Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований .14
1.1. Анализ научных исследований в области переместительных операций с использованием канатного транспорта и подъемных механизмов 14
1.2. Цели и задачи исследований .39
Глава 2. Современное состояние и перспективы развития лесохозяйственного комплекса ДФО
2.1. Особенности и состояние лесного фонда ДФО 43
2.2. Анализ условий эксплуатации и обоснование выбора технологий, предназначенных для освоения труднодоступных лесных территорий .62
Выводы по главе 88
Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования технических параметров аэростатно-канатной лесотранс-портной системы для вертикального изъятия древостоя
3.1. Конструкция и технология применения аэростатно-канатной системы в лесозаготовительном процессе 91
3.2. Определение массы грузозахватного механизма, обеспечивающей эффективное срезание ветвей на вертикально стоящем древостое .100
3.3. Исследование процессов колебаний грузовой подвески аэростатно-канатной системы, влияющих на точность и оперативность наведения грузозахватного механизма
3.3.1. Экспериментальные исследования по определению стабильности положения точки подвеса аэростатно-канатной системы .107
3.3.2. Постановка задач для исследования процесса колебаний грузовой подвески аэростатно-канатной системы 120
3.3.3. Формализация зависимостей для факторов, влияющих на функционирование тягово-возвратных и грузовых канатов системы 125
3.3.4. Формализация зависимостей для факторов, влияющих на функционирование аэростата 129
3.3.5. Разработка математической модели процесса колебаний аэростатно-канатной системы при воздействии внешних нагрузок 134
3.4. Методика определения размеров внешнего контура лесоэксплуатационного участка при использовании аэростатно-канатной системы .155
Выводы по главе 180
Глава 4. Технологические и конструктивные решения при использовании аэростатно-канатных лесотранспортных систем 183
4.1. Принцип работы и конструктивные особенности грузозахватных механизмов при вертикальном изъятии и транспортировке деревьев .183
4.2. Технология использования аэростатно-канатных систем при разработке лесосек в зависимости от заданных условий эксплуатации . 202
Выводы по главе 214
Глава 5. Теоретические исследования параметров канатной лесотранспортной системы на базе пневматических конструкций
2 5.1. Особенности конструкции канатной лесотранспортной системы на пневматических опорах 215
5.2. Расчет напряжений в пневматической опоре для оценки её конструктивных параметров .217
5.3. Теоретические исследования процессов колебаний, возникающих в канатной лесотранспортной системе на базе пневматических конструкций при транспортировке древесины .
2 5.3.1. Анализ нагрузок, возникающих в канатной лесотранспортной системе в процессе функционирования .235
5.3.2. Постановка задач для исследования процесса колебаний 238
5.3.3. Методика определения зависимости для учета статической составляющей ветровой нагрузки .245
5.3.4. Методика определения зависимости для учета волновой нагрузки 252
5.3.5. Методика определения зависимостей для учета смещения пневматических опор при воздействии ветровой и волновой нагрузок .257
5.3.6. Моделирование процесса развития продольных и поперечных колебаний, возникающих в канатной лесотранспортной системе при воздействии внешних факторов .268
Выводы по главе 295
Глава 6. Технологические и конструктивные решения при использовании канатных лесотранспортных систем на базе пневматических конструкций
2 6.1. Технология использования канатных лесотранспортных систем на базе пневматических конструкций при разработке лесосек .298
6.2. Конструктивные особенности трелевочных кареток для канатных лесо-транспортных систем на базе пневматических конструкций .311
Выводы по главе 320
Глава 7. Оценка показателей эффективности использования канатных лесотранспортных систем на базе аэростатических и пневматических конструкций 322
Выводы по главе .334
Основные выводы и рекомендации 336
Список использованных источников
- Анализ научных исследований в области переместительных операций с использованием канатного транспорта и подъемных механизмов
- Анализ условий эксплуатации и обоснование выбора технологий, предназначенных для освоения труднодоступных лесных территорий
- Определение массы грузозахватного механизма, обеспечивающей эффективное срезание ветвей на вертикально стоящем древостое
- Технология использования аэростатно-канатных систем при разработке лесосек в зависимости от заданных условий эксплуатации .
Введение к работе
Актуальность направления исследований. В настоящий период времени область распространения лесозаготовительных операций в Дальневосточном федеральном округе (ДФО) планомерно смещается с наиболее доступных лесных территорий на лесосеки с характерными признаками труднодоступности и экологической зависимости, с плотным наличием на них рек, озер и болот, как правило, окруженных горными склонами с резким перепадом высот. Уже сейчас остро встат вопрос о дефицитном состоянии лесного фонда ДФО ввиду его невозможности в ближайшем будущем обеспечить отрасль качественной и рентабельно доступной древесиной.
