ПОПИКОВ Виктор Петрович На правах рукописи ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

На правах рукописи
ПОПИКОВ Виктор Петрович
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ МАШИНЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ КРОН
ДЕРЕВЬЕВ ЛЕСОСЕМЕННЫХ ПЛАНТАЦИЙ
Специальность 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок
и лесного хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж - 2009
2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования "Воронежская государственная лесотехническая академия" (ВГЛТА)
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент
Драпалюк Михаил Валентинович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Винокуров Василий Николаевич
доктор технических наук, профессор
Сушков Сергей Иванович
Ведущая организация:
Всероссийский научноисследовательский институт
агролесомелиорации (ВНИАЛМИ,
400062, г. Волгоград - 62,
ул. Краснопресненская, 39)
Защита диссертации состоится "25"сентября 2009 г. в 13оо часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при Воронежской государственной лесотехнической академии (394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8,
зал заседания – аудитория 240).
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА).
Автореферат разослан «20» августа 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Скрыпников А.В.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В общем объеме лесохозяйственных работ важное место занимает переход к внедрению промышленных методов лесовыращивания на основе лесного селекционного или сортового семеноводства. Лесным кодексом РФ предусматривается создание постоянных
лесосеменных участков и лесосеменных плантаций. Одним из основных
направлений реализации федеральной целевой программы «Развитие лесного
семеноводства на период 2009-2020 годы» является обеспечение выполнения
всего комплекса мероприятий по содержанию имеющихся лесосеменных
объектов и повышение их урожайности за счет лесоводственных и агротехнических уходов, включающих обрезку кроны, внесение удобрений и др.
Существующие конструкции машин для обрезки ветвей деревьев обеспечивают высоту обрезки не более 4,5 м, в то время как на лесосеменных
плантациях и участках требуемая высота обрезки 7-8 м. В настоящее время
обрезка ветвей деревьев лесосеменных плантаций производится рабочими,
поднятыми гидроподъемниками в крону деревьев, с помощью ручных ножовок и бензопил. Любые повреждения при обрезке вредны для дерева и способствуют возникновению различных инфекционных болезней. Поэтому при
обрезке крон необходимо обеспечивать качественный срез ветвей без задиров коры и расщепов. Задача повышения качества и производительности обрезки крон деревьев вызывает острую необходимость в разработке средств
механизации этого сложного технологического процесса.
Из анализа исследований параметров существующих технических
устройств для обрезки крон деревьев следует, что наиболее перспективными
являются машины манипуляторного типа, рабочим органом которых являются дисковые пилы с гидроприводом. Однако рабочие процессы и параметры
технологического оборудования машин для обрезки крон деревьев лесосеменных плантаций недостаточно исследованы, нет четкого представления о
том, какими должны быть параметры гидропривода и зубьев дисковых пил
для качественной обрезки крон деревьев.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ГОУ ВПО
ВГЛТА "Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного
комплекса" (№ гос. регистрации 01.2.00609242).
Цель и задачи исследования - повышение качества и эффективности
процесса обрезки крон деревьев путем обоснования параметров технологического оборудования машины для формирования крон деревьев лесосеменных
плантаций.
Исходя из поставленной цели, в диссертации решаются следующие основные задачи:
1. Обоснование конструктивно-технологической схемы машины для
обрезки крон деревьев с гидроприводом рабочего органа механизма резания.
2. Проведение теоретических исследований динамики рабочих процессов, выявление закономерности влияния параметров рабочих органов, биометрических и физико-механических свойств древесины ветвей деревьев на
работу машины.
4
3. Установление экспериментальных закономерностей взаимодействия
рабочих органов машины с древесиной ветвей, динамики гидропривода и
энергоемкости рабочего процесса.
4. Обоснование оптимальных параметров технологического оборудования экспериментального образца машины, обеспечивающих качественную
обрезку ветвей в производственных условиях.
Объектом исследования являются рабочие органы механизма резания,
гидропривод технологического оборудования, ветви деревьев лесосеменных
плантаций.
Предметом исследования являются математические модели, методы и
алгоритмы поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров.
