автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование конструкции и параметров автоматизированного захватно-срезающего устройства лесозаготовительной машины

На правах рукописи

005009636

Ласточкин Денис Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЗАХВАТНО-СРЕЗАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Специальность 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

2 6 Я Н В Ш1

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Йошкар-Ола 2012

005009636

Работа выполнена на кафедре эксплуатации машин и оборудования ФГБОУ ВПО «Марийский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сидыганов Юрий Николаевич ФГБОУ ВПО «Марийский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Полянин Игорь Александрович ФГБОУ ВПО «Марийский государственный технический университет»

кандидат технических наук, профессор Шоль Николай Рихардович ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет»

Ведущая организация: Сыктывкарский лесной институт (филиал)

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Защита диссертации состоится «21» февраля 2012 г. в 8 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.115.02 при ФГБОУ ВПО «Марийский государственный технический университет» по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, д. 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Марийский государственный технический университет».

Сведения о защите и автореферат диссертации размещены на официальном сайте ВАК Министерства образования и науки РФ http://www.vak.ed.gov.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО "Марийский государственный технический университет" http://www.marstu.net.

Автореферат разослан « /¿г» января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

П.Ф. Войтко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из главных условий эффективного восстановления хозяйственно ценных лесов является проведение рубок ухода - технически и технологически сложной и ответственной операции, определяющей на годы вперёд характер дальнейшего развития лесной экосистемы, и в этой связи именно к технологическим процессам и техническим средствам для рубок ухода предъявляются повышенные требования по их экологичное™, то есть минимальному негативному воздействию на компоненты лесной среды - лесные почвы и оставляемые на доращивание деревья.

Эксплуатация существующих лесозаготовительных машин на лесосеках при рубках ухода показывает, что их проведение сопровождается неоправданно высокой степенью повреждения насаждений (уничтожение подроста, ошмыги, ушибы деревьев, повреждения крон, образование колей, минерализация значительных поверхностей лесосек), что влечет за собой уменьшение суммарной продуктивности насаждения. Проведённые исследования показали, что на уровень повреждения древостоя и почвы оказывают большое влияние конструктивные особенности лесных машин, в числе которых габаритные размеры, давление на опорную поверхность, способ маневрирования и способ размещения груза (хлыстов и деревьев).

В этой связи наиболее перспективным направлением механизации и машинизации рубок ухода, в частности прореживаний, является применение машин на базе колёсного трактора и агрегатируемого с ним технологического оборудования для вывоза срезанного дерева в вертикальном положении из-под полога леса к месту его пакетирования на волоке. Благодаря данной схеме работы исключаются операции валки и подтрелёвки вырубаемого дерева, именно в процессе которых в условиях прореживаний происходит большинство случаев повреждения оставляемых деревьев и почвенного покрова. Кроме того, вывоз срезанного дерева в вертикальном положении позволяет расширить ширину пасеки до 50 м, что недоступно при прореживаниях для манипуляторных машин.

Однако для практической реализации этого способа отсутствуют апробированные методики инженерного расчета, для разработки которых необходимы комплексные научные исследования как самих возмущающих факторов, так и влияния конструктивно-технологических параметров технико-технологической системы на показатели эффективности её функционирования.

В этой связи обоснование конструкции и параметров навесного автоматизированного захватно-срезающего устройства (ЗСУ) валочно-пакетирующей машины (ВПМ) для прореживаний представляет научный и практический интерес.

Работа выполнена в рамках государственных контрактов: № 6041 р / 8519 от 26.06.2008 г. и № 7399р /10159 от 28.12.2009 г. Фонда содействия развитию малых форм предприятий в НТС «Проект системы автоматического управления захватно-срезающим устройством» и государственного контракта № 16.515.11.5053 от 15.08.2011 г. в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» «Разработка инновационной системы эффективного устойчивого лесопользования и лесовосстановления на ландшафтно-типологической основе с использованием адаптивно-модульных образцов техники и инфотелеком-муникационных методов экомониторинга».

Цель работы. Повышение эффективности машинизированного выполнения прореживаний путем обоснования конструкции и параметров навесного ЗСУ с системой автоматического поддержания в вертикальном положении вывозимого из-под полога леса дерева.

Объект и предмет исследований. Объектом исследования являются навесное автоматизированное ЗСУ ВПМ для прореживаний, а также действия, осуществляемые им при выполнении переместительных операций технологического процесса. Предметом исследования являются зависимости показателей эффективности выполнения операций срезания дерева, его вывоза из-под полога леса в вертикальном положении к месту пакетирования на волоке и укладки в пачку от конструктивно-технологических параметров навесного автоматизированного ЗСУ.

Методы исследования. В процессе исследования использованы методы математического моделирования с проведением вычислительных экспериментов, полевых наблюдений, натурного эксперимента, математического планирования экспериментальных исследований, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна. Впервые для условий рубок прореживаний: -выполнены полевые наблюдения геометрических параметров микрорельефа поверхности лесосеки, отличающиеся выявлением корреляционных связей геометрических характеристик микрорельефа лесосек и типа лесорастительных условий, а также разработана математическая модель микрорельефа поверхности лесосеки как возмущающего фактора, действующего на систему «Дерево - ЗСУ - ВПМ»;

-разработано схемно-конструктивное решение навесного автоматизированного захватно-срезающего устройства с пространственным приводным механизмом, отличающееся использованием системы автоматического управления для поддержания вертикального положения дерева в процессе его вывоза из-под полога леса и обеспечивающее повышение устойчивости системы;

- разработана математическая модель функционирования ВПМ с автоматизированным ЗСУ в процессе вывоза вертикально удерживаемого дерева, отличающаяся учетом конструктивных особенностей ЗСУ и возмущающих воздействий от микрорельефа поверхности лесосеки;

-получены новые экспериментальные данные по динамической нагруженности ЗСУ в процессе вывоза срезанного дерева из-под полога леса в вертикальном положении к месту пакетирования на волоке, отличающиеся учетом работы САУ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований микрорельефа лесосеки, количественно характеризующие его возмущающее воздействие при движении валочно-пакетирующей машины с вертикально удерживаемым деревом.

2. Защищенные патентом РФ технические решения ЗСУ с системой автоматического поддержания вертикального положения вывозимого дерева.

3. Математическая модель динамической системы «Дерево - ЗСУ-ВПМ», устанавливающая взаимосвязь между конструктивными параметрами ЗСУ, характеристиками микрорельефа лесосеки и показателями устойчивости системы.

4. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность и уровень достоверности разработанной математической модели системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ».

Научная и практическая значимость. Полученные математические зависимости и уравнения исследования пространственного приводного механизма ЗСУ позволяют на этапе проектирования и доводки конструкции производить его обоснование и выбор основных технико-эксплуатационных параметров. ВПМ с системой автоматизированного управления захватно-срезающим устройством, рекомендуемая для рубок прореживания, позволяет повысить эффективность работы за счет снижения материалоемкости лесозаготовительных машин и оборудования и уменьшения вредного экологического воздействия на лесную среду.

Достоверность результатов основывается на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математического моделирования и статистической обработки результатов экспериментальных исследований с использованием ПЭВМ. Выводы, изложенные в работе, обоснованы теоретически и отражают физическую сущность рассматриваемых процессов.

Личное участие автора в получении результатов. Лично автором проведены исследования геометрических характеристик микрорельефа поверхности лесосек в различных типах лесорастительных условий (ТЛУ), разработана математическая модель динамической системы

«Дерево -ЗСУ-ВПМ», разработан и создан экспериментальный образец ЗСУ, создана система автоматического управления ЗСУ. Автором разработана методика экспериментальных исследований, произведены обработка данных, анализ и обобщение результатов исследований.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы приняты к внедрению ООО «Лестехком», что подтверждено соответствующим актом. Результаты работы внедрены в учебный процесс МарГТУ и используются при подготовке бакалавров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» в курсе «Технология и оборудование лесозаготовительного производства».

Апробация работы. Результаты проведённых исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов МарГТУ (Йошкар-Ола, 2008-2011), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2007), Международной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2007), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2009 - 2010).

Публикации. Основное содержание диссертации и результаты выполненных исследований опубликованы в 18 работах объемом 24,63 п.л., авторский вклад - 4,635 п.л., включая 1 монографию объемом 19,5 п.л. (авторских-1,125 п.л.), 1 патент на полезную модель (0,35 п.л.), авторский вклад - 65%, 2 свидетельства на регистрацию программ (0,65 п.л.) авторский вклад - 55% и 14 научных статей (3,94 п.л.), авторский вклад -54%, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК (1,775), авторский вклад — 45%.

Структура и объем работьь Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 48 рисунков, список литературы из 13 8 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель, научная новизна, выносимые на защиту положения, научная и практическая значимость, личный вклад автора.

В первой главе рассматриваются состояние механизации и машинизации рубок ухода, зарубежный и российский опыт проектирования и эксплуатации лесозаготовительных машин на рубках ухода.

Вопросами моделирования работы технических систем занимались многие ученые, такие как В.А. Александров, В.И. Варава, A.B. Жуков,

В.А. Гоберман, Ю.А, Ширнин, П.М. Мазуркин, А.И. Павлов и др. Их работы посвящены проблеме моделирования технологии рубок ухода и взаимодействия лесных машин и оборудования с внешней средой и предметом труда. Исследованиями в области колебания лесных машин занимались ученые В.Я. Анилович, Е.Д. Львов, Г.М. Анисимов, Ю.Е. Рыскин и др., результаты которых применяются при проектировании специальных лесных машин с учетом их колебаний. Динамические воздействия на лесные машины исследовали ученые В.А. Александров, В.Н. Андреев, В.И. Варава, A.B. Жуков и др.

Современное состояние в области автоматизации лесозаготовительных процессов рассматривали ученые А.Э. Грубе, И. А. Морозов, Н.В. Маковский и др. Исследования в области определения микрорельефа поверхности волока и дороги проводили ученые A.B. Жуков, И.Г. Пархиловский, В.Н. Гордеев, B.C. Щупляков и др.

Всесторонний анализ, проведенный в первой главе, показал, что недостаточно изучены вопросы обоснования конструкции и параметров навесного автоматизированного ЗСУ ВПМ для рубок прореживания, а также недостаточно сведений о геометрических характеристиках естественного микрорельефа лесосеки, являющихся важнейшим фактором, вызывающим колебания лесотранспортной системы при вывозе дерева из-под полога леса в вертикальном положении. В этой связи для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Произвести экспериментальные исследования микрорельефа лесосеки и выявить их зависимость от ТЛУ.

2. Разработать математическую модель геометрических характеристик микрорельефа поверхности лесосеки как возмущающего фактора, действующего на систему «Дерево - ЗСУ - ВПМ» в процессе вывоза срезанного дерева из-под полога леса в вертикальном положении.

3. Разработать конструкцию автоматизированного ЗСУ, обеспечивающую поддержание вертикального положения дерева в процессе его вывоза из-под полога леса.

4. Произвести теоретические исследования конструктивных параметров автоматизированного ЗСУ, влияющих на процесс позиционирования ЗСУ в пространстве.

5. Разработать математическую модель удержания дерева в вертикальном положении в процессе его вывоза из-под полога леса, устанавливающую взаимосвязь между конструктивно-технологическими параметрами автоматизированного ЗСУ и показателями устойчивости системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ».

6. Произвести экспериментальные исследования процесса вывоза срезанного дерева из-под полога леса в вертикальном положении к месту пакетирования на волоке.

7. Экономически оценить эффективность использования ВПМ с автоматизированным ЗСУ на рубках прореживания.

Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований геометрических характеристик микрорельефа поверхности лесосеки, количественно характеризующие их возмущающее воздействие при движении ВПМ с вертикально удерживаемым деревом.

Для изучения микрорельефа лесосеки были подобраны 15 участков с различными ТЛУ, наиболее распространенными на территории Республики Марий Эл (эдафотоп: А - боры, В - субори, С - судубравы; гидротоп: 1 - сухие, 2 - свежие, 3 - влажные, 4 - сырые, 5 - болота).

Исследования проводились при помощи измерительного комплекса (рис. 1). На пробной площади выбирались два дерева, стоящих на расстоянии 10-15 метров друг от друга; между ними натягивался двойной трос. Натягивание троса производилось с помощью винтового домкрата, контроль горизонтальности проверялся с помощью уровня. Величина прогиба троса под тяжестью лазерного дальномера не превышала 3 мм на Юм. Лебедка подтягивала каретку с лазерным дальномером по тросам с постоянной скоростью ОД м/с. Данные с лазерного дальномера передавались при помощи беспроводной связи Bluetooth на ПЭВМ. Точность измерения лазерным дальномером ±1,5 мм на 30 м. Обработка результатов измерений микрорельефа поверхности лесосек проводилась на ЭВМ «методом пересечений». В табл. 1 приведены полученные значения коэффициентов аппроксимации нормированных корреляционных функций, где а -коэффициент аппроксимации, характеризующий быстроту убывания функции, ß - коэффициент, характеризующий среднюю частоту периодических составляющих.

