автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Обоснование конструкций и параметров устройств для поштучной выдачи круглых лесоматериалов

005536990

На правах рукописи

ЦАРЕВ Павел Евгеньевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОШТУЧНОЙ ВЫДАЧИ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

Специальности 05.21.05 - «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки» и 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

7 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Казань 2013

005536990

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный технологический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Чемоданов Александр Николаевич

Официальные оппоненты: Алексеев Александр Евгеньевич - доктор

технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматики, робототехники и управления ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова»

Карпачев Сергей Петрович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» профессор кафедры транспорта леса

Ведущая организация: ОАО «Волжско-Камский научно-исследовательский институт лесной промышленности», г. Казань

Защита диссертации состоится «29» ноября 2013 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при Казанском национальном исследовательском технологическом университете по адресу: 420015, Казань, ул. К. Маркса, 68, ауд. В-216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный государственный технологический университет».

Автореферат разослан «29» октября 2013 г.

Учёный секретарь ___________

диссертационного совета Е.И. Байгильдеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Из производственно-технологических операций лесопильного цеха 46% составляют автоматические операции, 31% -механизированные и 23% - неавтоматизированный (ручной) труд.

Для деревообрабатывающего производства необходимо перевооружение, т.е. оснащение предприятий новым современным технологическим оборудованием - надежным в работе, простым в обслуживании и недорогим по цене.

Оборудование для поштучной выдачи круглых лесоматериалов, разработанное в нашей стране в 60-80 годы XX века, вызвало кардинальные изменения принципов построения поточных линий и открыло новые возможности для автоматизации и механизации производственных процессов, позволяя при этом обрабатывать круглые лесоматериалы разных размеров и качества.

Однако применяемое оборудование для поштучной выдачи круглых лесоматериалов имеет ряд существенных недостатков.

В первую очередь, это низкая разрешающая способность отсекателей (возможен захват двух бревен одновременно), затем маленькая вместимость буферного магазина и невозможность работы в полуавтоматическом режиме. Все это приводит к сокращению коэффициента эффективности использования оборудования.

В научных публикациях отсутствует методика расчета силы давления на отсекатель, вызванной подпором круглых лесоматериалов при поштучной выдаче, учитывающая многообразие влияющих факторов. Поштучное отделение круглых лесоматериалов сводилось только к определению прочностных характеристик поперечных транспортеров и расчету разрешающей способности отдельных отсекателей.

В связи с этим возникает необходимость создания простого и надежного устройства для накопления, перемещения и поштучной выдачи круглых лесоматериалов с высокой разрешающей способностью, позволяющего обрабатывать бревна в широком диапазоне размерных характеристик. Поэтому актуальным становится совершенствование конструкции и параметров однорядного буферного магазина с отсекате-лем с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения.

Степень разработанности темы. Вопросами изучения буферных магазинов занимались Б.Г. Залегаллер, П.В. Ласточкин, С.П. Бойков, Г.А. Вильке, И.Ф. Верхов, Ю.В. Шелгунов, С.И. Рахманов, К.Ф. Гороховский, В.П. Калиновский, Н.В. Лившиц, Д.К. Воевода, Ф.Е. Захарен-ков, А.Н. Чемоданов, П.М. Мазуркин, С.П. Карпачев, А.Е. Алексеев и другие ученые.

Их работы содержат методы расчетов и описание конструктивных особенностей основного технологического оборудования (в частности, буферных магазинов, применяемых на лесных складах). Однако недостаточное внимание уделялось определению силы давления на отсека-тель, вне поля зрения исследователей оставалось поджатие бревен цепным поперечным транспортером.

Цель диссертационной работы - совершенствование конструкции и обоснование параметров однорядных буферных магазинов на основе изучения влияния параметров бревен на силы, действующие на отсека-тель с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения при различных режимах работы, и его разрешающую способность.

Задачи исследования:

1. Обосновать технические параметры буферного магазина, обеспечивающие накопление и поштучную выдачу круглых лесоматериалов.

2. Разработать математическую модель процесса поштучной выдачи круглых лесоматериалов при работе буферного магазина, позволяющую определить суммарное давление щети бревен, оказываемое на отсека-тель.

3. Разработать экспериментальную модель буферного магазина для исследования процесса поштучной выдачи круглых лесоматериалов.

4. Разработать методику обработки экспериментальных данных на основе планирования эксперимента.

5. Рассчитать разрешающую способность отсекателя с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения при различных режимах работы.

6. Разработать методику расчета производительности труда однорядного буферного магазина.

7. Провести оценку экономической эффективности использования предложенного однорядного буферного магазина.

Объект исследований. Конструкция буферного магазина, использующего отсекатель с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения.

Предмет исследовании. Закономерности, возникающие в буферном магазине при поштучной выдаче круглых лесоматериалов.

Методы исследований. Использованы методы математического и физического моделирования, патентного поиска, морфологического анализа, теории планирования эксперимента, математической статистики и моделирования. Эксперименты проводились на модели в масштабе 1:10 однорядного буферного магазина с использованием методов подобия (критерий Фруда). Применены пакеты программ МаШсас! и МагЬаЬ.

