CC BY
56
УДК 631.342
МЕХАНИЗАЦИЯ ОБРЕЗКИ КРОН ДЕРЕВЬЕВ В ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ П. И. Попиков, Л. Д. Бухтояров, В. П. Попиков, Д. А. Азаров
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Одним из основных направлений реализации федеральной целевой программы «Развитие лесного семеноводства на период 2009-2020 годы» является обеспечение выполнения всего комплекса мероприятий по содержанию имеющихся ле-сосеменных объектов и повышение их урожайности за счет лесоводственных и агротехнических уходов, включающих обрезку кроны, внесение удобрений и др.
Существующие конструкции машин для обрезки ветвей деревьев в садоводстве, лесоаграрных ландшафтах и зелёных зонах городов и посёлках обеспечивают высоту обрезки не более 4,5 м [2], в то время как на лесосеменных плантациях и зелёных зонах требуемая высота обрезки 7...8 м. В настоящее время обрезка ветвей деревьев лесосеменных плантаций производится рабочими, поднятыми гидроподъемниками в крону деревьев, с помощью ручных ножовок и бензопил. Любые повреждения при обрезке вредны для дерева и способствуют возникновению различных инфекционных болезней. Поэтому при обрезке крон необходимо обеспечивать качественный срез ветвей без задиров коры и расщепов. Задача повышения качества и производительности обрезки крон деревьев вызывает острую необходимость в разработке средств механизации этого сложного технологического процесса.
Из анализа исследований параметров
существующих технических устройств для обрезки крон деревьев следует, что наиболее перспективными являются машины манипуляторного типа, рабочим органом которых являются дисковые пилы с гидроприводом. Однако рабочие процессы и параметры технологического оборудования машин для обрезки крон деревьев лесосе-менных плантаций недостаточно исследованы, нет четкого представления о том, какими должны быть параметры гидропривода и зубьев дисковых пил для качественной обрезки крон деревьев.
Для выявления оптимальных параметров и режимов работы круглых дисковых пил и взаимодействия их с различными породами деревьев в ВГЛТА создана машина для обрезки крон деревьев (рис. 1) [3, 6].
Рабочий орган машины для обрезки крон деревьев, который смонтирован на базовой машине 1 типа автопогрузчика и содержит подъемный механизм 2 с гидроцилиндром 3, на котором смонтирована поворотная колонна 4. На поворотной колонне 4 установлена нижняя секция 5 стрелы, к которой посредством цилиндрического шарнира прикреплены средняя секция 6 стрелы и гидроцилиндр 7 управления. Верхняя часть средней секции 6 стрелы посредством цилиндрического шарнира соединена с крайней секцией 8, снабженной гидроцилиндром 9 управления.
Внутри крайней секции 8 жестко смонтирован гидроцилиндр управления, шток которого жестко соединен с винтом, установленным по резьбе во втулке, смонтированной при помощи подшипников внутри крайней секции 8 и жестко соединенной со штангой 10. На другом конце штанги 10 установлен поворотный гидродвигатель (ротатор) 11, причем вал поворотного гидродвигателя имеет подвижное соединение с корпусом привода 12 дисковой пилы 13, имеющей одностороннюю заточку в сторону отделяемой части ветви и следующие геометрические параметры зубьев: угол заточки передней (длинной) режущей кромки $5=30°, контурный угол заострения в=30°, задний контурный угол а=130°, задний угол резания боковой кромки а5~0°, передний угол у=-70° (имеет отрицательное значение), а угол резания 5=160°, угол заточки короткой режущей кромки взк=45°, передний угол ук=40° име-
обрезки крон деревьев
ет положительное значение, задний контурный угол ак=20° и угол резания ¿¿=50°. Развод зубьев выполнен односторонний в пределах 0,2 мм в сторону заточки. На корпусе дисковой пилы жестко закреплен У-образный упор 14, высота которого больше радиуса дисковой пилы.
Рабочий орган машины для обрезки крон деревьев работает следующим образом. Базовая машина 1 занимает позицию перед деревом, и оператор при помощи гидроцилиндра 3 и подъемного механизма 2 поднимает рабочий орган на необходимую высоту. Затем гидроцилиндрами 7 и 9 средняя 6 и крайняя 8 секции стрелы поворачиваются в рабочее положение, и при помощи поворотной колонки 4 производится установка в плане рабочего органа. При включении механизма поворота штанги обеспечивается ее поворот вместе с пилой вокруг продольной оси, одновременно при включении поворотного гидродвига-
теля осуществляется поворот его вала совместно с корпусом привода пилы на необходимый угол а. При этом дисковая пила 13 занимает заданное положение в пространстве относительно кроны дерева. Включением привода 12 обеспечивается вращение дисковой пилы 13, затем поочередным манипулированием гидроцилиндрами 7, 9 и гидродвигателем 12 оператор производит подрезку кроны дерева при неизменном положении базовой машины. При обрезке ветвей деревьев резание производится передней (длинной) режущей кромкой с углом заточки вз=30° (вращение против часовой стрелки). Задний угол резания боковой кромки а3~0°. Поэтому происходит как бы бесстружечное силовое резание, деформируется только отделяемая часть ветвей, а на дереве остается участок с гладким срезом, т.к. задний угол резания боковой кромки а3 близок к нулю. Передний угол у=-70° и в данном случае имеет отрицательное значение, а угол резания 3=160°. В процессе обрезки крупных боковых ветвей и вершин деревьев V-образный упор 14 упирается в отделяемую часть ветви, исключая зажим дисковой пилы в пропиле [7].
