Обоснование конструкции и параметров гравитационных торцевыравнивателей пачек бревен

Актуальность темы

В настоящее время основной задачей в решении проблемы повышения конкурентоспособности лесной промышленности России является разработка и освоение технологических процессов на базе полной машинизации и механизации основного и подготовительно-вспомогательных производств. К перспективным направлениям развития лесной отрасли относится дальнейшее развитие существующих и создание новых вертикально интегрированных структур, в состав которых наряду с подразделениями, осуществляющими заготовку древесины, входят лесные склады, на которых производится первичная переработка, отгрузка потребителям древесины или ее перевалка с одного вида транспорта на другой, и предприятия с глубокой переработкой древесины, также включающие в себя лесные склады.

На лесных складах выполняется значительный объем работ по формированию пачек бревен и их перемещению в процессе отгрузки потребителям или другим предприятиям структур.

Выравнивание торцов пачек бревен при их формировании является вспомогательной операцией, выполняемой на лесных складах, и позволяет максимально использовать грузоподъемность транспортных средств, что приводит к снижению расходов на содержание подвижного состава железнодорожного транспорта и судов. Механизация этой операции, выполнение которой вручную связано со значительными физическими и материальными затратами, способствует сокращению времени под погрузку вагонов и судов, а также росту производительности труда на лесном складе в целом. Разработанные ранее конструкции механизмов, предназначенные для выполнения торцевыравнивания пачек бревен, имеют ряд существенных недостатков и в настоящее время практически не выпускаются. В связи с этим необходимость создания простого и надежного устройства для выравнивания торцов пачек круглых лесоматериалов является актуальной проблемой, представляющей научный и практический интерес.

Одним из перспективных направлений работы в данном аспекте является совершенствование торцевыравнивателей пачек круглых лесоматериалов, в которых используются гравитационные силы, на основе обоснования новых конструктивных элементов и параметров устройств.

Цель работы состоит в обосновании конструкции и параметров гравитационных торцевыравнивателей пачек бревен.

Задачи исследований заключаются в обосновании конструкции усовершенствованного торцевыравнивателя пачек бревен, в котором используются гравитационные силыразработке математической модели процесса торцевыравнивания торцевыравнивателями, в которых используются гравитационные силы, позволяющей отследить процесс в динамике, и применительно к ней методики расчета усилия сопротивления продольному перемещению бревен в пачкеизготовлении модели предложенного торцевыравнивателя и проведении экспериментального исследования процесса торцевыравнивания пачек бревен в моделиописании технологических схем выполнения торцевыравнивания пачек бревен в предложенных торцевыравнивате-лях и методики расчета их производительностиоценке экономической эффективности использования предложенного торцевыравнивателя.

Объект и предмет исследований. Объектом исследования является процесс выравнивания торцов пачек круглых лесоматериалов. Предметом исследования является конструкция гравитационного торцевыравнивателя пачек круглых лесоматериалов и его параметры.

Методы исследования. В процессе проведения исследований были использованы теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования основывались на использовании уравнений динамики, методов математического и физического моделирования, математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились на модели торцевыравнивателя с учетом положений теории и практики моделирования подобных объектов.

Для численной реализации математической модели и обработки экспериментальных данных использованы методы математической статистики, теории планирования эксперимента, пакет Mathcad.

Научная новизна работы заключается в:

— получении математической модели процесса торцевыравнивания пачек бревен в гравитационных торцевыравнивателях, отличающейся возможностью получения на основе одновременного учета всех участвующих в процессе сил, действующих как со стороны пачки, так и на пачку, временных характеристик физических величин, определяющих соотношения данных сил в динамике;

— разработке методики расчёта среднего преодолеваемого усилия сопротивления продольному перемещению бревен в процессе торцевыравнивания поворотными щитами, отличающегося учетом динамичности данного усилия;

— разработке методики расчёта времени цикла обработки пачки бревен гравитационными торцевыравнивателями, отличающегося учетом количества опусканий в торцевыравниватель пачек с различными усилиями сопротивления продольному перемещению бревен;

— разработке новой конструкции гравитационного торцевыравнивателя пачек круглых лесоматериалов, отличающейся шарнирным соединением Г-образных торцующих щитов, обуславливающим увеличение усилий на щитах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель процесса торцевыравнивания в гравитационных торцевыравнивателях, позволяющая определить ускорение торце-выравнивающих щитов.

