Теоретическое обоснование основных конструктивно-технологических параметров устройства для измельчения порубочных остатков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретическое обоснование основных конструктивно-технологических параметров устройства для измельчения порубочных остатков

С.В. Фокин, А.С. Бурлаков

Аннотация

Приводятся теоретическое обоснование и результаты автоматизированного расчета основных конструктивно-технологических параметров устройства для измельчения порубочных остатков.

Порубочные остатки, устройство для измельчения порубочных остатков, нераскорчеванные вырубки, щепа

Annotation

Provides a theoretical basis and the results of the automated calculation of the basic design and technological parameters of the device for shredding forest residues.

Felling residues, a device for chopping forest residues, logging neraskorchevannye, chips

Основная часть

В России естественным путем восстанавливается около 1/3 ежегодно вырубаемых лесов, остальные требуют специальных мер по их возобновлению. На 50% площади достаточно только содействия естественному возобновлению, а на остальной -нужны посев и посадка деревьев. Причем данные работы должны проводиться с учетом требований экологии и пожарной безопасности выполняемых работ, которые отмечены в приказах Федерального агентства лесного хозяйства РФ №377 от 17 мая 2011 г. и №376 от 17 мая 2011 г.

Вырубкам Поволжья, относящимся к степной и лесостепной климатическим зонам, свойственно наличие большого числа пней и порубочных остатков. В настоящее время утилизация древесных отходов, образующихся на них при проведении рубок ухода и санитарных рубках, является большой проблемой, так они представляют собой низкокачественную древесину средней крупности, вершины, сучья деревьев (порубочные остатки).

Поэтому их приходится сжигать, что может привести к возникновению пожара на вырубке. Переработка же таких отходов на щепу позволит решить проблему не только утилизации отходов и снижению пожароопасности при проведении лесовосстановительных работ в весенне-летний период, но и получения дохода при продаже ее населению в качестве топлива.

Для реализации данной технологии расчистки нераскорчеванных вырубок от порубочных остатков предложена машина, оснащенная устройством для измельчения порубочных остатков (рис. 1), состоящим из: подъемного устройства, загрузочного патрона, механизма подачи, измельчителя дискового типа, щепопровода [1].

Рассматриваемое устройство для измельчения порубочных остатков, схема которого приведена на рис. 2, можно разбить на пять технологических звеньев-зон.

Зона I представляет собой подборщик порубочных остатков с последующей подачей его к измельчающему диску зона V. Транспортировка порубочных остатков в зону V осуществляется с помощью цепочки, состоящей из зоны подачи II с подающим звеном и зоны III, снабженной двумя рядами подающих вальцов с зубцами.

В России естественным путем восстанавливается около 1/3 ежегодно вырубаемых лесов, остальные требуют специальных мер по их возобновлению. На 50% площади достаточно только содействия естественному возобновлению, а на остальной- нужны посев и посадка деревьев. Причем данные работы должны проводиться с учетом требований экологии и пожарной безопасности выполняемых работ, которые отмечены в приказах федерального агентства лесного хозяйства РФ №377 от 17 мая 2011 г. и №376 от 17 мая 2011 г.

Вырубкам Поволжья, относящихся к степной и лесостепной климатическим зонам свойственно наличие большого числа пней и порубочных остатков. В настоящее время утилизация древесных отходов, образующихся на них при проведении рубок ухода и санитарных рубках является большой проблемой, так они представляют из себя низкокачественную древесину средней крупности, вершины, сучья деревьев (порубочные остатки). технология измельчение порубочный остаток

Поэтому их приходиться сжигать, что может привести к возникновению пожара на вырубке. Переработка же таких отходов на щепу позволит решить не только проблему утилизации отходов и снижению пожароопасности при проведении лесовосстановительных работ в весеннее-летний период, но и получения дохода при продаже ее населению в качестве топлива.

Для реализации данной технологии расчистки нераскорчеванных вырубок от порубочных остатков предложена машина, оснащенная устройством для измельчения порубочных остатков (рисунок 1), состоящим из: подъемного устройства, загрузочный патрон, механизм подачи, измельчитель дискового типа, щепопровод [1].

Рассматриваемое устройство для измельчения порубочных остатков, схема которого приведена на рисунке 2, можно разбить на пять технологических звеньев-зон.

Зона I представляет собой подборщик порубочных остатков с последующей подачей его к измельчающему диску зона V. Транспортировка порубочных остатков в зону V осуществляется с помощью цепочки, состоящей из зоны подачи II с подающим звеном и зоны III, снабженной двумя рядами подающих вальцов с зубцами.

