автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров активного навесного кустореза для линейных объектов

На правах рукописи

БУЛАВИНЦЕВА Анастасия Дмитриевна

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АКТИВНОГО НАВЕСНОГО КУСТОРЕЗА ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ОБЪЕКТОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Йошкар-Ола 2013

ООоо**1"

005541503

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Мазуркин Петр Матвеевич доктор технических наук, профессор

Алябьев Алексей Фёдорович доктор технических наук, профессор, профессор кафедры колесных и гусеничных машин, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса»; Онучин Евгений Михайлович кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры эксплуатации машин и механизмов, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный технологический университет».

Сыктывкарский лесной институт (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Защита диссертации состоится 28 декабря 2013 года в 8 час.ЗО мин. на заседании диссертационного совета Д 212.115.02 при ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет» по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, д. 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет».

Автореферат разослан 20 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

К.П. Рукомойников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Кусторезы применяются во многих отраслях национального хозяйства. При этом кусторезы на бульдозерах изготовляются с пассивными рабочими органами, и это не позволяет срезать кусты без загрязнения почвой. Особую актуальность расчистка от кустарника и поросли имеет на трассах нефтепроводов, проходящих по лесам и малонаселенным территориям.

В эксплуатации магистральных нефтепроводов должны соблюдаться требования к содержанию охранной зоны. Полоса шириной не менее 3 м от оси с каждой стороны нефтепровода должна содержаться в расчищенном состоянии. Расчищенная трасса позволит эффективно контролировать эксплуатационную надежность и безопасность нефтепроводов.

Анализ существующих способов расчистки трассы нефтепровода от кустарника показал, что они выполняются вручную, а это малопроизводительно и требует больших трудовых и денежных затрат. Способов и средств механизированного удаления кустарника над нефтепроводом пока не существует. Важный шаг в создании кустореза - разработка новой методики расчета энергосиловых показателей активных режущих головок, навешиваемых на серийные бульдозеры, с учетом распределения диаметра ствола у срезаемых кустов при различной густоте кустарника,

Цель диссертационной работы - обоснование режимов срезания кустарника и параметров активного навесного кустореза на базе бульдозера для линейных объектов на примере участка трассы Марийского РНУ магистрального нефтепровода «Сургут-Полоцк».

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) разработать методики измерения параметров кустов и их густоты на пробных площадках 4^4 м непосредственно над нефтепроводом;

2) провести полевые опыты на пробных площадках по трем участкам магистрального нефтепровода «Сургут-Полоцк» в лесном фонде РМЭ;

3) выявить закономерности рангового распределения диаметра стволов и пней;

4) выбрать энергонасыщенный базовый бульдозер для монтажа активного сменного навесного кустореза с дисковыми зубчатыми ножами;

5) разработать модель и методику расчета энергосиловых показателей и обосновать допустимую рабочую скорость кустореза;

6) оценить ожидаемую экономическую эффективность применения предлагаемого активного навесного кустореза на бульдозере;

7) внедрить результаты измерений и технические решения по патенту на изобретение и рекомендации в производство и учебный процесс.

Объект исследований. Кустарник, а также пни, оставшиеся после предыдущих расчисток, на пробных площадках 4x4 м на участке трассы Марийского РНУ магистрального нефтепровода «Сургут-Полоцк».

Предмет исследования - закономерности распределения кустов и пней по густоте и диаметру ствола, расчетные параметры зубчатого вен-

ца режущих головок навесного кустореза, математическая модель для расчета энергосиловых показателей активного навесного кустореза.

Методы исследования. Обоснование параметров активного навесного кустореза, закладки пробных площадок по ОСТ 56-69-83, полевые эксперименты ВАСХНИЛ, обследования трассы нефтепровода по РД-13.100.00-КТН-196-06, картографический анализ трассы нефтепровода, а также методы статистического моделирования, описательной статистики, идентификации закономерностей при статистическом моделировании в программной среде Curve Expert и численные методы расчетов в Excel.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) методики выбора участков и пробных площадок на линейных объектах, а также замера диаметра стволов, количества поросли по створам и пробным площадкам на трассе трубопровода;

2) статистические модели распределения диаметра стволов и пней;

3) математическая модель и методика расчета энергосиловых показателей кустореза с учетом закономерностей распределения кустов и пней;

4) алгоритм выбора базового бульдозера, технические и технологические решения срезания кустарника.

Научная новизна. Способ испытания растительного покрова на участках трассы (патент № 2473898) по отбору участков измерений и закладки пробных площадок, позволяющий проводить измерения диаметра стволов, высоты побегов, количества растений. Обоснование режимов срезания кустов на трассе нефтепровода. Закономерности рангового распределения диаметра стволов, позволяющие снизить энергетические потребности кустореза. Математическая модель и методика расчета энергосиловых показателей, позволяющая обосновать значения допустимой рабочей скорости подачи бульдозера с кусторезом. Блок-схемы функций, позволяющие учитывать в энергосиловых расчетах графики влияния рабочей скорости кустореза с бульдозером Четра Т11С в непрерывном режиме изменения скорости подачи гидростатической трансмиссией бульдозера.

Теоретическая значимость. Выявленные закономерности расширяют существующую теорию расчета параметров активного кустореза, навешиваемые на разные типоразмеры бульдозеров в зависимости от региональных условий произрастания кустарника и поросли. Предложенная математическая модель, позволяет обосновать параметры режимов срезания кустарника и вычислять оптимальную скорость подачи на кустарник бульдозерами с гидростатической трансмиссией.

Практическая значимость. Энергосиловые показатели по худшим условиям срезания позволяют на этапах проектно-конструкторской деятельности снизить установленную мощность двигателя базовой машины. Графики влияния скорости подачи бульдозера позволяют до расчистки трассы определить максимальную производительность кустореза. Замеры кустов по предложенным методикам следует проводить работниками обслуживающим нефтепровод за месяц до расчистки трассы. Все расчеты по

математической модели обеспечивают выбор базовой машины из парка машин нефтепроводного управления. Для расчистки трассы участка Марийского РНУ магистрального нефтепровода «Сургут-Полоцк» требуется только покупной сменный кусторез, что позволяет добиться экономии выделенных финансовых средств.

Предложенный способ можно применять также на трассах газопровода, автодорог, железных дорог, линий электропередач и т.п.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В диссертации исследованы параметры стволов кустарника и поросли как предмета обработки кусторезами, а также размерных и энергосиловых параметров активного навесного кустореза на бульдозер, которые соответствуют пункту 1 «Исследование параметров и показателей предметов труда, деревьев и их частей, ...» и пункту 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» паспорта специальности 05.21.01

Достоверность выводов, основных положений и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждаются производственными экспериментами, результатами математического моделирования данных измерений с учетом реальных условий произрастания поросли на участке нефтепровода Марийского РНУ при замерах с погрешностью до 1% и коэффициентом корреляции у выявленных закономерностей не менее 0,9.

