автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Совершенствование механизма подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах

На правах рукописи

Бурлаков Андрей Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ ПОРУБОЧНЫХ ОСТАТКОВ В ДИСКОВЫХ ГУБИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2014

17 АПР 2014

005547202

Работа выполнена на кафедре лесного хозяйства и лесомелиорации Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И.Вавилова»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Фокин Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:

Сюнёв Владимир Сергеевич,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный

университет», заведующий кафедрой тяговых

машин

Бухтояров Леонид Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», заведующий кафедрой лесной промышленности, метрологии, стандартизации и сертификации

Ведущая организация: ФБУ ВНИИЛМ «Всероссийский научно-

исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства»

Защита диссертации состоится «23» мая 2014 г. в 13:00 ч. на заседании диссертационного совета Д.212.034.02 при ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 146).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Воронежской государственной лесотехнической академии http://www.vglta.vrn.ru/rassmotrenie-dissertacij-v-sovete-d-212-034-02

Автореферат разослан « 28 » марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Д. Платонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Решая задачи обеспечения энергией, человечество столкнулось с проблемой исчерпаемости традиционных энергоресурсов.

Поэтому актуальность производства биотоплива из непищевого сырья возрастает с каждым годом, так как в настоящее время распространены технологии получения биотоплива из пищевого сырья, что в нынешних условиях теряет свою привлекательность.

Во всем мире отрасли, где применяются биоэнергетические технологии получили широкое применение и для иностранных партнеров пока недоступно понимание того, что в России данные инновационные проекты не приносят большой прибыли, что сказывается на их инвестиционной привлекательности. А именно отрасль биоиндустрии настолько экономически выгодна, но в России она только зарождается.

Основным преимуществом биотоплива является то, что его характеристики и свойства практически не отличаются от горюче-смазочных материалов, получаемых ископаемых ресурсов, благодаря чему его можно использовать в различных отраслях экономики без значительных конструктивных изменений оборудования.

Особенностью лесостепной и степной климатические зон является то, что они относятся к малолесным и среднелесным районам европейской части России, которых отсутствует промышленная заготовка древесины. Наибольшее распространение получили рубки деревьев в погибших и поврежденных насаждениях, а отходы древесины, получаемые при этом находят своего потребителя и остаются на вырубках, становясь потенциально опасными в экологическом плане.

Поэтому измельчение отходов лесосечных работ на щепу позволит решить проблему их использования в качестве топливной щепы, как источника тепловой энергии для нужд предприятий и населения региона.

Производство топливной щепы из отходов лесосечных работ можно отнести к важной экономической проблеме, решение которой будет способствовать повышению жизненного уровня населения, так как получаемый продукт может быть использован для нужд населения в качестве топлива. Наиболее остро проблема обеспечения населения теплом стоит в сельской местности, где установка и обслуживание традиционного оборудования обходится очень дорого. Получаемая топливная щепа служит прекрасным минеральным удобрением и может разбрасываться по вырубке в случае отсутствия экономической целесообразности использования.

При производстве топливной щепы наибольшее распространение получили мобильные дисковые рубительные машины. Однако таким машинам, присущи такие недостатки, как: малый объем загрузочного патрона, невысокая скорость подачи и возможность измельчать для энергетических целей только крупномерное древесное сырье. Данные недостатки сказались на производительности и эффективности применения существующих конструкций дисковых рубительных машин. Поэтому внедрение дисковых рубительных

машин, оснащенных высокоэффективным механизмом подачи позволит решить важную социально - экономическую задачу.

В соответствии с этим тема диссертационной работы актуальна и выполнена в соответствии с контрактом ПНР-2 «Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК. Раздел: Разраб. машин и технологий для повышения продуктивности лесов, созд. лесных культур, агролесомелиоративных и зеленых насаждений. Подраздел 1: Технологии и машины лесного хозяйства в Поволжье» на период 2006-2020 г.г.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является совершенствование механизма подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах, обеспечивающего уплотнение и высокоскоростную подачу материала независимо от его размеров.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи: 1 .Усовершенствовать рабочий процесс взаимодействия конструктивных элементов вальцового механизма подачи с измельчаемым материалом, путем увеличения силы сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнения и скорости перемещения к рубительному диску. 2.Разработать имитационную модель рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, использующей вальцовый механизм подачи.

3.Обосновать основные геометрические параметры вальцового механизма подачи и режимов рабочего процесса подачи порубочных остатков к рубительному диску, обеспечивающего увеличение силы сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнение и скорость перемещения на основе математического моделирования.

4.Проведение лабораторных и полевых исследований опытного образца рубительной машины, оснащенной новой конструкцией механизма подачи порубочных остатков.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются вальцовый механизм подачи порубочных остатков дисковой рубительной машины.

Предметом исследования является имитационная модель, методика и алгоритмы определения конструктивных и технологических параметров вальцового механизма подачи порубочных остатков дисковой рубительной машины.

Научная новизна результатов работы.

1.Рабочий процесс взаимодействия конструктивных элементов вальцового механизма подачи с измельчаемым материалом, отличающийся увеличением силы сцепления вальцов с подаваемым материалом за счет установки на них шипов различной конструкции, а также уплотнения и скорости перемещения порубочных остатков к рубительному диску.

