Сравнительная оценка эффективности технологических схем работы систем машин «Харвестер-форвадер» по критериям площади технологических коридоров и производительности

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РАБОТЫ СИСТЕМ МАШИН «ХАРВЕСТЕР-ФОРВАДЕР» ПО КрИТЕрИЯМ ПЛОЩАдИ

технологических коридоров и производительности

Э.Ф. ГЕРЦ, проф. каф. ТОЛП Уральского ГЛТУ, д-р техн. наук,

А.В. МЕХРЕНЦЕВ, проф. каф. ТОЛП Уральского ГЛТУ, канд. техн. наук,

С.Б. ЯКИМОВИЧ, проф. каф. ТОЛП Уральского ГЛТУ, д-р техн. наук

Технологические схемы и приемы функционирования лесозаготовительных систем машин, в частности «харвестер - форвадер», являются одним из определяющих факторов продуктивности лесной среды, биологического разнообразия лесных экосистем и роста производительности. Рациональными схемами и приемами обеспечивается сохранение подроста, снижение доли площади пасечных волоков в общей площади лесосеки, интенсивность уплотнения лесных почвогрунтов, в том числе и в проекции волоков. Влияние схем и приемов на производительность системы машин «харвестер - форвадер» определяется сокращением расстояний перемещения предмета труда (дерева, хлыста и сортимента), рабочих органов и самих машин при выполнении технологических операций [1-3]. Также эффективность работы системы машин, в смысле системного подхода, обеспечивается синхронизацией, т.е. максимальной загрузкой системы посредством соответствующих схем и приемов [4]. Однако на текущий момент отсутствует методика и результаты оценки множества известных и запатентованных схем работы наиболее актуальной системы машин «харвестер - форвадер» по критериям доли площади волоков и производительности. Имеются общие рекомендации [3] по эффективности тех или иных схем, которые представляют качественную оценку всех технологических схем по сравнению с традиционным способом работы харвестера (рис. 1).

Таким образом, цель публикации - представление методики и количественной оценки множества известных и защищенных патентами схем работы системы машин «хар-вестер - форвадер» по критериям производительности и доли площади волоков.

jak.55@mail.ru

Методика сравнительной оценки включает:

1) описание технологии по оцениваемым технологическим схемам;

2) выделение повторяющихся циклов технологии работы с определением относящихся к этим циклам площадей волоков и пасек в общей площади лесосеки;

3) выделение оцениваемых факторов (например, конфигурация волоков, технологических коридоров, эффективный вылет манипулятора) и присвоение остальным реальных и постоянных значений для всех рассматриваемых схем;

4) определение площадей пасек и волоков, а также доли (процента) последних в границах выделенного повторяющегося цикла для всех оцениваемых схем;

5) оценка производительности машин границах выделенного повторяющегося цикла для всех оцениваемых схем.

Реализуя изложенную методику, примем для сравнения схемы, приведенные в рабочей инструкции операторов харвес-теров и форвадеров (рис. 1, 2), схемы, разработанные в Уральской лесотехнической академии [3] (рис. 3, 4), и схему по заявке

Рис. 1. Технологическая схема заготовки сортиментов системой машин «харвестер - форвадер» традиционным способом

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2012

63

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Рис. 2. Технологическая схема заготовки сортиментов со вспомогательным коридором: 1 - маршрут харвестера по пасечным волокам и вспомогательному коридору; 2 - границы пасечного волока; 3 - границы пасек; 4 - пачки сортиментов, сформированные при разработке части пасеки при разрубке центральной ее части и волока; 5 - пачки сортиментов, сформированные при разработке пасеки посредством дополнительного однократного прохода харвестера по вспомогательному коридору

Рис. 3. Технологическая схема заготовки сортиментов с двумя вспомогательными коридорами: 1 - маршрут харвестера по пасечным волокам и вспомогательным коридорам; 2 - границы волока; 3 - границы пасек; 4 - пачки сортиментов, сформированные при разработке пасеки с пасечного волока; 5 - пачки сортиментов, сформированные при разработке пасеки посредством дополнительного однократного прохода харвестера по вспомогательным коридорам

на патент, разработанную авторами статьи (рис. 5).

При заготовке сортиментов традиционным способом (рис. 1) поваленное дерево размещается в направлении, перпендикулярном оси волока. При этом порубочные остатки располагаются как на волоке, так и на пасеке в зоне размещения кроны поваленного дерева. Траектория движения харвестера представлена стрелкой.

Вариант со вспомогательным коридором (рис. 2), на котором работает только харвестер, позволяет уменьшить общую длину пасечных волоков на лесосеке. Форвадер, который определяет основную долю повреждений почвы, подроста и оставляемого древостоя, работает лишь на волоках, удаленных друг от друга на расстояние 3-3,5 эффективных вылетов (R) манипулятора. При разработке харвестером вспомогательного коридора, как и волока, выполняется весь цикл операций: валка, обрезка сучьев, раскряжевка и пакетирование - однако пачки сортиментов при этом укладываются на максимальном удалении от машины. Этим обеспечивается доступность пачек, сформированных харвестером, для манипулятора форвадера, перемещающего-

ся по пасечным волокам при сборе сортиментов.

