CC BY
30
С целью оценки энергозатрат, необходимых для переработки лесосечных отходов в щепу построена диаграмма (рис.2). Величина ТТЧ при производстве щепы может рассматриваться, как доля возможной возвратной энергии, которая может быть направлена на выполнение операций технологического процесса лесосечных работ.
Расчет технологического топливного числа четко показывает, что наиболее целесообразно на лесозаготовках применять без-редукторные бензиномоторные пилы в сочетании с форвардерами, а также харвестеры с форвардерами. Именно такое сочетание механизмов дает наибольшую экономию энергии на 1 куб. м. при соответствующей про-
изводительности и отвечает современным
требованиям.
Список литературы
1. Ширнин Ю.А., Пошарников Ф.В. Технология и оборудование малообъемных заготовок и лесовосстановление. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001,- 398 с.
2. Лисиенко В.Г., Щелокова Я.М., Розина С.Е. и др. Методология и информационное обеспечение сквозного энергетического анализа. - Екатеринбург: УГТУ, 2001.-98 с.
3. Кушляев В.Ф. Использование систем машин для лесосечных работ / Обзорная информация. - М., 1979. - 52 с.
4. Рушнов Н.П., Пряхин Е.А. Переработка древесины на щепу на нижних складах леспромхозов / Обзорная информация. - М., 1985. - 48 с.
5. Единые нормы и расценки на лесозаготовках 1989.- 105 с.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ КОЛЕСНОЙ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ ПО ЛЕНТЕ ЛЕСА
Ю.А. ШИРНИН, проф. каф. технологии и оборудования лесопромышленных производств МарГТУ, д-р техн. наук,
Е.М. ОНУЧИН, асп. каф. технологии и оборудования лесопромышленных производств МарГТУ
Эффективность и экологичность эксплуатации колёсных лесных машин в малообъёмных лесных предприятиях в значительной степени зависят от применяемых технологических схем работы при выполнении различных операций лесосечных и лесохозяйственных работ. Одним из перспективных направлений развития технологии лесосечных и лесохозяйственных работ является работа технологических машин непосредственно под пологом леса без прокладки пасечных волоков. Развитие данного направления требует детального изучения процесса движения машины под пологом леса и, в частности, влияния её конструктивных параметров и таксационных характеристик древостоев на проникаемость.
Под проникаемостью древостоев для технологических машин понимается вероятность существования траектории перемещения машины из одной точки (области) в древостое к другой, не выходящей за пределы определённого пространства и удовлетво-
ряющей определённым требованиям (например, по приближению к растущим деревьям).
Обзор литературных источников [1, 2, 3, 4, 5] показал, что оценка проникаемости древостоев может быть получена в результате имитационного моделирования движения машины под пологом леса. Предложенные указанными авторами модели имеют ряд недостатков, которые не позволяют применить их для оценки проникаемости древостоев для модульных лесных машин (МЛМ), представляющих собой агрегат в составе колёсного сельскохозяйственного трактора (тягово-энергетического модуля) и технологического модуля, состоящего из полуприцепа-шасси (установочный модуль) и установленного на нём технологического оборудования.
Частным случаем проникаемости древостоя является проникаемость ленты леса. Лентой леса (рис. 1) является прямоугольная площадь, выделяемая в древостое
«линией старта», «линией цели» и ограничениями по удалению траектории перемещения МЛМ от осевой линии ленты леса. В этом случае проникаемостью ленты леса является вероятность существования траектории перемещения МЛМ с любой или заданной точки «линии старта» до любой точки «линии цели», не удаляющейся более заданного расстояния от осевой линии ленты леса.
Структурно имитационная модель включает в себя две процедуры. Первая процедура по заданным таксационным характеристикам ленты леса генерирует её реализацию, а вторая процедура по заданным конструктивным параметрам МЛМ производит поиск возможной траектории перемещения МЛМ от «линии старта» до «линии цели».
