Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 12
1.1 Характеристика пней различных пород и почвенных условий. 12
1.2 Способы удаления пней, их достоинства и недостатки 19
1.3 Анализ технических средств, удаляющих надземную часть пней . 26
1.4 Влияние абразивной среды на износостойкость режущих элементов при удалении пней ниже поверхности почвы 40
1.5 Выбор типа рабочего органа для подготовки площадок-углублений вокруг пней 42
1.6 Выводы. Цель и задачи исследований 46
2 Теоретические исследования по обоснованию типа и конструкции рабочего органа для подготовки площадок-углублений вокруг пней . 48
2.1 Обоснование компоновки орудия для образования площадок-углублений вокруг пней 48
2.2 Моделирование технологического процесса площадко делателя с гибкими рабочими органами для формирования площадок-углублений вокруг пней
2.2.1 Методика моделирования 52
2.2.2 Программная реализация модели 57
2.2.3 Начальные и граничные условия, допущения модели 59
2.3 Влияние параметров площадко делателя с гибкими рабочими органами на эффективность его работы 60
2.3.1 Входные параметры и выходные характеристики математической модели технологического процесса площадкоделателя 60
2.3.2 Особенности проведения компьютерного эксперимента 64
2.3.3 Зависимости показателей эффективности площадкоделателя
от его кинематических параметров 67
2.3.4 Зависимости показателей эффективности площадкоделателя от его конструктивных параметров 71
2.4 Многофакторная оптимизация параметров площадкоделателя. 77
2.4.1 Особенности решения задачи оптимизации 77
2.4.2 Оптимизация кинематических параметров площадкоделателя. 77
2.4.3 Номограмма для определения параметров площадкоделателя.
2.5 Влияние плотности распределения пней на параметры рабочего процесса площадкоделателя с изменяемым вылетом стрелы гидроманипулятора 85
2.6 Основные результаты и выводы 92
3 Программа и методика лабораторных экспериментальных исследо ваний 95
3.1 Оборудование, применяемое в экспериментальных исследованиях 96
3.2 Методика проведения лабораторных испытаний 101
3.3 Планирование многофакторного эксперимента по очистке окрашенных пней 102
3.4 Методика определения параметров эффективности технологического процесса очистки окрашенных пней
3.4.1 Определение нагрузок на гибких рабочих органах площадкоделателя 107
3.4.2 Определение мощности, затрачиваемой тросами на очистку окрашенных пней 108
3.5 Выводы 109
4 Результаты экспериментальных исследований
4.1 Определение влияния кинематических параметров площадкоделателя на показатели эффективности его технологического процесса 110
4.2 Определение влияния параметров троса на показатели эффективности площадкоделателя 114
4.3 Определение влияния параметров пня на показатели эффективности площадкоделателя 118
4.4 Основные результаты и выводы 120
5 Технико-экономическое обоснование использования рабочего органа площадкоделателя вокруг пней на вырубках и гарях 121
5.1 Разработка опытного образца площадкоделателя вокруг пней и результаты его полевых экспериментальных испытаний 121
5.2 Комбинированная машина для образования площадок-углублений и понижения пней 125
5.3 Расчет экономической эффективности применения разработанного площадкоделателя для формирования площадок вокруг пней 128
Общие выводы и рекомендации 140
Библиографический список 142
- Анализ технических средств, удаляющих надземную часть пней
- Моделирование технологического процесса площадко делателя с гибкими рабочими органами для формирования площадок-углублений вокруг пней
- Планирование многофакторного эксперимента по очистке окрашенных пней
- Определение влияния параметров троса на показатели эффективности площадкоделателя
Анализ технических средств, удаляющих надземную часть пней
Перед началом работы тракторист включает вал отбора мощности, и трактор переезжает через пень или задним ходом подъезжает к пню таким образом, чтобы фреза оказалась за противоположной стороной пня. Затем тракторист опускает машину, включает ходоуменыпитель и совершает челночные движения, чередуя рабочие и холостые ходы до полного удаления надземной части. Пни малой высоты удаляются за один проход.