2. Имитационная модель рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, отличающаяся учетом влияния конструктивных особенностей механизма подачи и подаваемого материала на эффективность работы машины для измельчения порубочных остатков.

3.Закономерности рабочего процесса подачи порубочных остатков к рубительному диску, отличающиеся увеличением силы сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнением и скоростью перемещения. 4.Технологические рекомендации, совершенствующие рабочий подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах и повышающие его эффективность.

Теоретическая значимость работы заключается в создании имитационной модели и программы для ЭВМ, описывающих рабочий процесс подачи порубочных остатков при помощи вальцов в дисковой рубительной машине и их измельчения; результатах теоретических исследований взаимодействия вальцов с порубочными остатками в дисковой рубительной машине, оснащенной механизмом подачи, новизна которого подтверждена патентом на изобретение № 2421328.

Практическая значимость работы заключается в разработаных рекомендациях по совершенствованию рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах, в созданных алгоритмах и программе ЭВМ на основе математического моделирования, которые использованы: в ОГУ «Саратовский лесхоз», в учебном процессе Фед.ГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И.Вавилова» при подготовке бакалавров и магистров лесотехнического профиля.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует пункту 5 - «Обоснование, и оптимизация параметров и режимов работы л/з и л/х машин» паспорта спец. 05.21.01 -Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.

Методическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования базировались на математическом исследовании рабочих процессов подачи сырья при измельчении древесной биомассы и обосновании их конструктивно-технологических параметров. Решение общей систем дифференциальных уравнений проводилось с использованием численного интегрирования на персональном компьютере.

Эксперименты проводились в лабораторных и полевых условиях на разработанном моделирующем стенде и натурном образце дисковой рубительной машине. Для исследования процесса подачи сырья в дисковой рубительной машине использовались методы имитационного моделирования и статистической динамики, а также основные положения проведения полнофакторного эксперимента. Полученные данные обрабатывались с использованием программ Excel, Statgraf, Statistica, Microcal Origin 5.0 и Borland Delphi 7.0.

Научные положения, выносимые на защиту

1 .Конструктивная схема дисковой рубительной машины, использующая вальцовый механизм, повышающий силу сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнение и скорость перемещения к рубительному диску.

2.Имитационная модель рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, использующей вальцовый механизм подачи, позволяющая проводить, на основе математического моделирования, теоретические исследования.

З.Закономерности влияния геометрических параметров на рабочий процесс подачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, позволяющие обосновать параметры вальцового механизма подачи и режимы его функционирования.

4. Технологические рекомендации, позволяющие повысить эффективность рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена лабораторно-полевыми экспериментами, производственной проверкой опытного образца дисковой рубительной машины, оснащенной новым механизмом подачи сырья в условиях лесохозяйственного производства, а также хорошей сходимостью теор. и экспериментальных данных.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Лесное хозяйство и лесомелиорация» Фед.ГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» в 2009-2013 г.г.

Основные положения диссертации были представлены и обсуждены на заседаниях кафедры, научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Фед.ГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (2009-2013 г.г.); международной научной конференции «Вавиловские чтения» (ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», г. Саратов, 2009-2010 г.г.); на VIII международно-методической конференции «Техническое обеспечение нновационных технологий АПК» (ХНТУСХ, Харьков, Украина, 2010 г.); X Международная научно-практическая конференция «Техника и технология: новые перспективы развития» (г. Москва, 2013 г.); Международной заочной научно-практической конференции «Наука и образование в XXI веке» (г. Тамбов, 2013 г.); на заседании кафедры «Механизация лесного хозяйства и лесомелиорация» Фед.ГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (2013 г.), заседании кафедры «Механизация л/х и проектирование машин» (ФГБОУ ВПО «Воронежская ГЛТА», 2013 г.).

Реализация результатов работы. Полученные научные положения и результаты исследований внедрены в Саратовском лесхозе Саратовской области, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО Саратовский ГАУ. Разработаны на основе имитационного моделирования программы для ЭВМ. Разработанная модель устройства для измельчения порубочных остатков экспонировались XIY Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (г. Москва, 2012 г.) и удостоена бронзовой медали.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 14 статьях, включая 3 работы в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК РФ; 1 статья в международном издании; 1 патент на изобретение.

Объем и структура диссертации. Диссертация включает в себя з введение, пять глав, основные выводы и рекомендации, список использованной литературы и приложений. Общий объем исследования составляет 211 страницы, из них 159 стр. основного текста и 52 стр. приложений. Работа

включает 65 рис., 20 табл. и 165 наим. использованных источников, в том числе 14 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована его цель и задачи, степень разработанности, методы исследований, основные положения работы, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость.

В 1 главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» Проведен анализ применяемых технологий подачи сырья в рубительных машинах дискового типа. Произведенный анализ способов средств подачи сырья к рубительному диску позволяет сделать вывод, что наиболее привлекательным, с точки зрения повышения производительности выполняемых работ по производству топливной щепы и особенностей измельчаемого материала, является способ подачи сырья при помощи вальцов.

Проведен аналитический обзор работ ученых по исследованию вальцовой подачи материала в различных типах оборудования, что позволило выявить актуальные проблемы, решение которых направлено на повышение эффективности применения вальцовых механизмов подачи в дисковых рубительных машинах.

