CC BY
41
УДК 630*332.2.001.57 UDC 630*332.2.001.57
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ LABORATORY RESEARCHES OF POWER
ПРОЦЕССА СИЛОВОГО РЕЗАНИЯ CUTTING PROCESS OF PLANTLETS ROOTS
ДРЕВЕСИНЫ КОРНЕЙ САЖЕНЦЕВ НОЖОМ WOOD BY PLANT LIFTER KNIFE
ВЫКОПОЧНОЙ МАШИНЫ
Дручинин Денис Юрьевич Druchinin Denis Urievich
аспирант postgraduate student
Воронежская государственная лесотехническая Voronezh State Forestry Academy, Voronezh, Russia
академия, Воронеж, Россия
Проведены лабораторные исследования процесса Laboratory researches of power cutting process of
силового резания древесины корней саженцев с plantlets roots wood for the purpose of parameters
целью оптимизации параметров ножей выкопочной optimization of knifes plant lifter by criterion of the
машины по критерию минимального усилия minimum effort of cutting are conducted. Analytical
резания. Получены аналитические зависимости dependences of efforts of cutting of roots wood on their
усилий перерезания древесины корней от их diameters for various breeds of saplings are received
диаметра для различных пород саженцев
Ключевые слова: ВЫКОПОЧНАЯ МАШИНА, Keywords: PLANT LIFTER, PLANTLETS, ROOTS,
САЖЕНЦЫ, КОРНИ, РЕЗАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ WOOD ROOTS CUTTING, CUTTER LOAD
КОРНЕЙ, УСИЛИЕ РЕЗАНИЯ
Введение. Для механизации перспективного способа лесовосстановления, озеленения городских территорий и разработки различных ландшафтных дизайнов (создания лесных культур и городских насаждений крупномерными саженцами, пересаживаемыми с комом почвы) учеными Воронежской государственной лесотехнической академии разработана машина для выкопки крупномерного посадочного материала с комом почвы и подготовки посадочных ям (рис. 1). Выкопочная машина состоит из следующих элементов: навески к трактору 3, рамы 2, двух гидроцилиндров 1. Рабочий орган состоит из двух вертикальных стоек 4, режущих элементов (ножей) 5 и полуковша 6 в задней его части. Рабочий орган и вертикальные стойки образуют двуплечий рычаг, поворачиваемый гидроцилиндрами [1].
Постановка и решение задачи. Резание корней - крайне сложный процесс. Резанию растительных материалов лезвием рабочего органа выкопочных машин предшествует процесс предварительного сжатия им
материала до возникновения на кромке лезвия рабочего органа разрушающего контактного напряжения стР [2, 3].
Рисунок 1 - Общий вид выкопочной машины
В работах [4, 5, 6, 7] рассматривается процесс силового перерезания древесины корней древесных пород с целью определения физикомеханических свойств поросли и корней. Однако в этих работах не учитываются геометрические параметры ножа, вследствие чего нельзя определить оптимальные параметры режущего элемента.
Для оптимизации геометрических параметров ножей выкопочной машины по критерию минимального усилия резания были проведены лабораторные исследования силового резания древесины корней саженцев основных пород, применяемых в лесном хозяйстве.
При определении усилия перерезания древесины корней использовался стенд УМ-5 А (рис. 2).
Рисунок 2 - Испытание древесины корней на перерезание на стенде УМ-5 А В Учебно-опытном лесхозе ВГЛТА были заготовлены образцы древесины корней различных культур: дуба черешчатого, березы повислой, сосны обыкновенной, тополя пирамидального. Важность образцов была определена в соответствии с ГОСТ 16483.7-71 и составила для корней дуба 60 %, для корней березы - 55%, для корней сосны - 46 % и для корней тополя - 50 %. В опытах использовались корни диаметром 5; 8; 10; 12; 15; 18; 25 мм (рис. 3).
Рисунок 3 - Образцы древесины корней после их силового перерезания
Каждый опыт повторяли 25 раз, затем проводилась статистическая обработка полученных материалов.
Результаты замеров усилия перерезания образцов древесины корней представлены в виде графиков зависимостей усилия резания древесины корней саженцев различных пород от диаметра при резании ножами с различными углами заточки и геометрическими параметрами (рис. 4-12).
В программу исследований входило определение влияния угла заточки, угла при вершине ножа на усилие резания древесины корней.
18000
16000
14000
х 12000
а;"
| 10000
со
<и
а.
