Обоснование выбора технологии и машинных комплексов на лесосечных работах

УДК 630*32.002.5 (075.5) В.И. Скурихин, В.П. Корпачев

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИИ И МАШИННЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ЛЕСОСЕЧНЫХ РАБОТАХ

Обобщены и проанализированы хлыстовой и сортиментный способы заготовки древесины. Представлена структура себестоимости одного кубометра древесины. Рассчитаны удельные затраты при хлыстовом и сортиментном способах заготовки в зависимости от природно-производственных условий.

Введение. Технологические процессы лесосечных работ основаны на первичной транспортировке деревьев, хлыстов или сортиментов и отличаются применением различных систем машин. Определяющими при выборе типа лесозаготовительных тракторов и машин являются метод заготовки древесины (хлыстовой или сортиментный) и природно-производственные условия (характеристика лесонасаждений, грунтовые условия, рельеф местности, сезон заготовки и др.).

В течение весьма продолжительного периода времени на страницах отраслевых научных изданий наблюдается оживленная дискуссия об эффективности хлыстового и сортиментного способов заготовки древесины и сферах их применения. В данном контексте каждый способ определяет место производства сортиментов: сортиментный - на лесосеке, хлыстовой - на нижнем лесопромышленном складе. Наряду с этим параллельно обсуждаются машинные комплексы, реализующие определенные ими же способы лесозаготовок [1; 2].

В мировой практике лесозаготовительного производства существует два направления создания и развития номенклатуры тракторов и машин. Первое характеризуется созданием относительно простых машин валочно-пакетирующего типа (ВПМ) для заготовки деревьев и трелевки тракторами (пачкоподборщика-ми или скиддерами) [3]. В мировой практике по хлыстовой технологии заготавливается более 70% всей древесины.

Второе направление заключается в создании более сложных машин для сортиментной заготовки -валочно-сучкорезно-раскряжевочного типа (харвестеры) и для транспортировки сортиментов (форвардеры). Приоритет применения сортиментной технологии принадлежит скандинавским странам и в настоящее время широко распространен в Западной Европе, Канаде и Юго-Восточной Азии [4; 5]. Выбор оборудования и машин определяется прежде всего необходимостью обеспечения высокой производительности лесозаготовительной техники, способной оправдать затраты в условиях постоянного возрастания ее стоимости, и выполнения лесоводственно-экологических требований по минимальному воздействию на лесную среду [6].

Прежде чем говорить о преимуществах рекламируемой скандинавской технологии и якобы наметившемся переломе в ее пользу и кризисе хлыстовой технологии, требуется провести сравнительный анализ этих технологий. Вполне возможно, что применение сортиментной технологии в определенных условиях окажется наиболее экономически оправданным и грамотным инженерным решением.

Поэтому считаем, что совершенствование методики оценки параметров системы лесосечных машин (как на стадии предпроектного обоснования, так и для объективной оценки результатов работы в условиях действующего предприятия) является актуальной и найдет практическое применение.

Постановка оптимизационной задачи. Наиболее рациональной технологией лесозаготовительного производства является такая технология, которая способствует уменьшению затрат труда, материалов и денежных средств на единицу продукции, машинизации труда и улучшению использования механизмов по времени и мощности; максимально сокращает межоперационные производственные внутрисменные и меж-сменные простои [7].

С целью сопоставления и последующего анализа ниже приводятся показатели работы лесосечных машин на предприятиях Нижнего Приангарья, где заготовка древесины уже на протяжении 10 лет ведется как по традиционной для этих природно-производственных и территориальных условий хлыстовой технологии, так и сортиментами с использованием комплекса «^ 1270В» + 1010».

Технологический процесс лесозаготовок представляет собой сложную многокомпонентную систему с большим количеством факторов. Для уменьшения вычислений и определения связи между приведенными

затратами и основными природно-производственными факторами эффективен метод планирования экспериментов.

Планирование эксперимента сводится к обоснованному выбору числа опытов и условий их проведения с целью получения максимально возможной и достаточной информации, необходимой для решения поставленных задач с требуемой точностью при минимуме затрат [10].

Задача оптимального проектирования в общем виде сводится к определению такой системы машин по составу (/=1,2,3... к), при которой суммарные приведенные затраты по системе были бы минимальными. Затраты на выполнение основных технологических операций по /-й системе машин определяют по формуле

/ Б.  Ыа;

1 п

З, = 7^ X

Д  К

г с

N

где Qсмi - сменное задание по системе машин, м3;

БI - балансовая стоимость машин и механизмов на выполнении /-й операции с учетом расходов на доставку, руб.;

Ыа/ - норма амортизации на механизм или машину при выполнении /-й операции, %;

Д/ - число дней работы в году;

Ксм/ - коэффициент сменности на выполнении /-й операции;

Э/ - эксплуатационные сменные затраты на механизм или машину при выполнении /-й операции, руб.

N - число машин или механизмов, входящих в систему на выполнении /-й операции, шт.

Это, прежде всего, АО «Шиверский ЛПХ» и АО «Ангарский ЛПХ» в Богучанском районе Красноярского края. В недавнем прошлом это крупные по объему лесозаготовок предприятия, имеющие сравнительно высокие производственно-экономические показатели.

В АО «Ангарский ЛПХ» среднесменная выработка на ВПМ ЛП-19А в зимний период 2003 года составляла 249 м3, на пачкоподборщике МЛ-30 - 245 м3/смену. При этом себестоимость механизированной («ручной») валки леса составила 19 руб/м3, машинной - 65,3 руб/м3. Себестоимость трелевки пачкоподбор-щиком МЛ-30 - 78,6 руб/м3, а себестоимость заготовки 1 м3 древесины по основным лесосечным работам комплексом ^ 1270В + ^ 1010 составила 224 руб/м3.

В АО «Шиверский ЛПХ» в 2003 году хлыстовым методом было заготовлено 226,8 тыс. м3, комплексом ^ 1270В+^ 1010 - 30,4 тыс. м3, при этом себестоимость заготовки у харвестера составила 60,22 руб/м3, затраты на подвозку для форвардера - 54,98 руб/м3.

Для работы на лесосеках, расположенных на склонах, приобретена ВПМ Ш 2618» с выравниваемой платформой. В 2003 году с помощью ее было заготовлено 58069 м3 древесины себестоимостью 72,42 руб/м3 [8]. По итогам работы АО «Шиверский ЛПХ» в 2003 году себестоимость заготовки хлыстов системой машин ЛП-19А+ЛТ-154 составила 139,68 руб/м3, а себестоимость заготовки сортиментов комплексом ^ 1270В+Т 1010 -73,71 руб/м3.

На круговой диаграмме (рис. 1) представлена структура себестоимости заготовки 1 м3 древесины при заготовке и вывозке хлыстов и сортиментов.

Авторами проведено сравнение традиционных систем машин для хлыстовой заготовки на базе отечественной техники с финским комплексом «Т^Ьепаск» для условий одного из названных лесозаготовительных предприятий.

Методика определения эффективности реализуется посредством ряда этапов [9]. Первоначально формировались системы машин для хлыстового и сортиментного способов лесозаготовок по всему циклу основных работ, завершением которого является штабелевка древесины. На втором этапе на основе проведенных исследований выделены четыре основных фактора (средний запас древесины, м3/га; средний объем хлыста, м3; расстояние вывозки, км; годовой объем производства, тыс. м3) и установлены интервалы их варьирования.

Как показали расчеты, с увеличением расстояния вывозки затраты однозначно возрастают. Сравнение трех видов автопоездов показывает, что на вывозке хлыстов дешевле обходится эксплуатация автолесовоза КрАЗ-255Л+ГКБ-9383-010, а при сортиментной технологии - вывозка сортиментовозом Урал-4320+ГКБ-9383-011.

В основу обоснования параметров и марок технологического оборудования и лесозаготовительных машин положен анализ лесонасаждений и лесорастительных условий Приангарья и, в частности, лесосырьевой

базы АО «Шиверский ЛПХ», который показал, что факторы, характеризующие древостой (средний объем дерева, породный состав насаждений, средний запас леса на 1 га и др.), изменяются в широком диапазоне.

а Доля затрат на лесозаготовках при вывозке хлыстами

Подённая плата Ф°нд

42% заработной

Прочие расходы 3%

Амортизация

8%

Общезаводские ^ I

5% Накладные Материалы

3% 3%

смазочные

материалы

14%

б Доля затрат на лесозаготовках при вывозке сортиментами

Подённая плата

15% Фонд

заработной

платы

Общезаводские

8% Накладные

1%

Материалы 1%

Г орюче смазочные материалы 6%

51%

Амортизация 11%

Прочие расходы 7%

Рис. 1. Структура себестоимости заготовки 1 м3 древесины при заготовке

и вывозке хлыстов и сортиментов в АО «Шиверский ЛПХ»

Средний запас на 1 га для насаждений, включенных в расчет главного пользования, выглядит следующим образом: сосняки - 267 м3, лиственничники - 205 м3, ельники - 199 м3, пихтачи - 279 м3, березняки -186 м3 и осинники - 267 м3.

При принятых возрастах рубки средний объем хлыста колеблется: 1,074 м3 - лиственница, 0,243 м3 -береза; сосна - 0,713 м3, ель - 0,294 м3, пихта - 0,300 м3, кедр - 0,549 м3 и осина - 0,685 м3.

Выбор сравниваемых систем машин (рис. 2) обусловлен природно-производственными факторами и наиболее распространенными производственными процессами на предприятиях Нижнего Приангарья.

Анализ результатов исследований. Приведенные на рис. 3-4 пространственные изображения позволяют выявить тенденции в изменениях рассматриваемого оценочного параметра (ось ординат) и дают возможность учесть как совокупное, так и раздельное влияние исследуемых факторов (оси абсцисс и аппликат).

Сравнение результатов показывает, что технология «пила+трактор+пила» (рис. 3) экономически наиболее выгодна как при хлыстовой, так и при сортиментной технологии. Заготовка системой машин на базе ВПМ ЛП-19А несколько экономичнее, чем система машин на базе ВТМ ЛП-49. Однако с увеличением объема хлыста до 0,7 м3 и годовом объеме производства свыше 125 тыс. м3 затраты на заготовку этими системами машин примерно равны. При запасе менее 150 м3/га система машин на базе ЛП-49(ЛТ-62) экономически более выгодна с применением на нижнем складе кранов ЛТ-62 и раскряжевочных установок ЛО-15С (рис. 3,б).

ЛТ-80

Рис. 2. Альтернативные системы машин для лесозаготовок

.ТЛ270В+ТЛ010

П-19А+ЛТ-154

-19

ЛП-49

Рис. 3. Влияние среднего объема хлыста и запаса древесины на прямые затраты

Сравнивая технологию заготовки хлыстами на базе ЛП-19А и сортиментную технологию «харве-стер+форвардер» и «пила+форвардер» можно сказать, что технология «харвестер+форвардер» является наиболее затратной. Высокая стоимость машин сводит к минимуму эффект от снижения затрат на нижнем складе. Однако применение такого комплекса в насаждениях со средним объемом хлыста от 0,35 до 0,65 м3, запасом на 1 га от 150 м3 и годовым объемом заготовки от 75 до 125 тыс. м3 экономически целесообразно. Это характеризуется значительным снижением трудозатрат и сокращением числа операций на нижнескладских работах.

-19А

______ЛП-49

Т-4М

ТЛ270В+ТЛ010

МП-5+ТЛ010

ЛП-19А

1 \ * С

2

Рис. 4. Влияние среднего объема хлыста и запаса древесины на прямые затраты для различных систем машин

Заключение. Сегодня невозможно давать заключение о той или иной технологии лесозаготовок как более передовой и прогрессивной, опираясь только на общепринятые экономические показатели. Оценка эффективности процессов заготовки древесного сырья только с экономической точки зрения весьма спорна и неоднозначна. Как оценить то, что оставляемая в лесу низкосортная древесина в виде балансов и дров в значительной степени ухудшает экологическую обстановку, способствует размножению энтомо-вредителей и возникновению лесных пожаров?

Сортиментная технология имеет ряд очевидных преимуществ перед хлыстовой и с ее применением себестоимость заготовки древесины уменьшается, по крайней мере, в 1,5 раза, а в древостоях с низким средним диаметром - и того более. По мнению некоторых специалистов, резкий переход на эту техноло-

гию может вызвать социальную напряженность, так как резко сокращается занятость рабочих на заготовке древесины и она может составлять в 3-5 раз меньше, чем при традиционной хлыстовой технологии. Кроме того, существенным образом меняется структура фонда рабочих мест, так как практически отпадает потребность в низкоквалифицированных кадрах, таких, как вальщик леса, обрезчик сучьев, чокеровщик, рабочие нижнего склада.

По мнению большинства специалистов, на сегодняшний день лесная отрасль не отвечает тому потенциалу, которым располагает Россия. Огромные лесные территории не осваиваются в полном объеме и с соответствующим качеством.

Решать возникшую проблему предлагается за счет вовлечения в переработку низкотоварной древесины, заготовка которой для лесозаготовителей до сих пор является убыточной; между тем такие хлысты, являющиеся сырьем для производства технологической и топливной щепы, могут перерабатываться на конечный вид продукции, минуя стадию производства сортиментов на лесосеке.

Из сказанного можно сделать вывод, имеющий принципиальное значение при выборе дальнейшего направления развития технологии лесозаготовок в лесном комплексе. Возможность получения сырья для ЦБП и производства древесных плит, а также топливной щепы непосредственно из хлыстов, указывает на то, что примерно половину заготавливаемой древесины можно перерабатывать на предприятиях, исключив стадию производства круглых лесоматериалов (сортиментов), не снижая при этом рентабельность лесозаготовок.

Литература

1. Большаков, Б.М. Об основных параметрах зарубежных лесозаготовительных машин / Б.М. Большаков, Д.В. Можаев, А.М. Рудник // Лесн. пром-сть. - 2002. - № 3.

2. Якимович, С.Б. Где производить конечный продукт лесозаготовок - на лесосеке или лесопромышленном складе? / С.Б. Якимович // Лесн. пром-сть. - 2003. - № 4. - С. 16-19.

3. Герасимов, Ю.Ю. Экологическая оптимизация технологических процессов и машин для лесозаготовок / Ю.Ю. Герасимов, B.C. Сюнев; ЙОЭНСУУ. - Финляндия: Изд-во ун-та ЙОЭНСУУ, 1998. - 178 с.

4. Стрельцов, Э.К. Структурный анализ развития лесозаготовительных тракторов и машин / Э.К. Стрельцов // Лесн. пром-сть. - 2002. - № 3. - С. 21-24.

