Определение усилия сталкивания дерева с пня

Чтобы пильный аппарат не оказался поврежденным от соприкосновения с валочным механизмом между ними должно быть расстояние a = 0,015 – 0,02 м. Исходя из этого , где b₁ - ширина пильного аппарата. Таким образом, применение гидроклина возможно, когда диаметр в месте срезания . Расчеты показывают, что применение гидроклина возможно при D ≥0,26 м.

Необходимая подъемная сила валочного механизма при валке определяется по схемам:

на рис. 3.2, а (с использованием валочной вилки)

, (3.33)

на рис. 3.2, б, в (с использованием гидроклина или гидродомкрата)

, (3.34)

где P – усилие сталкивания, кН; ψ – угол между рычагом и вертикальной осью ствола, град; ℓ₁, ℓ₂ – расстояние от центра перемычки (ось О – О) соответственно до осей действия горизонтальной (Р_х) и вертикальной (Р_у) составляющих силы Р, м; а₁– глубина внедрения гидроклина или гидродомкрата в пропил, м.

Определение основных параметров гидроклина

Усилие, необходимое для внедрения клина в рез;

, (3.35)

где α – угол наклона рабочей поверхности клина, град; τ – угол трения ( ; где f – коэффициент трения опорной поверхности клина о его щеки), град.

Угол α – принимается из условий самоисторжения клина, чтобы избежать выбрасывания его из реза во время работы, т.е . При использовании симметричных клиньев с направляющими α принимают равным половине угла заострения клина. Например, клинья КГМ-1А, КВГ-5 имеют угол α =9,5˚.

, (3.36)

где Т_о- давление жидкости на поршень, кН; T₁ – сила трения манжетки поршня, кН; Т₂ – противодействующая сила возвратной пружины, кН.

, (3.37)

где d_k- диаметр цилиндра клина; р – давление жидкости в системе (для гидроклина КГМ-1А кПа, для гидроклина КВГ –5 кПа), кПа.

, (3.38)

кН, (3.39)

где f – коэффициент трения манжетки при движении в цилиндре (f_м = 0,11); d_м – диаметр манжетки, м; b_м – ширина поверхности манжетки, создающей уплотнение (b_м =0,004…0,006 м).

Диаметр цилиндра может быть определен из следующего уравнения:

(3.40)

Ход клина

, (3.41)

В уравнение (3.42) подставляется значение h_k, полученное по графику на рис.3.3

Производительность насоса (м³/с) при рабочем режиме определяется по формуле

, (3.42)

где d_n – диаметр плунжера насоса (у КГМ-1А d_n =0,008 м), м; s_n – ход плунжера (s_n=0,04 м), м; η_n – коэффициент подачи насоса (η_n =0,8); n – число рабочих ходов плунжера, с.

Расчетное время нагнетания жидкости в цилиндр гидроклина можно определить по формуле

, (3.43)

где V – рабочий объем цилиндра клина, м³; η_k – коэффициент перетекания жидкости в насос и увеличения объема шланга (η_n =1,05).

Задания для выполнения практической работы 3.1

1) Изучить устройства для сталкивания деревьев с пня, изобразить схемы гидроклина, гидродомкрата и гидронасоса с приводом от бензопилы.

2) Представить расчетную схему для определения сталкивающей силы при механизированной валке. Рассчитать параметры подпила, недопила, срезания.

3) Рассчитать моменты, препятствующие валке дерева, от сил: М_д- тяжести дерева в начале сталкивания; М_н – сопротивление перемычки (недопила); М_в- ветровой нагрузки; М_ст - опрокидывающий момент, необходимый для сталкивания дерева с пня;

4) Рассчитать усилие, необходимое для сталкивания дерева с пня на различных этапах валки дерева.

5) Построить график зависимости моментов, препятствующих валке от угла отклонения дерева от первоначального положения в процессе валки.

6) Определить наибольшие значения Р и М_ст, необходимых при сталкивании деревьев при валке, угол отклонения дерева от первоначального положения при котором начинается падение дерева.

7) Рассчитать элементы гидроклина: усилие для выдвигания клина в рез; диаметр цилиндра; высоту подъёма комля гидроклином; ход клина, расчетное время нагнетания жидкости в цилиндр гидроклина.

8) Пример построения необходимых для выполнения практической работы графиков и расчета опрокидывающего момента и усилия, необходимых для сталкивания дерева с пня, приведен на рис.3.4.