Научной новизной обладают:

1) математическая модель поштучной выдачи круглых лесоматериалов однорядными буферными магазинами, отличающаяся учетом сил в статике и кинетостатике, действующих со стороны поперечного цепного транспортера на шеть бревен, а также отдельных бревен в щети;

2) предлагаемая конструкция буферного магазина, защищенная патентами РФ на изобретение, отличающаяся наличием отсекателя с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения;

3) методика проведения экспериментов поштучной выдачи круглых лесоматериалов и уточнение математической модели.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель работы однорядного буферного магазина и алгоритм ее работы, позволяющие обосновать силовые параметры давления слоя бревен на отсекатель, защищенные свидетельством о регистрации программы ЭВМ на программный продукт.

2. Результаты экспериментальных исследований поштучной выдачи круглых лесоматериалов, позволяющие обосновать режимы работы буферного магазина.

3. Критерий разрешающей способности при различных режимах работы буферного магазина.

4. Технические решения однорядного буферного магазина по патентам 2466078, 2476309 и методика расчета их технической производительности.

Значимость для теории и практики. Конструкция разработанного буферного магазина позволяет обрабатывать лесоматериалы большого диапазона величин диаметров по сравнению с существующими устройствами такого же типа, использующимися на лесопромышленных и де-ревоперерабатывающих предприятиях. Предложенная конструкция буферного магазина может иметь практическое значение при формировании поточных линий с полной загрузкой оборудования.

Математическая модель определения сил давления на отсекатель буферного магазина при поштучной выдаче круглых лесоматериалов и результаты экспериментов являются эффективным способом при проектировании и изготовлении новых видов буферных магазинов.

Степень достоверности научных результатов подтверждается:

объемом выборки измерений (330 значений для каждого опыта); применением математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях; подтверждением адекватности полученных моделей за счет удовлетворительной сходимости экспериментальных и теоретических данных. Погрешность измерения 1 гр.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на научных конференциях в Поволжском государственном технологическом университете (2010-2013 гг.).

Результаты исследований приняты к внедрению на предприятии ООО «Оршанский лес», расположенном на территории Оршанского района Республики Марий Эл, что подтверждено соответствующим актом. Предполагается использование предлагаемого устройства в поточных линиях по первичной обработке круглых лесоматериалов в лесопильном производстве, при проектировании технологического процесса предприятий ДСК (Мамадышский район), КДСК «Форест» Республики Татарстан.

Основные результаты работы и экспериментальная установка внедрены и используются в учебном процессе кафедры деревообрабатывающих производств Поволжского государственного технологического университета при изучении дисциплин «Оборудование отрасли», «Технология лесопильно-деревообрабатывающих производств» во время проведения лабораторных и практических работ.

Личный вклад автора состоит в разработке математической модели процесса поштучной выдачи круглых лесоматериалов и разработке программы ЭВМ для расчета силы давления однослойного ряда бревен на отсекатель (свидетельство № 2013617100).

Все работы по физическому моделированию, разработке и изготовлению экспериментального комплекса, разработке методики экспериментальных исследований, выполнению измерений и проведению статистической обработки их результатов, анализу и обобщению результатов исследований, разработке методики расчета производительности произведены автором лично.

Автором предложены (в соавторстве) конструкции буферных магазинов (патент № 2466078, патент № 2476309), а также получены положительные решения по конструкции универсального отсекателя (заявка № 2012128590, заявка № 2012128565)

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 10 статьях, из которых 8 - в соавторстве. В изданиях, рекомендованных ВАК России, опубликовано 3 статьи. Получено 2 патента Российской Федерации на изобретение (№ 2466078, № 2476309), 2 положительных решения на выдачу патента по заявкам (№ 2012128590, № 2012128565), а также свидетельство о регистрации программы ЭВМ (№ 2013617100). Работа включена в перечень важнейших НИР ПГТУ за 2012 год.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованной

литературы и приложений. Работа объемом 131 страница включает 62 иллюстрации, 29 таблиц, список использованной литературы из 120 наименований и 23 приложения на 158 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы её цель, научная новизна, выносимые на защиту основные научные положения, научная и практическая значимость, личный вклад автора.

В первой главе приводится анализ состояния вопроса по литературным источникам.

Анализ исследований, посвященных созданию и автоматизации технологии и оборудования для лесоскладских работ (K.M. Ашкенази, Б.Г. Залегаллер, П.В. Ласточкин, С.П. Бойков, И. Ф. Верхов, Ю.В. Шел-гунов, С.И. Рахманов, К.Ф. Гороховский, Д.К. Воевода, П.С. Афанасьев, П.П. Пациора, Г.А. Вильке и др.), разработке конвейеров-разобщителей (под руководством И.И. Гуслицера, Д.К. Воеводы, А.Н. Чемоданова, В.Д. Кухарского и др.) показал, что в работах отсутствует методика расчета усилий, возникающих при поджатии щети бревен к отсекателям в однорядных буферных магазинах. Разрозненно и неполно освещены вопросы классификации буферных магазинов. В данной главе представлен анализ теоретических исследований разрешающей способности от-секателей с постоянной длиной захвата.

Проведен литературный и патентный поиск, на основе которого автором ( а также в соавторстве) разработаны технические решения, относящиеся к процессу накопления перемещения и поштучной выдачи круглых лесоматериалов, предлагаемые для внедрения на предприятиях лесопромышленного комплекса.

