автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров рабочего органа для срезания кустарника

ОЕКИНЙ!

, о

'адская ордена шша лесотехническая академия

имени С.М.КИРОВА

На правах рукописи

куракин владимир николаевич

уж 630х.65.011.54

обоснование параметров рабочего органа для срезания куста'-

05.21.01. Технология и машины лес. ^о хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1990

с? 7 о (у //<- )

Работа выполнена в лаборатории механизации лесошжарных и лесомелиоративных работ Ленинградского научно-исследовательского института лесного хозяйства.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - Заслуженный деятель науки и техники

РСФСР, доктор технических наук, профессор Баринов К.Н.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ - кандидат технических наук, старший

научный сотрудник Сенников В.В.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук, профессор

Андреев В.Н.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Дмитриев В.П.

ВЕЩУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Всесоюзный ордена Трудового Красного

знамени научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства

Защита диссертации состоится п ^ИЛЬ^ 1990 года в " 4*1 * часов на заседании специализированного совета К 063.50.05 в Ленинградской лесотехнической академии имени С.М.Кирова (Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан ¿^УьАУЛ 1990 года.

Ученый секретарь специализированного совэта

-ё.

1Удцев Р.И.

.. . I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ссАп-"'.Актуальность темы. В основных направлениях экономического

......социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до

2000 года перед лесным хозяйством поставлены задачи по улучшению воспроизводства и использования лесных ресурсов, более широкой механизации лесохозяйственных работ, повышению производительности и продуктивности лесов.

Одной из наиболее острых проблем в комплексе проводимых гидролесомелиоратиЕНых работ является механизация операции по сведению древесно-кустарниковой растительности.

Данная проблема такке остро стоит и в других областях народного хозяйства, где ведение работ связано с предварительным удалением древесно-кустарниковой растительности.

Работа выполнена в рамках темы Ш.6 "Разработать комплекс мероприятий по повышению производительности, рациональному использованию и усилению природоохранных функций лесов на осушенных землях гидромелиоративного фонда с применением более совершенных методов, способов, технологий и машин" при создании нового высокоэффективного устройства для срезания кустарника, входящего в состав многофункционального съемного оборудования для содержания лесоосупштельных каналов и кюветов лесных дорог, устанавливаемого на лесные трактора семейства ОТЗ.

Цель работы. Совершенствование кусторезного рабочего органа роторного типа путем повышения надежности его функционирования и снижения массы.

Натчная новизна работы. Выявлен состав и характер распределения древесно-кустарниковой растительности, как специфического предает а труда, на лесомелиоративных каналах и обочинах лесных дорог. Получены зависимости энергозатрат на скоростное перерезание единичных стволов кустарника комбинированным роторным устройством от пород и диаметров перерезаемых стволов, скорости резания и углов заточки ножей.

Разработана математическая модель колебательного процесса ротора кусторезного рабочего органа., происходящего при его работе с учетом различной степени демпфирования.

Представлена методика оптимизации проектных параметров

ротора кустореза.

Практическая ценность -работы. Разработанная в диссертации математическая модель позволила выявить характер колебательного процесса, происходящего на роторе кусторезного устройства, учесть действие серии последовательных импульсов в характерных условиях функционирования и получить рекомендации по выбору основных проектных параметров ротора и режимов его работы.

Внедрение полученных рекомендаций значительно повышает общую эффективность функционирования рабочих органов рассматриваемого типа.

Реализация -работы. Результаты проведенных в работе исследований использованы конструкторским отделом Вырицкого опытно-механического завода при создании опытного образца устройства для срезания кустарника, входящего в состав сменного оборудования для содержания каналов, представленного на государственные испытания.

Апробация габоты. Результаты исследований отражены в отчете ЛенНИИЛХ 1Т 01.86.0052304), докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ЛТА им.С.М.Кирова в 1988, 1989 г.г. Работа обсуждалась на Ученом Совете ЛенНИИЛХ и на заседании кафедры проектирования специальных лесных машин ЛТА в 1950 году.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано три статьи.

Структура и объем -работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы, приложений. Общий объем работы 174 е., из них 121 страница машинописного текста, 59 рисунков, 12 таблиц. Список литературы включает 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе дан анализ технологий и устройств для срезания кустарника, приведены общие сведения о процессе без-стружечного поперечного перерезания древесины и влиянии на

данный процесс параметров ножей и скорости резания. Исходя из анализа рассмотренных конструкций устройств для срезания кустарника наиболее перспективной применительно к выполнению комплекса гидролесомелиоративнкх работ путем использования рада сменных рабочих органов принята структурная схема кустореза, представляющая собой комбинированный рабочий орган роторного типа (рис.1).

