Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 14
1.1 Анализ существующих технологий подачи сырья в рубительных машинах дискового типа 14
1.2 Анализ конструкций механизмов подачи рубительных машин
1.3 Анализ исследований процесса подачи сырья вальцовыми механизмами 31
1.4 Выводы. Цель и задачи исследований 38
2. Теоретические исследования процесса подачи порубочных остатков к рубительному диску 41
2.1 Обоснование рабочего процесса подачи порубочных остатков к рубительному диску 41
2.2 Кинематика процесса подачи сырья в зону рубки 44
2.3 Построение имитационной модели работы механизма подачи машины для измельчения порубочных остатков 4 8
2.3.1 Методика моделирования 4 8
2.3.1.1 Представление в модели порубочных остатков 49
2.3.1.2 Представление в модели устройства для измельчения порубочных остатков 53
2.3.1.3 Представление в модели загрузочного патрона 5 6
2.3.1.4 Представление в модели механизма подачи 58
2.3.1.5 Моделирование процесса подачи и измельчения порубочны х остатков 62
2.3.1.6 Общая система уравнений и особенности ее решения 6 4
2.3.1.7 Программная реализация модели 68
2.3.1.8 Порядок проведения компьютерного эксперимента 71
2.3.2 Влияние конструктивных и технологических параметров механизма одачи на его эффективность 73
2.3.2.1 Постановка задачи на теоретическое исследование . 7 3
2.3.2.2 Распределение скорости движения и плотности порубочных остатков по длине механизма подачи 76
2.3.2.3 Вл.и..я ни..е частоты вращения подающих вальцов 7 9
2.3.2.4 Влиян ие зазора между рубительным диском и ближайшим вальцом . 81
2.3.2.5 Влияние характера наклона загрузочного патрона 84
2.3.2.6 Влияние высоты загрузочного патрона 86
2.3.2.7 Влияние характера сцепления подающих вальцов с порубочными остатками 89
2.3.2.8 Влияние количества подающих вальцов 92
2.3.2.9 Влияние диаметра подающих вальцов 93
2.3.2.10 Влияние длины подающих вальцов 96
2.3.2.11 Влияние диаметра подающего устройства 98
2.4 Выводы 100
3. Программа и методика экспериментальных исследований . 103
3.1 Методика проведения экспериментов по изучению влияния
скорости вращения узлов механизма подачи на производительность и мощность, потребляемую рубительным диском машины для измельчения порубочных остатков, оснащенной новым механизмом подачи и фракционный состав получаемой при этом щепы . 103
3.1.1 Описание конструкции опытного образца машины для измельчения порубочных остатков 103
3.1.2 Описание лабораторной установки и методики проведения исследований 106
3.1.3 П о дг от ов ка и вы по.л н е н и е ла бо ра тор..н ых исследований 108
3.2 Методика многофакторного планирования лабораторных исследований 109
3.3 Методика обработки результатов лабораторных исследований 11 2
3.4 Методика определения мощности, потребляемой рубительным диском машины для измельчения порубочных остатков, оснащенной новым механизмом подачи 113
3.5 Методика проведения полевых исследований 11 7
3.5.1 Устройство и работа машины для измельчения порубочных остатков . 117
3.5.2 М е т о д и к а о пр.е де ле.н. ия производительности опытного образца машины для измельчения порубочныхостатков 118
4. Результаты экспериментальных исследований . 120
4.1 Результаты исследования технологических параметров, влияющих на производительность машины для измельчения порубочных остатков, фракционный состав, получаемой щепы и энергетику процесса резания 120
4.2 Результаты определения часовой производительности опытного об раз ц а м а ш и н ы д л я из ме ль.ч. ения порубочных остатков, оснащенного новой конструкцией механизма подачи . 127
4.3 Выводы 130
5. Расчет экономической эффективности от применения новой конструкции машины для измельчения порубочных остатков 133
Основные выводы и рекомендации 143
Список использованной литературы
- Анализ исследований процесса подачи сырья вальцовыми механизмами
- Построение имитационной модели работы механизма подачи машины для измельчения порубочных остатков
- Описание конструкции опытного образца машины для измельчения порубочных остатков
- Результаты определения часовой производительности опытного об раз ц а м а ш и н ы д л я из ме ль.ч. ения порубочных остатков, оснащенного новой конструкцией механизма подачи
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Решая задачи обеспечения энергией, человечество столкнулось с проблемой исчерпаемости традиционных энергоресурсов.
