PREPARATORY WORKS INVOLVING BRUSH CUTTER MACHINERY

Снопок Д. Н.¹, Тимохов Р. С.², Тимохова О. М.³

¹кандидат технических наук, ²ассистент, ³кандидат технических наук, ФГБОУ ВО «Ухтинский государственный технический университет», г. Ухта

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ С ПОМОЩЬЮ КУСТОРЕЗНОЙ ТЕХНИКИ

Аннотация

В статье рассмотрена кусторезная техника для подготовительных работ. Кусторезы классифицируются: по принципу действия рабочего органа на пассивные и активные; по способу агрегатирования (передвижения) на прицепные и навесные; по типу управления рабочим органом на канатные и гидравлические. Также в статье рассмотрены достоинства и недостатки кусторезной техники. Установлено, что кусторезы с активным рабочим органом менее энергоемки и значит более экономичны при эксплуатации. Вместе с тем кусторезы с активным рабочим органом не могут срезать высокий и толстый кустарник ввиду своих конструктивных особенностей.

Ключевые слова: кусторез, навесное оборудование, кусторезная головка, фреза, ножи, сила резания.

Snopok D.N.¹, Timokhov R. S.², Timokhova O. M.³

¹PhD in Engineering, ²assistant, ³PhD in Engineering, FGBOU VO "Ukhta State Technical University", Ukhta

PREPARATORY WORKS INVOLVING BRUSH CUTTER MACHINERY

Abstract

The article studies brush cutter machinery used for preparatory works. Brush cutters are classified into passive and active according to the principle of the action of their working body; into trailer and hinged by the method of aggregation (movement); into cable and hydraulic by the type of control of the working body. The article also discusses the advantages and disadvantages of brush cutter machinery. It is established that brush cutters with an active working element are less energy-intensive and therefore more economical in operation. At the same time, brush cutters with an active working body cannot cut tall and thick shrubs due to their design features.

Key words: brush cutter, attachments, brush head, milling cutter, knives, cutting force.

Подготовительные работы предшествуют основным земляным работам при возведении полотна железных и автомобильных дорог, строительстве каналов и других транспортных сооружений.

Наиболее трудоемкими из них являются очистка территории строительства от леса, кустарника и крупных камней, а также рыхление тяжелых и каменистых грунтов, непосредственная разработка которых землеройными машинами нерациональна.

Трассы различного назначения для линий электропередач, газопроводов, нефтепроводов, а также охранные полосы автомобильных и железных дорог со временем интенсивно зарастают кустарниками. Для безопасного их использования необходимо постоянно проводить очистку этих участков от кустарника [2, С. 31-45], [5, С. 50-55].

Аналогичные задачи ставятся в лесохозяйственной деятельности человека для рубок ухода и прореживания лесных массивов.

К дорожным кусторезным машинам предъявляется ряд требований [7, C. 41-48], [10, С. 128-147], в частности:

– обеспечение возможности очистки неровных участков поверхности , как естественных, так и искусственных;

– обеспечение возможности удаления кустарника в непосредственной близости от искусственных сооружений;

– способность удалять кустарники значительных размеров, вплоть до одиночных деревьев;

– иметь высокую производительность;

– иметь хорошую проходимость;

– способность очистки откосов и кюветов, автомобильных дорог.

Ни одна из существующих конструкций кусторезов не отвечает в полной мере решению этих задач, поэтому разрабатываются различные модификации с учетом основных требований к ним.

Таким образом, целью приведенных исследований является изучение вопроса эффективности работы кусторезной техники во время процесса срезания.

По способу воздействия на кустарник все дорожные машины можно разделить на машины с пассивными и активными рабочими органами.

Пассивный кусторез представляет навесное оборудование к трактору (рис. 1). Некоторые характеристики кустореза с пассивным рабочим органом представлены в таблице 1.

Рис. 1 – Кусторез с пассивным рабочим органом: 1 – ограждение; 2 – гидроцилиндр подъема рабочего органа; 3 – универсальная рама; 4 – отвал.

 

Срезание кустарника и деревьев производится ножами, прикрепленными болтами к нижним кромкам рамы и расположенными между собой под углом 64º. Отвал имеет А – образную форму, опускание и подъем осуществляется двумя гидроцилиндрами, перекос отвала для неровных поверхностей конструкцией не предусмотрен.

 

Таблица 1 – Некоторые характеристики пассивного кустореза

Базовый трактор	Т-10М
Ширина захвата, м	3,6
Угол установки ножей в плане, град	62
Средняя производительность, га/см	до 6
Рабочая скорость, км/час	3,17–3,77
Масса навесного оборудования, кг	3000

 

Достоинства рассмотренных кусторезов: большая ширина захвата; возможность использования базовых тракторов без ходоуменьшителей с рабочими скоростями около 1 м/с.

Недостатки: зачастую кусты не срезаются, а сминаются и произрастают вновь; число проходов по одному месту составляет 1…3; отсутствует угол перекоса отвала для обработки неровных участков.