® 8000 £ 6000 4000 2000
Нож с углом заточки 60°
: Дуб
Сосна
Береза
Тополь
----------7
0
0
ш"'
4^
10 15
Диаметр, мм
20
25
Рисунок 4 - Зависимость усилия резания древесины корней саженцев различных пород от диаметра при резании прямым ножом с углом заточки 60°
Нож с углом заточки 45°
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
-*—Дуб Сосна * Береза Тополь
0*
-С]
10 15
Диаметр, мм
20
25
Рисунок 5 - Зависимость усилия резания древесины корней саженцев различных пород от диаметра при резании прямым ножом с углом заточки 45°
5
0
5
Нож с углом заточки 30°
Рисунок 6 - Зависимость усилия резания древесины корней саженцев различных пород от диаметра при резании прямым ножом с углом заточки 30°
Нож с углом при вершине 80° и углом заточки 60°
Нож с углом при вершине 80° и углом заточки 45°
Рисунок 8 - Зависимость усилия резания древесины корней саженцев различных пород от диаметра при резании ножом с углом при вершине 80° и углом заточки 45°
Нож с углом при вершине 80° и углом заточки 30°
Нож с углом при вершине 105° и углом заточки 60°
Диаметр, мм
Рисунок 10 - Зависимость усилия резания древесины корней саженцев различных пород от диаметра при резании ножом с углом при вершине 105° и углом заточки 60°
Нож с углом при вершине 105° и углом заточки 45°
Диаметр, мм
Нож с углом при вершине 105° и углом заточки 30°
Рисунок 12 - Зависимость усилия резания древесины корней саженцев различных пород от диаметра при резании ножом с углом при вершине 105° и углом заточки 30°
Выводы. При анализе полученных результатов установлено влияние угла заточки и угла при вершине ножа на усилие перерезания корней саженцев различных пород. Так, усилие резания снижается на 4-17 % (в зависимости от породы) при перерезании ножом с углом при вершине, отличным от нуля.
Общеизвестно, что дуб среди всех рассматриваемых пород имеет наибольшую плотность древесины. Поэтому для сравнения усилия резания в зависимости от исследуемых ножей и выбора оптимального ножа по критерию минимального усилия резания целесообразно рассматривать опытные данные резания ножами древесины корней дуба (рис. 13).
Из анализа полученных данных выявлено, что минимальное усилие при перерезании корней дуба черешчатого достигается при использовании ножа с углом при вершине 105° и углом заточки 30°.
При малых диаметрах (до 8 мм) различия в усилиях резания древесины корней различных пород минимальные, но с увеличением диаметра возрастает и усилие, которое необходимо приложить для перерезания корня.
Резание древесины корней дуба различными видами ножей с углом заточки 30°
Рисунок 13 - График резания древесины корней дуба различными видами ножей
с углом заточки 30°
На основании полученных экспериментальных данных силы резания
древесины корней саженцев ножом с углом при вершин е 105° и углом заточки 30° определены следующие статистические показатели, которые сведены в таблицы 1-4: среднее арифметическое значение выходного
X
параметра - , мера рассеивания выходной величины относительно
среднеарифметического значения, т. е. дисперсия - £ , мера рассеивания отклонения в виде среднеквадратического отклонения - £, коэффициент вариации - V, показатель точности - Р.
Таблица 1- Статистические показатели оценки экспериментальных данных усилия Р, Н, необходимого для перерезания древесины корней дуба в зависимости от их диаметра ножом _________________ с углом при вершине 105° и углом заточки 30°______________________
Диаметр, мм X 81 £ V, % Р, %
5 457,88 7,62 19,0454 8,68 0,93
7 724,03 28,53 26,1600 20,60 1,75
10 4228,68 47,34 110,1847 18,47 1,15
12 5680,65 22,93 106,7781 6,01 0,31
15 7673,87 52,15 119,5631 8,76 0,36
18 8697,13 35,56 199,2855 4,16 0,14
25 12429,75 39,09 108,3959 3,89 0,12
Таблица 2 - Статистические показатели оценки экспериментальных данных усилия Р, Н, необходимого для перерезания древесины корней сосны в зависимости от их диаметра
ножом с углом при вершине 1 05° и углом заточки 30°
Диаметр, мм X £2 £ V, % Р, %
5 123,216 7,62 21,9722 8,68 0,93
7 350,472 28,53 11,8232 20,60 1,75
10 544,782 47,34 25,9319 18,47 1,15
12 852,550 22,93 46,7171 6,01 0,31
15 1466,114 52,15 121,8865 8,76 0,36
18 2602,904 35,56 98,0545 4,16 0,14
25 3219,766 39,09 77,0777 3,89 0,12
Таблица 3 - Статистические показатели оценки экспериментальных данных усилия Р, Н, необходимого для перерезания древесины корней березы в зависимости от их диаметра
ножом с углом при вершине 1 05° и углом заточки 30°
Диаметр, мм X £2 £ V, % Р, %
5 410,618 7,62 4,15919 8,68 0,93
7 652,018 28,53 26,01342 20.60 1.75
10 2797,962 47,34 18,85490 18,47 1,15
12 3655,238 22,93 13,37506 6.01 0,31
15 4721,614 52,15 32,27131 8,76 0,36
18 5224,508 35,56 22,05392 4,16 0,14
25 7404,282 39,09 17,78674 3,89 0,12
Таблица 4 - Статистические показатели оценки экспериментальных данных усилия Р, Н, необходимого для перерезания древесины корней тополя в зависимости от их диаметра
ножом с углом при вершине 1 05° и углом заточки 30°
Диаметр, мм X £2 £ V, % Р, %
5 354,688 7,62 4,15919 2,37773 0,93
7 537,710 28,53 26,01342 5,14677 1,75
10 2364,564 47,34 18,85490 22,37141 1,15
12 2742,270 22,93 13,37506 23,70784 0,31
15 3555,652 52,15 32,27131 24,91647 0,36
18 4253,502 35,56 22,05392 14,44119 0,14
25 5215,498 39,09 17,78674 18,03031 0,12
Построены также гистограммы распределения максимального усилия, достаточного для перерезания древесины корней, позволяющие предварительно оценить нормальность эмпирического распределения. Для большей наглядности на гистограммы наложена кривая нормального распределения. При построении гистограмм была использована программа для статистической обработки экспериментальных данных 81айвйса 6. В качестве примера на рисунке 14 приведена гистограмма распределения максимальной нагрузки для перерезания древесины корней дуба.
