Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Под экстремальными следует понимать условия лесозаготовок при которых: возрастает опасность получения травм персоналом рабочих; увеличивается нагрузка на элементы технологического оборудования; возникают препятствия, существенно снижающие проходимость и производительность лесосечных машин; невозможно использование типовых технологических схем разработки лесосек; затруднительно получение качественной продукции и др. [6].

К таковым условиям следует отнести лесные площади, требующие проведения рубок ухода, древостои на переувлажненых грунтах, в пересеченной местности и пораженные пожаром и другие.

Цель работы:обоснование конструкции и оценка энергоэффективностимашина для комбинированной трелевки в экстремальных условиях лесозаготовок.

Предмет исследования: комбинированный способ трелевки, при котором на первом этапе трелевка к магистральному волоку осуществляется лебедкой, что исключает необходимость движение машины по пасечным волокам и сохраняет лесную среду, а на втором этапе по магистральному волоку трелевка сортиментов осуществляется трактором с грузовым отсеком (форвардером).

Обрезка сучьев и раскряжевка выполняются у магистрального волока, при этом сучья используются для его укрепления.

При трелевке древесины с использованием лебедки на пути движения трелюемой пачки неизбежно встречаются различные препятствия в виде валежников, пеньков, неровностей почвы и т.д. Поэтому предпочтительней трелевку пачки хлыстов (деревьев) осуществлять с приподниманием ее переднего конца. Для этого необходимо высокое расположение опорного блока для тягового каната. Данная машина должна обладать возможностью быстройперенастройкой оборудования с лебедочной трелевки на тракторную, обеспечиваявысокую производительность, экологичност и умеренныеэнергозатраты.

Разработаныследующие технические решения для комбинированной трелевке древесины, в которых лебедка располагается на специальном технологическом модуле [2, 3].В первом техническом решении [2] на технологическом модуле располагается лебедка и складчатая рама для поднятия опорного блока, выполненная в виде пантографа, которая металлоемка и громоздка. Во втором[3]–опорный блок устанавливается на грейферный захват манипулятора. При этом затрачиваетсязначительное времяназапасовку и снятие тягового каната с опорного блока.

Предлагаемый вариант технического решения (рис. 1) заключается в том, чток энергическому модулю 1 с манипулятором 2, на конце которого установлен клещевой захват 3 присоединяется технологический модуль 4 с грузовым отсеком 5, лебедкой 6, устройством 7 для крепления опорного блока 8, грузовым канатом 9 и чокерами 10, крюками 11 и12 для подвешивания соответственно устройства 7 (рис. 2)и чокеров (рис. 3) на время, когда машина осуществляет второй этап трелевки.

Рис. 1.Машина для комбинированной трелевки лесоматериалов

Работа осуществляется следующим образом.Машина заезжает по магистральному волоку к очередной пасеке с поваленными деревьями (хлыстами) или с небольшими пачками, приготовленными валочно-пакетирующей машиной, чокеровщик снимает чокера с крюков 12 и устройство 7 для крепления опорного блока 8 с крюков 11, далее оператор, управляя манипулятором 2, захватывает клещевым захватом 3 устройство для крепления опорного блока, через который пропущен грузонесущий канат 9 и поднимает его на необходимую высоту. При расторможенной лебедке чокера вместе с концом грузонесущего каната опускаются на поверхность под собственным весом и растаскиваютсячокеровщикомпо пасечному волоку до места формирования пачки деревьев (хлыстов). Затем чокерами 10 чокеруются поваленные деревья (хлысты); включается установленная на технологическом модуле лебедка на наматывание грузонесущего каната, деревья (хлысты) формируются в пачки и подтрелевываются к магистральному волоку, где их отцепляют и оставляют для дальнейшей обработки. Далее цикл повторяется до тех пор, пока не будут подтрелеваны к магистральному волоку все деревья или небольшие пачки с пасеки. Машина лесозаготовительная переезжает к другой пасеке и цикл подтрелевки повторяется выше описанным способом с других пасек.После обработки всех пасек оператор манипулятором опускает клещевой захват, путем его раскрытия освобождает устройство для крепления опорного блока.Далее чокеровщик и операторукладывают на соответствующие крюки крепление для опорного блока и чокера. Машины готова к трелевке сортиментов.

За это время в соответствии с технологическим процессом деревья очищаются от сучьев, а хлысты раскряжевываются любым из известных способов. После обрезки сучьев и раскряжевки подтрелеваннойдревесины с пасек, примыкающих к магистральному волоку, машина осуществляет погрузку сортиментов клещевым захватом в грузовой отсек технологического модуля и трелевку их на верхний склад или лесопогрузочный пункт.

