автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Разработка технических решений, повышающих эффективность получения кернов древесины с использованием возрастных и приростных буравов

На правах рукописи

Клюев Глеб Валентинович

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ПОВЫШАЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРНОВ ДРЕВЕСИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗРАСТНЫХ И ПРИРОСТНЫХ БУРАВОВ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

131'ДП 2015

005568970

Петрозаводск - 2015

005568970

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

Научный руководитель: Шегельман Илья Романович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Фокин Сергей Владимирович

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», заведующий кафедрой Лесное хозяйство и лесомелиорация

Ивашнев Михаил Валерьевич

кандидат технических наук, ОАО «ТГК-1» филиал «Карельский» Петрозаводская ТЭЦ, начальник смены электростанции

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Защита состоится 24 июня 2015 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 на базе Петрозаводского государственного университета по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» и на сайте http://petrsu.ru/

Автореферат разослан « 2? » Схпр<2./?Э\ 2015 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Воронов Р.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Оценка количественных и качественных показателей древостоев проводится на всех этапах лесоустроительной и лесозаготовительной деятельности: при лесо-выращивании, при проведении государственной инвентаризации лесов, при отводе площадей под лесозаготовку, а также при проведении научных исследований. Возраст и этапы развития дерева являются одними из важнейших показателей, необходимых для назначения обоснованных лесохозяйственных мероприятий, изучения динамики развития древостоя, изучения истории воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды, а также свойств древесины, таких как плотность, влажность, толщина коры.

Из существующих методов определения возраста и прироста наиболее простым, дешёвым и точным является изучение керна древесины, извлеченного из исследуемого дерева посредством возрастных и приростных буравов.

Актуальность темы определяется тем, что существующие модели бурава, используемые на практике в настоящее время, наносят повреждения деловой части исследуемого дерева на корню, снижают качества получаемого керна в результате смятия коры и периферийных годичных слоев и требуют приложения значительных механических осевых и вращающих усилий в процессе работы из-за конструктивных особенностей, таких как: винтовая нарезка на режущей головке, кольцевой нож, как инструмент деления волокон древесины, относительно большой диаметр отверстия, формируемый в исследуемом дереве. Нахождение решений по уменьшению воздействия на дерево связано с рациональным природопользованием, что включено в число приоритетных направлений развития РФ указом президента РФ № 89 от 07.07.2011. Это направление предусматривает эффективное совершенствование и функционирование лесопромышленного комплекса.

Работа соответствует п. 2 - Теория и методы воздействия техники и технологий на лесную среду в процессе заготовки древесного сырья и лесовыращивания, п. 4 - Исследование условий функционирования машин и оборудования, агрегатов, рабочих органов, средств управления и п. 14 - Разработка инженерных методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в лесопромышленном и лесохозяйственном производствах паспорта специальности 05.21.01.

Стенень разработанности. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, выводов и рекомендаций, списка используемой литературы из 108 наименований, двух приложений. В работе изучено состояние проблемы, поставлены цели и задачи, выработана гипотеза по совершенствованию возрастных и приростных буравов и приростных молотков, проведены теоретические исследования процесса внедрения режущих кромок стружечных и бесстружечных буравов, определены зависимости удельных давлений на режущие части возрастного бурава от угла поворота возрастного бурава, учитывающие влияние анизотроп-но-ортотропных свойств перерезаемой породы древесины, разработана математическая модель процесса получения керна древесины стружечным возрастным буравом, усовершенствована, на основе конструктивной доработки существующих

возрастных и приростных буравов, математическая модель процесса получения керна древесины бесстружечным буравом, разработана установка для проведения лабораторных исследований процесса внедрения режущих кромок в ствол дерева и процесса бурения, разработана методика исследования в производственных условиях. Обоснованы наиболее эффективные технические решения конструкций возрастных и приростных буравов и приростных молотков на основе функционально-технологического анализа и даны рекомендации производству по их реализации.

Общий объём работы 129 страниц, 53 рисунка, 19 таблиц, 89 формул.

Цель исследований: обоснование технических решений, повышающих эффективность получения кернов древесины для оценки характеристик древостоя при сырьевой подготовке лесосек к эксплуатации на основе математического моделирования процессов работы возрастных и приростных буравов и функционально-технологического анализа.

Объекты исследования: Возрастные и приростные буравы, процессы их функционирования.

Предмет исследования: технические решения на конструкции возрастных и приростных буравов, направленные на снижение прикладываемых в процессе работы усилий, улучшение качества получаемых кернов и сохранении качества, формируемого в стволе деревьев отверстий, и учитывающие функционально-технологические характеристики возрастных и приростных буравов.

Задачи исследования:

1. Провести теоретические исследования процесса внедрения режущих кромок буравов при стружечном и бесстружечном резании древесины.

2. Обосновать и разработать конструкцию для проведения лабораторных исследований процесса внедрения режущих кромок в ствол дерева и процесса бурения древесины.

3. Изучить закономерности кольцевого стружечного и бесстружечного процессов резания древесины в лабораторных условиях.

