Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 10
1.1. Краткая история развития террасного садоводства 10
1.2. Водная эрозия на склонах и методы борьбы с ней 13
1.3. Мульчирование как способ борьбы с эрозией почвы 15
1.4. Древесные отходы садоводства и технологии их утилизации 17
1.5. Обзор и анализ конструкций машин для утилизации срезанных ветвей плодовых деревьев 25
1.6. Выводы по главе, цель и задачи исследований 40
ГЛАВА 2. Некоторые физико-технологические характеристики срезанных ветвей плодовых деревьев и древесной мульчи 43
2.1. Размерные характеристики срезанных ветвей плодовых деревьев 43
2.2. Размерные характеристики валка из срезанных ветвей после обрезки плодовых деревьев в садах на террасированных склонах 45
2.3. Физико-механические свойства плодовой древесины 48
2.4. Свойства древесной мульчи из срезанных ветвей плодовых деревьев... 50
2.5. Исследование зависимости среднего диаметра сечения ветви От расстояния сечения до вершины срезаемых ветвей 70
2.6. Выводы по главе 72
ГЛАВА 3. Теоретическое обоснование параметров и режимов работы измельчительного устройства подборщика-измельчителя 74
3.1. Анализ кинематики рабочих органов 76
3.2. Определение сил, действующих на нож 84
3.3. Обоснование основных конструктивных и технологических параметров измельчителя 92
3.4. Мощность привода измельчительного устройства 95
3.5. Моделирование процесса измельчения плодовых ветвей 96
3.5.1. Влияние на силу резания углов заточки ножа 99
3.5.2. Влияние на силу резания радиуса вращения режущей кромки ножа.. 100
3.5.3. Влияние на силу резания зазора между кромкой ножа и валом противоположного ротора , 102
3.5.4. Влияние скорости подачи ветвей и скорости вращения рабочего органа на производительность и энергоемкость машины 104
3.6. Выводы по главе 108
ГЛАВА 4. Программа и методика экспериментальных исследований 110
4.1. Обзор экспериментальных исследований по измельчению древесины . 110
4.2. Программа экспериментальных исследований 113
4.3. Методика проведения экспериментальных исследований 113
4.4. Лабораторная установка, аппаратура и приборы для проведения экспериментальных исследований 116
4.5. Порядок проведения экспериментального исследования 121
4.5.1. Оптимизация конструктивных параметров двухвалкового роторного измельчителя срезанных ветвей плодовых деревьев 122
4.5.2. Оптимизация технологических параметров двухвалкового роторного измельчителя срезанных ветвей плодовых деревьев 123
4.6. Выводы по главе 125
CLASS ГЛАВА 5. Результаты экспериментальных исследований 12 CLASS 6
5.1. Оптимизация конструктивных параметров измельчителя 126
5.2. Оптимизация технологических параметров измельчителя 134
5.3. Выводы по главе 140
ГЛАВА 6. Экономическая эффективность подборщика-измельчителя 142
Общие выводы 146
Практические рекомендации 149
Список использованной литературы 150
Приложения 167
- Краткая история развития террасного садоводства
- Размерные характеристики срезанных ветвей плодовых деревьев
- Обоснование основных конструктивных и технологических параметров измельчителя
- Обзор экспериментальных исследований по измельчению древесины
Введение к работе
Садоводство является одной из важных отраслей сельского хозяйства. Ценность плодов и ягод в жизнедеятельности человека всем известна. Они являются составной частью полноценного здорового питания, особенно детского.
В плодах и ягодах содержатся множество витаминов, минеральных веществ, антиоксидантов, биологически активных веществ, благодаря которым возможно не только поддержание здоровья человека, но и лечение различных заболеваний.
Фрукты, выращенные в горных условиях, отличаются высокими питательными и целебными свойствами, экологической чистотой. В них содержится меньше вредных веществ, так как требуется минимальное количество химических обработок растений от вредителей и болезней.
В садах на горных склонах создается своеобразный микроклимат. Так, например, условия аэрации и освещенности крон отличаются от условий при равнинном садоводстве, благодаря которым деревья меньше подвержены заражению грибными болезнями.