Первая процедура основывается на известных алгоритмах генерации на плоскости случайно распределённых объектов. С. целью устранения влияния краевых эффектов генерация деревьев производится на площади в четыре раза большей исследуемой (удвоенной
длины и ширины), в центре которой ограничивается лента леса. Каждое дерево представляется окружностью, радиус которой является суммой радиуса дерева на уровне земли и некоторой защитной полосы, движение по которой нежелательно, для избежания повреждения ствола и корневой системы дерева.
Для математического описания второй процедуры имитационной модели, формирующей траекторию движения МЛМ, сделан ряд допущений.
1. Траектория представляет собой ломанную кривую линию, отдельные участки которой являются дугами окружности одинаковой длины (для траектории управляемых колёс тягово-энергетического модуля), но различного радиуса (что соответствует постоянному углу поворота управляемых колёс).
2. Изменение угла поворота управляемых колёс тягово-энергетического и установочного модулей происходит мгновенно и только в вершинах ломаной линии.
Рис. 1. Графическая модель ленты леса: 1 - «линия старта»; 2 - «линия дели»; 3 - осевая линия ленты леса; 4 - ограничения; L - длина ленты леса; Д (Delta) - ширина ленты леса; Dc - диаметр дерева у поверхности земли; b - ширина защитной зоны вокруг дерева; В - колея машины
3. Угол поворота управляемых колёс модулей в вершине ломаной линии траектории может быть либо увеличен, либо уменьшен с некоторым шагом на величину, ограниченную максимальным углом поворота управляемых колёс модулей машины, либо остаться неизменным.
4. Длина тягово-энергетического модуля представляется в виде отрезка осевой линии, равного его базе, а длина установочного модуля представляется отрезком длиной, равной длине дышла. Ширина МЛМ учитывается путём увеличения на половину колеи машины защитной области вокруг деревьев.
Таким образом траектория не должна проходить по некоторой круговой площади вокруг каждого дерева, определяемой его диаметром у земли и защитной полосы, исключающей повреждение ствола и корневой системы дерева и учитывающей колею машины.
Имитационная модель движения МЛМ по ленте леса была реализована на ЭВМ в среде пакета Mechanical Desktop 6 Power Pack с использованием приложений Visual Basic for Application (для генерирования реализаций древостоев) и Visual LISP (для моделирования возможных траекторий движения).
Процедура моделирования траектории движения колёсной машины по ленте леса выделяет в модели древостоя ленту леса и, основываясь на приведённых допущениях, моделирует движение четырёх вариантов компоновки колёсной лесной машины: МЛМ с жёсткой рамой и передними управляемыми (поворотными) колёсами (одиночный тягово-энергетический модуль); МЛМ, состоящая из тягово-энергетического модуля и установочного модуля на базе полуприцепа с неподвижными колёсами; МЛМ, состоящая из тягово-энергетического модуля и установочного модуля на базе полуприцепа с подруливающими колёсами; МЛМ, состоящая из тягово-энергетического модуля и установочного модуля на базе полуприцепа с полноповоротными колёсами.
Процесс моделирования траектории движения для первых двух вариантов компоновки колёсных лесных машин представлен на рис. 2.
Так моделирование движения колёсной машины с жёсткой рамой и передними управляемыми колёсами происходит следующим образом. В этом варианте компоновки (рис. 2, а) машина представляется отрезком АВ (т. А является серединой передней оси, а т. В - серединой задней оси или центром ходовой тележки), положение которого на плоскости при п-ом шаге однозначно определяется координатами конечных точек и средним углом поворота управляемых колёс 0гам(п), задающим направление скорости
т. А (вектор ).
