автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и разработка спаренной подвесной канатной системы для транспортирования древесины



государственный комитет рсфср по делам науки и высшей школы

воронежский ордена дружбы народов лесотехнический институт

На правах рукописи

ЛЫСЫК

Богдан Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА СПАРЕННОЙ ПОДВЕСНОЙ КАНАТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.01 — Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж — 1992

Работа выполнена на кафедре прикладной механики Львовского лесотехнического института им. акад. П. С. Потребили.

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент М. П. Мартыицив. Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор Огарков Б. И.; — кандидат технических наук, доцент Смогупов Н. С. Ведущая организация — Львовский филиал Ивано-Фран-

ковского проектно-копструкторско-го технологического института.

Защита диссертации состоится « £ » 1992 г.

. .. . часов в аудитории 348 на заседании специализированного совета К.064.06.02 при Воронежском ордена Дружбы народов лесотехническом институте.

Просим Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями направлять ученому секретарю специализированного Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВЛТИ.

Автореферат разослан « {(^ » £-6-__

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук,

доцент К' КУРЬЯНОВ

даэдя] ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность проблемы. Сохранение всех богатств горних лесов им будущих поколений требует бережной высококвалифицированной их жсплуатации. Наиболее приспособлены для транспорта леса в горних условиях подвесные канатные установки, которые, перемещая лесные Ч?уэы в подвешенном состоянии, сохраняют почву, подрост и все ¡опутствупщие богатства живого леса. К тому же, они отличаются ганимальной энерго я металлоемкостью в сравнении со всеми другими [аземныии транспортными малинами и механизмами. Поэтому, канатны:! •ранспорт леса получил широкое признание во всех странах мира , жсплуатирущих горныз леса. Проблею его дальнейшего совертенст-ювания продолжает оставаться актуальной и перспективной. Снкде-шз за последние годы запаса древесины на осваиваемо!, лесосеке 'до 1000 м3/ и значительное удаление разрабатываемых лесосек от ятомобильных дорог ставят задачу подтрелевки древесины к основ-га Я трассе установки. Для освоения лесосек, удаленных от лесовоз-юй дороги на 1000-2000 м, и механизация сбора древесины со всей лоцади, известно рад схем с использованием канатных систем.

Однако, существующие канатные систем сяож'и в монтаже, тре-¡уют много рабочих на перецепке грузов, кмеот небольяуя проиэво-;ительность, тая как болыаинство операция проводите* сне »от ея-.кмости, а такяа сравнительно бользое время одного цикла работу становки.

Цель работы. Изучение специфики лесозаготовок в гор«« усяо-иях и исследования схем канатных систем приспособленных я эксаь* ии горных лесов я обеспечивающих сбор древесины с площади леео-еки.

Использование полученных результатов исследований для научного обоснования и разработки спаренной канатной системы, имею -щэй высокую производительность, надежность несущих канатов и экономическую эффективность.

Основные задачи исследования:

- создать подвесную лесотранспортную систему, обеспечивающую сбор древесины с площади лесосеки и удовлетворяющую требованиям лесного хозяйства и лесозаготовительного производства;

- разработать методику расчета несущих канатов таких систем;

- обосновать основные параметры подвесных лесотранспортных систем;

- произвести опытно-производственную проверку предложенной методики расчета несущих канатов спаренной системы.

Методы исследования включают обзор и систематизацию материалов о работе несущих канатов по литературным источникам, натур -ныв обследования действующих подвесных канатных установок на лесозаготовительных предприятиях Карпат, теоретические и опытно -производственные исследования работы несущих канатов, обработку полученных результатов средствами математической статистики и использование ЭВМ для решения конкретных вадач.

Научная новизна заключается в разработке схемы спаренной канатной системы, защищенной авторским свидетельством >1477599; в построении математической модели подвесная канатной системы и получении зависимости для определения динамических усилий, возникающих в несущих канатах в процессе перемещения каретки с грузом, удара каретки по перегрузочному устройству с автоматической перегруз км пачки древесины с одной установки на другую.

