Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Леса России и их использование 9
1.2. Природно–производственные условия таежной зоны европейской части России 10
1.3. Сортиментная заготовка леса 21
1.4. Повышение эффективности работы колесных сортиментоподборщиков 27
1.5. Выводы по разделу и задачи исследования 38
2. Математическая модель взаимодействия колесного движителя с лесным почвогрунтом 41
2.1. Анализ показателей энергонасыщенности современных колесных сортиментоподборщиков 42
2.2. Основные зависимости для оценки энергетических показателей каченияколесных сортиментоподборщиков 46
2.3. Зависимости для оценки потерь мощности на преодоление сопротивления почвогрунта качению колеса 51
2.4. Зависимости для оценки коэффициента тяги колеса сортиментоподборщика 72
2.5. Влияние скорости сортиментоподборщика на показатели взаимодействия с почвогрунтом 80
2.6. Выводы по разделу 84
3. Методика экспериментальных исследований 88
3.1. Методика определения основных физико–механических свойств почвогрунта в лабораторных условиях 88
3.2. Методика определения реологических свойств лесного почвогрунта 92
3.3. Методика определения удельной силы отрыва резиновой пластинки от почвогрунта 93
3.4. Методика проведения опытов по определению нормальных деформаций почвогрунта под воздействием движителя сортиментоподборщика в полевых условиях 96
3.5. Методика статистической обработки результатов опытов 99
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований 103
4.1. Результаты экспериментальных исследований 103
4.1.1. Реологические свойства почвогрунта 103
4.1.2. Показатели липкости почвогрунта 106
4.1.3. Результаты полевых испытаний
4.2. Результаты реализации математической модели 116
4.3. Выводы по разделу 121
5. Моделирование показателей и параметровколесных форвардерных машин 124
5.1. Цель, программа и методика исследований 124
5.2. Классификация колесных форвардеров по главным показателям 126
5.3. Модели формирования главных показателей колесных 131
форвардерных машин 131
5.4. Выводы по разделу 135
Общие выводы и рекомендации 136
- Сортиментная заготовка леса
- Основные зависимости для оценки энергетических показателей каченияколесных сортиментоподборщиков
- Методика определения удельной силы отрыва резиновой пластинки от почвогрунта
- Результаты реализации математической модели
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Трелевка древесины относится к числу наиболее ответственных и ресурсоемких операций лесозаготовительного производства. Эффективная организация этого процесса во многом определяет показатели работы всего предприятия. Поэтому ученые как в нашей стране, так и за рубежом, традиционно уделяют значительное внимание исследованию и совершенствованию процесса трелевки. В этой области необходимо особо отметить работы Анисимова Г.М., Базарова С.М., Герасимова Ю.Ю., Герца Э.Ф., Григорьева И.В., Котикова В.М., Кочегарова В.Г., Кочнева А.М.,Меньшикова В.Н., Пошарникова Ф.В., Рябухина П.Б., Сюнева В.С., Шегельмана И.Р., Ширнина Ю.А. и многих других ученых.
Тем не менее, ввиду сложности и многогранности задачи, ряд вопросов по–прежнему исследован не полно. Известно, что лесозаготовительные предприятия Северо-Западного федерального округа все больше переходят на скандинавскую технологию заготовки, предусматривающую производство сортиментов у пня и их трелевку в полностью погруженном положении при помощи сортиментоподборщиков, которые принято называть форварде-рами. Форвардеры производятся как отечественными заводами, так и большим числом иностранных компаний. Их параметры варьируются по таким техническим характеристикам, как: давление движителя на почвогрунт, установленная мощность, масса, допускаемый максимальный объем рейсовой нагрузки, диапазон скоростей движения и т.д.
Получение максимального количества продукции при минимальных затратах энергии является одной из важнейших задач производственной эксплуатации техники. Применительно к трелевочным машинам, эту задачу можно сформулировать, как поиск оптимального соотношения энергонасыщенности машины, скорости движения и рейсовой нагрузки. В этой связи, исследование эксплуатационных показателей, а также разработка рекомендаций и моделей, позволяющих рационально подходить к выбору параметров энергонасыщенности колесных сортиментоподборщиков в широком спектре почвенно–грунтовых условий, приобретает большое значение. Таким образом, считаем выбранную тематику исследования актуальной как в теоретическом, так и в практическом плане.
Степень разработанности темы исследования. Известны исследования эксплуатационных показателей трелевочных машин различной энергонасыщенности и производственные испытания, выполненные отечественными учеными. Показано, что повышение мощности лесной машины реализуется на повышение силы тяги и на повышение рабочей скорости. Для трелевочной машины повышение силы тяги и скорости увеличивает коэффициент производительности. Причем, в общем случае предпочитают повышать силу тяги, и, соответственно, объем трелюемой пачки, а не скорость движения. Однако, в противовес этому, можно утверждать, что на почвогрунтах, не позволяющих развивать большую силу тяги по сцеплению из–за низкого сопротивления их срезу, более предпочтительным направлением повышения
эксплуатационной эффективности трелевочных машин представляется повышение их рабочих скоростей. Отмечается недостаток универсальных моделей, позволяющих прогнозировать показатели трелевки форвардерами, необходимых для дальнейшего повышения эксплуатационной эффективности сортиментоподборщиков, что затрудняет детальный анализ показателей их работы в зависимости от параметров машин в различных почвенно– грунтовых условиях с учетом класса энергонасыщенности и режима работы.
