CC BY
11
5. 1НФОРМАЩЙНШ ТЕХНОЛОГИ
ГАЛУЗ1
УДК 630. *0377 Проф. В.М. Голубець, д-р техн. наук; проф. €.М. Лютий,
д-р техн. наук; проф. М.П. Мартинщв, д-р техн. наук -
НЛТУ Украти, м. Львiв
РОЗРОБЛЕННЯ МЕТОДУ АНАЛ1ЗУ РОБОТИ ТА ОБГРУНТУВАННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТР1В МАШИН ДЛЯ ОСВОСННЯ Г1РСЬКИХ Л1С1В
Запропоновано метод дослщження роботи машин та мехашзм1в для освоення гiрських лiсiв. Розроблено загальну схему для реал1зацп такого методу.
Складено рiвняння руху, якi можуть бути використанi для визначення зусиль, що дiють на окремi елементи машин при рiзних режимах ix роботи. Наведено методику обгрунтування основних параметрiв машин та меxанiзмiв.
Prof. V.M. Golubec, prof. E.M. Lyutiy, prof. M.P. Martinciv -
NUFWTof Ukraine, L'viv
Development of method of analysis of work and ground of basic parameters of machines is for mastering of the mountain forests
The method of research work machines and mechanisms is offered for mastering the mountain forests. A general chart is developed for realization of such method.
Worked out equations of motion, which can be utilized for determination of efforts which operate on the separate elements machines at the different modes their work. The method of ground basic parameters machines and mechanisms is resulted.
Близько 25 % вЫх свггових люових масив1в розмщеш на крутих схи-лах. Потенщальний щор1чний об'ем люозаго^вель в цих люах становить
3 • 3
близько 700млн. м , а заготтля становить тшьки 25^30 млн. м , [1]. Недостат-ня експлуатащя прських лшв бшьшютю краiн св1ту пояснюеться, здебшьшо-го, економ1чними аспектами. Тому при проектуванш транспортного освоення люових масив1в першочергове мюце выводиться буд1вництву дор1г. Необхщ-но враховувати можливють i доцшьшсть подальшого використання люовоз-них дор^ для лiсового i сшьського господарства, туризму та iншиx потреб.
Складний рельеф гiрськиx лiсiв, еколопчш вимоги, що ставляться при ix освоеннi, необxiднiсть подолання уxилiв, заборона суцiльниx рубок [2] ус-кладнюе впровадження високопродуктивноi теxнiки i технологи, шдвищуе трудомiсткiсть лiсозаготiвель i собiвартiсть деревини. Тому актуальною е задача розроблення оригшальних машин та меxанiзмiв для освоення гiрськиx лiсiв i вибiр ix оптимальних параметрiв, що дасть змогу забезпечити еконо-мiчну вигоду проведення лiсозаготiвель. На транспортування деревини в кра-шах з гiрським рельефом за останш роки широко почали використовуватися великовантажш автомобiлi та форвардери, оснащенi самонавантажувачами.
У люовому господарствi передових краш свiту для проведення люоза-го^вельних робiт використовуються мобiльнi канатнi установки, монорейко-
вi системи, а також харвестери та звалювальш машини - роботи [3-6]. Через впровадження ново! високопродуктивно! технiки актуальним е завдання на-укового обгрунтування системи машин, якi забезпечать виконання певного обсягу робгг з найменшими затратами, включаючи екологiчнi збитки, завдаш довкiллю в процесi лiсозаготiвель. Таю дослщження проводилися цiлим рядом авторiв i опублiкованi в роботах [7-9].
Основним показником ощнки ефективност роботи машин було прийнято мшмум приведених затрат. Приведенi затрати включають вартiсть створення та експлуатаци машин. Однак у наведених роботах не враховують-ся показники, яю впливають на !х надiйнiсть. Машини та мехашзми на люо-заготiвлях об'еднаш в систему спiльним технологiчним процесом, але вони мають рiзнi принципи роботи, масу, продуктившсть та виконують рiзнома-нiтнi функци. Параметри таких машин повинш дозволяти реалiзовувати рiзнi технологiчнi схеми освоення лiсосiк, яю залежать вiд способiв рубок, рельефу мюцевост^ типу деревостану, запасу деревини, плошд лiсосiки та iн.
