Повышение тяговых свойств гусеничных трелевочных машин с повортными грунтозацепами

Актуальность темы

Анализ климатических и грунтово-гидрологиче-ских условий эксплуатации районов Европейского Севера показал, что обширная часть лесных площадей занята заболоченными и переувлажненными грунтами, имеющими низкую несущую способность. Проведенные институтом Ко-миГипроНИИлеспром обследования лесоэксплуатационных площадей летнего лесофонда объединения «Комилеспром» выявили, что в настоящее время около 70% лесосек характеризуется заболоченными или переувлажненными грунтами. Такие лесосеки относятся к III и IV категории грунтов, наиболее неблагоприятных для лесоэксплуатации. В Республике Коми на таких лесосеках произ.

3 3 растает 883 млн м, в том числе 680 млн м спелых и перестойных насаждений.

Почвено-грунтовые условия характеризуются категориями грунта:

Первая категория (сухие пески, каменистая почва) позволяет работать на лесосеке в течение всего года с небольшим перерывом в весеннюю распутицу.

Вторая категория (супесчаные почвы, мелкие суглинки) допускает многократный проход машин по одному следу (волоку). В периоды весенней и осенней распутицы их несущая способность падает, но летние осадки на проходимость машин влияют мало.

Третья категория (глинистые почвы, супеси с глинистыми прослойками) имеет повышенную влажность в течение всего теплого периода. Лесосечные машины быстро разрушают растительный слой и образуют глубокие колеи на волоках. В распутицу волоки превращаются в плывуны, дожди вызывают сильную загрязненность волоков и трелюемой (в хлыстах) древесины.

Четвертая категория (торфянисто-болотные, перегнойно-глеевые почвы) наиболее неблагоприятна для лесоэксплуатации. В периоды затяжных дождей волоки становятся непроезжими, в сухую погоду заполнены грязью.

При существующих технических средствах заготовки леса лимитирующей операцией технологического процесса разработки лесосек с переувлажненными грунтами, является трелевка леса, особенно в период сезонных распутиц. Основной причиной такого положения является низкая производительность трелевочных машин из-за их плохой проходимости. Вследствие этого сдерживается работа валочно-пакетирующих и сучкорезных машин, которая в меньшей степени зависит от почвенно-грунтовых условий. Большая часть серийных лесосечных машин тяжеловесна и рассчитана на использование их в крупномерных древостоях с хорошими почвенно-грунтовыми условиями, поэтому в мелкотоварных переувлажненных насаждениях эффективность применения таких машин снижается.

При освоении лесосек со слабонесущими грунтами следует уделять внимание не только повышению производительности лесозаготовительных машин, но и сохранению лесной среды.

Существующие гусеничные машины при трелевке на слабонесущих грунтах имеют недостаточную касательную силу тяги за счет низкого коэффициента сцепления. Это приводит к интенсивному буксованию движителя, образованию колеи и росту сил сопротивления движению. Такой режим работы сопровождается уменьшением эффективности гусеничных трелевочных машин.

В связи с этим актуальной является разработка конструкции гусеничного движителя трелевочной машины с поворотными грунтозацепами.

Цель работы. Повышение тяговых свойств трелевочных гусеничных машин с поворотными грунтозацепами на лесосеках с заболоченными или переувлажненными волоками.

Объект исследования. Поворотные грунтозацепы гусеничного движителя трелевочной машины.

Предмет исследования. Математические модели и физико-механические параметры взаимодействия гусеничного движителя, оборудованного поворотными грунтозацепами с деформируемой средой.

Методы исследований. Применялись следующие методы: математического и физического моделирования, тензометрирования, статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

— обоснован характер взаимодействия гусеничного движителя с деформируемой поверхностью волока, отличающегося наличием дополнительных поворотных грунтозацепов;

— разработаны математические модели взаимодействия опорного катка гусеничной трелевочной машины с поворотным грунтозацепом, отличающиеся учетом размеров управляющей и уплотняющей граней поворотного грунтоза-цепа.

— разработаны методики определения коэффициента сцепления движителя гусеничных машин с учетом объемной деформации среды.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель взаимодействия опорного катка гусеничной трелевочной машины с поворотным грунтозацепом, позволяющая определить момент поворота с учетом параметров машины и геометрических параметров управляющей грани грунтозацепа.

2. Математическая зависимость параметров поворотного грунтозацепа с деформируемой средой, дающая возможность определить уровень и характер изменения момента сопротивления повороту с учетом размеров уплотняющей грани грунтозацепа.

3. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия поворотного грунтозацепа с деформируемой средой, позволяющие обосновывать форму распределения напряжений в среде, рассчитывать коэффициент сцепления с учетом ее физико-механических параметров.

4. Методика расчета коэффициента сцепления модернизированного гусеничного движителя трелевочных машин с деформируемой средой.

