автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эффективности обрезки сучьев с вертикальной протяжкой дерева снижением динамической нагруженности

од

' г V' 5 ' ",—1

' - " САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи СПИРИДОНОВ Сергей Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРЕЗКИ СУЧЬЕВ

С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПРОТЯЖКОЙ ДЕРЕВА СНИЖЕНИЕМ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ

05.21.01.- Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок .

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург- 1993

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

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профессор ВАРАВА В.И.

доктор технических наук, профессор МЕНЬШИКОВ В.Н.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ЧЕРНЦОВ В.А.

Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт лесного хозяйства

Защита диссертации состоится " 3 " июня_ 1993 г.

в 13 часов на заседании специализированного совета Д.063.50.01 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии Д94018, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан "_"_ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета докт.техн.наук, профессор

Г.М.АШСИМОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшей задачей лесного хозяйства и лесной промышленности является улучшение использования лесных ресурсов. В результате продолжительного интенсивного лесоис-пользования в Европейско-7ральской зоне страны запасы спелых и перестойных насаждений в лесах П и Ш групп резко сократились. В этих условиях роль лесов I группы как источника древесного сырья повысилась и возрасло значение несплошных рубок леса, при которых лучше чем при сшюшнолесосечных, сохраняется лесная среда, т.к. насаждение после прохождения такими рубками продолжает функционировать.

В настоящее время несплошные рубки, в л'Ом числе и в лесах I группы, ведутся в основном с помощью лесозаготовительной техники, предназначенной для механизации работ на сплошных рубках в лесах Ш группы. Такая техника не отвечает эколого-технологическим требованиям, предъявляемым к машинам и оборудованию для несплошных рубок, особенно в лесах I группы. Технологические процессы на базе этой техники зачастую мало отличаются от технологии сплошных рубок в леаах Ш группы. Существующая технология включает ряд операций с использованием ручного труда, из которых операция обрезки сучьев особенно трудно поддается механизации. Поэтому разработка технологий, механизмов и машин для несплошных рубок, обеспечивающих лучшее сохранение лесной среды, является актуальной задачей.

Цель -работы - снижение динамической нагруженности процесса вертикальной протяжки дерева, установление закономерностей и рациональных параметров функционирования механизма протяжки.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы системы дифференциальных, линейных и нелинейных уравнений, численные методы решения на ЭВМ, методы математической статистики и операционного исчисления.

Научная новизна. Диссертационная работа представляет теоретическое и экспериментальное исследование динамической нагру-женности механизма протягош деревьев в вертикальном положении. Разработаны математическая модель механизма вертикальной протяжки (МНИ), учитывающая взаимодействие двигателя, гидропривода и спиленного дерева, и методика исследования процессов разгона, протяжки и торможения обрабатываемого дерева. Получены

закономерности процесса вертикальной протяжки, отражающие функционирование привода в зависимости от конструктивных и эксплуатационных факторов. Предложены рациональные параметры процессов пуска, протяжки, торможения и механизма вертикальной протяжки.

Практическая ценность выполненной работы заключается в разработке методик расчета динамической нагруженности и параметров устройства для обрезки сучьев и раскряжевки деревьев в вертикальном положении, позволяющих сократить сроки проектирования машин для несплошных рубок леса, разработке технических решений, снижающих динамическую нагруженность МБП в процессе пуска, протяжки и торможения обрабатываемого дерева.

Выявленные закономерности процессов пуска, протяжки и торможения обрабатываемого дерева от технологических и конструктивных факторов позволили установить рациональные параметры привода и режимы его работы, обеспечивающие снижение динамической нагруженности, а также повышение производительности и долговечности.

Реализация результатов работы. Результаты работы в виде методик расчета нагруженности МЗП переданы ЛенНЙИЛХ и использовались при проектировании и изготовлении с участием автора устройства для обрезки сучьев и раскряжевки деревьев в вертикальном положении.

