Коваль Ярослав Володимирович. Обгрунтування параметрів та режимів роботи вібраційного корчувача пнів : Коваль Ярослав Владимирович. Обоснование параметров и режимов работы вибрационного корчевщика пней Koval Yaroslav Vladimirovich. Substantiation of parameters and modes of operation of the vibrating uproot stump

Короткий опис

Коваль Ярослав Володимирович. Обгрунтування параметрів та режимів роботи вібраційного корчувача пнів.- Дисертація канд. техн. наук: 05.05.04, Київ. нац. ун-т буд-ва і архітектури. - Київ, 2015.- 174 с.

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ

На правах рукопису

КОВАЛЬ ЯРОСЛАВ ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 631.311.7

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТА РЕЖИМІВ РОБОТИ ВІБРАЦІЙНОГО КОРЧУВАЧА ПНІВ

05.05.04 – Машини для земляних, дорожніх і лісотехнічних робіт

ДИСЕРТАЦІЯ
на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Науковий керівник:
доктор технічних наук, професор Ковбаса Володимир Петрович

КИЇВ – 2015
ЗМІСТ

ВСТУП…………………………………………………………………………….........4
РОЗДІЛ 1. СТАН ПИТАННЯ. МЕТА Й ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ……….........7
1.1. Характеристика площ, що підлягають розчистці від пнів…………...........7
1.2. Деревно-чагарникова рослинність, як робоче середовище корчувачів………………………………………………………………..........8
1.3. Аналіз засобів механізації та існуючих технологій процесу корчування. Огляд конструкцій корчувачів…………………………...............................11
1.4. Класифікація та аналіз конструкцій корчувальних робочих органів........23
1.5. Аналіз досліджень взаємодії робочих органів з деревиною та коренями………………………………………………………………...........26
Висновки до 1 розділу…......…………………………….......……………..........34
РОЗДІЛ 2. ТЕОРЕТИЧНІ ПЕРЕДУМОВИ ПРОЦЕСУ КОРЧУВАННЯ
ПНІВ ЗА ДОПОМОГОЮ ВІБРАЦІЙНОГО КОРЧУВАЧА……........35
2.1. Обґрунтування раціональних геометричних параметрів підкопуючих щелеп……………………………………………………................................35
2.2. Визначення прогинів кореня розміщеного в ґрунті під дією на
нього зусилля в статичному режимі……………………………….…........46
2.3. Визначення прогинів кореня розміщеного в ґрунті під дією на
нього періодично прикладеним зусиллям….…………………………........54
2.4 Визначення величини напружень, що виникають у корені під час його прогину.............................................................................................................71
Висновки до 2 розділу…………………………………….………………........77
РОЗДІЛ 3. ПРОГРАМА І МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ……………………………………………………..........78
3.1. Програма експериментальних досліджень…………………………..........78
3.2. Методика визначення механічних властивостей кореня, шляхом дослідження характеристик його коливань..................................................79
3.3. Методика визначення механічних властивостей ґрунту...........................88
3.4. Визначення власних частот коливань коренів дерев.................................95
3.5. Лабораторна установка для дослідження процесу деформування коренів дерев.................................................................................................................98
3.6. Методика польових досліджень експериментального зразка машини...104
Висновки до 3 розділу.........................................................................................106
РОЗДІЛ 4. РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ……........108
4.1. Визначення модуля пружності лінійних деформацій ґрунту…...............108
4.2. Визначення коефіцієнта бічного розширення для ґрунту........................110
4.3. Визначення механічних властивостей коренів дерев...............................112
4.4. Визначення величини деформації кореневого зразка розміщеного на пружній основі, під впливом статичного навантаження...........................118
4.5. Визначення величини деформації кореневого зразка розміщеного на пружно-в’язкій основі, під впливом статичного навантаження...............119
4.6. Визначення величини деформації кореневого зразка розміщеного на пружно-в’язкій основі, під впливом періодичного навантаження...........120
4.7. Визначення адекватності результатів досліджень....................................122
4.8. Результати польових досліджень корчування пнів вібраційним корчувачем.....................................................................................................127
4.9. Економічна ефективність застосування вібраційного корчувача пнів...131
Висновки до 4 розділу.........................................................................................143
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ....................................……………………………….........146
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……….....…………………………...........148
ДОДАТКИ....................................................................................................................160