Особое значение имеет закладка садов на склоновых землях, подверженных ветровой и водной эрозии. Многолетние насаждения позволяют не только предотвращать эрозионные процессы, но и способствовать уменьшению испарения влаги из почвы и накоплению снега.
Горное садоводство отличается многими положительными хозяйственными и технологическими особенностями, в силу которых его развитие и процветание является важной народно-хозяйственной задачей. Решение этой задачи способствует укреплению продовольственной безопасности страны и здоровья граждан. Повышение занятости населения в этой отрасли и его материального благосостояния позволяет улучшать социально-экономическую сферу горных районов страны.
Известно, что обрезка плодовых деревьев является важной агротехнической операцией в садоводстве, благодаря которой достигается повышение
урожайности и качества плодов. При ее выполнении образуется большое количество древесных отходов. В зависимости от сорта, возраста и других биологических особенностей плодовых деревьев объем срезанных ветвей может достигать 20 и более тонн на гектар. Такое количество отходов требует проведения операций по их утилизации. Наибольшее распространение в практике получила технология, предусматривающая сволакивание срезанных ветвей за пределы сада и их дальнейшее сжигание или сбрасывание в овраги. Из-за низкой эффективности данной технологии и слабой механизации технологических операций, проведение утилизации древесных отходов сопровождается большими материальными и трудовыми затратами. Особую сложность представляет утилизация древесных отходов на склоновых землях при террасном садоводстве. Необходимо отметить и то, что продукты сжигания ветвей представляют угрозу загрязнения окружающей среды. Поэтому проблема утилизации и рационального использования отчуждаемой плодовой древесины является актуальной.
Наиболее простым, рациональным и перспективным является использование срезанных ветвей в измельченном виде для мульчирования почвы. Это способствует накоплению и сохранению влаги в почве, обогащению ее органическим веществом, элементами минерального питания, улучшению агрофизических свойств и в конечном итоге вовлечению отчуждаемой древесины в круговорот веществ без ущерба для экологии.
Для реализации указанной технологии утилизации древесных отходов садоводства учеными СКНИИГПС под руководством проф. Шомахова Л.А. была предложена конструкция подборщика-измельчителя срезанных ветвей плодовых деревьев (ПИВ-1), оснащенная двумя ступенями роторных двухвалковых измельчителей. Отсутствие достаточных данных о процессах взаимодействия рабочих органов измельчителей со срезанными ветвями плодовых деревьев препятствует совершенствованию машины и ее широкому внедрению в производственную практику.
В связи с вышеизложенным, работа посвящена обоснованию параметров и режимов работы двухвалкового роторного измельчителя срезанных ветвей плодовых деревьев.
Цель работы - обоснование основных параметров и режимов работы двухвалкового роторного измельчителя подборщика-измельчителя срезанных ветвей плодовых деревьев, оптимизация его конструктивных и технологических параметров для получения из срезанных ветвей плодовых деревьев древесной мульчи.
Для ее достижения были поставлены следующие задачи:
- изучить некоторые физико-технологические свойства срезанных
ветвей плодовых деревьев и полученной из нее измельченной древесины для
использования в качестве мульчи;
теоретически исследовать процессы взаимодействия ножей двухвалкового роторного измельчителя со срезанными ветвями плодовых деревьев;
разработать методику исследования опытного образца двухвалкового роторного измельчителя и провести необходимые эксперименты с целью установления зависимости основных показателей измельчения от параметров и ре-жимов работы машины;
провести оптимизацию основных конструктивных и технологических параметров измельчителя по критериям эффективности;
определить экономический эффект от внедрения предложенной технологии утилизации древесных отходов с помощью подборщика-измельчителя, оснащенного разработанной конструкцией измельчительного устройства.
Объекты исследования являлись срезанные ветви плодовых деревьев, полученная из них измельченная масса - древесная мульча, двухвалковый роторный измельчитель.
Предметом исследования являлся процесс измельчения срезанных ветвей плодовых деревьев двухвалковым роторным измельчителем в древесную мульчу.
Методы исследования. Для проведения исследования широко применялись аналитические и статистические методы, методы математического, физического и имитационного моделирования, методы теории математического планирования эксперимента.