Для машины МПП-0,75 резание древесины осуществляется поперек волокон. Технологический процесс, производимый этой машиной, очень энергоемкий из-за того, что резцы воздействуют на древесину в направлении ее наибольшего сопротивления внешним нагрузкам. Этим объясняется низкая производительность машины (15... 17 пней в час сменного времени). Рабочая скорость агрегата - 0,2 км/ч, в период удаления пня снижается до 0,14 км/ч. Скорость резания - около 10 м/с [19, 45, 73, 130].
Наиболее эффективным устройством для удаления надземной части пней является машина МУП-4 (рисунок 1.12), которая разработана с целью исключения трудоемкой операции по корчевке пней, особенно крупных, на свежих вырубках за счет понижения пней до уровня почвы срезанием и дроблением их надземной части. Расчистка вырубок от пней при помощи данного метода обеспечивает хорошую производительность лесокультурных агрегатов на повышенных скоростях и устраняет отдельные недостатки корчевальных машин (не образуются ямы, не удаляется плодородный слой почвы, не перегружается ходовая часть трактора).
Машина МУП-4 предназначена для удаления дроблением надземных частей пней, деревьев различных пород и размеров при подготовке вырубок под посадку лесных культур, устройстве волоков и дорог для вывозки заготовленной древесины. Машина способна работать на очищенных от порубочных остатков и валежника вырубках, при любом количестве пней.
Навесное оборудование машины включает в себя смонтированную впереди трактора ТДТ-55А раму, поворотную стрелу, рабочий орган (ротор) 1 2 7 З с наклонной осью вращения, гидроцилиндры для перемещения рабочего органа в вертикальной и горизонтальной плоскостях, трансмиссию для привода ротора, состоящую из раздаточной коробки, карданной, цепной и шарнирной передач, вала промежуточного и редуктора.
Машина МУП-4 принципиально отличается от МШ 1-0,75. Рабочий орган имеет форму усеченного конуса, по нижнему основанию которого размещены подрезающие ножи, а на образующих конуса - скалывающие резцы.
При использовании машины на лесовосстановительных работах надземную часть пней удаляют на полосах шириной 2,4...4 м в зависимости от принятой технологии.
В ходе работы агрегат перемещается по намеченной трассе и производит периодические остановки перед пнями на равном вылету стрелы расстоянии. После остановки включается привод рабочего органа, при помощи гидроцилиндра подводится вращающийся ротор (730 мин"1) к боковой поверхности пня на высоте, не превышающей 5 см над уровнем почвы, и производится его резание и дробление.
Ротор наклоняется к горизонту таким образом, что ближайшая к пню образующая конуса принимает вертикальное положение. Скорость резания машины может достигать 40 м/с. Резание пня осуществляется только в одном нижнем сечении, выше которого происходит его дробление скалывающими резцами. При этом скалывающие резцы воздействуют на древесину вдоль во локон, и это воздействие носит ударный характер.
В зависимости от диаметра и состояния пня тракторист регулирует рукояткой скорость подачи ротора. После окончания дробления стрелу с ротором поднимают с помощью гидросистемы в верхнее положение, и агрегат перемещается к очередному пню.
Дробление пней производят после остановки трактора. В контакт с пнем вводят только вращающийся ротор. Пни высотой свыше 40 см дробят в два приема. Производительность устройства за час чистой работы составляет 80... 100 пней [16, 115, 129, 130].
Недостаток машины МУП-4 (как и других машин для удаления надземной части пней) заключается в том, что резание и дробление пней производится заподлицо с землей и несколько выше (до 5 см). Оставшаяся подземная часть пней препятствует выполнению всех технологических операций лесовосстановления и снижает их качество.