Надшшсть роботи лiсових машин залежить вщ досконалостi та рiвня гнучкостi функщональних вузлiв i визначаеться способом змши експлуата-цiйних параметрiв залежно вщ умов роботи, схемою !х компонування та принципами взаемоди iз основним предметом пращ, яким е дерево.
Кшьюсну ощнку роботи окремих елемент1в машин можна дати, про-вiвши аналiз швидкiсного та навантажувального режимiв роботи. Але це тех-шчно складнi задачi i можуть бути розв'язаш в певному конкретному випад-ку. Тому для аналiзу роботи машин доцшьно використовувати розрахунко-во - есплуатацшш методи.
Визначення конструктивних та експлуатацiйних параметрiв базових моделей машин для освоення прських лiсiв основуеться на розрахункових моделях механiзмiв та машин для звалювання дерев, обрiзання гiлок, шдтре-лювання, трелювання, розкряжування, навантаження, а також частково! пере-робки низькояюсно! деревини. Моделювання роботи машин зводиться до визначення зусиль, що дшть на окремi елементи при небезпечних режимах та обгрунтування основних параметрiв.
Для машин та механiзмiв, що працюють в аналопчних умовах важли-во розробити единий метод аналiзу !х роботи, дослщження силових режимiв та обгрунтування основних параметрiв. Реалiзацiю такого методу можна ви-конати на основi схеми, представлено! на рис. 1.
Проектування системи машин для освоення прських лiсiв е складни-ми багатоварiантними задачами, особливють яких полягае в значнш змiнi зовнiшнiх факторiв, що визначаються рельефними умовами та видом деревостану на люосщ, а також геометричними параметрами i технолопчними вимогами до машин.
Для розроблення нових механiзмiв чи устаткування необхiдно вибра-ти ращональш схеми запропонованих варiантiв, встановити зв'язки мiж окре-мими елементами системи, визначити зовтшт сили, що дшть на систему, а також закономiрностi взаемоди окремих елеменпв мiж собою.
Рис. 1. Схема Modeni для розроблення методу до^дження роботи системи
машин на лiсoзагoтiвлях
Розробити математичну модель системи можна, взявши за основу вь домi загальш теори систем, теори моделювання, автоматизованого проекту-вання i конструювання машин та техшчних комплексiв. У наведенiй роботi пропонуемо метод дослiдження та аналiзу роботи системи машин для освоення прських лiсiв, отриманий на основi багаторiчних дослiджень авторiв, досвiду роботи лiсогосподарiв та лiсозаготiвельникiв.
Рух машин та механiзмiв i ïx основних робочих оргашв можна описа-ти рiвнянням Лагранжа другого ряду, яке мае такий вигляд [10, 11]:
d_
dt
dg,
dW дП дФ „ .
+—+— = Qi, I = 1,2,3,
(1)
i
dqi dqi dq,
де: q1 = x ; q2 = y ; q3 = ç - узагальненi координати машини, меxанiзму або ïx робочих органiв; W - кшематична енергiя системи; П - потенщальна енер-гiя системи; Ф - дисипативна функщя Релея; Qi - узагальнена сила, яка вщпо-вiдае узагальненiй координатi qi.
За узагальненi координати приймають кути закручування обертових мас, та координати осей у напрямку яких вантаж рухаеться поступально. Ki-нетичну енергда системи в загальному виглядi можна представити рiвнянням
г=I
2
IJ
i=1
Wi
+ I
mj ■ vj
j=1
(2)
де: i, j - кiлькiсть мас, що здшснюють вiдповiдно обертовий та поступальний рух; Ji, wi - моменти шерци та кутовi швидкост вiдповiдниx мас; mj, Vj - ма-си та лiнiйнi швидкост вантажiв, що здiйснюють поступальний рух. Рiвняння для визначення потенцiальноï енерги мае вигляд:
п=1 2
n . . m
ICi m (- Ç(i+1)) +1 Cjmj (ÇjYj - xj+yj) i=1 j=1
(3)
де: Ci, Cj - поздовжнi жорсткостi вiдповiдних елементiв; pi,pJ-, rj - кути зак-ручування та радiуси обертання вiдповiдних мас; Xj, yj - координати ль нiйних перемщень мас; mj - маси окремих елеменлв.
