Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 7
1.1 .Характеристика площадей подлежащих очистке от пней 7
1.2. Древесно-кустарниковая растительность, как рабочая среда корчевателей 8
1.3. Анализ средств механизации и существующих технологий процесса корчевания 12
1.3.1. Обзор конструкций отечественных корчевателей 12
1.3.2. Обзор конструкций зарубежных корчевателей 23
1.3.3.Технология производства корчевания 27
1 4 Классификация и анализ конструкций корчующих рабочих органов 30
1.5.Обзор параметров корчевальной техники 33
2. Теоретическое обоснование параметров рабочего органа корчевателя-погрузчика и технологии производства работ 36
2.1. Анализ сил, действующих на пни при их выкорчевывании 36
2.2. Теоретическое определение усилий корчевания 42
2.2.1. Корчевание вертикальным усилием 43
2.2.2. Корчевание горизонтальным усилием 45
2.2.3. Комбинированное корчевание 47
2.2.4.Анализ усилий на корчевание пней различными способами 50
2.3. Основные параметры рычажного корчевателя 51
2.3.1. Максимальная глубина корчевания (рыхления) 52
2.3.2. Ширина захвата рабочего органа 53
2.3.3. Число клыков и расстояние между ними 54
2.3.4. Длина клыков 55
2.3.5. Геометрия передней кромки корчующих клыков 55
2.3.6. Длина рычагов 61
2.4. Усилие в механизмах управления 64
2.5. Конструкция корчевателя-погрузчика 65
Выводы 68
3. Методика лабораторно-полевых исследований 70
3.1. Методика лабораторных исследований 70
3.2. Методика полевых исследований 80
3.3. Характеристика условий объектов исследований 83
4. Лабораторные исследования 84
4.1. Исследование процесса корчевания различными способами 84
4.1.1. Корчевание пней горизонтальным усилием 86
4.1.2. Корчевание пней вертикальным усилием 90
4.1.3. Корчевание пней комбинированным усилием 94
Выводы 109
5. Планирование экспериментов 110
Выводы 126
6. Результаты полевых исследований 127
Выводы 144
7. Технико-экономическая эффективность применения рабочего органа корчевателя-погрузчика Н5
7.1. Основные положения 145
7.2. Методика расчета экономической эффективности 146
Общие выводы 162
Литература '. 164
Приложения 174
- Древесно-кустарниковая растительность, как рабочая среда корчевателей
- Анализ средств механизации и существующих технологий процесса корчевания
- Комбинированное корчевание
- Корчевание пней комбинированным усилием
Введение к работе
Актуальность темы. При подготовке площадей на мелиоративных системах, а так же при проведении культуртехнических работ, приходится производить корчевку, как сплошную, так и отдельных пней диаметром от 10 до 70 см. Те же работы производятся на лесосеках после вырубки деревьев. Большие проблемы вызывает корчевание одиночных пней большого диаметра в труднодоступных местах и местах с развитой инфраструктурой.
Для производства корчевальных работ выпускается несколько типов корчевателей: корчеватели-собиратели с передней и задней навеской, рычажные корчеватели, роторные корчеватели. Наибольшее корчующее усилие создают рычажные корчеватели (до 45 т), даже при использовании тракторов кл. 3 тс (до 73,5 кВт). Они же способны проводить корчевку пней наибольшего диаметра (до 80 см и выше) и на наибольшую глубину, имеют небольшую металлоемкость рабочего оборудования.
Технология корчевания одиночных пней предусматривает корчевание следующими способами:
опускают раму, корчующие рычаги (зубья) заглубляют под пень, корчуют горизонтальным усилием при заднем или переднем ходе трактора;
приемы те же, но с одновременным подъемом рамы, создающим вертикальное усилие корчевания;
опускают раму, рычаги (зубья) заглубляют в грунт, поворотом рычагов по направлению к трактору пень выкорчевывают.
Все описанные выше способы очень энергоемкие. Кроме того, данная технология корчевания пней не удовлетворяет экологическим требованиям. Это связано с тем, что в процессе корчевания и последующего сгребания древесины достаточно большая часть верхнего плодородного слоя почвы (до 60-80%) попадает в валы, где уничтожается при последующем сжигании древесины. По различным данным при одновременном корчевании и сгребании древесно-кустарниковои растительности потери плодородного слоя почвы составляют от 750 до 1250 т/га, в зависимости от влажности почвы.