Исходя из этого, одним из основных факторов, сдерживающим увеличение объемов лесозаготовок, проводимых в горной местности, является сложность технологического процесса по первичной транспортировке древесины от точки заготовки до места складирования и погрузки. При этом около 34,6% лесных площадей, на которых произрастает качественный и спелый древостой, находятся на склонах свыше 200, где традиционная техника либо не в состоянии вести заготовку древесины, либо выполняет е с большими затратами и с явным экологическим несоответствием.
В связи с этим характер технологических процессов, связанный с заготовкой древесины на крутых склонах, требует внедрения новых прогрессивных технологий, обеспечивающих не только минимальное экологическое воздействие, но и оперативный режим транспортировки древесины в зоне резкопере-сеченного рельефа с наличием водных препятствий.
Современные технологические системы заготовки древесины, представленные самопередвигающимися канатными установками или тракторными комплексами, специализированных для работы на крутых склонах, не до конца решают проблемы горных лесозаготовок и не обеспечивают эффективность лесозаготовительного процесса, как с технологической, так и с экологической точек зрения.
Опыт применения воздушных систем транспортировки древесины доказал технологическую и лесоводственную эффективность данных методов. Однако, если техническая изученность вертолетных трелевочных систем очевидна и в большинстве случаев сводится к повышению экономической целесообразности выполняемых работ, то воздушные способы и механизмы на базе аэростатных и подвесных канатных комплексов, способных работать на крутых склонах и преодолевать водные преграды, требуют дополнительного серьезного и разностороннего исследования, позволяющего более эффективно изучить и оценить их технологические и конструктивные особенности.
В связи с этим, более детальное изучение альтернативных технологий, которыми являются канатные лесотранспортные системы на базе аэростатических и пневматических конструкций, позволяющих эффективно осваивать труднодоступные лесные массивы с соблюдением экологических требований, представляет научный интерес и практическую значимость.
Цель исследований. Повышение эффективности заготовки древесины на труднодоступных лесных территориях посредством разработки технологии и обоснования конструктивных параметров канатных лесотранспортных систем, минимизирующих техногенное воздействие на окружающую среду.
Объекты исследования: технологические процессы лесозаготовок, канатные лесотранспортные системы на базе аэростатических и пневматических конструкций для освоения труднодоступных лесных территорий.
Предмет исследования: научные основы процесса колебаний системы подвижных канатов, математические модели, методики, алгоритмы, характеризующие технологические и конструктивные параметры канатных лесотранс-портных систем.
Методы исследования: системный анализ, методы дифференциального и интегрального исчисления, математического и имитационного моделирования, методы интерполяции данных, пассивного производственного эксперимента, математической статистики и информационных технологий, теории резании древесины, теории механики эластичных механизмов и конструкций.
Научная новизна исследований. На основании полученных патентов РФ на изобретения (№№ 2499706, 2503562, 2503172, 2531649, 2531778) были определены новые технологические и конструктивные особенности аэростатных транспортных комплексов и канатных лесотранспортных систем на базе пневматических конструкций, которые послужили основанием для решения ранее не изученных теоретических и практических вопросов, связанных с эксплуатационными и конструктивными решениями, учитывающих факторы и параметры внешних воздействий, а также состояние и возможности лесного фонда Дальневосточного региона.
Исходя из выше изложенного, впервые были поставлены и решены следующие задачи:
разработана методология исследований процесса колебаний, возникающих в грузовой подвеске аэростатно-канатной системы (АКС) и влияющих на точность и оперативность наведения грузозахватного механизма в процессе эксплуатации;
разработаны математические модели процесса колебаний и распределения нагрузок, возникающих в трх рабочих точках грузовой подвески АКС, учитывающие взаимное влияние данных точек друг на друга в разные периоды эксплуатационного цикла;
разработан алгоритм расчета размеров внешнего контура лесоэксплуатационного участка в зависимости от нагрузок, действующих на АКС в процессе выполнения технологических операций;
разработана методология исследований динамических нагрузок и процесса колебаний, возникающих в несущем канате канатной лесотранспортной системы (КЛТС) на базе плавающих пневматических конструкций (ППК) в процессе перемещения груза с учетом воздействия волновых и ветровых нагрузок;
разработаны математические модели процесса колебаний несущего каната и возникающих в нем нагрузок в зависимости от конструктивных особенностей и условий эксплуатации КЛТС на базе ППК;
разработаны технологические и конструктивные решения для реализации лесозаготовительных процессов с применением канатных лесотранспорт-ных систем на базе аэростатических и пневматических конструкций.
