WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Гасымов Гасымали Шукюр

оглы Повышение эффективности валочно-пакетирующих машин на выборочных рубках леса

05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учной степени доктора технических наук

Йошкар-Ола – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С.М. Кирова» (ГОУ ВПО СПб. ГЛТА) Научный консультант – доктор технических наук, профессор Александров Валентин Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Полетайкин Владимир Фдорович, доктор технических наук, профессор Мазуркин Птр Матвеевич, доктор технических наук, профессор Базаров Сергей Михайлович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет». 169300 Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д.

Защита диссертации состоится « 12_» апреля 2011 г. в 1330 часов на заседании диссертационного совета Д 212.115.02 при Марийском государственном техническом университете по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3, МарГТУ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Марийского государственного технического университета (Мар ГТУ).

Автореферат размещн на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ http://vak.ed.gov.ru/ Автореферат разослан « » 2011 г.

Учный секретарь диссертационного совета Войтко П.Ф.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Прогнозирование технологий и техники лесозаготовок в стране указывает на то, что многооперационные машины, и прежде всего валочно-пакетирующие и валочно-трелвочные, остаются основными машинами и в ближайшей перспективе.

Таким образом, их модернизация, совершенствование с целью повышения производительности при высокой наджности является актуальной проблемой. Так как у современных многооперационных лесосечных машин до 80-85 процентов времени смены уходит на работу технологического оборудования, то естественно повышение производительности может быть достигнуто за счт повышения скоростей перемещения элементов технологического оборудования и форсирования пуско-тормозных режимов его работы.

В то же время теоретическими и экспериментальными исследованиями было выявлено, что именно пуско-тормозные режимы сопровождаются большими динамическими нагрузками в упругих связях серийно выпускаемых лесосечных машин. Причм установлено, что в отдельных случаях динамические нагрузки в несколько раз превышают силу тяжести пакетируемых деревьев.

Лесосечные машины по роду выполняемых технологических операций подобны грузоподъмным машинам (кранам, экскаваторам), однако их работа сопряжена с более значительными динамическими нагрузками, вследствие особенностей предмета труда – деревьев – упругих тел с распределнной массой и развитой кроной, обладающей большой парусностью. В то же время при сопоставлении основных параметров кранов, экскаваторов и лесосечных машин можно отметить, что если скорости подъма груза у них отличаются незначительно, то переходные режимы у кранов и экскаваторов более длительны. Это приводит к снижению ускорений груза при разгоне и торможении. Угловые скорости у лесосечных машин при переносе дерева поворотом манипулятора сопоставимы с угловыми скоростями поворота платформы кранов и экскаваторов. Однако, интенсивность пуско-тормозных режимов у лесосечных машин значительно выше. Вследствие больших ускорений уровень добавочных динамических нагрузок в лесосечных машинах при взаимодействии с деревьями составляет в среднем 0.35 – 0.50 статической нагрузки, тогда как в грузоподъмных машинах общепринято считать даже уровень 0.25 – 0.30 очень высоким.

На базе многооперационных лесосечных машин и прежде всего валочно-пакетирующих (ВПМ) создаются машины для ведения выборочных рубок и рубок ухода за лесом, а также валочно-сучкорезно-раскряжвочные машины (ВСРМ). С этой целью у базовых машин увеличивают вылет манипулятора, в конструкцию опорно-поворотного механизма вводят выравниватель платформы, а захватно-срезающего устройства (ЗСУ) накопитель и механизм дополнительного поворота его в плоскости перпендикулярной манипулятору (ВПМ), механизмы для протаскивания ствола и обрезки сучьев (ВСРМ).

Использование валочно-пакетирующих машин на выборочных рубках леса выявило ряд характерных особенностей протекания рабочих процессов при выполнении технологических операций. В отличие от ведения сплошных рубок часто возникают режимы стопорения элементов технологического оборудования, вследствии сплетения ветвей выносимого дерева с оставляемыми на лесосеке с последующим обрывом удерживающих связей (ветвей), наблюдаются также аварийные сбросы дерева (деревьев).

Если пуско-тормозные режимы в лесосечных машинах исследованы достаточно подробно, то режимы стопорения, характерные при работе ВПМ на выборочных рубках, с последующим обрывом удерживающих связей, аварийные сбросы дерева не изучались.

Не уделялось также внимание исследованию нагруженности силовых установок валочно-пакетирующих машин. Объясняется это тем, что в процессе предыдущих исследований лесосечных машин было выявлено значительное недоиспользование мощности силовых установок при работе манипуляторного технологического оборудования, а также и тем, что силовая установка воспринимает через привод нагрузки от работы технологического оборудования лишь в режимах разгона, которые протекают более благоприятно по сравнению с тормозными, при которых она отсоединена от него. В то же время, следует заметить, что нагруженность силовых установок лесосечных машин в режимах протаскивания ствола, обрезки сучьев и стопорения, которые также относятся к переходным процессам, не изучалась вообще.

Работа выполнена в рамках научно-технической проблемы «Разработка и внедрение автоматизированных систем оперативного планирования и управления лесозаготовительными предприятиями» по темам: «Разработка и внедрение комплекса валочно-пакетирующих машин для лесозаготовительных процессов», регистрационный номер 01860011632; «Разработка и обоснование параметров систем амортизации лесных и лесохозяйственных машин и оборудования», регистрационный номер 0198000152; «Повышение эффективности лесозаготовительных машин снижением динамических нагрузок и вибронагруженности операторов», регистрационный номер 01940000934.

Цель работы – повышение надежности валочно-пакетирующих машин на выборочных рубках леса при сокращении сроков их разработки и изготовления путм использования на этапе проектирования аналитических методов расчета и научно-обоснованного выбора параметров, обеспечивающих минимальные динамические нагрузки.

Из поставленной цели вытекают следующие задачи исследований:

1. Разработать математические модели для исследования нагруженности технологического оборудования и силовых установок валочно-пакетирующих машин, а также, выполненных на их базе, валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин /харвестеров/ в процессе ведения выборочных рубок.

2. Исследовать нагруженность валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин, в основных режимах работы.

3. Исследовать влияние технологических факторов на динамическую нагруженность ВПМ при ведении выборочных рубок леса.

4. Развить метод прогнозирования динамической нагруженности лесосечных машин.

5. Обосновать параметры валочно-пакетирующих машин и харвестеров, выполненных на их базе, обеспечивающие снижение динамических нагрузок при работе на выборочных рубках леса.

6. Разработать научные рекомендации на проектирование валочнопакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин для работы на выборочных рубках леса.

Объекты исследования. Объектами исследований являлись валочнопакетирующие машины ЛП-19А, ЛП-19Б-01 и валочно-сучкорезнораскряжвочные машины, выполненные на их базе.

Предмет исследования – нагруженность и закономерности, возникающие в процессе применения валочно-пакетирующих машин на выборочных рубках леса.

Методы исследования. В основу изучения рабочих процессов валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин и прогнозирования нагруженности положены: многофакторные модели динамических систем «ВПМ – дерево» и «ВСРМ – дерево», математическое моделирование операторской деятельности, вероятностно-статистические методы, компьютерные программы и эксперимент.

Научная новизна работы заключается в:

– разработке многофакторных математических моделей взаимодействия валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин с предметом труда – деревьями в режимах натяжения ствола, разгона, стопорения, аварийного сброса дерева, движения по лесосеке, очистки деревьев от сучьев, позволяющих исследовать на этапе проектирования нагруженность технологического оборудования и базы, а также силовых установок в процессе выполнения выборочных рубок леса;

– установлении основных закономерностей возникновения динамических нагрузок на технологическое оборудование и силовые установки, отличающихся учтом дополнительных факторов, возникающих при выборочных рубках;

– уточнении математического описания психофизиологической деятельности операторов по использованию технических скоростей технологического оборудования ВПМ при ведении выборочных рубок леса;

– дополнении методики прогнозирования предстоящей эксплуатационной нагруженности проектируемой валочно-пакетирующей машины новыми данными операторской деятельности по использованию технических скоростей и по числу включений элементов технологического оборудования на выборочных рубках леса;

– проведении комплексных исследований взаимодействия валочно-пакетирующих машин с внешней средой, предметом труда и оператором на основе использования математического моделирования, вероятностно-статистических методов и компьютерных программ.

Вклад в теорию и практику. Разработанные математические модели динамики валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин (харвестеров), результаты исследований дополняют теорию лесных машин и являются базой для дальнейшего совершенствования существующих конструкций и создания новых, а также являются составными элементами автоматизированной системы проектирования (САПР).