Основным препятствием понижения пней ниже поверхности почвы режущими элементами рабочих органов является ее интенсивный абразивный износ. Соответственно для уменьшения износа резцов необходимо удалить верхний слой почвы вокруг пня и очистить его от загрязнений.
Кроме того, данная операция позволит добиться увеличения энергетического сырья, получаемого в результате дробления и сбора щепы и являющегося, в отличие от других традиционных видов топлива, возобновляемым и наиболее безопасным для окружающей среды [125]. Удаление почвы вокруг пня, например, на глубину 15...20 см, в зависимости от породы древесины, будет способствовать увеличению сырья на 40... 70 %.
Лабораторно-полевые испытания машины МУП-4 проводились Вы-рицким заводом «Лесхозмаш» при сплошном и полосном удалении пней. Качество работы МУП-4 проверялось согласно «Программе и методике определения качества работы машины МУП-4». Машина МУП-4 работала на старой вырубке, очищенной от валежника и порубочных остатков.
В процессе испытаний производительность за час чистой работы тех нологического, сменного и эксплуатационного времени оказались соответственно равны: 55,6 пней (0,028 га); 36,37 пней (0,02 га); 29,73 пней (0,015).
При испытании машины МУП-4 наработка составила 255 часов при плане 250 часов. За этот период произошло 38 отказов, из них 33 отказа первой группы сложности, 5 отказов - второй. Наработка на отказ соответственно равна 7,72 и 51,0 ч. Коэффициент готовности получен равным 0,9 при номинале 0,95. На снижение коэффициента готовности в значительной мере повлияли отказы по карданной передаче, а также по раме с шарниром. Коэффициент технического использования равен 0,85.
Однако эти испытания проводились в условиях, когда необходимо было удалять надземную часть пней. При удалении же пней заподлицо с землей и ниже уровня поверхности почвы происходит значительное уменьшение показателей надежности, в том числе и наработки на отказ, из-за повышенного износа ротора при контакте с почвой, что негативно сказывается на производительности машины.
Моделирование технологического процесса площадко делателя с гибкими рабочими органами для формирования площадок-углублений вокруг пней
Расстояние между осями роторов ВР определяет степень прижатия роторов к пню, и, соответственно, существенно влияет на качество очистки пня. Также ВР влияет на диаметр формируемой вокруг пня площадки. С целью подробного изучения влияния расстояния между осями роторов на показатели эффективности проведена серия из 5 компьютерных экспериментов, в которой данный параметр варьировали на уровнях 80, 84, 88, 92, 96 см. При этом пень имел диаметр 30 см в верхней части и 40 см на уровне почвы.
В ходе компьютерных экспериментов обнаружено, что площадкодела-тель довольно чувствителен к позиционированию тросов по отношению к боковой поверхности пня, и для каждого пня, с его набором геометрических параметров, необходим достаточно точный подбор (± 2...5 см) позиции осей роторов по высоте над уровнем почвы и расстоянию между осями.
Рассмотрим, что происходит при отдалении осей роторов. Начальное расстояние между осями роторов 80 см близко к оптимальному: полнота очистки достигает 100 %, и высока сила очистки (около 50 Н). При увеличении расстояния ВР с 80 до 84 см полнота обработки сохраняется высокой (более 92 %). Дальнейшее же отдаление осей приводит к резкому спаду Р (рисунок 2.16, а). Средняя сила очистки сначала снижается практически линейно с 45 до 25 Н при отдалении осей от 80 до 84 см, затем постепенно выходит на практически постоянное значение около 20 Н (рисунок 2.16, б).