Методы исследования и достоверность результатов
Теоретические исследования базировались на математическом моделировании рабочих процессов технологического оборудования для формирования крон деревьев. Решение систем дифференциальных уравнений осуществлялось с применением численного интегрирования на ЭВМ. Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается сопоставлением данных лабораторных и производственных экспериментов.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Представлена новая конструктивно-технологическая схема оборудования с гидроприводом для механизированной обрезки крон деревьев, новизна которого подтверждена положительным решением по заявке на патент
изобретения № 2008.106.730 от 27.07. 2009 г., свидетельством (№ 30057) и
патентом (№33684) на полезные модели, отличающегося тем, что на конце
рукояти манипулятора установлен поворотный гидродвигатель, на валу которого посредством шлицевого соединения смонтирован корпус привода
дисковой пилы с односторонней заточкой и разводом зубьев в сторону отделяемой части ветви.
2. Разработана математическая модель рабочего процесса механизма
резания машины для обрезки крон деревьев, отличающаяся геометрическими
и кинематическими параметрами рабочих органов, а также физикомеханическими свойствами обрезаемых ветвей деревьев.
3. Получены закономерности взаимодействия рабочих органов машины
с древесиной ветвей деревьев, отличающиеся учетом динамики гидропривода
и оценкой качественных и энергетических показателей дисковой пилы с различными угловыми параметрами.
4. Обоснованы геометрические, кинематические и технологические параметры рабочего органа механизма резания машины для формирования
крон деревьев, отличающиеся повышением качества и производительности
выполняемого технологического процесса.
Положения, выносимые на защиту:
1. Конструкция технологического оборудования машины для обрезки
крон деревьев, позволяющая повысить качество и эффективность рабочего
процесса.
5
2. Математическая модель рабочего процесса машины для обрезки
крон деревьев, позволяющая учесть влияние геометрических и кинематических параметров рабочих органов, а также физико-механических свойств
ветвей деревьев на работу машины.
3. Закономерности взаимодействия рабочих органов машины, позволяющие учитывать динамику гидропривода и оценку энергоемкости дисковой
пилы с различными угловыми параметрами.
4. Обоснованные геометрические, кинематические и технологические
параметры рабочего органа механизма резания машины для формирования
крон деревьев, позволяющие получить высокое качество выполнения технологического процесса.
Значимость для науки заключается в установлении влияния конструктивных и технологических параметров рабочих органов на процесс обрезки ветвей и получении математической модели рабочих процессов машины.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Разработанные на основе математического моделирования алгоритмы,
программы для ЭВМ и рекомендации по выбору параметров рабочих органов
используются в научно-исследовательских институтах ВНИАЛМИ и
ВНИИЛМ, в конструкторском бюро ЦОКБ Лесхозмаш, ОАО «Майкопский
машиностроительный завод», в учебно-опытном лесхозе ВГЛТА, в учебном
процессе ГОУ ВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия" при подготовке инженеров лесотехнического профиля.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорскопреподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической
академии (2000-2009 гг.), а также расширенном заседании кафедры «Механизации лесного хозяйства и проектирования машин» ВГЛТА, на заседаниях
технических советов ЦОКБ Лесхозмаш, ВНИАЛМИ, ОАО Майкопского машиностроительного завода.
Личное участие автора в получении результатов. Диссертация является
результатом исследований, выполненных при участии автора, который обосновал тему, определил цели и задачи исследований, выполнил теоретические
и экспериментальные исследования и проанализировал их результаты.
Публикации
Результаты диссертационной работы опубликованы в 15 научных работах, в том числе 3 работы в изданиях, определенных ВАК минобрнауки
РФ, в одном авторском свидетельстве и одном патенте на полезные модели.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающего 114 наименований. Общий объем работы 164 с., включающий 140 с. основного текста,
76 рис., 16 табл., приложений на 24 с.
6
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и научные положения, выносимые на защиту, научная
новизна выполненных исследований, их практическая значимость, результаты внедрения.
В первом разделе проведен анализ исследований особенностей формирования крон деревьев при лесовыращивании. Проведен обзор исследований параметров машин для обрезки крон деревьев. Сформулированы задачи
исследований.
Вопросами механизации агротехнических и лесоводственных уходов занимались такие ученые, как А.И. Баранов, И.М. Зима, Т.Т. Малюгин, П.С. Нартов, В.Н. Винокуров, Г.А. Ларюхин, И.М.Бартенев, Ю.М. Жданов, Ф.В. Пошарников, В.И. Посметьев, А.М. Цыпук, В.И. Казаков, С.И. Сушков, М.В. Драпалюк и др.
Процессы резания древесины глубоко исследованы в работах Амалицкого В.А., Бершадского А.Л., Любченко В.И., Резника Н.Е., Мазуркина П.М.,
Ширнина Ю.Н. Абдразакова Ф.К., Антонова О.К., и др.