Для достижения поставленной цели на основе проведенного анализа в работе сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать взаимодействие рабочего органа кустореза с предметом труда с целью оценки энергозатрат на перерезание единичных стволов кустарника.

2. Разработать теоретико-экспериментальную модель функционирования рабочего органа при срезании кустарника.

3. Исследовать колебания ротора, как механической системы.

Рис.1. Комбинированный роторный рабочий орган для срезания кустарника

при различных степенях демпфирования.

4. Обосновать проектные параметры элементов ротора и режимов работы кустореза.

Второй раздел посвящен экспериментальным исследованиям состава древесно-кустарниковой растительности и процесса скоростного без стружечного перерезания единичных стволов комбинированным роторным устройством.

Исследования состава древесно-кустарниковой растительности проводились с целью выявления породности, величины диаметров срезаемых стволов и характера размещения кустарника по обрабатываемой поверхности.

Для исследования безструнечнэго перерезания еденлчных стволов кустарника комбинированным роторным устройством была создана лабораторная установка, спланирован и проведен активный эксперимент.

В качестве отклика эксперимента выбрана величина затраченной энергии на перерезание единичных стволов кустарника, как наиболее полно характеризующая исследуемый процесс.

При определении величины энергозатрат учитывались следующие, существенно влияющие факторы: порода кустарниковой растительности, диаметр перерезаемых стволов, скорость резания, угол заточки ножа.

Эксперимент проводился по каждой из выбранных характерных пород (ольха, береза, осина) в соответствии с прЕиеняеыш планом второго порядка при варьировании независима* факторов в следующих обоснованных пределах: дпалетр Ееререзаемого ствола d - от 0,02 и до 0,07 и, скорость резания if - от 10 м/с до 25 м/с, угол заточки нона ß - от 0,349 рад (20°) до 0,698 рад (40°).

После обработки экспериментальных даннвх получены следующие уравнения регрессии дня определения энергозатрат Я на перерезание единичных стволов:

- ольхи:

Я = 605,7 - 650,3ß - /3,4 V - 32596,5d + +15262,?ßd + 942,1 Vd +354092,1 dz ; (I)

- березы:

Л =547,9 + 574,Iß + 3.4V-30357,4d -- 40,1ßV + Ю36,7Ш + 11173.7ßd + + 5Z0344,4di Î (2)

- осины:

Я ~ 434,9 - 39,3ß -35,7 V -151*0,1 d + + 700£ Vd + 6114,7ßd +D,?3STfz* + 241263,6 dz . (3)

В третьей -разделе разработана дахемахпвская модель колебательного процесса, щхшеходадего на роторе кусторезного

рабочего органа после срезания единичного ствола кустарника. При этом процесс перерезания ствола в силу его быстротечности (0,002*0,0035 с) рассматривается как ударный импульс, действию которого ставится в соответствие изменение начальных условий состояния система.

Ротор представляет собой механическую систему с двумя степенями свободы (рзс.2).

Внутри полого ьаховика 2 соосно с ним установлена центральная шестерня 3 с возможностью свободного вращения, в зацеплении с которой находятся два диаметрально расположенных и шарнирно закрепленных на шхозике нога I, что обеспечи-зает их кинематическую взаимосвязь.

С целью упрощения задачи принято доцуценге э восприятии ножом в ишгент перерезания ствола кустарника вентрального удара с шсхедупщшги свободными колебаниями элеашзтов ротора.

ДДятвиитатаская модель представляет собой систему из двух урянкениЗ;

Рис.2. Ротор кусторезного органа - как кша батальная слстеиа с двумя степенями свободы

+2т,бсуг(%+%)5шч>1 =0 ; + +2УС *2т,(6г+сг +гвсСощ)] 1рг + + [2УС - ¿Уз +2т,(с*+6сСоз(р,)](р1 = 0,

где I - передаточное чесло зубчатого зацепления центральной шестерни с ножом; Эз - момент инерции центральной шестерни; Зе - момент инерции ножа относительно его центра масс; т, - масса ножа;

- угловое перемещение ножа относительно положения равновесия;

фг - угловое перемещение маховика;

- момент инерции маховика;

В - расстояние от оси ротора до оси шарнирного крепления ножа к маховику; С - расстояние от оси вращения ножа до его центра масс. Начальные условия для чис. генного решения полученной системы принимаются следующим образом. Угловая скорость вращения маховика после воздействия импульса берется равной ее значению до удара, а угловая скорость ножа определяется по зависимости, выведенной на основе теоремы об изменении моментов количеств движения материальной системы:

&К_

** П-Ц+Цт^+бс) ' (5)

где йК - изменение момента количеств движения, вычисляемого, в свою очередь, для случая центрального удара ( фг =С0П$Ь ) по следующей зависимости:

лК = 1рГ » (6)

при этом Л - энергозатраты на перерезание единичного ствола кустарника.

