Параметры рабочей позиции многооперационной машины манипуляторного типа

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

реходить на ручное управление при наличии дефектов или пороков на участках ствола.

В дальнейшем, перед погрузкой заготовок опор на лесовозный транспорт, в теплый период года возможна их подсушка в штабеле на верхнем складе до оптимальной предпропиточной влажности.

Предложенная модернизация технологического процесса лесозаготовительных работ позволит существенно повысить эффективность заготовки сырья для мачтопропиточных заводов, входящих в интегрированные лесопромышленные холдинги.

Библиографический список

1. Шегельман, И.Р. Лесной бизнес: бизнес-планирование / И.Р. Шегельман, М.Н. Рудаков, П.Е. Моще-викин - Петрозаводск: ПетрГУ, 2006. - 95 с.

2. Шегельман, И.Р. Классификация технологических процессов и систем машин для лесозаготовк / И.Р. Шегельман // Актуальные проблемы лесного комплекса Республики Карелия: науч. труды КРИА № 1. - Петрозаводск, 1988. - С. 46-53.

3. Шегельман, И.Р. Лесная промышленность и лесное хозяйство. Словарь / И.Р. Шегельман - Петрозаводск: ПетрГУ, 2008. - 278 с.

4. Щеголева, Л.В. Модели и методы оптимизации систем машин для сквозных технологических процессов заготовки круглых лесоматериалов: дисс.... д-ра техн. наук / Щеголева Л.В. - Петрозаводск: ПетрГУ, 2011. - 284 с.

5. Макаренко, А.В. Многооперационные машины для лесозаготовок и лесохозяйственного производства. Учебник. / А.В. Макаренко, М.А. Быковский - М.: Вектор ТиС, 2009. - 400 с.

6. Будник, П.В. Обоснование технологических решений, повышающих эффективность заготовки сортиментов и лесосечных отходов, на основе функционально-технологического анализа: дисс. . канд. техн. наук / П.В. Будник - Петрозаводск: ПетрГУ, 2011. - 22 с.

7. Григорьев, И.В. Технология и оборудование лесопромышленных производств. Технология и машины лесосечных работ. Учебное пособие / И.В. Григорьев, А.К. Редькин, В.Д. Валяжонков, А.В. Матросов - СПб.: ЛТА, 2010. - 330 с.

8. Григорьев, И.В. Современные машины и технологические процессы лесосечных работ. Учебное пособие / И.В. Григорьев, В.Д. Валяжонков. - СПб.: ЛТА, 2009. - 288 с.

9. Куницкая, О.А. Повышение эффективности заготовки сырья для мачтопропиточных заводов при проведении лесосечных работ / О.А. Куницкая, И.И. Тихонов, С.С. Бурмистрова, И.В. Григорьев //Научное обозрение, 2011. - № 4. - С. 78-85.

ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕЙ ПОЗИЦИИ МНОГООПЕРАЦИОННОЙ

машины манипуляторного типа

А.В. ЛАПТЕВ, асп. каф. технологии и оборудования лесопромышленного производстваМГУЛ

Основными требованиями процесса валки и обработки деревьев технологическим оборудованием современных многооперационных машин являются направленность валки, валка без повреждения ствола и высокая производительность работ по обрезке сучьев и раскряжевке. Эффективность использования лесозаготовительных машин манипуляторного типа зависит от многих факторов, в том числе от рабочей зоны манипулятора, которая может быть реализована в валочном, валочно-пакетирующем, валочно-сучкорезно-раскряжевочном и других технологических режимах. Геометрические параметры реализуемой рабочей зоны определяются рабочей позицией машины в соответствующем техно-

laptev@mgul.ac.ru

логическом режиме, то есть местом установки машины относительно дерева или группы деревьев, подлежащих заготовке [1].

На геометрические параметры рабочей зоны существенное влияние оказывают целый ряд факторов, которые можно, с некоторыми допущениями, разделить на три группы.

В первую группу можно объединить факторы, относящиеся к предмету труда - дереву. С одной стороны, необходимо рассматривать предмет труда с точки зрения совокупности деревьев. Это такие факторы, как таксационные показатели древостоя в целом, геометрическое расположение деревьев относительно самой лесозаготовительной ма-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

85

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

шины и относительно друг друга. С другой стороны, необходимо учитывать факторы, относящиеся к индивидуальным особенностям отдельно взятого дерева, которыми являются форма, размеры, вес дерева, физико-механические свойства прикорневой части ствола, расположение отдельных частей дерева в пространстве.

