НАВЕСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА ПОРУБОЧНЫХ ОСТАТКОВ Российский патент 2008 года по МПК A01G23/06 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для расчистки вырубок от порубочных остатков, и может быть использовано в лесной промышленности и лесном хозяйстве при сборе порубочных остатков на площадях с пнями или другими подобными препятствиями.

Известен перекидной подборщик древесины (авторское свидетельство СССР №477701, кл. А01G 23/06, 1975 г., Бюл. №27 - аналог), содержащий самоходное шасси со смонтированным на нем перекидным устройством, рабочий орган с зубьями, захват для зажима собранной древесины и гидроцилиндры поворота рабочего органа и захвата.

Недостатком аналога является невозможность использования данного подборщика для сбора порубочных остатков на площадях с пнями или другими подобными препятствиями, так как зубья подборщика неприспособлены для преодоления препятствий в виде пней в процессе сбора порубочных остатков. Таким образом, использование данного подборщика при расчистке площадей с пнями может привести к деформации или поломке зубьев и выходу подборщика из строя.

Известно навесное устройство для сбора порубочных остатков (авторское свидетельство СССР №1680015, кл. А01G 23/06, 1991 г., Бюл. №36 - прототип), включающее поворотную от гидроцилиндров раму, на которой закреплены направляющие с амортизаторами, собирающие зубья с фиксаторами, щит-ограждение, причем собирающие зубья и направляющие выполнены прямыми, цилиндрическими и расположены к поверхности почвы под углом α<α_пр=arcctgf_п-arctgf_н, где f_п и f_н - соответственно коэффициенты трения зуба о пень и о направляющие; α_пр - предельный угол.

Недостатком данного устройства является то, что при взаимодействии собирающего зуба с пнем со стороны последнего на зуб действуют значительные усилия, которые вызывают упругую деформацию собирающего зуба (продольный изгиб зуба). Учитывая, что при очистке территории вырубки от порубочных остатков собирающим зубьям приходится часто взаимодействовать с препятствиями в виде пней, то при длительной эксплуатации рассматриваемого устройства в материале зубьев постепенно накапливаются усталостные напряжения. При этом чем больше нагрузки, воспринимаемые зубьями при встрече с пнями, тем быстрее протекает процесс накопления усталостных напряжений, а это в свою очередь приводит к снижению долговечности и надежности зубьев. К тому же чем более значительные усилия воспринимают зубья при взаимодействии с пнями, тем в более тяжелом режиме приходится работать данному устройству при обходе его собирающими зубьями препятствий.

Технической задачей изобретения является облегчение режима работы устройства при обходе собирающими зубьями препятствий, а также повышение долговечности и надежности собирающих зубьев, за счет уменьшения величины изгибающего момента, создаваемого усилиями, возникающими при взаимодействии собирающих зубьев с пнями, и вызывающего продольный изгиб данных зубьев.

Задача достигается в навесном устройстве для сбора порубочных остатков, содержащем поворотную от гидроцилиндров раму, на которой закреплены направляющие с амортизаторами, собирающие зубья с фиксаторами, щит-ограждение, причем собирающие зубья и направляющие выполнены прямыми, цилиндрическими и расположены к поверхности почвы под углом α<α_пр, где α_пр - предельный угол, где согласно изобретению на свободном конце каждого собирающего зуба шарнирно закреплен с возможностью вращения контактный ролик, величина радиуса r которого соответствует условию:

где R_к - коэффициент трения качения контактного ролика по пню, мм;

f_п - коэффициент трения собирающего зуба, не имеющего контактного ролика, о пень;

r_неэф - неэффективный радиус контактного ролика, мм;

причем, собирающие зубья, имеющие на своем конце контактный ролик, расположены к поверхности почвы под углом:

где r - радиус контактного ролика, мм;

R_к - коэффициент трения качения контактного ролика по пню, мм;

f_н - коэффициент трения собирающего зуба о направляющие;

α_пр - предельный угол;

кроме того, для предотвращения проворачивания собирающих зубьев в направляющих на тыльной стороне каждого собирающего зуба выполнен продольный паз полукруглой формы, а с тыльной стороны каждой направляющей выполнено отверстие с резьбой, которое в свою очередь совмещено с пазом на собирающем зубе, при этом в отверстии, выполненном в направляющей, зафиксирован при помощи крепежного болта блокирующий шарик, часть которого размещена в данном отверстии, а другая часть в пазу собирающего зуба.

