В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года» /I/ отмечается, что XI пятилетка должна стать пятилеткой «перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны, всемерной экономии всех ресурсов и улучшения качества работы». Для успешного выполнения задач, поставленных партией и правительством перед тружениками лесной промышленности, наиболее важно в максимальной степени механизировать трудоемкие производственные процессы, в том числе и операцию очистки деревьев от сучьев. К 1990 году намечено довести объем машинной очистки деревьев от сучьев до 93 млн. м3 в год, в 1983 году объем машинной очистки по Минлесбумпрому СССР составил 44,4 млн. м3.
Трудозатраты йа очистку деревьев от сучьев по всему лесозаготовительному циклу составляют около 10 $, а по лесосечным работам до 35 $. Число сучкорубов составляет около 70 тыс.чел., причем 70 $ из них — женщины. Уровень машинной очистки деревьев от сучьев составляет 21,8 $.
Такое положение объясняется, с одной стороны, сложностью и большой энергоемкостью технологического процесса, а с другой, исключительным разнообразием объекта труда — дерева. Машинизация очистки деревьев от сучьев в нашей стране осуществляется в основном за счет применения самоходных и стационарных сучкорезных машин. В последние годы наиболее широкое распространение полумили самоходные сучкорезные машины, позволяющие в кратчайшие сроки механизировать операцию очистки деревьев от сучьев.
Опыт эксплуатации сучкорезных машин показывает, что их производительность зависит в основном от совершенства конструкции протаскивающего механизма. На процесс протаскивания затрачивается около 60 $ времени от всего технологического цикла, а простои машины из-за отказов этого механизма составляют до 50% от общего времени простоев по техническим причинам.
От конструкции механизма подачи зависит не только производительность, но и вся компоновка машины, ее надежность, размеры, вес, качество обработки древесины и экономическая эффективность. Наиболее перспективными являются механизмы подачи, обеспечивающие непрерывное протаскивание дерева в процессе обработки.
Вопросы подачи деревьев механизмами транспортерного типа, гусеницами, обрезиненными роликами, пневмошинами достаточно глубоко исследованы. Большой интерес для самоходных сучкорезных машин представляет использование подающих механизмов — ошипованных вальцов. Однако имеющиеся данные не позволяют создать вальцовый механизм подачи с оптимальными параметрами для эффективного применения в сучкорезных машинах.
С целью повышения производительности и надежности, упрощения конструкции и повышения эффективности применения самоходных и многооперационных машин в настоящей работе поставлена задача исследовать влияние различных факторов на силу сцепления вальцов с древесным стволом, определить силовые и геометрические параметры механизма подачи, степень повреждаемости древесины и дать рекомендации для практического использования полученных результатов.
Анализу машинизации очистки деревьев от сучьев и конструкций существующих механизмов подачи в сучкорезных машинах посвящен первый раздел диссертационной работы.
Во втором разделе представлен обзор научных работ и исследований в области процесса подачи древесины, физико-механических свойств древесины, обоснована необходимость проведения настоящих исследований и приведена общая методика исследований.
В третьем разделе изложены теоретические исследования процесса подачи деревьев вальцом, выведены теоретические уравнения для расчета усилия прижима вальца и его тягового усилия. Исследовано влияние различных факторов на силу сцепления вальца со стволом.
Методика проведения многофакторного эксперимента изложена в четвертом разделе.
В пятом разделе приведены способы обработки экспериментальных данных, полученные уравнения регрессий, описывающие процесс взаимодействия вальца со стволом при подаче в зависимости от силовых и их геометрических параметров, анализ весомости каждого фактора в этом процессе.
Результаты использования исследований в промышленности и их экономическая эффективность освещены в шестом разделе.
К защите в диссертационной работе представлены следующие научно-технические положения: теоретическое обоснование процесса взаимодействия вальца с неокоренным стволом дереваэкспериментальные исследования зависимости силы сцепления ошипованного и гладкого вальцов с неокоренным стволом дерева и силы сопротивления его качения по стволу от основных факторовматематические модели процесса взаимодействия ошипованного и гладкого вальцов со стволом дереваоптимальные параметры вальцового механизма подачи для самоходных сучкорезных машинэкономическая оценка результатов исследований. Результаты исследований нашли практическое применение при создании экспериментальных образцов многооперационных машин ЛО-76 /2/, МЛ-20 /3,4/, сучкорезной машины CM-I5 и опытных образцов многооперационноймашины CM-I4,. созданной ЦНИИМЭ по плану научно-технического сотрудничества стран-членов СЭВ.