Вариант с двумя вспомогательными коридорами (рис. 3) позволяет еще уменьшить общую длину пасечных волоков на лесосеке. При этой схеме основные технологические коридоры располагаются на расстоянии 4-5 эффективных вылетов манипулятора. На вспомогательных коридорах работает также лишь харвестер, манипулятором которого сортименты укладываются в пачки таким образом, чтобы они были досягаемы для манипулятора форвардера при движении по пасечным волокам. Необходимость перекладки сортиментов в зону доступности манипулятора форвардера при работе харвестера во вспомогательных коридорах ведет к некоторому снижению производительности.

Схема с заездами на полупасеки может рассматриваться как вариант с шириной пасеки, увеличенной до 4 эффективных вылетов манипулятора (рис. 4). При этом несколько снижается производительность в связи с затратами времени на заезды. Шаг примыкания заездов к волоку с каждой его стороны составляет около 4 эффективных вылетов манипулятора. Заезды на смежных полупасеках смещены на половину шага

64

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2012

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Рис. 4. Технологическая схема заготовки сортиментов с заездами харвестера и форвадера на полупасеки

Рис. 5. Технологическая схема заготовки сортиментов с заездами харвестера и форвадера на полупасеки и вспомогательным коридором: 1- пасечные волоки; 2 - вспомогательный коридор; 3 - пачки сортиментов, сформированные при разработке центральной части пасеки в процессе разрубки пасечного волока; 4 - харвестер; 5 - пачки сортиментов, сформированные при разработке пасеки при дополнительнм однократном проходе харвестера по вспомогательному коридору; 6 - заезд на полупасеку

примыкания, что обеспечивает досягаемость всех деревьев.

Разработанная по заявке на способ авторами статьи схема с заездами на полупасеки и вспомогательным коридором (рис. 5) увеличивает расстояние между пасечными волоками до 5 эффективных вылетов манипулятора. Технология работы харвестера аналогична схеме на рис.6, за исключением наличия синусоидального вспомогательного коридора 2, по которому перемещается только харвес-тер. Сортименты, заготовленные на вспомо-

Рис. 6. Повторяющийся цикл технологической схемы заготовки сортиментов с заездами харвестера и форвардера на полупасеки

Рис. 7. Повторяющийся цикл технологической схемы заготовки сортиментов с заездами харвестера и форвардера на полупасеки и вспомогательным коридором: 1- пасечный волок; 2 - вспомогательный коридор; 3 - пачки сортиментов, сформированные при разработке части пасеки при разрубке волока; 4 - харвестер; 5 - пачки сортиментов, формируемые при разработке части пасеки со вспомогательного коридора; 6 - заезд на полупасеку

гательном коридоре 2, перекладываются хар-вестером в зону досягаемости манипулятора форвадера к пасечным волокам 1 и заездам на полупасеки 6. Заезды на полупасеки выполняют как харвестер в ходе заготовки сортиментов, так и форвардер - в ходе их сбора.

Второй этап методики: выделение повторяющихся циклов технологии работы с определением процента относящихся к этим циклам площадей волоков и пасек в общей площади лесосеки - необходим с целью обеспечения достоверности расчетов и снижения

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2012

65

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Таблица 1

Результаты приведения исходных данных к заданным постоянным значениям

Показатель Обозначение Единица измерения Значение

Эффективный вылет манипулятора R м 8; 10

Ширина пасечного волока AB м 5

Длина выделенного цикла L м 4R

Скорость движения харвестера по коридорам 6 м/с 1

Скорость перемещения манипулятора харвестера 6м м/с 0,6

Скорость протаскивания дерева при обрезке сучьев 6п м/c 3

Средний диаметр хлыста ^хл м 0,3

Средняя длина хлыста 1хл м 21

Средний объем хлыста Ул м3 0,4

Запас на 1 га q м3/га 150

Число пропилов при заготовке сортиментов n - 4

Время наводки манипулятора к дереву, захвата, сталкивания дерева с пня t с 20

Среднее расстояние подтаскивания дерева к месту обработки i м 0,5R

Коэффициент использования производительности чистого пиления ф3 - 0,7

Производительность чистого пиления цепной пилы м2/с 0,03

Таблица 2

результаты расчетов и сравнительной оценки технологических схем

Технологическая схема Номера схем по порядку Эффективный вылет манипулятора харвестера ,м Доля технологических коридоров в общей площади лесосеки,% Часовая производительность, харвестера, Разность между долями технологических коридоров в общей площади лесосеки сравнительно с традиционной схемой, % Разность часовой производительности харвестера сравнительно с традиционной схемой, %