Реализация результатов исследования. Результаты исследования были рассмотрены в Марийском РНУ и ОАО «Энергия», где принято решение о применении их в производственном процессе обслуживания трассы нефтепровода «Сургут-Полоцк», а также используются студентами специальностей 131016 «Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ», 270841 «Монтаж и эксплуатация оборудования и систем газоснабжения» при изучении дисциплин «Сооружение газонефтепроводов и газонефтехранилищ», «Организация и технология монтажа газораспределетельных систем», «Эксплуатация и ремонт магистральных нефтепроводов», «Машины и оборудования газонефтепроводов».

Личное участие автора в получении результатов. Состоит в разработке методики и проведении экспериментов, обработке полученных результатов, статистическом моделировании идентификацией устойчивых законов, анализе выявленных закономерностей и формулировке научных выводов и рекомендаций производству. При участии автора разработаны способ испытаний растительности на участках трассы продуктопровода (патент № 2473898). Автором проведены технологические проработки, выбор базовой машины и экономическая оценка технологии расчистки трассы нефтепровода.

Апробация результатов исследования. Основные результаты докладывались на IV Международной научно-практической конференции «Основы рационального природопользования» (Саратов, 2013 г.); ежегодно докладывались на конференциях МарГТУ и ПГТУ; на III Международной

научно-практической конференции «Основы рационального природопользования» (Саратов, 2011 г.); на Международной научно-практической конференции: Мосоловские чтения «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (Йошкар-Ола, 2011 г.); на научно-практической конференции, посвященной 115-летию Мариинской низшей школы в г. Мариинский-Посад «Проблемы экологии и лесопользования в современных условиях» (Йошкар-Ола, 2010 г.); на III Международной научно-практической конференции «Роль особо охраняемых природных территорий в сохранении биоразнообразия» (Чебоксары, 2010 г.).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 10 статей объемом 2,84 п.л., авторский вклад 81%, в том числе три статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК - 1,28 п.л., авторский вклад 66%. Получен патент № 2473898 на изобретение (0,47 п.л.), авторский вклад - 50%.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации 151 страницы машинописного текста, 40 иллюстраций, 34 таблицы, а так же 14 приложений на 76 страницах. Список использованной литературы содержит 172 наименований, из них 24 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы её цель, научная новизна и практическая ценность диссертации, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе дан анализ состояния исследований в области борьбы с древесно-кустарниковой растительностью. Изучению технологических параметров срезающих аппаратов и измельчителей посвящены работы H.A. Гуцелюка, В.Н. Коршуна, М.Н. Летошнева и многих других. Методики расчетов рабочих органов предлагали Е.В. Даденко, И.А. Долгов, М.В. Драпалюк, В.Н, Куракин, А.И. Русанов, И.Р. Шегельман, М.В. Ивашнев, A.M. Лопатин, С.М. Гордеев и другие. Исследованиям бесстружечного резания древесины посвящены работы С.А. Воскресенского, Ф.М. Манжоса, В.Г. Кочегарова, Б.А. Леонова, В.Г. Нестеренко, Ф.Е. Захаренкова, В.И. Меньшикова, В.Е. Печенкина, П.М. Мазуркина, В.В. Овчинникова и многих других.

В известных публикациях недостаточное внимание уделено изучению распределения кустов и выбору пробных площадок, не выявлены режимы срезания кустарника и поросли над нефтепроводом.

Второй раздел посвящен расчету зубчатых ножей кустореза. Важными параметрами, влияющими на энергосиловые показатели, являются диаметр и густота стволов. Скорость подачи кустореза зависит от рабочей скорости движения машины и меняется в зависимости от этих параметров. Увеличение диаметра ствола вызывает рост усилия резания.

Шаг зубьев важный параметр зубчатых венцов подвижного и неподвижного ножей. Он зависит от густоты ствола кустов и поросли. Для расчета энергосиловых показателей кусторезной машины необходимо провести измерения диаметра и густоты стволов на участке нефтепровода.

По патенту РФ №2473898 на трассе нефтепровода в пределах территории субъекта федерации выделяют не менее трех участков. Каждый участок по возможности выделяют на территории одного сельского муниципалитета, причем три участка выбирают на смежных муниципальных образованиях, а расстояния между створами наблюдений на каждом выделенном земельном участке принимают вдоль течения нефти в трубопроводе, начиная от первого створа наблюдений с учетом расстояний между земельными участками с кустарниковой растительностью.

Номера створов обозначают римскими цифрами, по направлению движения нефти по трубопроводу: I, II, III и так далее. Расстояние между створами 200-300 метров для большей результативности.

На каждом земельном участке с I-1

кустарниковой порослью за начало 1 [_ У отсчета расстояний между пробными ¿"Н .- / __;

I_к

£л/>

I.

ь.>

ГПЛ /

Ыч\.

площадками на каждом створе наблюдений принимают продольную осевую линию трубопровода.

Вдоль створа наблюдений, при отсутствии технологической дороги, размечают не менее трех пробных площадок (рис. 1, а), среднюю пробную площадку располагают на продольной осевой линии нефтепровода.

На створе наблюдений ПО вари- Рис.1. Пробные площадки на трассе анту 2 принимают по две площадки с каждой стороны технологической дороги (рис. 1, б). Площадки располагают на разных расстояниях друг от друга по их центрам. Также измеряют расстояния от кромки леса до дороги и центра крайней площадки. Пробные площадки принимают в форме квадрата (табл. 1).

„ _ Таблица I

а)

.....ЕТ

Диаметр ствола, мм 0-20 0-40 0-60 0-80 0-100 •пения д| 0-120 (аметра 0-140 ствола 0-160 1

Размер площадки, м 0,5x0,5 1,0x1,0 1,5x1,5 2,0x2,0 4,0x4,0 6,0x6,0 8,0x8,0 10,0x10,01

(табл. 2) не менее 20 древесных побегов с измерением диаметра около корневой шейки, с указанием породы и измерением высоты.

Таблица 2

№ побега Порода Диаметр, мм Высота, см

1

2

...

В третьем разделе приведена характеристика объекта и изложена методика полевых экспериментов. На территории Республики Марий Эл на трассе выбрали три участка с древесной растительностью. Каждый участок выделяли на территории одного сельского муниципального образования. На участке закладывали по три створа на расстоянии 200-300 метров.

Процесс выбора участков и закладки пробных площадок представлен в виде блок-схемы функций (рис. 3).

