автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров режущего-раскладывающего инструмента навесных устройств для разделки древесины

ВР0 ад

' " о

Романов Алексей Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖУЩЕГО-РАСКАЛЫВАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НАВЕСНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РАЗДЕЛКИ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.01 - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саикт-Петербург-2000

Романов Алексей Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖУИЩГО-РЛСКАЛЫВАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НАВЕСНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РАЗДЕЖИ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.01 - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-2000

Диссертационная работа выполнена на кафедре технологии лесозаготовительных производств Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им С. М. Кирова

Научный руководитель

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Андреев В. Н.

доктор технических наук, Шегельман И. Р.

Официальные оппоненты -

Ведущая организация

доктор технических наук профессор Александров В. А.

кандидат технических наук; доцент Марков В. И.

Государственный Карельский научно-исследовательский институт лесной промышленности (КарНИИЛП)

Защита диссертации состоится 19 декабря 2000 г. н / / часов на заседании диссертационного Совета Д 063.50.01 в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии /194018, Санкт-Петербург, Институтский пер. 5, главное здание, зал заседаний /.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « /Я» ноября 2000

г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук, профессор Анисимов Г. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Анализ известных способов резания древесины показывает, что для механизированной разделки пней на и при подготовке древесного сырья к его подготовку к переработке на щепу наиболее пригодно силовое безопилочное резание ножевыми инструментами, имеющее по сравнению с опилочным ряд преимуществ:

1. Работа ножевых инструментов при сравнительно малых скоростях резания, больших усилиях надвигания и достаточно высокой их надежности в меньшей степени, чем работа пил и фрез, зависит от абразивной среды;

2. Возможность одновременного деления пня на несколько частей обеспечивает более высокую производительность;

3. Простота конструкции и бесшумность работы снижает эксплуатационные затраты и создает безопасные условия труда.

Устройства безопилочного резания требуют значительных усилий резания, что ведет к высокой металлоемкости механизмов.

Существующие конструкции навесных режуще-раскалывающих устройств можно оптимизировать с учетом применения рациональной конструкции режущего-раскалывающего инструмента, что позволит снизить энергоемкость рабочего процесса и материалоемкость подобных устройств, что будет экономически выгодно при изготовлении и эксплуатации.

В связи с этим возникает необходимость ускорения создания и внедрения в лесной промышленности эффективных технических решений, обеспечивающих высокий технический уровень и конкурентоспособность разрабатываемых на их основе машин, механизмов и технологий. Этим подчеркивается актуальность выбранной темы диссертации.

Цель работы.

Повышение эффективности функционирования оборудования для разделки древесины путем снижения материалоемкости и энергоемкости рабочего процесса за счет применения рациональной конструкции режущего-раскалывающего инструмента.

Объекты и методы исследования.

Объектами теоретических и экспериментальных исследований являлись элементы конструкции навесных режуще-раскалывающих устройств (РРУ) для разделки древесины.

Методы исследования включили комплекс теоретических и экспериментальных работ.

Теоретические исследования базировались на применении фундаментальных положений теоретической механики, сопротивления материалов, теории резания древесины.

Экспериментальные исследования основывались на общих положениях теории эксперимента, а также методах статистической обработки результатов с применением ПЭВМ.

Научная новизна работы.

Научная новизна заключается:

1. В разработке математических моделей силового взаимодействия резца новой конструкции, исключающего нормальное давление древесины на боковую поверхность в процессах поперечного резания и расколки древесины;

2. В методике определения оптимальных параметров режущих элементов оригинальной конструкции, обеспечивающих минимальные энергоемкость и материалоемкость;

3. В экспериментальном определении основных физико-механических характеристик процесса резания древесины резцом новой конструкции;

Значимость для теории и практики.