Более прогрессивными являются кусторезные машины активного действия. Их можно разделить на две группы: кусторезы с рабочим органом в виде плоских или круглых пил (или фрез) и машины с головками ударно-режущего действия (измельчители) [1, С. 72-89].

Положительные результаты показали испытания машин с навесным оборудованием с вращающимся в горизонтальной плоскости режущим инструментом. Этот инструмент может быть в виде дисковых пил с прикрепленными к наружной поверхности режущими пластинами или в виде дисковых фрез (рис. 2).

Рис. 2 – Кусторез НО-82

 

Крутящий момент от гидромотора через одноступенчатый редуктор и вертикальный вал, передается на фрезу, осуществляющую разрушение и срезание стволов кустарников. Зубья фрезы выполняются с цилиндрическим телом для запрессовки в глухие отверстия по ободу фрезы и с дополнительным креплением заклепками. Изготовлены из стали 45 с закалкой режущей части ТВЧ. Некоторые характеристики фрезерной кусторезной головки представлены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Характеристика фрезерной головки

	900
Ширина по ободу, мм	32
Число оборотов, рад/с	60
Диаметр фрезы, мм	40
Передаточное число редуктора	2
Максимальный диаметр спиливаемого одиночного дерева, мм	250

 

Мощность гидромотора N рассчитывается для условий срезания дерева диаметром 250мм [6, С. 5-12]:

      (1)

гдеW_М – работа гидромотора, Дж; n_Н – номинальная частота вращения фрезы, об/мин; η – КПД привода, 95 %; А – коэффициент перевода крутящего момента двигателя в работу, 134; t_p – время среза, 4 с.

Работа, совершаемая гидромотором:

       (2)

где К – удельная работа резания, Дж/см³; d_дер – диаметр дерева, см; b – ширина пропила, см; D – диаметр фрезы, м; ω_i – уголовная скорость фрезы, рад/с.

Рассчитанная по выражениям 1, 2 потребная мощность составляет 24 кВт. Этому условию отвечает гидромотор 210.20.13.20В, ТУ 22-34444-75.

Фрезерные кусторезные головки, установленные на манипуляторной машине (например, МТЗ 1221, К-78М), обеспечивают возможности маневрирования, работы около различных сооружений, удаления переросшего кустарника. Их установка также возможна на дорожные машины фронтального типа.

Третьей разновидностью кусторезных головок являются конструкции ударно-режущего действия. Принцип ее устройства следующий: на корпусе головки монтируется приводной гидромотор, приводящий во вращение вертикальный вал с закрепленным на нем горизонтальным диском (ротором); ближе к краю ротора на шарнирах установлены плоские разрушающие стволы кустарников ножи; все элементы головки смонтированы в корпусе. Разрушение стволов кустарника осуществляется кинетической энергией и силами инерции разрушающей системы. Характеристики головки, возможно монтируемой на манипуляторных машинах или непосредственно на рамах тракторов (таблица 3).

Таблица 3 – Характеристики кусторезной головки

Характеристика	Показатель
Ширина захвата, мм	1200
Высота оставленных пеньков, мм	до 300
Максимальные диаметры стволов, мм	100

 

Для определения максимальных диаметров разрушаемых стволов сопоставлены работы на разрушения А и возможная энергия Е со стороны ножей.

,

где К – удельная сила резания, кH/м; h – длина участка резания, м.

Значение удельной силы резания можно определить по графикам, полученным в ЦНИИМЭ и представленным на рис. 3.

Рис. 3 – Графики удельной силы резания к при рубке острыми ножами сухой сосны в зависимости от углов  α₁ и α₂: α₁ – угол наклона ствола по направлению движения; α₂ – угол наклона ствола в поперечном направлении

 

Энергию разрушающей системы Е можно рассматривать как сумму кинетической энергии Е_к и энергии инерционных сил Е_с [8, С. 22-34].

   (4)

где: m – масса ножа, кг; v – линейная скорость режущей части ножа, м/с; l – длина ножа, м; ω – угловая скорость вращения ножа, рад/с.

Расчеты показали, что при m = 1,5 кг и 1000 об/мин ротора энергии достаточно для разрушения одного куста диаметром 100 мм. Если в головку одновременно попадет более одного куста, то работа срезающей системы становится не эффективной.

Повысить эффективность работы разрушения можно созданием в стволе напряженного состояния его подгибанием по направлению движения на угол α₁ и в поперечном направлении на угол α₂ (рис. 3). Энергию системы можно увеличить повышением оборотов ротора.

Таким образом, с учетом условий работы, характеристикой и состоянием срезаемых кустов, требований к производительности возможно рациональное применение различных конструкций навесных кусторезных устройств.