Подготовка к работе

Визуально Определить

определить на участке

три участка расположение

по МО в РМЭ трех створов

+

Определить расположение ПП в створе Заложить створ на участке

Определить расположение ПП по две стороны от ВД

Определить расположение ПП: у ВД, над НЛ, севернее оси НП, у «северной кромки»

Определить расположение ПП: у ВД, южнее оси НП. над НП, у «северной кромки»

Проведение замеров

каПП, с занесением в журнал

/ Завершение I экспериментов

Рис. 3. Блок-схема выбора участков и пробных площадок

Процесс выбора размера пробных площадок представлен в блок-схеме на рис. 4. Пробные площадки обозначают четырьмя столбиками (колышками) и натягивают ленточное ограждение (сигнальную ленту). Пробные площадки располагаются параллельно оси магистрального нефтепровода.

После разметки площадки ленточным ограждением, измеряется расстояние от осей пробных площадок относительно оси нефтепровода, оси вдольтрассовой дороги, кромок леса.

^"Диаметр ствола^ да Заложить ПП размером 0,5 х0,5 м

нет 1

----Диаметр ствола да Заложить ПП размером 1,0*1,0 м

нет 1

— Диаметр ствола да Заложить ПП размером 1,5x1,5 м

нет

----Диаметр ствола^ --^0-80 мм?,— да Заложить ПП размером 2,0*2,0 м

пег ]

-"-"диаметр ствола~~- да Заложить ПП размером 2,5*2,5 м

нет 1

—"""Диаметр ствола — 20 мм?^--- да Заложить ПП размером 3,0*3,0 м

нет I

-^Диаметр ствола нет Т да Заложить ПП размером 3,5*3,5 м

Диаметр ствола 0-160 мм да —► Заложить ПП размером 4,0*4,0 м

Увеличить размеры

ПП на 0,5 м с каждой стороны

Сделать замеры по методике и заполнить журнал

Закончить работу на ПП

Рис. 4. Блок-схема выбора размера пробных площадок

Затем зарисовывается схема расположения пробных площадок в створе относительно нефтепровода и вдольтрассовой дороги с указанием необходимых размеров, с соблюдением масштаба.

Диаметр ствола замеряют штангенциркулем около корневой шейки с погрешностью ±0,05 мм, высоту рулеткой от почвы с ± 1 см.

В четвертом разделе приведены результаты закладки пробных площадок и измерений кустарника по предложенной методике.

Три участка нефтепровода «Сургут - Полоцк» были выбраны в Оршанском, Медведевском и Килемарском районах, на каждом участке определены по три створа и заложены по четыре пробных площадки размером 4><4 м.

1 1Х~1

I-

П-,1

1 л-:

ЗИП

н

т

VII

Килемарском районе

Таблица 3

Количество и густота растений и пней

№ пло- А™* . Л'к- "п N , "г.

щадки ММ ШТ. ШТ. ШТ. шт./м2

VII -4 75 28 17 45 2,81

VIII -4 68 20 20 40 2,50

IX-Л 35 22 15 37 1,06

стволов; N - количество стволов, А^ -

Рис. 5. Схема исследуемого участка Основными параметрами при расчете энергосиловых показателей кустореза является диаметр ствола кустарника и пней, а также количество растений - густота. При проведении полевого эксперимента на пробных площадках производились замеры диаметра стволов, под-считывалось количество поросли.

На пробных площадках в Килемар- количество кустарников, ып - количе-ском районе расположенных между ство пней на пробной площадке нефтепроводом и «северной» кромкой леса после предыдущих расчисток остались пни. На этих площадках были произведены замеры и поросли, и пней (табл. 3, рис. 6, 7).

Худшие условия для срезки в Килемарском районе: на площадке без пней наибольшая густота 1,94 шт./м2 и максимальный диаметр 45 мм; на площадке с пнями - густота 2,81 шт./м2, максимальный

диаметр 75 мм.

Каждому значению диа-

Рис. 6. Поросль на трассы нефтепровода у кромки леса

Рис. 7. Пни оставшиеся от предыдущих расчисток

метра по возрастанию присваивается ранг гв =0,1,2,... (табл. 4).

Зависимость диаметра от ранга на 36 площадках без учета пней и с учетом пней идентифицируется формулой, представляющей собой закон экспоненциального роста в полной форме

£>=£>оехр(а,г0а2), (1)

где О0 - диаметр тонкого ствола; гй - ранг, а,, д2 -параметры закона экспоненциального роста (1).

/Л/) ьцмшф (адмвЛ^")

Таблица 4

Ранг гв Диаметр о, мм

0 4

1 5

...

21 35

22 75

Рис 8. Ранговое распределение диаметра Рис. 9. Ранговое распределение диаметра стволов и пней на VII -4 (коэф. кор. 0,93) стволов (без пней) на VIII - 2 (коэф. кор. 0,99)

Коэффициенты корреляции более 0,9 по всем пробным площадкам. В ходе эксперимента замеры также были проведены на пробных площадках трасс, обслуживаемых другими предприятиями, имеющими охранную зону: газопровода, линий электропередач, автодороги, железной дороги.

Для исследования было заложено по три пробных площадки вдоль трассы. Размер площадок 4*4 метра. Расстояние между площадками от 270 до 300 метров. Зависимость диаметра стволов растений от рангов, распределяется ранг также по формуле (1). Ко-

0 1 : 3 4 5 б 7 8 9 ю п п 13 14 15 16 р эффициенты корреляции Рис. 10. Ранговое распределение диаметров стволов более 0 9

на площадках разных трасс: НП-нефтепровод; иилсс '

/77— газопровод МЭС- магистральные электросети; Сравнительный анализ

АД - автодорога; ЖД - железная дорога поросли на пробных пло-

щадках разных трасс показал, что количество стволов на пробных площадках газопровода больше 23 и 25 шт., чем на площадках других трасс, растения с максимальным диаметром стволов 40 и 41 мм произрастает на площадках автодороги.

В пятом разделе проведено обоснование энергосиловых показателей кустореза. Расчистка трассы нефтепровода от кустарника обязательна на полосе не менее 3 м от оси (рис. 11).

Бульдозер - основная машина для подготовительных работ. Он может быть использован для срезки кустарников (рис. 12).

Применение нескольких дисковых ножей в одном рабочем органе, по сравнению с кусторезными головками АСК-8 на базе ЛП-17А и АСК-16 на базе ЛП-19В, во много раз повышает производительность расчистки трассы. Рабочий орган - последовательно расположенные на корпусе четыре кусторезных головки с гидромоторами и зубчатыми дисками 2300 мм, вращающимися относительно неподвижных контрножей.

1

Рис. 11. Фланговое расположение кустореза от полосы расчистки: 1, 3- границы полосы земли шириной не менее 3 м от оси нефтепровода; 2 - ось нефтепровода

Рис. 12. Схема кустореза: 1 - бульдозер; 2 - навеска; 3 -рабочий орган; 4 - дисковые ножи

Шаг зубьев подбирается, чтобы при наклоне инструментальной головки от оси срезаемого дерева 90...70° ствол с максимальным диаметром среза £>тм = 80 мм разместился в межзубовой впадине (рис. 13а).