Рисунок 1 Общий вид машины, оснащенной устройством для измельчения порубочных остатков

Рисунок 2 Технологическая схема устройства для измельчения порубочных остатков

Зоне рубки предшествует зона IV без вальцов, где осуществляется дополнительное уплотнение порубочных остатков.

Ведущим звеном устройства для измельчения порубочных остатков является измельчающий диск с ножами, параметры которого определяют режим функционирования устройств транспортировки порубочных остатков в рубительную машину. К таким параметрам относятся: угловая скорость диска с ножами - ; число ножей - ;радиус диска с ножами - ; толщина срезаемого слоя древесины - ;размеры окна, в которое порубочные остатки поступают в рубительную машину - .

От этих параметров (табл.1), а также от геометрических параметров цепочки подачи порубочных остатков в рубительную машину зависят угловая скорость звена подачи в зоне II: и угловая скорость вальцов в зоне III: .

Таким образом, ставится задача определить зависимости угловых скоростей и не только как функции параметров рубительной машины (параметры 1…5), но и как функции варьируемых параметров цепочки подачи (параметры 6…16). При решении данной задачи можно выделить следующие этапы расчета.

Этап I - вычисление числа вальцов в зоне III и их объема.

1.1. Вычисление длины зоны: и зоны: .

. (1)

1.2. Вычисление длины поверхностей зоны III, на которых расположены вальцы:

, (2)

где: - длина поверхности с вальцами; - угол конусности цепочки подачи.

1.3. Вычисление числа вальцов :

(3)

- диаметр вальцов в зоне III; - зазор между вальцами.

Примечание: и нужно изменять так, чтобы число было целым.

1.4.Вычисление средней длины вальца :

, (4)

где = размеры границ зоны III.

1.5. Вычисление объема, занимаемого вальцами для двух рядов:

. (5)

Этап II -вычисление объемов зон в цепочке подачи, в зоне рубки и в зоне подбора сырья (объем ковша подборки).

2.1. Вычисление объема в зоне подачи (зона II):

, (6)

Таблица 1

Исходные параметры устройства для измельчения порубочных остатков

где: - длина зоны II;- размеры границ зоны II.

Примечание: объем усеченной пирамиды вычисляется как:

,

где - площадь оснований, - высота пирамиды.

2.2. Вычисление объема зоны с вальцами (зона III)

, (7)

где - длина зоны III; размер границ зоны III.

2.3. Вычисление объема зоны без вальцов (зона IV):

, (8)

где - длина зоны IV; - размеры границ зоны IV.

2.4. Вычисление объема зоны рубки (зона V):

, (9)

где: - толщина срезаемого слоя в рубительной машине; - величина границы в зоне рубки.

2.5. Вычисление объема подбора порубочных остатков (зона I):

, (10)

где: - коэффициент заполнения ковша (объем зоны II должен быть больше, чем объем ковша; ).

Этап III - вычисление плотности подаваемых порубочных остатков в зонах цепочки подачи.

3.1. Вычисление плотности порубочных остатков в зоне подбора (зона I):

, (11)

где: - плотность порубочных остатков в зоне подбора; - плотность древесины подбираемых порубочных остатков лесозаготовок; - коэффициент плотности подбираемого порубочных остатков; .

3.2. Вычисление плотности подаваемого материала в зоне подачи (зона II).

При условии близкого к равенству объемов зоны подбора (ковша) и зоны подачи (зона II) полагаем:

, (12)

где: - плотность подаваемого материала в зоне с вальцами (зона III).

3.3. Полагаем, что в среднем плотность подаваемых порубочных остатков в зоне III пропорциональна отношению объема зоны II - к объему зоны III - , а именно:

, (13)

где: - плотность подаваемых порубочных остатков в зоне III.

3.4. Плотность подаваемых порубочных остатков в зоне без вальцов (зона IV):

Т.к. в зоне IV отсутствуют движители подаваемых порубочных остатков, полагаем, что:

, (14)

где: - плотность подаваемых порубочных остатков в зоне без вальцов (зона IV).

3.5. Плотность порубочных остатков в зоне рубки, ограниченной площадью окна подачи в рубительной машине мало отличается от , поэтому

. (15)

Этап IV- вычисление количества движения , порубочных остатков в зонах цепочки подачи и в зоне рубки.

В качестве механической меры расхода с течением времени порубочных остатков в каждой из зон механизма подачи порубочных остатков может служить количество движения порубочных остатков в каждой из зон, т.е. произведение массы порубочных остатков в зоне на ее среднюю скорость.

Масса порубочных остатков в зоне .

4.1. Вычисление количества движения порубочных остатков в зоне подачи (зона II)

, (16)

где: - диаметр подающего звена; - размеры границ зоны II; - плотность порубочных остатков в зоне II; - коэффициент потерь в зоне II ; - угловая скорость подающего звена.

