автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эффективности лесосечных машин снижением динамических нагрузок и вибронагруженности операторов

На правах рукописи

Александрова Виктория Борисовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН СНИЖЕНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК И ВЙБРОНАГРУЖЕННОСТИ ОПЕРАТОРОВ

05.21.01. - Технология я машины лесного хозяйства и .лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 1998

Работа выполнена на кафедре проектирования специальных лесных машин Санкт-Петербургской лесотехнической академии.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор, Варава В.И.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

- доктор технических наук, профессор, Кочнев A.M.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Якимчук В.А.

Государственный Карельский научно — исследовательский институт лесной промышленности /КарНИИЛП/.

Защита диссертации состоится "¿2" 1938 г.

в Ичасов на заседании диссертационного Совета Д.063.50.01 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии / 194018, Санкт-Петербург, Институтский дар.5, главное здание, зал заседаний^.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан 4 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук,npoQefcfcpp.академик РАЕН

( Хш/v Г.М.Анисимов.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Лес - основная сырьевая база лесозаготовительной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.

От успешной работы на лесосеке зависят все последующие фазы производства .поэтому задача механизация и повышения производительности труда на валке,пакетировании и трелевке леса наиболее актуальна.

Характерной особенностью современного этапа развития лесосечных работ является дальнейшее техническое перевооружение этой наиболее тяжелой и трудоемкой фазы лесозаготовительного производства.

Технический прогресс,основанный на создании и внедрении новых машин,позволяет не только повысить производительность труда,но и улучшить условия труда рабочих,заменить ручной труд машинным .поднять культуру производства в лесу.

В лесном хозяйстве одаим из наиболее трудоемких видов работ являются рубки ухода с заготовкой древесины. Из-за отсутствия или ограниченного количества специальных лесных машин большая часть объема работ при рубках ухода выполняется с применением ручного труда.Поэтому,по мере того,как растет конструктивное совершенство применяемых машин.увеличивается уровень организации и технологии производства работ и уделяется соответствующее внимание рациональному использованию возможностей человека. ^

Традиционно технический прогресс в лесной промышленности связывают с непрерывным увеличением производительности труда. В вопросе создания новых машин это достигается за счет повышения мощности силовой установки трактора или машины.При этом происходит увеличение рейсовой нагрузки и рабочих скоростей,что в свою очередь приводит к неизбежному возрастанию периодических, ударных и других переменных нагрузок,действующих на детали машин. В то же время нагруженйость агрегатов трактора или машины определяет их прочность,срок службы и расчетные параметры.В этих условиях особое значение приобретают теоретические методы исследований,позволяющие уже в процессе проектирования машины с достаточной для инженерных расчетов точностью определить значе-

ния действующих сил. Одновременно,рост динамических нагрузок в упругих связях машины приводит к усилению вибронагруженности ошратора.Снижение вибрации и обеспечение комфортных условий труда операторов (машинистов) является также важной задачей.

В настоящее время на лесозаготовках и в лесном хозяйстве большинство видов работ выполняется лесными машинами,оборудованными манипуляторами с различными сменными рабочими органами.

Мировая программа ведения лесозаготовок показывает,что лесные машины с манипуляторами останутся основными и в ближайшем будущем.В связи с этим их дальнейшее совершенствование и модернизация является целесообразным .

Цель работы - разработка теоретических основ динамики взаимодействия лесосечных машин с предметом труда в режимах валки дерева,трелевки и разгрузки пачки,обеспечивающих снижение нагруженное™ машин и вибронагруженности операторов.

Объекты и методы исследований. Объектом теоретических исследований являлась динамическая система " Лесосечная машина - предмет труда - оператор " и ее основные подсистемы.Объектами машинных исследований на АВМ являлись валочно-трелевочные машины ЛП-17, ЛП-17А, ВП-80 и ЛП-49.

Теоретические и машинные исследования базировались на применении графо-аналитического моделирования,статистических методов и аналоговой вычислительной техники.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в разработке математических моделей динамической системы "Лесосечная машина - предмет труда - оператор",позволяющих исследовать взаимодействие лесосечных машин с предметом труда - деревьями в режимах направленного повала,стационарного движения по волоку и разгрузки пачки ходом машины ¡выявлении закономерностей ударных нагрузок на машину и установлении уровня нестационарной и стационарной нагруженности лесосечной машины и вибронагруженности ошратора.

Значимость для теории и практики. Разработанные математические модели взаимодействия современных и перспективных лесосечных машин с предметом труда - деревьями и трелевочным волоком, электронные модели и результаты машинных исследований на АВМ дополняют теорию лесных машин и являются базой для дальнейшего их совершенствования и создания автоматизированной системы проектирования машины.Использование теоретических раз-

работок и результатов исследования позволит обоснованно производить выбор основных параметров лесосечных машин,повысить качество проектирования при существенном сокращении стоимости проектных работ и сроков создания, а также снизить металлоемкость конструкция при повышении надежности.

Практические рекомендации и технические решения .улучшают динамические характеристики лесосечных машин и снижают уровень вио'ронагруженности операторов.

Научные положения,выносимые на защиту:

1.Математические модели динамической (механической) системы "лесосечная машина - предмет труда - оператор" и ее подсистем.

2.Закономерности и уровни динамической нагруженности лесосечных машин в режимах валки деревьев,стационарном движении по волоку и разгрузки пачки ходом машины.

3.Вибронагруженнсстъ операторов лесосечных машин б режимах стационарного движения по волоку и разгрузки пачки деревьев ходом.машины.

4.Рациональные параметры лесосечных машин,обеспечивающие снижение динамических нагрузок и вибронэгруженности операторов.

