Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследований
1.1. Условия эксплуатации колесных лесопромышленных тракторов 8
1.2. Перспективные технологии лесозаготовительного производства на базе отечественных колесных лесопромышленных тракторов 15
1.2.1. Вклад отечественных ученых в разработку технологий лесозаготовительного производства 15
1.2.2. Схемы транспортного освоения лесных массивов 19
1.2.3. Место колесных тракторов в лесозаготовительном процессе 20
1.3. Конструктивные особенности отечественных колесных лесопромышленных тракторов 25
1.4. Свойства почвогрунтов 31
1.4.1. Свойство грунтов 31
1.4.2. Свойство почвы 37
1.5. Воздействие технологического процесса на уплотнение лесной почвы 41
1.5.1. Уплотнение почвы лесосечными машинами 41
1.5.2. Влияние технологии и организации лесосечных работ на уплотнение почвы 47
1.6. Методы исследования 49
1.6.1. Измерение основных свойств почвогрунтов 49
1.6.2. Теоретические исследования уплотнения почвы трактором и трелевочной системой 50
Выводы 55
2. Теоретические определения оптимальных параметров балансирной тележки 57
2.1. Технические решения и параметры динамической системы набазеТЛК6-01 57
2.2. Обоснование показателей оценки отрицательного воздействия движителей машины на лесную почву 68
2.3. Особенности составления эквивалентной схемы с гидротрансформатором в реактивном контуре системы «двигатель — трансмиссия - колесный - трактор» 76
2.4. Математическая модель динамической системы «двигатель - трансмиссия - трактор - пачка» 82
2.5. Математическая модель оптимизации параметров балансирной тележки 98
Выводы 110
3. Методика, объект и аппаратура исследовательских испытаний 111
3.1. Общие замечания 111
3.2. Методика экспериментальных исследований 112
3.3. Объект исследовательских испытаний 116
3.4. Электроизмерительная аппаратура 126
3.4.1. Требования, предъявляемые к аппаратуре 126
3.4.2. Датчики измерительной аппаратуры 127
3.4.3. Измерительные схемы 130
3.4.4. Градуировка 132
3.4.5. Схема электроизмерительного оборудования 142
3.5. Обоснование точности измерения физических величин 145
3.5.1. Методы повышения точности экспериментальных исследований 145
3.5.2. Оценка относительной погрешности измерений 147
Выводы 149
4. Организация и результаты исследовательских испытаний 150
4.1. Обоснование рейсовой нагрузки 150
4.2. Условия проведения исследовательских испытаний 152
4.3. Обоснование длительности и числа опытов 155
4.4. Методы обработки экспериментального материала 161
4.5. Результаты исследовательских испытаний 164
Выводы 172
Общие выводы 173
Библиографический список 175
- Перспективные технологии лесозаготовительного производства на базе отечественных колесных лесопромышленных тракторов
- Обоснование показателей оценки отрицательного воздействия движителей машины на лесную почву
- Методика экспериментальных исследований
- Обоснование длительности и числа опытов
Введение к работе
В Российской Федерации на законодательном уровне предусмотрена
система мер, направленных на повышение почвенного плодородия и охраны
почв. К магистральным направлениям научно-технического прогресса
лесозаготовительной промышленности относят снижение уплотнения
почвы лесосечными машинами и персоналом при выполнении лесосечных работ. Вертикальные и горизонтальные воздействия движителей колесных и гусеничных лесопромышленных тракторов разрушают почвенный покров, особенно при многократных проходах; по образующимся колеям в период ливневых дождей устремляются селевые потоки, превращая их в микроовраги и ущелья. С взрыхленного участка лесосеки только после одного ливневого дождя может быть смыт слой почвы толщиной 5 - 10 см, для восстановления которого потребуется до тысячи лет.
В Российской Федерации технологические процессы
лесозаготовительного производства базируются в основном на лесосечных
машинах гусеничного типа. Однако, в зарубежных странах с развитой
лесозаготовительной промышленностью на лесосеке, а также при
механизации лесохозяйственных работ доминируют лесопромышленные тракторы на колесном движителе.
