CC BY
34
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМБИНИРОВАННОЙ
ТРЕЛЕВКИ ДРЕВЕСИНЫ
А.Ю. ШИРНИН, асп. каф. ЭМиО МарГТУ
В зависимости от применяемых средств трелевку древесины разделяют на лебедочную, тракторную и машинную. В данной работе под комбинированной трелевкой понимают использование в одном процессе лебедочной, тракторной и машинной трелевки.
Актуальность исследования
В связи с истощением лесного фонда, особенно в Европейской части территории Российской Федерации, возникает необходимость вовлечения в эксплуатацию заболоченных лесных массивов с ограниченными возможностями использования на этих площадях колесных и гусеничных движителей. Одним из возможных вариантов освоения заболоченных лесосек может быть применение на трелевке канатных установок. Подобные установки могут также эффективно использоваться при разработке лесосек с целью сохранения территорий от разрушений почвы гусеницами и колесами трелевочных машин.
В связи с этим вопросы ограничения перемещений машин в лесной среде за счет использования комбинированного способа трелевки являются актуальными.
Анализ научных работ по лебедочной и комбинированной трелевке древесины
Исследования авторов [2, 4-6, 8, 10] посвящены лебедочной трелевке с использованием вертикальных мачт, установка которых сопряжена с большими трудовыми и денежными затратами. Перебазировка мастерских участков на базе таких установок сопряжена со значительными затратами времени и поэтому не может быть эффективной в равнинной местности.
Значительные исследования проведены по созданию мобильных лебедочных установок [1], с помощью которых мачты ус-
танавливаются на базовом тракторе. Их недостатком является то, что расстояние трелевки невелико, и, кроме того, они требуют времени на монтаж оборудования, хотя и могут быть эффективны при освоении горных лесов. Подобный опыт используется также и за рубежом.
Применение комбинированной трелевки отражено в литературе [7]. Трелевка осуществляется агрегатом ПДТ-03. В Швеции выпускается агрегат НИАБ 5-15, использующий лебедочную трелевку, управление которой осуществляется с дистанционного пульта. Основными недостатками данных устройств является то, что трелевка лебедкой осуществляется с низким размещением тягового каната, что не исключает упор хлыстов в пни и другие препятствия, а также нарушения лесной среды.
Нами предложен способ и машина для комбинированной трелевки леса [3]. Машина включает в себя трелевочное оборудование, состоящее из лебедки, арки А-образной формы, шарнирно закрепленной на раме трактора с возможностью наклона взад и вперед. На верхнем конце арки шарнирно закреплена стрела-коромысло, на одном конце которой установлен пачковый клещевой захват, а на другом - гидроцилиндр. Также вместе с пач-ковым клещевым захватом шарнирно закреплена рукоять, которая может поворачиваться относительно стрелы-коромысла в вертикальной плоскости с помощью гидроцилиндра. На дальнем конце рукояти смонтирован клещевой захват для обхвата стоящего дерева. На захвате установлен блок, через который пропускается канат. Чтобы избежать его провисания, внутри арки также устанавливается блок. В транспортном положении рукоять за счет гидроцилиндра ложится на стрелу-коромысло и закрепляется за кронштейн.
Предлагаемый способ позволяет трелевать деревья (хлысты) без заезда в пасечные волока. Машина с технологическим оборудованием заезжает по магистральному волоку и устанавливается напротив пасеки, на которой произведена валка деревьев и очистка их от сучьев. Далее стрелой манипулятора блок закрепляется на стволе одного из деревьев, расположенных у волока, на некоторой высоте, поднимая таким образом тяговый канат от поверхности земли. К концу каната прикреплены чокера, которыми чокеруются поваленные деревья (хлысты). После чокеровки и натяжения тяговый канат с поверхностью волока будет составлять в вертикальной плоскости некоторый угол у.
Технологическая схема разработки пасеки при комбинированной трелевке
Схема разработки комбинированной трелевки представлена на рис. 1. Лесосека 1 разбивается на делянки с границей 2. Посередине делянки разрубается магистральный волок 3. Делянку в свою очередь разбивают
на пасеки 4. Посередине пасеки размечают пасечные волоки 5. Валку деревьев проводят обычным способом вершинами к пасечному волоку бензомоторными пилами. Далее у поваленных деревьев обрезают сучья и оставляют хлысты 7. Во время валки, обрезки сучьев и трелевки на делянках сохраняют либо подрост, либо не подлежащие валке деревья 8 (при несплошных и выборочных рубках). Зачокерованные деревья (хлысты), образуя пачку, подтрелевываются к машине 9 лебедкой. Подтрелеванную пачку 10 отцепляют и оставляют у магистрального волока. Далее цикл повторяется до тех пор, пока не будут подтрелеваны все деревья (хлысты) на пасеке в пределах досягаемости тягового каната. Далее рукоять у стрелы складывается и закрепляется за кронштейн. Используя клещевой захват, пачки трелюют на погрузочный пункт 11, расположенный у лесовозной дороги 12, где осуществляется их выгрузка. После трелевки всех заготовленных на данной пасеке деревьев трелевочная машина переезжает к другой пасеке, и процесс повторяется.
