CC BY
53
ОБОСНОВАНИЕ МАСС И ОБЪЕМОВ ПАЧЕК ДЕРЕВЬЕВ, ТРЕЛЮЕМЫХ ВАЛОЧНО-ТРЕЛЕВОЧНО-ПРОЦЕССОРНОЙ МАШИНОЙ С УЧЕТОМ ПРИРОДНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЙ И РАЙОНОВ ЛЕСОЗАГОТОВОК
Будник П.В., Скрыпник В.И. (ПетрГУ, г. Петрозаводск, РФ)
A method for estimation of skidding trees batch probability is described in the article. The method includes a simulation model and methods of mathematical statistics.
При проектировании новых лесозаготовительных машин для определения их потенциальной производительности в различных природно-производственных условиях и лесозаготовительных районах страны необходимо задаваясь характеристиками предмета труда (деревьев) определить оптимальные параметры машины (массу и объем трелюемой пачки деревьев и соответствующие им массу машины, мощность двигателя и др.)
В Карельском НИИ Лесопромышленного комплекса ПетрГУ обоснована необходимость создания валочно-трелевочно-процессорной машины (ВТПМ). На эту машину получен патент на полезную модель [1]. Обоснована компоновка машины и технология ее работы. Машина состоит из базовой машины, платформы и манипулятора, отличающаяся тем, что на платформе установлен зажимной коник с гидроприводом, а на манипуляторе харвестерная головка, предназначенная для использования в качестве захватно-срезающего и процессорного устройства. Машина на лесосеке выполняет функции валочно-трелевочной машины (ВТМ), а на верхнем складе после разгрузки выполняет функции процессора, осуществляет обрезку сучьев, раскряжевку и штабелевку. Благодаря этому сучья, ветви вершины остаются на верхнем складе (погрузочной площадке), что в свою очередь повышает эффективность работы рубительной машины при производстве топливной щепы на лесосеке. На участках с низкой несущей способностью грунтов ВТПМ в процессе трелевки, обрезки сучьев, раскряжевки деревьев может укладывать древесные отходы на трассу уса для создания покрытия временных дорог с цель обеспечения пригодности для проезда автопоездов.
ВТПМ может быть создана на базе форвардера при условии установки на манипулятор харвестерной головки, вместо захватного устройства, а на грузовой платформе зажимного коника вместо ограждающих стоек, на базе харвестера при условии установки на его платформе коника. Наиболее целесообразно создание ВТПМ на ВТМ при замене захватно-срезающего устройства харвестерной головкой. К сожалению практически все выпускаемы в России ВТМ скомпонованы так, что удобно производить валку деревьев и погрузку их в коник лишь с одной (левой) стороны по ходу движения машины, так как кабина расположена именно с этой стороны, из-за чего видимость комлей деревьев с противоположной стороны затруднена. В результате валка
деревьев и набор пачки производится лишь с одной стороны. Это снижает производительность машины, так как удлиняет длину ленты набора пачки.
Из всех выпускаемых в России в настоящее время машин данного назначения это ограничение отсутствует лишь у ВТМ МЛ-107, что дает возможность производить валку и погрузку в коник деревьев с обоих сторон машины.
Поставлена задача с заданной достоверностью определить максимальные объем и массу трелюемой пачки деревьев по условию вместимости коника.
Анализ существующей техники, которую можно использовать в качестве базы для ВТПМ показывает, что грузоподъемность форвардеров предназначенных для рубок главного пользования различных классов пачка деревьев варьируется от 8 т до 17 т. Поэтому имеется возможность установить на ВТПМ коник площадью 2 - 2,2 м2 (у ТБ-1М площадь 1,1 м2). При расчете нагрузки на ВТПМ следует учитывать, что на коник приходится нагрузка в 0,60,65 от массы трелюемой пачки деревьев или хлыстов.
Объем трелюемой пачки зависит от площади поперечного сечения зажимного коника, объема трелюемых деревьев, который в свою очередь зависит от диаметра и длины дерева. При одном диаметре деревьев длина их, а следовательно, и объем деревьев в насаждениях различных разрядов высот значительно отличается [2]. Ввиду этого колеблются в значительных пределах объемы пачек.
Определение объема пачки для обоснования параметров лесозаготовительной машины по средней длине и диаметру дерева недопустимо, так как в любой пачке примерно 30% деревьев имеют длину и диаметр больше среднего, а по деревьям находящимся в диапазоне самых крупных не представляется возможным, так как приводит к утяжелению машины, повышению ее стоимости, ухудшению проходимости и маневренности, а вероятность формирования такой пачки близка к нулю.
Для расчета параметров машины целесообразно принимать наибольшую из 50-100 собранных сформированных пачек, т.е. пачку, которая может быть сформирована с обеспеченностью 1 -2%. Таким образом, задача сводиться к определению объемов пачек и вероятности их появления.
Для решения этой задачи предлагается воспользоваться методами имитационного моделирования. Имитационное моделирование - это изучение объектов путем проведения экспериментов на их математических моделях, реализованных на ЭВМ. Моделирование сводится к многократному просчету задачи при различных исходных данных [3].