Перемещение к п+1 положению (отрезок А’В’) осуществляется путём поворота отрезка АВ вокруг мгновенного центра скоростей (т. 0(п)) на некоторый угол АО(„)А’ (ВО^эВ’), обеспечивающий заданную длину траектории перемещения т. А по дуге АА’. Мгновенный центр скоростей п-ого шага (т. 0(П)) находится как точка пересечения перпендикуляров, восстановленных к векторам скоростей т. А(уч,)ит. В (упд,). При этом вектор всегда направлен вдоль отрезка АВ, а направление вектора соответствует одному из пяти возможных значений
0_ / А тах а тах Л) /\ п тах //} д т«х ( гп. д шах 7эм(л)-Г ®тэм>~ ^тэм/*■■> и>®гэм/^"гэм)’ гДе °ГЭМ
максимальный средний угол поворота управляемых колёс тягово-энергетического модуля. Таким образом получается п+1 положение, которое (если выполняются условия допустимости) является исходным для получения следующего положения машины. В случае, если 07ЭА,(„) = О (прямолинейное движение), то новое положение машины получается перемещением отрезка АВ вдоль прямой АВ на заданный достаточно малый шаг.
Условием допустимости нового положения машины является отсутствие пересечений области АА’В’В (заштрихована на рис. 2, а) с «линией старта», ограничениями и круговыми областями вокруг деревьев.
а) ^(«+0
\
\
\ \
\
\
ч
\
\
Рис. 2. Моделирование траектории колёсной машины: а) - с жесткой рамой и передними
управляемыми (поворотными) колёсами (тягово-энергетического модуля); б) - МЛМ в составе тягово-энергетического модуля и установочного модуля на базе полуприцепа с жестко установленными колёсами
Для моделирования движения МЛМ с установочным модулем на базе полуприцепа с неподвижными колесами отрезок АВ дополняется отрезком ВС (рис. 2, б), длина которого равна расстоянию от середины задней оси тягово-энергетического модуля (т. В) до шарнира тягово-сцепного устройства (т. С), лежащим на одной прямой с отрезком АВ.
Полуприцеп с жестко установленными колёсами представляется отрезком СВ (т. С - шарнир опорно-сцепного устройства, т. В - середина оси полуприцепа или центр ходовой тележки). При перемещении из п-ого положения в п+1 отрезок АС движется как единое целое, поворачиваясь относительно мгновенного центра скоростей тягово-энергетического модуля (т. 0\), аналогично движению одиночного тяговоэнергетического модуля. При этом полуприцеп (отрезок СП) должен повернуться относительно своего цента скоростей - т. 02, лежащей на пересечении прямой 0\С и перпендикуляра в т. В к вектору скорости колёс полуприцепа уУМ . Вектор скорости колёс полуприцепа направлен в этом случае всегда вдоль отрезка СВ. Так как новое положение т. С (т. С”) определяется поворотом относительно Т. О], то по дуге окружности с центром в т. 02 перемещается только т. В, при этом её новое положение (т. В’) находится из условия равенства отрезков СВ и СВ ’, т. е. на пересечении окружности с центром в т. 02 и радиусом ОгВ и окружности с центром в т. С’ и радиусом СБ.
Допустимость нового положения определяется как и в первом случае непересе-чением области, заштрихованной на рис. 2, б, с непреодолимыми препятствиями, а также условием непревышения максимально допустимого угла перелома МЛМ (угол А СВ).
Аналогичным образом моделируется движение и для оставшихся двух вариантов компоновки МЛМ, отличающихся тем, что направление скорости т. В переменно и либо зависит от угла перелома МЛМ (третий случай), либо изменяется независимо (четвёртый случай).
Лента леса признаётся проникаемой, если при очередном шаге, удовлетворяющем
критериям допустимости т. А МЛМ оказывается вне ленты леса за «линией цели».
Как показали предварительные исследования, большое влияние на проникае-мость ленты леса оказывает способ задания начального положения МЛМ на ленте леса, которое определяется положением т. А на «линии старта», углом наклона отрезка АС к «линии старта» и начальным углом перелома МЛМ. В реальности эти параметры определяются оператором МЛМ, который, исходя из особенностей размещения деревьев на конкретной ленте леса, выбирает наилучшее начальное положение МЛМ на «линии старта» ленты леса, поэтому в программе начальное положение МЛМ либо задаётся исследователем, либо в ней перебираются с некоторым шагом все возможные варианты.
