CC BY
25Обоснование рабочих процессов гидропривода ротационной машины для уничтожения поросли на вырубках
П. Э. Гончаров1 С. В. Пономарев Воронежская государственная лесотехническая академия
АННОТАЦИЯ
Описаны результаты теоретических исследований динамики машины с гидроприводом рабочих органов бойкового типа для уничтожения нежелательной поросли на нераскорчеванных вырубках при лесовос-становлении.
Ключевые слова: лесовосстановление, гидропривод, фреза.
SUMMARY
This article is about results of theoretical researches of dynamics of the machine with a hydraulic drive of actions of chain type for destruction of a shoots on cuttings down at rearforestation.
Keywords: forest recover, hydraulic drive, the. milling machine.
В настоящее время в лесном хозяйстве в зависимости от состояния земель, заросших кустарником, лесных вырубок, болот, применяются следующие способы уничтожения поросли при лесовосстановлении: 1) корчевателями-собирателями; 2) кусторезами; 3) фрезами; 4) специальными плугами; 5) многофункциональными агрегатами; б) обработкой химическими веществами; 7) использованием электрической энергии. Анализ существующих разработок показывает низкую эффективность орудий, срезающих или подгибающих стволики порослевин, из-за невозможности подавления способности корней давать новые отпрыски. Большинство орудий, воздействующих не только на надземную часть, но и на корни, с одновременной обработкой почвы, в малой степени отвечают условиям нераскорчеванных вырубок. Такие орудия содержат элементы, неспособные эффективно преодолевать препятствия в виде пней и корней, будь то выкопочные скобы, запашные плуги или неподвижные плоские ножи.
Исходя из вышеперечисленных недостатков существующих орудий предлагается конструкция нового устройства бойкового типа для уничтожения поросли.
1 Авторы - соответственно доцент и аспирант кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования лесных машин
© Гончаров П. Э., Пономарев С. В., 2005
Рабочий орган орудия представляет собой барабан с закрепленными на нем гибкими связями с бойками (рис.1, 2). Вращение на барабан передается от гидромотора через цилиндрический редуктор.
Данное орудие предлагается применять на нераскорчеванных вырубках для уничтожения поросли, а также для предотвращения возобновления ее роста путем сбивания с корневой системы спящих почек. Общее устройство и работа агрегата заключается в следующем; при движении орудия рабочий орган бойками 7, прикрепленными гибкими связями б к барабану 5, фрезерует почву на глубину 4...8 см, а также уничтожает поросль, перерубает мелкие корни, а с крупных сбивает кору вместе с почками, из которых возможно возобновление поросли. Почвенно-растительная масса интенсивно крошится, перемешивается и отбрасывается назад. При этом из-за разных аэродинамических свойств поросли и почвы, основная часть растительных остатков будет оказываться на поверхности почвы, что приведет к их высыханию. Возобновление поросли из кусков корней станет невозможным. Для предотвращения перебрасывания почвы через барабан сверху него установлен кожух 4. В случае встречи с препятствием гибкие связи, непосредственно контактирующие с ним, отклоняются и огибают его, другие в это время не теряют контакт с почвой.
JL
Рис. 1. Орудие для уничтожения поросли малоценных древесных пород: 1 - система навески; 2 - гидромотор; 3 - цилиндрический редуктор; 4 - защитный кожух; 5 - барабан; б - гибкая связь; 7 - боек; 8 -решетка
Рис. 2. Схема крепления бойка к барабану
Для описания работы орудия с гибкими рабочими органами используем известное из теоретической
П. Э. Гончаров, С. В. Пономарев. Обоснование рабочих процессов гидропривода
35
механики дифференциальное уравнение вращения твердого тела вокруг неподвижной оси [1]:
'пр
dea
~dT
= мдв-м
сф
(1)
где 1пр - приведенный момент инерции вращающихся масс к валу гидромотора, кг-м2; со - угловая скорость вала гидромотора, с"1; Мдв - движущий момент, развиваемый гидромотором, Н-м;
Мсф - момент сопротивления срезания поросли и фрезерования почвы, Н-м.
