Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1 Анализ особенностей сортиментной и хлыстовой технологии заготовки дривесины 14
1.2. Обосновоние и Анализ конструкций существующих трелевочных машин 17
1.3. Выводы по трелевочной машине 32
1.4 Существующие типы трансмиссий трелевочных машин и тенденции их развития 35
1.5 Обзор научных и инженерных работ, посвященных исследованиям трансмиссий трелевочных машин 51
1.6. Цель и задачи исследования 55
2. Теоретические исследования 56
2.1 Выбор критериев оценки для определения рациональных передаточных чисел механической части гидромеханической и гидростатической трансмиссий трелевочных машин. 56
2.2 Анализ и систематизация природно-производственных условий эксплуатации трелевочных машин 58
2.3 Разработка и исследование математической модели работы трелевочных машин с различными типами трансмиссий
2.3.1 Общий подход для определения рациональных параметров трансмисии для трелевочных машин 63
2.3.2 Объекты и исходные данные для проведения расчета рациональных параметоров трансмиссии трелевочной машины з
2.3.3 Исследование влияния рабочих передаточных чисел механической части трансмиссии на выбранные критерии 75
2.3.4. Исследование влияния объема трелюемой пачки на выбранные критерии для различных типов трансмиссий 79
2.3.5 Определение рациональных передаточных чисел механической части трансмиссии с учетом всего диапазона трелюемых пачек 85
2.3.6. Результаты и анализ проведенных исследований 90
3. Экспериментальные исследования 95
3.1. Лабораторно-стендовые испытания 95
3.1.1 Объект и цель испытания 95
3.2.2 Стенд для проведения испытания 96
3.2.3. Методика проведения испытания 98
3.2.4. Измерительная аппаратура 99
3.2. Полевые испытания 102
3.2.1 Объёкты и цель испытаний 102
3.2.2 Условия проведения 106
3.2.3 Планирование эксперимента для полевых испытаний 111
3.2.4 Замеряемые опытные данные 114
3.2.5 Обработка экспериментальных данных 115
4. Результаты экспериментальных исследований 119
4.1 Результаты лабораторно-стендового испытания 119
4.2. Результат испытаний в полевых условиях 122
4.3 Проверки адекватности теоретических разработок по результатам
полигоных испытаний 127
Основные выводы 131
Рекомендации 131
Список используемых источников 134
- Существующие типы трансмиссий трелевочных машин и тенденции их развития
- Анализ и систематизация природно-производственных условий эксплуатации трелевочных машин
- Стенд для проведения испытания
- Результат испытаний в полевых условиях
Существующие типы трансмиссий трелевочных машин и тенденции их развития
На сегодняшний день технологический процесс лесозаготовки производится двумя основными способами - по хлыстовой и сортиментной технологии, наиболее распространенными как в России, так и во всем мире.
Сортиментная и хлыстовая технологии лесозаготовки имеют ряд особенностей, связанных не только с экономическими факторами, но и с экологическими. Применение той или иной технологии - это острый вопрос, который стоит сегодня перед лесной отраслью.
Хлыстовая заготовка древесины является более ранней, чем сортиментная, и имеет свои преимущества и недостатки. При хлыстовой заготовке значительно ниже капитальные вложения и количество необходимой техники, выше производительность, способность транспортировать больше древесины при трелевке хлыстами, чем при вывозке сортиментами. Но в то же время при трелевке хлыстами повреждается часть древесины волочащаяся по поверхности волока[73,102].
Заготовка хлыстовым методом может осуществляться двумя вариантами. Первый вариант - валка деревьев пилами и вывоз их трелевочными машинами с тросо-чокерным оборудованиям или с манипулятором. Второй – использование комплекса валочно-пакетирующей и трелевочной машины c пачковым захватом. В любом случае, вывоз древесины осуществляется трелевочными машинами -скиддерами. В настоящее время на лесозаготовках применяются скиддеры колесного и гусеничного типа.
Согласно cстандарту [ 66,67 ] гусеничные и колесные трелевочные машины разделяются по типу применяемого технологического оборудования на: Валочно-трелевочные машины на гусеничном ходу, имеющие оборудование для валки и трелевки в настоящее время применяются значительно реже.