В процессе исследований выявлены основные признаки и параметры оборудования, влияющие на процесс поштучной выдачи круглых лесоматериалов; составлена схема классификации выбора средств труда; разработана морфологическая схема и на ее основе проведен экспертный анализ авторских решений в сравнении с аналогами; проведено сравнение критериев технических объектов матричным способом, выбран технический объект, который положен в основу исследований данной работы, - буферный магазин с отсекателем с постоянной длиной захвата (патент № 2466078), представленный на рис. 1.

Буферный магазин содержит раму 2, закрепленную на основании, поперечный цепной транспортер 1 с направляющими 3 и отсекатель 7,

при этом тяговый орган 1 поперечного цепного транспортера расположен на раме 2 в пазах направляющих 3 с возможностью подъема и опускания относительно направляющих 3 при увеличении или снижении его натяжения, а холостая ветвь тягового устройства 1 имеет эксцентриковое натяжное устройство 5, привод которого связан цепной передачей б с приводом отсекателя 7 и производит натяжение тягового органа 1 при движении отсекателя 7 вниз для выдачи очередного бревна 4.

Во второй главе разработана математическая модель, позволяющая при заданных параметрах устройства определить усилие давления щети бревен на отсекатель в процессе их перемещения внутри магазина и поштучной выдачи круглых лесоматериалов.

При разработке математической модели для упрощения расчетов было принято допущение, что бревна рассматриваются как цилиндрические фигуры. Схема и график работы буферного магазина представлены на (рис. 2).

НГЛППЬЛРЦИР ґіНЙПЧН и 1

Рис. 1. Буферный магазин сотсекателем с постоянной длиной захвата: 1 - поперечный цепной транспортер; 2 - однорядный слой круглых лесоматериалов; 3 — отсекатель с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения; 4 - подающий транспортер; 5 - принимающий транспортер; 6- направляющие; 7- кривошипный шатун

а - схема буферного магазина: 1 - поперечный цепной транспортер; 2 - приводной шкив электродвигателя; 3 - вал приводной звездочки поперечного цепного транспортера; 4- отсекатель; 5 - бревна; 6- приводная звездочка; 7- цепная передача; 6- график зависимостей скоростей движения транспортера и и отсекателя V от времени 1

На рисунке F^ - сила трения между бревном и поперечным цепным транспортером, Н; F^ - сила трения между бревном и отсекателем, Н; F^ - сила трения между бревном, подлежащем выдаче, и последующим бревном, Н; N2 - нормальная сила давления щети на отсекатель, Н; N1j5 - нормальная сила давления щети на поперечный цепной транспортер, Н; N3,4 - нормальная сила давления бревна на бревно, Н; Н -плечо действия силы, мм; hKp - критическая высота отсекателя, мм; а -угол между отсекателем и вертикалью, проведенной через центр массы бревна, подлежащего выдаче, град.; р - угол между прямой, соединяющей центры масс бревен, и вертикалью, проходящей через центр массы одного из бревен, град.; у - угол, образованный линией, соединяющей центры масс бревен, и линией между отсекателем и центром масс бревна, подлежащего выдаче, град.; U - скорость поперечного цепного транспортера, м/мин.; V — скорость движения отсекателя, м/мин.

При разработке методики расчета основных параметров буферного магазина были определены граничные условия: угол наклона рабочей поверхности стола относительно вертикали принимался в диапазоне от 0 до 180 градусов, скорость поперечного цепного транспортера U - const, диаметр бревен d в диапазоне 0,16...0,72; длина бревен 6 м.

На первом этапе проводились расчеты при условии, что щеть бревен состоит из одного бревна (рис. 3).

2Х =0;

- Fmp] ■ cos(6>' )-Nrsm(0,)-Fn,pl- cos (a) + N2 • sin(a) = 0

=0; (2) -- sin(<?') + /V, • cos^') + Fmpl - sin(or) + iV2 ■ cos(or)-0=0.

Преобразуя

IX =0;

- a • (cos(0') ■ cos(g' )■//,+ sin(fl') • cos(fl')) (cos(ar) ■ //2 - sin(or))

2X=0; (3)

_ g, • (Sin(g') • cos(fl')-//,- а ■ cos(fl') • COS(g' ) +1) (sin(a) ■ /.i-, + cos(a))

бревна при угле 9 от 0 до 90 град.

Так как угол наклона рабочей поверхности менялся в диапазоне от 0 до 180 град., то аналогичным способом составлялись уравнения для угла наклона 9, равного 90 град., и 0 от 90 до 180 град.

Далее рассматривались случаи, когда количество бревен менялось от 2 до 5 при изменении угла наклона рабочего стола от 0 до 180 градусов, при различных соотношениях диаметров (рис. 4).

Рис. 4. Расчетная схема для двух бревен при угле 6 от 0 до 90 град.

- Kpi ■ cos(6>) - N¡ • sin(0) - Fmp2 • cos (a) + + N2 ■ sin (a) - F. ■ cosCS, )-N3- sin(#) = 0,

(4)

•sin(a) + •cos (Д)-

- sin(é?) + N¡ - eos(0) + Fwp2 + N2 • eos (a) + Fmp з • sin(/?|) - N3

-Q, =o.