Поэтому актуальность производства биотоплива из непищевого сырья возрастает с каждым годом, так как в настоящее время распространены технологии получения биотоплива из пищевого сырья, что в нынешних условиях теряет свою привлекательность.
Во всем мире отрасли, где применяются биоэнергетические технологии получили широкое применение и для иностранных партнеров пока недоступно понимание того, что в России данные инновационные проекты не приносят большой прибыли, что сказывается на их инвестиционной привлекательности. А именно отрасль биоиндустрии настолько экономически выгодна, но в России она только зарождается.
Основным преимуществом биотоплива является то, что его характеристики и свойства практически не отличаются от горюче-смазочных материалов, получаемых ископаемых ресурсов, благодаря чему его можно использовать в различных отраслях экономики без значительных конструктивных изменений оборудования.
Особенностью лесостепной и степной климатические зон является то, что они относятся к малолесным и среднелесным районам европейской части России, которых отсутствует промышленная заготовка древесины. Наибольшее распространение получили рубки деревьев в погибших и поврежденных насаждениях, а отходы древесины, получаемые при этом находят своего потребителя и остаются на вырубках, становясь потенциально опасными в экологическом плане.
Поэтому измельчение отходов лесосечных работ на щепу позволит решить проблему их использования в качестве топливной щепы, как источника тепловой энергии для нужд предприятий и населения региона.
Производство топливной щепы из отходов лесосечных работ можно отнести к важной экономической проблеме, решение которой будет способствовать повышению жизненного уровня населения, так как получаемый продукт может быть использован для нужд населения в качестве топлива. Наиболее остро проблема обеспечения населения теплом стоит в сельской местности, где установка и обслуживание традиционного оборудования обходится очень дорого. Получаемая топливная щепа служит прекрасным минеральным удобрением и может разбрасываться по вырубке в случае отсутствия экономической целесообразности использования.
При производстве топливной щепы наибольшее распространение получили мобильные дисковые рубительные машины. Однако таким машинам, присущи такие недостатки, как: малый объем загрузочного патрона, невысокая скорость подачи и возможность измельчать для энергетических целей только крупномерное древесное сырье. Данные недостатки сказались на производительности и эффективности применения существующих конструкций дисковых рубительных машин. Поэтому внедрение дисковых рубительных машин, оснащенных высокоэффективным механизмом подачи позволит решить важную социально - экономическую задачу.
В соответствии с этим тема диссертационной работы актуальна и выполнена в соответствии с контрактом ПНР-2 «Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК. Раздел: Разраб. машин и технологий для повышения продуктивности лесов, созд. лесных культур, агролесомелиоративных и зеленых насаждений. Подраздел 1: Технологии и машины лесного хозяйства в Поволжье» на период 2006-2020 г.г.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является совершенствование механизма подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах, обеспечивающего уплотнение и высокоскоростную подачу материала независимо от его размеров.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
1.Усовершенствовать рабочий процесс взаимодействия конструктивных элементов вальцового механизма подачи с измельчаемым материалом, путем увеличения силы сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнения и скорости перемещения к рубительному диску.
2.Разработать имитационную модель рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, использующей вальцовый механизм подачи.
3.Обосновать основные геометрические параметры вальцового механизма подачи и режимов рабочего процесса подачи порубочных остатков к рубительному диску, обеспечивающего увеличение силы сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнение и скорость перемещения на основе математического моделирования.
4.Проведение лабораторных и полевых исследований опытного образца рубительной машины, оснащенной новой конструкцией механизма подачи порубочных остатков.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются вальцовый механизм подачи порубочных остатков дисковой рубительной машины.
Предметом исследования является имитационная модель, методика и алгоритмы определения конструктивных и технологических параметров вальцового механизма подачи порубочных остатков дисковой рубительной машины.
Научная новизна результатов работы.