а) б)

Рис. 13. Расчетные схемы для определения усилий бесстружечного резания зубьями подвижного ножа деревьев с шагом 80 мм при срезании ствола куста целиком (а) или за несколько раз (б): О - диаметр ствола; I -шаг зубьев; Я - высота реза; е - толщина реза; а - контурный задний угол; р - контурный угол заострения; <е>, -передний угол заострения; <рг - задний угол заострения; в - угол подачи; в' - угол движения; и - скорость подачи; и - скорость инструмента; со - скорость резания; Рн - нормальная сила; Рк - касательная сила; Р3 - сила резания на одном зубе; Р - общая сила резания

По экспериментальным данным максимальная густота растений "тах =2,81 = 3 шт./м2. Количество одновременно срезаемых кустов и пень

ков я",ах одним зубчатым диском будет равна 2 шт./м. Рабочая зона диска равна 2,0 м, для ширины захвата В= 8 м нужны четыре зубчатых диска, которые будут одновременно срезать стволы на всей ширине захвата.

Число одновременно срезаемых стволов на ширине 8 м дается формулой (¡с = 4дстах =8. Скорость инструмента изменяется редуктором от поворотной платформы ЛП-19В в пределах 0-9 об/мин. При этом обеспечивается максимальное вращение 9 об/мин. Тогда скорость инструмента при диаметре диска 2,3 м равна и = ^/60=1,08 м/с.

По схеме на рис. 12, б происходит бесстружечное поперечное резание древесины по высоте реза я и толщине реза е.

Общая сила и сила Р° (кН) на зуб вдоль скорости т, при срезании ствола диаметром от 0,5 до 8,0 см, рассчитывается по формулам

Р=а^Р3°, /з°=19,62+2,69х1(Г3£>3'53. (2)

Общая касательная и нормальная силы на зубчатые диски вычисляются по всем одновременно срезаемым стволам, находящимся во впадинах:

Рк=Рсо80'фР], Рн=Р*тв'<[Рн], (3)

где допустимые силы [/>р] - определяется по прочности зуба и диска, Ы - по прочности диска и корпуса кустореза.

Площадь среза равна 0,25лО2, а площадь впадины зубьев - афг, где аф

- коэффициент формы зубьев. Если сечение среза умещается во впадине зубьев, то происходит срезание куста за один срез. Из условия 0,25я02<лпфг/6 получим, что при яф « 0,5 для одноразового срезания ствола необходимо выполнить условие [£>]20,6г. В нашем случае /= 80 мм, поэтому [д]< 80 мм. £>та„ = 80 мм, условие выполняется [огам ]< 80 мм.

Расчет мощности на резание Nu, на движение подачи кустореза, на преодоление сопротивления движению бульдозера и на перемещение бульдозера с кусторезом вычисляются простыми формулами:

Ми=Рко; К=РН11; Nc =fuG=fuMg ; Ып = Ыи+Ыс . (4) Здесь: / - коэффициент сопротивления гусеницы 0,07...0,15; и - скорость перемещения на первой передаче для бульдозеров механической или любое значение для гидромеханической трансмиссии, м/с; <7 - вес машины G=Mg, где М - масса машины, кг; g - ускорение силы тяжести, 9,81 м/с2.

Установленная мощность есть сумма мощностей с учетом потерь:

(5)

чк Пм

где щ - КПД кусторезной головки, т]к = 0,9; 7м - КПД трансмиссии машины ?м = 0.7; К - мощность на резание; - мощность на перемещение; [д'у]

- установленная мощность машины по паспорту.

Бульдозер Четра Т11С с гидростатической трансмиссий обеспечивает бесступенчатую скорость движения и = 0-11 км/ч (0-3,06 м/с) при М = 18712 кг и К] = 132 кВт, Давление на грунт равно а = 74,5 кПа.

Подставим все известные значения в слагаемые Nu, N¡1 формулы установленной мощности двигателя, приведем формулы к одной неизвестной -

и, получим математическую модель для расчета скорости движения бульдозера с кусторезом (скорости подачи и ):

Уточнение допустимой скорости подачи выполняется по закономерности рангового распределения кустов и пней.

В расчет введем закон распределения диаметра от ранга по формуле

Дг)=5,54ехр04,83х1(Г3^35) (6)

ЛГЦ=1,08РК;

,\3,53

% Пм

//„=#„+20192и; Ыи-Рни\ Рн=Рь\п&\ Дг)=5,54ехр(34,83х 10'3 /¿35); Рк = ТеЩг)(\ 9,62+2,69х 10'3 Д г) &=агсЖ и/1,08);

г=0 г=О

Р? = 1(19,62+2,69x10~3/>(г)3'53);

г=0

(7)

Число одновременно срезаемых стволов а? =Ю(г).

Изучение закономерностей распределения диаметров стволов и пней (табл. 4) до проведения расчистки дает возможность по модели (7) работать на более высокой скорости бульдозера, равной 1,35 м/с при условии «129кВт<[лгу].

Скорость подачи рабочего органа при изучении закономерностей распределения диаметров становится в 2,5 раза выше. Для расчета производительности можно учесть предельно возможную скорость подачи рабочего органа 1,35 м/с (4,86 км/ч).

Таблица 5

и , м/с е, мм в', град. кН Р, кН Ас. кН Р«. кН кВт К. кВт кВт кВт

0,60 38,85 29,05 15,01 35,26 5,53 17,12 5,97 10,27 22,39 38,61

0,65 41Д5 31,05 15,93 37,44 5,41 19,30 5,85 12,55 25,67 43,17

0,70 43,51 32,95 16,81 39,49 5,30 21,48 5,73 15,03 29,17 48,03

0,75 45,63 34,78 17,62 41,41 5,19 23,62 5,61 17,72 32,86 53,17

0,80 47,62 36,56 18,39 43,21 5,08 25,72 5,48 20,58 36,73 58,56

0,85 49,48 38,22 19,11 44,90 4,97 27,77 5,36 23,60 40,77 64,20

0,90 51,21 39,82 19,78 46,48 4,85 29,75 5,24 26,78 44,95 70.04

0,95 52,84 41,31 20,41 47,95 4,75 31,67 5,13 30,09 49,27 76,08

1,00 54,35 42,80 20,99 49,32 4,64 33,51 5,01 33,51 53,70 82,28

1,05 55,77 44,18 21,54 50,61 4,53 35,28 4,90 37,04 58,24 88,64

1,10 57,09 45,55 22,05 51,80 4,43 36,97 4,78 40,66 62,87 95,13

1,15 58,32 46,81 22,52 52,92 4,33 38,58 4,67 44,36 67,58 101,74

1,20 59,46 48,01 22,97 53,96 4,23 40,11 4,57 48,13 72,36 108,45

1,25 60,53 49,16 23,38 54,94 4,13 41,57 4,46 51,96 J 77,20 115,25

1,30 61,54 50,31 23,77 55,84 4,04 42,95 4,36 55,84 82,09 122,11

1,35 62,47 51,34 24,13 56,69 3,95 44,27 4,26 59,76 87,02 129,05

1,40 63,34 52,37 24,46 57,48 3,86 45,51 4,17 63,72 91,99 136,04

Участки с кустами и пнями встречаются реже по стыми кустами. Распределение кустов без учета пней худшей пробной площадки VIII-2 по формуле

сравнению с чи-принимается для

D(r)=3,84exp(62,l 9x 10"3 r]D40). (8)

Изучение закономерностей распределения диаметров стволов кустов без учета пней дает возможность обосновать параметры режима расчистки трассы на предельной скорости подачи, равной 1,65 м/с при vVy и128кВт<[.Уу], что можно учесть при расчете производительности по второму варианту режима срезания.

