Введение к работе
Актуальность исследования. 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 предназначены для удаления пней хвойных и мягколиствен-ных пород, они обладают недостаточной надежностью из-за поломок карданных валов и других элементов механического привода. Возникает необходимость создания рабочего органа для удаления пней при обеспечении высокой эффективности рабочего процесса и надежности конструкции.
Наиболее перспективным для этих целей, на наш взгляд, является использование ударных рабочих органов. Использование ударного принципа удаления древесины является перспективным с точки зрения снижения затрат подводимой мощности, так как при ударе ножа о древесину можно достичь гораздо более высокого значения силы, чем при непрерывном резании. Сила при ударе возникает лишь на короткий промежуток времени, однако ее значение может быть достаточным, чтобы превысить предел прочности древесины на скалывание и сколоть щепу.
Вопросом снижения энергоемкости процессов резания уделяется определенное внимание и производится совершенствование конструкций самих рабочих органов. Однако недостаточно уделяется внимания другому пути энергосбережения - повышению КПД самого процесса резания за счет внедрения устройств, усиливающих непосредственное воздействие рабочих органов на объект их обработки. Поэтому в конструкции ударного рабочего органа использованы элементы, запасающие кинетическую энергию при вращении от вала отбора мощности и отдающие энергию в кратковременные моменты встречи рабочего органа с пнем.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГБОУ ВПО ВГЛТА «Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного комплекса».
Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности процесса удаления пней за счет обоснования параметров ударных рабочих органов машины для удаления пней.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
1. Обоснование конструктивно-технологической схемы машины для уда
ления пней с новым ударным рабочим органом.
-
Разработка математической модели процесса скалывания древесины. Оптимизация параметров рабочего процесса экспериментального образца машины, обеспечивающих эффективность понижения пней с минимальными энергозатратами.
-
Получение в лабораторных условиях экспериментальных зависимостей взаимодействия рабочего органа с древесиной пня.
4. Изготовление экспериментального образца и проверка работоспособности в полевых условиях для технико-экономического обоснования новой конструкции машины.
Предмет и объект исследования. Объектом исследования является ударный рабочий орган, пни различных пород.
Предметом исследования являются математические модели, методы и алгоритмы поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров рабочего органа.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования базировались на математическом моделировании рабочих процессов технологического оборудования для удаления пней. Решение систем дифференциальных уравнений осуществлялось с применением численного интегрирования на ЭВМ. Обоснованность и достоверность теоретических результатов обеспечивается сопоставлением с данными лабораторных и производственных экспериментов. Полученные данные обрабатывались с использованием программ Microsoft Office 2007, MathCad 2000, Microcal Origin 5.0 и Borland Delphi 7.0.
Научная новизна результатов работы.
1. Представлена новая конструктивно-технологическая схема ударного ра
бочего органа для удаления пней, отличающаяся тем, что рабочий орган содержит
добивающий элемент, имеющий пружинную связь с рубящим элементом.
2. Разработана математическая модель взаимодействия ударного рабочего
органа с пнем, отличающаяся учетом влияния кинематических и динамических
параметров нового рабочего органа и физико-механических свойств древесины
пня на энергоемкость и эффективность. Программа решения модели на ЭВМ под
тверждена свидетельствами № 2009613218 и № 2011610657.
3. Установлены закономерности взаимодействия ударного рабочего органа
с пнем, отличающиеся оценкой энергоемкости рабочего процесса и учетом дина
мики механизма с различными геометрическими и эксплуатационными парамет
рами.
4. Обоснованы кинематические и динамические параметры ударного ра
бочего органа для удаления пней, оптимальные значения момента инерции рабо
чего органа, равновесный угол между рубящим и добивающим элементами, же
сткость упругого соединения рубящего элемента с валом и жесткость упругого
соединения рубящего и добивающего элементов.
Научные результаты, выносимые на защиту:
-
Конструктивно-технологическая схема ударного рабочего органа для удаления пней, позволяющая повысить эффективность рабочего процесса и снизить энергоемкость.
-
Математическая модель взаимодействия ударного рабочего органа с пнем, позволяющая обосновать параметры работы механизма.
-
Закономерности взаимодействия ударного рабочего органа, позволяющие оценить энергоемкость рабочего процесса в зависимости от различных геометрических и эксплуатационных параметров.
4. Обоснованные кинематические и динамические параметры ударного рабочего органа для удаления пней, позволяющие повысить эффективность рабочего процесса.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в установлении влияния конструктивных и эксплуатационных параметров ударного рабочего органа на процесс скалывания древесины пня при работе на вырубках; получении математической модели рабочих процессов рабочего органа; разработке новой конструкции рабочего органа, новизна которой подтверждена патентом на полезную модель № 97591.
Рекомендации, алгоритмы и программы для ЭВМ, разработанные на основе математического моделирования использованы в научно-исследовательских институтах ГНУ «ВНИАЛМИ», в НП «Ассоциация ВОРОНЕЖИНТЕХ», в конструкторском бюро «ЦОКБлесхозмаш», в учебно-опытном лесхозе ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» при подготовке инженеров лесотехнического профиля.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства, (критерии п. 8 «Положение о порядке присуждения ученых степеней» Минобрнауки России).
Апробация и реализация результатов диссертации. Разработанные на основе полученных результатов рекомендации и алгоритмы использовали: ГНУ «ВНИАЛМИ» (2009г.), КБ «ЦОКБлесхозмаш» (2010г.), НП «Ассоциация ВОРОНЕЖИНТЕХ» (2011г.). Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных и научно-технических конференциях ВГЛТА, ВГТУ, СибГТУ, ВоГТУ (2008-2011 гг.) и других конференциях и семинарах.
Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 14 работах, включая 4 статьи в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 патент на полезную модель и 2 свидетельства регистрации программы для математического моделирования на ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы на 185 страницах машинописного текста, включающего 150 страниц основного текста, 32 таблицы, 67 рисунков.
