CC BY
105
К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»
ТЕХНИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОЙ АЭРОСТАТНО-КАНАТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ТРЕЛЕВКИ ДРЕВЕСИНЫ
А.В. АБУЗОВ, доц. каф. технологии заготовки и переработки древесных материалов Тихоокеанского ГУ, канд. техн. наук
Многолетние отечественные и зарубежные практические исследования аэростатных систем, применяемых в области трелевки и транспортировки древесины, послужили серьезной основой для выработки оптимальных технических и конструктивных решений при утверждении внешнего облика, а также параметров управления данным оборудованием, с учетом достижения эффективной и рентабельной эксплуатации [1-3].
ac-systems@mail.ru
Современный комплекс аэростатноканатной системы трелевки АКС-5, совмещающий радиодистанционное управление с элементами пеленгации и совокупность модернизированных технических механизмов и элементов, относится к третьему поколению аэростатных систем, разработанных для трелевочных операций в горной местности (рис. 1).
аэростатный носитель системы представляет собой газовый аэростат, «луковичной» формы (естественной формы).
Рис. 1. Комплекс аэростатно-канатной системы трелевки: 1 - газовый аэростат; 2 - трехбарабанная лебедка; 3 - тягово-возвратные нити; 4 - контурные маячки; 5 - пеленгатор системы управления; 6 - комплекс управления навигационной системой; 7 - амортизатор; 8 - динамометры; 9 - чокера с РДУ; 10 - молниеотвод; 11 - основной оператор; 12 - дополнительный оператор; 13 - контур рабочего участка; 14 - направляющие контурные блоки; 15 - разгрузочный пункт; 16 - древесина для трелевки; 17 - заземление
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
5
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
В связи с тем, что аэростат для выполнения трелевочных работ во время обработки лесного участка постоянно меняет направление движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, эксплуатация аэростата аэродинамической формы в данном случае снижала бы оперативность передвижения.
С учетом того, что АКС должна эксплуатироваться в горных районах, т.е. районах с неустойчивыми, изменяющимися по направлению и скорости ветровыми потоками, имеющими собственную турбулентность, и аэростат должен передвигаться относительно поверхности с некоторой собственной скоростью, лучшие аэродинамические показатели оперенного аэростата обтекаемой формы будут практически не востребованы.
Кроме того, при изменении скорости ветрового потока у аэростата аэродинамической формы будет возникать дополнительная неучтенная положительная и отрицательная подъемная сила, которая является переменной величиной и не может быть принята в расчет летно-технических характеристик.
Аэростат с естественно образующейся формой характеризуется высокими несущими свойствами, несмотря на неблагоприятные особенности воздушного потока приземного слоя (турбулентность, восходящие потоки, изменение направления и силы ветра), способен противостоять высоким ударным нагрузкам. При естественно образующейся форме не происходит местных перегрузок материала оболочки, отсутствуют чрезмерные концентрации напряжений. При такой форме нагрузки от полезного груза распределяются главным образом меридионально и напряжение по касательной на окружности практически равно нулю [4].
Баллонет аэростата компенсирует изменение объема газа от температурных колебаний и поддерживает избыточное давление во время сильных ветровых порывов и утечки несущего газа через материю оболочки. Он имеет систему принудительного надува, в отличие от прошлых конструкций аэростата, когда поступление воздуха осуществлялось просто от потока ветра через «юбку» в нижней части аэростата. В наших условиях
надува может быть недостаточно, особенно в период низких температур, когда газ внутри оболочки сильно сжимается.
Грузовая подвеска АКС и силовая часть оболочки представлена следующими элементами:
- верхнее силовое кольцо служит для крепления силовых каркасных лент и равномерного распределения нагрузки;
- специальная подоболочная каркасная подвеска, служащая для связи силовых каркасных лент оболочки с верхним канатом грузовой подвески;
- гибкий амортизатор, который находится в центре грузовой подвески и служит для уменьшения динамических нагрузок на канаты при рывках аэростата в процессе разгрузки и при порывах ветра;
- в амортизаторе имеется специальное грузовое кольцо для соединения трех нитей тяговых канатов, чем он разделяет грузовую подвеску на две составляющие - канат для удержания аэростата и канат для удержания груза. Нити тяговых канатов крепятся к грузовому кольцу через электронные динамометры, которые фиксируют и передают показания натяжения канатов в верхней точке соединения в радиоэлектроном виде на пульт управления АКС;
- нижняя часть подвески (канат для удержания груза) также снабжена электронным динамометром, фиксирующим показания по весу поднимаемого груза и комплектом радио- дистанционно управляемых чокеров или грейферной системой.
