Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы в лесозаготовительной отрасли Северо-Западного региона России наметилась устойчивая тенденция перехода на сортиментную заготовку леса. Так в Республике Карелия доля этой технологии в общем объеме заготовленной древесины превысила 66%. Если в начале 90-х годов сортиментная технология базировалась в основном на применении бензомоторных пил и колесных трелевочных машин (форвардеров), то сегодня наибольшее распространение получают машинные комплексы, состоящие из валочно-сучко-резно-раскряжевочных машин (харвестеров) и форвардеров. Применение таких комплексов позволяет достичь высокой производительности (100 куб.м. в смену (12 час.) на сплошных рубках и 60 куб.м. в смену на рубках ухода) при высоких показателях эргономичности и безопасности работ, удовлетворительной экологической совместимости машин
с природной средой.
Большинство применяемых сегодня машин этих типов – финского
и шведского производства. В настоящее время около 10 крупных компаний в этих странах занимаются проектированием и производством харвестеров и рабочих органов к ним – харвестерных головок, работая
в условиях жесткой конкуренции.
Современная харвестерная головка должна удовлетворять целому ряду требований: обеспечивать высокую производительность процессов пиления и обрезки сучьев, быть надежной в эксплуатации, обеспечивать высокое качество получаемых сортиментов и низкий уровень повреждаемости оставляемых на доращивание деревьев.
Необходимость разработки отечественных машин данного вида,
в частности конструкций их рабочих органов (харвестерных головок), возникла еще с конца восьмидесятых годов с попытками внедрения сортиментной технологии заготовки древесины в нашей стране. Активную работу по созданию харвестерных головок различных классов вели Карельский научно-исследовательский институт лесной промышленности (КарНИИЛП), Ленинградская лесотехническая академия, Онежский тракторный завод и ряд других предприятий лесного машиностроения. К сожалению, на сегодняшний день за исключением ряда поисковых работ, создание отечественных машин этого типа и особенно их рабочих органов (в первую очередь – харвестерных головок) прекращено. Одной из целого ряда причин данного положения дел является отсутствие современных методик проектирования, и в первую очередь научно обоснованных методик компоновки, позволяющих обосновывать конструктивные параметры в соответствии с заданными природно-произ-
водственными условиями и требованиями качества получаемых сортиментов.
Цель исследования. Разработка методик проектирования компоновки и обоснование конструктивных параметров харвестерных головок для рубок промежуточного пользования, обеспечивающих повышение качества заготавливаемой древесины и снижение повреждений остающихся деревьев.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести анализ конструкций современных харвестеров и их рабочих органов – харвестерных головок.
-
Исследовать качество заготавливаемой древесины и установить закономерности влияния компоновочных решений и параметров харвестерной головки на качество получаемых сортиментов.
-
Разработать методики оптимизации компоновки захватного (сучкорезно-протаскивающего) и срезающего (раскряжевочного) устройств харвестерной головки.
-
Оценить компоновку современных харвестерных головок и обосновать конструктивные параметры харвестерной головки для рубок промежуточного пользования в условиях лесов Северо-Запада РФ.
-
Дать рекомендации по совершенствованию конструкций харвестерных головок, обеспечивающих бездефектность и высокое качество обработки заготовляемой древесины при снижении уровня повреждений оставляемой на доращивание древесины на рубках промежуточного пользования.
Объектами исследования являлись заготовленные харвестером круглые сортименты средней длины; современные харвестерные головки, в частности, их захватное и срезающее устройства.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы системного анализа, методы математического программирования и экспериментальные исследования с выполнением необходимых измерений. Для решения теоретических задач и обработки результатов экспериментов применялись программные пакеты Excel, КОМПАС-3D V8 и MathCAD.