Для теоретического исследования процесса измельчения срезанных ветвей плодовых деревьев использованы разработанные диссертантом математические модели в среде компьютерной программы MathCAD 2-001.
Для экспериментального исследования режимов работы двухвалкового роторного измельчителя разработана методика и создана лабораторно-экспериментальная установка. Измерение исследуемых параметров и их обработка проводилась с использованием ЭВМ (АЦП Е-140).
Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики ЭВМ с помощью программ L-graph (при измерениях), MS Excel, MathCAD 2001, Statistica (при обработке экспериментальных данных).
Научная новизна работы заключается в следующем:
Исследована зависимость среднего диаметра сечения ветви от расстояния сечения до вершины ветви.
Теоретически исследован процесс взаимодействия ножей двухвалкового роторного измельчителя со срезанными ветвями плодовых деревьев и установлена взаимосвязь между конструктивными и технологическими параметрами с одной стороны и показателями работы измельчителя (энергоемкость, производительность и степень измельчения) с другой стороны.
Разработана математическая модель измельчения срезанных ветвей плодовых деревьев, реализованная на ЭВМ в виде программ в среде MathCAD 2001 для проведения численных расчетов.
Численными расчетами установлены оптимальные значения параметров и режимов работы двухвалкового роторного измельчителя.
В разработанной и созданной экспериментально-лабораторной установке реализована физико-математическая модель измельчительного устройства подборщика-измельчителя срезанных ветвей плодовых деревьев.
6. Экспериментами подтверждены результаты теоретических исследований и уточнены оптимальные значения основных параметров и режимов работы двухвалкового роторного измельчителя подборщика-измельчителя срезанных ветвей плодовых деревьев.
Достоверность полученных математических моделей подтверждена экспериментальными исследованиями работоспособности опытного образца двухвалкового роторного измельчителя, а также многочисленными экспериментами на экспериментально-лабораторной установке.
Практическая г^енность работы. Разработана эффективная компьютерная методика определения оптимальных параметров и режимов работы двухвалкового роторного измельчителя. Разработаны рекомендации по конструированию измельчительного устройства подборщика-измельчителя. Создан и испытан экспериментальный образец двухвалкового роторного измельчителя подборщика-измельчителя. Установлена его работоспособность, низкая энергоемкость, высокая производительность и эффективность применения в садах в составе подборщика-измельчителя срезанных ветвей плодовых деревьев. Рекомендована к применению на практике конструкция двухвалкового роторного измельчителя с оптимальными конструктивными и технологическими параметрами, предложена методика выбора оптимального режима работы подборщика-измельчителя.
Реализация результатов исследований. Материалы исследований используются СКНИИГПС (г.Нальчик, КБР) при разработке средств механизации для ухода за плодовыми деревьями.
Опытный образец двухвалкового роторного измельчителя применялся при утилизации срезанных ветвей плодовых деревьев на опытных полигонах СКНИИГПС в 2002-2003гг. (г.Нальчик, КБР).
Результаты исследований внедрены в конструкцию Подборщика-измельчителя срезанных ветвей плодовых деревьев ПИВ-2 (СКНИИГПС), подтвержденные актом внедрения (Приложение 7).
Апробаг\ия работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены: на научной конференции молодых ученых в Кабардино-Балкарском научном центре РАН (Нальчик, 2002), на научной конференции молодых ученых «Экология южного региона» в Горском государственном агроуниверситете (Владикавказ, 2002), на международной конференции «Проблемы экологизации современного садоводства» в Кубанском государственном агроуниверситете (Краснодар, 2004), на заседаниях отдела механизации (2005-2006 гг.) и на Ученом Совете СКНИИГПС (2005-2006 гг.).
На защиту выносятся:
результаты анализа современных технологий утилизации и конструкций машин для измельчения древесины применительно к условиям горного и предгорного садоводства;
собственные исследования и обобщенные результаты других авторов по изучению некоторых физико-технологических параметров срезанных ветвей плодовых деревьев и древесной мульчи, необходимых для разработки двухвалкового роторного измельчителя;
результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию основных параметров двухвалкового роторного измельчителя.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 4 научных трудах.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, практических рекомендаций, списка использованной литературы и приложений.