5.Технические решения»направленные на снижение динамических нагрузок в упругих связях лесосечных машин,вибронагружен-ности операторов и повышение надежности.

Апробация работа. Результаты исследований докладывались и обсуждались : на научно-технических конференциях КэрНИИЛПа (г.Петрозаводск, 1997 г.) и ЛТА (г.Санкт-Петербург, 1997, 1998 г.г.).

Реализация работы. Основные результаты исследования внедрены в институте КарНЖЛП и в учебный процесс кафедры проектирования специальных лесных машин.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в грех статьях и включены в методические пособия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов,выводов и списка .литературы.Содержание работы изложено на 149 страницах машинописного текста,иллюстрироЕанного 31 рисунком и .13 таблицами. Список литературы включает 122 наименования.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы диссертации,сформированы ее цель,научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

1. Состояние вопроса и задачи исследований.

В разделе дана классификация валочно-трелевочных машин,отмечены основные их конструктивные недостатки,а также рассмотрены метода исследований динамики лесных машин и проведен анализ публикаций.

Динамике гусеничных и колесных лесопромышленных тракторов в режимах трелевки посвящены работы Г.М.Анисимова, A.B.Жукова В.И.Варавы, Ю.А.Добрынина,Н.И.Библюка,А.М.Кочнева,М.Ф.Семенова, В.Н.Галимова, С.Г.Костогрыза, Ю.Е.Рыскина,В.И.Егорова,В.М.Костикова,Г.И.Семенова,В.Н.Смолина.Л.М.Эмайкша и других.

Взаимодействие лесных машин манипуляторного типа с предметом труда - деревом в режимах валки и пакетирования рассмотрено в работах В.А.Александрова,В.И.Алябьева,П.Д.Безносенко.П.С.Бур-мака, В.И.Варавы,A.B.Жукова ,В.П.Ермольева,В.Ф.Кушляева,Г.А.Рах-манина, В.Ф.Полэтайкина, В.Ф.Логинова, Р.Люманова,В.М.Демакова, В. П. Лащинского, В. С. Кралина ,Л.П. Максимова, Г. В. Каршева, С. А. Буша-кова.Ле Тан Куиня.Нгувн Ван Лоя.Лю И и других.

Анализ работ, посвящэнных динамике лесных машин с манипуляторами позволяет сделать следующие вывода :

1.Динамика лесосечных машин »оснащенных технологическим оборудованием - манипулятором с различными рабочими органами, изучена в значительном количестве работ. В основу теоретических исследований в большинстве работ принято математическое моделирование.

2.До настоящего времени неизученными остаются такие важные технологические операции,как валка дерева поворотом захват-но-срезающэго устройства и разгрузка пачки деревьев ходом машины.

3.В опубликованных работах, посвященных исследованию виб-ронагруженности операторов лесных машин,рассмотрены источники возмущений вибраций : микрорельеф волоков,обособленные неровности ,пуско-тормозные режимы,предает труда - деревья,ветровое воздействие и другие. Источник зарождения вибрации - ударные нагрузки при сбросе пачки не рассматривались.

Задачи исследований. В соответствии с целью работы определены следующие основные задачи исследований :

1. Разработать математическую модель механической системы "Лесосечная машина - предмет труда - оператор" и исследовать процесс разгрузки пачки деревьев ходом валочно-трелевочной машины и трелевочного трактора с манипулятором.

2.Разработать математическую модель механической системы "ВТМ - дерево" и исследовать процесс направленной валки дерева поворотом ЗСУ.

3.Исследовать нагруженность лесосечных машин и вибронагру-женность оператора в режимах разгрузки пачки деревьев ходом лесосечной машины и стационарного ее движения по волоку.

4.Обосновать параметры лесосечных машин, обеспечивающие снижение динамических нагрузок и вибронагруженности операторов в режимах разгрузки пачки деревьев ходом машины, валки деревьев (ВТМ) и стационарном движении по волоку по результатам теоретических и экспериментальных исследований.

5.Разработать технические решения и научные рекомендации на проектирование валочно-трелевочной машины и трелевочного трактора с манипулятором.

2.Теоретические исследования нагруженности лесосечных машин в режимах разгрузки пачки

Наибольшая нестационарная нагрушенность ВТМ или трактора возникают при сбросе пачки с коника.При этом вначале происходит соударение комлей с опорной линией корпуса машины,а затем его несимметричная обезгрузка.На рис.1, представлена расчетная схема модели продольно-плоских колебаний рамы машины при разгрузка пачки. Перемещение опорных точек 1,2 при сбросе пачки через обобщенные координаты подпрыгивания г = гс корпуса и галопирования р :

с/ к -сг +£ х

2 = -1212 1 и V (1)

2 1

Здесь и /г - статические прогибы опор.

Уравнения кинетостатики движения рамы в вертикальной

плоскости имеют вид:

Qi Q i '« < fT 1 Q,

i г ту <J i

Ä Л ,

h

L

m Z т

i czi+zp = О

I р + ; (¿ Z Z ) = О сг г v 2 2 i*'

или

m^Z + CZ + СрД = С/ ,

icP + с/р + сгд = сд", (2)

где

д =

/

z

I { -I f 2 2 1J i

Рис.1.Расчетная схема продольно -плоских колебаний рамы машины или трактора.

