УДК 630*332.2.001.57 UDC 630*332.2.001.57
ЛАБОРАТОРНЫЕИССЛЕДОВАНИЯ
ПРОЦЕССАСИЛОВОГОРЕЗАНИЯ
ДРЕВЕСИНЫКОРНЕЙСАЖЕНЦЕВНОЖОМ
ВЫКОПОЧНОЙМАШИНЫ
LABORATORY RESEARCHES OF POWER CUTTING PROCESS OF PLANTLETS ROOTS
WOOD BY PLANT LIFTER KNIFE
ДручининДенисЮрьевич
аспирант Druchinin Denis Urievich postgraduate student
Воронежская государственная лесотехническая академия, Воронеж, Россия
Voronezh State Forestry Academy, Voronezh, Russia
Проведенылабораторныеисследованияпроцесса силовогорезаниядревесиныкорнейсаженцевс цельюоптимизациипараметровножейвыкопочной машиныпокритериюминимальногоусилия резания. Полученыаналитическиезависимости
усилийперерезаниядревесиныкорнейотих диаметрадляразличныхпородсаженцев
Laboratory researches of power cutting process of plantlets roots wood for the purpose of parameters optimization of knifes plant lifter by criterion of the minimum effort of cutting are conducted. Analytical dependences of efforts of cutting of roots wood on their diameters for various breeds of saplings are received
Ключевыеслова: ВЫКОПОЧНАЯМАШИНА,
САЖЕНЦЫ, КОРНИ, РЕЗАНИЕДРЕВЕСИНЫ
КОРНЕЙ, УСИЛИЕРЕЗАНИЯ
Keywords: PLANT LIFTER, PLANTLETS, ROOTS,
WOOD ROOTS CUTTING,CUTTER LOAD
Введение. Для механизации перспективного способа
лесовосстановления, озеленения городских территорий и разработки
различных ландшафтных дизайнов (создания лесных культур и городских
насаждений крупномерными саженцами, пересаживаемыми с комом почвы)
учеными Воронежской государственной лесотехнической академии
разработана машина для выкопки крупномерного посадочного материала с
комом почвы и подготовки посадочных ям (рис. 1). Выкопочная машина
состоит из следующих элементов: навески к трактору 3, рамы 2, двух
гидроцилиндров 1. Рабочий орган состоит из двух вертикальных стоек 4,
режущих элементов (ножей) 5 и полуковша 6 в задней его части. Рабочий
орган и вертикальные стойки образуют двуплечий рычаг, поворачиваемый
гидроцилиндрами [1].
Постановка и решение задачи. Резание корней – крайне сложный
процесс. Резанию растительных материалов лезвием рабочего органа
материала до возникновения на кромке лезвия рабочего органа
разрушающего контактногонапряжения σР [2, 3].
Рисунок 1 – Общийвидвыкопочноймашины
В работах [4, 5, 6, 7] рассматривается процесс силового перерезания
древесины корней древесных пород с целью определения физико
-механических свойств поросли и корней. Однако в этих работах не
учитываются геометрические параметры ножа, вследствие чего нельзя
определитьоптимальныепараметрырежущегоэлемента.
Для оптимизации геометрических параметров ножей выкопочной
машины по критерию минимального усилия резания были проведены
лабораторные исследования силового резания древесины корней саженцев
основных пород, применяемых влесномхозяйстве.
При определении усилия перерезания древесины корней
Рисунок 2 – ИспытаниедревесиныкорнейнаперерезаниенастендеУМ-5А
В Учебно-опытном лесхозе ВГЛТА были заготовлены образцы
древесины корней различных культур: дуба черешчатого, березы повислой,
сосны обыкновенной, тополя пирамидального. Важность образцов была
определена в соответствии с ГОСТ 16483.7-71 и составила для корней дуба
60 %, для корней березы – 55%, для корней сосны – 46 % и для корней
тополя – 50 %. В опытах использовались корни диаметром 5; 8; 10; 12; 15;
18; 25 мм (рис. 3).
Каждый опыт повторяли 25 раз, затем проводилась статистическая
обработка полученныхматериалов.
Результаты замеров усилия перерезания образцов древесины корней
представлены в виде графиков зависимостей усилия резания древесины
корней саженцев различных пород от диаметра при резании ножами с
различными углами заточкии геометрическимипараметрами (рис. 4–12).
В программу исследований входило определение влияния угла
заточки, углапри вершиненожанаусилие резаниядревесиныкорней.
