На правах рукописи

Ивашнев Михаил Валерьевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ПОВЫШАЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СРЕЗАНИЯ ДРЕВЕСНО-КУСТАРНИКОВОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ МАШИНОЙ РОТОРНОГО ТИПА

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок
и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Петрозаводск - 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Петрозаводский государственный университет

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Шегельман Илья Романович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шиловский Вениамин Николаевич

кандидат технических наук,

Пладов Андрей Викторович

Ведущая организация Санкт-Петербургская государственная

лесотехническая академия (СПбГЛТА)

Защита диссертации состоится л17 апреля 2009 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 в Петрозаводском государственном университете (185910, Республика Карелия, Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан л___ _____________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Поляков В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализ существующих кусторезных машин показал, что наиболее перспективными из них являются кусторезные машины с активными рабочими органами. Среди них, следует выделить кусторезные машины роторного типа с шарнирно закрепленными ножами, у которых срезание осуществляется по принципу ударно-силового резания и достигается за счет энергии вращающегося ротора-маховика.

Существенное преимущество данных машин, в сравнении с другими - это способность одним рабочим органом не только срезать,
но и частично измельчать древесно-кустарниковую растительность.
До настоящего времени отсутствуют теоретическая база и методика расчета при проектировании указанных машин. Это сдерживает дальнейшее развитие и совершенствование конструкции этих машин. Поэтому необходимы специальные исследования технологического процесса ударно-силового резания с целью разработки методики расчета
и выбора основных параметров рабочего органа кусторезных машин роторного типа.

Учитывая, что проведение исследований с использованием экспериментальных установок требует больших материальных и финансовых затрат, целесообразно проведение теоретических исследований с использованием математического моделирования.

Цель исследований. Обоснование основных параметров срезающего устройства и технологических режимов работы, повышающих эффективность срезания древесно-кустарниковой растительности машиной роторного типа в условиях Северо-Западного Федерального округа.

Объекты исследований. Ротор кустореза, древесно-кустарниковая растительность и технологический процесс работы машины роторного типа.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса ударно-силового резания ротора кустореза, увязывающая угловую скорость ротора, свободные колебания ножа и учитывающая кинематические и динамические параметры ротора.

Обоснованы основные параметры ротора, отличающиеся рациональным использованием динамики ротора.

Проведены исследования таксационных показателей и выявлена динамика роста возобновленной древесно-кустарниковой растительности в зависимости от способа расчистки участков.

Обоснованы технологические режимы работы машины роторного типа, учитывающие сезонность работы и сложность рельефа местности.

Научные положения, выносимые на защиту. Математическая модель процесса ударно-силового резания ротора кустореза, позволяющая производить расчеты кинематических и динамических параметров ротора на стадии проектирования.

Кинематические и динамические параметры ротора, обеспечива-
ющие высокую эффективность срезания древесно-кустарниковой растительности.

Сравнительная оценка возобновленной древесно-кустарниковой растительности после расчистки ручным способом и машиной роторного типа.

Технологические режимы работы машины роторного типа, позволяющие эффективно работать в летний и зимний сезоны года.

Достоверность научных исследований подтверждается достаточным объемом статистического материала, полученного при работе кусторезных машин КР-2, КР-2В и КР-2К в реальных природно-производственных условиях республики Карелия и других регионах Российской Федерации. Результаты исследований внедрены в конструкцию машины.

Практическая значимость. Результаты исследований могут быть
использованы проектно-конструкторскими организациями и предприятиями, занимающимися разработкой, совершенствованием конструкций и эксплуатацией кусторезных машин. Результаты исследований позволяют рекомендовать кусторезную машину роторного типа с обоснованными параметрами к широкому внедрению в лесопромышленных районах Российской Федерации.