Итоговое приближенное аналитическое решение:

Z(t)=-a sin X t-a sin X. t. <pl t )= a sin \ t—a sin X t.(3)

2 o i í» 2 '

» 2 í 2

Выявлено,что в функции p(t) определяющими являются импульсное воздействие и колебания высокой частоты,а в z(t) - импульсные колебания низкой частоты.Динамическая нагрузка от единичного воздействия определена по начальным деформациям дружинных опор

Z- 2 - Ijp и Z2= Z + tj? . (4)

С цэлыо выявления динамической нагруженности базы лесосечной машины маницуляторного типа в режиме разгрузки была проведена статистическая обработка опубликованных данных по объемам трелюемых пачек ВТМ и трелевочными тракторами в условиях Северо-Западного региона и Центра. Установлено,что распределение трелюемых пачек подчинено нормальному закону с параметрами щ = 4,3 ма, » = 1.24 м8. Объемы максимально трелюемых пачек деревьев находятся в пределах 11.6.. .13.8 м3. На рис.2 приведен график зависимости ударной нагрузки на опору от объема трелюемой (разгружаемой) пачки. Из графика видно,что с увеличением объема пачки ударная натрузка существенно возрастает. При этом

i

2

2

А =

коэффициенты динамичности находятся в пределах 6.5... 12.0 (задняя опора) и 3.3...3.8 (передняя опора). Расчеты показали, что для снижения динамического взаимодействия при разгрузке пачки

ее далесообразно некоторое время задерживать на опоре машины, то есть сбрасывать в два этапа, так как при мгновенном сбрасывании коэффициенты динамичности имеют более высоюю значения. Кроме

того , для дополнительного уменьшения ударно - импульсного воздействия от пачки на раму трактора необходимо снижать угловую скорость поворота (падения) пачки посредством сокращения угла ее падения или установки на конике козырька. Вместо козырька возможны на опорной штанге мягкие ( с < 5 кн/м ) резинокордные кольца с промежуточными металлическими кольцами меньшего диаметра.

Исследованиями также установлен высокий уровень частот

колебаний (х = 14/46 с"1),что свидетельствует о малой гиб-

1

кости механической системы и небходимости установки амортизированного сиденья.

3.Теоретические исследования стационарной нагруженности лесосечной машины и оператора

Для построения математической модели трелевочной системы "трактор - пачка" использовалась расчетная схема,приведенная на рис.1, с учетом диссипации и неровностей пути:

8,иН /ООО ЬОО 600 т гоо о

/— трепевиа уа номла; 2 — грелвВиа ^а вершины _

2 4 5 3 /О /2 /4 1ГПгМз

Рис.2.График зависимости ударной нагрузки на опору от объема разгружаемой пачки.

mTZ + CZ + СДр + ßZ+ ß&p = CZ^+ßZ^ ,

.. , <5>

I2 p + СГр + CAZ + ßCp + ßbZ = Д CCZ H +■ /3Z ^ .

Ввиду малого демпфирования в системе частоты вычислялись при р = о , 2н = 0. Получен важный результат - из-за высокой

инертности пачки на порядок снижается парциальная частота угловых колебаний остова и, как следствие,основная частота системы

х = 2.6 с-1, по сравнению с ненагруженным трактором система становится гибкой.особенно на угловые колебания.

Для интегральной оценки вводилась простейшая аппроксимация спектральной плотности неровностей волока

В качестве критерия динамической нагруженности принят

главный момент сил инерции м = i^- и его дисперсия.

Установлено,что дисперсия ускорений пропорциональна квадрату жесткости с и имеет минимум по демпфированию ß. При ß =0,

d^ -»oo,D'w»o ,то есть недопустима стационарная эксплуатация системы без диссипации.Минимизация дисперсии ускорения дает оптимум демпфирования:

в D-/0 ß - О ,0*= к2Стт , к2- г[1+ттг2/Г г CI с D]"1 .

В груженом режиме работы к2 =г,ав порожнем к2= о. гэ. Поскольку в груженом режиме присутствует диссипация в пачке,то целесообразно вводить расчетное демпфирование по порожнему режиму

ß = 0.54 У с-т кН-с/ы . и = О. 27 .

О Т о

Демпферы трактора или ВТМ могут быть фрикционными и встроенными в пружины подвески.

Оптимальная сила фрикционного трения в демпферах определяется из условия статистической эквивалентности и составляет примерно 9 х от подрессоренной силы тяжести рассматриваемых

машин.Улучшение плавности хода трактора в порожнем режиме можно достичь установкой в задних опорах дополнительных "мягких" пружин жесткостью 2 кН/см.В переднем подвесе рамы такого дополнения не требуется вследствие малого расхождения нагрузки в порожнем и груженом режиме движения. Исследованиями доказано, что в стационарном режиме движения обязательна диссипация в подвеске рамы (ß > о) и сиденья (ft0 > о).При этом жесткость сиденья должна находиться в пределах 40...80 н / см.

4.Моделирование на АВМ динамической нагруженности ВТМ и оператора в режиме разгрузки пачки

В разделе обосновываются математическая модель системы "оператор - ВТМ с манипулятором - пачка деревьев" и структурная схема электронной модели.Возмущения от ударного воздействия разгружаемой пачки принимаются полученными угловыми i>(t) и линейными z(t) координатами.

На рис.3, приведена расчетная схема системы " ошра-тор - ВТМ - пачка деревьев

Расчетная схема включает приведенные дискретные массы шо , ••л и М , соединенные связями,учитываемыми приведенными жест-

костями элементов конструкций - с

со подвески сп и си-

денья - с ,а также диссипациями вязкого трения р

Zz

Рис.3. Расчетная схема системы "оператор - ВТМ с манипулятором - пачка деревьев".