Во 2 главе «Теоретические исследования процесса подачи порубочных остатков к рубительному диску» обосновывается рабочий процесс подачи порубочных остатков к рубительному диску. Существующие схемы вальцовой подачи сырья к рубительному диску предусматривают наличие прижимных вальцов (верхнего или нижнего), что значительно снижает производительность рубительных машин, вследствие уменьшения объема загружаемого материала в загрузочный патрон. Для решения этой проблемы предлагается дисковая рубительная машина, оснащенная новым вальцовым механизмом для подачи сырья в зону рубки, которая защищена патентом на изобретение № 2421328 (рисунок 1).

Для решения общей системы уравнения, удобства моделирования и для анализа эффективности механизма подачи порубочных остатков была разработана компьютерная программа "Программа для моделирования механизма подачи порубочных остатков" в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7 (Канада).

На рисунке 2 показаны входные параметры (факторов) и выходные характеристики имитационной модели работы вальцового механизма подачи.

к шдроейсгеме !рактора

1-загрузочный патрон; 2-щепопровод; 3-рубительный диск; 4-ременная передача; 5-приводной

вал; 6-механизм подачи; 7-подающее устройство; 8- подающие вальцы с зубьями ; 9-рама подъемного устройства; 10 ,11 -шарниры;12-тяга; 13-гидроцилиндр; 14-трубопровод; 15,16,17-шкивы; 18-вал;19-вал; 20-клиноременную передачу;21-редуктор; 22- наклонные пластины

Рисунок 1- Схема устройства для измельчения порубочных остатков

Параметры загрузочного патрона

_Уч__

^

¿П Ян ЯВх ЯВьк ^Вх ВВак

\\ \ I //

Модель механизма подачи устройства для измельчения порубочных остатков

/ М \

'по ¿ПО СПО Сипо

V_. ,_У

У

Параметры порубочных

Показатели эффективности

Рисунок 2 — Переменные, характеризующие имитационную модель

Построение имитационной модели включало в себя следующие действия: 1.Проводилось распределение в пространстве рабочих поверхностей устройства по заданным его геометрическим и кинематическим параметрам,

агсйп-

■п 'д У У я

апМап-

-Уд

. Уп-Уд^Ъ + 180°, у,-уд<0;

(1)

У,2 = Уд+гс^ + ад1\ = гд+ гзт(<|> + с

2. Рассчитывались силы, действующие внутри массы порубочных остатков,

(2)

Кз = кв0» - № + <*н))(уу - ; (3)

^ = (г, - № + ¿м - ) >

3. Рассчитывались силы, действующие между порубочными остатками и рабочими поверхностями устройства,

4. Найденные силы подставлялись в систему уравнений движения порубочных остатков,

Лг

л 2 у,, _

Л

5 ¿г2 ^ '

(4)

гу * я / ГУ

У-1

~тэ£>

5. Проводилось интегрирование уравнения движения, в результате чего получались функции х,(7), >',(0, 2,(0, уХ1(0, уу,(7), у2,(0,

= + V,. • Дг + а, • (дг)2 / 2; у,.+1 = у,. + агДг, (5)

6. Рассчитывались показатели эффективности устройства Р, ТУ, увых, рВЬ1Х по найденным функциям х,(/), >•,(/"), Ух,(0, Уу;(0,

Р= тах

<Х«'«э

дг.

У 11» е^и (/ - Ыуср / 2) > (хп - Гт ) ¿4 0,если х{(-Муср П)< (хп-ГдкУ

(6)

= Г1,если х{1 + Ыуср12)>{хп-гдк} [0,если х^ + А1„ср/2)< (хп-гдк)

Л

С1 = с1,

1=1_

IX-'

(7)

N = тах (ЛГ(0) = ™х £ £ (р (0 ■ (?) - V,- (о)+ + Руч (0 • (%. (О - (/))+ (0 • (уя. (О - у, (0))),

% > *,(«)> (% + АХуср).

1 'У ы\о,если хп > х,{1)> (хп + Ахуср) \\,если хп > х, (г) > (хп + Ахуср ),

^ им I

КИ 'НИ 1Ш

,если хп > + Л^кр)

Г1,если > *,(<)> (хя + Ах„.Д

1 'ни 1ии 1НИ ,

(8)

Л, (9)

(10)

'КИ 'НИ Мцых ' ' ^Хуср

Теоретические исследования показали, что наилучшая частота вращения подающих вальцов составляет около 15 '/с. Зазор между рубительным диском и ближайшими к нему подающими вальцами (верхним и нижним) не должен превышать 4 см. Установка направляющих зубьев на подающие вальцы (Заряда зубьев на каждый валец, по 3 зуба в ряд, треугольной, прямоугольной формы и комбинированной формы) позволяет обеспечить эффективное сцепления вальцов с порубочными остатками (коэффициент сцепления 4000 Н м/с) (рисунки 3,4).

3 гп °'ест хп > *.■(')> (*л+,

-ш.