Приведенный момент инерции вращающихся масс к валу гидромотора рассчитываем по формуле:
J
пр
' гид
Из теории импульсного резания, которое наблюдается при скорости резания 20-30 м/с, известно, что усилие импульсного резания можно выразить в виде зависимости [3]:
РсУД=Рсф-П, Н
(б)
где Рсф - сила сопротивления фрезерования при равномерном вращении барабана, Н; п - коэффициент динамичности, определяемый опытным путем, п=1,4-1,6.
При расчете дисковых рабочих органов могут быть использованы эмпирические зависимости, связывающие усилие подачи Рп, усилие резания Рр и толщину стружки И. Для чашечных резцов:
рп = 9,81 ■ (45 - 8,4h), н.
где h - толщина стружки.
где 1ГИД - момент инерции вращающихся элементов
гидромотора и цилиндрического редуктора, 2
кг-м ;
1Я - момент инерции барабана, кг-м";
- момент инерции бойка, кг-м2; 1К - момент инерции гибкого рабочего органа,
7
кг-м".
Момент, развиваемый гидромотором, вычисляется по формуле:
Лп -Чш -Р
м
дв
(3)
2-Tt-Tio
где т]п - полный КПД гидромотора; г)о - объемный КПД гидромотора; qm- удельный объем гидромотора, м7об; р - перепад давлений масла между полостям!-нагнетания и слива гидромотора, то есть
Р = Pi " РО . мПа,
(4)
где р| - давление масла в полости нагнетания гидромотора, МПа;
Ро - давление масла в полости слива гидромотора, МПа.
Значения давлений масла можно определить из уравнения постоянства расхода масла, подаваемого в гидромотор от насоса р, и р0, выходящего из гидромотора на слив [4].
Момент сопротивления срезания поросли и фрезерования почвы определяем по формуле:
мг
1Сф = РсУД • Ыф , Н-м, (5)
где Р^ - сила резания при импульсном резании, Н; Яф - радиус фрезерования, м.
0,560h-0,0213
Полагая Рр=РСф, после преобразования получим:
(8)
- сф
9,81(45-8,4h)
0,560h - 0,0213 441,45-82,404h
" 0,560h- 0,0213
В этом случае формулу (5) можно записать как
441,45-82,404h
(У)
РсУД=Рсф'П
0,560h- 0,0213
П. (10)
Сила сопротивления срезанию поросли и фрезерованию РСф может быть представлена тангенциальной составляющей Рт, действующей по касательной к окружности барабана, и нормальной составляющей Р,„ действующей по радиусу барабана и направленной к его оси вращения (рис. 3) [3].
Точка Д приложения силы сопротивления расположена на дуге резания при повороте барабана на угол ср:
1
ф= — а,, , 3 к
где ак - угол встречи рабочего органа с почвой,
ак =
Ж
180'
- arceos
1--
Rr
di)
где a - глубина фрезерования, см.
Толщину стружки с достаточной точностью можно определить по формуле [2]:
h = S ■ sin(aK - ф) = S • sin[ — ак
3 J
(13)
где Б - подача на один боек,
Ь - толщина стружки в исследуемом положении бойка.
При числе бойков г в одной плоскости барабана подача Б будет равна:
s = -
Xz
(14)
[де к - кинематическим параметр, равный отношению X = Уокр/Уаг.
Тогда толщина стружки Ь будет
Xz
ж 180
-arceos
R
ф;
(15)
нение движения гибкого рабочего органа с приводом от гидромотора:
d® ЛпЧгпР
пр
dt 2лг1о - [(441,45 -(i64,808tiR^ /Xz)-• sin 2/ з((л/1 &0)arccos(¿ - а/Ыф)))/ (18) /((ШтсЯф /Xz) ■ sin 2/ 3 ((71/180 )arccos 1 -а/Яф)))- 0,0213]-п-Яф.
Для возможности более полного анализа динамических процессов в гидроприводе фрезерной машины уравнение (18) должно быть дополнено вторым дифференциальным уравнением, которое описывает расход рабочей жидкости [4].