Система дифференциальных уравнения имеет вид :

м z„' +ß„z' +с z' z* ,

О 'СО Со Con'

m Z + lß +ß )Z -ß Z + (C +c"r)Z -с"Г Z =ß Z +C Z ,

O O W О ' 02 ' О ' 02 2 0 i2 О 12 2 ' О уп О уП '

m Z +ß Z -/? Z -с"Г Z +Cur Z = О . (6)

2 2 02 2 ' 02 О 12 О .12 2 ' ' '

где Р

z" =z —5-!- : z = p/t)r .

оп 0 r0 * уп ' о"

В результате машинных исследований установлено,что режим разгрузки пачки деревьев ходом ВТМ сопровождается высоким уровнем динамических нагрузок.Так при разгрузке пачек деревьев объемом as...i3.8 ма и вылете l = s и динамические приведенные деформации упругих связей (стрелы с рукоятью) составляют о. г. ..о. 4 м или ss... 116 кн , что значительно превышает нагрузки в режимах пакетирования. Уменьшение вылета манипулятора при разгрузке до г. s м приводит к снижению амплитуд колебаний масс,но в то же время происходит увеличение динамической нагрузки на манипулятор вследствие повышения изгибной жесткости последнего : при l = 2.5 и = neo кн/и, при l = з м с"гг - 290 кн/м. с появлением в процессе эксплуатационного

износа в шарнирных соединениях манипулятора люфтов и зазоров происходит некоторое снижение динамических нагрузок (коэффициент динамичности уменьшается в среднем на 9 я ). С целью снижения динамических нагрузок в упругих связях манипулятора наряду с установкой упругих и демпфирующих элементов на раме ВТМ необходимо фиксировать его в период разгрузки впереди машины.

Виброгоремещэния оператора при разгрузке пачки объемом 2. В. . .4.3 м3 при сс= 13 кНх'м составляют 0.20В. . .О. 44 ы. При этом амплитуды ускорения достигают величины а...is. 75 м/с2, что значительно превышает санитарные нормы.

5.Исследование динамической нагруженное™ ВТМ в режиме повала дерева

Процесс валки в современных ВТМ осуществляется поворотом ЗСУ при остановленном манипуляторе в продольном или пврпендику-

S)

rm механической. системы :

а — при вертикэльных перемещениях оэзьц ó - при угловых, колебаниях баек

лярном направлении по отношению к базе. На рис.5 представлена расчетная схема для определения нагрузок на манипулятор и привод колонны.

Дифференциальное уравнение, описывающее динамику системы»имеет вид

7,

V,

+

с +с с 1 -»_»+ -ii «

с с

О 12

I I 1 2

I I 1 2

СМ - мс).

(7)

Здесь

11 • ~ соответственно моменты инерции колонны, манипулятора, ЗСУ и дерева; со • с±2 ~ крутильные жесткости привода механизма поворота и манипулятора; мс - момент сопротивления от

сия трения дерева о поверхность лесосеки; м - момент, создаваемый дере-

Рис.5.Расчетная схема процесса вом при его осевом перемещении, повала дерева поворотом ЗСУ.

Решением уравнения (7) будет:

pt= C^sin p1t+C2cos p^t+CgSin p2t+C^cos P2t+-

(8)

Анализ результатов исследования динамики повала деревьев показывает,что добавочные динамические моменты в упругой связи со находятся в пределах 0.222.. .1.544 хн-м при вылете l = 2.8 м

и 0.212...2.457 кн-м при l = 5 ы. В переводе на пики давления в приводе они соответственно равны 0.0734...0.534 мпа и 0.077...0.851 мпа. При этом динамическая нагрузка возрастает с увеличением объема пакетируемых деревьев.

Полученные добавочные динамические моменты хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований, проведенных институтом НАГИ и к.т.н. Кралиным B.C. Расхождение

в сторону завышения составляет 10—12 процентов.

Нагруиенность базы исследована по двухмассовой расчетной схеме (см.рис.6.),описываемой дифференциальным уравнением четвертого порядка :

а;

Г1

О )

\т <>с\ \

; со Сп

/ / т0 ЛЛА- тг

г0

2г

Рис.6.Расчетная схема валки дерева ВТМ : а - полная; б - эквивалентная.

о

и СС +С Э+С т г о 12 12 о

■г +

о

С С

О 12

(9)

Решением уравнения будет

2 = С соз р1 + С соэ р Ъ +

О 2 *1 Л 2

ппч

В результате исследований установлено,что добавочные динамические нагрузки,приведенные к рамэ ВТМ в зоне подвески,колеблются от 1.585 кн при валке деревьев малых объемов до 4.88 кн при валке деревьев большого объема.При этом коэффициенты динамичности несмотря на значительные динамические нагрузки имеют невысокие значения.Объясняется это тем,что подрессоренная масса ВТМ сравнительно велика.

На рис.?. приведен типичный график изменения деформации подвески базы в режиме валки дерева.

Рис.-7. График изменения деформации подвески базы в режиме валки дерева.

6. Общие выводы и рекомендации

Разработанные в диссертации теоретические основы динамики лесосечных машин,построенные на использовании математического моделирования,статистических методов и аналоговой техники.поз-воляют получать на стадии разработки конструкторской документации данные о нагруженности машин и вибронагруженности операторов, а также осуществлять научно-обоснованный выбор параметров машин,обеспечивающих снижение динамических нагрузок и вибронагруженности операторов.

В процессе исследований получены следующие основные результаты:

1.Несмотря на значительное число опубликованных работ, посвященных динамике лесосечных машин,до настоящего времени продолжают оставаться малоизученными режимы валки дерева поворотом ЗСУ и разгрузки пачки ходом валочно-трелевочной машины или трелевочного трактора с манипулятором.