Рис. 1. Схема разработки пасек комбинированной трелевкой
Рис. 2. Схема к расчету ширины делянки
Ширина делянки (рис. 2) определяется из выражения
Л = 2 х(( х С0Б7+ Н х соБа)+ ал , (1) где Ьк - длина каната, м;
Н - средняя высота древостоя на делянке, м;
а - максимальный угол между осями дерева и волока, град.; у - средний угол в первоначальный момент трелевки между канатом и волоком в вертикальной плоскости, град.; вВ - ширина волока, м.
Ширина пасеки определяется из выражения
Аг = 2 х Н х Бша. (2)
Моделирование процесса комбинированной трелевки
В работе [9] система параметров, влияющих на процесс лесозаготовок, разделяют на подсистемы: СО (система качеств, характеризующих подготовку оператора),
СТ (система технологических параметров), СМ (система, характеризующая параметры машин), СУР (система свойств, характеризующих условия работы), СПТ (система свойств предмера труда), СП (система свойств готовой продукции).
На блок-схеме информационно-логической модели данной трелевочной машины (рис. 3) блоки 1, 8, 12, 23, 25, 39, 42 отражают взаимодействие СМ и СО; 2, 4, 6, 31 - СО, СУР, СТ и СМ; 10, 14, 21, 27, 29, 37 - СО, СМ и СПТ; 16, 31 - СО, СУР, СТ, СМ и СПТ; 35, 41 - СО, СМ, СП. Контролирующие действия (блоки 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40) выполняет оператор.
Участие оператора в выполнении механических воздействий на рычаги управления (блоки 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35, 39) является для него большой физической и психологической нагрузкой и отражается на производительности машины.
Рис. 3. Блок-схема информационно-логической модели комбинированного способа трелевки: ТО - технологическое оборудование; ТП - транспортное положение
Рис. 4. Блок-схема математической модели комбинированного способа трелевки
Рис. 4. (окончание)
На математической модели комбинированного способа трелевки число блоков равно числу блоков информационно-логической модели.
На эвристической основе разрабатывается блок-схема математической модели (рис. 4). Для ее создания выполняются дополнительная символизация параметров:
- время маневров на верхнем складе, с; - время холостого хода машины от верхнего склада до места сбора пачки, с;
iml - время маневров на лесосеке, с; -рст время раскладывания стрелы манипулятора, с; tz - время крепления захвата на дереве, с; ^ время растаскивания каната, с; ich время чокеровки хлыстов, с; ,рЛ время на подтрелевку хлыстов лебедкой, с; tcch - время снятия чокеров, с;
- время на обвязку пачки одним чоке-ром, с;
время складывания стрелы манипулятора, с;
>оЪ - время опускания клещевого захвата, с;
- время подъема стрелы, с; ■xm - время грузового хода машины, с;
время опускания стрелы захвата, с; время выгрузки пачки, с; время снятия чокера, с; ,y/to - время установки технологического оборудования в транспортное положение, с;
n1 - число стрелеванных машиной пачек в смену;
число пачек, стрелеванных в смену при помощи каната;
- число зачокерованных хлыстов или деревьев в смену;
- число деревьев, стрелюемых при помощи каната за один прием (число чокеров).
I „
n -
M
(3)
где I а - сменная производительность машины, м3/см; М - объем пачки, трелюемой машиной, м3.
z X F,
Q '
(4)
где 2 - число чокеров;
Уср - средний объем хлыста, м3;
Q - объем пачки, трелюемой лебедкой за один прием, м3
«3 = ^ . (5)
3 К,
Пд
Время, затрачиваемое в течение смены на выполнение всех действий, суммируется и сравнивается в блоке 40 со временем смены ( 3600 х т х ф1). Взаимосвязь затрат времени и количества стрелеванных пачек определяется производительностью машины.
