CC BY
22
УДК 630*36: 630*5 В.А. Грязин
Марийский государственный технический университет
Грязин Владимир Альбертович родился в 1976 г., окончил в 1998 г. Марийский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры транспортно-технологических машин МарГТУ. Имеет около 50 печатных работ по оценке эффективности специальных лесных машин и оборудования, определению энергетических показателей их работы. Е-шаП: gryazin.vladimir@rambler.ru
ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ НА ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ТРЕЛЕВКИ ДРЕВЕСИНЫ ТРАКТОРАМИ С ЧОКЕРНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Приведены результаты определения энергоемкости трелевки 1 м3 древесины тракторами с чокерным оборудованием. Получены регрессионные зависимости, выполнено ранжирование исследуемых факторов.
Ключевые слова: лесозаготовки, природные условия, машины, оборудование, трелевка, энергоемкость, моделирование.
Большинство технологических процессов, связанных с заготовкой леса в России, осуществляют, применяя системы машин, созданных для предприятий со значительными объемами переработки. При этом за основной показатель работы принимали производительность труда. Изменившаяся качественная и количественная характеристика лесов вызвала необходимость расширять обрабатываемые площади, сменять состав системы машин, существующую технологию лесозаготовок, учитывать их влияние на окружающую среду. Одним из обобщающих показателей становится энергоемкость производства продукции.
Активное внедрение сложных машин и их систем с применением трелевки требует дополнительно проанализировать эффективность лесозаготовок при варьировании природных факторов. Это позволяет определить условия, при которых энергоемкость лесозаготовительных операций минимальна. Данная задача решается с использованием принципов совместимости назначения (цели) системы со средой функционирования (окружением), а также отображения назначения техническими функциями системы и рассмотрения их совместно со структурой системы в целом [3].
Исходя из цели исследования, трелевку можно представить в виде системы «черный ящик» [1], а математическую модель влияния факторов на цикл и значение энергоемкости трелевки 1 м3 древесины (Э) описать уравнением
Э = /(Х1 ,Х2 ,Х3 >•••> Хп,а0 ,а1 ,а2 ,а3 '■■■' ап ),
где х1, х2, х3, ... , хп - факторы, характеризующие природные условия; а0, аь а2, ... , ап - параметры трелевочного трактора.
Рис. 1. Энергоемкость трелевки 1 м3 древесины
Э,
кВт-ч/м3 25 20 15 10 5 0
Ш
I
■
I
о о
Е-
тг
ь-
о
г-
При такой формализации процесса трелевки, независимо от его внутренней структуры (компоновка машин, особенности рабочего процесса, организационные вопросы и пр.). для определения выходного показателя достаточно знать входные параметры. Учтены средний объем хлыста, рейсовая нагрузка, расстояние трелевки, уклон волока, характеристика грунта; для трелевочного трактора - мощность двигателя, КПД ходовой части, грузоподъемность, вес.
Исследована работа следующих трелевочных машин с чокерным оборудованием: ТТ-4, ТТ-4М, ТЛТ-100, ТДТ-55А, К-703М, ЛМТ-3, МЛ-138, МТ-5 и Т-157К. Для определения зависимости энергоемкости от природно-производственных факторов разработана методика исследований с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. В качестве исходных данных для анализа приняты: КПД трансмиссии птр = 0,85 и гусеничного движителя пг = 0,95; среднее расстояние подачи собирающего каната I = 30 м; коэффициент распределения веса трелюемой пачки К = 0,65; один чокеровщик; плотность древесины р = 830 кг/м3.
При прочих равных условиях (средний объем хлыста Уср = 0,15 м3, расстояние трелевки = 300 м) распределение энергоемкости трелевки 1 м3 древесины для исследуемых тракторов представлено на рис. 1. Наименее затратной оказалась трелевка малогабаритным трактором ЛМТ-3 (энергоемкость 5,3 кВт-ч/м3), который обладает минимальным показателем энергонасыщенности 5,5 кВт/т. Обладая колесной базой и невысокой производительностью, ЛМТ-3 не получил широкого распространения на лесозаготовках, поэтому в дальнейшем в качестве объекта исследования были приняты наиболее распространенные гусеничный трактор ТТ-4М и колесный К-703М.
