Введение к работе
Актуальность исследования. Одним из приемов выращивания полноценных и долговременных лесных культур является осветление, в процессе которого регулируют густоту и улучшают условия роста деревьев главной породы. Осветление проводят в насаждениях, начиная с 3...5 и до 10 лет, а при зарастании междурядий порослью второстепенных лиственных пород необходимость осветления культур проявляется уже на втором году после посадки. Особенно это характерно для зоны смешанных лесов, где обилие тепла, плодородные почвы и достаточное количество осадков приводит к массовому появлению поросли осины и березы. И если своевременно не проводить осветление, то, как отмечают И.М. Науменко, К. Б. Лосицкий, П.Н. Алентьев и др., культуры гибнут.
Для срезания поросли широко применяются кусторезы ручные и тракторные с пассивными и активными рабочими органами. Наибольшее применение находят кусторезы с рабочими органами активного действия фрезерного типа. К ним относятся тракторные кусторезы КОГ-2,3, КОМ-2,3, КОН-2,3, КО-1,5 и др. Рабочий орган выполнен в виде цилиндрической фрезы, вдоль оси которой размещены режущие ножи.
Фрезерные кусторезы широкозахватные и просты по своей конструкции. Вместе с тем имеются и недостатки. Поросль, имеющая малое сопротивление прилагаемому давлению со стороны рабочего органа при движении агрегата, наклоняется и после прохода под действием упругих сил снова занимает вертикальное положение. Такой поросли наносят повреждение в виде сдирания коры в месте контакта с фрезой. В итоге поросль продолжает развиваться, что снижает сроки очередного проведения осветления. Поскольку поросль разнообразна по своим параметрам (диаметр, высота) и физико-механическим свойствам (сопротивление изгибу, жесткость стволика), то доля уничтожаемой поросли составляет всего лишь 30...40 %.
Для разработки более совершенной конструкции кустореза фрезерного типа необходимы дополнительные исследования, направленные на устранение имеющихся недостатков и, главное, обеспечение более полного срезания, в том числе гибкой поросли.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» «Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного комплекса» (№ гос. регистрации 01.2.00609242).
Степень разработанности проблемы. Вопросами создания лесных культур и последующих агротехнических и лесоводственных уходов занимались такие учёные как И.М. Зима, Т.Т. Малюгин, А.И. Баранов, И.М. Бартенев, М.В. Драпалюк, В.И. Казаков, Ф.В. Пошарников, П.И. Попиков, Л.Д. Бухтояров, СВ. Пономарев и др. Анализ этих работ показывает, что при выращивании дуба на вырубках наиболее широко применяется коридорный метод, разработанный А. П. Молчановым.
Анализ существующих серийных кусторезов показывает, что они не полностью отвечают необходимым требованиям по уходу за лесными культурами. Кроме того, известные теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов машин с активными рабочими органами недоста-
точно адекватно описывают их взаимодействие с лесной порослью, что не позволяет на теоретическом уровне проводить разработку новой техники для удаления поросли.
Для лучшего удаления поросли необходимо применять фрезерование с подпором, который создаст благоприятные условия для срезания поросли. Это положительно скажется на качестве осветления, приведет к уменьшению количества проходов кустореза и к увеличению сроков между ними.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности процесса осветления лесных культур на вырубках путем совершенствования и обоснования рабочего процесса и параметров комбинированного рабочего органа кустореза, обеспечивающего подпор поросли при фрезеровании.
В соответствии с поставленной целью работы были намечены следующие задачи:
-
Совершенствование рабочего процесса по срезанию поросли путем фрезерования с подпором и фиксированном положении тонкомерной поросли второстепенных древесно-кустарниковых пород при осветлении культур и обоснование новой конструктивно-технологической схемы кустореза.
-
Разработать математическую модель фрезерного кустореза с упорами-улавливателями порослевий.
-
Оптимизация основных параметров процесса резания фрезой древесной растительности по критериям улучшения полноты удаления древесной поросли фрезерными кусторезами.
-
Проведение лабораторных и полевых исследований комбинированного рабочего органа.
Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются упоры-улавливатели, цилиндрическая фреза, поросль мягколиственных пород.
Предметом исследования являются математические модели, методы и алгоритмы поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров упоров-улавливателей порослевий.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретическое исследование произведено на основе методов математического моделирования, классической механики, аналитической геометрии, дискретных элементов. Лабораторный эксперимент поставлен на основе теории планирования эксперимента. Обработка результатов измерений производилась методами математической статистики с применением современных средств вычислительной техники и стандартных ЭВМ-программ.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Процесс взаимодействия комбинированного рабочего органа кустореза, оборудованного упорами-улавливателями, с порослью, позволяющий срезать поросль, имеющей малое сопротивление изгибу.
-
Математическая модель взаимодействия фрезы с порослью, позволяющая описать процесс фрезерования поросли кусторезом, оборудованном упорами-улавливателями, с учетом физико-механических свойств поросли.
-
Теоретические и экспериментальные закономерности взаимодействия фрезы с порослью с учетом ограничения наклона поросли, позволяющие
обосновать параметры рабочего органа кустореза, оборудованного упорами-улавливателями.
4. Рекомендации по технологии процесса осветления лесных культур на вырубках, позволяющие повысить эффективность работы комбинированного фрезерного рабочего органа кустореза.
Научная новизна результатов работы.
-
Параметры конструктивно-технологическая схемы кустореза в виде цилиндрической фрезы, подтверждённая патентом на изобретение № 2429596, отличающаяся тем, что перед фрезой установлены упоры-улавливатели поросли в виде двугранного клина с поперечной пластиной и с центральным углом при вершине, половина которого равна или менее угла трения стали по древесине.
-
Математическая модель фрезерного кустореза с упорами-улавливателями, отличающаяся введением упоров-улавливателей поросли и проти-вонаклонных упоров с учетом физико-механических свойств поросли.
-
Закономерности взаимодействия цилиндрической фрезы, совершающей вращательное и поступательное движения, с порослью, отличающееся ограничением наклона поросли и учетом силы подпора.
-
Технологические рекомендации, повышающие эффективность работы комбинированного фрезерного рабочего органа.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в разработке алгоритмов, программы для ЭВМ, рекомендаций по выбору параметров комбинированного рабочего органа с упорами-улавливателями, позволяющие проектировать кусторезы и обосновывать режимы их работы при удалении поросли.
Разработанные конструкции кустореза для осветления лесных культур на вырубках и обоснованные основные параметры упорно-улавливающего устройства, обеспечивают повышение эффективности уничтожения поросли малоценных древесных пород. Установление влияния конструктивных и технологических параметров рабочих органов на процесс удаления поросли при работе на вырубках.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные научные результаты соответствуют п. 5 области исследования «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин » паспорту специальности 05.21.01. -Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2009-2012 гг.).
Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 14 работах, включая 4 статьи в издании центральной печати рекомендованного ВАК Федерального агентства по образованию РФ, 1 патент на изобретение и 1 свидетельство регистрации программы для математического моделирования на ЭВМ.
Структура диссертации. Общий объем диссертационной работы
представлен на 190 страницах, включающих 147 страниц основного текста, состоящего из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, 11 приложений, 34 таблицы, 70 рисунков и списка использованных источников, включающих 150 наименований.
