CC BY
25
УДК 621.791.019
ОЦЕНКА ЭНЕРГОЁМКОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПОРОСЛИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ АКТИВНЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С УЧЁТОМ РЕЖИМА ИХ РАБОТЫ
С.В. Пономарев
ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Представлены результаты экспериментальных исследований, оценки энергетических показателей работы различных типов активных рабочих органов машины для агротехнического ухода за лесными культурами.
Ключевые слова: энергоемкость процесса, резание поросли, активные рабочие органы, режим работы, агротехнический уход, лесные культуры.
Исследование энергоёмкости проводилось на разработанной нами лабораторной установке. Изменение давления в подводящей гидромагистрали отслеживается датчиком давления, сигналы которого подаются через модули аналогового ввода-вывода - АБЛМ-4017 и ЛБЛМ-4016 на преобразователь интерфейса К8-232/Я8-
485 - ЛВЛМ-4520 и далее обрабатываются
Р, МПа
4,5
4
3,5 3
2,5 2
1,5 1
0,5 0
ЭВМ и выражаются графически (рис. 1, 2).
Были исследованы четыре типа рабочих органов, условно названные нами: чашечным ножом с углом заточки 30°, грибовидным ножом с углом заточки 35°, тарельчатым ножом с углом заточки 40° и комбинированным ножом кромки которого выполнены тарельчатой и грибовидной формы.
1
П п/ лЛ
л/Л — к
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 ^ С
Рис. 1. Изменение давления при срезании поросли чашечным ножом при скорости вращения
вала гидромотора 320 об./мин
р,
6 -5 -4 -3 -2 -1 -0 -
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 Ъ С
Рис. 2. Изменение давления при срезании поросли чашечным ножом при скорости вращения
вала гидромотора 540 об./мин
МПа
Для расчёта энергоёмкости процесса резания воспользуемся эмпирической формулой, которая с достаточной точностью описывает изменение давления:
Ж Ртах ) = Ртп + (Ртах " Ртп )' «ПОТ, (1) где Ртах - давление в рассматриваемый момент времени, МПа; Ртт - давление при холостом режиме работы, МПа;
а - эмпирический коэффициент рав-
р
ный а = ап+-
^общ / ^ шаг
¿общ - длительность всплеска, с;
¿шаг - частота фиксирования давления, с.
Рассмотрим характер изменения давления, при срезании поросли диаметром 20 мм рабочим органом - чашечным ножом (рис. 3). Как видно из рисунка всплеск развивается по синусоидальному закону.
На основании эмпирической формулы, была построена кривая, характеризующая изменение давления, и, в соответствии с рис. 4, эта кривая была наложена на экспериментальную кривую изменения давления в процессе резания.
-♦-Эксперимент
Рис. 3. Всплеск давления при срезании поросли диаметром 20 мм чашечным ножом
Таким образом, имеем функциональную зависимость с входящими параметрами - давление холостого хода, максимальное давление, время всплеска и частота фиксирования давления. Как известно, совершаемая работа резания, равна площади Р, МПа 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
0 0,05 0,1 -♦- Эксперимент
от величины всплеска. В нашем случае границами всплеска давления являются моменты времени начала и конца всплеска, а функцией всплеска является установленная эмпирическая формула (1) с учётом входных параметров изменения давления.
1, с
0,15 — Теория
0,2
Рис. 4. Кривые изменение давления, полученные экспериментальным путём, и на основании
эмпирической формулы
С помощью программы МаШсаё 11 найден криволинейный интеграл применительно к рассматриваемому случаю:
р = 03- Т = 0 01- Р = 1 57 •
А Ш1П ^^ ' -^ер , 1 шах А.-",
= 0.19
^иШ
= |(Рт1п + (Ртах - Ртщ) ■ 8Ш(Р ■ Т^ / /))* = 13.46;
V = / ■ Р = 5 7^
ЬоЫ 'яшт'-'шт
V. = ^ -^ = 7.756..
Таким образом, мощность резания в данном случае равна 7.75 кВт. Аналогично рассчитывается мощность для других диаметров и типов рабочих органов. Результаты расчёта сведены в таблице.
Столь высокая мощность резания объясняется низкой скоростью подачи ра-
бочего органа, из-за чего увеличивается время перерезания поросли и, следовательно, мощность. Увеличение глубины резания почвы не оказывает серьезного влияния на повышение мощности резания.