Согласно зависимостям сменной производительности трелевочных тракторов [2] имеем
Э, = N „Т,
(Тсм - 'п.з )Ф1Й
„1 см аБ аБ —+—
(1)
+'пр, +'о,
Р VN =_к^-1_
" 3600пТрПг
рк, = (Отр, + gPКQl ^совйЪ, + £Р(! - К^.^совйЬ, + тр , + gpQ1 >таа
V
V
г
х
где Э7 - энергоемкость 7-го трактора;
- мощность ДВС 7-го трактора;
Тсм - продолжительность рабочей смены;
t п з - время на подготовительно-заключительные операции;
ф1 - коэффициент использования рабочего времени;
Q7 - объем трелюемой пачки;
tпр. - время на чокеровку деревьев (хлыстов) и формирование пачки;
to - время на отцепку пачки и чокеров на погрузочном пункте, выравнивание комлей; уг, ух - скорость движения с грузом и без груза (холостой ход);
Рк7 - касательная сила тяги 7-го трактора;
у7 - скорость перемещения по волоку;
Gтр 7 - вес 7-го трактора;
р - плотность древесины, кг/м3; /1,/2 - коэффициент сопротивления движению и перемещению пачки;
а - угол уклона волока.
Энергоемкость трелевки 1 м3 древесины меняется незначительно от коэффициента сопротивления как движению трактора /1 (на 1,1...1,6 %), так и перемещению волочащейся части пачки /2 (на 0,15.0,30 %). Несколько большее влияние (на 1,9.2,0 %) оказывают угол уклона волока а и среднее расстояние трелевки (на 1,6.1,7 %).
В общем виде зависимость энергоемкости трелевки 1 м3 древесины от перечисленных выше параметров с достоверностью аппроксимации В2 = 0,9998.1,0000 можно представить уравнением регрессии
Э7 = ах7 + Ь , (2)
где х7 - параметр процесса;
а, Ь - регрессионные коэффициенты (табл. 1).
Таблица 1
Тип Значения рег рессионных коэффициентов для параметров трелевки
и марка /1 /2 7 5
машины а Ь а Ь а Ь а Ь
ЛМТ-3 1,816 5,13 0,103 5,28 0,065 4,91 0,0018 4,75
ТДТ-55А 1,408 13,62 0,109 13,73 0,051 13,45 0,0015 13,32
ТЛТ-100 1,370 16,61 0,109 16,71 0,050 16,44 0,0014 16,32
ТТ-4 0,901 16,26 0,109 16,32 0,034 16,14 0,0010 16,05
ТТ-4М 0,902 17,17 0,109 17,22 0,034 17,05 0,0010 16,95
МЛ-138 1,238 18,78 0,109 18,87 0,046 18,62 0,0013 18,51
МТ-5 0,879 19,73 0,109 19,79 0,033 19,61 0,0010 19,52
Т-157 1,437 21,24 0,104 21,36 0,053 21,07 0,0015 20,94
К-703М 1,924 35,41 0,104 35,57 0,069 35,18 0,0019 35,02
Рис. 2. Зависимость энергоемкости трелевки 1 м3 древесины от среднего объема хлыста (а) и объема пачки (б): 1 - К-703 М; 2 - ТТ-4М
Таблица 2
Тип
Значения регрессионных коэффициентов для параметров трелевки
и марка V г ср 0
машины С ё е I g к т
ЛМТ-3 5,271 0,1688 0,0007 0,0256 0,3482 2,0217 7,937
ТДТ-55А 13,801 0,2746 0,0580 0,9858 6,2417 18,1130 35,609
ТЛТ-100 16,025 0,2887 0,0030 0,1158 1,5751 9,1449 36,160
ТТ-4 16,457 0,2995 0,0700 1,1907 7,5391 21,8780 43,623
ТТ-4М 17,395 0,3107 0,0033 0,1263 1,7182 9,9753 39,314
МЛ-138 19,031 0,3036 0,0879 1,4951 9,4669 27,4720 53,418
МТ-5 19,987 0,3133 0,0037 0,1429 1,9435 11,2840 44,041
Т-157 21,460 0,2790 0,0856 1,4562 9,2206 26,7570 53,662
К-703М 35,727 0,2810 0,1397 2,3758 15,0430 43,6530 88,251
Коэффициент Ь уравнения (2) характеризует начальное смещение графиков энергоемкости относительно нуля, очень существенное для общего значения Э,.