ВСТУП
Актуальність теми досліджень. Важливим технологічним процесом в лісовому господарстві є лісовідновлення на вирубках. Наявність пнів погіршує стійкість та маневреність машино-тракторних агрегатів. Для вирішення даної проблеми перед початком робіт по лісовідновленню важливу роль відіграє робота по корчуванню пнів.
Видалення пнів можна проводити біологічним, хімічним, механічним способами. Оскільки біологічний спосіб є досить тривалим по часу, а хімічний призводить до забруднення ґрунту хімічними речовинами, то найбільш доцільним являється застосування механічного способу видалення пнів, який поділяється на пониження, подрібнення пнів та корчування. Так як під час пониження пня коренева система залишається в ґрунті і ускладнює подальший обробіток ґрунту, а коли застосовується подрібнення пнів деревина пня втрачається і не може бути використана для подальшої переробки, то найбільш доцільним являється застосування корчування. За способом проведення корчування може бути як суцільним, коли здійснюється корчування по всій ширині захвату машини, так і окремих пнів. Оскільки під час суцільного корчування разом з пнями згрібається верхній шар ґрунту, цей спосіб корчування завдає значної шкоди екосистемі чого необхідно уникнути.
Дану проблему вирішують шляхом здійснення механічного корчування окремих пнів коли завдається мінімальної шкоди родючому шару ґрунту. Оскільки даний спосіб являється досить енергозатратним, то обґрунтування параметрів та режимів роботи корчувача, які призводять до зниження енергетичних витрат, і як наслідок підвищення продуктивності роботи корчувача, є досить актуальною задачею.
Мета досліджень. Мета роботи полягає у зниженні енергоємності корчування пнів.
Задачі досліджень:
- обґрунтувати раціональні параметри грейферного механізму для підкопування пня;
- проаналізувати існуючі способи технології та методи формалізації процесу руйнування коренів пнів у ґрунті;
- проаналізувати умови руйнування кореня пня у ґрунті, в залежності від його механічних властивостей, під впливом на нього робочого органу в режимі статичного та динамічного навантаження, в залежності від його механічних властивостей та характеристик ґрунту;
- уточнити механічні властивості матеріалу кореня та ґрунту;
- визначити економічну ефективність застосування запропонованого робочого органа.
Об’єкт досліджень – процес корчування пнів грейферним механізмом.
Предмет досліджень – закономірності впливу конструктивних параметрів та режимів роботи робочих органів корчувача на енергоємність процесу.
Наукова новизна досліджень. Розкрито процес руйнування коренів дерев у ґрунті, робочим органом корчувача, в режимі вібраційного прикладення сили, що дозволяє знизити енерговитрати на процес корчування. В результаті:
- на основі розв’язання варіаційної задачі вперше встановлено оптимальні співвідношення довжин ланок грейферного механізму;
- набула подальшого розв’язку задача коливання жорстко закріпленої балки на пружно-в’язкій основі, що дозволило визначити раціональні частоти прикладення сили робочим органом до кореня пня;
- встановлено залежності модуля пружності та коефіцієнта в’язкості коренів дерев від частоти їх власних коливань.
Практичне значення одержаних результатів. Удосконалено методику визначення коефіцієнта бічного розширення для матеріалів, що можуть характеризуватись як сипкі. Удосконалено методику визначення модуля пружності та коефіцієнта в’язкості коренів пнів. Обґрунтовано доцільність та ефективність використання вібраційного корчувача пнів. Розроблено методику розрахунку опору коренів руйнуванню. Методики оптимізації параметрів та режимів роботи вібраційного корчувача пнів впроваджено на ПрАТ «Сімферопольський ремонтно-механічний завод». м. Сімферополь.
Достовірність результатів дослідження підтверджена застосуванням стандартних методик проведення досліджень та методів математико-статичного обробітку експериментальних даних, співставленням експериментальних та теоретичних даних, отриманих автором, а також виробничою перевіркою дослідного зразка комбінованого робочого органу вібраційного корчувача пнів.
Апробація результатів досліджень. Основні розділи дисертаційної роботи автор доповідав на науково-практичних конференціях: «Проблеми та перспективи розвитку технічних та біоенергетичних систем природокористування» Національного університету біоресурсів і природокористування (м. Київ, 2012 р.), «Сучасне ґрунтознавство: наукові проблеми та методологія викладання» (НУБіП м. Київ, 2012 р.), «Екобіотехнології та біопалива в АПК» (НУБіП м. Київ, 2012 р), «Біоресурси планети та біобезпека навколишнього середовища: проблеми та перспективи» (НУБіП м. Київ, 2013 р.).
Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано в 6-ти наукових працях, з них: 5 – статей у фахових виданнях ВАК України, 1 – стаття у закордонному виданні, 2 патенти і 3 тези конференцій.