Сформулирована общая теория управления экологической
совместимостью системы «движитель трелевочного трактора - лесная
почва», развивать которую предлагается следующими путями:
организационный, технологический, эксплуатационный, лесоводческий и
конструкторский. Последний - наиболее конкретный и перспективный с
точки зрения снижения уплотняющего воздействия лесосечных машин на
лесную почву. В широком спектре технических решений, принимаемых в
конструкции колесного трелевочного трактора, сложным и недостаточно
изученным остается обоснование оптимальных параметров ходовой
системы, в том числе и балансирной тележки. Следует отметить, что внедрение тяжелых колесных лесосечных машин может сдерживаться, особенно в лесных регионах, имеющих почвогрунты с низкой несущей способностью, как не отвечающих требованиям по давлению движителя на опорную поверхность лесоводственным требованиям.
В этой связи тему диссертации можно считать актуальной, а
диссертационные исследования будут способствовать выполнению Постановления № 1414 от И. П. 96 г председателя Правительственной комиссии по науке и технике «Критические технологии Федерального уровня»; раздел «Экология и рациональное природопользование».
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Снижение уплотнения и разрушения структуры почвы трелевочной системой на базе колесного трелевочного трактора оптимизацией параметров балансирной тележки.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ: разработана и
исследована математическая модель оптимизации параметров балансирной тележки с учетом реактивных контуров и тяговой динамики трелевочной системы на базе трелевочного трактора, позволяющая выравнить силовое воздействие колес заднего моста на почву.
В работе обоснованы цель, задачи и исходная информация исследования, разработана математическая модель оптимизации параметров балансирной тележки с учетом реактивных контуров и тяговой динамики трелевочной системы, подготовлен экспериментальный колесный трелевочный трактор с электроизмерительным оборудованием, проведены исследовательские испытания в производственных условиях для подтверждения адекватности математической модели.
На защиту выносятся следующие положения:
обоснование исходной информации и расчетной эквивалентной схемы динамической системы «двигатель - трансмиссия - ходовая система»;
математическая модель снижения уплотняющего воздействия движителя с учетом реактивных связей и тяговой динамики машины;
оптимальные параметры балансирной тележки ходовой системы лесопромышленное трактора 6К6.
Перспективные технологии лесозаготовительного производства на базе отечественных колесных лесопромышленных тракторов
Массовое распространение получила трелевка комлем вперёд с применением подкладочного дерева и вершиной вперед при разработке лесосек методом узких лент. Для ритмичной работы предприятий стали создавать запасы хлыстов в лесу и на нижних складах, изыскивать более совершенные и менее трудоемкие способы и средства создания этих запасов. В дальнейшем постепенно начали внедряться в лесозаготовительное производство технологические процессы с применением многооперационных лесосечных машин и колесных трелевочных тракторов с различным технологическим оборудованием.
С конца 80-х годов в ряде лесопромышленных регионов России начала внедряться скандинавская технология, как при сплошной рубке, так и на главной (сплошной) рубке [17]. Для проведения таких рубок финскими фирмами Валмет, Раума-Репола и др. выпускается специальная лесозаготовительная техника на базе лесных колесных трактором нескольких модификаций. Мишины тина харвестер выполняют операции валки, обрезки сучьев и раскряжевки хлыстов. Трелевочные машины типа форвардер, оснащенные гидравлическим манипулятором, производят подсортировку древесины, самопогрузку, трелевку и штабелевку вдоль уса лесовозной дороги. Обычно в публикациях на эту тему просматривается тенденциозность, выделяются только достоинства такой технологии, например, без учета удельных капитальных вложений, экологии и ряда социальных проблем. Тем более, например, авторы из Финляндии отмечают, что сегодня в Скандинавии применяются как ручные, так и механизированные методы лесозаготовок [18].
