MECHANICS OF THE MILLING OF LOGGING RESIDUES WITH A MERI CRUSHER MJS-2.5 DT MACHINE

SCIENTIARUM POLONORUMACTA Silv. Colenda. Rat. Ind. Ligna. 5(2) 2006, 95-102 MECHANICS OF THE MILLING OF LOGGING RESIDUES WITH A MERI CRUSHER MJS-2.5 DT MACHINE Henyk Różański, Mieczysław Kujawski, Kzysztof Jabłoński Agicultual Univesity of Poznań Abstact. The object of the analysis was a Mei Cushe MJS-2.5 DT cushing machine poweed by a Valta T-190 tacto. The cushe was 2500 mm wide and the powe of the tacto was 190 HP. Duing the analysis the quantity of the biomass to be milled and the poductivity of the milling opeation itself wee detemined. Based on given technical paametes of the cushe (the pm of the PTO, numbe of cuttes, diamete of the dum and the diving speed of the tacto), the pm of woking dum, the linea velocity of the cuttes, the powe and toque of the woking dum and the milling poductivity wee detemined. Based on the analysis of woking movements of the machine, the foces which occu on the cuttes wee calculated. It was found that the aveage foce on one cutte was 190 N. Key wods: logging esidues, cushe, labou consumption INTRODUCTION The pocess of milling is mainly based on empiical knowledge. The theoetical pocesses of milling ae vey difficult to descibe, and even an appoximate desciption is not easy, which is a majo hindance in the development of scientific disciplines studying those pocesses. This is the eason why the knowledge about milling has empiical chaacte [Zawada 1998]. Industial milling is a typical banch of technology, to the development of which pactical expeience has geatly contibuted, and not scientific analysis itself. The theoy of the pocess is difficult to descibe because of the stuctue of the mateial milled which consists of soil, often with stones, coveed with a laye of thick and thin banches (logging esidues) foming iegula pattens. Apat fom banches, the aea left afte clea cutting is ich in tee stumps, which with thei oots sit in the soil. The pocess of designing cushing machines has an intedisciplinay chaacte [Różański and Jabłoński 2002 a]. Apat fom the technical knowledge, closely connected with machine constuction, the pocess of designing equies the knowledge of othe, sometimes emote scientific disciplines, like the soil science, oad constuction, Coesponding autho Ades do koespondencji: Pof. d hab. Henyk Różański, Depatment of Foest Technology of Agicultual Univesity of Poznań, Wojska Polskiego 71 C, 60-625 Poznań, Poland, e-mail: henyko@au.poznan.pl

96 H. Różański... silvicultue and soil mechanics with its pinciples which fom the theoetical base of milling foest logging esidues and ways to calculate the milling foces [Różański and Jabłoński 2002 b, 2005 b]. The cushing machines that ae used today consist of thee main components: a woking dum, a ea dum and a felling fame with fittings. The woking dum is the most impotant pat of a cushe, on which the cuttes fo milling soil, stones and wood ae fitted. The ea dum helps in milling, depending on the type of the cushe used, while the felling fame pesents a special outfit of cushes used in thei wok in young tee-stands. The fittings ae a collection of diffeent machine pats which ae used in wok. They fom mechanisms which allow to move the dums and the fame. They also compise the cuttes (of diffeent kinds in diffeent machine types) fitted to the woking dum. METHODS The pocesses and phenomena pesent duing the opeation of milling wee analysed. As the object of the analysis of the theoy of milling, a MJS-2.5 DT cushing machine was selected, because its kinematics is inteesting, accoding to the authos of the aticle. The cushing machine consists of thee main pats: a milling dum with cuttes (with an inset made of sinteed cabides) fitted to it, a ea dum and a felling fame. The milling dum is poweed fom the PTO of the tacto, though a T- -tansmission and two chain tansmissions (DT) which ae assembled on both ends of the milling dum (Fig. 1). CIĄGNIK A F K L M B C D E N G H I J Fig. 1. The dawing of the cushing machine MJS-2.5 DT at wok: A, B, C, D, E, F mechanism fo lifting the milling dum, G, H, I, J mechanism fo lifting the ea dum, K, L, M, N mechanism fo diving the milling dum Rys. 1. Schemat ozdabniaki MJS-2,5 DT w czasie pacy: A, B, C, D, E, F mechanizm podnoszenia walca oboczego, G, H, I, J mechanizm podnoszenia walca ugniatającego, K, L, M, N mechanizm napędu walca oboczego

