автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Совершенствование технологических процессов лесосечных работ и обоснование выбора системы гусеничных лесозаготовительных машин

На правах рукописи

КОНДРАТЮК ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЛЕСОСЕЧНЫХ РАБОТ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН

05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ПАЙ 2013

Москва-2013

005059991

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса».

Научный руководитель: Редькин Анатолий Константинович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Макуев Валентин Анатольевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса»

Панычев Анатолий Павлович

кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Брянская государственная

инженерно-технологическая академия»

Защита диссертации состоится «21» июня 2013 года в 10со на заседании диссертационного совета Д.212.146.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, Мытищи-5, Московская область, 1-я Институтская, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета леса.

Автореферат разослан «16 » <А(Ь% 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

Рыбин Борис Матвеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Заготовка и обработка древесины, технологические процессы и машины лесозаготовок - определяющий сектор лесной экономики. В настоящее время очень важно определить верный путь развития, как техники, так и технологии лесосечных работ, который даст возможность для удовлетворения экологических требований, при одновременном повышении производительности труда на основных и вспомогательных работах всего цикла производства.

Лесозаготовительные машины должны разрабатываться с учетом требований, предъявляемых к лесосечным технологиям и технике в соответствии с принятыми государственными законами и нормами. Наибольшие сложности при этом вызывает сохранение подроста и воздействие машин на лесную почву. Особенно сложной проблемой является воздействие машин на почву. Оно может оцениваться по ряду факторов: массе машины, удельному давлению, максимальным динамическим нагрузкам. При воздействии машины на почву кроме давления необходимо также оценивать площадь деформации, степень минерализации почвы и др.

Правильно подобрать технологию лесозаготовки и лесосечные машины можно только с учетом: несущей способности почв, рельефа местности, объема хлыста, породного состава, среднего объема делянки, расстояния между делянками, среднего расстояния трелевки.

В настоящее время в лесозаготовительном производстве нередко эксплуатируется отечественная физически и морально устаревшая техника и технологии с высокой долей ручного труда и низкой производительностью. При этом часть заводов лесного машиностроения прекратила свою производственную деятельность. В результате резко снизились объемы выпуска лесозаготовительной техники.

Для эффективности работы лесопромышленного комплекса необходимы разработки и освоение производства нового поколения лесных машин конкурентоспособного уровня с улучшенными функциональными характеристиками, щадящими воздействиями на лесную среду, улучшенными показателями надежности.

Цель работы. Цель работы заключалась в обосновании выбора системы гусеничных лесосечных машин, обеспечивающих эффективную технологию лесосечных работ в различных эксплуатационных условиях с минимальным воздействием на окружающую среду:

Исходя из вышеизложенного, были сформулированы следующие задачи:

1. Провести оценку развития лесозаготовительной промышленности, технологической и технической оснащенности и потребности в лесосечных машинах.

2. Провести анализ эффективности техники и оборудования для заготовки древесины и выявить возможные варианты использования систем лесосечных машин в различных эксплуатационных условиях.

3. Разработать технические решения по созданию современных гусеничных лесосечных машин, включающие в себя валочно-трелевочную, погрузочно-транспортную, бесчокерный трелевщик, универсальную машину для заготовки хлыстов, универсальную машину для заготовки сортиментов, машину для сбора и транспортировки отходов лесосечных работ;

4. Разработать технологические схемы лесосечных работ с применением новых способов и систем лесосечных машин для различных эксплуатационных условий; систему учета показателей работы лесосечных машин;

5. Разработать математическую модель выбора системы лесосечных машин в зависимости от эксплуатационных условий и особенностей влияния на окружающую среду, учитывая изменяемость экономических показателей

Объектом исследований являются лесосечные работы.

Предмет исследований являются современные системы лесосечных машин и технологические процессы лесосечных работ.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Исследованы различные системы лесосечных машин с учетом особенностей их воздействия на устойчивость лесных экосистем, и теоретически обоснована эффективность выбора систем гусеничных лесосечных машин.

2. Методика выбора движителя ходовой системы лесосечных машин, позволяющая определить распределение давления на грунт через опорные катки, для повышения проходимости и минимального воздействия на окружающую среду.

3. Система учета работы лесосечных машин, обеспечивающая контроль затрат на эксплуатацию техники, оценку эффективности её использования, дистанционный мониторинг работы машины, контроль объема перевозимой древесины.

4. Математическая модель выбора системы лесосечных машин в зависимости от эксплуатационных условий и особенностей влияния на окружающую среду, учитывающая изменяемость экономических показателей.

Проведенные исследования позволяют совершенствовать научные основы и расширить знания для составления требований к технике и технологий лесосечных работ.