Годовая экономия от внедрения вальцового механизма подачи с параметрами, установленными по результатам исследований, в многооперационном агрегате ЛО-76 в расчете на планируемый их выпуск (200 шт. в год) составляет 334 тыс. руб. при экономии металла около 300 тонн.
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.
I.I. Машинизация очистки деревьев от сучьев.
Сокращение численности рабочих, занятых тяжелым и травмоопасным ручным трудом, возможно только за счет создания и внедрения в производство высокопроизводительных, автоматизированных сучкорезных машин и установок, отвечающих современным требованиям лесозаготовительного производства. В мировой практике начало создания первых образцов сучкорезных машин относится к середине 50-х годов. С тех пор в технологической цепи лесозаготовок нашли применение три основных типа сучкорезных машин:
1) машины и установки для очистки деревьев от сучьев на нижних складах;
2) самоходные машины для очистки деревьев от сучьев на верхних складах;
3) самоходные многооперационные машины, включающие операцию очистки деревьев от сучьев на нижних складах и лесосеках.
На первом этапе машинизации очистки деревьев от сучьев в нашей стране основное внимание уделялось созданию стационарных сучкорезных установок для работы на нижних складах, в условиях концентрированного производства. Такая организация производства создает необходимые условия для рационального использования всей биомассы дерева, способствует достижению наибольшей эффективности и высокого уровня производительности труда.
В период 1959;1963 гг. в СССР рядом институтов было создано несколько конструкций сучкорезных станков и установок типа: АЛМ, СевНИШШ (с гусеничными подающими механизмами), СЛ, Д-5, ПСЛ (с цепными транспортерами) и др.
В 1964 г. был начат серийный выпуск установок ПСЛ-I производительностью до 220 м³ в смену. В это же время были созданы и внедрены в производство II установок типа МСГ производительностью до 600−800 м3 в смену, работающие по принципу групповой обработки деревьев. Однако недостатки, присущие этим установкам, такие как: большие сроки монтажа, высокая стоимость, взаимосвязанность технологического процесса со смежными операциями привели к временному прекращению их выпуска и созданию самоходных сучкорезных машин для работы на лесосеках. В связи с этим в 1968 гбыл начат серийный выпуск самоходной сучкорезной машины СМ-2 на базе трелевочного трактора ЖГ-75, имеющей транспортерный механизм подачи.
Сучкорезная установка ПСЛ, самоходная сучкорезная машина СМ-2 и их модификации: ПСЛ-I, ПСЛ-2, ПСЛ-2М, СМ-2Б и ЛО-72 явились первым поколением в семействе машин, призванных механизировать тяжелый труд сучкорубов. Опыт эксплуатации этих машин позволил создать в течение короткого времени более производительные и маневренные машины второго поколения, такие как самоходные сучкорезные машины ЛП-30, ЛП-ЗОБ, ЛП-ЗОВ, ЛП-ЗЗ.
В настоящее время научные исследования и опыт, накопленный в результате эксплуатации сучкорезных машин, позволили подойти к созданию еще более производительных, мобильных, с высокими эргономическими показателями сучкорезных машин третьего поколения.
Для нижних складов создаются стационарные установки ДО-29 производительностью 160 м³ в смену с подающим механизмом непрерывного действия, шнековая установка для групповой обработки.
CM-I8 — 500−600 м в смену. Отличительными особенностями их является то, что они блочного исполнения и не требуют специальных дорогостоящих фундаментов.
В настоящее время выпущена установочная серия самоходных сучкорезных машин ЛП-51 с гусеничным механизмом подачи. Создаются сучкорезно-раскряжевочные машины CM-I4 с вальцовым механизмом подачи на базе колесного трактора BKC-I60 чехословацкого произволства.
В 1984 г. планируется серийный выпуск многооперационного агрегата ЛО-76 с гусеничным механизмом подачи.
Данные о выпуске сучкорезных машин по годам приведены в табл.1.1, а технические характеристики основных типов отечественных сучкорезных машин в табл.1.2.