В отечественной и зарубежной практике для обрезки крон деревьев
применяется ряд машин и механизмов с режущими аппаратами главным образом дискового типа. Из серийно выпускаемых в нашей стране средств механизации для обрезки крон деревьев можно отметить садовые обрезчики
контурные механизированные ОКМ-4,5 и МКО-3, машину для обрезки ветвей лесных насаждений МОВ-4,2, моторизованные инструменты: обрезчик
ветвей ОВ-1, высоторез 250ПС, бензопилу 335ХПТ с применением гидравлических подъемников для сбора шишек ПСШ-1 и другие. Существующие
конструкции машин для обрезки ветвей деревьев обеспечивают высоту обрезки не более 4,5 м, в то время как на лесосеменных плантациях и участках
требуемая высота обрезки 7…8 м. Установлено, что при обрезке сосны урожайность шишек увеличивается на 10…15%.
Теоретических исследований рабочих процессов механизмов резания,
срезающих ветви и вершины на высоте 7…8 м, проведено в недостаточном
количестве.
Во втором разделе приводятся: обоснование конструктивнотехнологической схемы машины для обрезки крон деревьев и разработка математических моделей рабочих процессов машины.
Предлагается новый рабочий орган в виде дисковой пилы с гидроприводом, смонтированный на манипуляторе посредством шарнирного соединения маятникового рычага с удлинителем рукояти, поворот которого осуществляется поворотным гидродвигателем (ротатором) на угол более 180°,
что расширяет зону действия манипулятора и его технологические возможности (рисунок 1) (свид-во на пол. модель № 30057). На маятниковом рычаге
предусмотрена установка V-образного кронштейна для устранения зажима
пилы и удаления срезанных ветвей из кроны дерева. Кроме того, для повышения качества обрезки предложена односторонняя заточка длинной и короткой режущих кромок зубьев дисковой конической пилы и односторонний
развод зубьев в сторону отделяемой части ветви (рисунок 2) (положительное
решение по заявке на патент изобретения № 2008.106.730 от 27.07. 2009 г.).
7
Рисунок 1  Схема машины
для обрезки крон деревьев: 1
– базовая машина; 2 – поворотная колонна; 3 – гидроцилиндр стрелы; 4 – стрела; 5
– гидроцилиндр рукояти; 6 –
рукоять; 7 – гидроцилиндр
удлинителя; 8 –удлинитель
рукояти c винтовой парой; 9
– гидродвигатель (ротатор);
10 – маятниковый рычаг; 11 –
гидромотор пилы; 12 – дисковая пила; 13 – V-образный
упор.
При обрезке ветвей деревьев резание производится длинной режущей
кромкой, которая имеет форму ножевого секатора, поэтому происходит как
бы силовое резание, а на ветви остается
участок с гладким срезом, так как задний
угол близок к нулю, при этом деформируется только отделяемая часть ветвей. При
ежегодной подрезке однолетних побегов
семенных деревьев и кустарников используется эта же пила, но с обратным направлением вращения. Резание в этом случае
производится короткой режущей кромкой, которая не дает отклоняться побегам в процессе срезания в сторону.
При моделировании взаимодействия
Рисунок 2 – Основные геометричепилы с ветвью согласно методу конечных
ские параметры зубьев дисковой пиэлементов участок ветви представляется в
лы с односторонней заточкой длинвиде совокупности большого количества
ной и короткой режущих кромок
элементарных кубов малого размера d.
Ветвь в модели первоначально представляет собой геометрическую область,
имеющую форму цилиндра радиусом Rв и высотой Lв (рисунок 3).
Каждый зуб пилы в модели
Z
представляет собой пятигранник (риLX
Lв
сунок
4).
Вершинами
зубаLY
пятигранника являются шесть точек,
три из которых (точки 1, 2, 3) лежат в
LZ
O
Rв
нижней плоскости пильного диска, а
Y
оставшиеся три (точки 4, 5, 6) – в
верхней плоскости пильного диска.
