Разработка универсальных лесозаготовительных машин и методики оптимизации тех нологического процесса лесозаготовок ЛПК Иркутской области Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 630* 3; 630*3:51-7 А.Н. Сухих

РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНЫХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН И МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛЕСОЗАГОТОВОК ЛПК ИРКУТСКОМ ОБЛАСТИ

Динамично развивающееся лесопромышленное производство определяет требования к современной науке по созданию высоко-эффективных и производительных лесозаготовительных машин, но при этом должны выполняться условия эксплуатации и эффективной технологии заготовки лесных ресурсов. Применение предлагаемых автором методик позволит провести оптимизацию параметров и режимов работы лесозаготовительных машин, выбрать менее затратную технологию с целью их дальнейшего внедрения в ЛПК Иркутской области.

Ключевые слова: лесопромышленное производство, лесозаготовительные машины, оптимизация, модель, методика, параметры и режимы работы.

A.N. Sukhikh

UNIVERSAL LUMBERING MACHINES DEVELOPMENT AND TECHNIQUES OF LUMBERING TECHNOLOGICAL PROCESS OPTIMIZATION IN THE TIMBER PROCESSING PLANT OF IRKUTSK REGION

Dynamically developing timber production defines the requirements to the modern science on the creation of highly efficient and productive lumbering machines, but meanwhile the conditions of exploitation and efficient lumbering technologies must be carried out. Application of the suggested by the author technologies will allow to conduct the optimization of the parameters and modes of the lumbering machines, to choose the cheapest technology in order to further implement it at the Timber processing plant in the Irkutsk region.

Key words: lumbering production, lumbering machines, optimization, model, technique, parameters and modes of operation.

Развитие лесной промышленности обеспечивается инновационной политикой и базируется на научных исследованиях, направленных на создание современных технологических процессов и оборудования [1-2], способных обеспечить конкурентоспособность отечественной продукции, а эффективность использования природных ресурсов должен определять федеральный и областной центр с учетом передовой современной науки и технологии. Если говорить о мировом опыте, то на малообъемных лесопромышленных предприятиях успешно зарекомендовали технологии лесозаготовок, основанные на модульных машинах. Модульные машины предполагают, что основное технологическое оборудование является навесным или прицепным, которое агрегируется с энергетическим модулем. В качестве энергетического модуля может выступать, например, шасси общего назначения. Преимущества такого подхода для небольших предприятий очевидны. Один энергетический модуль может использоваться на различных лесозаготовительных и лесохозяйственных работах. Это значительно снижает экономические риски и обеспечивает технологическую гибкость небольшому предприятию. В зарубежной практике накоплен большой опыт в конструировании различных прицепных машин, от трелевочных полуприцепов до харвестерных процессоров. Широкий выбор прицепного оборудования позволяет формировать не отдельные машины, а целые комплексы, способные выполнять весь технологический цикл работ. Такой подход успешно реализуется в скандинавских странах, где предприятия с небольшим объемом заготовок типичны. Выбор оптимальных параметров оборудования и машин в целом должен определяться, прежде всего, производительностью техники, которая оправдывала бы затраты на ее приобретение. Однако не стоит пренебрегать и показателями экологических требований, воздействие техники на лес должно быть минимальным. В настоящее время основные проблемы ЛПК связаны, прежде всего, с необходимостью реконструкции и полного технического перевооружения предприятий отрасли. Также важен вопрос о том, какая лесосечная техника позволит эффективно работать предприятию в течение длительного времени на арендуемом участке лесного фонда, то есть вопрос о применимости той или иной лесозаготовительной техники.

Предлагаемая полезная модель [1] универсальной лесозаготовительной машины отличается компактностью и принятыми конструктивными решениями, которые позволяют совмещать нескольких операций в одном навесном технологическом оборудовании, а также дают возможность расширенного использования на универсальных шасси различных заводов. Машина состоит из базового шасси МЛ-107, арки на двух опорах, стрелы, лебедки, захвата, приводов, при этом стрела имеет коробчатую телескопическую конструкцию и на конце стрелы установлено захватно-срезающие устройство для валки деревьев, многофункциональное технологическое оборудование установлено дополнительно на поворотной платформе и шасси. Полезная модель поясняется рис. 1, где универсальное шасси 1, технологическое оборудование, установленное на поворотной платформе 2 с опорно-поворотным устройством 3. Технологическое оборудование состоит из арки на двух опорах 4, коробчатой телескопической стрелы 5 с захватно-срезающим устройством 6, захвата 7. Два гидроцилиндра 8 установлены на стреле, два гидроцилиндра 9 на двухопорной арке, один гидроцилиндр 10 на захватно-срезающем устройстве, 11 лебедка.

