Введение к работе
Актуальность темы. Прогнозирование технологий и техники лесозаготовок в стране указывает на то, что многооперационные машины, и прежде всего валочно-пакетирующие и валочно-трелёвочные, остаются основными машинами и в ближайшей перспективе.
Таким образом, их модернизация, совершенствование с целью повышения производительности при высокой надёжности является актуальной проблемой. Так как у современных многооперационных лесосечных машин до 80-85 процентов времени смены уходит на работу технологического оборудования, то естественно повышение производительности может быть достигнуто за счёт повышения скоростей перемещения элементов технологического оборудования и форсирования пуско-тормозных режимов его работы.
В то же время теоретическими и экспериментальными исследованиями было выявлено, что именно пуско-тормозные режимы сопровождаются большими динамическими нагрузками в упругих связях серийно выпускаемых лесосечных машин. Причём установлено, что в отдельных случаях динамические нагрузки в несколько раз превышают силу тяжести пакетируемых деревьев.
Лесосечные машины по роду выполняемых технологических операций подобны грузоподъёмным машинам (кранам, экскаваторам), однако их работа сопряжена с более значительными динамическими нагрузками, вследствие особенностей предмета труда - деревьев - упругих тел с распределённой массой и развитой кроной, обладающей большой парусностью. В то же время при сопоставлении основных параметров кранов, экскаваторов и лесосечных машин можно отметить, что если скорости подъёма груза у них отличаются незначительно, то переходные режимы у кранов и экскаваторов более длительны. Это приводит к снижению ускорений груза при разгоне и торможении. Угловые скорости у лесосечных машин при переносе дерева поворотом манипулятора сопоставимы с угловыми скоростями поворота платформы кранов и экскаваторов. Однако, интенсивность пуско-тормозных режимов у лесосечных машин значительно выше. Вследствие больших ускорений уровень добавочных динамических нагрузок в лесосечных машинах при взаимодействии с деревьями составляет в среднем 0.35 - 0.50 статической нагрузки, тогда как в грузоподъёмных машинах общепринято считать даже уровень 0.25 - 0.30 очень высоким.
На базе многооперационных лесосечных машин и прежде всего валоч-но-пакетирующих (ВПМ) создаются машины для ведения выборочных рубок и рубок ухода за лесом, а также валочно-сучкорезно-раскряжёвочные машины (ВСРМ). С этой целью у базовых машин увеличивают вылет манипулятора, в конструкцию опорно-поворотного механизма вводят выравниватель платформы, а захватно-срезающего устройства (ЗСУ) накопитель и механизм
дополнительного поворота его в плоскости перпендикулярной манипулятору (ВПМ), механизмы для протаскивания ствола и обрезки сучьев (ВСРМ).
Использование валочно-пакетирующих машин на выборочных рубках леса выявило ряд характерных особенностей протекания рабочих процессов при выполнении технологических операций. В отличие от ведения сплошных рубок часто возникают режимы стопорения элементов технологического оборудования, вследствии сплетения ветвей выносимого дерева с оставляемыми на лесосеке с последующим обрывом удерживающих связей (ветвей), наблюдаются также аварийные сбросы дерева (деревьев).
Если пуско-тормозные режимы в лесосечных машинах исследованы достаточно подробно, то режимы стопорения, характерные при работе ВПМ на выборочных рубках, с последующим обрывом удерживающих связей, аварийные сбросы дерева не изучались.
Не уделялось также внимание исследованию нагруженности силовых установок валочно-пакетирующих машин. Объясняется это тем, что в процессе предыдущих исследований лесосечных машин было выявлено значительное недоиспользование мощности силовых установок при работе манипуля-торного технологического оборудования, а также и тем, что силовая установка воспринимает через привод нагрузки от работы технологического оборудования лишь в режимах разгона, которые протекают более благоприятно по сравнению с тормозными, при которых она отсоединена от него. В то же время, следует заметить, что нагруженность силовых установок лесосечных машин в режимах протаскивания ствола, обрезки сучьев и стопорения, которые также относятся к переходным процессам, не изучалась вообще.
Работа выполнена в рамках научно-технической проблемы «Разработка и внедрение автоматизированных систем оперативного планирования и управления лесозаготовительными предприятиями» по темам: «Разработка и внедрение комплекса валочно-пакетирующих машин для лесозаготовительных процессов», регистрационный номер 01860011632; «Разработка и обоснование параметров систем амортизации лесных и лесохозяйственных машин и оборудования», регистрационный номер 0198000152; «Повышение эффективности лесозаготовительных машин снижением динамических нагрузок и вибронагруженности операторов», регистрационный номер 01940000934.
Цель работы - повышение надежности валочно-пакетирующих машин на выборочных рубках леса при сокращении сроков их разработки и изготовления путём использования на этапе проектирования аналитических методов расчета и научно-обоснованного выбора параметров, обеспечивающих минимальные динамические нагрузки.
Из поставленной цели вытекают следующие задачи исследований: 1. Разработать математические модели для исследования нагруженности технологического оборудования и силовых установок валочно-пакетирую-
щих машин, а также, выполненных на их базе, валочно-сучкорезно-рас-кряжёвочных машин /харвестеров/ в процессе ведения выборочных рубок.
Исследовать нагруженность валочно-пакетирующих и валочно-сучкорез-но-раскряжёвочных машин, в основных режимах работы.
Исследовать влияние технологических факторов на динамическую нагруженность ВПМ при ведении выборочных рубок леса.
Развить метод прогнозирования динамической нагруженности лесосечных машин.
Обосновать параметры валочно-пакетирующих машин и харвестеров, выполненных на их базе, обеспечивающие снижение динамических нагрузок при работе на выборочных рубках леса.
Разработать научные рекомендации на проектирование валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжёвочных машин для работы на выборочных рубках леса.
