CC BY
144
М7.5 - обоснования потребного количества тракторов переменного тягового класса на 1000 га пашни при разной длине гона.
Ограничениями выступают допустимая степень использования тягового усилия < 1 и оптимальная ширина захвата агрегата Вор1;1 <
Выводы
1. Разработана структурная схема многоуровневой системы адаптации энергонасыщенных тракторов к условиям функционирования агрегатов для основной обработки почвы с рассмотрением в качестве взаимосвязанных элементов, требующих оптимизации параметров и режимов работы двигателя, трактора и агрегата в целом.
2. Для достижения цели адаптации тракторов с переменными массоэнергетическими параметрами к природно-производственным условиям разработана методология моделирования с использованием обоснованных параметров-адаптеров, критериев и ограничений на установленных уровнях оптимизации.
Литература
1. Селиванов Н.И. Эффективное использование энергонасыщенных тракторов; Краснояр. гос. аграр. ун-т.
- Красноярск, 2008. - 228 с.
2. Основы теории мобильных сельскохозяйственных агрегатов / В.А. Самсонов [и др.]. - М.: Колос, 2004.
- 248 с.
УДК 630*32; 630* 36 А.Н. Сухих, В.А. Иванов, С.М. Сыромаха
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ В УСЛОВИЯХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ
Предлагаются модели аутригера и лесозаготовительной машины с раздельным размещением навесного технологического оборудования для валки, пакетирования и пачковой трелевки.
Предлагаемые авторские разработки позволят повысить эффективность лесозаготовительного производства.
Ключевые слова: лесозаготовительные машины, конструкция, оптимизация, модель, Иркутская область.
A.N. Sukhikh, V.A. Ivanov, S.M. Syromakha SUBSTANTIATION OF THE UNIVERSAL LOGGING MACHINE TECHNOLOGICAL PARAMETERS IN THE LOGGING PRODUCTION CONDITIONS IN IRKUTSK REGION
Outrigger and logging machine models with separate placing of the hinged technological equipment for felling, packing and banding logging are offered.
The offered by the authors developments will allow to increase logging production efficiency.
Key words: logging machines, design, optimization, model, Irkutsk Region.
В настоящее время при заготовке древесины все больше используются специализированные машины российского и зарубежного производства. Такие машины оснащаются двигателями большой мощностью, имеют высокую производительность, эргономичны, но в то же время цена таких машин очень высокая. Для небольших предприятий, занимающихся рубками ухода или с малым объемом заготовки, покупка дорогих машин нецелесообразна. Универсальная лесная машина позволит выполнять несколько технологических операций
по заготовке леса. Одним из вариантов решения такой проблемы является использование уже существующих, хорошо зарекомендовавших себя машин российского производства с применением различного навесного оборудования. Предлагаемая модель универсальной лесозаготовительной машины позволит успешно работать предприятиям с небольшими объемами заготовки.
Предлагаемые авторские разработки позволяют повысить эффективность лесозаготовительного производства. Конструкция технологического оборудования также дает возможность расширенного использования данного оборудования на универсальных шасси различных заводов. Валочно-пакетирующая трелевочная машина может использоваться для всего комплекса лесосечных работ, позволяет выполнять валку леса, пакетирование, трелевку, а при использовании сменного навесного оборудования весь объем лесосечных работ. На раму шасси вместо манипулятора для сбора хлыстов предлагается устанавливать колонну с опорноповоротным устройством и поворотной платформой, на которой установлена стрела с рукоятью и захватно-срезающим устройством для валки деревьев, а вместо коников захвата для поштучного сбора хлыстов устанавливается пачковый захват. Полезная модель [2] патент № 85796 поясняется рисунком 1.