Критически оценивая техническую политику сложившуюся в лесозаготовительной промышленности Анисимов Г.М. предложил, обосновал и с 1985 г. развил новую идеологию - гибкую технологию лесозаготовок на основе модульной системы машин [15,16].
Гибкость технологий лесозаготовительной промышленности, по мнению автора, надо понимать как возможность в перспективе изменять технологию лесозаготовок на уровне лесопунктов в зависимости от природно-производственных условий, требований потребителя, технико-экономической целесообразности, глубины переработки древесины на лесосеке. При существующих технологических приёмах, технических решениях и концепциях в переработку на погрузочную площадку лесосеки могут поступать деревья с кроной и корнями, хлысты, сортименты, технологическая щепа, порубочные остатки.
Диапазон технологической гибкости лесосечных работ, уровень механизации труда и технологических операций будут определяться техническими решениями, заложенными в лесосечные машины, и концепциями формирования системы машин для такой технологии.
Концепции на новую систему у машин определяются перспективной технологией, лесотехническими и экологическими требованиями, тенденцией развития лесного машиностроения, технико-экономическими предпосылками. В перспективе технология лесозаготовок, кроме удовлетворения потребителей в номенклатуре лесопродукции, будет определяться стремлением к наиболее полному использованию биомассы дерева, экономической целесообразностью, лесотехническими и экологическими аспектами. Максимальное использование биомассы дерева разная степень глубины переработки древесины на лесосеке вызывают необходимость применения как уже известных прогрессивных приемов взаимодействия рабочих органов с древесиной, так и поиск новых принципов и технических решений.
Автор отмечает, что механизация лесосечных работ до 70-х годов базировалась на первом поколении лесосечных машин и оборудования, которое обеспечивало трелёвку деревьев или хлыстов. В последнее десятилетие в предприятиях лесопромышленного комплекса и в лесном хозяйстве расширяется применение лесосечных машин, которые можно отнести ко второму поколению: валочно-пакетирующие, валочно-трелёвочные, бесчокерные и др. Серьезным недостатком лесозаготовительных машин и оборудования этих двух поколений является неудовлетворительное варьирование технологии. Современные лесосечные машины имеют другие недостатки: достигли предела производительности; непригодны для заготовки древесины в сложных природно-производственных условиях; обладают плохой проходимостью; у них отсутствует экологическая совместимость «машина - лесная почва». Указывает, что в США с начала 80-х годов производство многооперационных лесосечных машин сокращается.
Идеология модульных систем, в том числе и модули технологического оборудования находит признание при создании лесохозяйственных машин и машиннотракторных агрегатов сельскохозяйственного назначения [19-23]. Основной вывод заключается в том, что как в существующих технологиях, так и в перспективных, включая гибкие технологии лесозаготовок, предусматривается применение колесных лесопромышленных тракторов.
Обоснование показателей оценки отрицательного воздействия движителей машины на лесную почву
Особенности взаимодействия с почвой ходовых систем лесных машин, в отличие, например, от промышленных вытекают из необычных условий их работы, заключающихся в том; что опорная поверхность является сложной биологической средой, обладающей способностью давать урожай. Если не учитывать данное обстоятельство и рассматривать лесную почву лишь как среду, предназначенную для реализации тягового усилия и выполняющую функцию несущего основания, то последствия такого подхода могут привести, и приводят, к переуплотнению почвы, разрушению ее структуры, водной эрозии и снижению урожайности лесных культур. Как известно, почва - продукт длительных и чрезвычайно сложных процессов, протекающих в природе на протяжении многих тысячелетий. По данным литературных источников, например [60], толщина слоя почвы составляет 20...50 см, и лишь в редких, наиболее благоприятных, случаях толщина слоя почвы достигает полутора метров. Основу почвы составляет твердая часть различной дисперсности. В работе [60] структурный состав сельскохозяйственной почвы предлагается оценивать коэффициентом структурности (%): количество средних (от 0,25 до 7... 10 мм) макроагрегатов К = (2.1) сумма мелких ( 0,25 мм) и крупных ( 7.. .10 мм) макроагрегатов При этом установлено, что чем больше К, то есть чем больше количество макроагрегатов в почве, тем лучше ее структура, выше плодородие и устойчивость.