Отличие предлагаемого устройства от прототипа заключается в том, что на свободном конце каждого собирающего зуба шарнирно закреплен с возможностью вращения контактный ролик, величина радиуса которого соответствует условию:

где R_к - коэффициент трения качения контактного ролика по пню, мм;

f_п - коэффициент трения собирающего зуба, не имеющего контактного ролика, о пень;

r_неэф - неэффективный радиус контактного ролика, мм.

Под неэффективным радиусом контактного ролика r_неэф понимается такой радиус ролика, при котором изгибающий момент, действующий на оснащенный контактным роликом собирающий зуб в момент его взаимодействия с пнем, будет равен изгибающему моменту, возникающему при взаимодействии с пнем собирающего зуба без контактного ролика.

Учитывая, что при увеличении радиуса контактного ролика r происходит уменьшение величины изгибающего момента, действующего на собирающий зуб, то на собирающий зуб, оснащенный контактным роликом, величина радиуса которого соответствует условию r>r_неэф, при его взаимодействии с пнем, будет действовать меньший изгибающий момент (вызывающий продольный изгиб зуба), чем на такой же собирающий зуб без контактного ролика.

Таким образом, оснащение собирающих зубьев контактным роликом, имеющим радиус r>r_неэф, позволит уменьшить нагрузки, воспринимаемые зубьями при их взаимодействии с пнями, а это в свою очередь позволит повысить долговечность и надежность собирающих зубьев и также облегчит режим работы предлагаемого устройства при обходе его собирающими зубьями препятствий.

Кроме того, учитывая, что собирающие зубья с роликами, имеющими радиус r>r_неэф будут воспринимать меньшие нагрузки при встрече с пнями, то у конструкции предлагаемого устройства угол расположения собирающих зубьев к поверхности очищаемого участка будет несколько иным, чем у прототипа. Вследствие этого собирающие зубья, имеющие на своем конце контактный ролик, расположены к поверхности почвы под углом:

где f_н - коэффициент трения собирающего зуба о направляющие.

При значении α<α_пр собирающий зуб, встретившись с препятствием в виде пня, будет подниматься вверх, при этом шарнирно закрепленный на конце собирающего зуба контактный ролик будет перекатываться по боковой, а затем и по торцевой поверхности пня, копируя его. То есть при значении угла α<α_пр обход пня собирающим зубом, имеющим контактный ролик, возможен. А при α≥α_пр преодоление пня собирающим зубом, имеющим контактный ролик, будет невозможно.

Также в отличие от прототипа у предлагаемого устройства собирающие зубья заблокированы от проворачивания в направляющих, благодаря этому при сборе порубочных остатков контактные ролики всегда расположены в вертикальной плоскости.

На фиг.1 изображено навесное устройство для сбора порубочных остатков, общий вид.

На фиг.2 изображена схема для определения изгибающего момента, возникающего при взаимодействии с пнем собирающего зуба, оснащенного контактным роликом, где:

N_п - нормальная реакция, действующая на собирающий зуб со стороны пня, Н;

- сила трения сцепления, препятствующая проскальзыванию контактного ролика, Н;

h и l - соответствующие данным силам плечи, м;

О - точка, относительно которой на собирающий зуб действует изгибающий момент.

На фиг.3 изображена схема для определения изгибающего момента, возникающего при взаимодействии с пнем собирающего зуба, не имеющего контактного ролика, где:

N_п - нормальная реакция, действующая на собирающий зуб со стороны пня, Н;

- сила трения скольжения собирающего зуба, не имеющего контактного ролика, о пень, Н;

h и l - соответствующие данным силам плечи, м;

О - точка, относительно которой на собирающий зуб действует изгибающий момент.

На фиг.4 изображена схема для определения силы трения сцепления, препятствующей проскальзыванию контактного ролика, где:

N_п - нормальная реакция, действующая со стороны пня на контактный ролик, Н;

- сила трения сцепления, препятствующая проскальзыванию контактного ролика, Н;

F_тяг - тяговое усилие самоходного шасси, Н;

Q - усилие, которое необходимо приложить к контактному ролику для преодоления сопротивления трению качения, Н;

R_к - коэффициент трения качения, мм;

r - радиус контактного ролика, мм.

На фиг.5 представлена схема сил, действующих на собирающий зуб, оснащенный контактным роликом, при обходе им пня, где:

N_н - сила нормального давления направляющих на собирающий зуб, Н;

- сила трения собирающего зуба о направляющие, Н;

P_н - результирующая этих сил, Н;

и - соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие силы Р_н, Н;

N_п - нормальная реакция, действующая со стороны пня на контактный ролик, Н;

- сила трения сцепления, препятствующая проскальзыванию контактного ролика, Н.

