Обоснование параметров малогабаритной тягово-транспортной машины для рубок промежуточного пользования

Опыт эксплуатации существующих трелевочных и транспортных машин на лесосеках показывает, что проведение рубок промежуточного пользования сопровождается неоправданно высокой степенью уничтожения запаса насаждения, что влечет за собой уменьшение продуктивности оставляемого на доращивание древостоя.

Воздействие лесозаготовительной техники на лесную экосистему исследовалось многими авторами. Начало этому было положено в трудах классика отечественного лесоводства М. Е. Ткаченко, позднее воздействие лесозаготовительной техники в той или иной степени изучали А. В. Побединский, И. С. Мелехов, В. Ю. Савицкий, С. М. Гугелев, В. Н. Меньшиков, В. И. Да-нилюк и др. Основы теории движения колесных и гусеничных машин, а также степени воздействия лесозаготовительных машин были заложены и обобщены в трудах В. П. Горячкина, И. П. Ксеневича, В. А. Скотникова, М. И. Ляско, М. Г. Беккера, А. С. Агейкина, Г. М. Анисимова, Б. М. Большакова, Ю. Ю. Герасимова, И. И. Водяника, В. С. Сюнева и др.

Всесторонние исследования воздействия лесозаготовительных машин производились в основном с позиций снижения влияния техногенных факторов с учетом экологического состояния почв на лесосеках. При этом не оказался не рассмотренным вопрос обоснования параметров малогабаритных машин для рубок промежуточного пользования. Опубликованные работы носят лишь рекомендательный характер, в частности в регламентирующих технологический процесс документах устанавливаются пределы давления на грунт и в случаях, когда применение традиционной крупногабаритной техникой затруднено, рекомендуется вывозка летательными аппаратами и конная трелевка. Необоснованными оказываются также рекомендации по целесообразности применения в качестве тяговых базовых средств малогабаритных тракторов, большинство которых изначально разрабатывалось для обработки сельхозугодий и в силу этого имеющих специфическую компоновку.

Распределение массы у тракторов классической сельскохозяйственной компоновки не соответствует условиям труда и характеру расположения груза для лесопромышленного трактора, в статическом состоянии без груза сила тяжести МТЗ-80(82), ЛХТ-55 и др. распределяется в соотношении 40% на переднюю ось и 60% на заднюю. При установке на них трелевочного оборудования и погрузке древесины нагрузка на заднюю ось становится еще больше, вследствие чего давление под ведущими движителями возрастает, а управляемость из-за разгрузки передней оси ухудшается.

Поэтому, проведение рубок промежуточного пользования, на данном этапе развития техники и технологии работ, наряду с вырубкой нежелательных деревьев сопровождается уничтожением потенциально пригодных к до-ращиванию экземпляров доминирующей породы при прокладке технологических коридоров. Результатом такого ухода становится снижение продуктивности насаждения из-за недоиспользования долгое время продуцирующей земли и пространства между кронами деревьев, которое в средневозрастных и старшего возраста насаждениях может достигать до 2 м /га в год. Кроме того, уплотнение почвы в технологических коридорах, неизбежно возникающее при многократном проезде машин даже небольшой массы, ухудшение ее водно-физических свойств и повреждение корневых систем деревьев, растущих рядом с коридором, приводят иногда не только к недополучению ожидаемого дополнительного светового прироста, связанного с разреживанием, но и к снижению текущего прироста этих деревьев.

В целом можно заключить, что на уровень повреждения леса и минерализации почвы оказывают весомое влияние конструктивные факторы лесных машин, в числе которых габаритные размеры, давление на опорную поверхность, способ маневрирования и способ размещения груза (хлыстов и деревьев). Очевидно, что сокращение количества поврежденных деревьев возможно за счет уменьшения площади технологических коридоров путем снижения габаритов лесных машин при одновременном повышении их проходимости и маневренности.

Наиболее широко данное направление развивается за рубежом. Так, в Швеции, при проведении первых приемов рубок ухода, удаления семенников в лесах естественного возобновления, разработке труднодоступных лесосек и бурелома наряду с традиционными средствами трелевки применяют легкие, маневренные, малогабаритные машины, наносящие меньший вред окружающей среде.