Кроме того, при допущениях </>г = СОП$1 и Со$Ц)1 = I система (4) имеет аналитическое решение, позволяющее дать предельные оценки угловых отклонений ножей.

Четвертый •раздел посвящен разработке обобщенной математической модели, описывающей два возможных состояния исследуемой системы при работе кустореза (перерезание ствола кустарника, последующий колебательный процесс) с учетом действующих внутренних диссипативных сил трения.

Для описания процесса перерезания ствола кустарника систе-. дифференциальных уравнений свободных колебаний (4) модифи-;рована посредством ввода в нее обобщенной силы, учитывающей |здействие на элементыротора силового импульса и момента от [утренних сил трения. Пользуясь теоремой о среднем, импульс «дставлен в виде некоторой средней интегральной, постоянной ¡личины силы Р , действующей на некотором промежутке време-[ X к определяемой по следующей формуле:

Р " £ »

[в Ъ - диаметр перерезаемого ствола кустарника.

При этом промежуток времени X в силу неизвестного ха-жтера изменения угловых скоростей ф1 и фг в процессе ¡йствия силового импульса определяется в математической моли посредством совместного решения системы дифференциальных >авнений и определенного интеграла с неопределенным "верхним «делом

и+т и+х = (а+6)/ фгсИ + а{ф,с11 , (8)

и ¿0

¡е Д Б - линейное перемещение ножа в месте среза ствола кустарника;

а - расстояние от оси шарнира крепления ножа к маховику до точки воздействия на нож силы Р ;

Ь0 - текущее время момента начала действия импульса.

В процессе решения осуществляется пошаговая проверка соблю-!ния следующего условия

ДЯ ^ ЗЬ (9)

При дБ 35 считается перерезание ствола законченным и шчение верхнего предела £0 + X на первом шаге, при кото->м не выполняется условие (9), является моментом окончания )йствия силового импульса.

Составляющая обобщенной силы , характеризующая влияние

жв^транЕах сш тренЕя на лпюдзсс, происходяцлй на роторе ку< зареза, I5>cj;cisecebtcs ъ эдде произведения

Qi = - slp(¡pt) Mrp , ск

sigrt (р,) - саэ£о?разпая ш^зззатура, реагирушзая на взи;

нажпз звпразленш угаовой скорости ф1 след гг-т обтеззк:

Г ^ Л/jü ^ >0

0 & = 0 (л

прц. ft < 0 ,

Игр — игацчтг? ст ^зт^Еннжх снл трения. "TE2ZSE2TD p^qpa зугтаргза Мтр ишеет взд папшша второго с^рз^а

Игр = ЗЗДЗ -+ DJ3S fz , СП

3 r.*?^.**?^ • дxrpL'-ig* гДУ*v. э'^ттдрт^дйТТТ^л JJIH-

~ 2&Я ИдНУ^ЛНЯННГ ШЖВ&.

+ [23е - i v

gA-aflifcWfflgrer чдняздмм^ищиавл^ ИВД&ЕЬ 1ЩЗВДСТавЛШВТ > fJmwunu): -зшзащр 'СОЙОЖ Щтррт^ргниичи» ОбрОЗОШ ДЦуЗ ^дщнщн J^Jij^jyj*4'"' У" Jl '■"Дт дЗд щчичляятпддт ВННуДД8ЯНЗв I

¡сво&здьг Еызбаивл оратора с удвто* зцутреннж дассшзатквша C3SZ TpEEKILS*

( начало )

/Начальные / условия /

1

^ конец ")

Рвс.З. Алгоряты обогё^енноЗ:. иатеаатнчвскоЗ шделп

ШГрЕГМ рСПСГП'.Я ГЕГГв—

-тгспс:! модели,. ргалсзо-вдннаЗ на ЗЕК, представлен на ртг.З.

3 пяте'.? тазге-те прозе— дсип фсрЕзпзаххгя я ссу~э— СТНЛННО р£ПЗЯЕЭ СИПППЗа— щгсенс! 22ГДЧЛ ПО ЕНйору пгргжтрсз кустссзза.

3 ЕЕ.ЧЭСТ29 ПТИГОТИЛ СП— -.^ССЗ.

схпядз-тензэ порога з гехна~сх-гг-эа2хга хн— зеег злв125гоз ра£с~стс

• стглпзадп'пшсЛ за—

-1 1! IЫ ' рту

сгг^з? •тшсы рс~срз..

