Обоснование параметров, разработка и внедрение гаммы лесотранспортных канатных установок для освоения горных лесов при экологически чистой технологии Бадера, Иосиф Степанович

Введение к работе

" і

Актуальность проблемі» Лесные богатства Украинских Карпат зна-ітельнн, но не безграничны, поэтовд крайнє вахнз планировать не ілько их аффективную эксплуатацию, но и сохранение и приумножение юных запасов для обеспечения рационального пользования лесами и еми сопутствующими дарами их живой природы.

В .условиях горных лесоразработок наиболее сложной и трудоешой
іляется задача механизации первичных переместительных операций
(євєсного сырья. И*если уровень механизации вывозки древесины,пог-
'зочно-раэгрузочных операций v всех видов работ на нижних складах
:созаготовительных предприятий возрастает, то на лесосечных рабо-
lx, а особенно на спуске древесины при болыыгх уклонах гор, где
юисходит наибольшие нарушения экологического состояния природных
>мплекссв, механизация транспортных операций значительно ниже пот-
юности производства. '

До настоящего времени в горных условиях широко используется іакторная трелевка, наносящая невосполнимый ущерб лесным почвам, дросту л растущим деревьям.

Подвесные канатные лесотранспортные установки /ПНУ/, перемеща-,ие лесные грузы в подвешенном состоянии, получили широкое призна-е во всох, странах мира, эксплуатирующие горные леса; как основа огрессивной природе н энергосберегающей технологии в горных ус-виях лесоразработок, поэтому проблема их дальнейшего совероіенст-вания продолжает оставаться актуальной и перспективной сегодня, алнз развития канатного транспорта и лесосечного фонда показыва-, что для освоения лесосек Украинских Карпат необходимо иметь бнльные короткодистаноионные канатные .установки с радиусом дейст-я до 4С0 м - 70 штук, радиусом действия 400+Й00 ы к более-ТСО ус-нозок и стационарных многопролетных канатных установок более -0 штук. /I/.

Мобильные канатные установки /МКУ/, из-за слабо развитой сети рог в горных условиях,выполняют с нимним расположением привода с вентарной металлической опорой, податливость которой зиачитс-льно

4. нике деревянной.ото может Еызьгаать существенные усилия в канатной оснастке при движении груза по несущему канату /НК/ и требует уче та динамических нагружений в процессе работы установки и,. уточне ния известных расчетов. Для таких установок нет аналитических за висимистей для определения параметров канатной оснастки, стопорны устройств, упоров и грузовой каретки, не исследованы режимы тормо кений грузовой каретки для предотвращения обрыва тягового канат при обеспечении безопасности работы оператора и высокой производи тельности. На всех ПКУ не решены также вопросы автоматической от пепки стропов от груза, повышающие их производительность и техник безопасности,нет устройств для практического определения правиль ности монтажного натяжения КК, от которого существенно зависит cjw его службы. Для освоения разобщенных, с малыми запасами древесины лесосек не созданы установки, работающие по схеме "на спуск" и "н подьем". Для стационарных канатных установок не разработаны совре менные требования, предъявляемые к ним,и не решен вопрос подтреле ки древесины со стороны Ш самой установкой вдоль всей трассы НК 3 горных условиях не решен и не решался вопрос сбора древесины с всей площади лесосеки канатной установкой в полностью подвешенном состоянии от пнл к разгрузочной площадке, а также вопросы автомат веской перепепки груза с одной транспортной канатной установки н другую в воздухе при освоении удлиненных лесосек.

Обстановка, слонившаяся в экономической и экологической сфе pax напей страны,повьшает актуальность поставленной проблемы.

Цель и задачи исследований. Повысить эффективность первичной
транспортировки заготовленной древесины в горных условиях с одно
временным снижением вредного воздействия на окружающую среду На л
сосеке. '.,)'

Поставленная' пель определила'задачи исследований:

I. Выполнить анализ состояния технологии и развития кенатног транспорта, организации процессов транспортировки заготовленной древесины в горных условиях Украинских Карпат и сформулировать те чологические требования к повышению их эффективности.

5.

Z. Разработать теоретические предпосылки снижения динамических составляющих нагружений узлов канатных установок.

1. Обосновать napave'rpu элементов конструкций мобильных корот-кодистаннионных канатных установок.

2. Создать конструкции канатных установок :i их узлов,учитывающие технологические требования и имеющие рекомендуемые параметры.