Основным фактором при выборе системы машин для заготовки леса является размер деревьев в разрабатываемых насаждениях. Распределение деревьев по группам крупности и расчетные средние объемы хлыстов показывают, что в большинстве древостоев всех лесопромышленных районов страны средний объем хлыста не превышает 0,3 м3 [4]. От его значения зависит время, затрачиваемое на сбор пачки, энергоемкость меняется на 93...107 % (рис. 2, а). Кроме того, на энергоемкость влияет также объем трелюемой пачки (на 61,8.81,8 %) - рис. 2, б.
При изменении среднего объема хлыста энергоемкость процесса трелевки с достоверностью аппроксимации Я2 = 0,997.0,999 можно определить по формуле
Э = сх,, (3)
где с, ё - регрессионные коэффициенты (табл. 2),
при изменении объема трелюемой пачки - с достоверностью аппроксимации Я2 = 0,9859.0,9987 по формуле
Э, = еХ,4 - А3 + gXг 2 - кх, + т , где е,/, g, к, т - регрессионные коэффициенты (табл. 2).
120
Рис. 3. Гистограмма ранжирования факторов: 1 - коэф- ' фициент сопротивления движению; 2 - коэффициент сопротивления перемещению ~ пачки; 3 - уклон волока; 4 - среднее расстояние трелевки; 5 - средний объем хлыста; 6 - объем трелюемой ,
100
0
■
ш
пачки
2 3 4 5 6
Факторы
В результате обработки полученных данных составлена гистограмма ранжирования рассматриваемых факторов (рис. 3). Данную зависимость следует учитывать при построении математических моделей влияния при-родно-производственных условий на технико-экономические показатели как отдельных лесозаготовительных машин, так и их системы.
1. Природные условия существенно влияют на сменную производительность и энергоемкость трелевки тракторами с чокерным оборудованием.
2. Средний объем хлыста влияет на эффективность трелевки вследствие изменения времени на погрузку и формирование пачки (до 3-кратного), что в реальных условиях вызывает значительные простои техники.
3. Уменьшение объема трелюемой пачки снижает эффективность использования трелевочных машин, приводит к увеличению числа проходов по волоку и усилению экологического ущерба.
4. Исходя из специфики поставленной задачи, при подборе системы машин следует учитывать все исследуемые факторы, так как они определяют область применения и эффективность использования лесозаготовительных машин.
1. Брейтер, В. С. Оценка совместного воздействия природно-производственных факторов на работу лесозаготовительных машин [Текст] / В.С. Брейтер // Перспективная технология и организация лесозаготовительного производства: тр. ЦНИИМЭ. - М.; Химки: ЦНИИМЭ, 1977. - С. 21-29.
2. Матвейко, А.П. Технология и оборудование лесозаготовительного производства [Текст]: учеб. / А.П. Матвейко. - Мн.: Техноперспектива, 2006. - 447 с.
3. Редькин, А.К. Математическое моделирование и оптимизация технологий лесозаготовок [Текст]: учеб. для вузов / А.К. Редькин, С.Б. Якимович. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. - 504 с.
4. Типизация природно-производственных условий лесозаготовительных районов [Текст]. - Химки: ЦНИИМЭ, 1986. - 25 с.
Выводы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Поступила 21.11.07
V.A. Gryazin
Mari State Technical University
Influence of Natural Conditions on Energy-capacity of Skidding by Tractors with Cable Equipment
The study results of determining energy-consumption when skidding 1 m3 of wood by skidding tractors with cable equipment are provided. The regression dependencies are obtained and ranking of the factors studied is carried out.
Keywords: forest harvesting, natural conditions, machines, equipment, skidding, energy-capacity, simulation.