При ежегодной подрезке однолетних побегов используется эта же пила с обратным направлением вращения (вращение по часовой стрелке, см. рис. 1). Резание в этом случае производится короткой режущей кромкой с углом заточки в3к=45°. Передний угол ук=40° имеет положительное значение, задний контурный угол ак=20° и угол резания 3^=50°. При обрезке однолетних побегов зуб пилы их как бы захватывает и не дает отклоняться в сторону. Да-
лее рабочий орган переводится в транспортное положение, и базовая машина перемещается на новую позицию для обрезки кроны другого дерева [4, 5].
Для исследования рабочих процессов резания разработан лабораторный стенд (рис. 2), включающий раму 1, механизм резания 2 с гидромотором 3, манометром 4, подключенным к компьютеру, механизмом подачи в виде гидроцилиндра 5 и дросселя для регулирования скорости подачи. Удельная сила резания образцов древесины ветвей определялась на испытательной машине УМЭ-10ТМ.
Рис. 2. Лабораторный стенд механизма резания с дисковой круглой пилой и гидромотором
В результате приведенных экспериментальных исследований динамики гидропривода и рабочих процессов срезания ветвей деревьев получены зависимости давления рабочей жидкости от времени (рис. 3). В результате расчетов согласно методике планирования эксперимента с использованием Microsoft Excel XP получено следующее уравнение регрессии второго порядка в кодированном виде:
Г = 6.56 -1.01^+1.38^2 - 0.81^*2 - 2.21л-!2 - 0.26л22,
где У - давление рабочей жидкости в гидромоторе,
XI - угол встречи, х2 - скорость подачи.
Опыт №1
МиУ —
8
2 6 ® 5
^ 4 (и 3 § 2 го 1
* О
О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 Время,с
Рис. 3. График изменения давления рабочей жидкости при скорости подачи Кпод=0,02 м/с и
угле встречи 6=60°
На рис. 4 изображена поверхность, описываемая полученным уравнением регрессии.
Скорость подачи, м/с
«ММ
1 ЧЛ)
Угол встречи град
Рис. 4. Зависимости давления от углов встречи и скорости подачи
Из графика следует, что зависимости давления рабочей жидкости в гидроприводе пилы от угла встречи - квадратичная, а от скорости подачи - линейная, минимальное давление рабочей жидкости в гидроприводе дисковой пилы наблюдается при угле встречи, равном 60° и скорости подачи 0,02 м/с, при этом обеспечивается наиболее качественный срез.
Получены экспериментальные зависимости влияния развода зубьев пилы на максимальную силу на зубе и шероховатость среза (рис. 5 а, б). Из графиков следует, что при одностороннем разводе зубьев пилы наблюдается снижение энергоемкости срезания в 1,4 раза, а шероховатости - с 400 мкм до 200 мкм по сравнению с симметричным разводом.
Fmax, H
150
140 ■
130 ■
120 ■
110 ■
100 ■
90 ■
80 ■
70 ■
60 ■
50 -J
0
ф симмегричныи развод ■ верхний развод
Р,град
10
20 а
30
40
20 б
Рис. 5. Зависимости максимальной силы резания ^шах (а) и шероховатости среза Ятт
угла развода зубьев пилы р
(б) от
Для производственной проверки механизм резания с гидроприводом дисковой пилы установлен на конце стрелы на раме корзины (люльки) гидроподъемника. В процессе испытаний установлено, что часовая производительность на 26,2 % выше базового варианта, так как исключается подъем рабочих в крону деревьев. Технологическое оборудование обеспечивает полноту среза ветвей не ниже 96 %, срезы с отщепом и изломом составляют 1,5 % от общего количества среза. Поверхность среза ветвей ровная, шероховатость среза не превышала 200 мкм.
Результаты проведенных исследований позволяют ускорить процесс создания новых машин для проведения лесово-дственных уходов в лесных насаждениях, лесосеменных плантациях, лесоаграрных ландшафтах и зелёных зонах городов и посёлков.
Библиографический список
1. Бартенев И.М., Драпалюк М.В. Теоретические исследования процесса резания дисковой пилой тонкомерной дре-
весной растительности // 70 лет кафедре механизации лесного хозяйства и проектированиям машин ВГЛТА: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж, 2007. C.8.
2. Жданов Ю.М., Юферев В.Г. Выбор режущих рабочих органов многомодульного агрегата для ухода за лесными насаждениями // Вестник РАСХН. 2009. №4. С. 87-89.
3. Патент РФ № 2374824, МПК A01G3/00. Рабочий орган машины для полрезки крон деревьев / В.П. Попиков, М.В. Драпалюк, Л.Д. Бухтояров; заявитель и патентообладатель ГОУ ВГЛТА. - № 2008106730/12; заявл. 21.02.2008; опубл. 10.12.2009. Бюл. № 34.
5. Попиков В.П., Коротких ВН., Драпалюк М.В. Имитационное моделирование технологического процесса лесной машины с гидроприводом дискового рабочего органа // Вестн. КрасГАУ. 2009. № 5. С. 129-132.
6. Попиков В.П., Бухтояров Л.Д. Моделирование процесса обрезки ветвей деревьев дисковой пилой на лесосеменных плантациях // Вестн. КрасГАУ. 2009. № 8. С. 3-7.
7. Попиков П.И., Драпалюк М.В., Попиков В.П. Математическая модель управления процессом обрезки крон деревьев машиной манипуляторного типа с дисковой пилой // Куб. ГАУ. 2011. №74. С.
25-36.
8. Репринцев Д.Д., Драпалюк М.В., Попиков В.П. Механизация обрезки крон деревьев и кустарников // Лесн. хоз-во. 2006. № 1. С. 45.
