Навесное энергосберегающее захватное устройство для бесчокерной трелевки древесины при рубках ухода за лесом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Машины и оборудование

DOI: 10.12737/4537 УДК 631.31

НАВЕСНОЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСЧОКЕРНОЙ ТРЕЛЕВКИ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ РУБКАХ УХОДА ЗА ЛЕСОМ

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры механизации лесного хозяйства и

проектирования машин П. И. Попиков доктор технических наук, профессор, профессор кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин В. И. Посметьев

кандидат технических наук, доцент кафедры организации перевозок и безопасности движения

В. А. Зеликов

ассистент кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин М. А. Латышева

студент Д. А. Канищев

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» [email protected], [email protected], [email protected]

Во время заготовки древесины при рубках ухода большое значение имеет процесс перемещения хлыстов и сортиментов от места валки до лесопогрузочного пункта.

Для этих целей в лесостепной зоне ЦЧР широко применяются бесчокерные трелевочные устройства в агрегате с колесными сельско-хозяйствеными тракторами.

Во время транспортировки хлыстов и сортиментов возникают большие динамические нагрузки, вследствие движения трактора по неровностям рельефа, и колебания трелюемой пачки. Эти нагрузки негативно воздействуют на навесную систему трактора и металлоконструкцию захватного устройства, что ведет к снижению надежности и производительности работы агрегата.

На данный момент почти все машины, применяемые в лесном хозяйстве, оснащены гидравлическим оборудованием, поэтому повышение эксплуатационных характеристик гидравлического оборудования и гидропривода в целом позволит

повысить эффективность и производительность лесных машин.

Одним из вариантов решения данной проблемы является применение рекуперативного гидропривода с гидроаккумулятором и системой агрегатов, что ведет к повышению эффективности работы и увеличению производительности трелевочных захватных устройств.

Рекуперативный гидропривод с аккумулятором применяется в машинах циклического действия: машины лесного комплекса, манипуляторы, краны, экскаваторы. Так в конструкции некоторых экскаваторов применена рекуперация энергии посредством пневмогидравлического аккумулятора [1], интерес также представляет почвообрабатывающий агрегат с тремя системами рекуперации энергии, работающими независимо друг от друга [2].

Устройство для бесчокерной трелевки леса содержит (рис. 1) раму 1, захват 2 с двумя челюстями 3 и гидроцилиндром 4 челюстного захвата, смонтированных на навесной системе трактора 5, включающей

Лесотехнический журнал 2/2014

223

Машины и оборудование

Рис. 1. Кинематическая схема энергосберегающего устройства для бесчокерной трелевки леса

верхнюю 6 и нижнюю 7 тяги, управляемые гидроцилиндром 8 навесного механизма трактора, причем захват 2 посредством двухшарнирного звена 9 связан с одним из концов двуплечего рычага 10, шарнирно закрепленным на раме 1, а между вторым свободным концом двуплечего рычага 10 и рамой 1 шарнирно установлен дополнительный гидроцилиндр 11 для демфирования колебаний челюстного захвата. Между рамой 1 и двуплечим рычагом 10 установлены пружины 12, фиксирующие двуплечий рычаг 10 в нейтральном положении и в тоже время обеспечивающие ему повороты из этого положения в обе стороны под воздействием знакопеременных нагрузок со стороны захвата 2.

Для предотвращения поломок пружин 12 и гидроцилиндра 11 в крайних положениях двуплечего рычага 10 предусмотрены ограничительные шпильки 13. Исполь-

зование в устройстве двухшарнирного звена 9 позволяет снизить нагрузки на звенья навесного механизма при маневрировании трактора на вырубке. Кроме этого повышается эффективность удержания пачки деревьев за счет обеспечения поворота захвата 2 относительно горизонтальной оси двухшарнирного звена 9 и лучшего вследствие этого сцепления рабочих кромок челюстей 3 с древесиной комлевой части трелюемых деревьев.

Гидропривод устройства для бесчо-керной трелевки леса состоит из рекуперативной системы 14, гидроцилиндра 4 челюстного захвата, гидроцилиндра 8 навесного механизма трактора, гидрораспределителя 15 и насосно-аккумуляторного узла 16 (рис.

2). Рекуперативная система 14 устройства включает гидроцилиндр 11 с присоединительными гибкими трубопроводами 17 и 18, а также обратные клапаны 19 и 20. Насосно-

224

Лесотехнический журнал 2/2014

Машины и оборудование

Рис. 2. Схема гидравлическая трактора с энергосберегающим устройством для бесчокерной

трелевки леса

аккумуляторный узел 16 включает насос 21, гидробак 22, фильтр 23, обратный клапан 24, гидроаккумулятор 25 и разгрузочного автоматического клапана 26. Последний включает в себя обратный 27, разгрузочный 28 и предохранительный 29 клапаны. Все системы гидропривода соединены между собой напорной 30 и сливной 31 гидромагистралями.