В процессе подготовки к вычислительному эксперименту факторы, оказывающие влияние на проникаемость лент леса, были проранжированы (табл. 1), что позволило существенно сократить размерность факторного пространства, путём исключения факторов с 8 по 12, не оказывающих существенного влияния на проникаемость ленты леса, приняв их за постоянные условия эксперимента. Статистическая незначи-мость влияния на проникаемость 8-го и 9-го факторов была проверена дисперсионным анализом.
Из остающихся семи входных факторов вычислительного эксперимента шесть носят количественный характер, и один фактор (конструктивные особенности установочного модуля МЛМ) имеет качественный характер. Диапазон варьирования шести количественных входных факторов, определённый исходя из практической значимости результатов исследования, представлен в табл. 2.
Для выяснения характера влияния на отклик шести количественных факторов была проведена серию однофакторных экспериментов для МЛМ с установочным модулем на базе полуприцепа с полноповоротными колёсами, условия проведения которых приведены в табл. 3. В каждом эксперименте исследуемый фактор варьировался на 5-8 уров-
нях в диапазоне согласно табл. 2, прочие факторы оставались постоянными. Эксперименты проводились при следующих условиях: средний диаметр деревьев (с защитной круговой зоной) - 1 м, дисперсия среднего диаметра - 0, распределение деревьев на площади - регулярное, максимальный средний угол поворота управляемых колёс тягово-энергетического модуля - 50°, вынос тягово-сцепного устройства за заднюю ось тягово-энергетического модуля - 1 м.
Результаты проведения серии однофакторных вычислительных экспериментов, приведённые на рис. 3, показывают, что
влияние на проникаемость лент леса исследуемых факторов достаточно адекватно описывается линейными регрессионными моделями, что позволяет по результатам многофакторного вычислительного эксперимента получить многофакторную регрессионную модель, отражающую эмпирическую зависимость проникаемости лент леса от их параметров и характеристик технологических машин.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования РФ (грант 2002 г по фундаментальным исследованиям в области технических наук).
Таблица 1
Входные факторы вычислительного эксперимента на имитационной модели движения МЛМ по ленте леса без прокладки волока
№ Наименование фактора
1 Конструктивные особенности установочного модуля МЛМ
2 Густота древостоя
3 Колея МЛМ
4 База тягово-энергетического модуля
5 Длина дышла установочного модуля
6 Длина ленты леса
7 Ширина ленты леса
8 Средний диаметр деревьев
9 Дисперсия среднего диаметра деревьев
10 Закон распределения деревьев по площади
11 Максимальный угол поворота управляемых колёс тягово-энергетического модуля
12 Вынос тягово-сцепного устройства за заднюю ось тягово-энергетического модуля
Таблица 2
Диапазон варьирования количественных входных факторов эксперимента в
исследуемой области
Фактор Диапазон варьирования
Густота древостоя, шт./га 300 - 600
Длина ленты леса, м 50-300
Ширина ленты леса, м 10-50
Колея МЛМ 1-2
База тягово-энергетического модуля, м 2-6
Длина дышла установочного модуля, м 0-8
Таблица 3
Условия проведения серии однофакторных экспериментов
Фактор Значение
Густота древостоя, шт./га 400
Д лина ленты леса, м 100
Ширина ленты леса, м 20
Ширина МЛМ, м 2
Длина тягово-энергетического модуля, м 4
Длина дышла установочного модуля, м 4
Рис. 3. Зависимость проникаемости ленты леса (г| ):а - от густоты древостоя (п ); б - от длины ленты леса; в - от ширины ленты леса; г - от колеи МЛМ; д - от базы тягово-энергетического модуля ММЛ (Ь6)е- от длины дышла установочного модуля МЛМ (1Г))
Список литературы
1. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность - машина / М.Г. Беккер. - М.: Машиностроение, 1973. - 520 с.
