Обоснование рациональной ширины пасеки и расстояний между рабочими позициями форвардера Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

- одна из проблем при плотовом лесосплаве - это малые скорости буксировки плотов (70-90 км/сут). Решением этой проблемы может стать разработка новых конструкций плотов, выдерживающих большие сопротивления движению при больших скоростях буксировки, а также новых конструкций самих буксировщиков, имеющих лучшие тяговые характеристики;

- для доставки низкокачественной древесины и кусковых отходов потребителям по водным путям необходимо внедрять специальные емкости.

Сотрудниками кафедры транспорта леса разработаны способы и методы сплава древесины с недостаточной плавучестью с применением в качестве подплава специальных емкостей из различных водонепроницаемых материалов; количественная и качественная оценка затонувшей древесины на лесосплавных водоемах; экологическая оценка водных путей после лесосплава.

В настоящее время решение этих и других проблем по транспорту леса сотрудники кафедры выполняют с учеными других кафедр и предприятиями-заказчиками.

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ШИРИНЫ ПАСЕКИ И РАССТОЯНИЙ МЕЖДУ РАБОЧИМИ ПОЗИЦИЯМИ ФОРВАРДЕРА

Ю.А. ШИРНИН, проф., зав. каф. ТОЛПМарГТУ, д-р техн. наук,

К.П. РУКОМОЙНИКОВ, ст. преп. каф. ТОЛП МарГТУ, канд. техн. наук

Производительность лесозаготовительных машин с гидроманипулятором в значительной степени зависит от расстояний между пасечными волоками и между рабочими позициями машины при сборе пачки лесоматериалов. В работе [1] проведен аналитический расчет оптимальных параметров ленты, а также методика их экспериментального определения в различных природно-производственных условиях методами имитационного моделирования. Полученные в работе формулы обеспечивают максимум рабочей площади, а значит, и максимальный объем пачки, формируемой на стоянке. Однако оптимизация рассматриваемых показателей ведется исходя из максимума площади, обрабатываемой с одной рабочей позиции машины, и не учитывает такие важные для форвардеров элементы времени цикла, как время, затрачиваемое на переезды между рабочими позициями, и время перевода оборудования из транспортного положения в рабочее и наоборот. Отмеченные недостатки отсутствуют в работе [2], но данные исследования ориентированы на расчет рабочих параметров ленты при использовании машинной валки леса, имеющей существенные отличия от технологии, где ведущей машиной является форвардер. В связи с этим при

оптимизации рассматриваемых параметров применительно к работе машин для трелевки сортиментов необходимы дополнительные теоретические исследования, учитывающие особенности работы форвардеров.

При трелевке и вывозке сортиментов на рубках главного пользования могут выпиливаться крупные бревна, окучивание которых вручную невозможно. С другой стороны, любое перемещение бревен вручную сопряжено с риском получения травм, а при наличии соответствующей длины манипулятора форвардера целесообразно именно его использовать для сбора пачки. Работа машины при этом выполняется по схеме рис.1 а. На пасеке шириной А производится валка всех деревьев, предназначенных в рубку, с оставлением части древостоя и подроста. После обрезки сучья укладываются на волок. Сортименты после раскряжевки остаются на месте. Они собираются и укладываются манипулятором на грузовую платформу форвардера.

Время на сбор пачки сортиментов зависит от числа рабочих позиций. В свою очередь, число рабочих позиций обратно пропорционально площади, обрабатываемой форвардером с одной позиции. Схема к расчету площади представлена на рис.1 б.

Рис. 1. Схема разработки пасеки: 1 - пасечный волок; 2 - подрост; 3 - сучья; 4 - сортименты; 5 - форвардер

Если расстояние между рабочими позициями 1 и 2 а1 = 2Я, то остается необработанной площадь £н1, составляющая 27 % от обработанной площади. Снижение доли £н возможно двумя путями: уменьшением ширины обрабатываемой пасеки Д1 ^ А; уменьшением расстояния между рабочими позициями а1 ^ а2. Во втором случае появляется площадь двойного сегмента £п, которая может обрабатываться как со второй, так и с третьей рабочей позиции. Стопроцентной обрабатываемости пасеки можно достичь лишь при одновременном учете перечисленных способов.