2.Освобождение шасси от пачки деревьев ходом машины сопровождается высоким уровнем динамических нагрузок на опорные элементы подрессоренной базы,который при. сбросе пачек большого объема (И.в... 13.8 м3) достигает 720...800 кн .При этом дина-

кинзою® нагрузки в элементах манипулятора значительно превышают соответствующую величину в режимах валки и пакетирования деревьев.Гак коэффициенты динамичности при пакетировании деревьев объемов 0.25...2.00 м3 с грунта составляют 1.06...1.50,а в режиме сброса пачки 2.69...7.91.

3.Ударно-импульсное воздействие на раму ВТМ или трелевочного трактора может быть значительно снижено посредством уменьшения угла падения пачки или вертикального зазора между коником и концевым упором путем установки на конике козырька или на опорной штанге резинокордных колец с металлическими кольцами.

4.На основании обработки статистических данных установлено,что распределение трелюемых (разгружаемых) пачек деревьев подчинено нормальному закону с параметрами т = 4. з м3,

а ~ 1. 54 М3.

5.Уменьшение динамических нагрузок в упругих связях манипулятора может быть достигнуто не только установкой упругих и демпфирующих элементов на раме ВТМ , но и фиксированием (закре-шшивм) ЗСУ в период разгрузки.

6.Исследованиями установлен высокий уровень частот колебаний нагрузки при сбросе пачки,что свидетельствует о малой гибкости механической системы и необходимости амортизации сиденья машиниста-оператора.При транспортировке пачки деревьев система становится более гибкой вследствие высокой инертности пачки : частоты угловых колебаний базы понижаются. В стационарном режиме движения ВТМ обязательна диссипация в подвеске рамы и сиденья. При этом жесткость сиденья должна находиться в пределах 40...80 Н^см.

7.При изучении динамики трелевочной системы необходимо вводить расчетное демпфирование по порожнему режиму работы. Улучшение плавности хода в порожнем режиме можно достичь установкой в задних опорах дополнительных "мягких" пружин жесткостью 2 кН/см. В передаем подвесе рамы такого дополнения не требуется вследствие малого расхождения нагрузки в порожнем и груженом режиме движения.

8.В режиме валки дерева на рабочий орган валочно-трелевоч-ной машины действуют проекции реакции р2 и рх , причем последняя оказывает наибольшее динамическое воздействие, вызывая значительную начальную деформацию упругих элементов механической

системы "предмет труда - манипулятор - механизм поворота". Начальная деформация упругих элементов зависит от объема пакетируемых деревьев и вылета манипулятора и составляет для серийных ВТМ Q.D412...0.5088 рад.

9.В конце валки на механизм поворота колонны ВТМ типа ВП-80 действует инерционный момент,зависящий от объема пакетируемых деревьев,в пределах 0.212...2.460 кН-м.Динамический момент может быть существенно уменьшен сокращением вылета манипулятора при валке деревьев большого объема и введением упругих элементов в подвес ЗСУ.

Исследованиями отмечен также значительный уровень приведенной добавочной динамической нагрузки на базу ВТМ в зоне подвески,который достигает при валке деревьев большого объема 4.00...5.00 кН,Коэффициенты динамичности при этом незначительны вследствие большой подрессоренной массы.

10.Корректность разработанных математических моделей подтверждена сравненизм расчетных нагрузок с данными экспериментальных исследований динамики валочно-трелевочных машин ВП-80 и ЛП-17А.При этом расчетные нагрузки превышает реальные (экспериментальные) на 10...12 процентов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.Александрова В.Б. , Варава В.И. К вопросу нагруженноста валочно-трелевочных машин в режиме разгрузки пачки деревьев.//' Повышение технического уровня машин и оборудования лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства:Межвуз.сб. тр. -С-П5,: ЛТА,1996.С.165-168.

2.Александрова В.Б. Моделирование продольно-плоских колебаний ваяочно-трелевочной машины в режиме разгрузки, //Повыпю-ние эффективности подготовки биомассы дерева к переработке на рэпу : Сб.научн.тр.Пэтрозаводск:КарНИИЛП,1997.с.18-21.

3.Александрова В.Б. Динамика повала дерева захватно-среза-вдим устройством ВТМ. // Повышение эффективности лесозаготовительной промышленноси и лесного хозяйства : Межвуз.сб.научн.тр. -С-Ш.:ЛТА, 1997.с. 181-188.

Просим принять участив в работе диссертационного Совета Д. 063.50.01 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу :194018,Санкт-Пе-тербург, Институтский пер.5, Лесотехническая академия. Ученый Совет.

Лицензия ЛР № 020578 от 04.07.97.

Подписано в печать с оригинал-макета 27.10.98. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ.л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 246. С 27а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфический отдел СПбЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАЛЕМШ

На правах рукописи Александрова Виктория Борисовна

УДК 630*371

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН СНИЖЕНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК И ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ ОПЕРАТОРОВ

05.21.01. - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание .ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Варава В.И.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.............. 7

1.1. Классификация валочно-трелевочных машин......... 7

1.2.Обзор работ,посвященных исследованию динамики машин и механизмов........................... 13

1.3.Обзор исследований динамики лесосечных машин

с манипуляторами................................ 15

1.4.Обзор исследований вибронагруженности операторов........................................... 22

1.5.В ы в о д ы..................................... 27

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЖЕННОСТИ ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН В РЕЖИМЕ РАЗГРУЗКИ ПАЧКИ................... 29

2.1. Определение параметров дерева и пачки........... 29

2.2.Исследование соударения пачки с различными опорами......................................... 33

