Лабораторное экспериментальное исследование фрезерной машины удаления пней

классификатора и спроецировать на ребра трапеций, рассчитав тем самым вероятность принадлежности к классу, а, следовательно, и риск банкротства.

Данный классификатор позволяет более точно и подробно проанализировать ситуацию на предприятии, оценив ее с позиций вероятностного распределения и на этом основании сделать свой выбор. Основное отличие от предыдущих работ заключается в том, что в качестве оценки используются не экспертные оценки, а основанные на статистических расчетах данные. Модель позволяет минимизировать ошибки от использования экспертных личностных оценок, строя качественные характеристики, учитывая схожие признаки и корреляцию показателей. К тому же если построенная дискриминантная модель устойчива по отношению к колебаниям, входящих в нее элементов, то полученные результаты обретают еще большую значимость и информативность.

Литература

1. Недосекин, А.О. Нечеткий финансовый менеджмент I А.О. Недосекин. - М.: Аудит и финансовый анализ, 2003.

2. Многомерный статистический анализ в экономике I Л.А. Сошникова, В.Н. Тамашевич, Г. Уебе [и др.]. -М., 1999.

3. Kaufmann, A. Introduction to Fuzzy Arithmetic: Theory and Applications I A. Kaufmann, M. Gupta. - Van Nostrand Reinhold, 1991.

'--------♦------------

УДК 630*332.2.001.57 Е.В. Беликов

ЛАБОРАТОРНОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФРЕЗЕРНОЙ МАШИНЫ УДАЛЕНИЯ ПНЕЙ

В статье изложена методика проведения лабораторных экспериментов с фрезерной машиной удаления пней новой конструкции. Представлены результаты экспериментального исследования влияния угла заострения скалывающего ножа и скорости подачи на энергетические затраты.

Ключевые слова: удаление пней, фрезерование древесины, комплекс ножей, лабораторный эксперимент.

Ye.V. Belikov LABORATORY AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE STUB REMUVAL MILLING MACHINE

The technique of laboratory experiments conducting with stubs removal milling machine of a new design is given in the article. The results of experimental research of the influence of chopping cutter point angle and speed of supply on power consumption are given.

Key words: stubs removal, wood milling, cutters complex, laboratory experiment.

Для понижения пней на вырубках в настоящее время используется серийная машина удаления пней МУП-4. Удаление пня производится путем постепенного скалывания, при этом механизм испытывает значительные динамические нагрузки, что приводит к частым поломкам фрезерного барабана. Кроме того, режущие элементы (ножи) быстро изнашиваются и требуют заточки уже после двух часов непрерывной работы машины. Стоит заметить, что плотные породы древесины, в частности, дуб, при данном способе резания практически не поддаются удалению, так как возникает большая вибрация рабочего органа.

С целью устранения перечисленных недостатков МУП-4 ранее нами разработана машина удаления пней, в которой предложено использовать вместо режуще-рубящих ножей комплексы ножей, состоящие из подрезного и скалывающего ножа, и использовать гидромотор для привода фрезерного барабана [1]. Для оптимизации параметров предложенной конструкции машины проведены лабораторные экспериментальные исследования.

Основой лабораторной установки является фрезерный барабан, на котором установлен один комплекс ножей, состоящий из подрезного и скалывающего ножа (рис. 1). Барабан приводится во вращение гид-

ромотором, на который подается рабочая жидкость с одного из трех насосов различного рабочего объема. В эксперименте используется схема подачи, обратная схеме подачи в реальности при эксплуатации машины удаления пней: на фрезерный барабан подается в направлении пня, а экспериментальный пень подается в направлении барабана, вращающегося относительно неподвижно закрепленной оси. Экспериментальный пень закреплен на подающей платформе, которая приводится в движение электродвигателем. Частота вращения электродвигателя задает скорость подачи платформы.

