автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Обоснование способа и параметров рабочего органа для удаления древесины из разрабатываемого слоя торфяной залежи

О»

На правах рукописи

Мослсшшков Дм1пр|1»1 Гсоргнмнтч

ОСоснопг.мнс споссСя н параметров рабочего Органа дли удалеМт дрснсашы щ разраСатыййемаго елея торфяной зплегки

03.15.05 - Технология н коиплгкеняя ЛггжашНйЯпя тврфшюго прогнподства

Авгсрефсрат дп«*?ргааяи на еоискапв« уняей ¿ггкеиа каядндата ихвяч«к!«х паук

Тверь 1998год

Работа выполнена щ кафедре торфяных машин и оборудования Тверского .

государственною технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

Профессор ЛМСацсоиов Официальные оппоненты - Доктор технических наук, Профессор И.Ф.Ларпш Кандидат технических наук В.ГШншпш

Ведущая организация - Производственное объедините «Тьсрьторф»

За.щнтй состоится 24 декабря 1998года ь 14 часов на заседашш снсциализироиашюго совета Д 063.22.0! при тверском государственном техническим университете по адресу: 170026 г.Тверь, наб.А.Нщадина, 22.

С диссертацией можно ознакомиться * библиотеке утшерешета.

Автореферат разослан « »_ ' 1998года.

Ученый секретарь специализированного сонета,

а . • ' ..

кшщидзг технических наук, пр х|>еесор Коненкин В. Д.

- 3 -

Обиия характеристика работы

Актуальность проблем». Наличие бллытЬс iartacon Торфа . на территории России, а также разнообразие его состава ii физико-.чнмйческпх свойств, определило это полезное ископаемое как одни из источников энергеттесксго, технолог ического и ком.Муналыю-бытойого топлива, сырья для газо-химИчсской ü биологической переработки, протвактпа удобрений, подстилки, строительных материалов н другоЛ продукции.

Подготовка иремешг НроизцодствептлЧ клопшеП являются о.^шм из определяющих звеньев. торфяного производства. Основные гшды подготовь гельнмх и ремонтных работ на торфяных залс-.кач Mcxoin'mtpoeátrt.t, причем на операции, связанные с'-удалением древесных остатков, приходится около 95% трудовых И материальных затрат.

К одноЯ1й технологических схем ремонта производственных площадей относится операция корчевания. Oiiá имеет cnciio область эффективного применения, однако Солее широкому ее распространению препятствует не всегда удовлетворительное качество' проведенных работ. Установлено, Что падеж ног 1«з1>лечейне пня нэ залфш обеспечивается только при условии его захвата рабочими' элементами корчевателя за корневую часть: и как можно ближе к центру тткести. При этом из залежи ¡пвлскаотгч толыго 1С mni, которые целнко.\( находятся ü обрабатываемом слое (глубина этого слоя обычно 40 см). Пели же стаол&нйя часть наход)гтся в сбрябатываемйм слое, а корнепая часть - ниже этого слоя, то такие mffl остаются в нижней части обрабатываемого слоя. В следствие Этого дрспссйые остатки, не удаленные из эксплуатационного слой, являются основным препятствием для разработки торфа рабочими органами добывающих фрезеров. Это приводит к уменьшено глубнны фрезерования, увеличению' неравномерности расстила фрезерной крошки по толщине, засорению готовой продукций мелкими древесными

- < -

включе!?йямц. При этом лроиз^адотельвдсть добщающго рбсрудрштя сиижается здяа раза i> в даа раза уменьшайте» наработка техшкн на отказ.

В связи с ш.'южгшилм актуальными являются: поиск способа удаления древесины с lapwieti гранпни разрабатываемого слоя торфяной залеад определение шраметроа машины для реализации этого способа.

Пель работы , Разработать спс зб и определи осноаниг параметры рабочего органа машиш да удаления гаки, находящиеся п толп» залежи ца гра обрабатываемого слоя, Поставленная цель достигается решецием следующие з" тач: ;

- npoauanit nipoiiarf. ф'.пвдеские процессы, происходящие с пнями при различных способах корчевания н их штелюгические описшшя;

- на основе сделашгагс аиг$лша предложить способ удадгшъч лизй, находящихся о толще талежь Па грашшг .обрабатываемого слоя и дать его.мотшаттескае сиисаииг;.

- грстестп Э!ссп4р1Шу1'|Талы1ыг йадкдэпашя. с целыо проверки предлтаяшог'о способ;! if обослосагп!« ос1ювгг[,[хггарз>.(гтро» рабочего органа.

Hayyfn.nioninnn. Состоит в определении размеров и формы пршсорнезих массгаоп, обрауиздихся при . корчевании. различными способами, в уешювлешш закономерностей' йзшичодсПстоия. рабочего элемента в ющг плоского горщог.тотыюго профшм с .дреиссныы адючешшм, a разработке нового сгокоСа удааадия miett путем iik ашесишця из обрабатываемого слоя в шшйтакащце слон, *.

Пеп:; пиеска» зис тш.гоугь. Заключайся в row, что предложена Методика расчета еопрогивлений, ь лишающих и» рибочем элемент« при разшкшш направлш ч й месте приложения усилия « древесному вкшочешцо, предложен способ удаления древесшгы ; границы обрабатываемого сям путем вдавливаю« в ЬгмшеЯйигрм слои, обоснованы основные параметры (операционная мощность, улёльивя энергоемкость вдавливания, геометрический

параметры) и конструктивный вкд . рабочего органа пассивного типа непрерывного действия. Предложена технология практического использования такой машииы на ремонте производственных ающадей значительно снижающая количество древесных остатков в эксплуатационном слое.

Реализация результатов исследований. Предложения по созданию прицепной машины Пассивного типа непрерывною Действия с горизонтальным вдавливающим ножом, агрегатнруемой с трактором Т-100МЗБГС передагм руководству торфопредприятш «Оршшшкое». Результаты исследований используются в учебном процессе Л ТУ езудиггами специальности «Горные машины и оборудование».