Скорость подачи рабочего органа при изучении закономерностей распределения диаметров стволов без учета пней на пробной площадке VIII-2 с худшими условиями в 3 раза выше, чем без учета распределения, и в 1,2 раза выше, чем при учете кустов и пней.

Теоретическая производительность кустореза равна Пт = Ви.

Эксплуатационная производительность (га/смену) при рабочем ходе в одном направлении определяют по формуле

Пэ=016ВиТт9>и, (9)

где Гсм - время смены, 8 ч; <ри - коэффициент использования времени смены, принятый равным 0,7.

По длине трассы формула приобретает вид Пэ = П3/В (табл. 6).

Предложен способ срезания поросли, который может быть применен при расчистке трассы любого трубопровода, как предприятием эксплуатирующим трубопровод, так и подрядными организациями, выполняющими работы по расчистке.

Экономический эффект оценен по величине расходов, затраченных на расчистку трассы нефтепровода (табл. 7).

Общая величина капитальных вложений в основные средства -9241200,00 рублей

Участок трассы - полоса земли нефтепровода - проходящий по землям лесного фонда общей протяженностью 226,89 км и шириной 8 м, проходящий непосредственно над осью нефтепровода.

Этот участок требует ежегодного ухода и он должен содержаться в расчищенном состоянии (от деревьев, кустарников, поросли). При этом можно расчистить предлагаемым способом за 15 рабочих дней.

Таблица 7

Расчет расходов на расчистку трассы по состоянию на 01.06.2013 года, руб._

№ п/п Статьи расходов Существующий способ Предлагаемый способ

1 Расходы на топливо и ГСМ 142042,36 57853,49

Марка топлива АИ-92 дт

1.1 Нормативный расход топлива, л/ч 2 22

1.2 Цена топлива, руб. 24,67 28,46

1.3 Количество рабочих дней, смен 63 15

1.4 Продолжительность смены, ч 8 8

Таблица 6 Показатель кустореза

Производительность С пнями Без пней

Ят , м2/с 10,80 13,20

/7Э , га/смену 21,77 26,61

Яд , км/смену 27,21 33,26

1.5 Количество использования техники 0,7 0,7

1.6 Нормативный расход топлива, л 705,60 1848,00

1.7 Расходы на топливо, руб. 17407,15 52594,08

1.8 Расходы на ГСМ, % от затрат на топливо 2 10

1.9 Количество единиц техники 8 1

2 Затраты на оплату труда 935551,46 22002,93

2.1 Численность работников, чел. 16 1

2.2 Заработная плата одного работника в месяц, руб. 19800,00 31293,00

2.3 Заработная плата одного работника в день, руб. 928,13 1466,86

2.4 Количество рабочих дней 63 15

2.5 Заработная плата одного работника за весь период работ, руб. 58471,97 22002,93

2.6 Расходы на выплату заработной платы за время выполнения работ, руб. 935551,46 22002,93

3 Отчисления на социальные нужды(31,4% от ЗП) 293763,16 6908,92

4 Командировочные расходы, 400 руб./сутки - 6000,00

5 Амортизационные отчисления - 88372,13

6 Прочие затраты (5%) 68567,85 9056,87

Итого расходов на расчистку, руб. 1439924,83 190194,34

Стоимость расчистки 1 га 7933,03 1047,84

Расходы на расчистку одного гектара трассы составляют 1047,84 руб. Стоимость расчистки всей полосы составляет 190194,34 руб.

Основные выводы и рекомендации

Теоретические и экспериментальные исследования по теме диссертации позволили сформулировать научные выводы и рекомендации.

Основные научные выводы.

1. Предложенная методика закладки площадок позволяет учесть распределение кустарника по ширине трассы и вдоль нефтепровда, с погрешностью диаметра ствола около корневой шейки ±0,05 мм, высоты от поверхности почвы до верхней части побега с погрешностью ±1 см.

2. Результаты замеров показали, что худшие условия для срезки стволов кустарника имеют пробные площадки Килемарского района: при наибольшей густоте 1,94 шт./м2 и максимальный диаметр 45 мм, а наихудшие условия для срезания пней имеют пробная площадка с густотой 2,81 шт./м и максимальным диаметром пня 75 мм. Поэтому в расчетах энергосиловых показателей кустореза предельный диаметр принят равным 80 мм.

3. На всех 36 пробных площадках с учетом или без учета пней, оставшихся от предыдущих расчисток трассы, распределения диаметра стволов подчиняются закону экспоненциального роста О=О0ехр(я,Го2), коэффициент корреляции более 0,9.

4. Для расчистки трассы нефтепровода наиболее подходящем является гусеничный бульдозер Четра Т11С мощностью 132 кВт с гидростатической трансмиссией, на который навешивается активный кусторез с четырьмя

дисковыми зубчатыми ножами диаметрами 2,3 м и шириной захвата 8 м при скорости подачи не более 0,55 м/с (1,98 км/ч).

5. В условиях нефтепроводного предприятия изучение закономерностей рангового распределения диаметра стволов кустов и пней дает возможность расчищать трассу на более высокой скорости бульдозера, равной 1,35 м/с (4,86 км/ч), что повышает скорость подачи в 2,5 раза.

6. Пни от прошлых расчисток трассы нефтепровода встречаются реже по сравнению с участками, на которых произрастают только кусты, поэтому на таких участках трассы предельно возможная скорость подачи равна 1,65 м/с (5,94 км/ч), что в три раза выше, чем без учета распределения кустарника.

7. Участок земли общей протяженностью 226,89 км и шириной 8 м трассы нефтепровода, проходящий по землям лесного фонда можно расчистить предлагаемым способом за 15 рабочих смен. Расходы на расчистку одного гектара трассы составляют 1047,84 руб. Стоимость расчистки всей полосы составляет 190194,34 руб.

