Исследование рабочих процессов фрезы с гидроприводом для понижения пней твердолиственных пород на лесных участках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Воронежская государственная лесотехническая академия, Воронеж, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ФРЕЗЫ С ГИДРОПРИВОДОМ ДЛЯ ПОНИЖЕНИЯ ПНЕЙ ТВЕРДОЛИСТВЕННЫХ ПОРОД НА ЛЕСНЫХ УЧАСТКАХ

Попиков Пётр Иванович

д.т.н., профессор

В статье представлены динамические характеристики фрезы для удаления пней на вырубке

Ключевые слова: ФРЕЗА, ДИНАМИКА ГИДРОПРИВОД, ПЕНЬ

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.[2]. фреза вырубка пень понижение

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.

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. [4]

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:

где J_пр - приведенный момент инерции вращающихся масс к валу гидромотора, включающий момент инерции роторной группы гидромотора и момент инерции рабочего органа, кг•м²; - угловая скорость вращения вала гидромотора, с^-1; t - время, с; з_n - полный КПД гидромотора; з₀ - объёмный КПД гидромотора; q_т - рабочий объём гидромотора, м³/об; p - давление рабочей жидкости в гидросистеме, Па; k_M - коэффициент, определяющий силу сопротивления при удалении элементарного куба, c; N_p - количество удаленных элементарных кубов древесины пня; r_под и r_скл - коэффициенты, определяющие влияние сил F_под и F_скл со стороны подрезного и скалывающего ножей, м; k_под - удельное сопротивление перерезанию, Н/м²; h_под = 0,12v_под/2рщ- подача на режущий нож, м; н_под - скорость подачи, м/с; м_под - коэффициент трения древесины о нож; д_n - угол резания передней режущей кромки; c_под - коэффициент пропорциональности, постоянный для данной обрабатываемой древесины, Н/м²; с - радиус округления лезвия, м; З_ф - статическая твердость древесины в тангенциальном направлении, H/м²; в - угол заострения; б - задний угол; f_тр - коэффициент трения древесины о режущий элемент, L- зона соприкосновения передней грани ножа с древесиной, м; у_см.r - предел прочности древесины на смятие поперек волокон в радиальном направлении, H/м²; д - угол резания; З_r - статическая твердость древесины в радиальном направлении, H/м²; R_р - радиус резания, м; sign(щ) - функция, возвращающая знак щ; k_б - коэффициент сопротивления трения при вращательном движении фрезы, Н•м•с/рад; K_р - коэффициент податливости упругих элементов гидропривода, м⁵/H; q_н - рабочий объём насоса, м³/об; n_н - частота вращения насоса, с^-1; а_y - коэффициент утечек, м⁵/(с•Н).

В результате компьютерного эксперимента получены зависимости максимальной силы резания F_max и работы резания A от угла резания д_п. В данной серии экспериментов изменяли угол резания д_п от 10є до 70є с шагом 10є. Убывающий вид зависимости F_max(д_п) и A(д_п) объясняется тем, что при малых значениях угла резания д_п передняя режущая кромка расположена почти перпендикулярно к направлению подачи древесины на нож, и сила сопротивления при этом велика (рисунок 4), минимальные значения F_max(д_п) и A(д_п) находятся при угле резания д_п> 30є.[5].

Проведена серия компьютерных экспериментов, в рамках которых задний угол скалывающего ножа б_ск принимал следующие значения: 5є, 10є, 15є, 20є, 30є, 40є, 50є. При увеличении б_ск снижается максимальная сила на комплексе ножей и работа по измельчению пня вследствие более эффективного резания древесины (рисунок 5).

Рисунок 4 Зависимости максимальной силы F_max резания (а) и работы A измельчению пня (б) от угла резания подрезного ножа д_п

Рисунок 5 Зависимости максимальной силы F_max на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от заднего угла скалывающего ножа б_ск (1) и угла заострения скалывающего ножа в_ск (2)

В этой серии экспериментов изменяли угол заострения скалывающего ножа в_ск от 15^О до 75^О с шагом 10^О. Зависимости F_max(в_ск) и A(в_ск) имеют максимум в области 40 < в_ск < 55^О (рисунок 5). Низкие значения F_max и A в области малых в_ск можно объяснить тем, что при малых в_ск проекция силы отделения древесины на продольное направление невелика.

Проведена серия из восьми компьютерных экспериментов, в рамках которой скорость подачи v_под 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 F_max(v_под) резко возрастает после v_под = 0,025 м/с, имеет приближенно квадратичный характер F_max(v_под) v²_под (рисунок 6, а). Увеличение работы A по измельчению пня с увеличением v_под (рисунок 6, б) имеет приближенно линейный характер от 30 до 60 кДж. Зависимости влияния радиуса округления лезвия скалывающего ножа с_ск на максимальную силу F_max и работу A по измельчению пня являются линейными и сильно возрастающими (рисунок 6).

Рисунок 6 Зависимости максимальной силы F_max на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от скорости подачи фрезы v_под (1) и радиуса округления лезвия скалывающего ножа с_ск (2)

Исследовалось влияние механических свойств древесины на силу резания F_max 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 (v_под, q_м) (заштрихованы) на поверхностях отклика, представленных линиями уровня

Рисунок 9 Благоприятные области факторного пространства (б_ск, в_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 v_под и от 192*10^-6до 256*10^-6 м³/об для q_м. Оптимальные сочетания заднего угла и угла заострения скалывающего ножа находятся в интервалах углов б_ск = 35^О... 40^О, в_ск = 40^О... 45^О. 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[3].

Рисунок 10 Общий вид лабораторной установки

Для лабораторных исследований рабочих процессов новой конструкций рабочего органа фрезерной машины для удаления пней разработан лабораторный стенд, включающий механизмы резания и подачи, закрепленные на станине 1(рис.10). 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.

Проведена серия лабораторных экспериментов для изучения влияния угла заострения в_ск скалывающего ножа при значениях 35^О, 40^О, 45^О, 50^О на удельную работу A_у по измельчению пня с прямой режущей кромкой (рисунок 11 а). Зависимость A_у(в_ск) имеет максимум при в_ск = 45^О. В области низких значений A_у(в_ск) могут реализовываться два различных механизма отделения древесины: при в_ск < 45^О происходит слоевое отделение древесины, при значениях же в_ск > 50^О происходит дробление древесины. Угол заострения скалывающего ножа в_ск необходимо выбирать, исходя из механизма отделения древесины (слоевой или фрагментарный).

Рисунок 11 Влияние угла заострения скалывающего ножа в_ск (а) и скорости подачи v_под (б) на работу A_у 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 A_у(v_под) близки к теоретической зависимости, в частности, в эксперименте подтверждается вогнутый характер теоретической кривой в области малых значениях скорости подачи v_под. При малых значениях v_под (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 v_под (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. Результаты эксперимента хорошо согласуются с результатами математического моделирования: максимальное расхождение составляет не более 10 % абсолютной величины.

Определена технико-экономическая эффективность экспериментальной машины для удаления пней.

Литература

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 Попиков П.И. Повышение эффективности гидрофицированных машин при лесовосстановлении на вырубках. Воронеж: ВГЛТА, 2001. 156 с.

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. 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.

5. 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.

Размещено на Allbest.ru