Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование Бартенев

341

Рис. 8.23. Зависимости максимальной силы Fmax на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от угла заострения скалывающего ножа βск

8.2.5. Параметры гидромотора

Рабочий объем гидромотора влияет на скорости свободного вращения фрезы скорости его начального разгона; на динамическое поведение фрезы при измельчении пня. Выполнена серия компьютерных экспериментов, в рамках которой изменяли рабочий объем гидромотора qm от 64 до 448 см3/об с шагом

64 см3/об.

Зависимость скорости свободного вращения фрезы от qm является обратно пропорциональной ω qm–1, поэтому с увеличением qm происходит уменьшение скорости вращения. Уменьшение скорости вращения при постоянной скорости подачи vпод приводит к необходимости срезания комплексом большего объема древесины в единицу времени, и, как следствие, к росту сил на комплексе ножей, поэтому зависимость Fmax(qm) имеет возрастающий вид (рис. 8.24, а). Зависимость же A(qm) является убывающей (рис. 8.24, б). Высокие значения работы при qm в области 64÷192 см3/об можно объяснить тем, что скорость вращения фрезы ω в данном диапазоне велика, вследствие чего значительны потери на вязкое трение.

342

Рис. 8.24. Зависимости максимальной силы Fmax на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от рабочего объема гидромотора qm

Таким образом, существует некоторый оптимум qm, при котором одновре-

менно малы значения Fmax и A. Оптимум находится в интервале 192÷256 см3/об.

Необходимо отметить, что оптимальное значение qm зависит от рабочего объема гидронасоса qн и частоты его вращения nн.

8.2.6. Влияние параметров пней

Машина для понижения пней должна стабильно работать в широком диапазоне условий эксплуатации. В то же время на вырубке от пня к пню ра-

диусы пней Rп существенно различаются: от 0,05 до 0,4 м. В этой связи возни-

кает необходимость исследовать влияние радиуса пня на функционирование фрезерной машины. Проведена серия компьютерных экспериментов по изме-

нению радиуса пня Rп от 0,05 до 0,35 м с шагом 0,05 м (рис. 8.25).

Обнаружено, что в широком интервале радиусов Rп (от 0,05 до 0,3 м)

максимальная сила на комплексе ножей принимает примерно постоянное зна-

чение – около 1,05 кН (рис. 8.25, а). Однако работа по измельчению пня A уве-

343

личивается с радиусом Rп по квадратичной зависимости A R2п. Квадратичный характер зависимости A(Rп) очевидно связан с тем, что площадь поперечного сечения пня квадратично зависит от Rп. При этом квадратичную зависимость от

Rп имеет объем удаляемой древесины и, соответственно, пропорциональная ему работа по измельчению.

Рис. 8.25. Зависимости максимальной силы Fmax на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от радиуса пня Rп

Таким образом, компьютерный эксперимент подтверждает, что фрезерная машина будет одинаково эффективна для пней различных радиусов (от 0,05 до

0,3 м), причем радиус пня будет влиять на энергетические затраты больше, чем на максимальную силу на комплексе.

Следует ожидать, что тип фрезеруемой древесины оказывает существен-

ное влияние на динамику резания и энергозатраты. Для выяснения степени влияния с моделью проведена серия из трех экспериментов, в которых параметры модели kпод, μпод, Hτ ск, Hr ск, fтр ск, σсм ск соответствуют обработке сосны, березы и дубу (таблица 8.2).

344

Таблица 8.2

Влияние типа древесины на максимальную силу Fmax на комплексе ножей и работу A по измельчению пня

Как и следовало ожидать, механические свойства древесины оказывают влияние на Fmax и A. Максимальная сила на комплексе меняется от 0,887 кН для легкообрабатываемой древесины (сосна) до 1,257 кН для труднообрабатывае-

мой древесины (дуб). Работа по измельчению пня изменяется от 36,23 до 54,54

кДж соответственно. Таким образом, при обработке различных типов древеси-

ны динамические и энергетические параметры могут изменяться на 20÷30 %.