Краткая история развития террасного садоводства
На Северном Кавказе культура горного садоводства зародилась еще в древности. Об этом свидетельствуют результаты археологических раскопок, проведенных в 1929 г. М.И. Ермоленко [94].
После Великой Отечественной войны появился большой интерес в освоении склоновых земель под сады. В 50-х годах 20 в. во многих высокогорных районах Северного Кавказа были заложены сады на склонах. В то время еще не было накоплено достаточного опыта горного садоводства, и при возделывании применялись равнинные технологии без учета рельефа местности. При этом ряды деревьев не редко размещались вдоль склонов. При обработке почвы наблюдалась сильная эрозия почвы, а при сплошном задернений, особенно в молодых садах, наблюдалось угнетение в росте, что приводило к выпадам деревьев и снижению урожая плодов. Применения средств механизации в садах на горных склонах было очень ограничено или вовсе отсутствовало. Низкий уровень агротехники в садах на склонах, основанной на равнинных технологиях, не позволял развивать промышленное горное садоводство.
Террасирование, как способ освоения склонов под сады, стали применять лишь в конце 50-х годов 20 в. В 1957 г. в Кисловодском лесхозе Ставропольского края были проведены первые работы по механизированному трассированию.
Сады на склонах на новом качественном уровне начали закладывать в 60-е годы 20 в. [95, 97]. Под руководством профессора Лучкова П.Г. на Кабардино-Балкарской опытной станции садоводства были начаты исследования по разработке технологии освоения горных склонов под промышленные сады. В эти годы на базе совхозов «Кенже», «Нальчикский» и других хо зяйств была впервые разработана и проверена в производстве эффективная технология освоения горных склонов под сады.
Изучению технологических процессов возделывания плодовых культур на склонах посвящены работы А.П. Драгавцева, П.Г. Лучкова, М.Н. Фи-суна, A.M. Умирова, Р.С. Шидакова, А.К. Каирова, Х.Ж. Балкарова, С.Н. Хабарова, В.А. Потапова, МЛ, Шубина, А.П. Адзянова, А.Р. Шомахова, В.А. Федорова, А.С. Пронь и др. [21, 22, 59, 61, 94-97].
Вопросам механизации технологических процессов по уходу за плодовыми насаждениями посвящены работы И,М, Брутера, Г.П. Варламова, А.В. Четвертакова, В.В. Бычкова, И.С. Кикабидзе, A.M. Кротова, И.Б. Бе-ренштейна, А.С. Пронь, М.Д. Мокан, А.А. Цымбал, В.Д. Бартенева, Б.Э. Те-мирханова, В.А. Турбина, В.А. Бондарева, В.Я. Зельцер, Н.Г. Черненко, А.Б. Кудзаева, Б.Х. Кульчиева, Ю.А. Уткова, И.А. Долгова, В.К. Кутейникова, И.А. Стоюшкина, Л.А. Шомахова, Р.А. Балкарова, A.M. Ульянова, Ю.А. Ше-кихачева, А.Н. Медовник, К.А. Манаенкова, И.О. Темиржанова, А.З. Агрба, Т.М. Апхудова, ВЛО. Ланцеваи др. [2, 5, 9-11,13, 14, 17-19, 31, 33, 34, 54, 65, 67, 79, 80, 84-86, 88, 89, 101-103, 114, 123, 128, 134, 142, 143, 145, 156, 157, 159].
Анализу состояния и перспектив развития технологических процессов возделывания плодовых культур на склонах посвящены работы П.Г. Лучкова, Л.А. Шомахова, A.M. Умирова, Х.Ж. Балкарова, А.К. Каирова, Н.И. Семенова, Ю.У. Герандокова, Е.А. Рубцова, М.Н. Фисуна, Р.А. Балкарова, И.Ф. Инденко, Н.В. Агафонова, Н.М. Куреного, С.А. Мухина, С.Н.Харабоваидр. [21,59, 61,94-97, 116].