Использование в практике проектирования теоретических разработок, методик прогнозирования эксплуатационной нагруженности, составления программ стендовых ускоренных испытаний, самих стендовых испытаний позволяет:

– научно-обоснованно производить выбор основных параметров валочнопакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин для работы на выборочных рубках леса;

– повысить качество проектирования при сокращении его стоимости;

– сократить сроки создания и доводки лесосечных машин;

– снизить металломкость конструкций при повышении наджности.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели для исследования нагруженности технологического оборудования и базы валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезнораскряжвочных машин в режимах натяжения ствола, разгона, стопорения, ветрового воздействия, аварийного сброса пакетируемого дерева, движения через обособленные препятствия и по волоку.

2. Математические модели для исследования нагруженности силовых установок валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин в режимах разгона, стопорения, протаскивания ствола рябухами и очистки его от сучьев.

3. Результаты исследований динамики валочно-пакетирующих и валочносучкорезно-раскряжвочных машин при ведении выборочных рубок леса.

4. Закономерности возникновения динамических нагрузок в упругих связях механических систем при ведении выборочных рубок леса.

5. Теоретические обобщения динамики рабочих процессов валочно-пакетирующих машин при ведении сплошных и выборочных рубок леса.

6. Рекомендации по снижению динамической нагруженности валочнопакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных результатов, изложенных в диссертации, подтверждается использованием обоснованных расчтных схем, математических моделей, основанных на фундаментальных законах физики, удовлетворительным соответствием результатов расчта и экспериментального исследования. Оценка корректности разработанных моделей производилась методом сравнения теоретических и экспериментальных данных по максимальным и среднеквадратичным значениям выходных параметров моделируемых процессов, а также использованием критериев достоверности. Экспериментальные данные получены с применением современных метрологически проверенных измерительных средств и обоснованием длительности и количества опытов.

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Диссертация является результатом теоретических и экспериментальных исследований автора, который обосновал тему, определил цель и задачи исследований, проанализировал возможные компоновочнокинематические схемы валочно-пакетирующих машин для ведения выборочных рубок леса, разработал комплексы многофакторных математических моделей для изучения основных режимов работы валочно-пакетирующих и харвестерных машин, обосновал их оптимальные параметры и разработал научные рекомендации на проектирование и эффективное использование рассматриваемых машин для ведения выборочных рубок.

Реализация работы. Основные результаты внедрены на фирме ООО «Лестехком» / Йошкар-Олинский завод «Лесмаш» / в Республике Марий Эл, г. Йошкар-Ола и в учебные процессы Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии и Ухтинского государственного технического университета при чтении лекций по дисциплинам: «Моделирование технологических процессов лесных машин», «Моделирование технологических процессов лесохозяйственных машин»; выполнении курсовых работ и в дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности 1504«Машины и оборудование лесного комплекса»; написании магистерских диссертаций при подготовке магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Санкт-Петербургской лесотехнической академии (2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 и 2010 г.г.), Ухтинского государственного технического университета (2007 – 2009 г.г.), на семинарах в ФГУ С.Пб. НИИ лесного хозяйства (2002, 2003, 2004 г.г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в двух монографиях общим объмом 21 печ. лист, четырнадцати статьях, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных исследований соискателя учной степени доктора наук, учебном пособии, методических изданиях и в семи научно-исследовательских отчтах по темам с государственной регистрацией.

Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, 9 разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения. Общий объм работы составляет 462 страницы, из них 287 основного текста и страниц приложений. Работа включает 152 рисунка, 80 таблиц и 121 наименование использованных источников.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, задачи исследования, объекты, предмет и методы исследований, научная новизна, вклад в теорию и практику и основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Современное состояние вопроса механизации выборочных рубок леса В разделе рассмотрены машины для ведения выборочных рубок леса, приведена классификация валочно-пакетирующих машин по компоновке, проанализированы методы определения динамических нагрузок в грузоподъмных машинах. Обзор и анализ исследований по перспективам развития и нагруженности лесосечных машин, выполненных Александровым В.А., Алябьевым В.И., Безносенко П.Д., Бурмаком П.С., Жуковым А.В., Кушляевым В.Ф., Полетайкиным В.Ф., Рахманиным Г.А., Максимовым Л.П., Емтылем З.К., Ермольевым В.П., Мазуркиным П.М., Павловым А.И., Ширниным Ю.А., Татаренко А.П., Сюнвым В.С., Багаутдиновым И.Н. и другими, позволил сделать следующие выводы:

– Изучению динамики лесных машин с манипуляторами посвящено значительное число работ. В качестве метода исследований в большинстве работ принято математическое моделирование с использованием двух-трехмассовых расчетных схем.

– Исследованиями динамики многооперационных машин (валочно-трелевочных и валочно-пакетирующих машин) установлен высокий уровень добавочных динамических нагрузок в упругих связях, который достигает 0.25…0.статической нагрузки.

– На современном этапе механизации выборочных рубок леса, а также рубок ухода за лесом наблюдается тенденция использования многооперационных машин манипуляторного типа.

– При ведении выборочных рубок и рубок ухода за лесом вывод (вынос) кроны срезанного дерева из полога насаждений и перемещение дерева до технологического коридора вследствие сплетения (смыкания) ветвей сопровождается большими динамическими нагрузками на лесосечную машину.

– Режимы натяжения ствола, стопорения элементов технологического оборудования многооперационных лесосечных машин с последующим размыканием (обрывом) удерживающих связей, ветрового воздействия и аварийного сброса пакетируемого дерева из захватно-срезающего устройства ранее не изучались.

– Несмотря на большое число посвящнных динамике публикаций, нагруженность силовых установок лесосечных машин с манипуляторами остатся малоизученной. Нагруженность силовых установок валочно-пакетирующих и валочносучкорезно-раскряжвочных машин при ведении выборочных рубок не изучалась.

На основании изложенного и учитывая тенденции развития лесосечных машин в диссертации поставлены задачи исследований, приведенные на с. 4-автореферата.

2. Теоретические исследования нагруженности технологического оборудования и базы /шасси/ Теоретические исследования нагруженности технологического оборудования и базы /шасси/ валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин рассмотрены в разделах 2, 3 и подразделах 4.2, 4.3, 7.1, 7.3.

В них разработаны математические модели для исследования нагружений ВПМ в режимах: натяжения ствола, выведения срезанного дерева из древостоя поворотом манипулятора и платформы, стопорения с последующим обрывом связей, ветрового воздействия, аварийного сброса и движения по волоку. На рис. 1 приведены расчтные схемы динамических систем «ВПМ – дерево» для исследования вышеперечисленных режимов.

Принятые обозначения:

J1,J2,J3 и J4 – моменты инерции соответственно базы (схема а) и платформы (схемы в, г, е), опорной рамы остова (схема д); ЗСУ (схемы а, в, г) и захватно-срезающего устройства и дерева (схемы б, е), платформы (схема д); дерева (схемы а, в, г), манипулятора с ЗСУ (схемы д, е) и дерева (схема д);

J0 – момент инерции платформы;

0,1,2,3 и 4 – угловые координаты перемещения масс соответственно с моментами инерции J0,J1,J2,J3 и J4 ;

c0,c12,с23,сп,с34 – приведенные угловые жесткости соответственно корневой системы и нижней части ствола (схемы а, б), вершинной части дерева (схема в) и выравнивателя (схемы в, е); манипулятора (схемы а, б, в, г, е) и выравнивателя (схема д); манипулятора (схемы д, е) и дерева (схемы а, в, г); подвески остова и дерева (схема д);

Gд – сила тяжести дерева;

Р – усилие на штоке (штоках) гидроцилиндра (ов).

Математическое описание динамических систем в режимах натяжения ствола, стопорения и разгона соответственно представлено в виде дифференциальных уравнений пятого, четвртого и третьего порядков вида d5(2 1) d4 (2 1) d3(2 1) d2 (2 1) A B C 4 dt5 dt dt3 dt (1) d(2 1) D E(2 1) K, dt J3c12(c0с23 cс23 fпr2) J2(Gдhтсс12 с23fпr2) b где A ; B ;

c J2J3cс(J3c0 J2Gдhт )bсC ;

J2J3ccJ1с12(Gдhтс0с Gдhтсс23 Gдhтfпr2 с0сс23) (J1 J2)с12с23fпrD ;

J1J2J3cсb(Gдhтс0 Gдhтс23 с0с23) (Gдhтс0 Gдhтс23 с0с23)afпrЕ ; K .