1. Теоретические закономерности усилий сопротивления разделке древесины от глубины внедрения ножа новой конструкции при резании стволовой древесины поперек волокон, перерезании корней, радиальной расколки стволовой древесины, расколки пней;

2. Результаты экспериментов процессов резания, подтверждающие основные положения теории, и полученные при этом закономерности влияния основных технологических факторов на основные параметры процесса.

Для практики имеют значение:

1. Результаты исследования оптимальной конструкции навесного рсжуще-раскалывающего устройства, которые привели к составлению инженерной методики расчета подобных устройств;

2. Полученные экспериментально значения физико-механических характеристик процесса резания ножом новой конструкции;

3. Новое устройство для разделки пней, приоритет и полезность которого подтверждены патентом на изобретение Российской Федерации №2130708 от 12.05.1998 г.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях ПетрГУ, КарНИИЛПа (г.Петрозаводск) и ЛТА (Санкт-Петербург).

. Публикации.

По материалам диссертации имеется пять печатных работ, патент на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем работы - 163 е., из них: 158 страниц машинописного текста, 61 рис., 25 табл., список литературы - 58 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и основные научные положения, выносимые на защиту.

1 Состояние работ в области механизации разделки древесины устройствами, основанными на принципах силового резания

В разделе приведен обзор существующего оборудования для силовой разделки пнево-корневой древесины и научных исследований в области силового резания древесины.

На основе проведенного анализа опубликованных работ можно сделать следующие выводы:

1. Разделка пней является наиболее трудоемкой и практически не механизированной операцией технологического процесса заготовки пневой древесины. Серийная техника для выполнения этой операции выпускается по типу устройства Р-402, в стадии испытаний и опытного внедрения находятся единичные образцы техники.

2. Ускоренное создание эффективного оборудования для разделки пней является необходимым условием для решения проблемы промышленного освоения пневой древесины.

3. Разделка пней должна предшествовать переработке их на щепу и по технико-экономическим расчетам должна быть максимально приближена к месту заготовки пневой древесины.

4. Планирование развития НИОКР и освоения техники для разделки пней целесообразно сосредоточить в следующих направлениях:

организации серийного выпуска навесных РРУ для разделки иней, монтируемых на манипуляторах самоходных шасси по типу конструкции Р-402;

разработки новых моделей и совершенствование конструкций навесных устройств для разделки пней с использованием способствующих повышению эффекггивности их работы технических решений;

проведения НИОКР по созданию оборудования для разделки пней на куски при их корчевке;

проведешм НИОКР по созданию оборудования, основанного на групповой разделке пней, с использованием перспективных направлений сменных областей наук и современных инженерных знаний.

На основании цели работы и анализа состояния вопроса формулируются следующие задачи исследования:

1. Провести анализ состояния работ в области механизации разделки древесины устройствами, основанными на принципах силового резания и состояния научных исследований в области силовой разделки древесины.

2. Разработать теорию силового резания стволовой и пнево-корневой древесины,

3. Разработать конструкцию ножа силового резания для навесного РРУ, обладающего минимальными усилиями резания при требуемых прочностных характеристиках.

4. Разработать комплекс обоснованных теоретически и практически формул для инженерного расчета конструкции режуще-раскалывающего устройства для разделки пней.

5. Для обоснования теоретических моделей необходимо провести следующие экспериментальные исследования: силовое резание стволовой древесины поперек волокон, тангенциальная расколка стволовой древесины, расколка пней. Далее сравнить полученные экспериментальные данные с теоретическими, обосновать наличие возможных отклонений.

2. Исследование сопротивления древесины силовому резанию

Для расчета навесного режуще-раскалывающего устройства необходимо знать силы сопротивления древесины резанию ножом этого устройства с целью правильного подбора силового гидроцилиндра (гидроцилиндров) привода челюстей.

Для снижения усилия резания и материалоемкости устройства нужна новая конструкция ножа с оптимизированными геометрическими размерами. Были рассчитаны параметры ножа силового резания навесного РРУ, при которых будут достигаться наименьшие усилия при резании стволовой древесины и пнево-корневой древесины и расколке (рис. 1).