0 5 10 15 20 25
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
Ножсугломзаточки 60°
У
с
и
л
ие
ре
за
н
ия
,
Н
Диаметр, мм
Дуб Сосна Береза Тополь
Рисунок 4 – Зависимостьусилиярезаниядревесиныкорнейсаженцевразличныхпород
отдиаметраприрезаниипрямымножомсугломзаточки 60º
0 5 10 15 20 25
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Диаметр, мм
У
с
и
л
ие
ре
за
н
ия
,
Н
Ножсугломзаточки 45°
Дуб Сосна Береза Тополь
Рисунок 5 – Зависимостьусилиярезаниядревесиныкорнейсаженцевразличныхпород
0 5 10 15 20 25 0
2000 4000 6000 8000 10000 12000
Ножсугломзаточки 30°
У
с
и
л
ие
р
е
за
н
ия
,
Н
Диаметр, мм
Дуб Сосна Береза Тополь
Рисунок 6 – Зависимостьусилиярезаниядревесиныкорнейсаженцевразличныхпород
отдиаметраприрезаниипрямымножомсугломзаточки 30º
0 5 10 15 20 25
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Диаметр, мм
У
с
и
л
ие
р
е
за
н
ия
,
Н
Ножсугломпривершине 80°иугломзаточки 60°
Дуб Сосна Береза Тополь
Рисунок 7 – Зависимостьусилиярезаниядревесиныкорнейсаженцевразличныхпород
0 5 10 15 20 25 0
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
У
с
и
л
ие
р
е
за
н
ия
,
Н
Диаметр, мм
Ножсугломпривершине 80°иугломзаточки 45°
Дуб Сосна Береза Тополь
Рисунок 8 – Зависимостьусилиярезаниядревесиныкорнейсаженцевразличныхпород
отдиаметраприрезанииножомсугломпривершине 80ºиугломзаточки 45º
0 5 10 15 20 25
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Диаметр, мм
У
с
и
л
ие
р
е
за
н
ия
,
Н
Нож с углом при вершине 80° и углом заточки 30°
Дуб Сосна Береза Тополь
Рисунок 9 – Зависимостьусилиярезаниядревесиныкорнейсаженцевразличныхпород
0 5 10 15 20 25 0
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
У
с
и
л
ие
ре
за
н
ия
,
Н
Диаметр, мм
Ножсугломпривершине 105°иугломзаточки 60°
Дуб Сосна Береза Тополь
Рисунок 10 – Зависимостьусилиярезаниядревесиныкорнейсаженцевразличных
породотдиаметраприрезанииножомсугломпривершине 105ºиугломзаточки 60º
0 5 10 15 20 25
0 5000 10000 15000
Диаметр, мм
У
с
и
л
ие
ре
за
н
ия
,
Н
Ножсугломпривершине 105°иугломзаточки 45°
Дуб Сосна Береза Тополь
Рисунок 11 – Зависимостьусилиярезаниядревесиныкорнейсаженцевразличных
0 5 10 15 20 25 0
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Нож с углом при вершине 105° и углом заточки 30°
У
с
и
л
ие
ре
за
н
ия
,
Н
Диаметр, мм Дуб
Сосна Береза Тополь
Рисунок 12 – Зависимостьусилиярезаниядревесиныкорнейсаженцевразличных
породотдиаметраприрезанииножомсугломпривершине 105ºиугломзаточки 30º
Выводы. Прианализе полученных результатовустановлено влияние
угла заточки и угла при вершине ножа на усилие перерезания корней
саженцев различных пород. Так, усилие резания снижается на 4–17 % (в
зависимости от породы) при перерезании ножом с углом при вершине,
отличнымотнуля.
Общеизвестно, что дуб среди всех рассматриваемых пород имеет
наибольшую плотностьдревесины. Поэтому для сравненияусилия резания
в зависимости от исследуемых ножей и выбора оптимального ножа по
критерию минимального усилия резания целесообразно рассматривать
опытныеданные резанияножами древесиныкорнейдуба (рис. 13).
Из анализа полученных данных выявлено, что минимальное усилие
при перерезании корней дуба черешчатого достигаетсяпри использовании
При малых диаметрах (до 8 мм) различия в усилиях резания
древесины корней различных пород минимальные, но с увеличением
диаметра возрастает и усилие, которое необходимо приложить для
перерезания корня.