Новизна предложенных технологических и технический решений подтверждена патентами РФ на полезную модель «Лесозаготовительная погрузочно-транспортная машина» №112871 от 16.10.2011 г. и «Грузовая платформа лесозаготовительной машины» №113215 от 16.10.2011 г..

Практическая значимость полученных результатов.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют:

- определять эффективный парк лесосечных машин для различных эксплуатационных условий;

- определять технологические схемы лесосечных работ с применением систем гусеничных лесосечных машин для различных эксплуатационных условий;

- оценивать эффективность работы лесосечных машин в зависимости от разных природно-производственных условий и технологических параметров, а также достигать требуемой загрузки техники с помощью системы учета показателей работы машины;

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» и п. 6 «Выбор технологий, оптимизация параметров процессов с учетом воздействия на смежные производственные процессы и окружающую среду» из паспорта специальности 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства».

Реализация результатов работы. Основные положения диссертации использованы в практике работы ФГУП «ГНЦ ЛПК». В результате теоретических и экспериментальных исследований найдены новые технические решения по созданию современных гусеничных лесосечных машин.

Совместно с отделом главного конструктора ФГУП «ГНЦ ЛПК» разработана конструкторская документация, изготовлен опытный образец погрузочно-транспортной машины, прошедший производственные испытания и рекомендованный государственной комиссией к серийному производству. Разработанные технологические и технические решения используются ООО «Рубцовский агрегатный завод» для создания новой серии гусеничных лесозаготовительных машин, включающей в себя погрузочно-транспортную машину ЛЗ-9 (форвардер) и валочно-сучкорезно-раскряжевочную машину ЛЗ-8 (харвестер) на базе гусеничного трактора ТТ-4М.

Методы исследования. В работе применена методика исследований, включающая: анализ литературных источников, посвященных вопросам систематизации и выбора существующих и перспективных лесосечных процессов и систем гусеничных машин, как объектов исследований при формировании парка лесосечных машин с учетом эксплуатационных условий; анализ распределения давления на грунт через опорные катки в статике на равнинной местности и при движении машины с грузом; экспериментальные исследования системы учета работы лесосечных машин, представляющий собой данные для оценки эффективности использования машины и осуществления контроля за предельными условиями эксплуатации; разработку технической документации с применением методов компьютерного ЗЭ моделирования для целей практического использования в решении задачи.

Основные положения выносимые на защиту.

- варианты систем современных гусеничных лесосечных машин для различных производственных условий, обеспечивающих соблюдение условий для рационального природопользования с ориентацией на малозатратные и ресурсосберегающие технологии;

- методика выбора движителя ходовой системы лесосечных машин с рычажно-балансирной и торсионной подвеской, позволяющая определить распределение давления на грунт через опорные катки, для повышения проходимости и минимального воздействия на окружающую среду;

- усовершенствованные технологии лесосечных работ на основе использования систем гусеничных лесосечных машин для различных эксплуатационных условий;

- система учета работы лесосечных машин, обеспечивающая контроль затрат на эксплуатацию техники, оценку эффективности её использования, дистанционный мониторинг работы машины, контроль объема перевозимой древесины;

- математическая модель выбора лесосечных машин в зависимости от эксплуатационных условий и особенностей влияния на окружающую среду, учитывающая изменяемость экономических показателей.

Достоверность научных результатов исследований обеспечена:

- проведением системного анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- применением методов математического моделирования, с учетом сходимости теоретических и практических результатов;

- положительным результатом внедрения разработок в практическую деятельность действующих машиностроительных предприятий.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Московского государственного университета леса (МГУЛ) 2011-2013 г.г.; на международных научно-технических конференциях Вологодского государственного технического университета (ВоГТУ) 2011-2012 г.г.; на семинаре «Российско-Финское партнерство в производстве лесных машин» 2011 г.; на научно-технических конференциях Брянской государственной инженерно-технологической академии (БГИТА) 2010-2012 г.г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 7 работ в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации и два патента.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы (124 наименований) и 2 приложений; общий объем диссертационной работы 187 страниц, включая 64 рисунка и 21 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована сформулированы ее цели, научная

актуальность темы диссертации, новизна, практическая значимость и

основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе диссертации выполнен анализ современных технологий лесосечных работ, а также состояния и технического уровня механизации и машинизации лесозаготовительных работ в России.

Методом анализа и анкетного опроса наиболее крупных лесных регионов России (27 регионов с общим объемом заготовки древесины 109,8 млн. м3, в том числе: Иркутская область, Краснодарский край, Вологодская область, Архангельская область, Республика Коми, Хабаровский край, Ярославская и Кировская области и др.) проведена оценка развития лесозаготовительной промышленности, технологической и технической оснащенности и потребности лесных машин на период до 2015 гг. (рис. 1-2).

