CC BY
0УДК 630*32
Г. Ш. Г асымов,
кандидат технических наук ftacademy@home.ru
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩИХ МАШИН ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ПОСТЕПЕННЫХ И ВЫБОРОЧНЫХ РУБОК ЛЕСА С ПОЗИЦИИ НАГРУЖЕННОСТИ
Механизация рубок, режимы нагрузки.
Felling’s mechanization, regimes of loading.
Установлено [1], что в разновозрастных лесах во многих случаях взамен сплошных рубок целесообразно проводить несплошные, вырубая перестойные и спелые экземпляры деревьев. При несплошных рубках увеличивается размер лесопользования с единицы площади, повышаются технические качества заготавливаемого леса, происходит увеличение количества подроста и т. д. В то же время несплошные рубки имеют и ряд недостатков: усложняется организация труда, т. е. требуются работники более высокой квалификации, повреждаются оставляемые деревья и подрост.
Сегодня в зарубежной и отечественной практике ведения постепенных (несплошных) и выборочных рубок леса отсутствуют специальные машины, полностью механизирующие этот процесс. Для ведения санитарных и рубок ухода за лесом в молодняках были попытки применения малогабаритных валочно-пакетирующих машин типа «Макери». Однако вследствие специфичных условий в лесу (захламленность, большая высота снежного покрова и т. д.) это направление у нас в стране не получило широкого распространения. Поэтому в России уход за лесом осуществлялся в основном с применением сельскохозяйственных колесных тракторов или гусеничных лесохозяйственных, оснащенных канатно-чокерным оборудованием. Использование сельскохозяйственных тракторов на выборочных рубках и рубках ухода за лесом оказалось также малоэффективным из-за ограниченной проходимости (при глубине снежного покрова 0,2-0,3 м трактор буксует). Применение канатно-чокерного оборудования вызывает значительные повреждения при трелевке срезанных деревьев почвенного покрова, остав-
ляемых древостоя и подроста. В этой связи актуально применение бесповального способа рубки деревьев с выносом срезанного дерева на технологический коридор в вертикальном положении.
Первые работы по машинизации рубок ухода за лесом по бесповальному способу проводились институтом ЛатНИИЛХП в 70-е годы прошлого века. По результатам испытаний опытных образцов машин «Дятел-1» и «Дятел-2», реализующих бесповальный способ выноса дерева, были сделаны заключения о их перспективности.
Одновременно выявлено, что для эффективного ведения постепенных и выборочных рубок валочно-пакетирующими машинами вылет манипулятора при средней вероятности захвата вырубаемого дерева, обеспечивающий в зависимости от возраста древостоя и количества деревьев на 1 га 92 % доступности к вырубаемым деревьям, должен быть не менее 17,25 м.
Сравнительный анализ нагруженности технологического оборудования валочно-пакетирующих машин при ведении сплошных и постепенных рубок леса
Сравнение результатов, полученных рядом авторов [2; 3] при исследовании нагруженности валочно-пакетирующих машин ЛП-19А на сплошных рубках леса и в режимах стопорения при выведении срезанных деревьев из древостоя при постепенных рубках поворотом манипулятора с последующим размыканием ветвей (ВПМ без выравнивателя платформы), показывает, что уровень динамических добавочных моментов 0,106-1,744 кН · м значительно ниже нагрузок, воспринимаемых машиной на сплошных рубках.
В режимах стопорения при перенесении выносимого дерева поворотом платформы с последующим размыканием ветвей уровень нагрузок при скоростях перемещения стволов после размыкания ветвей 0,0250,075 1/с сопоставим с данными экспериментальных исследований А. А. Чу-ракова [3], соответственно 4,733-79,397 и 65-70 кН · м.
При скоростях же перемещений стволов после размыкания ветвей 0,1 1/с и вылетах манипулятора 8-11 м уровень добавочных динамических моментов превышает нагрузки при ведении сплошных рубок в среднем в 1,5-2,1 раза.
Работа валочно-пакетирующих машин с выравнивателем платформы сопряжена с более высоким уровнем динамических нагрузок на технологическое оборудование. Так, при скоростях перемещения стволов выно-
симых деревьев после размыкания ветвей 0,025-0,10 1/с и вылетах манипулятора 5-8 м уровень добавочных динамических моментов находится в диапазоне 4,51-101,27 кН · м. С увеличением вылета до 11 м уровень добавочных динамических моментов возрастает до 35,452-144,49 кН · м. При этом значения коэффициентов динамичности невысокие (1,15-1,29), что объясняется большими статическими моментами от выносимых деревьев на манипулятор.
Режимы ветрового воздействия на выносимые деревья из древостоя и аварийного сброса дерева или деревьев из ЗСУ, как показали исследования, хотя и сопровождаются значительными динамическими нагрузками, но их величина не выходит за пределы нагрузок в режимах стопорения с последующим размыканием упругих связей (ветвей).