5. Оценка экономической эффективности технологии лесозаготовок с вывозкой древесины сортиментами / ДА Козянчук [и др.]; под ред. проф. В.П. Корпачева // Лесоэксплуатация: межвуз. сб. науч. тр.- Красноярск: Изд-во СибГтУ, 2002. - Вып. 4. - С. 83-92.

6. Обыденников, В.И. Методические аспекты экологической экспертизы работы лесосечных машин /

В.И. Обыденников // Эколого-экономическое развитие России (проблемы и пути решения): альм.- М., 2001. - Вып. 2. - С. 290-299.

7. Выводцев, Н.В. Пути эффективного использования лесосечного фонда / Н.В. Выводцев, С.П. Исаев // Лесн. хоз-во. - 2004. - № 3. - С. 28-30.

8. Скурихин, В.И. Технология и оборудование лесопромышленных производств. Техника и технология лесосечных работ при заготовке сортиментов: учеб. пособие / В.И. Скурихин, В.П. Корпачёв. - Красноярск: Изд-во СибГТУ, 2003. - 186 с.

9. К оценке границ применимости сортиментного и хлыстового способов лесозаготовок // Технология лесопромышленного производства и транспорта: сб. тр. / под. ред. Ю.Д. Силукова; Урал. гос. лесотехн. акад.

- Екатеринбург, 2000. - 236 с.

10. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер [и др.]. - М.: Наука, 1971. -270 с.

♦'

УДК 630*307 В.А. Иванов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСИЛИЙ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ДЕРЕВЬЕВ, ЗАТОПЛЕННЫХ НА КОРНЮ В ЛОЖЕ ВОДОХРАНИЛИЩА

Построено решение задачи определения зависимости извлечения деревьев сосны и лиственницы в зависимости от диаметров в комле и времени эксплуатации водохранилищ. Определены факторы, влияющие на усилие извлечения деревьев, стоящих в воде, которые в дальнейшем будут определяющими при обосновании параметров и разработки конструкции для заготовки деревьев в ложе водохранилищ.

С точки зрения строительной механики, ствол дерева представляет собой консоль, т.е. балку, закрепленную только одним концом, - корнями в почве. С позиции прочности, такая конструкция невыгодна, но у деревьев нет выбора. Для консолей характерна значительная величина изгибающих моментов, особенно в случаях, когда действующие силы сосредоточены вблизи свободного конца, что как раз наблюдается у деревьев, выросших в лесу. Величина и распределение действующих на дерево сил ветра и изгибающего момента зависят от формы и размеров кроны, высоты ее расположения и густоты, а также от скорости ветра [1].

В монографии Ю.М. Новоселова [2] изучались пнево-корневые системы сосны обыкновенной с целью увязки морфологических параметров и почвогрунтовых условий с усилиями корчевания пня вертикально направленными силами.

Всесторонняя геоморфологическая оценка пнево-корневых систем необходима для определения параметров корчующего устройства.

Факторы, определяющие усилия корчевания пней, следует разделить на две основные группы. Первая - это факторы, непосредственно связанные с морфологией, вторая - факторы, определяемые той или иной почвенной разностью.

К первой группе факторов относят диаметр пня как суммирующий показатель, число боковых корней первого и второго порядка, их геометрические параметры, углы наклона, сбег корней, размах корневых систем. Ко второй группе факторов относят массу кома земли как суммирующий показатель, объем ям под пнями и размеры деформированной почвы. Кроме того, необходимо учитывать сезон выполнения работ, влияющий на влажность, промерзание почвы и т.п. [2].

Цель исследований заключалось в том, чтобы определить абсолютные усилия корчевания свежих и спелых пней (по записи на осциллограмме), наличие связи между размерами диаметра пня, формой и размерами корней, ям под пнями и деформированной почвой с величиной усилия корчевания пня [1].

По свежим сосновым пням связь между диаметром пней и средними значениями сил сопротивления близка к прямолинейной зависимости и выражается уравнением

Y = 0,662И - 5, 494.

при коэффициенте выравнивания Гв =0,997.

Важной составной части силы сопротивления корчевания пней является вес корчуемых пней и извлекаемого при этом кома земли.

Наибольшие усилия корчевания затрачиваются при наличии у пня длинного, большего диаметра стержневого корня, а также наличия наклонных корней. Установлена прямая зависимость усилия корчевания свежих сосновых пней от диаметра пня.

Дополнительными факторами, влияющими на изменчивость усилия корчевания пней, являются лин-ные корни, срастающиеся с корнями соседних пней.

С увеличением ступени толщины пней увеличивается число корней второго порядка, минимальный и максимальный размах корней первого порядка, объем ям под пнями и размеры деформированной почвы.

На основании уравнения (1) были определены усилия, необходимые для извлечения свежих пней.

Затопленные на корню деревья со временем теряют связь с почвой за счет отмирания корней второго порядка, а также за счет размыва почвы около корневой системы.

Усилие извлечения деревьев в зависимости от времени эксплуатации водохранилищ

Срок эксплуатации Усилие выдергивания, кН при диаметре в комле, см

16 20 24 28 32 36 40 44 48 52

Растущие деревья 5,09 7,75 10,39 13,04 15,69 18,34 20,99 23,64 26,29 28,93

17 лет затопления 2,5 3,9 5,7 7,8 10,2 12,8 15,8 19,2 22,8 26,8

37 лет затопления 1,5 1,8 2,0 2,2 2,4 3,0 3,5 4,1 4,5 4,8

Л иственница

Растущие деревья 9,8 12,0 14,3 17,0 18,9 21,8 23,7 25,8 28,0 29,5

17 лет затопления 6,3 7,4 8,8 11,0 13,0 15,0 17,6 20,1 22,4 27,0

37 лет затопления 4,1 4,7 5,2 5,9 6,6 7,3 8,5 10,4 12,0 15,5

Как видно из таблицы, усилия извлечения довольно велики, особенно у крупномерных деревьев, а также лишь при значительном времени эксплуатации водохранилищ (до 37 лет) существенно снижается прочность связи корневой системы деревьев с почвой за счет размывания грунтов.

На основании данных таблицы и рис. 1-2 определены усилия извлечения деревьев сосны и листвен-

ницы в зависимости от диаметров в комле.

Для растущих деревьев сосны приемлема формула

у = 0,6621 dn - 5,494.

Для деревьев сосны, находившихся под водой 17 лет, усилие может быть описано следующей фор-

мулой:

у = 0,00992 dn2,

где у - усилие извлечения деревьев сосны, кН; dn - диаметр в комлевой части деревьев, см.

I

*

К

5

I

(0

П

Ф

5

I

ш

ф

5

И

>

I

ай

оГ

I

га

ш

О.

ш

сс

л

ш

Ф

X

с;

з

£

Рис. 1. Усилие извлечения деревьев сосны в зависимости от диаметров в комле

Рис. 2. Зависимость усилия извлечения деревьев сосны от времени эксплуатации водохранилищ

Среднеквадратическое отклонение для данного уравнения равно 0,152, максимальное отклонение равно 0,644.

Для деревьев сосны, находившихся под водой 37 лет, усилие выдергивания может быть описано следующим уравнением:

у = - 0,0014 dn2 + 1,1573,

где у - усилие извлечения деревьев, кН; dn - диаметр в комлевой части деревьев, см.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения 3 равно 0,03769, максимальное отклонение равно

0,206.

Усилие выдергивания для растущих деревьев лиственницы описывается следующей формулой:

у = 0,585 dn,

где у - усилие извлечения деревьев, кН; dn - диаметр в комлевой части деревьев, см.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (4) равно 0,159, максимальное отклонение равно -

0,942.

При извлечении деревьев лиственницы, простоявших в воде 17 лет, усилие выдергивания можно описать следующей формулой:

у = 1/ ( - 2,5674*10-6 dn2 + 2,8176/ dn - 0,009845).

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (5) равно 0,253, максимальное отклонение равно 2,883*1010.

Для деревьев лиственницы, простоявших в воде 37 лет, усилие выдергивания определяется по следующей формуле:

у = 1/

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (6) равно 0,07292, максимальное отклонение равно

0,535.

Со временем эксплуатации водохранилища появляется следующая закономерность: тонкомерные деревья раньше вымываются из грунта, чем крупномерные. На рис. 2 представлена зависимость извлечения деревьев различных диаметров.

На основании данных таблицы и рис. 3 определена зависимость снижения сил сопротивления деревьев сосны от диаметра в комле и времени нахождения в воде.

а

Ф

5

л

ш

ф

Ц

5

О

>

Рис. 3. Усилие извлечения деревьев лиственницы в зависимости от диаметров в комле

Для деревьев сосны диаметром 16 см уравнение примет вид

у = 1/ ( 0,012а, + 0,196), где у - сопротивление извлечению деревьев, кН; an - время нахождения в воде, лет.

о

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (7) равно 0,016, максимальное отклонение равно

0,0386.

Для диаметра в комле 20 см зависимость следующая:

у = 0,0033а2 - 0,282а + 7,75.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (8) равно 827,5*10-18, максимальное отклонение равно 1,776*10-18.

Для диаметра в комле 24 см зависимость следующая:

у = 0,00245а2 - 0,317а + 10,39.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (9) равно 915,5*10-18, максимальное отклонение равно 1,776*10-15.

Для диаметра в комле 28 см зависимость от времени эксплуатации следующая:

у = -0,292а + 12,947.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (10) равно 0,0705, максимальное отклонение равно

0,172.

Для деревьев сосны диаметром 32 см:

у = - 0,00181а2 - 0,292а + 15,690.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (11) равно 2,993*10-15, максимальное отклонение равно 7,105*10-15.

Для диаметра в комле 36 см зависимость следующая:

у = - 2,79/ ехр

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (12) равно 3,22*10-15, максимальное отклонение равно 8,88*10-15.

Для диаметра в комле 40 см зависимость следующая:

у = -0,00837а2 - 0,163а + 20,99.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (13) равно 3,927*10-15, максимальное отклонение равно 10,658*10-15.

Для деревьев сосны диаметром в комле 44 см зависимость следующая:

у = -0,0133а2 - 0,03428а + 23,640.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (14) равно 2,7134*10-15, максимальное отклонение равно 7,1054*10-15.

Для деревьев сосны диаметром в комле 48 см зависимость следующая:

у = -0,01918а2 + 0,1207а + 26,290.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (15) равно 3,552*10-15, максимальное отклонение равно 10,658*10-15.

Для деревьев диаметром в комле 52 см зависимость следующая:

у = -0,0263а2 - 0,323а + 28,9.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (16) равно 4,89*10-15, максимальное отклонение равно 14,2*10-15.

По данным таблицы и рис. 4 определены зависимости усилия извлечения деревьев лиственницы в зависимости от диаметра в комлевой части и времени нахождения в воде.

Для деревьев лиственницы диаметром в комлевой части 16 см уравнение имеет вид

у= 1/

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (17) равно 888,18 *10-18, максимальное отклонение равно 2,664*10-15.

Для диаметра в комле 20 см зависимость следующая:

у = 0,00366а2 - 0,3328а + 12,00.

35

30

I

*

« 25

I

-

и

О.

20

10

Растущие

деревья

17 лет затопления

37 лет затопления

Рис. 4. Зависимость усилия извлечения деревьев лиственницы от времени эксплуатации водохранилищ

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (18) равно 837,38*10-18, максимальное отклонение равно 1,776*10-15.

Для диаметра в комле 24 см зависимость следующая:

у = ехр ( -0,0277а + 2,5678).

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (19) равно 0,0464; максимальное отклонение равно

0,1069.

Для диаметра в комле 28 см зависимость сопротивления выдергивания от времени эксплуатации следующая:

у = 0,00264а2 - 0,3979а + 17,00.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (20) равно 1,2207*10-15, максимальное отклонение равно 3,5527 *10-15.

Для деревьев лиственницы диаметром 32 см

у = 0,000731а2 - 0,359а + 18,90.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (21) равно 1,895*10-15, максимальное отклонение равно 3,552*10-15.

Для диаметра в комле 36 см зависимость следующая:

у = -0,3964а + 21,912

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (22) равно 0,06686, максимальное отклонение равно 0,1636.

5

о

Для диаметра в комле 40 см зависимость следующая:

у = -0,00259а2 - 0,314а + 23,7.

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (23) равно 1,7764*10-15, максимальное отклонение 3,5527*10-15.

Для деревьев лиственницы диаметром в комле 44 см зависимость следующая:

у = V

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (24) равно 0,03667, максимальное отклонение равно 0,0886.

Для деревьев лиственницы диаметром в комле 48 см зависимость следующая:

у = - 0,0051 а2 - 0,241 а + 28,00).

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (25) равно 1,7764 *10-15, максимальное отклонение равно 3,5527*10-15.

Для деревьев лиственницы диаметром в комле 52 см зависимость следующая:

у = - 0,01156а2 + 0,04956а + 29,5).

Среднеквадратическое отклонение для уравнения (26) равно 3,5527 *10-15, максимальное отклонение равно 7,1054*10-15.

Выводы

1. Растущие деревья имеют прочные связи с почвой за счет корней первого и второго порядка. Усилия, прикладываемые для извлечения пней растущих деревьев, зависят от диаметра деревьев в комлевой части.

2. Затопленные на корню деревья постепенно теряют связь с грунтом, и усилие извлечения существенно снижается, что позволяет осуществлять заготовку стоящих деревьев и последующую их переработку.

Литература

1. Караскевич, Л.Н. Экологические проблемы при создании водохранилищ ГЭС Сибири: мат-лы конф. и совещаний / Л.Н. Караскевич, В.А. Панько, И.С. Сершенко; ВНИИГ им. В.Е. Веденева. - Л.: Энергия, 1980. - С. 23-27.

2. Новоселов, Ю.М. Механизация осмолозаготовок / Ю.М. Новоселов. - М.: Лесн. пром-сть, 1984. - 232 с.

-----------♦'------------

УДК 630*432.31 С.Н. Орловский, А.И. Карнаухов

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗАНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЧВ ФРЕЗЕРНЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

Приведены данные теоретических исследований оптимальных режимов резания лесных почв с подстилкой торцовыми фрезами. Представлены результаты экспериментальной проверки результатов исследований на макетном образце лесопожарного агрегата, определена сходимость результатов. Даны рекомендации для определения оптимальных геометрических параметров и режимов резания фрез на стадии проектирования.