На фиг.6 изображен собирающий зуб, установленный в направляющей, вид сбоку; на фиг.7 - то же, вид сзади; на фиг.8 - сечение А-А на фиг.6; на фиг.9 - узел I на фиг.6.

Для уменьшения величины изгибающего момента, создаваемого усилиями, возникающими при взаимодействии собирающих зубьев с пнями, на свободном конце каждого собирающего зуба шарнирно закреплен с возможностью вращения контактный ролик, величина радиуса которого соответствует условию r>r_неэф, где r_неэф - неэффективный радиус контактного ролика.

Причем неэффективным радиусом контактного ролика r_неэф является такой радиус ролика, при котором изгибающий момент, действующий на оснащенный контактным роликом зуб в момент его взаимодействия с пнем, будет равен изгибающему моменту, возникающему при взаимодействии с пнем собирающего зуба без контактного ролика.

Для определения величины неэффективного радиуса контактного ролика r_неэф рассмотрим две пояснительные схемы, изображенные на фиг.2 и фиг.3.

Отметим, что для обоих случаев, представленных на фиг.2 и фиг.3, момент, вызывающий продольный изгиб зуба, будет действовать относительно точки О. При этом примем, что величины плеч h и l будут одинаковы для обоих случаев, рассматриваемых на фиг.2 и фиг.3.

При неэффективном радиусе контактного ролика r_неэф будет выполняться следующее равенство:

где М^изг.зр. - изгибающий момент, возникающий при взаимодействии с пнем собирающего зуба, оснащенного контактным роликом, Нм;

М^изг.з. - изгибающий момент, возникающий при взаимодействии с пнем собирающего зуба, не имеющего контактного ролика, Нм.

Используя схемы, изображенные на фиг.2 и фиг.3, определим величину данных изгибающих моментов:

где - алгебраическая сумма изгибающих моментов относительно точки О, действующих на собирающий зуб, оснащенный контактным роликом, в момент его взаимодействия с пнем;

- алгебраическая сумма изгибающих моментов относительно точки О, действующих на собирающий зуб, не имеющего контактного ролика, в момент его взаимодействия с пнем.

Далее определим силу трения сцепления, препятствующую проскальзыванию контактного ролика, для этого воспользуемся пояснительной схемой, представленной на фиг.4.

В схему, представленную на фиг.4, введем декартову систему координат оху, причем центр координат о совпадает с центром контактного ролика.

Затем для определения силы трения сцепления, препятствующей проскальзыванию контактного ролика , запишем уравнения равновесия плоской системы сил, представленной на фиг.4:

где ∑X_i - алгебраическая сумма проекций всех сил системы на ось x;

∑Y_i - алгебраическая сумма проекций всех сил системы на ось y;

∑M_B - алгебраическая сумма моментов всех сил системы относительно точки В.

Из выражений (5) и (6) находим, что:

Теперь определим силу трения скольжения собирающего зуба (не имеющего контактного ролика) о пень входящую в выражение (3):

где f_п - коэффициент трения собирающего зуба, не имеющего контактного ролика, о пень.

Подставив уравнение (7) в выражение (2), получим:

Подставив уравнение (8) в выражение (3), получим:

Далее подставим в равенство (1) выражения (9) и (10):

После преобразования равенства (11) получим выражение для определения неэффективного радиуса контактного ролика:

Анализ формулы (9) показывает, что величина изгибающего момента, возникающего при взаимодействии с пнем собирающего зуба, оснащенного контактным роликом, зависит от радиуса контактного ролика r. Так как коэффициент трения качения R_к=const, то согласно формуле (9) при увеличении радиуса контактного ролика r происходит уменьшение величины изгибающего момента М^изг.зр.. Это также подтверждается равенством (11), так как если в него подставить значение радиуса контактного ролика r>r_неэф, то данное равенство (11) утрачивает свою силу, так как в этом случае М^изг.зр.<М^изг.з..

Таким образом, на собирающий зуб, оснащенный контактным роликом, радиус которого при его взаимодействии с пнем, будет действовать меньший изгибающий момент (вызывающий продольный изгиб зуба), чем на такой же зуб без контактного ролика. Следовательно, оснащение собирающих зубьев контактным роликом, имеющим радиус r>r_неэф, позволит уменьшить нагрузки, воспринимаемые зубьями при их взаимодействии с пнями, а это в свою очередь позволит повысить долговечность и надежность собирающих зубьев и также облегчит режим работы предлагаемого устройства при обходе его собирающими зубьями препятствий.