В зарубежных лесопромышленных странах основным направлением для комплексной механизации лесозаготовок является создание самоходных многооперационных машин. В этот же период основные лесозаготовительные страны: Швеция, Финляндия, Канада, США., при сложившейся традиционной практике лесозаготовок, при вывозке древесины в сортиментах создают для очистки деревьев от сучьев и их раскряжевки универсальные ручные бензопилы и многооперационные машины, как правило, для работы на лесосеке.
На лесозаготовках в Швеции широко применяются многооперационные машины Логма 85−41 с телескопической балкой на подаче, 0СА-706/250, 0СА-706/260, Волво БМ, Волво БМ 985, Твигг: с вальцовыми механизмами подачи, Ротне 770 с пневмошинным механизмом подачи.
Из финских лесозаготовительных машин наиболее известны многооперационные машины Пика 50, Пика 75 с телескопическими балками, Локомо 960, Локомо Т, Валмет 448, Маккери с вальцовыми механизмами подачи.
Канадские сучкорезные и многооперационные машины: ВК. Интири-ер-Соамшгз Л-Д, Катерпилер с гусеничными механизмами подачи, Кен-Кар с телескопической балкой, Тимберлайн ТН-100 с вальцами.
В США выпущены многооперационные машины: Хан-Далпвуд, Джон-Дир 743 с вальцовыми механизмами подачи, Керинг КХ-ЗД, Керинг К 5 с цикличным механизмом подачи.
В табл.1.3 приведены технические характеристики основных.
Таблица I.I.
Выпуск самоходных сучкорезных машин по годам шшины изготовитель 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982.
СМ-2 Свердлесмаш 15.
СМ-2Б Сыктывкарский механический завод (СМЗ).
ЛО-72 Свердлесмаш.
Ш-30 СМЗ.
Ш-ЗОБ СМЗ.
ЛП-33 Свердлесмаш.
ЛП-51 Свердлесмаш.
ЛО-76 Свердлесмаш.
54 150 201 209.
44 74 66.
41 330 2.
424 400 446 450 445 26 186 404 455 40.
22 460 I.
282 213 1 ы со I.
500 600 650 6 48 350 4.
Таблица 1.2.
Технические характеристики основных типов сучкорезных и сучкорезнораскряжевочных машин и установок.
Марка машин и установок.
Наименование показателей.
ПСЛ-2 f МСГ-3 {.
ЛО-ЗО [ ЛО-72 } ЛП-ЗОБ j ЛП-33 | Ш-51 ЛО-76 [ CM-I4.
Мощность движителей, кВт 97.
Средний объем обрабатываемых деревьев, мз 0,8.
Сменная производительность:
0,55.
0,85 0,55.
0,25.
84,6 0,55.
84,6 0,45.
84,6.
0,45.
0,45 м3/см. 220 600−800 160−200 140 125 160 180 117 130 шт. .500 1500−2000 200−250 300−350 500 350−400 500−700 250−300 250−300.
Тип механизма подачи цепной транспортер тросовый транс: портер тросовый транспортер балка с подвижным захватом балка с подвижным захватом гусеницы гусеницы ошипова ные вал] ЦЫ.
Номинальное тяговое усилие, кН 80,0 — 80,0 56,0 30,0 50,0 50,0 50,0 50,0.
Скорость подачи, М/с 1,5 — 1.2 1.5 1,35 1.7 1.5 1.5 2,0.
Масса конструк- 26,8 115 28,0 25,4 12,8 19,0 20,0 20,0 20,0 I ы tf* I тивная, т л.
Наименование, показателей.
Таблица Г*3.
Технические характеристики основных типов зарубежных многооперационных машин.
Марки машин.
•иолво БМ fВолво БМ ! Локомо jCBM 985) | 985 Tbhti{ 96I (96IT).
Балмет • Тимберлайн.
448 PH-ID5 ! iTH-2I0) обрезка обрезка обрезка сучьев, сучьев, сучьев, раскряраскряжевраскря.
Джон-Дир ! Пика 50 Д-743 j (75).
Керинг ЮМД.
Выполняемые операции обрезка сучьев, раскряжевка и сортировка.
Мощность движителей, кВт 118 в двух вариантах: валка, обрезка сучьев и, валка, обрезка сучьев, раскряжевка.