Одной из важнейших причин сокращения покрытых лесом площадей являются лесные пожары. Ориентация в борьбе с лесными пожарами на механическое наращивание количества тракторов с плугами и бульдозерным оборудованием не обеспечивает выполнения поставленной задачи в современных экономических условиях [1]. Самой распространенной технологической операцией при локализации лесных низовых пожаров является выполнение отжига от минерализованной опорной полосы. Создание высокопроизводительных малоэнергоемких лесохозяйственных агрегатов для прокладки опорных полос требует теоретиче-

ского и экспериментального изучения характера процессов взаимодействия рабочих органов с внешней средой, обоснования параметров и режимов их работы, поиск путей снижения затрат энергии на выполнение технологического процесса.

В нашей статье изложены материалы экспериментальных исследований фрезерных рабочих органов лесопожарных агрегатов и режимов их работы. Исследования выполнены авторами на созданном ими агрегате для прокладки минерализованных опорных полос при тушении лесных пожаров. Процесс поперечного фрезерования лесных почв при прокладке опорных полос существенно отличается от продольного фрезерования.

Лесная подстилка и живой напочвенный покров (далее по тексту - подстилка) представляют собой волокнистую среду, для которой теоретические основы расчета процессов резания грунтов не подходят и могут быть заменены с большей точностью математическими зависимостями, основывающимися на законах теории упругости и пластичности, а также теоретических работах В.К. Фомина [2; 3]. С учетом их развития для резания двухфазной разрабатываемой среды «подстилка - грунт» получены обобщенные математические зависимости для определения удельных затрат энергии по элементам технологического процесса прокладки опорных полос торцовыми фрезами [4].

Для условий работы торцовой фрезы удельная работа ех представлена в виде суммы затрат энергии по элементам технологического процесса:

- преодоление упругих сил резания грунта еШг и подстилки еупр.п;

- сопротивление вязкопластического течения продуктов резания при прохождении ножом дуги контакта с залежью ел;

- прорезание древесных включений (корней и валежа) е„;

- сообщение кинетической энергии продуктам резания еотбр;

- преодоление трения в трансмиссии привода рабочего органа орудия етр\

- преодоление трения орудия о грунт при буксировании его трактором е&

Энергетический баланс работы фрезы может быть представлен уравнением

е^ = еупр. г +еупр. п + е^.г + е^.п + ек + еп + еотбр + етр + еб .

0 ^

/ Диск фрезы

а б

Рис. 1. Схема взаимодействия торцовой фрезы с разрабатываемой средой и установки ножей фрезы: а - схема взаимодействия торцовой фрезы с разрабатываемой средой; б - схема влияния угла установки ножа на угол резания

Схема взаимодействия торцовой фрезы с разрабатываемой средой и углов установки ножей фрезы представлена на рис. 1, а, б.

В связи с этим работа на преодоление упругих сил еупр.г и еупр.п, Дж/м3 может быть выражена зависимостью

1 1

----т +-----

Л

где Уо= 90 -

ф- р + Р'о 2

- угол сдвига стружки для подстилки у/оп и минерального грунта у/0 в плоскости

резания, град. (рис. 2);

Р'0 - угол резания, приведенный к направлению подачи, град;

<Рп, Фги рп, Рг - углы внешнего и внутреннего трения разрабатываемого грунта и подстилки, град;

г

е

а - угол наклона режущей кромки относительно радиуса фрезерного диска торцовой фрезы, град (см. рис. 1,б);

(90 -а) + р + р

¥=90-------------^--------- - Угол сдвига стружки относительно плоскости резания, град;

Рис. 2. Схема резания грунта ножом торцовой фрезы

т=в+Ри f2 - сопротивление сдвигу подстилки и минерального грунта в плоскости, проходящей под углом у0 к направлению подачи, Н/м2;

0 - предельное напряжение сдвига подстилки и минерального грунта, Н/м2;

f2 - коэффициент внутреннего трения (f2n - подстилки, f2r - минерального грунта);

Ри - нормальное давление от действия инерционных сил в плоскости, проходящей под углом ¥к направлению подачи, Па.

Величина нормального давления стружки на поверхность ножа от действия инерционных сил Ри для подстилки и минерального грунта может быть определена по двум уравнениям в зависимости от толщины деформируемого слоя Sa, м.

g SрSinPoSin

S Sin y£ os p ’

при Sq <Scp

jv2 Sinв Siny'Cos2aCos2y/Sin

P =-------— ---------------------------------------------------,

q CospSin2

о с- r, Y0VC2 Sin2 y'Cos2aCos2y

при Sq >Sp Ри = ----------------------------Ц-,

g Sin

где Sp - толщина срезаемой стружки, м;

Yo - удельный вес разрабатываемого материала, Н/м3;

Vc - скорость резания, м/с.

Удельная работа преодоления сопротивления вязкопластического течения продуктов резания при прохождении ножом дуги контакта с залежью ел Дж/м3:

еЛ = Ко.ср • Яро,

где Ко ср - коэффициент сопротивления вязкопластическому течению разрабатываемой среды. Величина Яро определяется по выражению

Яро — 42 (-т

CosaSт@'0Sт(ф- / + во - 9G)Cos/ і----------------— 1

---------, ---------------г---------V 1 + tg atg / + -

2S Sm(9G - / + a) B

где В - ширина ножа;

I - длина дуги резания при свободном заполнении впадины ножа, м;

1т - длина дуги резания при стесненном заполнении впадины ножа, м.

Удельная работа, Дж/м3, прорезания древесных включений еп рассчитывается по эмпирическим зависимостям, приведенным в работе [2].

еп = кп  & -103;

кп = 78 - 0,9 Ус +

60

р’

где 4 - пнистость разрабатываемой среды, %.

Удельная работа на сообщение кинетической энергии продуктам резания еотбря Дж/м3 определяется по выражениям:

еотбр.П =

Гп • ус п

2 8

Пг

еотбр.г = пг.

28

Затраты удельной работы на преодоление трения в трансмиссии привода рабочих органов етр, Дж/м3 определятся по выражению:

е _

П

где Ырез - затраты мощности на резание разрабатываемой среды, кВт; Ктбр - затраты мощности на отбрасывание продуктов резания, кВт; Птр - КПД трансмиссии;

п •уУс2 П

Х"иПр =

2 • 8

где

П - КПД отбрасывания.

Удельная работа на выполнение технологического процесса определяется как сумма всех его элементов по выражению (1).

Основными факторами, влияющими на энергоемкость технологического процесса при прокладке опорных полос, являются скорости резания и подачи Ур и Уд, углы резания во и а, физическое состояние разрабатываемой среды. Оптимизация перечисленных параметров производится посредством решения уравнений, описывающих процесс резания лесных почв по элементам, в которых Ур, Уд, во и а приняты как неизвестные. Оптимизация их по критерию минимума энергоемкости производится по составленной с участием авторов компьютерным программам, в которой переменные значения задаются с пределами изменений, параметры фрез и свойства разрабатываемой среды вводятся в виде констант [4]. Меняя константы, программы позволяют выполнять расчеты параметров и режимов резания фрез. Уточнение экстремальных значений производится методом градиентного спуска.

Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований производилась на созданном авторами экспериментальном образце агрегата на базе самоходного шасси СШ-16. Общий вид агрегата представлен на рис. 3.

Рис. 3. Чертеж лесопожарного агрегата на базе самоходного шасси СШ-16 М:

1 - базовый трактор; 2 - толкатель клиновой; 3 - контейнер Для лесопожарного оборудования; 4 - емкость для огнегасящей жидкости; 5 - шланговая катушка; 6 - фреза с навеской и опорной лыжей; 7 - вал привода фрезы с шарнирами равной угловой скорости; 8 - гидроцилиндр подъема фрезы; 9 - редуктор; 10 - насос для подачи огнетушащей жидкости в шланговую катушку и наполнения емкости 4

Фрезерный рабочий орган имеет скорости резания 8 и 16 м/с. Глубина резания регулируется опорной лыжей.

К исследуемым параметрам при проведении экспериментальных исследований относятся: крутящий момент в приводе фрезы; частота вращения рабочего органа; путь, пройденный агрегатом и время опыта. Электрическая схема измерительной аппаратуры включала в себя тензометрические датчики для измерения крутящего момента, тахогенератор, токосъемник, усилитель, оцифровывающую плату LT-154 для преобразования аналоговых сигналов датчиков в цифровые, компьютер с монитором для регистрации сигналов датчиков и их обработки, пульт управления и блок питания.

Результаты экспериментальных исследований и проделанных параллельно теоретических расчетов затрат мощности на прокладку опорной полосы и энергоемкости технологического процесса представлены на графиках рис. 4, а,б и рис. 5, а,б.

а б

Рис. 4. Зависимости энергоемкости резания лесных почв от: а - скорости резания; б - скорости движения; 1 - экспериментальные данные; 2 - расчетные

\Вт

10000

8000

6000

4000

2000

20

1

2 3 4

40

60

80 Р

I

и 1[>УХ

N61

10000

вооо

еооо

4000

2000

о

1 2

/ \

\ - Ж

-

\

-1 *

0 15 30 45 60 75 «

гряд

б

Рис. 5. Зависимости затрат мощности на резание лесных почв от: а - угла резания во, а = 1 - 750; 2 - 600; 3 - 300; 4 - 450; б - угла наклона лезвия ножа относительно радиуса фрезерного диска а, во = 1 - 750; 2 - 600; 3 - 450; 4 - 300

а

В качестве критерия оптимизации при разработке факторного плана использовались значения энергоемкости вырезания сегмента грунта с подстилкой при прокладке опорных полос, которые позволяют количественно оценить влияние факторов, имеющих определенный физический смысл. Уровни варьирования факторов определялись, исходя из условий проведения экспериментальных исследований [5]. Обработка результатов экспериментальных исследований по матрице планирования позволила рассчитать регрессионную модель для торцовых фрез и получить зависимости Епол. 1 = /^рез, 5ср) и Епол 2 = /(а, во'):

Епол. 1 = 12,9523 - 3,0379 Z1 + 0,0192 Z2 + 2,1633712 + 0,0048 Z22 - 0,0163 Z1 &.

Е пол. 2 = - 0,2806 - 0,0010671 + 0,0257Z2 + 0,000006712 - 0,0025 Z22 + 0,00000^^2 .

Данные зависимости являются статистическими моделями изучаемого процесса и позволяют определить приращения его энергоемкости при варьировании уровней скоростей резания и подачи на нож, изменения углов резания и скольжения. Их можно определить как эллиптические гиперпараболоиды, обладающие минимумом в области оптимальных режимов резания и геометрических форм рабочих органов. Геометрическая интерпретация аппроксимируемых многочленов в трехмерном пространстве представлена на рис. 6, а,б.

Рис. 6. Зависимость удельной энергоемкости прокладки опорных полос торцовой фрезой от: а - скорости резания и подачи на нож; б - углов резания и установки ножей фрезы

Оптимальные режимы резания лесных почв по данным рис. 5 согласуются с результатами экспериментальных исследований (см. рис. 4, а,б). Сравнения зависимостей энергоемкости резания лесных почв от величины подачи на нож и скорости резания, а также геометрических параметров ножей, полученные экспериментально и расчетным путем, показывают, что эти значения достаточно точно согласуются. Отклонения составляют 3,2-13,6%, что свидетельствует о достаточной точности расчетов и возможности теоретического обоснования конструкций рабочих органов почвообрабатывающих орудий и определения их оптимальных рабочих режимов на стадии проектирования по компьютерным программам, составленным на основании приведенных выше математических зависимостей [4].

Оптимизация геометрических параметров рабочих органов и режимов резания дает возможность повысить производительность почвообрабатывающих орудий с активными рабочими органами фрезерного типа по сравнению с аналогами в 1,5-2 раза без увеличения мощности двигателей базовых тракторов.

В таблице представлены результаты выбора оптимальных конструктивных параметров фрезерных рабочих органов для прокладки опорных полос для локализации лесных пожаров по критерию минимума энергоемкости при толщине срезаемой стружки не более 30 мм.

Оптимальные параметры фрезерных рабочих органов лесопожарных агрегатов при углах резания во' =300 и углах скольжения ножей а =450.

Трактор Число ножей, шт. Диаметр фрезы, мм Скорость резания, м/с Скорость движения, м/с Затраты мощности, кВт Коэффициент загрузки двигателя трактора Передаточное число редуктора фрезы Глубина полосы, см

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Т-0,2...0,3 3 400 8 0,4 2,6 0,3 4 6

Т-0,2...0,3 3 400 16 0,8 6,3 0,77 2 6

Т-0,2...0,3 3 400 32 0,4 7 0,85 Нет 6

Т-0,2.0,3 3 400 8 0,4 7,8 0,95 4 15

Т-25 6 600 8 0,5 15 0,81 2 15

ВТЗ-2032 8 600 8 0,8 22,2 0,85 2 15

ВТЗ-2032 6 600 16 0,5 20 0,77 Нет 15

СШ-16 6 600 8 0,43 12,2 0,66 2 15

ВТЗ-30СШ 6 600 8 0,8 21,9 0,84 2 15

Т-40АМ 6 600 8 0,4 13 0,35 2 15

Т-40АМ 10 600 8 1,2 34,9 0,95 2 15

МТЗ-82 6 600 8 0,4 15 0,27 2 15

Окончание табл.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

МТЗ-82 6 600 16 1,2 48 0,87 Нет 15

МТЗ-82 12 600 8 1,2 38 0,69 2 15

МТЗ-82 14 600 8 1,6 49 0,89 2 15

Т-150К 14 600 8 1,6 68,3 0,56 2 15

Т-150К 14 600 16 1,6 87,7 0,72 Нет 15

ЛХТ-55 12 600 8 1,2 56,7 0,96 2 15

ЛХТ-100 14 600 8 1,6 74,4 0,84 2 15

ДТ-75 14 600 8 1,2 49,7 0,84 2 15

ВТ-100 14 600 8 2 83 0,83 2 15

Влияние числа ножей фрезы Z на затраты мощности резания N представлено на рис. 7. Из графиков N = f Д следует, что прирост затрат мощности в большей степени зависит от скорости резания, чем от количества ножей. Это дает нам основание добиваться соответствующей толщины стружки оптимизацией количества ножей, а не повышением скорости резания. Последнее может быть оправдано только требованиями упрощения конструкции орудия, поскольку позволяет исключить редуктор в трансмиссии привода рабочего органа.

О 5 10 15 2 шт.