Известно, что факторами образования микро- и макроагрегатной структуры почв являются: биогенные факторы (корневая система растений и живые организмы); климатогенные (увлажнение и высыхание, смена температур и др.); деятельность человека, связанная с различными видами воздействия на почву. Корневая система растений является фактором повышения коэффициента структурности К, так как корни пронизывают почву во всех направлениях густой сетью. Проникновение корневой системы растений вглубь и в ширь может быть значительным: так, например, общая длина корней и корневых волосков одного растения ржи может составлять 180 км, достигая глубины 2...2,5 м, и охватывать площадь поверхности размером 230 м2 [60]. Чем более развита корневая система растений, равномернее пронизывает она почвенную массу и больше ее масса на единицу объема почвы, тем меньше остается в ней нерасчлененных комков и глыб, а следовательно, тем выше коэффициент структурности.
Основным отличием структуры лесной почвы от сельскохозяйственной является насыщенность ее мощной корневой системой различных пород деревьев и порубочными остатками. При этом диаметры корней и размеры порубочных остатков имеют существенно большие значения, чем у корневой системы сельскохозяйственных растений, т.е. масса корневой системы на единицу объема почвы выше. Наиболее существенно структура почвы сказывается на ее плотности.
Как уже указывалось выше, плотность почвы является ее основной, наиболее существенной характеристикой, от которой зависит весь комплекс физических условий в почве: водный, воздушный и тепловой режимы, а следовательно и условия биологической деятельности.
Общепринятыми критериями оценки уплотняющего воздействия на почву ходовых систем являются среднее и максимальное давления. Среднее давление qc — наиболее распространенный критерий для оценки экологической совместимости лесных машин с почвой. Так, в «Лесоводственных требованиях к технологическим процессам рубок ухода» (1994 г.) допустимая величина давления движителя на лесную почву установлена в 60 КПа для гусеничных и 120 КПа для колесных движителей. Несовершенство указанного показателя настолько очевидно, что не требует доказательств, и для оценки воздействия движителей сельскохозяйственных машин на почву его уже не применяют. Например, в новом ГОСТ 26955-86 «Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву» приняты показатели: максимальное давление на почву - qM и нормальное напряжение в почве - 5h Однако использование предложенных показателей qM и 5h для оценки экологической совместимости лесных машин с почвой представляется проблематичным по следующим причинам. Методика определения qM и 5и основана на расчетах с применением эмпирических коэффициентов, корректирующих результаты косвенных измерений. Поэтому она не позволяет получать достоверные данные о величинах qM и 5h в широком диапазоне условий работы ходовых систем лесных машин, а также наметить пути уменьшения этих величин. Указанная методика имеет также целый ряд существенных недостатков, оказывающих влияние на достоверность определения величин qM и 5ь- Не останавливаясь подробно на всех недостатках предложенной методики, они подробно изложены, например, в работах [119, 126, 127], отметим, что главным недостатком предлагаемых ГОСТ 26955-86 нормированных показателей qM и 5h является то, что они не определяют размеров вредных последствий воздействия движителей лесной машины на почву, как то: степень уплотнения почвы, снижение продуктивности лесов и т.п.
Методика экспериментальных исследований
Применительно к лесопромышленным тракторам предложен более точный экспериментальный метод, основанный на определении безразмерных относительных коэффициентов затухания по аналитическим аппроксимациям экспериментальных передаточных функций трансмиссии, которые были получены на всех режимах работы гусеничного трелевочного трактора в производственных условиях. Установлена связь между коэффициентом демпфирования на участках с коэффициентом затухания и параметрами трансмиссии [31]. Этот метод по достоверности и адекватности значительно превосходит применяемый метод в исследовании автомобиля.