Машина состоит из универсального шасси 1 и технологического оборудования установленного на колонне с опорно-поворотным устройством 2, поворотной платформы 3, стрелы 4, рукояти 5 с захватно-срезающим устройством 6 и пачкового захвата 7 установленного на арочной двухопорной с-образной стреле 8. Два гидроцилиндра 9 установлено на арочной двухопорной с-образной стреле 8, два гидроцилиндра 10 установлено на стреле 4, один гидроцилиндр 11 на рукояти, один гидроцилиндр 12 на захватно-срезающем устройстве, лебедка 13, противовес 14. Машина работает следующим образом, в режиме валки пакетирования стрела 4 и рукоять 5 находится перед кабиной, рукоять 5 с захватно-срезающим устройством 6 наводится на деревья с использованием поворотной платформы 3, спиливает их, переносит и укладывает в пачку. После окончания цикла валки на одной стоянке машина двигается вперед по пасеке, обеспечивая создание необходимого числа пакетов для работы в режиме трелевки, после чего выполняется фиксация рукояти 5 с захват-но-срезающим устройством 6 впереди машины. Затем начинается работа машины в режиме трелевки с набором пачек деревьев по направлению к погрузочному пункту, с применением арочной двухопорной с-образной стрелы 8, пачкового захвата 7, и лебедки 13. Гидроцилиндры 10-12 обеспечивают работу соответственно стрелы, рукояти, захватно-срезающего устройства, гидроцилиндры 9 приводят в работу пачковый захват, лебедка 13 обеспечивает удержание пачки, 14 противовес. Колонна с опорно-поворотным устройством 2 предназначена для осуществления вращения поворотной платформы 3 с технологическим оборудованием относительно шасси. Модель может применяться при выполнении рубок главного пользования, рубок ухода и лесохозяйственных работ.
Для поверки эксплуатационных характеристик проведены расчеты коэффициента поперечной устойчивости [5]. Расчет удерживающего момента производится относительно опорной линии гусеницы. На рисунке 2 приведена схема для расчета поперечной устойчивости машины. В этом случае
м:гр = Е}-(о, +о2 +о,+о4+о^, (1)
где G - общая масса машины, кг;
G1, G2, Gз, G4, G5 - масса соответственно гидроцилиндра стрелы, стрелы, гидроцилиндра рукояти, рукояти, захватно-срезающего устройства, кг;
В - ширина колеи трактора, м.
О О О О О
м:;ер = Ое (Ьв --)+02 (к - -) +03 (/3 -~)+04 (14 -~)+о5 (/5 - -), (2)
где G6 - масса груза, кг; и - максимальный вылет манипулятора, м;
/2Д/4, /5 - расстояние от оси вращения стрелы до центра тяжести составляющих элементов манипулятора, м.
Коэффициент поперечной устойчивости машины К1 будет равен
д уГ попер
Кх = —!?.— _ (3)
2\/£гюпер
опр
Рис. 2. Схема для расчета поперечной устойчивости машины Расчеты сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Параметр Обозна- чение Размер- ность Значение
Масса базового трактора + опорная колонна в кг 12600,0
Масса гидроцилиндра стрелы в1 кг 30,0
Масса стрелы в2 кг 400,0
Масса гидроцилиндра рукояти вз кг 50,0
Масса рукояти в4 кг 200,0
Масса захватно-срезающего устройства в5 кг 500,0
Масса удерживаемого спиленного дерева вб кг 2000,0
Расстояние от оси вращения стрелы до ЦТ гидроцилиндра стрелы 1 м 0,7
Расстояние от оси вращения стрелы до ЦТ стрелы 12 м 1,5
Расстояние от оси вращения стрелы до ЦТ гидроцилиндра рукояти 1з м 2,5
Расстояние от оси вращения стрелы до ЦТ рукояти 14 м 4,0
Расстояние от оси вращения стрелы до ЦТ ЗСУ 15 м 6,0
Вылет манипулятора ЗСУ К м 7,0
Ширина колеи трактора В м 2,7
Суммарный вес (стрела+рукоять+зсу+гидроцил.) 1180,0
Удерживающий момент Муд Н/м 204957,9
Поперечный опрокидывающий момент Моп Н/м 168597,1
Коэффициент поперечной устойчивости К - 1,22
Коэффициент поперечной устойчивости 1,2<К<1,5 находится в допустимом интервале, машина устойчива.
Модель имеет более высокий центр тяжести, поэтому для повышения надежности работы на основании выполненных расчетов предлагается аутригер универсальной лесозаготовительной машины. Полезная модель (патент №89092) [3], предназначена для повышения устойчивости универсальной лесозаготовительной машины при выполнении всего комплекса лесосечных работ. Технический результат достигается тем, что откидные кронштейны телескопические, а сменные опорные плиты различной площади на дополнительных домкратах крепятся стопорными элементами для их замены и работы в различных условиях. Полезная модель поясняется рисунком 3. Аутригер состоит из симметрично расположенных дополнительных гидроцилиндров 1, прикрепленных к откидным телескопическим кронштейнам 2, установленным в проушинах на раме машины, гидроцилиндров 3, установленных на раме машины и вторым концом прикрепленных к кронштейнам, сменных опорных плит 4 различной площади и самой машины 5. Аутригер приводится в рабочее положение гидроцилиндрами 3, шарнирно установленными на раме машины 5, второй конец которых шарнирно прикреплен к кронштейнам 2, имеющим возможность увеличения вылета за счет телескопической конструкции. Дополнительные гидравлические домкраты 1 позволяют компенсировать неровности рельефа. Изменяемая площадь опорных плит 4 достигается за счет сменных опорных плит разной площади, которые снабжены стопорными элементами.
