автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Совершенствование защиты лесных почвообрабатывающих фрез от перегрузок

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Конструкции лесохозяйственных машин со многими рабочими органами и их защитные устройства по крутящему моменту.

1.2. Обзор работ по исследованию предохранительных муфт и динамике машин при перегрузке.

ВЫВОДЫ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ФРЕЗЕРНОГО БАРАБАНА ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ЛЕСОХО-ЗЯЙСТВЕННОЙ МАШИНЫ.

2.1. Основные положения и требования, предъявляемые к разработке средств защиты почвообрабатывающих фрезерных лесохозяйственных машин.

2.2. Принципиальная конструктивная схема барабана и его предохранителей фрезерной лесохозяйственной почвообрабатывающей машины.

2.3. Геометрические параметры, силовые, прочностные и инерционные характеристики фрезерного барабана и упругих фрикционных блоков.

2.4. Оценка качества обработки почвообрабатывающей фрезы с упругими фрикционными блоками.

ВЫВОДЫ.

3. НАГРУЖЕННОСТЬ ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН СО МНОГИМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ И УПРУГОФРИКЦИ-ОННЫМИ БЛОКАМИ В СТОПОРНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ.

3.1. Выбор расчетных схем лесохозяйственных машин при перегрузке.

3.2. Динамические нагрузки, возникающие при стопорении рабочих органов лесохозяйственной машины, имеющей в своей структуре упругофрикционное блоки

3.3. К оптимальному проектированию динамических параметров при перегрузках фрезерных лесохозяйственных машин.

ВЫВОДЫ.

4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Программа экспериментальных исследований.

4.2. Методика исследований в лабораторных условиях.

4.2.1. Методика исследования динамической нагруженности лесохозяйственной машины.

4.2.2. Методика исследования точности ограничения нагрузки и долговечности.

4.2.3. Конструкция испытательного стенда.

4.3. Методика исследования фрезерной машины с упруго-фрикционными блоками в полевых условиях. Оценка качества обработки почвы.

4.4. Приборы. Тарировка.

4.5. Обработка опытных данных.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1. Динамические нагрузки лесохозяйственных машин при перегрузках и в нормальном режиме эксплуатации.

5.2. Исследование точности ограничения нагрузки упруго-фрикционных блоков фрезерного барабана лесохозяй-ственной машины.

5.3. Долговечность предохранителей рабочих органов фрезерного барабана.

5.4. Результаты полевых испытаний.

ВЫВОДЫ.

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ. ВНЕДРЕНИЕ

Актуальность темы. Ротационные лесохозяйственные машины широко применяются в лесном комплексе Российской Федерации. К ним относятся и почвообрабатывающие лесные фрезы. Выгодность фрезерования почвы состоит в том, что получается готовый пахотный горизонт для других работ, таких как посев и посадка сразу после прохода фрезы. Установлено, что фрезерование способствует обогащению почвы, ускоряет процессы ее минерализации. Ротационные почвообрабатывающие лесные фрезы имеют хорошую проходимость, особенно в условиях нераскорчеванных вырубок.

Однако лесное хозяйство нашей страны до сих пор не имеет достаточно совершенной почвообрабатывающей ротационной техники. Одной из причин такого положения является низкая надежность вследствие несовершенства средств защиты почвообрабатывающей ротационной техники от перегрузок. Другая причина - отсутствие необходимой теоретической базы, касающейся оценки максимальных динамических нагрузок, возникающих в элементах ротационных лесохозяйственных машин в момент функционирования их средств защиты от перегрузок.

Надлежащая защита ротационных почвообрабатывающих лесохозяйственных машин от перегрузок коренным образом улучшает условия эксплуатации машин, предохраняя их от поломок. Знание действительной динамической нагруженности ротационных лесохозяйственных машин, ее уровень и характер изменения при перегрузках внесет большую ясность при создании новой лесохозяйственной техники, позволит более обоснованно подходить к выбору коэффициентов запаса прочности и к снижению их массы.