4. Разработать методику исследования и изучить закономерности функционирования буравов в производственных условиях.

5. Сравнить результаты теоретических и производственных исследований.

6. Научно обосновать, сформировать и запатентовать новые технические решения на конструкции возрастных и приростных буравов.

7. Обосновать наиболее эффективные технические решения и дать рекомендации производству по их реализации.

Научная новизна исследования.

Обоснована математическая модель процесса получения керна древесины стружечным буравом, разработанная на основе созданной конструкции возрастного бурава и учитывающая зависимость удельных давлений на режущие части возрастного бурава от угла поворота возрастного бурава, влияние анизотропно-ортотропных свойств перерезаемой породы древесины, геометрические параметры возрастного бурава, а также характеристики способа внедрения бурава в ствол дерева. На основе функционально-технологического анализа обоснованы, сформированы и запатентованы новые технические решения на конструкции возрас-

тных и приростных буравов и приростных молотков.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований и разработанные математические модели развивают теорию резания древесины, применительно к кольцевому стружечному и бесстружечному бурению древесины. Они являются научной основой для проведения расчетов по определению сил, действующих на возрастные и приростные буравы с кольцевым стружечным и бесстружечным способами перерезания волокон различных пород древесины. Результаты исследований и математические модели позволяют предприятиям, занимающимся разработкой и выпуском оборудования для таксации леса и древе-синоведческого анализа, научно-обоснованно выбирать характеристики инструмента: его конструкцию, тип режущих поверхностей, геометрические размеры и др., в зависимости от породы исследуемой древесины - это позволяет снизить прикладываемые усилия, улучшить качество получаемых кернов древесины и минимизировать вред, наносимый исследуемым деревьям, что приведет к более эффективному планированию лесозаготовок и как следствие к рационализации освоения лесозаготовительных площадей лесопромышленных регионов страны

Методология и методы исследования. В основу теоретических исследований легли, выполненные российскими и зарубежными учеными, работы по теории резания древесины стружечным и бесстружечным способами, теории кольцевого резания древесины, оптимизации параметров работы и характеристик деревообрабатывающего инструмента.

В процессе исследований применялись методы математического моделирования, методы математической статистики и принятия решений, метод конечных элементов, лабораторные и натурные эксперименты.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса получения керна древесины стружечным буравом, разработанная на основе созданной конструкции возрастного бурава, и учитывающая зависимость удельных давлений на режущие части возрастного бурава от угла поворота возрастного бурава, влияние анизотропно-ортотропных свойств перерезаемой породы древесины, геометрические параметры возрастного бурава, а также характеристики способа внедрения бурава в ствол дерева.

2. Усовершенствованная, на основе конструктивной доработки существующих возрастных и приростных буравов, математическая модель процесса получения керна древесины бесстружечным буравом.

3. Закономерности, характеризующие процессы резания и получения кернов древесины стружечными и бесстружечными возрастными буравами из пород, преобладающих на территории Республики Карелия.

4. Результаты апробации разработанных математических моделей и аналитических зависимостей на экспериментальных данных.

5. Рекомендации, позволяющие применять полученные математические модели и аналитические зависимости при изготовлении возрастных и приростных буравов.

Достоверность научных исследований подтверждается значительным статистическим материалом, полученным в лабораторных и реальных природно-производственных условиях Республики Карелия, использованием фундаментальных методов теории вероятности и математической статистики, непротиворечивостью полученных результатов этим теориям, адекватностью разработанных моделей, апробированием математических моделей и аналитических зависимостей при отводе лесосек на лесозаготовительных площадях ЗАО «Лесма».

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на международных научных конференциях «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2013), Севергеоэкотех 2014 (Республика Коми, Ухта, 2014), «Техника и технологии - мост в будущее» (Воронеж, 2014), на всероссийской научной конференции «Проблемно-ориентированные исследования процессов инновационного развития регионов» (Петрозаводск, 2014), на всероссийском молодежном научно-инновационном конкурсе «УМНИК» (Петрозаводск, 2014), на заседаниях кафедры технологии и организации лесного комплекса ПетрГУ.

Публикации. Основное содержание и результаты работы представлены в 13 опубликованных работах, из них - 3 в рекомендованных ВАК рецензируемых изданиях и 3 запатентованы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, выделены объект, предмет и методы исследований, показана научная новизна выполненных исследований, сформулированы цель и научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе выполнен анализ исследований совершенствования буравов, исследований в области изучения процесса стружечного и бесстружечного резания древесины, процесса резания древесины кольцевыми сверлами, исследований по расчету прочности трубчатых элементов, рассмотрены вопросы оптимизации процесса получения кернов древесины.

Исследованиям в области обоснования размеров кернов и совершенствования конструкций буравов посвящены работы Д. П. Столярова, О. И. Полубояринова, В. Г. Кузнецова, В. И. Федюкова, П. М. Мазуркина, А. Н. Алметова, В. А. Федосеева, И. Р. Шегельмана, В. М. Лукашевича, А. С. Васильева, Н. D. Grisinno-Mayer, R. R. Maeglin, M. R. Pressler, W. M. McKenzie, J. F. Duffield, D. C. Montgomery, F. P. Herman, J. Waterhouse, и других ученых.

