Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование Бартенев

331

в которые скорость вращения увеличивается, достигает пиковых значений и

Fmax.

(рис. 8.14, б) можно объяснить тем, что с увеличением скорости подачи возрастает вклад сил сопротивления вязкого характера, пропорциональных скорости (а также квадрату скорости), то есть, сил вида Fсопр vвз, где vвз – скорость взаимодействия в области резания.

Таким образом, увеличение скорости подачи ограничено следующими обстоятельствами:

-нарушением динамики рабочего процесса (застревание фрезы);

-резким увеличением сил, действующих на комплекс ножей;

-увеличением работы измельчения за счет вязкого трения. Максимальная скорость подачи, при которой еще не происходит сущест-

венного ухудшения качественно-экономических показателей составляет

0,03 м/с.

Взаимное расположение комплексов ножей на фрезерном рабочем органе существенно влияет как на процесс резания древесины, так и на износ самих ножей и поломки орудия. В серийной машине МУП-4 использован принцип постепенного перекрытия ножей (рис. 8.15, левый винт). При вращении фрезы каждый последующий нож срезает лишь часть древесины, оставшуюся после

334

ранено влияние "эффекта первого ножа". В частности, предлагается две новые схемы расположения комплексов (рис. 8.15):

-двухзаходный винт;

-синусоидальное расположение.

Также была изучена схема с право-винтовым расположением комплексов, симметричная серийной схеме с левовинтовым.

При проведении данной серии принимали высоту пня завышенной (равной 0,6 м) для того, чтобы верхний край фрезы гарантированно был вовлечен в процесс резания (рис. 8.18). Кроме того, для каждой схемы расположения комплексов ножей проводили по три эксперимента с различными углами наклона фрезы (20О, 26О и 35О) для того, чтобы установить, влияет ли преимущественное приближение к пню верхних или нижних комплексов ножей фрезы на выходные характеристики. Остальные параметры соответствовали базовому эксперименту.

Рис. 8.17. Эксперименты проводили с увеличенной высотой пня, чтобы верхний край фрезы гарантированно находился в древесине

Предложенные схемы расположения комплексов ножей эффективно устраняют "эффект первого ножа". С двухзаходной винтовой схемой паразитные всплески функции Mс.ф.(t) проявляются не на каждом восьмом пике, а на каждом четвертом, при этом их амплитуда на 30÷40 % меньше, чем у пиков серийной схемы (рис. 8.16). В результате удалось добиться снижения максимальной силы на ноже примерно на 40 % (таблица 8.1).

335

Таблица 8.1

Максимальная сила Fmax на комплексе ножей (числитель дроби, кН) и работа A по измельчению пня (знаменатель дроби, кДж) для различных случаев расположения комплексов ножей и углов наклона фрезы αб

На графике Mс.ф.(t), соответствующем схеме с синусоидальным располо-

жением комплексов, нет закономерности в расположении особо интенсивных пиков. Более того, все пики примерно одинаковой высоты с соседними, а оги-

бающая пиков отдаленно напоминает синусоиду (рис. 8.16). Синусоидальная схема также устраняет "эффект первого ножа " (Fmax снижается примерно на 30 %), однако является несколько менее эффективной, чем схема с двухзаходным винтом. Однако синусоидальная схема является более универсальной, так как фрезерный рабочий орган можно раскручивать как в направлении часовой стрелки, так и против часовой стрелки при одинаковой эффективности обра-

ботки.

Право-винтовая схема же оказалась менее эффективной, чем лево-

винтовая: максимальная сила на комплексе ножей увеличена примерно на 7 %,

а работа по измельчению пня – примерно на 1 %. Причина этого в том, что ве-

дущим комплексом винтовой линии является не верхний а нижний комплекс,

336

врезающийся в древесину с большей линейной скоростью. Другая причина низкой эффективности право-винтовой схемы в том, что в отличие от верхнего ведущего комплекса, который взаимодействует с древесиной только для доста-

точно высоких пней, нижний ведущий комплекс взаимодействует с древесиной при измельчении любых пней [ 128 ].

Таким образом, применив одну из двух предложенных схем расположе-

ния комплексов ножей фрезы можно добиться снижения максимальной силы на комплексе и, как следствие, повысить надежность фрезы.

В процессе работы машины для понижения пней угол между режущей по-

верхностью фрезы и образующей пня может сильно различаться. Это связано как с различными формами пней, так и с определенной погрешностью подачи фрезы под нужным углом. Угловое несоответствие на линии контакта фрезы и пня мо-

жет достигать 10 20О. Для эффективной работы машины для понижения пней не-

обходимо, чтобы угловое несоответствие не оказывало существенного влияния на выходные характеристики.