Апробация работы. Результаты исследований отражены в отчетах по научной работе кафедры проектирования специальных лесных машин ЛТА (й 01850041678 - 1986-1988 гг.). Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях в ЛТА (1988-1991 гг.). Результаты работы внедрены в учебный процесс в виде методических указаний к выполнению лабораторной работы и главы учебного пособия по моделированию технологических процессов лесохозяйственных машин.

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем работы 131 е., из них 103 с. машинописного текста, 41 рисунок, 22 таблицы. Список литературы включает 101 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность теш диссертационной работы, сформулирована ее цель, дана краткая аннотация проведенных исследований и приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом -разделе выполнен анализ работ по обрезке сучьев, рассмотрено современное состояние и перспективы механизации обрезки сучьев при проведении несплошных рубок леса. Приведена классификация машин, выполняющих.обрезку сучьев, по совмещенности технологических операций. Анализ сучкорезных технологий и машин показал, что применение машин, работающих по вертикальной схеме, значительно повышает сохранность лесной среды и эффективность работ под пологом леса. При этом исключаются динамические эффекты валки на машину и стоящие рядом деревья. Кроме того, нагрузка от силы тяжести дерева используется как полезная, направленная на обрезку сучьев. Использование принципа передачи нагрузок на корневую систему обрабатываемого дерева обеспечивает малые габариты и вес, высокую устойчивость базового трактора и работу машины по технологической схеме с редкой сетью технологических проходов или без них.

Выполнен анализ протаскивающих механизмов лесозаготовительных машин. Обоснован механизм вертикальной протяжки машины для несплошных рубок. На основании анализа литературных источников и в соответствии с целью диссертационной работы сформулированы следующие задачи исследований:

- разработка математических моделей разгона, протяжки и торможения механизма вертикальной протяжки, учитывающих взаимодействие двигателя, гидропривода и обрабатываемого дерева;

- выявление аналитическими и численными методами расчета закономерностей процесса вертикальной протяжки дерева с обрезкой сучьев;

- разработка установки для экспериментального исследования процесса протяжки, методики схем и средств измерений;

- экспериментальное исследование функционирования механизма вертикальной протяжки в процессе пуска, протяжки и тормо-гения обрабатываемого дерева;

- исследование влияния конструктивных параметров механизма вертикальной протяжки на динамическую нагруженность гидропри-

вода и определение рациональных параметров его санкционирования;

- разработка технических решений по снижению уровня динамической нагруженности МВП.

Второй раздел посвящен разработке математических моделей гидропривода с МНП и исследованию процессов разгона, протяжки и торможения обрабатываемого дерева. Технология процесса вертикальной протяжки спиленного дерева отображается на рис.1а.

Гм

<5)

Рис.1.

Кинематическая (а) и расчетная (б) схемы вертикальной протяжки дерева и обрезки сучьев.

От дизеля Д крутящий момент передается через муфту сцепления МС и редуктор /н гидронасосу ГН. Гидростатическим давлением Р в напорной магистрали (шлангам податливостью В ) вращение передается четырем гидромоторам- ГМ, а от них через редукторы ¿р - рябухам Р. Последние приливаются рифлями к стволу дерева и перемещают его вниз. При этом три ножа Н, смещенные между собой на Л ~ 12 см и прижимаемые к стволу, срезают мутовки дерева. Для амортизации процесса срезания в напорную магистраль включен гидроаккумулятор (ПГА).

На основании кинематической схемы на рис.1б построена эквивалентная динамическая модель протяжки дерева, где обозначены: Мн ,% крутящий момент, момент инерции и параметр демпфирования подвижных частей двигателя, приведенные к оси насоса - координате % моменты сопротивления и инерции дерева, приведенные к осям гидромоторов - координате ^.

При составлении дифференциальных уравнений движения системы (рис.16) приняты возможные допущения:

- податливость механической части привода весьма мала;

- воздействие от срезания мутовок периодическое, ступенчатое;

- изменение массы дерева в пределах протяжки сортимента пренебрежимо мало.