Рис. 7. Зависимость затрат мощности на прорезание опорной полосы от числа ножей фрезы:

1, 2, 3, 4 - для скорости движения 0,4 м/с и скоростей резания 8, 16, 24 и 32 м/с;

5, 6, 7, 8 - для скорости движения 1,6 м/с и скоростей резания 8, 16, 24 и 32 м/с;

Применение методики анализа энергоемкости резания торцовыми фрезами лесных почв с подстилкой по элементам технологического процесса позволяет:

- исследовать влияние конструктивных параметров активных рабочих органов и режимов их работы на энергоемкость процесса;

- определить затраты энергии на прокладку опорных полос в конкретных почвенно-грунтовых условиях;

- определить оптимальные режимы резания, конструктивные и геометрические параметры фрезерных рабочих органов и агрегатов в целом за счет варьирования параметрами.

Результаты расчетов использованы авторами при проектировании экспериментального образца лесопожарного агрегата (см. рис. 2), который используется в Мининском опытно-механизированном лесхозе Красноярского края.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

- снижение скорости резания с 16 до 8 м/с приводит к снижению энергоемкости технологического процесса;

- углы а и в'о, определенные по критерию минимума энергоемкости и прочности ножей, составляют 450 и 300 соответственно;

- уменьшение угла резания в'о снижает затраты мощности, но пределы его лимитируются прочностными свойствами ножей;

- число ножей на фрезерном диске должно выбираться из условия исключения резонансных явлений в приводе фрезы по критерию соответствия угла резания почвы углу расстановки ножей на фрезерном диске, при глубине полосы 0,15 м и скорости резания 16 м/с оно должно составить не менее четырех;

- возрастание толщины стружки более предельных значений приводит к прекращению ее скалывания и резанию почвы без ее отбрасывания;

- снижение скорости резания во всех случаях обеспечивает снижение затрат мощности на прокладку опорной полосы, пределы ее снижения лимитируются дальностью отбрасывания экскавированного грунта, рациональная скорость резания составляет 6-8 м с-1.

Литература

1. Орловский, С.Н. Методика расчета торцовых фрез для прокладки опорных полос в лесных почвах / С.Н. Орловский // Ресурсосберегающие технологии механизации сельского хозяйства: прил. к «Вестн. КрасГАУ»: сб. науч. тр. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2003. - С. 156-168.

2. Фомин, В.К. Методика определения энергоемкости процесса резания торфа дисковыми фрезами аналитическим методом / В.К. Фомин, Г.Ф. Фомина // Торфяная пром-сть. - 1979. - № 5. - С. 9-13.

3. Фомин, В.К. Определение энергоемкости процесса резания торфа винтовой фрезой машины ММК-ПГ аналитическим методом / В.К. Фомин, Г.Ф. Фомина // Торфяная пром-сть. - 1972. - № 10. - С. 12-15.

4. Орловский, С.Н. Методика оптимизации геометрических параметров и режимов резания фрезерных рабочих органов / С.Н. Орловский, С.В. Комиссаров, А.И. Карнаухов // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы региональной НПК (30 ноября 2005 г.). Ч. 1. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2006. - С. 296-298.

5. Орловский, С.Н. Методика планирования экспериментальных исследований при испытаниях тракторных агрегатов / С.Н. Орловский, А.И. Карнаухов // Аграрная наука на рубеже веков: тез. докл. Всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2004. - С. 168-170.

----------♦-------------

УДК 667.637.2:621.7.029 С.И. Торопынин, А.Ю. Селин

РЕЖИМЫ ТРЕНИЯ ДИСКОВ ФРИКЦИОНОВ КОРОБКИ ПЕРЕМЕНЫ ПЕРЕДАЧ ТРАКТОРОВ «КИРОВЕЦ»

Причиной отказов коробок перемены передач тракторов «Кировец» является изнашивание, радиальная усадка, коробление и даже спекание в наборе дисков трения фрикционов. Коэффициент и сила трения между дисками зависят от площади фактического контакта между двумя трущимися поверхностями. Площадь фактического контакта возрастает с увеличением нагрузки, уменьшением шероховатости поверхностей, ростом радиуса закруглений вершин микронеровностей, ростом объемной температуры деталей и уменьшается с увеличением упругих характеристик металлов, предела текучести и высоты микронеровностей поверхностей.

У тракторов семейства «Кировец» около 55% отказов приходится на коробки перемены передач. Наиболее слабыми узлами коробки являются фрикционы. Диски трения фрикционов быстро изнашиваются и получают радиальную усадку, коробление в виде тарелки и даже спекаются в наборе. Срок службы новых дисков составляет 1-1,5 года.

Для смазки коробок перемены передач применяют масло М10В2 (летом) и М8В2 (зимой) в соответствии с ГОСТ 17479-72, либо всесезонное ТАП-15В и ТЭП-15 по ГОСТ 23652-79. Эти масла, применяемые для снижения износов сопрягаемых деталей, имеют противоизносные присадки на основе дисульфида молибдена, стеариновой и других жирных кислот.

Как показали наши исследования, твердость рабочих поверхностей дисков колеблется довольно в широком интервале, изменяются коэффициент трения, шероховатость их поверхностей. Изменение нагрузочных режимов, технического состояния деталей коробок перемены передач обуславливает различные виды трения и даже вызывает переход из одного вида в другой. Поэтому для определения критических режимов трения, приводящих к выходу из строя дисков фрикционов коробок перемены передач тракторов «Кировец», требуется провести анализ изнашивания трущихся поверхностей в зависимости от различных факторов.

Наука о трении и износе довольно обширна и многогранна и в данной статье изложены только ее некоторые основные положения и понятия, необходимые нам для решения поставленной задачи.

После окончательной чистовой обработки рабочих поверхностей деталей любым способом (точение, фрезерование, шлифование) качество обработки оценивается обычно двумя показателями микронеровностей - шероховатостью и волнистостью. Шероховатость - это совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами. Шероховатость в направлении движения при резании называют продольной, а в направлении подачи инструмента - поперечной. Под волнистостью поверхности понимают совокупность более или менее регулярно чередующихся возвышений и впадин с шагом волн, значительно превышающим ее высоту. Волнистость в направлении главного движения при резании называют продольной, а в перпендикулярном направлении - поперечной. ГОСТ 2789-73 предусматривает шесть параметров, характеризующих шероховатость поверхности: три высотных - Ятах; Ra; Rz, два шаговых - (а; (т и относительную опорную длину профиля - 1Р. В этих обозначениях:

Ятах - максимальное расстояние между линией выступов и линий впадин, причем первая проходит через высшую, а вторая через низшую точки профиля;

Яа - среднеарифметическое отклонение профиля;

Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам;

(а - шаг между вершинами неровностей;

\т - шаг волн;

1р - относительная опорная длина профиля, представляющая собой отношение суммы длин отрезков, отсекаемых на данном уровне Р в материале профиля к базовой длине профилограммы. На основании 1р строят опорную кривую профиля, которая характеризует распределение материала по высоте шероховатого слоя.

Используя специальные приемы обработки профилограмм, определяют и другие показатели шероховатости, необходимые для расчетов износостойкости и долговечности трущихся поверхностей, например, радиусы закругления вершин выступов, критические толщины покрытий и другие.

Как известно, поверхности двух трущихся тел соприкасаются между собой лишь отдельными пятнами контакта, площадь которых очень мала и соответственно давления сжатия очень высоки. Так, например, даже при соприкосновении плиток Иогансона, являющихся эталоном точности изготовления, фактические пятна контакта локализуются в отчетливо выраженные группы, занимающие 20-30% номинальной площади контакта [1]. У деталей, обработанных обычными способами механической обработки, фактические площади контакта значительно меньше и могут составлять лишь 0,5-1% [2]. Фактические площади контакта и передают все нагрузки между соприкасающимися поверхностями.

В теории трения и изнашивания [2] площадь контакта соприкасающихся поверхностей подразделяют на три вида:

Аа - номинальная площадь контакта, равная общей геометрической площади соприкасающихся тел;

А2 - фактическая площадь контакта (ФПК) - площадь соприкосновения двух отдельных выступов поверхностей деталей;

Ас - контурная площадь пятна контакта, это площадь в которой распределены многочисленные ФПК.

Установлено, что контурные площадки появляются на вершинах продольных и поперечных волн обработанных поверхностей. Расположенные в них площади фактических контактов весьма малы. Так, например, на поверхностях трения шатунных вкладышей автомобилей «Волга» их диаметры составляют от 3,2 до 5,0 мкм, на дисках сцепления токарного станка 1А62 - от 1,27 до 2,0мкм.

Площадь фактического контакта возрастает при увеличении нагрузки, уменьшении шероховатости поверхностей, росте радиуса закругления вершин ее неровностей и росте объемной температуры деталей. При росте площадей фактического контакта существенно увеличивается сила трения и, следовательно, коэффициент трения между деталями.

Площадь фактического контакта убывает с увеличением упругих характеристик металлов, предела текучести и высоты неровностей поверхностей.

После соприкосновения и сжатия двух трущихся тел даже с небольшим усилием на фактических площадках контакта возникают высокие давления, которые приводят к деформациям, сплющиванию или взаимному внедрению в поверхности наиболее высоких неровностей. В результате деформации одних пар поверхностей приходят в соприкосновение новые пары и площадь фактического соприкосновения увеличивается. Вследствие взаимного перемещения поверхностей трения площадки контакта постоянно заменяются. Как установлено, продолжительность соприкосновения площадок очень мала и в зависимости от скорости трения составляет 10-5-10-7с.

В настоящее время научно доказано, что в период соприкосновения пятен контакта при трении, даже при самом малом нагружении и малом времени существования соприкосновения, между этими поверхно-

стями возникают адгезионные связи, так называемые «сварочные мостики», которые тут же разрушаются и возникают новые. Для возникновения этих «мостиков» даже не требуется оплавления поверхностей, они образуются аналогично холодной сварке. В этом случае сваривание поверхностей объясняется возникновением металлических связей в результате межатомных и межмолекулярных взаимных притяжений. Объяснению этого явления посвящено много исследований и создано много теоретических обоснований. Основные из них заключаются в том, что на сжатие трущихся деталей в точках фактического контакта затрачивается очень большая работа, которая разрушает пленки окислов, открывает структуру металлов, высвобождает большую долю поверхностной энергии, что и обеспечивает схватывание за счет молекулярных и атомных связей. Предполагается, что этому содействуют и такие факторы, как способность металлов к взаимному растворению, взаимной диффузии. На образование адгезионного шва влияют твердости поверхностей: чем они мягче, тем материалы больше деформируются под нагрузкой, более вероятно разрушение защитной пленки и образование адгезионного шва между обнаженными поверхностями.

При средних и больших усилиях сжатия трущихся поверхностей, вследствие больших давлений и высоких скоростей взаимного перемещения, на поверхностях контактных площадок возникают так называемые «температурные вспышки». Температура этих вспышек может превышать температуру начала плавления металлов, при этом контактные площадки растираются по поверхности. При температуре вспышек, превышающей температуру конца плавления, в зонах соударения неровностей образуется магма-плазма и процесс сопровождается эмиссией электронов. Оба эти процесса приводят к многократному увеличению контактных площадок, возрастанию сил и коэффициентов трения.

Разрушение «сварочных мостиков» происходит или по месту образования связи (адгезионное разрушение), или на некоторой глубине (когезионное разрушение) от поверхности. Если прочность шва меньше прочности основных металлов, то происходит адгезионное разрушение, и, наоборот, при меньшей прочности основного металла происходит глубокое вырывание. На вид разрушение оказывает влияние способность металла к наклепу: чем мягче основной металл, тем больше упрочняется деформированный выступ и соответственно разрушение происходит в глубине.

Малоуглеродистые мягкие стали (Сталь10,20,30) в процессе наклепа упрочняются очень сильно, вследствие этого предел текучести может возрасти в 5-8 раз, а твердость в 1,5-2 раза [3]. Исследования показали, что у среднеуглеродистой нормализованной Стали 45 деформационное упрочнение при трении (то есть возрастание предела текучести) достигает 6 раз, после предварительной закалки до твердости 51-55HRC - до 2,9 раза и после полной закалки на мартенсит - до 1,2. Поэтому мягким нормализованным сталям при трении свойственно когезионное разрушение, схватывание, высокий износ и коробление изнашиваемых деталей.

В процессе механической обработки металлических деталей на их поверхностях, вследствие взаимодействия с атмосферным воздухом, со смазочно-охлаждающими жидкостями, маслами, в доли секунды появляются пленки соединений металла с газами, которые покрывают поверхность и имеют с основным металлом надежную атомную связь. Такое явление называют формированием «третьего тела», которое существенно снижает молекулярную составляющую связей и сдвиговое сопротивление трения. В основном это окислы железа и нитриды. Эти пленки защищают трущиеся поверхности от образования металлических связей и являются смазкой для поверхностей. Такие пленки имеют малую толщину (до 0,1 мкм), поэтому быстро истираются. Однако под влиянием деформаций, высоких скоростей трения и нагрева фактических точечных контактов эти пленки имеют возможность мгновенно восстанавливаться. При небольших контактных давлениях скорость их зарождения даже превышает скорость истирания. Такой вид взаимодействия точек фактического контакта поверхностей называют «сухим трением».

При высоких давлениях, скоростях и пластических деформациях защитные пленки разрушаются без возможности восстановления и обнажают чистые поверхности. Такое взаимодействие трущихся поверхностей называют «чистым трением». Оно сопровождается усиленным образованием мостиков холодной сварки и схватыванием поверхностей. Сдвиговое сопротивление и коэффициент трения при этом существенно возрастают.

Проведенные исследования позволили сформировать закон градиентов сдвигового сопротивления, ставший основным в науке о трении и износе [2]. Согласно этому закону, разделяют положительные и отрицательные градиенты. Положительные градиенты - это те условия, которые благоприятно действуют на условия работы пары трения, то есть снижают сдвиговое сопротивление, предотвращают глубинные вырывания сварочных мостиков, уменьшают износ, повышают срок службы. Отрицательные градиенты наоборот существенно ухудшают условия трения. Среди оценочных показателей положительных градиентов установ-

лены две основные безразмерные характеристики: — - отношение глубины внедрения неровности к ее ра-

Т

Т

диусу и-------отношение сдвигового сопротивления на этой неровности к пределу текучести наклепанного

еТ

металла. Для обеспечения внешнего трения сумма этих отношений должна быть

— Т 1

— +-------<-,

т с аТ 2

где с - степень повышения предела текучести От вследствие деформационного упрочнения при трении.