Апробация работы. Отдельные этапы исследований и основные положения диссертационной, работы докладывались н обсуждались на семинарах и заседаниях кафедр «Тсрфлиле машины и оборудование», «Строительные к дорожные машины и оборудование», на научио-тсхннчсскпх конференциях преподавателей, сотрудников и аспйрантоп ТверсхогО государственного технического университета в 1995 - 9<!гг.

Публикации. По результатам исследований опубликовано четыре научные статьи, получено положительное решение на выдачу патеота на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертаций состоит из. введения, пяти Глав, шводов и списка литературы. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержш 45 рисунков, 18 таблиц, 110 наименопатш использованных :и терагурных источшпсов.

Содержание работы

Введение. Обосновывался актуальность формируется цель

г

исследований, чзла.лотся основные положения, выносимые неза(циту.

Первая глава Проанализировано современное состояние вопроса, поставлены цель и задачи исследования. Процесс корчевания связан как со свойствами торфяной залежи так и со свойствами древесных включений, распределенных в ней. Основные закономерности формирования свойств торфяной залежи, природа сил, обуславливающих ее связность и сопротивляемость внепл.лм нагрузкам, отражены в работах Л.С.Амаряна, М.П.Воларовича, Н.И.Гамаюнова,' И.И.Лиштвана, И.Ф.Ларгина, Е.Т. Базина,

B.И. К копа и др. В изуче-че характеристик древесных остатков, законов их распределения и в развитие способа корчевания большой вклад внесли

C.Н.Тюрем п, И.Ф.Ларгин, О.М.Мадепуро, К.И.Пряничников, Ю.Д.Куекоп, Л.П.Кудимов, В.И.Ефимов, П.И.Аболь, А.А.Головнии, В.П.Никитин, С.Д.1 нльмсон, Ф.Г.Сергеев и др.

В результат обобщения и анализа этих работ выяснено, что главным недостатком подготовки эксплуатационного слоя торфяной залежи способом корчевания является пропуск пней, ствольная часть которых находится внутри обрабатываемого слоя, а корневая часть - ниже этого слоя. Как правило, такие пни существующими корчевателями из залежи не извлекаются.

. Поэтому основной задачей исследований явилось решение вопроса удаления пней, находящихся в толще залежи на грашще обрабатываемого слоя. ,В завершение первой главы были сформулированы задачи диссертационной работы: проанализировать физические процессы, происходящие с пнями при различных способах корчевания и их математические, описания; на основе сделанного анализа предложить способ удаления пней, находящихся в толще залежи на границе обрабатываемого слоя и дать его математическое описание; провести эксперимент' -тьные исследпаиня с целью проверки предложенного способа и обосниваяия основных параметров рабочего органа.

Вторая глава. Рассмотрены теоретические вопросы процессов взаимодействия рабочего элемента с древесным включением. Основой расчета сопротивлений, возникающих при таком взаимодействии служит теория предельных равновесных состояний О.Мора, связывающая нормальные и

касательные напряжения, возникающие при корчевании в грунте: Т -С ± ЦСУ

,гдс С - сцспдснис между частицами груша; Ц=1(>(Х - коэффициент внутреннего

трения грунта;« - угол внутреннего трения.

В этой связи, для расчета усилий большое значение приобретают форма и размеры прикорневых массивов, образующихся при корчевании различными лособамн. А пап гз физической картины взаимодействия корчующего элемента с древесным включением при разных способах ведения процесса показал, Что форма п размеры прикорневого массива зависят от направления и места приложения корчующей Нагрузки. Так, для случая вертикального центрального приложения нагрузки при выборочном способе корчевания прикор^вой массив имеет форму цилиндра радиусом Н=3с1 (¿-диаметр ствольной части пня), и высотой, равной сумме высоты пня Ь„ и глубины его Залегания 1т,: Н=1»„+Ь,. Для способа корчевания за боковой корень, па основе которого работают все корчеватели непрерывного действия, прикорневой массив имеет форму двух сопрягающихся цилиндров, имеющих единую ось - малого и большого для симметрично-лапчатых пней и малого и части большого для одностор.ине-лапчатых пней (рис.1). Размеры малого цилиндр«, соответствуют диаметру й и высоте стводыюй части пня а размеры большого - радиусу обрыва скелетных лап при корчевания и высоте лап около ствольной части Ьл= 0,8с1+1. Поскольку при одинаковом диаметре ствольной части, размер I прикорневого массива у симметрично-лапчатых пней больше, то и расчет усилий проводили для этого типа пней.

- & -

Рис.1. Форма и размеры при орневых массивов, образующихся при повороте пня в процессе корчевания из торфяной залежи: а - односторонне-лапчатых пней; б - снммеяжчно-лапчатых.

Рис.2. Схема к расчету со рогивлений от внецентренной вертикальной гаги гоиаоетальной внешней нагрузки.

Для случая вертикальной центрально-приложенной нагрузки -сопротивление корчеванию состоит in.. усилия на отрыв массива от окружающего грунта Ро и его массы М: Р=Р0 + M =(ln+0,8d +26,5) (6rcdl т \ + Qud^) + 9ltdJ( стр l

где у - плотность прикорневого массива; I <7Р ) - предельные

напряжения тор<фа на разрыв; ]Т| - предельные напряжения торфа на сдвиг.

Дня случаев приложения внешней нагрузки вертикально к боковому корню и горизо!ггально к ствольной части будет происходить поворот пня в залежи, при этом прикорневой массип образуется в виде двух сопрягающихся . илппдрои. Усилие корчевания может быть приложено п разных точках прикорневого массива относительно его центра тяжести. При этом отрыв будет происходить неравномерно, при нпличий сложного движения - относительного -вращения вокруг некоторой оси О-О н абсолютного - перемещения центра тяжести массива вдоль лишш действия силы Р с приближеннее*-его к этой линии (рнс.2). Расчет по максимальным усилиям сопротивлошя корчеванию целесообразно проподить для попорота массива вокруг точки О, поскольку именно при этом движении происходит начальный разрыв основных связей прикорневого массива с окружающим грунтом. В дальнейшем ходе процесса усилие будет затрачиваться, d основном, на преодоление тай называемого конечного сопротивления сдвигу, обусловленного структурным сцсплсшем.

