Оценка влияния внешних условий на лесозаготовительные машины

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

как можно больше, а сам шар - как можно тяжелее, сила трения шара о полость должна быть минимальной, сама полость должна быть расположена как можно дальше от оси вращения рубящего органа.

Взаимодействие рубящего органа с древесиной пня [3] считается вязкоупругим, при этом в процессе компьютерного эксперимента производится постепенное удаление «срубленных» элементов пня, то есть постоянная коррекция формы пня.

Интегрирование дифференциальных уравнений, заложенных в основу модели, осуществляется численно модифицированным методом Эйлера-Коши [4]. Для этой цели специально составлена компьютерная программа на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.

Одним из основных выходных параметров модели является касательная скорость рубящего органа, или приведенная угловая скорость юро (рисунок 3). При проведении компьютерного эксперимента первоначально происходит переходной процесс (t = 0 ... 0,3 с), в течение которого механизм раскручивается и выходит на установившийся режим. В момент времени t = 0,8 с происходит первый

удар о древесину пня. Резкое уменьшение юро в момент удара свидетельствует о том, что древесине пня передан существенный импульс, вызывающий срубание щепы. При больших значениях t виброударный механизм постепенно выходит на устоявшийся режим удаления пня. Подбором параметров механизма необходимо добиться того, чтобы при каждом ударе о древесину ей передавался как можно больший импульс.

Таким образом, разработанная компьютерная модель адекватно описывает функционирование виброударного механизма и предоставляет широкие возможности оптимизации его параметров.

Библиографический список

1. Советов, Б.Я. Моделирование систем: учебное пособие / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. - М.: Высшая школа, 1998. - 319 с.

2. Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ / Под ред. Е.Ю. Малиновского. - М.: Машиностроение, 1980. - 216 с.

3. Моделирование сельскохозяйственных агрегатов и их систем управления: учеб. для вузов / под ред. А.Б. Лурье. - Л.: Колос. Ленингр. отделение, 1979. - 312 с.

4. Инженерные расчеты на ЭВМ: Справочное пособие / Под ред. В.А. Троицкого. - Л.: Машиностроение, 1979. - 288 с.

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ

на лесозаготовительные машины

В.Е. КЛУБНИЧКИН, асп. каф. колесных и гусеничных машин МГУЛ

Опыт лесозаготовительного производства показывает, что в ближайшей перспективе будет увеличиваться объем работ в древос-тоях на переувлажненных с низкой несущей способностью грунтах в сложных рельефных условиях; острее станут проблемы повышения проходимости, топливной экономичности и производительности лесосечных машин, созданных на базе энергонасыщенных лесопромышленных тракторов; возрастут экологические и социальные требования к лесозаготовительному производству. Решение перечисленных проблем во многом определит дальнейшее развитие отрасли.

vklubnichkin@mgul. ac. ru Повышение эффективности комплекса лесосечных машин в настоящее время ограничивается низкой производительностью лесопромышленных тракторов. Существуют два основных пути решения проблемы повышения производительности машин: увеличение рейсовой нагрузки на машину и повышение рабочих и транспортных скоростей ее движения.

Увеличение рейсовой нагрузки на машину приведет к увеличению массы конструкции и соответственно к переуплотнению грунта, что губительно влияет на процесс естественного лесовозобновления, а также ока-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2010

119

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

зывает негативное воздействие на процесс колееобразования и приводит к повышению энергопотерь на самопередвижение техники. Можно, конечно, пойти по пути дальнейшего решения данного вопроса, например увеличить размеры опорной поверхности машины. Однако, этот путь имеет определенные ограничения в связи с тем, что «уширение» опорной поверхности приводит к значительному росту габаритов машины и массы ходовой системы.

Поэтому наиболее перспективным считается путь увеличения скорости движения.

Особенностью поверхностей движения лесосечных машин является наличие на полотне пути различных неровностей. При движении по неровным дорогам и волокам в системе «лесопромышленный трактор - пачка деревьев» происходят колебательные процессы, вызывающие значительные динамические нагрузки на детали корпуса, трансмиссии, двигателя и ходовой части, снижение КПД, скорости, увеличение энергопотерь и другие отрицательные последствия.

Поскольку динамические процессы интенсивно растут при увеличении скорости движения и массы машины, они порождают существенное ограничение повышения производительности лесопромышленных тракторов.

