Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследования 7
1.1. Общие положения 7
1.2. Анализ состояния транспортно-переместительных операции на лесозаготовках 8
1.2.1. Транспортировка древесины тракторами 8
1.2.2. Транспортировка древесины автопоездами 11
1.3. Анализ научных исследований в области оценки физико-механических свойств почв и грунтов 17
1.4. Состояние вопроса в области исследования процессов воздействия лесных машин на почво-грунты 21
1.4.1. Деформаций почво-грунтов, при взаимодействии с движителем лесных машин 25
1.4.2. Понятие проходимости лесных машин...: 30
2. Математическая модель, увязывающая оптимальное расстояние трелевки-вывозки с технолого- экономическими условиями работы лесных машин 36
2.1. Обоснование необходимости моделирования 36
2.2. Назначение и тип модели 36
2.3. Компоненты модели 37
2.4. Факторы, действующие в модели 38
2.5. Ограничения, действующие в модели 39
2.6. Анализ модели 40
Выводы и рекомендации 44
3. Исследование взаимосвязи эффективности работы лесных машин с проходимостью и коэффициентом технологической проходимости 46
3.1. Общие положения 46
3.2. Расчет и анализ проходимости и коэффициента технологической проходимости машин 51
3.3. Исходные данные 52
3.5. Анализ коэффициента технологической проходимости модульных систем машин 73
Выводы и рекомендации 76
4. Исследования факторов и условий воздействия лесных машин на дорожное покрытие 80
4.1. Общие положения 80
4.2. Укрепление путей первичного транспорта леса лесосечными отходами 80
4.3. Исследование взаимодействия движителя с почво-грунтами и хворостяной подушкой 85
4.4. Анализ лабораторных исследований изменения напряжений под воздействием нагрузки 91
4.5. Анализ полевых испытаний изменения напряжений под воздействием нагрузки 94
Выводы и рекомендации 96
5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований 98
5.1. Анализ достаточности количества лесосечных отходов для укрепления транспортных путей 98
5.2. Определение расстояния транспортировки древесины 102
Выводы и рекомендации 103
6. Технико-экономический анализ применения лесных машин на лесозаготовках 105
6.1. Общие положения 105
6.2. Анализ затрат на вывозке леса автопоездами 106
6.3. Анализ затрат на транспортировке леса тракторами 134
Выводы и рекомендации 153
Основные выводы и рекомендации 156
Список использованных источников
- Анализ научных исследований в области оценки физико-механических свойств почв и грунтов
- Факторы, действующие в модели
- Анализ коэффициента технологической проходимости модульных систем машин
- Анализ лабораторных исследований изменения напряжений под воздействием нагрузки
Введение к работе
Технический прогресс в лесозаготовительной промышленности во многом определяется прогрессивностью технических процессов, техническим уровнем лесных машин и эффективностью их работы. Российские ученые внесли колоссальный вклад в создание и внедрение средств механизации трудоемких процессов в лесозаготовительной промышленности.
Обязательным условием эффективной работы машин является хорошо продуманная технология при взаимной увязке всех машин в каждой системе и наиболее рациональной технике выполнения приемов. Высокая производительность машин, так же обусловлена оптимальным расстоянием транспортно-переместительных операций (трелевка и вывозка).
В то же время производительность машин зависит от правильного размещения транспортно-переместительных путей. Поэтому одним из главных направлений, позволяющим увеличить производительность труда, является совершенствование организаций и технологий транспортно-переместительных операций, а так же полное производственное использование машин.
Несмотря на многочисленные исследования в этой области, в связи с необходимостью повышения эффективности лесосечных работ, особенно на слабых грунтах, и появления на лесозаготовках новых технологий и различных марок транспортных средств отечественного и импортного производства, задача исследования совмещения транспортных операций на путях первичного транспорта леса с использованием вторичных ресурсов на строительстве лесных дорог и с учетом их образования на лесосеке, является актуальной и перспективной.
Решение этих вопросов позволит снизить трудозатраты на транспортные операции и обосновать рациональные комплекты машин для трелевки и вывозки древесины по путям первичного транспорта леса.