р,

кг/мин

60 40 20 0

0 4 ГдВ, СМ

Рисунок 3 - Влияние зазора между рубительным диском и ближайшим вальцом ГдВ на показатели эффективность устройства: а - производительность; б - средний размер щепы; « -потребляемую рубительным диском мощность; гид — скорость и плотность древесной массы

на выходе механизма подачи

Наилучший диаметр вальцов (диаметр вместе с захватывающими зубьями) составляет 10-14 см, а ширина входного окна загрузочного патрона должна составлять около 85 см, ширина выходного окна — около 45 см. При этом наибольшую эффективность устройству обеспечивает подающий барабан диаметром 20-30 см.

Рисунок 4- Общий вид вальцов различной конструкции и крестообразных захватов

В 3 главе «Программа и методика экспериментальных исследований»

изложены программа и методика проведения экспериментальных исследований, изложена методика обработки полученных результатов.

В соответствии с целью экспериментальных исследований проведена серия экспериментов для того, чтобы определить:

• влияние скорости вращения узлов механизма подачи на производительность и мощность, потребляемую рубительным диском машины для измельчения порубочных остатков, оснащенной новым механизмом подачи и фракционный состав получаемой при этом щепы;

• производственных показателей работы экспериментальной установки для измельчения порубочных остатков (рисунок 5).

Методика проведения лабораторно-полевых исследований предусматривала получение опытного материала пригодного для последующей обработки на персональном компьютере с помощью офисных приложений MS Excel 2007, программы Statgraf и программы статистической обработки данных Statistica 6,0.

и

Рисунок 5- Общий вид экспериментальной машины для измельчения порубочных

остатков

В 4 главе «Результаты экспериментальных исследований»

технологических параметров, влияющих на производительность и мощность, потребляемую рубительным диском машины для измельчения порубочных остатков, оснащенной новым механизмом подачи и фракционный состав получаемой при этом щепы, которые показали, что с угловой скорости подающих вальцов с 4 до 16 '/с и уменьшением угловой скорости подающего устройства с 80 до 12 '/с производительность машины для измельчения порубочных остатков возрастает с 30 до 77 кг/мин (2,5 раза) (рисунок 6). При уменьшении угловой скорости подающих вальцов до 2 '/с и увеличение угловой скорости подающего устройства до 80 '/с производительность машины для измельчения порубочных остатков снижается с 77 до 25 кг/мин (3,1 раза). При значении угловых скоростей подающих вальцов (со„е= 16 '/с) и угловой скорости подающего устройства (сопб= 16 '/с), находящихся в пределах, определенных в результате теоретических исследований производительность машины для измельчения порубочных остатков имеет свое максимальное значение (77 кг/мин). Лабораторные исследования подтвердили теоретическую зависимость производительности машины для измельчения порубочных остатков (Р) от угловых скоростей подающего устройства {со„е) и подающих вальцов(ю„в) (рисунок 7).

При увеличении угловой скорости подающих вальцов с 4 до 16 '/си уменьшением угловой скорости рубительного диска с 70 до 35 '/с производительность машины для измельчения порубочных остатков возрастает с 30 до 67 кг/мин (2,2 раза).

При уменьшении угловой скорости подающих вальцов до 2 '/с и увеличение угловой скорости подающего устройства до 65 '/с производительность машины для измельчения порубочных остатков снижается с 67 до 35 кг/мин (1,9 раза). При значении угловой скорости рубительного диска (сорд =35 '/с) и производительности (Р =77 кг/мин), находящихся в пределах, определенных в результате теоретических исследований производительность машины для измельчения порубочных остатков имеет значение (3,2 кВт).

Р = 42, 85 - 0,24 Шп6 +1,45 (5<Ш '/С < 85; 2<Ш 1/С <18)

■В 25,72" ЩШ 30,332 133 34538

□ 35^543 ЩЗ 44,749 си 48,754 СП 53^36

□ 57,963 И 62,57? СИ] 6 7,»76 КИ аЬоуе

Рисунок 6-Зависимость производительности машины для измельчения порубочных остаков (Р) от угловой скорости в зоне подачи и угловой скорости в зоне вальцов

Рисунок 7- Зависимость производительности мащины для измельчения порубочных остатков Р от соотношения угловой скорости подающего устройства к угловой скорости подающих вальцов

Средний фракционный состав щепы угловой скорости рубительного диска сорд =35 '/с составляет:0-3%;5-7%;10-15,5%;20-21,5%;30-5%;50-3%, а средний фракционный состав щепы угловой скорости рубительного диска сорд =65 '/с составляет: 0-2%;5-2%;10-17,5%;20-22,0%;30-21%;50-30%. С увеличением угловой скорости рубительного диска сорд с 35 '/с до 65 '/с происходит увеличение размеров щепы. Фракции 10,20,30 мм являются основными в составе, произведенной щепы.

Результаты хронометражного наблюдения за часовой производительностью машины для измельчения порубочных остатков, оснащенной новой конструкцией механизма подачи показали, что она составляет 32 пл. м3.

При проведении полевых исследований установлено, что время измельчения порубочных остатков не зависит от породы древесины и у всех пород колеблется в пределах от 1,5 с до 7,8 с. При этом значимым фактором при измельчении порубочных остатков является длина порубочных остатков.

В 5 главе «Расчет экономической эффективности от применения новой конструкции машины для измельчения порубочных остатков» Приведенные экономические расчеты свидетельствуют, что применение новой конструкции механизма подачи дисковой рубительной машины для измельчения порубочных остатков экономически целесообразно, так как повышает производительность выполняемых работ в среднем на 23 %, а так же снижает величину прямых затрат на 2 %.