Это уравнение имеет вид:
dp dt
Кт
1нпн
со 2л
V
(19)
С учетом формулы (14) формула (10) запишется
руд = [(441,45-(l64,80 871Яф !Xz\ ■ sin 2/ з((п/180)arccos(l - а/Яф)))/ /((l,12TrRф / Xz) • sin 2/3 ({%¡ 180)ar ccos (1 -а/Яф)))- 0,0213]-n.
Примем, что нормальная сила Р., при гибких рабочих органах бойкового типа составляет незначительную часть тангенциальной Р,, и в дальнейших расчетах будем ей пренебрегать.
Подставив уравнение (16) в формулу (5), получим момент сопротивления, создаваемый на валу гидромотора от ударных сил резания, при этом полагаем,
что в формуле (5) Рсуд = РТУД.
Мсф = [(441,45 -(164,808TTR$/Xzj-• sin 2 / з((я/180)arccos(1 - а/Яф)))/ /((ц2яЫф / Xz)- sin 2/3 ((тг/180)а rccos (l - а/Яф)))- 0,0213] • п • Яф ,
(17)
где Кр - коэффициент податливости упругих элементов гидропривода; qн - рабочий объем насоса, м3/об; qм - рабочий объем гидромотора, м3/об; пн - угловая скорость вращения насоса, с"1; оз - угловая скорость вращения вала гидромотора, с'1;
ау - коэффициент утечек, м3/(с-Па).
х X
Рис. 3. Схема сил, действующих на рабочий орган машины
При моделировании динамических процессов в рассматриваемом гидроприводе уравнения (18) и (19) рассматриваются совместно как система, то есть:
Подставив найденные выражения Мдв и МСф в исходное уравнение (1), получим дифференциальное урав-
П. Э. Гончаров, С. В. Пономарев. Обоснование рабочих процессов гидропривода
37
dp _ 1 dt
Чнпн
со 2л
ауР
d® _ ЛпЧтР
Система (19) представляет собой систему дифференциальных уравнений первого порядка, которая математически описывает динамические процессы в рассматриваемом гидроприводе [4]. После решения данной системы уравнений получим:
пр dt 2лт|о -[(441,45 -(l64,8087rR$ /Xz)-■ sin 2 / з((я/180)arccos(l - a/Rф)))/ /((1Д2яКф /Xz)sin 2/3 ((71/180) arceos (l-а/Кф)))-0,0213]-
(20)
p(t) =,
2 к
sm
1
i а;- 4- КР ' 7»' Чп ■ Я,
2 Jпр п •Vo
4-Кр-л
— СОБ
4- Кр -Vn -Ч„'Ч,,
2 Jпр к ■V0
4-Кр-к
п 180'
- arceos
' \
V
•2 -п-Яф-п-щ
71 180'
- arceos
\
1--
V
R
Ф
- 0,0213
+
164,808 • к ■ Rrh 2
441,45----sin -
_X-z 3
1,12 • я • R
Х-
sm-
(21)
В итоге получили уравнение, характеризующее изменение давления в напорной гидромагистрали как функции времени. Аналогично данная система уравнений решается и относительно угловой скорости.
Математическая модель рабочего процесса машины бойкового типа позволяет определить проектные параметры гидропривода и рабочих органов, а также установить оптимальные режимы срезания поросли и фрезерования почвы.
Казаков В. И. Обоснование технологических параметров фрезерования почвы с древесными включениями на нераскорчеванных вырубках: Автореф. ... канд. техн. наук / В. И. Казаков. Воронеж, 1982. 20с.
Попиков П. И. Повышение эффективности гид-рофицированных машин при лесовосстановле-нии на вырубках: Монография / П. И. Попиков. Воронеж, 2001. 156 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Александров, В. А. Конструирование и расчет машин и оборудования для лесосечных работ и нижних складов. Учебник / В. А. Александров, Н. Р. Шоль. Ухта: УГТУ, 2002. 244 с.
2. Бартенев И. М. Расчет и проектирование лесохо-зяйственных машин: Учеб. пособие / И. М. Бартенев. Воронеж, 2001. 262 с.