Технологический прогресс, основанный на создании и внедрении новых машин, позволяет не только увеличить производительность труда, но и улуч шить условия труда рабочих, заменить ручной труд машинным. Вместе с тем, нельзя не учитывать, что основные объемы работ выполняются пока еще обычными методами и средствами, где наряду с механизированными имеются и ручные приемы. Особенно это актуально сейчас, когда дороговизна современных высокопроизводительных машин вынуждает предприятия лесного комплекса прибегать к более дешевым технологическим операциям, включающих большую долю ручного труда.
Кроме этого крупной проблемой, имеющей большое научное значение, является проблема состояния почвы лесосеки, волоков и т. д., которое зависит от технологических приемов ведения работ, применяемых машин, организаций работ, характеристики древостоя и многих других факторов.
Исходя из этого, необходимо находить наиболее оптимальные пути для решения этих задач. Поэтому все большее значение приобретают новые методы исследования технологических и экологических проблем и, прежде всего методы, основанные на применении математики и персональных компьютеров. Сюда же относится анализ тенденций развития техники, разработка оценочных критериев, сравнение систем машин и т.д.
Исходя из результатов анализа, сформулирована цель исследования: обоснование ресурсосберегающих технологических решений, увязывающих в одном потоке лесотранспортные операции трелевки-вывозки при освоении предприятием биомассы дерева в лесопромышленном комплексе Северо-Западного федерального округа с учетом образования вторичных ресурсов.
Анализ научных исследований в области оценки физико-механических свойств почв и грунтов
Наиболее четкое и общее понятие грунта дано в энциклопедическом словаре [107]. Грунт (от немецкого Grunt-основа, почва) собирательное название горных пород, залегающих преимущественно в пределах зоны выветривания земли и является объектом инженерной деятельности человека.
Грунты подразделяются на скальные и рыхлые (по классификаций принятой в строительных нормах и правилах - нескальные). Скальные породы — породы залегающие в виде монолитного или так называемого трещиноватого монолита; рыхлые - крупнообломочные, песчаные и глинистые породы.
Ученые, занимающиеся исследованиями землеройных машин, к скальным грунтам относят [107] граниты, базальты, кварцы, мраморы, известняки, песчаники и др. обладаю высокой прочностью, малой деформируемостью и водонепроницаемостью. Песчаные грунты представляют собой большую группу лито-логических разновидностей пород, таких как пески, супеси и глины. Таким образом, можно предположить, что на скальных грунтах лес пригодный для лесозаготовок не растет. Поэтому в нашем случае грунт — рыхлые горные породы, образующие поверхностный слой земной коры. По гранулометрическому составу и физико-механическим свойствам грунты разделяются на классы или группы.
Наиболее часто [29] используются следующие показатели оценки и методы определения физико-механических свойств грунтов: влажность; числа и пределы Аттеберга: пределы текучести и раскатывания; число пластичности, определяющее тип грунта; показатели сдвига: С0 — сцепление (характеризует удельную силу сцепления), коэффициент/=/ 70?, зависящий от трения частиц в плоскости сдвига ( р - угол внутреннего трения); число ударов динамического твердомера.
Стоит заметить, что тип грунта, от песков до глин включительно, определяется по числу пластичности, которое является одной из основных характеристик, положенных в основу строительной классификации грунтов.
Определение понятия «почвы» дано в Лесной энциклопедии [73, 74]. Здесь почва - природное образование, состоящее из генетически связанных почвенных горизонтов, формирующихся в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под воздействием воды, воздуха и живых организмов. Почва обладает плодородием, то есть способностью обеспечивать лесные растения водой и пищей, что обуславливает ее участие в воспроизводстве биомассы. В широком смысле под лесными почвами понимают почвы, формирующиеся под лесной растительностью [73, 74].
Различают естественное (потенциальное) и эффективное плодородие. Естественное плодородие определяется естественными факторами (запасы питательных веществ и гумуса, воздушные и тепловые режимы, гранулометрический состав и плотность сложения). Причем плотность сложения - очень важный показатель физико-механических свойств лесной почвы. Эффективное плодородие почвы зависит в основном, от интенсивности ведения хозяйства в лесу. Оно изменяется под влиянием рубок леса, мелиорацией и т.д.
Основа увеличения продуктивности лесов - охрана лесных почв и повышения их плодородия.