J2J3c J2J3cc12r Частное решение уравнения (1) представляет собой приведенную статическую деформацию упругой связи «с12» 2 K/E.

Решение однородного дифференциального уравнения будет 1 C0et et(С1coskt C2sin kt) et(С3cosnt C4sin nt).

Максимальные (пиковые) угловые перемещения масс динамической системы в режиме ветрового воздействия найдутся как PhДc12c23c1 {[(cп c12 J1p2 )(c12 c23 J2p2 ) c12](c23 c34 J3p2 ) (cп c12 J1p2 )c2 }(c34 GДhT J4p2 ) c34[(cп c12 J1p2 ) , (c12 c23 J2p2 ) c12] PhДc12c23c34(cп c12 J1p2 ) 2 c12{{[(cп c12 J1p2 )(c12 c23 J2p2 ) c12](c23 c34 J3p2 ) (cп c12 J1p2 )c2 }(c34 GДhT J4p2 ) c34[(cп c12 J1p2 ) , (c12 c23 J2p2 ) c12]} (cп c12 J1p2)(c12 c23 J2p2) c12 3 1 (2) .

c12c Здесь Р – результирующая нагрузка от порывов ветра;

Рис. 1. Расчтные схемы для исследования нагруженности технологического оборудования и базы ВПМ в режимах:

а – натяжения ствола поворотом ЗСУ; б – натяжения ствола манипулятором;

в – стопорения; г – ветрового воздействия; д, е – движения по лесосеке hд – расстояние от центра давления до оси, проходящей через мгновенный центр вращения системы;

hт – расстояние от центра тяжести дерева до оси, проходящей через шарнир С;

р – частота колебаний.

Для работы ВПМ на выборочных рубках наиболее характерными случаями движения являются движение через обособленные неровности и движение по волоку со случайным микропрофилем.

При переезде обособленных неровностей внешнее возмущение аппроксимировалось в виде синусоиды 2 v p Z 2Z0 sin t, 0 t T, Sp где S0 – длина неровности; 2Z0 – высота неровности; T – период;

v – скорость движения.

Система дифференциальных уравнений в этом случае будет:

J11 c12(1 2 ) cп1 cп0, J22 c23(2 3 ) c12(1 2 ), (3) J33 c34(3 4 ) c23(2 3 ), J44 GДhT4 c34(3 4 ).

Решая систему уравнений, получим:

cп0 с12 1 ;

[(с12 сп) J1p2] c232[(GДhT с34) J4p2] 3 . (4) {[(c34 c23) J3p2][(GДhT с34) J4p2] c34} Подставляя значения для 1 и 3 в уравнение (2) системы (3), получим выражение для нахождения 2, то есть c12cп0{[(c34 c23) J3p2][(GДhT с34) J4p2] c34} 2 {[(c23 c12) J2p2][(c12 cп ) J1p2 ]{[(c34 c23) J3p2] (5) [(GДhT с34) J4p2 ] c34} c12{[(c34 c23) J3p2 ] .

[(GДhT с34) J4p2 ] c34} c2 [(GДhT с34) J4p2 ][(c12 cп ) J1p2]} Выражения (4) и (5) позволяют определить максимальные (пиковые) значения угловых перемещений масс механической системы и динамические моменты на ходовую систему, платформу и манипулятор.

При движении ВПМ по волоку система уравнений имеет вид 22 p2 2 22 p2 1 ( 21)1 ( p1 )1 2 2 210 p10, (6) 2 222 p22 221 p21 0.

2 Здесь 01 12 J21 ; 22 и ; 01, 02 – параметры затухания колебаний.

J1 J2 JПреобразуя по Лапласу, получено 22 p2 22 p2 S21(s) ( 21)S1(s) (p1 )1(s) S2(s) 2(s) (7) 21So (s) p1o (s), S22(s) 22S2(s) p22(s) 22S1(s) p21(s) 0, 2 где 1(s), 2(s) и 0(s) – Лапласовы изображения координат1, 2, и 0 ;

S i – комплексная частота.

Энергетические спектры нагруженности манипулятора и подвески корпуса машины от воздействий на движитель неровностей заданного спектра выразятся соответственно S2() W2(i) Sx (), (8) S1() W1(i) Sx ().

Здесь S1(), S2() – энергетические спектры параметров выходного процесса;

Sx () – энергетический спектр (спектральная плотность) возмущения;

4 p04 41W2(i) .

2 8 (b1 2b2)6 (2b4 b2 2b1b3)4 (b3 2b2b4)2 b2 [4 (b2 b6)2]2 [(b1 b5)3]W1(i) . (9) [4 b22 b4]2 [b13 b3]2b1 22 21 ; b2 (p2 412 p0 p2/);

2 2 2 b3 (21p2 22p0); b4 p0p2; b5 21 и b6 p0 412.

2 Окончательно нагруженность манипулятора и подвески платформы выразится энергетическими спектрами:

Sдоб.2 () (c12)2 W2(i) Sx (), М дин.

(10) Sдоб.1 () (c0)2 W1(i) Sx ().

М дин.

В результате исследований установлено, что натяжение ствола дерева поворотом ЗСУ или манипулятором сопровождается высокой динамической нагрузкой на манипулятор и базу ВПМ. Коэффициент динамичности нагрузки составляет 2.09…2.29. В целях снижения динамических нагрузок необходимо этот прим выполнять на минимальной скорости. Как уже отмечалось во введении, процесс выведения срезанного дерева из древостоя часто сопровождается стопорением элементов технологического оборудования вследствие сплетения ветвей выносимого дерева с оставляемыми на лесосеке с последующим обрывом удерживающих связей (ветвей), часто наблюдаются аварийные сбросы дерева (деревьев). Анализ результатов исследований (см.

табл. 1) показывает, что уровень динамических нагрузок в упругих связях ВПМ без выравнивателя платформы в режиме вывода дерева поворотом манипулятора (0.106…3.701 кНм) значительно ниже уровня нагрузок в ВПМ с выравнивателем платформы (4.511…143.571 кНм). В то же время необходимо отметить, что с введением в конструкцию ВПМ выравнивателя платформы существенно снизились угловые перемещения масс механической системы, которые у ВПМ без выравнивателя составляют 5.7…6.27о. С позиции потери устойчивости ВПМ это не является опасным. Однако при таких перемещениях корпуса возможен сход катков кареток с беговой дорожки гусеницы при возвращении на не. Исследованиями выявлено также влияние на динамические нагрузки в упругих связях ВПМ жесткости привода выравнивателя платформы. Установлено, что существенное влияние приведенной жесткости «с0» на динамические нагрузки проявляется лишь в диапазоне 2000…40кНм при вылете 5 и 8 м и 2000…6000 кНм при вылете 11 м. Дальнейшее увеличение жесткости «с0» не приводит к росту динамических нагрузок, а даже происходит их некоторое снижение.

Таблица 1 – Расчетные динамические характеристики механической системы «ВПМ – де рево» в режиме размыкания ветвей (L=8 м, 30 =0.1 1/с, ВПМ с выравнивателем) Частоты колебаний, Угловые перемещения масс, Динамические мо1/с рад менты, кНм Кд V,мmax max max р1 р2 р3 1 2 3 Мдоб.1 Мдоб.дин. дин.

0.50 3.72 9.28 98.82 -0.00155 -0.00232 -0.02661 24.565 -24.843 1.1.00 2.82 9.29 98.82 0.00201 0.00301 0.03534 -31.922 32.202 1.1.50 2.72 9.39 98.82 0.00267 0.00399 0.03658 -42.282 42.643 1.2.00 2.52 9.46 98.82 0.00326 0.00488 -0.03938 -51.782 52.202 1.2.50 2.50 9.58 98.82 0.00396 0.00592 -0.03970 -62.815 63.324 1.3.00 2.64 9.84 98.82 0.00531 0.00794 -0.03745 -84.192 84.917 1.3.50 2.67 10.05 98.82 0.00633 0.00947 -0.03693 -100.454 101.270 1.Вывод срезанного дерева из древостоя поворотом платформы в горизонтальной плоскости (маневрирование при размыкании ветвей) также сопровождается значительными динамическими нагрузками в упругих связях ВПМ. В зависимости от начальной угловой скорости дерева при размыкании ветвей, объма дерева и вылета манипулятора они составляют 4.73…147.кНм.

Режим работы – стопорение при выравнивании платформы (рис. 1, в) также сопровождается высокой нагруженностью. Коэффициенты динамичности в зависимости от объма пакетируемых деревьев достигает 2.0…2.71. В этой связи этот прим целесообразно применять лишь в исключительных случаях и при повороте платформы на скоростях ниже 0.025 рад/с. В то же время режим разгона при подъме дерева «с веса» платформой протекает без значительных нагрузок.