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что при использовании рекомендуемой на практике ширине недопила ствола, наибольшее значение опрокидывающего момента и усилия, необходимых для сталкивания дерева с пня, приходится на начальный период сталкивания дерева, т.е. при γ близком к 0˚. Влияние момента сопротивления перемычки на этом этапе незначительно, а последующее его увеличение компенсируется за счет уменьшения влияния момента от силы тяжести дерева.

Тогда можно записать

, (3.44)

Результаты сравниваются со значениями опрокидывающего момента, полученными ЦНИИМЭ для деревьев с различными диаметрами и наклонами ствола, приведенными в прил. 2 (табл.П.2.2.).

Резание древесины

Резец – это клиновидное тело на инструменте, которое в зависимости от его формы может быть ограничено несколькими (тремя, четырьмя и более) плоскими или криволинейными плоскостями (гранями).

Элементарный резец (рис. 3.5) является составной частью инструментов для механической обработки древесины и представляет собой клин, имеющий одну режущую кромку (1-2) и ограниченный четырьмя гранями: передней (1-2-3-4), задней (1-2-5-6) и двумя боковыми (1-3-5 и 2-4-6). При элементарном резании длина режущей кромки должна быть больше ширины обрабатываемого материала. Передняя и задняя грани резца должны быть плоскими, а угол резания δ и задний угол резца α постоянными. При элементарном резании лезвие резца должно быть перпендикулярно направлению его движения, траектория любой точки резца прямолинейна, а скорость движения и толщина стружки постоянны.

Перечисленные условия упрощают анализ стружкообразования и позволяют рассматривать процесс резания при плоском напряженном состоянии древесины, если при этом ширина обрабатываемого материала велика по сравнению с толщиной стружки.

Основные виды резания древесины элементарным резцом (в торец, вдоль и поперек волокон) представлены на рис.3.6.

При элементарном резании удельное сопротивление резанию k, МН/м², определяется по формуле

, (3.45)

где k_о – основное сопротивление резанию, Н/м; - коэффициент, учитывающий изменение удельного сопротивления резанию в зависимости от породы; - коэффициент, учитывающий влияние угла резания на удельное сопротивление резанию; – коэффициент, учитывающий влияние влажности древесины W на удельное сопротивление резанию; - коэффициент, учитывающий влияние затупления резца на удельное сопротивление резанию ( зависит от t-времени работы инструмента); - коэффициент, учитывающий влияние толщины стружки на удельное сопротивление резанию; - коэффициент, учитывающий влияние скорости резания на удельное сопротивление резанию (Скорость резания в пределах 50…60 м/с не оказывает заметного влияния на усилие резания. Поэтому можно принять = 1); - коэффициент, учитывающий состояние древесины, для талой древесины

=1, для мерзлой =1,3…1,5 (в зависимости от температуры).

Основное удельное сопротивление резанию древесины при резании воздушно-сухой сосны (влажность W=15%) острым резцом, при угле резания δ = 45°, толщине стружки h = 1 мм, скорости резания ν до 50…60 м/с составит при резании в торец 19,6…24,5 МН/м²; при продольном резании – 6,9…9,8 МН/м²; при поперечном 4,9.

Значения , , , , приведены в прил. 5.

Усилие резания P_р, H рассчитывается по формуле

, (3.46)

где b-ширина стружки, м; h – толщина стружки, м.

Мощность N_р, кВт, расходуемая на резание, определится из выражения

, (3.47)

Для построения графиков согласно заданию находятся величины P_р и N_р при различных значениях h.

Пиление древесины

Процесс пиления значительно сложнее, чем резание элементарным резцом. При пилении одновременно работают несколько режущих кромок, отделение стружки происходит в закрытом пространстве, называемом пропилом. В зависимости от положения плоскости пропила относительно волокон древесины различают три направления пиления: поперечное (плоскость пропила перпендикулярна на­правлению волокон древесины), продольное (плоскость пропила параллельна направлению волокон древесины), смешанное (плоскость пропила расположена под углом меньше 1,57 рад к направлению волокон древесины).

Схема срезания дерева цепной пилой показана на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Схема срезания дерева цепной пилой

Тяговое усиление, сообщаемое пильной цепи ведущей звездочкой, находится из выражения

, (3.48)

где Z₀ - монтажное натяжение пильной цепи, H; P_n - усилие резания при пилении, H; P_u-усилие подачи при пилении, Н; µ-коэффициент трения пильной цепи о шину (µ = 0,2); g – ускорение свободного падения, м/с²; ℓ-расстояние между осями звездочек пильного аппарата, м; m – масса 1 пог.м. пильной цепи (приложение 2), кг.