Рис. 3. Аутригер универсальной лесозаготовительной машины
Полезная модель может применяться для повышения устойчивости универсальных лесозаготовительных машин, обеспечивая применение сменного навесного оборудования для выполнения всего комплекса лесосечных работ.
Так как заготовка древесины осуществляется в течение всего года, то устойчивость машин с манипулятором снижается за счет изменения несущей способности грунтов в местах заготовки. Это связано не только с изменением типа грунта, но и с изменением его состояния от влажности. При машинизированной заготовке древесины используются в основном машины манипуляторного типа. Устойчивость таких машин обеспечивается за счет их собственного веса или применением аутригеров. При этом опорные площадки аутригеров погружаются глубоко в грунт, машина начинает терять устойчивость. Перемещение машины по волоку затрудняется из-за необходимости выдергивания опорной площадки аутригера, которая проваливается в грунт и застревает в нем. Обычно используются несколько аутригеров и выдергивание каждого из них еще больше снижает скорость перемещения такой машины. Для обеспечения устойчивости лесной машины, с манипулятором и аутригерами, при изменяемых несущих свойствах грунтов, требуется подбирать площадь опорной поверхности аутригеров. Известно, что глубина погружения будет зависеть от физико-механических свойств грунта, морфологических особенностей опорного массива, размеров опорной поверхности, величины нагрузки на опору и многих других факторов. Из всего разнообразия факторов выбираем наиболее значимые, которые оказывают значительное влияние на глубину погружения опорной поверхности аутригера лесной машины на лесосеке. Это такие, как несущая способность грунта, площадь опорной поверхности, нагрузка на опорную поверхность и характеристики грунта.
Лесные грунты и снег отличаются от сплошных тел, таких, как дисперсные материалы, и состоят из отдельных твердых частиц, связанных между собой в основном силами трения и молекулярного притяжения. Поэтому переплетение цепочек взаимосвязанных частиц составляет скелет грунта. При небольших давлениях скелет грунта практически не разрушается и его деформацию можно описывать линейным уравнением. Деформация грунта перестает подчиняться линейному закону, когда давление на него превышает его несущую способность. В настоящее время считается, что давление, соответствующее несущей способности грунта, является предельно-допустимым. Это условие выражается уравнением
qc < о,5 * qn
(4)
где Цо - среднее давление;
Цн - несущая способность грунта.
На рисунке 4 представлен график зависимости деформации грунта от давления на него [4].
И
к,
ч
Рис. 4. Зависимость деформации грунта от давления на него
Кривая 1 характеризует изменение глубины погружения опорной площадки при давлениях, превышающих несущую способность грунта цн. При наличии в грунте твердого основания, на небольшой глубине, погружение опорной площадки будет соответствовать кривой 2.
Среднее давление опоры аутригера на грунт будет равно
дс — ( і< 11 I *< >,
(5)
где во - нагрузка на опору;
Го - площадь опорной поверхности аутригера.
Если опору аутригера принять в виде равностороннего прямоугольника со стороной, равной Ь, то площадь опоры Го можно представить выражением Го = Ь2.
Тогда
с[с = Сто/' Ь2.
[<Ъ
ь =
до
(6)
(7)
Если опору аутригера принять в виде круга радиусом г, то площадь опоры Ро можно представить выражением
(8)
Тогда
qc = Оо/ п * Л2 ,
„ ІО 0
Я I------------ * 7Т .
(9)
(10)
Площадь опорной площадки аутригера выбирается из такого расчета, чтобы нагрузка не превышала критическое значение. Расчетное сопротивление грунтов выбирают из таблицы 2.
Расчетное сопротивление грунтов, Н/м2
Таблица 2
Грунт Плотный Средней плотности
Пески гравелистые и крупные (независимо от их влажности) 44,15*10-4 34,34*10-4
Пески средней крупности (независимо от их влажности) 34,34*10-4 24,53*10-4
Пески мелкие:
маловлажные 29,43*10-4 19,62*10-4
очень влажные и насыщенные водой 19,62*10-4 24,53*10-4
Пески влажные:
маловлажные 2,5*10-4 19,62*10-4
очень влажные 19,62*10-4 14,72*10-4
насыщенные водой 14,72 *10-4 9,81*10-4
Глины:
твердые 58,86*10-4 29,43*10-4
пластичные 29,43*10-4 9,81*10-4
Крупнообломочные, щебень, галька, гравий 58,86*10-4 49,05*10-4
На большей части территории Иркутской области распространены таежные почвы, на севере - дерново-карбонатные, дерново-подзолистые и подзолисто-болотные. На западе преобладают подзолистые
почвы (разной степени оподзоленности), в южной лесостепной части - темно-коричневые и темно-серые лесные слабооподзоленные почвы. В Приангарской лесостепи и на территории Усть-Ордынского Бурятского национального округа распространены черноземные почвы, местами засоленные. В горах - горно-лесные, горно-тундровые, гольцово-дерновые почвы.