Ширину разрабатываемой пасеки А можно найти, используя уравнение окружности:

ординаты точек С, Б пересечения окружно-

стей:

7 =-

х = ±

(4 • Я2 - а2 )12

2

(3)

(4)

(х - а)2 + (у - Ъ)2 = Я2 где а, Ъ - центр окружности.

х2 + у2 = Я2,

х2 +

(У - а )2 = Я2.

(1)

(2)

Решив систему уравнений (2) для двух заданных окружностей с центрами О1 (0, 0) и О2 (0, а) и радиусом Я, находим ко-

При использовании на трелевке фор-вардера необходимо учитывать, что для обеспечения надежного захвата лесоматериала, его подтаскивания и укладки на коники достаточно, чтобы в зоне действия манипулятора находилась лишь его часть, длина которой гарантирует возможность точного наведения грейфера и захват бревна. Учитывая различное расположение и угол валки деревьев, схему к расчету площади, обрабатываемой форвардером с одной рабочей позиции, можно изобразить в виде рис. 2, где показаны площади, обрабатываемые при минимальном и максимальном углах валки деревьев на пасеках. Анализируя данные схемы, можно сделать вывод, что обрабатываемая площадь, на которой расположены сортименты, полученные при раскряжевке хлыстов деревьев, сваленных под одинаковым острым углом к оси пасечного волока,

а

2

будет иметь овальную форму (рис. 2, а, б). Объединяя несколько расчетных схем, учитывающих максимальный и минимальный углы валки деревьев, и анализируя одновременно несколько смежных рабочих позиций (рис. 2, в), можно отметить, что ширина ленты, на которой обеспечивается сбор всех сортиментов, независимо от угла падения дерева, и предусматривается отсутствие необработанных площадей, будет равна.

A = V4 • R2 - a2 + L; (5)

где L = 2 • (i cop - jcop ) • sin с , (6)

где co - минимальный угол валки деревьев, находящихся на границе пасеки, град;

jcop - длина части лесоматериала, которая должна находиться в зоне действия манипулятора для обеспечения надежного захвата сортимента, м; €сор- длина сортимента, м.

В случае, если технология работы предусматривает подтаскивание манипулятором форвардера не полностью раскряжеванного хлыста, формула приобретает вид

L = 2 •x - jcop) •sin c°,

(7)

где 1х - длина хлыста, м.

На производительность форвардера значительное влияние оказывает время сбора пачки сортиментов, которое можно представить в виде формулы:

T =уMQ • td3 +

1 / 1 тг g d 3 y

+ -

V

g=1 cg

104 • M

q • a • k • z •(](■ R2 - a2)+ i)

V 1

x > -x

, Q

g=1 g

í

a

\

t +-+1

yp Q ym

\ p" J

(8)

где Qg - доля компонента определенной сор-тогруппы при сортировке на лесосеке в общем объеме заготавливаемой древесины;

Vcg - средний объем сортимента g - компонента, м3; М - средний объем трелюемой пачки, м3 г - число компонентов сортировки при

сборе пачки; (¿зу - время захвата сортимента и укладки

его на грузовую платформу, с; (ур, (ут - соответственно время установки технологического оборудования в рабочее положение и наоборот, с.

Изменяя расстояние между рабочими позициями, можно добиться снижения их числа, необходимого для сбора пачки, уменьшения времени цикла работы и, как следствие этого, повышения сменной производительности форвардера. Оптимальное значение а будет то, в котором время на сбор пачки является минимальным. Этот показатель можно вычислить, найдя и приравняв к нулю производную от выражения (8). Произведя преобразования, получим:

dT

104 • M

da q • k • (j 4 • R2 - a2 + L)

t +-

pn J

л/4 • R2 - a2 -(V4 • R2 - a2Ti)

4• L • R2 • t2 -Q2 -16• R4 • t2 -Q2 -

pm pn pm pn

-L • t2 -Q2 • a2 + 16• R2 • t2 •Q2 • a2 +

pm pn pm pn

+ 8• R2 • t • Q • a3 -4• t2 -Q2 • a4 -

pm pn pm pn

-4 • t •Q • a5 - a6 = 0,

pm pn ?