Ж ЗВЕЭТ с^дуи^гй ВЗДГ-

М=2т1 + тг + т3 —— тЕп

а4)

где т, - шсса нега;

И2 — шсса иахавшв; т3 - шсса центрально! втачки:. Щя этом ^нвщдезажвнне отрЕНЖчгнтя: ире еяедувщос шрагеняЗ:

I) хю веххчше золы ЕвчувстнятасЕсстз:

0,5750)1 ™ »

а%с5т

В НЯ^Э'

ешз

где Мтр - величина гарантированного момента от внутренних сил трения; С0г - угловая скорость вращения ротора; ф®о/7 _ допустимое значение зоны нечувствительности;

2) по условию апериодичности затухания колебаний после срезания ствола не выше среднего диаметра:

Мтр > 162,0+ 1,3г 16тг ~4,9М5тл-1,2645 и)г +

+ 0,00г1гПг.П73 - 0,0251 тги)г + 0,09?6т3и)г > (16

3) по условию самозатухания колебаний ножей на роторе при повторном силовом импульсе вследствие дорезания ствола большого диаметра:

Ш . Т Щ5

где

_ -3 -?

Т= 0,2693+0,336-10 т,+ 0,1005-10 т3-0,315-10 ги)г + + 0,7А27-10'3Мтр -0,917-Ю'т^-0,375-10'5т2и)г-

- 0,13 -Ю^тгМтр - 0,136В6 -Ю'т^г + 0,71-10Л73 Игр -

- 0,1561-ю'\МтР ; (18)

4) по допустимой величине коэффициента неравномерности вращения ротора:

420 +29,6 Ц)а_ < *доп

(0.06тг + 0,01Ить+3,9гяз)и)1 ~~

где допустимое значение коэффициента неравномерности.

Выражения (16), (18) представлены в виде интерполяционных многочленов, полученных по результатам исследований системы на выполнение соответствующих условий с помощью обобщенной

математической модели.........

Определяемые величины имеют следующие пределы варьирования: 30 тг 90; • 7 « тъ $ 25; 37 « £0* «г. 44; О >6 Мтр 137.

Так как в момент срубания стволов кустарника ножи воспринимают ударные нагрузки, то возникает необходимость проведе-зия мероприятий по исключению или снижению их уровня, что южно достигнуть путем воспроизведения центрального удара.

.Идя рассматриваемой конструкции с принятыми габаритными размерами ротора указанное условие выполняется при строго определенных параметрах ножей, полученных расчетно-графическим путем. Поэтому в дальнейшем массу ножей принимаем постоянной, равной т1 = 14,7 кг.

Поскольку ограничение по неравномерности вращения ротора, характеризующее степень влияния рабочего органа на его привод, не может быть жестко регламентировано в силу разнообразия возможных режимов его работы и условий функционирования всего кустореза, то представляется целесообразным решить оптимизационную задачу на определенном интервале изменения коэффициента неравномерности.

Для решения задачи в качестве оценивающей принята неравномерность, возникающая при перерезании ствола ольхи диаметром

0,07 м. Любое другое, принятое за основу, обстоятельство изменит шкалу <$* , но не изменит сути рассматриваемой зависимости.

При решении поставленной задачи получены следующие результаты (рис.4).

Наименьшее возможное значение массы ротора, при поставленных ограничениях для переменных, может быть при любом ъ- 0,16 (М = = 66,4 кг, т^ = 30 кг, Шз = 7 кг). Угловая скорость вращ"этя ротора принимает при '¿том свое максимальное значение и)г = = 44 рад/с, а момент трения

Рис.4. Минимальное значение массы ротора в зависимости от допустимой неравномерности его вращения

Мтр = 109,2 Н-м. Уменьшение допустимой неравномерности ( < 0,16) приводит к увеличению минимального значения ма< сы ротора, причем это увеличение происходит только за счет возрастания мае си маховика тг , а масса центральной тестер} остается постоянной, находясь на нижней границе.

На основе полученного решения можно рекомендовать массу центральной шестерни равной - 7 кг.

Так как и)г при любом Ь тоже не меняется п принимает свое максимально возможное значение, то в кусторезном рабочем органе необходимо реализовать угловую скорость вращения ротора 0)£ = 44 рад/с ( п = 7 об/с).

Массу маховика т2 и величину момента трения Мтр следа ет выбирать в зависимости от допустимой неравномерности вращения ротора по следующим выражениям:

тг = Ъ51,0& -366,33?) + 103$9,В?<?* ; (23)

Мтр = 126,6! -$95,598 + 2.5?г,$г , (24)

которые получены на основе оптимальных решений поставленной задачи при различных допустимых путем их апроксимации.