Чем меньше эта сумма, тем лучшие условия создаются для узла трения. Следствием из приведенной зависимости является то, что для каждой группы материалов существует своя зона внешних параметров (нагрузок, скоростей, температур), в которой возможно их использование.

Исследователями по проблемам трения и износа еще в 30-х годах установлено, что для улучшения условий работы трущихся поверхностей на них необходимо наносить разного типа смазки. Было определено, что молекулы жирных кислот (олеиновой, полиметиновой, стеариновой), имеющие форму цепочки, прикрепляются карбоксильными группами к активным центрам поверхности и располагаются к ней под углом, близким к 900, подобно «ворсу» ковра. Последующие слои молекул наращиваются на первый так, что активные концы молекул оказываются расположенными в одной плоскости. Число таких слоев может достигать 40-50, что соответствует толщине покрытия около 0,1 мкм. На большую толщину поле твердого тела не может оказать влияние. Несущая способность таких пленок очень высока и исчисляется десятками МПа. Такие условия работы поверхностей деталей называют «трением при граничной смазке». Оно снижает силы трения в 2-10 раз и уменьшает износ поверхностей в сотни раз [2]. Существенным недостатком жирных кислот является то, что при температурах 100-1200С их защитные слои дезориентируются и теряют смазочные свойства. Для обеспечения защитной роли смазки при более высоких температурах применяют специальные химические активные добавки в масла - сульфиды, хлориды, фосфаты, которые вступают в химические соединения с трущимися металлами, образуя механическое мыло, что обеспечивает защитное действие смазки до температур 200-2500С. Химически активные присадки - дифенил, сера, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама - позволяют сохранить смазочные свойства до 700-8000С. Применяют такие сложные присадки, одна группа из которых повышает смазочную способность до 300-4000С и вторая - 700-8000С.

В соответствии с основным положением об условиях работы трущихся пар различают три вида взаимодействия контактных поверхностей:

- при упругом контакте;

- при пластичном контакте;

- при микрорезании.

При упругом контакте давление между трущимися парами ниже предела текучести, при пластическом контакте эти давления могут в несколько раз превышать предел текучести для данного металла. Тем не менее пластический контакт - это временные условия работы пары трения, так как уже в начальный период работы, вследствие деформаций, пластичный контакт переходит в упругий. На этом принципе основана обкатка узлов и агрегатов машин, когда происходит сглаживание наиболее выступающих неровностей, пластичный контакт переходит в упругий и создается новый профиль поверхности, отличный от первоначального по форме и размерам, являющийся оптимальным для данных условий трения, обеспечивающий минимальное изнашивание. Этот профиль называется «равновесной шероховатостью», который сохраняется весь период эксплуатации. Как установлено исследованиями, при этом в обязательном порядке существенно увеличиваются радиусы закругления неровностей и площади контакта, снижается нагрев трущихся поверхностей, интенсивность изнашивания при этом снижается на 2-3 порядка [2].

Микрорезание - это вид взаимодействия контактных поверхностей при высоком давлении, когда прекращается обтекание металлом контртела высоких выступов сопрягаемой поверхности и происходит отрыв микрообъемов деформированного металла от основы. Микрорезание начинается по достижении условия

— + Т = 1

Т 0т 2

где т - сдвиговая прочность молекулярной составляющей, Па.

Это условие является границей перехода от внешнего трения к микрорезанию. Чем меньше эта сумма

2, тем дальше от режима микрорезания работает пара трения.

В процессе нагрева деформированного при трении металла до определенных температур имеет место процесс рекристаллизации структуры. При этом происходит измельчение вытянутых зерен, устранение приобретенного наклепа, снижение внутренних напряжений, появляется равновесная структура зерен и кристаллов. Температура рекристаллизации имеет прямую связь с температурой начала плавления металла и ее значение составляют 0,3-0,4 от значения температуры плавления. Для доэвтектоидных низколегированных сталей температуры рекристаллизации находятся в диапазоне температур 500-6000С. Поэтому после достижения этими сталями указанных температур повышенные механические свойства наклепанных материалов полностью теряются, снижается твердость и износостойкость, силы трения существенно возрастают. Поэтому свойства металлов к деформационному наклепу являются нежелательными и в теории трения и износа относят к классу отрицательных градиентов. Известно также, что по достижении предельного наклепа на поверхностях трения зарождаются микротрещины, приводящие к отслаиванию микрочастиц металла, а также обуславливают поверхностную усталость при длительной эксплуатации.

В последние десятилетия в результате исследований влияния нанесения на поверхности трения мягких металлопокрытий, не способных к наклепу и образованию окислов, имеющих малые усилия сдвига при трении, но имеющих тенденцию к взаимному избирательному переносу, был открыт «эффект безизносно-сти». Такие металлопокрытия были названы «сервовитными пленками», толщина которых несколько выше неровностей основных поверхностей трения (от 1,0 до 2,0 мкм) и обеспечивают такие условия работы, при которых поверхности стальных деталей практически не участвуют в процессе трения. Такие пленки способны самовосстанавливаться за счет ионов, поступающих в сопряжении со смазкой. Данное направление науки о трении и износе в настоящее время находится в стадии развития [5].

Выводы

1. Исследованиями установлено, что поверхности двух трущихся тел соприкасаются между собой лишь отдельными пятнами контакта, площадь которых очень мала и соответственно давления сжатия очень велики. Фактические площади контакта, которые соответствуют 0,5-1% общей площади трения поверхности, передают всю нагрузку между соприкасающимися поверхностями.

2. Площадь фактического контакта возрастает при увеличении нагрузки, уменьшении шероховатости поверхностей, росте радиуса закругления вершин ее неровностей и росте объемной температуры деталей. При росте площади фактического контакта существенно увеличивается сила трения, как следствие повышения коэффициента трения между ними.

3. Площадь фактического контакта убывает с увеличением упругих характеристик металлов, предела текучести и высоты микронеровностей поверхности.

4. Установлено, что для каждой группы материалов существует сочетание внешних параметров (нагрузка, скорость, температура), в котором возможно применение закона градиента сдвигового сопротивления.

Литература

1. Справочник по расчету и конструированию контактных частей сильноточных электрических аппаратов / под ред. В.В. Афанасьева. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.

2. Основы расчета на трение и износ / И.В. Крагельский [и др.]. - М.: Машиностроение, 1977. - С. 305.

3. Новиков, И.И. Теория термической обработки металлов / И.И. Новиков. - М.: Металлургия, 1986. -

С. 77-79.

4. Дрягин, Б.В. Адгезия твердых тел / Б.В. Дрягин, Н.А. Кротова, В.П. Смилга. - М.: Наука, 1973.

5. Гаркунов, Д.Н. Триботехника / Д.Н. Гаркунов. - М.: Машиностроение, 1989. - С. 274.

♦'

УДК 634.643:630.3 В.М. Упит, В.И. Бутылкин, И.И. Гуслицер

ЛЕСНАЯ ОТРАСЛЬ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ НА НОВОМ ЭТАПЕ

В статье определены пути и средства возрождения лесной отрасли после ее развала, вызванного экономическими реформами.

Непродуманное проведение в жизнь экономических реформ привело в девяностые годы к развалу лесозаготовительного производства, массовому банкротству десятков леспромхозов. Более 60% всех предприятий лесозаготовительной отрасли стали убыточными. Рентабельность продукции лесозаготовок в 1,8 раза стала ниже, чем продукция ЦБК, и в 1,4 раза ниже, чем в деревообрабатывающей отрасли производства. Резко снизились объемы лесозаготовок. Произошел откат, практический отказ от использования достижений технического перевооружения лесной промышленности семидесятых-восьмидесятых годов прошлого столетия. При среднем объеме лесовывозки 200-250 тыс.м3, характерном для доперестроечного периода, объем лесозаготовок нынешних лесозаготовительных предприятий не превышает 100-160 тыс.м3. На смену хлыстовой вывозке, применению в лесу агрегатных машин (валочно-трелевочных, валочно-пакетирующих и валочно-погрузочных) пришла сортиментная вывозка с использованием на лесосеках харвестерной и фове-стерной технологии, со снижением нагрузки при вывозке леса за рейс на 20-25%. На лесосеках при сортиментной заготовке лесоматериалов в ряде случаев, а зачастую и систематически, стали использовать только первые от комля 2-3 бревна стволовой древесины, реже - 4. Вершинная часть ствола, которая могла бы быть использована на производстве балансов, остается в лесу, захламляя лесосеки, создавая пожарную и экологическую опасность. Отказ от сложившейся в предреформенные годы системы кредитования строительства лесовозных дорог привел к сокращению объемов их строительства, уменьшению расстояния вывозки леса до 50-70 км. Лесосеки рассредоточились на недорубах прошлых лет, на вырубке нетронутых ранее, ставших перестойными кедрачей, на оставленных в процессе былых лесозаготовок семенниках сосны вдоль Транссибирской железнодорожной магистрали и в лесах, тяготеющих к рекам Енисею и Ангаре. Освоение расчетной годовой лесосеки, составляющей по краю 56,8 млн м3, т.е. того, что можно и необходимо ежегодно вырубать, не превышает 15%, что нарушает возрастную структуру рационального лесопользования.

Ликвидация дисбаланса ныне освоенных объемов лесозаготовок и расчетной лесосеки - одна из основных задач сегодняшнего дня. Решение этой задачи в значительной мере укладывается в программу развития лесопильно-деревообрабатывающего производства в Лесосибирске и Бирилюсском районе, которая должна быть подкреплена безотлагательным построением схемы транспортно-промышленного освоения лесов Красноярского края. Необходимо четко определить направления, протяженность, загрузку и очередность ввода новых производственных мощностей, очередность достижения расчетных показателей грузопотоков, действующих и намечаемых к вводу в эксплуатацию лесовозных дорог.

Для освоения лесов в объеме, определяемом расчетной лесосекой, необходимо проектирование и создание сети лесовозных дорог с протяженностью их магистральных участков в 120-130 км.

С увеличением расстояния лесовывозки до 100 и более километров применение технологии, основанной на использовании харвестеров и форвестеров для сбора, погрузки, перевозки и выгрузки лесоматериалов в пункты потребления сводится к минимуму. Нерационально возить вместе с лесоматериалами на сотни километров погрузочно-разгрузочное оборудование. Неоправданно снижать полезную нагрузку лесовозов, отказываться от сложившего профессионального разделения труда вальщиков, трелевщиков, сучкорубов, оставлять вершинную часть стволов в лесу.

Также не оправдан возврат к вывозке на нижние склады деревьев с кроной из-за снижения полезной нагрузки автотранспорта стволовой частью древесного сырья, заполнению производственных площадей нижних складов неликвидным древесным сырьем в виде сучьев, в то время как на многих предприятиях дровяную продукцию руководители вынуждены реализовывать ниже себестоимости для освобождения лесоскладских площадей и развития производства. Перевозка сучьев и их переработка на технологическую щепу на нижних складах экономически не оправданы.

Отказ от вывозки на нижние склады деревьев с кроной практически предопределен созданием и использованием сучкорезных лесных машин типа ЛП-33.

Вывозка деревьев с кроной должна сохраниться лишь на предприятиях с небольшим грузооборотом (до 150 тыс.м3 в год). Там на нижних складах должны найти применение хорошо зарекомендовавшие себя в леспромхозах Красноярья сучкорезно-раскряжевочные установки типа ППЛ-3(4) (рис. 1).

Рис. 2. Поточная линия ЛО-26П Предивинского ЛПХ

Эти поточные линии, применяемые до настоящего времени в Предивинском, Ильинском и некоторых других леспромхозах Красноярского края и обслуживаемые одним оператором, отличаются компактностью, малой массой и низкой стоимостью изготовления.

По мнению авторов настоящей статьи, сучкорезно-раскряжевочные установки типа ППЛ-3(4), трансформирующие деревья в сортименты без превращения в хлысты, в память об инициаторе и организаторе их создания и применения, будут со временем названы СКИБАми так же, как в свое время группа оригинальных

и эффективных двигателей внутреннего сгорания стала именоваться дизелями в честь и память их создателя Рудольфа Дизеля.

К началу девяностых годов прошлого столетия на нижних складах лесовозных дорог России функционировало до двух десятков типов поточных линий по первичной обработке древесного сырья, основанных на поперечном перемещении хлыстов и бревен при их обработке. Только в Красноярском крае функционировало пять типов таких поточных линий (СТИ-1, СТИ-2, СТИ-3, ЛО-26М, ЛО-26П(К)). К настоящему времени эти поточные линии, как и поточные линии всех других регионов страны, в связи с их моральным и техническим износом прекратили свое существование, в ряде случаев в 2-3 раза превысив нормативные сроки амортизации. Только в Иркутской области благодаря участию таких зарубежных фирм, как «Раума-Репола» и «Илим палп Энтерпрайз», до настоящего времени функционируют: в Усть-Илиме - 16 и Братске - 12 поточных линий.

Рис. 3. Прогнозная поточная линия высокой надежности:

J1 - участок разгрузки, создания буферного запаса хлыстов; J2 - участок разделения воза хлыстов; Jз - участок выравнивания торцов хлыстов; J^ - участок поштучной выдачи хлыстов на слешер; J5 - участок раскряжевки; J6 - участок передачи бревен на продольную сортировку; J^ - лесонакопитель

Поточные линии, эксплуатировавшиеся в предреформенный период, как и эксплуатируемые в настоящее время усть-илимские и, тем более, братские, далеки от идеала. Поточные линии Братского ЛПК требуют чрезмерно высоких единовременных энергозатрат и неприменимы в условиях лимитированного электроснабжения леспромхозов. Усть-Илимские поточные линии кинематически сложны.

Задачу устранения многообразия типов поточных линий в настоящее время не может взять на себя ни один отраслевой НИИ, включая головной ЦНИИМЭ и Красноярский СибНИИЛП, в связи с их фактической ликвидацией. Поэтому в Красноярске творческая группа бывших сотрудников СибНИИЛП, ныне работающих в СибГТУ и КГТУ, а также производственников ЗАО «Красдрев» и ОАО «Новокозульский леспромхоз» взяла на себя инициативу обобщения анализа прошлого и нынешнего опыта создания и работы поточных линий и производственных потоков, провела минимизацию их типов, типопараметров. Вместо полутора десятков лучших из ранее применявшихся поточных линий рекомендовано к использованию всего два типа.

При грузооборотах нижних складов до 150 тыс. м3 должна найти применение поточная линия типа ППЛ-3(4) для обрезки сучьев со стволов деревьев и раскряжевки с последующей сортировкой бревен на конвейере типа ЛТ-86, оснащенном электромашинными сбрасывателями бревен.

