Результаты экспериментальных исследований продолжительности погрузки и выгрузки лесоматериалов навесными гидроманипуляторами

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПОГРУЗКИ И ВЫГРУЗКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ НАВЕСНЫМИ ГИДРОМАНИПУЛЯТОРАМИ

М.Ю. СМИРНОВ, проф. каф. транспортно-технологических машин МарГТУ, канд. техн. наук, И.Р БАКУЛИНА, ассистент каф. начертательной геометрии и графики МарГТУ

Летом 2006 и 2007 гг. в ООО «Марлеспром» Республики Марий Эл проводились наблюдения за работой самозагружающихся автопоездов на погрузке и выгрузке лесоматериалов. Выполнены замеры продолжительности погрузки и выгрузки лесоматериалов навесным гидроманипулятором на автопоезда, не имеющие собственных погрузочных механизмов, и на самозагружающиеся автопоезда. Автопоезда без погрузочных средств устанавливались для загрузки и разгрузки параллельно самозагружающемуся автопоезду. При формировании штабелей на погрузочном пункте сортименты были предварительно отсортированы на балансы и фанкряж. Общая характеристика сортиментов: длина 5,4 м; порода - береза; средний диаметр балансов 12 см, фанкряжа - 24 см. Фиксировались продолжительность одного цикла погрузки tцп и выгрузки t° сортиментов, число сортиментов, захватываемых грейфером гидроманипулятора n количество циклов погрузки, число сортиментов в пачке.

Цель работы

Разработка математических моделей расчета продолжительности циклов погрузки и выгрузки тонкомерных лесоматериалов. Решаемые задачи

1) проведение наблюдений за работой самозагружающихся автопоездов на погрузке и выгрузке лесоматериалов;

2) определение продолжительности отдельных операций в структуре цикла погрузки и выгрузки лесоматериалов;

3) выявление факторов, влияющих на продолжительность цикла погрузки и выгрузки сортиментов.

Математическое моделирование

При решении поставленных задач использовались методы математической статистики, теория планирования эксперимента. Многофакторные хронометражные наблюдения за работой навесного гидравлического

манипулятора при погрузке и выгрузке сортиментов проводились на основе построения полного факторного плана 23, в соответствии с методикой, изложенной в [2].

Интерпретация результатов

По результатам обработки наблюдений (табл. 1) видно, что продолжительность погрузки 1 м3 сортиментов изменяется от 1,50 до 2,63 мин и зависит от объемных характеристик лесоматериалов, количества циклов погрузки, совершаемых манипулятором, расстояния перемещения груза. Сравнительный анализ полученных данных показал, что при работе с тонкомерными сортиментами диаметром от 10 до 16 см продолжительность погрузки 1 м3 в среднем возрастает в 1,5 раза. При этом удельное количество циклов погрузки изменяется от 1,7 до 2,3. При работе самозагружающегося автопоезда в паре с автопоездом, не оснащенным погрузочным механизмом, цикл погрузки сортиментов увеличивается в среднем на 13,5 % за счет увеличения расстояния перемещения груза.

От среднего диаметра лесоматериалов зависит число сортиментов, захватываемых грейфером гидроманипулятора. Так, при работе с сортиментами средним диаметром 24 см оператор погрузки одновременно мог захватить от 1 до 3 бревен, при захвате тонкомерных сортиментов диаметром 12 см, их число изменялось от 2 до 6. В результате наблюдений получены выборки значений времени цикла и числа сортиментов, захватываемых грейфером гидроманипулятора.

Варьирование продолжительности одного цикла погрузки в зависимости от числа захватываемых сортиментов показано на рис. 1 на примере автопоезда Урал-4320 + ТМЗ-802 + ОМТЛ-70-02 (№ В 037 СК). Объем каждой выборки n = 269, наблюдения проводились при среднем объеме сортимента V = 0,083 м3, лесоматериалы грузились на соседний автопоезд.

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 4/2008

43

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Таблица 1

Результаты обработки наблюдений за продолжительностью погрузки сортиментов навесными гидроманипуляторами в ООО «Марлеспром»

Состав автопоезда, № автопоезда Место погрузки Вид сортиментов Параметры группы сортиментов, захватываемых за один цикл Количество циклов погрузки Продолжительность одного цикла погрузки, мин Продолжительность погрузки 1 м3, мин

число бревен средний объем, м3 общее на 1 м3

№1 Урал-4320+ ТМЗ-802+ ОМТЛ-70-02 (№ В037СК) на себя балансы 4,6 0,50 17 2,0 0,99 2,28