Гусеничная машина при одинаковых массах с колесной машиной обладает повышенной грузоподъемностью. При прочих равных условиях гусеничная машина имеет лучшую проходимость, в особенности на грунтах с низкой несущей способностью, потому что площадь опорной поверхности гусеничного движителя больше и, соответственно, меньше давление на грунт. Но недостатками гусеничных машин является сильное повреждение почвогрунтов при повороте и большая металлоемкость. Максимальная скорость гусеничных машин 10-12км/ч, в то время как колесные машины могут достигать 20-25км/ч. Передислоцирование гусеничных трелевочных машин на другую делянку возможно только с помощью специальной техники.
Колесные трелевочные машины имеют возможность трелевки на большее расстояние, чем гусеничные, значительно меньше повреждают подрост и корневую систему, способны передислоцироваться между делянками своим ходом, обладают лучшей маневренностью и меньшей металлоемкостью. В то же время колесные машины имеет свои недостатки: такие как худшая проходимость, особенно на грунтах с низкой несущей способностью, меньшая грузоподъемность и повышенное давление на почвогрунт, что приводит к увеличению глубины колеи.
Выбор колесной или гусеничной техники определен обычно условиями заготовки и экологическими ограничениями. На территории России преимущественно используются гусеничные трелевочные машины, а за рубежом используется как колесная, так и гусеничная техника. В Европе применяются в основном колесные трелевочные машины, а гусеничные используются в США, Канаде и Бразилии. Основой технологии сортиментной заготовки древесины является транспортировка грузов колёсной техникой. Трелюемая древесина в полностью погружённом состоянии на форвардерной машине не загрязняется и не портится почвой и камнями. В настоящее время на сортиментной заготовке древесины применяются две системы машин: бензопила + форвардер и харвестер + форвардер. Бензопила является ключевым звеном в цепи сортиментной заготовки древесины на базе бензопилы и форвардера. В системе машин харвестер + форвардер ключевое положение отводится харвестеру. Данная машина в считанные минуты спиливает дерево, направленно сваливает его, сразу же очищает от сучьев, раскряжёвывает и формирует удобные пачки сортиментов под погрузку форвардера.
Колёса современного форвардера оказывают минимальное давление на почву во время трелёвки и уборки отходов лесозаготовки. Для перевозки грузов на колёсной технике требуются минимальные тяговые усилия, то есть существует возможность обойтись наименьшим количеством энергии на единицу продукции. Повышение рейсовые нагрузки могут также транспортироваться на колёсной технике. Это значит, что лесозаготовки могут стать мало затратными и, более того, в развитой инфраструктуре сокращается протяженность магистральных дорог для вывозки леса. Колёсная техника без каких-либо проблем может передвигаться и по дорогам общего пользования при перемещении на небольшие расстояния.
При сортиментной технологии на лесосеке остаются порубочные остатки (сучья, опилки и верхушки деревьев), которые при перегнивании создают питательные вещества необходимые для нормального воспроизводства лесного фонда. Основным преимуществом сортиментной технологии, всё таки, является доставка продукции (сортиментов) из лесосеки непосредственно потребителю, минуя весьма такую энергоёмкую структуру, как нижний склад. Таким образом, лесозаготовка по сортиментной технологии является более гибкой системой.
Анализ и систематизация природно-производственных условий эксплуатации трелевочных машин
Гусеничные трелевочные машины в настоящее время выпускаются в двух вариантах технологического оборудования: с пачковым захватом и тросо-чокерные с лебедкой. В настоящее время гусеничные трелевочные машины выпускаются в основном фирмой Caterpillar. Эти машины производятся на основе серийно выпускаемых базовых моделей гусеничных машин с треугольным обводом гусеницы и верхним расположением звездочки. Гусеничные трелевщики фирмы Caterpillar применяются и эксплуатируются в Северной Америке (США, Канада), Южной Америке (Бразилия), Австралии, Африке, Индии. Эти машины находят применение для природно-производственных условий, имеющих большие запасы и крупномерность леса, грунты с низкой несущей способностью, холмистый и гористый рельеф и слабое развитие дорожных коммуникаций. В Европу эти трелевочные машины практически не поставляются.
Необходимо отметить, что природно-производственные условия таких регионов как Урал, Западно-Восточная Сибирь и Дальний Восток имеют те же особенности, которые перечислены выше у регионов, где эксплуатируются гусеничные Caterpillar.