Основные положения, выносимые на защиту:
- методика и реализация математической модели, описывающей процессы
колебаний, возникающие в грузовой подвеске АКС под действием внешних
факторов и влияющих на точность и оперативность наведения грузозахватного
механизма;
- алгоритм расчета размеров внешнего контура лесоэксплуатационного
участка при использовании трехлинейной аэростатно-канатной системы;
- методика определения конструктивных параметров пневматической
арочной конструкции, служащей опорой для несущего каната лесотранспорт-
ной системы;
методика и реализация математической модели, описывающей процессы колебаний и динамические нагрузки, возникающие в несущем канате КЛТС на базе ППК, в процессе перемещения груза с учетом воздействия внешних факторов;
технологические и конструктивные решения для реализации лесозаготовительных процессов с применением канатных лесотранспортных систем на базе аэростатических и пневматических конструкций.
Достоверность научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертационной работе, обоснована применением признанных научных методов (методы математической статистики, метод наименьших квадратов, объектно-ориентированный анализ, реляционная алгебра) и подтверждена результатами промышленных экспериментов.
Для обработки и получения результатов исследований использовались программы и программные комплексы: «ЛИРА-САПР 2014 PRO», «ЛИРА-САПР 2014 Сапфир ЖБК», Maple (версия 18), Mathcad 15.0, Microsoft Excel – 2013;
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований были доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ) в 2003-2014 г.г.; на межрегиональной научно-практической конференции по освоению горных лесов в 2003 г. (г. Хабаровск, ТОГУ); на восьмом «Ежегодном конкурсе молодых ученых и аспирантов учебных заведений Дальнего Востока» в 2006 г. (г. Хабаровск, ТОГУ); на седьмой международной научной конференции «Новые идеи нового века» в 2007 г. (г. Хабаровск, ТОГУ); на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» в 2012 и 2014 г.г. (г. Вологда, ВоГТУ); на международном научно-практическом форуме «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона» в 2012 г. (г. Хабаровск, ТОГУ); на международном экологическом семинаре «Кедр – хозяин дальневосточной
тайги» в 2013 г. (г.Хабаровск, ТОГУ); на всероссийской конференции с международным участием «Состояние лесов и актуальные проблемы лесоуправле-ния» в 2013 г. (г. Хабаровск, ДальНИИЛХ); на международном экологическом семинаре «Философия современного природопользования в бассейне реки Амур» в 2014 г. (г. Хабаровск, ТОГУ).
Технические и конструкторские разработки, представленные в данной научной работе, награждены следующими дипломами и медалями:
диплом Петербургской технической ярмарки за разработку проекта «Технология освоения труднодоступных лесных территорий на принципах экосистемы региона» в номинации «Промышленная экология, рациональное природопользование», г.Санкт-Петербург, 12-14 марта 2013 года;
диплом Петербургской технической ярмарки HI-TECH-2014 за разработку установки «Лесотранспортная канатная система на основе надувных плавающих опор» в номинации «Лучший инновационный проект в области экологии, рационального природопользования, переработки отходов», г. Санкт-Петербург, 2014 год;
серебряная медаль XVII Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2014» за разработку «Аэростатно-канатная система для воздушной заготовки и транспортировки древесины».
серебряная медаль конкурса «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая разработка года» Петербургской технической ярмарки HI-TECH-2015 за разработку «Канатная лесотранспортная система на базе пневматических конструкций» в номинации «Лучший инновационный проект в области экологии, рационального природопользования, переработки отходов», г. Санкт-Петербург, 2015 год.
Реализация результатов работы. Исследования, положенные в основу настоящей работы, внедрены в учебный процесс Тихоокеанского государственного университета в дипломном проектировании и дисциплинах «Технология, машины и оборудование заготовки и первичной обработки древесины», «Технология и оборудование лесосечных работ».
По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований созданы практические масштабные модели аэростатно-канатной системы МТА-500 и лесотранспортной канатной системы КЛТС-50П, конструкции которых взяты за основу при создании промышленных образцов на базе предприятий Дальневосточный Центр Воздухоплавания «Аэрос» и ООО «Аэростано-Комплексные Системы» под непосредственным руководством автора.
Личный вклад автора. В ходе выполнения научных исследований автор являлся организатором конструкторских и экспериментальных работ, на основе которых сформирована концепция и алгоритм методологии исследований колебательных процессов, возникающих в канатных лесотранспортных системах на базе аэростатических и пневматических конструкций. Были разработаны и реализованы математические модели процесса колебаний и сопутствующих нагрузок, действующих в процессе функционирования канатных лесотранспортных
систем и оказывающих влияние на процесс эксплуатации. Сформулированы практические выводы и рекомендации.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства:
3. Разработка операционных технологий и процессов в лесопромышленном
и лесохозяйственном производствах: заготовительном, транспортном, склад
ском, обрабатывающем, лесовосстановительном и др.
4. Исследование условий функционирования машин и оборудования,
агрегатов, рабочих органов, средств управления.
-
Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин.
-
Выбор технологий, оптимизация параметров процессов с учетом воздействия на смежные производственные процессы и окружающую среду.