Для определения объема формируемых пачек в различных регионах России и определения их вероятности была разработана имитационная модель в среде Microsoft Excel. Рассмотрим основные положения этой модели.
На первом этапе данные о фактическом распределении диаметров деревьев на лесосеках без разделения их по породам и ярусам для различных областей России, взятых из источника [4], аппроксимировались гамма - распределением. Затем с использованием встроенной функции в Microsoft Excel позволяющей генерировать случайные числа и обратного гамма - распределения
имитировались диаметры деревьев поступающих в зажимной коник. Данная операция заканчивалась, как только сумма площадей сечения деревьев заполняла площадь поперечного сечения коника с учетом коэффициента полнодревесности.
На втором этапе происходило разыгрывание породы деревьев на основе данных о составе насаждений (в процентах по запасу) для различных областей России взятых из источника [5].
На третьем этапе с учетом диаметра, породы и разряда высот рассчитывался по выведенным эмпирическим формулам объем стволов. Разряд высот выбирался с учетом характера лесонасаждений для той или иной области. Эмпирические формулы получали на основе материала из массовых таблиц объемов стволов, приведенных в источнике [2].
На четвертом этапе определялся объем пачки без учета кроны путем суммирования объемов стволов, а также масса данной пачки.
На пятом этапе определялась масса пачки с учетом кроны и её объем. Для этого выводились эмпирические зависимости коэффициента, характеризующего отношение массы дерева к объему ствола. Зависимости выводились на основе данных приведенных в работе [6].
На шестом этапе имитационного моделирования многократно повторялись с первого по пятый этапы. Таким образом, набирался статистический материал. Исследования показали, что для получения приемлемого результата необходимо провести не менее 1000 опытов, т.е. сформировать изложенным выше способом не менее 1000 пачек.
Для определения вероятностей пачек, с учетом того, что при достаточной величине числа испытаний относительная частота приближенно равна вероятности появления события, проводилась статистическая обработка данных.
Ниже на рисунке 1 для примера приведена гистограмма закона распределения массы пачек деревьев c учетом кроны построенная по полученным результатам для Республики Карелия. Для всех рассмотренных лесозаготовительных районов построены гистограммы распределения массы пачек деревьев с учетом и без учета кроны и объема в коре и без коры.
Данные по массе пачек в коре с учетом кроны и без кроны необходимы соответственно для проверки машины по тягово-сцепным показателям при трелевке деревьев и хлыстов. Объемы в коре и без коры для определения производительности машины.
Следует отметить, что в зависимости от лесорастительных условий при одинаковой площади поперечного сечения коника масса и объемы трелюемых пачек может изменяться в значительных приделах. Например, для условий Мурманской области максимальный объем пачки без коры составляет с
3 3 3
вероятностью 1% 12,2 м , средний 9,27 м . В Карелии, соответственно, 16,35 м и 12,42 м , а в Иркутской области 25,2 м и 18,52 м .
0,5 0,45 0,4 0,35
л
| 0,3
Ц 0,25
о
& 0,2
Ol
m
0,15 0,1 0,05 0
-г 120,0%
-- 100,0%
80,0% 60,0% 40,0% 20,0% 0,0%
15,0 15,7 16,4 17,1 17,8 18,5 19,2 19,9 Масса, т
] Вероятность -■— Интегральный %
Рисунок 1 - Распределение масс пачек с учетом кроны в коре для Республики Карелия (математическое ожидание 16.60 т)
Полученные данные показывают, что при принятии нами нагрузки (при 1% обеспеченности) и распределения ее в соответствии 65% на коник и 35% на грунт в Восточной Сибири и Дальнем Востоке таким технологическим оборудованием должны обеспечиваться ВТПМ созданные на базе форрвардеров и харвестеров тяжелого типа грузоподъемностью 17-18 т. Например, Ponsse Buffaloking. Полностью подходит и ВТМ МЛ-107.
Для условий Карелии ВТПМ в качестве базовой машины должны использоваться форвардеры среднего класса грузоподъемностью 12 т. Например, Ponsse wisent.
В Мурманской области наиболее целесообразно в качестве базовых машин использовать форвардеры и харвестеры первого класса грузоподъемностью 9 т, например, Valmet 830.3.
Исследования по определению массы и объемов трелюемой пачки для различных условий эксплуатации в различных лесоэксплуатационных районов следует продолжить.
Литература
1. Шегельман И.Р., Скрыпник В.И. Валочно-трелевочно-процессорная машина. Патент на полезную модель. Заявка №200914475422(063722).
2. Лесотаксационный справочник/ Грошев Б.И., Морозов П.И., Сеперович И.П., Синицын С.Г. -М.: Лесная промышленность, 1973. -208 с.
3. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Основы моделирования и оптимизации процессов деревообработки: Учебник для вузов.- М.: Лесн. пром-сть, 1988. - 296с.
4. Виногоров Г.К., К методике обоснования расчетных деревьев при решении лесоэксплуатационных задач. - В кн.: Труды ЦНИИМЭ, сб. 122. 1972. -С.53- 67.
5. Виногоров Г.К. Типизация природно-производственных условий лесозаготовительных районов. -Химки: 1986. -24с.
6. Люманов Р.Машинная валка леса. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 280 с.