Для изучения влияния угла наклона фрезы αб проведена серия компью-

терных экспериментов в которой изменяли αб от 17О до 38О с шагом 3О (угол,

при котором режущая образующая фрезы является вертикальной, составлял около 26О).

337

Рис. 8.18. Зависимости максимальной силы Fmax на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от угла наклона фрезы αб

Как видно из графиков (рис. 8.18), даже при сильной вариации угла, выходные характеристики практически не изменяются: максимальная сила лежит в диапазоне 1,00–1,16 кН, работа по измельчению пня лежит в диапазоне 50,0– 53,0 кДж. Это свидетельствует о том, что машина для понижения пней манипуляторного типа будет стабильно функционировать даже при сильном изменении условий функционирования.

Зависимость Fmax(αб) имеет незначительный минимум при значениях αб = 26О. Это значение совпадает со случаем вертикального расположения образующей резания фрезы. По-видимому, минимум силы обусловлен тем, что при αб = 26О плоскость резания параллельно древесине, а направление резания перпендикулярна, вследствие чего возникают меньшие силы, чем в случае движения фрезы при больших или меньших углах αб.

Возрастающий вид зависимости A(αб) можно объяснить тем, что с увеличением угла наклона αб возрастает поперечная площадь резания фрезы S (рис. 8.19), что ведет к увеличению объема удаляемой древесины, и, как следствие, к увеличению работы срезания.

338

Рис. 8.19. С увеличением угла наклона фрезы увеличивается поперечная площадь измельчения

Параметры подрезного и скалывающего ножа оказывают наиболее существенное влияние на динамические и энергетические параметры процесса фрезерования. Ниже представлены результаты исследования влияния основных параметров ножей на Fmax и A.

Угол резания передней режущей кромки подрезного ножа, как угол встречи металла с древесиной, существенно влияет на сопротивление резанию.

Рис. 8.20. Зависимости максимальной силы Fmax на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от угла резания подрезного ножа δп

В данной серии экспериментов изменяли δп от 10О до 70О с шагом 10О.

Убывающий вид зависимости Fmax(δп) объясняется тем, что при малых δп пе-

редняя режущая кромка является почти перпендикулярной направлению пода-

чи древесины на нож, и сила сопротивления при этом велика (рис. 8.20, а). При

339

δп > 30О сила Fmax достаточно мала и лежит в интервале 0,9–1,0 кН. Аналогично объясняется убывающий вид зависимости A(δп) (рис. 8.20, б).

Для выяснения влияния радиуса округления лезвия скалывающего ножа

ρск проведена серия экспериментов, в которой значение ρск меняли от 0,01 до 1,0 мм с шагом в 0,2 мм. Зависимости Fmax(ρск) и A(ρск) являются линейными и сильно возрастающими (рис. 8.21).

Рис. 8.21. Зависимости максимальной силы Fmax на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от радиуса округления лезвия скалывающего ножа ρск

От радиуса округления лезвия скалывающего ножа ρск зависит площадь области резания. Увеличение ρск приводит к увеличению площади резания, и,

соответственно, силы, необходимой для создания определенного давления от-

рыва щепы. Для уменьшения сопротивления фрезерованию значение ρск долж-

но быть как можно ниже. С другой стороны, лезвие малого радиуса быстро за-

тупляется в процессе фрезерования. В связи с этим возникает необходимость либо работать с довольно крупным радиусом ρск, либо часто затачивать скалы-

вающие ножи при эксплуатации.

340

Задний угол скалывающего ножа αск определяет эффективность процесса фрезерования. Проведена серия компьютерных экспериментов, в рамках которых угол αск принимал следующие значения: 5О, 10О, 15О, 20О, 30О, 40О, 50О.

Рис. 8.22. Зависимости максимальной силы Fmax на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от заднего угла скалывающего ножа αск

При увеличении αск снижается максимальная сила на комплексе и работа по измельчению пня вследствие более эффективного резания древесины

(рис. 8.22). С другой стороны, увеличение заднего угла более 50О нецелесооб-

разно, так как возрастают силовые нагрузки на нож, что снижает ресурс фре-

зерного рабочего органа.

Низкие значения Fmax и A (рис. 8.23) в области угла заострения βск в пре-

делах 15-750 можно объяснить тем, что проекция силы отделения древесины на продольное направление невелика. В зависимости от угла заострения βск могут реализовываться два различных механизма отделения древесины: при βск < 45О

происходит слоевое отделение древесины, при этом лезвие скалывающего ножа играет роль клина, отщепляющего срезаемый слой от пня. При значениях же

βск > 55О происходит дробление древесины.