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 53 научные работы, из них – 2 монографии, 7 патентов на полезную модель, 11 патентов на изобретения, 16 научных работ в журналах реферируемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов и рекомендаций, списка используемых источников и приложений. Основной объем работы составляет 372 страницы. Работа содержит 200 рисунков, 26 таблиц. Список используемых источников состоит из 326 наименований.
Анализ научных исследований в области переместительных операций с использованием канатного транспорта и подъемных механизмов
Для систематизации теоретических направлений исследуемых вопросов в рамках данной диссертационной работы был проведен расширенный анализ, как отечественных, так и зарубежных информационных источников, научных и практических работ, сформированных за предыдущие годы, в области грузовых канатных систем и других специализированных механизмов, предназначенных для эксплуатации на труднодоступных лесных территориях. Основанием для формирования настоящих исследований, является информация о стратегии развития лесопромышленного комплекса РФ до 2020 года [218], данные о современном состоянии лесов Дальневосточного региона, представленные в коллективном труде ФГУ ДальНИИЛХ, под редакцией Ковалева А.П. [212], а также Лесные планы субъектов ДФО [115-122] и Правила заготовки древесины в РФ [181].
В ходе анализа установлено, что большинство научных работ отечественных исследователей, в области лесозаготовок, имеют комплексный подход к изучению процессов, технологий и конструктивных особенностей механизмов, направленных на создание оптимального экологического и технологического равновесия при разработке труднодоступных лесных территорий.
Одним из важных аспектов экологии лесозаготовок, являются лесохозяй-ственные направления, являющиеся основой устойчивого лесопользования. Достаточно широко и подробно этот вопрос освещен в трудах Залесова С.В. [75], Ковалева А.П. [98, 99] и Рябухина П.Б., Ковалева А.П. [201], где отражены и систематизированы лесоводственно-экологические мероприятия, показатели их эффективности по характеру воздействия лесозаготовительных операций на лесо-растительную среду, выявлены параметры воздействия при использовании различных лесозаготовительных машин и технологий. Вопросы оптимизации параметров технологических процессов лесопромышленного комплекса, также с учетом устойчивого лесопользования, представлены в трудах Рябухина П.Б. [194, 196] и коллективных трудах [195, 199, 200].
Необходимо отметить, что все авторы изученных трудов, приходят к выводу о необходимости внедрении в процесс лесозаготовок прогрессивных технологий и механизмов, способных обеспечить максимальное сохранение подроста и минимальное повреждение почвенного покрова. Одним из серьезных исследований, в области вероятного повреждения элементов насаждений в процессе валки и трелевки древесины с использованием машинного способа заготовки, являются труды Герца Э.Ф. [62, 63], в которых автором разработаны методики, позволяющие не только оценить степень повреждаемости насаждений, но также даны рекомендации, с учетом математических моделей, по максимальному сохранению лесных насаждений в зависимости от таксационных показателей, способов рубки и вида лесозаготовительных механизмов. Труды другого уральского учёного – Иванова В.В. [86], также посвящены исследованиям по влиянию природно-производственных факторов на процесс валки, а также вероятности и последствий повреждения элементов леса при несплошных рубках с использованием бензомоторных пил.
Исследования по средощадящим лесозаготовительным технологиям отражены в трудах таких отечественных ученых, как Григорьев И.В., Жукова А.И., Григорьева О.И., Иванов А.В. [69], Рунова Е.М., Савченкова А.А. [193]. Более широко технологические вопросы эксплуатации, связанные с экологической эффективностью трелевочных тракторов, и оптимизацией траектории их движения по лесосеке, также освещены в работах Григорьева И.В. [67], Григорьева И.В., Валяжонкова В.Д. [68] и Анисимова Г.М., Григорьева И.В., Жуковой А.И. [25]. В данном направлении, необходимо отметить и работы Якимовича С.Б., Тетериной М.А. [253, 254], основой которых, является объединение методов, обеспечивающих одновременно, как сохранение продуктивности лесных экосистем, так и синхронизацию машин по производительности. Объединение методов лесозаготовок и лесопользования требует объективных и точных исследований в области моделирования и оптимизации объектов технологии лесозаготовок, в частности это подтверждено трудами Редькина А.К., Якимовича С.Б. [187] и Якимовича С.Б. [250-252].
К перспективному направлению экологизации лесозаготовок необходимо отнести процессы заготовки и переработки стоящих деревьев с использованием специализированной наземной техники, способной проводить вертикальную очистку и раскряжевку древостоя на сортименты, что отмечено в отечественных [159, 170-172] и зарубежных [298, 304-307] научных трудах.
Одним из сложных и ответственных процессов в лесозаготовительном секторе, является транспортная составляющая, влияющая на эффективность и рентабельность работы предприятия. Особенно это важно в условиях многоцелевого лесопользования. Данному научному направлению, основанному на планировании транспортных систем лесных предприятий, посвящена работа Ковалева Р.Н. [102].