Преобразуя уравнение (4), получим:

N =-Q¡- (cos(6>) • cos(6>) • /¿1 + sin(6>) ■ 008(6»)) - ¿V3 ■ cosQff, )-p3-N3- sin(Д))

(eos(a) • //2 - sin(ar))

(5)

^ g, • (sin(0) ■ cos(fl) ■ A, - cos(0) • cos(0) - TV3 • sinQ3,) • ^ + N, • cos(fl) + g,

(sin(a) • + eos (a)) Преобразуем выражение (5) и выразим N4, получим

Q2 ■ (cos(fl) • 005(61) ■ //, + sin(0) ■ cos(6Q) (cos(/7, )-¿u3+ sin($))

(6)

= -Q2- (sin(g) ■ cos(#) ■ //, - cos(6>) • cos(fl) +1) (sin(/?,) • //3 — cos( Д) Все дальнейшие расчеты велись по аналогии, согласно представленной выше методике.

N.

В данном разделе также выведены формулы для расчета разрешающей способности отсекателя в зависимости от угла наклона рабочей поверхности буферного магазина. Результаты расчетов показали, что разрешающая способность данных отсекателей превосходит существующие аналоги.

В третьей главе описана методика экспериментальных исследований, экспериментальная установка и измерительный комплекс, определены параметры и условия моделирования изучаемых процессов, проведено математическое планирование эксперимента, представлены результаты экспериментальных наблюдений.

Экспериментальные исследования проводились на разработанной и изготовленной модели буферного магазина с отсекателем с постоянной длинной захвата и переменной скоростью движения, параметры модельной установки были выбраны с учетом реальных производственных условий в масштабе 1:10 (рис. 5).

а б Рис. 5. Модельная установка буферного магазина: а - вид спереди: 1 - рама (основание); 2 - рабочий стол; 3 - цепи поперечного транспортера; 4 - отсекатель; 5 - балка; 6 - блок приводных шкивов; 7 - наклонная;

5- приемный лоток; Р- модельные бревна; 10- вал; 11- звездочки; /2- блок питания;

13 - дисплей; 14- электродвигатель; 15 - секундомер; б - вид сбоку

Физическое моделирование процесса поштучной выдачи круглых лесоматериалов выполнено по критерию Фруда.

В ходе исследований была построена поверхность отклика зависимости силы давления щети бревен от угла наклона рабочей поверхности, диаметров бревен и их количества (рис. 6).

Для определения доверительной вероятности для каждого из опытов определялись коэффициенты Стьюдента, Пирсона, Кохрена. Полученные результаты позволили принять гипотезу об однородности дисперсий.

а

б

Рис. 6. Поверхность отклика: а - зависимость силы давления щети бревен Рдавл = Г(в,с1) от угла наклона рабочей поверхности и диаметров бревен; б - зависимость силы давления щети бревен Рдавл=Г(9,п) от угла наклона рабочей поверхности и количества бревен

На основе разработанной во второй главе математической модели была рассчитана и построена поверхность отклика зависимости разрешающей способности от угла наклона рабочей поверхности и угла между отсекателем и центром массы бревна, подлежащего выдаче (рис. 7).

Расхождение между расчетными и экспериментальны- . ми данными по силе давления 16 [ л® на отсекатель составляет не 1 | ЙШк более 8%, по критической вы- I 12 ■ Т^уД соте - не более 24%. | а .

В четвертой главе выпол- § 6. /

нены расчеты технической про- | •" '• ' ''

изводительности, экономиче- * 2 ^^Д^ЯИИИИЬЭК^^Л^. ' ской эффективности устрой- "

ства, включающей в себя опре- \ "-д^ИК^ деление технико-экономических V

показателей базового и иссле- \ __—

дуемого оборудования, расчет ^'^.ГГ-, """"""" "

трудозатрат и средств на оплату труда основных и вспомогательных рабочих, амортизационных отчислений, потребности и стоимости электроэнергии, затрат на техническое обслужи-

Рис. 7. Поверхность отклика зависимости разрешающей способности отсекателя от угла наклона рабочей поверхности и угла между отсекателем и центром масс бревна к=^6,а) в процессе поштучной выдачи круглых лесоматериалов

вание и ремонт, а также себестоимость содержания оборудования. В заключение производится группировка эксплуатационных затрат и подсчет показателей экономической эффективности. Возможный прирост прибыли за счет эксплуатационных затрат составляет 88,2 тыс. руб. в год на одну установку.

В приложении к работе приведены технологическая схема работы буферного магазина с отсекателем с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения в условиях лесопильного производства, экспертный анализ авторских решений по сравнению с аналогами, сравнение критериев технических объектов матричным способом, акты внедрения, подтверждающие практическое использование основных результатов выполненной работы.

Основные результаты

В диссертационной работе приведены научно обоснованные технические и технологические исследования, их результаты и решения, имеющие существенное значение для процесса поштучной выдачи круглых лесоматериалов однослойными буферными магазинами, использующими отсекатели с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения.

Выводы

На основании результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований процесса поштучной выдачи круглых лесоматериалов сделаны следующие научные выводы:

1. На основе аналитического метода разработана и теоретически обоснована математическая модель определения давления слоя бревен на отсекатель при поштучной выдаче круглых лесоматериалов, учитывающая наиболее значимые факторы: диаметры бревен, количество бревен (в зависимости от диаметра) и угол наклона рабочей поверхности стола. Были определены граничные условия работы буферного магазина: при угле наклона рабочей поверхности стола 0 = 80...90 град; при 0 = 90 град.; при 0 = 90... 100 град.