В зависимости от состояния древесины и геометрии ножей могут реали-

зовываться различные механизмы удаления древесины пня: как удаление толь-

ко объема, контактирующего с комплексом, так и отделение щеп значительного размера или непрерывных длинных пластин. Модель позволяет изучить функ-

ционирование фрезы в случае щепообразного отделения древесины. В рамках данной серии компьютерных экспериментов меняли длину отделяемых щеп.

Максимальную высоту щепы hп в max над комплексом меняли от 0 до 0,18 м с шагом 0,03 м, при этом размер нижней щепы принимали равным

hп н max = hп в max / 5.

345

Рис. 8.26. Зависимости максимальной силы Fmax на комплексе (а) и работы A по измельчению пня (б) от размера щепы hп в max

Компьютерные эксперименты дают сильную возрастающую зависимость

Fmax(hп в max) (рис. 8.26, а). Анализируя заложенные в модель допущения, такую зависимость можно объяснить тем, что с увеличением длины щепы возрастает сила, необходимая на ее отрыв и, соответственно, максимальная сила на ком-

плексе ножей. В то же время работа по измельчению пня практически не зави-

сит от hп в max (рис. 8.26, б).

Таким образом, при выборе параметров комплекса подрезного и скалы-

вающего ножей и расчете элементов конструкций гидроманипулятора необхо-

димо учитывать, что с увеличением длины щепы увеличивается сила, дейст-

вующая на комплекс ножей, что вызывает необходимость его дополнительного упрочнения и увеличения жесткости конструкции стреловой группы манипуля-

тора.

346

8.3. Технологическое оборудование, устанавливаемое на манипулятор для обрезки крон деревьев и удаления нежелательной древесно-кустарниковой растительности

8.3.1. Обоснованиеконструктивно-технологической схемы технологического оборудования для обрезки крон деревьев лесных насаждений

В отечественной и зарубежной практике для обрезки крон деревьев применяется ряд машин и механизмов с режущими аппаратами, главным образом,

дискового типа, высота обрезки которых не превышает 4 5 м.

Однако для обрезки верхней части крон лесных насаждений до сих пор используется ручной инструмент при подъеме рабочих в корзинах в крону де-

ревьев, на высоту 7 14 м, с помощью тракторных или автомобильных гидро-

подъемников АГП. Поэтому нами предлагается новый рабочий орган в виде дисковой пилы, смонтированный на гидроманипуляторе [116], который обеспе-

чивает обрезку ветвей деревьев на высоте 7 14 м без подъема рабочих в крону.

Рабочий орган машины для подрезки крон деревьев (рис. 8.27) смонтирован на базовой машине 1. На поворотной колонне 2 установлена стрела 3, к которой посредством цилиндрических шарниров прикреплен гидроцилиндр 4 управления [124, 142]. Верхняя часть стрелы посредством цилиндрического шарнира соединена с рукоятью 5, снабженной гидроцилиндром 6 управления. Внутри рукояти 5 жестко смонтирован гидроцилиндр 8 управления, шток которого соединен с винтом, установленным по резьбе во втулке, смонтированной при помощи подшипников внутри рукояти 5 и соединенной удлинителем рукояти 7. На другом конце удлинителя рукояти установлен поворотный гидродвигатель (ротатор) 9, причем вал поворотного гидродвигателя имеет подвижное

347

соединение с маятниковым рычагом 10 дисковой пилы 12 с приводом от гидромотора 11.

Рис. 8.27. Рабочий орган машины для подрезки крон деревьев (свид-во на пол. модель № 30057)

На рис. 8.28 приведена схема поворотного гидродвигателя винтового типа, применяемого на лесных манипуляторах [78], которые рекомендуется устанавливать на машинах для подрезки крон деревьев, имеющих поворот рабочего органа на угол более 360° с постоянной угловой скоростью подачи

ω=0,7 0,9 с-1 (или 6,7 8,5 об/мин) или V=0,52 0,67 м/с.

Поршень 3 с нарезанной резьбой внутри осевого отверстия свободно перемещается на винтовом валу 6, выходной конец которого имеет шлицевое соединение с корпусом дисковой пилы. Вал может вращаться в обе стороны, но зафиксирован в корпусе от осевых перемещений. Поршень 3 может перемещаться вдоль вала 6, но зафиксирован от поворота неподвижным стержнем

348

2. При подаче жидкости поочередно в каналы 4 и 5 поршень перемещается вверх или вниз, а вал вращается в одну или другую сторону с угловой скоростью ω, создавая необходимый крутящий момент.