Отдельным направлением для отечественных ученых, являлись исследования, связанные с функционированием лесозаготовительной техники в горных или заболоченных лесах, где эколого-технологические критерии выносятся на первое место. Общие вопросы лесоэксплуатации на труднодоступных территориях раскрыты в трудах известных авторов – Кокая Г.Г. [108], Каневский М.В. и др. [123], Патякин В.И., Салминен Э.О., Бит Ю.А. [173], Ковалев А.П., Беспрозванный В.И. [101], Патякин В.И. и др. [225], Шапошников М.А. [243]. Необходимо отметить и труды авторов прошлых лет, которые заслуживают особого внимания, так как являются базовыми знаниями даже при современных процессах горных лесозаготовок – Белая Н.М. [36], Калацкий К.К., Лазарев М.Ф., Холявенко В.С., Гарькуша В.Н., Софронов А.В., Скрипко В.И. [226], Кочегаров В.Г., Бит Ю.А. [111].
Более подробно технологии горных лесозаготовок и, соответственно, сопутствующие процессы лесосечных работ, эксплуатационные параметры специализированных машин и механизмов исследовались рядом современных авторов, каждый из которых решал свои задачи исходя из поставленных целей. Так, в работе Ковалева В.А. [100] проведены исследования по лесоводственно-экологической оценке лесосечных работ на склонах крутизной 21-30о на базе валочно-пакетирующих и бесчокерных трелевочных машин Тимберджек 2618 и Тимберджек 933 в лесах Сихотэ-Алиня. Дана оценка и разработаны рекомендации по способам рубок и технологиям лесосечных работ при использовании агрегатных машин на крутых склонах Дальневосточного региона.
Вопросам создания комплексной модели функционирования лесосечных систем машин, в условиях горных лесных массивов Дальнего Востока, посвящена работа Луценко Е.В. [126]. В данной работе предложена аналитическая модель функционирования мобильной канатной установки, позволяющая определять её производительность в широком диапазоне факторов; математические зависимости, позволяющие учесть влияние физического состояния оператора на эффективность работы многооперационных машин.
Анализ условий эксплуатации и обоснование выбора технологий, предназначенных для освоения труднодоступных лесных территорий
Подробный анализ сравнения различных систем машин для горных лесозаготовок, включая вертолет и современную аэростатной систему, был проведен автором в работах [3, 4, 8, 10, 11, 13], где было обоснована экономическая и технологическая целесообразность применения трехлинейной АКС, работающей в комплекте с чокерного и грейферного захватов. По результатам анализа различных систем машин, который проводился по 27 признакам, были сделаны следующие выводы: - валочно-пакетирующие машины, способные работать на крутых склонах, в комплекте с трелевочным трактором, имеют 13 положительных признаков сравнения (ППС); - полуподвесные канатные системы трелевки имеют 8 ППС; - подвесные канатные системы трелевки имеют 17 ППС; - вертолетная трелевка имеет 19 ППС; - аэростатно-канатные системы нового поколения имеют 21 ППС. Было установлено, что воздушные системы трелевки имеют более значимое преимущество над использованием наземных и канатных средств лесозаготовки. При сравнении двух альтернативных систем воздушной трелевки, таких как вертолет и аэростат, выявлено, что АКС имеет ряд преимуществ перед использованием вертолета. В частности это: - себестоимость работ ниже в 8-10 раз; - стоимость основного оборудования (нового) ниже в 17-20 раз; - отсутствие шума от рабочего оборудования непосредственно над зоной изъятия древесины; - более высокий уровень безопасной эксплуатации основного оборудования; - больший ресурс эксплуатации оборудования;
Определены следующие положительные качества аэростатно-канатных систем, предназначенных для заготовки и транспортировки древесины: - высокая ремонтопригодность; - создание нового образца, повышенной грузоподъемности, однотипного аэростатного носителя не требует огромных капиталовложений и нескольких лет, как это требуется при создании или модернизации вертолета; - охват обрабатываемой площади, с учетом только одного монтажа, в несколько раз больше, чем у стандартных канатных установок; - время подготовительных, монтажных и демонтажных работ составляет в среднем 7% - 10% от общего рабочего времени, требуемого для разработки эксплуатационного участка; - расстояние трелевки в 2-3 раза больше, чем при использовании наземной техники и обычных канатных установок; - способность работать, как при сплошной, так и при выборочной системе рубок; - способность работы, как спуск древесины со склона, так и на подъем; - способность транспортировки древесины из-за склона без дополнительного перемещения основного оборудования; - способность работы вдоль водоемов без повреждения почвы и насаждений; - способность разработки, как крутых склонов, так и каньонов без замены основного оборудования и канато-блочной оснастки; - способность обработки двух склонов без дополнительного монтажа и демонтажа канато-блочной оснастки и оборудования.