2. Проведены экспериментальные исследования процесса поштучной выдачи круглых лесоматериалов буферными магазинами с отсека-телями с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения, что позволило: 1) определить силу давления щети бревен на отсекатель в зависимости от диаметров и количества бревен и угла наклона рабочей поверхности стола; 2) получить экспериментальные данные по критической высоте отсекателя предложенной конструкции; 3) установить соответствие аналитических и экспериментальных данных по силе давления (расхождение расчетных и экспериментальных данных не

превысило 8 %) и по критической высоте отсекателя (расхождение не превысило 24%).

3. Оценка результатов математического расчета и аналитико-экспериментального метода, определения силы давления бревен на от-секатель в процессе поштучной выдачи круглых лесоматериалов свидетельствует о высокой степени их согласованности, укладывающихся в 10% ошибку.

4. Разработана математическая модель расчета разрешающей способности (к) отсекателей с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения с учетом различных режимов работы буферного магазина: при угле наклона рабочей поверхности стола 0 = 80...90 град, к = 4,8, что обеспечивает надежную поштучную выдачу, например, пиловочных бревен к лесопильной раме в диапазоне диаметров [ё= 16...77 см]; при 9 = 90 град. к = 7 [<1 = 16...112 см]; при 9 = 90... 100 град, к = 12,2 [с1= 16... 195,2 см].

5. Предложены и обоснованы новые варианты технических решений буферных магазинов, использующие отсекатели с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения.

6. Разработана методика расчета производительности труда, которая показала, что сменная производительность предложенного однорядного буферного магазина с отсекателями с постоянной длинной захвата и переменной скоростью движения на 20% выше сменной производительности базового буферного магазина типа УЗК 60.

7. Сравнительный расчет экономической эффективности говорит в пользу однорядного буферного магазина с отсектелями с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения предложенной конструкции. Наблюдается снижение удельных эксплуатационных затрат на 16,25%, приведенных затрат - на 25,8%; имеется прирост прибыли за счет эксплуатационных затрат в размере 88200 руб.; срок окупаемости дополнительных капитальных вложений 2,15 года значительно ниже нормативного (7 лет).

Рекомендации производству

1. Математическую модель определения давления щети круглых лесоматериалов на отсекаткль рекомендуется использовать при расчетах силовых параметров однорядных буферных магазинов с поперечным перемещением на стадии проектирования.

2. Конструкция буферного магазина по патенту № 2466078 рекомендуется к использованию в проектных организациях при создании новых моделей вспомогательного оборудования.

3. Использование однорядных буферных магазинов с отсекателями с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения предложенной конструкции, имеющей высокую разрешающую способность, рекомендуется в трех режимах:

- 0 = 80...90 град, при к = 4,8 [с! = 16...77 см] - для подсортирован-ных лесоматериалов;

- 0 = 90 град, при к = 7 [(1 = 16... 112 см] - для лесоматериалов разных диаметров (от малого до среднего);

- 0 = 90...100 град, при к = 12,2 [(1= 16...195,2 см] - для лесоматериалов большого диаметра.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Чемоданов, А. Н. Резервные запасы лесоматериалов и способы их хранения на лесопромышленных складах и складах сырья потребителей/ А. Н. Чемоданов, П. Е. Царев // Вестник ПГТУ. Сер. Лес. Экология. Природопользование. - 2012. - № 2. - С. 50-56. (0,42/0,26)

2. Чемоданов, А. Н. Исследование влияния скорости движения транспортера на процесс поштучной выдачи бревен в буферных магазинах с отсекателями с постоянной длиной захвата / А. Н. Чемоданов, П. Е. Царев // Вестник ПГТУ. Сер.: Лес. Экология. Природопользование. - 2013. - № 2 (18). - С. 46-51 (0,35/0,22)

3. Чемоданов, А. Н. Моделирование процесса поштучного отделения круглых лесоматериалов буферными магазинами с отсекателями с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения / А. Н. Чемоданов, П. Е. Царев // Наука и мир: международный научный журнал: научное обозрение. -2013. -№ 1(1). - С. 111-116. (0,35/0,22)

Патенты:

4. Патент № 2466078. РФ, МПК В65С47/88. Буферный магазин с отсекателем с постоянной длиной захвата / А. Н. Чемоданов, П. Е. Царев. - № 2011109487/11; заявл. 14.03.2011; опубл. 14.03.2011. (0,42/0,26)

5. Патент № 2476309. РФ, МПК В27В5/00 (2006.01), В65С59/00 Буферный магазин с универсальным отсекателем / А. Н. Чемоданов, П. Е. Царев. - № 2011109485/13; заявл. 14.03.2011; опубл. 27.02.2013. (0,42/0,26)

6. Свидетельство о гос. регистрации программы ЭВМ № 2013617100. РФ, Опа / П. Е. Царев. - Заявл. 04.06.2013; опубл. 0.1.09.2013.(1)

7. Положительное решение по заявке № 2012128590. РФ, МПК B65G59/06, B65G59/12. Буферный магазин качающегося типа / А. Н. Чемоданов, П. Е. Царев. - Заявл. 05.07.2012. (0,42/0,26)

8. Положительное решение по заявке № 2012128565. РФ, МПК В 65 G 59/12, В 65 G 59/06. Универсальный отсекатель с постоянной длиной захвата / А. Н. Чемоданов, П. Е. Царев. - Заявл. 05.07.2012. (0,42/0,26)

Труды в прочих изданиях:

9. Царев, П. Е. Увеличение разрешающей способности отсекателей в сплошных однослойных буферных магазинах при снижении энергоемкости процесса поштучной выдачи круглых лесоматериалов / П. Е. Царев // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2012: сб. науч. тр. SWorld. -Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. - Т. 1, вып. 3. - С. 91-95. - 103 с. (0,28/0,17)

10. Царев, П. Е. Снижение энергоемкости и повышение вместимости однослойных буферных магазинов / П. Е. Царев, А. Н. Чемоданов // «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2011»: материалы XII международной молодежной научной конференции [16-18 марта 2011 г., Ухта]. - Ухта: УГТУ, 2011. - Ч. 5. - С. 266-269. (0,42/0,26)

11. Царев, П. Е. Буферные магазины для круглых лесоматериалов / П. Е. Царев, А. Н. Чемоданов // «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2011»: материалы XII международной молодежной научной конференции [16-18 марта 2011 г., Ухта]. - Ухта: УГТУ, 2011. - Ч. 5. - С. 269-272. (0,21/0,13)

12. Царев, П. Е. Буферные магазины для круглых лесоматериалов / П. Е. Царев, А. Н. Чемоданов // Научному прогрессу - творчество молодых: международная молодежная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам [15-16 апреля 2011 г., Йошкар-Ола]. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - Ч. 3. - С. 94-96. (0,21/0,13)

13. Царев, П. Е. Результаты контрольной серии экспериментальных исследований процесса выдачи круглых лесоматериалов / П. Е. Царев, А. Н. Чемоданов // Научному прогрессу - творчество молодых: международная молодежная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам [20-21 апреля 2012 г., Йошкар-Ола]. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2012. - Ч. 3. - С. 87-88. (0,07/0,04)

14. Царев, П. Е. Буферный магазин с отсекателем с постоянной длиной захвата / П. Е. Царев, А. Н. Чемоданов // Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса: материалы международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры механической технологии древесины ФГБОУ ВПО КГТУ

[9-12 октября 2012 г., Кострома].-Кострома: КГТУ, 2012.-С. 173-175. -219 с. (0,21/0,13)

15. Царев, П. Е. Однорядный буферный магазин с отсекателем с постоянной длиной захвата / П. Е. Царев // Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии: материалы международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию лесоинже-нерного факультета ПетрГУ. - Петрозаводск: ПетрГУ, 2011. - С. 48-49. - 128 с. (0,07/0,04)

Просим принять участие в работе диссертационного совета ДМ 212.080.12 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 420015, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68, КГТУ, учёному секретарю.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 5226.

Редакционно-издательский центр ПГТУ 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

Поволжский государственный технологический университет

На правах рукописи

ЦАРЕВ Павел Евгеньевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОШТУЧНОЙ ВЫДАЧИ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

Специальности: 05.21.05 -«Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки», 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., профессор А.Н. Чемоданов

Йошкар-Ола, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...........................................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ПОШТУЧНОЙ ВЫДАЧИ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ..........................................................9

1.1. Анализ развития вопроса.....................................................................................9

1.2. Обзор и классификации буферных магазинов................................................15

1.3. Анализ теоретических исследований разрешающей способности отсекателей с постоянной длиной захвата..............................................................29

1.4. Программа поискового проектирования..........................................................31

1.5. Разработка и проведение морфологического анализа....................................31

1.6. Разработка буферного магазина с отсекателем с постоянной длинной захвата и переменной скоростью движения...........................................................33

1.7. Разработка методики анализа предмета исследования...................................37

1.8. Обоснование параметров конструкции буферного магазина для поштучной выдачи круглых лесоматериалов.............................................................................37

1.9. Выводы................................................................................................................39

2.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОШТУЧНОЙ ВЫДАЧИ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ БУФЕРНЫМ МАГАЗИНОМ С ОТСЕКАТЕЛЕМ С ПОСТОЯННОЙ ДЛИННОЙ ЗАХВАТА И ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ......................................................42

2.1. Разработка математической модели определения силовых показателей при поштучной выдаче круглых лесоматериалов буферным магазином с отсекателем с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения......................42

2.2. Расчет критической высоты отсекателя...........................................................61

2.3. Расчет разрешающей способности отсекателя с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения.........................................................................69

2.4. Выводы................................................................................................................72

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОШТУЧНОЙ ВЫДАЧИ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ БУФЕРНЫМИ МАГАЗИНАМИ С ОТСЕКАТЕЛЯМИ С ПОСТОЯННОЙ ДЛИНОЙ ЗАХВАТА И ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ..............................74

3.1. Описание экспериментально-измерительного комплекса и задачи экспериментальных исследований..........................................................................74

3.2.Математическое планирование эксперимента. Определение условий и параметров моделирования изучаемых процессов................................................77

3.3. Методика проведения экспериментальных исследований и учета результатов измерений..............................................................................................83

3.4. Предварительные экспериментальные исследования....................................84

3.5. Результаты экспериментальных исследований и их обработка....................86

3.6. Влияние угла наклона рабочего стола, диаметров и количества бревен на силовые показатели поштучной выдачи круглых лесоматериалов......................94

3.7. Выводы................................................................................................................97

4. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ, РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМЫХ УСТРОЙСТВ............................................................................99

4.1. Расчет производительности буферных магазинов с отсекателями в составе деревоперерабатывающих линий.............................................................................99