3. Обеспечить широкое внедрение в производство результатов проработки темы. »

Предмет исследования. Предметом исследований, результаты которое отражены в опубликованных работах автора и обобщена в настоящем научном докладе, являются мобильные короткодистаниионнке канатные установки и новые канатные системы,оборудованные самоотиеп-ляющимися захватными устройствами для отиепки грузов в гибких стропах, представляющиэ техническую основу для экологически чистых технологий освоения горных лесов, а также экономический и социальные эсГфект от внедрения в производство созданных установок и их узлов на предприятиях обьединений"Закарпатлес","Прикарпатлес""Львовлес", ч других предприятиях Госкомдревпрома Украины, Госкимдревпрома РЙСР,. Министерства речного и торгового флота СССР и др.

Методика выполнения исследований. Общая методика исследований предусматривает проведение комплексній теоретических и экспериментальных исследований по определению основных параметров мобильных канатных установок, разработку инженерных методов расчета отдельных параметров, конструкторскую проработку устройств,сравнение экспериментально полученных данных с результатнії теоретических ' исследований и технико-экономический'анализ.

Научная новизна. Обоснованы* новые схемы мобильных короткодис-тагшиенных канатных установок, с нижним расположением привода, для которых получены теоретические и графические зависимости усилий, возникающих в тяговом канате от длины тормозного пути грузовой кн-

6.

ретки, обеспечивающие безопасность их работы, обоснованы оптимальные режимы скорости, движения каретки в грузовом направлении.. Ис-слрдонана зависимость коэффициента динамичности и жесткости .упора на несущем канате от скорости движения каретки с грузом,даны практические рекомендации.

Разработана круговая номограмма для определения параметров несущего каната. Выполнена классификация захватных устройств и обоснованы их параметр; для создания перспективных конструкций.Впервые разработаны схемы подвесных канатных установок для подтрелевки и сбора древесины с площади лесосеки в полностью подвешенном состоянии от пня к разгрузочной площадке.

Принципиально новые схемы и конструкторские решения всех созданных подвесных канатных установок, систем и их узлов выполнены . на уровне изобретений и защищены авторскими свидетельствами.

Практическая значимость и реализация результатов исследования.

Основные научные полокения, отраженные в опубликованных рабо- , тах и настоящей диссертации, нашли практическое применение при создании:

мобильной короткодистаниионной канатной установки на-базе трактора М13-Ь0, созданы и внедрены три установки грузоподъемностью ЮкН /Межгорский ЛК - 2 шт., Сколевский ЛХЗ - I шт./, грузоподъемностью 32 кН - I шт. - Свалявский М;

спаренной канатной установки для сбора древесины с площади лесосеки - проходит испытания в В. Бычковском М;

канатных установок с переменным расположением привода грузоподъемностью 10 кН и 32 кН - проходят испытания в Межгорском Ы;

самоотиепляющихся захватных устройств, разработанных для ІНУ,^-которые нашли широкое применение и в других областях народного хозяйства, на предприятиях Госкомдревпрома Украины,РСФСР,Министерства речного флота внедрены опытной партией больше 1000 штук. Общий подтвержденный экономический эффект от внедрения разработок автора превысил 2 млн.руб.

7.

Таким образом» результаты исследований соискателя, изложенные в опубликованных им работах, находят все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.

Апробация работы. Результаты выполненных соискателем исследований были доложены на Л всесоюзных и республиканских конферении-К /7,8,11,12,ІЗ,16,17,18,19/, по результатам-исследованийспублиновано 5 обзорных информации ЗШПйсИлеспрома /1,2,3,6,/, 7 обзорных информационных листков /4/ и докладывались на заседаниях кафедры [рикладной механики ііьвовского лесотехнического института в 1987, И8Э и 1991 it.

За научные разработки и их практическое внедрения на предприятиях Госкомдревпрока СССР соискатель удостоен Диплома лауреата премии за ускорение научно-технического.прогресса в лесноЛ примышлен -іости, звания лучший изобретатель Госкомдревпрома Украины, изобретатель СССР, Диплома почета ВДНХ СССР и др.

Результаты научных исследований, на основании которых подго -говлена диссертация в форме научного доклада, опубликованы в 31 печатной работе и 68 авторских свидетельствах на изобретения, в том тасле по теме диссертапии 50 изобретений, большая часть которых реализована. .

* : ' ОСНОВНОЕ СОДЕРдАНЖ РАБОТЫ

Обоснование технологических требований к транспортировке, дре-зесины, заготовленной на горных склонах

Материалы, опубликованные в І98І-199І гг. и конструкторские разработки, посещены реиени» наиболее сложной задачи горных лесоразработок - механизации первичного сбора и транспортировки древе-:мны с минимальным нарушением экологического равновесия природных сомплексов сложного горного рельефа, обеспечивающих успех лесовозобновления, сохранение полезных езойств леса при высокой производительности механизированного труда. /I/.

