CC BY
41
К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»
Финляндии и Швеции [5], для заготовки лесосечных отходов целесообразно, чтобы лесосечные отходы находились в максимально сконцентрированном виде. В этой связи системы машин 3 и 6 предпочтительны, но эти системы машин занимают незначительную долю в общем объеме лесозаготовок. Распространение же сортиментной технологии на предприятиях Северо-Запада России (системы машин 5 и 4) требует применять дополнительные приемы при заготовке древесины для повышения плотности лесосечных отходов и формирования лесосечных отходов не на волоке, а рядом с волоком. Опыт Финляндии показывает, что существуют приемы работы харвестера, когда оператор формирует пачки сортиментов таким образом, чтобы лесосечные отходы не попадали на волок и при этом формировались с плотностью в 2-3 раза выше, чем плотность заготовки сортиментов, когда не принимается в расчет использование лесосечных отходов как ресурса для дальнейшей переработки [6, 7].
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 годы)», государственный контракт № 14.740.11.1106.
Библиографический список
1. Герасимов, Ю.Ю. Ресурсы древесного топлива Северо-Запада России / Ю.Ю. Герасимов, Т. Карья-лайнен // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - М.: МГУЛ, 2010. - № 4. - С. 12-13.
2. Карпачев, С.П. Количественная оценка лесосечных отходов после сортиментной заготовки леса харвестерами / С.П. Карпачев, Е.Н. Щербаков, А.Н. Сличенков // Лесопромышленник, 2010. -№ 4. - С. 29-31.
3. Сличенков, А.Н. Совершенствование технологии использования лесосечных отходов при сортиментной заготовке: дис. ... канд. техн. наук: 05.21.01 / А.Н. Сличенков Защищена 17.04.09. - М., 2009. - 180 с.
4. Сюнев, В.С. Лесосечные машины в фокусе биоэнергетики: конструкции, проектирование, расчет: учебное пособие / В.С. Сюнев, А.А. Селиверстов, Ю.Ю. Герасимов, А.П. Соколов. - йоэнсуу: НИИ леса Финляндии METLA, 2011. - 143 с.
5. Karha K. Industrial supply chains and production machinery of forest chips in Finland [Электронный ресурс] / K. Karha // Biomass and Bioenergy.
- 2010. - Режим доступа к статье: doi:10.1016/ j.biombioe.2010.11.016, свободный.
6. Markku K. Production technology of forest chips in Finland / K. Markku, A. Leinonen. - Finland: VTT Processes, 2005. - PRO2/P2032/05. - 97 p.
7. Hakkila P. Hakkuutahteen mahdollisuudet
energianlahteena. (Possibilitys of forest residue as an energy source) / P. Hakkila // Puuenergia. - 1998.
- № 3. - p. 8-9 (In Finnish).
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
конструкций кабин лесозаготовительных
МАШИН С УЧЕТОМ ПЛАСТИЧЕСКИХ дЕФОрМАцИЙ
А.В. ПИТУХИН, проф. каф. технологии металлов и ремонта ПетрГУ, д-р техн. наук,
И.Г. СКОБЦОВ, доц. каф. технологии металлов и ремонта ПетрГУ, канд. техн. наук
рынка, но и в обязательном порядке с учетом требований вышеуказанных стандартов.
ГОСТ Р ИСО 8082-2005 предусматривает проведение статических испытаний защитных устройств кабин лесозаготовительных машин, при этом опрокидывание заменяется на боковое нагружение.
Устройство защиты при опрокидывании ROPS (roll-over protective structure): система конструктивных элементов, смонтированных на машине, позволяющая уменьшить
При переходе к рыночной экономике большинство из действующих стандартов, определяющих требования к надежности, производительности и другим показателям эффективности лесозаготовительных и лесохозяйственных машин, были отменены. Остались действующими лишь стандарты, определяющие требования к показателям безопасности и эргономики [1-4]. Поэтому и проектирование лесных машин должно производиться не только с учетом требований
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
121
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
опасность нанесения повреждения оператору, пристегнутому ремнем безопасности, при опрокидывании машины.
Объем ограничения деформации DLV (deflection-limiting volume): размеры зоны, которые определяют предельно допустимую деформацию устройств защиты при опрокидывании.
Согласно требованиям стандарта, поглощенную энергию следует определять по графику «деформация - усилие», при этом в период испытаний ни один элемент ROPS не должен входить в DLV.
Выявлено, что на сегодняшний день на территории РФ действует только одна испытательная лаборатория, занимающаяся экспериментальной оценкой защитных свойств кабин лесозаготовительных машин, при этом испытания требуют больших затрат времени и средств. Существующие же в настоящее время методы расчета не позволяют даже качественно оценить на стадиях проектирования и доводки соответствие требуемых параметров безопасности защитных устройств оператора их нормативным значениям. Не разработаны методики, учитывающие пластические деформации защитных устройств, наличие возможных дефектов изготовления.
В связи с этим была поставлена задача создания математической модели напряженно-деформированного состояния защитно-
го устройства кабины лесозаготовительного трактора, позволяющей с учетом упруго-пластических деформаций оценить величину поглощаемой энергии при боковом нагружении.
Методика расчета упругопластических деформаций защитной рамы кабины колесного трелевочного трактора.