Поэтому исследования, направленные на повышение эффективности защиты ротационной лесохозяйственной техники от перегрузок, являются актуальными.

Цель работы состоит в повышении эффективности защиты ротационных лесохозяйственных машин со многими рабочими органами за счет улучшения основных характеристик их предохранительных устройств от перегрузок.

Достоверность результатов исследований обеспечивалась большим объемом экспериментальных данных, применением современных методов испытаний и оборудования, достаточной сходимостью теоретических положений с экспериментом, апробацией на реальных машинах.

Научная новизна заключается: в обосновании и разработке нового конструктивного решения фрезерного барабана почвообрабатывающей лесохозяйственной машины с упругими фрикционными блоками, встроенными в каждый рабочий орган, новизна которого защищена патентом на изобретение, что позволяет снизить максимальные кратковременные и длительные динамические нагрузки, а также повысить надежность и долговечность машины; в разработке зависимостей и рекомендаций по расчету и выбору геометрических, силовых, прочностных и инерционных характеристик и параметров фрезерного барабана и его упругофрикционных блоков; в разработке математических моделей стопорного режима работы ротационных лесохозяйственных машин со многими рабочими органами, содержащими в своей структуре упругофрикционные блоки, когда параметры машины и блоков переменны; в получении расчетных зависимостей для определения максимальных динамических нагрузок, возникающих в элементах лесохозяйственных машин в момент перегрузки различного числа рабочих органов; в установлении динамической нагруженности лесохозяйственной машины при срабатывании упругофрикционных блоков и в выявлении невлияния конструктивных изменений их средств защиты от перегрузок на качество обработки почвы.

Значимость исследований для теории и практики. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования способствуют дальнейшему совершенствованию ротационной лесохозяйственной техники со многими рабочими органами и индивидуальными предохранительными устройствами в силу того, что они позволяют оценить динамические нагрузки в их элементах при перегрузке различного числа рабочих органов, повышают качество проектирования, позволяют создавать более надежные и производительные лесохозяйственные машины с оптимальными параметрами.

Научные положения, выносимые на защиту:

- новое техническое решение фрезерного барабана почвообрабатывающей лесохозяйственной машины, позволяющее снижать максимальные нагрузки, а также повышать надежность и долговечность машины;

- методика по расчету и выбору геометрических, силовых, прочностных и инерционных характеристик и параметров фрезерного барабана;

- математические модели стопорного режима работы, ротационной лесохозяйственной машины и расчетные зависимости по определению максимальных динамических нагрузок, возникающих в элементах лесохо-зяйственных машин в момент перегрузки различного числа рабочих органов;

- уровень нагруженности ротационных лесохозяйственных машин при функционировании их упругофрикционных блоков.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ и получен патент на изобретение.

Апробация работы. Материалы исследований доложены: на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронеж8 ской государственной лесотехнической академии, 1996 - 1999 г.г.; на Всероссийской научно-технической конференции "Рациональное использование ресурсного потенциала в агролесном комплексе", г. Воронеж, 1998 г.; на Международной научно-практической конференции (рациональное использование лесных ресурсов), г. Йошкар-Ола , 1999 г.; на юбилейной научной конференции молодых ученых, г. Воронеж, 2000 г .

Структура и объем работы. Диссертация содержит 156 страниц машинописного текста, 7 таблиц и 26 рисунков, состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка использованных литературных источников из 75 наименований, в том числе 7 на иностранных языках, и приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. С учетом комплексного подхода к организации лесохозяйственных машин разработана фрезерная лесохозяйственная почвообрабатывающая машина с упругофрикционными блоками, встроенными в каждом рабочем органе ее барабана, позволяющая снизить максимальные кратковременные и длительные динамические нагрузки, повысить ее надежность и производительность. Новизна конструкции защищена патентом Российской Федерации на изобретение.