Необходимо отметить тот факт, что хотя аэростатно-канатные системы и способны выполнять транспортно-погрузочные операция в пределах гидрологических систем, но ввиду большой массы лебедочных механизмов, сложности монтажа и доставки несущего газа, возможности АКС резко снижаются, либо на порядок повышается себестоимость выполняемых работ.
Анализируя источники [5, 9, 34, 36, 45, 46, 74, 79, 131, 157] можно сделать вывод, что существует целесообразность использования гибридных транспортных систем, обозначенных выше, как канатные транспортные системы на базе пневматических конструкций. Данные системы представляют собой комбинацию подвесных канатных систем, оборудованных специальными пневматическими опорами, для удержания несущего каната [164, 165].
Преимущество данных гибридных систем над обычными подвесными канатными и аэростатными системами заключается в следующем: - возможность эксплуатации при отсутствии или слабости естественных опор в случае наличия водной поверхности или сильно переувлажненных грунтов; - возможность одновременной работы, как при наличии водной поверхности, так и крутого склона; - данная транспортная система обеспечивает оперативную переброску груза с необорудованных сложных участков суши и обратно, где нет возможности строительства причалов и размещения подъемного и разгрузочного оборудования, либо нет возможности подхода судна близко к берегу ввиду мелководья или рифов; - высокая мобильность и оперативность монтажа и демонтажа; - низкая масса и относительно небольшие габариты по сравнению с АКС; - использование в качестве внутреннего давления обычного воздуха, который не требует хранения и дополнительного оборудования для перевозки, как газ гелий или водород; - себестоимость работ ниже, чем у АКС и сравнима с обычными канатными установками.
Определение массы грузозахватного механизма, обеспечивающей эффективное срезание ветвей на вертикально стоящем древостое
Обобщение численных результатов решения системы (3.98) относительно перемещений xF, yF, zF определяет жесткость системы в зависимости от направления перемещения точки стыковки канатов по осям xyz в виде нелинейных трансцендентных зависимостей: где X1…Xn – исходные данные (т.е. все величины, так или иначе фигурирующие в предыдущих зависимостях, используемых при расчете xF, yF, zF). Уравнения (3.99) – (3.101) являются аппроксимирующими функциями, поэтому размерность исходных величин, для значений которых они построены, при их составлении не имеет значения.
Поскольку по результатам решения системы получаются зависимости ортогональных перемещений точки соединения канатов в зависимости от направлений и интенсивностей воздействия, то решение может быть использовано при расчете колебаний (амплитуд, частот) грузовой подвески аэростатно-канатной системы. Рабочая схема для расчета колебаний грузовой подвески АКС представлена на рисунке 3.44.
Схема к составлению уравнений колебаний элементов аэростатно-канатной системы: ті - масса аэростата; да2 - масса грузозахватного механизма; тр - масса бортовой лебедки, размещенной в точке подвеса (примечание: при отсутствии бортовой лебедки величина тр принимается равной нулю); пі, П2 - коэффициенты демпфирования канатов верхней и нижней подвесок соответственно; Пр - коэффициент демпфирования тягово-возвратных канатов; /; -длина верхней подвески; І2 - длина нижней подвески; FjXy Fiy Fjz - внешние нагрузки на аэростат (исходные данные); р2Х, р2У, p2Z - внешние нагрузки на грузозахватный механизм (исход 2, ные данные); Г;, І2 - натяжения (внутренние усилия) в верхней и нижней подвесках; у/1, 01,02 - углы, характеризующие отклонения аэростата и ГЗМ от положения точки подвеса.
Для этого составляется и решается система нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, которая в общем виде записывается следующим образом: T 2 1 где m] - масса аэростата; Ш2 - масса грузозахватного механизма; тпр - масса бортовой лебедки, размещенной в точке подвеса (примечание: при отсутствии бортовой лебедки величина тпр принимается равной нулю); П],П2 - коэффициенты демпфирования канатов верхней и нижней подвесок соответственно; nF - коэф 153 фициент демпфирования тягово-возвратных канатов; lj - длина верхней подвески; І2 - длина нижней подвески; F]x F]y F]z - внешние нагрузки на аэростат (исходные данные); i7 i7 F z - внешние нагрузки на грузозахватный механизм (исходные данные); Т], Т2 - натяжения (внутренние усилия) в верхней и нижней подвесках; if/], у/2, в], в2 - углы, характеризующие отклонения аэростата и ГЗМ от положения точки подвеса.
Представленная система уравнений является по своей сути системой, описывающей колебания сложной (многокомпонентной) системы маятников. Первые 6-ть уравнений, входящих в её состав, являются уравнениями затухающих колебаний маятников. Оставшиеся 6-ть уравнений очевидны и следуют из геометрии схемы на рисунке 3.44. Взаимное влияние колебаний аэростата, точки подвеса и ГЗМ учитывается при помощи углов ці], ц/2, в], 02, характеризующие отклонения аэростата и ГЗМ от положения точки подвеса, синусы которых фигурируют в первых шести уравнениях.
