Оценка энергоемкости рабочего процесса машины для понижения пней Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 630*332.2.001.57

ОЦЕНКА ЭНЕРГОЕМКОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА МАШИНЫ ДЛЯ ПОНИЖЕНИЯ ПНЕЙ

© 2007 г. М.В. Драпалюк, П.И. Попиков, А.И. Цуриков, Е.В. Беликов

В ВГЛТА разработана технология лесовосстанов-ления на вырубках с понижением пней до уровня поверхности почвы с помощью машины МУП-4 для повышения проходимости трактора с последующей сплошной вспашкой дисковыми боронами типа БДК-2,5. Машина для удаления пней МУП-4 имеет рабочий орган в виде усеченного конуса, который установлен на стреле впереди трактора ЛХТ-55. По образующим конуса по спирали расположены скалывающие ножи, а на нижнем основании установлены два подрезающих ножа. Рабочий процесс осуществляется при опущенной стреле и ее повороте в горизонтальной плоскости для подачи вращающегося рабочего органа на пень. Однако МУП-4 удовлетворяет требованиям только при понижении пней мягколиствен-ных и хвойных пород, а для удаления пней твердоли-ственных пород необходимо обосновать конструктивные параметры рабочего органа.

Для описания процесса дробления пней коническим рабочим органом необходимо составить математическую модель, включающую сложную систему уравнений, которая позволит установить зависимости усилия резания и энергоемкости от геометрических, кинематических и режимных параметров рабочего органа с учетом физико-механических свойств древесины пня и динамики системы, выраженной в наложении линейных и крутильных колебаний.

Поэтому на первом этапе исследований процесса дробления пней для оценки энергоемкости в зависимости от различных конструктивных параметров рабочего органа нами предлагается рассматривать режим стопорения при отключении рабочего органа от приводного двигателя с использованием одномассо-вого уравнения. Основная внешняя нагрузка на систему «фреза - пень» представлена в виде движущего крутящего момента Мвр на фрезе 1 и сопротивлений перемещению орудия в виде касательной Pт и нормальной Pn составляющих, приложенных в середине линии контакта рабочего органа с пнем 2 (рис. 1)

На основании теоремы об изменении кинетического момента механической системы относительно оси г получено следующее дифференциальное уравнение:

Jz ö> = M вр - 2 (R + r )PX

(1)

Рис. 1. Силовое взаимодействие рабочего органа с пнем: и - вектор скорости движения подачи; г - ось вращения рабочего органа; ю - угловая скорость вращения рабочего органа; Н - высота усеченного конуса; Я - радиус нижнего основания; г - радиус верхнего основания; I - длина образующей конуса; Рт - равнодействующая касательных сил;

Рп - равнодействующая нормальных сил

Для определения составляющих сил сопротивления скалыванию Рт и Рп использованы следующие аналитические зависимости:

Pn = Fn l;

PT= Fт l;

F = F + F + F ■

т i л T ' i п T ' i з T ■

(2)

^ = ^ + ^ + ^

п л п п п з п '

где I - длина линии контакта одновременно работающих ножей; Рт, ¥п - суммарные составляющие силы, действующие на один резец; Рл т, т, Рз т - касательные единичные силы, действующие на единицу длин лезвия ножа, на переднюю и заднюю грань резца; Рл п , Рп п , Рз п - нормальные единичные силы, действующие на длине лезвия ножа, на переднюю и заднюю грань резца.

Fл т =-р# т (n-ß)

Fл n = —pHт (n-ß)

cos| а+2|+/трsin |a+ß

sin | а + |2|-А> cos fa + ß

Fn т = Lg с

где - момент инерции рабочего органа относительно оси г, обозначения г и Я пояснены на рис. 1.

(sin 8 + /тр cos8);

Fn n = Lgсм. r (cos 8- f^sin 8);

F3 т = 1 Hr р (cos а + cos 8)((р ctg а-1);

Fs n = 2 Hr p(cos а + cos §)(( + ctg а),

где а - задний угол; ß - угол заострения; 5 - угол резания; р - радиус округления лезвия; L - зона соприкосновения передней грани резца с древесиной; Hr -статическая твердость древесины в радиальном направлении; Нт - статическая твердость древесины в тангенциальном направлении; асмг - предел прочности древесины на смятие поперек волокон в радиальном направлении; / - коэффициент трения древесины о режущий элемент.

Соответствующее условие однозначности для уравнения (1) при стопорении рабочего органа имеет вид

to(0) = 96,34 с-

(3)

Решая дифференциальное уравнение (1) с начальными условиями (3), получаем следующее выражение для угловой скорости вращения рабочего органа в режиме стопорения:

w(t) = -

Mвр -2(R + r)PT

J

-t + 96,34.

(4)

Учитывая выражение (2), соотношение (4) перепишется в виде

to(t) = -

Mвр -R + r)Fт

Jz

t + 96,34.

Область изменения угловой скорости в зависимости от угла заточки в в диапазоне от 10 до 60 ° показана на рис. 2, из которого видно, что энергоемкость рабочего процесса при угле заточки р = 10° в 1,17 раза ниже, чем при угле заточки в = 60

Область изменения угловой скорости вращения при минимальном р = 30 мкм и максимальном р = = 330 мкм значении радиуса округления р режущей кромки резца показана на рис. 3, из которого видно, что радиус округления лезвия резца существенно влияет на энергоемкость рабочего процесса и при затуплении резца энергоемкость будет увеличиваться почти в 3 раза.

Рис. 2. Область изменения угловой скорости вращения рабочего органа в режиме стопорения при минимальном -10 ° (1) и максимальном - 60 ° (2) значении угла заточки р

to, с

80

60

40

20

0

1

2

3 t , с

Рис. 3. Область изменения угловой скорости вращения рабочего органа: 1 - р = 30 мкм, 2 - р = 330 мкм

Таким образом, в ходе данной работы были получены аналитические выражения для определения действующих сил на рабочие поверхности резца и получены зависимости угловой скорости вращения рабочего органа от времени в режиме стопорения, которые показывают, что чем меньше время стопорения рабочего органа, находящегося в зоне резания, тем более энергоемок процесс дробления пня. Полученные результаты исследований могут быть использованы при проектировании и модернизации машин для понижения пней твердолиственных пород.

Воронежская государственная лесотехническая академия

11 декабря 2006 г.