Как показывает анализ, парк малогабаритной лесной техники представлен в основном дорогостоящими узкоспециализированными зарубежными машинами на базе компоновочных схем колесных и гусеничных тягово-опорных систем.

На основе изучения отечественного производства мини-техники можно сделать вывод, что наиболее рациональную компоновку по массогабарит-ным, тяговым и экологическим показателям можно получить на базе колес-но-шагающей двухмодульной системы в составе серийно выпускаемого промышленностью тягово-энергетического и специального грузонесущего модулей.

В условиях рубок промежуточного пользования и лесосечно-восстановительных процессов, малогабаритные переместительные машины являются наиболее эффективными в имеющейся номенклатуре трелевочной техники с точки зрения сохранности лесорастительных условий и последующего максимального выхода деловой древесины. Неоспоримым их преимуществом является минимизация трудозатрат на разработку транспортной составляющей процесса освоения лесосеки, в виду беспрепятственного проезда по труднодоступным участкам лесосеки к намеченным в рубку деревьям.

Высокая степень унификации машины вызывает необходимость разработки методики выбора и теоретического обоснования основных параметров конструктивно-компоновочной схемы для адаптации к трелевочным работам, которая в дальнейшем, по мере развития производства с последующим неизбежным переходом к конструированию оригинальных узлов и деталей, сможет послужить основой для вновь проектируемых машин.

Поэтому, обоснование параметров многофункциональной малогабаритной переместительной машины для беспрепятственного проезда по труднодоступным участкам лесосеки к намеченным в рубку деревьям при рубках промежуточного пользования является актуальной задачей в виду ее значимости для экологии и лесохозяйственного комплекса страны.

В первой главе диссертационной работы выполнен анализ влияния элементов ходовых систем существующей номенклатуры лесозаготовительной техники на лесорастительные условия, возможных направлений повышения их экологической совместимости, снижения техногенного воздействия на лесную растительность и продуктивность лесов путем синтезирования различных технических решений. Установлено, что в процессе создания новой техники необходимо учитывать роль динамики лесных грузов, накладывающей определенные ограничения на применяемую технологию и значительного влияния на погрешности в работе машин и механизмов, надежность и возникновение аварий. В результате сделаны выводы о том, что данное направление представляет большой научный интерес и значимость для экологии и нужд лесохозяйственного комплекса страны. Определены цели и задачи исследования.

Цель работы: обоснование параметров малогабаритной тягово-транспортной машины для повышения эффективности рубок промежуточного пользования и малообъемных лесозаготовительных производств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать и теоретически обосновать компоновочную схему МТТМ.

2. Теоретически обосновать основные конструктивные параметры в зависимости от применяемой технологии.

3. Провести теоретический анализ эксплуатационных свойств МТТМ.

4. Разработать эквивалентную динамическую схему, математическую модель системы «машина — хлыст» и выполнить экспериментальные исследования динамической нагруженности элементов конструкции на натурном образце с целью определения достоверности результатов теоретических исследований.

5. Экспериментально исследовать влияние МТТМ на лесорасти-тельные условия, определить тяговые возможности и проходимость натурной модели.

Вторая глава посвящена обоснованию структурно-компоновочной схемы и теоретическому анализу эксплуатационных параметров машины. В ней, рассмотрена конструктивная схема малогабаритной колесно-шагающей трелевочной системы, в том числе оригинальной одноосной машины использующей тело хлыста в качестве стабилизатора в продольном направлениина основе рассмотрения задачи о деформации хлыста, учитываемой при проектировании лесозаготовительной техники, определены размерные характеристики эксплуатационных параметров расчетных хлыстоввыполнен эксплуатационный и экономический анализ различных способов трелевкиразработаны математическая модель и алгоритм имитационной модели движения малогабаритной лесной машины под пологом леса.