2.3.Построение модели продольно-плоских колебаний

рамы трактора при сбросе пачки.................. 38

2.4.Исследование продольно-плоских колебаний рамы трактора при сбросе пачки....................... 43

2.5.Исследование колебаний сиденья при сбросе пачки с коника.................................. 49

2.8.Результаты теоретических исследований нагру-женности трелевочного трактора с манипулятором и ВТМ в режиме сброса пачки................. 51

2.7.В ы в о д ы..................................... 65

3.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЦИОНАРНОЙ НАГРУШЕН-НОСТИ ЛЕСОСЕЧНОЙ МАШИНЫ И ОПЕРАТОРА.................. 68

.1.Построение модели трелевочной системы "трактор - пачка".................................... 68

я.2.Исследование стационарной нагр.уженности тре-

левочной системы................................ 70

3.3.Исследование вибронагруженности оператора....... 74

3.4.В ы в о д ы.................................... 79

4.МОДЕЛИРОВАНИЕ НА АВМ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУШЕННОСТИ

ВТМ И ОПЕРАТОРА В РЕЖИМЕ РАЗГРУЗКИ ПАЧКИ............. 81

4.1.Математическое описание модели.................. 81

4.2.Анализ нагрузок в упругих связях манипулятора

при разгрузке................................... 87

4.3.В ы в о д ы.................................... 103

5.ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУШЕННОСТИ ВТМ В

РЕЖИМЕ ПОВАЛА ДЕРЕВА................................. 105

5.1.Определение динамических нагрузок в механизме

поворота колонны ВТМ............................ 108

5.2.Исследование нагр.уженности базы ВТМ в режиме валки дерев.

а 1 99 ' .........-......................... .i-jt-j

5.3.В ы в о д ы.................................... 130

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ............................ 132

ЛИТЕРАТУРА ................................... 134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы, Лес - основная сырьевая база лесозаготовительной , деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности,

От успешной работы на лесосеке зависят все последующие фазы производства .поэтому задача механизации и повышения производительности труда на валке »пакетировании и трелевке леса наиболее актуальна,

Характерной особенностью современного этапа развития лесосечных работ является дальнейшее техническое перевооружение этой наиболее тяжелой и трудоемкой фазы лесозаготовительного производства.

Технический прогресс,основанный на создании и внедрении новых машин,позволяет не только повысить производительность труда,но и улучшить условия труда рабочих,заменить ручной труд машинным »поднять культуру производства в лесу,

В лесном хозяйстве одним из наиболее трудоемких видов работ являются рубки ухода с заготовкой древесины, Из-за отсугствия или ограниченного ко.зиче^тва специальных лесных машин большая часть объема работ при рубках ухода выполняется с применением ручного труда,Поэтому,по мере того»как растет конструктивное совершенство применяемых машин»увеличивается уровень организации и технологии производства работ и уделяется соответствующее внимание рациональному использованию возможностей человека.

Традиционно технический прогресс в лесной промышленности

о

связывают с непрерывным увеличением производительности труда, В вопросе создания новых машин это достигается за счет повышения мощности садовой установки трактора или машины.При этом происходит увеличение рейсовой нагрузки и рабочих скоростей,что в свою очередь приводит к неизбежному возрастанию периодаческих, ударных и других переменных нагрузок »действующих на детали машин. В то же время нагруженность агрегатов трактора или машины определяет их прочность,срок службы и расчетные параметры.В этих условиях особое значение приобретают теоретические метода! исследований,позволяющие уже в процессе проектирования машины с достаточной для инженерных расчетов точностью определить значения действующих сил,Одновременно,рост динамических нагрузок в упругих связях машины приводит к усилению вибронагруженности оператора.Снижение вибрации и обеспечение комфортных условий труда операторов (машинистов) является также важной задачей.

В настоящее время на лесозаготовках и в лесном хозяйстве большинство видов работ выполняется лесными машинами,оборудованными манипуляторами с различными сменными рабочими органами.

Мировая программа ведения лесозаготовок показывает,что лесные машины с манипуляторами останутся основными и в ближайшем будущем.В связи с этим их дальнейшее совершенствование и модернизация является актуальной задачей.

Цель работы - разработка теоретических основ динамики взаимодействия лесосечных машин с предметом труда в режимах валки дерева,трелевки и разгрузки пачки,обеспечивающих снижение на-груженности машин и вибронагруженности операторов.

Для достижения поставленной цели в процессе исследований

разработаны и предложены следующие научные положения»которые выносятся на защиту:

1.Математические модели динамической (механической) системы "лесосечная машина - предает труда - оператор" и ее подсистем ,

2.Закономерности и уровни динамической нагруженности лесосечных машин в режимах валки деревьев»стационарном движении по волоку и разгрузки пачки ходом машины,

3, Вибронагруженность операторов лесосечных машин в режимах

стационарного движения по волоку и разгрузки пачки деревьев ходом машины.

4,Рациональные параметры лесосечных машин,обеспечивающие снижение динамических нагрузок и вибронагруженности операторов,

5,Технические решения»направленные на снижение динамических нагрузок в упругих связях лесосечных машин.вибронагруженности операторов и повышение надежности.