Важное внимание уделяют почвоведы классификации почв. В основу прикладных исследований положена общая теория классификации, предложенная великим русским почвоведом В. В. Докучаевым и его последователями Н. М. Симбирцевым, И. П. Герасимовым и др. Типы почв в зависимости от влажности и биофизико-химического состава объединены в зональные эколого-генетические группы.
В основу изучения физико-механических свойств почв положена их классификация. Наиболее квалифицированная и емкая классификация предложена E. H. Ивановой [57]. В лесном хозяйстве широко используется классификация почв по Н. А. Качинскому В работе [58] предложена четырех ранговая иерархическая соподчиненная экологическая и хозяйственная классификация лесных земель.
Столь сложная классификация почв, которая иногда подразделяется на 100 и более типов почв, пригодна для масштабной оценки. Более практичная классификация с целью оценки проходимости лесных машин предложена проф. Г. К. Виногоровым [30]. Он предложил четыре категорий распределения почвен-но-грунтовых условий по их эксплутационным показателям:
I категория (сухие почвы) — возможна работа в течений всего года с небольшими перерывами ранней весной после схода снега (сухие пески, каменистая почва);
II категория (свежие почвы) - удовлетворительна с лесоэксплуатационной точки зрения, почвы допускают многократный проход машин по одному месту (супесчаные почвы, мелкие суглинки, глинистые пески);
III категория (влажные почвы) - влажность почв значительна в течений всего теплого периода, здесь тракторы быстро разрушают растительный слой (суглинистые и глинистые почвы, супеси с суглинистыми прослойками);
IV категория (сырые почвы) - наиболее неблагоприятна для лесопользования. Волоки заполнены грязью даже в сухую погоду (торфянисто-болотистые, перегнойно-глеевые почвы).
Исследователи взаимодействия лесных машин с почвой базируют свои работы на основе изучения физико-механических свойств почв сельскохозяйственных угодий [32,33, 43, 47, 51, 119].
Физико-механические свойства почв можно оценивать теми же характеристиками и показателями, которые применяются для оценки физико-механических свойств грунтов [51, 90].
Существует целая гамма приборов для определения физико-механических свойств грунтов и почв. Наиболее простой - твердомер ДОРНИИ, по числу ударов которого определяется твердость почв.
Исследователи взаимодействия машинно-тракторных агрегатов и самоходных сельскохозяйственных машин к основным оценки физико-механическим свойствам почв относят следующие показатели [21]: плотность, структурное состояние, твердость, пористость (общая, межагрегатная и отдельных агрегатов).
Исследователи лесосечных машин считают [3], что плотность почвы является основной наиболее существенной, характеристикой от которой зависит весь комплекс физических условий в почве: водный, воздушный и тепловой режимы, то есть, условия для биологической деятельности.
Определяющее влияние на почву оказывает ее влажность. В ГОСТ 26955-86 введено понятие «Наименьшей влагоемкости» (НВ) почвы различного механического состава в слое 0-30 см. В зависимости от НВ ГОСТ 26955-86 регламентирует максимальное давление движителей на почву и значение нормального напряжения в почве на глубине 0,5 м. Для каждой почвы существует интервал влажности структур образования. Состояние почвы и ее влажность, при которой механическое воздействие наиболее эффективно, получило название физической спелости. Наивысшая продуктивность растения достигается при оптимальной плотности, имеющей различное значение для различных видов почв и отличающейся от равновесной плотности (плотности естественного сложения).
Факторы, действующие в модели
Как уже говорилось выше, основными проблемами заготовительно-транспортных операций являются следующие вопросы: обоснование вида транспортируемой древесины (в хлыстах или в сортиментах) и, следовательно, комплекта технических средств для лесосечных работ; выбор типа машин, используемых на транспортировке древесины; определение оптимального расстояния транспортировки древесины.
Анализ двух последних проблем показал, что определение оптимального расстояния транспортировки древесины по лесным дорогам с учетом трелевки тракторами и вывозки автопоездами требует создание математической модели увязывающей наиболее оптимальное сочетание расстояния трелевки и вывозки леса лесными машинами с деформациями разных видов почво-грунтов в различных условиях, укреплением лесных дорог лесосечными отходами и соответственно доступности необходимого объема вторичных ресурсов для строительных нужд, с учетом коэффициента технологической проходимости, который в свою очередь оценивает не только технические, но и технолого-экономические факторы эффективности транспортных средств на лесосечных работах и на вывозке и позволяет выбрать оптимальный комплект машин для разных условий. Модель реализована посредством пакета инженерных программ Mathcad. Далее приводиться характеристика модели.