ВЫВОЛН И РЕКОМЕВДЩИ

1. Оценка характера кустарниковой растительности вдоль лесомелиоративных каналов и обочин лесных дорог, являвдейся предметом труда для кусторезной машины, показала, что имеет место групповое размещение кустарника, а внутри скоплений (групп) зарегистрирован в преобладающем их числе случайный тип размещения.

2. Для обеспечения требуемого качества срезания, уменьшения нагрузок на ножи и энергозатрат на привод рекомендуется использовать нозш с симметричной заточкой под углом 30° при рекомендуемой скорости резания 20-25 м/с.

3. Коэффициент динамичности процесса скоростного перереза ния кустарника роторным устройством рассматриваемой конструк иди существенно зависит от скорости резания, диаметра срезае мого ствола, породы кустарника и принимает значения в интервале 1,37 + 2,21.

4. Моделирование скоростного перерезания единичного ствола гстарника показало, что оно характеризуется пренебрежимо нами угловыми перемещениями режущих элементов при значитель->м изменении угловой скорости, что подтверждает гипотезу об [арном характере изучаемого процесса.

5. Обобщенная теоретико-экспериментальная модель процесса хлебания системы построена на экспериментальных данных по соростному срезанию кустарника, которым ставится в соотвот-:вие ударный импульс, введенный в правую часть дифферонци-[ьных уравнений в виде интеграла с переменным верхним преде->м. Применение теоремы о среднем при моделировании процесса 1рантирует достоверность описания состояния системы непосред-зенно после действия импульса благодаря тому, что в итоге >лучаем такой же, как в реальном случае, суммарный в энерге-гееском сшсле эффект.

6. Приближенное аналитическое решение системы дифференци-еьных уравнений свободных колебаний ротора позволяет полу-;ть предварительные предельные оценки максимального угла от-Г0Н9НЗЯ ножей и изменения угловых скоростей ножей и маховика.

7. Качественное и безопасное для элементов системы функци-шрование обеспечивается введением ограничений на характер 1тухания колебательного процесса вследствие срезания ствола 1же среднего диаметра (апериодический закон), допустимую ве-1чину зоны нечувствительности ножей, условие саыозатухания

ш повторном или последовательном срезании ствола большого 1аметра и допустимую неравномерность вращения ротора.

8. Формализация задачи оптимального проектирования при пепеленных в п.7 функциональных ограничениях позволила опре-ишть основные оптимальные параметры ротора, обеспечивающие ?о минимальную суммарную массу.

9. На основании решения оптимизационной задачи рекомендуйся принять следующие проектные параметры кустореза: массу зжей mi 14,7 кг; массу промежуточной шестерни гп3 = 7 кг; гловуго скорость вращения ротора о)г = 44 рад/с ( П = 7 об/с); шимальную массу маховика и гарантированный юыент трения 1ределять в зависимости от допустимой неравномерности вра-эния.

10. Минимальная масса маховика окончательно определяется величиной допустимой неравномерности, исходя из требований, предъявляемых используемым приводом.

11. Ожидаемый экономический эффект от внедрения кусторезного рабочего органа о рекомендуемыми параметрами только за счет повышения производительности составляет 4890 руб. в год на одну машину.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Куракин В.Н. Сменный рабочий орган для срезания кустарника // Тез.докл.научно-технического совещания "Актуальные проблемы осушения лесов на Среднем Урале", 2-4 августа 1989 г, - СвердлоЕСк: УрОАН СССР, 1989. - С.95-97.

2. Куракин В.Н. Исследования свободных колебаний ротора кусторезного рабочего органа после единичного ударного импульса / ЛенНИИЛХ. - Л., 1989. - ?7 с. - деп. в ВНИИЦлесре-сурс, № 778-ЛХ 89.

3. Куракин В.Н., Добрынин Ю.А. сообщенная математическая модель колебательного процесса роти па кустореза / ЛенНИИЛХ. -Л., 1989. - 16 с. - деп. в ВНИИЦлесресурс, № 779-ЛХ 89.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим присылать по адресу: 194018, Ленинград, Институтский пер., 5, Лесотехническая академия, Ученый совет.

Подписано в печать с оригинал-макета 19.04.90. M-30I02. Формат 60x90 I/I6. Бумага оберточная. Печать офсетная.Изд.№27, Уч.-изд.л. 1,0. Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз.Заказ № 113.

Бесплатно. Редакционно-издательский отдел ЛТА

Подразделение оперативной полиграфии ЛТА. I940I8. Ленинград, Институтский пер., 3.