2. Получены зависимости и даны рекомендации по расчету и выбору геометрических, силовых, прочностных и инерционных характеристик и параметров фрезерного барабана и его упругих фрикционных блоков, которые обеспечат нормальное их функционирование и работоспособность. На основе анализа общих принципов резания грунтов доказано невлияние конструктивных изменений средств защиты фрезерных лесохозяйственных машин от перегрузок на качество обработки почвы.

3. Составлены обобщенные динамические расчетные схемы ротационных лесохозяйственных машин со многими рабочими органами, содержащие в своей структуре упругофрикционные блоки, и разработаны математические модели стопорного режима работы таких машин, когда параметры машин и их фрикционных блоков переменны.

4. Получены расчетные зависимости для определения максимальных динамических нагрузок, возникающих в элементах привода и рабочих органов ротационных лесохозяйственных машин при функционировании упру-гофрикционных блоков в момент перегрузки различного числа рабочих органов. Для конкретной динамической системы показано использование метода пассивной стратегии для нахождения ее оптимальных параметров, обеспечивающих минимальные нагрузки.

5. Установлено, что при защите фрезерных лесохозяйственных машин от перегрузок упргофрикционными блоками, встроенными в каждом рабочем органе их барабанов, происходит снижение динамических нагрузок при их срабатывании в 1,33 раза по сравнению с обычными фрикционными предохранительными муфтами. Длительные динамические нагрузки, действующие в период нормальной эксплуатации фрезерной машины, снизились в 1,40. 1,45 раза. Получено довольно близкое совпадение экспериментальных данных с данными, вычисленными по полученным расчетным зависимостям для оценки динамических нагрузок, возникающих при срабатывании упругофрикционных блоков. Расхождение при максимальной частоте вращения, равной 660 мин.*1, составляет 11 %.

6. Точность ограничения нагрузки как упругофрикционными блоками, так и обычными фрикционными предохранителями зависит от числа стопорящихся рабочих органов и места установки нажимной пружины. Для повышения точности ограничения нагрузки нажимные пружины фрикционных средств защиты ротационных лесохозяйственных машин должны устанавливаться с двух сторон фрезерного барабана.

7. Температура элементов фрезерного барабана лесохозяйственной машины с упругофрикционными блоками на 10 % ниже по сравнению с обычными муфтами за счет лучшего вентиляционного эффекта, возникающего при функционировании разработанных защитных устройств от перегрузок.

8. Экспериментально в полевых условиях подтверждена достаточно хорошая работоспособность фрезерной лесохозяйственной машины с упругими фрикционными блоками. Выявлено невлияние упругофрикционных блоков на качество обработки почвы.

1. А. с.1043377 ( СССР) Предохранительное устройство/ А. А. Головко, О. В. Лучкин, Н. Д. Большаков и др. Опубл. в Б. И., 1983, № 35

2. А. с. 1634148 ( СССР ) Почвообрабатывающая машина/ В. И. Воробьев, В. И. Чужинов, Н. П. Панкратов, В. С. Бирюков,- Опубл. в Б. И.,1991, №10

3. А. с. 781434 ( СССР ) Фрикционная предохранительная муфта/ Б. М. Гевко, О. И. Дубик, А. П. Шовкун.- Опубл. в Б. И., 1980, № 43

4. А. с. 211907 ( СССР ) Орудие для обработки почвы под лесные культуры на нераскорчеванных вырубках/ П. П. Корниенко, Н.П. Калин-ченко, С.П. Шмаков,- Опубл. в Б. И., 1988 ,№ 15

5. А. с. 733530 ( СССР ) Почвообрабатывающая фреза/ Г. А. Мото-ринский, А. Ф.Мокиенко, В.А. Пархоменко и др.- Опубл. в Б. И., 1980, № 18

6. А. с. 836546 ( СССР ) Стенд для испытания предохранительных муфт/ В. Р. Карамышев- Опубл. в Б. И., 1981, № 21

7. A.c. 1400526 ( СССР ) Предохранительная дисковая фрикционная муфта/ Н. Б. Бок, О. Ф. Безлер, К. С. Жусупов.-Опубл. в Б. И., 1988, № 23

8. Бартенев И. М.,Карамышев Е. В., Карамышев В. Р. К вопросу столкновения лесохозяйственных машин с препятствиями на вырубках // Вестник ЦЧР отдел, наук о лесе АЕН ВГЛТА, вып. 1, Воронеж, 1998.-С. 230-234.

9. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин.-М.: Машиностроение, 1979.-702 с.

10. Борисов С. М. Фрикционные муфты и тормоза строительных и дорожных машин.-М.: Машиностроение, 1973.-168 с.

11. Бородин Н. А., Карамышев В. Р. Предохранительная муфта И. л. № 167 ( 56) -99.-Воронеж: ЦНТИ, 1999-4 с.

12. Васильев Ф. П. Численные методы решения экстремальных задач.- М.: Наука, 1980 480 с.

13. Веденяпин Г. В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. -М.:Колос, 1973 -199 с.

14. Волков Д. П. Динамика одноковшовых экскаваторов. М.: Машиностроение, 1965 - 464 с.

15. Вычислительные методы в электродинамике. / Под ред. Митры Р. -М.: Мир, 1977. -487 с.

16. Горячкин В. П. Собрание сочинений в 3-х томах. -М.: Колос,1968.

17. Гонский Г. В. Предохранительные устройства как средства повышения качества машин.: Автореф. дисс. . докт. техн. наук. -Харьков, 1965. -44 с.

18. Гинзбург А. Г. Расчет и исследование величины осевого усилия и момента при наличии трения в шлицах многодисковых тормозов и муфт.// Сб. Трение и износ фрикционных материалов. М.: Наука, 1977 - С. 13-19.

19. Давыдов Б. Л.,Скородумов Б. А. Статика и динамика машин.-М.: Машиностроение, 1967. -430 с.

20. Далин А. Д.,Павлов П. В. Ротационные грунтоперерабатывающие и землеройные машины. -М.: Машгиз, 1950.-258 с.

21. Дунаев П. Ф.,Леликов О. П. Конструирование узлов и деталей машин.-М.: Машиностроение, 1973. -168 с.

22. Есипенко Я. И.,Паламаренко А.З., Афанасьев М. К. Муфты ограничения нагрузки. -К.: Техника, 1972. -167 с.

23. Жидких П. И. Обоснование конструкций предохранительного механизма лесного дискового культиватора для обработки почвы на нерас-корчеванных вырубках.: Дисс. канд. техн. наук. -Воронеж, 1973 -150 с.

24. Запорожченко Р. М. О характеристиках фрикционных предохранительных муфт повышенной точности срабатывания. -Изв. вузов. Машиностроение, 1971, № 1. С. 48-52.

25. Зельцерман И. М., Каминский Д. М., Онопко А. Д. Фрикционные муфты и тормоза гусеничных машин. М.: Машиностроение, 1965. - 240 с.

26. Ильин Г. П., Усанов А. В. Машины и орудия для создания лесных культур на вырубках. -М.: Гослесбумиздат, 1961. -98 с.

27. Иоффе А. Д., Тихомиров В. М. Теория экстремальных задач. -М.: Наука, 1974. -288 с.

28. Канарев Ф. М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. -М.: Машиностроение, 1983. 142 с.

29. Канев Н. Ф. Механика почвообрабатывающей фрезы. -М.:ВНИИЛМ, 1957. 46 с.

30. Касаткин Б. С., Кудрин А. Б., Лобанов Л. М. и др. Экспериментальные методы исследований деформаций и напряжений. К.: Наукова думка, 1981.- 584 с.

31. Карамышев В. Р. Защита лесохозяйственных машин от перегрузок. Воронеж : ВГУ, 1991. - 168 с.