Дисипативна функцiя Релея визначаеться з залежностi:
1
Ф 2
X Vj ■ Bj ■ (X j -ppj ■ rj) + me ■ g ■ n ■ .X2 + fe ■ ff ■ y2
j=1
(4)
де: Vj, Bj - вщповщно коефiцiенти опору руховi та згинальш жорсткостi окремих елеменпв машини; тв - маса вантажу; g - прискорення вiльного па-дiння (g = 9,81 m/c2); n - коефщент опору руховi вантажу; te - зусилля роз-тягу в несучому елемент пiд дiею вантажу; s - вiдносна деформацiя розтягу несучого елементу; x, y - лшшш координати вантажу.
Узагальнена сила, як правило, складаеться з трьох складниюв Q1, Q2 та Q3, як визначають рух виконавчого органу мехашзму та робоче зусилля в його несучому елеменп. Для машин, що працюють на лiсозаготiвлях елемен-ти приводу мають обертовий рух тому, очевидно, в такому випадку:
Qi = 0; Q2 = 0; Q3 = МП, (5)
Гн ■ пм
де: Мдв - крутний момент на валу двигуна; iM - передавальне вщношення ме-ханiзму приводу; nM - коефщент корисно! ди механiзму приводу; гн - радiус несучого елементу приводу, що здшснюе обертовий рух.
Визначивши лiвi частини рiвняння (1), можна отримати систему рiв-нянь руху елемент1в машин або механiзмiв. Для складання остаточних рiв-нянь руху та визначення зусиль, що виникають в окремих елементах необхщ-но врахувати умови роботи машин, параметри "предмету пращ" та конструктивы особливост двигунiв.
У прських умовах на роботу машин та механiзмiв значний вплив мае ухил траси [12]. Довжина схилiв та порядок !х чергування для задано! люось ки може характеризуватися вимiрником пересiченостi поздовжнього профь лю, який можна визначити з тако! залежност [13]:
ПС = Ln
/ I л 1 +- n
1 а i ln +--b
T
n
+ Lcn--С-[%o], (6)
lcn +~ d
cn
де: Ь„, Ьсп - середня величина кута тдйому i спуску волока чи дороги, %о; 1п, 1сп - середня довжина тдйому i спуску, м; а, ё, с, ё - сталi, що враховують вплив довжини пiдйомiв i спускiв на роботу машин для двигутв внутршньо-го згорання, згiдно з рекомендащями, наведеними в роботi [13], вони можуть бути прийнят рiвними, вщповщно (30000; 100; 21600; 140).
При визначент експлуатацiйних показникiв машин (час руху, витрати палива, швидкiсть руху i т.д.) машину можна представити як матерiальну точку i розглядати рiвняння руху 11 центра мас, тобто
dT^-^), (7)
де: dv/ dt - пришвидшення центра мас автомобшя, м/с ; X Po - сумарна сила опору рухов^ зумовлена наявшстю пiдйому волоку чи дороги, взаeмодieю ко-лiс з дорогою, опором повпря та íh., Н; Pk - тягова сила на ведучих колесах, Н; GM - вага машини; g - пришвидшення вiльного падiння (g = 9,81 m/c2).
S = 1 + 1дв G^n +1G ■ "Г, (8)
Gm ■ r2 Ga r2
де: 1дв - момент шерци маховика двигуна, кг-м2; iT - передавальне число грансмiси; r - радiус кола, м; пт - коефщент корисно! ди грансмiси; X Ik -сумарний момент шерци колiс, кг-м2;
X Po = Pf + Pi + Pw , (9)
де Pf - сила опору кочення колю;
Pf = fGM ■ cosa. (10)
де Pi - сила опору тдйому дороги:
Pi = Ga ■ sin a. (11)
де Pw - сила опору повггря;
Pw = k ■ F ■ v2. (12)
де: f - коефщент опору кочення; Ga ■ cosa - нормальна до поверхш дороги складова сили ваги машини; Ga ■ sin a - паралельна до поверхш дороги скла-
H ■ c 2
дова сили ваги машини; k - коефщент опору руховi повпря, ——; F -
м 4
площа найбшьшого поперечного перерiзу машини, м2; v - швидюсть машини, м/с.
Тягове зусилля, яке шдводиться до приводних колю, залежить вщ експлуатацшного обертового моменту Me (експлуатацшно! потужностi Ne), передавального вiдношення в трансмюн iT, 11 ККД rT та радiуса кочення колеса r .