Гистограмма (Опыты-дуб-ЗО 7у”25с) 5 = 25”10”погта!(х, 456,396, 19,0454)
11т.
400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510
5
а)
Г истограмма (Опыты-дуб-30 7у”25с) 10 = 25*50*погта!(х, 484 5,44 8, 110,184 7)
в)
Г истограмма (Опыты-дуб-30 7у”25с) 15 = 25*50*погта!(х, 7680,906, 119,5631)
д)
г)
Г истограмма (Опыты-дуб-30 7у”25с)
18 = 25*100*погта!(х, 8715,756, 199,2855)
е)
74 50 7 5 0 0 7 5 5 0 7 6 0 0 7 6 5 0 7 7 0 0 7 7 5 0 7 8 0 0 78 5 0 7 9 0 0 7 9 50 8 0 0 0 8 2 0 0 8 3 0 0 84 0 0 8 5 0 0 8 6 0 0 87 0 0 8 8 0 0 8 9 0 0 9 0 0 0 9 1 00 9 2 0 0 9 3 00
15 18
Гистограмма (0пыть-дуб-30 7у”25с)
25 = 25”50”погта!(х, 12429,754, 108,3959)
12200 12300 12400 12500 12600 12700
25
ж)
Рисунок 14 - Гистограммы распределения усилия резания Р, Н при перерезании ножом с углом при вершине 105° и углом заточки 30° древесины корней саженцев дуба диаметров 0,5; 0,7; 1; 1,2; 1,5; 1,8; 2,5 см
Построены графики зависимостей усилия перерезания древесины корней саженцев от их диаметра (рис. 15). Кроме того, получены аналитические зависимости усилий перерезания древесины корней от их диаметра для различных пород саженцев:
для дуба: 4,9856^2 + 431,9465^ - 974,0403;
Я2 = 0,9707 ; (1)
2
для сосны: 3,6408^2 + 54,1866^ -170,7820 ;
Я2 = 0,9718; для березы: 1,5340^2 + 290,3044^ - 555,4831; Я2 = 0,9709 ;
для тополя: - 0,7530^2 + 257,8254^ - 477,3861;
2
Я2 = 0,9633
Дуб
(2)
(3)
(4)
а) б)
в) г)
Рисунок 15 - Зависимость усилия перерезания древесины корней от их диаметра:
а - дуб; б - сосна; в - береза; г - тополь
Список литературы
1. Дручинин Д.Ю. О разведении и восстановлении дубрав в поймах рек // Лесотехнический журнал. - 2011. - № 2. - С. 6-9.
2. Дручинин Д.Ю., Дорняк О.Р., Драпалюк М.В. Математическая модель взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями растений // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2011. - № 68. - С. 51-67.
3. Дручинин Д.Ю. К вопросу учета взаимодействия рабочего органа лесных машин с почвой и корнями растений при математическом моделировании // Молодой ученый. - 2011. - № 7. - С. 25-28.
4. Драпалюк М.В. Совершенствование технологических операций и рабочих органов машин для выращивания посадочного материала и лесовосстановления: Дисс. ... д-ра техн. наук. - Воронеж, 2006. - 415 с.
5. Попиков В. П. Обоснование параметров технологического оборудования машины для формирования крон деревьев при лесовыращивании: Дисс. .канд. техн. наук. - Воронеж, 2008. - 171 с.
6. Пономарев С.В. Обоснование параметров активных рабочих органов машины для агротехнического ухода за лесными культурами на вырубках: Дисс. .канд. техн. наук. - Воронеж, 2008. - 182 с.
7. Драпалюк М.В. Совершенствование технологических операций и рабочих органов машин для выращивания посадочного материала и лесовосстановления: Автореф. дисс. ... д-ра техн. наук. - Воронеж, 2007. - 17 с.
