Влияние вылета манипулятора на эффективность работы харвестера Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК:630*36

С. Е. Арико, аспирант (БГТУ)

ВЛИЯНИЕ ВЫЛЕТА МАНИПУЛЯТОРА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ХАРВЕСТЕРА

В статье приведены характеристики предмета труда, соответствующего различным видам рубок ухода, доверительные интервалы изменения таксационных параметров характерного древостоя. В результате исследований влияния способа перемещения харвестера по трелевочному волоку, а также запаса древесины, объема хлыста и интенсивности рубки на эффективный вылет манипулятора установлены рекомендуемые его значения для промежуточного пользования.

In article characteristics of the object of the labor corresponding to various kinds of cabins of leaving, confidential intervals of change estimation parameters of a characteristic forest stand are resulted. As a result of probes of influence of a mode of conveyance harvester on skidding I drag, and also a stock of wood, volume of a switch and intensity of cabin on an effective departure of the manipulator its recommended values for intermediate using are established.

Введение. Современное состояние и перспективы развития лесозаготовительной отросли Республики Беларусь свидетельствуют о необходимости внедрения перспективных, высокопроизводительных лесозаготовительных комплексов в составе харвестера и форвардера на рубках главного и промежуточного пользования. Объемы машинной заготовки древесины и эффективность работы системы машин «харвестер + фор-вардер» во многом зависят от природно-произ-водственных условий, и в частности от размерно-качественных характеристик предметов труда, каковым является растущий лес. В этой связи при выборе многооперационных лесозаготовительных машин, предназначенных для проведения определенного вида лесозаготовительных работ, должное внимание следует уделить определению наиболее вероятностных таксационных параметров обрабатываемого древостоя, последующему выбору параметров технологического оборудования и базового шасси исходя из обеспечения эффективности работы валочно-сучко-резно-раскряжевочной машины (харвестера).

1. Характеристика предмета труда. Рассматривая лесосечный фонд республики, следует отметить, что 70-80% его составляют мо-лодняки, средневозрастные и приспевающие древостои, в которых возможно проведение рубок промежуточного пользования. При этом таксационные показатели древостоя, который подлежит проведению проходных рубок в лесах первой группы, соответствуют аналогичным параметрам деревьев, отводимых для рубок главного пользования в эксплуатационных лесах (вторая группа). В связи с этим проводилась работа по определению наиболее вероятных параметров обрабатываемого древостоя при проведении различных видов рубок промежуточного пользования на основе их машинизации. Решение данного вопроса сводится к определению доверительных интервалов значений высот, диаметров и объемов деревьев

основных лесообразующих пород (сосны, ели и березы) исходя из возможности освоения 95% древостоя с учетом нормального закона распределения значений перечисленных таксационных параметров древостоя [1].

Для реализации поставленной задачи определялись наиболее вероятностные таксационные параметры главных лесообразующих пород в возрасте проведения прочистки, прореживания, проходных рубок, а также усредненные значения для рубок ухода с учетом породного состава, характерного для условий Республики Беларусь, и процентного соотношения между молод-няками и средневозрастными древостоями.

Вероятность нахождения параметров обрабатываемого древостоя в интервале между минимальным хтт и максимальным Хтах значениями определяется на основании формулы [2]:

Р(Хтт < X < Хтах) = Ф(^) - Ф^Д (1)

где Ф(г2), Ф(г1) - значения функции Лапласа соответственно по параметрам z2 и г1, которые определяются как

Хтт М Хтах М /^ч

=-, ^2 =-, (2)

а а

где м и а - среднеарифметическое значение и среднеквадратичное отклонение исследуемого таксационного параметра древостоя.

Результаты определения усредненных параметров и доверительных интервалов по видам рубки приведены в табл. 1-3.

Таблица 1

Результаты определения среднего объема хлыста и доверительного интервала

Xmax М

Вид рубки М о Доверительный интервал

Прочистка 0,019 0,01416 [0,005; 0,024]

Прореживание 0,068 0,05593 [0,015; 0,090]

Проходная рубка 0,284 0,19316 [0,043; 0,3241

Рубки ухода 0,212 0,14572 [0,033; 0,244]

Данные показывают, что в зависимости от вида рубки промежуточного пользования наиболее вероятные параметры древостоя изменяются в широком диапазоне. Так, при проведении прочистки и прореживания средний объем хлыста не превышает 0,1 м3. В свою очередь, на проходных рубках объем изменяется от 0,04 до 0,32 м3.

