Обеспечение устойчивости многофункциональной машины для создания и восстановления лесных культур на неудобиях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 630*232.427

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЛЕСНЫХ КУЛЬТУР НА НЕУДОБИЯХ В.И. Посметьев, Е.В. Пухов, В.О. Никонов

ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Рассмотрены условия функционирования и обоснования обеспечения устойчивости многофункциональной машины для создания и восстановления лесных культур на неудобиях.

Ключевые слова: устойчивость, лесные культуры, неудобия, многофункциональная машина.

Значительные площади земель, потенциально пригодные для лесовосстановления, занимают труднодоступные места -неудобия. Последние характеризуются наличием: резких перепадов высот рельефа, оврагов, склонов, заболоченных и участков под пологом леса, изрезанной береговой линией рек и озёр, плывунов, провалов, просадок и впадин, бугров, ям, уступов, террас, выходов скальных пород, пней, валунов, крупных корней, малоценной древесной и кустарниковой растительности

[1]. Такие тяжелые условия являются серьезными причинами нарушения устойчивости движения и безопасной работы разрабатываемой многофункциональной лесной машины (МЛМ), предназначенной для создания и восстановления лесных культур на неудобиях. В этой связи обеспечение устойчивости МЛМ является актуальной задачей и требует всестороннего исследования.

Концептуально МЛМ представляет собой самоходное транспортное средство с колесным, шаговым или гусеничным движителями, а в плавающем варианте - на понтоне. Она оснащена следующими ос-

новными навигационным и технологическим оборудованием: манипулятором с держателем для сменных рабочих органов, контейнером со сменными рабочими органами, контейнером с саженцами, ёмкостями с водой, датчиками, аппаратурой навигации и управления и др. (рис. 1).

МЛМ при лессовостановительных работах на неудобиях должна обеспечивать в автоматическом и (или) полуавтоматическом режимах, выполнение следующих технологических операций:

- мониторинг участка с помощью системы видеокамер, датчиков, и навигационного оборудования [2];

- определение оптимального места посадки саженца с фиксацией его координат в бортовой ЭВМ;

- очистка площадки от поросли и порубочных остатков;

- подготовки лунки или возвышения с защитной зоной;

- посадки саженцев;

- периодический уход за саженцами;

- при необходимости: полив, подкормка, борьба с вредителями растений и др.

Рис. 1. Схема перспективной многофункциональной лесной машины:

1 - трактор; 2 - стрела манипулятора; 3 - монитор; 4 - бортовая ЭВМ; 5 - антенна;

6 - ёмкость для воды; 7 - универсальный держатель сменных рабочих органов; 8 - видеокамера; 9 - рабочий орган; 10 - датчик сканирования; 11 - датчик определения геопатогенных зон; 12 - ультразвуковой датчик; 13 - датчик определения физико-механических свойств почвы; 14 - контейнер со сменными рабочими органами; 15 - контейнер для саженцев

При функционировании МЛМ в условиях неудобий необходимо учитывать её продольную и поперечную устойчивость. В общем случае под устойчивостью понимается способность машины выдерживать заданное направление в разнообразных дорожных условиях без опрокидывания и скольжения колес. Нарушение устойчивости неизбежно приводит к опрокидыванию МЛМ, вследствие чего возможны ее поломки и травмирование обслуживающего персонала. При движении МЛМ по склону

ат

о.

ТО

о,

где атах - максимальный угол наклона в продольной плоскости;

фактические углы наклона местности в продольном и поперечном направлениях движения МЛМ не должны превышать максимально допустимых значений.

Устойчивость МЛМ зависит, как от конструктивных параметров машины, так и от характеристики и состояния опорной поверхности. Продольная устойчивость МЛМ характеризуется критическим углом наклона, который определяется по формуле [3]:

а

м

ТР

о

\

ТО

о

• к

м

ТР

V 8 •*

о

ТО

о

•к

(1)

м

ТР

аТ, ам, кТ, км - координаты центра тяжести трактора и технологического

оборудования в транспортном положении;

0ТР

сила тяжести трактора;

ом - сила тяжести технологического

оборудования;

V - скорость движения трактора, м/с; 8 - м/с2;

7 - время трогания с места (7=1 с).

Поперечная устойчивость МЛМ характеризуется предельным углом поперечного наклона по формуле:

^вЬтах

В о 2 О,

ТО

ТР V

ҐВ_

2

-1

о

ТО

о

• к

м

ТР

V2 8 • г

о

ТО

о

• км +

ТР

Во

ТО

2о

ТР

V2 8 •г

(2)

где В - ширина колеи трактора;

I - поперечное смещение центра тяжести навесного орудия относительно центра тяжести трактора; г - радиус кривизны движения агрегата.

С целью устранения опасности опрокидывания агрегата при движении поперек

склона фактический угол наклона местности в не должен быть более (0,4.. .0,6).

Во время движения по прямой продольная и поперечная устойчивость будет обеспечена, если линия действия силы тяжести не выходит за пределы периметра точек опоры транспортного средства (рис.

2, а и б).