Согласно расчетной схеме и принятым допущениям математической моделью привода будет система дифференциальных уравнений:

Фм =(УмМР + Р~Рт - яри Р>Р„

Р-Ре --^¿-/Г'^Д/Х/

Мм - М, -Мс, Мп =Мт - М7р - ф„

№. Ф„ - & /М Р. -в, ^

где , объемы гидронасоса и гидромоторов; Р - давление в напорной магистрали; Ко ,£ - коэффициент объемных потерь в гидроприводе и податливость напорной магистрали; , Ха - сечение и скорость жидкости на входе ПГА; Т%, Рз , %>- объем, давление предварительной зарядки и давление в ПГА; И ,\Р - коэффициент расхода и плотность жидкости; Мс ~ момент сопротивления от срезания сучьев; Мт - момент от .силы тяжести обрабатываемого дерева;//?-/»- момент от силы трения ножей и качения рябух.

Первые два уравнения отражают вращение гидронасоса и гидромотора, третье - расход жидкости, четвертое - истечение жидкости з дросселе ПГА, пятое - изменение давления в ПГА. Периодические импульсы моментов Мс при срезании мутовок:

Мс 'Мс Г [у {р+Мт) У Я + ¥>г)] '

можно заменить рядом Фурье:

.в . ;

(2)

м< =Мо • ; ж - • м:

Г*/ тт

10

где Фт - угловые периоды срезания и всего цикла. При отсутствии гидроаккумулятора система (I) упрощается до трех уравнений:

[ИН-'ФН - М„-(У»/2,г)-Р 7м-& =(Ум/2*)-Р +Мм , Р=Рт

(Ги/Лг)' >Я - (Ум/2^-% =ер +1СсР , ™

мн = м„-ие, м„ = мт -Мтр■ яз17 % ;

нл: <а = /<Г0с-<,<Р^Я,Р*л. .

В относительной координате $ = - , выделяются два

уравнения системы (3):

О + ($>/2*)-Р •*£> ,

- (!£/$*)■ 0 + ер+ 6Р-0 (4)

. _ Мм = Ж ,

° ~ ' ' У %

- параметр затухания и частота привода, осительная диссипация "У- Ь= 0,2/20 = 0,01 в гвдро-е весьма мала. Податливость привода при ударно-импульс-грузках можно увеличить подключением типового пневмогид-мулятора, @ = Рм+ Е'о. Основными критериями качества онирования гидромеханического привода служат давление страли, //= (У>/?„>)Р и скорость фм- протяжки

., радиус рябухи. Процесс обработки дерева содержит новные операции: пуск, протяжка, торможение.

:им пуска привода аналитически рассматривался в наихуд-учае £<> = без ограничения давления, когда

тумы импульсной нагрузки реализуются при ,

Ша, ударной при = Я" , Рг -х. 21 МПа, а совместной -к = 0,12 с, Р/г, = 26 МПа. Для ограничения пиковых нагру-зобходим предохранительный клапан, Рт ^ 16 МПа. Из реше-5) следует - возможность снижения импульсной нагрузки пением Он и У , а ударной - плавностью разгона с удал ножей от первой мутовки.

зональным законом протяжки дерева является равномерный, защий инерционные перегрузки, £ . При этом частота ¡ггольных импульсов срезания мутовок = Ятг^/г^г • 5) в режиме протяжки дополняется полигармоническими сос-■ощими с доминирующей основной гармоникой ¿V = ^г. Для чения резонирующих эффектов протяжки целесообразно зада-У/Л^О/^ , 0,5 со скоростью протяжки ^^0,7 повышением податливости привода ПГА: оцесс торможения принят гидравлическим, путем запирания трали отключением золотником управления гидронасоса от моторов. При этом процесс моделируется вторым и третьим

уравнением системы (3) при tfiM = О Р, = -Р

(VmM-P-Мм [ер +КР- (V„/2r) <PH*0

В результате операционного исчисления определены I}-Pftс), время и путь торможения:

ky&: Фо/<?г;

а также максимумы нагружения привода:

Рт +1м-&г(2Р0е)~±;

Оценка параметров торможения выполнена по теореме с

нении кинетичес энергии дерева ключенном гидро После срезания сортимента масс ла уменьшается, отношения начал скоростей торио: различных сорти в зависимости о1 метра ствола в i среза представл! рис.2.