32. Карамышев В. Р., Нартов П. С. Повышение надежности работы предохранительных муфт лесохозяйственных машин. Воронеж: ВГУ, 1983 -140 с.

33. Карамышев В. Р. Оценка динамических нагрузок выкопочных лесохозяйственных машин на ЭВМ/ Карамышев В. Р.,Бородин Н. А., Кретов

34. А. Д. // Сб. Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса. Воронеж: ВГЛТА, 1998. - С. 198-200.

35. Карамышев В. Р., Буевич Д. В. О защите лесопосадочных машин муфтами повышенной точности срабатывания. // Сб. Рациональное использование ресурсного потенциала в агролесном комплексе. Воронеж : ВГЛТА, 1998-С. 27

36. Карамышев В. Р., Логунов О. Н. Снижение динамических нагрузок фрезерных лесохозяйственных машин // Сб. Рациональное использование ресурсного потенциала агролесном комплексе. Воронеж: ВГУ, 1998 -С. 17

37. Комаров М. С. Динамика механизмов и машин М.: 1978 -296 с.

38. Корецкий Н. Е., Панищева Л. И., Чинарева О. И. и др. Организация и планирование технического обслуживания и ремонта лесных машин с элементами бизнес-плана. Воронеж: ВГЛТА, 1995 - 160 с.

39. Кожешник Я. Динамика машин. М.: Машгиз, 1961. 424 с.

40. Кожевников С. Н., Нурибеков И. А-Г. Исследование динамических процессов в трансмиссиях с предохранительной пружинно-зубчатой муфтой // Машиностроение, 1975, № 1. С. 15-21.

41. Крагельский И. В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. -384 с.

42. Кранцов Л. Н. Опытно-конструкторские исследовательские работы по улучшению параметров, повышению надежности и расширению сферы применения тракторов класса 0,8 ТС. : Дисс. в виде научного доклада . канд. техн. наук. Воронеж, 1973. - 45 с.

43. Кондратьев Л. П., Охинько В. А. Ленточные фрикционные устройства в машиностроении.-Воронеж: ИПФ "Воронеж", 1998.-118 с.

44. Ларюхин Г. А., Калиниченко М. П., Чернышев В. В. и др. Система лесохозяйственных машин. М.: Агропромиздат, 1971. - 98 с.

45. Лопаткин М. Г. Исследование и стандартизация предохранительных муфт.: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1967. -19 с.

46. Машины для сплошного фрезерования земель при мелиоративном строительстве / И. Ш. Сумецкий. М.:ЦНИИТЭстроймаш, 1979. - 48 с.

47. Механизация обработки почвы под лесные культуры / П. П. Корниенко, Ю. М. Сериков, В. Ф. Зинин, В. И. Казаков. М.: Агропромиздат, 1987.-247 с.

48. Механизация обработки почвы / Н. А. Венчеков, И. Е. Попов, И. Е. Куценко и др. М.: Колос, 1972.-272 с.

49. Морозов И. И., Медведев Д. И., Монахов А. И. и др. Машина для предпосевной обработки почвы в питомниках МПП- 1,3 // Лесное хозяйство, 1995, № 5 ,С. 42-43

50. Мэнли Р. Анализ и обработка записей колебаний. М.: Наука, 1972.-247 с.

51. Нартов П. С. Проектирование и расчет лесохозяйственных машин. Воронеж: ВГУ, 1980. - 192 с.

52. Новосельцев В. П. Справочник лесничего. в 2-х книгах. - М.: ВНИИЦлесурс, 1995

53. Организация и оперативное управление на предприятиях лесной промышленности и лесного хозяйства. / Чинченко Е. М., Сиротов В. В., Цывин В. А. и др. М.: Лесная промышленность, 1989. - 169 с.

54. Патент США № 4255946 Муфта с устройством сигнализации о перегрузках, 1981.

55. Патент Японии № 56-53662 Предохранительная муфта, 1981.