Во вторую группу следует объединить факторы окружающей среды: температуру воздуха; атмосферные осадки; ветровую нагрузку; сопротивление воздушной среды падению дерева; рельеф местности; почвенно-грунтовые условия. При технологических расчетах одни из этих факторов имеют вполне четкую определенность (например рельеф), другие - такие как атмосферные явления, могут учитываться с той или иной степенью вероятности.

К третьей группе относятся факторы, определяемые техническими параметрами лесозаготовительной машины и выполнением данной машиной комплекса технологических операций. К таким факторам относятся тип базовой машины, ее геометрические и весовые характеристики, компоновка технологического оборудования и его технические характеристики, выбранная технология работы в лесонасаждениях, порядок выполнения операций технологии заготовки и обработки единичного дерева.

Именно факторы третьей группы оказывают наиболее существенное влияние на эффективность работы основного технологического оборудования, а именно манипулятора и рабочего механизма (захватно-срезающего устройства, харвестерной головки и др.) и соответственно многооперационной машины в целом. Оптимизация рабочей зоны манипулятора, образуемой при работе многооперационной машины, является одним из путей повышения ее производительности. С одной стороны, увеличение вылета манипулятора приводит к возрастанию числа деревьев, досягаемых с одной рабочей позиции, повышая тем самым производительность за счет снижения затрат времени на переезд и другие внецикловые затраты времени. С другой стороны, увеличение вылета манипулятора ог-

раничено устойчивостью самой машины [3]. Ограничения, накладываемые поперечной устойчивостью, приводят к снижению значения коэффициента использования манипулятора в поперечном положении и, как следствие, уменьшение ширины разрабатываемой пасеки. Продольная устойчивость выше поперечной, и величина вылета манипулятора в продольном направлении ограничивается его грузовым моментом, который определяет значения коэффициента использования манипулятора в продольном направлении.

Таким образом, размерные нагрузочные характеристики рабочей зоны многооперационной машины находятся в зависимости от сочетания устойчивости машины и грузового момента используемого манипулятора.

Устойчивость машины является изменяемым параметром, находящимся в зависимости от угла поворота манипулятора, его вылета. Способность машины противостоять опрокидыванию зависит от конструктивных параметров машины, а также от действия оператора, управляющего машиной. Условно можно различать собственную и управляемую устойчивость машины: первая зависит от конструктивных параметров машины; вторая - от действий оператора в критических ситуациях (наезд или съезд с препятствия, движения на повороте по склону и т.п.) путем соответствующего изменения скорости движения или положения машины и ее рабочего оборудования. Элементы машины, посредством которых оператор управляет устойчивостью, характеризуют “активную” безопасность машины, так как она реализуется через активные действия оператора. Различают статическую и динамическую устойчивость против опрокидывания. Первая характеризуется равновесным состоянием машины под действием внешних нагрузок, постоянных по значению и направлению [2].

Способность машины сохранять заданное состояние после того, как на нее воздействовали возмущающие силы и моменты, характеризуется динамической устойчивостью. В зависимости от направления опрокидывания различают оси бокового и продольного опрокидывания, которые совместно

86

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

образуют опорный контур машины. Опорный контур лесозаготовительной машины имеет форму четырехугольника постоянных или переменных размеров. Последний относится к колесным машинам с шарнирно-сочлененной рамой.

При выполнении технологических операций передняя и задняя полурамы блокируются относительно друг друга и получается опорный контур четырехугольной формы. В случае расположении полурам в одну линию опорный контур принимает вид прямоугольника, стороны которого проходят через центры площадок контакта колес с основанием. Силы, нагружающие машину, образуют относительно осей опрокидывания стабилизирующий момент Мст и опрокидывающий момент Мопр. Стабилизирующий момент создается вертикальными силами, действующими внутри опорного контура, а опрокидывающий момент - силами, действующими вне опорного контура [4].

Определение значений грузовых моментов в различных положениях манипулятора и для различных значений длин выдвижения манипулятора позволяет определить значение максимального груза, который может поднять манипулятор, и на основании этого строится диаграмма грузоподъемности, основанная на устойчивости машины.

