автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров оборудования для окорки хлыстов и полухлыстов

Л.О.О.Т «Центральный научно-иСслйлопательский н проектно-конструкторсхий институт механизации и энергетики лесной промышленности» (ЦНИИМЭ)

А П

На правах рукописи УДК 630.323.3

п1

ГАЗИЗОВ Асгат Мазхатович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОКОРКИ ХЛЫСТОВ И ПОЛУХЛЫСТОВ

Специальность 05.21.01 - Технология и манпигм лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой стспенн кандидата технических наук

Химки 1995

Работа выполнена в А. 0. "Центральный научно-исследова-тельскйй н проектно-конструкторский институт механизации I-энергетики лесной промышленности" СЦНИИМЭ)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Академии Естественных наук РФ Симонов М. Н.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, академик Академии Естественных наук Редькин А. К.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Матюнин В. Я.

Ведущей предприятие Лесопромышленная Холдинговая .

Компания "Башлеспром"

Зашита состоится " № " дглс^Р^ 1905 г. в часов на заседании Диссертационного совета К 093. 01. 01. АО "Пен-трального научно-исследовательского и проектно-конструкторско го института механизации и энергечуки лесной промышленности1 СШМШЭ) по адресу: г. Химки Московской области, ул Москов екая, 21.

Просим Ваш отзывы на -автореферат в двух экземплярах с за веренньши подписями направлять по адресу: 141400 г.Химки Мое ковской области, ул. Московская, 21, ЦНИИМЭ. Диссертационни совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ш№№ Автореферат разослан ' "__- / -- 1095 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

кандидат технических наук С. [•. Лми-п.'Ш;

Подп.в печ. .Объем 1 п.л. .Ти;<. 100 чкз.Зси хз2£2

Типография Башкирского Государственного Аграрного Ут гдрсма; 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тамн. В условия» перехода к рыночным отношениям предприятий лесной промышленности важнейшим источником улучшения их хозяйственной деятельности может являться более полная переработка древесины и рациональное использование всей биомассы дерева.

Комплексное и рациональное использование древесного сырья невозможно осуществить без механизации процессов, связанных с окоркой лесоматериалов.

Решению этих задач способствует широкое внедрение окорки лесоматериалов, и особенно хлыстов и полухлыстов, с применением роторных окорочных станков.

При этом, если внедрить окорку древесины в хлыстах и полухлыстах, будет достигнуто полное использование кусковых отходов, образующихся при раскряжевке, обеспечивается полная механизация работ, связанных с окоркой, и отпадает потребность в окорочных станках для окорки вершин, откомлевок, повышается производительность труда. Однако при окорке в хлыстах возникают большие нагрузки на подающие и окариващие органы, резко снижающие надежность и долговечность станков.

Ир т.- пяГуугн- Теоретическое и экспериментальное исследование механизма подачи роторных окорочных станков, определение нагрузок, возникающих в приводе механизма подачи и окорки, а также обоснование параметров станка для окорки хлыстов.

Нпуиняи новизна; Разработана математическая 1«эдель механизма подачи роторного окорочного станка применительно к окорке хлыстов. Получены уравнения, необходимые для определения сил, действующих на элементы механизма подачи.-

Экспериментально установлены геометрические и энергетические параметры роторного станка, в том числе, зависимость крутящего момента от диаметра ствола, скорости подачи хлыста, усилия прижима короснимателей и усилия прижима вальца.

Ппяк-тццрпуяя ирннпгтт, пдбпттл Изложенная в диссертации математическая модель расчета параметров окорочного станка позволила перейти к научно обоснованной разработке специального окорочного станка для окорки клыстов.

Полученные в результате экспериментальных исследований рекомендации могут быть использованы при проектировании других механизмов, применяема в лесной промышленности.

Рряпипяпия пряу-пьтятпп пябптм. Результаты исследований использованы при проектировании станка ОК 100-2 и проведении испытаний гаммы окорочных станков на надежность в Петрозаводском ДСП, а также при расчете и создании окорочных станков в СКБ ЦНМИМЭ, при разработке окорочного станка ОК 100-2 ГКБД и Петрозаводским СКБ-7.