Рис. 1. Универсальная лесозаготовительная машина

Предлагаемая машина универсальна и работает следующим образом. В режиме валки пакетирования коробчатая телескопическая стрела 5 с захватно-срезающим устройством 6 наводится на деревья с использованием поворотной платформы 2, спиливает их, переносит и укладывает в пачку. После окончания цикла валки на одной стоянке машина продолжает двигаться задом по пасеке, обеспечивая создание необходимого числа пакетов для полной рейсовой нагрузки при трелевке, после чего выполняется складывание коробчатой телескопической стрелы 5 с захватно-срезающим устройством 6. Для трелевки освобождается захват 7 и начинается работа машины в режиме трелевки с набором пачек деревьев в направлении к погрузочному пункту передом, с применением арки на двух опорах 4 на поворотной платформе 2, которая позволяет объединять пачки для обеспечения полной рейсовой нагрузки. Опорно-поворотное устройство 3 предназначено для осуществления вращения поворотной платформы 2 с технологическим оборудованием относительно шасси. Гидроцилиндры 8, 9, 10 обеспечивают работу соответственно арки на двух опорах коробчатой телескопической стрелы, захватно-срезающего устройства, лебедка 11 обеспечивает удержание пачки. Полезная модель может применяться для выполнения рубок главного пользования и рубок ухода, позволяет выполнять валку, пакетирование, трелевку, а при использовании сменного навесного оборудования на стреле может выполнять весь комплекс лесосечных и лесохозяйственных работ.

Вторая машина [2] на этом же базовом шасси, валочно-пакетирующая трелевочная машина также может использоваться для всего комплекса лесосечных работ, позволяет выполнять валку леса, пакетирование, трелевку, а при использовании сменного навесного оборудования весь объем лесосечных работ. Конструкция технологического оборудования дает возможность расширенного использования данного оборудования на универсальных шасси различных заводов. На раму шасси вместо манипулятора для сбора хлыстов предлагается устанавливать колонну с опорно-поворотным устройством и поворотной платформой, на которой установлена стрела с рукоятью и захватно-срезающим устройством для валки деревьев, а вместо коникова захвата для поштучного сбора хлыстов устанавливается пачковый захват. Полезная модель [2] поясняется на рис. 2.

Валочно-пакетирующая трелевочная машина

Машина состоит из универсального шасси 1 и технологического оборудования, установленного на колонне с опорно-поворотным устройством 2, поворотной платформы 3, стрелы 4, рукояти 5 с захватно-срезающим устройством 6 и пачкового захвата 7, установленного на арочной двухопорной с-образной стреле 8. Два гидроцилиндра 9 установлены на арочной двухопорной с-образной стреле 8, два гидроцилиндра 10 установлены на стреле 4, один гидроцилиндр 11 на рукояти, один гидроцилиндр 12 на захватно-срезающем устройстве, лебедка 13, противовес 14. Машина работает следующим образом: в режиме валки пакетирования стрела 4 и рукоять 5 находятся перед кабиной, рукоять 5 с захватно-срезающим устройством 6 наводится на деревья с использованием поворотной платформы 3, спиливает их, переносит и укладывает в пачку. После окончания цикла валки на одной стоянке машина двигается передом по пасеке, обеспечивая создание необходимого числа пакетов для работы, затем выполняется фиксация рукояти 5 с захватно-срезающим устройством 6 впереди машины. На следующем этапе начинается работа машины в режиме трелевки с набором пачек деревьев по направлению к погрузочному пункту передом с применением арочной двухопорной с-образной стрелы 8, пачкового захвата 7 и лебедки 13. Гидроцилиндры 10, 11, 12 обеспечивают работу соответственно стрелы, рукояти, захватно-срезающего устройства, гидроцилиндры 9 приводят в работу пач-ковый захват, лебедка 13 обеспечивает удержание пачки, 14 противовес. Колонна с опорно-поворотным устройством 2 предназначена для осуществления вращения поворотной платформы 3 с технологическим оборудованием относительно шасси. Предлагаемые модели могут обеспечивать весь комплекс работ при выполнении рубок главного пользования, рубок ухода и лесохозяйственных работ. Для увеличения производительности и эффективности применения предложенных универсальных лесозаготовительных машин технологический процесс может быть дополнен специальными машинами для раскряжевки хлыстов или применением сменного навесного оборудования.