По сравнению с работой других конструкций машин [4, 5] появились новые технологические элементы обусловленные выше описанной конструкцией, а именно: снятие с крюков устройство для крепления опорного блока (УКОБ), приведение манипулятора из рабочего положение в положение для захватаУКОБ, приведение манипулятора в рабочее положение для осуществления первого этапа трелевки, приведение манипулятора из рабочего положение в положение для освобождения захвата от УКОБ, установка в транспортное положение УКОБ.

Наряду с другими преимуществами предлагаемое техническое решение должно существенно экономить энергозатраты на процессы. Ниже приводится методика их расчета.

Удельные затраты энергии (УЗЭ,кВт ч/м3) на снятие с крюков УКОБ

,                                                                                                      (1)

где Gуоб – сила тяжести УКОБ, кН;Gраб – сила тяжести рабочего, кН;qк – сила тяжести 1-го погонного метра каната, кН/м; s – длина трелевочного каната, помещенного в устройство для крепления опорного блока, м;Gч – сила тяжести чокеров, кН;ρ – расстояние от место снятия до место захвата УКОБ, м; Q – объем древесины на делянке, м3 (Q = S∙q, где S–площадь делянки, м2; S = A∙B, A–ширина делянки, м; В – длина делянки, м); Wч – коэффициент сопротивления движению рабочих, снимающихУКОБ с крюков; ψч – коэффициент, учитывающий увеличение расхода энергии за счет непроизводительных движений рабочих, снимающихУКОБ и несущих его до места захвата.

УЗЭ на захват грейфером УКОБ и приведение манипулятора в рабочее положение

,                                                                                             (2)

где Gс, Gр, – силы тяжести соответственно стрелы и рукояти манипулятора, кН; Gг – сила тяжести грейферного захвата, кН; βс, βр, βг – коэффициенты, учитывающие увеличение расхода энергии за счет трения в шарнирах соответственно стрелы, рукояти и грейферного захвата манипулятора; lх.п.с, lх.п.р, lх.п.к– ход поршня гидроцилиндра соответственно стрелы, рукояти и привода клещевин, м;ηгз – КПД передачи энергии от двигателя к грейферному захвату.

УЗЭ на установку в транспортное положение УКОБ и манипулятора

.                                  (3)

УЗЭ:на переход машины между пасеками(Эп.м),на установку машины на рабочую позицию(Эу.м),на растаскивание каната(Эр.к), начокеровку и снятие чокеров со стволовна формирование и трелевку пачки (Эт), (в кВт ч/м3)изложены в[4, 5]. С учетом этого общая сумма УЗЭ на первую стадию трелевки в расчете на 1м3 подтрелеванной древесины составит

=+ +

2∙ + 2∙ +  +

 + .                                                               (4)

гдеGм– сила тяжести машины, кН; q – запас леса на 1 га, м3/га;Δ – ширина пасеки (расстояние перехода), м; с – длина пасеки, м;Wм – коэффициент сопротивления движению машины; ψм – коэффициент, учитывающий увеличение расхода энергии за счет непроизводительных движений машины; ηм – КПД передачи энергии от двигателя к ходовой части машины; r – суммарная длина маневров при установки машины у дерева-мачты, м; β – коэффициент учитывающий силу трения между канатом и барабаном лебедки и канатом и блоком; Мп – объем трелюемой пачки, м3; ψр – коэффициент, учитывающий возращение рабочего (ψр = 2); ψчок – коэффициент, учитывающий увеличение расхода энергии на непроизводительные движения;k – коэффициент распределения веса пачки между чокерами и волоком (учитывается при подъеме переднего конца пачки); ηл – КПД передачи энергии от двигателя к лебедке; Wц – коэффициент сопротивления вращению блока в цапфах; T – равнодействующая сил натяжения набегающей и сбегающей ветвей каната опорного блока, кН; Gп=γ·Мп – сила тяжести трелюемой пачки деревьев, кН, (γ – объемный вес древесины, кН/м3).Здесь берется среднее расстояние трелевки – с/2.

УЗЭ при трелевке сортиментов складываются из: Эп.с– УЗЭ на погрузку сортиментов в грузовой отсек; Эд.г– УЗЭ движение в грузовом направлении; Эв.с– УЗЭ на выгрузку сортиментов на погрузочном пункте.

УЗЭна погрузку сортиментов

Эп.с = Эп.к+ Эд.м,

где Эп.к, Эд.м– затраты энергии, соответственно, на погрузку пачек, движение манипулятора при погрузке, кВт∙ч/м3.