В работах /1,3,6,Ю,20/ раскрыты особенности строения горных іесов.

На Уїсраине основные лесные массивы расположены, главным обра-

8.

зом, на горных склонах Карпат. В отличие от других горных районо страны, в Карпатах склоны гор однозначны /без резких переломов/ протяженностью до 0,3+1,6 км с преобладающей крутизной 22-30.

Наряду с рубками главного пользования лесокомбинаты ежегодн проводят на больших площадях заготовку древесины от рубок ухода санитарных рубок, удельный вес "которых уже теперь составляет бол 40^. На рубках ухода с I га, в-среднеы, заготавливается 22 м³дре весины. При таком положении значительно усложняется технология организация лесосечных работ, и, в первую очередь, решение вопрс сов механизации первичного транспорта, поскольку на лесосеках с льш эксплуатационным запасом применение канатных установок с нес ходным приводом становится нерациональным, так как малый запас р весины на лесосеке является главной причиной частых перебазировс

Современные условия ведения лесозаготовительных работ /5,7, 11,12,14,18/ предъявляют к стационарным канатным установкам слаг юцие основные требования:

При высокой производительности обеспечивать беспрепятствен и легкую выдачу крюка из каретки установки в любом месте трассы производить подтрелевку древесины к НК установки без дополнителі ны/. механизмов; оператор при подтрелевке должен иметь хороцую и надежную связь с чокеровщиком и обзор зоны подтрелевки; легкое^ монтажа и демонтажа; обеспечивать подтрелевку древесины к НК і расстояние до 50 метров, предотвращая выпадание из желоба промеа точной опоры НК при подтрелевке; разгрузку каретки в любом удобі месте; автоматическую самоотиепку чокеров от груза; установка дс на быть с минимальным количеством и длиной"канатов;

Обеспечить эффективность работы и требуемую производительнс «обильной установки, соответствующую производительности, других J ханиэмов, работающих с ней в комплексе, можно путем увеличения скорости движения грузовой каретки в грузовом и гіерохняковом'наї равлениях. Однако, при увеличении скорости движения, в отличие существующих канатных систем для МНУ возрастают динамические ш рузки на jk конструктивные элементы, особенно в момент тормоиеш

каретки при ограниченной длине участка пути.

Определение усилия торможения от длины тормозного пути КЗ.Р5ТКИ Длярасширения существующих представлений об условиях, определяющих выбор тяговых канатов, и обоснования предельного значения тормозного пути грузовой каретки исследовано натяжение тягового каната в режиме торможєьия каретки и исследовано-ялияние отдельных факторов на его величину /9/. Расчетная схема движения груза по несущему канату представлена на рис, I.

А

Рис. I. Расчетная схема движения груза по несущему канату:

/у- натяжение тягового каната,И- /-угол между хордой пролета

установки - "— ,_.,_, -_- — *.л .__ , - - —

эом, Н '

зонту,

ротивлёния движению каретки,/*'

Из схемы следует, что усилие сопротивления движении каретки

составит: ., _ . „

N*F_TCQsy+F_c\ _/i;

усилие-сопротивления движении от жесткости каната,//.^-

F_c=f₀Qccsct. / г /

Коэффициент сопротивления движению / можно определять по методике А.И. Дукельского при известных диаметрах каната /с/,мм/ и колеса /2>, мм/.

Уравнение движения каретки по несущему канату можно предста
вить в виде: rjy ,, _л .

m%t*-N+QsLn_{t /3/}

V - скорость движения каретки,М/с;і - время тормоления су/7- мае- са каретки с грузом, кг;(р - угол наклона каретки, рад.

Заменив значение N в уравнении /3/ и выполнив соответствующие преобразования, получим значение усилия натяжения / /у / в тяговом канате в следующем виде:

ю.

/4/

Q[^5_Tf₀C05c<-^]

'г- (cosy-f₀Mf)S_T О - ускорение свободного падения,м/с^г; V - скорость движения каретки в ксние тормокени.я,Л^,' V₀ - скорость движения каретки в начале торкокения,/У/Г,' О - параметр несущего каната,//.

<2- вес 1 пиг.метра канв.та, Н/М, с. - длина установки,/*/; Н -гори
зонтальная составляющая натяжения несущего каната,//. При останов
ке каретки скорость ее движения V=0 , для этих условий уравнение
/А/ примет вид Q[^$-T}+S_rf₀COSC(+&]

где S_r- путь торможения грузовой каретки,/У.