Выход из данной ситуации заключается в разработке новой технологии корчевания одиночных пней с применением корчевателя-погрузчика, корчующий рабочий орган которого должен включать захваты и иметь возможность подъема, встряхивания пня и погрузки выкорчеванной массы в транспортные средства.
С учетом всего изложенного, разработка новой технологии корчевания одиночных пней с применением корчевателей-погрузчиков, корчующий рабочий орган которых должен иметь возможность подъема и погрузки выкорчеванной массы в транспортные средства является актуальной.
Цель исследований: совершенствование технологии корчевания одиночных пней с разработкой комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика.
Задачи исследований:
провести анализ существующей технологии и средств корчевания одиночных пней;
исследовать сопротивление корчеванию пней при различных условиях приложения усилий корчевателя к пню;
разработать новую конструкцию и обосновать параметры комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика;
усовершенствовать технологию корчевания одиночных пней с использованием комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика.
На защиту выносятся:
анализ различных способов и орудий для корчевания одиночных пней;
конструкция комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика (заявка №2005115630, заявка №2005137895);
технология корчевания одиночных пней при помощи комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика;
экономические показатели эффективности применения технологии корчевания одиночных пней с использованием комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика.
Научная новизна. В результате проведенных исследований:
установлены факторы, влияющие на эффективность корчевания одиночных пней;
обоснованы параметры комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика (заявка на патент РФ №2005115630, заявка на патент РФ №2005137895);
разработана технология корчевания одиночных пней при помощи комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика;
разработана методика расчета сопротивления пней корчеванию.
Практическая ценность;
разработан новый технологический прием корчевания одиночных пней (с использованием специально разработанного комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика, применение которого позволяет снизить энергоемкость процесса корчевания);
разработан и изготовлен экспериментальный образец комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика;
научно и экспериментально обоснованы целесообразность и высокая эффективность использования комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика.
Достоверность результатов исследований подтверждена применением стандартных методик проведения исследований и методов математико-статистической обработки экспериментальных данных, сопоставлением экспериментальных и теоретических данных, полученных автором, а так же производственной проверкой опытного образца комбинированного рабочего органа корчевателя-погрузчика.
Апробация работы. Основные разделы диссертационной работы доложены на международных научно-практических конференций НГМА, СтГАУ, на межвузовских и кафедральных семинарах НГМА в период 2005-2006 гг., а так же опубликованы в научно-технических и производственных журналах «Строительные и дорожные машины», «Лесное хозяйство» и др. изданиях.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7-ми работах, в том числе в журнале «Лесное хозяйство» и журнале «Строительные и дорожные машины», рекомендованных в перечне ВАК РФ.
Древесно-кустарниковая растительность, как рабочая среда корчевателей
Для площадей РФ, на которых необходимо проведение корчевальных работ [2], характерно большое разнообразие древесно-кустарниковой растительности (ДКР).
Деревья и мелколесье отличаются друг от друга по составу, форме, условиям местопроизростания, возрасту, полноте, спелости древесины, ее запасу, средней высоте, среднему диаметру и т.д. (таблица 1.2). Эксплуатационные показатели ДКР, являющейся преимущественно объектом культуртехнических мероприятий, имеют ряд особенностей, обусловленных возрастными изменениями и строением надземной и подземной частей. Поэтому сведения по ряду известных показателей не всегда могут служить надежной основой для проектирования рабочих органов корчевальных машин.
ДКР чрезвычайно разнообразна по возрасту, составу, строению, плотности, размерам и другим признакам. Так как составить ясное представление о такой совокупности по множеству вариантов не представляется возможным, то для этого приходится пользоваться средними величинами. Наиболее значимыми (для проектирования рабочих органов машин) свойствами древесины являются ее физико-механические показатели и силы сопротивления корчеванию. Основные физико-механические показатели стволовой древесины, которые могут быть использованы в инженерных расчетах, приведены в таблице 1.3 [2].
Корни обладают более низкими физико-механическими показателями, чем стволы: пределы прочности их при сжатии и растяжении вдоль волокон меньше соответственно на 22-26 и 20-25%, плотность на 11-18% по сравнению со стволовой древесиной. Исследование сопротивляемости корневых систем деревьев корчеванию представляет наибольший практический интерес для разработчиков технических средств и орудий для корчевания. Чаще всего сопротивление корчеванию представляют в виде усилия (таблица 1.4).