В такой постановке подобные задачи ранее не рассматривались.

Практическая ценность. Проведенные исследования положены в основу конкретных практических рекомендаций по выбору параметров . спаренной канатной установки при ее проектировании и эксплуата -ции.

Предложенные теоретические зависимости и рекомендации также могут быть использованы при проектировании подвесных систем и в других отраслях прокыж.екности - в строительстве, сельской хозяйстве и га стационарных канатных дорогах.

Реализация работы. Методика расчета канатной оснастки и предложенные практические рекомендации использованы Львовским филиалом ПКТИ при выполнении договора 87903 "Разработка и создание спаренной канатной установки для сбора древесины с плоцадм лесосеки и автоматической перегрузкой пачки древесины в полностью подвезенном состоянии".

Спаренная канатная установка смонтирована в Велико-Бычков-ском лесокомбинате объединения "Закарпатлес" и проила производстве! ;ные испытания.

Расчетный якономический эффект при использовании установки на постепенно-выборочных-рубках и рубках ухода составляет 6600 руб/год.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены: на республиканской научно-технической конференции "Комплексное использование древесного сырья и внедрение безотходной технологии в лесной и д/о промышленности /г.Ив.-Фрадковск, 1985год/; на Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути улучаения использования лесосырьевых ресурсов бука" /г.Краснодар 1988год/;

- 6 - .

на расширенном заседании кафедр прикладной механики, механизации лесоразработок, высшей математики Львовского лесотехнического института /1991 год/; на кафедре механизации лесоразработок Воронежского лесотехнического института /1991 год/.

Публикации. По теме диссертации опубликовано в работ, отражающие основные положения проведенных исследований,

Обьем диссертации. Работа состоит из введения» б разделов м приложения. Основной материал изложен на 148 страницах, включает 7 табл., иллюстрован 37 рисунками; список литературы содержит 40 наименований.

СОдеРКАНИЕ РАШМ

I. Состояние вопроса и постановка задачи исследования.

Горные леса являются одним из основных богатств природы, играющих значительную роль в охране окружающей среды и обеспечении лесной промышленности ценным древесным сырьем.

Вопросам совершенствования механизации первичного транспорта леса в горнчх условиях посвящены работы многих ученых, С целью изучения реальных условий работы подвесных ласотранспортных систем в условиях Карпат, с участием автора, было проведено обследование работы канатных установок для сбора древесины с площади лесосеки.

Анализ результатов обследования позволил выявить причины, ограничивающие применение существующих канатных лесотранспортных установок. Основными из которых являются : сложность в монтаже; значительная численность рабочих на перецепке груза; недостаточная надежность канатной оснастки, особенно совместно работающих канатных систем; их низкая производительность.

Главными работ«си злекенташ подвесных систем являются носу-гря каната.

В сЛтаети исследования несущих канатов известны работы проф. Качуряня В.К. /1942-62 г.г,/, проф. Дукельского /1933-65 г.г./, проф. Белой H.H. /1955-6& г.г./, Экспериментальна© исследоеанил, а также дяльиейзео развитее я уточнение методики расчета несущих канатов вдаоянеяи so Льесгэеком легсотехняческои институте1 под руководством приф. Бело(* H.ÍÍ. /1967-8& г.г./.

. В основу статического расчета ггесутрк канатов системы положена теория гвбкнх нитей» Оржгем крзжсЯ провисания канатов пргаш-кались "парзбог«", или "цепная шгяя".

Однако, теоретические иесяедоешгй ггрогодклись для систем с одняя нее$фги канатом, где ртшгетзскт гйгрузкя нееуп^естсенгл» гопизт йэ увехтетю ict натяжек«*.