Сравнительный анализ нагруженности силовых установок валочно-пакетирующих машин при ведении сплошных и постепенных рубок леса
В табл. 1-3 [4] приведены данные о нагруженности силовых установок ВПМ ЛП-19А при ведении сплошных рубок в режимах разгона при подъеме дерева стрелой с одновременным поворотом его ЗСУ, из которых видно, что уровень добавочных динамических моментов, передаваемых на коленчатый вал, в зависимости от времени разгона, вылета манипулятора и объема пакетируемого дерева колеблется в диапазоне от 12,0227,99 Н · м при L = 5 м до 26,35-65,88 Н · м при L = 11 м. Такая нагрузка приводит к снижению частоты вращения коленчатого вала дизеля соответственно на 60,2-269,5 об/мин и 59,9-284,77 об/мин. При ведении постепенных и выборочных рубок леса (см. рисунок) уровень добавочных динамических моментов на вылете 5 и 11 м примерно тот же.
Аналогичная ситуация с нагрузкой и в режимах разгона при подъеме дерева стрелой с одновременным перемещением его рукоятью. В этом случае добавочные динамические моменты составляют 11,51-36,9 Н · м, что приводит к снижению частоты вращения коленчатого вала дизеля на 131-356,8 об/мин.
Более высокий уровень нагрузки на силовые установки при ведении сплошных рубок леса отмечен в режимах стопорения при подъеме дерева стрелой и перемещении его рукоятью, когда добавочные динамические моменты находятся в диапазоне 21,34-271,34 Н · м при перемещении дерева рукоятью и 44,1-489,2 Н · м при подъеме дерева стрелой.
0 4,0 8,0 12,0
L, м
Графики зависимости добавочного динамического момента в упругой связи с12 от вылета манипулятора ВПМ 1, 3 - объем дерева 0,5 м3; 2, 4 - объем дерева 3 м3
5
Динамические характеристики механической системы в режиме разгона при подъеме дерева стрелой ВПМ с одновременным поворотом ЗСУ (сплошные рубки леса)
Таблица 1
Время разгона (ί„), с
V, м3 0,25 0,5
к, 1/c n, 1/c M *“, Кд NH, кВт n', к, 1/c n, 1/c M ‘“, Кд N„, кВт n',
Н · м об/мин Н · м об/мин
0,5 22,50 2,84 27,99 1,22 20,12 269,50 22,50 2,84 13,99 1,11 20,12 148,26
1,0 24,95 2,84 25,75 1,16 25,23 207,70 24,95 2,84 12,88 1,08 25,23 111,90
1,5 25,49 2,84 25,26 1,13 30,35 173,85 25,49 2,84 12,63 1,065 30,35 92,55
2,0 25,53 2,84 25,22 1,11 35,47 151,10 25,53 2,84 12,61 1,056 35,47 79,70
2,5 25,90 2,85 24,89 1,096 40,58 132,50 25,90 2,85 12,44 1,048 40,58 69,65
3,0 26,82 2,85 24,04 1,082 45,70 115,10 26,82 2,85 12,02 1,041 45,70 60,20
Примечание : L = 5 м; ВПМ ЛП-19А; іп = 785.
Т аблица 2
Время разгона (ί0), с
V, м3 0,25 0,50
к, 1/c n, 1/c M *“, Кд N„, кВт n', к, 1/c n, 1/c M a!‘, Кд N№ кВт n',
Н · м об/мин Н · м об/мин
0,5 14,87 2,84 49,24 1,24 32,20 290,66 14,87 2,84 24,63 1,12 32,20 161,08
1,0 16,78 2,84 43,07 1,17 40,37 215,75 16,78 2,84 21,53 1,084 40,37 116,42
1,5 16,78 2,84 43,07 1,14 48,56 183,84 16,78 2,84 21,54 1,07 48,56 98,20
2,0 16,69 2,845 43,33 1,12 56,74 161,26 16,69 2,845 21,76 1,06 56,74 85,90
2,5 17,58 2,85 40,73 1,10 64,93 135,42 17,58 2,85 20,36 1,05 64,93 70,95
3,0 13,17 4,61 39,69 1,08 73,11 118,57 13,17 4,61 19,84 1,045 73,11 62,15
Примечание : L = 8 м; ВПМ ЛП-19А; іп = 785.
6
Т аблица 3
Время разгона (гр), с
V, м3 k, 1/c n, 1/c N„, кВт 0,25 0,5
М *“, Кд n', об/мин М *“, Кд n', об/мин
Н · м Н · м
0,5 11,58 2,84 44,26 65,88 1,24 284,77 32,94 1,12 157,64
1,0 13,44 2,84 55,51 54,94 1,155 202,20 27,45 1,08 108,57
1,5 13,25 2,84 66,76 55,87 1,13 174,87 27,93 1,07 93,20
2,0 13,23 2,84 78,02 55,95 1,11 152,42 27,98 1,06 80,60
2,5 13,38 2,85 89,27 55,25 1,10 133,53 27,71 1,05 70,40
3,0 13,97 2,85 100,54 52,70 1,08 114,65 26,35 1,04 59,90
Примечание : L = 11 м; ЛП-19А; іп = 785.
