Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование Бартенев

351

Применение предлагаемого рабочего органа упрощает процесс обрезки и подрезки крон деревьев, облегчает управление рабочим органом. За счет увеличения угла поворота пилы создается возможность фигурной обрезки крон деревьев и придание ей овальной, пирамидальной или шаровой формы. Для обеспечения беззажимного резания на поворотном рычаге механизма срезания установлен специальный кронштейн, регулируемый по высоте, для упора срезаемой ветви. Режущий аппарат маятникового типа с углом поворота рычага более 360° имеет еще одно достоинство, заключающееся в выбрасывании обрезанных ветвей из крон деревьев. Таким образом, контурная обрезка крупных ветвей производится путем поворота маятникового рычага с дисковой пилой поворотным гидродвигателем с постоянной скоростью подачи в пределах 0,2 0,66 м/с, а подрезка однолетних побегов производится путем поворота стрелы, рукояти и поворотной колонны со скоростью подачи в пределах 1,8 2,2 м/с. Для обрезки ветвей малоценных древесных пород (например, клен американский) и удаления нежелательной древесно-кустарниковой растительности в междурядьях лесных плантаций нами разработан новый рабочий орган с гибкими элементами [70, 90] (рис. 8.30), который может быть установлен на конце манипулятора в качестве сменного оборудования.

Рис. 8.30. Рабочий орган с гибкими элементами

352

Этот рабочий орган включает корпус 1 с приводом (не показан) и валом 2, входящим во втулку 3, жестко скреплённую с двумя пластинами 4, между которыми неподвижно зажат режущий рабочий орган. Каждый режущий орган выполнен комбинированным в виде гибкого элемента 5 с ножом 6 на конце. Опорный нож 7 закреплён на корпусе и опорный нож 7 расположен выше режущего рабочего органа и имеет длину, несколько большую длины рабочего органа. Рабочий орган функционирует следующим образом. Включают привод и втулка 3 с пластинами 4, между которыми зажат режущий рабочий орган при помощи вала 2, начинают вращаться. Этот орган подводят к древеснокустарниковой растительности, которая срезается между опорным ножом 7, препятствующим её отклонению, и вращающимися ножами 6. При этом благодаря тому, что ножи 6 установлены на гибких связях 5, в результате их ударов о препятствия в виде металлических оград не происходит поломок рабочих органов, а за счёт использования опорного ножа 7 процесс срезания кустарника протекает с большей эффективностью.

Таким образом, машина для обрезки ветвей деревьев может комплектоваться двумя типами сменных рабочих органов:

– круглой дисковой пилой диаметром 400 650 мм с односторонней за-

точкой зубьев для вертикальной или наклонной обрезки боковых ветвей диаметром до 80 мм лиственных деревьев зубьями с длинной режущей кромкой и ежегодной подрезки прироста ветвей диаметром до 25 мм в верхней части кроны зубьями с короткой кромкой;

– гибким рабочим органом для удаления нежелательной древеснокустарниковой растительности диаметром до 40 мм от самосева в междурябьях лесных плантаций.

353

Вылет манипулятора машины для обрезки крон деревьев выбирается в зависимости от требуемой высоты обрезки. Так, для лесосеменных плантаций высота обрезки должна быть 7 8 м для возможности сбора лесных семян с применением существующих средств механизации: подъемника для сбора шишек ПСШ – 1 на базе трактора ДТ – 75 М, автомобильных гидроподъемников АПГ – 12 А на базе автомобилей ГАЗ – 53 и ЗИЛ – 130 и др. На эти подъемники на манипулятор вместо корзины (люльки) для рабочих можно устанавливать предлагаемый нами механизм срезания с дисковой пилой с приводом от гидроманипулятора, который подключается к гидросистеме базовой машины.

8.3.2. Динамика гидропривода механизма с рабочим органом – дисковой пилой

Для обоснования параметров рабочего процесса обрезки ветвей деревьев необходимо составить и проанализировать дифференциальные уравнения, описывающие срезание ветвей при повороте маятникового рычага посредством поворотного гидродвигателя (ротатора) с дисковой пилой, и дифференциальные уравнения расхода рабочей жидкости гидропривода [121, 122, 123]. На рис. 8.31 изображена расчётная схема рабочего органа машины для обрезки крон деревьев.

При наклонах ветвей деревьев в горизонтальной и вертикальной плоскостях срезание может производиться с различными кинематическими углами встречи рабочего органа и ветвей.

На рис. 8.31 приведена схема к определению кинематических параметров механизма срезания ветвей.

354

Рис. 8.31. Расчетная схема рабочего органа машины для обрезки крон деревьев 1 – дисковая пила; 2 – гидромотор; 3 – маятниковый рычаг;

4 – поворотный гидродвигатель

Для описания работы гидропривода применим известное из теоретической механики дифференциальное уравнение [115]:

где – угловая скорость вала гидромотора, с-1; Мдв – момент, развиваемый гидромотором, Н м;

Jпр – приведенный момент инерции вращающихся масс к валу гидромотора, включающий момент инерции роторной группы гидромотора и момент инерции гибкого рабочего органа.