Учеными было установлено, что освоение горных склонов под промышленное садоводство необходимо проводить с учетом условий для роста и плодоношения плодовых культур, зональных и микрозональных особенностей климата и почв.
Склоновое садоводство развито не только в горных районах страны. В России в Нечерноземной, Центрально-Черноземной зонах, Поволжье и в дру гих экономических районах большая часть садов размещается на склонах, хотя и малой крутизны. Многолетние насаждения позволяют занимать под них земли малопригодные или совсем не пригодные под однолетние культуры. Такое рациональное использование земельных ресурсов позволяет развивать без ущерба друг для друга полеводство и садоводство. С этой точки зрения наибольший практический интерес представляют южные предгорные и горные районы РФ.
Северный Кавказ по своим природно-климатическим особенностям наилучшим образом подходит для развития сельскохозяйственной отрасли страны [129]. Здесь имеется в достаточном количестве земельные и трудовые ресурсы. Садоводство относят к высоко рентабельным производствам, благодаря чему возможно повышение уровня жизни населения, занятого в этой отрасли. Развитие промышленного горного садоводства может значительно укрепить экономику южных республик, повысить культурный и социальный уровень жизни местного населения. Положительным является и то, что садоводство в горных районах можно благоприятно сочетать с основной отраслью сельского хозяйства горных районов - животноводством.
В сравнении с равнинными условиями воздушный, термический и световые режимы-в насаждениях плодовых культур на склонах более благоприятны. Растения в меньшей степени страдают от воздействия низких температур.
Освоение горных склонов под сады позволяет вводить в сельскохозяйственный оборот малопродуктивные или неиспользуемые в хозяйстве земли. Ведение садоводства на склонах в перспективе расширяет возможности по превращению этих земель в культурные угодья.
Размерные характеристики срезанных ветвей плодовых деревьев
Таким образом, мульчирование почвы измельченной древесиной повышает урожайность яблони, а ежегодная подкормка азотными удобрениями и, в частности, аммиачной селитрой усиливает влияние мульчи. Эти варианты по урожайности за три года существенно превышали контроль.
Заметное повышение урожайности, как и роста яблони в вариантах с мульчей объясняется тем, что мульча особенно в первые два года предохраняет почву от испарения, кроме того, в процессе разложения древесины, начиная с первого года, обогащает ее элементами минерального питания.
Мульчирование почвы измельченной массой древесины ветвей, хорошо вписывается в дерново-перегнойную систему содержания .почвы в садах.
В оценке влияния мульчирования немаловажное значение имеет масса плода, от чего в определенной степени зависит их товарная сортность и цена реализации.
Наблюдениями установлено, что чем больше масса мульчи в расчете на 1 га, тем заметнее ее влияние на увеличение массы плода. Положительное влияние мульчи на массу плода усиливает и азотная подкормка.
Важную роль в оценке качества плодов играет их товарная сортность. Известно, что чем выше товарная сортность плодов, тем по более высокой закупочной цене они реализуются.
На массу и товарную сортность плодов яблони большое влияние оказывают условия произрастания деревьев и, в частности, влагообеспечение, минеральное питание, освещение и ряд других факторов. Более благоприятные условия для яблони в опытах складывались в вариантах с древесной мульчей, а так же в варианте с древесной мульчей и подкормкой азотным удобрением.
Данные учета товарной сортности плодов указывают на то, что в варианте с мульчей, по сравнению с контролем несколько выше товарная сортность плодов. Здесь на долю плодов высшего и первого сортов приходится на 3% больше, чем в контроле, а также несколько меньше плодов третьего сорта. Из всех вариантов по товарной сортности плодов выделяется вариант мульчирования с азотной подкормкой.
Обобщая изложенные экспериментальные данные по урожайности и качеству плодов в опытах с мульчированием почвы измельченной древесиной, можно сделать заключение о высокой эффективности мульчи. Она более плотно прикрывает почву и предохраняет влагу от испарения. Быстрее разлагается, чем в не измельченном виде, в результате раньше обогащает почву элементами минерального питания, что и объясняет более значительное ее влияние на урожайность и качество плодов. Эффективность древесной мульчи значительно повышает азотная подкормка.