Научная новизна работы:
-
Впервые исследовано влияние харвестера на качество заготавливаемой древесины. Выявлены и систематизированы механические повреждения, оказывающие наибольшее негативное влияние на товарные свойства древесины. Проанализированы причины и выявлены закономерности их появления. Предложен комплекс технических
и технологических мер, позволяющих снизить уровень повреждения как обрабатываемых деревьев (сортиментов), так и оставляемого на доращивание древостоя. -
Разработаны методики проектирования оптимальной компоновки захватного (сучкорезно-протаскивающего) и срезающего (раскряжевочного) устройств харвестерной головки, учитывающие природо-производственные условия, требования по качества древесины
и снижению повреждений остающихся деревьев. -
Проведена оценка компоновки современных харвестерных головок и обоснованы конструктивные параметры харвестерной головки для рубок промежуточного пользования для природно-производственных условий Северо-Запада России.
-
Разработаны рекомендации по повышению качества древесины при заготовке харвестерами.
Практическая значимость работы. Разработанные методики проектирования позволяют создавать компоновочные решения конструкций харвестерных головок и обосновывать их проектные параметры, обеспечивающие повышение качества получения сортиментов.
Выявленные закономерности позволяют на практике оценивать степень влияния конструкции харвестера и технологии его работы на качество заготавливаемой древесины и оставляемый на доращивание древостой.
Даны конкретные рекомендации проектировщикам и эксплуатацион-никам по совершенствованию конструкций машин и выбору рациональных приемов работы и технологий.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Результаты исследования качества заготавливаемой древесины.
-
Методики оптимальной компоновки захватного (сучкорезно-протас-кивающего) и срезающего (раскряжевочного) устройств харвестерной головки.
-
Сравнительная оценка компоновки существующих харвестерных головок и рекомендации по совершенствованию их конструкций.
-
Рекомендации по повышению качества заготавливаемой древесины.
Обоснованность и достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследований подтверждается данными, полученными в ходе проведения экспериментов в реальных условиях эксплуатации харвестеров на пяти крупнейших лесозаготовительных предприятиях Республики Карелия и положительным опытом внедрения разработанных методик проектирования на предприятиях лесного машиностроения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры тяговых машин, на научно-практических семинарах в рамках выставки «Карельский лес. Мебель. Деревообработка – 2005» (Петрозаводск, 2005), на 7-й международной научно-технической конференции «Лес – 2006» (Брянск, 2006), на международных конференциях-семинарах по повышению качества заготовляемой и экспортируемой древесины в НИИ леса Финляндии (Йоэнсуу, 2007), на практических семинарах в ходе рабочих поездок в Финляндию в течение 2006-2007 годов на фирмы-производители харвестеров (Ponsse Oyj, John Deere Forestry Oy, Kesla Oyj, AFM – Forest Ltd, Sampo-Rosenlew Oy).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 научных статьях, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК (п. 4 и 5
в списке публикаций). Опубликовано 1 учебное пособие с грифом УМО.
Реализация работы. Результаты исследований были использованы ГСКБ ОАО «Онежский тракторных завод» при обосновании модельного ряда и основных конструктивных параметров рабочих органов многооперационных лесозаготовительных машин. Материалы диссертационной работы применялись для анализа конструкций современных
харвестерных головок финской компанией AFM-Forest Oy.
Результаты диссертационных исследований отражены в международных проектах «Интенсификация лесопользования и совершенствование лесозаготовок на Северо-Западе России» (Академия наук Финляндии, 2006), «Качество древесины и информационная поддержка» (НИИ леса Финляндии, 2006–2007 года), «Сравнение методов лесозаготовок – влияние технологий на качество древесины, производительность труда и себестоимость продукции в лесозаготовительных предприятиях» (TACIS, 2006–2008 года).
Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе кафедры тяговых машин лесоинженерного факультета Петрозаводского государственного университета в учебных курсах «Проектирование и расчет технологического оборудования» и «Теория и конструкция машин и оборудования отрасли».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, приложений, списка использованной литературы из 104 наименований. Содержание работы изложено на 141 странице машинописного текста, иллюстрировано 82 рисунками и 10 таблицами.