Тогда

Эп.с = Эп.к + Эд.м =

,                                               (5)

где Gпс = Mc∙γ – сила тяжести пачки сортиментов, кН;Gср – вес стрелы с рукоятью, кН; Gп.м– вес поворотной части манипулятора, кН; ψп.м– коэффициенты, учитывающие увеличение расхода энергии за счет непроизводительных движений поворотной части манипулятора;ψс – коэффициенты, учитывающие увеличение расхода энергии за счет непроизводительных движений стрелы с рукоятью; hп – средняя высота подъема пачки при ее погрузке, м; rп – расстояние от вертикальной оси поворота платформы до центра сечения пачки, м; rп.ч– расстояние от вертикальной оси поворота колоны до центра тяжести поворотной части манипулятора, м;rс – расстояние по горизонтали от оси поворота стрелы до центра ее тяжести, м; λк,λс – угол поворота, соответственно, колоны с манипулятором в горизонтальной плоскости и стрелы с рукоятью в вертикальной плоскости, рад;μ1 – коэффициент трения платформы манипулятора о поворотный круг; m2 = Mc/Qc – число циклов погрузки (выгрузки) одной пачки; Qc – объем сортиментов, погружаемых (выгружаемых) манипулятором за один прием, м3;ηс – КПД передачи энергии от двигателя к механизму поворота платформы; ηп.в– КПД передачи энергии от двигателя к механизму управления манипулятором.

УЗЭ при движении ТМго в грузовом направлении

,                                                                       (6)

где Мс – объем пачки сортиментов, м3; lс – среднее расстояние трелевки, м.

УЗЭна разгрузку древесины

,                                    (7)

В выше приведенных выражениях:

,

где Fм – грузоподъемность манипулятора, кН; φм – коэффициент использования грузоподъемности манипулятора.

Общая суммаУЗЭпри трелевке составит

Эобщ= Эп.с+ Эд.г+ Эв.с= + +                                  (8)

Ниже приведены расчеты и графики рис. 4 при следующих значениях: V = 0,25 м3; q = 140 м3/га; ψч = 1,1; ρ = 2 м; Gм = 100 кН;Δ = 50 м; с = 100 м; Wм = 0,2; ψм = 1,3; ηм = 0,75; r = 10 м; Gс = 6 кН; Gр = 6 кН; Gг = 1,3 кН; βс = 1,05; βр = 1,05; βг = 1,05; lх.п.с= 0,7 м; lх.п.р= 0,7 м; lх.п.к= 0,15 м;ηгз = 0,7;Gраб = 1,6 кН; qк = 0,012 кН/м; s = 1,5 м;Gч = 0,018 кН; β = 1,05; Мп = 3,5 м3; Мс = 8 м3;ψчок = 1,05; k = 0,6;A=250 м; В = 500 м; ψр = 1,05; ηл = 0,7; Wц = 1,05; T = 0,2 кН; γ = 8,4 кН/м3; ψс = 1,05; hп = 2,7 м; rп = 3 м; rп.ч= 1,5 м; rс = 4 м; μ1 = 1,1; λк = 1,4 рад; λс = 0,7 рад;ψп.м = 1,05;ηс = 0,75; ηп.в= 0,7; Wч = 1,05;ψч = 1,05;Gп= 67,2 кН;Gср = 12 кН;lх.п= 0,7 м;µ2 = 1,1;lс = 5 м;Gп.м = 4 кН;Gуоб = 3кН.

а                                                                                                         б

Рис. 4. Зависимость удельных энергозатрат от:а – запаса леса на 1 га, б – силы тяжести машины

Выводы

1.    В экстремальных условиях лесозаготовок рекомендуется использовать комбинированный способ трелевки существенно сокращающий маршруты движения машин по лесосеке.

2.    Предлагаемая конструкция трелевочной машины обеспечивает комбинированный способ трелевки. Технологическое оборудование для обеспечение первой стадии – лебедочной трелевки не сложно в изготовлении и незначительно по массе.

3.    Изложенные математические модели дают возможность подбирать сбалансированные характеристики форвардера и дополнительного технологического оборудования с прогнозом затрат энергии в условиях эксплуатации.

Работа выполнена при финансовой поддержки государственного задания № 2014 / 82 на тему «Теория расчета энергозатрат при осуществлении механических операции технологических процессов».

Войтко П.Ф.,  д.т.н., профессор, декан лесопромышленного факультета, профессор, сведения об учреждении ФГБОУ ВПО Поволжский государственный технологический университет, г. Йошкар-Ола;

Полянин И.А., д.т.н., доцент,профессор, сведения об учреждении ФГБОУ ВПО Поволжский государственный технологический университет, г. Йошкар-Ола.