<

1, 1, . «.) I-

Рис. 1. Профиль комбинированного резца Автором диссертации предлагается два ножа комбинированного поперечного сечения:

Тип 1. С поднутрением на участке 14; Тип 2. С поднутрениями на участках 12 и 14.

Применение таких профилей позволит снизить усилие резания за счет уменьшения нормального давления волокон.

Для ножа комбинированного поперечного сечения с поднутрением на участке 14 составляющие силы сопротивления резанию будут равны

- Сопротивление резанию на лезвии ножа

Рл = 2 1п Рл Р [со5(^) + 2 Гл 5т2(45- |)],Н, (1)

где рл - нормальное давление древесины на лезвие, Па; р - радиус затупления, м;

1 „ - длина контакта лезвия, участвующего в резании, м; 8 - половина угла заточки ножа, град.

- Сопротивление резанию на гранях 1 ножа

н' (2)

!

где рг1 - нормальное давление на грани 1, Па; Г г1 - коэффициент трения древесины о грани 1 ножа; Л', - половина угла заточки ножа;

—■ О■ х - х2(к, мг - площадь контакта граней 1 с древесиной (рис. 2).

^ 1' 1,~ч<\

Составляющая сопротивления резанию на поверхности ножа на

участке 2

Р„=Р„*\,' II, (3)

где рн - нормальное давление на участке 2, Па; н - коэффициент -фения древесины о поверхность участка 2 ножа.

- Составляющая сопротивления резанию на гранях ножа на участке 3

1х~т7

1+Л

, ,Н, (4)

т)+гл

где рг2 - нормальное давление на грани 2, Па; Г г2- коэффициент трения древесины о грани 2 ножа; 82 - половина угла заточки граней 2, град.

Так как сечение ножа выполнено с поднутрением, то усилием от трения древесины о поверхность ножа на участке 4 можно пренебречь. Суммарное усилие резания

Р= 2 1 п р, р '[соб(^) + 2'{„' 8ш2(45 - + +

+ 2'Рп Рг1

1 + +?.п .р -■г 1 рг2 Ьг2

1+/Л

, 1 ~/лЩ) , н. (5)

Рис. 2. Силовое поперечное резание древесины Для ножа комбинированного поперечного сечения с поднутрениями на участках 12 и 14 усилием от трения древесины о поверхность ножа на участке 2 можно пренебречь, поэтому формула (5) примет вид

Р=2 1п Рл Р [со5(3) + 2 ^ «п2(45- 3-)] + ...

+ 2 Рг1Рг

1 + /,

1, 1

+ 2Рг2'РГ2'

1 +

-Л1й___„

1 -/»мы' н-

(6)

Суммарное сопротивление резанию плоским ножом (рис. 3) равно Р= 21п рлр[со5(^) + 2Гл5т2(45- ] +

+ 2 • рг1 ' Иг)

I 1+/,

+ Р„ ^н Рн, II

(7)

1 +

Рис. 3. Профиль плоского ножа Суммарное сопротивление резанию ножом с поднутрением (рис. 4)

равно

Р= 2 1п Рл Я [со8(г) + 2 Гл зш2(45- £)] +

+ 2 рг1Рг

1 + /,?

, Н.

(В)

Рис. 4. Профиль ножа с поднутрением

На графике (рис. 5) показаны зависимости суммарного сопротивления резанию при поперечном резании от глубины внедрения ножа в древесину, для различных конструкций ножей. На графике видно, что суммарное максимальное усилие сопротивления резанию для комбинированного ножа (тип 1) меньше, чем соответственно у ножа с поднутрением приблизительно на 15 % и у плоского ножа на 40 %. Тем не менее максимальное усилие сопротивления резанию комбинированным ножом (тип 1) выше, чем при

Рис. 5. Графики зависимостей сопротивления древесины резанию при поперечном резании от глубины внедрения ножа, для ножей различных

конструкций

На рис. 5 график Р(1г) принадлежит зависимости усилия резания от глубины внедрения для комбинированного ножа тип 1, график Л(1г) — для плоского ножа, график С(1х) -для плоского ножа с поднутрением, К(1г) — для комбинированного ножа тип 2.