Результаты расчетов размеров опорных площадок для разных грунтов и нагрузок представлены ниже на рисунках 5 и 6.
Ь, см
35.0 -
30.0 -
25.0 -
20.0 -
15.0 -
10.0 -
5,0 -0,0 -
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 Я с , кг/см2
Рис.5. Зависимость длины Ь опорной площадки аутригера от нагрузки на нее:
♦ - нагрузка 100 кг; ■ - 200 кг; ▲ - 300 кг; х - 400 кг; Ж - 500 кг
R, м
0,20 -0,18 -0,16 -0,14 -0,12 -0,10 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 -0,00 -
0,0Е+00 5,0Е-04 1,0Е-03 1,5Е-03 2,0Е-03 2,5Е-03 3,0Е-03 3,5Е-03 q, Н/м2
Т---------------1---------------1---------------1---------------1---------------Г
Рис. 6. Зависимость радиуса опорной площадки аутригера о нагрузки на нее:
♦ - нагрузка 1000 Н; ■ - 2000 Н; ▲ - 3000 Н; х - 4000 Н; Ж - 5000 Н
С помощью приложения Excel проводили аппроксимацию кривой при нагрузке в 5000 Н на опору аутригера степенной функцией и получили математическую модель изменения радиуса от несущей способности грунта
R = 0, 3952V'5 ■ (11)
На рисунке 6 линия тренда представлена сплошной кривой для нагрузки в 5000 Н, которая точно описывает расчетную кривую. Если известен вид грунта то, задавая нагрузку на опору аутригера, можно также подобрать размер опорной площадки аутригера по рисунку 7.
Ь, м
С, Н
Рис. 7. Зависимость размера опорной площадки Ь от нагрузки на нее для разных грунтов:
♦ - нагрузка 100 кг; ■ - 200 кг; ▲ - 300 кг; х - 400 кг; * - 500 кг
Из рисунка 7 видно что, при малых нагрузках на опору аутригера размеры опорной площадки для некоторых грунтов отличаются незначительно. Это дает возможность использовать меньшее количество опорных площадок для аутригера, при работе на разных грунтах. По представленной выше методике можно рассчитать размеры опорной площадки аутригера для разных грунтов и нагрузок на нее.
Предлагаемые модели аутригера и лесозаготовительной машины с раздельным размещением навесного технологического оборудования для валки, пакетирования и пачковой трелевки позволят оптимизировать технологию лесозаготовительного производства параметры и режимы машин. Полученные результаты и созданные модели позволят решать насущные проблемы ЛПК Иркутской области и смежных регионов.
Литература
1. Машина трелевочная ЛП-18 и ее модификации / В.П. Ввозный [и др.]. - М.: Лесн. пром-сть. 1990. - 176 с.
2. Пат. на пол. мод. № 85796 Россия, ПМК А0^23/081 Валочно-пакетирующая трелевочная машина
[Текст] / А.Н. Сухих [и др.]; заявитель и патентообладатель БрГУ.- № 2009113311/22; заявл. 09.04.2009, опубл. 20.08.2009.
3. Пат. на пол. мод. № 89092 Россия, ПМК Аутригер универсальной лесозаготовительной машины
[Текст] / А.Н. Сухих, С.М. Сыромаха, А.С. Ковалева, Ф.В. Рыжих, М.Т. Ян, А. А. Шемчук; заявитель и
патентообладатель БрГУ. - № 2009121238/22; заявл. 03.06.2009, опубл. 27.11.2009.
4. Лесные машины (тракторы, автомобили и тепловозы): учеб. для вузов / Г.М. Анисимов [и др.]; под ред. д-ра техн. наук проф. Г.М. Анисимова. - М.: Лесн. пром-сть, 1989. - 512 с.
5. Баринов К.Н., Александров В.А. Проектирование лесопромышленного оборудования. Компоновка лесных машин: учеб. пособие. - Л.: Изд-во ЛТА, 1985. - 64 с.