Вклад в изучение процесса резания древесины с образованием стружки внесли А. Л. Бершадский, М. А. Дешевой, С. А. Воскресенский, Е. Г. Ивановский, П. В. Василевская, И. Т. Глебов. Исследования бесстружечного резания древесины выполнены в работах В. Е. Печенкина, П. М. Мазуркина, Н. Ф. Курапцева, Б. А. Леонова, С. А. Воскресенского, В. В. Овчинникова.

Процесс сверления кольцевыми сверлами наиболее близок к бурению древесины с образованием керна. Изучением процессов сверления кольцевыми сверлами занимались: Ю. М. Ермаков, Р. Д. Онохин, В. Ю. Пирайнен, В. К. Гребешков,

Ю. М. Ермаков, Миянага Масааки и другие ученые.

Однако полученных известными учеными результатов исследований недостаточно для решения задачи повышения эффективности получения кернов древесины с использованием возрастных и приростных буравов для оценки характеристик древостоя при сырьевой подготовке лесосек к эксплуатации. Необходимо провести исследования, объединяющие все вышеизложенные направления с учетом функционально-технологических параметров возрастных и приростных буравов.

Во втором разделе разработана математическая модель процесса внедрения стружечного бурава в ствол дерева, на основе разработанной конструкции возрастного бурава. Предложена аналитическая зависимость усилий, прикладываемых к возрастному бураву в процессе получения керна древесины от геометрических параметров режущей головки возрастного бурава и удельных давлений, действующих на режущие и стружкоотводящие поверхности возрастного бурава. Получены зависимости сил резания на различных режущих поверхностях бурава от его геометрических размеров и анизотропно-ортотропных свойств перерезаемой древесины.

Конструкция бурава с образованием стружки показана на рисунке 1.

1 - торцевая режущая кромка; 2 - винтовой подрезатель;

3 - винтовая канавка; 4 - внутренняя поверхность; 5 - конусная фаска;

6 - корпус; 7 - наружное поднутрение; 8 - внутреннее поднутрение

На торцевой поверхности размещены торцевые режущие кромки 1, выполняющие основное резание древесины и переходящие в винтовые подрезатели 2 с винтовыми канавками 3.Винтовые подрезатели 2 и канавки 3 выполнены таким образом, чтобы осуществлялось отведение стружки от режущих кромок в сторону противоположную подаче бурава для извлечения керна. В корпусе бурава 6 выполнена конусная фаска 5, которая образует наружное поднутрение 7. Внутренняя поверхность 4 торцевых режущих кромок 1 выполнена под углом Я относительно оси бурава, за счет чего образуется внутреннее поднутрение 8, имеющее диаметр, превышающий диаметр внутренней боковой поверхности торцевой режущей

кромки 1. Режущая головка возрастного бурава с образованием стружки является частью корпуса возрастного бурава и по отношению к корпусу бурава имеет малую длину, за счет чего отведение стружки из зоны бурения осуществляется в зону наружного поднутрения, которая имеет значительно больший объем, чем суммарный объем винтовых канавок. Из ствола дерева возрастной бурав извлекается выкручиванием.

Из разработанной конструкции бурава видно, что общая сила воздействия возрастного бурава с образованием стружки на древесину будет определяться следующим образом:

Р = (Ртп + Р6п + Рш + Рвк)п, (I)

где Ртп - сила воздействия торцевой поверхности торцевой режущей кромки на древесину, Н; Рбп - сила воздействия боковой поверхности торцевой режущей кромки на древесину, Н; Рвп - сила воздействия винтового подрезателя на древесину, Н; Рик - сила воздействия винтовой канавки на древесину, Н; п - количество торцевых режущих кромок.

Каждую составляющую общей силы воздействия бурава на ствол дерева определим, рассмотрев силы воздействия отдельных элементов возрастного бурава на дерево на примере схемы сил воздействия одиночной торцевой режущей кромки и её боковой режущей кромки, разработанной на основе геометрической модели процесса воздействия режущей части бурава на древесину.

Геометрическая модель процесса воздействия режущей части бурава на древесину представлена на рисунке 2. Схема сил воздействия режущей части бурава на древесину, на примере одиночной торцевой режущей кромки и её боковой режущей кромки представлена на рисунке 3.

Сила воздействия торцевой поверхности торцевой режущей кромки на древесину:

тп -------, (2)

где с*н - наружный диаметр режущей головки бурава, м; ¿в - внутренний диаметр режущей головки бурава, м; с - подача на резец, м; ст™; - нормальное удельное давление передней поверхности торцевой режущей кромки на древесину, Па; у -передний угол торцевого резца, рад; 8 - угол резания, рад; р - радиус затупления, м; ц - коэффициент трения передней поверхности резца о древесину; <т3т;,к' -нормальное удельное давление задней поверхности торцевой режущей кромки на древесину (давление упруго-восстановленной древесины, стремящейся отжать резец), Па; /пр

— суммарный (приведенный) коэффициент, учитывающий трение древесины по задней поверхности резца и упруго-пластическую деформацию древесины под линией раздела 00; в - угол между направлением движения резца и результирующей скоростью резания, рад; ш - угол поворота лезвия в плане, рад.