3. Исследование сопротивления корней силовому резанию.

В известных исследованиях Курапцева Н. Ф., Леонова Б. А. исследовалось резание древесины поперек волокон, когда поперечным сечением являлся круг или квадрат. При резании корней возникает задача

определения сопротивления резанию древесины, сечение которой представляет собой эллипс (рис. 6).

U ___

Lz л

/ *1 \

\

3

А-А Z

Рис. 6. Схема перерезания корня

Выведена следующая формула нахождения усилия сопротивления силовому резанию корня при торцово-продольном резании

Р= ■ {b1 - (b -1 ? ■ ( рп ■ sin2 а + р, ■ cos2 а) р ' (cos(<y) + 2 (fnsin2a+...

S,

•fBCOS2e)Sin2(45-|))+-^.f;

2 I • b-lr + m b — l+m r~2———---j

».„¿глч «J- - - 1 arcsin--------jj--yjb-(b-l:+m)

. b-l, b-l, - arcsin —r™ - 2 b b

■fi^ib-h?}

1+ \[ZLlMs)+P'v1 1+ I1 -fn<z(S)

tg{S)-\ fn ,

tg(¿0+/г1 b-L + m

a b (pn' sin2« +рв' cos2a)(-^- + l-arcsm-_ b~h+m . ^ьГГ^ГС. (f п . sin2 + f B . cos2 ay (9)

При резании ножом с поднутрением составляющая силы резания на поверхности ножа исключается.

Графики зависимостей усилия резания от глубины внедрения ножа в древесину для плоского ножа и ножа с поднутрением показаны на рис. 7. График построен при следующих параметрах:

а = 5 см, b = 10 см - геометрические размеры корня, рп ~ 0,35 Mria, рв = 5,35 Мпа - пределы прочности ПКД на сжатие поперек и вдоль волокон; а= 30° - угол перерезания корня, р = 0,05 мм - радиус затупления резца, 8 ~ 18° - половина угла заточки ножа, h = 12 мм - толщина ножа, f„ = 0,2 и f, - 0,29 - коэффициенты трения.

Рис. 7. Зависимости сопротивления резашпо корня от глубины внедрения ножа

4. Исследование сопротивления древесины расколке вертикальным и горизонтальным клиньями навесного устройства

Расколка стволовой древесины осуществляется с помощью горизонтального клина РРУ. Данный способ расколки позволяет раскалывать длинномерные бревна. Это позволяет эксплуатировать навесное РРУ, совмещая в себе дровокольный станок и устройство для поперечной разделки древесины.

Схема расколки бревен показана на рис. 8.

Рис. 8. Схема расколки бревен Зависимость сопротивления расколке от глубины распространения трещины имеет вид

где f - коэффициент трения; 8 - угол заточки клина, град; ц - коэффициент Пуассона. а, ■ Ц'

# = --условие отщепления. (11)

/•1000

Между глубиной 1?. внедрения клина в древесину и глубиной 1 распространения трещины существует следующая зависимость:

(12)

где Е - модуль упругости.

На рис. 9 представлен график зависимости суммарной силы раскалывания Р от глубины внедрения клина.

13 кИ

Р(ВД)

С ВД, /и. 0.2

Рис. 9. Зависимость усилия расколки от глубины внедрения клина при тангенциальном способе расколки.

Усилие раскалывания изменяется по плавной кривой, в отличие от традиционной расколки, когда усилие растет быстро и далее также быстро снижается, но по более пологой кривой. Усилие раскалывания достигает своего максимума, когда значение ^ принимает свое максимальное значение и момент сопротивления ссчсния \ух1 при этом наибольший.