В третьей главе рассмотрено влияние колесно-шагающего хода на динамику процесса трелевки хлыстов одноосной машиной. Здесь установлено влияние различных факторов на колебания системы «машина — гибкий груз» в целом, разработана эквивалентная динамическая схема с конечным числом степеней свободы. Разработана методика приведения распределенных параметров хлыста, в частности универсальное выражение для определения момента инерции в любом сечении по длине хлыста, проведено исследование системы «машина — гибкий груз».

Четвертая глава посвящена методике и результатам экспериментальных исследований характеристик малогабаритной машин. Ее отличительной особенностью является комплексно-дифференцированный подход к изучению предмета исследования. Полученные результаты позволяют прогнозировать важнейшие эксплуатационные характеристики как существующей, так и вновь создаваемой техники.

Научная новизна. Впервые для рубок промежуточного пользования: теоретически обоснована структурно-компоновочная схема малогабаритной тягово-транспортной машины, отличающаяся видом взаимодействия с грузом при трелевке в полупогруженном положении и высокой степенью унификации с минимальным использованием оригинальных деталейпредложен способ трелевки в полупогруженном положении одноосным транспортным средством с опорой на хлыст для стабилизации в продольном направленииразработана методика определения эксплуатационных параметров расчетных хлыстов, отличающаяся учетом упругих характеристик предмета трударазработана имитационная модель движения малогабаритной машины под пологом леса, отличающаяся математическим описанием траектории имитирующей стратегию оператора по выбору возможной траектории движения и способа генерирования пространственного расположения деревьев с учетом законов естественного отбора, использование которой позволяет оценивать доступность насаждения к освоениюразработана математическая модель системы «машина — хлыст», отличающаяся расчетной схемой учитывающей особенности размещения и перемещения гибкого груза под воздействием кинематических возмущений от колесно-шагающего хода.

Основные положения, выносимые на защиту:

• структурно-компоновочная схема малогабаритной тягово-транспортной машины;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований трелевки в полупогруженном положении одноосным транспортным средством с опорой на хлыст для стабилизации в продольном направлении;

• выражений для определения параметров прогиба и момента инерции в любом сечении по длине хлыста;

• результаты имитационного моделирования проникаемости насаждения;

• методики установления эксплуатационных параметров предмета труда, рациональных режимов работы и прогнозирования проходимости малогабаритной машины;

• результаты экспериментальных исследований экологичности и эффективности колесного и колесно-шагающего хода.

Практическая значимость работы. В результате выбора и расчета основных конструктивных узлов с учетом технологии производства работ, обоснованы параметры рациональной по массогабаритным, экологическим и стоимостным показателям, альтернативной зарубежным и отечественным образцам, многофункциональной тягово-транспортной машины для рубок промежуточного пользования и малообъемных лесозаготовительных производств. Полученные математические зависимости позволяют: производить расчеты рациональной компоновки и важнейших эксплуатационных показателей как существующих, так и вновь создаваемых «железных коней" — определять параметры технологического процесса рубок промежуточного пользования с использованием наряду с традиционными средствами трелевки легких средств для перемещения древесины.

Экспериментальные исследования были проведены на натурном образце, разработанном и изготовленном на кафедрах «Автомобили и двигатели» Красноярского государственного технического университета и «Технология и оборудование лесозаготовок» Сибирского государственного технологического университета. Испытания экспериментального образца малогабаритной лесной машины проведены лично автором, при содействии кафедр «Автомобили и двигатели» КГТУ и «Проектирование лесного оборудования» Сиб-ГТУ в условиях реальной лесосеки в учебно-опытном лесхозе СибГТУ. Теоретическая часть разработана автором на кафедре «Технология и оборудование лесозаготовок» СибГТУ в период обучения в аспирантуре.

Автор выражает глубокую признательность профессору, доктору технических наук Анопченко В. Г. за помощь в изготовлении колесношагающих движителей и ценные замечания полученные в ходе выполнения работы.

Выводы по главе.

1. Уменьшение коэффициента буксования при достижении величин нормальной и крюковой нагрузки соответственно 1120,4 и 550 Н позволяет сделать вывод о том, что при их пропорциональном увеличении с определенного момента определяющим фактором процесса реализации тягового усилия будет нормальная нагрузка на КШД. Недоиспользование грузоподъемности тягово-энергетического модуля приведет к излишней минерализации лесной почвы, тогда как увеличение объема нагрузки на рейс сверх рассчитанных объемов будет способствовать повышению величины касательной силы тяги, что в целом согласуется с рекомендациями курса теории автомобиля по повышению проходимости путем увеличения сцепного веса.