ции микрорельефа поверхности лесосеки: 1 -стальной трос; 2 - домкрат; 3 - подтягивающее устройство; 4- портативный компьютер; 5- лазерный дальномер (регистрирующий элемент)

Таблица 1

Значения коэффициентов аппроксимации нормированных корреляционных функций_

Коэф. Тип участка (ТЛУ)

А, а2 Аз А, а5 в, в2 Вз В4 в5 С, с2 С3 с4 С3

а 0,71 0,77 о\ 40 о1 чо о" 0,79 0,64 0,37 0,65 0,72 1 0,65 0,71 0,55 0,56 оо чо о"

Р СО »л 00 СП <3 V) <ч оч Ч. «о »Г) т СП о.

Полученные экспериментальные данные позволили выполнить параметрическое описание микрорельефа лесосеки с помощью математического моделирования на базе реализации гауссовского случайного процесса с заданной корреляцией и дисперсией процесса.

Разработанная математическая модель микрорельефа поверхности лесосеки позволяет путем статистического моделирования оценить статическое влияние геометрических характеристик микрорельефа лесосеки на требования, предъявляемые к конструктивным параметрам ЗСУ, в частности, на предельные углы наклона стойки ЗСУ относительно шасси лесозаготовительной машины.

В третьей главе приведено обоснование конструктивно-технологических параметров навесного автоматизированного ЗСУ. Предложена общая структурно-компоновочная схема ВПМ для рубок прореживания с автоматизированным ЗСУ. Приведена методика подбора оптимальных геометрических параметров пространственного приводного механизма ЗСУ. Разработана математическая модель процесса вывоза ВПМ вертикально удерживаемого дерева из-под полога леса.

Конструкция автоматизированного ЗСУ (рис. 2) включает стойку 1 с механизмами срезания 2 и зажима дерева 3, соединённую при помощи карданного шарнира 5 с подрамником 6, привод наклона стойки в продольной и поперечной плоскостях, выполненный в виде двух гидроцилиндров 7. Концы приводных гидроцилиндров закреплены при помощи шаровых шарниров 8 на подрамнике 6, а другие также при помощи шаровых шарниров 8 закреплены на стойке 1. На стойке 1 установлены датчики 4 наклона в продольной и поперечной плоскостях, связанные с электронным

блоком управления 9, воспринимаю- Рис.2. Автоматизированное ЗСУ С

щим сигналы датчиков 4 и подающим командные сигналы на двухсекционный электроуправляемый дросселирующий гидрораспределитель 10, каждая секция которого связана с одним гидроцилиндром 7 привода наклона стойки.

Устройство работает следующим образом. Базовая машина своим ходом подводит установленное на нем ЗСУ к нужному дереву, механизмом зажима 3 фиксирует дерево у стойки 1 и срезает его механизмом срезания 2. Далее дерево выносится в вертикальном положении из лесосеки до места укладки. При отклонении захватно-срезающего устройства с деревом вследствие возмущающих воздействий, таких как неровность микрорельефа лесосеки, датчики отклонения 4 на стойке 1 измеряют крен в продольной и поперечной плоскостях, после чего связанный с ними электронный блок управления 9 высчитывает по запрограммированной в нем модели равновесия системы необходимые коррективы и воздействует на гидрораспределители 10, задающие ход поршня приводных гидроцилиндров 7, отклоняющих стойку 1 в нужном положении для сохранения устойчивости.

Система автоматического управления (САУ) ЗСУ состоит из регистрирующих датчиков и блока обработки и управления (БОУ). В БОУ запрограммирован алгоритм устойчивости ВПМ с вертикально удерживаемым деревом на основе математической модели (3) системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ», который анализирует отклонения трактора, рассчитывает необходимые отклонения ЗСУ и подает управляющие сигналы на электронный гидрораспределитель. Блок-схема программы представлена на рис. 3. Входными сигналами в САУ ЗСУ являются значения углов а ., - г

J Рис. 3. Блок-схема программы автома-

И р, отклонения ЗСУ С деревом в про- тического управления вертикальным ДОЛЬНОЙ И поперечной ПЛОСКОСТЯХ. положением ЗСУ С деревом

< fimax^*"

Определение длины приводных гидроцилиндр об Н 12 Лействие зажимного гидроцилиндра

\Да [ Коней J

Действия приводных гидооиилиндроб h 12

Рис. 4. Расчетная схема ППМ ЗСУ

Приводные гидроцилиндры вместе с участком стойки ЗСУ образуют пространственный приводной механизм (ППМ) в виде треугольной пирамиды. Штоки гидроцилиндров соединены между собой геометрически в одной точке. Основной характеристикой ППМ является его рабочая зона. Для построения рабочей зоны ППМ ЗСУ была предложена ее расчетная схема (рис. 4).

В сферической системе координат функции обобщенных координат несут углы а и Р поворота соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях и текущее значение 4 «одиночного» цилиндра.

Для несимметричного механизма с учетом обозначений на рис. 4 уравнение связи имеет вид

X2 +у- + 22 =И2-,(х+1)2 Цу-а,)2 Цг + и,)2 =(10+А1])2 ■ (])

(х+/)2 +(.у + а2)2 + (г+Л1)2 =(/0 +Д/2)2.

Для выявления кинематических возможностей симметричного ППМ (а, = а2) анализировались зависимости (1) движения ЗСУ, при помощи которых определяли положение звеньев и «ведомой точки» М при различных размерах механизма и длине гидроцилиндров (рис. 5).

Результаты аналитического исследования показывают, в частности, что величина и характер изменения угла а продольного отклонения стойки ЗСУ существенно зависят от размера а -развода концов гидроцилиндров. Поперечный наклон стойки ЗСУ за счёт увеличения длины 12 бокового гидроцилиндра сопровождается увеличением углов а и Д следовательно, с учетом значения длины стрелы выбираются геометрические параметры ЗСУ с ППМ со значениями а=300 мм, 6=630 мм, с=600 мм, А=700 мм.