Ветровое воздействие передатся на ВПМ через предмет труда – дерево. Под воздействием порывов ветра дерево, как упругое тело, колеблется и вызывает колебания элементов технологического оборудования и базы машины. При работе ВПМ в условиях выборочных рубок возможны также неблагоприятные сочетания нагрузок, когда например, одновременно происходит обрыв связей после стопорения и воздействие порывов ветра и т.д.

Анализ результатов исследований показывает, что уровень динамической нагрузки (динамических моментов) на технологическое оборудование и базу ВПМ с выравнивателем платформы значителен. Так при пакетировании деревьев объмом 0.5…3.5 м3 добавочные динамические моменты на манипулятор составляют 2.099…10.99 кНм. При этом моменты, передаваемые на опорно-поворотное устройство и ходовую систему ВПМ, находятся в пределах 3.58…10.70 кНм. Невысокие значения коэффициентов динамичности объясняются большими статическими моментами от деревьев, манипулятора и ЗСУ.

В таблице 2 приведены некоторые результаты расчтов динамической нагрузки при аварийном сбросе деревьев. Анализ данных показывает, что при аварийном сбросе деревьев объмом 0.5…1.5 м3 начальная угловая скорость «подскока» масс в зависимости от вылета манипулятора находится в диапазоне 0.013…0.086 рад/с.

Динамические моменты в зависимости от вылета манипулятора составляют соответственно на манипулятор 49.92…69.86 кНм и 56.44…65.74 кНм на базу. При этом коэффициенты динамичности находятся в пределах 1.14…1.23.

В процессе исследований установлено существенное влияние демпфирующих сопротивлений на амплитуды колебаний нагрузки в обеих упругих связях. Уменьшение первой (максимальной) амплитуды происходит в среднем на 14-18%.

Таблица 2 – Расчетные динамические характеристики механической системы «ВПМ – дерево» в режиме аварийного сброса дерева (L = 8 м) Динамичес- Частоты колебаний, Угловые перемещения 20, Кд V,мкие моменты, V, 1/с масс, рад рад/c кНм сбр.

мmax max max д-ва р1 р2 р3 1 2 3 Мдоб.1 Мдоб.дин. дин.

1.0 2.652 9.287 98.82 0.0017 0.0023 0.0009 28.24 26.52 1.15 0.02 0.2.0 2.319 9.465 98.82 0.0026 0.0036 0.0012 44.35 42.10 1.15 0.03 1.3.0 2.445 9.843 98.82 0.0041 0.0056 0.0020 69.86 65.74 1.19 0.05 1.Результаты исследований процесса движения ВПМ через обособленные неровности показывают, что уровень динамических нагрузок (динамических моментов) на базу и ходовую систему, в зависимости от скорости движения при преодолении препятствий максимальной высоты (h=23 см), находится соответственно в диапазоне 166.51…282.6 кНм или 84.09…142.73 кН и 158.9…298.23 кНм или 105.94…198.82 кН (данные соответствуют условиям преодоления препятствий на вылете манипулятора L=8 м).

Уровень динамических моментов на технологическое оборудование (манипулятор) составляет 0.6…30.33 кНм при скоростях движения ВПМ 0.5…1.0 км/ч, что в переводе на динамическую нагрузку 0.12…3.8 кН. С увеличением же скорости движения машины до 1.5 – 2.0 км/ч уровень динамических нагрузок возрастает и достигает разрушительных величин.

Рис. 2. График зависимости угловых перемещений масс механической системы от скорости движения ВПМ (L=8 м) Рис. 3. Графики изменения динамических моментов в упругих связях от скорости движения ВПМ (L=8 м) На уровень динамических нагрузок, кроме снижения скорости движения машины, можно повлиять уменьшением вылета манипулятора или фиксированием ЗСУ на базе (раме).

При движении ВПМ по волоку со случайным микропрофилем в качестве входного воздействия принята спектральная плотность микропрофиля S(). Выходными параметрами – энергетические спектры динамических нагрузок на технологическое оборудование и корпус (базу) машины. На рис. 1, е приведена расчтная схема, соответствующая данному режиму работы.

Анализ амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) упругих деформаций манипулятора и корпуса, отражающих реакцию динамической системы на внешнее воздействие показывает, что основная полоса пропускания частот находится в диапазоне частот 3...12 с-. Максимальные значения приходятся на частоту 7 с-1 и 6 с-1. Появление одной резонансной области на АЧХ объясняется ограничением диапазона частот 0...20 с-. Последующие резонансные частоты лежат за его пределами. Особого интереса они не пред20 с-ставляют, так как частота вынужденных колебаний не превышает.

На рис. 4, 5 приведены энергетические спектры динамических нагрузок манипулятора и подвески базы. Характер кривых АЧХ (см. дисс.) показывает, что пиковые значения выходных параметров сдвинуты относительно максимальных значений внешних воздействий. Это указывает на уменьшение вероятности возникновения резонансных явлений. Характер протекания спектральных плотностей нагрузок элементов конструкций машины и микропрофиля лесосеки совпадает.

1 – L = 5 м; 2 – L = 2.5 м 1 – L = 5 м; 2 – L = 2.5 м Рис. 4. Энергетический спектр Рис. 5. Энергетический спектр нагрузок на манипулятор нагрузок на подвеску 3. Теоретические исследования нагруженности силовых установок валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин Теоретические исследования нагруженности силовых установок валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин рассмотрены в разделах 5,6 и подразделах 4.1, 7.2. Разработаны математические модели для изучения нагруженности силовых установок ВПМ и ВСРМ, выполненных на их базе, в режимах разгона при выравнивании платформы, разгона и стопорения при повороте платформы, перенесения дерева поворотом платформы и протяжки стволов рябухами (рис 6).

Принятые обозначения на рис. 6:

J1, J2,J3,J4 – приведенные моменты инерции соответственно кривошипношатунного механизма, маховика, сцепления и вращающихся частей гидрооборудования; платформы, манипулятора, ЗСУ и комлевой части дерева (схема а); платформы, манипулятора, ЗСУ и дерева (схема б), платформы (схема в), вращающихся частей гидромоторов и рябух (схема г); вершинной части дерева (схема а), манипулятора, ЗСУ и дерева (схема б), манипулятора и ЗСУ (схема в), дерева (схемы г, в);

1,2,3 и 4 – угловые координаты масс с моментами инерции J1, J2, J3 и J4 ;

c0,c12,с23, и с34 – приведенные угловые жесткости соответственно выравнивателя платформы (схема а), манипулятора и дерева (схема б); манипулятора (схема а), коленчатого вала, гидропередачи и редуктора (схема б), механизма привода платформы (схема в), привода рябух (схема г);

комлевой части дерева (схема а), манипулятора (схемы б, в), дерева (схемы г, в);

Gд – сила тяжести дерева;

m – масса дерева;

Fт – тяговое усилие, развиваемое рябухами;

Мд – крутящий момент, отбираемый от двигателя для привода гидронасоса;

Мс – момент сопротивления перемещению дерева;

Мс (t) – момент сопротивления вращению рябух.

Движения динамических систем во всех рассматриваемых случаях описывается дифференциальными уравнениями шестого, пятого, четвртого и третьего порядков вида VI VI V V IV IV (1 2 ) A(1 2 ) B(1 2 ) C(1 2) D(1 2) , (11) Е(1 2) Ж(1 2) К, где [J4fпr2ip(J2с23 J3с12) J4cс12k(J3с23 J2с34) J2J3cс12kс34] b A ; B ;

c J4J2J3cс12k b[J3J4с23 (J3 J4)J2с34] C ;

J2J3J4c {J3J4(J1 J2)с12c23fпr2ip (J3 J4)[J1J2с23c34fпr2ip D J3cс12kJ1с23c34 с12J1J3c34fпr2ip ] J1J2J4c34с23fпr2ip} ;

J1J2J3J4cс12k (J1 J2)с34с23fпr2ip (J3 J4)bс34сЕ ; Ж ;

J2J3J4c J1J2J3J4kc (J2Мд J1Мс)с34с23fпr2ip К .

J1J2J3J4cс12k Решение однородного уравнения (8) запишется как 1 et (C1coskt C2sin kt) et (C3cosnt C4sin nt) et (C5cost C6sin t).