В части потребности в лесных машинах около 60% лесных регионов отмечают острую необходимость в технике для разработки лесосек со слабонесущими фунтами и 81,5% отмечают потребность в доступных по цене и надежности отечественных машинах, s? 45

40 35 30 25 20 15 10

59,3-—і

---- —... 17,9 ____ 17,9

XI_____ _.....7 1 Ів-,-7 ---

0-2 2,1-4 4,1-6 6,1-8 8,1-10 н.д. Время существенного снижения производительности машин

Рисунок 1 - Время

существенного

снижения

производительности лесозаготовительных машин в проблемные по проходимости месяцы (по данным 27 регионов России)

Более трети регионов (37,0%) применяющих колесную технику

оценивают наибольшее снижение месячной производительности лесозаготовительных машин на 25-50% из-за влияние фактора слабонесущих

грунтов при лесосечных работах и в 22,3% регионов отмечают, что из-за

слабонесущих грунтов месячная производительность лесозаготовительных машин падает на 75,1- 100%, т.е. работы прекращаются. 45 40

35 30 25 20 15 -10 ■ 5 О

ЖГ

. зз.з

14", 9

11,1

II!

Рисунок 2 - Среднее снижение месячной производительности лесозаготовительных машин на осваиваемых площадях в проблемные по проходимости месяцы

15-40 40,1-65 65,1-85 н.д.

Интервалы среднего снижения производительности, %

Таблица 1 - Прототипы технических решений по созданию системы гусеничных лесозаготовительных машин нового поколения

Анализ работы лесосечных машин показал, что подобрать количество машин в комплексе так, чтобы их производительность на всех операциях была бы одинаковой, практически невозможно. Общий объём выработки такого комплекса машин зачастую равен минимальному объёму выработки машин на одной из основных операций, составляющий комплекс.

Во избежание этого дисбаланса предлагается использовать:

- гусеничную универсальную лесозаготовительную машину ЛЗ-4 -лесной комбайн заготовки хлыстов;

Универсальная лесозаготовительная машина для заготовки хлыстов - УЛЗМ ЛЗ-4_

Погрузочно-транспортная машина ЛЗ-5 (форвардер)_

Валочно-трелёвочная машина ЛЗ-4-01

Универсальная лесозаготовительная машина (форвестер) ЛЗ-4-02 с грузовой платформой для поперечного и продольного размещения сортиментов

Машина для сбора лесосечных отходов

- гусеничную универсальную лесозаготовительную машину ЛЗ-5-01 -

лесной комбайн заготовки сортиментов (форвестер). Разработана методика выбора движителя ходовой системы гусеничных лесозаготовительных машин.

Уравнение моментов относительно центра давления имеет вид:

в-(ак-ад) - + Р-этЮ") ■ (ад+т) -Р-соз10°-Ик = 0 (1)

где Р - усилие, необходимое для перемещения скользящей по земле части пакета, вес которой 16-0,9-0,4 = 4,32 т.

Є - вес машины; - часть веса пакета древесины, передающегося на машину; Ьк - расстояние между осями качания опорных кареток; ак - продольная координата центра тяжести трактора; т - продольная координата коника; Ик - вертикальная координата коника; /др - коэффициент скольжения задней части пакета по грунту.

Р = 4,32-([др + *іп10°) (2)

Для определения нормальных реакций У| и У2, действующих соответственно на передние и задние каретки машины, имеем следующие уравнения У2=¥-У, (3)

где У - суммарная нормальная реакция дороги, приложенная в центре давления трактора.

Г = в + С}, + Р-этЮ" (4)

Определив К, и У2 , построим схему распределение давления на грунт через опорные катки для гусеничных лесозаготовительных машин с разным количеством опорных катков (рис, 5).

I Мобильный терминал

Система коптим объект ХОПЛОТД в 5ам

Системе измереяпм |\ \ ыгяоьенногг раехмз ] \ \ топлква п оборотов 1 \

Рисунок 10 - Структурная схема технических средств системы учета

Инструмент визуализации данных представляет собой интерактивную программу, которая получает файлы данных измерений с лесозаготовительных машин и показывает на экране графики зависимости от времени всех

г~~........- I

Рисунок 11 - Скриншот программы визуализации файлов.

Разработанная система учета работы лесозаготовительной машины позволяет обеспечивать контроль затрат на эксплуатацию техники, дистанционный мониторинг работы машины, контроль объема перевозимой древесины и выявление фактов нецелевого использования техники.

В пятом разделе проведен анализ методологических подходов выбора системы машин для лесосечных работ.