Зона действия пространственного приводного механизма ЗСУ как сферическая поверхность получается при пересечении четырех сферических поверхностей с радиусами I, имеющими центры в точках крепления

850 900 950 Длина поиводных тдроцилиндров, мм

——3-200 ММ.......3=250мм--~-э=300 мм

- — 3=350мм— • -3=400 ММ«— ~э=450мм

Рис. 5. Изменение углов а от размеров механизма

Рис. 6. Графическая интерпретация зоны действия ППМ ЗСУ (мм): а= 300, Ь=630, с-600, й= 700,1= 750, Д/= 200

гидроцилиндров на основании. Результат построения зоны действия в виде половины по оси ОУ показан на рис. 6.

При математическом моделировании система «Дерево - ЗСУ - ВПМ» моделировалась в два этапа в виде двух плоских схем.

На первом этапе исследовалась система «Дерево - ЗСУ» (рис. 7). При этом рассмотрение плоских схем возможно, так как поддержание вертикального положения дерева в двух взаимно перпендикулярных плоскостях обеспечивает его вертикальное положение в пространстве.

На схеме дерево моделируется в виде упругого стержня. Это отражается в том, что груз, равный массе дерева, не жестко установлен на высоте И, может передвигаться вдоль оси X и удерживаться в состоянии равновесия пружиной с жесткостью к. Также учитывается вязкое сопротивление изгибным колебаниям дерева в виде идеального демпфера, установленного параллельно упругому элементу.

На высотах А/ и Ъ2 прикладываются соответственно возмущающее Рвозм и управляющее Рупр воздействия. Система может совершать только вращательное движение относительно точки О и, следовательно, имеет одну степень свободы. Положение системы в любой момент времени можно охарактеризовать одной обобщенной координатой <р- углом отклонения дерева от вертикали.

Передаточные функции по смещению центра тяжести возмущающей и управляющей сил для расчетной схемы имеют вид

Рис. 7. Расчётная схема дерева

+1) тр1 + кд1\р + А/г, т1р* + кетр3 +ктр2

тр2

(2)

На втором этапе математического моделирования рассматривалась рачетная схема (рис. 8) системы «Дерево - ЗСУ- ВПМ» в виде двухмас-совой системы с учетом уравнений моделирования системы «Дерево -ЗСУ». Рассматриваемая система имеет две степени свободы -вертикальные и угловые колебания в плоскости чертежа.

Представление в рассматриваемых схемах дерева как абсолютно жесткого стержня оправдано, так как при определённой линеаризации системы (считаем угловые колебания малыми) учёт дополнительной степени свободы, связанной с упругостью перемещаемого дерева, не оказывает влияния на первые две обобщенные координаты в силу распада системы уравнений на независимые группы.

Система уравнений Лагранжа второго рода для рассматриваемой схемы будет иметь вид

щ, +((Ь~а-с)2+ й82 )тд )ф - яАы<7 - г + дар) - (а-Ъ)кп(1-г-(Ь- я)<р) = 0; ^ \(ттр g(mmp + тб) + кк] (I - г + акр) + кк1 (/ - г - (Ь - я)(р) = 0.

Для системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ» с работающей системой автоматики расчётная схема будет отличаться от рассмотренной тем, что угловые колебания машины не передаются на дерево.

С точки зрения динамики системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ» идеальная работа системы автоматического управления ЗСУ приводит к тому, что резко на величину ^ь-а-с)2

уменьшается момент инерции системы относительной поперечной горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести машины. При этом становится возможным рассмотрение массы дерева не как поднятой на высоту к относительно высоты центра тяжести машины, а приложенной на том же уровне г, что позволяет сделать вывод о качественном увеличении динамической устойчивости системы.

Вычислительный эксперимент на математической модели (3), позволяющий «проиграть» поведение исследуемого объекта при различных условиях, проводился для трех случаев, когда ЗСУ удерживает дерево в вертикальном положении при помощи: 1) идеальной САУ ЗСУ (дерево строго вертикально); 2) неидеальной САУ ЗСУ (дерево не строго вертикально); 3) жестких связей.

Рис. 8. Схема системы «Дерево-ЗСУ-ВПМ» (без САУ)

Постоянными величинами являлись геометрические параметры ВПМ и жесткость связей. Параметры неровностей пути движения были смоделированы с помощью реализации гауссовского случайного процесса с заданной корреляцией и дисперсией процесса.

В результате анализа угловых и линейных колебаний были получены графики амплитудно-частотных характеристик (рис. 9).

Сравнительные графики АЧХ свидетельствуют о преимуществе наличия системы автоматического поддержания вертикально транспортируемого дерева по амплитуде колебаний ВПМ.

В четвертой главе представлены экспериментальные исследования. Получены новые данные по динамической нагруженности ЗСУ в процессе вывоза срезанного дерева из-под полога леса в вертикальном положении к месту пакетирования на волоке.

В основу экспериментальных исследований функционирования ВПМ с автоматизированным ЗСУ положено фиксирование изменения физических величин абсолютного отклонения в продольной и поперечной плоскостях дерева и базового трактора. Все лесосеки предназначались для рубок прореживания. На рис. 10 показаны места установки измерительных датчиков: датчики 1 и 2 фиксируют углы отклонения ЗСУ, датчики 3 и 4 регистрируют длину хода поршня гидроцилиндров, датчики 5 и 6 фиксируют углы наклона базы трактора. Датчики соединялись с БОУ, установленным в кабине оператора.

и

V / / Ч \ V_________ 1

у / 1 \ V. \ 1

/— Ч N \ ч х.......

> ----л мч-4

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

-Без САУ —«--СневдеазьноЙСАУ идеальной САУ

Рис. 9. Амплитудно-частотные характеристики лесной машины (ТЛУ Аз)

На участках проводили спиливание 3-5 деревьев разных пород диаметром от 10 до 18 см с последующей их транспортировкой в вертикальном положении.

Экспериментальные исследования состояли из двух видов сравнения результатов с системой автоматического управления ЗСУ и без нее:

1) определялась зависимость коэффициента затухания от диаметра среза дерева различных пород деревьев;

2) определялись амплитудно-частотные характеристики лесной машины при транспортировке срезанного дерева с различной скоростью на разных ТЛУ.