Для поворота прикорневого массива характерно неравномерное распределение суммарных напряжений по его поверхностям, в зависимости от удаления последних от оси поворота. С учетом дополнительных напряжений, появляющихся на площадках при внеценхрешгом приложении уешп.л корчевания можно записать:

i t»;

OJO-№■ OfiP

е.» дм aso fi20

A ¿ 2 í id iq(z„)

Рлс.З. Зависимость сил «.эпротивления от расстояния цриложенш внешней нагрузки дэцеитра тяжести пршориевого массива; а - от нормальных напряжений в горизонтальном сечений Ki= l/l,32х0+1 ; S - от нормальных напряжений в вертикальном сечении К2=1/3,36х0 +-0,98; в -'.от картельных напряжений при ьерпишльыом Приложении нагрузки Кз=хо'1,35х<)-0,15; г - да веса массива K4=Xo/ls49X(rQ,2; д-рт касательных напряжений при горизонтальном npi зоженйй нагрузки Kj=Z(/2,l9zo+fl,25. ,

1 Y Y X X

** P(— +-+-)Ä[<?|, где: [СУ] - предельные значение нормальных

F Ix IY

напряжений; F - площадь-сечения; X<Y- коордшшты рассматриваемой точки поверхности; Х0 ,Yo - координаты приложения силы Р; I,, 1у - моменты

инерции сечения.. Откуда для одного in сечений : Р = —^—. Из этого

Л + М ■

F

выражения следует, что сопротивление корчевашпо при впеценгренном приложении внешней силы всегда меньше, чем при центрально-приложенном.

Рассматривая действие на поверхности массива нормальных и касательных напряжений в гориюнтатьном и вертикальном сечениях, можно вывести. расчетные зависимости сопротцг -ений корчеванию при различшх точках приложения к древесному включению кррчующей нагрузки (ptic.3)..

Зная эти зависимости, а также определив возможные сопротивления йа площадках при Центральном приложении внешнего усилия можно рассчитать общие сопротивления корчеванию при заданной точке приложения внешней силы. Для случая корчевания за боксвой кореиь г

Р=9*</[ Ор |Ki+d(3!,5+4,8d)((cTl) 1 Iii + (*} Kj )+««!% ТДаНЗ^К*

Язя случая горизот-йльного приложения tmcmircttiterpysxit: . р=9тг(11 (|(7р |К, + [ т JK,) +(1(ЭШ4,С0) I Стр

Сравнение расчетных Записимосгей coripoTHWietnifl Kop*fcnairno раз;нг,нымн способами и вдавлипаншо о шпгсележадЫе слой способом горизонтального приложения внешней нагрузки показало возможность и дай» выгодность по энергетике процесса (для наиболее часто встречающихся я залежи пней сЫ2см) применения последнего (рис.4).

Рис.4. Зависимость ус алия корчевания различными способами вДавливачия от размеров шш при глубине залегания К, = 20см, прочности зале;, л на сдвиг [т ] = ЮкПа; эксвдприситет приложения силы х;, г (): В • корчевание вертикальной ценч^альной силой; Б -корчевание вертикальной силой за боковой корень; Г - вдавливание горизонтальной силой.

- 13 -

км. ё

7

6

5 +

я г

о ЗУ 3} т 4Я Ш У®

Рис.5. Зшшсимост сопротивления транспортированию от угла поворота прикорневого массива в залежи (для пней с!=10см).

- к -

Рассмотрение физической картины взаимодействия горизонтального профиля с древесным, включением показало следующее; - для исключения заклинивания пня на рабочем органе необходимо, чтобы передняя кромка . профиля, не внедрялась в древесину пня , т.е. имела как можно больший радиус затупления в зоне контакта с древесиной;«профиль должен иметь достаточную Ширину для вдавливания всех частей пня в нижележащие слои; - глубина обрабатываемого слоя долидаа быть больше, чем требуемая глубина очищенного слоя на ведггншу упругого восстановлений вдавленных пней.

Изменение сопротивлений повороту и транспортированию пня в залежи таким paf.'mm органом подчиняется синусоидальному закону (рис. 5):

IV^Ífríeos«? + JaJsiiKf) 9 7:d3s»íi<p +.{|ф1пф+ |tj|cos<¡>)(6(Шл+(1 h„) cos<¡>

Cpaoiieiirte зависимостей 4 и 5 позволяет сделать вывод о том, что сопротивлений Повороту пня с транспортированием в залежи всегда меньше иди равно начальному сопротивлению рбрыва Связей пня с грунтом.

Третья глава. Изложены Пршрамма и Методика проведения опытов, описание экспериментальных ycraiiOBOK й технических средств, применявшихся в исследованиях.

В соответствии с поставленными задачами программа была построена в три этапа: tía первом этапе исследовалась зависимость усилия корчевания от способов приложения нагрузки к Древесному включению; на втором - выяснены усилий nd перерезанию древесины пня ножоы (клином); на третьем определены основные энергетические и геометрические параметры нового рабочего органа и его конструктивный вид.

Исследования первого этана включали: экспериментальное определение усилия корчевания Р при различных способах его приложения в зависимости от размеров d нпя и глубины залегания Ь; определение формы и размеров прикорневого массива, корчуемого ьместе с «нем; сравнение полученных результатов И выбор наиболее рационального способа приложения усилия при

сплошной корчевке пней, расположенных на границе обрабатываемого елся Н=0.5 м. "

На втором этапе исследовались зависимости: . усилия торцевого перерезания ножом (клином) от диаметра образца в.районе реза; усилия резани" от угла наклона волокон образца, к плоскости ножа; усилил разрушения лап пня от расстояния приложения нагрузки до его оси; усилия разрушения от высоты приложения нагрузки относительно корневой iiieittcn. Последние исследования проводили с возможностью поворота образца й сторону действия силы при расположении ножа фаск Ti вверх и вниз.