1.Рабочий процесс взаимодействия конструктивных элементов вальцового механизма подачи с измельчаемым материалом, отличающийся увеличением силы сцепления вальцов с подаваемым материалом за счет установки на них шипов различной конструкции, а также уплотнения и скорости перемещения порубочных остатков к рубительному диску.
2. Имитационная модель рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, отличающаяся учетом влияния конструктивных особенностей механизма подачи и подаваемого материала на эффективность работы машины для измельчения порубочных остатков.
3.Закономерности рабочего процесса подачи порубочных остатков к рубительному диску, отличающиеся увеличением силы сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнением и скоростью перемещения.
4.Технологические рекомендации, совершенствующие рабочий подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах и повышающие его эффективность.
Теоретическая значимость работы заключается в создании имитационной модели и программы для ЭВМ, описывающих рабочий процесс подачи порубочных остатков при помощи вальцов в дисковой рубительной машине и их измельчения; результатах теоретических исследований взаимодействия вальцов с порубочными остатками в дисковой рубительной машине, оснащенной механизмом подачи, новизна которого подтверждена патентом на изобретение № 2421328.
Практическая значимость работы заключается в разработаных рекомендациях по совершенствованию рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах, в созданных алгоритмах и программе ЭВМ на основе математического моделирования, которые использованы: в ОГУ «Саратовский лесхоз», в учебном процессе Фед.ГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И.Вавилова» при подготовке бакалавров и магистров лесотехнического профиля.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует пункту 5 – «Обоснование. и оптимизация параметров и режимов работы л/з и л/х машин» паспорта спец. 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.
Методическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования базировались на математическом исследовании рабочих процессов подачи сырья при измельчении древесной биомассы и обосновании их конструктивно-технологических параметров. Решение общей систем дифференциальных уравнений проводилось с использованием численного интегрирования на персональном компьютере.
Эксперименты проводились в лабораторных и полевых условиях на разработанном моделирующем стенде и натурном образце дисковой рубительной машине. Для исследования процесса подачи сырья в дисковой рубительной машине использовались методы имитационного моделирования и статистической динамики, а также основные положения проведения полнофакторного эксперимента. Полученные данные обрабатывались с использованием программ Excel, Statgraf, Statistica, Microcal Origin 5.0 и Borland Delphi 7.0.
Научные положения, выносимые на защиту
1.Конструктивная схема дисковой рубительной машины, использующая вальцовый механизм, повышающий силу сцепления вальцов с подаваемым материалом, его уплотнение и скорость перемещения к рубительному диску.
2.Имитационная модель рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, использующей вальцовый механизм подачи, позволяющая проводить, на основе математического моделирования, теоретические исследования.
3.Закономерности влияния геометрических параметров на рабочий процесс подачи порубочных остатков в дисковой рубительной машине, позволяющие обосновать параметры вальцового механизма подачи и режимы его функционирования.
4. Технологические рекомендации, позволяющие повысить эффективность рабочего процесса подачи порубочных остатков в дисковых рубительных машинах.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена лабораторно-полевыми экспериментами, производственной проверкой опытного образца дисковой рубительной машины, оснащенной новым механизмом подачи сырья в условиях лесохозяйственного производства, а также хорошей сходимостью теор. и экспериментальных данных.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Лесное хозяйство и лесомелиорация» Фед.ГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» в 2009-2013 г.г.
Основные положения диссертации были представлены и обсуждены на заседаниях кафедры, научных конференциях профессорско- преподавательского состава и аспирантов Фед.ГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (2009-2013 г.г.); международной научной конференции «Вавиловские чтения» (ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», г. Саратов, 2009-2010 г.г.); на VIII международно-методической конференции «Техническое обеспечение нновационных технологий АПК» (ХНТУСХ, Харьков, Украина, 2010 г.); Х Международная научно-практическая конференция «Техника и технология: новые перспективы развития» (г. Москва, 2013 г.); Международной заочной научно-практической конференции «Наука и образование в XXI веке» (г. Тамбов, 2013 г.); на заседании кафедры «Механизация лесного хозяйства и лесомелиорация» Фед.ГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (2013 г.), заседании кафедры «Механизация л/х и проектирование машин» (ФГБОУ ВПО «Воронежская ГЛТА», 2013 г.).