В результате обработки данных эксперимента получены следующие регрессионные уравнения зависимости диаметра среза дерева (с1ср) от коэффициента затухания колебаний ф) при трогании с места ВПМ с автоматизированным ЗСУ:

для хвойных пород:

с ЗСУ без САУ: (3 = 15,63 с!ор - 0,957, Л2 = 0,983;

с ЗСУ с САУ: р = 2,948 с!ср + 0,063, Я2 = 0,917;

для лиственных пород:

с ЗСУ без САУ: р = 4,613 с!ср - 0,216, Я2 = 0,910;

с ЗСУ с САУ: р = 6,533 + 0,164, Я2 = 0,836.

Еще одним этапом исследований являлся процесс равномерного движения лесной машины с вертикально удерживаемым деревом, который описывался с использованием амплитудно-частотных характеристик (рис. 11). На рис. 11 представлены графики АЛХ для пробной площади №1 (ТЛУ А3) при работающей системе автоматического поддержания вертикального дерева и при выключенной системе для скорости равномерного движения трактора 2 м/с.

При рабочем ходе лесной машины по перемещению дерева динамическая система характеризуется увеличением массы и смещением центра тяжести технологического модуля. Все это отражается на графиках АЧХ (рис. 11).

2.« 1,6 1,3

м

0,4 0,0

«'¡ігаі

.

/X \ч ■

, 1ЧМ

«д о,г

-ж-Тсор

м

-Зхен

0,5

а 0.0

9,1 в,г 0,3 11,4 ~а'Тсор —~Экт

Рис. 11. Амплитудно-частотная характеристика ВПМ без САУ ЗСУ и с САУ ЗСУ

В пятой главе дана оценка экономической эффективности применения технологии рубок прореживания на основе ВПМ с автоматизированным ЗСУ.

Для сравнения были выбраны два комплекта машин: I) базовый, отражающий общепринятую технологию производства лесосечных работ на малообъёмных лесозаготовительных предприятиях, основанный на применении на валке бензопилы «Урал» и на трелевке трактора ТДГ-55 А; 2) проектируемый, основанный на использовании на валке МТЗ-80 с автоматизированным ЗСУ, на трелевке МТЗ-80 с ПТБ-4. Применение проектируемого варианта технологии при лесосечных работах повышает производительность труда на 21,1 % и снижает приведенные затраты на заготовку 1 м' на 240 р.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы

Теоретические и экспериментальные исследования по рассмотренной теме позволили получить следующие результаты:

1. Произведены экспериментальные исследования геометрических параметров микрорельефа поверхности лесосеки и выявлены их зависимости от типа лесорастительных условий. Получены коэффициенты аппроксимации нормированных корреляционных функций различных типов лесорастительных условий.

2. Разработана математическая модель микрорельефа поверхности лесосеки, которую можно использовать при моделировании возмущающих воздействий микрорельефа на систему «Дерево - ЗСУ - ВПМ».

3. Предложена общая структурно-компоновочная схема ВПМ с автоматизированным ЗСУ, позволяющая реализовать принцип вертикального вывоза срезанного дерева при прореживании.

4. Предложено техническое решение автоматизированного ЗСУ, защищенное патентом на полезную модель, позволяющее обеспечить процесс срезания и удержания дерева в вертикальном положении в процессе его вывоза из-под полога леса.

5. Проведены теоретические исследования пространственного приводного механизма ЗСУ. Показано влияние конструктивных параметров ППМ ЗСУ на геометрию зоны действия автоматизированного ЗСУ. При оптимизации параметров ППМ были подобраны конструктивные размеры экспериментального образца ЗСУ.

6. Разработана система автоматического управления ЗСУ, алгоритм работы которой защищен свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ. САУ обеспечивает поддержание вертикального положения дерева в процессе его вывоза из-под полога леса.

7. Модель системы «Дерево -ЗСУ» как объекта автоматического управления позволила получить динамические характеристики и условия устойчивости системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ».

8. Получены новые экспериментальные данные по динамической нагруженности ЗСУ в процессе вывоза срезанного дерева из-под полога леса в вертикальном положении к месту пакетирования на волоке:

-регрессионные уравнения с полиномом 1-й степени зависимости диаметра среза дерева (dcp) от коэффициента затухания колебаний (ß) при начале движения с места ВПМ с автоматизированным ЗСУ;

- графики суммарных АЧХ пробных площадей для рабочих диапазонов скоростей (0,4 - 1,2 - 2,0 м/с) движения ВПМ. Расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями кривых при скорости движения машины 2 м/с и транспортировке дерева с диаметром 13,5 см по ТЛУ Аз составляет 5,2 %.

9. Применение проектируемого варианта технологии при лесосечных работах по освоению лесного фонда площадью 9 тыс. га повышает производительность труда на 21,1 % и снижает приведенные затраты на заготовку I м на 240 р.

Рекомендации

1. Для проведения рубок прореживания в лесах естественного происхождения рекомендуется ВПМ с автоматизированным ЗСУ вертикального выноса срезанного дерева из-под полога леса.

2. При проектировании автоматизированного ЗСУ рекомендуется методика расчета конструктивных параметров пространственного приводного механизма ЗСУ.

3. При исследовании динамики проектируемых лесозаготовительных машин может быть использована разработанная модель системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ», учитывающая действия возмущающих факторов микрорельефа поверхности лесосеки.

4. Разработанная система автоматического управления положением ЗСУ, поддерживающая вертикальное положение срезанного дерева, может быть использована при разработке новых систем управления технологическим оборудованием лесных машин.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Сидыганов, Ю.Н. Модульные машины для рубок ухода и лесовос-становления: монография / Ю.Н. Сидыганов, Е.М. Онучин, Д.М. Ласточкин. - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2008. - 336 с.

2. Сидыганов, Ю.Н. Математическое моделирование работы малогабаритной валочно-пакетирующей машины [Текст] /Ю.Н. Сидыганов, Е.М. Онучин, Д.М. Ласточкин, А.В.Шемякин //Известия Санкт-

Петербургской лесотехнической академии. Вып. 185,- СПб.: СПбГЛТА, 2008. - С. 123-133 (из перечня ВАК).

3. Сидыганов, Ю.Н. Результаты вычислительного эксперимента на имитационной модели экологического ущерба лесной среде при несплошных рубках леса [Текст] / Ю.Н. Сидыганов, Е.М. Онучин, Д.М. Ласточкин // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. 188.- СПб.: СПбГЛТА 2009. - С. 138-147 (из перечня ВАК).