Кроме того, учитывая, что у предлагаемого устройства конструкция зубьев будет отличаться от прототипа, и при этом зубья предлагаемой конструкции будут воспринимать меньшие нагрузки при встрече с пнями, то у предлагаемого устройства угол расположения собирающих зубьев к поверхности очищаемого участка будет несколько иным, чем у прототипа.

Для того чтобы определить, под каким углом к поверхности очищаемого участка должны быть расположены собирающие зубья с роликами, воспользуемся схемой на фиг.5

Согласно прототипу обход собирающим зубом пня возможен под действием вертикальных сил, направленных вверх, то есть под действием силы:

где α - угол наклона собирающего зуба к поверхности очищаемого участка, град;

β - угол трения собирающего зуба о направляющие, град.

Причем:

где f_н - коэффициент трения собирающего зуба о направляющие.

Анализ формулы (13) показывает, что величина силы зависит от величины угла α (величина угла β=const), и чем меньше α, тем больше

Определим предельную величину угла α_пр, при которой преодоление собирающим зубом пня становится невозможным. Это возможно лишь при условии равновесия вертикальных и горизонтальных сил:

где F_тяг - тяговое усилие самоходного шасси, Н.

Подставляя в формулу (13) значения сил и из равенств (15) и (16), получим выражение:

Подставив в выражение (17) значение силы из уравнения (7), имеем:

учитывая, что N_п=F_тяг,

Пренебрегая при некотором допущении силами q и G ввиду их малой величины в сравнении с силой F_тяг, после преобразования выражения (18), получим:

Далее сделаем в равенстве (19) замену δ=α_пр+β:

затем, разрешив данное равенство относительно параметра δ, получим:

откуда, с учетом сделанной ранее замены (δ=α_пр+β):

С учетом выражения (14) уравнение (20) примет вид:

Таким образом, при значении α<α_пр собирающий зуб, встретившись с препятствием в виде пня, будет подниматься вверх, при этом шарнирно закрепленный на конце собирающего зуба контактный ролик будет перекатываться по боковой, а затем и по торцевой поверхности пня, копируя его. То есть при значении угла α<α_пр обход пня собирающим зубом, имеющим контактный ролик, возможен. А при α≥α_пр преодоление пня собирающим зубом, имеющим контактный ролик, будет невозможно.

Предлагаемое навесное устройство для сбора порубочных остатков (фиг.1) состоит из поворотной от гидроцилиндров 1 рамы, включающей приводные 2 и поперечные 3, 4 и 5 балки с укосами 6 и вертикальные брусья 7, жестко соединенные между собой, цилиндрических направляющих 8 и 9, жестко присоединенных к поперечным балкам 4 и 5, прямых цилиндрических собирающих зубьев 10 с фиксаторами 11, свободно присоединенных посредством цилиндрических направляющих 8 и 9 к раме, амортизаторов 12, жестко присоединенных к верхним торцам направляющих 9, и щита ограждения 13, жестко присоединенного к балкам 3 и 4. На свободном конце каждого собирающего зуба 10 шарнирно закреплен с возможностью вращения контактный ролик 14.

Гидроцилиндры 1 служат для подъема и опускания рамы навесного устройства для сбора порубочных остатков.

Кроме того, для того чтобы контактные ролики 14, в процессе сбора порубочных остатков, располагались всегда в вертикальной плоскости, собирающие зубья 10 заблокированы от проворачивания в направляющих 8 и 9. Для предотвращения проворачивания собирающих зубьев 10 в направляющих 8 и 9 (фиг.6, 7) на тыльной стороне каждого собирающего зуба 10 выполнен продольный паз 15 полукруглой формы (фиг.8). А с тыльной стороны каждой направляющей 8 и 9 выполнено отверстие 16 с резьбой, которое в свою очередь совмещено с пазом 15 на собирающем зубе 10. При этом в отверстии 16 зафиксирован при помощи крепежного болта 17 блокирующий шарик 18, часть которого размещена в отверстии 16, а другая часть в пазу 15 собирающего зуба 10 (фиг.9).

Работа устройства происходит следующим образом.

Перед началом очистки территории от порубочных остатков при помощи гидроцилиндров 1 осуществляют опускание рамы навесного устройства в рабочее положение.