4.2. Вычисление количества движения порубочных остатков в зоне с вальцами (зона III)

, (17)

где - плотность порубочных остатков в зоне III; - объем зоны III; - диаметр вальцов; - коэффициент потерь в зоне III ; - угловая скорость вальцов.

4.3. Вычисление количества движения порубочных остатков в зоне без вальцов (зона IV)

В зоне IV отсутствует свой движитель массы порубочных остатков

, (18)

где - средняя скорость движения порубочных остатков в зоне IV; - плотность порубочных остатков в зоне IV; - объем зоны IV; - коэффициент потерь массы порубочных остатков в зоне IV ;

Тогда:

. (19)

Обозначим суммарное количество движения исходного материала в зонах III и IV.

. (20)

4.5. Вычисление количества движения исходного материала в зоне рубки (зона IV):

, (21)

где: - плотность исходного материала в зоне V; - толщина срезаемого слоя; - размер подающего окна в зоне V; - число ножей; - средний радиус ножей; - коэффициент потерь массы порубочных остатков в зоне V ; - угловая скорость диска с ножами.

Этап V- вычисление угловой скорости вальцов и угловой скорости подающего звена.

Из условия непрерывности процесса получения щепы в рубительной машине следует:

. (22)

Тогда из соотношений (15-20) имеем:

, (23)

где: .

(24)

Для расчета основных конструктивно-технологических параметров устройства для измельчения порубочных остатков нами использовалась компьютерная программа [2], разработанная на основе теоретических исследований процесса измельчения порубочных остатков, приведенных выше.

Чтобы обосновать основные конструктивно-технологические параметры использовалась методика планирования эксперимента, реализованная в программе «Statgraf». За поверхность отклика принималась масса измельченного сырья, подаваемая в загрузочный патрон за один рабочий ход подъемного устройства.

За переменные факторы принимались следующие показатели: угол конусности загрузочного патрона, диаметр подающих вальцов, диаметр подающего звена, размер окна в зоне рубки, расстояние (зазор) между вальцами (рисунок 3,4).

Анализ, полученных результатов теоретических исследований показал, что при производительности рубительной машины равной 100 кг/мин, исследуемые конструктивно-технологические параметры имеют следующие значения: d₁(диаметр вальцов с шипами, м)= 0,1… 0,18;d₂(диаметр подающего звена, м)= 0,5 …0,8; a₄(размер окна в зоне рубки, м)= 0,6 … 0,7; P₁(зазор между вальцами, м)= 0,06 … 0,18;alf(угол конусности загрузочного патрона, град.)= 15 … 40. Для получения окончательных конструктивно-технологических параметров устройства для измельчения порубочных остатков при помощи компьютерной программы целесообразно взять среднее значение рассчитанных величин.

Сравнивая ближайшие конструктивные аналоги рубительной машины, такие как ИДО-150 (Россия), Wallenstein ВХТ 6224 (Канада), FARMI FOREST CH-260 (Финляндия) с опытным образцом можно отметить, что серийные варианты машин малопригодны к эксплуатации на рассматриваемой территории, вследствие малого дорожного просвета шасси

что не позволяет двигаться по нераскорчеванным вырубкам, а размеры загрузочного патрона недостаточны для загрузки порубочных остатков, которые достигают длины 5 м и выше

Предлагаемая конструкция устройства для измельчения порубочных остатков позволяет избежать данных недостатков. Для повышения его проходимости предусмотрено шасси, имеющее большой дорожный просвет и оснащенное пневматическими колесами большого диаметра (0,7 м). Ввиду специфичности перерабатываемого материала размер загрузочного патрона устройства адаптированы к размерам порубочных остатков и составляет 600*1200*1800 мм.

При современных условиях работы предприятий лесного комплекса необходимо учитывать тот факт, что при одинаковой производительности (до 28 пл.м³) стоимость устройства для измельчения порубочных остатков(150 т.руб.) значительно ниже стоимости аналогов (от 300 т.руб. и выше).

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что разработанная конструкция устройства для измельчения порубочных остатков может эффективно работать при расчистке нераскорчеванных вырубок в Поволжье и необходимо проводить мероприятия по его внедрению в производство.

Литература

1. Машина для измельчения порубочных остатков: Пат. 2354545 Рос. Федерация: А 01 G 23/06 / Цыплаков В. В., Шпортько О. Н., Фокин С.В. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». № 2007147160 ; заявл. 18.12.2007 ; опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13.

2. Расчет конструктивно-технологических параметров устройства для измельчения порубочных остатков: программа для ЭВМ / Цыплаков В. В., Фокин С. В. ; правообладатель ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». Заявка № 2009613441. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2009614670; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 01.09.2009.

Размещено на Allbest.ru