(9)

(10)

где (рт - время перевода технологического оборудования из рабочего положения в транспортное и наоборот.

Анализируя формулу (10), можно сделать вывод, что оптимальное расстояние между рабочими позициями зависит от технических характеристик машины, возможности их реализации, квалификации оператора и технологии работы, и может быть заранее рассчитано для любой марки машины, занятой на операции сбора и трелевки сортиментов.

a

t

х

a

Рис. 2. Расчетные схемы к определению оптимальной ширины пасеки и расстояний между рабочими позициями форвардера: а - при минимальном угле валки деревьев (с°), находящихся на границе пасеки; б - при максимальном угле валки деревьев в - комбинированная схема, учитывающая различное расположение сортиментов на пасеке: 1- форвардер; 2 - сортимент; 3, 4 - зоны действия манипулятора при различных углах падения дерева; направление штриховки соответствует направлению валки деревьев

б

а

в

Для нахождения оптимального расстояния между рабочими позициями решим данное уравнение, воспользовавшись методом Ньютона, предложенным для решения уравнений и-степени. Так как расстояние между рабочими позициями находится в

пределах Я < а < 2Я , то в качестве первого приближенного искомого значения оптимального расстояния между рабочими позициями примем а = 1,4Я .

При дальнейших расчетах получим:

t -3 R - (t -3 -(1,02-L2 - 0,0032-R2 )+ 0,21952-R3 )-3,76477-R5

„ Л Л П Pm Pn V Pm Pn V ' ' / ' / '

a = 1,4 • R--7-7----r--r---

t -3 •(( -3 •(0,448-R2 -1,4-L1 )-14,896-R3)-16,1347-R4

pm pn \ pm pn \ ' '/' / '

(11)

Для нахождения искомой величины с достаточной для практических расчетов степенью точности воспользуемся формулой

или a„ = a -

/ (a )

a = a - д <.

' / ' (a ) '

t -3 -(t -3 -(a2-(4-(4-R2 - a2)-L2)+ 4-R2-(l2 - 4-R2))-4-a3-(a2 - 2-R2))-«

pm pn \ pm pn \_V V_/_/_V_//_V_//

t"-3"~

pm pn \ pm pn \ \ \ / // V //

(12)

. (13)

При последующей замене а на ао может быть получено более точное значение оптимального расстояния между рабочими позициями форвардера, хотя для поиска оптимального а0, точность которого достаточна для практических целей, дополнительных подстановок ао вместо а не требуется. Подставив полученное значение в формулу (5), можно рассчитать оптимальное значение ширины пасеки.

Сравнение времени цикла сбора пачки, рассчитанного с учетом значений, полученных по предложенной математической зависимости, и времени цикла сбора пачки машинами кругового действия, рассчитанного с использованием формул для нахождения оптимальных значений а и А, предложенных в рассмотренных раннее исследованиях, позволило получить следующие результаты. При внедрении предложенного варианта время цикла сбора пачки сортиментов для вышеперечисленных машин сократится соответственно на величину 20; 12; 20; 12; 15; 25; 30 %. Например, расчетная сменная производительность форвардера ЛТ-189 повысится в данных условиях рабо-

3

ты машины с 99 до 116 м , что составляет 117 % от первоначального показателя, производительность Terri 2040D возрастет на 20 % c 60 до 72 м , производительность Ponsse S15, Farmi Trak 575F, Valmet 860 увеличится соответственно на 7; 8 и 15 %.

Полученная математическая зависимость позволяет учесть характерные условия применения машин, т.е. различные характеристики разрабатываемых лесосек, технологического процесса, способа разработки лесосеки, а значит, получить адекватные результаты. Внедрение рекомендаций по определению оптимальных значений а и А позволит повысить эффективность эксплуатации форвардеров.

Список литературы

1. Герц Э.Ф. Использование имитационных моделей полноповоротных лесозаготовительных машин при решении технологических задач / Э.Ф. Герц. - М.: Лесн. пром-сть. - 1996. - № 4-5. - С. 87-90.

2. Данилов Г.В. Об оптимальном режиме разработки лесосек валочно-пакетировочными машинами / Г.В. Данилов, В.В. Сабов, Л.В. Солоницын // Лесной журнал. - 1989. - №3. - С. 57-61.