Система защиты АКС от статического электричества состоит из следующих элементов:
- молниеотвод, расположенный в верхней части оболочки, имеет связь с грузовой подвеской через несколько плоских медных канатиков, закрепленных вдоль оболочки;
- механизм сбора статического электричества с канатов, который расположен в универсальном блоке лебедки и имеет выход на заземление.
Канато-блочная система состоит из синтетических канатов с напылением ПВХ и металлопластиковых направляющих кон-
6
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»
турных блоков. Использование современных канатов дает возможность увеличить грузоподъемность, расстояние трелевки и сопротивляемость аэростата ветровым потокам при неизмененном объеме оболочки, а также облегчить и ускорить монтажный процесс подготовительных работ. Применение пластиковых или металлопластиковых блоков устраняет истирание и, следовательно, быстрый износ синтетических канатов [5].
Аэростатная лебедка представляет собой самопередвигающуюся трехбарабанную радиодистанционно управляемую лебедку с электрическим приводом. В процессе управления участвуют два оператора: первый (основной) - на разгрузочном пункте, второй оператор, использующийся только в случае применения чокерной системы захвата, - на деляне, в месте загрузки аэростата. Каждый из операторов имеет радиопульт управления, сигналы от которого через основную передающую антенну, находящуюся под оболочкой аэростата, поступают на основной пульт управления. На мониторе пульта управления у основного оператора отражаются значения напряжений в канатах, скорость намотки и возможные различные критические моменты. На каждой из направляющих нитей лебедки имеются гибкие амортизаторы, которые необходимы для уменьшения нагрузок от динамических рывков. Каждый из трех барабанов оснащен распределительным механизмом для правильной укладки каната и специальным универсальным блоком, который служит для обеспечения приема каната с различных направлений от аэростата. Все шкивы и выходные ролики лебедки также выполнены из металлопластика.
Система радиоуправления АКС
представлена комплексом, с помощью которого можно управлять движением аэростата как полуавтоматически, с помощью локальной навигационной системы и радиосигналов, так и с помощью ручного пульта управления подачи радиосигналов. Реализация радиодистанционного управления аэростатно-канатной системой может быть представлена двумя вариантами - способами с использованием чокерной или грейферной системами
захвата, выбор которых зависит от лесоводс-твенных требований и способа рубок.
Навигационная система управления состоит из следующих элементов:
- пеленгатор радиосигналов;
- антенна пеленгатора;
- контурные маячки;
- автономный пульт управления (для чокеровщика);
- основной пульт управления;
- система сбора, обработки радиосигналов и расчета координат;
- система курса и высоты движения аэростата;
- система управления скоростью намотки и размотки канатов (для каждого из барабанов лебедки);
- система наблюдения и обработки рабочих характеристик и параметров АКС во время эксплуатации (натяжение канатов, скорость движения, скорость ветра, атмосферное давление, температура окружающего воздуха, электростатическое электричество и т.д.)
- система компьютерной визуализации контура обрабатываемого участка с ориентировкой на исходящие радиосигналы от точки необходимых координат;
- система записи параметров процесса работы на электронный носитель.
Пульт системы управления представлен в виде трехосного и двухосного джойстиков и нескольких дополнительных кнопок управления.
Трехосный джойстик служит для управления аэростатной системой в горизонтальной плоскости. Помимо плавного управления рычагом джойстика, на пульте есть дополнительные контрольные кнопки «Стоп» и «Движение». Фиксирование и регулировка скорости ведется с помощью регулятора оборотов и скорости.
Управление в вертикальной плоскости осуществляется с помощью второго двухосного джойстика, который также имеет дополнительные кнопки управления.
Процесс применения АКС на эксплуатационном участке начинается с фиксации сигналов от расставленных контурных маячков. Это осуществляется через основную
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
7
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
SO lmax=S01max(Alpha, Thetta, h= 100) на стороне 13
[ | Alpha=0 ^Alpha=5 | | Alpha=10 | | Alpha= 15 ^Alpha=20
QAIpha=25 ^Alpha=30 | | Alpha=35 НА,Р,1а=4^ HA,Plia=4^
Рис. 3. График изменения напряжения в канате с изменением угла склона и угла направления ветрового потока
антенну пеленгатора, находящуюся под оболочкой аэростата. Зафиксированные сигналы поступают в систему сбора, обработки радиосигналов и расчета координат. Обработав сигнал, система выдает на экран координаты со схемой расположения контурных маячков, тем самым задавая координаты рабочего участка. Координаты показывают удаленность маячков от основной лебедки, уровень
высоты расположения АКС в системе координат X, Y, Z.