На третьем этапе изучение влияния геометрических Параметров рабочего органа на усилие резання торфяного грунта проводили методом постановки многофакторлого эксперимента. Определялось влияние На усил' ? резания трех

факторов: утла захвата горизонтального профиля, у; угла наклона вертикальных профилей X; величины выступа горшонтазьного ножа перед вертикальным)!, так называемого, «козырька» к. Кроме того, сюда вошли однофакторные эксперименты по определению влияния ширины горизонтального профиля иа усилие корчевация и определению качества удаления древесных включений с границы обрабатываемого слоя. .

Эксперименты проводили на тйрфопредпрнятни «Оршннское». Качественные характеристики верхнего, 0,3м слоя залежл следующие: тин залежи - верховой вцд торфа - путпннсво-сфючювЫй. стспсНь разложения R=20-25%, шпетоств П=2-2,5%, влажность W=79-89%, Предельные напрюкетм . торфа на сдвиг {т^КМгкПа.

Четвертая глава. Приведены резуль.атм экспериметалыплх исследований и их анализ. Эксперимент« по определению усилий формы и размерен прикорневого массива позволили вшшгг. характер изменения сил «орченання, построить их дизграьшы на. нротягшшп гсего ропесса и

вычислить работу этих сил для каждого из способов. Зависимости усилия и работы корчевания или вдавливания от размеров пня имеют вид степенных функций: Р« |,81 d0A'jA= O^Id'13 - для способа вертикального центрального корчевания; Р= 0,26 <1,ЛЛ;А=» 0,04 <l"3 - для способа корчевания за боковой корень; Р- 0,066 «1Ш;А= 0,0066 d163 - для способа горизонтального вдавливания.

Эти кривые показывают, .го по энергоемкости каждый из способов имеет свою область эффективного применения. Однако наиболее bl годным является способ корчеванияза боковой корень. Энергоемкость других способов в значительной'степени зависит от крупности пня. Так, доя пней размером d=10-12см выгоднее применять вдавливание горизонтальной силой, приложенной к ствольной части, а для пней размерами d>15c*i менее энергоемким становится выдергивание центрально приложенной вертикальной силон. Обменяется эго разным соотношением сил на отрыв прикорневого массива и сил сопротивления на его транспортирование в толще грунта, составляющих общее усилие корчевания. Изучение диаграмм процесса вдавливании показало следующее (рис.6). В положении I наблюдается настоянное усилие по pc .jniiio торфяного грунта до момента контакта с пнем (ширина захвата экспериментального рабочего органа 0,8м); в положении 11 - начало взаимодействия профиля с пнем, усилие плавно возрастает, в зонах а и б начинается уплотнение грунта, пень поворачивается относительно некоторой оси до угла ф»30°, длина пути взаимодействия Lad; в положении III происходит обрыв связей пня с грунтом, формироваш1е прикорневого Массива, усилие резко возрастает, в зонах а и б продолжается уплотнение грунта, в моменг начала транспортирования начинается уплотнение в зоне в, при этом в зоне б наблюдается разрыв, общая длина пути взаимодействия b«3d; в положении IV продолжается процесс транспортирования пня, при этом сопротивления транспортированию сосредоточены в центре бокового сопротивления (цбе), в результате чего будет

1 Рис.6. Схема процесса вдавливания древесного включения в нижележащие слои залежи

- I?.- '

происходить поворот относительно точки контакта лап с плоскостью ножа, происходит вдавливание пня в залежь, усилие сначала возрастает до величины близкой усилию отрыва, а затем плавно падает, общая длина пути взаимодействия Ь=7с1; в положении V пень вдавливается в нижележащие слои, усилие на рабочем органе больше усилия резания торфа на величину сил трения; в положении VI -восстановление вдавленного пня На величину упругих деформаций:

Зависимости усилия корчевания разными способами от глубины залегания пней среднего размера с1=10см носят линейный характер: Р=0,028Ь,+6,47 - для способа е дергивания центрально приложенной вертикальной силой; Р=0,10Ь,+ 5,49 - для способа опрокидывали» за бокоиой корень; Р=0,О611,+7,44 - для способа опрокидывания горизонтальной силой. Анализ этих зависимостей показывает, что усилия корчевания за боковой корень и опрокидывания за ствольную часть мало зависят от глубины зачегання пня и различаются лишь некоторой постоянной величиной характерной для каждого из способов. Объяснить это можно тем, что размеры прикорневых массивов при этих способах ведения процесса практически остаются постоянны? ч независимо от места приложения нагрузки к гига.

Эти выводы подтверждают данные обмеров и взвешивания Прикорневых массивов полученных при корчевании разными способами, эмпирические зависимости: О = 6.6 й -1; С = 0,02 ||,+ 0,87 - для способа выдерг ивания ;

К

В = 6.37(1 1.2 ;С =- - для способа корчевания за боковой корень;

1,2911, +0,8

Б = б.ОЭи +0.7 ; в =0,004 Ь,+ 0,616 - для способа опрокидывания за ствольную часть.

Эксперименты по разрушению древесины пней ножом (клином) с затупленной режущей кромкой показали, что полное перерезание сосновых пней в торфяной залежи плоским профилем с определенными геометрическими

параметрами, движущимся горизонтатьно, невозможно. Для этого требуется значительно большая работа и усилие в три - четыре раза большее, чем для отрыва и транспортирования пня в залежи таким же профилем. Эмпирические зависимости усилия перерезания при консольном креплении образцов (допускается прогиб волокон) - Р^ДОс!1'94; с использованием противорежущей пластины - Р=3,12й ),1. Однако, при взаимодействии горизонтального профиля с древесным включением возможно откалывание щепы, усилие на отделение которой соизмеримо с усилием опрокидывания пня. Причем, даже небольшой поворот ствольной части пня под действием горизонтального профиля относительно его плоскости приводит к резкому снижению усилия на отделен)« щепы. Зависимости усилия резания от угла наклона волокон образца к плоскости ножа - Р=1/ 0,01ф+0,05 - при консольном креплении образцов; Р=1/0,02(р+0,014-с использованием противорежущей пластины. Это говорит е том, что процесс воздействия такого профиля будет происходить без значительного нарушения целостности пня.