С 1-м вспомогательным коридором (рис.2) 1 R=8 25 34,0 -6,25 -0,1

2 R=10 20 28,61 -5 -5, 44

С 2-мя вспомогательными коридорами (рис.3) 3 R=8 20,8 29,41 -10,45 -4,61

4 R=10 17 28,5 -8 -5,55

С заездами на полупасеки (рис.4) 5 R=8 34 30,37 +2,75 -3,73

6 R=10 27 24,3 +2 -9,75

С заездами на полупасеки и вспомогательным коридором(рис.5) 7 R=10 22 21,14 -3 -12,91

Традиционная (рис.1) 8 R=8 31,25 34,1 0 0

9 R=10 25 34,05 0 0

их объема, в связи с сокращением площади лесосеки в целом до площади повторяющихся циклов на лесосеке. Повторяющиеся циклы выделяются на основе фактора эффективного вылета (R) манипулятора харвестера по ширине цикла, перпендикулярно пасечным

волокам, с включением в цикл траектории движения харвестера по волокам и вспомогательным коридорам. Длина L выделенных циклов принимается величинои постояннои в связи с последующим ее сокращением в ходе расчетов, за исключением схем с заездами на

66

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2012

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

полупасеки (рис. 4, 5). Повторяющиеся выделенные циклы для схем без заездов на полупасеки представлены на рис. 1-3.

Схемы с заездами на полупасеки имеют иную конфигурацию повторяющихся циклов (рис 6, 7), в связи с тем, что в них, кроме ширины, определяющим фактором является и длина цикла.

На основе представленных рисунков длина цикла принята равной 4 эффективным вылетам манипулятора харвестера.

Результаты третьего этапа методики, где в качестве оцениваемых приняты конфигурация технологических коридоров (схемы по рис. 1-5) и эффективный вылет манипулятора, а остальные факторы определены как величины постоянные, отражены в табл. 1.

Четвертый и пятый этапы методики, а именно: определение площадей технологических коридоров и лесосеки (пасек и технологических коридоров) и доли (процента) последних и оценка производительности машин в границах выделенного повторяющегося цикла для всех представленных схем - реализованы посредством стандартных выражений расчета площадей геометрических фигур и производительности [3]. Для схем с заездами на полупасеки вычислялись также площади сектора кольца и половины сегмента. К площади технологических коридоров отнесена та площадь, где кроме харвестеров перемещался и форвадер. Сюда отнесена также площадь заездов на полупасеки.

Результаты расчетов и сравнительной оценки приведены в табл. 2.

Представленные в табл. 2 отрицательные значения в столбце 6 характеризуют положительный фактор уменьшения площади пасечных волоков для одинаковых эффективных вылетов манипулятора. Напротив, отрицательные значения в столбце 7 характеризуют уменьшение производительности харвестера для одинаковых эффективных вылетов. Для схем с заездами на полупасеки вариант с заездами лишь харвестера не рассматривался в связи с необходимостью экспериментальной проверки возможности сбора сортиментов форвадером без его заездов на полупасеки. Однако, если такой вариант

возможен, доля площади пасечных волоков будет такой же, как для схемы с двумя вспомогательными коридорами.

Выводы

1. На основе анализа данных табл. 2 технологические схемы ранжируются в порядке снижения эффективности по относительным значениям критериев при приоритетности критерия доли площади пасечных волоков и бинарном сравнении с традиционной схемой использования харвестера в следующей последовательности по номерам схем: 1, 3, 4, 2, 9, 8, 7, 5, 6.

2. Сравнительная оценка технологических схем по критериям площади технологических волоков и производительности приводит к заключению, что наиболее простые схемы со вспомогательными коридорами являются также и наиболее эффективными.

3. В реальных производственных условиях целесообразно использование различных схем со вспомогательными коридорами в связи с тем, что схемы с заездами на полупасеки из-за сложной конфигурации практически трудно реализуемы для оператора хар-вестера.

Результаты получены при выполнении поисковой научно-исследовательской работы в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы

Библиографический список

1. Якимович, С.Б. Синхронизация обрабатывающетранспортных систем заготовки и первичной обработки древесины: монография / С.Б. Якимович, М.А. Тетерина - Йошкар-Ола, 2011. - 201 с.

2. Герц, Э.Ф. Оценка технологии лесопользования на лесосечных работах: монография / Э.Ф. Герц // урал. Гос. Лесотехн. Акад., Екатеринбург, 2003. - 120 с.

3. Азаренок, В.А. Сортиментная заготовка леса: Учеб. пособие / В.А. Азаренок, Э.Ф. Герц, А.В. Мехрен-цев. - Екатеринбург: Урал. Гос. Лесотехн. Акад., 2001. - 134 с.

4. Якимович, С.Б. Управление схемами работы машин в обрабатывающе-транспортных лесозаготовительных системах / С.Б. Якимович, М.А. Тетерина // Вестник МГУЛ. Лесной Вестник. - 2010. - №5. - С. 78-82.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2012

67