Над решением проблемы выбора эффективного состава системы машин для разработки лесосек трудились большие коллективы ученых вузов и НИИ, конструкторов, работников машиностроительных заводов и лесозаготовительных предприятий. Из теоретических работ можно отметить исследования В.М. Котикова, А.К. Редькина, В.И. Алябьева, В.Г. Кочегарова, В.Н. Меньшикова, Г.К. Виногорова, К.И. Вороницына, B.C. Петровского, А.Т. Гурьева, В.И. Макуева, B.C. Сюнева и др. Научные исследования, посвященные сравнительным оценкам эффективности работы систем машин в различных природно-производственных условиях проводились И.Ф. Верховым, В.А. Барановским, P.M. Некрасовым, В.Ф. Кушляевым и А.Т. Гурьевым и другими исследователями.

Предложена математическая модель выбора системы лесозаготовительных машин для различных эксплуатационных условий.

Скорость движения лесосечной машины в большой степени зависит от состояния волока. Наиболее благоприятным условиям соответствует езда по плотному укатанному грунту в зимний период лесозаготовок. В то время как на мягком или рыхлом грунте средняя скорость лесозаготовительных машин может снижаться в разы, а в сезон весенней и осенней распутицы работы могут приостанавливаться. Определить скорость машины возможно по следующей формуле, однако необходимо отметить , что реальная скорость, как правило,

N,. ■ т]тр

бывает ниже расчетной: К = ,м/с (5)

где, N,j - мощность двигателя, кВт; 1тр - к.п.д. трансмиссии (г]тр =0,75 ... 0,8); 4>с - коэффициент сопротивления движению; тТу - масса машины.

Рисунок 12 - Зависимость коэффициента сопротивления движению на различных почвах от скорости лесозаготовительной машины при холостом ходе:

1 - плотный грунт; 2 - грязная грунтовая дорога; 3 - песок влажностью 7%; 4 - глина влажностью 30%; 5 - влажный грунт; 6 - болото глубиной 0,4м; 7 - мокрая илистая

почва; 8 - талый снег.

На рисунке 13 представлены наиболее эффективные зоны использования колесной и гусеничной лесозаготовительной техники для различных почвогрунтовых условий.

Исходя из годового объема заготовок древесины рассматриваемого региона и используя предложенную математическую модель выбора лесозаготовительной техники для различных эксплуатационных условий была проведена оценка годовой потребности крупнейших лесозаготовительных регионов в гусеничной и колесной технике для выполнения годового объема лесозаготовок (табл.2).

Таблица 2 - Годовая потребность крупнейших лесозаготовительных регионов в колесной и гусеничной технике для заготовки древесины.

Область, край Колесная техника Гусеничная техника

Харвестер Форвардер Сортимент. Хлыст.

Харвестер Форвардер УЛЗМ ЛЗ-4

Костромская обл. 16 15 22 24 34

Респ. Карелия 17 16 29 33 47

Респ. Коми 23 21 35 39 55

Архангельская обл. 26 24 70 79 112

Вологодская обл. 31 29 72 82 116

Ленинградская обл. 34 32 24 27 38

Новгородская обл. 16 15 15 17 24

Респ. Башкортостан 15 15 9 10 14

Свердловская обл. 15 14 45 51 72

Алтайский край 10 10 17 19 27

Красноярский край 40 38 70 79 113

Иркутская обл. 85 81 121 137 194

Всего 325 308 525 595 843

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ применения технологий и машин в условиях слабонесущих грунтов показывает, что в настоящее время лесозаготовки стали носить сезонных характер. Одной из причин этого является то, что лишь 7 % лесной территории позволяет работать в лесу вне зависимости от погодных условий, а 57% общей площади лесов составляют грунты III категории и грунты IV категории, крайне неблагоприятные для лесозаготовок с применением машин на колесной базе.

Установлено, что по показателям воздействия движителя на почву -горизонтальной деформации и буксованию, преимущества на стороне гусеничной техники. Увеличение глубины колеи из-за буксования всегда больше при колесной ходовой части. Кроме того, гусеничная ходовая часть позволяет получить максимальный к.п.д. при большей удельной силе тяги, т.е. более рационально использовать вес трактора

Разработаны прототипы современных гусеничных лесозаготовительных машин на базе трактора ТТ-4М, включающие в себя универсальную лесозаготовительную (валочно-сучкорезно-трелёвочную) машину заготовки

хлыстов ЛЗ-4, погрузочно-транспортную машину ЛЗ-5 (форвардера), бесчокерную трелёвочную машину (БТМ) ЛЗ-5-01, валочно-трелёвочную машину (ВТМ) ЛЗ-4-01, универсальную лесозаготовительную машину заготовки сортиментов (форвестера) ЛЗ-4-02 и машину сбора лесосечных отходов ЛЗ-5-02 на базе трактора ТТ-4М-04 с максимальной унификацией.