4. Сидыганов, Ю.Н. Имитационное моделирование экологического ущерба лесной среде при несплошных рубках леса [Текст] / Ю. Н. Сидыганов, Е.М. Онучин, Д.М. Ласточкин // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. 190. - СПб.: СПбГЛТА, 2010.- С. 124134 (из перечня ВАК).

5. Патент на полезную модель 100874 Российская Федерация, МПК51 A01G 23/00 (2006/01) Захватно- срезающее устройство [Текст] / Сидыганов Ю.Н., Онучин Е.М., Ласточкин Д.М.; заявитель и патентообладатель Марийский гос. техн. ун-т. - № 2010125781/21; заявл. 23.06.2010; опубл. 10.01.2011, Бюл. №1. - 3 е.: ил.

6. Моделирование работы лесной валочно-пакетирующей машины / Е.М. Онучин, A.B. Шемякин, М. А. Ласточкин, Д.М. Ласточкин // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2007613650 от 27.08.2007, Роспатент. 2007.

7. Программа автоматического управления положением захватно-срезающего устройства v.1.0 / Д.М. Ласточкин, Е.М. Онучин, Ю.Н. Сидыганов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ№ 2011616285 от 10.08.2011; Роспатент. 2011.

8. Онучин, Е.М. Математическая модель автоматической динамической стабилизации перемещаемого в вертикальном положении дерева [Текст] / Е.М. Онучин, M. А Ласточкин, Д.М. Ласточкин // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. по итогам международной научно-технической конференции. Вып. 20. - Брянск: БГИТА, 2007. - С. 54-56.

9. Онучин, Е.М. Об эффективности использования малогабаритной техники на рубках ухода в молодняках [Текст] /Е.М. Онучин, A.B.Шемякин, Д.М.Ласточкин //Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. по итогам международной научно-технической конференции. Вып. 20. - Брянск: БГИТА, 2007. - С. 57-59.

10 Онучин, Е.М. Математическая модель перемещаемого в вертикальном положении дерева, как объекта автоматического управления [Текст] / Е.М. Онучин, Д.М. Ласточкин, М.А. Ласточкин // Наука на рубеже тысячелетий: сб. материалов 4-й международной научно-практической конференции, 30-31 октября 2007 г. - Тамбов: ТАМБОВПРИНТ, 2007.-С. 178-180.

. Сидыганов, Ю.Н. Лесные почвогруты как возмущающий фактор в системе автоматического управления ЗСУ [Текст] /Ю.Н. Сидыга-нов, Д.М. Ласточкин //Наука в условиях современности: сб. статей студентов, аспирантов, докторантов и преподавателей МарГГУ по итогам научно-технической конференции в 2008 г. - Йошкар-Ола: МарГГУ, 2008. -С. 76-79. '

12. Ласточкин, Д.М. Система автоматического управления захватно-срезающим устройством [Текст] / Д.М. Ласточкин // Инновационные разработки вузовской науки - российской экономике: сб. статей. - Йошкао-Ола: МарГТУ, 2008. - С. 99-104. р

13 Ласточкин, Д.М. Рабочая зона пространственного приводного механизма ЗСУ [Текст] /Д.М. Ласточкин, Е.М.Онучин //Актуальные проблемы развития лесного комплекса: материалы международной научно-техническои конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2009. - С. 162-164.

14. Онучин, Е.М. Исследование поведения МВПМ на неровностях с вертикально транспортируемым деревом [Текст] /Е.М. Онучин Д.М. Ласточкин //Наука в условиях современности: сб. статей профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов Мар! ГУ по итогам научно-технической конференции в 2009 г - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. - С. 84-87.

15. Онучин, Е.М. Моделирование процесса транспортирования вертикально удерживаемого дерева [Текст] / Е. М. Онучин, Д. М. Ласточкин // Наука в условиях современности: сб. статей профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов

Р гу по итогам научно-технической конференции в 2009 г - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. - С. 87-90.

16. Ласточкин, Д.М. Вычислительный эксперимент на математиче-'К™МГЛИ исходного профиля лесных опорных поверхностей [Текст! / Д.М. Ласточкин, Е.М. Онучин // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: материалы международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2010. - С. 54-57.

17^Ласточкин, Д. М. Экспериментальное определение микропрофиля лесной опорной поверхности [Текст] /Д.М. Ласточкин, Е.М. Онучин // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: материалы международной научно-технической конференции,- Вологда: ВоГТУ, 2010.-С. 57_59.

18. Грязин, В. А. Тенденции развития интеллектуальных систем управления машинно-технологическими комплексами для рационального природопользования [Текст] /В.А. Грязин, Е.М. Онучин, Д.В. Фёдоров Д.М. Ласточкин // Актуальные проблемы развития лесного комплекса-материалы международной научно-технической конференции. - Вологда-

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.115.02 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3, МарГТУ, ученому секретарю. Факс (8362) 41-08-72.

Подписано в печать 11.01.2012. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 4728.

Редакционно-издательский центр Марийского государственного технического университета 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

61 12-5/1856

На правах-рукрписи

Ласточкин Денис Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЗАХВАТНО-СРЕЗАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Специальность 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д-р техн. наук, проф. Ю.Н.Сидыганов

Йошкар-Ола - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 15

1.1. Исследования в области моделирования технических систем 15

1.2. Исследования в области колебаний лесных машин.......................................19

1.3. Динамические воздействия на лесозаготовительные и лесотранс-портные машины....................................................................................................................21

1.4. Исследования в области автоматизации технологических процессов лесозаготовок 26

1.5. Исследования микрорельефа поверхности лесосеки......................................29

1.6. Задачи исследования...................................................................................................38

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОРЕЛЬЕФА ЛЕСОСЕКИ..........................................................................40

2.1. Экспериментальные исследования геометрических характеристик микрорельефа лесосеки.......................................................................................................40

2.1.1. Характеристика объектов исследования...................................................40

2.1.2. Описание измерительного комплекса и порядок проведения эксперимента....................................................................................................................41

2.1.3. Планирование опытов и число измерений..............................................44

2.1.4. Результаты исследований и их анализ 46

2.2. Параметрическое описание микрорельефа лесосеки....................................50

2.3. Статистическое моделирование статического влияния микрорельефа лесосеки на конструктивные параметры ЗСУ....................................................52

