Результаты экспериментальных исследований фрезы на базе гидроманипулятора для измельчения пней и проблемы непользования древесных отходов

УДК 630*232.211

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФРЕЗЫ НА БАЗЕ ГИДРОМАНИПУЛЯТОРА ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПНЕЙ И ПРОБЛЕМЫ НЕПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ П.И. Попиков, Е.В. Беликов, П.И. Титов, Р.В. Юдин, А.А. Сидоров

ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Представлены результаты экспериментальных исследований фрезерного рабочего органа для понижения пней на лесных участках и проблемы использования древесных отходов, путем их переработки на прессовых установках с пульсирующей нагрузкой.

Ключевые слова: результаты, эксперимент, фреза, гидропривод, понижение пней.

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 машино-тракторным 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 мягколиствен-ных пород, при фрезеровании пней твер-долиственных пород обладают низкой эф-

фективностью и большой энергоемкостью рабочего процесса из-за возникающих высоких динамических нагрузок.

Поэтому возникает необходимость создания нового рабочего органа для понижения пней твердолиственных пород при обеспечении высокой эффективности и минимальной энергозатратами рабочего процесса. Наиболее перспективным для этих целей является фреза с обоснованными параметрами и компоновкой скалывающих и подрезных ножей с применением гидропривода, однако теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов при ее взаимодействии с пнями твердолиственной древесины, проведено недостаточно.

В отечественной и зарубежной практике для удаления пней применяется ряд машин и механизмов корчевального и измельчающего типа МРП-2А, ДП-25, К-2А, КМ-1 МУП-4, МДП-1,5. Существующие конструкции машин удовлетворяют частично требованиям только при удалении пней мягколиственных и хвойных пород, а при удалении пней твердолиственных пород не справляются с поставленной задачей [1].

Экспериментальные исследования фрезерования пней цилиндрическим рабочим органом проводились на кафедре механизации лесного хозяйства доц. Барановым А.И. и ст. преп. Гречкиным В.С. по хоздоговору с предприятиями лесного хозяйства.

Нами предлагается новый рабочий орган в виде усеченного конуса с гидроприводом, новой расстановкой комплексов

ножей (рис. 1) (пат. на пол. модель № 78032). Комплекс состоит из подрезного ножа установленного относительно скалывающего ножа с выступом в направлении подачи на расстоянии 1.. .5 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.

а б

1 - верхнее основание, 2 - нижнее, 3 - балки, 4 - скалывающий нож, 5 - подрезной нож,

6 - гидромотор, 7, 8 - клинья, 9 - болты Рис. 1. Схема рабочего органа

Проведена серия экспериментов для изучения влияния угла заострения /вск скалывающего ножа в рамках значений 35°, 40°, 45°, 50° на работу Ау по измельчению пня с прямой режущей кромкой (рис. 2а). Зависимость Ау(вск) имеет максимум при вск = 45°. В области низких значений Ау(вск) могут реализовываться два различных механизма отделения древесины: при вск<45° происходит слоевое отделение

древесины, при значениях же вск>50° происходит дробление древесины. Угол заострения скалывающего ножа /вск необходимо выбирать, исходя из механизма отделения древесины (слоевой или фрагментарный). Результаты эксперимента хорошо согласуются с результатами математического моделирования: максимальное расхождение составляет не более 10 % абсолютной величины.

у

Дж/см' 5,65,45,2

0 20

экспериментальная кривая

теоретическая кривая

Дж/см3 864-

з экспериментальная

40 а

кривая

теоретическая кривая

60 Рск, град 0,0 0,004 0,008 0,012 0,016

б

м/с

Рис. 2. Влияние угла заострения скалывающего ножа Дж

на работу Ау по измельчению пня

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 (рис. 3б). Экспериментальные зависимости Ау(упод) близки к теоретической зависимости, в частности, в эксперименте воспроизводится предсказанный моделью вогнутый характер кривой в области малых vпOд. При малых значениях vпOд (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 vпOд (от 0,007 до 0,01 м/с) срезаются толстые слои

Ау (Vпод, \) = 10,97^ + 0,057/£ -1,

древесины, при этом удельный вклад сил трения мал, однако силы резания велики, так как необходимо преодолевать изгибающие и расклинивающие свойства толстых слоев.

Проведена серия экспериментов по изучению влияния на работу измельчения пня одновременно двух указанных параметров скорость подачи vпOд и выступ подрезного ножа ИП. Поверхность Ау(упод, кП) имеет вогнутый вид. Аппроксимация функции Ау(упод, кП) поверхностью второго порядка, произведенная методом наименьших квадратов в математическом пакете MathCad 2000, позволила получить следующее уравнение регрессии

29v д • ^ - 13,96v д + 1,32^ + 7,32.

под п ? под ? п ?