Устройство работает следующим образом. Трактор 6 с поднятым захватом 2 и раскрытыми челюстями 3 задним ходом перемещается в положение, при котором захват 2 находится над комлевой частью срезанных деревьев. Затем с помощью одной из секций гидрораспределителя 15 включается гидроцилиндр 8 навесного механизма и захват 2 опускается на срезанные деревья и прижимает их к земле. После этого с помощью другой секции гидрораспределителя 15 включается гидроцилиндр 4 захвата 2, челюсти 3 которого сжимают комли деревьев с боков, формируя пачку. Далее включается гидроци-

линдр 8 навесного механизма и происходит подъем захвата с пачкой деревьев в транспортное положение. При трелевке происходят неизбежные колебания пачки деревьев в вертикальной и горизонтальной плоскостях, в результате чего подпружиненный двуплечий рычаг 10 совершает крутильные колебания относительно своего шарнира, закрепленного на раме 1 устройства. При этом верхний конец двуплечего рычага 10, соединенный с одним из концов гидроцилиндра 11 системы рекуперации устройства, соответственно обеспечивает возвратно-поступательное движение цилиндра относительно поршня. При вдвигании поршня в цилиндр рабочая жидкость вытесняется из поршневой полости гидроцилиндра 11 по гибкому трубопроводу 17 через обратный клапан 19 в напорную гидромагистраль 30, подзаряжая таким образом гидроаккумулятор 25. В это же время, за счет разряжения, штоковая полость гидроцилиндра 11 заполняется рабочей жидкостью из гидробака 22 через

Лесотехнический журнал 2/2014

225

Машины и оборудование

сливную гидромагистраль 31, обратный клапан 20 и гибкий трубопровод 18. Аналогично, при выдвижении поршня из цилиндра, рабочая жидкость из штоковой полости гидроцилиндра 11 вытесняется в гидроаккумулятор 25 через гибкий трубопровод 18, обратный клапан 19 и напорную гидромагистраль 30, а заштоковая полость за счет разряжения заполняется рабочей жидкостью из гидробака 22 через сливную гидромагистраль 31 и обратный клапан 20.

В процессе работы гидропривод трактора и устройства бесчокерной трелевки леса защищен от превышения заданной величины давления, при полностью заряженном гидроаккумуляторе 25, с помощью разгрузочного 28 и предохранительного 29 клапанов насосноаккумуляторного узла 16. В случае недостаточной заряженности гидроаккумулятора 25 и снижения в нем давления ниже допустимого, бесперебойную работу гидропривода обеспечивает гидронасос 21 через нормально открытый обратный клапан 27.

С целью более полного и объективного представления процессов, происходящих во время трелевки трактором хлыстов и сортиментов, необходимо математически смоделировать динамику гидропривода навесной системы колесного трактора с захватом с применением гидроаккумулятора.

Сбор деревьев захватом производится путем перемещения дерева, поднятого за один (комлевой или вершинный) конец. В этом случае на верхнюю часть пачки хлыстов действуют технологические силы PZ, PY, и PX, а на нижнюю волочащуюся

часть силы сопротивления волочению части дерева, лежащего на земле FX FY, и FZ (рис. 3).

Рис. 3. Расчётная схема подъёма и перемещения дерева бесчокерным захватом

Используя материал, представленный в [5], получены дифференциальные уравнения движения точки O1 в пространстве в плоскости YOZ по прямой Z=kY, где

к=У.

Уз

г .. m дУ

1 h

- + ^т2

к КД

m hc .2

+ , у

h

Пд

1+У-

. Кд _

=P Y - F zf

m д z | 1 + h<y Кд | =P z +F z - Gд

I и

-----m „К,

h

д'С

д

f \

1 --L

v кКд j

I

2

(1)

+ -7- z z = h\

Gд hc- Fzhд

f F Л

1 +—f

V Кд J

где Кд - длина захваченного дерева;

hc - расстояние от точки захвата до

центра масс дерева;

- вертикальная координата захвата; Gд - сила тяжести захваченного де-

226

Лесотехнический журнал 2/2014

Машины и оборудование

рева;

тд - масса дерева;

hK - высота подъёма захваченного дерева;

уз - горизонтальная координата перемещения центра тяжести захвата при его подъёме.