0 5 10 15 20 25
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Резание древесины корней дуба различными видами ножей с углом заточки 30°
Диаметр, мм
У
с
и
л
ие
ре
за
н
ия
,
Н
Прямой нож
Нож с углом при вершине 80° Нож с углом при вершине 105°
Рисунок 13 – Графикрезаниядревесиныкорнейдубаразличнымивидаминожей
сугломзаточки 30°
На основании полученных экспериментальных данных силы резания
древесины корней саженцев ножом с углом при вершин е 105º и углом
заточки 30º определены следующие статистические показатели, которые
сведены в таблицы 1–4: среднее арифметическое значение выходного
параметра –X, мера рассеивания выходной величины относительно
среднеарифметического значения, т. е. дисперсия – S2, мера рассеивания
отклонения в виде среднеквадратического отклонения – S, коэффициент
Таблица 1– СтатистическиепоказателиоценкиэкспериментальныхданныхусилияР, Н,
необходимогодляперерезаниядревесиныкорнейдубавзависимостиотихдиаметраножом сугломпривершине 105ºиугломзаточки30º
Диаметр, мм X S2 S V, % P, %
5 457,88 7,62 19,0454 8,68 0,93
7 724,03 28,53 26,1600 20,60 1,75
10 4228,68 47,34 110,1847 18,47 1,15
12 5680,65 22,93 106,7781 6,01 0,31
15 7673,87 52,15 119,5631 8,76 0,36
18 8697,13 35,56 199,2855 4,16 0,14
25 12429,75 39,09 108,3959 3,89 0,12
Таблица 2 – СтатистическиепоказателиоценкиэкспериментальныхданныхусилияР, Н,
необходимогодляперерезаниядревесиныкорнейсоснывзависимостиотихдиаметра ножомсугломпривершине 105ºиугломзаточки 30º
Диаметр, мм X S2 S V, % P, %
5 123,216 7,62 21,9722 8,68 0,93
7 350,472 28,53 11,8232 20,60 1,75
10 544,782 47,34 25,9319 18,47 1,15
12 852,550 22,93 46,7171 6,01 0,31
15 1466,114 52,15 121,8865 8,76 0,36
18 2602,904 35,56 98,0545 4,16 0,14
25 3219,766 39,09 77,0777 3,89 0,12
Таблица 3 – СтатистическиепоказателиоценкиэкспериментальныхданныхусилияР, Н,
необходимогодляперерезаниядревесиныкорнейберезывзависимостиотихдиаметра ножомсугломпривершине 105ºиугломзаточки 30º
Диаметр, мм X S2 S V, % P, %
5 410,618 7,62 4,15919 8,68 0,93
7 652,018 28,53 26,01342 20.60 1.75
10 2797,962 47,34 18,85490 18,47 1,15
12 3655,238 22,93 13,37506 6.01 0,31
15 4721,614 52,15 32,27131 8,76 0,36
18 5224,508 35,56 22,05392 4,16 0,14
25 7404,282 39,09 17,78674 3,89 0,12
Таблица 4 – СтатистическиепоказателиоценкиэкспериментальныхданныхусилияР, Н,
необходимогодляперерезаниядревесиныкорнейтополявзависимостиотихдиаметра ножомсугломпривершине 105ºиугломзаточки 30º
Диаметр, мм X S2 S V, % P, %
5 354,688 7,62 4,15919 2,37773 0,93
7 537,710 28,53 26,01342 5,14677 1,75
Построены также гистограммы распределения максимального
усилия, достаточного для перерезания древесины корней, позволяющие
предварительно оценить нормальность эмпирического распределения. Для
большей наглядности на гистограммы наложена кривая нормального
распределения. При построении гистограмм былаиспользована программа
для статистической обработки экспериментальных данных Statistica 6. В
качестве примера на рисунке 14 приведена гистограмма распределения
максимальной нагрузкидляперерезаниядревесиныкорнейдуба.
Гистограмма (Опыты-дуб-30 7v*25c) 5 = 25*10*normal(x; 456,396; 19,0454)
400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Ч и с ло н а бл .
Гистограмма (Опыты-дуб-30 7v*25c) 8 = 25*10*normal(x; 719,16; 26,16)
650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 8 0 1 2 3 4 5 Ч ис ло на бл .
а) б)
Гистограмма (Опыты-дуб-30 7v*25c) 10 = 25*50*normal(x; 4845,448; 110,1847)
4500 4550 4600 4650 4700 4750 4800 4850 4900 4950 5000 5050 5100 10 0 1 2 3 4 5 6 Ч и с ло н а бл .