Список литературы / References

1. Мурашев В. П. Роботы и манипуляторы в лесном комплексе учебник / В. П. Мурашев. – Москва: Машиностроение, 2008. – 235 с.
2. Анисимов Г. М. Лесные машины (тракторы, автомобили, тепловозы): учебник для ВУЗов / под общей ред. Г. М. Анисимова. – Москва: Лесная промышленность, 2011. – 507 с.
3. Котиков В. М. Теория и конструкция машин и оборудования отрасли (колесные и гусеничные лесные машины): учебник / под ред. В. М. Котикова. – 2-е изд. – Москва: МГУЛ, 2007. – 353 с.
4. Горбачевский В. А. Автомобили на вывозке леса. Проблема механизации лесозаготовок: учебное пособие / В. А. Горбачевский. – Москва: Гослесбумиздат, 2007. – 156 с.
5. Шегельман И. Р. Техническое оснащение современных лесозаготовок: учебное пособие / И. Р.Шегельман, В. И. Скрыпник, О. И. Галактионов. – Санкт-Петербург: Проф-информ, 2005. – 336 с.
6. Пындак В. И. Повышение эффективности гидропривода машин с.-х. назначения: учебное пособие / В. И. Пындак. – Волгоград: ВСХИ, 2008. – 28 с.
7. Ричардсон Р. Возможности финской уборочной техники в Канаде: Научные доклады / Р. Ричардсон, Д. Алломаки – Хельсинки: Финский исследовательский институт леса, 1992. – C. 41-48.
8. Александров В. А. Основы проектирования лесозаготовительных машин и оборудования: учебное пособие под грифом Минобрнауки РФ / В. А. Александров, Я. и. Шестаков, И. Н. Багаутдинов, Н. Р. Шоль. – Ухта: УГТУ, 2007. – 298 с.
9. Иванов А. С. Организация обеспечения работоспособности подвижного состава автотранспортного предприятия [Текст]: учебное пособие / А.С. Иванов. – Пенза: РИО ПГСХА. – 2001. – 166 с.
10. Александров М. П. Подъемно-транспортные машины: учебник / М. П. Александров. – М.: Высшая школа, 1985. – 504 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Murashev V. P. Roboty i manipuljatory v lesnom komplekse: uchebnik [Robots and manipulators in the forestry sector] / V. P. Murashev. – Moskva: Mashinostroenie, 2008. – 235 p. [in Russian]
2. Anisimov G. M. Lesnye mashiny (traktory, avtomobili, teplovozy): uchebnik dlja VUZov [Forestry machines (tractors, cars, locomotives)] / edited by G. M. Anisimova. – Moskva: Lesnaja promyshlennost', 2011. – 507 p. [in Russian]
3. Kotikov V. M. Teorija i konstrukcija mashin i oborudovanija otrasli (kolesnye i gusenichnye lesnye mashiny): uchebnik [Theory and design of the machinery and equipment industry (wheeled and tracked forest machines)] / edited by V. M. Kotikova. – 2nd edition. – Moskva: MGUL, 2007. – 353 p. [in Russian]
4. Gorbachevskij V. A. Avtomobili na vyvozke lesa. Problema mehanizacii lesozagotovok: uchebnoe posobie [Vehicles for transporting forest. The problem is mehanzali logging] / V. A. Gorbachevskij. – Moskva: Goslesbumizdat, 2007. – 156 p. [in Russian]
5. Shegel'man I. R. Tehnicheskoe osnashhenie sovremennyh lesozagotovok: uchebnoe posobie [Technical equipment of modern logging] / I. R. Shegel'man I. R., V. I. Skrypnik, O. I. Galaktionov. – Sankt-Peterburg: Prof-inform, 2005. – 336 p. [in Russian]
6. Pyndak V. I. Povyshenie jeffektivnosti gidroprivoda mashin s.-h. naznachenija: uchebnoe posobie [Increase of efficiency of hydraulic machines. C. destination] / V. I. Pyndak. – Volgograd: VSHI, 2008. – 28 p. [in Russian]
7. Richardson R. Vozmozhnosti finskoj uborochnoj tehniki v Kanade: Nauchnye doklady [Finnish harvesting machinery in Canada] / R. Richardson, D. Allomaki – Hel'sinki: Finskij issledovatel'skij institut lesa, 1992. – C. 41-48. [in Russian]
8. Aleksandrov V. A. Osnovy proektirovanija lesozagotovitel'nyh mashin i oborudovanija: uchebnoe posobie pod grifom Minobrnauki RF [Тhe Basis of design of forest machines and equipment] / V. A. Aleksandrov, Ja. I. Shestakov, I. N. Bagautdinov, N. R. Shol'. – Uhta: UGTU, 2007. – 298 p. [in Russian]
9. Ivanov A. S. Organizacija obespechenija rabotosposobnosti po-dvizhnogo sostava avtotransportnogo predprijatija: uchebnoe posobie [The organization ensure the efficiency of the rolling stock of the motor transportation enterprise] / A. S. Ivanov. – Penza: RIO PGSHA, 2001. – 166 p. [in Russian]
10. Aleksandrov M. P. Pod#jomno-transportnye mashiny: uchebnik [Lifting-transport machines] / M. P. Aleksandrov. – M.: Vysshaja shkola, 1985. – 504 p. [in Russian]