Д«я irssar/aot систем с нескольким* несущим? юйитййя cji^asT-веянн гначеттельнда поперечна® я продольна© кетаге^атет» от» пощадит я к увеличении натяжений. ffoanowy, ггря разрвбмя» ветоддаг» ргетвта несуазос канатов таяях систем, необходим? учятгшть дииа-натрузк*. Кроме тег., стрела пр*««* j ед* к*-гкяпоа1 превнкяют Ь55 длины пролета £ / Í ^ÖVß&^Z, а » этой сяу^ггг криво» провисания каната яйгжэтсл "датеа* *йййд,г. Йетвдика ржгчэта несгигта кдаатов пет методу "цепней шш" разработай» проф. В-.К. Качурияш. Одаякп stt теория тизет mere вбп$пг положен гася1 и, по: йнврра» саззшрсу BJC. Качуряня, "я» «вжет быт» иелтизойв-кэ дате рвшзияя прикладных задач"'..

Разработка схема cnspemfoff яаиатной cncremt для сборе древесин?? с площади лесосеки я создали® ктето-дит? расчет® ее карйвдад» acHScTínr с госяедукизй* сгаганой гфвввркмГ оснойгавг •Péep&sttQ&iHftX

- в -

положений и явились основными задачами настоящей роботы.

2. Подвесная канатная система для сбора древесины с площади лесосеки»

Существующие канатные системы для сбора древесины с площади лесосеки имеют целый ряд существенных причин, ограничивающих их использование. Для устранения этих причин была разработана механическая модель спаренной канатной системы, состоящей из четырех пересекающихся несущих канатов, в точке пересечения которых помесно автоматическое перегрузочное устройство /рис.1./.

РисЛ. Спаренная воздушно-трелевочная канатная установка.

I - продольный несущий кана~; 2 - перегрузочное устройство; 3 - тяговый канат; 4 - переставной поперечный несущий Ш1Д?5 5 - груэоподьемний канат.

Спаренная канатная установка обеспечивает подтрелевку древесины к основной трассе, автоматический порегруз пачки и транспортировку ее к погрузочной площэдко. Все операции производятся в воздухе, те есть пачка древесины находится в подвешенном состоянии. Установка обеспечивает сбор древесины со всей площади лесо-лекп на расстоянии до 200 м от основной трассы и транспортировку ее вдоль этой трассы до 1000 м.

3. Статический расчет несущего каната.

На основе обзора и анализа известных работ в области исследования несущих канатов, разработана методика статического расчета несущих канатов системы с учетам особенностей их навески. В основу расчэта положена теория гибких нитей, разработанная проф. В.К. Качуркным. Дяя возможности использования общей теории Качу-рина В.К. применительно к подвесным лесотранспортным установкам, в работе выполнен анализ уравнения цепной лгнил, определены ее основные параметры. Расчетная схема несущего каната представлена на рис. 2,

С

Рие.2, Расчетная схема несущего каната.

- 10 -

Развернутое уравнение цепной линии имеет вид:

Величины горизонтальной составляющей Н натяжений, полного натяжения Т каната, положение /<Х/„ал . t максимальной стрелки провеса и провесы {та.м определяются из вависиыостей:

И—".. , /2/

где - сила тяжести единицы длины каната;

Ххв - Л*1014 к»«®"« Хв-А —Хй -ХА ] %-А - Уб-Уд ; Хь+А ГГ А .

Полученные аависиыости /I/ - /5/, в которые входят в явном виде координаты граничных точек и длина,удобны при расчетах.

В процессе расчета найдено, что при длине каната равной 1,258 пролета, усилия в канате будут минимальными.

- II -

4, Динамика канатной системы подвесной спаренной установки. Задачи определения усилий в несущих канатах спаренной установки в процессе загрузки и подьема груза с основания, перенещо-ние каретки с грузом и в процессе ее внезапной остановки, сводятся к рассмотрению продольных колебаний участка каната между опорой и мостом расположения каретки с грузом. Изложение оснобяно на допущении, что при продольных колебаниях участка каната его поперечные сечения остаптся плоскими, и частицы, лежащие в этих сочэ-ниях совершают движения только в направлении оси каната.

