СПОСОБ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ЛЕСОСЕЧНЫХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК B27L11/00 

Изобретение относится к лесозаготовкам, в частности к способам и устройствам по измельчению кроны дерева.

Известен способ измельчения элементов кроны дерева на куски за счет наличия двух совмещенных и одновременно действующих процессов: протаскивания элементов кроны через измельчающие рабочие органы и их дробление на куски последними. Для осуществления этого способа применяют, например, известные валковые дробилки (Смердов В.В. Дробилки для измельчения древесных материалов, журнал Лесная промышленность N 6, 1987 г., с. 16-18).

Однако протаскивание элементов кроны требуют формирования их в однорядную щеть и последовательного взаимодействия рабочих органов по их длине, что снижает эффективность измельчения.

Известен способ измельчения лесосечных отходов за счет смыкания измельчающих рабочих органов над неподвижно и хаотично уложенными между ними элементами кроны дерева. К устройствам, осуществляющим этот способ, относится, например, измельчающее устройство, являющееся составной частью установки для сбора и измельчения лесосечных отходов.

Это измельчающее устройство состоит из одной качающейся и другой неподвижной плит с выполненными в их телах рабочими органами - ножевыми решетками, ножи которых установлены волнообразно. По способу - это наиболее близкий к предлагаемому. Недостаток этого способа заключен в том, что смыкание рабочих органов - ножевых пластин, требует большой мощности привода, а гравитационная укладка сырья между смыкающимися рабочими органами вызывает неудобства загрузки сырья при смене их пространственной ориентации. Недостаток этого измельчителя по устройству в том, что измельчение толстых сучьев смыкающимися ножевыми мало эффективно по следующим причинам.

Во-первых, одновременное перерезание смыкающимися ножевыми решетками всех загруженных элементов кроны требует большой мощности привода, а следовательно, и большой металлоемкости конструкции измельчителя.

Во-вторых, перерезание волокон с внедрением в них ножевых пластин требует большой их устойчивости. Это в свою очередь ведет к необходимости их утолщения, а следовательно, и к худшим условиям измельчения и выпадения отрезков из ячеек ножевой решетки.

Наиболее близким по устройству к предлагаемому являются захваты для лесоматериалов в виде смыкающихся и перекрывающих друг друга челюстей с зубьями, например, а.с. СССР N 556750, кл. A 01 G 23/08, которые захватив пучок лесоматериалов, обжимают его по всей контактной поверхности.

Недостаток устройства в том, что зубья захватов не имеют измельчающих рабочих органов, а их форма не обеспечивает выжимания обжатых круглых лесоматериалов в зоны измельчения.

Цель изобретения - повышение эффективности измельчения лесосечных отходов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измельчения (дробления) лесосечных отходов на куски, заключающемся в том, что элементы кроны захватываются, сдавливаются и измельчаются рабочими органами, согласно изобретению их при захвате формируют в плотно сжатый пучок таким образом, что под действием распорной силы, возникающей при обжимании, из пучка в зоны измельчения поочередно выжимаются стволики элементов кроны дерева, которые затем измельчаются рабочими органами.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измельчения лесосечных отходов, содержащем перевернуты на 180^о неподвижный челюстной захват с двумя рядами смыкающихся и перекрывающих друг друга рядами зубьев, согласно изобретению зубья захватов выполнены в виде Г-образных рычагов, которые для дробления элементов кроны имеют измельчающие рабочие органы, а их плечи - осевые и концевые для поочередного выжимания стволиков элементов кроны в зоны измельчения примыкают друг к другу под таким углом ϕ , что при смыкании рычагов и последующем их перекрытии, к моменту измельчения, углы распора α₀ и α_к , замеренные между осями соответствующих плеч рычагов и осью, проходящей через точки их перекрещивания в зонах измельчения, должны быть меньше или равны следующей величине:
arctg[tg²( - β )], где β - угол внутреннего трения, характеризующий подвижность стволиков сучьев при их выжимании из пучка за счет действия распорной силы от обжимающих Г-образных рычагов, под измельчающие рабочие органы, рад.

В общем виде условие выжимания стволиков элементов кроны в зону измельчения под рабочие органы за счет силового обжатия рычагами будет выглядеть так
α_ij ≅ arctg[tg²( - β )], где i - наименование угла распора; о - образованного осевым плечом рычага; к - образованного концевым плечом рычага; j - условное наименование рычага; Л - левый рычаг; П - правый рычаг.

Например, угол α_оп указывает, что он образован осевым плечом правого Г-образного обжимающего рычага (см. фиг. 7). При выполнении этого условия угол примыкания осевого к концевому плечу рычага определится выражением
ϕ=π-(α_o+α_к) .