X
Рисунок 3 – Область пространства размеКоординаты точек (xi, yi, zi) пяром LX  LY  LZ, в которой производится
тигранника по отношению к системе
моделирование и первоначальное предкоординат, связанной с пильным дисставление ветви в форме цилиндра
ком, выражаются следующим обра-
8
зом:
3
4
1
5
6 2
x1 = rz·cos φz; y1 = rz·sin φz; z1 = 0; x2 =
rz·cos(φz + 2π/Nзуб); y2 = rz·sin(φz + 2π/Nзуб);
z2 = 0; x3 = (rz + Δr)·cos(φz + Δφ); y3 = (rz +
Δr)·sin(φz + Δφ); z3 = 0; x4 = xMC; y4 = yMC;
z4 = bz; x5 = rz·cos φz; y5 = rz·sin φz; z5 = bz;
Рисунок 4 – Пятигранная форма зуба x6 = rz·cos(φz + 2π/Nзуб);
пилы в модели (вид сверху на плос- 2π/Nзуб); z6 = bz,
кость диска, зуб не разведен)
y6 = rz·sin(φz +
(2)
где rz – радиус пильного диска;
Nзуб – количество зубьев на диске;
Δr = 1,06858·2π/Nзуб·rz – высота зуба; Δφ = 0,38893·2π/Nзуб – угловое расстояние между основанием и краем зуба; xMC и yMC – координаты точки 4, определяемые методом Монте-Карло в программе, реализующей модель;
bz –
толщина диска.
Составлены и проанализированы дифференциальные уравнения, описывающие расход рабочей жидкости гидропривода и рабочий процесс резания дисковой пилой при повороте маятникового рычага поворотным гидродвигателем:
{
dp
1
=
q ⋅ ω − q ¿ω− a y ¿ p− q г ¿ϕ n ;
dt K p н н м
dN p
dω 1 η п q m p
=
− kM
k п ¿h под
dt
J пр 2 πη0
dt
{
[
μ
tg δ
]
}
1 c рез ¿h 2под ¿R p ¿sign ω − k ω ω ,
(3)
где p – давление рабочей жидкости в гидросистеме, Па; t – время, с; Kр –
коэффициент податливости упругих элементов гидропривода, м5/H; qн – рабочий объём насоса, м3/об; qм – рабочий объём гидромотора, м3/об; н – угловая скорость вращения насоса, с-1;  – угловая скорость вращения вала
гидромотора, с-1; аy – коэффициент утечек,м5/(Hс); qг – рабочий объём ротатора, м3/об; φп – угол поворота маятника, рад.; Jпр – приведенный момент
инерции вращающихся масс к валу гидромотора, включающий момент инерции роторной группы гидромотора и момент инерции рабочего органа, кг∙м2;
ηп – полный объёмный КПД гидромотора; η0 – объёмный КПД гидромотора;
kM – коэффициент, определяющий силу сопротивления при удалении элементарного куба, с; Np – количество удаленных элементарных кубов ветви;
h под= 0, 12⋅
v под
2 πω – подача на режущий зуб, м; νпод – скорость подачи,м/с; kп –
удельная сила резания, Н/м2; μ – коэффициент трения древесины о зуб; δ –
угол резания передней режущей кромки; cрез – коэффициент пропорциональности, постоянный для данной обрабатываемой древесины; Rр – радиус резания; kω – коэффициент вязкого сопротивления резанию.
Система дифференциальных уравнений (3) решена методом численного интегрирования – модифицированным методом Эйлера-Коши. Для реше-
9
ния системы дифференциальных уравнений, положенной в основу модели, и
для проведения различных компьютерных экспериментов с моделью составлена компьютерная программа на языке Object Pascal в интегрированной среде
программирования Borland Delphi 7.0. На экран выводятся графики угловой
скорости и давления на гидромоторе пилы (рисунок 5).
Зависимость силы резания Fmax от скорости подачи (vпод) имеет приближенно линейный характер на участках от 0,01 до 0,05 м/с (рисунок 6, а).
Возрастающий характер зависимости можно объяснить тем, что с увеличением скорости подачи более 0,06 м/с возрастает объем древесины, срезаемый
пилой в единицу времени dVд/dt, что может привести к зажиму пилы в пропиле. Увеличение работы A срезания ветви с увеличением vпод (рисунок 6, б)
можно объяснить тем, что с увеличением скорости подачи возрастают силы
сопротивления резанию.