Ап)тпВапцд. результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на секции ученого совета ЦНИИМЭ, на секции ученого совета БГАУ. на отраслевых научно-технических конференциях аспирантов и молодых ученых в 1988. 1989, 1890 гг., на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов БГАУ в 1991-1994 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ. •

Ойърм ряботы. Диссертация состоит из введения, четырех глав; выводов и рекомендации, списка литературы из 84 наименований и 5 приложений. Обший обьем работы 167 страниц, 49 рисунков. 60 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ *

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулирована цель работы.

В первой главе рассматривается целесообразность окорки в клысгах. общие ресурсы сырья, подлежащие окорке, и характерис-

?

тика древостоя. Анализ который показал, что для определения, параметров окорочного оборудования необходимо обосновать размеры эталонного дерева и процентное содержание его в общем запасе эксплуатационного Фонда для различных лесозаготовительных районов. При анализе данннык для целой групппы областей, объединенным в большие экономические районы учитывалось процентное распределение деревьев и эксплуатационные показатели древостоев лесосечных фондов. При обобщении материалов ис-

с

пользованы даннныэ профессора А.П.ГЬлиыука. К.Н.Симонова, академика Н. П-Анучина. По материалам осноеньгх таксационнных показателей деревьев видно, что количество деревьев с кривизной до 0,5 1 , пригодных для окорки, составляет более 80 X лесосечного Фонда . В главе приведен краткий обзор научно-исследопа-тельскмн работ по резанию и окорке древесины. Рассматривались работа Е. Г.Ивановского, М.Н.Симонова, С. П.Бойкова, А. В. Житкова. А. В1 Мехре-нщва. Н. Ф. Пнгнльдина и др. Проанализированы работа М.С.Иовнина, В.Я. Оилькеевича. М.Н.Симонова, А.Э. Грубе, В.И.Са-нева, В.В.Захарова и др.. посвященные, исследованиям различным параметров окорочных станков, механизмов подачи древесины^

Анализ исследований показал, что вопросы, связанные с определением важнейших характеристик механизмов, используемых, для подачи круглых длинномерных лесоматериалов в окорочных станках, изучены недостаточно, что не позволяет использовать имеющиеся сведения дпя обоснованного выбора параметров подающих механизмов роторных станков для окорки хлыстрв.

Исходя из поставленной цели и с учетом изложенного выше, необходимо решить следушие задачи:

- исследовать взаимодействие механизма подачи с объектом тру- -да: '

- провести аналитическое исследование комплекса сил, дей-стеуших на механизм подачи в момент захода хлыста в ротор:

- определить параметры механизма подачи и' условия.которым должна отвечать его конструкция, чтобы обеспечивать нор-

мальный процесс окорки: - разработать методику и провести экспериментальные исследования с целью получения значений нагрузок в приводе механизма подачи.

Во второй главе на примере вальцово-гусеничного механизма ' подачи рассмотрен комплекс сил, действующ« на хлыст С Рис.1).

Определение реакции опор представляет затруднения, т. к. задача статически неопределимая.

Для раскрытия статической неопределенности составляем каноническое уравнение;

IX +ДР - 0 , Ш где - прогиб в точке приложения от единичной нагрузки: &Р - прогиб от внешни^ догрузок в точке приложения единичной нагрузки.

14

Рис.1. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ХЛЫСТА

Далее определяем по отдельности и Д Р:

Л с МрК1

64 • С» ■ - йХ . СЗ)

Е1 £1

где М1 - эпюра от единичной силы:

Мр - ордината, проходящая через центр тяжести эпюры от

единичной силы: Е - модуль упругости хлыста: I - мо>.инт инерции сечения. После соотзетстзуших теоретических исслэдовашй получены аналитические выражения нагрузки опоры на ведущий вал: I3 14-11

Й3=0в+К1- - ЯА+Й1--- Ш, . С4) ,

3 14-12

где Ов - сила приюша вальца:

К1 - коэффициент приведения удельного веса хлыста: 11-14 - расстояния до теста приложения нагрузок: ЙА _ реакция в опоре А от внешних нагрузок Нагрузка на наиболее нагружеьныа подшипник С рис. 2) определяется по Формуле:

1 . 01. КЗ 01 —[ Кзб + Роо —V — + Роо- . С5>

2&\ 2/2 4$

где Foo - осевая нагрузка на ввщлдай вал: Dl - диаштр звездочки. PKDO

Foc--. С6)

202

где Рк - максимальная касательная сила, • возникаидая на поверхности хлыста при снятии кора короснимате-лями в Момент захода хлыста в ротор: Do - диаметр хлыста:

D2 - диаштр хлыста, сооюетствуодий расстоянии от коросништслеа до каста прижиыа вальца.