Гистограмма (Опыты-дуб-30 7v*25c) 12 = 25*50*normal(x; 5650,112; 106,7781)
5350 5400 5450 5500 5550 5600 5650 5700 5750 5800 5850 5900 12 0 1 2 3 4 5 6 Ч и с ло н а бл .
в) г)
Гистограмма (Опыты-дуб-30 7v*25c) 15 = 25*50*normal(x; 7680,906; 119,5631)
7450 7500 7550 7600 7650 7700 7750 7800 7850 7900 7950 8000 15 0 1 2 3 4 5 Ч и с ло н а бл .
Гистограмма (Опыты-дуб-30 7v*25c) 18 = 25*100*normal(x; 8715,756; 199,2855)
8200 8300 8400 8500 8600 8700 8800 8900 9000 9100 9200 9300 18 0 1 2 3 4 5 6 7 Ч и с ло н а бл .
Гистограмма (Опыты-дуб-30 7v*25c) 25 = 25*50*normal(x; 12429,754; 108,3959)
12150 12200 12250 12300 12350 12400 12450 12500 12550 12600 12650 12700 12750 25 0 1 2 3 4 5 6 7 Ч и с ло на бл . ж)
Рисунок 14 – ГистограммыраспределенияусилиярезанияP, Нприперерезанииножом
сугломпривершине 105ºиугломзаточки 30ºдревесиныкорнейсаженцевдуба
диаметров 0,5; 0,7; 1; 1,2; 1,5; 1,8; 2,5 см
Построены графики зависимостей усилия перерезания древесины
корней саженцев от их диаметра (рис. 15). Кроме того, получены
аналитические зависимости усилий перерезания древесины корней от их
диаметра дляразличныхпородсаженцев:
для дуба: 4,9856d2 +431,9465d −974,0403;
9707 , 0
R2 = ; (1)
длясосны: 3,6408d2 +54,1866d−170,7820;
9718 , 0
R2 = ; (2)
для березы: 1,5340d2 +290,3044d−555,4831;
9709 , 0
R2 = ; (3)
длятополя: −0,7530d2+257,8254d−477,3861;
9633 , 0
R2 = . (4)
0 5 10 15 20 25 30
0 5000 10000 15000 У с и л ие р е за н ия , Н
Диаметр, мм Дуб Аппроксимирующ аякривая Экспериментальныеточки
0 5 10 15 20 25 30
-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 У с и л ие ре зан ия , Н
а) б)
0 5 10 15 20 25 30
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
У
с
и
л
ие
ре
за
н
ия
,
Н
Диаметр, мм Береза Аппроксимирующаякривая Экспериментальныеточки
0 5 10 15 20 25 30
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
У
с
и
л
ие
р
е
за
н
ия
,
Н
Диаметр, мм Тополь Аппроксимирующ аякривая Экспериментальныеточки
в) г)
Рисунок 15 – Зависимостьусилияперерезаниядревесиныкорнейотихдиаметра:
а – дуб; б – сосна; в – береза; г – тополь
Списоклитературы
1. Дручинин Д.Ю. О разведении и восстановлении дубрав в поймах рек //
Лесотехническийжурнал. – 2011. – № 2. – С. 6–9.
2. Дручинин Д.Ю., Дорняк О.Р., Драпалюк М.В. Математическая модель
взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями растений //
Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственногоаграрногоуниверситета. – 2011. – № 68. – С. 51–67.
3. Дручинин Д.Ю. К вопросу учета взаимодействия рабочего органа лесных
машин с почвой и корнями растений при математическом моделировании // Молодой
ученый. – 2011. – № 7. – С. 25–28.
4. Драпалюк М.В. Совершенствование технологических операций и рабочих
органов машин для выращивания посадочного материала илесовосстановления: Дисс. … д-ратехн. наук. – Воронеж, 2006. – 415 с.
5. Попиков В.П. Обоснование параметров технологического оборудования
машины для формирования крон деревьев при лесовыращивании: Дисс. …канд. техн.
наук. – Воронеж, 2008. – 171 с.
6. Пономарев С.В. Обоснование параметров активных рабочих органов
машины для агротехнического ухода за лесными культурами на вырубках: Дисс. …канд. техн. наук. – Воронеж, 2008. – 182 с.
7. Драпалюк М.В. Совершенствование технологических операций и рабочих
органов машин для выращивания посадочного материала и лесовосстановления:
