gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2025-06-994gscience-994Research ArticleMINING MACHINERY, TRANSPORT, AND MECHANICAL ENGINEERINGГОРНЫЕ МАШИНЫ, ТРАНСПОРТ И МАШИНОСТРОЕНИЕDesign rationale for a milling drum used in layer-by-layer surface milling of peat deposits containing wood inclusionsИнженерное обоснование конструкции фрезерного барабана для поверхностно-послойного фрезерования торфяных залежей с древесными включениямиhttps://orcid.org/0009-0006-0409-7796ГамаюновС. Н.GamayunovS. N.

Сергей Николаевич Гамаюнов – доктор технических наук, профессор кафедры технологических машин и оборудования, Тверской государственный технический университет,

г. Тверь

Scopus ID 6602478918

SPIN-код 2911-8241

Sergei N. Gamayunov – Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Technological Machines and Equipment

Tver

Scopus ID 6602478918

SPIN 2911-8241

sng61@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4350-7314ЖигульскаяА. И.ZhigulskayaA. I.

Александра Ивановна Жигульская – кандидат технических наук, доцент кафедры технологических машин и оборудования

г. Тверь

Scopus ID 57196259021

SPIN-код 8477-4984

Aleksandra I. Zhigulskaya – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Technological Machines and Equipment

Tver, Russian Federation

Scopus ID 57196259021

SPIN 8477-4984

9051963@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8344-3047ЗюзинБ. Ф.ZyuzinB. F.

Борис Федорович Зюзин – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологических машин и оборудования

г. Тверь

Scopus ID 55921005500

SPIN-код 3850-7830

Boris F. Zyuzin – Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Technological Machines and Equipment

Tver

Scopus ID 55921005500

SPIN 3850-7830

zbfru@yandex.ruТверской государственный технический унивенситетРоссияTver State Technical UniversityRussian FederationТверской государственный технический университетРоссияTver State Technical UniversityRussian Federation202616072026112122129Copyright © Gamayunov S.N., Zhigulskaya A.I., Zyuzin B.F., 20262026Гамаюнов С.Н., Жигульская А.И., Зюзин Б.Ф.Gamayunov S.N., Zhigulskaya A.I., Zyuzin B.F.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/994

This article addresses the technological foundations and design requirements for developing a machine intended for layer-by-layer surface milling of stump-containing peat deposits. The issue is particularly relevant for small-scale enterprises employing adaptive peat production technologies, where traditional stump removal methods are economically and technically impractical due to high preparatory costs and the need for bulky equipment. The study aims to substantiate the design parameters of a milling machine capable of simultaneously comminuting peat mass and embedded wood inclusions without their preliminary extraction. This approach is intended to enhance production efficiency, improve product quality, and reduce negative environmental impact. The research tasks included analysing milling regimes, interaction between cutting elements and wood inclusions, and developing proposals for a drive system with increased reliability under variable loads. A comprehensive methodology was applied: generalisation of data on physico-mechanical properties of peat and wood, analysis of literary and experimental sources, and theoretical substantiation of cutting parameters and milling drum design. A dual-motor hydraulic drive configuration was considered, wherein an auxiliary motor is activated upon increased cutting resistance, ensuring stable machine operation under deposit heterogeneity. As a result, optimal parameters of the milling drum were substantiated (working width 4.5 m, diameter 0.335 m, rotational speed 149 s–1, peripheral velocity 25 m/s, feed per knife 0.015 m), providing peat crumbs with a particle size fraction of 10–25 mm and comminution of wood to dimensions suitable for subsequent separation, peat processing, and waste utilisation. The proposed approach facilitates accelerated drying of peat crumbs under natural conditions, reduced waste volumes, and rational resource utilisation. It is concluded that the proposed design demonstrates high efficiency for operation at small peat deposits with areas up to 100 ha. The obtained results will be applied in the design of a prototype and further development of adaptive peat production technology.

Технологические основы и конструктивные требования к созданию машины для поверхностно-послойного фрезерования пнистых торфяных залежей особенно актуальны для малых предприятий, применяющих адаптивную технологию производства торфа, где традиционные методы корчевки экономически и технологически нецелесообразны из-за высокой стоимости подготовительных работ и необходимости использования громоздкой техники. Цель работы – обоснование параметров конструкции фрезерной машины, способной одновременно измельчать торфяную массу и погребённые в ней древесные включения без предварительного извлечения последних. В работе применён комплексный подход: обобщение данных по физико-механическим характеристикам торфа и древесины, анализ литературных и экспериментальных источников, теоретическое обоснование параметров резания и конструкции фрезерного барабана. В результате обоснованы оптимальные параметры фрезерного барабана: ширина захвата 4,5 м, диаметр 0,335 м, частота вращения 149 с−1, окружная скорость 25 м/с, подача на нож 0,015 м, обеспечивающие получение крошки фракции 10–25 мм и дробление древесины до размеров, пригодных после сепарации для последующей переработки торфа и утилизации отходов. Предложенный подход позволяет вести добычу торфа на залежах с древесными включениями без предварительной корчевки, что снижает затраты на подготовительные работы и расширяет ресурсную базу малых предприятий.

адаптивная технологияповерхностно-послойное фрезерованиепогребенная древесинаторффракционный составфрезерующие машиныэффективность производстваadaptive technologylayer-by-layer surface millingembedded woodpeatparticle size distributionmilling machinesproduction efficiencyReferencesМихайлов А.В., Иванов С.Л., Габов В.В. Формирование и эффективное использование машинного парка торфодобывающих компаний. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2015;(14):82–91. https://doi.org/10.15593/2224-9923/2015.14.9Mikhailov A. V., Ivanov S. L., Gabov V. V. Creation and efficient operation of machine fleet in peat-processing companies. Bulletin of PNRPU. Geology. Oil & Gas Engineering & Mining. 2015;(14):82–91. (In Russ.) https://doi.org/10.15593/2224-9923/2015.14.9Гамаюнов С. Н., Зюзин Б. Ф. Рациональная технология малотоннажного производства фрезерного торфа. В: Сб. науч. тр. «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» – 15-я Международная конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. Т.2. Минск – Тула – Донецк, 29–30 октября 2019. Минск: БНТУ; 2019. C. 24–32.Gamayunov S. N., Zyuzin B. F. Rational technology for small-scale production of milled peat. In: Socio-Economic and Environmental Problems of the Mining Industry, Building and Energetics. Collected Scientific Papers The 15-st International Conference on the Mining Industry, Building and Power Engineering Problems. Vol. 2. Minsk – Tula – Donetsk, 29–30 October 2019. Minsk: Belarusian National Technical University; 2019. Pp. 24–32. (In Russ.)Антонов В.Я., Копенкин В.Д. Технология и комплексная механизация торфяного производства. М.: Недра; 1983. 287 с.Antonov V. Ya., Kopenkin V. D. Technology and comprehensive mechanization of peat production. Moscow: Nedra; 1983. 287 p. (In Russ.)Штин С.М. Исследования по резанию торфа и болотной древесины. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012;(6):374–376.Shtin S. M. Research on cutting of peat and swamp wood. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2012;(6):374–376. (In Russ.)Богатов Б.А., Никифоров В.А. Технология и комплексная механизация торфяного производства. Минск: Изд-во «Университетское»; 1988. 463 с.Bogatov B. A., Nikiforov V. A. Technology and comprehensive mechanization of peat production. Minsk: Publ. house "Universitetskoye"; 1988. 463 p. (In Russ.)Копенкин В.Д., Копенкина Л.В., Самсонов Л.Н. Развитие фрезерующих машин в торфяном производстве (анализ, перспективы). Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003;(10):201–207.Kopenkin V. D., Kopenkina L. V., Samsonov L. N. Development of milling machines in peat production (analysis, prospects). Mining Informational and Analytical Bulletin. 2003;(10):201–207. (In Russ.)Самсонов Л.Н. Фрезерование торфяной залежи. М.: Недра; 1985. 211 с.Samsonov L. N. Milling of peat deposit. Moscow: Nedra; 1985. 211 p. (In Russ.)Яконовская Т. Б., Жигульская А. И. Особенности оценки экономической безопасности предприятий торфодобывающей отрасли Тверского региона России (обзор отрасли). Горные науки и технологии. 2021;6(1):5–15. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-1-5-15Yakonovskaya T. B., Zhigulskaya A. I. Features of evaluating the economic security of peat industry enterprises in the Tver Region of Russia (the industry review). Mining Science and Technology (Russia). 2021;6(1):5–15. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-1-5-15Сергеев Ф.Г. Подготовка торфяных месторождений к эксплуатации и ремонт производственных площадей. М.: Недра; 1985. 256 с.Sergeev F. G. Preparation of peat deposits for exploitation and repair of production areas. Moscow: Nedra; 1985. 256 p. (In Russ.)Сарматов М.И., Кужман Г.И. Разработка пнистых залежей путем сплошного фрезерования торфа с древесными включениями. Труды Московского торфяного института. 1956;(4):39–69.Sarmatov M. I., Kuzhman G. I. Development of stump peat deposits by continuous milling of peat with wood inclusions. Proceedings of the Moscow Peat Institute. 1956;(4):39–69. (In Russ.)Нилов Н.В., Зюзин Б.Ф., Смирнов В.А. Взаимосвязь качественных и энергетических показателей работы фрезерующих устройств. В: Технология и комплексная механизация торфяного производства: межвуз. сб. науч. тр. Тверь: Тверской политехнический институт; 1994. С. 72–77.Nilov N. V., Zyuzin B. F., Smirnov V. A. Relationship between quality and energy performance of milling devices. In: Technology and Comprehensive Mechanization of Peat Production: Interuniversity Collection of Scientific Works. Tver: Tver Polytechnic Institute; 1994. Pp. 72–77. (In Russ.)Синицын В.Ф., Копенкина Л.В. История вопроса об энергетическом балансе процесса фрезерования. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014;(5):193–198.Sinitsyn V.F., Kopenkina L.V. The historical background about power balance of process of milling. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2014;(5):193–198. (In Russ.)Сарматов М.И. Сплошное фрезерование пнистого торфяного массива. Торфяная промышленность. 1948;(6):16–20.Sarmatov M. I. Continuous milling of stump peat mass. Peat Industry. 1948;(6):16–20. (In Russ.)Копенкина Л.В. Проектирование торфяных машин (к 100-летию ТвГТУ и кафедры технологических машин и оборудования). Вестник Тверского государственного технического университета. Серия «Технические науки». 2022;2(14):91‒99. https://doi.org/10.46573/2658-5030-2022-2-91-99Kopenkina L. V. Design of peat machines (to the 100 anniversaries of TSTU and the department of technological machines and equipment). Vestnik of Tver State Technical University. Series «Technical Science». 2022;2(14):91‒99. (In Russ.) https://doi.org/10.46573/2658-5030-2022-2-91-99Кондрахин В.П., Гутаревич В.О. Стохастическая математическая модель формирования усилия резания горных пород. Горные науки и технологии. 2026;11(1):80‒89. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2024-12-873Kondrakhin V.P., Gutarevich V.O. Stochastic mathematical model for rock cutting force generation. Mining Science and Technology (Russia). 2026;11(1):80-89. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2024-12-873Антонов В.Я., Малков Л.М., Гамаюнов Н.И. Технология полевой сушки торфа. М.: Недра; 1984. 239 с.Antonov V. Ya., Malkov L. M., Gamayunov N. I. Technology of field drying of peat. Moscow: Nedra; 1984. 239 p. (In Russ.)Юсов Д.С., Иванова П.В., Иванов С.Л. К вопросу об оценке параметров фрезерования погребенной древесины торфяного месторождения. Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2024;(28):140–147. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-28-140-147Yusov D. S., Ivanova P. V., Ivanov S. L. On the assessment of milling parameters for buried wood in a peat deposit. Transport, Mining and Construction Engineering: Science and Production. 2024;(28):140–147. (In Russ.) https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-28-140-147Marinov K., Kostov K., Peev D. Operational properties of forestry mulchers for cleaning field protection forest belts after sanitary cuttings. Silva Balcanica. 2023;24(2):59–81. https://doi.org/10.3897/silvabalcanica.24.e109161Marinov K., Kostov K., Peev D. Operational properties of forestry mulchers for cleaning field protection forest belts after sanitary cuttings. Silva Balcanica. 2023;24(2):59–81. https://doi.org/10.3897/silvabalcanica.24.e109161Лазарев А.В. Технология производства торфа. М.: Недра; 1974. 319 с.Lazarev A. V. Peat production technology. Moscow: Nedra; 1974. 319 p. (In Russ.)Сысоев Н. В., Худский Н. Н. Выбор режима фрезерования торфяной залежи безопорным фрезером. Труды ВНИИТП. 1981;(47):17–24.Sysoev N. V., Khudsky N. N. Selection of milling mode for peat deposit using an unsupported milling cutter. Proceedings of VNIITP. 1981;(47):17–24. (In Russ.)Durand S., Fonteno W. C., Michel J.-C. A review and analysis of particle size parameters and their relationships to physical properties of growing media. Soil Science Society of America Journal. 2024;88(3):652–666. https://doi.org/10.1002/saj2.20661Durand S., Fonteno W. C., Michel J.-C. A review and analysis of particle size parameters and their relationships to physical properties of growing media. Soil Science Society of America Journal. 2024;88(3):652–666. https://doi.org/10.1002/saj2.20661Покаместов В. В., Глаголев П. П., Лукьянов А. Д. Подготовка торфяных залежей глубоким фрезерованием и сушка фрезерного торфа в тонких слоях. Труды ВНИИТП. 1963;(21):3–95.Pokamestov V. V., Glagolev P. P., Lukyanov A. D. Preparation of peat deposits by deep milling and drying of milled peat in thin layers. Proceedings of VNIITP. 1963;(21):3–95.Misyukova A. D., Yankovsky S. A., Berikbolov A. K., Yankovskaya N. S. Thermal processing of blended fuels based on peat and dispersed wood to obtain biochar. Biomass Conversion and Biorefinery. 2025;15:15671–15682. https://doi.org/10.1007/s13399-024-06255-0Misyukova A. D., Yankovsky S. A., Berikbolov A. K., Yankovskaya N. S. Thermal processing of blended fuels based on peat and dispersed wood to obtain biochar. Biomass Conversion and Biorefinery. 2025;15:15671–15682. https://doi.org/10.1007/s13399-024-06255-0Karhunen A., Laihanen M., Ranta T. Possibilities to replace peat by domestic biomass. In: Proceedings of the 31st European Biomass Conference and Exhibition. Bologna, Italy: ETA-Florence; 2023. Pp. 281–283. https://doi.org/10.5071/31stEUBCE2023-1DV.4.14Karhunen A., Laihanen M., Ranta T. Possibilities to replace peat by domestic biomass. In: Proceedings of the 31st European Biomass Conference and Exhibition. Bologna, Italy: ETA-Florence; 2023. Pp. 281–283. https://doi.org/10.5071/31stEUBCE2023-1DV.4.14Сарматов М. И. Фреза для пнистой залежи. Торфяная промышленность. 1948;(2):3–7.Sarmatov M.I. Milling cutter for stump peat deposit. Peat Industry. 1948;(2):3–7. (In Russ.)Сарматов М. И. Фреза для пнистой залежи (продолжение). Торфяная промышленность. 1948;(3):8–13.Sarmatov M.I. Milling cutter for stump peat deposit (continuation). Peat Industry. 1948;(3):8–13. (In Russ.)Яблонев А. Л., Жуков Н. М. Расчет момента сопротивления фрезерованию торфяной залежи при попадании фрезы на пень и определения активной ширины рабочего органа. Вестник Тверского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2021;(2):51–61. https://doi.org/10.46573/2658-5030-2021-51-61Yablonev A. L., Zhukov N. M. Calculation of the moment of resistance to milling a peat layout when the miller hits a stump and determination of the active width of the working body. Vestnik of Tver State Technical University. Series Technical Science. 2021;(2):51–61. (In Russ.) https://doi.org/10.46573/2658-5030-2021-51-61Yablonev A. L., Misnikov O. S., Zhukov N. M. Analytical calculation of the coefficient of increasing the moment of resistance to milling the ground when the cutter hits the stump. Journal of Physics: Conference Series. 2022;2176(1):012054. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2176/1/012054Yablonev A. L., Misnikov O. S., Zhukov N. M. Analytical calculation of the coefficient of increasing the moment of resistance to milling the ground when the cutter hits the stump. Journal of Physics: Conference Series. 2022;2176(1):012054. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2176/1/012054Солопов С. Г., Горцакалян Л. О., Самсонов Л. Н., Цветков В. И. Торфяные машины и комплексы. М.: Недра; 1981. 416 с.Solopov S. G., Gortsakalyan L. O., Samsonov L. N., Tsvetkov V. I. Peat machines and complexes. Moscow: Nedra; 1981. 416 p. (In Russ.)Фомин К. В. Методика выбора оптимальных параметров и режимов работы торфяных фрезерующих агрегатов. Труды Инсторфа. 2014;9(62):30–36.Fomin K. V. The method of choosing the optimal parameters and operating modes of peat milling units. Trudy Instorfa. 2014;9(62):30–36. (In Russ.)Юсов Д. С., Иванова П. В., Иванов С. Л. Систематизация рабочих органов машин глубокого фрезерования. Горная промышленность. 2024;(3):85–89. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3-85-89Yusov D. S., Ivanova P. V., Ivanov S. L. Systematization of end effectors of deep milling machines for peat extraction. Russian Mining Industry. 2024;(3):85–89. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3-85-89Михайлов А. В., Лопатюк А. О., Шишлянников Д. И. Особенности процесса скоростного фрезерования торфяного массива. Известия вузов. Горный журнал. 2017;(2):25–31.Mikhailov A. V., Lopatiuk A. O., Shishliannikov D. I. Some peculiarities of peat massif highspeed milling process. News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2017;(2):25–31. (In Russ.)Фомин К. В. Расчет взаимных спектральных плотностей моментов сопротивления на рабочих органах торфяного фрезерующего агрегата. Записки Горного института. 2021;251:745–756. https://doi.org/10.31897/PMI.2021.5.14Fomin K. V. Mutual spectral densities calculation of the moments of resistance on the peat milling unit working bodies. Journal of Mining Institute. 2021;251:745–756. https://doi.org/10.31897/PMI.2021.5.14Фомин К. В. Моделирование нагрузок на рабочем органе торфяного фрезерующего агрегата с учетом погрешности расстановки режущих элементов. Горные науки и технологии. 2022;7(2):161–169. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-2-161-169Fomin K. V. Simulation of loads on operating device of peat-cutting unit with regard to errors in the cutting elements arrangement. Mining Science and Technology (Russia). 2022;7(2):161–169. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-2-161-169

The authors declare that there are no conflicts of interest present.