Предлагаемые машины позволяют эффективно производить лесосечные работы как в системе машин средних и крупных лесозаготовительных предприятий, так и индивидуально с механизированной валкой деревьев в малых предприятиях. Могут использоваться на всех видах рубок в различных почвенно-климатических условиях, в том числе на слабонесущих грунтах при соблюдении лесоводственных требований.

Применение универсальной лесозаготовительной машины для заготовки сортиментов позволяет заменить комплекс машин среднего класса, сокращая затраты по сравнению с приобретением харвестера и форвардера на 20-50% и снижая дальнейшие эксплуатационные расходы почти в 2 раза.

Разработанная методика выбора движителя ходовой системы показала, что наиболее благоприятное распределение нагрузок по опорным каткам у шестикатковой машины.

Установлено, что разработанная система учета работы лесозаготовительной машины позволяет производить контроль за предельными условиями эксплуатации машин, осуществлять дистанционный мониторинг работы машины, контролировать объем перевозимого леса и выявлять факты кражи древесины и нецелевого использования техники.

Колесные машины наиболее эффективны в регионах с развитой сетью дорог общего пользования, при разработке неконцентрированных лесосек, на рубках ухода. На увлаженных лесосеках, в пересеченной местности, где проходимость и сила тяги колесных машин недостаточны (крутые склоны, глубокий снег, слабонесущий грунт - заболоченные и суглинистые почвы, многоярусный лес) гусеничные лесозаготовительные машины работают более эффективно, т.к. при их использовании практически исключается сезонность ведения лесозаготовок.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях рекомендованных ВАК РФ:

1. Кондратюк, Д.В. Отечественный лесозаготовительный комплекс «харвестер-форвардер» / Кондратюк Д.В., Пашков В.П. // Строительные и дорожные машины. - 2012. №7. - С. 9-11

2. Кондратюк, Д.В. Система унифицированных машин нового поколения для лесосечных работ / Клинов М.Ю., Кондратюк В.А., Воскобойников И.В., Крылов В.М., Кондратюк Д.В. // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - М.: МГУЛ. 2012, №8(91).-С. 6-9.

3. Кондратюк, Д.В. Универсальная машина для заготовки деревьев, хлыстов и сортиментов Z Кондратюк Д.В., Люманов P.A. ZZ Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - М.: МГУЛ. 2012, №8(91). -С. 23-27.

4. Кондратюк, Д.В. Система учета работы лесозаготовительной машины ZZ Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. -М.: МГУЛ. 2012, №8(91). - С. 27-31.

5. Кондратюк, Д.В. Динамическое моделирование движения гусеничной лесозаготовительной машины с использованием прикладных пакетов компьютерных программ Z Клубничкин Е.Е., Клубничкин В.Е., Крылов В.М., Кондратюк, Д.В ZZ Вестник Московского государственного университета леса -Лесной вестник. -М.: МГУЛ. 2012, №8(91). - С. 41-48.

6. Кондратюк, Д.В. К обоснованию удельного давления гусеничного лесопромышленного Z Клубничкин Е.Е., Клубничкин В.Е., Крылов В.М., Кондратюк Д.В. ZZ Вестник Московского государственного университета леса -Лесной вестник. - М.: МГУЛ. 2012, №8(91). - С. 48-51.

7. Кондратюк, Д.В. Лесной комбайн для заготовки сортиментов Z Кондратюк Д.В., Пашков В.П. ZZCтpoитeльныe и дорожные машины. - 2013. №4.-С. 8-11.

В других изданиях:

8. Кондратюк, Д.В. Перспективы развития конкуренции гусеничных лесозаготовительных машин для заготовки древесины Z Кондратюк Д.В., Крылов В.М., ZZ Технология и оборудование лесопромышленного производства: научные труды. - Вып. 356. - М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2011. -С. 163-170.

9. Кондратюк, Д.В. Парк лесосечных машин и особенности их эксплуатации ZZ Актуальные проблемы лесного комплекса/ Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 32. - Брянск: БГИТА, 2012. - С. 17-22.

Патенты на полезные модели

10. Патент на полезную модель 113215 РФ, МПК В60Р 3Z40. Грузовая платформа лесозаготовительной машины Z Воскобойников И.В., Кондратюк Д.В., Крылов В.М., Люманов P.A., Пашков В.П., Сусло И.П.; заявитель и патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ - № 2011137980/11, заявл. 16.09.11 ; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4,- 3 с. : ил.

11.Патент на полезную модель 112871 РФ, МПК B60P3Z40, A01G23Z08.