Решения данной системы и будут являться искомыми амплитудами колебаний характерной точки подвески, а их производные по времени - частотами колебаний.
Также следует отметить, что в систему уравнений (3.44) не включены величины ZA, zp, zL. Это связано с тем, что расчеты ведутся при допущении о малой деформаций растяжения канатов нижней и верхней подвесок по сравнению с колебаниями элементов системы по осям х, у. Данное допущение оправдано ввиду значительной жесткости канатов нижней и верхней подвесок при растяжении (рисунок 3.25). В этом случае перемещения элементов системы по оси z будут элементарно определяться по значениям перемещений по осям Х,уи углов If/], ЦІ2, в],
Аналитическое решение системы уравнений (3.102) невозможно, поэтому при решении был использован численный метод Рунге-Кутта 4-5 порядка точности, реализованный в программном комплексе Maple, версия 18.
Начальные условия, необходимые для решения системы (3.102) - это положения и скорости аэростата, точки подвеса и ГЗМ в момент времени 0, т.е. этого следует, что при решении задач о воздействии ветра на движущуюся систему, например, в процессе торможении, общий вид уравнений (3.102) не изменится, а изменятся лишь начальные условия, относящиеся к скоростям и положениям характерных точек. Это же соображение действует и при расчете затухания колебаний уже подведенной к точке загрузки системы: задаются только значения смещений аэростата и ГЗМ, уравнения системы (3.102) при этом не изменяются.
Как уже было отмечено ранее, касательно системы уравнений (3.98), все геометрические параметры аэростатно-канатной системы в части размещения тя-гово-возвратных канатов (равно как и их механических свойств), определяют аналоги жесткостей кх, ку, включенные в систему уравнений (3.102).
Рассмотрим случай, когда нижняя подвеска с ГЗМ опускается с помощью бортовой лебедки. Очевидно, что в этом случае величина / будет иметь переменные значения. Тогда в системе уравнений (3.102) необходимо заменить постоянно по времени значение h на переменную по времени длину h(t), что, опять же, не изменит общую структуру используемых уравнений. Вид функции (t) определяется скоростью опускания ГЗМ, например, при скорости 2 м/с l2(t) = 2t+e. Здесь необходимо отметить, что величина Б , имеющая произвольное малое значение, например, 1 м, вводится в функцию hft) во избежание ошибки при решении в момент t = 0 и не вносит сколько-нибудь существенного искажения в результаты расчетов.
Результаты решения системы уравнений (3.102) представлены в Приложении 2 на рисунках П2.1. - П2.13 в виде графиков, отражающих процесс амплитуды колебаний системы грузовой подвески АКС при различных условиях эксплуатации.
Из научных и практических источников [3, 4, 7, 8, 11, 169] известно, что эксплуатация трехлинейной аэростатно-канатной системы ведется на лесосеках вписанных в рабочий участок треугольной формы. При этом выявлено, что при выполнении работ вдоль периметра рабочего треугольника, в канатах АКС возникают максимальные усилия, отражающиеся на безопасном функционировании системы в целом. Также было установлено, что при определенном направлении и силе ветра, один или два каната системы могут быть на время выключены из работы, что ведет к неуправляемости и возникновению ситуаций, когда точка подвеса и соответственно грузовая подвеска с ГЗМ смещаются от линии периметра рабочего треугольника. Данная ситуация приводит к образованию недоступной зоны и недоступности заготавливаемого древостоя для грузозахватного механизма АКС.
Соответственно, чтобы обеспечить доступность ГЗМ в любой точке периметра рабочего контура, а также управляемость системы с помощью всех трех канатов, необходимо выполнить смещение наземных лебедок или контурных блоков, размещающихся в углах рабочего треугольника, на определенное расстояние.
Исходя из этого, необходимо разработать методику позволяющей вычислять размеры недоступной зоны для увеличения периметра внешнего рабочего контура в зависимости от условий эксплуатации, обеспечив тем самым эффективное функционирование АКС.
Для выстраивания методики по определению недоступной зоны и соответственно размеров периметра внешнего контура необходимо обратиться к теоретическим исследованиям [7, 8, 125], в которых отражены основные расчетные схемы и получены уравнения для определения усилий в любой точке треугольного рабочего участка.
Технология использования аэростатно-канатных систем при разработке лесосек в зависимости от заданных условий эксплуатации .
Пневматическую опору можно отнести к конструкциям с постоянной по высоте жесткостью, площадью наветренной поверхности и массой, в этом случае допускается определять нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки на уровне z по формуле: п где С коэффициент динамичности, wph - пульсационная составляющая ветровой нагрузки на высоте 10 м.