В наших исследованиях есть основание воспользоваться приближением динамической системы «двигатель — трансмиссия - трактор - пачка древесины» к линейной. Доказательство, основанное на режимах движения трелевочной системы и устойчивости движения масс без искажения амплитуды крутильных колебаний при гармоническом воздействии на вход трансмиссии, приведено в монографии Анисимова Г.М. [31].
Неупругие сопротивления шин при радиальной деформации значительно меньше, чем в подвеске машины. Поглощающие способности шин в различных исследованиях значительно отличаются, что можно объяснить сложностью процессов диссипации, протекающих в шинах различного назначения и конструкции. Исследователи грузовых автомобилей отмечают заметное влияние поглощающих свойств шин на колебательные процессы высокой частоты, то есть в зоне частот, где энергетический спектр воздействия снижается. В этой связи при исследовании колесных тракторов и грузовых автомобилей неупругое сопротивление шин не учитывается [135]. Анализ математических моделей покажет правомерность таких допущений. Отрыв колеса от опорной поверхности в теории рассматривается как разрыв упругой связи с трением и представляет собой весьма сложный и малоизученный процесс. При исследовании тяговых усилий на ведущих колесах условия разрыва связи шины с дорогой для определенного режима работы автомобиля рассмотрены Пирковским Ю.В. [137]. Многочисленные исследования показывают [135, 136], что отрыв колеса от опорной поверхности даже при работе автомобиля встречается редко, так как такое явление возможно в процессе колебаний, в основном, неподрессоренных масс на шинах и рессорах подвески. Колебания неподрессоренных масс с разрывом связи ведущих колес с дорогой считается высокочастотным процессом [135]. В таком режиме колесо находится под статической нагрузкой, а его ось совершает вертикальные колебания в пределах статического прогиба шины. Применительно к лесопромышленному трактору, оснащенному шинами низкого давления и работающему на сравнительно низких скоростях и при отсутствии в ходовой системе рессор, условные моменты Мфі-Мфб нужно исключить.
Дальнейшее упрощение эквивалентной схемы системы - уменьшение числа степеней свободы по ряду направлений. Одно из них - присоединение масс с малыми значениями моментов инерции, связанных жесткой связью, к массам с большим моментом инерции.
Исследователи трансмиссии автомобилей [136, с.9] считают, что исследование динамических нагрузок в элементах трансмиссии, для которых требуется составление восьми взаимосвязанных дифференциальных уравнений второго порядка, весьма сложно. В работе [31] показано, что степень упрощения зависит от задачи исследования, режимов работы и динамических свойств системы. Для наиболее сложных исследований -оптимизации параметров трансмиссии трелевочного трактора с целью гашения резонансных колебаний в трансмиссии - систему «двигатель трансмиссия - трактор можно упростить до четырехмассовой эквивалентной расчетной схемы [31].
Исследователи автомобилей при упрощении эквивалентной схемы учитывают специфику работы полноприводных автомобилей. В частности, у автомобилей с колесной формулой 4К4, движущихся по твердой дороге, отключается привод к переднему мосту. Кроме того, доказано [136 с.11], что за достаточно большой промежуток времени статистические характеристики моментов на правом и левом колесах одного ведущего моста, включая максимальные, средние, средне квадратичные значения, число циклов изменения, практически одинаковы. Статистически подобные нагрузочные режимы гусениц правого и левого бортов трелевочного трактора доказаны в работе [31].
При упрощении эквивалентной схемы системы учитывались ее конструктивные особенности. Анализ данных из таблиц 2.4 и 2.5 показывает, что приведенные моменты инерции, например на И передаче, гидротрансформатор с коробкой передач и раздаточной коробкой 0,36 кгм , одной главной передачи - 0,105 кгм , а двух колес - 0,012 кгм . При чем приведенные жесткости колес с главной передачей на порядок меньше жесткости связи главных передач с блоком коробки передач. Следовательно, масса с малыми моментами инерции связана связью с большей податливостью с массой, обладающей большим моментом инерции. Это позволяет при исследовании низких и средних частот крутильных колебаний моменты инерции главных передач объединить с моментами инерции колес.