В момент окончания смены выражение (блок 40) можно записать в виде
1с*
п. х + —^ + ( . + ( + + ( + ^ + +
1 V тс* Т т т к рст* кг* о«* спт* окг*
U
1„
+1 +1 ++1 +1 +1 + ) + п х
г* пс* и осг* V«* сс* у1о* ' 2
*
X (Ц- + Ц-) + «3 х «с + ^) = 3600 х т х ф . (6)
р
Подставим значение п1, «2, п3 соответственно из формул (3-5) в выражение (6), получим
I I
х (Г ++ Г. + / + + / + Г- +
М 4 тс* и т ^ рт* кг* оп* спт*
I
I
+1 z +1 +1 +— +1 +1 +1 + t, )+-
okzg zg ncg T J oczg vng ccg ytog > T r
U z X y..
g nO
L I
I
х (Ц- + и) + у2" х С* + и) = 3600 х т х ф. (7)
р пд
Решая уравнение (7) относительно I я , находим выражение для определения производительности трелевочной машины
3600 х т хф1 х М
I „. =■
I
t + — +1,„ +1____+ L +1 +1____+
.. (8)
U
x
+ t, + t + t okzg zg ncg
M
+ tt +-X
yog Т/
pcmg kzg ong
I
cg ■+1 +1
Ug oczg vng
■ Уk Ls M + Jk-) + — U no
U p
chj cchj s
Зависимость сменной производительности трелевочной машины от параметров СТ, СПТ, СМ при ее работе по схеме рис. 1, рассчитанная по формуле (8), представлена рис. 5-7.
П2 =
X
no
П1 =
Анализ графика рис. 5 и уравнение (8) показывают, что производительность трелевочной машины растет при уменьшении среднего объема хлыста и увеличении расстояния трелевки.
Из графика рис. 6 видно, что уменьшение нагрузки на рейс трелевочной маши-
ны и увеличение расстояния трелевки приводят к снижению сменной производительности трелевочной машины.
Динамика роста производительности (рис. 7) трелевочной машины тем больше, чем больше нагрузка на рейс и средний объем хлыста.
Рис. 5. График сменной производительности (Псм) трелевочной машины в зависимости от расстояния трелевки 1С (м) и среднего объема хлыста Уср (м3)
Рис. 6. График сменной производительности (Псм) трелевочной машины в зависимости от расстояния трелевки 1С (м) и нагрузки на рейс М (м3)
Рис. 7. График сменной производительности (Псм) трелевочной машины в зависимости от среднего объема хлыста Уср (м3) и нагрузки на рейс М (м3)
Выводы
1. Одним из путей сохранения лесной среды и возможностей освоения лесосек на переувлажненных (заболоченных) грунтах и для сохранения лесной среды является комбинированный способ трелевки.
2. Всесторонний анализ комбинированного способа трелевки может быть выполнен путем последовательного информационно-логического и математического моделирования процессов.
3. Полученная математическая модель процесса комбинированной трелевки и формула (8) позволяют находить производительность машины в широком диапазоне изменения факторов: предмета труда, условия работы, технологии и машины.
4. Графики рис. 5-7 наглядно показывают динамику изменения производительности машины в зависимости от перечисленных выше факторов.
Библиографический список
1. Занегин Л.А., Шабалин Н., Мацкевич К.Н., Уфимцев Е.А. Мобильные короткодистационные канатные установки; Экспресс-информ. - М.: ВНИПИЭИлеспром, 1984. - 28 с., ил., табл.
2. Кочегаров В.Г., Федяев Л.Г., Лавров И.А. Технология и машины лесосечных и лесовосстано-вительных работ. - М.: Лесн. пром-сть, 1970. -400 с.
3. Патент №2224417 РФ, МКИ 7 А 01 в 23/02. Способ и машина для трелевки / Ю.А. Ширнин, Я.И. Шестаков, А.Ю. Ширнин - Опубл. 27.02.2004. Бюл. №16. - 8 с.
4. Рахманов С.И. К вопросу о расчете трелевочных мачт // Лесн. журн. - 1959. - №5. - С. 62 - 69.
5. Рахманов С. И. Расчет натяжения тросов в подвесных установках // Лесн. журн. - 1960. - № 1. -С. 63 - 72.
6. Силаев Г. В. Механизация работ в комплексном лесном предприятии / Г. В. Силаев, О. М. Шапкин, А.А. Золотаревский. - М.: Лесн. пром-сть, 1989. -272 с.
7. Азаренок В.А., Герц Э.Ф., Мехренцев А.В. Сорти-ментная заготовка леса: Учеб. пособие. - Екатеринбург: УГЛТА, 1999. - 129 с.
8. Ширнин А.Ю. Вопросы исследования подтрелев-ки лесоматериалов канатом, волоком и в полуподвешенном положении // Транспорт в лесном комплексе. Сб. науч. тр., посвященный 70-летию кафедры сухопутного транспорта леса МарГТУ. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - С. 93-96.
9. Ширнин Ю.А. Моделирование процессов заготовки сортированных деревьев и хлыстов. - Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1992. - 204 с.
10. Ширнин Ю.А. Технология и оборудование лесопромышленных производств. Часть 1. Лесосечные работы: Учеб. пособие. - М.: МГУЛ, 2004. -446 с.