Втретьем разделе изложено исследование вертикальной тяжки на ЭВМ. Дифференциальные уравнения функционирова] (I), (3), (6) решались численным методом Эйлера на ЭВМ IBM PC/XT. Результаты получены в виде графиков функций Фм$> Pfe)> а в случае с ПГА, еще и/«,

Шаг интегрирования задавался равным 10"^ с. При исслед( функционирования МВП на ЭВМ варьировались: начальная ci вращения вала гидронасоса Он , крутящий момент на вал? насоса Мц , объем и давление предварительной заряда площадь входного сечения fa ПГА. На основании полученш ций времени построены зависимости основных критериев кг

юнированяя привода от его параметров, ювая скорость вала гидронасоса практически во всех слу->ставалась постоянной. Отсюда следует малое влияние про-шмого рябухами дерева через гидропривод на двигатель, ) связанный валами с гидронасосом. Данные вариантов ис-¡ания с различной величиной приводного момента от двига-юказали малое его влияние на все показатели качества. Уясняется определяющим влиянием угловой скорости &Л/ шия гидронасоса (жидкости) и, как следствие, его произ-¡льности и резко возрастаемого давления в магистра-I наличии пускового момента от силы тяжести дерева. С [ением существенно возрастают скорости , про-дерева, а также среднее давление в магистрали Рср. По-!ли торможения 2Т, Рт, интенсивно возрастают с увеличе-[ачальной скорости торможения 2%> . В гидроприводе с ПГА, шчением давления зарядки /9, рис.3, увеличиваются сред-•о и максимальная скорости протяжки дерева и сущест-повышается давление в гидроприводе. Результаты исследо-гидропривода показывают необходимость гидроаккумулятора

f

Й- *

Г vis

2,4 &

а Q

и 4

о,е 2

5 P3>MUo

£

\

-Kj 1

\ ZT

/

2Т,м

М

0.3 0,2 OJ

5 В, НИ*

Зависимость скорости Рис.4.. Зависимость пути Ft и от Рср. и давления максимального давления в машет от давления зарядки страли от давления зарядки ПГА

без дросселирования и малой жесткостью: ^ 5 МПа, см3. Тогда существенно повышается его податливость, т.е. тизирующая способность. Влияние давления зарядки ПГА давление в магистрали Рт и тормозной путь 2Г при = ! см3 и начальной скорости торможения = 1,5 м/с иллюстр! ся рис.4. При увеличении зарядки гидроаккумулятора поз ется его жесткость, что приводит к повышению давления /т гидроприводе, однако при этом тормозной путь ¿V существ! уменьшается.

В четвертом разделе изложены методика.экспериментальк следований вертикальной протяжки, разработка стенда верт: ной протяжки, подготовка и порядок проведения эксперимен' разработка средств и схем измерений, результаты испытани: лью экспериментальных исследований определена проверка т> тических положений функционирования механизма вертикальн протяжки.

Разработанный с участием автора стенд для проведения риментальных исследований включает устройства для протяж рева в вертикальном положении, обрезки сучьев, раскряжев сортименты и гидропривод к ним. Допускает деревья с обре ми и необрезанными сучьями диаметром ствола 8...32 см, а ной 4...6 м. Функционирование стенда осуществляется по с вертикальной протяжки рис.1а, с гидравлическим принципом ствия привода.