Сила воздействия боковой поверхности торцевой режущей кромки на древесину:

р Л^^^У^^п^ш

бП С03в*С05Ш '

где сгпб£- - нормальное удельное давление передней поверхности боковой режущей кромки на древесину, Па; о^' - нормальное удельное давление задней поверхности боковой режущей кромки на древесину, Па.

Сила воздействия винтового подрезателя на древесину:

р _ V С05у.С050^ _£_сову- ^ ^ ^ ^

вп СО$в*С03Ш

где Кп = +1_* _ коэффициент включения винтового подрезателя в ра-

боту; ст - вероятность включения винтового подрезателя в работу. Сила воздействия винтовой канавки на древесину:

Рвк ' ^стр + С05а)> (5)

где ССТр - вес стружки, действующей на винтовую канавку, Н; Рос - осевая сила, прикладываемая к бураву, Н.

Рисунок 2 - Геометрическая модель процесса воздействия режущей части бурава на древесину, где: I - торцевая кромка совершает поперечное перерезание волокон древесины, а боковая кромка (подрезатель) - торцевое; II - торцевая кромка и боковая (подрезатель) совершают продольное перерезание волокон древесины. Чередование I и II по квадрантам

Рисунок 3 - Схема сил воздействия режущей части бурава на древесину, на примере одиночной торцевой режущей кромки и её боковой режущей кромки

Определять силу воздействия возрастного стружечного бурава необходимо отдельно для каждого случая, так как математическая модель 1 является многопараметрической и зависит от целого комплекса входных данных, таких как: геометрические размеры режущей головки возрастного стружечного бурава, анизо-тропно-ортотропных свойств исследуемой древесины, скорости вращения и подачи инструмента в ствол дерева и др.

На примере покажем силу воздействия возрастного стружечного бурава при получении керна древесины из ели и сосны в сравнении: с?н = 0,016 - наружный диаметр режущей головки бурава, м; с2в = 0,0074 - внутренний диаметр режущей ; головки бурава, м; с = 0,0016 - подача на резец, м; <т™; = 3,96/4,07 - нормаль-

ное удельное давление передней поверхности торцевой режущей кромки на ель и сосну, соответственно, МПа; у = 0,52 - передний угол торцевого резца, рад; 5 = 1,05 - угол резания, рад; р - 0,042 * 10~3- радиус затупления, м; р. = 0,56 -коэффициент трения резца о древесину; ст™- = 3,0/3,1 - нормальное удельное давление задней поверхности торцевой режущей кромки на ель и сосну, соответственно, МПа; = 4,1/4,3 - нормальное удельное давление передней поверхности боковой режущей кромки на ель и сосну, соответственно, МПа; а^ = 8,33/8,76 - нормальное удельное давление задней поверхности боковой режущей кромки на ель и сосну, соответственно, МПа; /пр = 2 - суммарный (приведенный) коэффициент, учитывающий трение древесины по задней поверхности резца и упруго-пластическую деформацию древесины под линией раздела 00; в = 0,059- угол между направлением движения резца и результирующей скоростью резания, рад; ш = 0,26 - угол поворота лезвия в плане, рад; Кп = 5,1- коэффициент включения винтового подрезателя в работу; п = 3 - количество резцов.

На рисунке 4 показано сравнение сил воздействия бурава при получении керна древесины из ели и сосны соответственно.

зоо 298 296 294 292 290 288 286 284

Общая сила воздействия, Н

Рисунок 4 - Сравнение обшей силы воздействия бурава при получении керна древесины из ели и сосны соответственно

Также получены зависимости общей силы воздействия при бурении ели и сосны от наружного диаметра бурава и влажности исследуемой древесины, представленные на рисунке 5.

Разработанная конструкция бурава и полученные результаты исследований позволят производителям инструментов для таксации леса обоснованно выбирать геометрические параметры возрастных и приростных буравов в зависимости от породы исследуемой древесины, её характеристик и диаметра получаемых кернов древесины. При использовании стружечных возрастных и приростных буравов сохраняется высокое качество получаемых кернов за счет сохранения коры и периферийных годичных слоев в составе керна, и формируются качественные отверстия в исследуемых деревьях за счет стружечного деления древесины, а также за счет отсутствия самозатягивающего винта на режущей головке в стволах деревьев не образуются опережающие трещины.