Обоснование длительности и числа опытов
Метод - путь, способ, система правил и приемов изучения объекта, явлений, закономерностей природы. Методика - совокупность методов целесообразного достижения конкретных результатов в практике познания [68]. Методика экспериментальных исследований лесных машин -это научно обоснованная схема, которая обеспечивает достижение поставленной цели наиболее рационально с минимальными материальными затратами. Методика охватывает все этапы подготовки и проведения экспериментальных исследований и разрабатывается на основе частных методов, которые зависят от объекта и условий исследований, технических средств, способов измерения параметров, регистрации процессов и обработки экспериментального материала.
Основные положения, которые учитывались при составлении методики экспериментальных исследований: выбор характерной зоны и типичного участка для лесопромышленное региона по физико-механическим свойствам почвы; климатические условия; типичные режимы работы трактора по тягово-скоростным свойствам; состояние и подготовка объекта исследовательских испытаний; выбор измерительных процессов и параметров; тип и перечень преобразователей, место их установки; способы измерения и регистрации; обоснование достоверности экспериментального материала, включая метод первичной и математической обработки экспериментальных данных, число опытов и их продолжительность. С целью оценки адекватности разработанных математических моделей можно проводить в лабораторных или производственных, часто именуемых «полевых» условиях, а в нашем представлении в условиях леса. Для выполнения аналогичных исследований сельскохозяйственных машинно тракторных агрегатов, дорожно-строительных и других машин, предназначенных для работы с почво-грунтами в научных организациях имеются «грунтовые каналы» или треки, представляющие собой сложные сооружения. В лабораторных сооружениях имеется электроизмерительное оборудование для исследования нормальных напряжений в грунте, возникающих под воздействием движителя. Научно-исследовательские институты и конструкторские организации лесного машиностроения не имеют оборудования и лабораторных установок для выполнения сложного эксперимента. Экспериментальные исследования базируются на тензоизмерительном оборудовании с установкой устройств с тензорезисторами в почву на глубину 10.. .70 см [83]. Разработаны иные способы оценки воздействия движителя на почву. При оценке площади контакта грунтозацепов в них устанавливают кнопочные выключатели е включением в измерительную схему [83, с.94]. Определение напряжений в слое почвы 40-80 мм производится с помощью аэростатических, гидравлических и тензометрических месдоз [83].
Высокую точность имеют месдозы конструкции Баранова Д.С.; расчетная деформированность этих преобразователей составляет не более 0,3 микрона на 100 кПа [83, 142]. Однако исследователи [142] отмечают, что в настоящее время отсутствуют приборы, которые не вносили бы погрешностей в измерение напряжений в почвах.
Другой методический подход состоит в определении изменения плотности почвы от воздействия движителя до прохода и после прохода машины. В последние годы разработаны эффективные методы и приборы для таких методов исследования [88], но они непригодны для наших исследований по двум соображениям.
Разработанные математические модели позволяют снизить уплотнение почвы путем выравнивания давления колес одной балансирной тележки. Следовательно, методика экспериментальных исследований должна обеспечить измерение под каждым колесом одной балансирной тележки до и после прохода машины. Кроме этой сложности, исключающей применение плотномеров, основательные исследования, проведенные Русановым В.А. [83], показали, что элементы тракторной шины низкого давления оказывают различные уплотняющие воздействия на почву по длине пятна контакта. У шин с развитыми грунтозацепами давление под грунтозацепом на почву в несколько раз больше среднего давления [83]. Следует обратить внимание, что задача моделирования состояла в разработке математических моделей оптимизации параметров балансирной тележки с учетом тягово-динамических свойств трелевочной системы при которых разница силового воздействия колес одной балансирной тележки на почву при реальных