2. Величина реализуемой касательной тяги позволяет осуществлять трелевку за вершины, что увеличивает производительность машины на 24%.

3. Известно, что рост корней ели прекращается при плотности почвы о.

1500 кг/м [134]. Средние значения плотности почвы после однократного проезда колеса и КШД с нормальной нагрузкой 1500 Н составили соответственно 1553,8 и 1482,8 кг/м, т. е. использование серийного колеса мотоблока в качестве движителей МТТМ в еловых насаждениях с куртинами молодняка недопустимо.

Эксперименты показывают, что после однократного прохода КШД плотность почвы под башмаком остается практически неизменной, уплотнение происходит лишь в местах опоры движителя на концы башмаков. Абсолютный прирост плотности лесной почвы после воздействия КШД в 1,73 раза меньше, чем от серийного колеса мотоблока.

4. По результатам третьей части эксперимента можно судить о том, что высота преодолеваемого препятствия КШД больше чем у колеса в 9,4 раза. Необходимо отметить, что статический радиус колеса и КШД составляют соответственно 0,22 и 0,3 м, тогда соотношение высот препятствий при сопоставимых размерах движителей составит примерно 1:7 в пользу КШД.

5. Колебания, генерируемые источником возмущения в элементах системы «МТТМ-2 — хлыст», многократно накладываясь, искажают истинную величину определяющих процесс колебаний.

6. Воздействие колебаний на оператора будет ощутимым, но легко переносимым.

7. Экспериментальные исследования по определению амплитуды колебаний подтверждают правильность аналитических выводов о величине и характере колебательного процесса системы «МТТМ-2 — хлыст» и, что возмущения, генерируемые колесно-шагающим ходом, не будут вызывать резонансных явлений и минерализации лесной почвы грузовым модулем.

Заключение

.

В диссертационной работе рассмотрены вопросы обоснования основных параметров конструктивных узлов малогабаритной лесной машины с учетом технологии производства работ, в результате чего определены рациональные по массогабаритным, экологическим и стоимостным показателям эксплуатационные характеристики альтернативного зарубежным и отечественным образцам прототипа многофункциональной тягово-транспортной машины для рубок промежуточного пользования и малообъемных лесосечно-восстановительных процессов.

Теоретически обоснованная компоновка узлов и агрегатов отвечает функциональным требованиям, выполнение которых гарантирует заданный процесс взаимодействия машины с предметом труда и работоспособность конструкции. Выбранная конструктивно-компоновочная схема МТТМ, исходя из поставленных задач, обеспечит трелевку хлыстов и сортиментов на небольшие расстояния с минимальной площадью технологических коридоров и максимальным сохранением подроста и лесорастительных условий.

В процессе работы были получены следующие теоретические и практические результаты и выводы:

1. Параметрический ряд МТТМ рекомендуется разрабатывать по универсальной компоновочной схеме, позволяющей применять различную технологию работ (сортиментную или хлыстовую). Для этого МТТМ следует изготовлять в виде переносного технологического агрегата в составе тягового модуля серийно выпускаемого промышленностью, универсального грузоне-сущего модуля, кониково-зажимного устройства, КШД в качестве ведущих движителей и широкопрофильных ведомых колес. При этом необходимо обеспечить возможность трансформации агрегата в зависимости от применяемой технологии путем перемещения ведомых движителей относительно крепления к грузонесущему модулю.

2. Длина грузонесущего модуля, в соответствии с размерными характеристиками еловых и сосновых хлыстов II—V вв.ысотных разрядов и параметров мотоблока, при трелевке в полностью и полупогруженном положении должна составлять 1,44−2 м.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика определения параметров системы «машина — хлыст» при трелевке одноосной МТТМ с опорой на хлыст: разработана методика определения прогиба хлыстовопределена необходимая мощность силовой установки для трелевки хлыстов и сортиментовразработана методика определения длины грузонесущего модуля, обеспечивающая равномерную загрузку элементов ходовой части при транспортировке сортиментов и исключающая минерализацию почвы рамой машины при трелевке хлыстов.

