CC BY
27
АДАПТИВНО-МОДУЛЬНАЯ ВАЛОЧНО-ПАТЕТИРУЮЩАЯ МАШИНА ДЛЯ РУБОК УХОДА
Онучин Е. М., Шемякин А. В., Ласточкин Д. М. (МарГТУ, Йошкар-Ола,
РФ)
The article presents adaptive modular VPM for thinning, with an automatic control system capture a cut-off device that provides non-transfer of the tree of angular oscillations of the vehicle and energoakkumuliruyuschaya transmission, which allows to reduce the load on the engine in the transition process.
Проблема эффективного машинного производства рубок ухода в молодня-ках в настоящее время остается нерешенной. Применение габаритных лесных машин экономически и экологически неэффективно, поэтому в подавляющем большинстве случаев рубки ухода производятся вручную при помощи механизированного инструмента.
При разработке концепции лесного робота <^и.Лес» ставилась задача проектирования малогабаритной машины, выполняющей операции срезания древа и выноса его в вертикальном положении из древостоя до места пакетирования на волоке.
В процессе разработки машины решались две основные проблемы. Одной из них являлась разработка программы искусственного интеллекта, с помощью которой робот мог бы самостоятельно выполнять технологический процесс вырубки деревьев. Вторая проблема состояла в обеспечении устойчивости робота при транспортировке дерева в вертикальном положении. Эта задача осложнена воздействием на дерево различных сил, таких как сила ветра, действующая на крону деревьев, сила тяжести, силы упругой деформации ствола дерева и другие. Решение данной проблемы может быть достигнуто либо путем установки на дерево стабилизирующего устройства, выполненного в виде кольцевого кронштейна, который с помощью штанги устанавливается на дерево на высоте 7-10 м, и создает компенсирующий момент, удерживающий машину; либо путем разработки системы автоматического управления захватно-срезающим устройством, обеспечивающей непередачу на дерево угловых колебаний корпуса машины, вызванных неровностями опорной поверхности.
Особенностью робота является также энергоаккумулирующая трансмиссия, позволяющая снизить нагрузки на двигатель в переходных процессах, что особенно важно для этой машины, большую часть времени работающей в режимах разгона-торможения. Энергоаккумулирующая трансмиссия при режимах работы, когда двигатель не загружен полностью, позволяет аккумулировать вырабатываемую им энергию с целью ее дальнейшего использования для преодоления повышенного сопротивления при дальнейшем разгоне машины, обусловленного ее инерцией. Таким образом, появляется возможность более полно использовать возможности двигателя, путем приближения его режима работы к номинальному, в частности, возможно применение двигателя с меньшим максимальным крутящим моментом. При этом маховик может аккумулировать не
только энергию, вырабатываемую двигателем, но и потенциальную энергию дерева, реализуемую при его падении.
Проектный робот <^и.Лес» представляет собой небольшое самоходное трехколесное шасси (рисунок 1), на которое установлены малогабаритный дизельный двигатель и гидромеханическая трансмиссия, выполненная в виде гидростатического привода с механическими редукторами и обеспечивающая раздельный привод на два передних колеса, благодаря чему также осуществляется управление движением машины. В трансмиссию включен маховик, являющийся механическими энергоаккумулятором. Рабочим органом робота является за-хватно-срезающее устройство, расположенное на стреле.
Оказываясь на рабочей площадке, <^и.Лес» производит сканирование для обнаружения нужных деревьев и прокладывает оптимальный путь к подлежащему вырубке дереву между оставляемых деревьев. Подъехав к дереву, при помощи захватно-срезающего устройства, производит срезание дерева, после чего, удерживая его в вертикальном положении, робот вывозит дерево на место пакетирования на волоке. При этом устойчивость системы достигается за счет динамической стабилизации, обеспечиваемой работой специальной автоматической системы, после чего цикл повторяется вновь (рисунок 2).