Соотношение усилий па поворот или разрушение ппя зависит от высоты попадания ножа на ствольную часть относительно корневой шейки. Увеличение этой высоты снижает долю усилий на разрушение дрепёсного включения и предотвращает заклинивание профиля между стволом в какой-либо из скелетных лап. Зависимости усилия от высоты попадания ножа на ствольную часть: Р=1/0,03!>+0,18 - для ножа, расположенного фаской вверх; Р=1/0,0611+0,34 - для ножа, расположенного фаской вниз (к корням). Зависим сть усилия разрушения лап пня от расстояния приложения нагрузки до его центральной оси. 1Мб,39еЛ'0Я'. Расположение заточки ножг фаской вниз приводит к уменьшению внедрения ножа в древесину, уменьшению угла резания относительно ее волокон, что также способствует снижению этих усилий. На основании этих исследований можно сделать вывод о еще более значительном снижении усилий при применении закругленной передней

. • - 10 -

! кромки, имеющей радиус кривизны примерно равный толщине профиля и расположенной выпуклостью вниз.

На основании результатов первых двух этапов исследований, были сделаны выводы о возможности применения плоского горизонтального ножа для удаления пней с границы обрабатываемого слоя залежи. Причем, учитывая взаимодействие такогоножа с древесным включением и возможное разложение усилий, признано ыелесообразш 'V« удалять такие пни из обрабатываемого слоя, не извлекая их на поверхность, а заглаживая в нижележащие слои. В этой связи были разработаны два варианта конструктивного вида рабочего органа - с Одним периметрам, включающим широкий горизонтальный заглаживающий профиль; - с двумя периметрами, установленными друг за другом последовательно на одной глубине резания с первым - узким I, вторым -широким горюоиталиилми профилями.

Обоснование геометрических парах ров горизонтального профиля и периметра в сборе осуществляли методами постановки многофакторпого и серии однофаеторных экспериментов.

В соответствии с. результатами многофакторного эксперимента, определены области раицоналыгых значеннН таких параметров, как угол захвата горизонтального профиля у, угол наклона вертикальных профилей в ах плоскости резания X и величины «козырька» к. Они влияют на сопротивление резанию торфа »1 связшш уравнением рсгрсссии :

р=4.31-Ю.024г-А.035Х,-0.046к+«11.00059у5[+0.(1015Х,2+0.0017кг Для варианта конструктивного вида с двумя заглаживающими периметрами, последовательно закрепленными друг за другом, расстояние между ними, обеспечивающее полное удаление пней с границы обрабатываемого слоя должно быть не менее I м.

Результаты экспериментов но влиянию ширины горизонтального профиля на усилие резания торфа и корчевания показали следующее. Для резания торфа

• , - 21 - ' зависимости, усилий от ширины первого и втор» > горизонтальных профилей близки к лгаейныи: 1М>,ТШ)+7,в1; р«3,21Ь1+2,94. Для промесса вдавливали влияние ширины второго профиля носке' тарке линейный характер 361)1+6,15. Влияние же гшфгшы первого профиля на сопротивление вдавливанию соответствует эмпирической зависимости 1'= 16,07 Ь^91. Это говорит о неэначт I льном ее влиянии на сопротшлеи.ие вдавливанию, что позволяет сделать предварительный высод 'о предпочтительности варианта копстру1£Тивиого пидд с одним периметром..

Пятая глава. Произведена комплексная оценка качества четырех возможных вариантов компоновки нонсгрззспш.ного вида, изящны- ио единичным показателя!! (параметрам) и сделан вывод о наиболее рациональном пзришпе. Он представляет из себя рсЙочйП рргал,. состоящий из -'одного горШоиталышго н пяти тертнкалышх профилен. Геометр;гжекне размены горизонтального профиля: ширина-Ь=0,бм, „шта трлщШт-б-|),03м;

радиус загеруглещгя передней кромкиугол злйгаЯа в.плаце.- у=709, угол наклона вертикальных профилей - Ш«»шна «тоз.мрька» - к-0,3м,

габаритная дата рабочего органа в сборе - Ье^ЗДЭм, масса нетто - т=9.1«1ст, среднее усилие; при веденцц рабочего . процесса - .1^23,56)111, удешю»

сопротивле1ше-'ру,^112кН/и2. . ' . : ' >.

• Экономический расчет наказал, что туристическое испольэояпипе такой машины и*Г ремонте произнодстогииых - площадей позволит получть экономический эффект около 151,$ руб'га т цена!! до 17 «игуста 199Вгод'д.

йиооды.

?. На основе проявленного анализа с1«оойон »орчеввит и теоретике-экспериментальных неследочавий утаиоалено, что кода -лого процесса происходит отрыв пня от окружающего гру!гга пх^гп с иейатсрым

прикорневым массивом, объем которого на 20-30% меньше, чем принятый в раннее проведенных исследованиях.

2. Удаление пней, Находящихся на границе обрабатываемого слоя залежи путем вдавливания в ннже.тежяшне слои горизонтальным профилем возможно и требует на Ю-15% меньших усилий, чем при корчевании Центрально-приложенной силой в диапазоне наиболее часто встречающихся в залежи пней ё 5 12см.

3. Для предотвращения заклинивания пня, нож юлжен •: иметь закругленную» рабочую. кромку, исключающую позЯгожность Внедрения в древесину. ..4. Теоретические к экспериментальные исследования позволен

обоснопать копегруктнвтзо схеМу рабочего органа машины для удаления дрсвсснь!х включений с ШЬкней границы обрабатываемого слой в пидс периметра, состоящего нЗ 1оризрнтш1ьного профиля определенное! ширины и нескольких вертикальных профилей. Расчеты показали возможность . агрегатнроиашт такой машины с трактором Т-100 при ширине захвата рабочего органа 3"3,3»г.

5. Рашшпатьнме значения основных параметров рабочего органа следующие: геометрические размеры горизонтального профиля: ширина - Ь = 0,бм, длина-Ь=3,19м,толщина-5=0,03м; радиус закругления передней кромки -11=3Омм; угол захвата в плане - у=?0<', угол наклона верГиказьных профилей -Х=20°, веЛичп|1а «козырька» - к=0,3м, число вертикальных профилей - п=5, габаритная длина рабочего органа в сборе - 1,п,5=3,29м, масса нетто - т-914кг, среднее уешне при ведении рабочего процесса Р=28,5бк11, удельное сопротивление - Р>д=112кВ'м2.