Оценка устойчивости машины характеризуется показателем коэффициента устойчивости, к .

к = М М = М 7

уст стаб опр стаб 4 опр гр-/7 4 /

где М _ стабилизирующий момент, кН-м;

М

М

опр

опрокидывающий момент, кН-м; опрокидывающий момент, создаваемый манипулятором и харвестерной головкой, кНм;

Мр - грузовой момент, создаваемый обрабатываемым деревом, кН-м;

Если в расчетах опрокидывающего и стабилизирующего момента учитываются все статические и динамические нагрузки, что на практике осуществить сложно, коэффициент устойчивости принимают к >1,15.

уст

Для случая, когда расчеты основываются только на значениях сил тяжести, коэффициент устойчивости должен быть куст >1,4.

Из формулы (1) определяем Мгр М = М /к - М = М 71,4 - М . (2) Определив грузовой момент Мр, можно определить максимальный груз тр, который может поднять харвестер на разных вылетах и углах поворота манипулятора, приняв во внимание устойчивость машины и конструкцию манипулятора по следующей формуле

m = М /L g, кг

гр гр ман

где LMaH - вылет манипулятора, м,

g - ускорение свободного падения, м/с2.

Для определения удерживающего и опрокидывающего моментов необходимо определить расстояния между приложением нагрузок и осями опрокидывания. Для этого необходимо найти центры тяжести машины и манипулятора с харвестерной головкой.

Имея в виду, что для данного типа машин продольная ось симметрии является продольной осью машины, поперечная координата ее центра масс ух должна лежать в этой плоскости. Расчет проводится только для продольной координаты хх (ось абсцисс) и вертикальной координаты zx (ось аппликат). Отсчет системы координат принимаем от точки соприкосновения передних колес с поверхностью.

Определяем положение центра тяжести харвестера с учетом веса опорной секции манипулятора по формуле

X =

Zm х х

i i

m

где т. - масса i-го элемента машины, кг;

х. - расстояние от начала координат до i-го элемента машины, м; т - суммарная масса всех элементов машины, кг.

Определение массы и координат центров тяжести составных частей харвестера при отсутствии подробной конструкторской документации представляет определенные трудности. Поэтому можно воспользоваться данными о весе, приходящемся на заднюю и переднюю полурамы, с учетом веса самой полурамы. Такие данные приводятся изготовителями харвесторной техники в руководствах по эксплуатации харвестером в разделе,

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 1/2013

87

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

Рис. 1. Расчетная схема сил, действующих на многооперационную машину

Рис. 2. Схема определения длин плечей для определения опрокидывающих и стабилизирующих моментов

посвященном транспортировке машины и правилам ее фиксации при перевозке согласно распределению весов.

Тогда формулу (4) можно представить

в виде

х =

х 4 пр пр зр зр 4 пр зру 7 4 у

где тпр - масса передней полурамы с расположенными элементами и опорной секцией манипулятора, кг; тзр - масса задней полурамы с расположенными элементами, кг;

хпр - расстояние от начала координат до центра тяжести передней полурамы (рис. 1), м;

хзр - расстояние от начала координат до центра тяжести задней полурамы (рис. 1), м.

Для определения центра тяжести манипулятора относительно точки крепления манипулятора воспользуемся формулой

х„ =

тсхс +трхр +тхгХхг тс +тр +тхг

88

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

Рис. 3. Общий вид рабочей зоны многооперационной машины с учетом ее устойчивости и грузоподъемности манипуляторного оборудования

где тс — масса стрелы манипулятора, кг; тр — масса рукояти манипулятора, кг; тг — масса харвестерной головки, кг; хс - проекция расстояния от точки крепления манипулятора до центра тяжести стрелы (рис.1), м;

хр - проекция расстояния от точки крепления манипулятора до центра тяжести рукояти (рис. 1), м; ххг - проекция расстояния от точки крепления манипулятора до центра тяжести харвестерной головки (рис. 1), м;

Для определения стабилизирующих моментов представим харвестер в виде опорного контура (рис. 2) с размещением на нем центра тяжести и плеч стабилизирующих и опрокидывающих моментов. На рис. 2 изображена половина максимального угла поворота манипулятора. Расстояния L и Lct2 являются расстояниями от центра тяжести

машины до поперечной и продольной осей опрокидывания (плечами удерживающих моментов относительно этих осей).