Реализация результатов работы. Полученные научные положения и результаты исследований внедрены в Саратовском лесхозе Саратовской области, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО Саратовский ГАУ. Разработаны на основе имитационного моделирования программы для ЭВМ. Разработанная модель устройства для измельчения порубочных остатков экспонировались XIY Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (г. Москва, 2012 г.) и удостоена бронзовой медали.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 14 статьях, включая 3 работы в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК РФ; 1 статья в международном издании; 1 патент на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация включает в себя з введение, пять глав, общие выводы и рекомендации, список использованной литературы и приложений. Общий объем исследования составляет 211 страницы, из них 159 стр. основного текста и 52 стр. приложений. Работа включает 65 рис., 20 табл. и 165 наим. использованных источников, в том числе 14 иностранных.
Анализ исследований процесса подачи сырья вальцовыми механизмами
В настоящее времяотходы лесосечных работ, включая порубочные остатки рассматривается как сырье для получения древесного топлива, что позволяет сделать очистку лесосек в доходный бизнес [60, 65, 69].
Порубочные остатки, остающиеся на лесосеке после сплошных рубок, а также тонкомерная древесина от рубок ухода могут рассматриваться как основной сырьевой резерв для получения топливной щепы [110, 122, 147, 160, 162].
В настоящее время производство энергетической древесины в виде топливной щепы из порубочных остатков сдерживается применением ручного труда или малопроизводительных машин на сборе и переработке отходов [154, 155]. Высокопроизводительные рубительные машины имеют высокую цену, поэтому их покупка в условиях лесов степной и лесостепной климатических зон Поволжья экономически невыгодна.
Этот факт обуславливается отсутствием в данных лесорастительных зонах производством товарной древесины и ведением санитарных рубок. В настоящее время наибольшее распространение получила технология производства топливной щепы непосредственно на лесосеке и дальнейшая доставка полученного материала потребителю [105, 158, 163].
Переработка отходов лесосечных работ на месте позволяет расширить сырьевую базу, а также отказаться от дорогостоящих и энергоемких участков первичного измельчения, сократить площади хранения сырья [80, 81, 96, 97, 162].
В данных лесорастительных зонах наиболее часто используются агрегаты на базе колесныхтракторов общего назначения, так как существует необходимость их использованияв частых перемещениях в легкодоступных местах.
При производстве топливной щепы наибольшее распространение получили дисковые рубительные машины [152, 153]. Широкий спектр применения машин данного типа свидетельствует об универсальности используемых конструктивных схем, которым свойственны: маневренность, высокая производительность и компактность [62, 86, 87, 157, 159].
Одним из важнейших конструктивных элементов этих машин является технология подачи сырья к рубительному диску, так как выбор способа подачи материала обеспечивает всю конструктивную схему рубительной машины.Вданных машинах обеспечивается движение измельчаемого материала к рубительному диску, которое может быть с: принудительной и гравитационной подачей (рисунок 1.1).
В применяемых рубительных машинах дискового типа, использующих принцип принудительной подачи сырья к измельчающему диску применяются следующие способы подачи при помощи: - вальцов (неприжимных и прижимных); - гидроманипулятора; - лебедки; - гидравлического питателя.
Вальцовые механизмымеханизмы подачи нашли наибольшее распространение для подачи сырья к рубительному диску. Для подачи отходов лесосечных работ используют рифленые цилиндрические вальцы.или систему цилиндрических вальцов, примыкающих к плоскости перемещаемого материала.
Для силового примыкания порубочных остатков к вертикальным вальцам их устанавливают под углом к направлению подачи. Данный тип механизмов подачи конструктивно прост и надежен в работе. Конструктивно они включают в себя: мотор-редуктор, валец, систему прижима, суппорт. Рисунок 1.1 - Классификация технологий подачи сырья к рубительному диску Однако следует отметить тот факт, что данные механизмы подачи отличаются небольшой скоростью подачи, что сказывается на производительности рубительной машины.