_, (3.49)

где k_n - удельная работа резания при пилении, Дж/м³; b_n – ширина пропила, м; H_n – высота пропила, м; u – скорость подачи, м/с; υ – скорость резания, м/с.

Средняя высота пропила H_n, м, за время срезания дерева и скорость подачи u, м/с, определяются из выражений:

, (3.50)

, (3.51)

где d_c – диаметр дерева в месте срезания, м; П_ч.п – производительность чистого пиления, м²/с.

Усилие подачи при пилении рассчитывается по формуле

, (3.52)

Удельная работа резания при пилении определится по формуле

, (3.53)

где а_п, а_w, а_ρ- поправочные коэффициенты, учитывающие влияние на удельное сопротивление резанию при пилении соответственно породы, влажности и затупления пилы (приложение 2); а_ρ – поправочный коэффициент, учитывающий состояние распиливаемой древесины, для талой древесины = 1, для мерзлой = 1,3…1,5 (в зависимости от температуры); k_о – основная удельная работа резания (для воздушно-сухой сосны острыми пилами), Дж/м³.

Основная удельная работа резания находится из таблиц приложения 2 в зависимости от ширины пропила b и подачи на зуб u_z или по формулам

, (3.54)

, (3.55)

где t_ст – шаг одноименных строгающих зубьев. Для цепей ПЦУ-20, ПЦУ-30 , где t- расстояние между осями шарниров цепи.

Мощность, потребная на пиление, Вт,

, (3.56)

Производительность чистого пиления – это площадь пропила, которая может быть произведена пилой в единицу времени и измеряется в м²/с.

При поперечном пилении круглого леса

, (3.57)

где t – время пропила, с.

Подставляя значение u из уравнения (3.56), получим

, (3.58)

Время, затраченное на один пропил, найдется по формуле

, (3.59)

где – коэффициент использования производительности чистого пиления.

Задания для выполнения практической работы 3.3

1. Резание элементарным резцом

1) Изучить виды резания элементарным резцом.

2) Произвести расчет удельного сопротивления, усилия и мощность резания элементарным резцом.

3) Рассчитать и построить графики функций Р_р=f(h) и N_р=φ(h) при h =0,2·10^-4; 0,4·10^-4; 0,6·10^-4; 0,8·10^-4; 1·10^-4.

2. Пиление цепными пилами

1) Вычертить схему срезания дерева цепной пилой.

2) Рассчитать тяговое усилие, сообщаемое пильной цепи ведущей звездочкой.

3) Рассчитать мощность, потребную на пиление.

4) Рассчитать среднее время, необходимое для выполнения одного пропила при раскряжевке сортиментов.

5) Рассчитать и построить графики функций Р_n=f(d_c) и N_n=φ(d_c) при d_c =0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 м.

Пример расчета №1. Определить удельную работу резания при пилении свежесрубленного елового кряжа диаметром d_с = 0,3 м круглой пилой с приводом мощностью N_n = 10 кВт = 10×10³ Вт, шириной пропила b = 3,5 мм = 35×10^-4 м и подачей на зуб 0,3 мм.

Значения параметров определим по данным приложения 2 (k₀ = 49 МДж/м³ = 46×10⁶ Дж/м³; = 0,9; = 1.1). Продолжительность работы пилы принимаем 0,5 часа, при этом = 1,2. Древесина талая, поэтому = 1.

К = 49×0,9×1,2×1 = 58 МДж/м³ = 58×10⁶ Дж/м³

Пример расчета №2. Определить время пропила свежеcрубленного елового кряжа диаметром d_c = 0,3 м круглой пилой с приводом мощностью N_n = 10 кВт = 10×10³ Вт, шириной пропила b = 3,5 мм = 35×10^-4 м и подачей на зуб 0,3 мм.

По формуле (3.53) находим удельную работу резания при пилении. Значения параметров берем из таблиц приложения 2 ( = 49 МДж/м³ = 46×10⁶ Дж/м³), ( = 0,9), ( = 1.1). Продолжительность работы пилы принимаем 0,5 часа, при этом = 1,2. Древесина талая, поэтому = 1.

k_n = 49×0,9×1,2×1 = 58 МДж/м³ = 58×10⁶ Дж/м³

Используя формулу (3.58), находим производительность чистого пиления

.

Принимая и подставляя значения в формулу (3.59), находим

= 1,8 с.