Влажность древесины, %

б

Рисунок 5 - Зависимость общей силы воздействия бурава от наружного диаметра бурава и влажности исследуемой древесины а) при бурении ели, б) при бурении сосны

В третьем разделе дополнена, разработанная А. Н, Алметовым, математическая модель процесса внедрения бесстружечного бурава в ствол дерева. Дополнения заключается в: 1) уменьшении влияния силы воздействия задней конической поверхности режущей головки бесстружечного бурава на общую силу воздействия возрастного бесстружечного бурава на древесину. Достигается за счет уменьшения площади взаимодействия задней конической поверхности возрастного бурава на древесину, благодаря нанесению канавок на заднюю коническую поверхность возрастного бурава. 2) уменьшении влияния силы воздействия цилиндрической фаски на общую силу воздействия возрастного бесстружечного бурава. Достигается за счет конструктивной замены цилиндрической фаски на цилиндрическую поверхность меньшей площади с последующей конической фаской с большим углом. При подаче бурава в ствол дерева с большой скоростью вращения цилиндрическая поверхность будет лучше уплотнять стенку формируемого отверстия, а величина её площади не значительно скажется на качестве формируемого отверстия.

Конструктивные изменения возрастного бурава показаны на рисунке 6.

I -режущая кромка; 2 - передняя поверхность; 3 - задняя поверхность; 4 - наружные винтовые пазы; 5 - внутренние пазы; 6 - цилиндрическая поверхность с конической фаской с большим углом; 7 - корпус бурава; 8 - наружное поднутрение; 9 - внутреннее поднутрение

Сила воздействия задней конической поверхности режущей головки будет определяться следующим образом:

где аз„ - удельное давление перерезаемой древесины на заднюю поверхность, Па; /3 п - коэффициент трения задней поверхности режущей головки о древесину; й[ - диаметр границы взаимодействия керна древесины и задней поверхности возрастного бесстружечного бурава, м; с! - диаметр кольцевой режущей кромки, м; в' - угол между вектором результирующей скорости резания и вектором скорости вращения безвинтового бесстружечного бурава, рад; а - задний угол резания, рад; п = — - коэффициент, учитывающий площадь канавок, нанесенных

на заднюю поверхность, м2; Я"к.3. - площадь канавок на задней поверхности режущей головки возрастного бурава, м2; - площадь задней поверхности режущей головки возрастного бурава, м2.

Сила воздействия цилиндрической поверхности режущей головки:

Роб ц = 2™ц.п/ц.погц.п.(1 - *£п.), (7)

где а _ удельное давление перерезаемой древесины на цилиндрическую поверхность, Па; /ц.п. - коэффициент трения цилиндрической поверхности режущей головки о древесину; О - диаметр цилиндрической поверхности режущей головки, м; гцп - длина цилиндрической поверхности, м; - коэффициент, учитывающий площадь канавок, нанесенных на цилиндрическую поверхность, определяется также как для задней конической поверхности.

В общем виде, сила воздействия бесстружечного возрастного бурава на дерево будет определяться по следующему уравнению:

р _ рр к , рп.П. , ПЗ.П. , рЦ.п.

- общ общ т /общ^гобщ^/общ> (о)

где Робщ - сила воздействия режущей кромки на дерево, Н; Р0П6", - сила воздействия передней конической поверхности режущей головки возрастного бурава, Н; ^общ _ сила воздействия задней конической поверхности режущей головки возрастного бурава, Н; - сила воздействия цилиндрической поверхности режущей головки возрастного бурава, Н.

В виду изменения влияния каждой из величин, входящих в уравнение 8, на общую силу воздействия бесстружечного возрастного бурава Ро6щ в зависимости от геометрических размеров режущей головки, породы исследуемого дерева, его влажности и глубины внедрения режущей головки бесстружечного возрастного бурава в ствол дерева, определять влияние канавок, нанесенных на заднюю коническую поверхность режущей головки, и влияние цилиндрической поверхности режущей головки на общую сипу воздействия бурава необходимо отдельно для каждого частного случая.

На примере покажем уменьшение общей силы воздействия бесстружечного возрастного бурава на дерево при получении керна из ели при нанесении канавок на заднюю коническую поверхность и замене цилиндрической фаски длиной 'ф = 2мм на цилиндрическую поверхность длиной ¿цп = 1,5мм. Входные данные: р = 0,04 * 10"3 - радиус закругления режущей кромки, м; 8 = 0,35 - угол заострения, рад; в' = 0,18 - угол между вектором результирующей скорости резания и вектором скорости вращения безвинтового бесстружечного, рад; а = 0,07

- задний угол резания, рад; й = 0,0074 - диаметр режущей кромки, м; О = 0,011

- диаметр цилиндрической поверхности режущей головки, м; арк = 7,142 -удельное давление перерезаемой древесины на режущую кромку, МПа; сгпп = "з.п. = 3,0 - удельное давление перерезаемой древесины на переднюю и заднюю поверхность, соответственно, МПа; сгцч = 8,334 - удельное давление перерезаемой древесины на цилиндрическую часть, МПа; / = 0,56 - коэффициент трения при влажности 30%; /с*п = 0,3 - коэффициент, учитывающий площадь канавок, нанесенных на переднюю поверхность; к*П = 0,3 - коэффициент, учитывающий площадь канавок, нанесенных на заднюю поверхность; /с£п = 0,3 - коэффициент, учитывающий площадь канавок, нанесенных на цилиндрическую поверхность.

При использовании конструктивных изменений общая сила воздействия уменьшается на 23, 8%.