Таблица 2

Результаты определения среднего диаметра древостоя и доверительного интервала

Вид рубки а Доверительный интервал

Прочистка 6,25 2,1260 [3,65; 6,72]

Прореживание 10,50 3,2167 [5,84; 10,90]

Проходная рубка 18,17 4,5539 [9,97; 18,30]

Рубки ухода 15,23 3,9891 [9,40; 15,71]

Исходя из того, что таксационные параметры древостоя, отведенного для проведения рубок промежуточного пользования, в условиях различных предприятий могут отличаться, для определения эффективности работы лесозаготовительной машины были определены наиболее вероятные параметры обрабатываемого древостоя для рубок ухода в условиях лесосечного фонда Республики Беларусь.

Таблица 3

Результаты определения средней высоты древостоя и доверительного интервала

Вид рубки а Доверительный интервал

Прочистка 8,23 2,5466 [4,29; 8,46]

Прореживание 12,85 3,8218 [6,62; 13,11]

Проходная рубка 19,58 5,2424 [10,02; 19,70]

Рубки ухода 16,87 4,6249 [8,65; 17,02]

В соответствии с полученными данными для обеспечения возможности обработки не менее 95% лесосечного фонда рубок ухода и проведения выборочных санитарных рубок многооперационная валочно-сучкорезно-раск-ряжевочная машина должна эффективно работать в древостое от 0,033 до 0,250 м3 при наиболее вероятном древостое с объемом 0,21 м3, диаметром 15 см и высотой 16,9 м.

Как видно из рис. 1, данные параметры соответствуют 37% приспевающего древостоя сосны и 7-18% древостоя в возрасте рубки главного пользования эксплуатационных лесов. Для березы данные показатели соответственно равны 91-93% и 61%.

70лет

Сосна

Береза

Рис. 1. Доля древостоя с объемом до 0,25 м

С учетом того, что древостой объемом менее 0,25 м3 соответствует ели моложе 60 лет, возможность обработки данного древостоя обеспечит заготовку древостоя на всех видах рубок ухода в насаждениях второй категории на 9395%, а на рубках главного пользования и выборочных санитарных рубках в лесах первой категории на 24-27%.

2. Исследование влияния вылета манипулятора на эффективность работы харвестера. При оценке эффективности работы харвестер-ных машин в условиях лесозаготовок наиболее значимым параметром является производительность, которая зависит от ряда ее технических характеристик, природно-производствен-ных факторов и особенностей технологии.

Производительность валочно-сучкорезно-рас-кряжевочной машины в обобщенном виде выражается формулой [3]

П =

(Т - tn_3 )ф • Ухл • n

t1 + ¿ц • n

(3)

где Т - продолжительность смены, с; ¿п-з - время на выполнение подготовительно-заключительных операций, с; ф! - коэффициент использования рабочего времени; Ухл - средний объем хлыста, м3; п - число деревьев обрабатываемых с одной рабочей позиции (с одной технологической стоянки), шт.; ^ - время на переезд машины с одной рабочей позиции на другую, с; ^ - время на обработку одного дерева, с.

Число деревьев, обрабатываемых с одной рабочей позиции лесозаготовительной машины, зависит от ширины полосы леса, разрабатываемой машиной за один проход (Ь); ширины ленты (а), осваиваемой с одной рабочей позиции; ликвидного запаса древесины на 1 га (<2га); интенсивности рубки насаждения (); среднего объема хлыста (Кхл) и определяется следующим образом [3]:

n =

a • b • Qra • 1 10000 • ¥х„

(4)

В свою очередь, время на обработку одного дерева (формула (5)) включает время наведения срезающего механизма на дерево его зажим опускание ЗСУ к месту спиливания и предварительный натяг время на спиливание дерева (5), подтаскивание его к месту раскряжевки (6), а также на очистку дерева от сучьев (:т) и раскряжевку

(5)

Определение средних расстояний Уср и Xc

tn = t2 + t3 + t4 + t5 + t6 + t7 + V

Рассматривая перечисленные составляющие, следует отметить тот факт, что значительное влияние на эффективность работы лесозаготовительной машины оказывает объем транспортно-переместительных операций хар-вестера и его технологического оборудования. При этом существенное влияние на технологию работы лесозаготовительной машины, технические и массово-габаритные параметры харвестера оказывает вылет устанавливаемого манипулятора.

Для учета влияния его максимального значения на среднее расстояние наведения на дерево захватно-срезающего устройства (ЗСУ), а также среднее расстояние подтаскивания дерева к месту раскряжевки была разработана схема (рис. 2) определения данных величин.