После аппроксимации данных [215], коэффициент динамичности С можно представить в виде формулы: " = 5Де + 1,25 (5.13) Сходимость результатов расчета по формуле (5.12) с данными [215] представлена графически на рисунке 5.25.
Коэффициент динамичности в зависимости от параметра : сплошная линия – расчет по формуле (5.13), маркеры – данные [215] При этом параметр определяется по формуле: где yt - повышающий коэффициент, зависящий от типа динамической нагрузки (для ветровой нагрузки yt= 1,4)
Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки на высоте 10 м wph определяется по формуле: WPh=Wm V (5.17) где д - коэффициент пульсации давления ветра в зависимости от высоты, v -коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления. После аппроксимации данных [215], коэффициент пульсации давления ветра д в зависимости от высоты над поверхностью z для открытых побережий морей, озер и водохранилищ можно представить в виде формулы: д = 1,0802 z-0 15 (5.18)
Значения по формуле (5.15) хорошо согласуются с данными [215], что подтверждает график на рисунке 5.26.
Коэффициент пульсации давления ветра в зависимости от высоты над поверхностью для открытых побережий морей, озер и водохранилищ: сплошная линия - расчет по формуле (5.18), маркеры - данные [215] При z = 10 м значение д составит 0,765. После линейной интерполяции данных [215], выражение для коэффициента пространственной корреляции пульсаций давления v можно представить в виде линейной функции высоты hon и диаметра don опоры:
Графики на рисунке 5.27 позволяют проследить типичный характер изменения ветрового давления на опору по высоте (графики получены расчетом по формуле (5.5) с учетом выражений (5.6) - (5.8), (5.11) - (5.14), (5.17), (5.19).
Расчетное значение нагрузки, приложенной к вершине опоры, действие которой эквивалентно ветровой, определим из условия: где МВЕТР, ст - статический момент, создаваемой распределенной ветровой нагрузкой в сечении трубы опоры с координатой z = 0 (место крепления к платформе). Множитель «2» вводится с учетом того, что опора состоит из двух труб (арочный тип).
Момент МВЕТР, СТ в формуле (5.19) найдем после умножения суммарного давления w по формуле (5.5) с учетом выражений (5.6) - (5.8), (5.11) - (5.14), (5.17), (5.19) на площадь лобовой поверхности (произведение половины длины окружности поперечного сечения трубы опоры на ее высоту) и интегрирования по высоте сечения z:
Аппроксимируем результаты расчета по формулам (5.19), (5.21) показательной функцией при помощи метода наименьших квадратов, тогда эквивалентная нагрузка F KB [кН], приложенная к вершине мачты по горизонтали, определится по формуле:
Эквивалентная ветровой нагрузке сила в зависимости от осредненной скорости ветра (dОП = 1 м) Эквивалентная ветровой нагрузке сила в зависимости от осредненной скорости ветра (dОП = 1,5 м) По результатам анализа графиков можно заключить, что при проектировании плавающих пневматических опор следует ориентироваться на максимальное значение статического усилия, эквивалентного действию ветровой нагрузки, в пределах 30 кН.
Оценим значение ветровой нагрузки на непосредственно несущий канат. Воспользуемся формулой [38, 204]: FBETP,K = 0Д а CXW0dHK 1 Sin ? (5.23) где а - коэффициент, учитывающий неравномерность скорости ветра по пролету каната (а = 0,7 [1]), Сх - коэффициент лобового сопротивления (для с диаметром d 20 мм Сх = 1,1 ), /- длина пролета, d - диаметр сечения каната, (р -угол между направление ветра и хордой каната (плоскость, в которой приложена ветровая нагрузка, может быть любая, в т.ч. вертикальная; угол (р является «углом атаки»). J 0 / П 7 Тогда, например, при йнк = 36 мм, ср = 90 , Vo = 20 м/с(WO = 0,244 ка) и / = 250 м значение FBETP, К 0,5 кН, что, очевидно, намного меньше усилий, действующих на сами пневматические опоры при той же осредненной скорости ветра.
Для получения зависимостей для оценки волновой нагрузки на плавучие опоры канатной дороги используем методику, предложенную в [216]. Расчетная схема к последующим вычислениям представлена на рисунке 5.30.
Максимальное значение равнодействующей волновой нагрузки на горизонтальную обтекаемую преграду определяем с использованием значений горизонтальной PX и вертикальной PZ составляющих по формуле: где Pxt и Pzi - инерционные компоненты составляющих линейной нагрузки от волн, Рхуи Pzv - скоростные компоненты составляющих линейной нагрузки от волн, Sxi и Szi - коэффициенты сочетания инерционных компонентов линейной нагрузки от волн, Sxv и Szv - коэффициенты сочетания скоростных компонентов линейной нагрузки от волн.