Обоснование параметров режущего-раскалывающего инструмента навесных устройств для разделки древесины

1. Актуальность.

Анализ известных способов резания древесины показывает, что для механизированной разделки пней наиболее пригодно силовое безопилочное резание ножевыми инструментами, имеющее по сравнению с опилочным ряд преимуществ:

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

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

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

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

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

В связи с этим возникает необходимость ускорения создания и внедрения в лесной промышленности эффективных технических решений, обеспечивающих высокий технический уровень и конкурентоспособность разрабатываемых на их основе машин, 5 механизмов и технологий. Этим подчеркивается актуальность выбранной темы диссертации.

2. Цель и содержание поставленных задач.

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

Задачи:

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

2. Разработать основные положения теории силового резания стволовой и пнево-корневой древесины.

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

4. Разработать метод инженерного расчета конструкции режуще-раскалывающего устройства для разделки пней.

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

6. Доказать экономическую эффективность замены одной технологии (без применения навесного РРУ) на новую (с применением 5 механизмов и технологий. Этим подчеркивается актуальность выбранной темы диссертации.

2. Цель и содержание поставленных задач.

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

Задачи:

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

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

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

4. Разработать метод инженерного расчета конструкции режуще-раскалывающего устройства для разделки пней.

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

6. Доказать экономическую эффективность замены одной технологии (без применения навесного РРУ) на новую (с применением 6 навесного РРУ) на примере цеха подготовки древесного сырья к его переработке на щепу.

3. Объект и предмет исследования.

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

4. Методы исследования.

Методы исследования включили комплекс теоретических и экспериментальных работ.

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

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

5. Теоретическая значимость и прикладная ценность полученных результатов.

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

2. Результаты экспериментов процессов резания, подтверждающие основные положения теории, и полученные при этом 7 закономерности влияния основных технологических факторов на основные параметры процесса.

Для практики имеют значение:

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

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

3. Новое устройство для разделки пней, приоритет и полезность которого подтверждены патентом на изобретение Российской Федерации № 2 130 708 от 12.05.1998 г.

6. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование способа расколки длинномерных бревен путем тангенциального приложения усилий;

2. Математическая модель расчета режущего ножа равнопрочной конструкции, позволяющая снизить его потребную массу на 15.20%;

3. Рекомендации по оптимальным параметрам конструкции ножа, обеспечивающее снижение усилий сопротивления резанию;

4. Инженерная методика расчета РРУ.

7. Краткая аннотация.

Разработана новая конструкция ножа силового резания с комбинированным поперечным сечением для навесного РРУ. Параметры ножа оптимизированы с помощью математических методов моделирования и пакета программ Ма^САЭ. 8.

Были изготовлены технологическая оснастка для пресса ПГ-100, нож с комбинированным сечением, нож с поднутрением и клин для проверки адекватности математических моделей на практике.

Разработан комплекс формул и методика для инженерного расчета навесного РРУ. В приложении предлагаются к рассмотрению новая конструкция навесного РРУ для разделки пней, рассчитанного уже по новой методике.

Проведенные эксперименты и полученные в результате экспериментальные данные подтверждают теоретические выкладки. Различия между экспериментальными и теоретическими кривыми в пределах 10%.

Проведены исследования по нахождению пределов прочности пнево-корневой и стволовой древесины на сжатие вдоль и поперек волокон.

При расчете ожидаемого экономического эффекта выявлено, что на сегодняшний день имеются все основания для применения технологии с использованием навесного РРУ для подготовки древесного сырья к его переработке на щепу. При требуемых дополнительных капитальных вложениях около 165 тыс. руб рентабельность инвестиций составляет порядка 91%. Все экономические расчеты проводились, исходя из цен ноября 1999 года. 9.

3.5. ВЫВОДЫ.

Проведенные при выполнении работы экспериментальные исследования показали, что распределения углов перерезания корней, а также пределы прочности древесины вдоль и поперек волокон подчиняются нормальному закону с высокой степенью адекватности.

При этом параметры законов имеют значения: по углам перерезания волокон: а — 33°, пределы прочности: вдоль волокон ав = 5,35 Мпапоперек волокон ап = 0,36 Мпа.