Лесозаготовительная погрузочно-транспортная машина Z Воскобойников И.В., Кондратюк Д.В., Крылов В.М., Пашков В.П., Сусло И.П.; заявитель и патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ - № 2011137981/11, заявл. 16.09.11 ; опубл. 27.01.2012, Бюл. №3.-3 с. : ил.

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 141005, Московская область, Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, 1, ФГБОУ ВПО МГУЛ, ученому секретарю. Тел.:8(498)687-38-81 E-mail: uchsovet@mgul.ac.ru

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета

Подписано в печать 14.05 2013. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/м2 Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 112.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@mgul.ac.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА».

На правах рукописи

0420135757В

Кондратюк Дмитрий Владимирович

совершенствование технологических процессов лесосечных работ и обоснование выбора системы гусеничных лесозаготовительных машин

Специальность 05.21.01 " Технология и машины лесозаготовок и лесного

хозяйства"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-доктор технических наук, профессор, академик РАЕН

Редькин А.К.

Москва 2013 г.

Оглавление

Введение...................................................................................................................5

Глава 1, Исследование технологий и оборудования для заготовки

древесины в различных эксплуатационных условиях........................13

1.1 Анализ состояния лесных ресурсов.............................................................13

1.2 Анализ современных технологий лесосечных работ.................................16

1.2.1 Сортиментная технология лесозаготовок...........................................16

1.2.2 Хлыстовая технология лесозаготовок.................................................17

1.2.3 Технология заготовки древесины деревьями.....................................18

1.2.4 Технология заготовки и поставки древесины хлыстами во двор потребителя............................................................................................19

1.2.5 Состояние и технический уровень механизации..................................20

и машинизации лесозаготовительных работ в России................................20

1.3 Оценка тенденций развития лесозаготовительной промышленности и потребности в лесных машинах...................................................................24

1.3.1 Состав и структура лесозаготовительных предприятий...................24

1.4 Особенности влияния технологий лесосечных работ на окружающую среду................................................................................................................35

1.4.1 Условия эксплуатации лесозаготовительных машин.........................35

1.4.2 Воздействие лесосечных технологий на почво-грунты....................39

1.4.3 Изъятие площадей делянок под технологические нужды................42

1.4.4 Повреждения лесной среды при проходных рубках..........................42

1.4.5 Сравнение технологий по воздействию на древостой и подрост.....44

1.4.6 Сравнение технологий по параметрам технологических коридоров и площадок................................................................................................45

1.4.7 Эргономичность рабочих мест и условия труда на лесозаготовках.... 47

1.4.8 Влияние технологий лесозаготовок на качество заготавливаемых лесоматериалов......................................................................................48

1.5 Выводы............................................................................................................50

Глава 2. Разработка технических решений по созданию системы

гусеничных лесозаготовительных машин..............................................51

2.1. Анализ современных гусеничных лесозаготовительных машин.............51

2.1.1. В ал очно-пакетирующие машины........................................................53

2.1.2. Валочно-трелёвочные машины............................................................56

2.1.3. Бесчокерные трелёвочные машины.....................................................56

2.1.4. Валочно-сучкорезно-раскряжёвочные машины - харвестеры..........63

2.1.5. Погрузочно-транспортные машины - форвардеры............................64

2.2. Прототипы базы лесозаготовительных машин...........................................67

2.3. Универсальная лесозаготовительная (валочно-сучкорезно-трелёвочная) машина Л3-4...................................................................................................68

2.4. Погрузочно-транспортная машина ЛЗ-5 - форвардер...............................70

2.5. Бесчокерная трелёвочная машина ЛЗ-5-01.................................................71

2.6. В ал очно-трелёвочная машина ЛЗ-4-01........................................................72

2.7. Универсальная лесозаготовительная машина ЛЗ-4-02 - лесной комбайн заготовки сортиментов (форвестер).............................................................73

2.8. Машина сбора лесосечных отходов ЛЗ-5-02..............................................75

2.9. Выбор движителя ходовой системы машины.............................................77

2.10.Определение параметров технологического оборудования машины......86

2.11.Выводы...........................................................................................................88

Глава 3. Разработка технологических схем лесосечных работ с

применением новых способов и систем машин для различных лесозаготовительных условий..................................................................91

3.1. Технологические схемы лесосечных работ.................................................91

3.2. Системы машин для различных лесозаготовительных условий...............99

3.3. Предложения по рациональным технологическим схемам с применением новой системы машин.................................................................................102

3.3.1. Технологическая схема разработки лесосек с применением универсальной лесозаготовительной машины ЛЗ-4 - лесного

комбайна заготовки хлыстов..............................................................102

3.3.2. Технологии лесосечных работ системой вал очно-сучкорезно-раскряжевочных машин и применение погрузочно-транспортных машин ПТМЛЗ-5................................................................................104