Предлагаемая математическая модель предназначена для определения расстояния трелевки-вывозки по волокам-усам с учетом технолого-экономических условий работы транспортных машин. Данная модель разрабатывалась на ос нове аналитических зависимостей с учетом экспериментальных данных и ее можно отнести к аналитической модели [76], т. е. формуле, представляющей математические зависимости и показывающая, что результаты (выходы) находятся в функциональной зависимости от затрат (входов). В самом общем виде ее можно.записать так: U = f{x)t где х - совокупность (вектор) выходов, f -функция, которая в случае, если она известна, может быть раскрыта в явной форме. Кроме этого в моделях оптимизационных отыскивается такой вектор переменных хі (Ї - "номер" из числа рассматриваемых векторов), при котором критерий, характеризующий качество функционирования системы - обычно это скаляр, а не вектор - получает наибольшее или наименьшее значение (либо вообще достигает какого-то желательного уровня). Это записывается, например, для первого случая (минимизаций) так: U = f{xi,yt)— min, гдеyt - переменные, не поддающиеся управлению, но влияющие на и; f - функция, задающая отношения между всеми указанными величинами.
Данная система функционирует следующим образом:
Транспортировка древесины с лесосеки производиться по путям первичного транспорта леса. Трелевка древесины по волокам осуществляется гусеничными или колесными тракторами, вывозка по усам — автопоездами. На лесосеке, с размещенным на ней древостоем при заготовке древесины образуется некоторый объем лесосечных отходов, идущий на укрепление транспортных путей, причем на разных грунтах и типах местности по условию увлажнения необходимое количество для укрепления лесных дорог будет отличаться.
Анализ показал, что можно выделить следующие компоненты: лесная машина, транспортная сеть, лесосека.
Рассмотрим компоненты модели подробнее. Лесная машина представляет собой, какой то определенный тип и марку транспортного средства. Транспортная сеть включает в себя транспортировку древесины по волокам, усам, веткам и магистралям. Лесосека включает в себя весь объем лесосечных отходов, образующейся на ней.
В общем виде затраты на транспортных операциях выражаются следующей функциональной зависимостью: опт /1"» тп v" см ) Мло, 1 пг,1 Му Мб0Р) Міп (2.1) где S - расстояние транспортировки древесины, м; Ктп - коэффициент технологической проходимости (подробнее в третьей главе, выходные параметры для первого компонента); Н- глубина колеи, м; Мло - масса лесосечных отходов, необходимая для укрепления проезжей части, кг; Г -тип почво-грунтов; Тму - тип местности по условию увлажнения (выходные параметры для второго компонента), М рло — масса лесосечных отходов, образующийся на лесосеке (выходные параметры для третьего компонента), кг.
Анализ коэффициента технологической проходимости модульных систем машин
Повышение сменной производительности при одновременном снижений затрат, достижение экологической совместимости лесной машины и лесной среды определяет поиск новых компоновочных и технических решений для современных тракторов. Одним из путей решения этой проблемы является модульный принцип построения системы лесной машины.
Модульный принцип построения обеспечивает незначительное давление на почву, хорошую маневренность. При использовании модульной системы увеличивается проходимость лесных систем за счет гибкости сочленения ведущего и ведомого модулей.
Поэтому с учетом возникновения новых концепций использования на заго-товительно-транспортных операциях модульных систем машин возникла необходимость преобразования коэффициента технологической проходимости с учетом воздействия нагрузки на ведущий (трактор) и ведомый модуль (прицеп).
Формулы для определения нагрузок на трактор и полуприцеп могут быть выведены из следующих уравнений сил реакции опоры:
Анализ коэффициента технологической проходимости различных транспортных систем показал, что сравнение колесных и гусеничных тракторов и автопоездов посредством коэффициента технологической проходимости нецелесообразно, так как пересечение зависимостей коэффициента технологической проходимости тракторов и автопоездов невозможно в реальных условиях движения (рис. 3.13).