195 валка, обрезка сучьев, раскряжевка, сортировка.
206 жевка и ка и па-сортикетирова-ровка на ние 2 группы.
87,0 на 160,0 механизме подачи жевка и сортировка.
113,4 обрезка сучьев, раскряжевка заготовка балансов.
93,4.
0,5.
Диаметр обрабатываемых деревьев в коше, м 0,5.
Тип механиз- 2 кониче 2 кониче-ма подачи ских ских ошип. ошип. роролика лика.
Номинальное тяговое усилие, кН.
Скорость подачи, м/с.
Масса конструктивная, т.
0,6.
2 ошип. ролика.
0,65.
2 рифленых ролика.
0,30.
2 ошипов. ролика.
0,46.
2 ошипов. ролика.
215,0.
0,5 вццвижная балка ход 3,1 м.
0,41 цикличная подача по балке.
32,0 37,0 37,0 40,0 62,6−88,0 64,0 27,0.
1,2−3,0 2,0−3,0 2,6 2,5 0,85−0,61 2,0 1.0 цикл.
15+6х.
28,0 28,0 24,0 18,8 ид 43,3 I ы сл I зарубежных сучкорезных машин.
Машинизация очистки деревьев от сучьев в нашей стране позволила повысить производительность труда в 2,5−3 раза, облегчить условия труда, повысить квалификацию рабочих и уменьшить случаи производственного травматизма в 16,8 раза.
Отсутствие специальных базовых машин, приспособленных для навески лесного технологического оборудования, и сравнительно небольшие мощности трелевочных тракторов, на базе которых создаются отечественные сучкорезные машины, сдерживают дальнейшее их развитие, а особенно создание многооперационных машин. Это обуславливает необходимость создания навесного технологического оборудования, имеющего сравнительно небольшую массу, малую энергоемкость, простую конструкцию, однако обладающего высокой надежностью и способностью обрабатывать деревья с широким диапазоном параметров.
Анализ конструкций отечественных и зарубежных лесозаготовительных машин /5,6,7,8/ раскрывает большое разнообразие конструктивных решений технологических органов, в том числе и механизмов подачи.
Для оценки достоинств различных типов механизмов подачи рассмотрим их конструктивные особенности и принцип работы.
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
1. Одним из перспективных направлений в создании подающих механизмов для самоходных сучкорезных и многооперационных машин, вконструкциях которых решающее значение имеют масса, габариты и т. п., является создание механизма подачи вальцового типа, отличающегося своей простотой, надежностью, универсальностью компоновки в машине.
2. На основе проведенных теоретических исследований выделены основные факторы, влияющие на процесс подачи деревьев вальцовым механизмом, такие как: усилие прижима, площадь передней грани зуба, диаметры вальца и ствола, количество зубьев, участвующих в сцеплении. Получено аналитическое уравнение тягового усилия вальцового механизма.
3. Экспериментальная проверка подтвердила результаты теоретических исследований. Относительное расхождение результатов силы сцепления, определенные теоретически и полученные экспериментально, составляет 8−10%.
4. Многофакторным экспериментом установлено, что доминирующими факторами процесса подачи деревьев вальцовым механизмом являются усилие прижима и площадь передней грани зуба.
5. Полное внедрение зубьев в древесину происходит при усилиях прижима 15 — 20 кН, которые и создают основное сцепление вальца со стволом. Дальнейшее увеличение усилия прижима обуславливает возрастание силы сцепления за счет сил трения рубашки вальца по стволу и уплотнения древесины в зоне контакта с вальцом.
6. Коэффициент сцепления ошипованного вальца, работающего в области остаточных деформаций древесины, при увеличении усилия прижима от 12 до 30 кН уменьшается, приближаясь к постоянной величине, характерной для каждом породы и состояния древесины, и при усилиях прижима более 30 кН в среднем составляет со стволами при отрицательной температуре 1,15- при положительной — 0,85.
7. Сила сцепления ошипованного валвца с увеличением диаметра вальца увеличивается, но в диапазоне диаметров от 40 до 74 см этот прирост незначителен и составляет 7−10%.
8. С увеличением площади передней грани зуба, при конгруэнтных гранях, от 0,8 до 3,2 см² сила сцепления пропорционально возрастает со стволами при отрицательной температуре с 23 до.