фанкряж 2,3 0,60 21 1,7 0,89 1,50

на соседний автопоезд балансы 4,4 0,55 20 2,3 1,10 2,58

фанкряж 2,0 0,58 24 1,8 0,95 1,69

№2 Урал-4320+ ТМЗ-802+ ОМТЛ-70-02 (№ В036СК) на себя балансы 4,6 0,53 17 2,3 1,06 2,40

фанкряж 2,1 0,72 18 1,7 0,92 1,60

на соседний автопоезд балансы 4,5 0,69 16 2,0 1,34 2,63

фанкряж 2,2 0,76 17 1,7 1,08 1,83

№3 Урал-4320+ ТМЗ-802+ ОМТЛ-70-01 (№ М710МА) на себя балансы 5,2 0,64 14 2,0 0,90 2,21

фанкряж 2,2 0,59 22 2,1 0,80 1,63

на соседний автопоезд балансы 3,7 0,57 21 2,3 1,06 2,46

фанкряж 2,1 0,62 22 2,2 0,82 1,76

t,", мин

Н 7

Рис. 1. Варьирование продолжительности цикла погрузки от числа сортиментов, захватываемых грейфером гидроманипулятора за один рабочий цикл

Характер изменения времени цикла при погрузке тонкомерных сортиментов нестабильный, случайный. Это вызвано изменчивостью параметров предмета труда, техническим состоянием погрузочного оборудования, квалификацией и индивидуальными особенностями оператора погрузки. Для выяснения зависимости между значением параметра tцп и воздействующим на

него фактором пс определен коэффициент корреляции r = 0,6556. Это свидетельствует о значительной линейной корреляционной связи между числом захватываемых сортиментов и временем цикла. Значимость коэффициента корреляции оценивали по t-критерию Стьюдента [2]. Полученное значение t = 14,19 при уровне значимости а = 0,05 и числе степеней свободы f = 267 больше t бл = 1,968, что подтверждает вывод о наличии корреляционной связи между исследуемыми показателями.

На основе визуальных наблюдений за работой самозагружающихся автопоездов и по рекомендациям, изложенным в руководствах [3, 4], в структуре циклов погрузки и выгрузки были выделены операции: 1) захват лесоматериалов; 2) перемещение лесоматериалов к месту укладки (подъем, фиксация груза, поворот); 3) опускание и укладка лесоматериалов; 4) холостой ход. По результатам наблюдений получены выборки значений времени, затрачиваемого на каждую операцию. Результаты статистической обработки опытных данных показаны на примере автопоезда Урал-4320 + ТМЗ-802 + ОМТЛ-70-02 (№ В 037 СК) в табл. 2.

44

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Таблица 2

Результаты статистической обработки опытных данных по продолжительности операций рабочего цикла гидроманипулятора

Место погрузки Наименование операции Ед. изм. Среднее случайной величины Размах выбор- ки Среднее квадратичное отклонение Коэффициент вариации, % Показатель точности, % Относительная продолжительность операций

1. Средний диаметр сортиментов 12 см

На соседний автопоезд 1. Захват с 8,12 10,5 2,22 27,33 1,66 5,7-22,2

2. Перемещение груза с 15,52 22,14 4,69 30,20 1,84 8,7-48,8

3. Опускание и укладка груза с 31,59 51,92 12,56 39,77 5,92 20,1-63,5

4. Холостой ход с 8,16 9,02 2,39 29,28 1,79 5,5-25,5

На себя 1. Захват с 8,15 9,1 2,04 25,02 1,60 6,5-25,5

2. Перемещение груза с 8,36 8,88 2,21 26,5 1,69 7,5-65,0

3. Опускание и укладка груза с 29,28 53,82 10,76 36,75 2,35 25,8-70,4

4. Холостой ход с 6,67 5,81 1,35 20,21 1,29 5,6-25,0

2. Средний диаметр сортиментов 24 см

На соседний автопоезд 1. Захват с 8,71 9,68 2,15 24,67 2,25 8,7-28,7

2. Перемещение груза с 14,48 16,42 3,22 22,26 2,03 8,2-48,7

3. Опускание и укладка груза с 22,45 34,86 8,57 38,17 3,48 15,7-68,7

4. Холостой ход с 8,26 10,07 2,39 28,95 2,64 7,3-28,1

На себя 1. Захват с 8,51 9,33 2,25 26,45 2,51 10,2-28,3

2. Перемещение груза с 7,56 7,36 1,53 20,26 1,65 9,7-26,0

3. Опускание и укладка груза с 19,47 32,18 7,45 38,26 3,63 25,2-60,7

4. Холостой ход с 6,79 4,76 1,02 15,05 1,44 7,6-26,1

Из табл. 2 видно, что цикл погрузки тонкомерных сортиментов увеличивается за счет более продолжительной укладки лесоматериалов на автопоезде или в штабеле. В структуре рабочего цикла гидроманипулятора продолжительность укладки сортиментов может составлять более 60 % от общего времени цикла. Продолжительность переместительных операций определяется в большей степени расстоянием перемещения груза в горизонтальной и вертикальной плоскости. При погрузке сортиментов на соседний автопоезд время перемещения груза и порожнее перемещение стрелы увеличивается в среднем в 1,55 раза.