Сравним между собой трелевщики фирмы Caterpillar и отечественные машины. Конструкция машины Caterpillar такова, что, не зависимо от типа технологического оборудования, трелевка осуществляется в полуподвешенном состоянии. В этом случае значительная часть веса пачки деревьев опирается на грунт (особенно в случае применения лебедки), что приводит к существенному увеличению тяговых крюковых сопротивлений (сопротивление волочению пачки), в сравнении с трелевкой в полупогруженном состоянии. При принятой на этих машинах компоновке точка подвеса пачки смещена на значительное расстояние от оси звездочки назад, что влечет за собой увеличение опрокидывающего момента трактора, а, следовательно, уменьшение площади опорной поверхности гусениц с землей и увеличение удельного давления на грунт, что также ограничивает объем трелюемой пачки (по данным фирмы Caterpillar трелевочная машина 527 grapple весом 21,3 т может трелевать пачку 6-7 м3, в то время как машина FMC весом 13,8 т трелюет пачку 8-9м3; отечественный ТЛТ-100, массой 12,5т трелюет пачку 8м3). Концепция конструкции отечественных трелевочных машин более полно отвечают условиям эксплуатации таких машин: - компоновка отечественных трелевочных машин (ТЛТ-100, Онежец-300, ТТ-4М, ТТ-5) позволяет распределять не менее половины веса пачки на коник машины, что существенно уменьшает сопротивление волочению пачки, и, следовательно, энергоемкость процесса трелевки; - точка подвешивания (удерживания) пачки смещена вперед относительно ведущей звездочки. Это уменьшает опрокидывающий момент машины и улучшает тягово-сцепные свойства машины (за счет увеличения массы машины). Компоновка отечественных гусеничных трелевщиков позволяет трелевать пачки большего объема в сравнении с зарубежными. Рычажно-балансирная подвеска с пружинным подрессориванием на отечественных машинах обеспечивает безотрывное качение катка по беговой дорожке гусеницы при преодолении препятствия, что обеспечивает плавность хода и хорошее сцепление.
По нашему мнению, потенциальные возможности отечественных гусеничных трелевочных машин очень велики, и для реализации этих возможностей необходимо поднять технической уровень исполнения отдельных узлов и агрегатов. В первую очередь введение гидромеханической или гидростатической трансмиссии. Конструкции фрикционных элементов трансмиссии, коробки передач, механизмов поворота, приводов лебедки и тормозов должны быть современными, т.е. работающими в масле. Реализация хотя бы этих мероприятий существенно повысит надежность и эксплуатационную производительность отечественных тракторов, тем более что даже сегодня отечественные гусеничные трелевочные трактора не уступают по технической производительности зарубежным аналогам, существенно проигрывая в ресурсе.
Стоимость отечественных гусеничных трелевочных машин существенно ниже для ТТ-4М и ТЛТ-100, примерно 3-3,5 раза, чем у машин Caterpillar, а для МЛ-107 приблизительно в 2-2,5 раза (по данным фирмы Caterpillar стоимость гусеничного скиддера Cat 527 в Санкт-Петербурге составляет около 14 550 000 руб.). Такой запас по цене позволяет вложить средства в модернизацию агрегатов и узлов отечественных машин и увеличит их конкурентоспособность.
По нашему мнению, лесная модификация МЛ-107 при соответствующей модернизации также может найти свою нишу на лесозаготовительных предприятиях страны. По своим компоновочным решениям (большая площадка за кабиной) данная машина позволяет трелевать наиболее эффективным способом. Современная гидромеханическая трансмиссия, фрикционные элементы, работающие в масле, обеспечивают ей высокую эффективность и надежность. Планетарные механизмы поворота или гидростатическая трансмиссия гарантируют хорошую маневренность. В качестве технологического оборудования в первую очередь можно рекомендовать пачковый захват и тросо-чокерный вариант. Отказ от манипулятора, возможная дефорсировка двигателя и некоторые другие конструктивные изменения сделают ее менее дорогой в изготовлении, и могут снизить эксплуатационные затраты.
Стенд для проведения испытания
С помощью полученных формул проведем исследование влияния величины передаточных чисел на выбранные критерии. Эти формулы дают возможность оценивать величины производительности и удельного расхода топлива в зависимости не только от математического ожидания скорости грузового хода, то .есть передаточного числа, на котором выполняется процесс трелевки. но и ещё от расстояния трелевки S и объёма трелюемой пачки Q.
Достоверность полученных результатов по данному подходу пропорционально зависит от степени точности выполнения расчетов и построения тягово-мощностных характеристик соответственно каждому фиксированному природно-производственному условию эксплуатации машины. Поэтому при выполнении данного исследования необходимо учитывать все влияющие факторы как внутренние: действительные характеристики двигателя, гидротрансформатора, гидронасоса, гидромотора, а также внешние факторы: характеристики природно-производственные условия с учетом переменного текущего значения буксования.