При грузооборотах нижних складов свыше 150 тыс.м3 должны найти применение поточные линии типа ЛО-26 П(К), проработавших на нижних складах Предивинского и Карабульского леспромхозов соответственно 20 и 10 лет.

Использование поточной линии этого типа должно быть проведено с заменой на разгрузочнораскряжевочных операциях всех многозвенных цепных конвейеров монозвенными (шнековыми, круговыми, барабанными), показавшими себя в процессе совместной с цепными конвейерами эксплуатации более надежными и эффективными. На сортировке бревен целесообразно применение высокоскоростного конвейера типа Раума-Репола с принудительной смазкой подвижных элементов тягового органа, выполненного из разборной шахтной цепи с разрывным усилием не менее 290 кН, при скорости тягового органа до 2,5 м/с. При этом сброска (подача) бревен в лесонакопители должна быть электромашинной с инерционными бревнос-брасывателями, обеспечивающими, по сравнению с гравитационными, минимальный разброс торцов сортиментов в лесонакопителях.

Технология лесозаготовок должна отражать специфику природных и производственных факторов и, естественно, не может быть единообразной даже для предприятий с одинаковым объемом работ. В то же время состав оборудования не должен быть слишком разнообразным. Это валочно-трелевочные и валочно-

пакетирующие машины типа ЛП-49 и ЛП-19, трелевочные ЛП-18, ЛТ-154 или ЛТ-171. На обрезке сучьев с положительной стороны зарекомендовали себя машины типа ЛП-33, а на погрузке хлыстов на автопоезда -челюстные погрузчики типа ЛТ-65Б (ЛТ-188).

На вывозке хлыстов могут быть использованы автопоезда Урал 4320+ТМ3-802.

Обрубка сучьев в лесу и хлыстовая вывозка обеспечивают полное использование грузоподъемности лесовозного транспорта, избавляет лесозаготовителей от сбора сучьев у места их обрубки и вывозки за пределы нижнего склада, предотвращая его захламление. Применение машин типа ЛП-33 обеспечивает концентрацию сучьев на верхних складах и создает условие для их утилизации путем углежжения с использованием передвижных углевыжигательных печей типа ПКП.01 КГТУ, производимых заводом «Краслесавто-матика».

Первичная обработка древесного сырья на перспективной для применения поточной линии производительностью 600-800 м3 в смену включает в себя операции по разгрузке хлыстов с подвижного состава лесовозной дороги козловым краном грузоподъемностью до 300 кН и пролетом 32 м в бункер поточной линии или в буферный запас. Затем хлысты разделяют в поперечную щеть. Торцы комлей хлыстов в процессе перемещения к слешеру шнековым конвейером выравниваются ориентирующей стенкой в створе комлевой пилы, подхватываются по одному круговым (барабанным) питателем, на котором, в случае необходимости, перемещаются в осевом направлении для выпиловки напенной гнили. Раскряжевку на слешере осуществляют по одной из 22 возможных программ, задаваемых оператором. Часть бревен «прямотоком» подается в лесонакопители, размещенные напротив слешера. Для сортировки по породам и качеству бревна передают на продольный высокоскоростной (У<2,5 м/с) конвейер, с которого инерционными (электромашинными) сбрасывателями подаются в лесонакопители.

Первоочередной задачей руководителей лесозаготовительных предприятий является техническое перевооружение лесной отрасли с доведением производственных мощностей до расчетных показателей при организационно-правовой и финансовой поддержке администрации и хозяйственных органов Красноярского края, что позволит устранить дисбаланс между расчетной лесосекой и нынешними неоправданно низкими объемами лесозаготовок.

Для возрождения потенциала лесного машиностроения, его технологической базы необходимо перепрофилировать Свердловский (Екатеринбургский) и Майкопский заводы лесного машиностроения на выпуск лесных машин, унифицированных поточных линий (всего двух типов), а также устранить причины такого положения, когда Красноярский завод лесного машиностроения вместо выпуска челюстных погрузчиков валоч-ных машин вынужден заниматься восстановлением и ремонтом деталей и узлов лесных машин.

Строительство лесовозных дорог требует изысканий и проектирования. В то же время Красноярский филиал «Гипролестранса» одновременно с СибНИИЛПом, попав к одному, общему владельцу, прекратил свое существование и на месте двух институтов появилось множество офисов - от редакции газеты «Деловой Красноярск» до городской прокуратуры. Альтернативой воссозданию филиала «Гипролестранса» на начальном этапе могло бы явиться проектно-конструкторское технологическое бюро (ПКТБлеспрома).

Для решения насущных научных проблем лесной отрасли до возрождения Сибирского научноисследовательского института (СибНИИЛПа) целесообразно создать под эгидой университетов СибГТУ и КГТУ проблемные лаборатории технического перевооружения лесной отрасли.

Литература

1. Упит, В.М. Первоочередные задачи технического перевооружения нижних складов леспромхозов / В.М. Упит, В.И. Бутылкин, И.И. Гуслицер // Мат-лы межрегион. науч.-практ. конф. Ч. 1. - Красноярск, ИПЦ КГТУ, 2006. - 426 с.

2. Не альтернатива многомиллионным перспективным инвестициям, а сегодняшний вклад в развитие края / В. Бутылкин, В. Упит, С. Каверзин, И. Гуслицер // Бюл. Центрально-Сибирской ТПП. - Красноярск, 2005. - С. 23-24.

♦

УДК 65.011.56 А.В. Плотников, И.И. Лапаев, В.А. Осипова

О ПОВЫШЕНИИ КАЧЕСТВА РАБОТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Авторами статьи проведено исследование одноконтурной системы автоматического регулирования (АСР) с ПИД-регулятором.

Выявлено, что характеристики изменяемой части АСР отличаются от расчетных. Эти изменения вызваны трансформацией ПИД-закона регулирования, а именно, компенсацией дифференциального закона регулирования характеристиками исполнительного механизма. Предложено ввести в контур регулирования дополнительное корректирующее устройство. Математическое моделирование АСР выполнено в пакете прикладных программ МаОАВ V. 7.0.1. Анализ результатов показывает повышение качества работы АСР и подтверждает целесообразность использования данного способа коррекции для подобных АСР.

В современных АСУ ТП в составе систем автоматического регулирования (АСР) различных технологических параметров широкое применение нашли ПИ- и и особенно ПиД-регуляторы [1]. В качестве исполнительных устройств в таких АСР обычно используются исполнительные механизмы (ИМ) с электродвигателями с постоянной частотой вращения выходного вала, которые осуществляют перемещение регулирующего органа (РО) с постоянной скоростью [2]. Эти ИМ работают в комплекте с пусковым устройством (магнитный или тиристорный пускатель). Промышленные испытания таких АСР показывают, что они обладают характеристиками худшими, чем можно было предполагать. Поэтому необходимо выявить элемент (элементы), вызывающий снижение качества работы данных АСР.

Рассмотрим работу АСР в реальной задаче управления тепловым объектом - вращающейся прока-лочной печью, переходные процессы в которой аналогичны многим процессам в промышленности. Используем общепринятую аппроксимацию объекта управления, представляющую собой последовательное соединение инерционного и запаздывающего звеньев [3]. При этом параметры звеньев определяем экспериментально и приходим к выводу, что в характеристики этих звеньев входят и характеристики датчика, измеряющего регулируемый параметр. Также допустим, что коэффициент передачи РО равен 1, его статическая характеристика линейная, а пусковое устройство имеет пренебрежимо малую зону нечувствительности и гистерезис. Структурная схема такой аСр в общем виде показана на рис. 1.

Возмущ.

возд.

—и2>

Рис. 1. Структурная схема АСР

Проведем предварительные аналитические исследования типовой АСР.

Передаточная функция ПИД-регулятора (1):

1

^РЕГ = КР + — + ТД5 ’

ТИ 5

где s - оператор Лапласа; Кр, Ти, Тд - коэффициент передачи пропорциональной части, время интегрирования, время предварения регулятора соответственно.

Передаточная функция исполнительного механизма (2):

^ИМ (50 = Т '

ТИМ ' 5

где Тим - постоянная времени исполнительного механизма.

Эквивалентная передаточная функция изменяемой части АСР: • с ПИД-регулятором

1

Т

Д

Т им ' ти '5

Т

ИМ

ЖЭ (5) = Кр

+

Тим ' ТИ ' 5

Таким образом, получается, что ПИД-регулятор трансформируется в ПИ2-регулятор, а ПИ-регулятор в И2-регулятор. Однако Д-составляющая в законе регулирования существенно улучшает переходный процесс в АСР, снижая динамическое отклонение регулируемой величины и время регулирования [4-5]. Поэтому необходимо скорректировать АСР [6], введя в ее структуру пропорциональное и дифференцирующее звенья (рис. 2).

Расход

мазута

К2>-

ЖДя) = е

1,1

Температура

Ж (5) = 1 йх СП Ю II

"им (5) ^ 63 • 5 йг

ЖР (5) = 2,55 +

1

Возмущ.

возд.

Рис. 2. Структурная схема скорректированной АСР

Для дальнейших исследований АСР был использован метод математического моделирования. Моделирование осуществлялось в среде Ма!АВ V. 7.0.1 при подаче на вход системы единичного скачкообразного возмущения по нагрузке (по положению РО). Такой тип возмущений наиболее вероятен и, в то же время максимально неблагоприятен для реальной АСР. Настройки регулятора перед каждым вычислительным экспериментом оптимизировались по наименьшему времени регулирования и перерегулированию в АСР.

Сравнение полученных переходных процессов (рис. 3-4) показывает, что введение корректирующих звеньев в АСР позволяет существенно повысить качество ее работы.

Ъ с

Рис. 3. Переходные процессы в моделируемой АСР: 1 - объект + ПИД-регулятор;

2 - объект +ПИД-регулятор + ИМ; 3 - объект +ПИД-регулятор + ИМ + корректирующее устройство

1

90^

Ъ с

Рис. 4. Переходные процессы в моделируемой АСР: 1 - объект + ПИ-регулятор;

2 - объект +ПИ-регулятор + ИМ; 3 - объект +ПИ-регулятор + ИМ + корректирующее устройство

Моделирование АСР при возмущении по заданию дает примерно такие же результаты.

Рассмотренный способ коррекции АСР особенно просто применять для современных цифровых регуляторов основных технологических параметров промышленных объектов.

Также отметим, что в реальной АСР подобная коррекция требуется и для линеаризации, как правило,

нелинейной статической характеристики конкретного РО.

Литература

1. Денисенко, В.В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации / В.В. Денисенко // Современные технологии автоматизации. - 2006. - № 4. - С. 66-74.

2. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: справ. пособие / А.С. Клюев,

А.Т. Лебедев, С.А Клюев, А.Г. Товарное; под ред. А.С. Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энерго-атомиздат, 1989. - 368 с.

3. Кулаков, Г.Т. Анализ и синтез систем автоматического регулирования: учеб. пособие / Г.Т. Кулаков. -Минск: Технопринт, 2003. - 135 с.

4. Филипс, Ч. Системы управления с обратной связью / Ч. Филипс, Р. Харбор. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. - 616 с.

5. Методы классической и современной теории автоматического управления: учеб. Т. 3. Синтез регуляторов систем автоматического управления / под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ, 2004. - 616 с.

6. Ким, Д.П. Теория автоматического управления. Т. 1. Линейные системы / Д.П. Ким. - М.: ФИЗМАТЛИТ,

2003. - 288 с.

УДК 674.093.6-412.85 А.В. Никончук, В.А. Лозовой

АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТОКОВ ПРИ РАСКРЯЖЕВКЕ ХЛЫСТОВ И ПОДСОРТИРОВКЕ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

В статье содержится информация о структурных схемах некоторых серийно выпускаемых технологических потоков по первичной обработке древесного сырья, а также проведен сравнительный анализ существующих технологических потоков с новым перспективным раскряжевочно-сортировочным потоком с точки зрения показателя избыточности по перемещениям.

Существующие на сегодняшний день технологии по первичной переработке древесного сырья (хлыстов) базируются на раскряжевочных потоках, которые классифицируются по ряду признаков.

Поточные линии для раскряжевки хлыстов делятся на две основные группы в зависимости от вида входящего в поток объекта труда: на линии для первичной обработки заготовленных деревьев и на линии для раскряжевки хлыстов. В свою очередь, первая группа линий представлена двумя схемами: с поштучной типа ПСЛ-2А, ЛО-69, и с групповой обрезкой сучьев деревьев типа МСГ-3, СМ-18 [1].

Далее группы подразделяются по направлению перемещения древесины в процессе обработки, по характеру связей между смежными операциями, по степени дробности раскряжевки хлыста, по отбору готовой продукции, по направлению выхода основных круглых лесоматериалов и по технологическим признакам вспомогательных потоков.

По способу перемещения предмета труда (хлыстов) различают поточные линии с продольным перемещением (система машин 1НС и 4НС) и поперечным перемещением (система машин 2НС).

Поточные линии с продольным перемещением базируются на сучкорезных и раскряжевочных установках типа ПСЛ-2А, ЛО-69, Л0-30, ЛО-15, ЛО-68, ППЛ-4, ЛО-113, а линии с комбинированным перемещением - на установках слешерного типа ЛО-105, ЛО-65, ЛО-117, Раума-Репола.

От раскряжевочного узла движение круглых лесоматериалов возможно по одному из пяти вариантов:

1) в буферный запас (в лесонакопители); 2) непосредственно на сортировку; 3) в буферный запас и параллельно на сортировку; 4) в буферный запас с последующей сортировкой всей древесины; 5) в буферный запас с последующей сортировкой части древесины [2-3].

Из приведенной выше классификации мы выделим две технологические операции: поперечная раскряжевка и сортировка полученных сортиментов. При вывозке и переработке хлыстов или деревьев, а также сплаве, эти операции являются важнейшими в технологическом процессе лесозаготовительного производства. Потому что именно от этих операций зависит качество получаемого круглого леса, а значит и различной продукции из него [4].

Как при ручном, так и при вышеописанных машинных способах раскряжевки, должны выпиливаться лесоматериалы определенных размеров и качества, что является основой наилучшего использования ресурсов древесины.

Как показывают исследования [5-6], при ручной разделке хлыстов (где должны в наибольшей степени реализовываться принципы рационального раскроя предмета труда первичной обработки древесины) не получают необходимого результата в силу присутствия тяжелого физического труда.