Затем при движении самоходного шасси по очищаемому участку собирающими зубьями 10 производят сбор порубочных остатков. Встретившись с препятствием (пнем) от действия сил со стороны последнего, собирающий зуб 10, скользя в направляющих 8 и 9, поднимается вверх, при этом шарнирно закрепленный на конце собирающего зуба 10 контактный ролик 14 будет перекатываться по боковой, а затем и по торцевой поверхности пня, копируя его. Таким образом, происходит обход собирающими зубьями 10 препятствий в виде пней. После обхода препятствия подбирающие зубья 10 под действием силы тяжести опускаются в рабочее положение.

Блокирующие шарики 18 предотвращают проворачивание собирающих зубьев 10 в направляющих 8 и 9, благодаря этому при сборе порубочных остатков контактные ролики 14 всегда расположены в вертикальной плоскости.

Использование предлагаемого навесного устройства для сбора порубочных остатков позволит уменьшить нагрузки, воспринимаемые собирающими зубьями при их взаимодействии с препятствиями (пнями), что в свою очередь облегчит режим работы предлагаемого устройства при обходе его собирающими зубьями препятствий, а также позволит повысить долговечность и надежность собирающих зубьев.

Навесное устройство для сбора порубочных остатков содержит поворотную от гидроцилиндров раму, на которой закреплены направляющие с амортизаторами, собирающие зубья с фиксаторами, щит-ограждение. Собирающие зубья и направляющие выполнены прямыми, цилиндрическими и расположены к поверхности почвы под углом α<α_пр, где α_пр - предельный угол. На свободном конце каждого собирающего зуба шарнирно закреплен с возможностью вращения контактный ролик, величина радиуса r которого соответствует условию:

где

R_к - коэффициент трения качения контактного ролика по пню, мм; f_п - коэффициент трения собирающего зуба, не имеющего контактного ролика, о пень; r_неэф - неэффективный радиус контактного ролика, мм; Собирающие зубья, имеющие на своем конце контактный ролик, расположены к поверхности почвы под углом:

где r - радиус контактного ролика, мм; R_к - коэффициент трения качения контактного ролика по пню, мм; f_н - коэффициент трения собирающего зуба о направляющие; α_пр - предельный угол. Для предотвращения проворачивания собирающих зубьев в направляющих на тыльной стороне каждого собирающего зуба выполнен продольный паз полукруглой формы. С тыльной стороны каждой направляющей выполнено отверстие с резьбой, которое в свою очередь совмещено с пазом на собирающем зубе. В отверстии, выполненном в направляющей, зафиксирован при помощи крепежного болта блокирующий шарик, часть которого размещена в данном отверстии, а другая часть в пазу собирающего зуба. Предложенная конструкция облегчит режим работы устройства при обходе собирающими зубьями препятствий, а также повысит долговечность и надежность собирающих зубьев. 9 ил.

Навесное устройство для сбора порубочных остатков, содержащее поворотную от гидроцилиндров раму, на которой закреплены направляющие с амортизаторами, собирающие зубья с фиксаторами, щит-ограждение, причем собирающие зубья и направляющие выполнены прямыми, цилиндрическими и расположены к поверхности почвы под углом α<α_пр, где α_пр - предельный угол, отличающееся тем, что на свободном конце каждого собирающего зуба, шарнирно закреплен с возможность вращения контактный ролик, величина радиуса r которого соответствует условию:

,

где R_к - коэффициент трения качения контактного ролика по пню, мм;

f_п - коэффициент трения собирающего зуба, не имеющего контактного ролика, о пень;

r_неэф - неэффективный радиус контактного ролика, мм;

причем собирающие зубья, имеющие на своем конце контактный ролик, расположены к поверхности почвы под углом:

,

где r - радиус контактного ролика, мм;

R_к - коэффициент трения качения контактного ролика по пню, мм;

f_н - коэффициент трения собирающего зуба о направляющие;

α_пр - предельный угол;

кроме того, для предотвращения проворачивания собирающих зубьев в направляющих на тыльной стороне каждого собирающего зуба выполнен продольный паз полукруглой формы, а с тыльной стороны каждой направляющей выполнено отверстие с резьбой, которое, в свою очередь, совмещено с пазом на собирающем зубе, при этом в отверстии, выполненном в направляющей, зафиксирован при помощи крепежного болта блокирующий шарик, часть которого размещена в данном отверстие, а другая часть в пазу собирающего зуба.