Провести оптимизацию режимов работы предлагаемых универсальных лесозаготовительных машин и машин, работающих в комплексах, позволит полученная модель оценки зависимости использования эффективного рабочего времени с учетом выполнения нескольких технологических операций. Исходя из заданных параметров рассчитывается нормативная часовая производительность и объем работ для каждого режима, проводится их оптимизация по формулам (1-3):

Р

К=—, (1)

п..

V. = /

Р.

п.,

V =1

г пі •'г*

(2)

(3)

п.

где Уч - часовой объем заготовки, м3; Ув, Ут - соответственно объем валки и трелевки, м3; Р - нормативная производительность (норма выработки) лесозаготовительных машин и оборудования, м3 Рв, Рт. - нормативная производительность (норма выработки) соответственно валки и трелевки, м3

пн.є, Пи.ш - нормативное время, соответствующее норме выработки соответственно на валке и трелевке, ч їв, їт - время режима валки и трелевки соответственно, которое необходимо установить для работы машин в течение смены или месяца формула, ч (4).

n

n

учитывая, что

t +t =П ,

в т р.е. ’

(4)

(5)

где Пре. - длительность работы в течение смены или месяца, ч. Определим оптимальный режим работы предлагаемых машин, подставляя (4) в (5), и учитывая (6) получим оптимальный режим для валки; после чего может быть определен режим трелевки из формулы (5).

Р п

t +t в нм

р =ПР*-'

п„ „ Рт

(б)

проведя преобразования (6) получим:

1 +

Р п

в н.т

п Р

н.в т

п п Р

р.е. н.в. т

-п

р.е. ’

1 +

Пн.шРв

Пн,Рш

Оптимальный режим для валки может быть определен по формуле (9):

(7)

(8)

t _ ПР,Пп,Рщ

в П„ „ Рт + Рп

(9)

после чего может быть определен режим трелевки из формулы (5).

При выполнении большего количества операций в технологическом процессе, таких, как валка, трелевка, обрезка сучьев, погрузка универсальными лесозаготовительными машинами, по аналогии с (4) и (5) получаем систему:

P

P

= t

т o. p

n„m

= t„

P

n

n

(10)

t t + t t — n

в т о. р. n.o. p.e.

где дополнительно to.p, ко. - время режима обрезки сучьев и погрузки соответственно; Ро.р.., Рп.0. -нормативная производительность (норма выработки) соответственно обрезки сучьев и погрузки, м3;

Пор, Ппо - нормативное время обрезки сучьев и погрузки, соответствующее норме выработки, ч.

р р р р

Введем обозначения —— = а, —^ = /?, —:— = у, —— = q, тогда система (10) примет вид:

п.,

n

n

o. p..

n

\t a = t В = t у = t q

vo.p.i Yl.Orl

11 + t “h t “h t — n

^ в m o. p. n.o. p.e.

Приравняем первое уравнение к параметру Q:

\t а = t В = t у = t а = О

| в тг' о.р/ р.оч. і--

11 + t “ht “ht = n

1 в m o. p. n.o. p.e.

(11)

а затем из первого уравнения системы (12) выразим tв, tm, t

о. p.

в

t

n.o

0_

__0_

= 0_

= <2 ч

(13)

/ — п .

в т о.р. п.о. р.е.

Подставим , 1т, 10 , 1п0 во второе уравнение системы (12), найдем параметр 0 уравнения:

в? т ’ о. р. ’ п.о

Я Я Я Я + /?+ + = Пре''

В результате элементарного преобразования получим:

РТЧО. + «790 + ocPqQ + а/3}<2 = преаРщ. ЖРУЧ + ссщ + а(кі + ару) = преаРщ, д = пр.е.иРП

(14)

(15)

(16)

(17)

руЧ + ащ + а^ + а/Зу

Найденное значение 0 подставим в первые четыре уравнения системы (13) и получим нужные параметры:

п„еаРп

і в =

а Фуч + ащ + а(к[ + а^у

пР.еЯРП

т Р Фуч + а?Ч+аРч+аРУ

Пр.еаРШ

ор у Фуч + аП + аРс1 + аРу

х = ____________________Пр.еаРЩ__________

п'°' ЧФУЧ + ащ + аРч + аРу ^

(18)

(19)

(20) (21)

Исходя из заданных параметров, рассчитывается нормативная часовая производительность для каждого режима и проводится их оптимизация по предлагаемым формулам (9), (5). Определим оптимальный режим работы предлагаемых машин, оптимальный режим для валки (9), после чего может быть определен режим трелевки из (5). Выполненные расчеты сведены в табл. 1.