Подачу сырья к рубительному диску при помощи гидроманипулятора, выполненного в виде клещевого захвата и загружающего измельчаемый материал в загрузочный патрон, а также обеспечивающим необходимую подачу. Егоиспользуют при измельчении тяжелого и крупногабаритного сырья для производства топливной щепы. Применение гидроманипулятора позволяет оператору осуществлять операции по получению топливной щепы из отходов лесосечных работне выходя из кабины. В случае отсутствия гидроманипулятора в легких рубительных машинах дискового типа, то для подачи тяжелых веток и стволов используютлебедки, которыми производители комплектуют рубительные машины.
Недостатком такого способа подачи сырья к рубительному диску является значительная энергоемкость производства работ, что приводит к значительному удорожанию себестоимости продукции, что экономически не выгодно для производства топливной щепы в условиях лесов степной и лесостепной климатических зон.
Подача измельчаемого материала к рубительному диску осуществляется при помощи гидравлического питателя, состоящим из: верхнего гидравлического приводного ролика и нижнего гидравлического подающего конвейера из стальных сегментов.
При использовании данного способа подачи сырья к рубительному диску производительность выполняемых работ по получению энергетической древесины, так же как в случае использования вальцового механизма подачи невысока, вследствие невысокой скорости подачи сырья к рубительному диску, а так же неполной загрузки патрона вследствие конструктивных особенностей питателя.
Построение имитационной модели работы механизма подачи машины для измельчения порубочных остатков
В настоящее время проводятся разработки по внедрению технологий производства энергетической древесины непосредственно на вырубках. При этом наибольшее распространение в производствеполучили дисковые рубительные машины. Они нашли применение в лесном, садово- парковом и коммунальном хозяйстве, так же используются на приусадебных участках[18, 27].
Такой широкий спектр применения рубительных машин данного типа свидетельствует об универсальности используемых конструктивных схем. Дисковый рубительный орган позволяет создавать машины различных параметров и производительности. Машины данного типа маневренны, высокопроизводительны и малогабаритны, что позволяет их использовать в условиях вырубок степной и лесостепной растительных зон [16, 22].
Произведенный анализ способов подачи сырья к рубительному диску позволил сделать вывод, что наиболее привлекательным, с точки зрения повышения производительности выполняемых работ по производству топливной щепы и особенностей измельчаемого материала, является способ подачи сырья при помощи вальцов [5].
Существующие схемы вальцовой подачи сырья к рубительному диску предусматривают наличие прижимных вальцов (верхнего или нижнего), что значительно снижает производительность рубительных машин, вследствие уменьшения объема загружаемого материала в загрузочный патрон. Увеличение объема загружаемого сырья приводит к росту металло-и дисковых рубительных машин и энергоемкости процесса измельчения. Нами предлагается рубительная машина, оснащенная новым устройством для подачи сырья в зону рубки. Предлагемая рубительная машина защищена патентом на изобретение патентом на изобретение № 2421328.
Устройство для измельчения порубочных остатков [17, 19] (рисунок 2.1), содержит корпус загрузочного патрона 1, щепопровод 2, измельчитель 3, ременную передачу 4, приводной вал 5, механизм подачи 6, состоящий из подающего устройства 7 и подающих вальцов 8, раму подъемного устройства 9 с шарнирами 10 , 11 и тягой 12, гидроцилиндр 13, трубопровод 14, систему шкивов, состоящую из шкивов 15, шкива 16, шкива 17, вал 18, вал 19, клиноременную передачу 20, понижающий редуктор 21.
Устройство для измельчения порубочных остатков работает следующим образом: маневрированием трактора устройство подается к куче порубочных остатков таким образом, чтобы рама подъемного устройства 9, шарнирно закрепленная с внешней стороны боковых стенок корпуса загрузочного патрона 1 на оси подающего устройства механизма подачи 6, располагалась в нижней части кучи порубочных остатков.