Тягове зусилля можна визначити з залежностг
Pk = Me ■ - ■ГТ - Pv , (13)
r
або Pk = 9,55 ■10iNee^TrT-Pv (14)
n ■ r
де: n - частота обертання вала двигуна, хв-1; Pv - гiдравлiчнi втрати в тран-смюи:
Pv = ap + Kp ■ V,
де: ap, Kp,T - сталi коефщенти, якi залежать вiд типу двигуна; V - швид-юсть руху машини, м/с.
Дiапазон можливих значень ефективного обертового моменту M i ефек-тивно! потужностi N обмежуеться кривими Me та Ne, а також MГ i NГ (рис. 2). Mm i Nm - максимальш значення; i nmax - мiнiмальнi i максималь-нi допустимi частоти обертання. Кривi M = Ме(п) i N = Ne (п) характеризують
зм^ обертового моменту i потужност залежно вiд частоти обертання валу двигуна п . Це зовнiшнi швидюсш характеристики двигуна. Кривi M = M Г (п) i N = NГ ( п ) вiдображають характеристики двигуна на гальмiвних режимах.
Рис. 2. Зовшшш швидтст тягова та гальмiвна характеристики двигуна
Ефектившсть роботи люово! машини залежить вiд довговiчностi та матерiаломiсткостi 11 основних елементiв. Особливо небезпечним при робот таких систем е можливють виникнення резонансу.
У процес експлуатаци параметри машин змiнюються в широкому дь апазонi, тому ймовiрнiсть виникнення резонансу зберiгаеться навiть при правильному виборi окремих елемеш!в, особливо при перехiдних режимах роботи (пуск та гальмування). У таких випадках, для уникнення аваршних ситу-ацiй, необхiдно забезпечити вщношення логарифмiчного декременту коли-вання до власно! частоти коливань системи а = 251K > 0,5.
При такому значенш а динамiчний коефiцiент системи приймае мшь мальш значення.
Логарифмiчний декремент коливання можна визначити з залежностг
5 = , (16)
Лт+1
де Лщ, Лт+1 - двi сусщш амплiтуди вiльних затухаючих коливань.
Функщя а може служити функцiею мети при виборi оптимальних па-раметрiв машини. Змiну амплiтуди коливань можна визначити на основi ек-спериментальних дослiджень. 1ншим способом оцiнки властивостей затухан-ня коливань системи е сшвставлення енергiй системи, що розсшеться за один перiод з найбшьшою потенцiальною енергiею циклу. Тодi декремент коливання можна визначити з виразу:
* = (17)
2 Пт
1 т
де: АП - розсiювання енерги за один перiод коливання; Пт - найбiльша по-тенцiальна енерпя циклу.
Основний предмет працi дерево та стовбур характеризуемся рядом параметрiв, якi визначаються експериментально [12].
Параметри дерев та стовбурiв е основою для вибору типу та вантажо-шдшмальносл основних машин. Мiж основними дiаметрами стовбура iснуе залежнiсть:
ёв = с ■ (18)
де: - дiаметр вщземка, (см); с - коефiцiент, що залежить вiд породи, (для сосни с =1,27; смереки с = 1,25; берези с =1,21; осики с = 1,16).
Взаемозв'язок мiж дiаметрами стовбурiв та 1х довжинами описуеться таким кореляцшними рiвняннями: для смереки - 1с = а ■ dв - в ■ dв + с1; для сосни - 1с = а ■ dв + с1; для осики - 1с = а ■ dв - в ■ dв!
Вщповщно коефщенти а, в та с1 приймають наступш значення: для смереки а =0,680; в =0,0047; с1=1,45; для сосни а =0,246; с1=9,20; для берези а =1,00; в =0,0134; с1=0,40.
Об'ем стовбура може бути знайдено з таксацшних таблиць або iз за-лежнос^
& = ^4 ■Кф, (19)
де: Кф - коефщент, що враховуе форму стовбура (для сосни та смереки Кф =0,52; для берези Кф =0,46).
Маса стовбура рiвна:
тс =дс■5д, (20)
де 8д - середня щшьшсть деревини, т/м3.
Вiдстань вiд вщземкового зрiзу до центра ваги стовбура становить:
И = 0,371с. (21)
Момент шерци стовбура вщносно ос зрiзання можна визначити з за-лежностi:
1и = 1с + тс ■ И, (22)
де 1с - момент шерци стовбура вщносно ош, що проходить через його центр ваги.