2. Герасимов, Ю.Ю. Лесосечные машины для рубок ухода: компьютерная система принятия решений / Ю.Ю. Герасимов, B.C. Сюнев. - Петрозаводск: Изд-во Петрозавод. ун-та, 1998. -235 с.
3. Исследование лесопромышленных процессов. Часть I. Изучение предметов обработки: Методические указания к проведению исследовательской практики для студентов специальности 2601 / Сост. П.М. Мазуркин, С.М. Гордеев,
М.Ю. Смирнов / Под ред. П.М. Мазуркина. -Йошкар-Ола: МарПИ, 1994. - 64 с.
4. Савельев А.Г. Разработка технологии рубок ухода на основе исследования доступности деревьев при машинном способе заготовки (на примере лесов I группы Прибалтики): Автореф. дис. ... на соиск. учен, степ. канд. техн. наук / А.Г.Савельев. - Минск: Белорус. технол. ин-т им. С.М. Кирова, 1989. - 24 с.
5. Ширнин Ю.А. Определение доступности при машинной заготовке подроста из-под полога леса / Ю.А. Ширнин, А.В. Лазарев // Труды науч. конференции по итогам научно-исследовательских работ МарГТУ, 20-22 апреля 1998г. - Йошкар-Ола: Мар-ГТУ, 1998. - С. - 102-105. - Деп. в ВИНИТИ 30.09.98.-№2890-В 98.
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИКАТЫВАЮЩЕГО КАТКА НА СТЕПЕНЬ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ
И.В. КАЗАКОВ, каф. механизации лесохозяйственных работ МГУЛа
Конструктивные параметры прикатывающих катков сеялок являются основными показателями, влияющими на плотность почвы в зоне заделки семян. Для изучения их влияния проводились экспериментальные исследования прикатывающих катков с различными параметрами (ширина и диаметр) и усилием прижатия катка к почве.
При проведении экспериментов на суглинистых почвах ее относительная влажность на глубине до 9 см, т. е. с учетом глубины высева желудей 4.. .7 см, составила 13 %.
На основании экспериментальных данных получена эмпирическая зависимость плотности почвы в зоне заделки желудей в зависимости от ширины, диаметра и усилия прижатия катка к почве:
- на глубине 3.. .6 см:
р, = 0,837 + 0,0015^ + 0,017£> - 0,039# , (1)
- на глубине 6.. .9 см:
р2 = 0,741 + 0,0043/’ + 0,01891)-0,00047/*' В, (2) где: р, и р2 - плотность почвы, соответственно, на глубине 3...6 и 6...9 см, г/см:1; р-усилие прижатия прикатывающего катка к почве, Н; В - ширина прикатывающего катка, мм; £> - диаметр прикатывающего катка, мм.
Эмпирическая зависимость (1) адекватно описывает характер изменения плотности почвы в зависимости от параметров прикатывающих катков, т. к. критерий Фишера равен 16,09, а РГЛБЛ(3, 24) равен 4,72, т. е. Р,,АСЧ > ртабл • Корреляционное отношение
Я - 0,71, что показывает на тесную связь между независимыми параметрами и плотностью почвы в зоне заделки желудей. Эмпирическая зависимость (2), также адекватно описывает характер изменения плотности почвы, т. к. критерий Фишера равен 34,36, а РТЛБЛ(3, 24) равен 4,72, т. е. РРАСЧ > РТЛШ1. Корреляционное отношение Я = 0,83, что показывает на тесную связь между независимыми параметрами и плотностью почвы в зоне заделки желудей.
Для определения необходимых параметров прикатывающего катка (ширины и диаметра), а также усилия прижатия его к почве, с целью обеспечения оптимальной для роста и развития растений плотности почвы (которая по данным Н.А. Смирнова должна быть в пределах 1,0... 1,2 г/см3) [1] на основании полученных математических зависимостей и известной методики [2] разработана номограмма, приведенная на рисунке.