После этого в гидроцилиндре 13 при помощи трубопровода 14, соединенного с гидросистемой трактора, создается избыточное давление. Вследствие этого шток гидроцилиндра 13, выходя из корпуса гидроцилиндра 13 через шарниры 10, 11, расположенные на раме подъемного устройства и тягу 12 воздействует на раму подъемного устройства 9. Так как рама подъемного устройства 9 представляет из себя многозвеньевую систему, то горизонтальное движение штока гидроцилиндра 13 преобразуется в вертикальное движение рамы подъемного устройства 9. В результате куча порубочных остатков располагается на уровне большего основания корпуса загрузочного патрона 1, имеющего призмовидную форму, меньшим основанием прикрепленным к измельчителю 3, а большее основание является входным отверстием для подачи порубочных остатков. 10 12 к гидросистеме трактора
Схема устройства для измельчения порубочных остатков При этом подающее устройство механизма подачи 6, ось которого установлена в основании нижней части входного отверстия корпуса загрузочного патрона 1 и подающие вальцы 8, перпендикулярно прикрепленные к внутренним боковым стенкам корпуса загрузочного патрона 1 в два ряда, обеспечивают постоянную подачу ветвей в корпус загрузочного патрона 1 и дальнейшее движение порубочных остатков к измельчителю 3. Вращательное движение подающего устройства 7 механизма подачи 6 и подающих вальцов 8, а соответственно и линейное движение измельчаемого материала в корпусе загрузочного патрона 1 с определенной скоростью подачи, обеспечивается при помощи ременной передачи 4 и системы шкивов, состоящей из шкивов 15, шкива 16, шкива 17, которые через понижающий редуктор 21 с валами 18,19, приводного вала 5 и клиноременную передачу 20, соединены с валом отбора мощности трактора.
Доуплотнение порубочных остатков производится при помощи пластин 22. Измельчение порубочных остатков происходит при помощи режущих элементов расположенных на фронтальной части измельчителя 3. Измельченные части крон и ветвей под действием центробежной силы транспортируется через щепопровод 2 в приемную тару для использования в качестве биотоплива. Непрерывность подачи материала для измельчения обеспечивается путем перемещения машинно-тракторного агрегата по вырубке на пониженной передаче.
Описание конструкции опытного образца машины для измельчения порубочных остатков
При этом исключены случаи соскальзывания обратно порубочных остатков при малом диаметре барабана и случаи слишком хаотичного движения порубочных остатков при большом диаметре барабана).Обобщенно, можно отметить, что показатели эффективности слабо зависят от диаметра подающего устройства.
Таким образом, наибольшую эффективность работе машины для измельчения порубочных остатков обеспечивает подающееустройство диаметром 20–30 см.
1. Загрузочный патрон новой конструкции механизма подачи дисковой рубительной машины можно разделить на три технологические зоны (загрузки,уплотнения,доуплотнения).
2. Вследствие особенностей работы новой конструкции механизма подачи дисковой рубительной машины подающие вальцы должны иметь различные формы направляющих зубьев (треугольные, комбинированные, прямоугольные).
3. Разработана математическая модель механизма подачи устройства для измельчения порубочных остатков, а также математическая модель работы всего устройства. Модель позволяет, на основе компьютерных экспериментов, исследовать влияние на эффективность работы устройства конструктивных параметров механизма подачи, параметров порубочных остатков, технологических параметров.
4. Скорость движения порубочных остатков в механизме подачи является неравномерной. В области загрузки скорость должна быть выше, чтобы быстро освобождать окно загрузки от поступающих пакетов порубочных остатков. В области же резания горизонтальная скорость определяется производительностью рубительного диска. Градиент скорости вдоль загрузочного патрона создает дополнительное динамическое давление в области резания.
5. Механизм подачи обеспечивает увеличение средней плотности порубочных остатков по достижении области резания приблизительно в 4 раза (ориентировочно со 150 до 600 кг/м3). Этому способствует как конусообразная форма загрузочного патрона, так и эффект статического и динамического уплотнения, обеспечиваемый подающими вальцами.
6. Наилучшая частота вращения подающих вальцов составляет около 15 об/с. При этом порубочные остатки эффективно разгоняются в направлении рубительного диска, не испытывают хаотизирующих и измельчающих воздействий со стороны зубьев вальцов. При этом обеспечивается производительность устройства более 70 кг/мин, размер щепы – менее 2 см, потребляемая мощность – менее 3 кВт, горизонтальная скорость подачи – около 0,9 м/с, плотность вблизи рубительного диска – около 500 кг/м3.
7. Зазор между рубительным диском и ближайшими к нему подающими вальцами (верхним и нижним) не должен превышать 4 см, иначе производительность устройства резко снижается.
