CC BY
42
УДК 630*332.2.001.57
UDC 630*332.2.001.57
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ФРЕЗЫ С ГИДРОПРИВОДОМ ДЛЯ ПОНИЖЕНИЯ ПНЕЙ ТВЕРДОЛИСТВЕННЫХ ПОРОД НА ЛЕСНЫХ УЧАСТКАХ
Попиков Пётр Иванович д.т.н., профессор
Воронежская государственная лесотехническая академия, Воронеж, Россия
В статье представлены динамические характеристики фрезы для удаления пней на вырубке
Ключевые слова: ФРЕЗА, ДИНАМИКА ГИДРОПРИВОД, ПЕНЬ
STUDY OF WORKFLOWS WITH HYDRAULIC CUTTERS TO LOWER HARDWOOD STUMPS AT FOREST SITES
Popikov Petr Ivanovich Dr.Sci.Tech., professor
Voronezh State Forestry Academy, Voronezh, Russia
In the article, the dynamic characteristics of frictiondual-tillage of a wood soil-cultivating mill as object of automatic control are presented
Keywords: MILL, FRICTIONDUAL-TILLAGE, DYNAMICS
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 машинотракторным 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].
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.
3
5
Составлены и проанализированы дифференциальные уравнения, описывающие процесс фрезерования пня новым рабочим органом и расход рабочей жидкости гидропривода:
0_±Лт^ _ к пр ' Л 2Щ, м
(
0,12 •
2ро
( т„од 1 ^
я 8„
с• 0,12 •
2ро
+ г„.
РpHх (р _ /з{ 008 [а+ Ь ] + /тр єіп І' а + Ь | | + Ьасмг (віп 3 + /„ сов 3) +
+1Нгр(сов а + сов 3)(/трctg а _ 1)
Я„ • їіяп (о) _ к б о;
& К
п н _ Чт0 _ ауР
)
где Jпр - приведенный момент инерции вращающихся масс к валу гидромотора, включающий момент инерции роторной группы гидромотора и момент инерции рабочего органа, кг-м2; О- угловая скорость вращения вала гидромотора, с-1; ^ - время, с; ц„ - полный КПД гидромотора; щ - объёмный КПД гидромотора; qт - рабочий объём гидромотора, м3/об; р - давление рабочей жидкости в гидросистеме, Па; км -коэффициент, определяющий силу сопротивления при удалении элементарного куба, с; N - количество удаленных элементарных кубов древесины пня; гпод и гскл -коэффициенты, определяющие влияние сил ,Рпод и ^скл со стороны подрезного и скалывающего ножей, м; кпод - удельное сопротивление перерезанию, Н/м2; Ипод = 0,12упод/2па- подача на режущий нож, м; упод - скорость подачи, м/с; цпод -коэффициент трения древесины о нож; дп - угол резания передней режущей кромки; спод - коэффициент пропорциональности, постоянный для данной обрабатываемой древесины, Н/м2; р - радиус округления лезвия, м; НТ - статическая твердость древесины в тангенциальном направлении, Н/м2; в - угол заострения; а - задний угол; Утр - коэффициент трения древесины о режущий элемент, Ь- зона соприкосновения
передней грани ножа с древесинои, м; ас
предел прочности древесины на смятие
поперек волокон в радиальном направлении, Н/м ; д - угол резания; Нг - статическая твердость древесины в радиальном направлении, Н/м2; Яр - радиус резания, м; б1§п(ю) -функция, возвращающая знак ю; кб - коэффициент сопротивления трения при вращательном движении фрезы, Нм-с/рад; Кр - коэффициент податливости упругих элементов гидропривода, м5/Н; qн - рабочий объём насоса, м3/об; пн - частота вращения
насоса, с ; ау
коэффициент утечек, м /(с-Н).
V
V
под
под
к
+
+
г
под
под
Р
В результате компьютерного эксперимента получены зависимости максимальной силы резания ^тах и работы резания А от угла резания 8п. В данной серии экспериментов изменяли угол резания 5п от 10° до 70° с шагом 10°. Убывающий вид зависимости ^тах(5п) и А(8п) объясняется тем, что при малых значениях угла резания 5п передняя режущая кромка расположена почти перпендикулярно к направлению подачи древесины на нож, и сила сопротивления при этом велика (рисунок 4), минимальные значения ^тах(5п) и А(5п) находятся при угле резания 5п> 30°. [5].