Одновременно с продолжительностью погрузки сортиментов при проведении наблюдений фиксировалась продолжительность их выгрузки. Продолжительность цикла выгруз-

ки сортиментов на 11-56 % меньше продолжительности их погрузки за счет уменьшения времени, затрачиваемого на захват и укладку сортиментов.

В работе [1] предложены математические модели продолжительности погрузки и выгрузки лесоматериалов, учитывающие влияние таких факторов, как диаметр, длина лесоматериалов и расстояние перемещения груза в горизонтальной плоскости. Предварительными исследованиями было установлено, что для тонкомерных лесоматериалов (диаметром 8-16 см) одним из факторов, влияющих на выходную величину (продолжительность рабочего цикла гидроманипулятора) является число захватываемых сортиментов n важное значение имеет и высота подъема груза, определяемая высотой штабеля лесоматериалов h а также расстояние перемещения

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

45

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

лесоматериалов в горизонтальной плоскости l зависящее от места погрузки сортиментов: на себя или на другой автопоезд, расстояния между автопоездом и штабелем.

Для получения математических моделей продолжительности циклов погрузки и выгрузки тонкомерных лесоматериалов навесным гидроманипулятором был проведен планируемый многофакторный управляемый эксперимент на основе полного факторного плана 23. В качестве объекта исследований использовался автопоезд Урал-4320 + ТМЗ-802 + ОМТЛ-70-02. Водитель: стаж работы на лесовывозке более 30 лет, в том числе 7 лет на автопоезде с гидроманипулятором. Груз: сортименты длиной 5,4 м и средним диаметром 12 см. Диапазоны варьирования факторов (табл. 3): реальные производственные условия. Максимальная высота штабеля лесоматериалов принята с учетом грузовысотной характеристики гидроманипулятора [3] и соответствует наибольшей высоте подъема груза в вертикальной плоскости на неполном вылете стрелы гидроманипулятора. Расстояние перемещения груза: минимальное - при погрузке сортиментов на себя, максимальное - при погрузке сортиментов на соседний автопоезд.

Для проверки гипотезы о нормальном распределении выходной величины и для определения числа дублированных опытов до проведения основного эксперимента была поставлена отдельная серия из 50 опытов при следующих условиях: пс = 2; h = 3,5; ln = 7,9 м. Нормальность распределения проверялась по критерию Пирсона х2. Вычисленное значение х2 = 9,15 оказалось меньше Х2табл = 9,49, найденного при уровне значимости а = 0,05. Это позволило принять гипотезу о нормальном распределении выходной величины эксперимента. Необходимое число дублированных опытов оказалось равным п = 8. При проведении эксперимента каждый опыт повторялся 9 раз. Результаты восьми серий дублированных опытов приведены в табл. 4.

Коэффициенты регрессии найдены по формулам [2]. Регрессионная модель с натуральными обозначениями факторов

tп = 0,8844 - 0,0488n - 0,3502h -

ц 7 7 c 7 ш

- 0,0328l + 0,0463h l - 0,0080n h l +

7 n 7 ш n 7 c ш n

+ 0,0181n l + 0,0509n h .

c n c ш

Адекватность математической модели доказана с помощью A-критерия Фишера.

Для анализа влияния на отклик фактора h и взаимодействия h • l построены три прямые из семейства зависимостей t" = f (кЩ) (рис. 2): прямая 1 получена при фиксировании факторов nc и ln на основном уровне; прямая 2 - при фиксировании фактора ln на верхнем уровне; прямая 3 - при фиксировании фактора nc на верхнем уровне. С ростом фактора ln продолжительность цикла t" увеличивается. По сравнению с горизонтальным перемещением ln вертикальная составляющая будет значительно меньше, то есть изменение фактора ln в пределах его диапазона варьирования оказывает большее влияние на продолжительность цикла tцп.