3.3.3. Технологические схемы разработки лесосек с применением бесчокерной трелёвочной машины ЛЗ-5-01.....................................105

3.3.4. Технологические схемы разработки лесосек с применением

вал очно-трелёвочной машины ЛЗ-4-01.............................................107

3.4. Выводы..........................................................................................................110

Глава 4. Система учета работы лесозаготовительной машины...............112

Выводы..................................................................................................................126

Глава 5. Методика выбора лесозаготовительной техники для различных эксплуатационных условий.....................................................................127

5.1. Анализ методологических подходов выбора системы машин для лесосечных работ.........................................................................................127

5.2. Математическая модель выбора лесозаготовительных машин для различных эксплуатационных условий.....................................................130

5.3. Потребность крупнейших регионов РФ в гусеничных и колесных лесозаготовительных машинах для выполнения годового объёма заготовки древесины...................................................................................144

5.4. Выводы..........................................................................................................147

Заключение.........................................................................................................149

Список используемых источников.........................................................................154

Приложение 1..............................................................................................................165

Приложение 2..............................................................................................................182

Введение

Актуальность темы.

Заготовка и обработка древесины, технологические процессы и машины лесозаготовок - определяющий сектор лесной экономики. В настоящее время очень важно определить верный путь развития, как техники, так и технологии лесосечных работ, который даст возможность для удовлетворения экологических требований, при одновременном повышении производительности труда на основных и вспомогательных работах всего цикла производства.

Лесозаготовительные машины должны разрабатываться с учетом требований, предъявляемых к лесосечным технологиям и технике в соответствии с принятыми государственными законами и нормами. Наибольшие сложности при этом вызывает сохранение подроста и воздействие машин на лесную почву. Особенно сложной проблемой является воздействие машин на почву. Оно может оцениваться по ряду факторов: массе машины, удельному давлению, максимальным динамическим нагрузкам, площади контакта машин с почвой, суммарной площади минерализованной почвы. При воздействии машины на почву кроме давления необходимо оценивать площадь деформации, степень минерализации почвы и др.

Правильно подобрать технологию лесозаготовки и лесосечные машины можно только с учетом: несущей способности почв, рельефа местности, объема хлыста, породного состава, среднего объема делянки, расстояния между делянками, среднего расстояния трелевки.

В настоящее время в лесозаготовительном производстве нередко эксплуатируется отечественная физически и морально устаревшая техника и технологии с высокой долей ручного труда и низкой производительностью. При этом часть заводов лесного машиностроения прекратило свою производственную деятельность. В результате резко снизились объемы выпуска лесозаготовительной техники.

Для эффективности работы лесопромышленного комплекса необходимы разработки и освоение производства нового поколения лесных машин

конкурентоспособного уровня с улучшенными функциональными характеристиками, щадящими воздействиями на лесную среду, улучшенными показателями надежности.

Научной основой являются работы российских и зарубежных ученых, конструкторов, работников машиностроительных заводов и лесозаготовительных предприятий в области проектирования систем технического и технологического обеспечения лесосечных работ и выбора эффективного состава системы машин для разработки лесосек.

Цель работы. Цель работы заключалась в обосновании выбора системы гусеничных лесосечных машин, обеспечивающих эффективную технологию лесосечных работ в различных эксплуатационных условиях с минимальным воздействием на окружающую среду:

Исходя из вышеизложенного, были сформулированы следующие задачи:

1. Провести оценку развития лесозаготовительной промышленности, технологической и технической оснащенности и потребности в лесосечных машинах;

2. Провести анализ эффективности техники и оборудования для заготовки древесины и выявить возможные варианты использования систем лесосечных машин в различных эксплуатационных условиях.

3. Разработать технические решения по созданию современных гусеничных лесосечных машин, включающие в себя валочно-трелевочную, погрузочно-транспортную, бесчокерный трелевщик, универсальную машину для заготовки хлыстов, универсальную машину для заготовки сортиментов, машину для сбора и транспортировки отходов лесосечных работ;

4. Разработать технологические схемы лесосечных работ с применением новых способов и систем лесосечных машин для различных эксплуатационных условий; систему учета показателей работы лесосечных машин;

5. Разработать математическую модель выбора системы лесосечных машин в зависимости от эксплуатационных условий и особенностей влияния на окружающую среду, учитывая изменяемость экономических показателей.

Объектом исследований являются лесосечные работы.

Предмет исследований являются современные системы лесосечных машин и технологические процессы лесосечных работ.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Исследованы различные системы лесосечных машин с учетом особенностей их воздействия на устойчивость лесных экосистем, и теоретически обоснована эффективность выбора систем гусеничных лесосечных машин.