В режиме протяжки стволов деревьев рябухами общее решение уравнения запишется в виде ДMc(t) C1sin p1t C2cosp1t C3sin p2t C4cosp2t sin kt. (12) k4 Ak2 B Рис. 6. Расчтные схемы для исследования нагруженности силовых установок ВПМ и ВСРМ в режимах:

а – разгона при выравнивании платформы; б – разгона и стопорения при повороте платформы; в – перенесения дерева поворотом платформы; г – протяжки стволов при очистке от сучьев При нулевых начальных условиях ДMck k2 p1 1 2 sin p1t [k4 Ak2 B]p1 p1 p2 ДMck(k2 p1 ) ДMc sin p2t sin kt.

[k4 Ak2 B](p1 p2)p2 [k4 Ak2 B] Здесь c12(J1 J2) c23(J2 J3) p1,2 2 J1J2 J2J3 c12(J1 J2) c23(J2 J3) c12c23(J1 J2 J3) ;

J2J3 J1J2J2 J1J 2 k , – скорость протяжки ствола, S S – расстояние между мутовками сучьев.

Добавочный динамический момент в упругой связи «с12» (нагрузка на силовую установку) определяется как МДоб. с12. (13) Дин.

Результирующая нагрузка на силовую установку будет равна М (10 )с12, (14) (J2 J3)Д где 10 .

c12(J1 J2 J3) Снижение числа оборотов (частоты вращения) коленчатого вала силовой установки определялось по формуле Nн n nн 9550. (15) M В выражении (15) обозначено:

nн – номинальная частота вращения коленчатого вала;

Nн – номинальная мощность двигателя;

M Mс МДоб. – суммарный (результирующий) момент, испытываемый Дин.

силовой установкой.

Коэффициент динамичности нагрузки определяется как M Kд , Mс – статический момент сопротивления.

Mс В результате исследований динамики ВПМ в режимах разгона при подъме «зависших» деревьев стрелой выявлено, что уровень приведнных динамических нагрузок (динамических моментов) в упругой связи «с12» находится в пределах 24.04…27.99 Нм. При этом коэффициенты динамичности составляют 1.08…1.22 при времени разгона равном 0.25 с. С увеличением времени разгона динамическая нагрузка значительно уменьшается и при tp 0.75...1.0 с становится малосущественной. Диапазон высоких и низких частот составляет соответственно 22.5…26.82 1/с и 2.75…2.85 1/с. При этом амплитуды колебаний нагрузки находятся в пределах 0.116…1.355 рад – для высокочастотной составляющей и 0.35…4.0 рад – для низкочастотной.

Мощность, отбираемая от силовой установки на привод стрелы не превышает 20.0…45.7 кВт (при L 5 м ). Несмотря на, казалось бы, благоприятное протекание пускового режима (динамические моменты не превышают 8…22% от статических моментов), тем не менее процесс подъма зависшего дерева стрелой сопровождается значительным снижением оборотов двигателя (115.1…269.5 об/мин) при tp 0.25 с. При увеличении скорости перемещения стрелы до 0.625 1/с, то есть равной угловой скорости поворота платформы, отбираемая мощность на привод возрастает примерно в 3 раза и вызывает необходимость увеличения мощности силовой установки ВПМ в 1.5 раза. Динамическая нагрузка также возрастает в 2.5…3.0 раза, однако коэффициенты динамичности остались практически прежними (увеличивается приведенный статический момент, так как iп 251.2 ).

Таким образом, увеличение угловой скорости перемещения стрелы манипулятора в 2-3 раза с позиций динамической нагруженности двигателя возможно. Однако целесообразность такого решения может быть установлена лишь дополнительными исследованиями динамических нагрузок в элементах манипулятора и психофизиологическими исследованиями возможностей человека-оператора работать на повышенных скоростях.

С увеличением вылета манипулятора ВПМ в режимах разгона наблюдается значительное увеличение динамической нагрузки на силовую установку, однако большого увеличения коэффициентов динамичности и снижения частоты вращения коленчатого вала не происходит вследствие одновременного увеличения отбираемой мощности двигателя на привод стрелы.

Таблица 3 – Расчтные динамические характеристики механической системы в режиме разгона при подъме дерева выравнивателем платформы (tp = 0.5 с; 2 = 0.1 с-1) L = 5 м L = 8 м L = 11 м V, МДоб., Мст, МДоб., Мст, МДоб., Мст, n, n, n, м3 Дин. Дин. Дин.

об/мин об/мин об/мин Нм Нм Нм Нм Нм Нм 0.5 3.77 89.17 61.47 13.54 136.30 136.14 22.00 183.44 161.1.0 9.44 103.18 59.30 17.04 159.87 145.10 24.14 215.92 151.1.5 9.89 118.47 116.23 18.12 183.44 135.45 28.55 248.41 155.2.0 11.63 133.12 121.17 19.89 207.00 132.09 29.96 280.89 145.2.5 13.75 148.41 127.80 22.90 231.21 135.80 33.00 313.37 143.3.0 14.27 163.06 121.33 25.62 254.77 137.68 35.26 346.49 139.В таблице 3 приведены результаты теоретических расчтов динамической нагруженности валочно-пакетирующей машины ЛП-19Б в режимах разгона при подъме дерева выравнивателем платформы. В процессе исследований варьировались вылет манипулятора, объмы выносимых из древостоя деревьев, время разгона платформы. Анализ результатов показывает, что режимы разгона при вылетах манипулятора 8…11 м сопровождаются динамической нагрузкой сопоставимой с нагрузкой при подъме зависшего дерева стрелой.

Уровень динамических нагрузок на силовую установку зависит от объма выносимого дерева, вылета манипулятора и интенсивности разгона масс механической системы.

Процесс выравнивания срезанного дерева поворотом ЗСУ протекает более благоприятно и не перегружает силовую установку ВПМ за исключением форсированных пусковых режимов, когда время разгона сокращается до 0.1…0.2 с.

Таблица 4 – Динамические характеристики ВСРМ в режиме разгона при перенесении дерева поворотом платформы (L=8 м; iп=194.4; V=2.0 м3) 1, рад/сХарактеристики Размерность 0.05 0.075 0.1 рад 0.002 0.003 0.0МДоб. Нм 31.31103 46.96103 62.61Дин.

МДоб. Нм 161.06 241.56 322.Дин. прив.

n, об/мин 89.5 202.6 296.Kд, – 1.26 1.39 1.Анализ данных исследований режима разгона при перенесении дерева поворотом платформы в горизонтальной плоскости показал (см. табл. 4), что уровень ускорений при пуске не должен превышать 0.075…0.10 рад/с2, так как при ускорениях свыше 0.1 рад/с2 происходит предельное снижение числа оборотов дизеля. Коэффициенты динамичности нагрузки составляют 1.26…1.52.

Таблица 5 – Расчетные динамические характеристики ВПМ в режиме стопорения при перенесении дерева поворотом платформы (L=8 м; iп=456.3; V=2.0 м3) 1, рад/с ХарактеристиРазмерность ки 11.41 22.82 45.1 рад 0.97 1.94 3. 1 рад/c2 118.4 236.72 473.МДоб. 123.66 247.22 494.Н м Дин.

n, об/мин 166.06 327.63 563.Kд, – 1.2 1.4 1.В таблице 5 приведены результаты исследований нагруженности силовой установки в режимах стопорения, из которых следует вывод – стопорение дерева на скоростях свыше 2 0.1 1/с (1 45.63 рад/с) приводит к большой динамической нагрузке на силовую установку ВПМ вплоть до полной остановки (см. рис. 7).

0.v n, 0 1 2 3 4 0.v n, v n, 0 1 2 3 4 v n, 10 1 2 3 4 v n, 12v n, 21.c v n, 0 1 2 3 4 1v n, Рис. 7. Графики изменения нагрузки на силовую установку при 1 11.41 1/c Исследованиями процесса очистки стволов деревьев от сучьев установлено, что уровень динамических моментов на силовую установку харвестера находится в диапазоне 210…480 Нм. Определяющее влияние на уровень до бавочной динамической нагрузки/ Mc (t)/ оказывает диаметр срезаемых сучьев. Динамическая нагрузка в стационарном периодическом режиме приводит к снижению частоты вращения коленчатого вала силовой установки на 200…480 об/мин, то есть выше предельно допускаемого (250…300 об/мин).

На рис. 8 приведены графики зависимости Mc(t), n и Kд от объма обрабатываемых деревьев.

Рис. 8. Графики зависимости Mc(t), n и Kд от объма обрабатываемых деревьев 4. Экспериментальные исследования динамики валочно-пакетирующих машин В разделе 8 приведены методики и результаты экспериментальных исследований нагруженности технологического оборудования, силовой установки ВПМ. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на натурном образце, включающем манипулятор трелвочного трактора ТБ-1, оснащнный захватно-срезающим устройством.