Дифференциальное уравнение движения поршня аккумулятора в предположении линейной зависимости силы трения от скорости имеет вид

d ^ z dz

М — + 3------+ Kz = ApF, (2)

dt2 dt

где3 - коэффициент демпфирования;

К - упругая константа газового объема (жесткость газовой пружины);

Ap - изменение давления в жидкости под поршнем аккумулятора;

F - площадь поршня аккумулятора;

M = M1 + M2 - приведенная масса,

равная сумме масс: поршня M1 и жидкости в аккумуляторе M2 .

Зная, что расход для поршневого гидроаккумулятора в общем случае можно записать как

Qok.= F •v , (3)

где V - скорость истечения жидкости из аккумулятора.

После ряда преобразований получим

,,fd2 z п dz

М—- + 3 — + Kz q = dt______dt____V

г^ак. ж V '

Ap

(4)

Подставив эти выражения в формулы для определения нагрузки, действующей на шток гидроцилиндра навесной системы трактора, получим дифференциальные уравнения, описывающие колебания пачки

деревьев при трелевке:

d2 z _ h1

. nD

dt2 тДпН 2

nd2 ч M„nh ) G 5

<

4

hh4

•[p—-p •(

- p 1 ■

тр J ’

nD2

dp 1 r nD h4 h dz

— =-----1 Яипи---------4---L-----

dt Kp 4 H2 h5 dt

(Ml + M 2) •

-ayP -

d2z dz

—^ + 3---+ Kz

dt2 dt

Ap

V

1,

2

4

(5)

где t - время, с;

n - коэффициент длины дерева;

P - давление рабочей жидкости гидросистемы, Па;

Рсл - давление рабочей жидкости в

сливной магистрали гидросистемы, Па;

Мо - суммарный момент, сопротивление волочению пачки развиваемый силами тяжести дерева, захвата и навески трактора, Нм;

D - диаметр гидроцилиндра, м;

K р - коэффициент податливости

упругих элементов гидропривода, показывающий, на сколько увеличивается объём элементов гидросистемы при увеличении давления на единицу, м/Па;

пН - частота вращения насоса, 1/с; qH - рабочий объём насоса, м3/об;

ау - коэффициент утечек рабочей

жидкости, коэффициент утечек, равен отношению расхода рабочей жидкости, утекающей через различные неплотности к давлению в гидросистеме, м 3 /сПа.

Таким образом, рекуперативная система устройства бесчокерной трелевки леса обеспечивает снижение энергозатрат

Лесотехнический журнал 2/2014

227

Машины и оборудование

тракторного агрегата за счет аккумулирования непроизводительно теряемой при его работе части энергии от вертикальных и горизонтальных перемещений трелюемой пачки деревьев. Кроме этого, вследствие существенного снижения максимальных «пиковых» значений давлений в гидроприводе за счет использования в нем гидроаккумулятора, соответственно снижаются нагрузки на элементы конструкции навесного механизма и трактора и тем самым повышается их надежность.

Библиографический список

1. Смоляницкий, Э. А. Рекуперативный насосно-аккумуляторный гидропривод для мобильных машин-орудий циклического действия [Текст] / Э. А Смоляницкий // СДМ. - 2007. - № 5. - С. 3-10.

2. Патент на изобретение 2294613 РФ, МПК А01В 63/10, А01В 63/112, А01В 63/111. Рекуперативный гидропривод поч-

вообрабатывающего агрегата [Текст] / В. И. Посметьев, Е. А. Тарасов, В. В. Посметьев,

В. С. Кухарев ; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. - № 2005124070/12 ; заявл. 28.07.2005 ; опубл.10.03.2007. Бул. № 7.

3. Попиков, П. И. Повышение эффективности гидроцированных машин при лесовосстановлении на вырубках [Текст] : монография / П. И. Попиков. - Воронеж, 2001. - 156 с.

4. Патент на изобретение 2494608 РФ, МПК A01G 23/00, B60P 3/41. Устройство для бесчокерной трелевки леса [Текст] / В. И. Посметьев, П. И. Попиков, В. А. Зеликов, Д. В. Обоянцев, М. А. Латышева ; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. -№ 2012118367/13 ; заявл. 03.05.2012 ; опубл. 10.10.2013. Бул. № 28.

5. Жуков, А. В. Проектирование лесопромышленного оборудования [Текст] : учебник для вузов по спец. "Машины и оборуд. лесн. комплекса" / А. В. Жуков. -Минск : Вышэйш. шк., 1990. - 311 с.

228

Лесотехнический журнал 2/2014