Анализируя карты очистки (рисунок 2.17), можно заметить, что с увеличением расстояния между осями роторов уменьшается ширина полосы очистки, что и приводит к снижению полноты очистки. В то же время, при правильном вертикальном позиционировании устройства, даже, несмотря на отдаление осей от 80 до 96 см, нижняя часть полосы остается неизменно очищенной, что позволяет выполнить назначение площадкоделателя -уменьшить абразивное влияние почвы на режущие элементы машин для понижения пней. p,%
Влияние расстояния между осями роторов ВР на конфигурацию очищенной области боковой поверхности пня Таким образом, позиционирование площадкоделателя и подбор расстояния между его роторами должны производиться с довольно высокой точностью. Погрешность в позиционировании более 5 см приводит к существенному ухудшению полноты очистки (особенно в верхней части пня) и ослаблению давления тросов на пень (примерно в 2 раза).
Параметр жесткости тросов на изгиб си определяет возможность отклонения троса при движении по древесине (недеформируемой среде), в отличие от движения в почве (деформируемой среде), а также качество очистки его боковой поверхности (рисунок 2.18). С целью изучения влияния жесткости троса на показатели эффективности проведена серия из 6 компьютерных экс-периментов, в которой жесткость си изменяли от 40 до 90 Н/м с шагом 10 Н/м2.
С увеличением жесткости троса до 80 Н/м существенно увеличивается полнота очистки Р и сила очистки F0 (рисунок 2.19, а, б), однако при этом также увеличивается потребляемая мощность N (рисунок 2.19, в). Но дальнейшее увеличение изгибной жесткости троса не целесообразно, так как полнота очистки практически не увеличивается, карта очистки боковой поверхности практически не изменяется, а сила очистки даже уменьшается, в то же время потребляемая мощность продолжает расти. Поэтому в качестве оптимального значения коэффициента жесткости троса на изгиб можно рекомендовать 70... 80 Н/м2.
Влияние коэффициента жесткости тросов см на показатели эффективности площадкоделателя на по От расстояния между секциями ротора Вс зависит полнота обработки боковой поверхности пня, а также степень разделения секций ротора по функциям. Так, в ряду из четырех секций одинаковой геометрической конфигурации две внешние секции преимущественно создают площадку-углубление вокруг пня, а две внутренние секции очищают его боковую поверхность. Подробное исследование влияния расстояния Вс на качество очистки и потребляемую мощность проведено на основе серии из 6 компьютерных экспериментов, в которой расстояние между секциями изменяли от 5 до 30 см с шагом 5 см.
При увеличении расстояния между секциями ротора до определенного предела (с 5 до 20 см) показатели Р, F0 и Я0бЩ практически не изменяются и остаются в приемлемых диапазонах (рисунки 2.20, 2.21). При слишком же большом увеличении расстояния между секциями (свыше 20 см) начинается резкий спад полноты обработки боковой поверхности пня и силы очистки, а потребляемая мощность возрастает.
Анализируя карты очистки (рисунок 2.20), можно также сделать вывод, что при просвете между секциями ротора 5... 20 см полоса очистки практически одинакова, в то время как при большом просвете (30 см) полоса очистки существенно сужается.
Планирование многофакторного эксперимента по очистке окрашенных пней
Нагрузки на гибких рабочих органах определялись с помощью тензо-метрирования. Тензодатчик был установлен на одной из пластин, к которой крепился гибкий рабочий орган. При изгибе троса под действием внешней нагрузки пластина также испытывала изгиб, и по сопротивлению тензодатчика определялась нагрузка на тросе с учетом калибровочной функции. Комплект тензорезисторов был включен по схеме сбалансированного моста, изменение сопротивления которого фиксировалось путем измерения напряжения Uf(t) в поперечной диагонали моста. К тензодатчику подавалось стабилизированное напряжение 5,0 В. Номинальное сопротивление одного тензо-резистора составляло 120 Ом.