Необходимо отметить, что наиболее существенное влияние на конструкцию оказывают колебательные процессы трех видов: вибрации - высокочастотные колебания, вызываемые неуравновешенными силами инерции двигателя, низкочастотные колебания остова, вызываемые движением трактора по неровностям пути, и взаимодействиями его ходовой системы с препятствиями (по данным ученых МГУЛ при трелевке трактор в течении смены преодолевает не менее 100 препятствий высотой 200-400 см) и крутильные колебания в трансмиссии.

Способность трактора поглощать при движении толчки и удары определяет плавность хода. Плавность хода - важное эксплуатационное качество, оказывающее влияние на самочувствие водителя, безопасность дви-

жения, производительность и экономичность работы, тяговые и эксплуатационные показатели, а также долговечность машины.

Повышенная вибрация деталей трактора приводит к резкому снижению их срока службы, разбалтыванию соединений, ослаблению крепежа, увеличению шума в кабине и т.д.

Крутильные колебания в трансмиссии могут быть вызваны неравномерностью движущего момента двигателя в установившемся режиме работы машины, либо резким изменением момента в переходных режимах, например при трогании трактора с места. Динамические нагрузки, возникающие в трансмиссии трактора, в ряде случаев приводят к снижению срока службы шестерен, валов, подшипников, а иногда к их поломкам, и поэтому требуют специального рассмотрения и учета при расчете и конструировании тракторов.

В свете вышесказанного важным направлением исследований последних лет является изучение динамических процессов, возникающих в системах и агрегатах гусеничного трактора при движении по неровному пути. Многочисленные работы, например [1, 2, 3, 4, 5], подтверждают неблагоприятное влияние динамических процессов на плавность хода, тяговые свойства машины, надежность и долговечность трактора. Кроме того, отмечено увеличение расхода энергии двигателя при движении по неровному пути [6, 7]. В работе [8] отмечается, что одной из основных причин потерь мощности является рассеивание энергии при вынужденных колебаниях трактора.

Анализ указанных выше работ показал, что повышение технического уровня тракторов в значительной степени зависит от снижения динамических процессов в их системах и агрегатах.

В общем случае возможны два подхода к изучению движения колесных и гусеничных машин: детерминистический и вероятностный.

Детерминистический подход к изучению движения машины базируется на анализе модели движения, для которой известны начальное состояние и внешнее воздействие,

120

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

заданное в виде определенной неслучайной функции переменных, определяющих это воздействие. Детерминистические принципы не могут охватить всего многообразия возможных внешних условий движения. Важнейшее их преимущество - относительная простота моделей движения колесных и гусеничных машин и возможность быстрой и точной проверки результатов анализа модели в процессе испытаний. К недостаткам детерминистического подхода можно отнести следующее: он не позволяет непосредственно получить сведения об общих свойствах машины, которые проявляются при реальной эксплуатации, охватывающей все многообразие внешних условий ее функционирования.

При вероятностном методе рассматривается модель колесной или гусеничной машины как динамической системы, поведение которой в каждом конкретном случае реализации условий ее функционирования не может быть предсказано, но при многократных реализациях этих условий, обладающих некоторыми общими вероятностными признаками, это поведение подчинено определенным статистическим закономерностям.

Вероятностные методы применяются для того, чтобы, минуя изучение отдельного явления, обратиться непосредственно к законам, управляющим массовым явлением. Статистические закономерности, наблюдаемые при массовом эксперименте, отражают вероятностные закономерности, присущие явлению.

Найденные таким образом априорные закономерности изучаемых явлений могут быть подтверждены или опровергнуты только статистической обработкой натурного эксперимента (обработкой апостериорных данных).

Кроме того известно, что математически вероятностная модель движения машины описывается таким же по форме дифференциальным уравнением, как и детерминистическая модель. Отличие состоит лишь в том, что в правую часть дифференциального уравнения должна входить зависящая от времени случайная функция

возмущения, т.е. случайный процесс, характеризуемый соответствующими вероятностными характеристиками. В связи с этим решение поставленной задачи динамики ищется в виде определенной совокупности вероятностных характеристик реакций машины на внешнее воздействие, заданное во временной области.

Основной особенностью движения машины, которую необходимо учитывать при оценке с вероятностных позиций, является то, что внешние условия, определяющие воздействие на машину как динамическую систему, изменяются по мере ее движения по заданному пути. Вероятностные характеристики внешнего возмущения в практике можно получить лишь в результате статистической обработки результатов экспериментальных исследований отдельных реализаций внешних возмущений по пути предполагаемого движения машины. В связи с этим вероятностные характеристики отражают изменение вероятностной меры по пути движения машины.