При равенстве углов распора рычага
α_o и α_к
выражение примет вид
ϕ= π - 2α_o .

Проще говоря, устройство для измельчения лесосечных отходов по конструкции и по принципу действия можно было бы назвать многосекционными захватными двойными ножницами.

Многосекционные - много измельчающих секций, каждая из которых представляет собой пару противоположно расположенных соседних (левого и правого) Г-образного рычагов.

Захватные - захватывают и обжимают пучок лесосечных отходов.

Двойные - имеют две, противоположно расположенные зоны измельчения.

Ножницы - измельчение элементов кроны на куски за счет встречного и перекрещивающего движения рабочих органов подобно ножницам.

Наличие дополнительной к измельчению операции по формированию элементов кроны дерева в плотно сжатый пучок, и с этой целью создание необходимого распора для поочередного выжимания из него стволиков в зону измельчения под рабочие органы, позволяет установить соответствие предлагаемого способа критерию "Новизна".

Совокупность перечисленных признаков отличает данный способ не только от прототипа, но и от других технических решений в данной области техники. Хотя по отдельности процесс измельчения (силовое бесстружечное резание древесины) и процесс формирования в пучок элементов кроны дерева (обжатие лесоматериалов грейферными захватами при погрузочно-разгрузочных и штабелевочных работах) известны, однако они не позволяют даже в совокупности достигнуть предлагаемого эффекта выжимания стволиков элементов кроны в зоны их измельчения. На основании этого предлагаемый способ измельчения (дробления) лесосечных отходов "существенно отличается" от других способов измельчения.

Сопоставимый анализ предлагаемого устройства с прототипом показывает, что оно отличается наличием Г-образных обжимных рычагов с измельчающими рабочими органами, угол примыкания ϕ плеч которых определяется из выражения
ϕ=π-(α_o+α_к) , где для получения эффекта "выжимания" стволиков элементов кроны из пучка в зону измельчения угол распора α должны быть
α≅ arctg[tg²( - β )].

Это отличие позволяет утверждать, что предлагаемое устройство соответствует критерию "Новизна".

Известны грейферные, клещевые и иные захватные устройства подобной конструкции, однако они предназначены для захвата и формирования транспортабельной формы груза и, кроме того, они не имеют измельчающих рабочих органов. К тому же их конструкция не обеспечивает эффекта "выжимания". Известны различного рода ножницы и гильотины. Однако аналогичных конструкций, подобно предлагаемой, в виде захватных многосекционных двойных ножниц не обнаружено.

На основании этого можно утверждать, что предлагаемое устройство соответствует критерию "Существенные отличия".

Доказательством наличия эффекта "выжимания" служить следующее теоретическое положение.

Пучок стволиков элементов кроны дерева, как сыпучее тело в поперечном направлении к оси пучка, под действием собственного веса и вертикальной сжимающей силы F (см. фиг. 4), стремится раскатиться на опорной поверхности по сторонам. Эти силы обуславливают появление в пучке горизонтальной силы распора Р, под действием которой происходит последовательное выжимание стволиков из пучка по сторонам до тех пор, пока пучок не "растечется" по опоре в однорядную щеть.

Эффект "выжимания" возможен по той причине, что стволики элементов кроны, имея криволинейную (цилиндрическую) поверхность, внедряются между противоположно лежащими парами таких же стволиков и раздвигают их по сторонам, обуславливая появление распора Р.

Как известно (Портаев Л.П. и др. "Техническая механика" Стpойиздат, М., 1987, 434-441 с.) распорная сила Р, выжимающая сыпучий материал по сторонам равна
Р= ( γ h²+F)tg( - β ), где γ - удельный вес сыпучего материала, Н/м³; h - высота укладки пучка, м; F - внешняя вертикально направленная сила (нагрузка), Н;β - угол внутреннего трения, характеризующий трение между частицами сыпучего тела, рад.

Поскольку сила F несоизмеримо выше собственного веса пучка, то ею можно пренебречь, тогда
P= F˙ tg²( - β ) .

Если сила F действует на пучок под углом α (см. фиг. 5), то она, по законам механики, раскладывается на горизонтальную F_г и вертикальную F_в составляющие. Составляющие F_г направлена к опорной стенке и прижимает к ней, а в измельчителе - к центру пучка, стволики элементов кроны дерева. Составляющая Fв прижимает тело пучка к опоре, вызывая при этом появление распорной силы Р. Для наличия эффекта "выжимания" элементов кроны из пучка необходимо, чтобы
P ≥F_г Но
F_г=Fsin α , F_в=Fcos α , a
P=F_в˙ tg²( - β )=F ˙ tg²( - β ) cos α Тогда F tg²( - β )cos α ≥ F sin α Поделив обе части неравенства на cos α получим
tgα ≅ tg²( - β ) .