Реализация предлагаемых технических решений по проектным расчетам позволяет уменьшить стоимость производства рубок ухода, полностью устранить ручной труд, повысить их экономическую и экологическую эффективность. Компактные размеры машины <^и.Лес» гарантируют её маневренность и бережное отношение к лесу, в котором производится несплошная рубка. Легкая по весу машина не повреждает корни остающихся расти деревьев, как это делает массивная лесная техника. Для продуктивности ведения лесного хозяй-
Рисунок 1 - Общий вид лесного валочно-пакетирующего робота «Яи.Лес»: а - вид сбоку; б - вид сверху; в - вид спереди; г - изометрия
ства важно, чтобы оставшиеся расти деревья были здоровыми. Это положение принято за основу при проектировании малогабаритного энергосберегающего лесного робота <^и.Лес».
Для оценки показателей эффективности работы робота «Яи.Лес» (производительности и энергоёмкости) разработана математическая модель, имитирующая последовательность выполнения операций технологического процесса работы машины.
Энергоаккумулирующий привод на базе маховика, использованный в конструкции робота «Яи.Лес», работает следующим образом: перед началом движения маховик раскручивается гидромотором робота в течение времениг:разгмах, после чего машина разгоняется до номинальной скорости шх х или ^Грх, в зависимости от режима движения (без дерева - холостой ход, со срезанным деревом, транспортируемым в вертикальном положении - грузовой ход), за счет момента, развиваемого двигателем, и снимаемого с маховика. Если позволяют природно-производственные условия, то есть если мсопр < Мдв, то после разрядки
маховика машина едет только за счет момента, развиваемого двигателем, если же мсопр >мдв, то после разрядки маховика машина останавливается за счет сил
сопротивления для зарядки маховика и продолжения движения. Процесс зарядки и разрядки маховика происходит необходимое для проезда определенного пути количество раз.
Таким образом, целью математического моделирования работы машины является установление зависимостей между конструктивными параметрами энергоаккумулирующего привода, параметрами технологического процесса срезания, транспортировки, пакетирования дерева и основными удельными показателями валочно-пакетирующей машины: производительностью, энергоем-
костью (нетто и брутто), коэффициентом использования импульса с учетом стохастических параметров окружающей среды.
При выполнении математического моделирования принят ряд допущений:
• механическая характеристика двигателя машины считается абсолютно жесткой, то есть момент, развиваемый двигателем не зависит от его частоты вращения;
• коэффициент сопротивления движению считается постоянным в течение одной поездки;
• время срезания дерева, время выгрузки дерева, время разгона маховика -постоянные величины (tсрез = const, гвьгр = const, 1разг мах = const).
Производительность работы робота <^и.Лес» находится по формуле
3600 vx
П =-х- (1)
t +1 +1 +1 ' (1)
реальн.х.х реальн.р.х срез выгр
где Vx - средний объем хлыста, tI>ecmbH XX - суммарное время холостого хода при обработке одного дерева, tI>eambH рх - суммарное время рабочего хода при обработке одного дерева, tсрез - время, затрачиваемое на срезание одного дерева, tвыгр - время, затрачиваемое на пакетирование одного дерева.
Описанная выше математическая модель реализована в среде MS Ехсе1, в которой путем стандартных алгоритмов генерирования случайных величин по заданному закону их распределения генерируются случайные параметры модели (объем хлыста вырубаемого дерева, перемещения машины, коэффициенты сопротивления и другие). Таким образом, разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние конструктивных параметров энергоаккумули-рующего привода (импульс маховика), робота «Яи.Лес» (мощность двигателя) и природно-производственных условий (коэффициент сопротивления движению; средний объем хлыста вырубаемых деревьев; среднее расстояние, проходящее машиной при вырубке одного дерева) на показатели эффективности работы валочно-пакетирующей машины при выполнении технологического процесса валки, транспортировки и пакетирования дерева (производительность; энергоемкость нетто, энергоемкость брутто) и параметры эффективности работы энергоаккумулирующего привода (коэффициент использования импульса маховика). То есть, установлены связи между характеристиками энергоаккуму-лирующего привода и параметрами технологического процесса, с одной стороны, и удельными показателями эффективности работы машины -с другой.
Работа выполнена при финансовой поддержке министерства образования и науки РФ в рамках НИР по государственному контракту №16.515.11.5053.