Рис.2. НАГРУЖЕНИЕ ПОДЮТШОВ ВЕДУЩЕГО БАЛА

После подстановки С 6) на С5) получим:

ЙЗ 1ЭоМ •

йс=—+ Рк — (7):

2 802 8

Крутящий момент на валу привода: - :

N '

М=9.55*103.— , С8)

п

где N - мощность привода, кВт; л

п - частота вращения вала, об/мин.

Для оценки динамически« нагрузок получено уравнение движения элементов механизма подачи в рамках принятых допущений и . прочностных условий. Для чего динамическая система приводится к четырехмассовой расчетной схеме С Рис.3), описываемой системой дифференциальных уравнений.

- 9 -

9

И 12 13 14

Мя

(

С12 С23 С34

Мс

Рис.3. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ЧЕТЫРЕХМАССОВОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМ)!

♦£/а (V(%-<йН» (ъ-%)Г]ъгь(Ъ.%)--0 ЛД+Сл^-ъЭ^лС'МэЬ-Ме

где II, 12. !з. 14 - моменты инерции вращашихся частей привода механизма подачи: С12( СгзС^-Ч^. С34С % - Ч») - функции изменения гест-

кости линии передач привода: - коэффициенты демипФирования: ~ углы поворота инерционных масс: Ма - крутящий момент двигателя: Мс - момент сил сопротивления подачи. Разработана методика решения системы (9) в явном шиш. Окончательное решение системы примет вид:

В третьей главе приведена методика экспериментальных иссле-^ дований параметров механизма подачи окорочного станка ОК 100-2 для окорки хлыстов. Эксперименты выполнялись в два этапа: летом и зимой.

На первом этапе эксперимент проводился с целью определения степени влияния доминирущик факторов на нагрузки, возникающие в приводе подачи. Второй этап проводился для определения влияния доминируюцих Факторов на крутящий момент на валу привода подачи.

По данным ряда исследователей наиболее значимыми Факторами оказались: диаметр'хлыста, усилие прижима вальца, усилие прижима короснимателей, скорость подачи.

В результате постановки многофакторного эксперимента получены уравнения регрессии, отражающие зависимость усилия, возникавшего в приводе механизм подачи, и мощности от исследуе-1 мых факторов..

Р. М=АО+А1О+А2(^+А30к+А12Юв+А13СХЗк+А230в0к-+А11[АА220в+А330^ С11)

Значения коэффициентов регрессии Ао, Ai. А2. A3; Alii. . Ai3, А23, All, А2Z. АЗЗ представлены в,таблице 1.

Обработкой данных второго этапа экспериментов получены урав-ч нения регрессии:

СЮ)

о

N, P. HK^/U3+AlI>A2QB+A3Cbt+A4U+Al2DQB+Al3DQK+Al4QU+A23QBQK+A.MQaU+ +A34QкU+AilCи-Л22QL+AЗЗQк4A44U,. С 12)

Таблша 1.

ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ РЕГРЕССИИ ДЛЯ ПЕРВОГО ЭТАПА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

N п/п Парода хлЫста Определяемая Функция Ао Al А2 Аз А12 А13 А23 А11 А22 АЗЗ

ЕЛЬ N. кВт

1 при №0.2 м/с 7.8439 -0.0786 - 0.0020 0.0098 - 0.0015 - -

2 при и-0,38м/с 9.3223 -0.0332 -0.0064 0.0085 0.0001 - - . 0.0010 - -

СОСНА N. кВт

3 • при Ц*0.2 м/с 6.0180 0.01250 0.0013 - - , - ^ 0.0004 0.0103 -

4 при и-0.38м/с 9.8360 0.0850 - -0.0034 - 0.0001 - - 0.0330

ЕЛЬ Р. Н

5 при и*0.2 м/с 126.5150 -0.3888 - -0.0194 - 0.0003 0.0089 0.1159 -

6 при №0.38м/с: 139.7298 -0.2135 - -0.0260 - 0.0004 0.0027 0.0080 - -

СОСНА Р. Н

7 при Ц=0. 2 м/с 115.2850 -0.1491 1.9892 — 0.0022 0.0003 0.0031 0.0040 . -

8 при Ц-С. 38м/с 118.60S8 0.0104 3.8775 - - 0.0002 0.0033 0.0040 -

где Д - диаметр хлыста:

Qb - усилие прижима валъвд: Ок - усилие прижима короснимателя: ■ U - скорость подачи: W •

М - мощность двигателя подакшего механизма: Р ~ усилие, возникающее в приводе механизма подачи: АО, Al. А2, A3. А4. Al2, Ai3. Al4. AZ3. A24, A34, All. A22. АЗЗ, A44 - коэффициенты регрессии. ■ Расчет значений коэффициентов регрессии проводился с учетом средних значений выходных параметров и матрицы планирования эксперимента в явном виде.

Значения коэффициентов регрессии приведены в таблица 2. Исследования уравнений регрессии показали, что параыатры Хд. Х2, Хз, Х4 оказывают существенное влияние на эффективность работы окорочных станков. По эти« уравнениям получены зависимости, некоторые из которых приведены на рис.4.

В четвертом разделе дана экономическая оценка результатов исследований. В результате замены окорочного станка для пиловочника ОК 100-1 станком для окорки хлыстов и полухлыстов ОК 100-2. только в результате сок:раще;ния потерь древесины предприятие получит около 578258 руб. Эффект, полученный в результате внедрения станка, составляет 12.068 млн.руб. Суммарный экономический эффект составляет 12.65 млн. руб. на. один станок (в ценах 1995 г.).

ОСНОВШЕ ВЫВОД?! И РЕКОМЕНДАЦИИ

В результате изучения состояния допроса в отрасли по окорке лесоматериалов, проведения теоретически« и экспериментальных исследований сформулированы основные выводы и рекомендации:

1. Анализируя состояние проблемы окорки древесины установлено, что окорка в хлыстах является во многих случаях более прогрессивной технологией, чем окорка бревен. Для этих целей

Таблица 2-

ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ РЕГРЕССИИ ВТОРОГО ЭТАПА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Порода древесины Определяемая функция Ао ' Al А2 АЗ А4 А12 А13 А14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ЕЛЬ Мко, Нм 1856.59 -2.09 -60-83 -0.26 -4081-4 0.097 0.0008 4.76

N, кВт 15.01 -0.06 1.46 - -50.35 0.005 0.000Ó2 0.195

Р. н 190.2 -0.23 - - -607.9 - 0.00008 0.695

СОСНА Mkd. Нм 1421.9 -0.95 0.233 -679.34 0.153 ■ — ■ —

N. кВт 15.69 -0.039 -0.56 -0.003 -24.43 0.0029 0.000014 0.059

Р. Н 140.27 -0.30 - - -202.98 0.00025 0.83

Продол, таблицы 2.

Порода древесины Определяемая Функция А23 А24 А34 АН А22 АЗЗ А44

11 12 13 14 15 16 17

ЕЛЬ . Mkd. НМ 0.007 44.66 0.38 0.04 13.5 0.0004 7373.8

N. кВт 0.0003 1.66 0.007 0.0006 0.236 - 85.63

СОСНА Р. н 6.253 0.0352 0.004 ' 0.3601 0.000011. 1021.97

Mkd. НМ 0.019 50.14 - 0.037 10.98 - -1870.6

N. кВт . 0.0003 0.96 0.005 0.0007 0.12 - 45.69

Р. Н 0.003 10.3 - 0.004 - 0.00002 384.14

ПРИ 0»=1.25 кН

при 0в=2.75 кН

НО <<50 750

О к, н/см

ггоо

ПОО

гооо кое . то <т то

1500

то поо 1200 поо■ то

при 4,25 КН

75су У, л/с

150 </50 ПО

а*, и/сп

л I

150 " т 750

О», «/ел

Рис. 4. ЗАВИСИМОСТЬ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ОТ СКОРОСТИ ПОДАЧИ "ОШЧ ПРНКимл КОРОСНИМАТЕЛЕЙ. ДИАМЕТРА СТВОЛА ДЛЯ ЕЛИ ПРИЖИМА

необходимо создать новые более производительные станки.