Похожая тенденция прослеживается и при сортировке древесного сырья (сортиментов). К примеру, при сброске сортиментов с транспортёра в ручную на сортировке занято до 12-15% от общего числа рабочих на нижнем складе. Кроме того, ручная сортировка является физически тяжелой операцией. Применение механизированной и автоматизированной сортировки полностью устраняет ручной труд, приводит к резкому уменьшению числа рабочих и повышает производительность на сортировке [7].

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что в любом технологическом потоке сортировочная линия является неотъемлемой частью производственного процесса в целом.

На сегодняшний день разработаны технологии для первичной обработки древесного сырья, в которых совмещается операция раскряжевки и сортировки по диаметрам [10]. Предложенная технология базируется на агрегатно-блочном принципе компоновки. Такой принцип позволяет создавать поточные линии на базе одноименных блоков и агрегатов, что экономически целесообразно [10]. Структуры линий могут представлять собой раскряжевочную однопильную, многопильную (триммер) и раскряжевочно-сортировочную, которая позволяет наряду с основной операцией производить сортировку полученной продукции, что избавит лесозаготовителей от установки дополнительного, дорогостоящего сортировочного оборудования.

Если говорить о выборе структурных схем по предлагаемой технологии, то мы подошли к данному вопросу с точки зрения показателя избыточности по перемещениям [8], который, в нашем случае, отражает степень соответствия технической оснащенности (развитости) технологической структуры требованиям, предъявляемым или достигнутым по сравнению с уже существующими технологическими структурами, которые соответствуют достигнутому уровню оснащенности. То есть мы можем оперировать тремя показателями технологической эффективности структурной схемы потоков.

Понятие технической оснащенности определяется методами поперечного раскроя хлыстов: программный, индивидуальный, слепой. Под технической оснащенностью структуры понимается способность технологической структуры производить технологические операции в виде запрограммированных заранее перемещений, обеспечивающих получение продукта, изделия с определенными размерно-качественными характеристиками.

Достоинством показателя избыточности является его универсальность. Можно сделать количественную оценку избыточности технологической структуры по всему множеству значений параметров обрабатываемых поверхностей в процессе синтеза технологической структуры первичной обработки круглого леса, оценить избыточность технологического оборудования при выполнении отдельных операций, по значениям одного или нескольких параметров, что особенно важно при компоновке установок из отдельных узлов, агрегатов и блоков [8].

Для расчета показателя избыточности все данные структурного анализа по каждой линии были сведены в таблицу. В нижней строке которой представлен Ки - показатель избыточности по перемещениям. Коэффициент Ки определяется как отношение суммы единиц перемещений предмета и продукта труда, принятой минимизированной структуры (линии, имеющей минимальное количество векторных перемещений) к сумме необходимых векторных перемещений по конкретной рассматриваемой линии.

Для наглядности и устранения случайных ошибок при рассмотрении структуры каждой из линий воспользуемся построением графа перемещений [9]. Вершина графа соответствует наименованию операций, ребро-перемещению. На рис. 1 приведен граф перемещений при выполнении цикла операций на «Амурском слешере», который принимаем за Вп т'п. В графе перемещений применены следующие условные обозначения:

ри - поштучная выдача хлыстов продольным подающим транспортером в зону поперечного транспортера накопителя на расстояние 11;

(З51 - перемещение по поперечному транспортеру накопителю на расстояние Ь;

Рис. 1. Граф перемещений предмета и продукта труда при выполнении операций слешерной линией типа «Амурский слешер»: вершина графа - наименование операций; ребра перемещения

рб211-16 - перемещение по слешерному столу на расстояние Із при участии в процессе раскроя с первого по шестой пильные агрегаты с нижним расположением пильного вала;

071- перемещение при удалении выпиленных сортиментов продольным сортировочным транспортером на расстояние І4;

вз1— перемещение при сброске сортиментов с продольного сортировочного транспортера в лесонако-питель.

Далее процесс повторяется. На рис. 2 приведен граф перемещений при выполнении цикла операций вышеописанной раскряжевочно-сортировочной линии. В графе перемещений применены следующие условные обозначения:

012 — поштучная выдача хлыстов гидроманипулятором на расстояние І1;

041 — перемещение по продольному транспортеру в зону раскроя на расстояние І2;

Рис. 2. Гоаф перемещений предмета и продукта труда при выполнении операций РСЛ: вершина графа - наименование операций; ребра перемещения

06111-16 - возвратно-поступательное движение пильного агрегата, где 1=1, 2, 3.... п (первый, второй, третий....п-й агрегат п - пильной линии правого (П) или (Л) исполнения); г, г, -г, -г - рабочее перемещение и обратный ход по радиусу с изменением двух координат;

072 - перемещение на расстояние 1з при удалении выпиленных сортиментов поперечным транспортером;

032 - перемещение при сброске сортиментов в лесонакопитель.

Далее процесс повторяется.

Предлагаемый метод формализации выбора технологических структур по коэффициенту избыточности позволил оценить степень технологической оснащенности структуры при выполнении основных операций от подачи хлыста и до сброски выпиленных сортиментов в лесонакопитель. Результат структурного анализа по данному методу представлен в таблице.

При рассмотрении результатов анализа поточных линий (табл.) с использованием показателя избыточности мы получили, что РСЛ имеет Ки, равный единице, что говорит о том, что линия, взятая за минимизированную структуру, а именно «Амурский слешер», имеет такое же количество векторных перемещений. Но по достигнутому уровню технической оснащенности данная линия уступает РСЛ в силу присутствия в технологическом цикле данной технологической структуры тяжелого физического труда, так как сброска с продольного подающего транспортера на поперечный транспортер-накопитель осуществляется вручную. Например, линия «Раума-Репола» имеет большее количество векторных перемещений, чем РСЛ, потому что в комплектации данной линии имеется два ориентирующих транспортера, а также продольный сортировочный транспортер. В сравнении с Л0-105, в состав которой входит лишь один ориентирующий транспортер, но отсутствует сортировочный транспортер, то есть выпиленные сортименты, перемещаясь по поперечному транспортеру, попадают непосредственно в лесонакопитель, что кстати приводит к необходимости в дополнительных транспортно переместительных операциях.

Данные структурного анализа

В, Услов- ное обозна- чение Амурск слешер (тіп) Л0-105 ЛО-15 Раума-Репола РСЛ

і і к Итого і І к Итого і І к Итого і І к Итого і І к Итого

В1 Р11 - - 1 1 - - - - - - - - - - - - - - - -

р12 - - - - - - - - 1 - - 1 - - - - 1 - - 1

р13 - - - - - - - - - - - - 1 1 - 2 - - - -

р14 - - - - 1 1 - 2 - - - - - - - - - - - -

В2 в 21 - - - - - - - - - - 1 1 - - 1 1 - - 1 1

Вз в 31 - - - - 2 - - 2* - - - - 4 - - 4* - - - -

в 32 7 7 - 14* 7 7 - 14* 12 12 - * 2 6 6 - 12* 6 6 - 12*

В4 в 41 - - - - - - 1 1 - - 5 5** - - 1 1 - - 1 1

В5 в 51 1 - - 1 1 - - 1 - - - - 1 - - 1 - - - -

Вб в 61 - - - - - - - - 6 - - 6* - - - - 2 - - 2**

в 62 1 - - 1 1 - - 1 - - - - 1 - - 1 - - - -

В7 в 71 - - 1 1 - - - - - - 6 6** - - 1 1 - - - -

в 72 - - - - - 1 - 2 - - - - - - - - 1 - - 1

И того 9 7 2 18 13 9 1 22 19 12 12 43 11 7 3 23 10 6 2 18

Ки 1,22 2,39 1,28 1,0

Примечание: 5* - сбрасывание с приемного стола всех сортиментов, выпиленных из одного хлыста; 5** - количество поступательных перемещений хлыста для его раскроя; 6* - количество возвратно-поступательных движений пильного агрегата для раскроя одного хлыста; 4* - сброс с двух ориентирующих транспортеров сбрасывателями возвратно-поступательного действия; 2* - сброс с ориентирующего транспортера сбрасывателями возвратнопоступательного действия; 2** - количество возвратно-поступательных движений пильными агрегатами для откомлевки и для раскроя одного хлыста; 14* - сброс всех выпиленных сортиментов по лесонакопителям; 24* - сброс всех выпиленных сортиментов с приемного стола, а также плюс сброс сортиментов по лесонакопителям; 6** - удаление выпиленных сортиментов продольным сортировочным транспортером; 12* - сброс всех выпиленных сортиментов по лесо-накопителям.

В целом по результатам данных исследований можно сказать, что РСЛ отвечает требуемому уровню

технической оснащенности, а также является минимальной по количеству перемещений, необходимых для

производства качественных круглых пиломатериалов.

Литература

1. Лесоматериалы круглые / Н.Л. Леонтьев [и др.]. - М.: Лесн. пром-сть, 1975. - 128 с.

2. Залегаллер, Б.Г. Механизация и автоматизация работ на лесных складах / Б.Г. Залегаллер, П.В. Лас-

точкин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Лесн. пром-сть, 1973. - 408 с.

3. Васильев, Г.М. Раскряжевка хлыстов на стационарных установках / Г.М. Васильев, Т.А. Туровский,

В.С. Саплин. - М.: Лесн. пром-сть, 1972. - 182 с.

4. Васильев, Б.А. Комплексная механизация и автоматизация нижних складов / Б.А. Васильев. - М.: Лесн. пром-сть, 1973. - 180 с.

5. Петровский, B.C. Исследование рационального и слепого раскроя хлыстов хвойных пород / B.C. Петровский // Тр. СибТИ. - Красноярск, 1962. - № 32. - С. 9.

6. Степаков, Г.А. Оптимизация производства круглых лесоматериалов / Г.А. Степаков. - М.: Лесн. пром-сть, 1974. - 160 с.

7. Рудовский, Ю.Н. Комплексная механизация и автоматизация работ на лесных складах / Ю.Н. Рудовский.

- М.: Лесн. пром-сть, 1975. - 100 с.

8. Дорошенко, В.А. Синтез технологической структуры автоматизированных технологических процессов первичной обработки древесины: моногр. / В.А. Дорошенко. - Красноярск: Изд-во КГТА, 1996. - 299 с.

9. Редькин, А.К. Основы моделирования и оптимизации процессов лесозаготовок: учеб. / А.К. Редькин. -М.: Лесн. пром-сть, 1988. - 256 с.

10. Лозовой, В.А. Структурный синтез поточных линий для обработки древесного сырья: дис. ... д-ра техн. наук / В.А. Лозовой. - Красноярск, 2000. - 346 с.

----------♦'-------------

УДК 631. 89 Н.И. Селиванов, Д.А. Санников

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СМЕСЕВОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ В АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЯХ

Рассмотрена проблема применения альтернативного топлива на основе рапсового масла в автотракторных дизелях. На основании полученных результатов разработаны технические решения и рекомендации для эффективного использования сме-севого топлива на основе рапсового масла в АПК Красноярского края.

1. Источники альтернативного топлива

В качестве альтернативного топлива для дизелей могут быть использованы растительные масла, получаемые при переработке различных масличных культур (рапс, рыжик, подсолнечник, соя). На основании проведенного анализа и результатов испытаний установлено, что наиболее дешевым альтернативным топливом является смесь дизельного топлива и рапсового масла. Принципиальная схема получения смесевого топлива представлена на рис. 1. Производство смесевого топлива является ресурсосберегающим, поскольку процесс переработки масла и его получения сведен к минимуму. Отходами переработки рапса является жмых, представляющий белковую кормовую добавку. Продуктом химической переработки рапсового масла являются метиловые эфиры (биотопливо), которые также пригодны для использования в качестве моторного топлива, но для их производства характерны следующие недостатки: использование метанола, который является сильным ядом, дополнительная транспортировка и переработка масел, что приводит к увеличению энергоемкости производства и высокой себестоимости топлива.

Рис. 1. Схема производства топлива на основе рапсового масла

2. Физико-химические свойства топлив

Физико-химические характеристики топлив представлены в табл. 1. Смесь рапсового масла и летнего дизельного топлива в соотношении 0,7+0,3=1 не снижает показатели надежности двигателя при температуре окружающего воздуха выше 0 0С. Надежное функционирование системы питания и максимальные показатели рабочего цикла достигаются при подогреве смесевого топлива до температуры 60-700 С [1].

3. Энергетические, топливно-экономические и пусковые показатели дизелей

Снижение энергетических показателей современных автотракторных дизелей отечественного производства при работе на смесевом топливе составляет 7-9% из-за более низкой его теплотворной способности. Ухудшение топливной экономичности достигает 4-6% [2]. В целом, штатная система топливоподачи обеспечивает установленные показатели дизеля при снижении в 3-4 раза токсичности отработавших газов. Низкие пусковые свойства смесевого топлива требуют применения средств, улучшающих пуск холодного двигателя.

Таблица 1

Основные физико-химические показатели топлив на основе рапсового масла

Показатель качества ДТ (летнее) Рапсовое масло МЭРМ 30%ДТ+70% РМ

1 2 3 4 5

Плотность при 20 0С, кг/м3 840 915 - 922 877 885

Кинематическая вязкость при 20 0С,

мм2/с (сСт) 3-6 62.6-71.7 8.0 25-26

Цетановое число, не менее 45 38-40 48-50 40-41

Кислотное число, мгКОН/г 0,06 0,04 0,5 0,06

Температура, 0С:

воспламенения (не менее) 40 240-320 135 220-280

замерзания (не более) -10 -6 -8 -8

Содержание, %:

серы, не более 0,2 0,0011 0,006 0,06

золы, не более 0,02 0,01 0,01 0,006

воды - - - -

Окончание табл. 1

1 2 3 4 5

Содержание фактических смол, мг/100 см3, топлива, не более 40 12

Низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг 42,5 34,2-37,5 37,1 39,1-39,8

Суммарная формула С16Н34 С57Н1016О6 С19Н352О2 Нет данных

4. Адаптация штатной системы топливоподачи

Для эффективной работы системы топливоподачи и достижения наивысших показателей дизеля необходимо предварительно подогревать смесевое топливо в магистрали низкого давления до температуры 60-700 С. Для улучшения пусковых качеств холодного двигателя следует использовать штатные средства облегчения пуска (электрофакельный подогреватель или свечу накаливания). Общая схема адаптированной системы питания дизельного двигателя для работы на смесевом топливе представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема адаптированной системы питания дизельного двигателя:

1 - топливный бак; 2 - фильтр грубой очистки топлива; 3 - топливный насос низкого давления; 4 - фильтр тонкой очистки топлива; 5 - теплообменник; 6 - топливный насос высокого давления; 7 - форсунки; 8 - электрофакельный подогреватель ЭФП-8101500; 9 - воздухоочиститель; 10 - впускной коллектор

5. Потребность АПК края в рапсовом масле

Экономическая эффективность внутрихозяйственного производства и применения смесевого топлива должна определятся по приоритетному показателю - годовой потребности предприятия в топливе, а также урожайности и выходом чистого масла при возделывании рапсовой культуры. В настоящее время выход чистого масла при переработке не превышает 30%, урожайность в регионах Сибири- не более 11,7 ц/га [3].