1 = СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ЙСОЯЕЯОВАНЙЯ

1,1.Классификация валочно-трелевочных машин

Первые работы по созданию валочно-трелевочных машин начались в начале шестидесятых годов.За базовую машину был принят лесопромышленный трактор ТДТ-40 < ТДТ-40М ) и ТДТ-60 < ТДТ-75), В первых конструкциях ВТМ был заложен принцип валки непосредственно на машину ( ВТМ-2 ).Однако,вследствие неразрешимых проблем ,связанных с размещением пачки на машине (выступающие вперед комли) и затруднений при обработке (валке) каждого следующего дерева и больших динамических нагрузок работы над ними были прекращены.С целью исключения перечисленных недостатков валка на машину была заменена способом предварительной валки на рычаг с последующей укладкой на машину.В результате конструкторско-исследовательских работ была создана валочно-трелевочная машина ВТМ-4,которая была рекомендована к серийному производству ( 1968 г.).Базой машины являлся трактор ТТ-4 (см.рис.1.2.).

ВТМ маницуляторного типа начали разрабатываться в результате накопления опыта эксплуатации валочно-пакетирующих машин ЛП-2 (1976 г.).Были разработаны и серийно выпушены валоч-но-трелевочные машины ЛП-17 (рис.1.3.),ЛП-49 (рис.1.4.),ЛП-17А (рис.1.5.),ВП-80 и ВП-100 (рис.1.6.),Ж1-58<рис.1.7.) и другие,

В зависимости от рабочего органа ВТМ делятся на валоч-

но-трелевочные,валочно-сучкорезные и валочно-транспортные машины (см.рис.1.1.),

В настоящее время в России и ведущих лесопромышленных

Рис. 1.1.Классификация ВТМ.

Рис.1.2.ВТМ флангового типа.

Рис.1.4.Валочно-трелевочная машина ЛП-49

РисЛ.б.ВП-80 и ВП-100

странах наибольшее распространение получили валочно-трелевочные и валочно-транспортные машины манзщуляторного типа,имеющие технологическое оборудование: шарнирно-сочлененный или телескопический манипулятор, захватно-срезающее устройство ножевого или пильного типа,коник или сучкорезно-раскряжевочную головку и накопитель,

В СССР в основном применялись валочно-трелевочные машины, созданные на базе лесопромышленных тракторов ТДТ-55,ТДТ-55А (ТБ-1ДБ-1М) и ТТ-4,ТТ-4М <ЛП-18А>.Кроме того,были разработаны валочно-сучкорезные машины на колесной базе <МЛ-45,МЛ-85),а также на гусеничной базе (МЛ-55).

В последние годы в России начали разрабатываться ВТМ совместно с рядом зарубежных фирм (ВТМ Валмет ТТ-4М;ТБ-1,Форес-теры 685-р-ь5 (см.рис,1.7).

Валочно-транспортные машины выпускаются в основном зарубежными фирмами, В частности »Канадской фирмой "Коринг Канада" кгрр и кзгр на колесной базе.

Недостатками отечественных ВТМ являются:

- недостаточная надежность;

- большая масса технологического оборудования;

- значительные динамические нагрузки в режимах валки и разгрузки трелюемой пачки деревьев.

Наибольшее число отказов приходится на гвдрооборудование (20-25 %) »технологическое оборудован!® (20-28 %),ходовую систему (20-22 %).

Рис.1.7.Валочно-трелевочная машина TB-I/f-55/forestri 66 s.

1,2, Обзор работ посвященных исследованию динамики машин и механизмов

Вопросу исследования динамики машин и механизмов посвящено большое количество работ £ 1-89 з.Методы исследований динамики колесных машин сельскохозяйственного и общего назначения сформированы в работах В.АЛудакова cl з,Я.Х.Закина £2 з, М.Беккера £3 з5 В.Я.Аниловича £4 з, й.Г.Пархжяовского £5,6,7 з, Я.М.Певз-нера £8,9,10,11 з»Дк.Вонга £12 з »А.А.Силаева £13 з,В.В.Гуськова £14,15 з,р.в.Ротенберга £ 16 з,А.А.Хачатурова £17 з,Н.Н.Яценко £18,19 з и других.

динамика колесных лесопромышленных тракторов и автомобилей рассмотрена в работах А.В.Жукова £20,21,22 з,в.И.Егорова £23 з, В.й.Варавы £24,25 з, В.П.Немцова £26 з, Ю.А.Добрынина £27 з, А.М.Кочнева £28 з,В.Н.Галимова £29 з,Н.Й.Бж5люка £30,31,32 з.

Вопросам исследования нагруженности гусеничных машин посвящено также значительное количество работ. Это прежде всего работы: A.A.Дмитриева,В. А.Чобигка,А.В.Тельминова £33 з ,Г.М.Ани-симова £34 з, Н.Н.Горбачева £35,36 з, В.Н.Смолина, Л.М.Эмайкина £37 з,г,И,Семенова £38,39 з,М.Ф.Семенова £ 40 з, С.Г.Костогрыза £ 41 з ,

Динамике грузоподъемных машин посвящены основополагающие работы Д.П.Волкова с 42,43,44 з,М.С.Комарова £ 45 з »О.А.Панкратова £ 48 з, с.А,Казака £ 47,48 з 9 а.Н.Голубенцева £ 49 з»П=Е,Богуславского £50 з, М.М.Гохберга £51 з, В.Й.Брауде £52,53,54 з, Н.й.Григорьева £55,56 з и многих других исследователей,

Взаимодействию лесосечных машин с предметом труда-деревом

посвящено также значительное число работ.Это прежде всего работы В.А.Александрова [57,58 з„В.И.Алябьева £59 з,П.Д.Безносенко [60,61 з, П.С.Бурмака £62 з, В.й.Варавы £24,25 з, А.В.Жукова £20,21,22 з, В.П.Ермольева £63 з, В.Ф.Кушляева £64,65,66 з, Г.А.Рахманина £67 з, в.Ф.Полетайкина £68 з, р. Ливанова £69 з, Н. И. Библюка £ 29,30,31 з.

