспериментального образца машины для понижения пней показала, что часовая производительность составила 115 пней, что на 53,3 % выше базового варианта машины МУП-4. Годовой экономический эффект при внедрении в производство нового экспериментального образца машины для понижения пней составляет 386400 рублей при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,2 года.
Общие выводы и рекомендации
1. Обоснован процесс взаимодействия фрезы с пнем с новой компоновкой скалывающих и подрезных ножей и двухзаходной схемой расположения комплексов ножей. Данная компоновка повышает производительность и снижает энергетические и динамические показатели.
2. Разработана имитационная компьютерная модель функционирования фрезы с гидроприводом (защищена свидетельством официальной регистрации программы для ЭВМ № 2009610415). Модель воспроизводит основные физические процессы, происходящие в механической и гидравлической подсистемах машины, процессы взаимодействия ножей с древесиной и постепенное измельчение пня. По заданным параметрам фрезерной машины и условиям эксплуатации модели определены временные зависимости основных динамических характеристик (момента сопротивления фрезерования, угловой скорости, давления рабочей жидкости), максимальная сила, возникающая на ножах, а также общие энергетические затраты на фрезерование пня.
3. Анализ теоретических зависимостей показал, что при изменении углов резания передней режущей кромки подрезного ножа в пределах п = 30…60, максимальная сила Fmax снижается от 1,0 кН до 0,9 кН, а работа резания A – от 43 до 41 кДж. При углах заточки ск скалывающего ножа в интервале 45 < ск < 55 Fmax и A имеют максимальные значения 1,05…1,1 кН, и 43,5 кДж. При изменении заднего угла ск скалывающего ножа от 5 до 40 сила снижается от 1,05 кН до 0,95 кН, а работа резания – от 46 до 39 кДж. При увеличении скорости подачи зависимости Fmax(vпод) и A(vпод) незначительно увеличиваются в интервале от 0,01 до 0,03 м/с, а затем резко возрастают до 3 кН и 60 кДж.
4. Получены оптимальные сочетания скорости подачи vпод фрезы и объема qм гидромотора, которые находятся в интервалах: для vпод от 0,01 до 0,025 м/с, а для qм – от 192 до 256 см3/об, с частотой вращения 8,5 с-1. Оптимальные сочетания заднего угла и угла заострения скалывающего ножа находятся в интервалах углов ск = 35... 40, ск = 40... 45, а для радиуса округления скалывающего ножа ск – от 50 до 100 мкм.
5. В результате экспериментальных исследований с применением метода полнофакторного эксперимента определены оптимальные значения: выступа подрезного ножа относительно скалывающего ножа, которое должно составлять не более 2 мм, подача на зуб (комплекс ножей) составляет 0,00147 м, при этом снижается энергозатраты на 15 %. Целесообразно использовать скалывающие ножи с дугообразной режущей кромкой радиусом более R=25 мм в нижней части рабочего органа, так как такие ножи могут быть эффективны при фрезеровании у основания пня.
6. Производственная проверка работоспособности экспериментального образца фрезерного рабочего органа с гидроприводом на базе трактора ЛТЗ-60А с гидроманипулятором ЛВ-210 показала, что производительность по сравнению с МУП-4 возросла в 1,5 и составила 920 пней в смену. Годовой экономический эффект при внедрении в производство нового экспериментального образца машины для удаления пней составляет 386400 рублей, при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,2 года.
Основные публикации по теме диссертации
Печатные работы, входящие в перечень изданий, рекомендованных
ВАК к публикации при представлении кандидатской диссертации
1. Драпалюк, М. В. Оценка энергоемкости рабочего процесса машины для понижения пней [Текст] / М. В. Драпалюк, П. И. Попиков, А. И. Цуриков, Е. В. Беликов // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки. – 2007. – № 5 – С. 76-82.
2. Беликов, Е. В. Оптимизация параметров машины для удаления пней на основе компьютерного моделирования [Текст] / Е. В. Беликов // Вестник КрасГАУ. – 2009. – №. 8. – С. 7-12.