В процессе исследований производилась запись следующи раметров: давления в напорной магистрали гидропривода, в роцилиндрах прижатия рябух, в напорной и сливной магистр гидромоторов рябух, вертикальное перемещение дерева и ев перемещения дерева. Датчики давления и перемещений подкл лись к осциллографу Н-П5.

Обработка полученных в процессе испытаний осциллограф водилась по среднестатистическим значениям средних и маг ных скоростей протяжки и давления в гдцроприводе. Для аг симации критериальных функций использовался метод наимеЕ квадратов. По-найденным функциям построены графики завис основных критериев качества функционирования привода от параметров (рис.5,6). Пунктирными линиями на графиках иг жены функциональные закономерности, полученные решением

матической модели механизма вертикальной протяжки с помощью GBM.

Ям

№

46

ч 9f*

Мр Г-

&

Ш № ЗВйт

* ч \ £ * V^

Гер > ч a ч

Ш 200 300 т,кг

Рис.5. Графики зависимости Рис.6. Графики зависимости Щ М Pop (т) и frr>)

МВП с ПГА в магистрата МВП с ПГА

При увеличении диаметра сучьев с/ обрабатываемого дерева с 1,5 до 3 см, средняя скорость протяжки ствола снижается с 0,6 до 0,45 м/с, а в случае с ПГА - с 0,55 м/с до 0,3 м/с. При этом максимальное давление Рт в напорной магистрали гидромоторов увеличивается с 12 МПа до 17 МПа, а в случае с ПГА - с 9 Ша до 15 МПа. На рис.5 й 6 представлены зависимости средней скорости протяжки дерева и среднего давления

Pep от массы протаскиваемого дерева. Давление предварительной зарядки ПГА /у = I Ша. При увеличении массы протаскиваемого дерева наблюдается незначительное снижение средней ско-

/1(2 ЛГЯ _

рости протяжки ¿/ср при включенном ПГА, без ПГА касса дерева не влияет на среднюю скорость протяжки 2%р. Среднее давле-

П П "Я ; v

ние в магистрали гс? , гсР при увеличении массы обрабатываемого дерева линейно снижается. Увеличение начальной скорости торможения влечет за собой увеличение тормозного пути zFj-и максимального давления Рт, как при включенном ПГА, так и без него. Расхождение результатов эксперимента и решения мат-

модели процесса обработки дерева достигало 19$. При этом ха-~ рактер изменения расчетных кривых соответствует экспериментальным, а изменение уровня обусловлено повышенным трением в редукторах рябух в связи с некачественным их изготовлением.

В пятом разделе выполнено обоснование экономической эффективности машины с вертикальной протяжкой дерева по ценам 1989 г. В качестве базового варианта принята широко .распространенная технология проведения несплошных рубок с применением бензопил Ш-5 "Урал" на валке и раскряжевке и бензосучкорезки БС-1 на обрезке сучьев. По результатам расчетов капитальных вложении, эксплуатационных затрат, себестоимости I м3 древесины расчетный годовой экономический эффект составил 5,2 тыс. руб. на одну машину.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Процесс вертикальной обработки дерева моделируется неконсервативными системами (I), (3), (6), отражающими пуск, протяжку и торможение ствола. Модель учитывает взаимодействие двигателя и гидронасоса, гидромоторов и протаскиваемого дерева.

2. Сопротивление срезанию сучьев можно аппроксимировать переодическими прямоугольными импульсами и разложением■в ряд Фурье (2). Зто воздействие протяжки ствола дополняется трением ножей и рябух, а также начальной скоростью пуска и торможения.

3. Предложенные методики исследования функционирования механизма вертикальной протяжки учитывают скоростные и нагрузочные режимы движения ствола дерева и позволяют установить рациональные параметры и характеристики процесса.

4. Определены закономерности функционирования механизма протяжки, отражающие функциональные зависимости показателей нагрузки от параметров механизма.

5. Плавный пуск достигается постепенным нарастанием оборотов дизеля CD = ЮО с-^ до номинального значения = 150 плавной характеристикой нарастания давления в насосе, наличием в напорной магистрали щежогвдроаккумулятора и предохранительного клапана.