Рекомендации производству

1. Для планирования технологии расчистки трассы от кустарника рекомендуется определить коэффициент тяжести работы кустореза при срезании стволов, провести замеры диаметра стволов и пней по патенту № 2473898.

2. По предложенной методике статистического моделирования рекомендуется выявлять закономерности, по которым возможно будет обосновать рациональный режим срезания кустов непосредственно над трубой нефтепровода, а также по обочинам трубопровода по всей ширине трассы.

3. В качестве базовой машины рекомендуется выбрать бульдозер Петра Т11С с гидростатической трансмиссий, обеспечивающей бесступенчатую скорость движения и = 0-11 км/ч (0-3,06 м/с) при массе М =18712 кг и мощности [Л'у ] = 132 кВт. Давление на грунт равно а = 74,5 кПа. Такой кусторез обеспечить производительность расчистки 27,2 км/смену при срезании кустов с остатками пней и 33,3 км/смену без пней.

Основные результаты диссертации опубликованы: в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Булавинцева, А. Д. Рабочая скорости подачи активного навесного кустореза [Электронный ресурс] / А. Д. Булавинцева, П. М. Мазуркин // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6 - Режим доступа : http://www.science-education.rU/l 13-10673. (0,31/0,20).

2. Булавинцева, А.Д. Рабочая скорость подачи бульдозера Четра Т11С при расчистке трассы нефтепровода [Электронный ресурс] / А.Д. Булавинцева, П.М. Мазуркин // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 2. - Режим доступа : http://www.science-education.ru/108-9022. (0,44/0,22).

3. Булавинцева, А. Д. Расчет рабочей скорости подачи активного навесного кустореза в зависимости от параметров срезаемого кустарника

[Электронный ресурс] / А. Д. Булавинцева, П. М. Мазуркин // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 5 - Режим доступа : http://www.science-education.rU/l 11-10608. (0,40/0,30).

4. Булавинцева, А. Д. Рациональное использование земельных участков трасы магистрального нефтепровода / А. Д. Булавинцева // Кормопроизводство. - 2011. - № 6. - С. 6-7. (0,13).

Патенты на изобретения

5. Патент 2473898 Российская Федерация, МПК в 01 33/46, А 01 О 23/00 (2006.01). Способ испытания растительного покрова на участках трассы продуктопровода / Мазуркин П. М., Булавинцева А. Д.; заявитель и патентообладатель Поволжский гос. тех. ун-т. - № 2010132760/13, заявл. 04.08.2010;опубл. 27.01.2013 Бюл. № 3. 15 с. (0,94/0,47).

В других изданиях и материалах конференций

6. Булавинцева, А.Д. Влияние нефтепровода на заповедник «Большая Кокшага»/ А.Д. Булавинцева // Научные труды государственного природного заповедника «Присурский». Роль особо охраняемых природных территорий в сохранении биоразнообразия: материалы III Междун. науч.-практ. конф. [25-26 ноября 2010 г., Чебоксары]/ отв. ред., сост. Дмитриев А.В. - Чебоксары: Атрат: КЛИО, 2010. - Т. 24. - С. 13-15. (0,18).

7. Булавинцева, А.Д. Исследование закономерностей таксационных характеристик поросли в охранных зонах коммуникаций/ А.Д. Булавинцева, П.М. Мазуркин // Основы рационального природопользования : материалы III Междунар. науч.-практ. конф. [26-28 октября 2011 г., Саратов] / М-во сел. хоз-ва РФ, Сарат. гос. аграр. ун-т им. Н.И.Вавилова-Саратов: Саратовский источник, 2011. - С.79-83. (0,31/0,19).

8. Булавинцева, А.Д. Рациональное использование земельных участков трасы магистрального нефтепровода проходящих по лесным массивам Оршанского района / А.Д. Булавинцева// Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: материалы междун. науч.-практ. конф. / Мосоловские чтения. - Йошкар-Ола: МарГУ, 2011. - Вып. XIII. - С. 95-97. (0,19).

9. Булавинцева, А. Д. Скорость движения бульдозера Четра Т11С с навесным кусторезом на трассе нефтепровода / А. Д. Булавинцева // Основы рационального природопользования : материалы IV междунар. науч.-практ. конф. [16-18 мая 2013 г.]. - Саратов, 2013. - С. 387-391. (0,25).

10. Булавинцева, А.Д. Способ испытания растительного покрова на участках трассы продуктопровода / А.Д. Булавинцева // Проблемы экологии и лесопользования в современных условиях: сб. ст. науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. - С. 102-107. (0,38).

11. Булавинцева, А. Д. Условия произрастания кустарника и поросли на трассе нефтепроводом Скорость движения бульдозера Четра ТИС с навесным кусторезом на трассе нефтепровода / А. Д. Булавинцева // Основы рационального природопользования : материалы IV междунар. науч.-практ. конф. [16-18 мая 2013 г.] - Саратов, 2013. - С. 215-218. (0,25).

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д212.115.02 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3, ПГТУ, ученому секретарю. Факс: (8362) 41-08-72.

Подписано в печать 20.11.2013. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 5243.

Редакционно-издательский центр Поволжского государственного технологического университета 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

"Министерство образования и науки Российской Федерации Поволжский государственный технологический университет

На правах рукописи

04201453417

БУЛАВИНЦЕВА Анастасия Дмитриевна

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АКТИВНОГО НАВЕСНОГО КУСТОРЕЗА ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок

и лесного хозяйства»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д-р техн. наук, проф. П.М. Мазуркин

о

Министерство образования и науки Российской Федерации Поволжский государственный технологический университет

На правах рукописи

БУЛАВИНЦЕВА Анастасия Дмитриевна

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АКТИВНОГО НАВЕСНОГО КУСТОРЕЗА ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок

и лесного хозяйства»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д-р техн. наук, проф. П.М. Мазуркин

У

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 11

1.1. Общие сведения 11

1.2. Потребность расчистки территории охранных зон 11

1.3. Классификация способов удаления кустарника 14

1.4. Отраслевые различия технологий расчистки кустарника 24

1.5. Обзор существующего оборудования для срезки кустарника 26

1.6. Зарубежные способы расчистки трассы от кустарника 33

1.7. Существующие методы закладки пробных площадок 35

1.8. Анализ существующих методов измерений кустарника 38

1.9. Выводы, цель и задачи исследования 39 Глава 2. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЗУБЧАТЫХ НОЖЕЙ КУСТОРЕЗА 42

2.1. Основные положения 42

2.2. Характер возобновления кустарника на трассе нефтепровода 44

2.3. Сезонные режимы срезания древесной поросли 46

2.4. Теоретические аспекты распределения древесных растений 47

2.5. Особенности расчета повторной срезки кустов и пней 48

2.6. Влияние параметров кустарника на энергосиловые показатели 49

2.7. Способ испытания кустарника на трассе нефтепровода 50

2.8. Обоснование параметров зубчатых ножей 53

2.9. Выводы 55 Глава 3. ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ПОЛЕВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 57