Для преобразования напряжения UT в силу F на конце гибкого рабочего органа производили предварительную калибровку: к концу гибкого рабочего органа прикладывали известную силу (в диапазоне от 6 до 24 Н с шагом 2 Н) в перпендикулярном к нему направлении. Калибровочная функция задавала связь между нагрузкой F(t) и измеряемым напряжением Urft): нении нагружающей силы от 6 до 24 Н), поэтому в дальнейшем использовали следующее аппроксимирующее калибровочное выражение для определения нагрузки на гибком рабочем органе:
Определение мощности, затрачиваемой тросами на очистку окрашенных пней Средняя мощность, потребляемая тросами при очистке окрашенных пней, рассчитывалась путем интегрирования зависимости силы от времени F(t), восстановленной по показаниям тензодатчика Uj(t):
Разработанная лабораторная установка для проведения экспериментов по очистке окрашенных пней гибкими рабочими органами позволяет по заданным параметрам рабочих органов и технологического процесса определить полноту и качество очистки боковой поверхности пня и энергетические затраты, необходимые для выполнения требуемой операции, а также выявить их зависимости.
Спланирован многофакторный эксперимент для лабораторных исследований процесса очистки окрашенных пней гибкими рабочими органами.
Разработанная методика лабораторных исследований позволяет варьировать значительное количество параметров гибких рабочих органов и технологического процесса, а также определять качественные показатели очистки пней.
Лабораторный эксперимент по очистке окрашенных пней проходил при одновременном вращении вала с тросами и крепления с пнем, которые варьировались в определенных диапазонах. Испытания проводились с заготовками различных диаметров и пород древесины. В процессе опытов подбирались оптимальные параметры тросов: тип, диаметр и длина рабочей части. Кроме того, фиксировались показания тензодатчика, регистрирующего силу изгиба троса в процессе его работы. На основе полученных в процессе испытаний данных были построены экспериментальные зависимости показателей эффективности технологического процесса площадкоделателя (мощности N и полноты очистки боковой поверхности пня Р) от его входных параметров, и определены статистические показатели оценки экспериментальных данных с помощью программы Statistica 5.5 (приложение Б).
Цель проведения экспериментальных исследований заключалась в нахождении таких кинематических и конструктивных параметров площадкоделателя, при которых полнота очистки пня была бы не менее 90 % при как можно меньшей величине затрачиваемой мощности.
Определение влияния кинематических параметров площадкоделателя на показатели эффективности его технологического процесса
Одной из групп факторов, оказывающих наибольшее влияние на показатели эффективности технологического процесса площадкоделателя, являются его кинематические параметры. В данном эксперименте к ним следует отнести частоту вращения вала и частоту вращения пня (имитация вращения ротатора). Длина рабочей части троса при этом составляла 20 см, диаметр
В ходе эксперимента частота вращения вала пв варьировалась в интервале 2...8 с"1 с шагом интервала 1 с"1. Зависимости мощности и полноты очистки пня от частоты вращения тросов представлены на рисунке 4.1. 3 4 5 6 7 пд,с-а 3 567 пйХ1 б а - на полноту очистки боковой поверхности пня Р; б - на потребляемую мощность N
Рисунок 4.1- Влияние частоты вращения вала пв на показатели эффективности технологического процесса площадкоделателя (сплошные линии -экспериментальные исследования; штриховые линии -теоретические исследования)
Как видно из полученных зависимостей, при частоте вращения 3... 5 с"1 потребляемая мощность и полнота очистки имеют наилучшие значения: около 5 кВт и 95 % соответственно. При меньших оборотах вала установки наблюдается повышение затрат мощности, а при больших - значительное снижение качества технологического процесса.
С целью сравнения результатов теоретического и экспериментального исследований произведено наложение их графиков друг на друга. При их анализе можно заметить, что экспериментальные линии близки к теоретическим: максимальное отклонение для полноты очистки не превышает 3 % от абсолютной величины, а для затрачиваемой мощности - 9 %.
Частота вращения пня в процессе исследований изменялась при помощи частотного преобразователя в пределах 0,2...0,5 с"1 с шагом интервала 0,1 с"1. Зависимости показателей эффективности технологического процесса площадко делателя от частоты вращения пня представлены на рисунке 4.2.