Стабилизирующий момент относительно передней поперечной оси опорного контура (момент, удерживающий от продольного опрокидывания) рассчитывается по формуле

М ... = gm L . = g(m + т )L ., где тхар - масса харвестера, кг;

Lcm\ — расстояние от центра тяжести машины до поперечной оси опрокидывания, м.

Стабилизирующий момент относительно боковой продольной оси опорного контура (момент, удерживающий от поперечного опрокидывания) определяется по формуле

Мстаб2 = gmaPLcm 2 = g(mnp + m3p)L

где тхар - масса харвестера, кг;

ст2’

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

89

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

Ьст2 - расстояние от центра тяжести машины до продольной оси опрокидывания, м.

Расчет опрокидывающего момента, образуемого манипулятором и харвестерной головкой относительно поперечной оси опрокидывания при различных углах (продольный опрокидывающий момент) поворота, рассчитывается по формуле

М , = g(m + m + m )(х - х ) cosa

ман1 04 с р хг/ч ман мо'

где тс - масса стрелы манипулятора, кг; тр - масса рукояти манипулятора, кг; тхг - масса харвестерной головки, кг; хм - расстояние от оси крепления манипулятора до центра тяжести манипулятора с харвестерной головкой, м; х - расстояние от оси крепления манипулятора до поперечной оси опрокидывания машины, м;

a - угол поворота манипулятора относительно продольной оси, град. Опрокидывающий момент манипулятора и харвестерной головки относительно боковой продольной оси опорного контура (поперечный опрокидывающий момент) определяется по формуле

М 0 = g(m + m + m )(х - х Л sina, где Ьст2 -расстояние от центра тяжести машины до продольной оси опрокидывания (рис. 2), м.

Формула (2) определения грузового момента для поперечной оси опрокидывания принимает вид

Мр1 =

g (mnp + Кзр) Lm1 , , , ,

------------------g (Кс + mp + Кхг ) Х

m х + m х + m х

с с Р Р хг хг

m + m + m

с р хг

- х..

Cosa

х

Для продольной оси

М

гр 2

g (m„р + Щр Жт 2

1,4

g (mс + mр + mxz ) Х

Щхс + КРхр + ^хг

- L

Sina

х

V mc + mр + Кхг )

По формуле (3) определяем максимальную грузоподъемность при поворотах манипулятора a и разных длин стрелы Ьман при учете продольной устойчивости

харвестера тгр1 и поперечной устойчивости

m

гр2.

(Кпр + Щр) Х Ami ( , , ч

----^-4---------------(mc + mP + mхсг ) Х

mPi =

m х х + m х х + m х х

с с р р хг хг

m + m + m

с р хг

- х..

Cosa

L.Cosa

x

(Кр + Кзр ) Х Lorn 2

1,4

- (Кс + + m,z) Х

Кр 2 =

f m х х + m х х + m x х ^

с с р р хг хг j

' ' Lm

V Кс + Кр + ____________ )

L..„„ x Sina

Sina

х

Рассчитав устойчивость харвестера и зная заводские технические характеристики грузового момента манипулятора, можно построить общую диаграмму устойчивости с использованием полученных данных. Диаграмма строится на основе углов поворота манипулятора, длин вылета манипулятора и значений грузоподъемности. Значение грузоподъемности берется наименьшим из полученных расчетов опрокидываемости или номинальных данных, установленных производителем для грузоподъемности манипулятора. Для расчетов был принят харвестер массой 15 т и оснащенный манипулятором с максимальным вылетом 10м и грузовым моментом 188 кНм. Общий вид диаграммы приводится на рис. 3.

Как показывает анализ построенной диаграммы, подняв груз на определенном угле поворота и вылете стрелы, харвестер может не опрокинуться, но грузовой момент может вывести манипулятор из строя. Исходя из этого, в рабочей зоне манипулятора многооперационной машины можно выделить две зоны, в которых существуют ограничения по возможности заготовки деревьев по весовым характеристикам. Первая зона располагается с левой и с правой стороны машины и образуется за счет ограничений, накладываемых поперечной опрокидываемостью относительно боковой продольной оси опорного контура.

Вторая зона занимает часть сектора, образуемого линией максимального вылета манипулятора, на котором манипулятор с харвестерной головкой может обрабатывать

90

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013