Апробация. Основные положения диссертации обсуждались на трех республиканских научно-практических конференциях (Петрозаводск, 2003, 2006 и 2008 гг.) и на Всероссийской научно-технической конференции Вузовская наука - региону (Вологда, 2006 г.), а также на заседаниях кафедры Технологии и оборудования лесного комплекса ПетрГУ.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 работ,
в т. ч. две в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы
и приложений. Общий объем работы 171 с., включая рисунки, таблицы и приложения. Список литературы содержит 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана научная новизна выполненных исследований, а также сформулированы цель и основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ существующих машин для удаления древесно-кустарниковой растительности (ДКР). Наибольший интерес для данных исследований представляют перспективные кусторезные машины роторного типа моделей КР-2В, КР-2К. Эти машины, имея большую производительность в сравнении с остальными, обладают еще одним преимуществом. Они не только срезают, но также измельчают ДКР одним и тем же рабочим органом.

Основы механики взаимодействия рабочего органа с предметом труда были заложены академиком В. П. Горячкиным. Вопросы по обоснованию технологических параметров срезающих аппаратов и измельчителей изучены в работах Н.аА.аГуцелюка, В.аН.аКоршуна, М.аН.аЛетош-
нева, М. З. Цымермана и многих других. В методику расчетов рабочих органов внесли свой вклад Е.аВ.аДаденко, И.аА.аДолгов, М.аВ.аДрапалюк, В.аН.аКуракин, А.аИ.аРусанов, А.аМ.аЦыпук, И.аР.аШегельман и многие другие.

Рассмотрены материалы научных исследований в области резания древесины. Научные основы резания и разрушения древесных матери-
алов заложены в трудах А.аЛ.аБершадского, С.аА.аВоскресенского,
В.аИ.аЛюбченко, Н.аЕ.аРезника и многих других. Процессы реза-
ния древесины с толстой стружкой исследовали Н.аМ.аВальщиков, К.аФ.аГорохов, Э.аП.аЛицман, Н.аП.аРушнов и другие. Исследования
и практическое использование бесстружечного резания развивается
в нескольких направлениях.

Первое направление - исследование процесса срезания сучьев рассмотрено в работах В. П. Возного, Ф.аЕ.аЗахаренкова, Е. В.Кириллова, Ф.аМ.аМанжоса, Р.аМ.аНекрасова, В.аГ.аНестеренко, И.аБ.аНестерова,
Ю. В. Плотникова, Б. А. Преловского, Н. А. Шипилина и других.

Второе направление - исследование процесса резания стволовой древесины перпендикулярно и вдоль направления волокон отражено
в работах В.аА.аАзаренка, В.аЛ.аБожака, В.аВ.аЗахарова, Е.аГ.аИвановско-
го, А.аН.аКоршунова, В.аД.аКрыльцова, В.аГ.аКочегарова, Н.аФ.аКурап-
цева, Б.аА.аЛеонова, П.аМ.аМазуркина, В.аН.аМеньшикова, В.аВ.аОвчин-
никова, Ю.аМ.аПетрова и других.

Третье направление бесстружечного резания - разделка нетради-
ционных ресурсов древесины (пней, корней, отходов лесозаготовок) исследовались К.аА.аБеляевым, И.аП.аКвасовым, Ю.аД.аНагибиным,
И.аР.аШегельманом и другими.

Технология применения кусторезной машины роторного типа, именуемой в дальнейшем как роторный кусторез, предусматривает работу во все сезоны года и срезание различных пород ДКР. Отметим также, что механические свойства ДКР отличаются от свойств уже сформировавшейся древесины той же породы.

В соответствии с целью работы и исходя из проведенного анализа состояния вопроса поставлены следующие основные задачи:

• провести теоретические исследования технологического процесса взаимодействия ротора кустореза со срезаемой древесно-кустарниковой растительностью;
• обосновать основные параметры ротора, обеспечивающие высокую эффективность работы при срезании древесно-кустарниковой растительности;
• исследовать в полевых условиях таксационные показатели и изучить динамику роста возобновленной древесно-кустарниковой растительности в зависимости от способа расчистки участков;
• исследовать в лабораторных условиях механические свойства древесно-кустарниковой растительности для определения эффективности применения обоснованных параметров ротора;
• исследовать технологию работы роторного кустореза в летний
  и зимний сезоны года, разработать рекомендации по совершенствованию конструкции кустореза и выполнить технико-экономическую оценку применения кустореза с обоснованными параметрами.