3.1. Исходные предпосылки 57

3.2. Краткая характеристика участка нефтепровода Марийского РНУ 5 8

3.3. Природные условия, рельеф трассы участка Марийского РНУ 59

3.4. Методика выбора участков и пробных площадок исследования 62

3.5. Методика измерения параметров кустарника на трассе

л. 66

нефтепровода

3.6. Методика обработки результатов измерений 67

3.7. Идентификация устойчивых законов 69

3.8. Методика сравнения пробных площадок на разных трассах 70

3.9. Проверка адекватности модели 71

3.10. Методика статистической оценки результатов замеров диаметра 73

3.11. Выводы 75 Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ КУСТАРНИКА 77

4.1. Общие сведения 77

4.2. Распределение кустарника по пробным площадкам 80

4.3. Ранговое распределение диаметра стволов, кривые диаметра и

83

высот

4.4. Распределение кустов и пней по пробным площадкам 87

4.5. Изменение максимального диаметра кустов поперек трассы 89

4.6. Густота растений поперек трассы 91

4.7. Диаметр и густота растений над трубопроводом 93

4.8. Сравнение пробных площадок на разных трассах 95

4.9. Выводы 98 Глава 5. ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КУСТОРЕЗА 101

5.1. Исходные предпосылки 101

5.2. Расчетные схемы расчистки кустарника и поросли 102

5.3. Выбор параметров зубьев инструмента 105

5.4. Обоснование количества одновременно срезаемых стволов 106

5.5. Обоснование параметров режима срезания кустов 108

5.6. Расчет касательного усилия резания и нормальной силы 109

5.7. Предлагаемая кусторезная головка 111

5.8. Выбор базовой машины на основе бульдозера 112

5.9. Учет распределения кустов по диаметру 116

5.1 U.Режим срезания кустов без учета пней t2ö~

5.11. Рекомендации по изготовлению 123

5.12. Эффективность применения кустореза на базе бульдозера 124

5.13. Экономическая эффективность технологии расчистки 126

5.14. Выводы 129 ЗАКЛЮЧЕНИЕ (основные выводы и рекомендации) 132 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 134 ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Акты внедрения, патент на изобретение 152

Приложение 2. Данные замеров диаметра стволов и высот кустов 158

Приложение 3. Ранжированные ряды значений диаметра стволов 171 Приложение 4. Закономерности распределения диаметра стволов

от ранга, кривые диаметра и высоты 179 Приложение 5. Ранжированные ряды значений диаметра стволов

с учетом пней на пробных площадках 181 Приложение 6. Закономерности распределения диаметра стволов

от места расположения в створе наблюдений 182

Приложение 7. Закономерности густоты от места в створе 183 Приложение 8. Данные замеров диаметра стволов и высот

у кустарника на пробных площадках других трасс 184 Приложение 9. Ранжированные ряды значений диаметра стволов

на других трассах 189 Приложение 10. Проверка адекватности закономерностей рангового

распределения диаметров стволов 192

Приложение 11. Статистическая оценка результатов замеров диаметра 206

Приложение 12. Технические характеристики бульдозера Четра Т11С 216 Приложение 13. Графики результатов расчетов предельной

скорости подачи с учетом срезания пней 222

Приложение 14. Графики результатов расчетов предельной ^25 скорости подачи без учета пней

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Кусторезы активно применяются во многих отраслях национального хозяйства, однако срезанные надземные части кустов недостаточно используются в кормопроизводстве и для производства щепы. При этом кусторезы на бульдозерах изготовляются в основном только с пассивными органами, и это не позволяет срезать кусты без их загрязнения почвой и грунтом. Особую актуальность расчистка от кустарника и поросли имеет на линейных объектах, проходящих в лесных массивах.

В процессе эксплуатации линейных объектов должны соблюдаться определенные требования к содержанию трассы, в случае эксплуатации трубопроводов, например, магистральных нефтепроводов, полоса земли шириной не менее 3 м от оси с каждой стороны нефтепровода должна содержаться в расчищенном состоянии (от деревьев, кустарника, поросли). Расчищенная от древесно-кустарниковой растительности трасса позволит более эффективно контролировать эксплуатационную надежность и безопасность линейных объектов.

В нашей стране линейные объекты, в большей части, проложены по территории земель лесного фонда и на малонаселенных территориях, поэтому для организаций, обслуживающих эти объекты, ежегодная расчистка трассы от кустарника и мелколесья весьма актуальна.

Анализ существующих способов расчистки трассы от древесно-кустарниковой растительности показал, что используемые в настоящее время средства не всегда эффективны. Расчистку охранной зоны нефтепровода от кустов и пней, оставшихся от предыдущих расчисток, выполняют ручным инструментом, а это малопроизводительно и требует больших трудовых и денежных затрат. Существующие машины для удаления кустарника и поросли применительно к расчистке трассы нефтепровода либо малоэффективны, либо их использование не возможно.

Организации, обслуживающие нефтепровод, в частности Марийское районное нефтепроводное управление (Марийское РНУ) ежегодно проводят

мониторинг состояния участков трасс, составляя дефектные ведомости на те участки нефтепровода, которые требуют расчистки от кустарника. Затем технологи формируют план расчистки закустаренных участков трассы на год.

Работы по освобождению трасс от зарослей кустов, как правило, порослевого возобновления от пней, оставшихся от прошлой срезки, выполняют подрядные организации. А те нанимают неквалифицированных рабочих.

Зарастание дорожных подъездов и транспортных подходов к технологическому оборудованию нефтепровода и трассовых территорий древесно-кустарниковой и травянистой растительностью затрудняет поддержание магистральных трубопроводов в технически исправном состоянии. Такое зарастание осложняет непрерывный контроль высокого давления в трубопроводе, а также быстрой доступности трассы для технического облуживания и ремонта трубы, затрудняет оперативный доступ к аварийным участкам, может способствовать выходу из строя технологического оборудования. На трассе нефтепровода должна быть обеспечена возможность проезда и подъезда к трубопроводу различных машин для выполнения профилактических, ремонтных и аварийных работ [30]. Поэтому расчистка нужна и за пределами трубы.

При расчистке линейной части нефтепровода следует учитывать тот факт, что трасса характеризуется малой шириной и большой протяженностью. Особенности расчистки трассы нефтепровода заключаются в том, что кусторезная машина не должна подъезжать близко к нитке нефтепровода. Повреждения наездом на нефтепровод могут привезти к образованию поверхностных вмятин, трещин, разрывов в сварных швах и по телу трубы. Передвижение кусторезной машины над нефтепроводом может привести к вибрации трубопровода, вызванной движущимися массами.