3. Попиков, П. И. Оптимальное расположение ножей на рабочем органе машины для удаления пней [Текст] / П. И. Попиков, Е. В. Беликов, В. В. Посметьев // Вестник КрасГАУ. – 2009. – №. 12. – С. 170-173.
4. Беликов, Е. В. Лабораторное экспериментальное исследование фрезерной машины для удаления пней [Текст] / Е. В. Беликов // Вестник КрасГАУ. – 2009. – №. 12. – С. 246-250.
Патенты и свидетельства
5. Пат. на полезную модель 78032 РФ, МПК7 А01G 23/06. Устройство для дробления пней [Текст] / И. М. Бартенев, М. В. Драпалюк, П. И. Попиков, Е. В. Беликов ; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. – № 2008117621/22 ; заявл. 04.05.08 ; опубл. 20.11.08, Бюл. № 32. – 2 с.
6. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2009610415 РФ. Программа моделирования работы фрезерной машины для удаления пней [Текст] / Е. В. Беликов, П. И. Попиков, В. В. Посметьев; правообладатель ГОУ ВПО «Воронеж. гос. лесотехн. акад.». – №2008615424 ; заявл. 21.11.2008 г. ; зарег. 19.01.2009.
Статьи и материалы конференции
7. Попиков, П. И. Исследование рабочих процессов гидропривода дисковой пилы для обрезки крон деревьев в городских условиях [Текст] / П. И. Попиков, П. В. Попиков, Н. Н. Иммель, Е. В. Беликов // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления : сб. науч. тр. / Под ред. проф. В. С. Петровского – Воронеж, 2006. – Вып. 11. – С. 47-52.
8 Математическая модель процесса дробления пней [Текст] / Драпалюк М. В., Кумицкий Б. М., Цуриков А. И., Беликов Е. В. ; Воронеж. гос. лесотехн. акад. – Воронеж, 2007. – 39 с. – 19 ил., Библиогр. 3 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 11.01.2007, № 32-В2007.
9. Драпалюк, М. В. Силовое взаимодействие фрезерно-скалывающего рабочего органа с пнем [Текст] / М. В. Драпалюк, П. И. Попиков, Е. В. Беликов // 70 лет кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии : сборник научных трудов / Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО "ВГЛТА". – Воронеж, 2007. – С. 76-82.
10. Попиков, П. И. Математическая модель процесса фрезерования пней машиной МУП-4 с гидроприводом рабочего органа [Текст] / П. И. Попиков, Е. В. Беликов, В. В. Посметьев // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления : сб. науч. тр. / Под ред. проф. В. С. Петровского – Воронеж, 2008. – Вып. 13. – С. 7-11.
11. Беликов, Е. В. Определение оптимальных геометрических параметров ножей для фрезерного рабочего органа с гидроприводом машины для удаления пней [Текст] / Е. В. Беликов // 70 лет кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии : сборник научных трудов / Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО "ВГЛТА". – Воронеж, 2008. – С. 127-133.
12. Беликов, Е. В. Методика математического расчета работы машины для удаления пней [Текст] / Е. В. Беликов, В. П. Попиков, С. Н. Саулин, В. В. Посметьев // Природопользование: ресурсы, техническое обеспечение: Межвуз. сб. науч. тр. / Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА» – Воронеж, 2009. – Вып. 4. – С. 144-150.
Просим принять участие в работе диссертационного совета
Д 212.034.02 или выслать ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, Воронежская государственная лесотехническая академия, ученому секретарю.
Тел. 8-4732-53-72-40, факс 8-4732-53-72-40, 8-4732-53-76-51.
Беликов Евгений Владимирович
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФРЕЗЫ С ГИДРОПРИВОДОМ ДЛЯ ПОНИЖЕНИЯ ПНЕЙ ТВЕРДОЛИСТВЕННЫХ ПОРОД НА ЛЕСНЫХ УЧАСТКАХ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати 12.05.2010 г. Заказ №
Объем 1,0 усл. п. л. 1. Тир. 100 экз.
Отпечатано в РА «Оптовик Черноземья»
г. Воронеж, ул. Ленина, 73