При этом показатели экономического эффекта составляют 7,1 рубля при измельчении 1 м3 порубочных остатков или 431680 рубля в год при сроке окупаемости 1,7 года (19 месяцев).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Наиболее приемлемым является использование в рубительных машинах механизма подачи, состоящим из вальцов, которые обеспечивают надежный захват и продвижение материала к рубительному диску с заданными кинематическими параметрами.

2. Разработана математическая модель рабочего процесса подачи древесины при помощи вальцов в дисковой рубительной машине и определено влияние конструктивных параметров механизма подачи на эффективность работы машины для измельчения порубочных остатков.

3. Теоретическими исследованиями установлено, что наилучшая частота вращения подающих вальцов составляет около 15 '/с. Зазор между рубительным диском и ближайшими к нему подающими вальцами (верхним и нижним) не должен превышать 4 см. Установка направляющих зубьев на подающие вальцы (3—4 ряда зубьев на каждый валец диаметром 10-14 см, по 3 зуба в ряд, треугольной или прямоугольной формы) позволяет обеспечить эффективное сцепления вальцов с порубочными остатками (коэффициент сцепления 4000 Нм/с).

4. Лабораторными исследованиями установлено, что при значении угловых скоростей подающих вальцов (со„в= 16 '/с) и угловой скорости подающего устройства (со„б= 16 '/с), находящихся в пределах, определенных в результате теоретических исследований производительность машины для измельчения порубочных остатков имеет свое максимальное значение (77 кг/мин). С увеличением угловой скорости рубительного диска со^ с 35 '/с до 65 '/с происходит увеличение размеров щепы. Фракции 10,20,30 мм являются основными в составе, произведенной щепы.

5. Повышение часовой производительности машины для измельчения порубочных остатков составило 14% (32 пл. м3). Продолжительность измельчения порубочных остатков не зависит от породы древесины и у всех пород колеблется в пределах от 1,5 с до 7,8 с. Значимым фактором при измельчении порубочных остатков является длина порубочных остатков.

6. Применение новой конструкции дисковой рубительной машины для измельчения порубочных остатков, оснащенной вальцовым механизмом подачи способствует повышению производительности труда в среднем на 23 %, а так же снижению прямых затрат на 2 %. При этом экономический эффект составляет 7,1 рубля при измельчении 1 м3 порубочных остатков или 431680 рубля в год при сроке окупаемости 1,7 года (19 месяцев).

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Бурлаков, A.C. Теоретическое обоснование осн. конструктивно-технологических параметров устройства для изм. порубочных остатков [Текст] / C.B. Фокин, А.С.Бурлаков // Инновационная деятельность.-2011.-№4- С.123-130(1,0/0,5 печ. л.).

2. Бурлаков, A.C. О влиянии конструктивных и технологических параметров механизма подачи на его эффективность работы [Электронный ресурс] / C.B. Фокин, А.С.Бурлаков // Совр. проблемы науки и образования. -2013. - № 5; универсальный указатель ресурса: www.science-education.ru/111-10212 (дата обращения: 02 октября 2013).

3. Бурлаков, A.C., Об определении конструктивно-технологических параметров механизма подачи дисковой рубительной машины [Электронный ресурс] / A.C. Бурлаков,C.B. Фокин // Совр. проблемы науки и образования. -2013. - № 5; универсальный указатель ресурса: www.science-education.ru/111-10572 (дата обращения: 31октября 2013).

В других изданиях

4. Пат. 2421328 Рос. Федерация, МКИ В 27 L 11/00. Устройство для измельчения порубочных остатков [Текст] / В. В. Цыплаков, С.В.Фокин, A.C. Бурлаков; заяв. и патентообладатель Фед.ГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И.Вавилова». -№ 20101104729/21 ; заявл. 22.03.2010; опубл. 22.06.2011, Бюл. № 17,-5 с. (0,30/0,1 печ. л.).

5. Бурлаков, A.C. Об изменении конструкции устройства для измельчения порубочных остатков [Текст] / С. В. Фокин, А. С. Бурлаков // Вавиловские чтения - 2010 : матер, конф. / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2010. - С. 97-99 (1,0/0,5 печ. л.).

6. Бурлаков, A.C. О технологиях и средствах для расчистки нераскорчеванных вырубок от порубочных остатков [Текст] / С. В. Фокин, А. С. Бурлаков // Вестник Харьковского национального технического университета им. П. Василенко. - Харьков, 2010. - Вып. 94. - С. 379-384 (1,0/0,5 печ. л.).

7. Бурлаков, A.C. О совершенствовании конструкции устройства для измельчения порубочных остатков [Текст] / С. В. Фокин, А. С. Бурлаков, А. Н. Фетяев // Вавиловские чтения - 2009 : материалы конференции / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2009. - С. 254-255 (1,0/0,5 печ. л.).

8. Бурлаков, A.C. О представлении в модели порубочных остатков [Текст] / С. В. Фокин, А. С. Бурлаков // Техника и технология: новые перспективы развития: Материалы X научно-практической конференции (28.08.2013).- М. Издательство «Спутник+»,2013.-С. 107-111(1,0/0,5 печ. л.).