Длина, на которую можно гарантированно расколоть лесоматериал

/ = .\\-i-E-J,

'Ук,-^.).'

(13)

Величина глубины ц внедрения клина ограничивается диаметром раскалываемого лесоматериала, поэтому максимальное значение глубины распространения трещины

=.

\

41

¡/к р

м

(14)

5. Исследование прочностных характеристик режущего ножа

После проведенной оптимизации параметров ножа силового резания возникает необходимость проверки его на прочность.

Силы, действующие на нож, показаны па рис. 10.

Из проведенных выше оптимизационных расчетов известно, что на величину силы резания в наибольшей степени влияют геометрические размеры участков 1, 2, 3. Поэтому, приняв за постоянными значениями величины т щ2; Шз, введем переменную величину В свою очередь, значение т4 зависит от положения сечения допустимых пределов прочности материала ножа. Таким образом, в зависимости от положения сечения, мы должны получить величину тл, при которой максимальные напряжения в данном сечении не превысят допустимые.

7. ТТ- м

_ у Г-Ь'

|

» 1

Рис. 10. Силы, действующие на нож Поперечное сечение ножа приведено на рис. 11.

Рис. 11. Поперечное сечение ножа Расчет ножа на прочность ведем по 3-ей теории прочности, по которой ~ = ^Гг

гдесг-

р

м.

у/а

М,

+ 4 ■ г

, Па.

5 1>],

(15)

IV, (т4) ГГ,(т4) Величина т4 зависит от положения сечения

1(1",) =

Гу(т4)-Жх(т4)^'[а]2-1Гр(т<)2 -4-

, м.

(16)

График функции 1(т4) приведен на рис. 12. Зная положение сечения ], можно найти величину т4 Применением данной теории на практике можно добиться получения ножа равнопрочной конструкции, которая будет обладать минимальной массой. Снижение массы ножа будет составлять ориентировочно 15...20 % (например, на 20...30 кг для устройств, для которых расчетный диаметр перерезаемой древесины 40 см, а масса ножа составляет порядка 120...150 кг).

Рис. 12. График зависимости Цт,)

6. Анализ проведенных экспериментов

Анализ (рис. 13) проведенного эксперимента по нахождению среднего угла перерезания корней сосны показал, что закон распределения углов соответствует нормальному с параметрами та = 33°, оа = 10°.

Сопоставление экспериментальных и теоретических зависимостей усилий резания от глубины внедрения ножей с комбинированным поперечным сечением и с поднутрением при перерезании образца диаметром 20 см показано на рис. 14. Различие между экспериментальным и теоретическим значениями составляют не более 10 %, а между максимальными значениями -не более 8,7 %.

Параметры комбинированного ножа: угол заточки д, - 36°, Ш1 = 16 мм, на участке «2» выполнено поднутрение, *п = 12 мм, тгь = 50 мм, угол наклона граней 82 = 36°, Н = 40 мм, Н[ = 38 мм.

Параметры, ножа с поднутрением: 6 = 36°, толщина ножа Н = 40 мм. Параметры клина: д = 60°, толщина клина 38 мм. Шероховатость обработанных плоскостей ножей и клина Иа0,25. Радиус заострения лезвия ножей г = 0,05мм.

Зависимость усилия силового резания стволовой древесины от диаметра (см) для комбинированного ножа можно выразить следующей регрессионной

моделью:

Р, =6,4.В- 14,5, кН. (17)

Зависимость усилия силового резания стволовой древесины от диаметра (см) для плоского ножа с поднутрением можно выразить следующей регрессионной моделью:

Р2 = 9,47Л) -5,04, кН. (18)

Сопоставление теоретической и экспериментальной кривых зависимости усилия расколки от глубины внедрения клина при расколке образцов диаметром 20 см показано на рис. 15.