При дополнительном увеличении площади канавок на 10% общая сила воздействия уменьшается на 34,6% по отношению к бураву без конструктивных изменений

На рисунке 7 представлено сравнение сил воздействия различных буравов на дерево.

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50

0

1362

II

Без изменений С конструктивными С увеличением изменениями площади канавок на 10%

Общая сила воздействия, Н

Рисунок 7 - Сравнение сил воздействия различных буравов на дерево

Полученные результаты позволят производителям инструментов для таксации леса обоснованно подбирать геометрические параметры возрастных и приростных буравов с целью уменьшения прикладываемых к бураву нагрузок со стороны эксплуатирующих специалистов при сохранении качества получаемого керна и качества отверстия, формируемого в исследуемом дереве.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований в лабораторных условиях и результаты натурных экспериментальных исследований, направленных на исследование усилий, прикладываемых к бураву в процессе получения керна древесины. Также представлена разработанная экспериментальная установка для исследования процесса внедрения режущей головки бурава в ствол исследуемой древесины и процесса бурения древесины с образованием и без образования стружки.

Объектами исследования выступают возрастной бесстружечный бурав фирмы Pressler с максимальным диаметром режущей головки 12мм, позволяющий получать керны древесины диаметром 5,15 мм, как наиболее используемые при древе-синоведческом анализе, и винтовое сверло по дереву с диаметром формируемого отверстия 12 мм, а также деревья основных лесообразующих хвойных пород в Республике Карелия: сосна и ель.

В исследовании рассмотрены в качестве основных параметров: крутящий момент, осевая сила и глубина внедрения инструмента (возрастного бесстружечного бурава или винтового сверла) в ствол исследуемого дерева. Перечисленные данные необходимы для вычисления затрачиваемой на бурение мощности для каждого инструмента и каждой породы древесины, с целью последующего анализа и сравнения с полученными математическими моделями.

Полученные в ходе экспериментов данные были сгруппированы по породе исследуемой древесины, по типу инструмента, по глубине внедрения режущей головки в ствол дерева, проанализированы и статистически обработаны. Абсолютная погрешность измерений составила не более 3%. Исходя из скорости подачи бурава в ствол дерева и крутящих моментов, были получены мощности резания и проанализированы.

Разработанная экспериментальная установка представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Экспериментальная установка: 1 - неподвижные колонны; 2 - неподвижный стол; 3 - исследуемый образец древесины; 4 - подвижная направляющая; 5 - неподвижная направляющая;

6 - возрастной бурав (стружечное винтовое сверло);

7 - динамометрический ключ; 8 - приспособление для передачи осевой нагрузки.

Экспериментальная установка представляет собой П-образную ферму из неподвижных колонн 1 и неподвижной направляющей 5, исследуемый образец древесины 3 помещается на неподвижный стол 2 жестко закрепленный по центру между неподвижными колоннами 1. Возрастной бурав 6 подается в исследуемый образец древесины 2 посредством приспособления для передачи осевой нагрузки, подвижно установленного в соосных отверстиях неподвижной 5 и подвижной 6 направляющих. Вращение возрастного бурава 6 осуществляется с помощью динамометрического ключа 7, с которого снимаются показания вращающего момента.

Мощность, необходимая для получения кернов древесины, представлена на рисунке 9.

30,00 = 25,00

■А

о 20,00

15,00 10,00

5,00 0,00

23,84 24,56

и 4,51 4,67

■ _Ш 11

Бесстружечное Бесстружечное Стружечное Стружечное

получение керна из получение керна из получение керна из получение керна из ели сосны ели сосны

Рисунок 9 - Средняя мощность, необходимая для получения кернов древесины, Вт

Из полученного графика можно сделать выводы, что для получения керна древесины бесстружечным буравом затрачивается больше мощности, чем при получении керна стружечным буравом в 6 раз. Мощность возрастает от нуля до своего максимального значения с момента начала бурения до полного внедрения режущей кромки в ствол дерева. При стружечном бурении режущая головка - это торцевая режущая кромка без учета подрезателей, так как в лабораторном эксперименте отсутствовал перекос и соответственно подрезатели в работу не включались и не оказывали влияние на общую силу воздействия, следовательно, мощность достигает максимума сразу после внедрения торцевой режущей кромки в древесину.

В пятом разделе проведена апробация математических моделей с входными данными соответствующими входным данным проведенных экспериментов и последующим сравнением полученных аналитическим и экспериментальным путем выходных данных.

На рисунке 10 показано сравнение мощностей, необходимых на получение кернов древесины.

24,56

23,94

с 23'5С

0

1 23,00 о

5

22,50 22,00 21,50

22,78

■ Теоретическая мощность

Ср. эксперим. мощность

4,90

6 ".70

2 4,50 4,40

4,74

I

4,51

■ Теоретическая мощность

сосна

Ср. эксперим. мощность

Рисунок 10 - Сравнение мощностей, необходимых на получение кернов древесины а - бесстружечное получение керна; б - стружечное получение керна.

