CC BY
45
УДК 630*367.9 П.И. Попиков, Е.В. Беликов, В.В. Посметьев
ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ НОЖЕЙ НА РАБОЧЕМ ОРГАНЕ МАШИНЫ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ПНЕЙ
На основе имитационного моделирования установлено, что винтообразное расположение ножей на фрезерном барабане серийной машины удаления пней является причиной поломок барабана в месте "вхождения" нового ножа. Предложены две новые схемы расположения ножей (двухвинтовая и синусоидальная), повышающие устойчивость барабана к поломкам за счет более равномерного распределения нагрузок по ножам.
Ключевые слова: имитационное моделирование, удаление пней, расположение ножей, фрезерование древесины.
P.I. Popikov, Ye.V. Belikov, V.V. Posmetyev
OPTIMUM CUTTERS ORDER ON THE WORKING ELEMENT OF THE STUB REMOVAL MACHINE
On the imitating modeling basis it is established that the spiral cutters order on a milling cylinder of the serial stub removal machine is the reason for cylinder breakages in the place of a new cutter “entering”. Two new schemes of the cutters order (twin-screw and sinusoidal) increasing cylinder stability to the breakages due to more uniform loadings distribution on the cutters are offered.
Key words: imitating modeling, stub removal, cutters order, wood milling.
При лесовосстановлении на вырубках возникает задача понижения пней, которую в настоящее время решают с помощью серийных машин удаления пней, в частности, машины МУП-4. Последняя удаляет пень путем резания, то есть способами, при которых механизм испытывает значительные динамические нагрузки, что приводит к частым поломкам фрезерного барабана. Кроме того, режущие элементы (ножи) быстро изнашиваются и требуют заточки уже после двух часов непрерывной работы машины. Стоит заметить, что плотные породы древесины (в частности, дуб) при данном способе резания практически не поддаются удалению серийной фрезерной машиной [1—2].
С целью устранения перечисленных недостатков МУП-4 нами предложено ранее использовать вместо режущих ножей серийной машины комплексы ножей, состоящие из подрезного и скалывающего ножа, и использовать гидромотор для привода фрезерного барабана [3]. Как показали предварительные оценки, улучшения эксплуатационных свойств можно добиться изменением взаимного расположения ножей на барабане. В серийной машине 16 ножей расположены по винтовой линии так, что они лежат попарно на восьми ребрах (рис. 1). В настоящей работе показано, что данная схема расположения ножей не является оптимальной и предложены и изучены более перспективные схемы расположения ножей на барабане.
Рис. 1. Комплексы ножей (изображены параллелепипедами) расположены попарно на восьми ребрах фрезерного барабана по винтовой линии
Исследование проводили с помощью разработанной ранее имитационной компьютерной модели функционирования машины для удаления пней [4]. Математическую основу модели составляют дифференциальные и алгебраические уравнения, описывающие механическую и гидравлическую подсистему машины, а также взаимодействие ножей с древесиной пня. Для удобства анализа системы составлена компьютерная программа для моделирования работы фрезерной машины для удаления пней на языке Object Pascal в ин-
тегрированной среде программирования Boгland Delphi 7.0 (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2009610415).
2 3 4 5 6 7 8
Левый винт (серийное расположение зубьев)
Винт с двойной частотой
Синусоидальное
расположение
зубьев
О о
□ о
0 □
1 і
■ Направление вращения
О
□ п □
□
ОПР
Рис. 2. Варианты расположения зубьев фрезы на развертке конусообразной поверхности барабана (слева) и соответствующие вертикальные проекции барабана (справа)
Взаимное расположение зубьев на барабане фрезы существенно влияет как на процесс резания древесины, так и на износ самих зубьев и поломки орудия. В серийной машине МУП-4 использован принцип постепенного перекрывания ножей (рис. 2, левый винт). При вращении барабана каждый последующий нож срезает лишь часть древесины, оставшуюся после прохода предыдущего ножа. Таким образом, разработчики пытались добиться того, чтобы нагрузка на ножи была распределена равномерно.
Начальное врезание фрезы (і < 1 с)
Установившееся резание (2 с < і < 3 с)
Мс.ф.,
Н-м
1000
500
Мс.ф.,
Н-м
1000
Мс.ф.,
Н-м
1000
Мс.ф.,
Н-м
500
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 і, с
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 і,,
Мс.ф.,
Н-м
500
Мс.ф.,
Н-м
500
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 і, с
2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 і, с
Рис. 3. Влияние схемы расположения зубьев на фрезе на временную зависимость момента сопротивления фрезерованию Mс.ф.(t) для этапа врезания в пень (графики слева) и для этапа установившегося резания (графики справа)
і
і
0
500
0
500
0
Однако, как показали компьютерные эксперименты с моделью, винтообразное расположение зубьев на МУП-4 имеет существенный недостаток. В то время, как ножи ребер 2, 3, ... 8 (рис. 2) проходят по следу предыдущего ножа и сила на них мала, для верхнего ножа ребра 1 на срезаемой древесине нет следа от предыдущего ножа. Верхний нож ребра 1 является ведущим ножом винтовой линии. Поэтому сила на данном ноже (в случае, если высота пня достаточная, чтобы зуб контактировал полностью) значительно больше (примерно в 2 раза) силы на остальных ножах (рис. 3, левый винт). Это ведет к повышенному износу ножа и поломкам фрезерного барабана между ребрами 1 и 8 (рис. 4).