Также необходимо отметить, что уже несколько десятилетий ученые, производственники, конструкторы и технологи лесной промышленности дискутируют о том, каким движителем целесообразно оснащать лесопромышленный трактор. При этом участники дискуссии ссылаются на производственную необходимость, зарубежный опыт, выделяют некоторые достоинства движителя, какие-либо конструктивные решения.

Важно отметить, что с 60-х годов основные научные, конструкторские и производственные ресурсы были направлены на совершенствование колесного движителя. В связи с этим прогресс в данной области закономерен. Если сравнивать металлическое колесо с грунтозацепами (шпорами) тракторов СТЗ - ХТЗ и «Универсал», применявшихся до конца 50-х годов в сельском хозяйстве, да и в лесной промышленности, с шиной колеса К-701 (К-703), то можно отметить, что технический прогресс за три десятилетия оказал революционное влияние на развитие конструкции и технический уровень колесного тракторного движителя.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010

121

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Гусеница трактора 30-х годов и гусеница трелевочного, а также сельскохозяйственного трактора 80-х годов практически не отличаются по конструкции и техническому уровню; это один и тот же узел, собранный из тяжелых, шарнирно сочлененных между собой стальных звеньев. Такая гусеница имеет большую массу, рассеивает много энергии, интенсивно изнашивается. В течение 50 лет технический прогресс не коснулся гусеницы трелевочных тракторов, находящихся в серийном производстве.

Снижению эффективности работы гусеничного движителя трелевочных тракторов класса тяги до 50 кН способствуют несовершенные ступенчатые механизмы поворота с фрикционными элементами управления, работающими всухую и обладающие плохой управляемостью.

Между тем гусеничный движитель обладает рядом существенных преимуществ перед колесным. По данным Г.М. Анисимова [9] у колесного движителя в контакте с грунтом находится около 10 % (шины сверхнизкого давления до 16 %) периметра колеса. Следовательно, сцепные свойства гусеничного движителя в несколько раз выше, а потери мощности от буксования в 3-4 раза меньше, чем у колесного. Создана гусеница с разнесенными звеньями, масса которой меньше, а сцепные свойства в 3-4 раза лучше, чем у обычной. Исследованиями сельскохозяйственных тракторов установлено, что у колесного трактора на вспашке погектарный расход топлива на 30-40 % больше, чем у гусеничного. В шарнирах и на перематывание гусеницы образца 30-х годов теряется до 10 % энергии, а при качении шины по бетонной дороге на ее деформации затрачивается только 1-2 % энергии. При движении машины по сильно деформированному грунту потери в обоих типах движителей практически одинаковы.

Решение проблемы проходимости колесных машин увеличением числа ведущих осей привело к значительному усложнению трансмиссии, снижению ее коэффициента полезного действия и циркуляции паразитной мощности, с которой до сих пор не найдены меры борьбы. Несмотря на это, проходимость

колесных машин не достигла проходимости гусеничных, а собственная масса некоторых колесных машин в 2-3 раза превосходит полезную нагрузку. Гусеничный трелевочный трактор обладает лучшей динамической устойчивостью.

При системном подходе к оценке перспективности движителя также необходимо учитывать экологическую совместимость его с почвой. Этой проблемой занимаются ученые Европы, США, Канады и др. Широкие исследования оценки экологических последствий машинной заготовки леса проводятся лесохозяйственными, лесопромышленными, академическими и учебными институтами нашей страны.

Всесторонние, обширные исследования взаимодействия движителей тракторов и почв показали, что наибольший отрицательный эффект заключается в чрезмерном уплотнении почвы. Плотность почвы является существенной характеристикой, от которой зависит комплекс ее физических свойств, водный, воздушный и тепловой режимы, а следовательно, и биологическая активность. Степень уплотнения определяет пористость, содержание влаги, размеры почвенных частиц и пор между ними, размеры микро - и макроагрегатов, количество живых организмов и микроорганизмов. Сельскохозяйственная практика показывает, что можно создать высокий уровень плодородия с помощью удобрений, добиться удовлетворительной водообеспеченности поля, но при чрезмерно высокой плотности почвы не получить хороший урожай. В системе обработки сельхозугодий проводится постоянное регулирование плотности почвы. Иное обстоятельство в лесной экосистеме, где воздействие машин на почвы происходит один раз в 20-80 лет и дальнейшее восстановление их свойств происходит естественным длительным путем [10].

Плотность почвы в следах движителя зависит от давления движителя и числа проходов машин. Даже после одного прохода энергонасыщенного трактора К-701 (давление движителя у которого значительно меньше, чем у К-703) плотность пахотного слоя в следе по подзолистой почве увеличивается на 21-33 %.