Из приведенных в таблице данных видно, что средние моменты корчевания ели, сосны, березы разнятся между собой на 2,8-16,4%, причем эта разница снижается с увеличением диаметра. Несколько больше оказалось сопротивление у ели по сравнению с сосной, что объясняется характером развития корневой системы дерева, обладающего большой парусностью и воспринимающего большие ветровые нагрузки. Отмечено, что, сохраняя общую закономерность развития корневой системы, ель часто на глубоких супесях и суглинках развивает вертикальные корни и создает больший момент сопротивления, чем обычно. Сосна и береза имеют глубокое размещение по генетическим горизонтам почвы, поэтому и сопротивление этих пород корчеванию более стабильно. В целом, сопротивление деревьев корчеванию будет тем больше, чем мощнее их корневая система. Мощность корневой системы оценивают по размерам корневых шеек, которые обычно выходят на поверхность земли и доступны для измерения обычным инструментом.
Анализ средств механизации и существующих технологий процесса корчевания
Машина для корчевки пней ЛП 52 предназначена для корчевки спелых сосновых пней на облесившихся и необлесившихся вырубках. Машина ЛП-52 выполнена [4] на базе гусеничного трактора ТТ-4 и включает в себя (рисунок 1.1) колонку с механизмом поворота и основанием, модернизированный трактор, стрелу с рукоятью, корчевальный захват, навесную раму со стойкой, передние и задние выносные опоры и гидросистему.
Корчевка производится при помощи силовых домкратов, воздействующих (через захват) на пень в вертикальном направлении. Извлеченный пень с помощью вибратора очищается от земли и сбрасывается в валок.
Достоинства: возможность осуществления погрузки выкорчеванных пней в транспортное средство; наличие вибратора для очистки пня от грунта; большой охватывающий радиус (вылет стрелы манипулятора 1,5-8м). Недостатки: невысокая производительность; транспортирование своим ходом на расстояние не более 5км; возможность корчевания только вертикальным усилием. Корчевальная машина К-2А (рисунок 1.2) применяется при корчевке пней и уборке камней, расчистке вырубок от древесных остатков, при строительстве дорог, водоемов [10].
Машина К-2А состоит из трактора Т-ЮОМГП с гидравлическим приводом и корчевального оборудования, смонтированного сзади трактора. Ее рабочими органами являются четыре клыка, из которых два крайних (укороченных) жестко закреплены на раме, а два средних могут поворачиваться вокруг своей оси. Средние клыки - двуплечие рычаги. Крайние клыки играют вспомогательную роль: погружаясь в почву в процессе корчевания, они обеспечивают устойчивость агрегата, особенно его опорной рамы, при подъеме же пня и трелевке удерживают пень от опрокидывания. Рама, на которой смонтированы рабочие органы, при корчевании опирается на почву, благодаря чему устраняется перегрузка ходовой части трактора в процессе корчевания пня. Ось клыков установлена на раме на высоте 0,4м от земли, поэтому при повороте клыков выкорчеванный пень поднимается над поверхностью земли.
Достоинства: высокое корчующее усилие; небольшая масса навесного оборудования; заглубление рабочего органа 72см; диаметр корчуемых пней до 80см. Недостатки: большие динамические нагрузки на рабочем органе; порча дернины в процессе корчевки; невозможность погрузки пней в транспортное средство корчующим рабочим органом.
Машина МРП-2 (рисунок 1.3) предназначена для полосной расчистки вырубок от порубочных остатков, а так же для корчевки мелких пней [9].
Основные узлы машины - отвал с корчевальным устройством, механизм передней навески и противовес. Отвал представляет собой усеченный клин, образованный из передней и двух боковых поверхностей криволинейной формы. Его передняя часть вынесена вперед относительно боковых поверхностей, образуя в плане П-образный выступ. В нижней части выступа смонтирован корчевальный поворотный рычаг с двумя зубьями, жестко закрепленными на концах шлицевого вала. Снизу отвал закрыт днищем, которое выполняет роль опорной плиты. Рычаг корчевального устройства поворачивается от двух спаренных гидроцилиндров ЦС-110А.