Зависимость усилия расколки стволовой древесины от диаметра (см) для клина с параметрами можно выразить следующей регрессионной моделью: Р3 = 0.0345.02, кН. (19)

Разницу между экспериментальными и теоретическими значениями можно в первую очередь объяснить различием пределов прочности древесины у перерезаемых образцов и пределов прочности взятых у этих образцов проб в момент их испытания вследствие усушки.

Рис. 13. Распределение углов пеоеоезания копией сосны

т

«.и

"Г"Г5*А1Г«МГ.Г - — г-

лчегет 1

, ' ^ у- 1 !

! //' £ кз - г

- ГРУ*!—

! 1 \iebPFT Ы [

Т г 1— ! -

и- -Г- \ !

ц_ . "Т •+■! к -к

ЗЕйРЕТЬЧЕеК И

'<«, м

Рис. 14. Сопоставление экспериментальных и теоретических зависимостей сопротивления резанию от глубины внедрения ножей с комбинированным поперечным сечением и поднутрением при перерезании образца диаметром 20 см

При проведении эксперимента по силовой расколке пня получена следующая экспериментальная кривая зависимости усилия расколки от глубины внедрения ножа (рис. 16). При расколке пня наблюдаются незначительная пульсация усилия, что в первую очередь объясняется неоднородностью структуры пня.

Рис. 15. Сопоставление теоретической и экспериментальной кривых зависимости сопротивления от глубины внедрения клина при расколке образцов диаметром 20 см

1г

■1

Рис. 16. Сравнение графиков усилия расколки от глубины внедрения ножа для пня (1) и чурака (2) одного диаметра и высоты

При расколке свеясего березового пня диаметром среза 23 см получены следующие величины: максимальное усилие расколки Ртах = 20 кН, Рср ~ 10 кН.

Экспериментальную кривую усилия расколки от глубины внедрения ножа для пня (рис. 16) можно описать следующим уравнением: [л-/,->0</</0

I 7"

где а, Ь - некоторые коэффициенты.

Проведен сравнительный анализ расколки стволовой древесины в торец и расколки пня.

Максимальное усилие расколки березового чурака, диаметром 23 см и высотой 40 см ножом с аналогичными параметрами, подсчитанное по формуле (21), составляет 18 кН.

а

где к - удельное сопротивление раскалыванию, Н/м2; с! - диаметр раскалываемого полена, м; // - коэффициент трения 1цек клина о древесину; а - угол заострения клина.

При сравнении максимальных усилий расколки стволовой и пнево-корневой древесины видно, что они для равных диаметров мало отличаются друг от друга. Поэтому можно сделать следующее предположение: для расчета максимального усилия разделки пня пользоваться формулой (21), а среднее усилие вычислять

Для начала расчета навесных РРУ необходимо задаться максимальным диаметром и породой перерезаемого лесоматериала. В соответствии с расчетным диаметром, скомпоновать зев РРУ, исходя из следующих формул:

Длина лезвия режущего ножа 1 = 1,2*<1, где (1 - расчетный диаметр перерезаемого лесоматериала.

Широта раскрытия челюстей РРУ ¿=¿>+0.15, где Б - максимальный диаметр раскалываемого лесоматериала.

Обосновать расчетный случай на1ружения.

Исходя из величины диаметра ¿1 перерезаемого лесоматериала, рассчитать максимальную силу сопротивления силовому резанию. Расчет вести по формуле (17), принятые параметры указаны в пункте 6.

Исходя из величины диаметра Б раскалываемого лесоматериала, рассчитать максимальное усилие сопротивления раскалыванию по формуле (18), принятые параметры указаны в пункте 6.

Параметры зева РРУ рассчитывать, исходя из следующих требований:

1. Надежное удержание разделываемого лесоматериала во время переноса от места складирования к месту разделки.

2. Обеспечение оптимально удобного позиционирования зева РРУ.

3. Обеспечение полного перерезания лесоматериала расчетного диаметра.