Mechanics of the milling of logging esidues... 97 The machine body with tansmissions, the milling dum, the ea dum can be lifted and loweed by means of two hydaulic cylindes fastened with aticulated joints to the ocking leves (BDE) of the fou-ba linkage. The diving shaft with two Cadan joints (K, L) and telescopic couplings enables to tansfe the toque egadless of the machine position above the gound. The ea dum is connected to the milling dum fame with a pai of ocking mechanisms (HJ), contolled with two hydaulic cylindes (GJ). The ea dum that can otate feely is fastened to the ockes (HJ). This mechanism enables to position the axis of the ea dum egadless of the position of the milling dum, which can be used while the machine is tanspoted to its wok site. Fig. 2. The kinematic diagam of the cushing machine MJS-2.5 DT: 1 PTO, 2 Cadan shaft, 3 univesal couplings, 4 T-tansmission, 5 hydaulic clutch, 6 chain tansmission, 7 milling dum, 8 ea dum Rys. 2. Schemat kinematyczny ozdabniaki MJS-2,5 DT: 1 WOM, 2 wał Cadana, 3 spzęgła pzegubowe, 4 pzekładnia kątowa, 5 spzęgło hydauliczne, 6 pzekładnia łańcuchowa, 7 bęben oboczy, 8 bęben ugniatający The otational diection of the milling dum is in ageement with the diection of fee olling of the ea dum that follows the milling dum (when the tacto moves fowad). In case of backwad diving, the milling is down-cut opeating mode. The steel fame of the milling dum with a fixed blade pevents the cushed logging esidues, soil and stones fom being huled upwads by fast moving cuttes on the milling dum. The cuttes that ae fitted to the dum, fom long scew lines (2) in such a way that each cutte moves in a diffeent plane that is pependicula to the dum axis. The angle between the cutte holde axis and the tangent to the dum is 3-7 degees and the cuttes can tun ound and shift. This guaantees bette milling efficiency and longe life Silvaum Colendaum Ratio et Industia Lignaia 5(2) 2006

98 H. Różański... of cuttes. The fixed blade, which also helps cush the mateial milled, is placed behind the milling dum. Based on the technical paametes of the tacto and cushe (PTO otational velocity, numbe of cuttes, milling dum diamete, diving speed, ea dum diamete; Table 1) the otational velocity of the milling um, the linea velocity of the cuttes, the powe and toque of the milling dum and the milling efficiency of the machine wee calculated. The analysis of the movements of the cuttes enabled to detemine the sum of cicumfeencial foces on cutte tips and the aveage foce exeted by one cutte. Table 1. Technical chaacteistics of the cushe MJS-2.5 DT and tacto Valta T-190 Tabela 1. Dane techniczne ozdabniaki MJS-2,5 DT i ciągnika Valta T-190 Paamete Paamet Maximum tacto engine powe Maksymalna moc na wale silnika ciągnika Powe used fo diving Moc zużyta na opoy jazdy Tacto engine otational speed Pędkość obotowa wału silnika T-tansmission atio Pzełożenie pzekładni kątowej Chain tansmission atio Pzełożenie pzekładni łańcuchowej Diamete of woking dum Śednica walca oboczego Length of woking dum Długość walca oboczego Numbe of cuttes Liczba zębów oboczych Radius of the cicle dawn by cutte tips Pomień okęgu wiezchołków zębów Diamete of ea dum Śednica walca ugniatającego Length of ea dum Długość walca ugniatającego Numbe of collas on ea dum Liczba kołniezy na walcu ugniatającym Symbol Unit Jednostka Value Watość P 1 kw 139.65 P j kw 30 n 1 1/min 1 000 i 1 17/23 i 2 17/23 D mm 360 L mm 2 500 z pcs szt 93 R mm 260 D u mm 500 L u mm 2 730 k psc szt 6 The theoetical poductivity was calculated accoding to the following fomula: W = V j L k 1 k 2 [m 2 /h] (1) whee: V j tacto diving speed, m/h, L length of the woking dum, m, k 1 coefficient fo idle and auxiliay time (assumed k 1 = 0.7), k 2 coefficient fo ovelapping field stipes (assumed k 2 = 0.9).

Mechanics of the milling of logging esidues... 99 The otational speed of the woking dum was calculated accoding to the following fomula: whee: Linea speed of cutte tips was calculated as follows: n = n 1 i 1 i 2 [1/min] (2) v R n = π [m/s] (3) 30 Powe on the woking dum (P ) was calculated as follows: η 1 η 2 η 3 η 4 ( P1 P ) η1 η2 η3 η4 P [kw] (4) = j efficiency of the two Cadan couplings and the telescopic coupling, T-tansmission effciency, efficiency of two Cadan couplings, chain tansmission effciency. The following coeffcient values wee adopted: η 1 = 0.96, η 2 = 0.95, η 3 = 0.98 and η 4 = 0.92. The toque on the woking dum was calculated as follows: M P = [Nm] (5) ω whee: ω angula velocity of the woking dum, 1/s ω =π / 30, 1/s. The sum of cicumfeencial foces ΣF on cutte tips was calculated as follows: M Σ F = [N] (6) R The cicumfeencial foce F on one cutte tip was calculated based on the assumption that 3 out of 8 cuttes on the side suface of the woking dum hit the gound and the total numbe of cuttes was 93. ΣF F = [N] (7) 3 z 8 n RESULTS Based on the fomulas pesented above, the following figues chaacteizing the pocess of milling wee calculated (Table 2). The theoetical poductivity of the milling of logging esidues was 0.22 ha/h. Silvaum Colendaum Ratio et Industia Lignaia 5(2) 2006

100 H. Różański... Table 2. Technical paametes calculated fo the cushe Tabela 2. Zbiocze zestawienie okeślonych paametów technicznych ozdabniaki Theoetical poductivity* Teoetyczna wydajność* Paamet Paamet Rotational speed of the woking dum Pędkość obotowa wału oboczego Linea speed of cutte tips Pędkość obwodowa wiezchołków zębów oboczych Powe on the woking dum Moc na wale oboczym Toque on the woking dum Moment obotowy na wale oboczym Angula speed of the woking dum Pędkość kątowa wału Sum of cicumfeencial foces on cutte tips Suma sił obwodowych na wiezchołkach zębów Cicumfeencial foce on one cutte tip** Śednia siła obwodowa pzypadająca na jeden ząb** Symbol Unit Jednostka Value Watość W m 2 /h 2 205 n 1/min 546 v m/s 14.87 P kw 96.86 M Nm 1 694 ω 1/s 57.18 ΣF N 6 515 F N 187 **The tacto speed was: V j = 1.4 km/h. **The aveage foce pe one cutte was calculated, based on the assumption that thee out of eight cuttes in one line on the dum wee hitting the esidues. **Zmiezona pędkość jazdy wynosiła: V j = 1,4 km/h. **Śednią siłę obwodową pzypadającą na jeden ząb oboczy obliczono, zakładając, że chwilowo pacują tzy zęby z ośmiu leżących w jednej płaszczyźnie na bębnie oboczym. CONCLUSIONS 1. The field obsevations and analysis of the pocess of the milling of logging esidues showed, that the phenomena occuing duing that pocess ae vey complicated, with efeence to vaious physical and chemical popeties of the milled mateials. 2. The theoetical poductivity of milling was 0.22 ha/h and was close to the aveage value obseved in the foest distict, whee the tests wee caied out. 3. At the woking dum otational velocity of 540 pm (ω = 57.18 1/s), assuming that 16% of the tacto s powe was used fo diving, the aveage foce on one cutte was about 200 N. The instantaneous foces may howeve, each values which ae even seveal times highe, when the cuttes hit unyielding objects like stones o had stumps. 4. The linea velocity of the cutte tips was about 16 m/s, compaed to vey limited diving speed of the tacto (0.39 m/s).

Mechanics of the milling of logging esidues... 101 REFERENCES Chlebowski K., 2002. Efekt ozdabniania pozostałości pozębowych na powiezchniach pzeznaczonych do odnowienia pzy użyciu maszyn MJ-2,3 ST [Effects of the milling of logging esidues on aeas set fo egeneation, with a MJ-2.3 ST machine]. In: Konfeencja pt. Technika i technologia pzygotowania powiezchni zębowej do odnowień. VI Tagi Gospodaki leśnej, pzemysłu dzewnego i ochony śodowiska EKO-LAS Tuchola 2002 [in Polish]. Różański H., Jabłoński K., 2002 a. Cushing logging esidues with Mei Cushe MJ-2.3 ST and MJ-2.3 DT machines. Sci. Pap. Agic. Univ. Pozn. Foesty 5. Różański H., Jabłoński K., 2002 b. Badania eksploatacyjne wybanych kuszaek do ozdabniania pozostałości zębowych [Running tests of selected cushes fo the milling of logging esidues]. In: Użytkowanie lasu w wielofunkcyjnym, zównoważonym leśnictwie. Ed. P. Paschalis. Wyd. SGGW Waszawa [in Polish]. Różański H., Jabłoński K., 2002 c. Rozdabnianie pozostałości zębowych pzy użyciu kuszaek Mei Cushe MJ-2.3 ST oaz MJ-2.3 DT [The milling of logging esidues with a Mei Cushe MJ-2,3 ST and a Mei Cushe MJ-2.3 DT machines]. In: Konfeencja pt. Technika i technologia pzygotowania powiezchni zębowej do odnowień. VI Tagi Gospodaki leśnej, pzemysłu dzewnego i ochony śodowiska EKO-LAS Tuchola 2002 [in Polish]. Różański H., Jabłoński K., 2005 a. Wybane aspekty pozyskiwania suowca enegetycznego z pozostałości zębowych dzewostanów sosnowych w technologii maszynowej [Selected aspects of machine havesting of enegy wood fom logging esidues in pine tee-stands]. In: Konfeencja naukowa pt. Zównoważone systemy enegetyczne. 12-14 paździenika 2005. Zakopane [in Polish]. Różański H., Jabłoński K., 2005 b. Analiza pocesu technologicznego pzygotowania powiezchni do odnowień po wykonanych cięciach zupełnych w dzewostanie sosnowym [An analysis of the technology of pepaing aeas fo egeneation afte clea cutting in a pine tee-stand]. In: Kompleksowe ozwiązania techniczne i technologiczne w użytkowaniu ębnym. Wyd. Tagi Bydgoskie SAWO. Tuchola, 45-51 [in Polish]. Różański H., Jabłoński K., 2005 c. Efektywność ekonomiczna ozdabniania pozostałości zębowych pzy użyciu ciągnika Valta T-190 I ozdabniaki MJS-2,5 DT [Economic effectiveness of the milling of logging esidues with a Valta T-190 tacto and a MJS-2.5 DT cushe]. In: Ogólnopolska Konfeencja Naukowa pt. Pocesy podukcyjne w leśnictwie technika, technologia, oganizacja. 21 czewca 2005. Wyd. SGGW Waszawa [in Polish]. Zawada J., 1998. Wstęp do mechaniki pocesów kuszenia [Intoduction into the mechanics of cushing pocesses]. Wyd. Zak. Polig. Inst. Techn. Ekspl. Radom [in Polish]. MECHANIKA ROZDRABNIANIA POZOSTAŁOŚCI ZRĘBOWYCH MASZYNĄ MERI CRUSHER MJS-2,5 DT Steszczenie. Obiektem analizy była ozdabniaka Mei Cushe MJS-2,5 DT, któa była agegatowana z ciągnikiem Valta T-190. Rozdabniaka o szeokości oboczej 2500 mm była agegatowana z ciągnikiem o mocy 190 KM. Okeślono ilość biomasy zawatej w pozostałościach zębowych pzeznaczonych do ozdabniania, wydajność i pacochłonność ozdabniania. Pzy paametach technicznych ozdabniaki (pędkość obotowa bębna, liczba elementów oboczych, śednica bębna oboczego, pędkość jazdy) wyznaczono pędkość obotową wału oboczego, pędkość obwodową elementów oboczych, moc i moment obotowy na wale oboczym oaz wydajność. Na podstawie analizy zjawisk występujących podczas pacy ozdabniaki (analiza uchu elementów oboczych) oznaczono sumę sił i śednią siłę obwodową pzypadającą na jeden element oboczy. Silvaum Colendaum Ratio et Industia Lignaia 5(2) 2006

102 H. Różański... Wykazano, że śednia siła obwodowa pzypadająca na jeden element oboczy wyniosła około 190 N. Słowa kluczowe: pozostałości zębowe, ozdabniaka, pacochłonność Accepted fo pint Zaakceptowano do duku: 18.09.2006 Fo citation Do cytowania: Różański H., Kujawski M., Jabłoński K., 2006. Mechanics of the milling of logging esidues with a Mei Cushe MJS-2.5 DT machine., Silv. Colenda. Rat. Ind. Ligna. 5(2), 95-102.