Тогда значение угла α , при котором возможно поочередное выжимание стволиков элементов кроны из пучка, как из сыпучего материала в зоны измельчения (Точки В и С фиг. 7) под действием распорной силы, создаваемой прижимными Г-образными рычагами измельчителя при их смыкании и последующем перекрытии, будет найдено из выражения
α ≅ arctg[tg²( - β )] .

Угол β - опытная величина. Для его определения были выполнены экспериментальные исследования. Известно, что угол β находится в интервале между значениями угла обрушения θ и углом естественного откоса ρ , т.е.

θ≥β≥ρ
Ввиду трудности определения угла β , его обычно принимают равным углу естественного откоса ρ или углу обрушения θ . Очевидно, что для такого сыпучего материала, как длинномерные стволики элементов кроны, наилучшим вариантом будет принять угол β равным углу θ , т.е.

β≈θ .

На фиг. 8 изображена экспериментальная установка для определения угла обрушения θ . Между двумя стенками, одна из которых может убираться, укладываются (вдоль этих стенок) стволики элементов кроны на высоту 1 м. Затем подвижную стенку убирают и часть стволиков (призма обрушения) обрушивается, и по скосу оставшейся части замеряется угол θ . Эксперимент проводился на стволиках сучьев из свежесрубленной (мороженой и оттаявшей) сосны, осины, березы, пихты, ели длиной 1,0 и 2,0 м и диаметром в основании сучка 0,03±0,01 и 0,05 ±0,1 м при температуре +20^о и -20^оС. Средние значения угла θ , вычисленные по 10^идублированным опытам, занесены в таблицу.

Из таблицы видно, что угол θ обрушения изменяется от 59^о до 70^о. С учетом того, что в реальных условиях стволики могут иметь большую длину и более длинные боковые побеги, чем образцы, за счет которых они "связывают" друг друга, следует принять угол внутреннего трения β 60-75^о. Угол распора α при этом будет лежать в интервале 4,1-18,4^о. Тогда угол примыкания плеч рычагов ϕ при их одинаковой длине и наличии двух зон измельчения (т. В и С фиг. 3, 7), а также при условии, что начало дробления имеет место при смыкании рычагов, будет находиться в зависимости от состояния и параметров элементов кроны в следующем интервале:
ϕ≅ ( π -2 4,1^o)-(π -2 18,4^o) или ϕ ≅171,8-133,2^о
Длина плеч рычагов устанавливается исходя из мощности привода, прочности рычагов и требуемой производительности измельчителя.

На фиг. 1 изображено устройство, главный вид; на фиг. 2 - поперечное сечение рычагов А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - фрагмент рычажного измельчителя в аксонометрии; на фиг. 4 - процесс раскатывания; на фиг. 5 - условие невозможности раскатывания; на фиг. 6 - условие возможности процесса раскатывания; на фиг. 7 - элементарная секция измельчителя с обозначением ее параметров; на фиг. 8 - экспериментальная установка по определению угла обрушения.

Устройство для измельчения (дробления) лесосечных отходов содержит опорную раму 1, на которой установлен рычажный измельчитель 2, состоящий из качающихся на оси 3 левого и правого блоков Г-образных рычагов 4. Каждый рычаг 4 обоих блоков состоит из осевого 5 (ближнее к оси 3) и концевого 6 плеч. Угол ϕ , замеренный между осями этих плеч при их пересечении (см. фиг. 7), называется углом их примыкания. Он определяется из выражения
ϕ=π-(α_o+α_к) , где α _o и α_к - соответственно углы распора в зонах измельчения под осевым и конечным плечами рычага.

В свою очередь, для выражения стволиков элементов кроны из обжатого пучка в зоны измельчения необходимо, чтобы
α ≅ arctg[tg²( - β )] .

На плечах 5 и 6 рычагов 4 выполнены измельчающие рабочие органы, например, ножи 7 и 8.

Пары соседних и противоположно расположенных Г-образных рычагов 4, образуют элементарные секции измельчителя. Интервал "а" (см. фиг. 2) между гранями рабочих органов 7 и 8 соседних одноименных рычагов равен длине отрезка, на которые измельчаются сучья. А количество отрезков, получаемое при измельчении равно числу секций измельчителя. В свою очередь количество отрезков определяет длину измельчаемой части сучьев.