4. В результате проведенного теоретического анализа эксплуатационных свойств МТТМ получены следующие выводы:

1) МТТМ номинальной грузоподъемностью тягового модуля 2−5 кН обеспечат трелевку хлыстов диаметром 0,2−0,36 м на высоте груди в еловых и сосновых лесах II-III разрядов, в тех же лесах IV-V разрядов — диаметром 0,2−0,4 м;

2) сравнительный анализ способов трелевки одноосной и двуосной машинами показал, что одноосная машина с опорой на хлыст обладает большей проходимостьюна преодоление одного и того же максимально возможного препятствия для тягового модуля мощностью 4,4 и 10,7 кВт, необходимые энергетические затраты для одноосной и двуосной МТТМ составят 7:1 и 5:1 соответственнопри пропорциональном увеличении грузоподъемности от 2 до 4 кН и мощности от 4,4 до 10,7 кВт, диаметры преодолеваемого препятствия увеличиваются от 0,21 до 0,28 м.

3) имитационное моделирование проникаемости лесонасаждений показало, что наиболее эффективной, с точки зрения выполнения намеченной программы рубок, будет петлевая схема разработки лесосек с криволинейными технологическими коридорами шириной не более 1,5 м, при этом трудозатраты на прокладку коридоров будут в 2,7 раза меньше в сравнении с традиционной крупногабаритной техникойдля обеспечения наилучшей маневренности необходимо чтобы колея и база машины не превышали 0,9 и 3 м соответственнополученная модель позволяет прогнозировать доступность насаждений к освоению с учетом таксационных характеристик древостоя (густота, диаметр) и параметров машины с грузом (ширина, длина).

5. Кинематические возмущения в системе «машина — хлыст» от колес-но-шагающего хода представляют собой вынужденные незатухающие периодические колебания, изменяющиеся по полусинусоидальному закону.

6. Экспериментально определено, что амплитуда вынужденных колебаний центра вращения КШД составляет 0,005 и 0,015 м в шаговой и колесной фазах соответственно.

7. Теоретические расчеты показали, что амплитуда вынужденных колебаний наиболее податливого хлыста в районе крепления полуосей ведомых движителей к грузовому модулю не превышает 0,01 м, т. е. трелевка рассчитанного диапазона размерных характеристик хлыстов будет происходить без боронования лесной почвы.

8. Для обеспечения необходимой для транспортировки груза касательной силы тяги необходимым и достаточным будет использование тягово-энергетических модулей номинальной мощностью 4−5 кВт, что в целом сопоставимо с мощностью двигателей существующей техники данного класса.

9. При использовании в качестве ведущих движителей рассмотренной модели КШД, суммарная величина сил тяжести приходящегося на машину груза и тягово-энергетического модуля не должна превышать 5 кН.

10. Значительное превышение касательной силы тяги над сопротивлением хлыстов движению (в 6,6 раза) позволяет осуществлять трелевку хлыстов за вершины. В этом случае объемы перемещаемой древесины в сравнении с трелевкой за комли больше на 21%, а производительность увеличивается на 24%. В целях максимального сохранения напочвенного покрова рейсовая нагрузка должна быть не менее 0,5 м³.

11. Разработанные параметры МТТМ, использующей в качестве тяго-во-энергетического модуля серийно выпускаемые промышленностью мотоблоки, позволят организовать производство отечественных «железных коней» имеющих сопоставимые с зарубежными аналогами производительность, габаритные размеры, мощность двигателя, скорость перемещения, обладающих при этом в 1,3.2,15 раза меньшей массой. Ориентировочная стоимость прототипа составляет 2000 долл. США, что меньше зарубежных и отечественных аналогов соответственно в 5 и 2,15 раза.

12. Годовой экономический эффект от использования МТТМ вместо зарубежного мини-скиддера при транспортировке сортиментов составит 72 000 руб. на одну машину.