9. Бурлаков, A.C. О программной реализации модели процесса подачи порубочных остатков в зону измельчения дисковой рубительной машины [Текст] / С. В. Фокин, А. С. Бурлаков // Техника и технология: новые перспективы развития: Материалы X научно-практической конференции (28.08.2013).- М. Издательство «Спутник+»,2013.-С.112-115 (1,0/0,5 печ. л.).

10. Бурлаков, A.C. Влияние зазора между рубительным диском и ближайшим вальцом механизма подачи дисковой рубительной машины [Текст] / С. В. Фокин, А. С. Бурлаков // Наука и образование в XXI веке: сборник науч. трудов по материалам Междун. научно-практической конф. (30 сентября 2013 года г. Тамбов). /ТРОО «Бизнес-Наука- Общество», 2013. - Ч.7.- С. 147-148 (0,12/0,06 печ. л.).

11. Бурлаков, A.C. Конструкция и кинематика механизма подачи устройства для измельчения порубочных остатков [Текст] / С. В. Фокин, А. С. Бурлаков // Системные исследования природно-техногенных комплексов Нижнего Поволжья/, издательство «Саратовский источник».-Саратов, 2011. В.З- 132-137 с (1,0/0,5 печ. л.).

12. Бурлаков, A.C. О необходимости расчистки нераскорчеванных вырубок в степной и лесостепной климатических зонах [Текст] / С. В. Фокин, А. С. Бурлаков // Системные исследования природно-техногенных комплексов Нижнего Поволжья, /издательство «Саратовский источник».- Саратов, 2011. -В.З- 137-139 с (1,0/0,5 печ. л.).

13. Бурлаков, A.C. О постановке задачи на теоретическое исследование процесса подачи порубочных остатков в рубительной машине дискового типа [Электронный ресурс]/ С. В. Фокин, А. С. Бурлаков // Науч. электронный архив, универсальный указатель ресурса: http://econf.rae.ru/article/7819 (дата обращения: 08августа 2013).

14. Бурлаков, A.C. Об экономической эффективности от применения устройства для измельчения порубочных остатков [Электронный ресурс]/ С. В. Фокин, А. С. Бурлаков // Науч. электронный архив, универсальный указатель ресурса: http://econf.rae.ru/article/7828 (дата обращения: 19 августа 2013).

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.034.02 или прислать Ваш отзыв на автореферат в 2 экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ФГБОУ ВПО «Воронежская ГЛТА», ученому секретарю. Тел. (473)2-53-67-00, факс (473)253-67-02

Подписано в печать 28.03.2014. Формат 60x84 1/16. Объем 1,0усл.печ.л. Тираж 100 экз. Заказ 41. Типография ИП Зуев A.A. 410071, г. Саратов, ул. Рабочая, 190

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет

им. Н. И. Вавилова»

На правах рукописи

Бурлаков Андрей Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ ПОРУБОЧНЫХ ОСТАТКОВ В ДИСКОВЫХ РУБИТЕЛЬНЫХ

МАШИНАХ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Фокин Сергей Владимирович

Саратов-2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................... 14

1.1 Анализ существующих технологий подачи сырья в рубительных машинах дискового типа........................................................ 14

1.2 Анализ конструкций механизмов подачи рубительных машин дискового типа.................................................................... 18

1.3 Анализ исследований процесса подачи сырья вальцовыми механизмами....................................................................... 31

1.4 Выводы. Цель и задачи исследований....................................... 38

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОДАЧИ ПОРУБОЧНЫХ ОСТАТКОВ К РУБИТЕЛЬНОМУ ДИСКУ............ 41

2.1 Обоснование рабочего процесса подачи порубочных остатков к рубительному диску.............................................................. 41

2.2 Кинематика процесса подачи сырья в зону рубки......................... 44

2.3 Построение имитационной модели работы механизма подачи машины для измельчения порубочных остатков........................... 48

2.3.1 Методика моделирования..............................................................................................................48

2.3.1.1 Представление в модели порубочных остатков......................................................49

2.3.1.2 Представление в модели устройства для измельчения порубочных остатков......................................................................................................................................................53

2.3.1.3 Представление в модели загрузочного патрона......................................................56

2.3.1.4 Представление в модели механизма подачи................................ 58

2.3.1.5 Моделирование процесса подачи и измельчения порубочных

остатков......................................................................................................................................................62

2.3.1.6 Общая система уравнений и особенности ее решения....................................64

2.3.1.7 Программная реализация модели............................................................................................68

2.3.1.8 Порядок проведения компьютерного эксперимента............................................71

2.3.2 Влияние конструктивных и технологических параметров механизма

подачи на его эффективность................................................................................................73

2.3.2.1 Постановка задачи на теоретическое исследование..........................................73

2.3.2.2 Распределение скорости движения и плотности порубочных

остатков по длине механизма подачи................................................................................76

2.3.2.3 Влияние частоты вращения подающих вальцов......................................................79

2.3.2.4 Влияние зазора между рубительным диском и ближайшим вальцом . 81

2.3.2.5 Влияние характера наклона загрузочного патрона....................... 84

2.3.2.6 Влияние высоты загрузочного патрона...................................... 86

2.3.2.7 Влияние характера сцепления подающих вальцов с порубочными остатками............................................................................ 89