Особое внимание для расчистки полосы земли от кустарника и поросли над нефтепроводом следует уделить специальным кусторезным машинам, осуществляющим срезание древесно-кустарниковой растительности на максимальном удалении от оси трубопровода.

При расчистке остальной части трассы особых требований не предъявляется. Расчистка может осуществляться даже отвалом бульдозера. Поэтому базовой машиной для навески кусторезного оборудования вполне может стать гидрофицированный бульдозер достаточной мощности.

Для расчистки трассы нефтепровода необходимо разработать отраслевую программу по борьбе с нежелательной растительностью, которая поможет снизить трудовые и денежные затраты, повысить производительность.

Расчет энергосиловых показателей для базовой машины кустореза и выбор типа машины является основной составляющей в разработке такой программы. Но для расчета энергосиловых показателей необходимо изучить реальные условия работы кусторезной машины, то есть определить тяжесть режимов срезания кустов и пней, оставшихся от предыдущих расчисток. Но для этого предварительно требуется выявлять закономерности распределения кустов и пней по диаметру ствола и густоте кустарника и поросли. Поэтому актуальной также является разработка новой методики расчета энергосиловых показателей кустореза с активными режущими головками, навешиваемого на серийно выпускаемые отечественные энергонасыщенные бульдозеры.

Бульдозеры также применяются на других процессах по прокладке трассы в лесу, монтаже и ремонте трубопровода, поэтому бульдозер с предлагаемым рабочим оборудованием может быть использован и в лесном комплексе.

Цель диссертационной работы - обоснование режимов срезания кустарника и параметров активного навесного кустореза на базе бульдозера для линейных объектов на примере участка трассы Марийского РНУ магистрального нефтепровода «Сургут-Полоцк».

Дтя достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) разработать методики измерения параметров кустов и их густоты на пробных площадках 4x4 м непосредственно над нефтепроводом;

2) провести полевые опыты на пробных площадках по трем участкам магистрального нефтепровода «Сургут-Полоцк» в лесном фонде РМЭ;

3) выявить закономерности рангового распределения диаметра стволов и пней;

4) выбрать энергонасыщенный базовый бульдозер для монтажа активного сменного навесного кустореза с дисковыми зубчатыми ножами;

5) разработать модель и методику расчета энергосиловых показателей и обосновать допустимую рабочую скорость кустореза;

6) оценить ожидаемую экономическую эффективность применения предлагаемого активного навесного кустореза на бульдозере;

7) внедрить результаты измерений и технические решения по патенту на изобретение и рекомендации в производство и учебный процесс.

Объект исследований. Кустарник, а также пни, оставшиеся после предыдущих расчисток, на пробных площадках 4^4 м на участке трассы Марийского РНУ магистрального нефтепровода «Сургут-Полоцк».

Предмет исследования - закономерности распределения кустов и пней по густоте и диаметру ствола, расчетные параметры зубчатого венца режущих головок навесного кустореза, математическая модель для расчета энергосиловых показателей активного навесного кустореза.

Методы исследования. Обоснование параметров активного навесного кустореза, закладки пробных площадок по ОСТ 56-69-83, полевые эксперименты ВАСХНИЛ, обследования трассы нефтепровода по РД-13.100.00-КТН-196-06, картографический анализ трассы нефтепровода, а также методы статистического моделирования, описательной статистики, идентификации закономерностей при статистическом моделировании в программной среде Curve Expert и численные методы расчетов в Excel.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) методики выбора участков и пробных площадок на линейных объектах, а также замера диаметра стволов, количества поросли по створам и пробным площадкам на трассе трубопровода;

2) статистические модели распределения диаметра стволов и пней;

3) математическая модель и методика расчета энергосиловых показателей кустореза с учетом закономерностей распределения кустов и пней;

4) алгоритм выбора базового бульдозера, технические и технологические решения срезания кустарника.

Научная новизна. Способ испытания растительного покрова на участках трассы (патент № 2473898) по отбору участков измерений и закладки пробных площадок, позволяющий проводить измерения диаметра стволов, высоты побегов, количества растений. Обоснование режимов срезания кустов на трассе нефтепровода. Закономерности рангового распределения диаметра стволов, позволяющие снизить энергетические потребности кустореза. Математическая модель и методика расчета энергосиловых показателей, позволяющая обосновать значения допустимой рабочей скорости подачи бульдозера с кусторезом. Блок-схемы функций, позволяющие учитывать в энергосиловых расчетах графики влияния рабочей скорости кустореза с бульдозером Четра Т11С в непрерывном режиме изменения скорости подачи гидростатической трансмиссией бульдозера.

Теоретическая значимость. Выявленные закономерности расширяют существующую теорию расчета параметров активного кустореза, навешиваемые на разные типоразмеры бульдозеров в зависимости от региональных условий произрастания кустарника и поросли. Предложенная математическая модель позволяет обосновать параметры режимов срезания кустарника и вычислять оптимальную скорость подачи на кустарник бульдозерами с гидростатической трансмиссией.

Практическая значимость. Энергосиловые показатели по худшим условиям срезания позволяют на этапах проектно-конструкторской деятельности снизить установленную мощность двигателя базовой машины. Графики влияния скорости подачи бульдозера позволяют до расчистки трассы определить максимальную производительность кустореза. Замеры кустов по предложенным методикам следует проводить работниками обслуживающим нефтепровод за месяц до расчистки трассы. Все расчеты по математической модели обеспечивают выбор базовой машины из парка машин нефтепроводного управления. Для рас-

чистки трассы участка Марийского РНУ магистрального нефтепровода «Сургут-Полоцк» требуется только покупной сменный кусторез, что позволяет добиться экономии выделенных финансовых средств.

Предложенный способ можно применять также на трассах газопровода, автодорог, железных дорог, линий электропередач и т.п.__

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В диссертации исследованы параметры стволов кустарника и поросли как предмета обработки кусторезами, а также размерных и энергосиловых параметров активного навесного кустореза на бульдозер, которые соответствуют пункту 1 «Исследование параметров и показателей предметов труда, деревьев и их частей, ...» и пункту 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» паспорта специальности 05.21.01.

Достоверность выводов, основных положений и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждаются производственными экспериментами, результатами математического моделирования данных измерений с учетом реальных условий произрастания поросли на участке нефтепровода Марийского РНУ при замерах с погрешностью до 1% и коэффициентом корреляции у выявленных закономерностей не менее 0,9.

Реализация результатов исследования. Результаты исследования были рассмотрены в Марийском РНУ и ОАО «Энергия», где принято решение о применении их в производственном процессе обслуживания трассы нефтепровода «Сургут-Полоцк», а также используются студентами специальностей 131016 «Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ», 270841 «Монтаж и эксплуатация оборудования и систем газоснабжения» при изучении дисциплин «Сооружение газонефтепроводов и газонефтехранилищ», «Организация и технология монтажа газораспределетель