Аналогичный маячок имеется у вальщика. После спила дерева вальщик посылает сигнал, координаты которого фиксируются пеленгатором. Исходя из этих координат, система автоматически определяет параметры длин, скоростей выбирания для каждого из трех канатов и после команды основного
8
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»
оператора осуществляет наводку аэростата на место загрузки. Перед началом работ скорость может устанавливаться путем введения оператором данных в компьютер.
Естественно, при наличии множества спиленных деревьев на мониторе системы управления отражается такое же количество точек и их координаты. Последовательность начала трелевки помеченных деревьев определяет оператор, исходя из обработанных данных по рельефным и погодным условиям. Для более точного попадания и управления моментом захвата в реальном времени грейферная или чокерная система оснащена специальной камерой, которая передает изображение работы на монитор основного пульта управления. Видя происходящее в реальном времени, оператор при необходимости может маневрировать работой лебедок, соответственно меняя положение аэростата, и системами захвата груза.
После подхода аэростата в заданную точку в некоторых случаях может возникнуть необходимость в дополнительных действиях, таких как блокировка (стоп), движение одной или несколькими лебедками, обеспечивающих более точный подход АКС к грузу. Для этих целей может использоваться дополнительный ручной пульт управления, который находится у дополнительного оператора или чокеровщика на лесосеке.
Возврат аэростата к постоянному месту разгрузки осуществляется также с учетом координат двух точек (загрузки и разгрузки), рельефных параметров, рейсовой загрузки и скорости перемещения [6].
В основе разработанного под руководством автора программного обеспечения для управления АКС лежит система расчета по определению положения точки грузовой подвески аэростата с использованием метода аппроксимации рельефа по Z-координатам (рис. 2).
Полученная методика и программа определения координат способна не только выполнять мгновенные расчеты по определению месторасположения груза на эксплуатационном участке и нагрузкам, возникающим в канатах, но и корректировать работу АКС с учетом погодных условий (направление и сила ветра, температура воздуха, высота над
уровнем моря) для каждой отдельно взятой рабочей точки [7]. Помимо цифровых значений, программа способна проводить расчеты по планированию последовательности обработки участка с учетом изменения направления ветра. Параметры подобных изменений могут выражаться не только цифровыми значениями, но графически (рис. 3).
В настоящий момент с учетом накопленного опыта учеными ТОГУ начата разработка аэростатно-канатной системы для трелевки древесины уже четвертого поколения. В основе этой системы лежит метод воздушного спила растущих деревьев без последующего их падения с дальнейшей транспортировкой на погрузочный пункт. Непосредственно под эту технологию, с участием специалистов из ДальНИИЛХ, разработаны специальные геометрические формы и типоразмеры волоков и эксплуатационных площадок. Разрабатываемая технология позволит не только максимально сохранять экосистему горных лесов, но и способствовать эффективному, естественному лесовосстановлению и росту молодых древостоев.
Библиографический список
1. Ярцев, И.В. Исследование подъемной силы аэростата при трелевке леса в горных условиях / И.В. Ярцев : дисс... канд. техн. наук. - М., 1968. - 400 с.
2. Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование возможностей использования летательных аппаратов на лесозаготовках в горных условиях». Ч. 1, 2. - Химки: ЦНИИМЭ, 1985. - 189 с.
3. Абузов, А.В. Патент на полезную модель № 31481 / А.В. Абузов // Аэростатно-тросовая система для трелевки леса и перемещения груза: Государственный реестр полезных моделей РФ. - 2003.
4. Бойко, Ю.С. Воздухоплавание: Привязное. Свободное. Управляемое / Ю.С. Бойко. - М.: МГУП, 2001. - 462 с.
5. Industrial rope catalog. // Samson rope technologies, 2003. - 60 p.
6. Абузов, А.В. Перспективы внедрения и эксплуатации современных аэростатных систем трелевки / А.В. Абузов // Наука - Хабаровскому краю: материалы восьмого краевого конкурса-конференции молодых ученых и аспирантов. - Хабаровск: ТОГУ, 2006. - С. 144-154.
7. Ловцов, А.Д. Определение усилий натяжения канатов аэростатных трелевочных систем / А.Д. Ловцов, А.В. Абузов // Новые идеи нового века: 7-й международный научный форум ИАС ТОГУ - Хабаровск: ТОГУ, 2007. - 466-474.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
9