8. Целесообразно наклонять загрузочный патрон в сторону рубительного диска. Ориентировочно, выходной край нижней поверхности должен быть на 10–15 см ниже входного края. Это способствует повышению производительности примерно на 20 % и уменьшению потребляемой мощности примерно на 35 %.
9. Выбором высоты загрузочного патрона можно задать один из двух режимов работы устройтва. При "низком" загрузочном патроне (Hвых = 30 см, Hвх = 70 см) реализуется высокопроизводительный режим (80 кг/с), требующий существенных затрат мощности (около 5 кВт). При "высоком" загрузочном патроне (Hвых = 50 см, Hвх = 90 см) реализуется энергоэффективный режим (более низкая производительность 60 кг/с, однако существенно меньшая потребляемая мощность 2,7 кВт). В целом, второй режим является более предпочтительным, так как выигрыш в мощности существенно выше проигрыша в производительности.
10.Установка направляющих зубьев на подающие вальцы (3–4 ряда зубьев на каждый валец, по 3 зуба в ряд, треугольной или прямоугольной формы) позволяет обеспечить эффективное сцепления вальцов с порубочными остатками (коэффициент сцепления 4000 Нм/с). При этом достигаются оптимальные и стабильные значения показателей эффективности: производительность более 80 кг/с, размер щеп менее 2,0 см, потребляемая мощность около 5 кВт.
11. Даже при некотором отклонении параметров устройства от рекомендованных его эффективность практически не снижается, благодаря плавному характеру соответствующие зависимостей показателей эффективности. Данный факт позволяет прогнозировать высокую эксплуатационную надежность и эффективность предлагаемого механизма подачи.
12.Количество подающих вальцов должно составлять 4 в ряду. Такого количества вальцов, с одной стороны, достаточно, чтобы обеспечить равномерность подачи и низкую величину зазоров между вальцами, с другой стороны – не приводит к излишнему усложнению конструкции устройства.
13. Наилучший диаметр вальцов (диаметр вместе с захватывающими зубьями) составляет 10–14 см. При таком диаметре обеспечивается высокая производительность (от 40 до 70 кг/мин), малый размер щепы (около 2,1 см), и довольно низкая потребляемая мощность (2,8–3,5 кВт).
14. Наилучшая ширина входного окна загрузочного патрона составляет около 85 см, ширина выходного окна –около 45 см.
15.Наибольшую эффективность машине обеспечивает подающееустройство диаметром 20–30 см. При меньшем диаметре порубочные остатки слабо увлекаются в загрузочный патрон и могут соскальзывать обратно. При большем диаметре – движение порубочных остатков хаотизируется, из-за чего эффективность процесс измельчения также снижается.
Программой исследований предусматривалось изучение: влияния скорости вращения узлов механизма подачи на производительность и мощность, потребляемую рубительным диском машины для измельчения порубочных остатков, оснащенной новым механизмом подачи и фракционный состав получаемой при этом щепы; технико-экономических показателей работы экспериментальной установки для измельчения порубочных остатков; экономическую эффективность использования машины для измельчения порубочных остатков, оснащенных новым механизмом подачи.
Методика проведения экспериментов по изучению влияния скорости вращения узлов механизма подачи на производительность и мощность, потребляемую рубительным диском машины для измельчения порубочных остатков, оснащенной новым механизмом подачи и фракционный состав получаемой при этом щепы
Результаты определения часовой производительности опытного об раз ц а м а ш и н ы д л я из ме ль.ч. ения порубочных остатков, оснащенного новой конструкцией механизма подачи
Для определения часовой производительности предварительно определялся запас порубочных остатков, расположенных на вырубке, который составил 53,1 пл. м3. Хронометражные наблюдения проводились при помощи секундомера.
Во время проведения эксперимента машина для измельчения порубочных остатков имела следующие технологические параметры: - угловая скорость вращения измельчающего рабочего органа, 1/с- 35; - угловая скорость в зоне подачи, 1/с- 45; - угловая скорость в зоне вальцов, 1/с- 16.
При определении часовой производительности машины определялся объем порубочных остатков, расположенных на вырубке и измельченный в течение часа. В результате проведения эксперимента производительность машины для измельчения порубочных остатков составила 32 пл. м3.