2. Методика выбора движителя ходовой системы лесосечных машин, позволяющая определить распределение давления на грунт через опорные катки, для повышения проходимости и минимального воздействия на окружающую среду.

3. Система учета работы лесосечных машин, обеспечивающая контроль затрат на эксплуатацию техники, оценку эффективности её использования, дистанционный мониторинг работы машины, контроль объема перевозимой древесины.

4. Математическая модель выбора системы лесосечных машин в зависимости от эксплуатационных условий и особенностей влияния на окружающую среду, учитывающая изменяемость экономических показателей.

Проведенные исследования позволяют совершенствовать научные основы и расширить знания для составления требований к технике и технологий лесосечных работ.

Новизна предложенных технологических и технический решений подтверждена патентами РФ на полезную модель «Лесозаготовительная погрузочно-транспортная машина» №112871 от 16.10.2011 г. и «Грузовая платформа лесозаготовительной машины» №113215 от 16.10.2011 г. [86,87].

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют:

- определять эффективный парк лесосечных машин для различных эксплуатационных условий;

- определять технологические схемы лесосечных работ с применением систем гусеничных лесосечных машин для различных эксплуатационных условий;

- оценивать эффективность работы лесосечных машин в зависимости от разных природно-производственных условий и технологических параметров, а также достигать требуемой загрузки техники с помощью системы учета показателей работы машины;

Реализация результатов работы. Основные положения диссертации использованы в практике работы ФГУП «ГНЦ ЛПК». В результате теоретических и экспериментальных исследований найдены новые технические решения по созданию современных гусеничных лесосечных машин.

Совместно с отделом главного конструктора ФГУП «ГНЦ ЛПК» разработана конструкторская документация, изготовлен опытный образец погрузочно-транспортной машины, прошедший производственные испытания и рекомендованный государственной комиссией к серийному производству. Разработанные технологические и технические решения используются ООО «Рубцовский агрегатный завод» для создания новой серии гусеничных лесозаготовительных машин, включающей в себя погрузочно-транспортную машину ЛЗ-9 (форвардер) и валочно-сучкорезно-раскряжевочную машину ЛЗ-8 (харвестер) на базе гусеничного трактора ТТ-4М.

Методы исследования. В работе применена методика исследований, включающая: анализ литературных источников, посвященных вопросам систематизации и выбора существующих и перспективных лесосечных процессов и систем гусеничных машин, как объектов исследований при формировании парка лесосечных машин с учетом эксплуатационных условий; анализ распределения давления на грунт через опорные катки в статике на равнинной местности и при движении машины с грузом; экспериментальные исследования системы учета

работы лесосечных машин, представляющий собой данные для оценки эффективности использования машины и осуществления контроля за предельными условиями эксплуатации; разработку технической документации с применением методов компьютерного ЗЭ моделирования для целей практического использования в решении задачи.

Основные положения выносимые на защиту.

- модели современных гусеничных лесосечных машин, обеспечивающих соблюдение условий для рационального природопользования с ориентацией на малозатратные и ресурсосберегающие технологии;

- варианты систем гусеничных лесосечных машин для различных природно-производственных условий;

- методика выбора движителя ходовой системы лесосечных машин с рычажно-балансирной и торсионной подвеской, позволяющая определить распределение давления на грунт через опорные катки, для повышения проходимости и минимального воздействия на окружающую среду;

усовершенствованные технологии лесосечных работ на основе использования систем гусеничных лесосечных машин для различных эксплуатационных условий;

- система учета работы лесосечных машин, обеспечивающая контроль затрат на эксплуатацию техники, оценку эффективности её использования, дистанционный мониторинг работы машины, контроль объема перевозимой древесины;

- математическая модель выбора лесосечных машин в зависимости от эксплуатационных условий и особенностей влияния на окружающую среду, учитывающая изменяемость экономических показателей.

Достоверность научных результатов исследований обеспечена:

проведением системного анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- применением методов математического моделирования, с учетом сходимости теоретических и практических результатов;

- положительным результатом внедрения разработок в практическую деятельность действующих машиностроительных предприятий.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Московского государственного университета леса (МГУЛ) 2011-2013 г.г.; на международных научно-технических конференциях Вологодского государственного технического университета (ВоГТУ) 2011-2012 г.г.; на семинаре «Российско-Финское партнерство в производстве лесных машин» 2011 г.; на научно-технических конференциях Брянской государственной инженерно-технологической академии (БГИТА) 2010-2012 г.г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 7 работ в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации и два патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы (124 наименований) и 2 приложения; общий объем диссертационной работы 187 страницы, включая 64 рисунка и 21 таблицы.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, раскрываются цели и задачи диссертационной работы, определяются объект, предмет и методы исследования, отражаются научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе «Исследование технологий и оборудования для заготовки др