Экспериментальные исследования в производственных условиях проводились на серийно выпускаемой ВПМ ЛП-19А.

В соответствии с поставленными задачами, основными целями экспериментальных исследований являлись:

1. Определение уровня и характера динамических нагрузок в элементах манипулятора, опорно-поворотного механизма и привода ВПМ в режимах размыкания (обрыва) связей после стопорения, ветрового воздействия и аварийного сброса дерева (деревьев).

2. Установление нагруженности силовых установок ВПМ в режимах: вы- ведения срезанных деревьев из древостоя ходом машины; разгона и стопорения при подъме зависших деревьев; поворота дерева захватно-срезающим устройством или выравнивателем платформы.

3. Проверка адекватности теоретических расчтов экспериментальным данным (установление погрешности математического моделирования).

4. Выявление закономерностей возникновения динамических нагрузок в элементах ВПМ в исследуемых режимах нагружений.

5. Разработка рекомендаций по использованию математического моделирования в инженерных расчтах.

В процессе исследований замерялись: угловые перемещения элементов манипулятора, ЗСУ, опорно-поворотного механизма; давления в гидролиниях технологического оборудования и выравнивателя платформы; частоты вращения механизмов силовых установок (см. рис. 9). Запись регистрируемых параметров осуществлялась на осциллографе.

Рис. 9. Схема испытательного стенда:

1, 2, 3, 4, 5, 6 – датчики давления; 7 – датчик частоты вращения вала гидронасоса;

8, 9, 10, 11 – датчики угловых перемещений элементов манипулятора и ЗСУ На рис. 10 приведена типовая осциллограмма процесса подъма зависшего дерева стрелой манипулятора.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что в режимах стопорения при подъме (опускании) деревьев стрелой манипулятора на вылете L 5 м с последующим размыканием (освобождением) ветвей, добавочные динамические моменты и коэффициенты динамичности соответственно находятся в пределах: 2.87…7.07 кНм, 1.18…1.37. С уменьшением вылета манипулятора наблюдается некоторое снижение динамических нагрузок.

При переносе дерева поворотом манипулятора в горизонтальной плоскости в режимах стопорения с последующим размыканием ветвей наблюдается более высокий уровень динамической нагрузки (3.42…8.97 кНм). Происходит это в связи с более высокой начальной угловой скоростью ствола дерева после освобождения ветвей.

Уровень динамической нагрузки зависит от объма выводимого дерева, вылета манипулятора и начальной угловой скорости освобождаемого ствола, что подтверждает выводы, сделанные при теоретических исследованиях. Расхождение между расчтными и экспериментальными данными не превышает 12%. В режимах разгона при выравнивании стволов деревьев поворотом ЗСУ расхождение составляет:

– по коэффициенту динамичности 1.48…5.16%;

– по добавочному динамическому моменту 6.2…14.5%.

Рис. 9. Осциллограмма процесса подъма зависшего дерева стрелой манипулятора:

1, 2, 3, 4 – перемещения остова /базы/ ВПМ; 5, 6, 7 – соответственно угловые перемещения стрелы, рукояти, опорно-поворотного механизма; 8 – нагрузка на манипулятор (давление в приводе стрелы); 9 – частота вращения ведущего вала гидронасоса Экспериментальными исследованиями ВПМ в производственных условиях установлено, что уровень добавочных динамических моментов на силовую установку значителен и достигает 16.24…22.53 Нм. Это приводит к снижению частоты вращения коленчатого вала дизеля на 92.2…186.об/мин. В режимах стопорения при выносе деревьев больших объмов (2.5…3.0 м3) уровень динамической нагрузки на силовую установку ВПМ достигает 317.58…490.97 Нм, что составляет 51.2…79.2% от номинального крутящего момента дизеля.

Результаты экспериментальных исследований удовлетворительно сходятся с расчтными данными. Расхождение не превышает 7.5…12%.

5. Обоснование параметров ВПМ для работы на выборочных рубках леса В разделе 9 дан анализ нагруженности технологического оборудования и силовых установок ВПМ при ведении сплошных и выборочных рубок леса, приведены компоновочно-кинематические схемы ВПМ для ведения выборочных рубок леса, осуществлено прогнозирование нагруженности проектируемой ВПМ и выполнена оптимизация параметров ВПМ для ведения выборочных рубок леса.

Уровень динамической нагрузки в элементах ВПМ при выносе срезанного дерева из древостоя поворотом манипулятора в режимах стопорения с последующим размыканием упругих связей (обрывом ветвей) ниже нагрузок, воспринимаемых ВПМ при работе на сплошных рубках. В режимах стопорения при выносе дерева поворотом платформы с последующим размыканием ветвей сопоставим с нагрузками при сплошных рубках. С увеличением скоростей перемещения стволов деревьев после размыкания ветвей до 0.1 1/с и более и увеличением вылета манипулятора уровень добавочных динамических моментов превышает нагрузки при ведении сплошных рубок в 1.5…2.раза.

Выявлено, что при ведении выборочных рубок леса уровень добавочных динамических моментов на силовую установку при выносе деревьев на вылетах манипулятора 5…11 м сопоставим с уровнем нагрузок при ведении сплошных рубок леса. Снижение частоты вращения коленчатого вала силовой установки в режимах разгона находится в диапазоне 131.0…356.8 об/мин, в режимах стопорения уровень нагрузок в 1.5…2.0 раза выше.

Установлено, что на диапазоны используемых операторами технических скоростей элементов ВПМ на выборочных рубках леса влияют: объм деревьев, форма и размер кроны дерева, видимость, ветровое воздействие, накренение базы (машины без выравнивателя платформы), помехи, создаваемые оставляемыми на лесосеке деревьями.

Впервые получены данные по операторской деятельности при ведении выборочных рубок леса, представленные в виде обобщнных законов вероятностного распределения используемых технических скоростей и законов распределения числа включений элементов ВПМ.

Обобщнные законы вероятностного распределения используемых операторами технических скоростей элементов ВПМ типа ЛП-19А имеют вид:

при подъме дерева стрелой f() 0f(1) 3f(3) 4f(4) 5f(5) ; (16) 34f(7) 35f(8) 45f(10) 345f(14) при подтягивании дерева рукоятью f(( 0f(1) 3f(3) 4f(4) 5f(5) 6f(6) 34f(7) 35f(8) (17) 36f(9) 45f(10) 46f(11) 56f(12) 3456f(13).

В выражениях (16), (17) обозначено:

0 – вероятность частного полимодального закона, 1 (1 m1)2 2 (1 m2)2 f(1) exp exp ;

1 2 2 2 21 22 1, 2 – вероятности скоростных режимов, ограниченных объмом деревьев;

3 – вероятность частного закона распределения скоростей, ограниченных формой, размером кроны и ветровым воздействием;

4 – вероятность частного закона распределения скоростей, ограниченных накренением базы;

5 – вероятность частного закона распределения скоростей, ограниченных видимостью;

6 – вероятность частного закона распределения скоростей, ограниченных помехами, создаваемыми соседними деревьями.

Рис. 11. Режим работы – подъм Рис. 12. Режим работы – перемещедерева стрелой /ВПМ типа ЛП-19А/, ние дерева рукоятью /ВПМ с выраврайон Центр нивателем платформы/ Было также установлено в отличие от предыдущих исследований, что в нормальных условиях при отсутствии ветра, хорошей видимости и т.д. деревья небольшого объма перемещаются операторами с большей скоростью по сравнению с деревьями большого объма. Объясняется это тем, что небольшие деревья имеют менее развитую крону и в этой связи при выносе меньше соприкасаются (сцепляются) с кронами оставляемых деревьев.

На рис. 11 и 12 представлены расчтные обобщнные законы распределения скоростей в режимах подъма дерева стрелой и подтягивания рукоятью. Анализируя полученные экспериментальные данные по использованию операторами технических скоростей элементов манипулятора ВПМ, необходимо отметить, что скоростные диапазоны элементов манипулятора серийных машин в условиях ведения выборочных рубок леса используются не полностью.

Сравнивая полученные данные с ранее опубликованными при ведении сплошных рубок леса можно констатировать, что работа ВПМ на выборочных рубках носит более напряжнный характер как для оператора так и для машины. Так если при наведении ЗСУ на дерево при сплошных рубках операторы включают стрелу в среднем 1.49 раза, рукоять – 1.34; при пакетировании соответственно 1.37 и 1.1, то при работе на выборочных рубках эти показатели имеют соответственно следующие значения: при наведении стрелы – 3.8 раза, рукояти – 3.2 раза; при выносе дерева стрелы – 2.9 раза, рукояти – 2.0 раза.