Рис. 1. Фотография лабораторной установки:

1 - гидростанция; 2 - датчик давления; 3 - интерферометрический датчик угловой скорости;

4 - комплекс ножей; 5 - пень; 6 - привод подачи

В процессе эксперимента задавали необходимые параметры установки и кинетические параметры процесса и каждый пень срезали на четверть диаметра. При этом фотографировали цифровым фотоаппаратом пни до и после эксперимента; по фотографиям с большой степенью точности можно было судить о геометрической форме пней, их состоянии, о степени удаления древесины при фрезеровании (рис. 2). Одновременно записывали видеоизображение участка резания в процессе фрезерования для анализа формы и размеров щеп, а также выделения различных особенностей процесса, например, скольжения ножей без удаления древесины, застревания ножей в пне и т.п.

Рис. 2. Фотографии некоторого типичного пня в эксперименте: слева - до фрезерования;

в центре и справа - после фрезерования

Основной зависимостью, измеряемой в эксперименте, является зависимость момента сопротивления фрезерованию от времени Маф.(0. В лабораторных экспериментах момент сопротивления измеряется косвенным методом - путем измерения давления на гидромоторе. Используемый измерительный комплекс позволяет получить зависимость показания датчика давления от времени ^д(М), где ид - напряжение на датчике; N - порядковый номер временного отсчета. Для пересчета зависимости ^(N1 в зависимость Мс.ф.(0 используется формула

мсф({)=кш-к-ид(кгщ,

где кк - калибровочный коэффициент датчика; кгм - коэффициент пропорциональности момента сопротивления фрезерования давлению, определяемый путем предварительной калибровки; к - коэффициент пересчета времени, равный длительности одного временного отсчета. Исходная зависимость ^(N1 для некоторого типичного эксперимента представлена на рис. 3, а рассчитанная по ней зависимость Мс.ф.(0 - на рис. 4.

По зависимости Мс.ф.(0 можно четко отделить стадии эксперимента (отмечены римскими цифрами):

I - включение гидромотора и постепенное затухание начального всплеска давления; II - подача пня до момента касания; III - фрезерование пня; IV - замедление и прекращение подачи; V - вращение барабана вхолостую; VI - переходной процесс при выключении гидромотора.

По зависимости Мс.ф.(0 можно судить о пиковых нагрузках на барабан, которые могут привести к поломкам как самого барабана, так и узлов крепления ножей. Основное же назначение зависимости Мс.ф.(/) - это рассчитать работу по фрезерованию пня А, являющейся энергетической характеристикой процесса фрезерования и в конечном итоге определяющей топливную экономичность при работе фрезерной машины на вырубке.

В эксперименте пни срезаются не полностью, а только до определенного внедрения фрезы в пень (примерно на четверть диаметра), поэтому для сравнения экспериментов между собой необходимо рассчитать удельную работу Ау = А / V - работу срезания 1 см3 древесины. Считая угловую скорость вращения фрезерного барабана ыо постоянной, работу А фрезерования пня можно рассчитать по зависимости Мс.ф.(0:

12

А = (о0\Мсф{1)сИ

*1

Моменты времени начала и окончания фрезерования Ь и t2 выбираются по графику зависимости Мс.ф.(0 (рис. 4): и - по точке начала роста Мс.ф.(0, то есть по границе между стадиями эксперимента II и III, t2 - по окончанию затухания всплесков Мс.ф., то есть по границе между стадиями IV и V. Расчет работы ведется с помощью численного интегрирования. Для расчета удельной работы необходимо знать объем удаленной древесины V. Он с достаточной степенью точности определялся по фотографиям пня до и после фрезерования, по которым измеряли высоту среза Л, радиус окружности г, совпадающей с огибающей пня в месте резания и расстояние внедрения фрезы в пень V. Рассчитав площадь 5 фигуры, заключенной между окружностью пня и окружностью-траекторией ножа, определяли объем V = БЛ и рассчитывали удельную работу.

Рис. 3. Измеренная в эксперименте зависимость показания датчика давления от временного шага идN

Рис. 4. Момент сопротивления фрезерованию от времени Мс.фО рассчитанный от временного шага

Лабораторное исследование позволило определить, как зависит работа фрезерования Ау от типа скалывающего ножа (с прямой и дугообразной режущей кромкой); параметров скалывающего ножа (угол заострения, радиус дуги); добавления к скалывающему ножу подрезного ножа; скорости подачи; угловой скорости фрезерного барабана; породы древесины, выступа подрезного ножа. Обсудим здесь только две из полученных зависимостей.