Момент Мдв, развиваемый гидромотором, вычисляется по формуле

где n – полный КПД гидромотора;

o – объёмный КПД гидромотора;

qм – удельный объём гидромотора, м3/об; p – давление масла в гидросистеме, МПа.

355

Момент сопротивления, создаваемый на валу гидромотора от сил резания при обрезке ветвей дисковой пилой, находим следующим образом.

С учётом основного уравнения кинематики пиления круглыми пилами и условия прочности зуба при ударном характере резания тонких ветвей имеем

[154]:

или

где uz – подача на зуб пилы, м/с; tz – шаг зубьев, м;

i – коэффициент прочности зубьев при пилении древесины мягких пород i=0,3…0,4; для твёрдых пород i=0,2…0,3;

s – толщина пилы, м.

Тогда формула для момента сопротивления резанию от касательной силы принимает следующий вид:

где к – удельная сила резания, Н/м2 , определяется экспериментальным путем;

b – ширина пропила;

H – высота пропила: H = dв·sinφвх , где dв – диаметр ветки, м;

φвх – угол входа.

356

Рис. 8.32. Схема к определению кинематических параметров механизма срезания ветвей

При срезании ветвей при наклоне пилы под углом встречи θ к оси ветви высота пропила (рис. 8.32, 8.33) определяется по формуле:

357

Подставив найденные выражения Мдв и Мс в исходное уравнение (8.22), получим дифференциальное уравнение движения:

Для возможности более полного исследования динамических процессов в рассматриваемом гидроприводе, уравнение (8.28) должно быть дополнено вторым дифференциальным уравнением, которое будет описывать расход рабочей жидкости. Это уравнение имеет вид:

где К(р) – коэффициентподатливостиупругихэлементовгидропривода; 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.

При моделировании динамических процессов в рассматриваемом гидроприводе получим для дисковой пилы систему уравнений:

Решая эту систему уравнений, получим для пилы [83, 123, 125]:

359

в гидромоторе пилы (рис. 8.35), при изменении угла наклона дисковой пилы от 30º до 90º возрастает по линейной зависимости: от 3,00 до 7,00 МПа при угле встречи 90º и от 5,00…7,50 МПа при угле встречи – 60º. Давление рабочей жидкости в гидромоторе пилы (рис. 8.36) при постоянном угле кинематической встречи 45º при изменении угла срезания ветви от 30º до 90º возрастает по линейной зависимости от 3,00 до 5,00 МПа, а затем, при изменении угла срезания от 60º до 90º, снижается от 5,00 до 2,50 МПа. При угле кинематической встречи, равном 90º, давление рабочей жидкости при изменении угла срезания от 30º до 60º возрастает от 5,00 до 6,50 МПа, а затем, при изменении угла срезания от 60º до 90º, уменьшается с 6,50 до 3,20 МПа. Мощность резания при обрезке ветвей липы диаметром 10…25 мм изменяется в пределах 2,7…6,5 кВт, для то-

поля – 4,72…11,37 кВт, для березы – 5,40…13,00 кВт.

Таким образом, на основании полученных уравнений, описывающих изменение давления в гидроприводе рабочего органа, можно установить проектные параметрыгидроприводарабочегоорганаиобосноватьеготехнологическийрежим.

2

1

3

60 90 120

Рис. 8.35. Зависимость давления рабочей жидкости от угла входа диска при срезании ветви сосны диаметром 40 мм: 1 – при угле встречи 120º; 2 – при угле встречи 90º; 3 – при угле встречи 60º

360

2

1

3

Рис. 8.36. Зависимость давления рабочей жидкости в гидромоторе пилы от угла встречи ветви сосны диаметром 40 мм 1 – при угле входа 120º; 2 – при угле входа 90º; 3 – при угле входа 60º

Происходящие в гидроприводе пилы динамические процессы описыва-

ются системой дифференциальных уравнений (8.30). При решении системы с использованием численных методов, необходимо найти две переменные систе-

мы p(t) и ω(t). Однако для решения системы необходимо корректно задать мо-

мент сопротивления резанию Mс.р., который также является функцией времени,

то есть Mс.р =Mс.р.(t). В то время как система (8.30) описывает динамическое по-

ведение системы лишь обобщенно, задание момента Mс.р.(t) позволяет учесть в модели конкретные параметры пильного диска, рабочего процесса, зубьев пи-

лы, свойств обрабатываемой древесины. В основе модели лежит возможность непрерывной коррекции конфигурации области резания ветви в процессе ее пиления. Для этого в духе метода конечных элементов [139], участок ветви представляется в виде совокупности большого количества элементарных кубов малого размера d.