Введение к работе
Актуальность темы.Одним из главных условий эффективного восстановления хозяйственно ценных лесов является проведение рубок ухода- технически и технологически сложной и ответственной операции, определяющей на годы вперёд характер дальнейшего развития лесной экосистемы, и в этой связи именно к технологическим процессам и техническим средствам для рубок ухода предъявляются повышенные требования по их экологичности, то есть минимальному негативному воздействию на компоненты лесной среды - лесные почвы и оставляемые на доращивание деревья.
Эксплуатация существующих лесозаготовительных машин на лесосеках при рубках ухода показывает, что их проведение сопровождается неоправданно высокой степенью повреждения насаждений(уничтожение подроста, ошмыги, ушибы деревьев, повреждения крон, образование колей, минерализация значительных поверхностей лесосек), что влечет за собой уменьшение суммарной продуктивности насаждения. Проведённые исследования показали, что на уровень повреждения древостоя и почвы оказывают большое влияние конструктивные особенности лесных машин, в числе которых габаритные размеры, давление на опорную поверхность, способ маневрирования и способ размещения груза (хлыстов и деревьев).
В этой связи наиболее перспективным направлением механизации и машинизации рубок ухода, в частности прореживаний, является применение машин на базе колёсного трактора и агрегатируемого с ним технологического оборудования для вьшоза срезанного дерева в вертикальном положении из-под полога леса к месту его пакетирования на волоке. Благодаря данной схеме работы исключаются операции валки и подтрелёвки вырубаемого дерева, именно в процессе которых в условиях прореживаний происходит большинство случаев повреждения оставляемых деревьев и почвенного покрова. Кроме того, вывоз срезанного дерева в вертикальном положении позволяет расширить ширину пасеки до 50 м, что недоступно при прореживаниях для манипуляторных машин.
Однако для практической реализации этого способа отсутствуют апробированные методики инженерного расчета, для разработки которых необходимы комплексные научные исследования как самих возмущающих факторов, так и влияния конструктивно-технологических параметров технико-технологической системы на показатели эффективности её функционирования.
В этой связи обоснование конструкции и параметров навесного автоматизированного захватно-срезающего устройства (ЗСУ) валочно-пакетирующей машины (ВПМ) для прореживаний представляет научный и практический интерес.
Работа выполнена в рамках государственных контрактов: №6041р/8519 от 26.06.2008 г. и №7399р/ 10159 от 28.12.2009 г. Фонда содействия развитию малых форм предприятий в НТС «Проект системы автоматического управления захватно-срезающим устройством» и государственного контракта№ 16.515.11.5053 от 15.08.2011 г. в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениямразвития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 го-ды»«Разработка инновационной системы эффективного устойчивого лесопользования и лесовосстановленияна ландшафтно-типологической ос-новес использованием адаптивно-модульных образцов техники и инфо-телекоммуникационных методов экомониторинга».
Цель работы.Повышение эффективности машинизированного выполнения прореживаний путем обоснования конструкции и параметров навесного ЗСУ с системой автоматического поддержания в вертикальном положении вывозимого из-под полога леса дерева.
Объект и предмет исследований. Объектом исследования являются навесное автоматизированное ЗСУ ВПМдля прореживаний, а также действия, осуществляемые им при выполнении переместительных операций технологического процесса. Предметом исследования являются зависимости показателей эффективности выполнения операций срезания дерева, его вывоза из-под полога леса в вертикальном положении к месту пакетирования на волоке и укладки в пачку от конструктивно-технологических параметров навесного автоматизированного ЗСУ.