На рис. 13 представлена схема модели «среда – человек – машина – дерево», дополненная кривой износа, позволяющая решать задачи, связанные с прогнозированием нагруженности, определением долговечности расчтным путм и с помощью стендовых ускоренных испытаний.

Рис. 13. Схема модели системы «среда – человек – машина – дерево» 6. Оптимизация параметров ВПМ Для оптимизации параметров ВПМ использован метод скользящего допуска, разработанный Д. Химмельблау. С учтом результатов исследований принято в качестве критериальной функции цели – минимум динамической нагрузки на манипулятор и машину в целом. В качестве исследуемых режимов приняты – режим вывода из древостоя дерева ходом машины и режим стопорения с последующим обрывом связей (размыканием ветвей и сучьев).

Задача оптимального выбора параметров ВПМ сформулирована следующим образом: возможно ли в некоторой окрестности значений параметров конструкции и привода найти такие значения, которые позволяют улучшить динамику машины. В качестве варьируемых параметров приняты жсткости стрелы, рукояти и привода манипулятора и платформы.

На механическую систему назначены ограничения:

В первом случае 5000 H м h1(Xn ) c12(1 2) 0, где c01 , с(c0 c12 J1p2) с(c12 c23 J2p2) (c23 Gдhт J3p2) c12c02 , с2 с(c0 c12 J1p2)(c12 c23 J2p2) (c23 Gдhт J3p2) (c0 c12 J1p2) и q1(Хn ) 0.

Во втором случае 50 кH м h1(Xn) c12(1 2) 0, где 1 А1sin(p1t 1) А2sin(p t 2) А3sin(p3t 3), 2 1А1sin(p1t 1) 2А2sin(p t 2) 3А3sin(p3t 3) и q1(Хn) 0.

В качестве последнего ограничения выступает предельно допускаемая деформация манипулятора – пред., то есть – пред. 0, с12 с12min, с12 – с12min0 и т.п.

Ориентируясь на предварительные исследования, принято в обоих случаях:

310с лин 6.5 см пред. 0 476.9 кН/м.

0.0 В таблице 6 приведены данные вычислений динамических характери- стик в режиме вывода из древостоя дерева ходом ВПМ заключительного симплекса. Из приведенных данных можно заключить, что оптимальными значениями угловых жсткостей манипулятора и выравнивателя платформы соответственно будут с12 = 12750 кНм и с0 = 16144.5 кНм.

Таблица 6 – Результаты вычислений заключительного симплекса Доб. 1 Доб. QДоб., 1, 2, № Х1 Х2 МДин., МДин., с12, , оп. (с12, Нм) (с0, Нм) см Н/м рад рад Н Нм Нм 1 12750103 16144.5103 0.0002101 -0.0001097 5054.4 3997.5 799.5 6.2 51012 12250103 16144.5103 0.0002800 -0.0001384 3971.4 5125.4 1025.1 6.5 49013 12500103 15711103 0.0002715 -0.0001383 4108.64 5122.5 1024.5 6.4 5001Общие выводы Совокупность выполненных исследований является законченной научно-квалификационной работой в которой изложены научно-обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие лесного сектора экономики страны.

Разработанные в диссертации комплексы многофакторных математических моделей позволили произвести оценку возможности с позиций нагруженности применения валочно-пакетирующих машин традиционной (классической) компоновки и с выравнивателем платформы для ведения выборочных рубок леса и сформулировать следующие выводы:

1. Изучению динамики лесосечных машин посвящено большое число публикаций, в то же время нагруженность валочно-пакетирующих машин в режимах стопорения при выведении срезанного дерева из древостоя с последующим размыканием (обрывом) удерживающих связей, ветрового воздействия и аварийного сброса дерева изучена недостаточно. Нагруженность силовых установок валочно-пакетирующих машин при ведении выборочных рубок леса не изучалась.

2. Наблюдениями за работой валочно-пакетирующих машин на выборочных рубках леса выявлено, что вследствие особенностей предмета труда – дерева и специфики применяемых технологий режимы стопорения относятся к наиболее нагруженным. Стопорение чаще всего происходит при выполнении технологических операций связанных с подъмом выносимого дерева стрелой или платформой, выводом из древостоя манипулятором или ходом машины, а также выравниванием ствола захватно-срезающим устройством. Уровень добавочной динамической нагрузки в упругих связях ВПМ достигает 0.25…0.35 статической нагрузки, уровень динамической нагрузки на силовую установку при выносе деревьев больших объмов (2.5…3.0 м3) находится в пределах 317.58…490.97 Нм, что составляет 51.2…79.2% от номинального крутящего момента дизеля.

3. Введение выравнивателя платформы в конструкцию ВПМ приводит к значительному росту динамических нагрузок в упругих связях машины, которые в зависимости от начальной угловой скорости дерева при размыкании ветвей, объма выводимого дерева и вылета манипулятора составляют 4.511…143.571 кНм (упругая связь «с12») и 4.550…144.488 кНм (упругая связь «с0»). Вместе с тем с введением в конструкцию ВПМ выравнивателя платформы существенно снижаются угловые перемещения масс механической системы.

4. Введение в подвеску ходовой системы ВПМ с выравнивателем платформы подрессоривания балансиров кареток приводит к существенному снижению динамической нагрузки, но одновременно увеличиваются угловые колебания остова, которые достигают 0.0213…0.0217 рад.

5. Аварийный сброс дерева из захватов ЗСУ сопровождается большими динамическими нагрузками в упругих связях ВПМ, которые сопоставимы с нагрузками при размыкании (обрыве) связей после стопорения. При этом величина динамических нагрузок зависит от начальной угловой скорости перемещения (подскока) масс системы, вылета манипулятора и объма остающихся в ЗСУ деревьев.

6. Пусковые режимы у серийно выпускаемых валочно-пакетирующих машин сопровождаются значительным, но не превышающим допускаемые пределы для дизельных силовых установок, снижением частоты вращения коленчатого вала. Уровень динамических нагрузок (добавочных динамических моментов) на силовые установки во многом определяется вылетом манипулятора, объмом выносимых из древостоя деревьев и интенсивностью пускового режима.

7. Отбираемая от силовой установки ВПМ мощность на привод технологического оборудования на вылетах манипулятора соответствующих наиболее вероятным значениям при сплошных рубках леса (5.4…6.09 м) не превышает 20.0…45.7 кВт, что составляет 19…45% от номинальной мощности. С увеличением вылета манипулятора до 8…11 м и соответственно скорости подъма дерева отбираемая мощность на привод технологического оборудования возрастает до 44.26…142.81 кВт, что уже превышает номинальную мощность серийной ВПМ ЛП-19А. Таким образом, дальнейшее увеличение вылета манипулятора у серийной ВПМ без увеличения мощности силовой установки возможно лишь за счт снижения грузоподъмности манипулятора.

8. Процесс вывода срезанного дерева из древостоя ходом ВПМ сопровождается высоким уровнем динамической нагрузки как на технологическое оборудование, так и на силовую установку, что приводит к существенному снижению числа оборотов коленчатого вала и повышенному расходу топлива. Снижения уровня нагрузок можно достичь сокращением вылета манипулятора и уменьшением скорости движения ВПМ до минимальной.

9. В процессе производственных исследований валочно-пакетирующей машины ЛП-19А выявлено, что высвобождение срезанного дерева от сплетения ветвей и сучьев при выводе его из древостоя увеличивает цикл обработки дерева на 7…12 с, то есть на 15.5…26.7%.

10. Установлено, что уровень динамической нагрузки в элементах ВПМ: при выносе срезанного дерева из древостоя поворотом манипулятора в режимах стопорения с последующим размыканием упругих связей ниже нагрузок, воспринимаемых ВПМ при работе на сплошных рубках; в режимах стопорения при выносе дерева поворотом платформы сопоставим с нагрузками при сплошных рубках; с увеличением скоростей перемещения стволов деревьев после размыкания ветвей до 0.1 1/с и более и увеличением вылета манипулятора превышает нагрузки при ведении сплошных рубок в 1.5…2.0 раза.

11. При ведении выборочных рубок леса уровень добавочных динамических моментов на силовую установку ВПМ при выносе деревьев на вылетах манипулятора 5…11 м сопоставим с уровнем нагрузок при ведении сплошных рубок леса, в режимах стопорения в 1.5…2.0 раза выше.