В табл. 2 показана необходимая потребная площадь под рапс для АПК Красноярского края (прогноз).

Таблица 2

Посевная площадь под рапс для обеспечения потребности АПК в смесевом топливе

Годовая потребность в дизельном топливе на полевые работы в 2006 году, т 30% от годовой потребности в топливе (дизельное топливо), т 70% от годовой потребности в топливе (рапсовое масло), т Потребность в семенах рапса при условии выхода масла 30%, т Необходимая посевная площадь, га / % от зерновых Прогнозируемая урожайность, т/га

105789,8 31736,94 74052,86 246842,9 211410,0 / 20 % 1,17

За последние три года в крае наблюдается тенденция увеличения площади посева рапса в среднем на 15%. Фактическая площадь посева под рапс составит примерно 18-20% от общей обрабатываемой площади.

Определение экономического эффекта при пользовании смесевого топлива в соотношении 70/30 приведено в табл. 3.

Таблица 3

Стоимость и эффективность использования смесевого топлива

Стоимость рапсового масла, руб/кг 70% от фактической стоимости масла Стоимость дизельного топлива (на 14.03.2006), руб/кг 30% от фактической стоимости дизельного топлива, руб/кг Цена смесевого топлива, руб/кг Доля смесево-го топлива в стоимости дизельного топлива, % Эконо- мический эффект, %

9,47 6,63 15,30 4,59 11,22 73,3 26,7

6. Рекомендации по использованию смесевого топлива

1. При прогнозируемом повышении цен на дизельное топливо снижение себестоимости продукции основных отраслей АПК и повышение продовольственной безопасности Красноярского края в период до 2010 г. может быть обеспечено применением в автотракторных и комбайновых дизелях альтернативного смесевого топлива на основе рапсового масла холодного прессования. Наиболее оптимальной для применения в весенне-летний и осенний периоды является смесь рапсового масла и дизельного топлива (ГОСТ 305-82) из расчета : (70% РМ+30% ДТ - «Л») при ^>00 С; (70% РМ+30% ДТ - «З») при ^>-100 С.

2. Приготовление, хранение и отпуск смесевого топлива производить централизованно инженернотехнической службой предприятий с использованием соответствующего технологического оборудования для дизельного топлива.

3. Для адаптации системы питания к работе на смесевом топливе во впускном коллекторе установить электрофакельный подогреватель или свечу накаливания, обеспечивающие подогрев воздушного заряда в период пуска и прогрева дизеля, а также теплообменник мощностью Qп=(110ч140)Gтэ, (Вт) в магистраль низкого давления (перед фильтром тонкой очистки) для подогрева топлива от системы жидкостного охлаждения.

4. Подогреватель воздушного заряда включать при пуске и прогреве холодного дизеля. Теплообменный аппарат для подогрева смесевого топлива включать постоянно, а при работе на дизельном топливе при температуре окружающего воздуха ниже 00 С.

5. При использовании смесевого топлива значения регулировочных параметров топливоподающей аппаратуры должны соответствовать техническим требованиям завода-изготовителя. Техническое обслуживание адаптированной системы питания проводить в соответствии с установленной периодичностью и операциями для штатной системы.

6. Наиболее высокая эффективность от применения смесевого топлива может быть достигнута при использовании универсально-пропашных тракторов в составе посевных, транспортных агрегатов и на малоэнергоемких операциях. При выполнении энергоемких операций тракторами общего назначения и использовании самоходных комбайнов следует предусмотреть снижение скорости рабочего хода, обусловленной пониженными энергетическими показателями дизеля на 4-8%.

7. Для обеспечения годовой потребности АПК края в смесевом топливе посевные площади под рапс должны занимать 18-20% обрабатываемой площади. Экономическая эффективность от применения смесе-вого топлива для выполнения всего объема полевых работ в АПК края составит 26-27%.

Литература

1. Эффективность применения смесевого топлива на основе рапсового масла в дизелях / Н.И. Селиванов, Д.А Санников, В.С. Кирин, А.В. Кузнецов; Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2006. - С. 333-335.

2. Селиванов, Н.И. Эффективность адаптации тракторного дизеля к работе на альтернативном топливе /

Н.И. Селиванов, Д.А. Санников, О.Н. Слюнькова // Инновационное развитие регионов Сибири. Ч. 1. -Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - С. 139-143.

3. Селиванов, Н.И. О целесообразности использования топлива на основе рапсового масла / Н.И. Селиванов, Д. А Санников, Э.Г. Щрайнер; КНИИСХ. - Красноярск, 2006.

УДК 631.3(075.8) Н.И. Селиванов, Н.В. Кузьмин

ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТРАКТОРОВ

Приведена общая методология и математические модели обоснования рациональных показателей технологических свойств и обеспечивающих их эксплутационных параметров гусеничных тракторов, которые могут быть использованы при системной оценке мобильных энергетических средств нового поколения в составе почвообрабатывающих комплексов и агрегатов.

Для оптимизации эксплутационной массы тЭ и энергонасыщенности Э трактора следует обосновать рациональные значения взаимосвязанных показателей его технологических свойств.

Среднее значение показателя чистой производительности трактора W (м2/с) характеризует его потенциальные возможности при установленных ограничениях тягового и скоростного диапазонов. С учетом эксплуатационных параметров трактора и удельного тягового сопротивления технологического комплекса, или орудия Ку [1]:

W = э&эЛт / ку8.

Показатель удельной производительности, отнесенный к единице эксплутационной массы

тэу = ОЭ / %тЭ = 1,0Т (м2/с-Т) выразится как

Wу = ЭПт / Ку.

Удельное тяговое сопротивление Ку при скорости V >1,4 м/с запишется в виде

К у = К о [1 + АК

или

Ку = Ко^к,

где К о - среднее значение удельного тягового сопротивления при скорости у0 = 1,4 м/с;

цК = 1 + АК(У2 - У02 ) - безразмерный коэффициент, учитывающий зависимость приращения АК тягового сопротивления от скорости.

Выразив произведение энергонасыщенности и тягового КПД цт через удельное тяговое усилие Ркру

и скорость трактора Эцт = РкруУ, заменив Ркру = g( р - /), из уравнения (2) получим:

— gркру

W у = .

К 0^к

( э Л ( ~р Л

opt = —y~

yVmp^N j

opt,

Из зависимости (5) следует, что показатель удельной производительности трактора пропорционален сцепным свойствам (ркр) и скорости движения V. Поэтому при выполнении конкретной технологической

операции гусеничными тракторами с одинаковыми коэффициентами приспособляемости (Км) дизеля и

сцепными свойствами (pKp0pt) в режиме Пт max g<p-popt = idem = Aopt  Тогда

К о

Wу = AoptV/ Vk .

Удельные (на единицу площади) энергозатраты (кДж/м2 ) в режиме рабочего хода при выполнении технологической операции определятся по формуле:

Еп =1n э /Wу.

Расход топлива (кг/м2) при удельном расходе g (г/кВтЧ соответственно

Gm = ge • Еп / 3,6 • 103 .

Для энергетической оценки тракторов используется [2] коэффициент энергозатрат на единицу удельного тягового сопротивления Ек. Эффективность функционирования трактора будет максимальной при минимальных значениях этого коэффициента. Подставив в формулу (7) значение Wу из уравнения (6) получим:

Еп =1nЭМк / AoptV .

После соответствующих преобразований с учетом, что

Э

\VT gj

критерий оптимальности из выражения (7) примет вид:

ЕП = К0 • ^к / ПТ---------------------------------------------------* min,

или

Ек = Мк / Г1Т-----------* min.

Безразмерный коэффициент ЕК по соотношению Ек = ЕП / К0 представляет эквивалент удельных энергозатрат ЕП независимо от К0 и, следовательно, эквивалент расхода топлива GT на единицу площади.

При установленных ограничениях на рабочую скорость, буксование и энергонасыщенность оценки эффективности трактора производится с учетом допустимого интервала изменения ЕК, соответствующего

W у-------> max .

Интервалы изменения показателя ЕК зависят от Э и режима работы трактора, максимальная эффективность которого достигается на потенциальной тяговой характеристике. При этом следует выделить два режима работы: первый, соответствующий цТ max, (pKpopt, скорости V1 и энергозатратам Ек1 ; второй при ркр max, буксовании 82 = 8д, Пт2, V2 <V1 и Ек2.

При обосновании максимальной рабочей скорости и энергонасыщенности трактора, соответствующей

W у-------> max критерием оптимальности можно использовать выпуклую функцию эквиваленты произво-

дительности

КП = V / juK--------> max,

которая сначала возрастает до максимальной при Vn*ax (Эmax), а затем снижается (рис. 1).

Коэффициент ЕК определится путем минимизации функции [2]:

F = \ЕК / ZE -1---------> min .

Двойственная для ЕК функции ZЕ может быть представлена зависимостью:

ZE =

V

п

тр

Мк /

Пи-1

N

1 -

g fV,

*

\rnax

ПИ ' 1N ' Эпсх

п

тр

* ^ Мк э

*

\rnax

g  9

кр

Максимальная энергонасыщенность Этах гусеничного трактора на соответствующем фоне для основных тяговых режимов, с учетом (9), определится из выражений:

Э

8У,

псх

*

max

Э

max

1N П тр рУ*

о г п

г*

max

1N  Птр

*

*

Л к,

Кп, Э

V тіп \/ _____________ь. т/ * V

V шах

Рис. 1. К определению максимальной энергонасыщенности трактора

По зависимостям (15) и (16) выбирается режим, соответствующий минимуму энергозатрат, эквивален-той которых может быть

КЕП = ЕК / Кп = ЕК  мк / У------------------------------------> тіп

Для гусеничного трактора этот режим соответствует Т)т пісіХ, поэтому определять эт. следует по выражению (15).

Минимальная энергонасыщенность Этп выбирается при минимальной рабочей скорости Утп и наименьшей или наибольшей массе, что соответствует второму расчетному режиму:

-* ( ^ \

э* = рУтіп

тіп ~ ~

тр

Анализ результатов выполненных ранее исследований [2] и предварительных расчетов показал, что по максимуму тягового КПД пТ----------------------*тах при цК >0 рабочие скорости существенно выше, чем

VoptEn, определенные по Еп------------*min. Соответственно агрегаты, составленные по критерию

П-*тах, будут иметь более высокие удельные энергозатраты по сравнению с Еп тп (рис. 2).

.... VoptEп  ,,

Рис. 2. К определению рабочей скорости трактора в составе почвообрабатывающего агрегата При установленной энергонасыщенности трактора Э^ на различных режимах работы должно со— ^ блюдаться условие У • 9 _ соШ. Диапазон (У0рЕП — Утах ) существенно зависит от влияния скоро-

п5 п

стного режима на тяговое сопротивление рабочих машин. Значение оптимальной скорости У*р> можно определить из условия увеличения ЕПтп на 5%.

Соответствующие передаточные числа трансмиссии і для трактора с ДПМ и дизелем с

Км < 1,20 определятся как:

rK -(nH + nM ) • ns,

opt

opt

2Vo

opt

rK -nH - ns,

iopt

opt

2Vo

opt

По установленному ГОСТ 27021-86 диапазону изменения номинального тягового усилия тракторов соответствующего класса (РКРН mnn - РКРН тах ) и взаимосвязи РКРН = А - тэ [3] можно определить

интервал варьирования тэ.

Диапазон энергонасыщенности (3*min - Э*тах ) должен находиться для гусеничных тракторов в пределах (12-16) кВт/т [3]. По нему определяется соответствующий интервал минимальных энергозатрат

*

*

(Еугл  - Егя )  , который следует положить в основу расчета рациональных соотношений экс' .^^Э min ^^Э max *т.тип

плуатационных мощности и массы трактора. Определение указанных параметров целесообразно при 5%-м интервале изменения минимальных удельных энергозатрат ЕК или прямых эксплутационных затрат:

Сэу =

где Ст - стоимость топлива, руб/кг; Сч - часовая ставка тракториста, руб/ч.

При расчетах энергозатрат, мощности и массы трактора, с учетом 5%-го изменения прямых эксплутационных затрат, рекомендуется выполнять следующую последовательность:

1) Пт 2 = Птр - Vsd - Vf;

2) РК max = тЭ g( <Ркр max + f);

3) V = ПТР  Vsd  %N  NeЭ / РК max '

4) Мк ; ЕК ; КЕП ; W; СЭУ

Расчеты реализуются по двум алгоритмам [2]:

I - при постоянной массе трактора изменяется эксплуатационная мощность с шагом 1 кВт;

II - при постоянной мощности изменяется масса трактора с шагом 1 кг.

По результатам расчетов для каждого агрофона можно найти возможные варианты трактора с допустимым интервалом изменения энергозатрат (эксплуатационных): 1 - с максимальной производительностью (W-*max); 2 - с минимальными затратами (сэу-------------------------------*min); 3 - с минимальной массой

(тЭ-----------------* min).

Указанное позволит выбрать наиболее рациональное соотношение эксплуатационных параметров трактора при работе с различными технологическими комплексами и машинами, используя балластирование или изменение уровня эксплуатационной мощности.

Выводы

1. Предложены методология, математические модели и целевые функции обоснования рациональных показателей технологических свойств и обеспечивающих их эксплуатационных параметров гусеничных тракторов.

2. Установлены универсальные удельные эквиваленты критериев эффективности и эксплутационных параметров тракторов, которые могут быть использованы при системной оценке мобильных энергетических средств в составе тяговых почвообрабатывающих комплексов и агрегатов.

Литература

1. Селиванов, Н.И. Рациональное использование тракторов в зимних условиях / Н.И. Селиванов; Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2006. - 339 с.

2. Самсонов, В.А. Оценка эффективности и сравнение тракторов при проектировании и модернизации /

В.А. Самсонов // Тракторы и с.-х. машины. - 2006. - № 3. - С. 11-16.

3. Кутьков, Г.М. Тракторы и автомобили. Теория и технологические свойства / Г.М. Кутьков. - М.: Колос,

2004. - 504 с.