1. В результате исследования предложены критерии оценки эффективной работы транспортных машин на лесозаготовках, т.е. в общем виде зависимость показателя проходимости Пnp = f(Qпол ;S;t;g) дополняется технолого-экономическим показателем - коэффициентом технологической проходимости, тогда для тракторов: К тп - / ( П см ; S общ ; g ) и соответственно для автопоездов: К тп = /(П см ;S M;Se;S ; g) . 2. Термин «коэффициент технологической проходимости» несет за собой не только техническую, но и технолого-экономическую сущность, отражающую как техническую проходимость, так и коэффициент технологической производительности транспортных машин на лесосечных работах и на вывозке.
3. Введение сменной производительности в формулу (3.1) и (3.14) упрощает формулу и позволяет получать более точные значения проходимости и коэффициента технологической проходимости у различных типов тракторов и автопоездов, причем разница для трактора ТБ-1М-15 составит 2,6 раза при длине трелевки L = 100м,а для автопоезда МАЗ 63171 + ТМЗ-8966-015 разница 14,5 % в диапазоне LM = 50 км, Le= 5 кми Ly= 1 км.
4. Введение в формулу (3.14) сменной производительности, вместо полезной нагрузки и времени движения позволяет учитывать особенности движения автопоезда по магистралям веткам и усам вместе и по отдельности.
5. Если длиной ветки пренебречь, то при расчете по формулам (3.14) и (3.15) значение проходимости и коэффициента технологической проходимости у автопоезда МАЗ 63171 + ТМЗ-8966-015 увеличивается, причем разница между значениями составит 14,1 % в диапазоне LM = 50 км, Le= 5 кмяЬу= 1 км.
6. Если заменить движение по тяжелому участку пути движением по усу и, соответственно движение по эталонному участку пути движением по магистрали, то значение проходимости в 4,5 раза меньше коэффициента технологической проходимости в диапазоне LM = 50 км, Le= 5 км и Ly= 1 км.
7. При расчете по формуле (3.2) самое большое значение коэффициента технологической проходимости у гусеничных машин, соответственно самая большая величина коэффициента технологической проходимости у гусеничного сортиментовоза ТБ-1М-16 и форвардера Валмет-890, дальше в порядке уменьшения ТЛК 6-04 (колесный), ТБ-1М-15, ТДТ-55А-05, (гусеничные), ТЛК 4-01 (колесный), ЛТ-89Б (гусеничный). Причем значение коэффициента технологической проходимости прямолинейно уменьшается с увеличением среднего расстояния трелевки, особенно это заметно у форвардера ТЛК 6-0. Имеет место прямая зависимость коэффициента технологической проходимости от производительности трелевочных машин.
8. При расчете по формуле (3.14) самое большое значение показателя проходимости у автопоезда Сису Е14 МКК 6 2 + ЮКИ-4, сравнимое с ним значение показателя проходимости у автопоезда МАЗ 63171 + ТМЗ-8966-015 и самая небольшая величина показателя проходимости у автопоезда МАЗ 5434 + ГКБ-9362-2. Зависимости значении коэффициента технологической проходимости от расстояния вывозки имеют криволинейный характер. Причем значение показателя проходимости увеличивается с увеличением расстояния вывозки, здесь с увеличением длины ветки происходит сглаживание зависимости, т.е. значение показателя проходимости все меньше зависит от длины ветки, в то же время, чем меньше длина магистрали, тем больше длина ветки влияет на значение показателя проходимости. Отсюда можно сделать вывод о зависимости проходимости от сменной производительности автопоездов.
Анализ лабораторных исследований изменения напряжений под воздействием нагрузки
Как показал анализ, удельные капиталовложения вывозки у автомобилей типа Сису СМЗОО СКН 6 2 + ЮКИ-4 больше, чем у автомобилей типа МАЗ-63171 + ТМЗ-8966-015, форма зависимости имеет прямолинейный характер и при увеличении расстояния вывозки увеличивается разница между удельными капиталовложениями, а именно удельные капиталовложения вывозки у автомобилей типа Сису СМЗОО СКН 6 2 + ЮКИ-4 начинают все интенсивнее возрастать. Причем с увеличением расстояния вывозки удельные капиталовложения вывозки автомобилями типа Сису СМЗОО СКН 6 2 + ЮКИ-4 начинают все интенсивнее возрастать.