6. Предлагаемый рабочий орган обеспечивает полное удаление пней с грошщы обрабатываемого слоя, не извлекая их на поверхность. При этом было установлено, что устройство можно применять в комплексе как с активным, так

- -

и с пассивным корчевателями. Использование ¡люй машины в комплексе с обычным пассивным корчевателем улучшит качество подготовки эксплуатационного слоя, экономический эффект от ее применения составит 151,9 руЙ/га.

Основные положения диссертации достаточно полно отражены в опубликованных работах:

1.Мае ленчиков Д.Г., Самсокоч Л.Н., Павлов iG.IL Удаление древесных включений из торфяной затежн. // Сб. «Технология н комплексная Механизация торфяного нро1Пьидства».-Тпсрь:ПТУ, 1996.-С. 114-118.

2.Положительное решение по щяике на полезную модель №94014174 «Корчеватель» /Д.Г. Маслениикйв, Л.Н.Самсоноя, Ю.Н.Паплов.

3.Масленников Д.Г. Обоснование размеров прикорневого масскиа при сплошном корчевании пией па торфяной залежи // Технология и комплексная механизация торфяного прошводства: Сб.науч.тр Твсрь:ТГТУ,1997.-С. 121*124.

4.Масленников Д.Г., Полетаева Е,В. Автоматизация выбора техНолоптеской схемы ремонта производстве! игых площадей добычнторфа // Технология и и комплексная механизация торфяного, прошводства: Сб.пауч.тр.ТверЬ:ТТТУ, 1997.-С. 144-146.; . ... ■

5.Самсонов Л.Н., К01вдратъеа А.В., Павлов Jp.Il., Маедешшкоя Д.Г.Результаты оптимизации параметров валковых сепор,ттсров торфяных машш. Г1 Технология н комплексная механизация торфяного нроюводства: €б.1гауч.1р.Тверь:ТГТУ, 1997.-С.144-146. • .

/

Тверской государственный технический университет

Обоснование способа и параметров рабочего органа для удаления древесины из разрабатываемого слоя

торфяной залежи

05.15.05 - Технология и комплексная механизация торфяного производства

На правах рукописи

Масленников Дмитрий Георгиевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

/ а

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Л.Н.Самсонов

Тверь 1998год

Содержание

Введение..........................................................................................................3

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований....................................6

1.1. Анализ существующих способов удаления древесных включений из торфяной залежи.......................................................6

1.2. Основные параметры и режимы работы корчевателей непрерывного действия....................................................................12

1.3. Некоторые физико-механические характеристики торфяного

грунта.................................................................................................23

1.4. Древесные включения в торфяной залежи.........................................26

1.4.1. Краткие сведения о физико-механических свойствах

древесины пней и процессах ее резания..................................29

1.5. Классификация способов корчевания и методы расчета усилий

на рабочих органах...........................................................................32

1.6. Цель и задачи исследования................................................................38

Глава 2. Основные закономерности процесса взаимодействия рабочего

элемента с древесным включением...............................................39

2.1. Формы и размеры прикорневого массива, образующегося при

различных способах приложении нагрузки....................................46

2.2. Расчет усилий корчевания при их различном направлении и

месте приложения к древесному включению.................................52

2.2.1. Расчет усилий корчевания вертикальной центрально-приложенной силой..................................................................52

2.2.2. Расчет усилий корчевания вертикальной силой, приложенной к корню..............................................................56

2.2.3. Расчет усилий опрокидывания древесного включения горизонтально приложенной силой.........................................66

2.3. Взаимодействие горизонтального профиля с древесным включением, находящимся на границе обрабатываемого слоя.....69

2.4. Выводы по теоретическим исследованиям........................................80

Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований...........82

3.1. Исследования по определению усилий, формы и размеров

прикорневого массива при различных способах приложения внешней нагрузки.............................................................................83

3.2. Исследования по определению прочности пней при корчевании ....90

3.3. Обоснование геометрических параметров нового рабочего органа................................................................................................94

3.4. Условия проведения полевых экспериментов...................................96

3.5. Математическая обработка результатов исследований.....................98

Глава 4. Экспериментальные исследования..................................................103

4.1. Результаты экспериментов по определению усилий, формы и

размеров прикорневого массива при различных способах

приложения внешней нагрузки........................................................103

4.1.1. Выводы........................................................................................118

4.2. Результаты экспериментов по разрушению пней ножом (клином).............................................................................................119

4.2.1.Выводы.........................................................................................128

4.3. Обоснование некоторых геометрических параметров нового

рабочего органа.................................................................................131

4.3.1. Выводы........................................................................................143

Глава 5. Практическое использование результатов исследований..............146

5.1. Комплексная оценка влияния основных параметров нового

рабочего органа на энергоемкость его работы................................146

5.2. Расчет экономического эффекта от применения новой техники......152

Выводы............................................................................................................157

Литература......................................................................................................159

Введение

Актуальность проблемы. Наличие больших запасов торфа на территории России, а также разнообразие его состава и физико-химических свойств, определило это полезное ископаемое как один из источников энергетического, технологического и коммунально-бытового топлива, сырья для газо-химическои и биологическои переработки, производства удобрении, подстилки, строительных материалов и другой продукции.

Подготовка и ремонт производственных площадей являются одним из определяющих звеньев торфяного производства. Основные виды подготовительных и ремонтных работ на торфяных залежах механизированы, причем на операции, связанные с удалением древесных остатков, приходится около 95% трудовых и материальных затрат.