В табл. 1-3 обозначено:
V- объем ствола дерева; k, n - частоты колебаний; М“!“ - добавочный динамический момент на коленчатом валу силовой установки ВПМ; N - номинальная мощность силовой установки ВПМ; Кд - коэффициент динамичности нагрузки; n'- снижение частоты вращения коленчатого вала силовой установки; L - вылет манипулятора; іп - передаточное число.
Сравнение этих результатов с данными, полученными при ведении постепенных рубок леса, показывает, что добавочная динамическая нагрузка (моменты) на силовую установку ВПМ в режимах стопорения при выносе деревьев из древостоя поворотом платформы или выравнивателем платформы при тех же угловых скоростях перед началом стопорения отличается незначительно.
Анализируя приведенные результаты исследований, можно сделать заключение, что работа валочно-пакетирующих машин на сплошных рубках, постепенных и выборочных рубках леса сопровождается высоким уровнем динамических нагрузок как на технологическое оборудование, так и на силовые установки. Причем в связи с тем, что при постепенных и выборочных рубках леса появляются дополнительные природные и технологические факторы, такие, как оставляемые на лесосеке деревья, мешающие выносу срезанных деревьев, необходимость сохранения подроста, работа на больших вылетах манипулятора, требование минимального повреждения оставляемых деревьев и т. д., нагруженность валочно-пакетирующих машин и операторов резко возрастает. Так, если при наведении захватно-срезающего устройства на дерево при сплошных рубках операторы включают стрелу в среднем 1,49 раза, рукоять 1,34, при пакетировании соответственно 1,37 и 1,1, то при работе на постепенных рубках эти показатели имеют соответственно следующие значения: при наведении стрелы - 3,8, рукояти - 3,2 раза; при выносе дерева стрелы - 2,9, рукояти - 2 раза.
Выводы
Уровень динамической нагрузки в элементах ВПМ при выносе срезанного дерева из древостоя поворотом манипулятора в режимах стопо -рения с последующим размыканием упругих связей (обрывом ветвей) ниже уровня нагрузок, воспринимаемых ВПМ при работе на сплошных рубках. В режимах стопорения при выносе дерева поворотом платформы с последующим размыканием ветвей он сопоставим с уровнем нагрузок при сплошных рубках. С увеличением скоростей перемещения стволов деревьев после размыкания ветвей до 0,1 1/с и более и увеличением вылета манипулятора уровень добавочных динамических моментов превышает нагрузки при ведении сплошных рубок в 1,5-2 раза.
Выявлено, что при ведении постепенных и выборочных рубок леса уровень добавочных динамических моментов на силовую установку при
выносе деревьев на вылетах манипулятора 5-11 м сопоставим с уровнем нагрузок при ведении сплошных рубок леса. Снижение частоты вращения коленчатого вала силовой установки в режимах разгона находится в диапазоне 131-356,8 об/мин, в режимах стопорения уровень нагрузок в 1,52,0 раза выше.
Психофизиологическая нагруженность операторов ВПМ при работе на постепенных и выборочных рубках леса резко возрастает из-за появления дополнительных природных и технологических факторов, таких, как помехи, создаваемые оставляемыми на лесосеке деревьями, необходимость минимального их повреждения и сохранения подроста, работа на больших вылетах манипулятора, недостаточная видимость и т. д.
Отбираемая от силовой установки ВПМ мощность на привод технологического оборудования на вылетах манипулятора, соответствующих наиболее вероятным значениям при сплошных рубках леса (5,4-6,09 м) не превышает 20-45,7 кВт, что составляет 19-45 % от номинальной мощности. С увеличением вылета манипулятора до 8-11 м и соответственно скорости подъема дерева отбираемая мощность на привод технологического оборудования возрастает до 44,26-142,81 кВт, что уже превышает номинальную мощность серийной ВПМ ЛП-19А. Таким образом, дальнейшее увеличение вылета манипулятора у серийной ВПМ без увеличения мощности силовой установки возможно лишь за счет снижения грузоподъемности манипулятора.
Библиографический список
1. Мороз П. И. Выборочные рубки в таежных лесах. М.: Лесн. пром-сть, 1982. 128 с.
2. Чураков А. А., Александров В. А. Нагруженность валочно-пакетирующей машины ограниченной грузоподъемности в пуско-тормозных режимах // Обоснование параметров и технических решений лесозаготовительных и лесохозяйственных машин и оборудования. СПб.: ЛТА, 1988. С. 83-88.
3. Чураков А. А. Повышение эффективности валочно-пакетирующих машин снижением динамической нагруженности: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб.: ЛТА, 1999. 19 с.
4. Мурычев Б. В. Нагруженность силовых установок валочно-трелевочных и валочно-пакетирующих машин в режимах разгона и стопорения: Автореф. дис. . канд. техн. наук. СПб.: ЛТА, 2000. 18 с.
Приведены результаты исследований динамики валочно-пакетирующих машин при работе на сплошных, постепенных и выборочных рубках леса. Дана оценка нагруженности технологического оборудования и силовой установки.
* * *
The results of dynamics of felling and packaging machines are given while working on clear cut, gradual and selective tree felling. Working load of technological equipment and power plant are evaluated.