Определение влияния параметров троса на показатели эффективности площадкоделателя
Рассмотрим использование номограммы на следующем примере. Зададим требование, что площадкоделатель должен обеспечивать среднюю силу очистки боковой поверхности пня 40 Н (точка А, рисунок 2.24). Если допустимая к использованию мощность площадкоделателя составляет 4 кВт (точка В), то изгибная жесткость должна составлять около 80 Н/м (точка С). При этом полнота очистки составляет более 95 % (положение точки В относительно пунктирных линий).
Если частота вращения ротатора (определяется заданной производительностью) составляет 1 с"1 (точка D), то частота вращения роторов должна составлять 7,8 с"1 (точка Е). В то же время потребляемая мощность при таких высоких частотах вращения прт и пр составит около 6,8 кВт. Если это значение неприемлемо, то необходимо снизить требования к силе очистки (например, уменьшить до 35 Н), тогда потребляемая мощность снизится до 4 кВт.
По определенному коэффициенту жесткости на изгиб (точка С) может быть определен диаметр троса выбранного типа. Для этого необходимо найти пересечение (точка G) горизонтали си = const с зависимостью cu(dm) и найти декартову проекцию точки G (точку Н) на ось dm. Так, в частности, для рассматриваемого примера и стального каната ГОСТ 2688-80 диаметр dm должен составлять 15,8 мм.
Результаты, полученные при проведении оптимизации и построении номограммы для параметров площадкоделателя, формирующего площадки-углубления вокруг пней, могут быть использованы при конструировании и изготовлении опытных образцов площадкоделателей, а также при их эксплуатации в естественных условиях вырубок и гарей [28]. 2.5 Влияние плотности распределения пней на параметры рабочего процесса площадкоделателя с изменяемым вылетом стрелы гидроманипулятора
Использование гидроманипулятора для позиционирования площадкоделателя значительно повышает производительность агрегата по сравнению с вариантом крепления машины непосредственно на навесном механизме трактора. Гидроманипулятор сокращает количество переездов трактора на вырубке за счет того, что при каждой остановке агрегата удается сформировать площадки-углубления для нескольких (ориентировочно от одного до десяти) пней. Для оценки эффекта от манипуляторного размещения площадкоделателя и обоснования основных параметров гидроманипулятора разработана математическая модель работы агрегата на вырубке.
Предлагаемая модель позволяет рассчитать количество переездов трактора на вырубках с различной плотностью пней (от 200 до 1200 пней/га). Моделирование производится в двухмерном пространстве XY, а плоскость моделирования представляет собой "вид сверху" на вырубку. Первоначально производится генерация модельной вырубки с заданной плотностью пней ап (рисунок 2.25).
Основной задачей моделирования является определение количества переездов трактора Nm при обработке заданного количества пней Nn. Для решения данной задачи в модели производятся имитация движения трактора вдоль прямой линии гона и периодическая проверка попадания окружающих агрегат пней в рабочую область гидроманипулятора, которая представляет собой сектор кольца и определяется диапазоном углов поворота стрелы
Pi... P2 и диапазоном расстояний вылета стрелы R1...R2 (рисунок 2.26). В соответствии с расчетной схемой условие попадания /-го пня в рабочую область гидроманипулятора можно записать в виде зависимости (2.14).
В начале компьютерного эксперимента модельный трактор с гидроманипулятором и навешенным на него площадкоделателем помещается на модельную вырубку таким образом, чтобы рабочая область гидроманипулятора не выходила за пределы области вырубки LxxLy. После подсчета количества попавших в рабочую область пней производится перемещение трактора вдоль оси ОХ на такое расстояние, чтобы не произошло пропуска пня мимо рабочей области в обрабатываемой полосе. Этим в модели воспроизводится переезд трактора с одного положения обработки на другое. В результате происходит постепенное смещение рабочей области, при этом каждый раз подсчитывается количество пней, попавшее в рабочую область.