В качестве объекта исследования выбрана отечественная машина Онежец -300 с двигателем Д- 245-2S2; Ne = 90 кВт. при 2200 мин-1 (внешняя скоростная характеристика двигателя приведена в виде таблицы 2.4). На рисунке 2.4 представлена внешняя характеристика двигателя Д-245.2S2 по мощности и часовому расходу топлива.
Для исследования влияния рабочих передаточных чисел механической части трансмиссии на фиксированном природно-производственном условии объем трелюемой пачки, согласно рекомендации производителя 10 м3 - для первой и второй категорий грунтов и 6 м3 - для третьей категории грунтов (по ограничению силы тяги по сцеплению). При исследовании приняты угол уклона рельефа =100 и коэффициент сопротивления волочению пачки fвол =0,8 для всех категорий грунтов [17].
Результаты исследования с использованием математической модели представлены в виде графиков для механической трансмиссии (рисунок 2.6), для гидромеханической (рисунок 2.7) и для гидростатической (рисунок 2.8). Зависимости транспортной производительности и удельного расхода топлива от рабочих передаточных чисел для МТ Рисунок 2.7. Зависимости транспортной производительности и удельного расхода топлива от рабочих передаточных чисел механической части трансмиссии для ГМТ
Зависимости транспортной производительности и удельного расхода топлива от рабочих передаточных чисел механической части трансмиссии для ГСТ Из графиков, приведенных на рисунках 2.6, 2.7,2.8 следует, что вне зависимости от типов трансмиссии при работе машины на каждом конкретном природно-производственном условии существует одна оптимальная передача, на которой достигаются максимальная транспортная производительность и минимальный удельный расход топлива.
Величина этих критериев существенно зависит от значения передаточного числа, так: - для механической трансмиссии на каждой категории грунтов при отклонении передаточного числа от оптимума на 20% величина производительности будет снижаться: на первой категории грунта 20,4%, на второй - 21,4%, на третьей 20,8%. Удельный расход топлива повышается: на первой категории грунта 15,2%, на второй - 15,8%, на третьей - 15,3%; - для гидромеханической трансмиссии при отклонении передаточного числа от оптимума в большую или меньшую сторону на 20% производительность будет снижаться; на первой категории грунта -3,4-8,9%, на второй – 4-6,1% и на третьей - 3-7,9%. Удельный расход топлива повышается: на первой категории грунта - 1,2 4,5%, на второй - 3,2-5,1% и на третьей - 4,9-5,7%;
Для ГМТ объяснения полученного результата рассмотрим графики зависимостей средней мощности на колесе и зоны работы гидротрансформатора (i гт . min) от передаточного числа (рисунок 2.9). Рисунок 2.9. Зависимости средней мощности на колесе (а) и кинематического отношения гидротрансформатора (б) от рабочих передаточных чисел (при Q =10 м3,f=0.2,=0.7). Как следует из рисунка 2.9, уменьшение передаточного числа от рациональной величины приводит к увеличению времени работы ГТ в зоне низких КПД. Это приводит к снижению средней мощности на ведущих колесах. Увеличение передаточного числа в большую сторону приводит к сужению зоны работы ГТ и увеличению времени работы ГТ в зоне высоких кинематических отношений гидротрансформатора (iгт = 0.8 - 0.95), что приводит к снижению снимаемой мощности двигателя, поскольку на режиме iгт 0.85 совмещение работы ДВС и ГТ проходит на регуляторной ветви скоростной характеристики ДВС. - для гидростатической трансмиссии такая же логика наблюдается при отклонении передаточного числа в большую или меньшую сторону на 20% производительность снижается: на первой категории грунта 0,8-5,0%, на второй -1,5-3,3%, третьей - 3,9-4,6%. Величина удельного расхода топлива повышается соответственно: на первой категории грунта - 0,9-4,9%, на второй - 1,5-3,3%, третьей -3,9-4,6%.
Объяснение полученных результатов для ГСТ следующие: при снижении передаточного числа от рационального передача работает в зоне маленького КПД, а при увеличении передаточного числа выше рационального приводит к сужению зоны работы гидронасоса и гидромотора.
В реальной эксплуатации трелёвочной машины, величина трелюемой пачки меняется от минимума до максимума (см. табл. 2.1). На основании выше разработанной методики для всех типов грунтов и различных вариантов трелюемых пачек (см. табл. 2.1) определены рациональные передаточные числа для каждой фиксированной пачки в рассмотренном диапазоне и соответственно величины производительности и удельного расхода топлива при грузовом ходе.