Процес продольных колебаний описан функцией , пред-

ставляющей в момент ~Ь смещения сечения, имеющего в положении равновесия абсциссу . Усилия в поперечных сечениях определены по закону Гука:

Т- С СШ I - *

где Впр - приведенный модуль упругости каната,

/-* - площадь металлического сечения каяата. Получены следующие зависимости для определения усилий в несущих канатах:

а/ при загрузке грузовой каретки

к* о '

б/ при педьемэ груза

п,

в/ при перемещении груза по несущему канату

сила тяжести груза; У/ - ускорение подъема груза; 2 - ускорение свободного падения; О. - скорость перемещения каретки с грузом;

С ~цГ >

^ - сила тяжести единицы длины каната.

Рассмотрев задачу о колебаниях участка каната с грузом на конце, находим величину максимального динамического усилия в несущей канате при внезапной остановке движущейся каретки

т

~ Н^ш. •

Учитывая, что значение очень мало, то выражение /9/

о

можна представить в веде:

i ~-щ- • /ю/

Одним нз опасных режимов работы продольного несущего каната есть загрузка грузовой каретки вблизи перегрузочного устройства. Схема навески несущих канатов спаренной канатной установка и расчетная схема для определена динамических усилий на участке каната приведена на рисунке 3.

Величина натяжения в каждой точке каната определяется выражением;

Рис. 3. а/ Схема навески канатов установки; б/ Расчетная схема для определения усилия на участке каната.

dрj ■+ Ни

,е уЗ, - найненьдшй корень уравнения - ^ ; f* —

Р - вес перегрузочного устройства; ßo - вес каретки с грузом;

/И/

_____л

f Т|Н

i

»

?Л

}Т,И

о j0¡> <scú s1ú wo №0 pti{

q 200 4<ХЭ ée0 S.M i

не. 4. График зависимости дина-ического усилил от гвса поре-рузочного устройства.

Рис. 5. График зависимости динамического усилил от длины участка каната.

- 14 -

Из зависимости /II/ и графиков /рис.4, и рис.5./ следует, что проявление динамических усилий существеннее при меньших вес перегрузочного устройства. Подсчет максимальных динамических и статических усилий показал, что когда перегрузочное устройство 1 нагружает продольный канат, максимальное динамическое натяжение составляет около 3055 максимального статического натяжения, а 1 случае нагружения продольного каната перегрузочным устройством максимальное динамическое натяжение составляет около \Щ> макси -мального статического. Такие выводы сделаны при допущении, что участки поперечных канатов вблизи перегрузочного устройства образует между собой угол близкий к О6". В работе исследованы еще два неблагоприятные режимы работы спаренной канатной установки -удар каретки с грузом по перегрузочному устройству и стопорение ее в перегрузочном устройстве, а также перегрузка пачки древесины с поперечной установки на основную транспортную. При этом возможны совместные перемещения перегрузочного устройства, каретки с грузом и несущих канатов как в горизонтальном, так и в верти -кальном или в каком либо другом направлениях.

Расчетные схемы для определим дополнительных динамических натяжений несущих канатов показаны на рисунках 6,7.

Согласно схем, представленных на рис.6,, рис.7, движение системы описывается движением точки М »в которой сосредото -чена масса М всей системы. В диссертации рассмотрен вопрос приведения массы системы в точку М- . Дифференциальные уравнения движения точки И имеют вид:

Х+к1Х +£Х3=0 /к/

ив, б. Расчетная схема для оп-еделення натяжений несущих ка-атоа при ударе грузовой карет-и по перегрузочному устройству.

Рис. 7. Расчетная схема для определения натяжений несущих канатов при перегрузке груза с поперечноД установки на транспортнут).