2. Методики расчета технических и технологических параметров гравитационного торцевыравнивателя пачек бревен.

3 Результаты экспериментальных исследований процесса торцевыравнивания пачек бревен в гравитационных торцевыравнивателях в виде регрессионного уравнения, характеризующего зависимость изменения усилия на щите от массы пачки, угловой скорости вращения щита, коэффициента трения скольжения между модельными бревнами.

4. Конструкция гравитационного торцевыравнивателя пачек бревен по патенту № 2 303 566.

Научная и практическая значимость. Разработанное торцевыравни-вающее устройство гравитационного типа позволяет с большей эффективностью реализовывать принцип торцевыравнивания пачек бревен за счет собственного веса пачки по сравнению с существующими устройствами такого же типа на лесопромышленных предприятиях.

Разработанная математическая модель дополняет теоретические исследования процесса торцевыравнивания и является действенным инструментом при проектировании и изготовлении гравитационных торцевыравнивателей в производственных условиях.

Применение выражений для определения времени цикла обработки пачки гравитационными торцевыравнивателями, которые могут использоваться как при наличии опытных данных, так и при их отсутствии, в расчете экономической эффективности торцевыравнивателей способствует повышению качества данного расчета.

Достоверность результатов исследований. Основывается на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математического моделирования и статистической обработки с использованием ПЭВМ. Выводы, изложенные в работе, обоснованы теоретически и отражают физическую сущность рассматриваемых процессов. Расчетные величины исследуемого параметра совпадают с опытными с точностью, допустимой отраслевыми нормами.

Личное участие автора в получении результатов. Диссертация является результатом исследований, выполненных при участии автора, который обосновал тему, определил цели и задачи исследований, разработал методики определения средней величины усилия сопротивления продольному перемещению бревен, которое необходимо преодолеть при торцевыравнивании пачек бревен и расчета производительности торцевыравнивателя, активно участвовал в разработке математической модели процесса торцевыравнивания в гравитационных торцевыравнивателях.

Все работы по физическому моделированию, изготовлению экспериментального комплекса, проведению экспериментов, обработке материалов, анализу и обобщению результатов исследований произведены автором лично.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований внедрены в ЗАО «Совместное предприятие «Бива» Красноярского края. Кроме того, их запланировано использовать МУП «Кирский лесокомбинат» Чувашской республики при дальнейшей реконструкции нижнего лесопромышленного склада.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях профессоско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников Мар-ГТУ (Йошкар-Ола, 2005;2007 гг.), на ежегоднодной научной конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии в 2006 г.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 работах объемом 2.425 п.л., из них 5 в соавторстве, авторский вклад составил более 50%. В центральной печати, рекомендуемой ВАК России, опубликовано 2 статьи (0,8 п.л.), авторский вклад — 80%. Получены 4 патента Российской Федерации на изобретения (1 п.л.), авторский вклад — 65%. В печатных изданиях МарГТУ опубликована 1 статья (0,625 п.л.), авторский вклад — 80%.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Работа объемом 217 стр. включает 47 иллюстраций, 37 таблиц, список использованных источников из 73 наименований и 13 приложений на 66 страницах. Объем основной части без приложений составляет 150 стр.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

В результате выполненных исследований решена задача обоснования конструкции и параметров гравитационного торцевыравнивателя пачек круглых лесоматериалов. Исследования позволили сформулировать следующие выводы:

1. Совершенствование менее материалои энергоемких по сравнению с другими гравитационных торцевыравнивателей пачек круглых лесоматериалов является одним из перспективных направлений работы в плане механизации торцевыравнивания. Данный вывод сделан на основе анализа проведенных ранее исследований торцевыравнивания пачек круглых лесоматериалов.