Практическая значимость. Реализация выводов и рекомендаций данной работы позволяет круглый год разрабатывать лесосеки на переувлажненных и заболоченных поверхностях с соблюдением лесоводственных требований.

Предложенные методики дают возможность проводить расчеты по обоснованию размеров управляющей и уплотняющей граней поворотного грунтоза-цепа гусеничного движителя.

Разработанная конструкция гусеничной ходовой части трелевочной машины позволяет увеличить коэффициент сцепления и производительность трелевки на слабонесущих переувлажненных поверхностях.

Разработанный гусеничный движитель трелевочной машины рекомендуется для использования на заводах лесного машиностроения при модернизации существующих трелевочных машин.

Реализация работы. Научные результаты исследований приняты к внедрению на ОАО «Ремонтник» Республики Коми и в учебный процесс Ухтинского государственного технического университета. Экспериментальная установка для определения момента сопротивления повороту грунтозацепа используется студентами при проведении лабораторных работ.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Межрегиональных молодежных научных конференциях «Севергеоэкотех-2003» (Ухта, 2003) — «Севергеоэкотех-2004» (Ухта, 2004) — научно-технических конференциях УГТУ (Ухта, 2003 — 2006) — на Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2004 — 2006) — Международной научно-технической конференции «Новые технологии в машиностроении» (Брянск, 2005) — научно-технической конференции «Обоснование технических решений и параметров лесосечных машин. Поддержание и восстановление их потенциальных свойств» (С.-Петербург, 2003).

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации.

Составление математических алгоритмов исследуемых процессов взаимодействия в системе «опорный каток — поворотный грунтозацеп — деформируемая среда», подготовка и проведение экспериментальных исследований, обработка полученных данных, разработка методики расчета коэффициента сцепления.

Публикации. Материалы диссертации представлены в 12 научных работах объемом 2,5 п. л., из них 7 работ в соавторстве (1,6 п. л.), авторский вклад 40%, в том числе одна статья в издании, рекомендованном ВАК для публикации материалов диссертации на соискание ученой степени доктора наук.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 86 наименований, и двух приложений. Содержание работы изложено на 135 страницах машинописного текста, иллюстрировано 80 рисунками и 18 таблицами.

Результаты исследования повышения тяговых свойств гусеничных трелевочных машин на переувлажненных и заболоченных лесосеках путем применения поворотных грунтозацепов, является научно-квалифицированной работай, в которой изложены научно обоснованные технические решения, имеющие существенное значение для экономики лесозаготовительной отрасли. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Повышение тяговых свойств трелевочных машин достигается путем устройства на гусеничной цепи трелевочного трактора стальных поворотных грунтозацепов с управляющими и уплотняющими грунт гранями при работе на слабо несущих грунтах.

2. Предложенная конструкция гусеничного движителя, оборудованного поворотными грунтозацепами, позволяет повысить тяговые свойства за счет появления горизонтальной составляющей воздействия уплотняющей грани ПГ на деформируемую среду.

3. Разработана математическая модель взаимодействия опорного катка гусеничной трелевочной машины с поворотным грунтозацепом, позволяющая с учетом геометрических параметров его управляющей грани определить изменение момента поворота грунтозацепа.

4. Математическая зависимость параметров взаимодействия грунтозацепа с деформируемой средой дает возможность с учетом размеров уплотняющей грани определить уровень и характер изменения момента сопротивления повороту грунтозацепа.

5. В результате экспериментальных исследований получены регрессионные зависимости параметров взаимодействия поворотного грунтозацепа с деформируемой средой, определена форма распространения напряжения сжатия в виде подштампованного клина в грунте и трапеции в почве.

6. Разработаны методики (для условий эксперимента и для практического применения) определения коэффициента сцепления с учетом объемной деформации среды при одновременном воздействии гусеничного движителя и уплотняющей грани поворотного грунтозацепа.

7. Применение поворотного грунтозацепа позволит увеличить коэффициент сцепления в 1,7.3,6 раза по сравнению с базовым гусеничным движителем. Степень роста коэффициента сцепления зависит от параметров уплотняющей грани поворотного грунтозацепа и деформируемой среды.

Рекомендации.

1. Разработанный гусеничный движитель трелевочной машины рекомендуется для использования на заводах лесного машиностроения при модернизации существующих трелевочных машин.

2. При конструировании гусеничного движителя рекомендуется применять двухвенцовое ведущее колесо и опорные катки с соответствующим изменением конструкции траков для размещения поворотных гунтозацепов.

3. Методика расчета коэффициента сцепления рекомендуется к использованию в научно-исследовательских институтах и учебных заведениях при тяговых расчетах и проектировании гусеничных трелевочных машин с поворотными грунтозацепами.

4. Предложенные математические модели рекомендуются конструкторским бюро для обоснования параметров поворотных грунтозацепов гусеничных трелевочных машин.