4.2. Определение производительности буферных магазинов с отсекателями с постоянной длинной захвата..................................................................................100

4.3. Расчет экономической эффективности буферного магазина с отсекателем с постоянной длинной захвата и переменной скоростью движения.....................101

4.4. Анализ сравниваемых вариантов на сопоставимость...................................102

4.5. Технологический процесс и организация производства..............................103

4.6. Расчёт технико-экономических показателей использования оборудования и машин........................................................................................................................103

4.7. Расчёт трудозатрат и средств на оплату труда основных рабочих.............105

4.8. Расчёт трудозатрат и средств на оплату труда вспомогательных рабочих 107

4.9. Расчет амортизационных отчислений............................................................108

4.10. Расчёт потребности в электроэнергии..........................................................110

4.11. Расчёт затрат на техническое обслуживание и ремонт..............................110

4.12. Калькулирование себестоимости содержания машин и оборудования.... 111

4.13. Расчёт эксплуатационных затрат..................................................................112

4.14. Расчёт показателей экономической эффективности предлагаемого буферного магазина.................................................................................................112

4.15. Выводы............................................................................................................114

Основные выводы.....................................................................................................116

Список использованной литературы.....................................................................119

Приложения................................................................................................................131

Введение

Актуальность темы.

Из производственно-технологических операций лесопильного цеха 46 % составляют автоматические операции, 31% - механизированные и 23 % - неавтоматизированный (ручной) труд.

Для деревообрабатывающего производства необходимо перевооружение, т.е. оснащение предприятий новым современным технологическим оборудованием надежным в работе, простым в обслуживании и недорогим по цене.

Оборудование для поштучной выдачи круглых лесоматериалов, разработанное в нашей стране в 60 - 80 годы XX века, вызвало кардинальные изменения принципов построения поточных линий и открыло новые возможности для автоматизации и механизации производственных процессов, при этом позволяло обрабатывать круглые лесоматериалы разных размеров и качества.

Однако, применяемое для поштучной выдачи круглых лесоматериалов оборудование имеет ряд существенных недостатков к которым относятся, прежде всего, низкая разрешающая способностью отсекателя (возможен захват двух бревен одновременно), маленькая вместимость буферного магазина и невозможность работы в полуавтоматическом режиме. Все это приводит к сокращению коэффициента использования оборудования.

В научных публикациях отсутствует методика расчета силы давления на отсекатель, вызванной подпором круглых лесоматериалов при поштучной выдаче, учитывающая многообразие влияющих факторов. Поштучное отделение круглых лесоматериалов сводилось только к определению прочностных характеристик поперечных транспортеров и расчету разрешающей способности отдельных отсекателей.

В связи с этим, возникает необходимость создания простого и надежного устройства для накопления, перемещения и поштучной выдачи круглых лесоматериалов с высокой разрешающей способностью, позволяющего обрабатывать бревна в широком диапазоне размерных характеристик. Поэтому актуальным становится совершенствование конструкции и параметров однорядного

буферного магазина с отсекателем с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения.

Цель диссертационной работы - совершенствование конструкции и обоснование параметров однорядных буферных магазинов на основе изучения влияния параметров бревен и режимов их работы на силы, действующие на от-секатели с постоянной длинной захвата и переменной скоростью движения.

Задачи исследования.

1. Обосновать технические параметры буферного магазина, обеспечивающие накопление и поштучную выдачу круглых лесоматериалов.

2. Разработать математическую модель процесса поштучной выдачи круглых лесоматериалов при работе буферного магазина, позволяющую определить суммарное давление щети бревен, оказываемое на отсекатель.

3. Разработать экспериментальную модель буферного магазина для исследования процесса поштучной выдачи круглых лесоматериалов.

4. Разработать методику обработки экспериментальных данных на основе планирования эксперимента.

5. Рассчитать разрешающую способность отсекателя с постоянной длинной захвата и переменной скоростью движения при различных режимах работы.

6. Разработать методику расчета производительности труда однорядного буферного магазина.

7. Провести оценку экономической эффективности использования предложенного однорядного буферного магазина.

Объект исследований.

Конструкция буферного магазина, использующего отсекатель с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения.

Предмет исследований.

Закономерности, возникающие в буферном магазине при поштучной выдаче круглых лесоматериалов.

Методы исследований.

Использованы методы математического и физического моделирования, патентного поиска, морфологического анализа, теории планирования эксперимента, математической статистики и моделирования. Эксперименты проводились на модели в масштабе 1:10 однорядного буферного магазина с использованием методов подобия (критерий Фруда). Применены пакеты программ МаШсаё и Ма1ЬаЬ.

Научной новизной обладают:

1. Математическая модель поштучной выдачи круглых лесоматериалов однорядными буферными магазинами, отличающаяся учетом сил в статике и кинетостатике, действующих со стороны поперечного цепного транспортера на щеть бревен, а также отдельных бревен в щети.

2. Предлагаемая конструкция буферного магазина, защищенная патентами РФ на изобретение, отличающаяся наличием отсекателя с постоянной длиной захвата и переменной скоростью движения.

3. Методика проведения экспериментов поштучной выдачи круглых лесоматериалов и уточнение математической модели.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель работы однорядного буферного магазина и алгоритм ее работы, позволяющие обосновать силовые параметры давления слоя бревен на отсекатель, защищенные свидетельством о регистрации программы ЭВМ на программный продукт.