Ку о

одной из технологических схем ремонта производственных площадей относится операция корчевания. Она имеет свою область эффективного применения, однако более широкому ее распространению препятствует не всегда удовлетворительное качество проведенных работ. Установлено, что надежное извлечение пня из залежи обеспечивается только при условии его захвата рабочими элементами корчевателя за корневую часть и как можно ближе к центру тяжести. При этом из залежи извлекаются только те пни, которые целиком находятся в обрабатываемом слое (глубина этого слоя обычно 40 см). Если же ствольная часть находится в обрабатываемом слое, а корневая часть - ниже этого слоя, то такие пни остаются в нижней части обрабатываемого слоя. В следствие этого древесные остатки, не удаленные из эксплуатационного слоя, являются основным препятствием для разработки торфа рабочими органами добывающих фрезеров. Это приводит к уменьшению глубины фрезерования, увеличению неравномерности расстила фрезерной крошки по толщине, засорению готовой продукции мелкими древесными

включениями. При этом производительность добывающего оборудования снижается в два раза и в два раза уменьшается наработка техники на отказ.

В связи с изложенным актуальными являются: поиск способа удаления древесины с нижней границы разрабатываемого слоя торфяной залежи, определение параметров машины для реализации этого способа.

Цель работы . Разработать способ и определить основные параметры рабочего органа машины для удаления пней, находящихся в толще залежи на границе обрабатываемого слоя. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- проанализировать физические процессы, происходящие с пнями при различных способах корчевания и их математические описания;

- на основе сделанного анализа предложить способ удаления пней, находящихся в толще залежи на границе обрабатываемого слоя и дать его математическое описание;

- провести экспериментальные исследования с целью проверки предложенного способа и обоснования основных параметров рабочего органа.

Научная новизна. Состоит в определении размеров и формы прикорневых массивов, образующихся при корчевании различными способами, в установлении закономерностей взаимодействия рабочего элемента в виде плоского горизонтального профиля с древесным включением, в разработке нового способа удаления пней путем их вытеснения из обрабатываемого слоя в нижележащие слои.

Практическая значимость. Заключается в том, что предложена методика расчета сопротивлений, возникающих на рабочем элементе при различном направлении и месте приложения усилия к древесному включению, предложен способ удаления древесины с границы обрабатываемого слоя путем вдавливания в нижележащие слои, обоснованы основные параметры (операционная мощность, удельная энергоемкость вдавливания, геометрические параметры) и конструктивный вид рабочего органа пассивного

типа непрерывного действия. Предложена технология практического использования такой машины на ремонте производственных площадей значительно снижающая количество древесных остатков в эксплуатационном слое.

Работа выполнялась на кафедре Торфяные машины и оборудование Тверского государственного технического университета.

1. Состояние вопроса и задачи исследований

1.1. Анализ существующих способов удаления древесных включений из торфяной залежи

Удаление древесины из разрабатываемого слоя пнистых торфяных залежей для первого и последующих лет эксплуатации производится несколькими технологическими способами: - способом глубокого фрезерования залежи вместе с древесными включениями; - способом корчевания древесины из разрабатываемого слоя; - сочетанием способов корчевания и фрезерования.

Выбор той или иной технологической схемы подготовки или ремонта залежи и объем работ зависят от ряда факторов, к важнейшим из которых относятся тип залежи, вид торфа, степень разложения, пнистость, растительный покров, а также требования к готовой продукции [1-8].

Вообще, при оценке того или иного способа подготовки поверхности торфяной залежи следует рассматривать весь комплекс соответствующих машин.

Так, для удаления древесных включений может быть использован комплекс однооперационных машин: пассивный корчеватель ОКП-1 (РКШ-4; КГ-700), машина для сбора пней в валки МП-6; погрузчик МТТ-16 и прицепы МТП-24Б. Может быть применена схема комбайнированного корчевания с использованием активного корчевателя МТП-81А, оснащенного транспортером для погрузки пней в прицепы МТП-24Б, или активного корчевателя МТП-81А (МТП-26), оборудованного валкователем. Тогда погрузка пней в прицепы должна осуществляться погрузчиком МТП-29А. Машина РАПП-2 (РАПП-З) предназначена для глубокого фрезерования на больших подачах и сепарации торфа от древесной щепы с укладкой ее под

фрезеруемый слой или в валок с последующей погрузкой машиной МТП-29А в прицепы МТП-24Б. Машина МТП-42А фрезерует залежь на меньших подачах, но выполняет подготовку слоя залежи за одну операцию, не требуя последующего вывоза древесных остатков за пределы обрабатываемой площади.

Во ВНИИТП проведен технико-экономический анализ использования на ремонте производственных площадей различных комплексов машин и определены области их эффективного применения [9]. Из этой работы следует, что при пнистости залежи 1% и объеме работы на площади до 100 га рационально применять комплекс однооперационных машин с ОКИ-1, а свыше 100 га - МТП-81А. При пнистости залежи 2 и 3% и объеме работы на площади до 150 га экономична машина РАПП-2, а более 150 га - комплекс с машиной МТП-81А. Однако, остатки древесины, уложенные машиной РАПП-2 под обработанный слой, необходимо удалять по мере их концентрации в залежи, что снижает эффективность данной машины. Поэтому при пнистости залежи 2% целесообразно использовать корчеватель MTII-81A. Способ глубокого фрезерования рекомендован для малопнистых площадей [10] , поэтому на площадях пнистостью залежи 3% и выше предпочтительно применение машины МТП-81А. На рисунке 1.3. показана зависимость удельных приведенных затрат (по ценам 1986года) от площади обрабатываемого участка залежи." Кроме того, на экономическую эффективность использования различных комплексов машин влияет степень разложения залежи, от которой зависит количество бесполезно вывозимого с древесиной торфа. В таблице 1.1. приведены средние фактические значения производительности анализируемых машин, полученные при их эксплуатации в производственных условиях [9] .

Кроме экономической, сотрудниками ВНИИТП была произведена оценка эффективности конструкций рабочих органов машин с точки зрения энергозатрат на операцию освобождения торфяной залежи от древесных включений [11].

Таблица 1.1.

Средние фактические значения производительности

анализируемых машин.

Марка Производительность га/смена при пнистости залежи

машины

1% 2% 3%

ОКП-1 8,5 6,2 5,3

МТП-81А 2,7 1,9 1,5

МТП-42А 0,49 0,41 0,32

РАПП-2 0,65 0,54 0,43

РАПП-3 0,78 0,68 0,60

После расчета с помощью полученных аналитических зависимостей интервалов значений сил сопротивления Р, которые преодолевают корчующие и фрезерующие машины, были определены удельные сопротивления разрушению торфяной залежи К (табл. 1.12.)