Объекты исследования. Объектами исследований являлись валочно-пакетирующие машины ЛП-19А, ЛП-19Б-01 и валочно-сучкорезно-раскряжёвочные машины, выполненные на их базе.
Предмет исследования - нагруженность и закономерности, возникающие в процессе применения валочно-пакетирующих машин на выборочных рубках леса.
Методы исследования. В основу изучения рабочих процессов валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжёвочных машин и прогнозирования нагруженности положены: многофакторные модели динамических систем «ВПМ - дерево» и «ВСРМ - дерево», математическое моделирование операторской деятельности, вероятностно-статистические методы, компьютерные программы и эксперимент.
Научная новизна работы заключается в:
разработке многофакторных математических моделей взаимодействия валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжёвочных машин с предметом труда - деревьями в режимах натяжения ствола, разгона, стопорения, аварийного сброса дерева, движения по лесосеке, очистки деревьев от сучьев, позволяющих исследовать на этапе проектирования нагруженность технологического оборудования и базы, а также силовых установок в процессе выполнения выборочных рубок леса;
установлении основных закономерностей возникновения динамических нагрузок на технологическое оборудование и силовые установки, отличающихся учётом дополнительных факторов, возникающих при выборочных рубках;
уточнении математического описания психофизиологической деятельности операторов по использованию технических скоростей технологического оборудования ВПМ при ведении выборочных рубок леса;
дополнении методики прогнозирования предстоящей эксплуатационной нагруженности проектируемой валочно-пакетирующей машины новыми дан-
ными операторской деятельности по использованию технических скоростей и по числу включений элементов технологического оборудования на выборочных рубках леса;
- проведении комплексных исследований взаимодействия валочно-пакетиру
ющих машин с внешней средой, предметом труда и оператором на основе ис
пользования математического моделирования, вероятностно-статистических
методов и компьютерных программ.
Вклад в теорию и практику. Разработанные математические модели динамики валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжёвочных машин (харвестеров), результаты исследований дополняют теорию лесных машин и являются базой для дальнейшего совершенствования существующих конструкций и создания новых, а также являются составными элементами автоматизированной системы проектирования (САПР).
Использование в практике проектирования теоретических разработок, методик прогнозирования эксплуатационной нагруженности, составления программ стендовых ускоренных испытаний, самих стендовых испытаний позволяет:
научно-обоснованно производить выбор основных параметров валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжёвочных машин для работы на выборочных рубках леса;
повысить качество проектирования при сокращении его стоимости;
сократить сроки создания и доводки лесосечных машин;
снизить металлоёмкость конструкций при повышении надёжности.
Научные положения, выносимые на защиту:
Математические модели для исследования нагруженности технологического оборудования и базы валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжёвочных машин в режимах натяжения ствола, разгона, стопоре-ния, ветрового воздействия, аварийного сброса пакетируемого дерева, движения через обособленные препятствия и по волоку.
Математические модели для исследования нагруженности силовых установок валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжёвочных машин в режимах разгона, стопорения, протаскивания ствола рябухами и очистки его от сучьев.
Результаты исследований динамики валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжёвочных машин при ведении выборочных рубок леса.
Закономерности возникновения динамических нагрузок в упругих связях механических систем при ведении выборочных рубок леса.
Теоретические обобщения динамики рабочих процессов валочно-пакетирующих машин при ведении сплошных и выборочных рубок леса.
Рекомендации по снижению динамической нагруженности валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжёвочных машин.
Достоверность полученных результатов. Достоверность научных результатов, изложенных в диссертации, подтверждается использованием обоснованных расчётных схем, математических моделей, основанных на фундаментальных законах физики, удовлетворительным соответствием результатов расчёта и экспериментального исследования. Оценка корректности разработанных моделей производилась методом сравнения теоретических и экспериментальных данных по максимальным и среднеквадратичным значениям выходных параметров моделируемых процессов, а также использованием критериев достоверности. Экспериментальные данные получены с применением современных метрологически проверенных измерительных средств и обоснованием длительности и количества опытов.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Диссертация является результатом теоретических и экспериментальных исследований автора, который обосновал тему, определил цель и задачи исследований, проанализировал возможные компоновочно-кинематические схемы валочно-пакетирующих машин для ведения выборочных рубок леса, разработал комплексы многофакторных математических моделей для изучения основных режимов работы валочно-пакетирующих и хар-вестерных машин, обосновал их оптимальные параметры и разработал научные рекомендации на проектирование и эффективное использование рассматриваемых машин для ведения выборочных рубок.
Реализация работы. Основные результаты внедрены на фирме ООО «Лестехком» / Йошкар-Олинский завод «Лесмаш» / в Республике Марий Эл, г. Йошкар-Ола и в учебные процессы Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии и Ухтинского государственного технического университета при чтении лекций по дисциплинам: «Моделирование технологических процессов лесных машин», «Моделирование технологических процессов лесохозяйственных машин»; выполнении курсовых работ и в дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности 150400 «Машины и оборудование лесного комплекса»; написании магистерских диссертаций при подготовке магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Санкт-Петербургской лесотехнической академии (2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 и 2010 г.г.), Ухтинского государственного технического университета (2007 - 2009 г.г.), на семинарах в ФГУ СПб. НИИ лесного хозяйства (2002, 2003, 2004 г.г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в двух монографиях общим объёмом 21 печ. лист, четырнадцати статьях, в том числе в 14 изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных исследований соискателя учёной степени доктора наук, учебном пособии, методических из-
даниях и в семи научно-исследовательских отчётах по темам с государственной регистрацией.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 9 разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 462 страницы, из них 287 основного текста и 69 страниц приложений. Работа включает 152 рисунка, 80 таблиц и 121 наименование использованных источников.