ω, рад/с
P, Па
t, с
Рисунок 5 – Характер зависимостей: 1 – угловой скорости вращения диска ω от времени t, 2 –
давления на гидромоторе P от времени t
Проведена серия компьютерных экспериментов с различными схемами
развода зубьев пилы: симметричный развод – зубья разведены через один
вверх и вниз на одинаковый угол ρ от плоскости диска; верхний развод –
зубья с нечетными номерами не отклонены от плоскости диска, а зубья с
четными – отклонены вверх на угол ρ. Во всех сериях угол ρ изменяли от
5° до 40° с шагом 5°. Возрастающий характер зависимостей Fmax(ρ) и A(ρ) для
двух схем развода можно объяснить тем, что с увеличением ρ возрастает как
ширина пропила, так и интенсивность воздействия зубьев на древесину в области резания (рисунок 6 а, б, в). При одностороннем разводе наблюдается
снижение энергоемкости пиления по сравнению с симметричным разводом
от 5 до 10 кДж (рисунок 6 б). При верхнем разводе шероховатость Rm,max среза ветви минимальна и составляет около 200 мкм (рисунок 6, в). В то же время при симметричном разводе шероховатость принимает большие значения
(от 260 мкм) и возрастает с увеличением угла развода до 500 мкм.
В процессе обрезки кроны дерева часто приходится удалять ветви, расположенные не перпендикулярно к плоскости пилы. Угол встречи θ между
плоскостью пильного диска и стволом ветви может составлять от 60° до 120°.
Установлено, что Fmax имеет параболическую зависимость от угла θ (рисунок
7, а). Работа A увеличивается с увеличением площади среза, поэтому имеет
зависимость, близкую к закону A=A0/cos θ (рисунок 7, б).
10
Fmax, Н
A, кДж
15
125
100
10
75
50
0
10
20
30
5
40
0
10
ρ, градусы
a
20
30
40
ρ, градусы
б
Rm,max, мкм
500
симметричный развод
верхний развод
400
300
200
100
0,0
0
10
20
30
40
ρ, градусы
в
Рисунок 6 – Зависимости максимальной силы резания на зубе Fmax (а), работы A срезания
ветви (б) и шероховатости среза Rm,max (в) от угла развода зубьев пилы ρ
A, кДж
Fmax, Н
15
2
2
300
10
200
1
5
100
1
0
0
60
0,02
70 80
0,04
90 100
a
0,06 vпод, м/с
110 120 θ, град.
0
0
60
0,02
70 80
0,04
0,06 vпод, м/с
90 100 110 120 θ, град.
б
Рисунок 7 – Зависимости максимальной силы резания на зубе Fmax (а) от скорости vпод
подачи пильного диска (1) и угла встречи Δθ (2) и работы A срезания ветви (б) от скорости
vпод подачи пильного диска (1) и угла встречи θ (2)
Угол резания передней режущей кромки зуба существенно влияет на
сопротивление резанию. В данной серии экспериментов угол δ изменялся от
10° до 100° с шагом 10°. Установлено, что Fmax практически не зависит от δ
(рисунок 8, а), в то время как работа срезания ветви A уменьшается с увеличением δ (рисунок 8, б). В интервале от 50 до 100° работа резания практически не изменяется и лежит в пределах 7,5...8,0 кДж. Поэтому предлагается
угол резания в пределах 100…120°. Максимальная сила резания Fmax незначительно изменяется от угла заточки (рисунок 8, а). В то же время работа резания ветви увеличивается с 7,5 кДж до 9,5 кДж при увеличении угла заточки
β (рисунок 8, б). Поэтому угол заточки принимается равным 30…40° с минимальными энергозатратами.
11
Fmax,150
Н
10
A, кДж
2
100
9
2
8
50
1
0
0
20
40
40
60
60
a
80
80
100 δ, град.
β, град.
7
6
1
0
20
40
40
60
60
б
80
80
100 δ, град.
β, град.
Рисунок 8 – Зависимости максимальной силы резания Fmax (а) от угла резания δ (1) и угла
заточки β (2) и работы A срезания ветви (б) от угла резания δ (1) и угла заточки β (2)
Порода деревьев оказывает существенное влияние на возникающие на
зубьях пилы силы и энергетические затраты по обрезке ветви. Проведена серия экспериментов, при которых менялась твердость древесины от 4,6 до
50,6 Н/мм2 с шагом 4,6 Н/мм2. Максимальная сила резания меняется от 57,7 Н
для легкообрабатываемой древесины (сосна) до 173,7 Н для труднообрабатываемой древесины (береза). Работа резания ветви изменяется от 6,28 до 14,77
кДж соответственно.
На качество среза ветвей оказывают влияние следующие параметры:
подача на зуб – Uz, число зубьев – Z, диаметр пилы – D и окружная скорость
вращения пилы – Vр. Целевая функция при ограничениях варьируемых факторов имеет вид:
V п U z ,V р, Z , D
max,
при ограничениях: 0 . 001≤ U z ≤ 0 . 006 , 20≤ V р≤ 40 , 90≤ Z ≤ 120 , 0 . 4≤ D≤ 0. 65 .