Рис. 8.28. Схема винтового гидродвигателя (ротатора)

Выбор основных геометрических параметров зубьев дисковой круглой пилы нами производен с учетом двух требований:

1)достижение высокого качества среза ветвей с наименьшими их повреждениями в виде сколов и задиров;

2)минимальными энергозатратами, необходимы на перерезание волокон древесины.

На поверхности пропила при пилении круглыми пилами, как отмечает профессор В. А. Амалицкий [13], образуются различные неровности: кинематические риски, вибрационные неровности, неровности от неточности установки пилы на валу, структурные неровности (вырывы, выколы, ворсистость, мшистость), неровности вследствие неравномерного восстановления волокон древесины по зонам годичных слоев.

Для этих целей была произведена специальная перезаточка зубьев круглой конической пилы, предназначенной для продольной распиловки древесины

349

(ГОСТ 5950-73) (рис. 8.29). При омолаживающей обрезке ветвей деревьев с диаметром резания до 80 мм резание производится передней (длинной) режущей кромкой с углом заточки δ=30°. Поскольку задний угол резания δ 0, то происходит, как бы, бесстружечное силовое резание, при котором деформируется только отделяемая часть ветвей, а на дереве остается участок с гладким срезом. Передний угол =70° и в данном случае имеет отрицательное значение, а угол резания =160°.

Развод зубьев делается очень маленький (в пределах 0,2 мм) в сторону отделяемой части срезаемой ветви. При обрезке ветвей деревьев лесных насаждений происходит поперечно-продольное пиление. Угол между вектором скорости резания и направлением волокон древесины ветвей составляет α=60 120°, поэтому угол резания для пилы с обычным зубом должен находиться в пределах δ<90° [38], в связи с чем обеспечивается необходимый подпор волокнам. При угле резания δ 90° волокна будут рваться при сопротивлении в поперечном направлении, возникают трещины и получается рваный распил. Оптимальное значение угла резания для пилы с обычным зубом δ=60 80° [38]. В нашем случае при односторонней заточке этого явления не происходит, т.к. угол резания δ 90°.

При ежегодной подрезке однолетних побегов диаметром до 20 мм в верхней части кроны используется эта же пила с обратным направлением вращения. Резание в этом случае производится передней (короткой) режущей кромкой с углом заточки δ= 45°. Передний угол к = 10° имеет положительное значение и угол резания к =100°. При подрезке однолетних побегов зуб пилы, как бы, захватывает их и не дает отклониться в сторону, за счет чего повышается эффективность подрезки крон деревьев.

350

Рис. 8.29. Основные геометрические параметры зубьев дисковой пилы с односторонней заточкой длинной и короткой режущих кромок

Подрезка и обрезка крон деревьев рабочим органом осуществляется следующим образом. Базовая машина 1 (рис. 8.27) занимает позицию перед деревом, и оператор при помощи гидроцилиндра 4 и подъемного механизма стрелы 3 поднимает рабочий орган 12 на необходимую высоту. Затем гидроцилиндрами 6 и 8 стрела 3 и рукоять 5 с удлинителем 7 и маятниковым рычагом 10 поворачиваются в рабочее положение, а при помощи поворотной колонки 2 производится установка в плане рабочего органа. При включении механизма поворота удлинителя обеспечивается ее поворот вместе с пилой вокруг продольной оси, а при включении поворотного гидродвигателя 9 осуществляется поворот его вала совместно с корпусом привода пилы на необходимый угол . При этом дисковая пила 12 занимает заданное положение в пространстве относительно срезаемой ветви дерева. Включением гидромотора 11 привода обеспечивается вращение дисковой пилы 12, затем поочередным манипулированием гидроцилиндрами 4, 6, 8 гидродвигателя 9 оператор производит подрезку кроны дерева при неизменном положении базовой машины. Далее рабочий орган переводится в транспортное положение и базовая машина перемещается на новую позицию для подрезки кроны другого дерева.