S

"С ; Хср Л '—г lmax

& G2

С

t? ~f J

—ч э— l н " b " Si Г юд с -J

Рис. 2. Схема определения средних расстояний наведения ЗСУ на дерево и его подтаскивания

Средние расстояния наведения на дерево (/срн) и его подтаскивания (/српод) определяется исходя из двухсторонней укладки сортиментов по перекрестной схеме работы харвестера путем определения средних расстояний от места установки манипулятора на лесозаготовительной машине до древостоя в продольном (Ycp) и поперечном (Xcp) направлении относительно направления движения лесной машины по формулам (6)-(7).

С =л У -lmin)2 + (^р--f)2; (6)

ввиду симметричного равномерного распределения древостоя относительно оси трелевочного волока, осуществлялся в соответствии со схемой разработки полупасеки, представленной на рис. 3.

Рис. 3. Схема разработки полупасеки

Из приведенной схемы видно, что рабочая зона манипуляторного оборудования имеет специфическую форму ввиду обработки части ленты на предыдущей стоянке и необходимости проведения такого же объема работ за пределами разрабатываемой ленты для осуществления переезда на следующее рабочее пространство в связи с особенностями компоновки лесной машины. С учетом данного факта среднее расстояние от оси крепления манипулятора на шасси валочно-сучкорезно-раскряжевочной машины до обрабатываемого дерева будет соответствовать расстоянию до центра тяжести плоского сечения рабочей зоны технологического оборудования.

Координаты центра тяжести плоской фигуры по отношению к принятым осям находятся следующим образом [4]:

X = • у = Sx

cp , J cp . ?

A A

cp

(8)

С =, (Уср - lmin )2 + (ХсР +-f)2. (7)

где £х, - статические моменты площади относительно оси X и У , м3; А - площадь рабочей зоны, м2.

Учитывая, что

= J ydA, Sy = J xdA, A = J dA, (9)

AAA

после преобразований значения координат центра тяжести можно определить по выражениям:

^max-a! lmax ■_

J а ■ x ■ dx + J x W /max - x2 • dx

0 Ij2 _„2 _ \*max a

//2

('max

■Л шал I

J a ■ dx + J \ /]max - x2 " dx

^mnax a

max a+l

■ - mini b ^min b

J J W/m« - j2 ■ dv + J J ■-f ■ dv - J y ■ J ■<

Ус =-

JV /mmax- y2 ■ dy

При проведении исследований первоочередное внимание было уделено выбору способа перемещения валочно-сучкорезно-раскряжевоч-ной машины по трелевочному волоку.

В технологическом цикле работы харвесте-ра следует выделить три основных способа перемещения машины с одной технологической стоянки на другую, отличающиеся расстоянием между переездами (а). Первый, когда а = /тах -

/т

находит распространение на сплошных

рубках [5, 6], второй, когда а = (/тах - ¡тт) / 2, характерен для рубок промежуточного пользования. С целью снижения повреждения древостоя при его значительной густоте находит применение третий способ перемещения валоч-но-сучкорезно-раскряжевочной машины, при котором а = 1-1,5 м.

Влияние каждого из способов на производительность валочно-сучкорезно-раскряжевоч-ной машины определено с учетом особенностей конструкции харвестерных машин, технологии работы и наиболее вероятностных таксационных параметров предмета труда для рубок ухода (табл. 1-3), представлено на рис. 4.

Исследованиями установлено, что при заготовке древесины в насаждениях с наиболее вероятностными таксационными показателями, характерными для условий рубок ухода Республики Беларусь, производительность изменяется на 37%. Однако ввиду большего числа возможных вариантов валки деревьев эффективнее является осуществление переездов между стоянками на 11,5 м, что позволит снизить повреждение не только оставшегося древостоя, но и подроста.

По данным В. С. Мирошникова [7], для древостоя со средним объемом 0,21 м3 запас находится в пределах 163-233 м3/га при изменении

полноты от 0,7 до 1,0. На рис. 5 представлены зависимости изменения производительности харвестера от максимального вылета установленного манипулятора при заготовке сортиментов в насаждениях с различным запасом.

П,

м3/см 130

120

110

100

4 ,1 4,6 1 1 ,1 132,55

/ J_ 126,9

1 ^-т-. 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 / 3 •. . V 2 ч\ s

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

9 /max, м

Рис. 4. Изменение производительности харвестера от вылета манипулятора и способа перемещения харвестера вдоль трелевочного волока:

1 а ¡тах ¡тт; 2 а (/тах ¡тт) / 2; 3 а 1 м

П,

3

130

120

110

100

3, 1 9 4,6 1 /3 4

/ / 133,0

1 / X

уГ 1 _. / 2 1 ^ Л: \ 118,4

1 1 1 _— 1 _1_

3

4

5

6

7

8

/т

м10

Рис. 5. Изменение производительности харвестера от вылета манипулятора и запаса древесины: 1 -160 м3/га; 2 - 180 м3/га; 3 - 200 м3/га; 4 - 230 м3/га

При анализе полученных данных установлено, что эффективный вылет манипулятора находится в диапазоне от 3,9 до 4,6 м, при этом с увеличением запаса вылет уменьшается. Однако рубки леса с очень слабой интенсивностью (10%) приводят к его увеличению до 6,4 м (рис. 6).