Методы исследования. В процессе исследования использованы методы математического моделирования с проведением вьгаислительных экспериментов, полевых наблюдений, натурного эксперимента, математического планирования экспериментальных исследований, теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна.Впервые для условий рубок прореживаний:
- выполнены полевые наблюдения геометрических параметров микрорельефа поверхности лесосеки, отличающиеся выявлением корреляционных связей геометрических характеристик микрорельефа лесосек и типа лесорастительных условий, а также разработана математическая модель микрорельефа поверхности лесосеки как возмущающего фактора, действующего на систему «Дерево - ЗСУ - ВПМ»;
-разработано схемно-конструктивное решение навесного автоматизированного захватно-срезающего устройства с пространственным приводным механизмом, отличающееся использованием системы автоматического управления для поддержания вертикального положения дерева в процессе его вывоза из-под полога леса и обеспечивающее повышение устойчивости системы;
-разработана математическая модель функционирования ВПМ с автоматизированным ЗСУ в процессе вывоза вертикально удерживаемого дерева, отличающаяся учетом конструктивных особенностей ЗСУ и возмущающих воздействий от микрорельефа поверхности лесосеки;
- получены новые экспериментальные данные по динамической нагруженности ЗСУ в процессе вывоза срезанного дерева из-под полога леса в вертикальном положении к месту пакетирования на волоке, отличающиеся учетом работы САУ.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты экспериментальных исследований микрорельефа лесосеки, количественно характеризующие его возмущающее воздействие при движении валочно-пакетирующей машины с вертикально удерживаемым деревом.
Защищенные патентом РФ технические решения ЗСУ с системой автоматического поддержания вертикального положения вывозимого дерева.
Математическая модель динамической системы «Дерево- ЗСУ-ВПМ», устанавливающая взаимосвязь между конструктивными параметрами ЗСУ, характеристиками микрорельефа лесосеки и показателями устойчивости системы.
Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность и уровень достоверности разработанной математической модели системы «Дерево - ЗСУ - ВПМ».
Научная и практическая значимость.Полученные математические зависимости и уравнения исследования пространственного приводного механизма ЗСУ позволяют на этапе проектирования и доводки конструкции производить его обоснование и выбор основных технико-эксплуатационных параметров.ВПМ с системой автоматизированного управления захватно-срезающим устройством, рекомендуемая для рубок прореживания, позволяет повысить эффективность работы за счет снижения материалоемкости лесозаготовительных машин и оборудования и уменьшения вредного экологического воздействия на лесную среду.
Достоверность результатовосновывается на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математического моделирования и статистической обработки результатов экспериментальных исследований с использованием ПЭВМ. Выводы, изложенные в работе, обоснованы теоретически и отражают физическую сущность рассматриваемых процессов.
Личное участие автора в получении результатов.Лично автором проведены исследования геометрических характеристик микрорельефа поверхности лесосек в различных типах лесорастительных условий (ТЛУ), разработана математическая модель динамической системы
«Дерево - ЗСУ - ВПМ», разработан и создан экспериментальный образец ЗСУ, создана системаавтоматического управления ЗСУ. Автором разработана методика экспериментальных исследований, произведены обработка данных, анализ и обобщение результатов исследований.
Реализация результатов работы.Основные результаты работы приняты к внедрению ООО «Лестехком», что подтверждено соответствующим актом. Результаты работы внедрены в учебный процесс МарГТУи используются при подготовке бакалавров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» в курсе «Технология и оборудование лесозаготовительного производства».
Апробация работы.Результаты проведённых исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сту-дентовМарГТУ (Йошкар-Ола, 2008-2011), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2007), Международной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2007), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2009 - 2010).
Публикации.Основное содержание диссертации и результаты выполненных исследований опубликованы в 18 работах объемом 24,63 п.л., авторский вклад -4,635 п.л., включая 1 монографию объемом 19,5 п.л. (авторских-1,125 п.л.), 1 патент на полезную модель (0,35 п.л.), авторский вклад - 65%, 2 свидетельства на регистрацию программ (0,65 п.л.) авторский вклад - 55% и 14 научных статей (3,94 п.л.), авторский вклад -54%, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК (1,775), авторский вклад - 45%.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 48 рисунков, список литературы из 138 наименований.