Таблица 1
0
Энергоемкость работы четырёх типов рабочих органов при глубине резания почвы 4 см
Диаметр поросли, мм Мощность для соответствующего типа рабочего органа, Вт
чашечный грибовидный тарельчатый комбинированный
10 1126 1220 906.9 1345
15 2502 2345 3127 2408
20 3972 3534 4065 4191
25 6255 5973 6943 7756
Из данной таблицы следует, что при срезании тонкой поросли диаметром 10 мм рабочие органы потребляют мощность, колеблющуюся от 0,91 до 1,35 кВт. При срезании поросли характер среза у всех четырёх рабочих органов примерно одинаков и представляет собой разрыв поросли в одном месте контакта.
При срезании поросли диаметром 15 мм и более происходит увеличение мощности в 2-2,5 раза, что объясняется увеличением диаметра, как стволиков так и корней срезаемой поросли.
При резании различными типами рабочих органов наблюдалась примерно одинаковая картина удаления поросли.
На полученной после процесса резания поросли чашечным ножом, видно (рис. 5, а), что вначале нож входит в поросль в
тангенциальной плоскости и заглубляется на несколько миллиметров, после чего происходит расслоение поросли, дальнейший ее излом (рис. 5, б), после чего поросль попадала в пространство между защитным кожухом и ножами где происходило ее измельчение, смешивание с почвой и выброс за машиной (рис. 5в). Длина щепы поросли колебалась от 3 до 30 см. Столь широкий интервал объясняется тем, что в процессе испытаний в работе была задействована лишь одна секция с рабочими органами, вследствие чего происходило прохождение поросли мимо или удар ее частью режущей кромки рабочих органов.
а б в
Рис. 5. Образцы поросли от воздействия рабочего органа - чашечного ножа
При срезании поросли тарельчатым ножом срез имеет схожий характер. Однако при срезании поросли диаметром свыше
10 мм наблюдается значительное увеличение энергоемкости по сравнению с другими типами рабочих органов. Это можно
объяснить тем, что данный нож имеет плоскую верхнюю грань, которая препятствует вхождению ножа в древесину, и он контактирует не режущей кромкой, а плоскостью, вследствие чего происходит "скольжение" ножа по поросли (рис. 6).
Рис. 6. Образцы поросли от рабочего органа тарельчатого ножа При резании поросли грибовидным ножом наблюдается более гладкий срез без излома поросли в месте контакта с ножом
Применение комбинированного рабочего органа позволило увеличить степень крошения щепы, как стволиков, так и корней поросли, которая колебалась по длине от 2.. .3 до 13.. .15 см, также поросль
(рис. 7), что выражается в наименьшей энергоемкости при резании поросли различного диаметра среди всех видов ножей. Это можно объяснить тем, что режущая кромка ножа имеет плоский симметричный профиль, что способствует затягиванию ножа внутрь древесины, а также уменьшает трение волокон о полотно ножа.
Рис. 7. Образцы поросли от рабочего органа - грибовидного ножа имела почти гладкий срез (рис. 8), так как вначале происходило ее надрезание грибовидной, а затем полное срезание тарельчатой кромкой ножа.
а б в
Рис. 8. Образцы поросли от рабочего органа - комбинированного ножа
Также для уменьшения длины щепы были применены втулки с круговыми режущими кромками, что позволило увели-
чить её измельчение примерно в 2 раза -от 2.3 до 15.17 см. Однако это увеличило массу рабочих органов, что выразилось
в увеличении энергоемкости процесса резания.
Кроме применения различных типов гибких рабочих органов, на раме опытного образца кустореза была смонтирована при-емно-пригибающая пластина. При встрече пластины с порослью происходил её наклон, после чего при ударе ножа о поросль диаметром свыше 1,5 см, как правило, происходил практически полный её срез, приводивший к дальнейшему излому стволовой части поросли, которая в дальнейшем попадала в пространство под защитным кожухом и измельчалась.
В том же случае, когда опорного ножа не было, эта поросль оставалась не срезанной, или, возвращаясь в исходное положение, попадала под гибкий рабочий орган, после чего срезалась, но с большими затратами мощности орудия.
Таким образом, наиболее заметна УДК 630*232.427
эффективность нового орудия при работе именно с порослью диаметра 1,5 см и более. Это объясняется тем, что усилие резания, которое накапливается и расходуется в процессе работы без приемно-пригибающей пластины достаточно для среза поросли диаметром до 1,5 см. Применение комбинированных рабочих органов позволяет увеличить разрушающий эффект на стволики поросли, а следовательно, увеличить силу резания, хотя это и приводит к незначительному увеличению энергоемкости процесса резания. Однако установка приемно-пригибающей пластины препятствует отклонению крупной поросли и способствует её излому между своей опорной поверхности и вращающимся гибким рабочим органом.