Отклонение экспериментальных данных от теоретических: для бесстружечного получения керна древесины составляет не более 4,6% для ели и 2,6% для сосны; для получения керна древесины с образованием стружки составляет не более 4,8% для ели и 4,6% для сосны. Расхождение значений мощности, полученных экспериментальным путем и с помощью математических моделей, может быть объяснено методикой проведения эксперимента.

Из полученных диаграмм можно сделать вывод, что разработанные математические модели объективно описывают процесс получения кернов древесины и их можно использовать на практике для обоснованного выбора способа получения кернов древесины, для производства стружечных и бесстружечных возрастных и приростных буравов с заданными геометрическими размерами.

В шестом разделе обоснованы новые технические решения на конструкции возрастных и приростных буравов и приростных молотков на основе функционально-технологического анализа и математического моделирования. Мы изучали объект не в процессе его изготовления, как при функционально-стоимостном анализе, а в процессе его функционирования, выполнения технологических операций и приемов. Новые технические решения направлены на: уменьшение прикладываемых к инструментам для таксации леса усилий (рис. 11 а, б), улучшение качества получаемого керна древесины и улучшение качества формируемого в стволе дерева отверстия (рис. 11 ж, з), равномерное распределение нагрузок внутри корпуса бурава и режущей головки, создание дополнительных приспособлений для подачи бурава в ствол дерева, создание дополнительных приспособлений для облегчения труда работников таксационных служб, таких как бурав с маховиком для передачи вращающего усилия, а также создание приспособлений для изучения процесса бурения древесины, таких как бурав-динамометр и бурав с прижимом-динамометром. Основные полученные технические решения на конструкции возрастных и приростных буравов и приростных молотков запатентованы.

Основные технические решения на конструкции представлены на рисунке 11.

Полученные в ходе исследования технические решения на конструкции возрастных и приростных буравов и приростных молотков позволят в значительной мере облегчить труд работников леса.

ж л

Рисунок 11 - Основные технические решения на конструкции а - бурав с рукоятью, перемещающейся по корпусу; б - бурав с предохранительной муфтой предельного момента; в - бурав-динамометр; г - бурав с прижимом-динамометром; д-е - приростные молотки; ж - бесстружечный бурав; з - стружечный бурав.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведем основные выводы и рекомендации:

1. Разработана математическая модель процесса получения керна древесины стружечным буравом, разработанная на основе созданной конструкции возрастного бурава, и учитывающая зависимость удельных давлений на режущие части возрастного бурава от угла поворота возрастного бурава, влияние анизотропно-ортотропных свойств перерезаемой породы древесины, геометрические параметры возрастного бурава, а также характеристики способа внедрения бурава в ствол дерева.

2. Получены аналитические зависимости для оценки удельных давлений на режущие части возрастного бурава от угла поворота возрастного бурава, учитывающие влияние анизотропно-ортотропных свойств перерезаемой породы древесины, которые позволят обоснованно подбирать геометрические размеры режущих кромок возрастных буравов и параметры бурения древесины. Зависимости удельного давления упруго-восстановленной древесины на заднюю поверхность торцевой режущей кромки и удельного давления древесины на переднюю поверхность боковой режущей кромки от угла поворота возрастного бурава с образованием стружки являются постоянными и равны соответственно для сосны/ели-3,1/3,0 МПА и 4,3/4,1 МПа. Зависимости удельного давления древесины на переднюю поверхность торцевой режущей кромки и удельного давления упруго-восстановленной древесины на заднюю поверхность боковой режущей кромки от угла поворота возрастного бурава представляют собой синусоиды, и среднее значение удельных давлений за один оборот возрастного бурава составляет соответственно для сосны/ели: 4,07/3,96 Мпа, 8,76/8,33 МПа.

3. Получены зависимости общей силы воздействия бурава на древесину при бурении ели и сосны от наружного диаметра бурава и влажности исследуемой древесины. При изменении влажности от 0 до 120% и варьировании наружного диаметра возрастного бурава в промежутке от 12 до 16 мм общее усилие воздействия бурава на древесину изменяется в промежутке 181-351 Н для сосны и 175341 Н для ели.

4. При проектировании конструкций возрастных и приростных буравов рекомендуется учитывать сферу их применения, а именно: буравы для исследования древесины на корню можно выполнять большего диаметра, чем буравы для исследования древесных конструкций, это обусловлено уменьшением плотности древесины при увеличении влажности. Однако, увеличение влажности усложняет отвод стружки из зоны бурения, поэтому следует увеличивать количество режущих кромок и соответственно, канавок для отведения стружки.

5. Модернизирована разработанная А.Н. Алметовым математическая модель процесса получения керна древесины бесстружечным возрастным буравом, на основе конструктивной доработки режущей головки возрастного бурава, разработанного А.Н. Алметовым. В результате апробации модернизированной математической модели при прочих равных условиях разница в силе воздействия на дерево возрастного бурава, разработанного А.Н. Алметовым, и конструктивно доработанного в ходе исследования составляет 23,8% уменьшения силы воздействия.

При дополнительном увеличении площади канавок на 10% разница в силе воздействия составит 34,6% также в сторону уменьшения силы воздействия.