2.4. Выводы ..............................................................................................................................56

3. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЗАХВАТНО-СРЕЗАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРОРЕЖИВАНИЙ.................57

3.1. Структурно-компоновочные схемы валочно-пакетирующих машин с навесным автоматизированным захватно-срезающим устройством для прореживаний..................................................................................................................57

3.2. Обоснование конструкции навесного автоматизированного захват-но-срезающего устройства................................................................................................60

3.3. Система автоматического управления захватно-срезающим устройством..............................................................................................................................62

3.4. Оптимизация параметров приводного механизма захватно-срезающего устройства.......................................................................................................65

3.5. Математическое моделирование динамики системы «Дерево-ЗСУ - ВПМ»............................................................................................................................76

3.5.1. Динамический анализ системы «Дерево - ЗСУ»..................................76

3.5.2. Динамический анализ системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ»..................84

3.5.3. Вычислительный эксперимент на математической модели динамики системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ»........................................................88

3.6. Выводы...............................................................................................................................94

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................95

4.1. Условия и задачи экспериментальных исследований 95

4.2. Описание экспериментального измерительного комплекса 96

4.2.1. Объект экспериментальных исследований 96

4.2.2. Гидравлическая система управления.........................................................98

4.3. Методика экспериментальных исследований................................................100

4.4. Число опытов и опытных рейсов трактора......................................................101

4.5. Анализ результатов экспериментальных исследований............................102

4.6. Выводы.............................................................................................................................108

5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВАЛОЧНО -ПАКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ С АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ЗАХВАТНО - СРЕЗАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ........................................109

5.1. Расчет численности рабочих для лесосечных работ...................................109

5.2. Организация лесосечных работ............................................................................112

5.3. Расчет технико-экономических показателей использования машин

и оборудования.....................................................................................................................117

5.4. Расчет эксплуатационных затрат.........................................................................124

5.5. Расчет экономической эффективности 134

5.6. Выводы.............................................................................................................................135

Заключение............................................................................................................................136

Список литературы..........................................................................................................139

Приложения................................................................................................................... 153

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В рамках стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации до 2020 года одно из главных направлений посвящено рациональному лесопользованию. В. В. Путин на совещании по вопросу развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса сказал: «Серьезного внимания требует улучшение качественных характеристик леса... и здесь надо применять новые современные технологии, нужен хайтек в применении к этому сектору экономики...» [74]. Лес - это единственный возобновляемый стратегический ресурс страны, и в этой связи вопросы развития технико-технологического оснащения рубок ухода, являющихся важнейшей неотъемлемой составной частью эффективной системы интенсивного лесовыращива-ния, наряду с другими задачами развития лесопромышленного комплекса являются приоритетными.

Одним из главных условий эффективного восстановления хозяйственно ценных лесов является проведение рубок ухода - технически и технологически сложной и ответственной операции, определяющей на годы вперёд характер дальнейшего развития лесной экосистемы, и в этой связи именно к технологическим процессам и техническим средствам для рубок ухода предъявляются повышенные требования по их экологичности, то есть минимальному негативному воздействию на компоненты лесной среды- лесные почвы и оставляемые на доращивание деревья [75].

Эксплуатация существующих лесозаготовительных машин на лесосеках при рубках ухода показывает, что их проведение сопровождается неоправданно высокой степенью повреждения насаждений (уничтожение подроста, ошмыги, ушибы деревьев, повреждения крон, образование колей, минерализация значительных поверхностей лесосек), что влечет за собой уменьшение суммарной продуктивности насаждения.

Всесторонние исследования воздействия лесозаготовительных машин [1 - 4, 9 - 10, 12, 16,19 - 25, 26 - 33, 35, 36, 39, 40, 46] показали, что на уровень повреждения древостоя и почвы оказывают большое влияние конструк-

тивные особенности лесных машин, в числе которых габаритные размеры, давление на опорную поверхность, способ маневрирования и способ размещения груза (хлыстов и деревьев). Очевидно, что сокращение количества поврежденных деревьев возможно за счет уменьшения площади технологических коридоров путем снижения габаритных размеров лесных машин, но как показывает анализ, парк малогабаритных лесных машин представлен в основном дорогостоящей узкоспециализированной зарубежной техникой на базе традиционных колесных и гусеничных компоновочных схем.

В этой связи наиболее перспективным направлением механизации и машинизации рубок ухода, в частности прореживаний, является применение машин на базе колёсного трактора и агрегатируемого с ним технологического лесозаготовительного оборудования для вывоза срезанного дерева в вертикальном положении из-под полога леса к месту его пакетирования на волоке [68 - 72, 86-88]. Благодаря данной схеме работы исключаются операции валки и подтрелёвки вырубаемого дерева, именно в процессе которых в условиях прореживаний, когда густота древостоя достигает 800-900 шт. на га, происходит большинство случаев повреждения оставляемых деревьев и почвенного покрова. Кроме того вывоз срезанного дерева в вертикальном положении позволяет расширить ширину пасеки до 25 и даже 50 м, что недоступно при прореживаниях для манипуляторных машин как по технологическому вылету манипулятора, так и по условию технологической доступности с волока подлежащих удалению из насаждения деревьев.

Для вертикального выноса срезанного дерева, ввиду его упругих свойств и действия различных возмущающих факторов, требуются значительные усилия. В настоящее время устойчивость лесных машин, удерживающих срезанное дерево в вертикальном положении, достигается за счет их значительно балластной массы. Перспективным способом для снижения массы и габаритных размеров лесных машин для прореживаний является использование системы автоматического поддержания вертикального положения вывозимого дерева путем нейтра-

7 а

Рис. В.1. Расчётная схема статической устойчивости системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ» с транспортируемым деревом (без САУ ЗСУ)

лизации действия возмущающих факторов при помощи специальной автоматической системы.

Эффективность использования системы автоматического управления (САУ) захватно-срезающим устройством (ЗСУ), поддерживающей вертикальное положение дерева при проведении прореживаний, можно определить путём сравнения значений предельно допустимых (при которых ещё сохраняется устойчивое состояние системы) наклонов и колебаний корпуса машины для машин без системы выравнивания дерева и с системой выравнивания дерева в вертикальном положении [69, 70, 86,87,102 - 104].

Статическая расчетная схема на устойчивость системы «Дерево-ЗСУ -ВПМ» без САУ ЗСУ показана на рис. В .1.