¿
{¿¿¿
¿
(4)
В результате проведенной оптимизации выявлено, что оптимальными
параметрами резания дисковой пилой являются окружная скорость 30 м/с,
подача на зуб 0,012 мм, диаметр пилы 0,5 м, количество зубьев на дисковой
пиле 100 шт.
На основании решения математической модели процесса подъема и
опускания стрелы манипулятора с механизмом резания установлено, что при
оптимальном положении гидроцилиндра стрелы динамические нагрузки и
неравномерность скорости подъема
4
5
уменьшается на 10…15%.
В третьем разделе изложена
2
3
программа экспериментальных исследований, описаны применяемое обору1
дование и методика проведения исследований.
Для исследования рабочих процессов резания разработан лабораторный стенд, включающий раму 1, мехаРисунок 9  Лабораторный стенд с меха- низм резания 2 с гидромотором 3, манизмом резания с дисковой круглой пилой
и гидромотором
12
нометром 4, подключенным к компьютеру, механизмом подачи в виде
гидроцилиндра 5 и дросселя для регулирования скорости подачи (рисунок 9).
Для исследования динамики гидропривода и кинематических характеристик
манипулятора использовался натуральный образец гидроманипулятора ЛВ210. Удельная сила резания образцов древесины ветвей определялась на испытательной машине УМЭ-10ТМ.
В четвертом разделе приведены результаты исследований динамики
гидропривода и рабочих процессов срезания ветвей деревьев.
На рисунке 10 представлена зависимость давления рабочей жидкости
от времени. В результате расчетов согласно методики планирования эксперимента с использованием Microsoft Excel XP получено следующее уравнение регрессии второго порядка в кодированном виде:
Y = 6 .56− 1. 01 x 1 1. 38 x 2− 0 .81 x 1 x 2− 2. 21 x 21− 0 . 26 x 22 ,
(4)
x
x
Y
где,
– давление рабочей жидкости в гидромоторе; 1 – угол встречи, 2 –
скорость подачи.
Давление, МПа
Опыт №1
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0,02 0,07 0,11 0,16 0,2 0,25 0,29 0,34 0,38 0,43 0,47
0 0,05 0,09 0,14 0,18 0,23 0,27 0,32 0,36 0,41 0,45
Время, с
Рисунок 10 – График изменения давления рабочей жидкости при скорости подачи
vпод=0,02 м/с и угле встречи θ=60°
На рисунке 11 изображена поверхность, описываемая полученным
уравнением регрессии.
60°
90°
Угол встречи, град
0,04
120°
0,02
0,06
Скорость подачи,
м/с
Рисунок 11  Зависимости давления от углов встречи и скорости подачи
13
Из графика следует, что зависимости давления рабочей жидкости в
гидроприводе пилы от угла встречи  квадратичная, а от скорости подачи линейная, минимальное давление рабочей жидкости в гидроприводе дисковой пилы наблюдается при угле встречи, равном 60° и скорости подачи 0,02
м/с, при этом обеспечивается наиболее качественный срез.
Получены экспериментальные зависимости влияния развода зубьев пилы на максимальную силу на зубе и шероховатость среза (рисунок 12 а, б).
Из графиков следует, что при одностороннем разводе зубьев пилы наблюдается снижение энергоемкости срезания в 1,4 раза, а шероховатости - с 400
мкм до 200 мкм по сравнению с симметричным разводом.