2. Анализ конструкции роторных окорочным станков показал, что без учета динамических нагрузок, действующих на механизмы подачи, обосновать параметры станка, обеспечивающие его надомную и долговечную работу для окорки хлыстов, практически невозможно.

3. В результате изучения конструкций существующих механизмов подачи и теоретических исследований а качестве тягового механизма хлыстов в процессе окорки следует использовать вальцово-гусеничный механизм. При этом увеличивается контактная площадь и уменьшаются затрата мощности на полезную работу.

4. Теоретическими исследованиями установлено, что длина окариваемых хлыстов разная, ввиду наго рекомендуется применять поддерживающие "плавашие" ролики, текущее положение которых определяется по формулам (3-7) в зависимое!» от нагрузок, возникающих в элементах привода механизма подачи.

5. Определено также, что диаметры хлыстов в комлях изменяются в широких пределах и практически всегда к вершине стремятся к нулю, поэтому и скаривашая головка С ротор) должна бить "плавающей".

6. Получена аналитическая формула ри',ения динамической чэ-тырехмассовой системы в явном ч.'де (10), позволяемая оценить характеристику нагруженности элементов механизма подачи . окорочного станка.

7. Экспериментальными исследованиями найдены уравнения регрессии для определения значений мощности привода двигателя подачи, усилия, возникавшего а элементах привода и крутящего момента, возникающего на валу привода механизма подачи; Экспериментальные зависимости факторов предстаплены в виде графиков.

8. Анализ графиков и уравнений регрессии показал, что доим--нирукщими Факторами, оказывающими влияние йа крутящий момент, мощность и усилие в процессе подачи хлыста в станок являются: диаметр хлыста, скорость подачи, их увеличение вызывает' увели-

-те-

чение нагрузок на механизм подачи. ;

9. Экспериментально получены значения усилий, возникаших в привода механизма подачи, мощности двигателя привода подачи и крутящего момента. Значения этих величин использованы при проектировании роторных станков для окорки хлыстов Петрозаводским конструкторским отделом ГКБД и Петрозаводским станкостроительным заводом.

10. Годовой экономический э$Фект от внедрения результатов .иследоьяний в расчете на один станок составляет 12,65 млн. руб. (в ценах 1S95 г.)

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ . ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Газизов A.M. Режимы круглогодовой окорки лесоматериалов с отбором коры на технологическое сырье £.в соавторстве с Симоновым М. II. и Минаковой Т. В. 3.- Труды ЦНШМЭ. Переработка и знергоиспользование низкокачественной древесины. - Химки. 1939.- 10 - 17 с.

2. Газизов A.M. С а соавторстве с Дмитренковым Г. Л). Определение нагрузок, депстаукшх на механизм подачи роторных окорочных станков типа 0К 100-2 и ОК 80-2. -Труды ЦНИИМЭ. Переработка и энергопользованш? низкокачественной древесины.- Химки. 1989.- 60-64 с.

3. Газизов A.M.Экспериментальное исследование нагрузок, действующих на механизм подачи роторного станка,- Химки. 1990. ВНОТВИ леспром 15.06.90 N 2670.

4. Газизов A.M. С в соавторстве с Бойко В. В. и Ванъковым A.M.). Опыт эксплуатации окорочных станков,- Лесная промышленность, 1988. N 9. - 19 с.

5. Газизов А.М. Определение внешних нагрузок, действуш-ix на механизм подачи в момент захода хлыста в ротор окорочного станка.- Тезисы докладов 102 научной конференции БГАУ.-1993.- 28 с.

6. Газизов A.M. Св соавторстве с Посняк В.К.). Обоснование параметров окорочного станка,- Тезисы докладов 102 научной конференции БГАУ.- Уфа, 1993.- 26 с.

7. Газизов A.M. Справочные материалы к курсовому проектированию для студентов рпециальности 3112.-Уфа, 1993.-45с.

8. Газизов А.М. Лесоэксплуатация. Методические указания для студентов заочного обучения специальности 3112. -Уфа, БГАУ, 1993.-26с.