6. Производителям силовых возрастных буравов рекомендуется с целью снижения усилий, прикладываемых к бураву в процессе выполнения его функциональных задач, уменьшать площадь воздействия бурава с деревом, путем использования, предложенных конструктивных доработок. Однако, максимальная площадь канавок должна быть обоснована прочностным расчетом, проведенным по методике, подробно описанной в работе [79], а также с использованием конечно-элементного анализа.

7. Оригинальную экспериментальную установку рекомендуется использовать при проведении лабораторных исследований процесса внедрения режущих кромок в ствол дерева и процесса бурения древесины.

8. Закономерности, характеризующие процессы резания и получения кернов древесины стружечными и бесстружечными возрастными буравами из лесообра-зующих хвойных пород, преобладающих на территории Республики Карелия, могут быть использованы при расчетах и проектировании новых конструкций буравов. Результаты апробации математических моделей в реальных условиях, свидетельствуют об их достоверности и применимости на производстве. Отклонение экспериментальных данных от теоретических составляет не более 5 %.

9. Полученные результаты позволят производителям инструментов для таксации леса обоснованно подбирать геометрические параметры возрастных и приростных буравов с целью уменьшения прикладываемых к бураву нагрузок со стороны эксплуатирующих специалистов при сохранении качества получаемого керна и качества отверстия, формируемого в исследуемом дереве.

10. Обоснованные, сформированные и запатентованные в результате исследования на основе функционально-технологического анализа технические решения на конструкции возрастных и приростных буравов и приростных молотков позволяют облегчить труд работников леса, получать керны древесины высокого качества, формировать отверстия в дереве на корню с минимальными повреждениями и самое главное прикладывать усилия меньшие по значению, как осевые, так и вращающие.

Перспективы дальнейшей разработки темы:

1. Создание программы для ЭВМ, которая будет автоматизировано выбирать геометрические параметры бурава: геометрию режущих кромок, типы режущих поверхностей, размеры режущей головки, вариант хвостовика; в зависимости от варьируемых входных данных: породы древесины, предполагаемой влажности исследуемой древесины, способа подачи бурава в ствол исследуемого дерева, диаметра получаемого керна, а также материала режущих поверхностей и корпуса возрастного бурава.

2. Создание новых малогабаритных приспособлений, обеспечивающих подачу бурава в ствол дерева под прямым углом.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК

1. Методика расчета корпуса бурава возрастного на прочность / И.Р. Шегельман, Ю.В. Суханов, A.C. Васильев, Г.В. Клюев, В.М. Лукашевич // Фундаментальные исследования, 2013, № 10-15. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=21052093

2. Клюев Г.В. Научные исследования в области совершенствования возрастных буравов // Инженерный вестник Дона, 2013, № 4 - URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2025

3. Клюев Г.В. Методические принципы обоснования перспективного оборудования для таксации леса // Инженерный вестник Дона, 2014, № 1 URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/nly2014/2271

Патенты на полезные модели

4. Бурав для исследования древесины. Патент RU № 141050 / И.Р. Шегельман, A.C. Васильев, Г.В. Клюев, опубл. 27.05.2014

5. Молоток приростной. Патент RU № 142442 / И.Р. Шегельман, A.C. Васильев, Г.В. Клюев, опубл. 27.06.2014

6. Бурав-динамометр. Патент RU № 149945 / И.Р. Шегельман, A.C. Васильев Г.В. Клюев, опубл. 27.01.2015

Тезисы конференций

7. Клюев Г.В. Апробация математической модели внедрения возрастного бурава в ствол дерева // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: материалы межд. науч.-практ. конф. - Вологда, 2014 - № 2-2 С 319-323.

8. Клюев Г.В. Некоторые особенности создания новых конструкций буравов // СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2014: материалы межд. науч. конф. - Ухта, 2014.

9. Клюев Г.В. Методология создания перспективного оборудования для таксации леса // Проблемно-ориентированные исследования процессов инновационного развития региона: материалы всеросс. науч.-практ. конф. - Петрозаводск 2014.

10. Клюев Г.В. Аналитическое описание взаимодействия режущей части возрастного бурава с образованием стружки на древесину // Проблемно-ориентированные исследования процессов инновационного развития региона: материалы всеросс. науч.-практ. конф. - Петрозаводск, 2014.

11. Клюев Г.В. Методология выбора инструмента для извлечения керна древесины // Наука, образование, инновации в приграничном регионе: материалы рес-публ. науч.-практ. конф. - Петрозаводск, 2014.

12. Клюев Г.В. Методика теоретического вычисления сил, действующих на режущие кромки возрастных и приростных буравов // Техника и технологии -мост в будущее: материалы межд. научн.-техн. конф. - Воронеж, 2014.

13. Клюев Г.В. Воздействие режущей части возрастного бурава с образованием стружки на древесину // Приграничный регион: наука и инновации: материалы всероссийской науч. конф. - Петрозаводск, 2014.

Подписано в печать 17.04.15. Формат 60*84'/и. Бумага офсетная. Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Изд. № 104.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ Республика Карелия, 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.