Достоинства: небольшая масса навесного оборудования; достаточная ширина захвата; осуществление расчистки вырубок с минимальным удалением верхнего гумусового слоя. Недостатки: корчевание пней малого диаметра; невозможность погрузки в транспортное средство.
Корчевальная машина КМ-1 (рисунок 1.4) предназначена для полосной расчистки вырубок от пней, камней и крупных порубочных остатков при подготовке площадей к производству лесных культур, а так же для сплошной корчевки пней, извлечения камней при освоении лесных площадей под сельскохозяйственные угодья. КМ-1 представляет собой [5] навесное корчевальное оборудование, устанавливаемое в передней части трактора ЛХТ-55 (ТДТ-55) с помощью 2-х специальных кронштейнов. В корчевальное оборудование входят: рама, рабочий орган, отвалы, два гидроцилиндра рабочего органа, гидроцилиндры подъема рамы, кронштейны навески и распорная балка. Корчевание производится поворотом двуплечего рычага при стоящем тракторе или с одновременным движением его вперед.
Достоинства: небольшая масса корчевального оборудования (1200кг); достаточная производительность; возможность корчевки как вертикальным, так и горизонтальным усилиями. Недостатки: невысокое корчевальное усилие; невозможность погрузки пней в транспортное средство корчующим рабочим органом; большие динамические нагрузки на рабочем органе. Корчеватель собиратель МП-2В предназначен для сплошного корчевания кустарника, мелколесья и пней диаметром 18см, сбора в валы и кучи выкорчеванной древесно-кустарниковой массы, корчевания отдельных пней диаметром до 65см, камней массой до Зт и транспортировки их за пределы осваиваемой полосы или к месту складирования [6].
Комбинированное корчевание
При производстве корчевальных работ по предложенной нами технологии процесс корчевания делится на две фазы (рисунок 2.8): воздействие на верхнюю (надземную) часть пня в горизонтальном направлении силой Pj; воздействие на нижнюю (подземную) часть пня вертикальным уСИЛИеМ Р2. Рисунок 2.8.- Комбинированное корчевание. Во время выполнения первой фазы процесса корчевания, путем горизонтального воздействия, производится надрыв корней с одной стороны пня. Этот процесс идентичен началу процесса корчевания горизонтальным усилием описанным выше. Усилие корчевания в данном случае можно представить в виде: где Рр1 - усилие на разрыв части корней, кН Рг - усилие на извлечение части грунта, кН Усилие на разрыв части корней в данном случае аналогично предыдущему:
Следовательно, согласно формулы (39) и равенства (48) можно считать, что Вместе с надрывом корней на поверхность извлекается некоторое количество грунта, примерно равное половине объема грунта, извлекаемого в предыдущем случае: Следовательно, пользуясь формулой (44), можно получить усилие по выемке этого грунта: Таким образом, подставив в формулу (47) значения ее составляющих получим формулу для определения корчующего усилия необходимого для выполнения первой фазы процесса корчевания по предложенной технологии: Во время выполнения второй фазы процесса корчевания, путем вертикального воздействия, производится разрыв корней со второй стороны пня и окончательное извлечение пня. Этот процесс идентичен процессу корчевания вертикальным усилием описанным выше. Усилие корчевания во время выполнения второй фазы равно: где Рр11 - усилие на разрыв части корней, кН Рг" - усилие на извлечение части грунта, кН Усилие на разрыв оставшейся части корней равно половине усилия на разрыв корней при корчевании вертикальным усилием, так как половина корней уже разорвана:
Следовательно, с учетом формулы (34) можно записать: Объем грунта извлекаемого в процессе корчевания такой же, как и при корчевании вертикальным усилием, однако сила, необходимая для его извлечения меньше. Это связано с тем, что сила на выемку половины всего грунта может быть найдена по формуле (44), во второй же половине грунта уже нарушены внутренние связи и разорваны проходящие корни. Поэтому при определении усилия, необходимого выемки грунта, отпадает необходимость в корректировании при помощи коэффициента к, учитывающего трение грунта о грунт и о корни.