1) Определение величины бокового усилия F согласно требованиям ГОСТ Р ИСО 8082-2005
F = 60000(M/10000)12,
где M - масса колесной лесозаготовительной
машины, кг.
В работе расчет проводился для трактора ТЛК-4-01 массой M = 14500 кг. В этом случае величина бокового усилия составит F = 105 Н. Защитное устройство при этом должно поглотить энергию деформации не менее U = 12500(M/10000)125 = 12500(14500/10000)125 = 19890, Дж.
2) Построение методом конечных элементов (МКЭ) модели защитной рамы с приложением бокового усилия F (рис. 1). Защитная рама кабины трактора ТЛК-4-01 представляется в виде стержневой конструкции (сечение стержня - полый квадрат, опоры - в виде шарнирных закреплений) [5].
3) Решение упругой задачи в первом приближении, т.е. определение методом конечных элементов напряженно-деформиро-
Рис. 1. Конечно-элементная модель ROPS
122
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»
ванного состояния без учета пластического течения материала защитной рамы. Конечноэлементная модель с интенсивностью напряжений а1 первой итерации, построенная при помощи пакета прикладных программ «Зенит», представлена на рис. 1.
4) Определение переменных параметров упругости [6, 7, 9] согласно методу, предложенному И.А. Биргером
E * = E------'3ф-------;
2(1 + д) + (1 - 2д)ф
* = (1 + [Д) - (1 - 2^)Ф Ц 2(1 + д) + (1 - 2|д)ф ,
где Е - модуль Юнга;
ц - коэффициент Пуассона; ф - функция пластичности, определяющая зависимость параметров упругости от свойств пластического деформирования,
ф = а / s..
Здесь = а / а„ - относительная интен-
г T
сивность напряжений;
8 = s / £„ - относительная интенсив-
г г T
ность деформаций;
а, s - соответственно интенсивности
гг
напряжений и деформаций;
ат, sT - соответственно предел текучести материала защитной рамы (сталь 15ХСНД)
и деформация, соответствующая пределу текучести.
Расчет ведется по идеализированной диаграмме деформирования, построенной в координатах а - s (рис. 2), при этом ф = tgy при а > ат; ф = tga при а. < ат; tgP = Ej/E,
где Ej, E - модули упругости участков СА и ОС соответственно.
Окончательно для идеализированной диаграммы
Ф = 1
1, о, < от
О • tg Р
, ог > <°т.
0г - 1 + tg Р Таким образом, в нашем случае при начальном уровне интенсивности напряжений а1. = 691 МПа переменный модуль упругости составил E* = 6389 МПа.
5) Повторное решение задачи в упругой постановке МКЭ с использованием вычисленных значений E и ц . Определение интенсивности напряжений второй итерации а1.1 = 448 МПа и нового значения E* = 6054 МПа. В нашем случае уже на третьем приближении различие в значениях переменного модуля упругости несущественно и составляет A E = (6389 - 6054)/6389 • 100 % = 5,2 %.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
123
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
Таблица 1
Проверка однородности дисперсий результатов (энергия в джоулях)
№ серии № опыта U. 1 S2, 106 Дж2 G G кР
1 2 3
1 20687 27064 26405 24719 12,3
2 25739 18890 19127 21252 15,1 0,41 0,77
3 19784 16963 16594 17780 3,05
4 15690 19634 15283 16829 5,78
Таблица 2
Проверка адекватности
Параметр SSad, Дж2 Sад, Дж2 SSeocnp, Дж Sвоспр, F Fкр
U 3,85107 9,62-106 7,25-107 9,058-106 1,06 3,84
6) Совмещение модели DLV с конечно-элементной моделью защитного каркаса и определение предельной деформации ADLV, при которой происходит касание элементом ROPS зоны DLV (рис. 3). В нашем случае для защитного каркаса трелевочного трактора ТЛК-4-01 предельно допустимая деформация, соответствующая достижению DLV, составляет Adlv = 0,396 м (eDLV = 2,4 %).
^ DLV
^--------------=*
Г*-- 1
. I 1 / / 1 / /
!/
1:11:::::::: ie::;ie:
Рис. 3. К определению предельной деформации ADLV
7) Определение по диаграмме деформирования о - 8 величины энергии UDLV, поглощенной конструкцией защитного каркаса, соответствующей предельно допустимой деформации 8dlv. Для нашего случая величина поглощенной энергии составила UDLV = 20115 Дж.
8) Сравнение полученной величины энергии UDLV с величиной U, рекомендованной в соответствии с требованиями стандарта. Поскольку UDLV > U, значит энергопоглощающие свойства ROPS в нашем случае для колесного скиддера ТЛК 4-01 отвечают требованиям действующих стандартов.
результаты экспериментальных исследований
Поскольку при планировании эксперимента в основу определения числа опытов было положено стремление уменьшить суммарную случайную ошибку, было принято решение о проведении четырех серий опытов по три измерения в каждой серии (экспериментальные образцы защитных каркасов для каждой серии опытов изготавливались разными сварщиками).
Для проверки равноточности опытов, составляющих эксперимент, проверялась гипотеза об однородности ряда дисперсий каждой серии опытов [8, 10]. Дисперсии называются однородными, если они определены по выборкам, извлеченным из одной и той же генеральной совокупности. Проверка гипотезы осуществлялась по G-критерию Кочрена. Опытные данные, а также результаты проверки представлены в табл. 1.
124
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