V

Дж/см

Упод, м/с а

Дж/см

пи, мм

"Из

мм

4

3

^п, 2 -мм

^под, м/с б

1

0,004 0,005 0,006 0,007 у,

Ау(Упод, Ли), Дж/см в

подз

м/с

а - экспериментальная поверхность отклика Ау(упод, ЛИ); б - аппроксимация поверхности отклика поверхностью второго порядка; в - оптимальная область (заштрихована) на поверхности отклика, представленной линиями уровня Рис. 3. Результаты экспериментальной оптимизации параметров фрезы

Оптимальная область факторного пространства (упод, ЛИ) располагается в направлении увеличения упод и уменьшения ЛИ. Как показывают результаты оптимизации, подрезной нож должен выступать не более чем на 2 мм, при этом оптимальная скорость подачи находится в интервале 0,0045...0,007 м/с. С помощью известной формулы в теории резания древесины на

основе полученных данных находим подачу Sz = 0,00147 м на комплекс ножей.

Для производственной проверки экспериментальный образец машины для измельчения пней с гидроприводом рабочего органа смонтирован на конце стрелы манипулятора ЛВ-210, которая установлена на трактор ЛТЗ-60А (рис. 4).

Рис. 4. Экспериментальный образец машины для понижения пней с гидроприводом рабочего

органа на базе манипулятора ЛВ-210

Производственная проверка работоспособности экспериментального образца машины для понижения пней показала, что часовая производительность составила 115 пней, что на 53,3 % выше базового варианта машины МУП-4. Годовой экономический эффект при внедрении в производство нового экспериментального образца машины для понижения пней составляет 386400 рублей, при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,2 года.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований, с применение метода полнофакторного эксперимента определены оптимальное сочетание параметров рабочего органа: выступ подрезного ножа относительно скалывающего ножа должен составлять не более 2 мм, подача на комплекс ножей составляет 0,00147 м, при этом снижается энергозатраты на 15 %. Целесообразно использовать скалывающие ножи с дугообразной режущей кромкой радиусом более R=25 мм в нижней части рабочего органа, так как такие ножи могут быть эффективны при фрезеровании у основания пня.

Производственная проверка работоспособности экспериментального образца фрезерного рабочего органа с гидроприводом на базе трактора ЛТЗ-60А с гидроманипулятором ЛВ-210 показала, что производительность по сравнению с МУП-4 возросла в 1,5 и составила 920 пней в смену. Годовой экономический эффект при внедрении в производство нового экспериментального образца машины для уда-

ления пней составляет 386400 рублей, при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,2 года.

В процессе фрезерования пней образуется большое количество отходов в виде крупных кусков щепы и опилок. Щепа от измельчения пней в настоящее время разбрасывается по участку тонким слоем и остается для перегнивания. Однако при сборе щепы с помощью пневмотранспорт-ных устройств ее можно использовать для переработки и изготовления различных строительных материалов. Проведенные нами исследования по уплотнению древесины пульсирующей нагрузкой показали высокую эффективность применения прессовых устройств пульсирующего действия. Прессовые устройства пульсирующего действия позволяют облагораживать древесину в натуральном и измельченном состоянии. Согласно классификации способов, представленных на рис. 5 приведены схемы прессовых устройств пульсирующего действия, получившие теоретическое и экспериментальное исследование. Как видно из схем, основой пульсирующей обработки является применение прессовых вальцовых устройств, обеспечивающих применительно к деревообработке низкочастотные режимы, и плоское нагружение на обрабатывающий объект соединенных для интенсификации процесса с возбудителями колебаний гидравлического, механического или электрического типов.

Рис. 5. Схемы обработки древесных материалов пульсирующим давлением

Разработки методики расчета прессовых устройств пульсирующего действия, создания и внедрения машин для объемного уплотнения смеси из бетона с измельченной древесины (опилкобетона), изучение физико-механических свойств материалов пульсирующей обработки, обоснование технологии обработки при одновременной взаимосвязи всех факторов, влияющих на прочность и качество материала, а следовательно, и последующих изделий, очень актуальны, так же как и конструирование специализированного оборудования для облагораживания древесных материалов прессовыми устройствами пульсирующего действия [6].

Направление получения строительных изделий, с включением отходов в процессе фрезерования пней, актуальны и подтверждаются высказыванием ряда ученых нашей страны в области древесиноведения и проблем технологии древесины.

Библиографический список

1. Драпалюк М.В., Попиков П.И., Цуриков А.И., Беликов Е.В. Оценка энергоемкости рабочего процесса машины для понижения пней // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки, 2007. № 5. С. 76-82.

2. Беликов Е.В. Оптимизация параметров машины удаления пней на основе компьютерного моделирования // Вестник КрасГАУ, 2009. №. 8. С. 7-12.

3. Попиков П.И., Беликов Е.В., По-сметьев В.В. Оптимальное расположение ножей на рабочем органе машины для удаления пней // Вестник КрасГАУ, 2009. №. 12. С. 170-173.

4. Беликов Е.В. Лабораторное экспериментальное исследование фрезерной машины удаления пней // Вестник Крас-ГАУ, 2009. №. 12. С. 246-250.

5. Пат. 78032 РФ, МПК7 А0Ш 23/06. Устройство для дробления пней / 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.

6. Юдин Р.В. Анализ процессов обработки древесины с применением пульсирующего давления // Технология и оборудование деревообработки в 21 веке. Вып. 3: межвуз. сб. науч. тр./ ВГЛТА. Воронеж, 2005.