Рис. 4. "Эффект восьмого зуба" вызывает частые поломки серийного фрезерного барабана между ребрами 1 и 8 (в месте появления нового ножа)
В рамках данной работы проведено исследование других вариантов расположения зубьев. В качестве других вариантов были выбраны такие схемы расположения зубьев, в которых снижено или полностью устранено влияние "эффекта восьмого зуба". В частности, предлагаются две новые схемы расположения зубьев (рис. 2): по винту с двойной частотой и с синусоидальным расположением. Также была изучена схема с правовинтовым расположением зубьев, 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. Кроме того, для каждой схемы расположения пней проводили по три эксперимента с различными углами наклона барабана (20, 28 и 350) для того, чтобы установить, влияет ли преимущественное приближение к пню верхних или нижних зубьев барабана на выходные характеристики. Остальные значения параметров соответствовали типичным параметрам процесса удаления пня.
Предложенные схемы расположения зубьев эффективно устраняют "эффект восьмого зуба". В схеме с двойной частотой винтовой линии паразитные всплески функции Mс.ф.(f) проявляются не на каждом восьмом пике, а на каждом четвертом, при этом их амплитуда на 30-40 % меньше, чем у пиков серийной схемы (рис. 3). В результате удалось добиться снижения максимальной силы на зубе примерно на 40 % (табл.).
Максимальная сила Fmax на зубе (числитель дроби, кН) и работа A срезания пня (знаменатель дроби, кДж) для различных случаев расположения зубьев и углов наклона барабана аб
Расположение зубьев Угол наклона барабана аб
200 280 350
Левый винт 1,053/52,08 1,122/53,50 1,071/53,55
Правый винт 1,124/52,25 1,192/53,80 1,115/53,65
С двойной частотой 0,659/52,42 0,701/53,59 0,641/53,84
Синусоидальное 0,711/52,17 0,761/53,29 0,802/53,39
На графике Mс.ф.(f), соответствующем схеме с синусоидальным расположением зубьев, нет закономерности в расположении особо интенсивных пиков. Более того, все пики примерно одинаковой высоты с соседними, а огибающая пиков отдаленно напоминает синусоиду (рис. 3). Синусоидальная схема также устраняет "эффект восьмого зуба" (Fmax снижается примерно на 30 %), однако является несколько менее эффективной, чем схема с двойной частотой. Однако синусоидальная схема является более универсальной, так как фрезерный барабан можно раскручивать как в направлении часовой стрелки, так и против часовой стрелки при одинаковой эффективности обработки.
Право-винтовая схема же оказалась менее эффективной, чем лево-винтовая: максимальная сила на зубе увеличена примерно на 7 %, а работа срезания пня - примерно на 1 %. Причина этого в том, что ведущим зубом винтовой линии является не верхний а нижний зуб, врезающийся в древесину с большей линейной скоростью. Другая причина низкой эффективности право-винтовой схемы в том, что в отличие от верхнего ведущего зуба, который взаимодействует с древесиной только для достаточно высоких пней, нижний ведущий зуб взаимодействует с древесиной при срезании любых пней.
Таким образом, винтообразная схема расположения ножей на фрезе серийной машины МУП-4 может служить причиной поломок фрезерного барабана при удалении высоких пней из-за того, что ведущий нож винтовой линии испытывает значительно большие нагрузки, чем остальные ножи. Применив одну из двух предложенных схем расположения зубьев фрезы (двухвинтовую и синусоидальную), можно добиться значительного снижения максимальной силы на зубе и, как следствие, повысить надежность фрезы.
Литература
1. Бартенев, И.М. Технология сплошной обработки почвы под культуры дуба на вырубках / И.М. Бартенев, И.В. Сухов, В.И. Вершинин // Лесн. хоз-во. - 1995. - №4. - С. 42-43.
2. Ильин, Г.П. Механизация работ в зеленом строительстве: учеб. / Г.П. Ильин. - М.: Стройиздат, 1985. -223 с.
3. Драпалюк, М.В. Силовое взаимодействие фрезерно-скалывающего рабочего органа с пнем / М.В. Драпалюк, П.И. Попиков, Е.В. Беликов // 70 лет кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии: сб. науч. тр. - Воронеж, 2007. - С. 76-82.
4. Методика математического расчета работы машины для удаления пней / Е.В. Беликов, В.П. Попиков, С.Н. Саулин [и др.] // Природопользование: ресурсы, техническое обеспечение: сб. науч. тр. - Воронеж, 2008. - Вып. 4. - С. 144-150.
'-------♦------------