Решения уравнения вг^а /12/ найдены методом малого парамет-а. Динамические усилия при ударе грузовой каретки по первгрузоч-ому устройству определяются зависимостями:

' 1г-Ц?0 ' /з=2ЦГ ' /13/

5а Vс - скорость каретки в момент удара;

1-ю , 1-го, ¡-¡о - длины ветвей канатов;

Как видно из зависимостей /13/( динамические усилия в канатах величиваются пря увеличении скорости . Продольные участки зната не испытывает существенных изменений в натяжении. А уси-11Я в поперечной канате могут достичь критических значений. Уже рз скорости 1/о«3,$ы/с, 7}

з 218515,2 Н, причем разрывное гилиэ "Тр « 219500 Н. Числовой расчат проведен для случая: Ч - 2300 кг, Епр * 1,0 • Ю^'н/ы^» канат ГОСТ 2688-80,

а< = 19.5 мм.

Динамическио усилия при перегрузке груза с поперечной ус -

т- сР<?г

тановки на транспортнуп равны: — •

Максимальное натяжение несущего каната транспортной установка при перегруз:..' с поперечной установки на •транспортную опреде -ляется из зависимости:

-г - и (р*9,+№+ъигтиъ см).

Итсарж ¿¡.г /14/

где , €т- длина максимального пролета несущего каната транспортной установки;

- максимальный провес несущего каната транспортной установки;

угол наклона хорды максимального пролета к горизонту; ~1с(,Тс2- статические натяжения ветвей несущего каната поперечной установки, определяемые зависимостями /2/, /3/; V* - угол между То и Тег ; - статическое отклонение

системы от положения равновесия; й - длина ветви несущего каната транспортной установки; Динамические усилия составили 0,03 - бй от максимального статического.

5. Опытно-производственная проверка основных теоретических зависимостей.

С цельо проверки основных теоретических зависимостей по определенно усилий в поперечном и продольном несущих канатах был создан, Львовским филиалом ГОСТИ и Львовским лесотехническим «иститу-том(с участием автора, экспериментальный образец спаренной канат-

>й установки.

Экспериментальная канатная установка была смонтирована в яико-Бычковскоы лесокомбинате объединения Закарпалес.

Параметры экспериментальной установки: трехпролетная гран -ортная установка ЛЛ-26 /пролеты: С( = 220 м; lz = 96 и;

= 180 ы; углы наклона хорд пролетов: оЦ = 26^; aiz = 22°; зЦ = 28°/, поперечная установка /пролеты: С= ПО м; ¿5- =бflu; лы пролетов оЦ- Ю°; = 16" /.

В качестве несуцих использованы канаты ГОСТ 2688-80 hc<* 25,5 им. Монтажное натяжение продольного каната составило

0 = 168 кН, поперечного То' = 72 кН. Для замера натяхений в не -щнх канатах были использованы силовые динамометры ДОУ-&-2 и У-20-2 лаборатории кафедры прикладной механики ЛЛТ11, точность казаний которых была предварительно проверена на разрывной иа-не ГШ-50. Усилия замер;/шсь на протяжении всего цикла работ, йсовые нагрузки составили: 23,5 кН; 16,8 кП; 24,6 кН; 18,2 кН; ,3 кН.

В результате обработки опытных дант-гх^получаны уравнения гресии, графический анализ которых позволил сравнить результаты еретических и экспериментальных исследований /рис.7./.

Анализ графиков /рис.7/ показал, что расхождение между тео-гическныи и огштными значениями составили что допустимо

1 таких систем.

В процессе эксплуатации спаренной установки обрывов канатов зерьезных поломок не наблюдалось.

- 16 -30

га 10

-— ■

1

2

по т^ьа т и кц по т

Рис. 7. Графики зависимостей максимального натяжения несущего каната от весе груза: дата поперечной установки; б/ для транспортной установки; I - яеореыгевсЕша кривая; 2 - экспериментальная кривая.

б. Оетовные выводы и практические рекомендация.

Вдаслненные исследования и их анализ позволил сформулировать рад научных бшодов:

1. На основам«! гяуйстеэго- анализа конструктивных особенностей существующая таааттах систем разрой отана схема спаренной, канатной системы для сбора древесины с пчсщяди лестсезш путем поперечной трелевки древесины1 с автоматический перегружай ее ш транспортную установку.