12. Психофизиологическая нагруженность операторов ВПМ при работе на выборочных рубках леса резко возрастает из-за ряда дополнительных природных и технологических факторов. Выявлено, что на диапазоны используемых операторами технических скоростей элементов ВПМ на выборочных рубках леса влияют: объм деревьев, форма и размер кроны, видимость, ветровое воздействие, накренение базы, помехи создаваемые оставляемыми на лесосеке деревьями.

13. Увеличение вылета манипулятора ВПМ в соответствии с требованиями лесоводов для эффективного ведения выборочных рубок до 17 м приводит к росту добавочных динамических нагрузок в среднем на 18…20%. В этой связи целесообразно снижать грузоподъмность манипулятора с 31 кН до 12…15 кН. Деревья объмом свыше 1.75…2.0 м3 (на лесосеке их не более 3…5%) на середине пасеки необходимо убирать бензиномоторными пилами.

14. Разработанные комплексы математических моделей для изучения динамики ВПМ при работе на постепенных и выборочных рубках леса с погрешностью 7.5…12% позволяют получить на стадии разработки конструкторской документации на машину данные о предстоящей нагруженности е технологического оборудования и силовой установки и произвести научно-обоснованный выбор совокупности параметров, обеспечивающих минимальные динамические нагрузки.

15. Экономический эффект от использования разработанных методов расчта и результатов проведнных исследований, складывающийся из экономии средств на стадии проектирования валочно-пакетирующих машин, их изготовления, испытаний и доводки, а также увеличения производительности за счт повышения наджности (увеличения межремонтного периода) составил в среднем 1.68 млн. рублей в год на одну машину.

Рекомендации 1. Для эффективного использования серийных валочно-пакетирующих машин на выборочных рубках леса необходимо: установить в конструкции манипулятора упор или разобщитель, позволяющие снизить начальную угловую скорость ствола и амплитуду колебаний выносимого дерева (последний одновременно позволяет сократить потери времени на высвобождение кроны выносимого дерева от оставляемых на лесосеке); установить в захватно-срезающем устройстве механизм протяжки ствола, позволяющий ввести дополнительную технологическую операцию по освобождению срезанного дерева от удерживающих ветвей и уменьшить протяжнность верхней колеблющейся части дерева.

2. Для снижения динамических нагрузок на силовую установку валочнопакетирующей машины целесообразно установить соединительную муфту с упругими и демпфирующими элементами между коленчатым валом и валом гидронасоса. При этом приведенная жсткость упругих элементов муфты должна быть в диапазоне 30.7…50 Нм.

3. С целью повышения устойчивости ВПМ против опрокидывания при увеличении вылета манипулятора свыше 8 м целесообразно в качестве противовеса использовать двигатель (силовую установку), установленный на раме с возможностью перемещения.

4. Для создания удобств оператору при работе на склонах или пересечнном рельефе целесообразно вместо введения в конструкцию ВПМ выравнивателя платформы вводить выравниватель кабины. В этом случае, вопервых, не требуется перемещать большую массу (около 20 т) и, вовторых, достигается снижение динамических нагрузок.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Гасымов Г.Ш. Нагруженность валочно-пакетирующих машин в режимах стопорения с последующим обрывом связей [Текст] / Г.Ш. Гасымов, В.А.

Александров // Повышение потенциальных свойств машин и механизмов лесного комплекса. Межвуз. сб. научн. тр. – С.Пб.: ЛТА. 2001. – С. 141-145.

2. Гасымов Г.Ш. Нагруженность валочно-пакетирующей машины от ветрового воздействия [Текст] / Г.Ш. Гасымов, В.А. Александров // Теоретические основы совершенствования лесных машин и оборудования. Межвуз. сб.

научн. тр. – С.Пб.: ЛТА. 2002. – С. 60-65.

3. Гасымов Г.Ш. Динамика валочно-пакетирующих машин в режиме аварийного сброса пакетируемого дерева [Текст] / Г.Ш. Гасымов, В.А. Александров // Межвуз. сб. научн. тр. – С.Пб.: ЛТА. 2003. – С. 53-60.

4. Гасымов Г.Ш. К вопросу нагруженности технологического оборудования ВПМ от неравномерности движения гусеницы [Текст] / Г.Ш. Гасымов. – С.Пб.: Известия С.Пб. ГЛТА, вып. 175, 2005. – С. 45-50.

5. Гасымов Г.Ш. Нагруженность силовой установки ВПМ при выведении срезанного дерева из древостоя е ходом [Текст] / Г.Ш. Гасымов, В.А. Александров. – С.Пб.: Известия С.Пб. ГЛТА, вып. 175, 2005. – С. 23-32.

6. Гасымов Г.Ш. Нагруженность силовой установки ВПМ в режимах разгона при выравнивании платформы [Текст] / Г.Ш. Гасымов, В.А. Александров. – С.Пб.: Известия С.Пб. ГЛТА, вып. 173, 2005. – С. 86-93.

7. Гасымов Г.Ш. Динамика ВПМ в режиме стопорения при выравнивании срезанного дерева ЗСУ [Текст] / Г.Ш. Гасымов, В.А. Александров. – С.Пб.: Известия С.Пб. ГЛТА, вып. 177, 2006. – С. 43-47.

8. Гасымов Г.Ш. К вопросу прогнозирования нагруженности ВПМ на постепенных и выборочных рубках леса [Текст] / Г.Ш. Гасымов, В.А. Александров. – С.Пб.: Известия С.Пб. ГЛТА, вып. 180, 2007. – С. 169-174.

9. Гасымов Г.Ш. Нагруженность ВПМ при выведении срезанного дерева из древостоя [Текст] / Г.Ш. Гасымов, В.А. Александров. – С.Пб.: Известия С.Пб. ГЛТА, вып. 179, 2007. – С. 64-68.

10. Гасымов Г.Ш. Компоновочно-кинематические схемы валочно-пакетирующих машин для ведения постепенных и выборочных рубок леса [Текст] / Г.Ш. Гасымов, В.А. Александров. – С.Пб.: Известия С.Пб. ГЛТА, вып. 181, 2008. – С. 71-79.

11. Гасымов Г.Ш. Нагруженность силовых установок харвестеров в процессе протяжки стволов деревьев [Текст] / Г.Ш. Гасымов. – С.Пб.: Известия С.Пб. ГЛТА, вып. 183, 2008. – С. 94-100.

12. Гасымов Г.Ш. К вопросу нагруженности ВПМ на постепенных и выборочных рубках леса [Текст] / Г.Ш. Гасымов. – С.Пб.: Известия С.Пб. ГЛТА, вып. 185, 2008. – С. 115-123.

13. Гасымов Г.Ш. Оценка возможности применения валочно-пакетирующих машин для ведения постепенных и выборочных рубок леса с позиции нагруженности [Текст] / Г.Ш. Гасымов. – С.Пб.: Известия С.Пб. ГЛТА, вып.

188, 2009. – С. 147-155.

14. Гасымов Г.Ш. Энергозатраты лесопромышленных машин в режимах пакетирования деревьев [Текст] / Г.Ш. Гасымов, А.В. Иванов. – С.Пб.: Известия С.Пб. ГЛТА, вып. 189, 2009. – С. 102-110.

Монографии:

15. Гасымов Г.Ш. Нагруженность валочно-пакетирующих машин на постепенных и выборочных рубках леса [Текст]: монография / Г.Ш. Гасымов, В.А. Александров. – С.Пб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2005. – 192 с.

16. Гасымов Г.Ш. Нагрузки в элементах конструкций валочно-пакетирующих машин [Текст]: монография / Г.Ш. Гасымов, В.А. Александров. – С.Пб.: Изд-во Политех. ун-та, 2009. – 155 с.

Учебные пособия:

17. Александров В.А. Моделирование технологических процессов лесохозяйственных машин [Текст]: учебное пособие / В.А. Александров, В.И. Варава, Г.Ш. Гасымов. – С.Пб.: С.Пб. ГЛТА, 2004. – 96 с.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.115.02 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. ЙошкарОла, пл. Ленина, 3, Марийский государственный технический университет, учному секретарю.

Факс (8-8362) 41-08-72, тел. (8-83-62) 41-72-68, 68-68-05.

ГАСЫМОВ ГАСЫМАЛИ ШУКЮР ОГЛЫ АВТОРЕФЕРАТ Подписано в печать с оригинал-макета 00.00.10.

Формат 6084/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Уч.-изд. л. 2,0. Печ. л. 2,25. Тираж 100 экз. Заказ №000. С Редакционно-издательский центр Марийского государственного технического университета 424006, г. Йошкар-Ола, ул. Панфилова,






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.