В процессе проведения эксперимента установлено также, что:

1. Конструкция ножа с поднутрениями и оптимальным углом заточки обеспечивает удовлетворительное качество реза,.

2. Экспериментальные зависимости хорошо совпадают с полученными ранее теоретическими с максимальной погрешностью не более 10%.

3. В результате обработки экспериментальных данных получены регрессионные зависимости, позволяющие в дальнейшем сравнительно легко рассчитывать параметры оборудования в зависимости от характеристик предмета труда.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС РАЗДЕЛКИ ПНЕВО — КОРНЕВОЙ ДРЕВЕСИНЫ.

В технологический процесс разделки и последующей вывозки разделанного осмола включены следующие механизмы (рис. 4.1):

1. Трактор, оснащенный манипулятором с навесным РРУ;

2. Корчующая погрузочная-транспортная машина, оснащенная корчевателем КПК-1;

3. Автопоезд;

4. Дополнительные контейнеры для автопоезда.

Рис. 4.1. Технологическая схема погрузки пневого осмола автопоездом Корчевка, погрузка в полуприцеп и транспортировка до места разделки осуществляется корчующей погрузочно-транспортной машиной. Выкорчеванные пни сгружаются в кучу (поленницу) в зоне работы трактора, оснащенного манипулятором с навесным РРУ.

Погрузка пневого осмола контейнерными автопоездами осуществляется по следующей технологии. Автопоезд с порожним.

107 контейнером подъезжает к куче неразделанного осмола и сбрасывает пустой контейнер на землю. Начинает работать трактор с навесным РРУ, разделывая осмол на куски и сбрасывая в контейнер. При недостаточном объеме загрузки контейнера разделанным осмолом с одной стоянки контейнер перемещают вдоль поленницы по земле этим же трактором.

После сбрасывания пустого контейнера на землю тягач подъезжает к ранее загруженному контейнеру так, чтобы полуприцеп вплотную придвинулся к переднему торцу контейнера. Водитель разматывает канат с лебедкой полуприцепа, прицепляет его к контейнеру, включает лебедку, и груженый контейнер перемещается на полуприцеп автопоезда, где фиксируется с помощью запорных устройств. После этого разделанный осмол доставляют на нижний склад осмолозаготовительного предприятия. На нижнем складе контейнер разгружается путем опрокидывания в накопительный бункер машины для очистки пневого осмола.

Затраты времени при погрузке, маневрах и разгрузке, выполняемых автопоездом, в среднем составляют: сбрасывание порожнего контейнера с полуприцепа на землю — 3 мин, проезд автопоезда по верхнему складу и подъезд к груженому контейнеру — 4 мин, погрузка контейнера на полуприцеп и выезд с верхнего склада — 8 мин, подъезд к месту складирования, разгрузка пневого осмола на нижнем складе 6 мин [1]. Использование контейнерных автопоездов на вывозке пневого осмола позволяет более чем в 2 раза сократить простои на погрузочно — разгузочных операциях.

Сменную производительность, м3, автопоезда определяем по формуле: л см =.

4.1).

108 где Т — продолжительность смены, минt — время пробега 1 км в обоих направлениях, минt., — подготовительно — заключительное время, минt2 — время погрузки контейнера на полуприцеп, минt3 — время разгрузки контейнера, минр — коэффициент использования рабочего времени смены;

Q — рейсовая расчетная нагрузка, м3;

LCP — среднее расстояние вывозки, км.

Полученную сменную производительность нужно сравнить с производительностью трактора с навесным РРУ, возможностями корчующей погрузочно-транспортной машины и сделать выводы о необходимых количествах машино-единиц.

Установка для групповой очистки пней может быть установлена непосредственно на делянке. В этом случае разделка и погрузка разделанного осмола в бункер установки производится навесным РРУ. После очистки осмол погружается на автопоезд или щеповоз и отправляется на верхний склад для дальнейшей переработки на щепу.

Возможен также вариант, когда вместо корчующей погрузочно-транспортной машины, оснащенной корчевателем КПК-1, работает погрузочно-транспортная машина. В этом случае она производит сбор уже выкорчеванных пней, погрузку в кузов, транспортировку и выгрузку на землю.

Рассмотрим теперь непосредственно работу навесного РРУ.