4. Обеспечение полной расколки лесоматериала расчетного диаметра.

Рассчитать нож и челюсть на прочность.

Для этого необходимо подсчитать величину ш4 (рис. 11) для каждого положения сечения 1 (рис. 10). Это достигается подстановкой известных

Р =Р /

А ср л шах '

(22)

7. Инженерная методика расчета навесного рсжущс-раскалмвающего устройства

параметров ножа в формулу (16), в результате строится график (рис. 12). Из графика по значению 1 находится искомая величина ш4.

Найти максимальные нагрузки на штоке силового гидроцилиндра, по которым необходимо подобрать соответствующий диаметр поршня и ход штока.

Найти зависимость развиваемого усилия на лезвии от хода штока, построить график. Найти зависимость усилия, развиваемого гидроцилиндром, на лезвии ножа от степени раскрытия челюстей устройства, построить график. Сравнить графики зависимостей усилия на штоке гидроцилиндра и сопротивления древесины резанию от степени раскрытия челюстей устройства. Значения сопротивления древесины резанию при любом положении челюстей устройства не должны превышать значения развиваемого гидроцилиндром усилия при той же степени раскрытия челюстей.

Рассчитать проушины и пальцы на срез и прочность. Рекомендуется в качестве материала для изготовления пальцев и втулок проушин использовать высокопрочную сталь, выдерживающую большие удельные нагрузки при трении. Это приведет к уменьшению диаметров пальцев, что, в свою очередь, скажется на размерах проушин и соединяемых шарниром деталей.

Рассчитать сварные швы корпуса РРУ.

Рассчитать механизм поворота. Поворот устройства относительно его вертикальной оси может осуществляться гидроцилиндром, реечным механизмом, гидромотором или электромотором через зубчатую передачу. Наименее приемлемым с точки зрения стоимости является вариант с использованием гидромотора ввиду его высокой стоимости.

Рассчитать подвеску РРУ к манипулятору. Желательно предусмотреть возможность поворота устройства относительно манипулятора для расширения возможностей манипулирования устройством при работе.

Произвести расчет норм надежности.

8. Расчет ожидаемого экономического эффекта

Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения устройства проведен на примере цеха подготовки древесного сырья к его переработки на щепу для двух вариантов организации работ.

Существующего, который включает разделку древесного сырья электромоторными пилами ЭПЧ-3, расколку толстомерных чураков дровокольными станками КЦ-7 (КЦ-8А), укладку поленьев на транспортер подачи сырья в окорочный барабан вручную бригадой рабочих из четырех человек (базовый вариант).

Расчетный вариант, который предусматривает использование управляемого оператором стационарного манипулятора СФ-65С с устройством на раскряжевке, расколке и укладке древесного сырья на подающий транспортер (новый вариант).

В результате расчета технико-экономических показателей удельные эксплуатационные затраты снижаются.

При объеме производства 20 тыс.м3 в год прибыль от внедрения устройства составляет 150,4 тыс.руб, годовой экономический эффект 125,( тыс.руб. Повышается производительность труда на 300 %. Рентабельносп инвестиций составляет 91% при дополнительных капитальных вложения* порядка 165,4 тыс.руб. Срок окупаемости - 13 месяцев.

Заключение

1. Разделка пней с целью использования их в качестве ценного сырь; для получения смол является наиболее трудоемкой и практически ш механизированной операцией технологического процесса заготовки пнево корневой древесины. Создание эффективного оборудования для разделки пне! - актуальная научная и практическая задача.

2. Результаты теоретического анализа силового резания древесины подтвержденные экспериментально, показывают, что для снижения усилш резания й материалоемкости целесообразным будет применение новой формь режущего инструмента с оптимальными геометрическими параметрами: уго. заточки 8 = 36°, с двумя поднутрениями. При этом усилие резания может быт! снижено примерно на 50 % по сравнению с обычным плоским ножом. Пр! перерезании корней эта разница еще более ощутима - примерно в 2 раза.