Содержание тяжелых металлов. Как известно, в настоящее время современное садоводство испытывает значительное влияние средств химизации и химической защиты плодовых деревьев. Интенсификация садоводства немыслима без применения высокоэффективных пестицидов.
Однако, последствия химизации в бесконтрольных условиях применения могут оказаться губительными вследствие высокой токсичности используемых веществ. Кроме того, наряду с остающейся для окружающей среды прямой угрозой при нарастающей роли химизации сельского хозяйства, существует реальная опасность внедрения в биологический круговорот веществ и культивации в нем остаточных токсичных веществ.
Ухудшающееся состояние экологии требует во всех отраслях сельского хозяйства соблюдения правил и норм безопасного применения химических средств защиты.
Наиболее токсичными являются тяжелые металлы, которые могут содержаться даже в выхлопе отработанных газов машин и тракторов с нарушенной регулировкой двигателей внутреннего сгорания.
Тяжелые металлы в основном относятся к первому и второму классам опасности.
Никель относится ко второму классу опасности. Он для теплокровных животных и человека малотоксичен, однако, обладает мутогенным действием.
Медь также принадлежит ко второму классу токсичности, повышает клеточную проницаемость, нарушает метаболизм.
Цинк относится к первому классу токсичности. Отравления чаще всего происходят при нарушении технологии внесения цинксодержащих пестицидов.
Мышьяк -.тот же класс токсичности - ядовитое вещество, ингиби-рующее различные ферменты, оказывающие отрицательное действие на метаболизм. Не отрицается его концерогенное действие.
Кадмий относится к первому классу токсичности, нарушает и блокирует обмен железа и кальция, а также синтез ДНК у теплокровных.
Свинец - первый класс токсичности, оказывает разностороннее негативное действие, ингибирует ферменты, вызывает отравления, поражает нервные системы.
Метод определения наличия тяжелых металлов, применяемый в наших исследованиях, атомно-абсорбционный. Он основан на свойствах атомов тяжелых металлов: поглощать в основном состоянии свет определенных длин волн, который они испускают в возбужденном состоянии.
Исследования показали наличие различного количества тяжелых металлов в ветвях яблони, занесенные туда преимущественно вместе с опрыскиваемыми растворами пестицидов.
Обоснование основных конструктивных и технологических параметров измельчителя
Проведя кинематический и силовой анализ процесса работы двухвалкового роторного измельчителя, можно выделить параметры, которые оказывают влияние на усилие резания древесины ветвей. К ним относятся: геометрические размеры роторов измельчителя, количество ножей на ножевом диске, углы заточки ножей, скорость вращения роторов, скорость подачи ветвей и зазор между ножом и валом противоположенного ротора.
Габаритные размеры и вес измельчителя зависят в первую очередь от диаметра вала ротора и диаметра ножевого диска, которые необходимо выбирать из условия обеспечения обработки заданной толщины слоя древесного материала срезанных ветвей плодовых деревьев.
С учетом максимального диаметра измельчаемых ветвей 35-40 мм и необходимости обеспечения необходимой жесткости полого вала ротора рекомендуется принимать диаметр ножевого диска в пределах 150-250 мм. Учитывая что, угловая скорость вращения ножевого диска со (рад/с) ф = 2т, (3.64) п - частота вращения ножевого диска, с-1, из выражения (3,2) можно получить формулу для расчета скорости измельчения: vU3M=2nRn. (3.65)
Основным параметром, которым можно характеризовать качество измельчения срезанных ветвей плодовых деревьев, является длина разрезания ветви. Ее расчетное значение можно определить по формуле (3.23).
Зная расчетное значение длины резания ветви можно определить значение среднего диаметра ветви при резании по формуле: „ Jd{h) (3.66) где d(l() - диаметр ветви в і-м сечении ветви, рассчитываемый по выражению (2.1), полученному во второй главе, м; h = Ірасч і - расстояние і-го сечения резания от вершины ветви, м; N=l6/ їрасч - КОЛИЧеСТВО реЗОВ БЄТВИ ДЛИНОЙ 1в.