Таким образом, формула для определения усилия на выемку грунта в данном случае будет иметь вид: Преобразовав формулу (56) получим: Подставим данные формул (57) и (55) в формулу (53) получим: Определим соотношение усилий корчевания во время первой и второй фаз: По последней части соотношения можно сделать вывод, что РК больше Рк на некоторую величину: Поэтому максимальным усилием, необходимым при производстве корчевальных работ предложенным способом, можно считать Р/. Используя формулы (35) и (46), находим разницу горизонтального и вертикального усилий при корчевании пней: Следовательно Подставим значения гиг для осины получим Рв/Рг 1,19, что подтверждает известные данные о том, что для корчевания пня в вертикальном направлении необходимо усилие большее (на 1,1... 1,5 - для минеральных грунтов) чем при корчевании пня горизонтальной силой. Сравним усилие на корчевание пней горизонтальной силой с корчеванием по предложенной нами технологии. Для этого воспользуемся формулами (46) и (58).
Корчевание пней комбинированным усилием
При корчевании комбинированным способом на пень поэтапно воздействуют обоими рычагами модели корчевателя. На первом этапе воздействие производится в горизонтальном направлении передним рычагом на основание пня (рисунок 4.11).3адний рычаг при этом заглублен под пень, но не работает, усилие к нему не прикладывается. На втором этапе при помощи заднего рычага к пню прикладывается вертикальное усилие (рисунок 4.12). Передний рычаг при этом не работает. Попеременное воздействие на рычаги оказывается при помощи тросов и лебедки. Усилие снимается тензодатчиком и регистрируется ЭВМ. Проводится три опыта для каждого из трех диаметров имеющихся пней. После обработки полученных данных в программе Microsoft Excel и коррекции данных (в — раза) получаем диаграммы сопротивления корчева- Ч нию пня. Так как процесс корчевания пня в данном случае состоял из двух частей, то и графиков к каждому случаю корчевания получено по два. Один из них - I фаза - описывает горизонтальное воздействие на пень переднего рычага, второй - II фаза - описывает вертикальное воздействие на пень вторым (задним) рычагом (приложение №3, рисунок 3-11). Все графики получены корчеванием при положении корчующих клыков под углом 45 к горизонту почвы. Конструкция лабораторной установки позволяет производить варьирование углов наклона корчующих зубьев модели корчевателя.
Поэтому затем были проведены исследования, аналогичные предыдущим (тремя способами, для трех диаметров пней: 0,07; 0,085; 0,1м), но с изменением угла наклона корчующих клыков через 5. Данные, полученные в результате всех экспериментов, были получены в условных единицах ЭВМ. Для того чтобы перевести их в единицы силы, необходимо воспользоваться тарировочным графиком (приложение №3,рисунок 12), полученным при помощи тарировочного стенда или переработанным тарировочным графиком (приложение №3,рисунок 13). Таким образом получим значения снятые тензодатчиком в «кН» (таблицы 4.1; 4.2; 4.3). По значениям, полученным в результате тензометрирования, находим средние значения усилий сопротивления корчеванию различными способами. По результатам исследований построены графики зависимости усилий сопротивления корчеванию от диаметра пней при корчевании горизонтальным усилием, вертикальным усилием и комбинированным усилием: I, II фазы (4.13-4.21).
При разработке и конструировании мелиоративных, строительных и сельскохозяйственных машин, их рабочих органов возникают проблемы выбора их основных параметров, обеспечивающих минимальные энергозатраты при заданной производительности. Результатом планирования эксперимента становится математическая модель, связывающая исследуемые параметры со всеми влияющими на него факторами. В нашем случае в качестве переменных факторов были приняты: Xi - угол наклона клыков корчевателя, град; Хг - диаметр корчуемых пней, м; Хз - плотность почвы (ударник ДорНИИ), число ударов. Матрица планирования трехфакторного эксперимента представлена в таблице 5.2. Так как изменение выходной величины носит случайный характер, то в каждой точке было проведено Z=3 параллельных опытов, и по их результатам (YJI, YJ2, Yi3) были найдены средние значения (Ycp.j) для использования в дальнейших расчетах. По результатам расчетов можно сделать вывод о том, что полученное уравнение регрессии адекватно описывает исследуемый процесс. Для анализа влияния каждого фактора на выход процесса построим двумерные сечения поверхности отклика. При этом двум факторам задаем стабильные значения, а третий изменяем в пределах от -1 до +1. Таким образом проводим перебор факторов. Всего строим 27 графиков по 9 на каждом листе (приложение№3). Проанализировав полученные графики (приложение№3, рисунок 14, 15, 16) можно сделать выводы об изменении усилия корчевания с изменением исследуемых параметров (таблица 5.4, 5.5, 5.6).