Уравнение равновесия для данной системы будет иметь следующий вид: -Rb + mMga cos а - mvgz sin a + mbgb cos a - msgh sin a = 0, (B.l)

где R - реакция на дальнем колесе самоходного шасси, тм - масса машины, то - масса дерева, а, b, h, z - расстояния, g - ускорение силы тяжести.

На рис. В.2 приведены значения критических углов, при превышении которых машина с вертикально удерживаемым деревом без САУ ЗСУ теряет свое равновесие. Графики построены для различных геометрических параметров машины в виде функции от возраста удерживаемого дерева. Расчет основных параметров дерева в зависимости от его возраста проводился по регрессионным моделям, приведённым для ельников Волжско-Камского региона.

Рис. В.2. Предельные углы статической устойчивости системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ» (без САУ ЗСУ) при Ъ равном : а - 2,0 м, б - 1,5 м, в - 1,0 м, г - 0,5 м.

Статическая расчетная схема на устойчивость системы «Дерево-ЗСУ-ВПМ» с САУ ЗСУ показана на рис. В.З.

Уравнение равновесия для данной системы будет иметь следующий вид: -Rb + mMga cos а - m4gz sin a + mdgb cos a = 0 (В.2)

Рис. В.З. Расчётная схема статической устойчивости системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ» с транспортируемым деревом (с САУ ЗСУ) На рис. В.4 приведены значения критических углов, при превышении которых машина с вертикально удерживаемым деревом с системой автоматического управления захватно-срезающим устройством потеряет свое равновесие, построенных аналогично представленным на рис. В.2.

Статический расчет устойчивости лесных машин, транспортирующих деревья в вертикальном положении, показывает, что использование системы автоматического управления, поддерживающей дерево в положении, близком к вертикальному, значительно увеличивает размеры деревьев, с которыми машина сохраняет устойчивость.

100 J

90 80 70 60 50 40 30 20 10 -0 -

апре4,град

Возраст, лет

20

30

40

50

60

Рис. В.4. Предельные углы статической устойчивости системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ» (с САУ ЗСУ) при Ь равном : а-2.0 м, б - 1.5 м, в - 1.0 м, г-0.5 м.

Однако для практической реализации этого способа отсутствуют апробированные методики инженерного расчета, для разработки которых необходимы комплексные научные исследования как самих возмущающих факторов, так и влияния конструктивно-технологических параметров технико-технологической системы на показатели эффективности её функционирования.

В этой связи обоснование конструкции и параметров навесного автоматизированного захватно-срезающего устройства лесозаготовительной машины представляет научный и практический интерес.

Работа выполнена в рамках государственных контрактов: № 6041р / 8519 от 26.06.2008 г. и № 7399р / 10159 от 28.12.2009 г. Фонда содействия развитию малых форм предприятий в НТС «Проект системы автоматического управления за-хватно-срезающим устройством» и государственного контракта № 16.515.11.5053 от 15.08.2011 г. в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 годы» «Разработка инновационной системы эффективного устойчивого лесопользования и лесовосстановления на ландшафтно-типологической основе с использованием адаптивно-модульных образцов техники и инфотелекоммуникационных методов экомониторинга».

Цель работы: Повышение эффективности машинизированного выполнения прореживаний путем обоснования конструкции и параметров навесного ЗСУ с системой автоматического поддержания в вертикальном положении вывозимого из-под полога леса дерева.

Объект и предмет исследований. Объектом исследования являются навесное автоматизированное ЗСУ ВПМ для прореживаний, а также действия, осуществляемые им при выполнении переместительных операций технологического процесса. Предметом исследования являются зависимости показателей эффективности выполнения операций срезания дерева, его вывоза из-под полога леса в вертикальном положении к месту пакетирования на волоке и укладки в пачку от конструктивно-технологических параметров навесного автоматизированного ЗСУ.

Методы исследования. В процессе исследования использованы методы математического моделирования с проведением вычислительных экспериментов, полевых наблюдений, натурного эксперимента, математического планирования экспериментальных исследований, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна. Впервые для условий рубок прореживаний:

-выполнены полевые наблюдения геометрических параметров микрорельефа поверхности лесосеки, отличающиеся выявлением корреляционных связей геометрических характеристик микрорельефа лесосек и типа лесораститель-ных условий, а также разработана математическая модель микрорельефа поверхности лесосеки как возмущающего фактора, действующего на систему «Дерево - ЗСУ - ВПМ»;

-разработано схемно-конструктивное решение навесного автоматизированного захватно-срезающего устройства с пространственным приводным механизмом, отличающееся использованием системы автоматического управления для поддержания вертикального положения дерева в процессе его вывоза из-под полога леса и обеспечивающее повышение устойчивости системы;

- разработана математическая модель функционирования ВПМ с автоматизированным ЗСУ в процессе вывоза вертикально удерживаемого дерева, отличающаяся учетом конструктивных особенностей ЗСУ и возмущающих воздействий от микрорельефа поверхности лесосеки;

- получены новые экспериментальные данные по динамической нагружен-ности ЗСУ в процессе вывоза срезанного дерева из-под полога леса в вертикальном положении к месту пакетирования на волоке, отличающиеся учетом работы САУ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований микрорельефа лесосеки, количественно характеризующие его возмущающее воздействие при движении валочно-пакетирующей машины с вертикально удерживаемым деревом.

2. Защищённые патентом РФ технические решения ЗСУ с системой автоматического поддержания вертикального положения вывозимого дерева.

3. Математическая модель динамической системы «Дерево- ЗСУ-ВПМ», устанавливающая взаимосвязь между конструктивными параметрами ЗСУ, характеристиками микрорельефа лесосеки и показателями устойчивости системы.

4. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность и уровень достоверности разработанной математической модели системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ».

Научная и практическая значимость. Полученные математические зависимости и уравнения исследования пространственного приводного механизма ЗСУ позволяют на этапе проектирования и доводки конструкции производить его обоснование и выбор основных технико-эксплуатационных параметров. ВПМ с системой автоматизированного управления захватно-срезающим устройством, рекомендуемая для рубок прореживания, позволяет повысить эффективность работы за счет снижения материалоемкости лесоза-

готовительных машин и оборудования и уменьшения вредного экологического воздействия на лесную среду.

Достоверность результатов исследований основывается на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математического моделирования и статистической обработки �