При проведении полевых исследований исследовалась зависимость времени измельчения порубочных остатков от диаметра, длины и породы древесины. Длина порубочных остатков измерялась при помощи метрической линейки рулонного типа, их диаметр – штангенциркулем, время измельчения – секундомером, а вид породы определялся визуально.
Результаты исследований приведены в приложениях К-С.
На основании приложенийК-С составлена таблица 4.1, в которой приводятся результаты регрессионного анализа зависимости времени измельчения порубочных остатков от их длины и диаметра по породам и вырубке в целом.
Анализ результатов исследований (приложение С) показал, что время измельчения порубочных остатков не зависит от породы древесины и у всех пород колеблется в пределах от 1,5 с до 7,8 с. При этом значимым фактором является длина порубочных остатков (приложения М- Р).
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1.Зависимость влияния технологических параметров машины для измельчения порубочных остатков на его производительность описывается регрессионным уравнением вида: Р = 42,85 - 0,24 сопб + 1,45 сопв.
2. С увеличением угловой скорости подающих вальцов с 4 до 16 /с и уменьшением угловой скорости подающего устройства с 80 до 12 /с производительность машины для измельчения порубочных остатков возрастает с 30 до 77 кг/мин (2,5 раза).
3. При уменьшении угловой скорости подающих вальцов до 2 /с и увеличение угловой скорости подающего устройства до 80 /с производительность машины для измельчения порубочных остатков снижается с 77 до 25 кг/мин (3,1 раза).
4. При значении угловых скоростей подающих вальцов (сот= 16 /с) и угловой скорости подающего устройства (сопб=\61/с), находящихся в пределах, определенных в результате теоретических исследований производительность машины для измельчения порубочных остатков имеет свое максимальное значение (77 кг/мин).
5. Зависимость влияния технологических параметров угловой скорости рубительного диска (сорд) и угловой скорости вальцов (сот) машины для измельчения порубочных остатков на ее производительность (Р) описывается регрессионным уравнением вида: Р = 3,55 - 0,09 1псорд + 0,28 1псопв.
6. При увеличении угловой скорости подающих вальцов с 4 до 16 /с и уменьшением угловой скорости рубительного диска с 70 до 35 /с производительность машины для измельчения порубочных остатков возрастает с 30 до 67 кг/мин (2,2 раза).
7. При уменьшении угловой скорости подающих вальцов до 2 /с и увеличение угловой скорости подающего устройства до 65 /с производительность машины для измельчения порубочных остатков снижается с 67 до 35 кг/мин (1,9 раза).
8. При значении угловых скоростей подающих вальцов (сот= 16 /с) и угловой скорости рубительного диска (сорд =35/с), находящихся в пределах, определенных в результате теоретических исследований производительность машины для измельчения порубочных остатков имеет свое максимальное значение (67 кг/мин).
Новая конструкция машины для измельчения порубочных остатков позволяет повысить производительность выполняемых работ за счет использования более эффективной конструкции загрузочного патрона с использованием высокоскоростного механизма подачи в виде вальцов различной конструкции. При расчете экономической эффективности применения машины для измельчения порубочных остатков рассматривался агрегат, состоящий из трактора МТЗ 80/82 с прицепным устройством для измельчения порубочных остатков, оснащенной новой конструкцией механизма подачи.
Расчет основывался на сравнении агрегата оснащенного новой конструкцией устройства для измельчения порубочных остатков с машиной для измельчения порубочных остатков, который по конструкции и технологии измельчения древесных остатков аналогичен агрегату, оснащенному прицепным устройством для измельчения порубочных остатков.
При расчете экономического эффекта использованы методические указания по определению экономической эффективности от внедрения новых средств производства, а также полученные в ходе исследований технико-экономические показатели новой техники (приложения Т,У).
Стоимость опытного образца устройства для измельчения порубочных остатков, входящего в состав машины для измельчения порубочных остатков оценивалась по стоимости комплектующих изделий (таблица 5.1).При этом стоимость опытного образца не превышала в 1,5-1,7 раза стоимости комплектующих изделий [67, 68, 109, 111, 113, 114, 115, 116, 134]. Исходя из этого стоимость опытного образца устройства для измельчения порубочных остатков составляет 196035,3 рубля.