Режимы работы предлагаемых машин

Таблица 1

Параметр в режиме валки и трелевки Наименование

Пре. Рв Пнв. Рт Пн.т. їв їт

8 240 8 100 8 2,35 5,66

При выполнении большего количества операций в технологическом процессе универсальными лесозаготовительными машинами по аналогии с (4) и (5) и ранее предложенной методикой рассчитаем с применением MathCAD режимы работы и время каждой операции по (14) -(17). Выполненные расчеты сведны в табл. 2.

Таблица 2

Режимы работы предлагаемых машин при выполнении всего комплекса работ на лесосеке

в

т

о. р

п.о

Параметр в режиме валки, трелевки, обрезки сучьев, погрузки Н аименование

Пре. Рв Пнв Рт Пн.т Рор Пор Рпо Пп. о. їв їт їо.р. їп.о.

8 240 8 110 6 180 8 160 8 1,39 6 СО 2, 1,85 2,09

Разработанные модели универсальных лесозаготовительных машин позволят оптимизировать технологию лесозаготовительных работ, а предлагаемая автором методика расчетов и технология лесосечных работ дает возможность установить оптимальные режимы работы универсальных лесозаготовительных машин при выполнении некоторых основных операций и всего комплекса работ на лесосеке.

Литература

1. Пат. № 87069 Российская Федерация, ПМК А01 G23/00. Универсальная лесозаготовительная машина / А.Н. Сухих; заявитель и патентообладатель БрГУ. - № 2008152957/22; заявл. 31.12.2008; опубл. 27.09.2009.

2. Пат. № 85796 Российская Федерация, ПМК А0^23/081. Валочно-пакетирующая трелевочная машина / А.Н. Сухих, В.А. Иванов, С.М. Сыромаха [и др.]; заявитель и патентообладатель БрГУ. -№ 2009113311/22; заявл. 09.04.2009; опубл. 20.08.2009.

УДК 630*237.1:631.312.87 В.Н. Коротких, П.И. Попиков, П.И. Титов

ВЛИЯНИЕ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ВРАЩЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ЛЕСНОГО ДИСКОВОГО ПЛУГА НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

При вспашке лесных почв дисковые плуги должны осуществлять оборот пласта и полную заделку дернины, чтобы закрыть сорную растительность и обеспечить быстрое разложение растительных остатков. В статье приведены энергетические и качественные показатели лесного дискового плуга с приводом диска от гидромотора, оборудованного дополнительным отвалом.

Ключевые слова: энергетические и качественные показатели, гидромотор, отвал, диск, борозда.

V.N. Korotkikh, P.I. Popikov, P.I. Titov

INFLUENCE OF FORCED ROTATION OF THE FOREST DISK PLOUGH COMBINED WORKING ELEMENT ON POWER AND QUALITY INDICATORS

At forest soils ploughing, disk ploughs should make a layer turn and full root mat closing in order to cover weed vegetation and provide plant residues fast decomposition. Power and quality indicators of a forest disk plough with a disk drive from the hydromotor equipped with an additional breast are given in the article.

Key words: power and quality indicators, hydromotor, breast, disk, groove.

При вспашке лесных почв дисковые плуги должны осуществлять оборот пласта и полную заделку дернины с тем, чтобы закрыть сорную растительность и обеспечить быстрое разложение растительных остатков [1].

Большое влияние на оборот пласта, качество его укладки, заглубляемость орудия, его тяговое сопротивление, энергетические затраты оказывают углы установки диска а и р и параметров отвала.

С целью изучения влияния угла атаки а на показатели N (мощность, затрачиваемая на поступательное движение плуга), N (мощность, затрачиваемая на вращение диска плуга), г (коэффициент оборачиваемости пласта) и d (поперечное смещение пласта) была проведена серия компьютерных экспериментов с изменением а от 25 до 55о с шагом 5о (рис. 1) [2; 4].

Все зависимости - Ып(а), Ыв(а), г(а) и d(а) - имеют практически линейный вид и возрастающий характер [3]. С увеличением а увеличивается поперечное сечение диска (рис. 2), при этом вырезается пласт большего сечения, и, как следствие, увеличивается затрачиваемая на обработку почвы мощность. Возрастание зависимости г(а) можно объяснить тем, что с увеличением а частицы почвы, увлекаемые диском, проходят больший путь (траектории на рис. 2) как в поперечном, так и в продольном направлении по отношении к борозде, и поэтому пласт эффективнее успевает перевернуться. Увеличение смещения пласта d(a) обусловлено, главным образом, расширением борозды (профили на рис. 2) вследствие увеличения площади проекции Х-1 диска.