2.Выполнен анализ класеядасзеого; уравнения цепда® лиияиг ж предложены зависимости для определения квзиктаив? я деформаций' несущих канатов.

3. Предложена методика расчета канатной- сгснасткя спаренной1 подвесной системы с учетом динамических ншгружений.

4. Опытно-производственная проверяя подтвердила правомерибетж основных аналитических зависимостей. Ййяэгожлми; теоретически* я

- 19-

гсурных значений составили до

Перечисленные выводы позволили завершить исследования пре -южением методики расчета несущих канатов спаренной подвесной ус-[новки и сформулировать основные практические рекомендации:

1. Натяжение несущих канатов следует(для спаренных канатных 1стем)определять с учетом динамических нагружений, в отличие от огопролетных существующих канатных установок, где динамические гружения несущественно влияют на увеличение натяжения каната.

2. При отрыве груза от основания предельные нагрузки на не-щий канат увеличиваются вдвое в сравнении состатическими.

3. При внезапной остановке грузовой каретки с грузом вблизи регрузочного устройства натяжение каната следует определять из висимости /9; 10/. При этом, когда угол наклона участка каната

30°, а скорость движения каретки находится в пределах

\Г Ю м/с коэффициент динамичности составляет 1,9 - 2,3,

4. Максимальное натя-.зние продольного несущего каната в за-гимости от схемы спаренной установки следует определять из выра-<ия /14/.

5. Для уменьшения натяжений поперечного и продольного несущих натов необходимо стремиться подвесить канаты на одной уровне, а регрузочное устройство крепить жестко.

6. Натяжение несущего каната транспортной установки с учетом (аыических нагружений увеличивается на 15 ... 20£,

7. Скорость движения грузовой каретки в момент контакта с эегрузочным устройством должна не превышать 3 м/с, тах как при Ш существенно увеличивается динамическая составляющая натяжения !ата.

8. Для установок повышенной грузоподъемности, с целью уизнь-

пения динамической составляющей натяжения несущего каната, стрел-

возможности минимальной.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Мартдацив М.П., Лысык Б.В., Задорожный В.В. Исследование скорости движения груза канатных лесоспусков и подвес, .ых лесо -транспортных: установок. //Комплексное использование древесного сырья и внедрение безотходной технологии в десной и д/о промдален-ности. -Теэ.докл.Респ.н.т.конф. Ив.-£>ранковск; ГОСТИ, 1985,с.49-50.

2. Лысык Б.В., Турчин И.В. Исследование траектории движения груза канатных лесоспусков. //Комплексное использование древесного сырья и внедрение безотходной технологии в лесной и д/о про -мышсенности. -Теэ.докл.Респ.н.т.конф. Ив.- Франковое; ПКТИ, 1985, с.28-30,

3.Белая Н.Ы., Лысык Б.В. Исследование работы подвесных канатных лесотранспортныа установок и разработка рекомендаций по совершенствовании ах конструктивных элементов. //Отч. ГБ-17-81, Инв. Ю287.0047836, ВННШНТИ, 1987, с.28-34.

4. Ыартынцив К.П., Лысык Б.В., Бадера И.С. Перспективы ис -пользования спаренных канатных установок для освоения буковых лесов в горных условиях". //Пути улучшения использования лесосырьевых ресурсов бука, -Тез.докл.Всес.н.т.совещ. - М., 1988, с.12в-132.

5. М&ртынцив М.П., Лысык Б.В., Криштапович В.М. Особенности расчета несущих канатов спаренных канатных установок с автоматической перегрузкой транспортируемой древесины. //Лесн.хоз-во, лесн.,бум, и деревообраб. про-сть.-1989. -Вып.20. - с.54-59,

6. Лысык Б.В., Бадера И,С., Левкович И.Е., Хома Р.В. Спарен-

ку его провеса следует выбирать из условия

т.е. по