П,

м3/см 130

110

90 70

3 4 5 6 7 8 9 ¡тах, м

Рис. 6. Изменение производительности харвестера от вылета манипулятора и интенсивности рубки: 1 -10%; 2 -20%; 3 - 30%; 4 - 40%

0

6

7

8

При рассмотрении эффективности работы валочно-сучкорезно-раскряжевочной машины в древостоях с различным средним объемом хлыста был учтен тот факт, что с его увеличением изменяются не только таксационные параметры древостоя, но и запас насаждения (табл. 4).

Таблица 4

Соотношение между основными таксационными параметрами древостоя и запасом

м3 ^ м Я, м 0га, м3/га

0,02 0,06 8,2 82

0,07 0,11 12,9 141

0,21 0,15 16,9 198

0,28 0,18 19,6 239

Анализ зависимостей, представленных на рис. 7, свидетельствует о том, что объем хлыста является основным параметром, который существенно влияет на производительность многооперационной машины.

П, м3/см

100

50

5.5 1 1 137,77

.—' - — - —

__ - 1 4-"

2Ч 1 1 1 1 1 1 3-"

-----

1 ± 18 2

1 1

9 1т

0м

Рис. 7. Изменение производительности харвестера

от вылета манипулятора и объема хлыста 1 - 0,02 м3; 2 - 0,07 м3; 3 - 0,21 м3; 4 - 0,28 м3

Ввиду того, что при заготовке сортиментов в древостое с объемом хлыста менее 0,1 м3 сменная производительность харвестера соответствует норме выработки 2-3 бензиномотор-ных пил, а стоимость лесной машины на порядок выше, то в данных условиях более эффективным является применение ручного моторного инструмента либо оснащение манипулятор-ной машины специализированным технологическим оборудованием, предназначенным для работы в молодняках. Для обеспечения эффективной работы харвестера при проведении рубок ухода максимальный вылет манипулятора должен находиться в пределах 5,5-6,4 м.

Заключение. Проведенные исследования позволили определить влияние различных при-родно-производственных факторов на выбор эффективного вылета манипулятора и производительность харвестера. Установлено, что для рубок ухода необходимо применять технологическое оборудование, обеспечивающее обработку пасеки шириной 11-13 м. При значительном объеме проводимых со слабой или очень слабой интенсивностью рубок в древостое, имеющем возраст 60-80 лет, эффективный вылет увеличивается до 7,1-7,5 м. К аналогичному эффекту приводит применение лесозаготовительных машин, имеющих механическую трансмиссию ввиду снижения средней скороти движения. В связи с этим обеспечение эффективной работы харвестера в различных насаждениях возможно за счет его оснащения гидроманипулятором с телескопическим исполнением рукояти, позволяющим увеличивать вылет на 1,5-2 м.

Литература

1. Анучин, Н. П. Лесная таксация: учеб. для вузов / Н. П. Анучин. - 5-е изд., доп. - М.: Лесная пром-сть, 1982.

2. Степнов, М. Н. Статистическая обработка результатов механических испытаний / М. Н. Степнов. - М.: Машиностроение, 1972.

3. Матвейко, А. П. Технология и оборудование лесозаготовительного производства. Практикум: учеб. пособие для студентов инженерно-экономических специальностей лесного комплекса / А. П. Матвейко, Д. В. Клоков, П. А. Протас. -Минск: БГТУ, 2005.

4. Справочник по сопротивлению материалов / Е. Ф. Винокуров [и др.]. - Минск: Наука и техника, 1988.

5. Федоренчик, А. С. Харвестеры: учеб. пособие для студентов вузов / А. С. Федоренчик, И. В. Турлай. - Минск: БГТУ, 2002.

6. Матвейко, А. П. Технология и машины лесосечных работ: учеб. для вузов / А. П. Матвейко, А. С. Федоренчик. - Минск: БГТУ, 2002.

7. Справочник таксатора / В. С. Мирошни-ков [и др.]; под общ. ред. В. С. Мирошникова. -2-е изд., перераб. и доп. - Минск: Ураджай, 1980.

Поступила 14.03.2011

0

3

4

5

6

7

8