Как показали во второй главе статистические данные, среднее значение длины ветки равно 4=0,7 м. А рекомендуемая длина резания ветви по агротехническим соображениям /рдсч=0,07 м. Тогда по выражению можно (3.66) можно вычислить средний диаметр ветви при резании. Его величина в зависимости от сорта для яблони составляет 10-15 мм. Примем для расчетов средний диаметр измельчаемой ветви dcp=\5 мм.
Производительность двухвалкового роторного измельчителя плодовой древесины определяется числом ножей на диске z, размерами перерабатываемого слоя ветвей и длиной измельченных частиц /ШЛ(. Для ее определения рекомендована формула [93], в м3/ч: Q = Fpv„ .3600 = -3600 = 60 -/1-7./ , (3.67) где Fp - расчетная площадь перерабатываемого слоя ветвей, м . Площадь резания определим из выражения Fp=B-H-kdp, (3.68) где В - длина ротора измельчителя, м; Нв - толщина перерабатываемого слоя ветвей в сжатом состоянии, м; Аф-коэффициент-полнодревесности измельчаемого слоя ветвей. Длина ротора измельчителя подбирается исходя из размеров валка срезанных ветвей и степени его уплотнения подающими вальцами измельчи-телыюго устройства.
Количество ножей на ножевом диске рекомендуется выбирать исходя из заданной производительности [93]. По конструктивным и эксплуатационным соображениям количество ножей выгодно назначать четным, т.е. 2, 4, 6 и т.д. Предпочтение следует отдавать меньшему количеству ножей, так как при этом уменьшается количество деталей и сложность конструкции ротора. Поэтому оптимальным мы считаем количество ножей z=2.
Как установлено теоретическим анализом процесса резания ветви углы заточки ножа являются важными параметрами. Передний угол заточки ножа 6п по конструктивным особенностям двухвалкового роторного измельчителя должен иметь отрицательные значения. Это обусловлено необходимостью обеспечения беспрепятственного вращения ножа в окрестности траектории движения смежной с валом противоположенного ротора. Минимальное значение переднего угла заточки без учета знака будет ограничиваться условием стабильной работы ножа без проявления эффекта защемления подаваемой ветви между передней гранью и валом, противоположенного ротора. Исходя из этого можно рекомендовать значение угла заточки J„=-5... -15.
В силу того, что величина частоты вращения ротора ограничивается ростом центробежных сил ротора, а величина длины резания ветвей задается агротехническими рекомендациями, то по выражению (3.25) можно установить требуемую величину скорости подачи ветвей v По конструктивным особенностям привода (гидравлический мотор) частота вращения ротора может варьироваться в пределах «=10-15 с 1. С учетом этого скорость подачи ветвей может принимать значения v„=l,4-2,1 м/с. Во процессе работы подборщика-измельчителя возникает некоторая задержка в подбирающем устройстве машины, связанная с обеспечением непрерывности обработки валка ветвей без образования скучиваний материала, и задержка во времени на надрезание и ориентирование ветвей в подающем устройстве. По значению скорости подачи ветвей можно ориентировочно установить скорость движения агрегата подборщика-измельчителя va=0,8-l,5 м/с, или в пересчете vfl=2,88-5,4 км/ч.
Обзор экспериментальных исследований по измельчению древесины
В своих работах исследователями были установлены основные факторы, влияющие на энергоемкость измельчения и качество получаемого продукта. К ним относят скорость резания, конфигурацию ножей, угол заострения режущей части, угол наклона лезвия, степень затупления ножа и другие.
Влияние скорости на энергетические показатели процесса резания изучали многие ученые [4, 25, 30, 41, 56, 71, 77, 125, 131, 138]. Анализ работ показал отсутствие единой точки зрения по данному вопросу. Так исследователи рубительпых машин [74, 169, 172] отмечают снижение выхода кондиционной щепы с увеличением скорости резания на дисковых рубительных машинах за счет роста количества мелкой фракции, получающейся при ударе о кожух машины. При исследовании поперечного фрезерования древесины Комаров ГЛ- [90] установил, что минимальная сила резания соответствует скорости 20-,-25 м/с. Исследования процесса изготовления технологической стружки методом цилиндрического фрезерования Стовпюка Ф.С. [113] показали, что увеличение скорости резания с 0,75 до 33,5 м/с снижает потребную мощность резания.