Залежно вщ характеру роботи машин визначають зусилля рiзання, пи-ляння та розколювання, якi пiдставляють в залежшсть (1^5). Технологiчний процес лiсосiчних робгг визначаеться числом операцiй, 1х характером та пос-лiдовнiстю виконання.
Створити ефективну систему машин на люозаго^влях можна вико-риставши метод багатокритерiальноl оптимiзацil.
Для пошуку максимуму Xmax i оптимальних значень Xiopt (i=1^ n), що забезпечить цей максимум можна скористатися методом невизначених множ-никiв Лагранжа. Для цього утворюють допомiжну функщю
Ф () = f (X ) + Л [ F () - Ci ], (23)
де: F (xi)< Ci, (i=1^ n) певш обмеження функци; X = f (xi) - узагальнений
критерiй; Л - невизначений множник.
Для визначення оптимальних значень прирiвнюються до нуля вс час-тини похщно! ще! функци за критерiями xi:
дф (Х1, Х2,-Хи ) = df (X1, X2,...Xn ) + ldF (X1, X2,...Xn ) j = — (24)
dxj dXj dXj
Унаслiдок такого запису отримують n рiвнянь з n +1 невщомими. Враховуючи обмеження функци, можна розв'язати таку систему, де сшльний розв'язок дае оптимальнi значення часткових критерив i екстремум узагаль-неного критерiю. Такий метод дасть змогу вибрати найбшьш ефективну систему машин, обгрунтувати 1х параметри i забезпечити надшшсть роботи при рiзних режимах експлуатаци.
Л1тература
1. Воробьев Г.И., Мухамедшин К.Д., Девяткин Л.М. Лесное хозяйство мира. - М.: Лесн. пром-сть, 1984. - 352 с.
2. Правила рубань в прських люах Украшських Карпат. - К.: Держком. люов. госп., 2003. - 24 с.
3. Integrated Environmental and Economic Accounting, United Nations. - New York, 2003. - 561 p.
4. Дейнека А. Прсью люи тд особливою увагою// Люовий i мисливський журнал. -2000, № 2. - С. 13-14.
5. УкраТнський л1с сьогодн1: 1нтерв'ю з Головою Держкомлiсгоспу Украши В.1. Са-моплавським// Лiсовий i мисливський журнал. - 2000, № 1. - С. 2^6.
6. Стирашвський О.А. Основи еколопзацп лiсозаготiвлi та транспортування лiсу. -Львiв: РВВ НЛТУ Украши. - 2008. - 104 с.
7. Мартинщв М.П., Бадера Й.С., Ковальчик О.Т. Анашз роботи та принцип форму -вання структури проектування машини для освоення гiрських лiсiв// Наук. вiсник НЛТУ Украши: Зб. наук.-техн. праць. - Львiв: НЛТУ Украши. - 2006, вип. 16.5. - С. 59-62.
8. Бадера Й.С. Теоретичш основи вибору системи машини для освоення прських люв// Наук. вюник НЛТУ Украши: Зб. наук.-техн. праць. - Львiв: НЛТУ Украши. - 2006, вип. 16.5.
- С. 62-68.
9. Мартинщв М.П., Матюхша Т.З. Розробка методу формування альтернативних варь анпв системи машини для люозагот1вель// Наук. вюник НЛТУ Украши: Зб. наук.-техн. праць.
- Львiв: НЛТУ Украши. - 2007, вип. 17.7. - С. 120^123.
10. Вейц В.Л., Кичура А.Е., Мартыненко А.М. Динамические расчеты приводов машин. - Л.: Машиностроение, 1971. - 353 с.
11. Голубець В.М., Лютий С.М., Мартинщв М.П., Бариляк В.В. Основш напрями дослщження роботи i вдосконалення конструкцш несучих i тягових канатних систем// Вюник технологичного ушверситету мПодiллям. Частина 1. Техшчш науки. - Хмельницький: ТУ "По-дiллям. - 2002, вип. 6. - С. 155^159.
12. Шк1ря Т.М. Технологiя i машини люоачних робiт. - Львiв: Трiада плюс. 2003. -
352 с.
13. Нефедов А.Ф., Высочин Л.Н. Планирование эксперимента и моделирование при исследовании эксплуатационных свойств автомобилей. - Львов: Вища шк., 1976. - 160 с.