2.3.2.8 Влияние количества подающих вальцов...................................... 92

2.3.2.9 Влияние диаметра подающих вальцов....................................... 93

2.3.2.10 Влияние длины подающих вальцов........................................... 96

2.3.2.11 Влияние диаметра подающего устройства................................... 98

2.4 Выводы.............................................................................. 100

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................ 103

3.1 Методика проведения экспериментов по изучению влияния

скорости вращения узлов механизма подачи на производительность и мощность, потребляемую рубительным диском машины для измельчения порубочных остатков, оснащенной новым механизмом подачи и фракционный состав получаемой при этом щепы............. 103

3.1.1 Описание конструкции опытного образца машины для измельчения порубочных остатков............................................................. 103

3.1.2 Описание лабораторной установки и методики проведения исследований....................................................................... 106

3.1.3 Подготовка и выполнение лабораторных исследований................. 108

S'

«г

ь

é-

4

3.2 Методика многофакторного планирования лабораторных исследований....................................................................... 109

3.3 Методика обработки результатов лабораторных исследований........ 112

3.4 Методика определения мощности, потребляемой рубительным диском машины для измельчения порубочных остатков, оснащенной новым механизмом подачи...................................................... 113

3.5 Методика проведения полевых исследований.............................. 117

3.5.1 Устройство и работа машины для измельчения порубочных

остатков............................................................................ 117

3.5.2 Методика определения производительности опытного образца машины для измельчения порубочныхостатков......................... 118

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...... 120

4.1 Результаты исследования технологических параметров, влияющих на производительность машины для измельчения порубочных остатков, фракционный состав, получаемой щепы и энергетику процесса резания.................................................................. 120

4.2 Результаты определения часовой производительности опытного образца машины для измельчения порубочных остатков, оснащенного новой конструкцией механизма подачи................... 127

4.3 Выводы.............................................................................. 130

5. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ПРИМЕНЕНИЯ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ МАШИНЫ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПОРУБОЧНЫХ ОСТАТКОВ.......................... 133

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ......................................... 143

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................... 145

ПРИЛОЖЕНИЕ А.............................................................................. 160

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.............................................................................. 188

ПРИЛОЖЕНИЕ В

192

ПРИЛОЖЕНИЕ Г............................................................................................................................................................193

; ПРИЛОЖЕНИЕ Д............................................................................................................................................................194

ПРИЛОЖЕНИЕ Е............................................................................................................................................................195

ПРИЛОЖЕНИЕ Ё............................................................................................................................................................197

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж............................................................................................................................................................198

ПРИЛОЖЕНИЕ 3............................................................................................................................................................199

ПРИЛОЖЕНИЕ И............................................................................................................................................................200

ПРИЛОЖЕНИЕ Й............................................................................................................................................................201

ПРИЛОЖЕНИЕ К............................................................................................................................................................202

; ПРИЛОЖЕНИЕ Л............................................................................................................................................................203

Я'

ПРИЛОЖЕНИЕМ............................................................................................................................................................204

ПРИЛОЖЕНИЕ Н............................................................................................................................................................205

ПРИЛОЖЕНИЕ О............................................................................................................................................................206

ПРИЛОЖЕНИЕ П............................................................................................................................................................207

ПРИЛОЖЕНИЕ Р............................................................................................................................................................208

ПРИЛОЖЕНИЕ С............................................................................................................................................................209

ПРИЛОЖЕНИЕ Т............................................................................................................................................................210

ПРИЛОЖЕНИЕ У

211

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Решая задачи обеспечения энергией человечество столкнулось с проблемой исчерпаемости традиционных энергоресурсов.

Поэтому актуальность производства биотоплива из непищевого сырья возрастает с каждым годом, так как в настоящее время распространены технологии получения биотоплива из пищевого сырья, что в нынешних условиях теряет свою привлекательность.

Во всем мире отрасли, где применяются биоэнергетические технологии получили широкое применение и для иностранных партнеров пока недоступно понимание того, что в России данные инновационные проекты не приносят большой прибыли, что сказывается на их инвестиционной привлекательности. А именно отрасль биоиндустрии настолько экономически выгодна, но в России она только зарождается.

Основным преимуществом биотоплива является то, что его характеристики и свойства практически не отличаются от горюче-смазочных материалов, получаемых ископаемых ресурсов, благодаря чему его можно использовать в различных отраслях экономики без значительных конструктивных изменений оборудования.

Особенностью лесостепной и степной климатические зон является то, что они относятся к малолесным и среднелесным районам европейской части России, которых отсутствует промышленная заготовка древесины. Наибольшее распространение получили рубки деревьев в погибших и поврежденных насаждениях, а отходы древесины, получаемые при этом

находят своего потребителя и остаются на вырубках, становясь потенциально опасными в экологическом плане.

Поэтому измельчение отходов лесосечных работ на щепу позволит решить проблему их использования в качестве топливной щепы, как источника тепловой энергии для нужд предприятий и населения региона.

Производство топливной щепы из отходов лесосечных работ можно отнести к важной экономической проблеме, решение которой будет способствовать повышению жизненного уровня населения, так как получаемый продукт может быть использован для нужд населения в качестве топлива. Наиболее остро проблема обеспечения населения теплом стоит в сельской местности, где установка и обслуживание традиционного оборудования обходится очень дорого. Получаемая топливная щепа служит прекрасным минеральным удобрением и может разбрасываться по вырубке в случае отсутствия экономической целесообразности использования.