В большинстве работ перечисленных авторов исследование динамики машин проведено с использованием расчетных схем, представляющих собой системы дискретных масс,связанных между собой упругими невесомыми связями и нагруженных приведенными силами или моментами сил.В результате проводимых исследований установлены общие закономерности :

для транспортных средств (машин и механизмов)

1.Тяжелым режимом нагруженности ВТМ является установившийся режим движения с равномерной скоростью по микропрофилю.

Для лесопромышленных тракторов,кроме вышеотмеченного.тяжелым является также и режим трогания с места с пачкой.

2.Микропрофиль поверхности пути рассматривается как случайная функция воздействия.Движение транспортного средства (трактора или автомобиля) по микропрофилю можно рассматривать как стационарный случайный цроцесс.Основными характеристиками такого процесса являются корреляционная функция и спектральная плотность.

3.Требованиям инженерных расчетов отвечают двух - максимум пятимассовые расчетные схемы приводимых систем.

4.Затухание колебаний необходимо учитывать при исследовании резонансных режимов нагрушения.

для грузоподъемных машин и механизмов

1. Тяжелыми в динамическом отношении режимами являются пус-ко-тормозные,Для лесосечных машин с манипуляторами типа ВТМ или ВПМ весьма нагруженным является также и режим установившегося движения по микропрофилю или через обособленные препятствия,

2.Требованиям точности инженерных расчетов отвечают трех-максимум четырехмассовые расчетные схемы рассматриваемых машин.

3.Учитывая,что в гидроприводе лесосечных машин и в кроне деревьев имеет место демпфирование, при исследовании динамики его целесообразно учитывать.

1.3.Обзор исследований динамики лесосечных машин с манипуляторами

Работа Г.А.Рахманина с 67 з посвящена исследованию динамики погрузчика-штабелера.Манипулятор, рабочий орган и груз - сортименты рассматриваются в виде двухмассовой расчетной схемы. Податливость основания не учитывается.Динамика валочно-пакетирую-щей машины типа «ЯП-2 отражена в диссертации П.Д.Безносенко с 60 з, Автором исследована технологическая операция - перенос вертикально расположенного дерева поворотом платформы.Расчетная схема механической системы "ВПМ - дерево" представлена в виде четырех масс,одной из которых служит масса дерева.

Работы В.А.Александрова £57,58 з посвящены изучению динамики пуско-тормозных режимов трелевочных тракторов с манипуляторами, валочно -трелевочных и валочно-пакетирующих машин в том

числе при их движении через обособленные неровности»а также устойчивости перечисленных машин.Исследования проведены с использованием деух-четырехмассовых расчетных схем-

В результате :

- выявлен высокий уровень добавочных динамических нагрузок в упругих связях лесосечных машин,который достигает 0,25-0,5 статической нагрузки;

- установлена необходимость учета при расчетах лесосечных машин на прочность влияния диссипативных сил на первую максимальную амплитуду колебаний нагрузки на манипулятор;

- разработана математическая модель операторской деятельности по использованию технической скорости элементов манипулятора.

В работах А,В,Жукова £20,21,22 з и его учеников £70,71, 72,73 з исследована динамика колесных лесопромышленных тракторов ,установлено влияние динамических нагрузок от пакетирования дереьев манипулятором на базу автомобиля или трактора.

В.И.Варавой £24,25 з исследованы проблемы амортизации лесных машин, устойчивости шасси, взаимодействия пачки деревьев с шасси при трелевке,а также осуществлено моделирование управления манипулятором.

Вопросам динамики лесопогрузчиков посвящены работы В,И,Алябьева £74 з,Ю.И.Верхова £75 з и В.Ф.Полетайкина £68 з. В работе В.И.Алябьева £74 з рассмотрена динамика исполнительных органов лесопогрузчиков,осуществлена постановка и дано решение параметрической оптимизации погрузчиков при периодических внешних нагрузках.В монографии Ю.М.Верхова £75 з исследована динамика погрузчика на колесной базе. Исследование проведено на

динамической модели системы "опорный массив - лесопогрузчик -груз", В процессе исследований выявлено влияние люфтов и зазоров в упругих связях на величину динамических нагрузок. В.Ф.По-летайкиным [68 з исследованы случайные процессы взаимодействия ходовой системы с опорной поверхностью»а также процессы внешних возмущений в системе "оператор - сиденье" челюстного лесопогрузчика перекидного типа на гусеничной базе. Предмет труда -пачка хлыстов рассматривается в виде трехмассовой упругой системы. В качестве внешних возмущении приняты детерминированные силы,возникающие при движении машины через препятствия косину-соидального профиля,

В работе В.Ф.Логинова £76 з исследованы способы валки деревьев манипулятором ВТМ на землю,и на середину трелюемой пачки, а также способ валки,включающий падение дерева с одновременным подъемом комля.При аналитическом описании процесса валки рассмотрена лишь система "манипулятор - комлевая часть дерева ".Подрессоренная база в колебательную систему не включена.

Г.И.Семеновым £39 з рассмотрена нагруженность опорных элементов ВТМ на базе трактора ТТ-4 при направленном повале срезанного дерева на пачку лежащую в конике.Пачка заменена тремя дискретными массами,то есть рассматривается как упругое тело. Пакетируемое дерево вводится лишь как источник возмущения при падении на пачку. Динамика взаимодействия всей системы "база -манипулятор - пакетируемое дерево" не рассматривается, так как не учитывается обратная связь от пакетируемого дерева через манипулятор на базу ..Исследование динамических нагрузок на ходовую систему при движении по лесосеке ограничено изучением переез