Устройство для разделки пней работает по принципу ножниц и должно разделывать пни любых размеров на куски, соответствующие требованиям ОСТ 13−131−82 «Осмол пневый сосновый. Технические условия».

Для разделки пней машину устанавливают около поленницы выкорчеванных пней. Изменением вылета манипулятора устройство.

109 ориентируют и наводят на пень. Включают привод поворота челюсти и режущего ножа, захватывают пень из вала и переносят к месту разделки. Пни диаметром более 40 см сначала раскалывают устройством на две или более части вдоль волокон, а затем куски пня перерезают на отрезки необходимых размеров.

В зависимости от диаметра пня при разделке используют различные приемы.

Пень диаметром до 40 см захватывают устройством за корневую шейку или за корни и перерезают на части. Образовавшиеся куски пня длиной более 60 см захватывают вновь (поштучно или по несколько штук) и перерезают (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Разделка пней диаметром до 40 см Пень диаметром 40 — 50 см на месте разделки устройством располагают горизонтально и захватывают челюстью и ножом за среднюю часть (рис. 4.3). При смыкании челюсти и режущего ножа горизонтальным раскалывающим клином челюсти и вертикальным раскалывающим клином режущего ножа пень раскалывают на две.

110 части, при этом отколовшуюся верхнюю часть пня перерезают на две части. Затем куски пня длиной более 60 см (поштучно или по несколько штук) также перерезают на части.

Рис. 4.3.Разделка пней диаметром 40 — 50 см Пень диаметром более 50 см захватывают челюстью и режущим ножом вдоль волокон и раскалывают на три или более части. При этом режущий нож рекомендуется располагать со стороны комля, а челюстьсо стороны корней. Этим достигается снижение потребного усилия разделки (рис. 4.4).

Высокие пни устанавливают срезом вверх и захватывают челюстью и режущим ножом за среднюю часть пня (рис. 4.5). При смыкании челюсти и режущего ножа последний внедряется в пень и раскалывает его на две части. Если пень расколот не до конца, то режущий нож в образовавшемся сколе манипулятором опускают ниже к комлевой части, вновь смыкают челюсть с режущим ножом — и пень.

Ill раскалывается на части. Образовавшиеся части пня разделывают вышеописанными приемами.

Рис. 4.4. Разделка пней диаметром более 50 см.

Рис. 4.5. Разделка высоких пней диаметром более 50 см.

5. ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА РРУ.

Расчет навесного режуще — раскалывающего устройства приведен в приложении 4, где рассчитано устройство для разделки пней по патенту № 2 130 708.

До начала расчета параметров РРУ необходимо задаться максимальным диаметром и породой перерезаемого лесоматериала. В соответствие с расчетным диаметром, скомпоновать зев РРУ, исходя из следующих формул:

Длина лезвия режущего ножа.

1 = 2-с1, где с! — расчетный диаметр перерезаемой древесины.

Широта раскрытия челюстей РРУ = ?> + 0.15, где О — максимальный диаметр раскалываемого лесоматериала.

Обосновать расчетный случай нагружения.

Исходя из величины диаметра с1 перерезаемого лесоматериала, рассчитать максимальную силу сопротивления силовому резанию. Расчет вести по формуле.

Р = 6,4*с1 — 14,5, кН, принятые параметры указаны в пункте 5 параграфа 3.3.

Исходя из величины диаметра й раскалываемого лесоматериала, рассчитать максимальное усилие сопротивления раскалыванию по формуле.

Р = 0,0345*02, кН, принятые параметры указаны в пункте 5 параграфа 3.3.

Параметры зева РРУ рассчитывать, исходя из следующих требований:

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

2. Обеспечение оптимально удобного позиционирования зева.

РРУ.

3. Обеспечение полного перерезания лесоматериала расчетного диаметра.

4. Обеспечение полной расколки лесоматериала расчетного диаметра.

Рассчитать нож и челюсть на прочность.

Для этого необходимо подсчитать величину т4 (рис. 2.24) для каждого положения сечения I (рис. 2.23). Это достигается подстановкой известных параметров ножа в формулу (2.120), в результате строится график (рис. 2.26). Из графика по значению I находится искомая величина т4.

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

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

Рассчитать проушины и пальцы на срез и прочность. Рекомендуется в качестве материала для изготовления пальцев и втулок проушин использовать высокопрочную сталь, выдерживающую.