Fmax, H
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
0
r , град
10
а
20
30
40
б
Рисунок 12 – Зависимости максимальной силы резания Fmax (а) и шероховатости среза
Rm,max (б) от угла развода зубьев пилы ρ
В пятом разделе определена техникоэкономическая эффективность применения обрезчика деревьев при обрезке крон деревьев лесосеменных плантаций. Для производственной
проверки механизм резания с гидроприводом
дисковой пилы установлен на конце стрелы на
раме корзины (люльки) гидроподъемника (рисунок 13). В процессе испытаний установлено,
что часовая производительность составила 1,35
м3/час, что на 26,2% выше базового варианта,
так как исключается подъем рабочих в крону
деревьев. Технологическое оборудование обесРисунок 13 – Механизм резания печивает полноту среза ветвей не ниже 96%,
с гидроприводом дисковой пи- срезы с отщепом и изломом составляют 1,5% от
лы, установленный на стреле общего количества среза. Поверхность среза
гидроподъёмника
ветвей ровная, шероховатость среза не превышала 200 мкм. Разница в затратах на единицу выработки при проведении обрезки крон деревьев в ценах 2009 г. составляет 134,94 руб./м3. Годовой экономический эффект при внедрении нового механизма резания в качестве
сменного технологического оборудования на тракторных гидроподъёмниках
или лесных манипуляторах составляет 312534,45 рублей на одну машину.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Анализ технологий формирования крон деревьев при уходе за лесными насаждениями показал, что существующие конструкции машин обеспечивают высоту обрезки не более 4…5 м, в то время как на лесосеменных
плантациях и участках требуемая высота обрезки вершин и ветвей составляет
7…8 м. Обрезка лесосеменных деревьев повышает урожайность семян на
10…15%. Поэтому разработана новая конструктивно-технологическая схема
машины с вылетом манипулятора 7…8 м, на конце которого установлен маятниковый рычаг с дисковой пилой с односторонней заточкой зубьев и односторонним разводом в сторону отделяемой части ветвей, новизна машины
подтверждена положительным решением по заявке на патент изобретения №
2008.106.730 от 27.07. 2009 г., свидетельством (№ 30057) и патентом
(№33684) на полезные модели.
2. Разработана математическая модель процесса резания с использованием метода конечных элементов, при решении которой установлено, что
при одностороннем разводе зубьев пилы шероховатость среза ветвей составляет около 200 мкм, в то же время при симметричном разводе шероховатость
среза находится в пределах 260…500 мкм. Энергоемкость процесса резания
при одностороннем разводе зубьев пилы по сравнению с симметричным
снижается в 1,4…1,5 раза.
3. Рекомендуются следующие параметры дисковой конической пилы:
диаметр пилы 0,5 м, количество зубьев на дисковой пиле 100 шт, подача на
зуб 0,012…0,024 мм, скорость резания 26…30 м/с, развод зубьев 0,2…0,4 мм,
угол резания для длинной режущей кромки 160°, угол заточки 30°, для короткой режущей кромки угол резания 70°, угол заточки 45°.
4. На основании решения математической модели процесса подъема и
опускания стрелы манипулятора с механизмом резания установлено, что при
оптимальном положении гидроцилиндра стрелы динамические нагрузки и
неравномерность скорости подъема уменьшается на 10…15%.
5. Производственная проверка работоспособности экспериментального
образца механизма резания на базе тракторного подъемника, показала, что
технологическое оборудование обеспечивает полноту среза ветвей не ниже
96%, срезы с отщепом и изломом составляют 1,5% от общего количества срезаемых ветвей. Поверхность среза ветвей ровная, шероховатость составляет
около 200 мкм. Часовая производительность составила 1,35 м3/час, что на
26,2% выше базового варианта при обеспечении безопасности обслуживающего персонала, так как исключается подъем рабочих в крону деревьев. Годовой экономический эффект при внедрении нового механизма резания в качестве сменного технологического оборудования на тракторных гидроподъёмниках или лесных манипуляторах составляет 312534,45 руб. на одну машину.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Печатные работы, входящие в перечень изданий, рекомендованных
ВАК к публикации при представлении кандидатской диссертации
1. Попиков, В. П. Механизация обрезки крон деревьев и кустарников
[Текст] / Д. Д. Репринцев, М. В. Драпалюк, В. П. Попиков. // Лесн. хоз-во. –
2006. – № 1. – С. 45.
2. Попиков, В. П. Имитационное моделирование технологического
процесса лесной машины с гидроприводом дискового рабочего органа
[Текст] / В. П. Попиков, В. Н. Коротких, М. В. Драпалюк // Вестн. КрасГАУ.
− 2009. − № 5 − С. 129-132.
3. Попиков, В. П. Моделирование процесса обрезки ветвей деревьев
дисковой пилой на лесосеменных плантациях [Текст] / В. П. Попиков,
Л. Д. Бухтояров // Вестн. КрасГАУ. − 2009. − № 8 − С. 3-7.
Патенты и свидетельства
4. Свид-во 30057 РФ, МПК7 A 01 G 3/04. Рабочий орган машины для
подрезки крон деревьев [Текст] / В. П. Попиков, Д. Д. Репринцев, П. И. Попиков ; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. – № 2002129704/20 ; заявл.
05.11.02 ; опубл. 20.06.03, Бюл. № 17. – 2 с.