3. В результате теоретического анализа установлено, что пр] тангенциальном способе расколки требуемое усилие изменяется по боле' плавной кривой со значительно меньшими (на 10 %) максимальным] значениями.

4. Предложенный метод расчета требуемых по условию прочност) сечений ножа позволяет спроектировать равнопрочную конструкции: обеспечивающую снижение массы ножа примерно на 15...20 %.

5. Проведенные при выполнении работы экспериментальны исследования показали, что распределения углов перерезания корней, а такж пределы прочности древесины вдоль и поперек волокон подчиняютс: нормальному закону с высокой степенью адекватности.

При этом параметры законов имеют значения: по углам перерезания волокон: а - 33° пределы прочности: вдоль волокон ав = 5,35 Мпа;

поперек волокон оп = 0,36 Мпа. В процессе проведения эксперимента установлено также, что:

1. конструкция ножа с поднутрениями и оптимальным углом заточк обеспечивает удовлетворительное качество реза;

2. экспериментальные зависимости хорошо совпадают с полученным ранее теоретическими с максимальной погрешностью не более 10 %.

3. В результате обработки экспериментальных данных получены

регрессионные зависимости, позволяющие в дальнейшем сравнительно

легко рассчитывать параметры оборудования в зависимости от

характеристик предмета труда.

6. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать новое высокоэффективное устройство для разделки пней, приоритет и полезность которого подтверждены патентом на изобретение Российской Федерации №2130708 от 12.05.98 г.

7. Разработанное и обоснованное теоретически и экспериментально новое устройство позволило рассчитать эффективный по технико-экономическим показателям процесс, обеспечивающий годовой экономический эффект 125590 руб (в ценах 1999 г), прибыль - 150400 руб и рентабельность около 90 % со сроком окупаемости около 1 года.

8. Созданная в работе на основе теоретических и экспериментальных исследований упрощенная инженерная методика может быть рекомендована для использования в проектных и научно-исследовательских организациях.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Романов А. А. Исследование сопротивления резанию на лезвии ножа при силовой разделке пней // Проблемы освоения нетрадиционных видов сырья: Сб. науч. трудов КарНИШТП. -- Петрозаводск: КарНИИЛП, 1997.-40 с.

2. Романов А. А. Математический анализ процесса разделки пнево-корневой древесины // Региональные проблемы развития лесного комплекса: Тезисы докладов республиканской научно-практической конференции. -Петрозаводск: КарНИИЛП, 1998. - 70 с.

3. Шегельман И. Р., Голубев Г. А., Романов А. А. Состояние и развитие НИОКР в области создания оборудования для разделки пнево-корневой древесины // Региональные проблемы развития лесного комплекса: Тезисы докладов республиканской научно-практической конференции. Петрозаводск: КарНИИЛП, 1998. - 70 с.

4. Романов А. А. Математический анализ процесса силовой разделки древесины /'/' 200-летие Лесного Департамента России: Тезисы докладов молодых ученых Лесотехнической академии. - Санкт-Петербург: ЛТА, 1998.

5. Романов А. А. Исследование сопротивления расколке горизонтальным клином навесного режуще-раскалывающего устройства // Совершенствование техники, технологии и организации лссопром. пр-в: Гезисы докл. 2-ой науч.-практич.конф. молодых ученых, аспирантов и соиск. чесн. комплекса РК, посвящ.бО-летию ПетрГУ.- Петрозаводск: ПетрГУ, 2000 г.

6. Патент на изобретение Российской Федерации №2130708 от 12.05.98

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим присылать по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Лесотехническая академия, Ученый Совет.

Отпечатано с готового оригинал-макета. Лицензия ЛР № 020578 от 04.07.97.

Подписано в печать с оригинал-макета 10.11.2000. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ №321. С 23а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфический отдел СПбЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3