6. Для исключения резонирующих эффектов протяяки и снижения нагруженности следует задавать частоту привода ^¿¡fcJ?

со скоростью протяжки м/с и повышение податливости

магистрали посредством ПГА, &= ,

7. Скорость протяжки дерева ограничена начальной скоростью торможения, в том числе для первого сортимента в гидроприводе без ПГА величиной I м/с. Скорость протяжки последующих сортиментов можно увеличивать по соотношению = Ч^^/гПо.

8. Наиболее совершенным принципом торможения определен гидравлический, выполняющий:

- ограничение пиковых нагрузок предохранительным клапаном;

- амортизацию ударных нагрузок гибкостью магистрали и ПГА;

- аккумуляцию начальной энергии быстродействующим аккумулятором;

- отключение инерционной нагрузки двигателя от механизма протяжки.

Практически реализуется переключением золотника на холостой ход насоса и запиранием потока жидкости в магистрали с гидромоторами,клапаном и гидроаккумулятором.

9. В целях снижения динамической нагруженности и повышения долговечности рекомендуется увеличение податливости привода до е = /?м + - I см5/*!, Vo/0ëj="7"20 c_î гидроаккумулятором, позволяющее:

- снизить почти в три раза частоту колебаний давления в гидроприводе с одновременным уменьшением амплитуды;

- уменьшить динамическую нагруженность механизма вертикальной протяжки на.35$ и на этой основе повысить на 50% среднюю скорость протяжки дерева.

10. Рациональные параметры гидроаккумулятора определены в следующих пределах: давление предварительной зарядки Рз =

= 4...5 МПа, объем = 2«Ю3.. .3-Ю3 см3. Площадь входного сечения гидроаккумулятора jf ^ 2 см2 обеспечивает отсутствие дросселирования, снижающего гибкость и быстродействие амортизирующего устройства.

11. Установлено, что технология вертикальной протяжки является эффективным средством обработки дерева, обеспечивающим лучшее сохранение лесной среды в сравнении с существующей технологией несплошных рубок.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

I. Спиридонов C.B. Исследование протяжки и обрезки сучьев

при обработке деревам вертикальном положении: Проектирование, эксплуатация и ремонт лесных машин и оборудования // Межвуз. сб.науч.тр., СПб., ЛТА, I9S2.

2. Спиридонов C.B., Дурманов М.Я., Попов П.П. Исследование процесса протяжки дерева в вертикальном положении с использованием гидроаккумулятора: Проектирование, эксплуатация и ремонт лесных машин и оборудования // Межвуз.сб.науч.тр., СПб., ЛТЛ, 1992.

3."Спиридонов C.B., 1уцелюк H.A., Дурманов М.Я. Имитация ветровой нагрузки на дерево при проведении экспериментальных исследований: Повышение качества лесных машин в процессе проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта // Межвуз. сб.науч.тр., СПб., ЛТА, 1991, С.95-101.

4. Варава В.И., Гуцелюк H.A., Спиридонов C.B. Моделирование процесса вертикальной протяжки ствола и обрезки сучьев // Лесной журнал. - 1989. - JÎ 5. - С.45-49.

5. Варава В.И., Гуцелюк H.A., Спиридонов C.B. Анализ процесса протяжки дерева // Лесной журнал. - 1991. - 3 6. -

- С.37-40.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим присылать по адресу: 194018, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Лесотехническая академия, Ученый совет.

Подписано в печать с оригинал-макета 22.04.93. Формат 60 X 90 1/16. Бумага оберточная. Печать офсетная.Изд.№10. Уч.-изд.л. 1,0.Печ.л.1,25.3аказ № 26 . Тираж 100 экз. Редакционно-издательский-отдел ЛТА

Подразделение оперативной полиграфии ЛТА 194018. Санкт-Петербург, Институтский пер., 3.