Во втором разделе рассмотрены режимы срезания древесно-кустарниковой растительности. Рассмотрена кинематика ротора. Разработана математическая модель процесса ударно-силового резания. Обоснованы основные параметры ротора.

В зависимости от диаметра срезаемой древесно-кустарниковой растительности процесс работы роторного кустореза включает следующие режимы срезания. Легкий режим Ц срезание мелкого кустарника (диаметром стволов до 3,0 см), средний режим - срезание крупного кустарника (диаметром стволов от 3,1 до 6,0 см) и тяжелый режим Ц срезание деревцев (диаметром стволов от 6,1 до 10,0 см).

Работа с мелким кустарником не вызывает значительных нагрузок на срезающий орган машины. Для полного срезания стволов мелкого кустарника определена угловая скорость вращения ротора, которая должна составлять не менее 120 с-1.

В зависимости от нагрузок ножи работают или в режиме свободного вращения на своих осях, или в режиме лупора, когда тыльная сторона ножа опирается на упорный вкладыш. При снижении нагрузки ножи сходят с упора и работают в режиме свободного вращения на осях.

Для создания благоприятных условий при срезании стволы предварительно натягиваются пригибающей балкой. Предложена методика расчета установки пригибающей балки в зависимости от сопротивления ствола корчеванию опрокидыванием.

огично считать рациональным такой режим работы ротора, при котором срезание ДКР обеспечивается при минимальной затрате энергии. Для этого рассмотрим ротор в виде системы маховик-нож в произвольный момент времени с учетом угловых перемещений ножа. В этом случае система имеет две степени свободы. В качестве обобщенных координат приняты углы поворота ротора и ножа (рисунок 1). Скорость центра масс ножа С в неподвижной системе координат xoy равна:

, (1)

где r - расстояние от оси вращения ротора О до оси вращения ножа О1, м; lc - расстояние от оси вращения ножа О1 до центра тяжести С, м; - угловая скорость вращения ротора, с-1; - скорость движения ножа в неподвижной системе координат xoy, с-1; (-) - угол отклонения ножа в системе подвижных координат x1o1y1, рад.

1 - маховик; 2 - нож; 3 - упорный вкладыш

Рисунок 1 - Схема основных элементов ротора с шарнирно

закрепленным ножом

Отклонившись до упора при резании, после выхода из древесины, нож без начальной скорости под действием центробежной силы начинает совершать свободные колебания относительно радиального положения. Рациональный по энергозатратам режим работы соответствует режиму, когда в начале следующего реза (этим же ножом) нож занимает радиальное положение и относительное движение ножа совпадает по направлению с вращением ротора (рисунок 2).

начало реза конец реза

i - текущий угол поворота ротора;

i - текущий угол отклонения ножа от радиального положения;

р - угол поворота ротора к началу следующего реза;

max - угол отклонения ножа до упорного вкладыша;

Рисунок 2 - Схема срезания ствола древесно-кустарниковой

растительности большого диаметра

В этом случае, по теореме Кёнига для плоского движения кинетическая энергия системы маховик-нож равна:

(2)

где - угловая скорость вращения ротора, с-1; - относительная скорость движения ножа, с-1; Jм - момент инерции маховика, кгм2; Jн - момент инерции ножа относительно оси его вращения, кгм2; - угол отклонения ножа от радиального положения, рад; m - масса ножа, кг.

Для облегчения последующего анализа введены обобщенные динамические параметры системы Dc и ножа Dн, которые соответственно обозначены:

(3)

С учетом принятых обозначений (3), после преобразования, дифференциальные уравнения движения системы маховик-нож получат вид:

(4)

Для решения полученной системы воспользуемся подстановкой и, после чего система (4) приведена к виду:

(5)

Система уравнений (5) представляет собой математическую модель процесса ударно-силового резания ротора кустореза, увязывающую угловую скорость вращения ротора и свободные колебания ножа. При начальных условиях: ; ; система (5) может быть интегрирована на интервале. Для решения системы необходимо задавать динамические параметры Dc и Dн.

В математической системе Scilab было осуществлено численное решение математической модели (5). Рассмотрено влияние динамических параметров Dc и Dн на поведение системы при свободных колебаниях ножа и предложена методика расчета основных параметров ротора.