При производстве топливной щепы наибольшее распространение получили мобильные дисковые рубительные машины. Однако таким машинам, присущи такие недостатки, как: малый объем загрузочного патрона, невысокая скорость подачи и возможность измельчать для энергетических целей только крупномерное древесное сырье. Данные недостатки сказались на производительности и эффективности применения существующих конструкций дисковых рубительных машин. Поэтому внедрение дисковых рубительных машин, оснащенных высокоэффективным механизмом подачи позволит решить важную социально - экономическую задачу.

В соответствии с этим тема диссертационной работы актуальна и выполнена в соответствии с контрактом ПНР-2 «Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК. Раздел: Разраб. машин и технологий для повышения продуктивности лесов, созд. лесных культур, агролесомелиоративных и зеленых насаждений. Подраздел 1: Технологии и машины лесного хозяйства в Поволжье» на период 2006-2020 г.г.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является совершенствование механизма подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах, обеспечивающего уплотнение и высокоскоростную подачу материала независимо от его размеров.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

1.Усовершенствовать рабочий процесс взаимодействия конструктивных элементов вальцового механизма подачи с измельчаемым материалом, путем увеличения силы сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнения и скорости перемещения к рубительному диску.

2.Разработать имитационную модель рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, использующей вальцовый механизм подачи.

3.Обосновать основные геометрические параметры вальцового механизма подачи и режимов рабочего процесса подачи порубочных остатков к рубительному диску, обеспечивающего увеличение силы сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнение и скорость перемещения на основе математического моделирования.

4.Проведение лабораторных и полевых исследований опытного образца рубительной машины, оснащенной новой конструкцией механизма подачи порубочных остатков.

Объект и предмет исследования.Объектом исследования являются вальцовый механизм подачи порубочных остатков дисковой рубительной машины.

Предметом исследования является имитационная модель, методика и алгоритмы определения конструктивных и технологических параметров вальцового механизма подачи порубочных остатков дисковой рубительной машины.

Научная новизна результатов работы.

1.Рабочий процесс взаимодействия конструктивных элементов вальцового механизма подачи с измельчаемым материалом, отличающийся увеличением силы сцепления вальцов с подаваемым материалом за счет установки на них шипов различной конструкции, а также уплотнения и скорости перемещения порубочных остатков к рубительному диску.

2. Имитационная модель рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, отличающаяся учетом влияния конструктивных особенностей механизма подачи и подаваемого материала на эффективность работы машины для измельчения порубочных остатков.

3.Закономерности рабочего процесса подачи порубочных остатков к рубительному диску, отличающиеся увеличением силы сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнением и скоростью перемещения.

4.Технологические рекомендации, совершенствующие рабочий подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах и повышающие его эффективность.

Теоретическая значимость работы заключается в создании имитационной модели и программы для ЭВМ, описывающих рабочий процесс подачи порубочных остатков при помощи вальцов в дисковой рубительной машине и их измельчения; результатах теоретических исследований взаимодействия вальцов с порубочными остатками в дисковой рубительной машине, оснащенной механизмом подачи, новизна которого подтверждена патентом на изобретение № 2421328.

Практическая значимость работы заключается в разработаных рекомендациях по совершенствованию рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах, в созданных алгоритмах и программе ЭВМ на основе математического моделирования, которые использованы: в ОГУ «Саратовский лесхоз», в учебном процессе Фед.ГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И.Вавилова» при подготовке бакалавров и магистров лесотехнического профиля.

Соответствие_диссертации_паспорту_научной

специальности.Диссертация соответствует пункту 5 - «Обоснование, и оптимизация параметров и режимов работы л/з и л/х машин» паспорта спец. 05.21.01 -Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.

Методическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования базировались на математическом исследовании рабочих процессов подачи сырья при измельчении древесной биомассы и обосновании их конструктивно-технологических параметров. Решение

общей систем дифференциальных уравнений проводилось с использованием численного интегрирования на персональном компьютере.

Эксперименты проводились в лабораторных и полевых условиях на разработанном моделирующем стенде и натурном образце дисковой рубительной машине. Для исследования процесса подачи сырья в дисковой рубительной машине использовались методы имитационного моделирования и статистической динамики, а также основные положения проведения полнофакторного эксперимента. Полученные данные обрабатывались с использованием программ Excel, Statgraf, Statistica, MicrocalOrigin 5.0 и BorlandDelphi 7.0.

Научные положения, выносимые на защиту

1 .Конструктивная схема дисковой рубительной машины, использующая вальцовый механизм, повышающий силу сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнение и скорость перемещения к рубительному диску.

2.Имитационная модель рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, использующей вальцовый механизм подачи, позволяющая проводить, на основе математического моделирования, теоретические исследования.

3.Закономерности влияния геометрических параметров на рабочий процессподачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, позволяющие обосновать параметры вальцового механизма подачи и режимы его функционирования.

4. Технологические рекомендации, позволяющие повысить эффективность рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах.

Степень достоверности и апробация результатов.Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена лабораторно-полевыми экспериментами, производственной проверкой опытного образца дисков