Поворот рычагов 4 вокруг оси 3 осуществляется при помощи привода 9, например гидроцилиндров, которые одним концом крепятся к раме 1, а другим - к хвостовикам 10 рычагов 4. Причем хвостовики 10 выполнены не как продолжение осевых плеч 5, а с поворотом от их осей на угол ϕ _хв, равный углу поворота плеча 5 от исходного положения (положение I) в конечное (положение III). Это сделано для того, чтобы гидроцилиндры работали не на выталкивание, а на втягивание штоков поршней.

Для порционной (периодической) загрузки измельчителя сырьем, в верхней части опорной рамы 1 установлено загрузочное устройство 11 в виде двух качающихся створок.

Для уборки от измельчителя 2 готовой продукции, по обе стороны от левого и правого блоков Г-образных рычагов на опорной раме 1 установлены транспортеры 12. А для направленного падения на них вылетающих из пространства между рычагами отрезков установлены экраны 13.

Предлагаемый способ осуществляется на рычажном измельчителе следующим образом.

Накопленный на створках загрузочного устройства 11 и ориентированный вдоль оси 3 пучок элементов кроны 14 (положение створок I) под действием силы тяжести падает (положение створок II) между раскрытыми захватными Г-образными рычагами 4 (положение рычагов и их хвостовиков в позиции I) на дно измельчителя 2. При помощи гидроцилиндров 9 рычаги 4 начнут смыкаться, обжимая пучок. После перекрытия рычагов (положение рычагов и их хвостовиков в позиции II) начинают действовать распорные силы, выжимающие поочередно из пучка под измельчающие органы 7, 8, в зонах их перекрещивания, стволики элементов кроны 15 (см. фиг. 2). Такой пучок перерезать или переломить смыкающимися и перекрывающимися рычагами можно и без выполнения условия "выжимания". Однако одновременное перерезание пучка по всей контактной поверхности требует большой мощности привода, а отсюда и повышенной прочности рабочих органов. Свойство пучка стволиков элементов кроны раскатываться под действием распорной силы по сторонам, как сыпучего тела, обеспечивает лучшие условия для измельчения.

Измельчающие рабочие органы движутся навстречу другу и перерезают стволики сучьев при взаимном их перекрещивании, как ножницы (точки В и С фиг. 3, 8, а также фиг. 2). Отрезки длиной "а" (см. фиг. 2) выдавливаются между измельчающими рабочими органами 7 и 8 выпадают наружу.

По окончании движения рычаги 4 устанавливаются в один ряд (положение рычагов и их хвостовиков в позиции III). Процесс измельчения пучка закончится, и рычаги под действием тех же гидроцилиндров 9 вернутся в исходное положение. Процесс дробления повторится.

Вылетающие и выпадающие из пространства между рычагами 4 отрезки 15 падают на транспортер 12 и выносятся наружу.

Это устройство периодического действия. В нем конструктивные параметры устанавливаются исходя из требуемого для измельчения объема пучка. А объем порции может быть равен объему кроны одного дерева. Если длина измельчителя меньше длины измельчаемых сучьев, то процесс дробления осуществляют в несколько приемов.

Использование предлагаемого способа и на его основе одного из возможных конструктивных решений его осуществления позволит внести определенный вклад в решение проблем по изысканию новых ресурсосберегающих и безотходных технологий лесозаготовок.

Использование: в лесном хозяйстве, в частности в способах и устройствах измельчения кроны дерева. Сущность изобретения: отходы формируют в плотно сжатый пучек таким образом, что под действием распорной силы они поочередно выжимаются в зоны измельчения. Устройство содержит приводные Г-образные рычаги с рабочими органами, плечи которых примыкают друг к другу под таким углом U, что в момент измельчения углы распоры α , замеренные между осями соответствующих плеч рычагов и осью, проходящей через точки их перекрещивания, должны быть не больше величины arctg{tg²[(Π/2)-β]} , где β - угол внутреннего трения Г-образных рычагов. 2 с.п.ф - лы, 1 табл., 8 ил.

1. Способ измельчения лесосечных отходов, включающий их захват, сдавливание и измельчение, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса измельчения, после захвата отходы сжимают в пучок, сдавливают поочередно и поочередно выжимают отходы до их измельчения. 2. Устройство для измельчения лесосечных отходов, включающее челюстной захват с рядами рабочих органов, привод, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса измельчения, рабочие органы выполнены в виде Г-образных рычагов, на внутренней поверхности которых закреплены П-образные зубья, а нижние концы рычагов снабжены силовыми приводами и оси пересечения их плеч расположены под углом
ϕ ≅ arctgtg-,
где β - угол внутреннего трения Г-образных рычагов.