Результаты расчетов для механической трансмиссии представлены в виде графиков на рисунке 2.10, для гидромеханической трансмиссии на рисунке 2.11 и для гидростатической трансмиссии на рисунке 2.12
Результат испытаний в полевых условиях
Согласно теории проведения экспериментов [42] число опытов может быть определено при математическом планировании многофакторного эксперимента, однако при функционировании лесосечных машин и машин для механизации работ в лесном хозяйстве часто факторы, влияющие на режимы работы машин, неуправляемые или слабо коррелированы, что исключает применение планирования эксперимента. В такой экспериментальной ситуации применяются упрощенные приемы определения числа опытов. Наиболее достоверный метод связывает число опытов с суммарной случайной ошибкой.
Оценка допущенных погрешностей измерения показывает, что точность измерений вполне приемлема по требованиям, предъявляемым к такого рода исследованиям.
Для достоверности полученных данных проведен корреляционный анализ полученных в результате испытаний данных. Установление зависимости между эмпирическими значениями параметра у и воздействующим фактором х выполняется на основе корреляционного анализа. Две случайные величины х и у называются корреляционно связанными, если математическое ожидание одной из них меняется при изменении другой. Теснота связи между этими величинами характеризуется коэффициентом корреляции Гху. Если rw=0, то говорят, что величины х и у не коррелируют. Если г =7, то между ними имеется прямолинейная функциональная зависимость.
Общепринятым при решении подобных задач является метод наименьших квадратов, при котором требования наилучшего согласования функции (кривой в общем случае) y=f(x) и экспериментальных точек сводится к тому, чтобы сумм квадратов отклонений экспериментальных точек от эмпирической зависимости обращалась в минимум.
Выбор той или иной теоретической зависимости производят, учитывая физическую сущность явления, диапазон и характер изменения величин. В качестве такого уравнения связи принимают прямую линию, параболу, гиперболу, степенную функцию или многочлен.
В результате проведения полевых испытаний на делянке 125 квартала лесозаготовительного предприятии ЗАО «Лесной комплекс» были получены данные по динамике транспортной производительности для грузового хода. Полученные данные приведены в таблицах 4.2, 4.3, 4.4.
При анализе рассчитанной производительности, результаты которой приведены в таблице 4.2, 4.3, 4.4 необходимо учитывать коэффициенты разности расстояния трелевки в расчете и при экспериментах. Анализ графика показал, что разница величины производительности полученной при полевых испытаний и в теоретических расчетах для рассматриваемых пачек соответственно каждому грунту составляется: При Q= 5 м3 на третьем грунте равна 2,12 %. При Q= 10 м3 на втором грунте равна 2,1% и при Q= 12 м3 на первом грунте равна 1,4%, что подтверждает правильность теоретической модели.
Для проверки адекватности теоретических разработок нами приняты результаты ранее проведенных полигонных испытаний (1973 -1980гг) трелевочной машины с механической трансмиссией коллективом кафедры лесных гусеничных и колесных машин ГЛТА под руководством профессора Г. М. Анисимова [32]. Поскольку в экспериментах на трелевочных машинах можно принять разные по величине ведущие звездочки и передаточные числа моста, то для объективного сравнения теоретической и экспериментальной зависимости может быть принят обобщенный показатель - отношение величины общего передаточного числа механической части трансмиссии (i) к радиусу ведущей звездочки (R), который назовём тяговым фактором (T).
На основании полученных данных при полигоном испытании трелевочных машин на фиксированном грунтовом условии с определенной пачкой были построены графики зависимостей теоретической и экспериментальной транспортной производительности и удельного расхода топлива от обобщенного показателя – тягового фактора (рисунки 4.3, 4.4).
Анализ данных графиков показывают, что средняя экспериментальная зависимость подтверждает, как по величине, так по характеру изменения близки к теоретическим результатам. Предельное расхождение находится в диапазоне: по удельному расходу топлива 11,3-18,8 % и по транспортной производительности 0 - 7,7%. Большое расхождение по удельному расходу топлива объясняется разными двигателями у исследуемых машин.
Таким образом, можно считать, что теоретические зависимости полученные при исследовании математической модели носят объективный характер и с высокой степенью точности могут быть использованы при проектировании машин и оценке эффективности различных типов трансмиссии.