В таблице: i- число корчующих элементов; Н- глубина корчевания; h -ширина корчующего элемента; ip - число корчующих элементов, одновременно участвующих в процессе резания; Scp - толщина снимаемой стружки; La -длина пути корчевания; Уд - объем пней; и - скорость резания.

Приведенные в таблице 1.2. значения удельного сопротивления разрушению торфяной залежи позволяют отметить, что энергоемкость разрушения беспнистой торфяной залежи активным корчевателем в 1.1 - 1,8 раза выше, чем пассивным. Такое соотношение определяется большей степенью измельчения торфяного грунта и на более высоких скоростях резания у активного корчевателя. В то же время энергоемкость извлечения пней пассивным корчевателем в 1,1 - 2 раза выше, чем активным. Объясняется это

тем, что при активном корчевании отрыв прикорневого массива осуществляется не одновременно по всей поверхности, как при пассивном

Таблица 1.2.

Удельные сопротивления разрушению торфяной залежи

для различных типов машин.

Тип рабочего органа и скорость передвижения машины, м/с Зависимость для определения удельного сопротивления разрушению торфяной залежи и его значения, кПа

беспнистая торфяная залежь корчевание или фрезерование древесных включений

Пассивный корчеватель РП Кп= т т iHb p"La Рд 1.Д р-п __ д а _ да Д 2^д 2¥д

0,88 1,22 1,77 55-204 65-236 74-282 238-1530 314-1740 374-2120

Активный корчеватель Ра Ка = т т *р®с jr а гл _ РДЬа Д 2(5д

0,33 0,67 84-360 86-328 200-1080 210-1160

Фрезерующе-сепарирукяцая машина КФС_ "Г т 1pSc jP К$С = 1400 - 58D + -ii- д sc р

сегментные ножи од 0,22 287-875 180-582 2600 1400

Г-образные ножи 0,1 0,22 246-820 138-490 2600 1400

Фрезерующая машина РФ F <P _ гт т 1pSCI^) КФ = 6240 112 о + 532 т s °с р

тарельчатые ножи (о=13 м/с) 0,03 0,21 2-6-1250 87-614 11450 5600

грибовидные ножи (о=8,05м/с) 0,03 0,21 122-1250 87-614 8880 5760

корчевании, а постепенно, начиная с той стороны, на которой произошел контакт корчующего элемента с пнем.

Приведенные в таблице 1.2. значения удельного сопротивления разрушению торфяной залежи позволяют отметить, что энергоемкость разрушения беспнистой торфяной залежи активным корчевателем в 1.1 - 1,8 раза выше, чем пассивным. Такое соотношение определяется большей степенью измельчения торфяного грунта и на более высоких скоростях резания у активного корчевателя. В то же время энергоемкость извлечения пней пассивным корчевателем в 1,1 -2 раза выше, чем активным. Объясняется это тем, что при активном корчевании отрыв прикорневого массива осуществляется не одновременно по всей поверхности, как при пассивном корчевании, а постепенно, начиная с той стороны, на которой произошел контакт корчующего элемента с пнем.

В целом, работа пассивного корчевателя характеризуется меньшей энергоемкостью процесса, так как древесные включения в торфяной залежи, как правило, не занимают по объему более 3-4%.

Соотношение энергоемкости разрушения беспнистой торфяной залежи фрезерующе-сепарирующими и фрезерующими машинами зависит от режима их работы. В то же время энергоемкость измельчения древесины фрезерующей машиной в несколько раз выше, фрезерующе-сепарирующей, поскольку последняя осуществляет разрушение пней лишь на достаточно крупные части. Поэтому для снижения энергоемкости процесса и повышения производительности предпочтение следует отдать фрезерующе-сепарирующей машине.

Сравнение процессов корчевания и фрезерования показывает, что с точки зрения снижения энергоемкости и повышения производительности предпочтение следует отдать пассивным корчевателям.

К таким же выводам приводит нас и системный анализ этих машин, выполненный на основе метода комплексной оценки качества технических

систем по единичным показателям [12]. Для такого анализа по данным таблиц 1.1., 1.2., 1.3. была составлена обобщенная параметрическая таблица 1.4.

Лучшие параметры, принадлежащие разным машинам, выписывали в отдельную строку таблицы. Таким образом была получена динамичная модель фиктивной эталонной машины, обладающая наиболее высокими (уже достигнутыми в различных машинах, но не представленными в виде одной машины) свойствами.

Таблица 1.3.

Некоторые технические характеристики корчующих и фрезерующих машин.

Марка машины Масса m (кг) Скорость движения и (м/с) Установ ленная мощность N (квт) Ширина захвата В (м) Глубина обрабо тайного слоя h (м) Число рабочих элементов по ширине 1 (шт) Диаметр рабочего органа Б,мм Частота врагце ния рабочего органа п (об/мин)

РКШ-4 1715 0,98-1,67 58,8 2,15 0,32 5 1200 -

КГ-700 1500 0,65-1,22 79,4 3,25 0,3-0,7 9 - -

ОКП-1 2000 0,65-1,22 79,4 3,30 0,4 12 - -

КУП-4 25800 0,34-0,96 221 3,30 0,5 10 1500 12,5

МТП-26А 11960 0,25-0,65 79,4 3,0 0,4 9 1300 18,5

МТП-81 16780 0,33-0,77 110,3+95,7 3,0 0,4 9 1300 18,5

МТП-81А 15350 0,33-0,77 10 3,0 0,4 9 1300 22

МТП-42А 5920 0,028-0,207 79,4 1,7 0,4 - 838 183

РАПП-3 9500 0,06-0,22 103 2,25 0,4 - 1200 183

МПГ-2,24 10500 0,06-0,22 103 2,24 0,4 - 1200 223

Затем, в соответствии с указанной методикой, определялись удельные величины параметров машин, уровень качества по единичным показателям, коэффициенты долевой значимости, коэффициенты участи уровней качества, суммарное значение уровней