2. Результаты экспериментальных исследований поштучной выдачи круглых лесоматериалов, позволяющие обосновать режимы работы буферного магазина.

3. Критерий разрешающей способности при различных режимах работы буферного магазина.

4. Технические решения однорядного буферного магазина по патентам 2466078, 2476309 и методика расчета их технической производительности.

Значимость для теории и практики.

Конструкция разработанного буферного магазина позволяет обрабатывать лесоматериалы большого диапазона величин диаметров по сравнению с

существующими устройствами такого же типа на лесопромышленных и дере-воперерабатывающих предприятиях. Предложенная конструкция буферного магазина может иметь практическое значение при формировании поточных линий с полной загрузкой оборудования.

Математическая модель определения сил давления на отсекатель буферного магазина при поштучной выдаче круглых лесоматериалов и результаты экспериментов являются эффективным способом при проектировании и изготовлении новых видов буферных магазинов.

Степень достоверности научных результатов подтверждается:

объемом выборки измерений (330 значений для каждого опыта), применением математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях; подтверждением адекватности полученных моделей за счет удовлетворительной сходимости экспериментальных и теоретических данных.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на научных конференциях Поволжского государственного технологического университета в 2010-2013 годах.

Результаты исследований приняты к внедрению на ООО «Оршанский лес», расположенного на территории Оршанского района Республики Марий Эл, что подтверждено соответствующим актом. Предполагается использование исследуемого устройства в поточных линиях по первичной обработке круглых лесоматериалов в лесопильном производстве, при проектировании технологического процесса предприятий ДСК (Мамадышский район), КДСК «Форест» Республики Татарстан.

Основные результаты работы и экспериментальная установка внедрены и используются в учебном процессе кафедры деревообрабатывающих производств Поволжского государственного технологического университета при изучении дисциплин: «Оборудование отрасли», «Технология лесопильно-деревообрабатывающих производств», во время проведения лабораторных и практических работ.

Личный вклад автора состоит в разработке математической модели процесса поштучной выдачи круглых лесоматериалов и разработке программы ЭВМ для расчета силы давления однослойного ряда бревен на отсекатель (свидетельство № 2013617100).

Работы по физическому моделированию, разработке и изготовлению экспериментального комплекса, разработке методики экспериментальных исследований, выполнению измерений и проведению статистической обработки их результатов, анализу и обобщению результатов исследований, разработке методики расчета производительности произведены автором лично.

Автором в соавторстве предложены конструкции буферных магазинов (патент № 2466078, патент № 2476309), а так же получены положительные решения по конструкции универсального отсекателя (заявка №2012128590, заявка №2012128565)

Публикации.

Основное содержание работы опубликовано в 10 статьях, из них 8 - в соавторстве. В изданиях, рекомендованных ВАК России, опубликовано 3 статьи. Получено 2 патента Российской Федерации на изобретение (№ 2466078, № 2476309), 2 положительных решения на выдачу патента по заявкам (№ 2012128590, № 2012128565), а также свидетельство о регистрации программы ЭВМ (№ 2013617100). Работа включена в перечень важнейших научно исследовательских работ Поволжского государственного технологического университета за 2012 год.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Работа объемом 131 страница включает 62 иллюстрации, 29 таблиц, список использованной литературы из 120 наименований и 23 приложения на 158 страницах.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ПОШТУЧНОЙ ВЫДАЧИ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

1.1. Анализ развития вопроса

Создание запасов сырья является необходимой гарантией стабильной работы лесопромышленных складов. По назначению запасы сырья делят на: технологические, межоперационные, резервные и сезонные [112].

Межоперационные и резервные запасы лесоматериалов хранят в буферных магазинах, которые представляют собой устройства с определенной вместимостью, позволяющие принимать, накапливать и передавать лесоматериалы устройствам технологической линии. Конструктивные и технологические особенности таких установок должны быть приспособлены для обработки лесоматериалов имеющих специфические особенности, такие как: форма ствола, его длина, диаметр, вес, степень кривизны, порода, размеры, пороки строения, качество обрабатываемого лесоматериала и поштучной передачи их к последующей установке.

В зависимости от конструкции и принципа работы данных установок время, затрачиваемое на обработку единицы продукции, различно и варьируется в зависимости от индивидуальных особенностей, качественных и размерных признаков каждой единицы. В буферном магазине всегда должно оставаться свободное место для приема заготовок, поступающих от предыдущей установки, а также должен находиться некоторый их запас, обеспечивающий работу последующей технологической установки при остановке предыдущей. Буферный магазин должен стабильно перемещать заготовки от приемного конца к выдаваемому с последующей фиксированной поштучной выдачей заготовок. Благодаря этому, при перебоях в работе любой из технологических установок из числа предшествующих и последующих буферному магазину, работа поточной линии может продолжаться, в течение времени, определяемого вместимостью буферного магазина.

Величина вместимости буферного магазина определяет степень надежности работы поточной линии. Чем больше вместимость магазина, тем более продолжительными могут быть простои механизмов и тем длительнее может сохраняться работоспособность без нарушения ритма работы поточной линии в целом.

В тоже время, любая работа, связанная с межоперационным запасом, является неэффективной, так как увеличение вместимости буферного магазина связано с повышением его стоимости, увеличением производственной площади для его установки, дополнительным расходом электроэнергии и так далее. Только технико-эконо