а

б

Рис. 2. Схемы обеспечения продольной (а) и поперечной (б) устойчивости МЛМ:

ЦТ - центр тяжести; ЯЗК и ЯПК - реакции грунта задних и передних колёс; ОГР и ОтО -силы тяжести трактора и технологического оборудования; а и в - углы наклона опорной поверхности машины в продольной и поперечной плоскостях; \х и 12 - плечи продольной и поперечной устойчивости

Важно отметить, что МЛМ может потерять продольную (опрокидывание от-

носительно задних или передних колес) и поперечную устойчивость (опрокидывание относительно колес левого или правого бортов), если линия действия силы тяжести пересекается с опорной поверхностью за пределами площади, ограниченной точками опоры колес. Следовательно, устойчивость МЛМ обеспечивается при условии: ^>0; 12>0, с учётом динамики движения агрегата, согласно выражениям (1) и

(2).

Устойчивость движущегося МЛМ зависит от следующих основных факторов: массы транспортного средства и высоты его центра тяжести; базы и ширины колеи; размера шин, их конструкции и состояния; вылета стрелы манипулятора; массы стрелы и многофункциональной головки со сменными рабочими органами; радиусов кривизны дороги и состояния ее поверхности; ветровой нагрузки; технического состояния тормозов; скорости и направления движения машины; квалификации опера-

тора МЛМ.

Очевидно, что, чем выше расположен центр тяжести колёсной машины и чем меньше ширина колеи, тем опрокидывание вероятнее, поэтому для повышения устойчивости МЛМ колея должна быть широкой, а центр тяжести располагаться как можно ниже. Очевидно также, что большую роль на продольную и поперечную устойчивость МЛМ оказывает вылет стрелы манипулятора и вес, как самой стрелы, так и сменной многофункциональной головки. В связи с этим, условия сохранения устойчивости МЛМ, т. е. рабочее пространство максимально возможного вылета стрелы манипулятора, в условиях неудобий будет различным (рис. 3) и определяется геометрией соответствующей эпюры, параметры которой, определяются расчетным путем. Опасная зона (поз. 2 на рис. 3) характеризуется потерей устойчивости и опрокидыванием МЛМ.

а б в

1 - рабочее пространство; 2 - опасная зона а - ровная поверхность; б и в - наклонные поверхность в продольной

и поперечной плоскостях Рис. 3. Схемы зон действия стрелы манипулятора МЛМ в зависимости от наклона опорной

поверхности трактора

Устранение этих нежелательных яв- обоснования конструктивных рабочих палений, может быть достигнуто путем раметров МЛМ для заданных условий её

движения ещё на стадии принятия решения и проектирования МЛМ.

Для успешного выполнения лесовосстановительных работ на неудобиях МЛМ должна быть снабжена манипулятором с радиусом действия стрелы, наибольшим из возможных по условию устойчивости принимаемого трактора. Для обеспечения устойчивости МЛМ оборудуется системой управления, которая, автоматически, в режиме реального времени, за счет использования датчиков и бортовой ЭВМ создает и обрабатывает эпюры устойчивости, определяет опасные зоны опрокидывания МЛМ и выдает соответствующие команды для обеспечения безаварийной работы машины. При этом за счет максимального снижения массы выносного технологического оборудования и самой стрелы, в сочетании с установкой ведущих колес трактора на максимальный размер ширины колеи, использования автоматического контроля и управления машиной, а также утяжелением колёс путём заполнения их водой, гарантированную устойчивость агрегата можно обеспечить без применения аутригеров. Это особенно важно, так как в условиях неудобий использование аутригеров малоэффективно из-за большого числа препятствий, неровностей рельефа и слабой несущей способности почвы на таких участках. Кроме этого частые установки и подъемы аутригеров существенно снижают производительность МЛМ, к тому же аутригеры увеличивают габаритные

размеры, усложняют и утяжеляют конструкцию машины.

По энерговооруженности, проходимости и маневренности, наиболее приемлемыми и экономически оправданными для МЛМ являются колесные тракторы тяговых классов 9 и 14 кН (Т-40АМ, МТЗ-82, МТЗ-82К и др.). С учетом приведенных обоснований и результатов выполненного предварительного расчета МЛМ на устойчивость по формулам (1) и (2) показал, что в агрегате с трактором Т-40АМ наибольший радиус двухколенной стрелы манипулятора МЛМ может достигать 10-12 м, а с трактором МТЗ-82К - 15-18 м. Это позволяет доставлять сменные рабочие органы МЛМ практически во все труднодоступные места неудобий.

Библиографический список

1. Сухов И.В. Кострикин В. А., Казаков В.И. Технологии лесокультурных работ на вырубках (рекомендации) / М.: ВНИИЛМ, 2004. 152 с.

2. Карлащук В.И. Спутниковая навигация. Методы и средства / Изд. 2-е переработанное и дополненное. М. : СОЛОН-Пресс, 2009. 288 с.

3. Бартенев И.М. Расчет и проектирование лесохозяйственных машин: учеб. пособие / Воронеж : ВГЛТА, 2001. 262 с.

Лесотехнический журнал 2/2011