Из графиков зависимости /6/ F_T*f(S_r), рассчитанных на ЭШ ЕС-Ю22, для различных скоростей движения /рис.2/ следует, что при определенных значениях тормозного пута усилие в тяговом канак значительно превышает ыассу груза.

Wi) w « -ipi) (U) «

t«0) Bo» * ((») «0 J 2

(hj) (?6) г* (Л) tf» ^

(SO) M 20

(И) on нг

flJ) CM) « (M) (tt) »

(4S) ») *

IS?

в о »

Рис 2 Графическая зависимость усилия торможения тормозного пути каретки $_г

&

от длины

II.

Для обеспечения безопасности работы установки следует либо увеличить диаметр тягового качата, повышав тем самым его разріз -ное усилие Тр, либо ограничивать предельное значение тормозного пути. Предпочтение следует отдавать правильному вибору длины тормозного дути , так как увеличение /^ влечет за собой повыаение диаметра тягового каната и металлоемкости установки и селом.

Принимая %.=Q и, используя графики на рис. 2 можно рекомендовать для практического применения следующие величины тормозного цути: при У - Юл^ величина тормозного пути 5/-должна составить 5 м; іри У= 1м/с-$у*2,Ьм-, при V = Ъм/с -$-?!,5 м; при V*2фф),Ьм.

Исследование динамики перемещения каретки по НК мобильной каютной установки

Для выбора НК мобильной установки в работах /11,13,15,16/ определено усилие, действующее на инвентарную мачту, и обоснована ^опускаемая скорость движения, рассмотрен наиболее неблагоприятный реаим работы подвесной системы, которым является удар грузовой каретки на НК о стопор /упор/.

Расчетная схема для определения дополнительного катякения НК з момент удара каретки о стопор приведена на рис. 3.

. - С? V»

"йс. 3* Расчетная схема для определения коэффициента динамичнеети 3 Момент удара и начала совместного движения НК и стопора за-

.исймоМь для определения кинєТіг^єкой энергии ииеет вид:

:ля каретки с грузов.

^?9

ч/' - Ш-^г

,ля системы канат-опоріг-ЗйїиЦ и/'і-/? V^s де V* скорость движения каретки, л?/с.

/ 7/ /б/

12.

G-*k_HG«+&₃ , /9/

где ^- вес \\B&z.4b/f;6_K*Qxt;H;(fc- погонний вес каната,/^// С - дли на каната,//^ - вес каретки с грузом, ty&j- вес зайима,/>-уско

рение свободного падения, А'/Г'у/^,- коэффициент приведенной массы
каната. ' f^dx

*»~-~ЩТо /3D/

Величины дсбормэ.ш:й можно определить из зависиости;

А = 0*1Ш& Л =Ш&^ПС1 , - / ТТ ,

"X —7^7 ' ^по /Г F / и /

где а - угол наклона'хорды пролета к горизонту; fyp- приведенні модуль упругости систем-: канат-опоры, По.

Работа внешних сил в уравнении энергетического баланса определяется зависимостью:

Работа внутренних сил для статического нагружения - зависи
мостью: л *. D л ' . '

^А6» ^Р0ш'^Лдин> /13,

где ПЗин ~ сила, эквивалентная /по результату своего действия/ силе QSL/7c(, т.е. сила, вызывающая перемещение системыЛ^ц_Н

fhuH ^=С*дин > ^{/ 14}

где С - приведенная жесткость системы канат, упоры, зажим.

Тогда работу внутренних сил можно определить, как;

А_6н = Сй%_н. /15

Приравнивая уравнения /12/ и /13/ получим уравнение энерге
тического баланса для рассматриваемой системы: >

... ^(Щ^и,п^^с4_и,.. /іе/

*W PC Y 4C* * eCQ ^: ' ' ^l

Величину динамического коэффициента можно определить из зависимости: л

Ъ'Т*-' /18

^CmOW "^МШ. ""* /19

где 21_Лио-статическая'деформация системы в месте .удара

^лстат С

ІЗ.

Используя выражения /17/,/18/, /Б/ с .учетом значений /несткость системы канат-опоры/ и Cg /жесткость упора/, м<жко выполнить анализ влияния отдельных геометрических параметров установки на величину/у и предложить рекомендации nj выбору Утах* ^жест" кости упора.

С этой иелью построены графики зависимости коэффициента динамичное та от скорости движения каретки, рис. 4.