33 кН, при положительной температуре с 15 до 28 кН. Прирост силы сцепления соответственно составляет 28 и 40%.
9. С увеличением шага зубьев по окружности вальца от 2,8 до 5,2 см сила сцепления пропорционально уменьшается со стволами ели на 5% - березы на 12!, а увеличение шага зубвев по высоте вальца в тех же пределах приводит к уменьшению силы сцепления со стволами ели на 2%, — березы на 8%.
10. Увеличение отношения размеров верхнего основания к нижнему с 0,1 до 1,0 у зубвев с трапецеидальной формой передней грани и уменьшение отношения размеров основания к высоте с 2,0 до 0,5 у прямоугольных зубьев, при равных значениях площадей передних граней приводит к росту силы сцепления в первом случае на 7%, во втором на 30%.
11. Сила сцепления зависит от породы и состояния древесины. Сцепление ошипованного валвца со стволами при отрицательной температуре в 1,3 — 1,5 раза больше, чем со стволами при положительной температуре, причем сцепление со стволами ели в 1,2 — 1,3 раза больше, чем со стволами березы.
12. Сила сопротивления качению ошипованного вальца по стволам прямо пропорциональна усилию прижима, диаметру вальца, объему зуба и частоте их расположения. Она практически не зависит от породы древесины.
Сила сопротивления качению ошипованного вальца по стволам при отрицательной температуре выше в среднем на 9%, чем по стволам при положительной температуре. При усилиях прижима вальца 30 кН она достигает величины 5,2 — 6,0 кН.
13. Сила сцепления гладкого вальца со стволом дерева прямо пропорциональна усилию прижима, диаметрам вальца и дерева, причем в большей степени она зависит от усилия прижима и практически не зависит от породы.
Коэффициент сцепления гладкого вальца со стволами при отрицательной температуре в среднем составляет 0,35, со стволами при положительной температуре — 0,42.
14. Сила сопротивления качению гладкого вальца по стволу прямо пропорциональна усилию прижима, диаметрам вальца и ствола, и практически не зависит от состояния и породы древесины. При усилии прижима 28 кН сила сопротивления качению достигает 5,0 кН.
15. Повреждение поверхности ствола зубьями ошипованного вальца происходит в виде лунок с разрушением коры и волокон древесины по объему зуба. Эмпирическое распределение глубины повреждений поверхности ствола зубьями ошипованного вальца подчиняется нормальному закону распределения.
Наибольшее количество повреждений в виде проколов поверхности ствола на диаметрах 10 — 12 см не превышают глубины I, 0 см и составляют в среднем 50%, а на диаметрах 18 — 32 см не превышают 1,2 см и составляют в среднем 70% от общего количества проколов.
Повреждение стволов с максимальной глубиной на диаметрах 10 — 12 см не превышают 1,4 см, и составляют 6 — 10%, а на диаметрах 18 -32 см не превышают 1,6 см и составляют в среднем 9% от общего количества проколов.
16. Оптимальными усилиями прижима вальцов к стволам на диаметрах 40 -50 см следует считать усилия, равные 30 -35 кН, на диаметрах стволов 12 -16 см — 10 — 12 кН. Целесообразно в кинематических схемах машин обеспечить автоматическое регулирование усилия прижима в зависимости от диаметра ствола.
17. Для обеспечения необходимых усилий подачи в соответствии с ГОСТ 23 841–79 ошипованные вальцы подающих механизмов самоходных сучкорезных машин должны иметь следующие параметры: для первого типоразмера машин — два вальца диаметром 35 — 40 см с зубьями высотой от 12 до 18 мм, с площадями передних граней о соответственно 1,5 и 2,0 см и шагом 35 ммдля второго типоразмера машин — два вальца диаметром 50 — 60 см с зубьями высотой от 12 до 22 мм, с площадями передних граней 2 соответственно 1,5 и 2,5 см и шагом 45 мм;
Для третьего типоразмера машин целесообразно увеличение количества вальцов до четырех с параметрами, соответствующими второму типоразмеру машин.
18. Внедрение рекомендаций, разработанных по результатам проведенных исследований, позволяет получить годовую экономию около 350 тыс. руб. при экономии металла около 300 тонн.