5. Пат. 33684 РФ, МПК7 А01G 23/083. Ротор кустореза [Текст] /
И. М. Бартенев, В. П. Попиков, Л. Д. Бухтояров, М. Д. Драпалюк ; заявитель
и патентообладатель ВГЛТА. – № 2003105046/20 ; заявл. 25.02.03 ; опубл.
10.11.03, Бюл. № 31. – 2 с.
6. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2008613437
РФ. Программа оптимизации положения гидроцилиндров манипуляторов с
учетом инерционных нагрузок и податливости гибких элементов гидропривода [Текст] / В. П. Попиков, Л. Д. Бухтояров, А. А. Сидоров, С. В. Долженко
; правообладатель ГОУ ВПО «Воронеж. гос. лесотехн. акад.». –
№2008612581 ; заявл. 05.06.2008 г. ; зарег. 18.07.2008 г.
7. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2008611949
РФ. Программа расчета процесса резания при обработке детали [Текст] /
Л. Д. Бухтояров, А. И. Максименков, С. В. Пономарев, В. П. Попиков; правообладатель ГОУ ВПО «Воронеж. гос. лесотехн. акад.». – №2008610915 ; заявл. 06.03.2008 г. ; зарег. 18.04.2008.
Статьи и материалы конференции
8. Попиков, В. П. Оптимизация положений гидроцилиндров с учетом
инерционных нагрузок и податливости гидропривода [Текст] / А. В. Крутских, Р. В. Юдин, В. П. Попиков // Вестник Центрально-Черноземного регионального отделения наук о лесе РАЕН ВГЛТА. – Воронеж, 2002. – Вып. 4, ч.
2. – 136 с.
9 Ротор кустореза [Текст]: Информ. листок / И. М. Бартенев, В. П. Попиков, М. В. Драпалюк, Л. Д. Бухтояров. – Воронеж, 2003. – 2 с. – № 79-214-03.
10. Попиков, В. П. Исследование рабочих процессов гидропривода
дисковой пилы для обрезки крон деревьев в городских условиях [Текст] /
В. П. Попиков, Н. Н. Иммель, Е. В. Беликов // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Сборник научных трудов / Под ред.
проф. В. С. Петровского. – Воронеж, 2006. – С. 47-52.
11. Попиков, В. П. Экспериментальные исследования рабочего процесса механизма резания машины для обрезки крон деревьев [Текст] / В. П. Попиков // Лес. Наука. Молодежь - 2006: Сборник материалов по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых за 2005-2006 гг. / ВГЛТА. –
Воронеж, 2006. – С. 276-279.
12. Попиков, В. П. Обоснование конструктивно-технологической схемы машины для обрезки крон зеленых насаждений [Текст] / В. П. Попиков //
Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий,
параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Сб. науч.
тр. / Под ред. проф. В. С. Петровского; ВГЛТА. – Воронеж, 2007. – С. 6–11.
13. Попиков, В. П. Математическая модель рабочих процессов обрезчика крон деревьев и кустарников [Текст] / В. П. Попиков // Математическое
моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Сб. науч. тр. / Под ред.
проф. В. С. Петровского; ВГЛТА. – Воронеж, 2007. – С. 11–16.
14. Попиков, В. П. Методико-математическое моделирование процесса
резания древесины [Текст] / В. П. Попиков, Е. В. Беликов, С. Н. Саулин,
В. В. Посметьев // Природопользование: ресурсы, техническое обеспечение:
Межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж, 2009. – Вып. 4, – С. 144-150.
15. Попиков, В. П. Математическое моделирование взаимодействия
дисковой пилы с ветвью при формировании крон деревьев лесосеменных
плантаций [Текст] / В. П. Попиков, М. В. Драпалюк, В. В. Посметьев,
Л. Д. Бухтояров // ГОУ ВПО ВГЛТА. – Воронеж, 2009. – 33 с. – 24 ил. Деп. в
ВИНИТИ 12.05.09, №301-В2009.
Просим принять участие в работе диссертационного совета
Д 212.034.02 или выслать ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, Воронежская государственная лесотехническая академия, ученому секретарю.
Тел. 8-4732-53-72-40, факс 8-4732-53-72-40, 8-4732-53-76-51.
ПОПИКОВ Виктор Петрович
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ МАШИНЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ КРОН
ДЕРЕВЬЕВ ЛЕСОСЕМЕННЫХ ПЛАНТАЦИЙ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати 18.08.2009 г. Заказ №
Объем – Усл. п. л. 1. Тир. 100 экз.
Типография Воронежского ЦНТИ
394730, г. Воронеж, пр. Революции, 30