Т а б л и ц а 3

Характеристики изменяемых факторов

Наиме- нование фактора Уровни фактора Интервал варьиро- вания

верхний нижний основ- ной

1. Число, захватываемых сортиментов, Пс 6 2 4 2

2. Высота штабеля лесоматериалов, hш 3,5 1 2,25 1,25

3. Расстояние перемещения груза, In 7,9 4,8 6,35 1,55

t," мин

Ч у

Рис. 2. Графики зависимостей t” = f

46

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Таблица 4

Результаты исследований продолжительности цикла погрузки сортиментов

Значения факторов Результаты эксперимента !,, мин Результаты расчетов

опыта n , шт с7 h , м ш l, м И* Уд УД2 УД3 Уд4 Уд6 У7 *У'8 Уд9 Уд S2 J У

1 2 1 4,8 0,68 0,81 0,79 0,82 0,79 0,72 0,74 0,82 0,70 0,76 0,0029 0,7275

2 6 1 4,8 1,07 1,01 0,95 1,10 0,86 1,16 1,00 0,75 1,08 0,99 0,0164 0,9786

3 2 3,5 4,8 0,57 0,41 0,52 0,55 0,47 0,44 0,46 0,48 0,50 0,49 0,0027 0,5247

4 6 3,5 4,8 1,07 0,87 0,81 0,84 0,85 0,92 0,92 0,89 0,76 0,88 0,0077 0,9003

5 2 1 7,9 0,81 0,89 0,91 0,66 0,69 1,04 0,86 0,86 0,81 0,84 0,0131 0,8558

6 6 1 7,9 1,16 1,06 1,46 1,50 1,31 0,99 1,23 1,25 1,35 1,26 0,0290 1,2925

7 2 3,5 7,9 0,69 0,76 0,97 0,72 0,87 0,81 0,75 0,65 0,95 0,80 0,0127 0,7775

8 6 3,5 7,9 1,13 1,02 1,26 0,99 1,06 1,46 1,04 1,15 1,02 1,13 0,0229 1,0897

t", мин

Ч 7

4,8 6,35 7,9 1п, м

Рис. 3. Графики зависимостей t” = f

Изменение вертикальной составляющей зависит от высоты штабеля лесоматериалов h . Чем больше h , тем меньше высота

шш

подъема груза. Прямые 1 и 2 не параллельны, то есть при большем значении расстояния перемещения ln изменение высоты штабеля лесоматериалов h оказывает меньшее влияние на продолжительность цикла погрузки сортиментов t^n. Продолжительность цикла погрузки tцп увеличивается и с ростом фактора п.

На рис. 3 показаны зависимости отклика tцп от фактора ln. прямая 1 получена при фиксировании факторов пс и hui на основном уровне; прямая 2 - при фиксировании фактора htu на верхнем уровне. С ростом фактора hui продолжительность цикла погрузки падает. При большем значении высоты штабеля hui изменение горизонтальной составляющей ln оказывает более сильное влияние на продолжительность рабочего цикла гидроманипулятора.

По аналогичным экспериментальным исследованиям получена регрессионная модель продолжительности цикла выгрузки сортиментов tв

tв = 0,3821 + 0,0098n - 0,2217h +

+ 0,0053l + 0,0311n h + 0,0295h l -

7 п 7 c ш 7 ш п

- 0,0049n h l + 0,0061n l.

7 c ш n 7 c n v/

Анализ полученного уравнения показал, что с увеличением высоты штабеля hm вертикальная составляющая расстояния перемещения уменьшается. Чем больше высота штабеля сортиментов h тем меньше расстояние перемещения лесоматериалов в вертикальной плоскости. Поэтому изменение горизонтальной составляющей ln оказывает более сильное влияние на продолжительность цикла выгрузки сортиментов.

Полученные уравнения регрессии могут использоваться при расчете продолжительности пребывания самозагружающихся автопоездов в пунктах погрузки и выгрузки лесоматериалов.

Библиографический список

1. Андрианов, Ю.С. Вывозка лесоматериалов самозагружающимися автопоездами: научное издание / Ю.С. Андрианов; под ред. М.Ю. Смирнова. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - 231 с.

2. Пижурин, А.А. Исследования процессов деревообработки / А.А. Пижурин, М.С. Розенблит. - М.: Лесная пром-сть, 1984. - 232 с.

3. Погрузчик леса манипуляторного типа (гидроманипулятор) ПЛ-70 и его модификации. Руководство по эксплуатации ПЛ-70.00.000 РЭ. / ООО «Велмаш».- Великие Луки, 2005. - 97 с.

4. Loglift puutavaranosturit skogskranar hydraulic log loaders Holzladekrane gruels forestieres / Loglift Oy Ab. - Finland, 1993.- 195 p.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

47