CC BY
21
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
ОБ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ ПНЕЙ КОНИЧЕСКОЙ ФРЕЗОЙ С ЖИДКОСТНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ
B. В. ЦЫПЛАКОВ, проф. каф. механизации лесного хозяйства Саратовского ГАУ, д-р с.-х. наук,
C. В. ФОКИН, доц. каф. механизации лесного хозяйства Саратовского ГАУ, канд. техн. наук
feht@mail.ru
Лес является сложным экологическим комплексом, оказывающим важное влияние на жизнедеятельность человека. Сохранение и приумножение лесных ресурсов является одной из важнейших задач общества. В России ежегодно вырубается леса с площади в 2 млн га [1]. В результате неправильного ведения реформирования экономики незаконные вырубки увеличились в 1993 г. сравнительно с 1992 г. в 3 раза и составили 2 млн га (по данным Госкомстата РФ), а по данным конгресса США - 12 млн га. Поэтому в Концепции развития лесного хозяйства Российской Федерации на 2003-2010 гг. ставится задача качественного воспроизводства лесов [2].
В России естественным путем восстанавливается около 1/3 ежегодно вырубаемых лесов, остальные требуют специальных мер по их возобновлению. На 50% площади достаточно только содействия естественному возобновлению, а на остальной- нужны посев и посадка деревьев. Для того, чтобы решить поставленную задачу, необходимо внедрять в производство следующие виды технологий лесовосстановления:
- технологии, обновляющие и дополняющие уже существующие производственные процессы с целью снижения свойственного им воздействия на экологию леса;
- интегрированные технологии, использующие принципиально новые технические подходы, которые позволяют ми-ниминизировать или полностью устранить отрицательное воздействие на экологию леса, предотвращая заранее саму возможность появления этих негативных факторов [3,4].
Реализация таких технологий возможна путем разработки и внедрения в производство специальных машин и механизмов для работы в лесу, которые бы удовлетворяли лесоводственным, экологическим и социально-экономическим требованиям.
Территория Среднего Поволжья относится к степной и лесостепной климатическим зонам. Леса этих зон представлены в основном твердолиственными породами (дуб - 52 %, липа - 9 %, сосна - 21 %). Так как в настоящее время в Среднем Поволжье лесокультурные работы, главным образом, ведутся на вырубках, то возникает проблема расчистки этих вырубок от пней, так как для вырубок степной и лесостепной лесорастительных зон характерно наличие большого количества пней на 1 га (свыше 600 штук) и захламленность порубочными остатками [5]. Наличие таких препятствий затрудняет движение машинотракторных агрегатов (МТА), вызывая снижение качества обработки почвы при посеве и посадке лесных культур. Поэтому основным препятствием для движения МТА являются пни. Их удаление связано с большими материальными и энергетическими затратами.
Исследования форм поверхности торцевого среза пней показали, что в Среднем Поволжье наиболее распространены пни со сложной формой торцевой поверхности. В связи с данным фактом процесс торцевого фрезерования пней, имеющих сложную поверхность среза, можно разделить на 2 этапа: начальный - неустановившийся режим резания, основной - установившийся режим резания. Начальный этап непродолжителен по времени. Однако вследствие кратковременной неравномерной загрузки рабочего органа и отсутствия жестких наложенных связей возможно отклонение оси вращения конструкции от нормали. Это может привести к поломке оборудования.
Поэтому в целях совершенствования технологических схем расчистки вырубок от пней в степной и лесостепной зонах предлагается новая конструкция конической фрезы с жидкостным наполнителем (КФЖН) (рис. 1) [6], способная измельчать пни со сложной формой торцевого среза.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009
115
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Рис. 1. Рассматриваемое движение КФЖН при измельчении пня
Рис. 2. Схема сил, действующих на КФЖН при фрезеровании пня с торца
Для обоснования конструктивных параметров фрезы и технологических режимов измельчения пней рассматривается следующая технология измельчения пней: при помощи двигателя, обеспечивается равномерная угловая скорость вращения фрезы ш = ш0 = const, а поддерживающий привод обеспечивает равномерная подача механизма П = v0 / ш0 = const.
Кинематика и динамика при такой технологии измельчения пней учитывается в
выражениях (1-3) для режущих сил, в которые входит подача механизма П = v / ш, и в дифференциальных уравнениях (4-5) винтового движения механизма [7, 8]
P = kPz(3R/«)П07(НВ)075, (1)
P = kpx(3,2R/n)n08(HB)0,6, (2)
P = Ptgp. (3)
Jz ф=И*, (4)
M zic = Fe . (5)
В расчетах принимается одна из самых худших случаев формы пня (форма с выступом). При этом выступ попадает на крайнюю режущую кромку конической фрезы с жидкостным наполнителем. Характер возникающей при этом сталкивающей силы RA и силы реакции RB (рис. 2) зависит от геометрической конфигурации пня, поскольку в процессе работы фрезы режущие силы изменяют точки приложения от самой дальней на расстоянии R (радиуса фрезы) до нуля.
Также характер сталкивающей силы RA и силы реакции RB зависит и от угла отклонения фрезы и от степени наполнения корпуса КФЖН жидкостью. Поэтому справедливы следующие соотношения
Иж < = Rtg^ (6)
tga < tgp - Иж / R. (7)
Возникающие при измельчении пней со сложной формой торцевой поверхности сталкивающие силы и силы реакции - сложные функции геометрических и массовых характеристик рабочего органа и жидкости, угла отклонения КФЖН от вертикали, действующих режущих сил и параметров движения.
В результате теоретических расчетов получена математическая модель, являющаяся основой для автоматизированного расчета конструктивно-технологических параметров КФЖН
Xa = (PnR/(a + 6))[°,25tgp - yj, (8)
Ya = (PzR/(a + b))[-1 + YjtgP - 0,25tg2p], (9) Xb = ~(Pr\RJ(a + b))[0,25tgp + yJ, (10)
Yb = (PzR/(a + b))[1 + Yatgp + 0,25tg2p], (11) Ra = (PzR/(a + b))*
x^2[0,25tgp - yJ2 + [-1 + YjtgP - 0,25tg2P]2, (12) RB = (PR/(a + b))*
x^n2[0,25tgP + Ya]2 + [1 + YatgP + 0,25tg2P]2, (13) Разработанная компьютерная программа позволяет рассчитывать и визуализировать выходные параметры построенной
116
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009