Себестоимость вывозки у автомобилей типа Сису СМЗОО СКН 6 2 + ЮКИ-4 несколько больше, чем у автомобилей типа МАЗ-63171 + ТМЗ-8966-015, зависимость имеет прямолинейный характер (рис. 6.3), причем с увеличением расстояния вывозки разница между себестоимостями вывозки Сису СМЗОО СКН 6 2 + ЮКИ-4 и МАЗ-63171 + ТМЗ-8966-015 становиться все больше, но значения очень близки, это объясняется тем, что несмотря на большие затраты на содержание автомобилей типа Сису СМЗОО СКН 6 2 + ЮКИ-4, производительность их все же больше, чем у автомобилей типа МАЗ-63171 + ТМЗ-8966-015.
На основе полученных данных, с помощью программы STATGRAPHICS (многофакторный регрессионный анализ) получим для выбранных нами автомобилей (приложения 3, 4, 5 и 6): для МАЗа-63171 + ТМЗ-8966-015: Куд =21,654 -LM+ 9,228 Le + 45,643 -Ly. С = 1,703 -LM+ 0,829 Le + 9,314 -Ly. для Сису СМЗОО СКН 6 2 + ЮКИ-4: Куд = 25,229 -LM + 13,457 Le + 215,977 -Ly. С = 1,789 -LM+0,934 L, + 12,571 -Ly.
Степень достоверности полученных зависимостей подтверждается с помощью коэффициента детерминации R, который для автомобиля МАЗа-63171 + ТМЗ-8966-015 примет значение для удельных капиталовложении 1,000, для себестоимости 0,999; а для автомобиля Сису СМЗОО СКН 6 2 + ЮКИ-4 значение для удельных капиталовложении 1,000, для себестоимости 0,999.
Определяем степень значимости длины магистрали, длины ветки и длины уса: автомобиль МАЗ-63171 + ТМЗ-8966-015 для удельных капиталовложении (Куд): для магистрали (LM): 55916449,3/55938929,3-100 = 99,959 %; для ветки (L.): 21879,5/55938929,3-100 = 0,040%; для уса (Ly): 600,5/55938929,3-100 = 0,001 %. автомобиль МАЗ-63171 + ТМЗ-8966-015 для себестоимости (С): для магистрали (LM): 358788,97/359070,72-99,9 = 99,820 %; для ветки (LB): 256,773/359070,72-99,9 = 0,070%; для уса (Ly): 24,98/359070,72 99,9 = 0,010 %. автомобиль Сису СМЗОО СКН 6 2 + ЮКИ-4 для удельных капиталовложении (Куд): для магистрали (LM): 81283231,0/81383321,1-100 = 99,880 %; для ветки (LB): 86645,2/81383321,1-100 = 0,110%; для уса (Ly): 13444,9/81383321,1-100 = 0,010 %. автомобиль Сису СМЗОО СКН 6 2 + ЮКИ-4 для себестоимости (С): для магистрали (LM): 402956,93/403369,11-99,9 = 99,800 %; для ветки (LB): 366,64/403369,11-99,9 = 0,090%; 126 для уса (Ly): 45,55/403369,11 -99,9 = 0,001 %.
Как показал анализ, на капитальные вложения и себестоимость в первую очередь влияет длина магистрали, влияние же длины ветки и уса незначительно.
Для дальнейшего анализа сменной производительности, удельных капиталовложении и себестоимости введем новый показатель, то есть отношение сменной производительности, удельных капиталовложении и себестоимости вывозки относительно друг друга для разных типов машин, результаты расчетов представлены в таблице 6.5, а зависимости на рис. 6.5. Новый показатель позволяет увидеть на сколько отличаются показатели у автомобилей типа МАЗ-63171 + ТМЗ-8966-015 от показателей у автомобилей типа Сису СМЗОО СКН 6 2 + ЮКИ-4 в зависимости от расстояния вывозки при диапазоне LM = 50 ... 300 км., Ьв= 5 ... 20 км. uLy= 1 км., так же новый показатель в числовой форме подтверждает приведенные ниже выводы.