Список літератури

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішено вагому науково-технічну задачу, що полягає в знаходженні раціональних параметрів та режимів роботи вібраційного корчувача, що забезпечує корчування пнів з подальшим їх завантаженням до транспортного засобу за мінімальних енергетичних витрат.
2. Розкрито механізм процесу руйнування коренів пнів у ґрунті шляхом досягнення критичних прогинів, під дією на корінь пня робочим органом корчувача, який дозволяє визначити зусилля необхідні для руйнування коренів пнів у ґрунті в залежності від способу прикладення сили робочим органом.
3. Уперше встановлено закономірності впливу геометричних параметрів робочих органів корчувача, що являють собою частину грейферного механізму, за допомогою яких здійснюється підкопування пня та руйнування зв’язків кореневої системи пня з ґрунтом, а саме: при корчуванні пня діаметром до d=0,3 м, за довжини штоків привідних гідроциліндрів s=0,2 м, мінімум роботи привідної ланки досягається за оптимальних довжин ланок які становлять r1=0,84 м, r2→0, r4=0,59 м, для діаметрів d>0,3м параметри ланок можуть бути визначені за отриманими залежностями наведеними в дисертаційній роботі (2.10).
4. Уперше отримано функціональні залежності для визначення величини деформації коренів пнів у ґрунті під дією робочого органа корчувача, з врахуванням фізико-механічних властивостей кореня та ґрунту. Визначено оптимальні режими прикладення сили робочим органом корчувача. Встановлено, що зміна частоти призводить до зміни величини прогину, наприклад при дії на корінь діаметром 10 мм силою в 1000 Н, зміна частоти прикладання сили в межах 0…20 рад/с призводить до зростання величини прогину з 0,01 до 0,03 м. Для зниження енерговитрат, подачу робочої рідини до гідроциліндрів приводу необхідно здійснювати з періодичністю в 20рад/с, яка близька до власних частот коливань системи корінь грунт.
5. На основі аналізу коливань зразка кореня розроблено методику, що дозволяє визначити модуль пружності та коефіцієнт в’язкості матеріалу кореня шляхом аналізу амплітудо-частотних характеристик коливань кореня. За частоти власних коливань досліджуваного зразка в 14 Гц і декрименті затухань а2/а1=0,9 модуль пружності та коефіцієнт в’язкості склали Е=4,94•108 Па, та μ=72,5 Па•с.
6. Очікуваний економічний ефект від застосування запропонованого корчувача становить 3,26 грн/пень, що за кількості в 300 пнів/га становить 978 грн/га.
Сукупність нових наукових положень, результатів і висновків, сформульованих на основі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень процесу руйнування коренів пнів у процесі корчування, можна кваліфікувати як вирішення важливої науково-технічної задачі в галузі лісогосподарського лісотехнічного машинобудування.