114 большие удельные нагрузки при трении. Это приведет к уменьшению диаметров пальцев, что, в свою очередь, скажется на размерах проушин и соединяемых шарниром деталей.

Рассчитать сварные швы корпуса РРУ.

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

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

Произвести расчет норм надежности. Расчет норм надежности покажем на примере использования РРУ в качестве сменного технологического оборудования, навешиваемого на манипулятор трактора ТБ-1М.

Согласно техническим условиям на трактор ТБ-1М, 90-процентный ресурс технологического оборудования трактора до первого капитального ремонта составляет 5000 моточасов. Следовательно, таким же принимаем 90-процентный ресурс самого устройства.

Для определения коэффициента вариации ресурсов устройства выберем шифр по факторам, определяющим вид распределения ресурса: характер отказа, разрушения — усталостьстепень стабильности условий работы — стабильноестепень нагружаемости изделия — средние нагрузкиуровень технологии изготовления — высокий.

Для этого шифра наиболее вероятно ожидать распределение ресурса по закону Вейбулла с коэффициентом вариации v = 0,3. При у = 90% (90-процентная вероятность обеспечения ресурса) соотношение среднего и гамма-процентного ресурса для коэффициента вариации (v = 0.3) составит К = 1,7 [57, 58].

Средний ресурс до капитального ремонта определим по формуле.

ТрСр= тр * к = 5000 * 1,7 = 8500 моточасов.

Комплексные коэффициенты — коэффициент готовности (Кг) и коэффициент технического использования (Кти) вычисляем, исходя из принимаемой системы технического обслуживания устройства. Периодичность обслуживания аналогична периодичности обслуживания трактора ТБ-1М. Система представлена в табл. 5.1.

Ввиду того, что конструкция устройства проста и не требует проведения ежесменного ТО, ТО-3 и СО, эти виды обслуживания из системы исключаем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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

2. Результаты теоретического анализа силового резания древесины, подтвержденные экспериментально, показывают, что для снижения усилий резания и материалоемкости целесообразным будет применение новой формы режущего инструмента с оптимальными геометрическими параметрами: угол заточки д — 36°, с двумя поднутрениями. При этом усилие резания может быть снижено примерно на 50% по сравнению с обычным плоским ножом. При перерезании корней эта разница еще более ощутима — примерно в 2 раза.

3. В результате теоретического анализа установлено, что при тангенциальном способе расколки требуемое усилие изменяется по более плавной кривой с меньшими (порядка на 10%) максимальными значениями.

4. Предложенный метод расчета требуемых по условию прочности сечений ножа позволяет спроектировать равнопрочную конструкцию, обеспечивающую снижение массы ножа примерно на 15.20%.

5. Проведенные при выполнении работы экспериментальные исследования показали, что распределения углов перерезания корней,.

130 а также пределы прочности древесины вдоль и поперек волокон подчиняются нормальному закону с высокой степенью адекватности.

При этом параметры законов имеют значения: по углам перерезания волокон: а = 33° пределы прочности: вдоль волокон ав = 5,35 Мпапоперек волокон <хя = 0,36 Мпа.

В процессе проведения эксперимента установлено также, что:

1. Конструкция ножа с поднутрениями и оптимальным углом заточки обеспечивает удовлетворительное качество реза;

2. Экспериментальные зависимости хорошо совпадают с полученными ранее теоретическими с максимальной погрешностью не более 10%.

3. В результате обработки экспериментальных данных получены регрессионные зависимости, позволяющие в дальнейшем сравнительно легко рассчитывать параметры оборудования в зависимости от характеристик предмета труда.

6. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать новое высокоэффективное устройство для разделки пней, приоритет и полезность которого подтверждены патентом на изобретение Российской Федерации № 2 130 708 от 12.05.98 г.

7. Разработанное и обоснованное теоретически и экспериментально новое устройство позволило рассчитать технологический процесс, обеспечивающий годовой экономический эффект 125 590 руб (в ценах 1999 г), прибыль — 150 400 руб и рентабельность около 90% со сроком окупаемости около 1 года.

8. Созданная в работе на основе теоретических и экспериментальных исследований упрощенная инженерная методика.