Проведена серия компьютерных экспериментов, в рамках которых задний угол скалывающего ножа аск принимал следующие значения: 5°, 10°, 15°, 20°, 30°, 40°, 50°. При увеличении аск снижается максимальная сила на комплексе ножей и работа по измельчению пня вследствие более эффективного резания древесины (рисунок 5).
Рисунок 4 - Зависимости максимальной силы ,Ршах резания (а) и работы А измельчению
пня (б) от угла резания подрезного ножа 5п
а б
Рисунок 5 - Зависимости максимальной силы ^шах на комплексе (а) и работы А по
измельчению пня (б) от заднего угла скалывающего ножа аск (1) и угла заострения
скалывающего ножа рск (2)
В этой серии экспериментов изменяли угол заострения скалывающего ножа вск от 15О до 75О с шагом 10О. Зависимости ^тах(Рск) и А(вск) имеют максимум в области 40 < вск < 55О (рисунок 5). Низкие значения ^тах и А в области малых вск можно объяснить тем, что при малых вск проекция силы отделения древесины на продольное направление невелика.
Проведена серия из восьми компьютерных экспериментов, в рамках которой скорость подачи упод 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 ^тах(упод) резко возрастает после упод = 0,025 м/с, имеет приближенно квадратичный характер ^тах(упод) ~ V под (рисунок 6, а). Увеличение работы А 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 рск на максимальную силу ^тах и работу А по измельчению пня являются линейными и сильно возрастающими (рисунок 6).
кйр://е_].киЬа§го.т/2012/03/рёГ/26.рёГ
Хшах, кН
А, кДж
60
40
0
0,01
—'--------' '-----■-----' , 200,02------0,03--------0,04 ^под, м/с 0
0,01
0,02 0,03 0,04 м/с
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2Рск, мм 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Рск, мм
а б
Рисунок 6 - Зависимости максимальной силы Хшах на комплексе (а) и работы А по
измельчению пня (б) от скорости подачи фрезы упод (1) и радиуса округления лезвия
скалывающего ножа рск (2)
Исследовалось влияние механических свойств древесины на силу резания Хтах и работу измельчения А. 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.
Хшах Ьп.од, Чм )® шіп; Ак,од, Чм)® шіп;
Хах («™ А-)® шіп;
4а* ,Ас-)® шіп.
Важным преимуществом двухфакторной оптимизации является возможность графически изобразить поверхность отклика и провести ее
1
2
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.
0,01 0,015 0,02 0,025 ^од, м/с 0,01 0,015 0,02 0,025 ^од, м/с 0,01 0,015 0,02 0,025 ^од, м/с
Ртах(^ под, ^м) A(^под, ) Fmax(^под, ^м) П А(У
под, $м)
Рисунок 8 - Благоприятные области факторного пространства (упод, дм) (заштрихованы) на поверхностях отклика, представленных линиями уровня\
вск,
град.
вск,
град.
вск,
град.
10 20 30 40 Яск, град. 10 20 30 40 аск, град. 10 20 30 40 аск, град.
Fmax(аск, вск
) вск) Fmax(аск, вск) П вск)
Рисунок 9 - Благоприятные области факторного пространства (аск, вск) (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 упод и от 192*10-6до 256* 10-6 м3/об для дм. Оптимальные сочетания заднего угла и угла
о сО
заострения скалывающего ножа находятся в интервалах углов аск = 35 ... 40О, вск = 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 [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 Дж скалывающего ножа при значениях 35О, 40О, 45О, 50О на
удельную работу Ау по измельчению пня с прямой режущей кромкой (рисунок
значений Ау(вск) могут реализовываться два различных механизма отделения
скалывающего ножа вск необходимо выбирать, исходя из механизма отделения древесины (слоевой или фрагментарный).
Рисунок 11 - Влияние угла заострения скалывающего ножа вск (а) и скорости подачи упод
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 Ау(упод) близки к теоретической зависимости, в частности, в эксперименте подтверждается вогнутый характер теоретической кривой в области малых значениях скорости подачи упод. При малых значениях упод (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 упод (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
11 а). Зависимость Ау(Дж) имеет максимум при Дж = 45О. В области низких
древесины: при вск < 45О происходит слоевое отделение древесины, при значениях же вск > 50О происходит дробление древесины. Угол заострения
экспериментальная
кривая
теоретическая
кривая
теоретическая
кривая
0 20 40
60 век, град 0,0 0,004 0,008 0,012 0,016
а
(б) на работу Ау по измельчению пня
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 А0Ш 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.