56. Патент на изобретение № 2138145 ( Российская Федерация ) Фрезерная почвообрабатывающая. / В. Р. Карамышев, О. Н. Логунов. Опубл. 27.09.99., Бюл. № 27

57. Петрягин И. Н. Повышение надежности пропашных фрез от перегрузок за счет совершенствования предохранительных муфт.: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Омск, 1972. -22 с.

58. Петров А. П. Экономика лесного хозяйства . М.: Экология,1993.

59. Понтрягин Л. С. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1976. -280 с.

60. Попов Е. М. Исследование привода и предохранительных муфт сельхозмашин при перегрузках.: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Воронеж, 1967.-26 с.

61. Попиков П. И. Экспериментальные исследования динамики механического и гидравлического привода лесных фрез // Машины и орудия для механизации лесного хозяйства. Воронеж, 1975. - С.94-97.

62. Посметьев В. И. Методологические основы повышения эффективности почвообрабатывающих орудий с помощью предохранителей. -Воронеж: ВГЛТА, 1999. 196 с.

63. Посметьев В. И. Обоснование перспективных конструкций предохранителей для рабочих органов лесных почвообрабатывающих орудий. Воронеж, ВГЛТА, 2000. - 248 с.

64. Поляков В. С., Барбаш И. Д. Муфты. М., Л.: Машгиз, 1964.364 с.

65. Похилюк С. А. Коэффициент вариации момента срабатывания предохранительной кулачковой муфты // Детали машин. К.,1981,№ 32

66. Плотников А. М. К вопросу динамического исследования механических систем с шариковыми предохранительными муфтами // Динамика машин. -М.: Машиностроение, 1969. С. 277-285.

67. Румшинский Л. 3. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Наука, 1971. 320 с.

68. Ряховский О. А., Иванов С. С. Справочник по муфтам. Л.: Политехника, 1991. - 384 с.

69. Сериков Ю. М., Дегтев В. Т. Новая машина для обработки почвы на вырубках // Лесное хозяйство, 1995, № 4, С.43-45.

70. Тепенкичиев В. К. Предохранительные устройства от перегрузки станков. М.: Машиностроение, 1968. - 112 с.

71. Флик Э. П. Механические приводы сельскохозяйственных машин. М.: Машиностроение, 1984. - 272 с.

72. Чичинадзе А. В. Расчеты и моделирование режима работы тормозных и фрикционных устройств. М.: Наука, 1974. - 252 с.

73. Чичинадзе А. В. Температурное поле в дисковом тормозе / Трение и износ в машинах, Сб. XII. М.: АН СССР, 1962.

74. Шумаков В. С., Кураев В. Н. Современные способы подготовки почвы под лесные культуры. М.: Лесная промышленность, 1973. - 160 с.141

75. Яцук Е.П., Попов И. М., Ефимов Д. Н. и др. Ротационные почвообрабатывающие машины. М.: Лесная промышленность, 1971. -256 с.

76. Freilanf bei Storfallen erhöht Maschinensicherheit // End. Anz, 1995 -117,1 12.-S. 80

77. Ganzstahlkupplung gleicht Wellenversatz aus // Hanser Fachz. 1998 - 1 2, Suppl. Zuliefermarkt. - S. 30

78. Kompart gebante Uberlastrabe Sehutrt Maschinen vor schaden // Maschinenmarkt, 1996 102,1 37. - S. 55

79. Kupplungen: Antriebein Maschinen und Anlager vor Uberlast schützen // Ind. Anz.- 1998 -120, 46. - S.55

80. Uberlastsicherung vor Maschinenschaden Jungvirt Heribert // Techr. Pept, 1982, *7-8. S. 33-35

81. Uberlast kupplung // Tehnica (Suisse). 1998,1 9. - S. 39

82. Wirtschaftlicher Maschinenschutz // Produktion. 1998 - 37, 1 13.1. S.9.