2. Предложенный гравитационный торцевыравниватель пачек круглых лесоматериалов с шарнирно соединенными торцующими щитами обладает патентной чистотой, ему характерна мировая новизна.

3. Разработана математическая модель процесса торцевыравнивания в гравитационных торцевыравнивателях, позволяющей определить ускорение движения пачки и угловое ускорение щитов, а на их основе — усилия на щитах в любой момент времени. Использование данной модели способствует повышению точности расчетов при определении весо-габаритных параметров торцевыравнивателей.

4. Полученная зависимость для определения средней величины усилия сопротивления продольному перемещению бревен, которое необходимо преодолеть при торцевыравнивании пачек бревен, обеспечивает наибольшую точность выполнения расчетов, позволяющих отследить процесс торцевыравнивания в динамике.

5. Теоретические исследования показали, что применение гравитационных торцевыравнивателей пачек круглых лесоматериалов с шарнирно соединенными торцующими щитами позволяет более эффективно выполнять торцевыравнивание пачек на нижних лесопромышленных складах по сравнению с классическими гравитационными торцевыравнивателями (типаК-142).

6. Экспериментальные исследования процесса торцевыравнивания пачек бревен в модели торцевыравнивателя с шарнирно соединенными торцующими щитами подтвердили достоверность результатов вычислений изменения усилий, создаваемых на щитах, полученных при использовании математической модели. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превысило 8%.

7. Приведенные схемы организации работ на участках штабелевки и отгрузки круглых лесоматериалов нижних лесопромышленных складов с использованием гравитационных торцевыравнивателей могут быть внедрены в зависимости от конкретных производственных условий. Определение производительности установок при сравнительном расчете экономической эффективности применения гравитационных торцевыравнивателей согласно предложенной методике позволило при заданных условиях учесть незначительную разницу, обусловленную техническими возможностями устройств.

8. Сравнительный расчет экономической эффективности применения гравитационных торцевыравнивателей с шарнирно соединенными торцующими щитами и классических гравитационных торцевыравнивателей показал, что при использовании первых удельные эксплуатационные затраты уменьшаются на 4,4%, приведенные — на 3%, а комплексная выработка возрастает на 8%. Имеется прирост прибыли за счет эксплуатационных затрат, годовой экономический эффект от внедрения проекта, а срок окупаемости дополнительных капиталовложений значительно ниже нормативного (7 лет).

9. Результаты исследований внедрены в ЗАО «Совместное предприятие «Бива» Красноярского края. Кроме того их запланировано использовать МУП «Кирский лесокомбинат» Чувашской республики при дальнейшей реконструкции нижнего лесопромышленного склада.

10. Следует отметить, что проведенное исследование нельзя назвать завершающим в исследовании торцевыравнивания пачек круглых лесоматериалов и в частности торцевыравнивания в гравитационных установках. Дальнейшую работу возможно проводить как в плане совершенствования математического описания процесса, так и в плане совершенствования конструкции устройств. Исследования в первом направлении, как решение вопросов, наметившихся в ходе выполнения данной работы, могут быть связаны с изучением изменения части массы пачки, действующей на горизонтальные части щитов, и изучением изменения перекосов в пачке в процессе торцевыравнивания. Дальнейшее совершенствование конструкции гравитационных установок и технологии их работы может быть осуществлено за счет замены горизонтальных направляющих наклонными и фиксации щитов после торцевыравнивания в тот момент, когда пачка еще не поднята, с последующим поднятием ее при расположенных в строго вертикальном положении вертикальных частях щитов.

Рекомендации.

1. Гравитационные торцевыравниватели пачек круглых лесоматериалов с шарнирно соединенными торцующими щитами рекомендуются для применения на нижних лесопромышленных складах.

2. При проектировании гравитационных торцевыравнивателей пачек бревен рекомендуется использование полученной математической модели процесса торцевыравнивания.

3. Расчет производительности торцевыравнивателей при определении эффективности их применения рекомендуется производить по изложенной методике.