122

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Исследователи сельскохозяйственных тракторов установили для различных почв и их свойств (спелости, влажности) допустимые с экологической точки зрения значения показателя воздействия максимального qM и среднего qc давления движителя на почву. Однако движение колесных энергонасыщенных тракторов, таких как К-700, сопровождается сильным переуплотнением почвы. Например, при 3-кратном проходе этого трактора по одному следу значение показателя воздействия в 3-4 раза больше допустимого.

В шинах перспективных колесных движителей лесопромышленных тракторов можно ожидать снижения давления воздуха только до 0,15 МПа. Снижение давления воздуха сопровождается уменьшением долговечности шины, увеличением рассеивания энергии за счет внутримолекулярного трения при ее деформации, уменьшением скорости движения трактора. Следовательно, можно ожидать, что давление колесного движителя лесопромышленного трактора будет значительно выше допустимого по экологической совместимости системы движитель - почва. Кроме того, с увеличением максимального давления движителя на опорную поверхность ухудшается проходимость лесных машин по глубокому снежному покрову и почвам с малой несущей способностью [8].

В 60-х годах в нашей стране и за рубежом было создано несколько вариантов пневмогусениц, ленточных гусениц, пневмотраков из различных синтетических материалов, позволяющих оснастить машину движителем с очень низким средним давлением. Например, трелевочный трактор «Фор-мост-195», выпускавшийся в начале 70-х годов, общей массой с грузом около 20 т, на гусеницах из резинонейлоновой ленты, армированной стальным канатом, имел давление 0,04 Мпа. Легкая эластичная гусеница позволила создать трелевочный трактор, обладающий высокой энергонасыщенностью (11 кВт/т) и скоростью движения до 23,5 км/ч. Финская фирма «Normet» экспонировала на выставке «Лесдревмаш-84» сортиментовоз «Farmi-Trak» на ленточных гусеницах с ре-

кордно малым давлением движителя на почву

0. 005.МПа.

Особо следует отметить уменьшение отрицательного влияния на почвенный покров и подрост гусеничного движителя с малым удельным давлением в сочетании с трансмиссией, обеспечивающей плавный бесступенчатый поворот машины. Трелевочная система на базе такого гусеничного трактора будет обладать высокой экологической эффективностью и проходимостью, иметь низкий удельный технологический расход топлива, т.е. обеспечит рост производительности при снижении энергозатрат на трелевку.

Все вышеперечисленное обуславливает актуальность поиска новых технических решений и научное обоснование их именно для гусеничного типа движителя.

Библиографический список

1. Анисимов, Г.М. Исследование нагруженности трансмиссии трактора ТДТ-55 при работе на лесозаготовках: дисс. ... канд. техн. наук / Г.М. Анисимов. - Л., 1967.

2. Анисимов, Г.М. Научные основы применения трелевочных тракторов в перспективных технологических процессах: дисс. ... д-ра техн. наук / Г.М. Анисимов. - Л., 1979.

3. Анисимов, Г.М. Условия эксплуатации и нагру-женности трансмиссии трелевочного трактора / Г.М. Анисимов. - М.: Лесная пром-сть, 1975. -166 с.

4. Кутин, Л.Н. Исследование и выбор параметров подрессоривания гусеничного сельскохозяйственного трактора: дисс. ... канд. техн. наук / Л.Н. Кутин. - М., 1986.

5. Силаев, А.А. Спектральная теория подрессоривания транспортных машин / А.А. Силаев. - М.: Машиностроение, 1972. - 192 с.

6. Кожуханцев, А.Н. Исследование влияния низкочастотных колебаний в тракторе тягового класса 3-4 на его тягово-динамические показатели: дисс. ... канд. техн. наук / А.Н. Кожуханцев. - М., 1980.

7. Халфман, Р.Л. Динамика.: пер. с англ / Р.Л. Халф-ман. - М.: Наука, 1972. - 568 с.

8. Беккер, М.Г. Введение в теорию систем местность - машина.: пер. с англ. / М.Г. Беккер. - М.: Машиностроение, 1973. - 520 с.

9. Анисимов, Г.М. Эксплуатационная эффективность трелевочных тракторов / Г.М. Анисимов. - М.: Лесная пром-сть, 1990. - 208 с.

10. Котиков, В.М. Воздействие лесозаготовительных машин на лесные почвы: дисс. ... д-ра техн. наук / В.М. Котиков. - М., 1995.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010

123