Процесс измельчения в рубительных машинах, который рассматривался в перечисленных выше работах, протекает в иных условиях, чем процесс измельчения срезанных ветвей плодовых деревьев двухвалковым роторным измельчителем. Главным образом отличие заключается в толщине срезаемого материала.
Исследования Рушнова НЛ. [90] показали, что в диапазоне 3,37.., 9,12 м/с скорость резания в рубительных машинах не оказывает существенного влияния на удельную силу резания. В работе [71] сделан вывод, что скорость резания в диапазоне 7..Л4 м/с оказывает незначительное влияние на процесс рубки древесины, вызывая уменьшение энергозатрат. Овчаров А.А. [115] отметил снижение удельной силы и работы резания при увеличении скорости в пределах 33... 55 м/с.
По результатам исследования Гороховского К.Ф. [49] при разрушении образца увеличение скорости резания 0,19...0,76 м/с вызвало повышение силы резания на 30%. В то же время в работе Азаренок В.А. [4] отмечается, что при скорости резания до 20 м/с ее изменение не оказывает существенного влияния на усилие резания.
Многие исследователи во время опытов наблюдали при увеличении скорости резания сначала уменьшение силы резания до некоторого значения, а затем его увеличение.
Из приведенного анализа исследовательских работ, можно сделать вывод, что в науке пока еще нет единого мнения о влиянии скорости на энергоемкость процесса измельчения древесины. Этому препятствует, на наш взгляд, большое разнообразие видов рабочих органов для измельчения и различия в методиках проведения экспериментальных исследований [4, 49, 80,118].
Исследованию зависимости силы резания древесины от углов заточки режущей кромки ножа посвящены работы ряда ученых.
В своей работе Азаренок В.А- использовал ножи с односторонней заточкой [4] Результаты исследований показали снижение усилия резания при увеличении угла заточки до 30, При увеличение угла заточки до 40-50 происходило увеличение сопротивления внедрению ножа.
При бесстружечное резания ножом с двухсторонней заточкой экспериментально была получена обратная зависимость при росте угла заострения в пределах 30...40. Опыты показали уменьшение силы резания до 20%. Гороховский К.Ф. в работе по исследованию процесса резания сучьев [49] делает вывод, что с увеличением угла заострения с 30 до 40 работа и усилие резания возрастают. Леонов Б,А. [90] отмечает, что при симметричной заточке более перспективным является прямоугольный нож с режущей кромкой перпендикулярной вектору скорости перемещения, Крыльцовым В.Д- [82] были получены выражения для определения усилия и работы резания ножами различных профилей, используя показатели физико-механических свойств. В результате анализа установлено, что ножи с двухсторонней заточкой являются более предпочтительными.
Сотонин И,Я. [131] проводил исследования зависимости усилия разрушения парой ножей ветвей хвойных пород. Опыты проводились с ножами двухсторонней заточки, односторонней заточки, и когда один из ножей повернут. При разрушении ветвей диаметром 20».50 мм им было установлено, что наименьшее усилие перерезания имело место в случае двухсторонней заточки верхнего и нижнего ножей.
Калашниковым Ю.А. [73] проводились исследования влияния угла заточки ножей на качество технологической щепы. В результате опытов установлено, что увеличение угла заточки повышает степень повреждения щепы, а фракционный состав меняется незначительно. При уменьшение угла заточки ножей уменьшалось количество мелкой фракции и увеличивался выход нормальной фракции щепы.
По данным Воскресенского С.А. [41], Ивановского И.Г. [76] и других исследователей с ростом величины затупления лезвия при обработке древесины повышается удельная сила резания и ухудшается качество поверхности.
Проведенный анализ исследовательских работ, показал наличие множества факторов, влияющих на показатели процесса измельчения древесины ветвей. Применимость указанных результатов экспериментальных исследований при проектировании измельчительных устройств ограничивается условиями проведения опытов и схожестью конструкций рабочих органов.
Опубликованных результатов экспериментальных исследований, посвященных изучению процесса работы двухвалкового роторного измельчителя найдено не было