Эксперименты проводили с шестикратной повторностью для устранения влияния флуктуаций геометрических размеров и механических свойств пней [2-3]. Следующие параметры процесса фрезерования были постоянными: порода древесины - дуб; угловая скорость вращения фрезерного барабана ыо = 2,7 об/с.

Для изучения влияния угла заострения вск скалывающего ножа с прямой режущей кромкой провели серию экспериментов, в рамках которой вск принимал значения 35О, 40О, 45О, 50О, а скорость подачи составляла Кгад = 0,47 см/с (рис. 5).

Дж/см

5,2-

5,0-

4,8-

4,6

.О'

20

О - теоретическая кривая

• - экспериментальная кривая

40

60 Рок, гродусы

Рис. 5. Влияние угла заострения скалывающего ножа вск на работу Ау срезания пня

Зависимость Ау(вск) имеет максимум при вск = 40О (рис. 5). Результаты эксперимента хорошо согласуются с результатами математического моделирования [4]: максимальное отличие составляет не более 10 % абсолютной величины. Низкие значения Ау в области малых рск можно объяснить тем, что при малых рск проекция силы отделения древесины на продольное направление невелика. В зависимости от угла заострения рск могут реализовываться два различных механизма отделения древесины: при рск < 40О происходит слоевое отделение древесины, при этом лезвие скалывающего ножа играет роль клина, отщепляющего срезаемый слой от пня. При значениях же рск > 50О происходит дробление древесины.

С целью изучения влияния скорости подачи Упод проведена серия экспериментов с восемью различными скоростями Упод: 0,340, 0,443, 0,546, 0,650, 0,750, 0,855, 0,958, 1,111 см/с (рис. 6). Эксперименты проводили со скалывающим ножом с углом заострения рск = 45О, при этом провели эксперименты для ножей как с прямой, так и с дугообразной режущей кромкой.

Aу,

Дж/см3 8

6

4

2

0 -I------1-------1-------1-------1-------

0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 Упод, см/с

Рис. 6. Влияние скорости подачи Упод на работу Ау срезания пня

Экспериментальные зависимости Ау(Упод) близки к теоретической зависимости, в частности, в эксперименте воспроизводится предсказанный моделью вогнутый характер кривой в области малых Упод. При малых значениях Упод (от 0,2 до 0,6 см/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 Упод (более 1,0 см/с) срезаются толстые слои древесины, при этом удельный вклад сил трения мал, но силы резания велики, так как необходимо преодолевать изгиб-ные и расклинивающие свойства толстых слоев. В области 0,8-1,0 см/с малы как удельные силы трения, так и силы отщепления слоев, поэтому такую скорость подачи целесообразно использовать при работе фрезерной машины на вырубке.

Таким образом, лабораторные эксперименты позволили провести всестороннее исследование новой конструкции фрезерной машины удаления пней. Угол заострения скалывающего ножа рск необходимо выбирать, исходя из механизма отделения древесины (слоевой или фрагментарный). Оптимальная скорость подачи древесины на зуб Упод лежит в диапазоне 0,8-1,0 см/с. В настоящее время проводятся полевые исследования разработанной фрезерной машины.

Литература

1. Драпалюк, М.В. Силовое взаимодействие фрезерно-скалывающего рабочего органа с пнем / М.В. Драпа-люк, П.И. Попиков, Е.В. Беликов // 70 лет кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии: сб. науч. тр. - Воронеж, 2007. - С. 76-82.

2. Федоров, В.В. Теория оптимального эксперимента: учеб. / В.В. Федоров. - М.: Наука, 1971. - 312 с.

3. Финни, Д. Введение в теорию планирования экспериментов: пер. с англ. / Д. Финни. - М.: Наука, 1970.

- 287 с.

4. Методика математического расчета работы машины для удаления пней / Е.В. Беликов, В.П. Попиков,

С.Н. Саулин [и др.] // Природопользование: ресурсы, техническое обеспечение: сб. науч. тр. - Воро-

неж, 2008. - Вып. 4. - С. 144-150.

- ___________

в0. , О - теоретическая кривая

^^*01______.О*

• ~ # • • - нож с прямой кромкой

А

I- нож с дугообр. кромкой