Цель работы: исследование зависимости некоторых эксплуатационных показателей колесных сортиментоподборщиков от их энергонасыщенности на лесных почвогрунтах различных категорий.
Задачи исследования.
-
Провести анализ показателей энергонасыщенности современных колесных сортиментоподборщиков предлагаемых на российском рынке.
-
Разработать математическую модель взаимодействия движителя колесного сортиментоподборщика с почвогрунтом, позволяющую учесть влияние энергонасыщенности на показатели его работы.
-
Получить экспериментальные сведения о параметрах лесных поч-вогрунтов, необходимых для реализации математической модели.
-
Разработать методику и провести экспериментальные исследования деформации лесных почвогрунтов под воздействием сортиментопод-борщиков различной энергонасыщенности.
-
Оценить показатели эксплуатационной эффективности сортименто-подборщиков в зависимости от энергонасыщенности на лесных поч-вогрунтах различных категорий.
-
Разработать методику, позволяющую прогнозировать значения главных параметров колесных сортиментоподборщиков.
Научная новизна. Разработана и исследована математическая модель взаимодействия движителя колесного сортиментоподборщика с поч-вогрунтом, отличающаяся учетом класса энергонасыщенности и режимов его работы, позволяющая на практике прогнозировать показатели трелевки и формулировать рекомендации по обоснованному подбору параметров энергонасыщенности сортиментоподборщика в широком спектре почвенно– грунтовых условий.
Значимость для теории и практики. Разработанная и исследованная математическая модель взаимодействия колесного движителя сортименто-подборщиков с почвогрунтами, с учетом класса энергонасыщенности и режимов их работы, углубляет теоретические представления о взаимодействии лесных машин с почвогрунтами лесосек.
Реализация математической модели позволяет формулировать рекомендации по обоснованному выбору сортиментоподборщика и режимов его работы в конкретных почвенно-грунтовых условиях лесосеки. Это на практике позволит повысить эксплуатационную эффективность колесных сорти-ментоподборщиков.
На защиту выносятся следующие положения:
- математическая модель взаимодействия колесного движителя сортименто-подборщика с почвогрунтом, отличающаяся учетом класса энергонасыщенности и режимов его работы;
- результаты реализации математической модели, формирующие методику
выбора класса энергонасыщенности колесного сортиментоподборщика и
режимов его работы в конкретных почвенно-грунтовых условиях лесосеки;
совершенствование классификации колесных форвардерных машин;
методика прогнозирования значений главных параметров колесных фор-вардерных машин.
Методика и методы исследования. При разработке математической модели использованы положения теории движения машин в условиях бездорожья. На стадии проведения теоретических исследований применялся аппарат математического анализа и методы прикладной математики. На стадии планирования экспериментальных исследований использовались методы теории планирования эксперимента. Обработка опытных данных осуществлялась с использованием методов математической статистики и регрессионного анализа.
Достоверность выводов и результатов исследований обеспечивается применением методов математической статистики, проведением экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях, математически подтвержденной адекватностью разработанных моделей, а также удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных.
Апробация результатов проводилась на ежегодных НТК Лесомехани-ческого факультета СПбГЛТУ в 2005 – 2015 гг., международной научно– технической интернет–конференции «Леса России в XXI веке».
Основное содержание работы опубликовано в 6 статьях из перечня журналов, рекомендованных ВАК РФ. Общее число публикаций по теме работы - 7. Результаты исследований отражены в отчетах по НИР кафедры.
Сведения о структуре работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников (137 наименований) и приложения. Работа изложена на 140 страницах основного текста, содержит 55 рисунков, 19 таблиц.
Показано, что в настоящее время все большее распространение в таежной зоне европейской части РФ находит сортиментная заготовка древесины с применением колесных подъемно–транспортных машин (сортиментопод-борщиков). В результате воздействия лесных машин почвогрунт на делянках уплотняется, увеличивается его объемный вес, уменьшается пористость, аэрация, водопроницаемость и микробиологическая активность, что негативно сказывается на экологической обстановке. В этой связи, повышение
эффективности применения лесных машин в последние годы неразрывно связано со снижением их негативного воздействия на лесную среду.
На основании анализа состояния вопроса показано, что для дальнейшего повышения эксплуатационной эффективности сортиментоподборщи-ков необходимы универсальные модели, позволяющие прогнозировать показатели трелевки форвардерами (образование колеи, реализацию тяговых свойств машин) в зависимости от их параметров с учетом класса энергонасыщенности и режима работы при изменении почвенно–грунтовых условий в возможно более широком спектре.
В соответствии с задачами исследования, в настоящем разделе:
проведен анализ показателей энергонасыщенности современных колесных сортиментоподборщиков, предлагаемых на российском рынке;
разработана и исследована математическая модель взаимодействия движителей колесных сортиментоподборщиков с почвогрунтами, отличающаяся учетом их энергонасыщенности и режимов работы.
Коэффициент энергонасыщенности сортиментоподборщика рассчитывается по формуле:
(1)
кэ =
т
где Nдв – мощность двигателя, mс – масса сортиментоподборщика.
а)
Анализ сведений производителей показал, что 17 – 30 % моделей сор-тиментоподборщиков, представленных на рынке, относятся к I классу (очень большой уровень энергонасыщенности), 50 – 60 % моделей относятся ко II классу (большой уровень энергонасыщенности), 17 – 30 % моделей относятся к III классу (средний уровень энергонасыщенности); моделей, относящихся к IV классу (низкий уровень энергонасыщенности), на современном российском рынке не представлено (рисунок 1).
б)
Рисунок 1 – Распределение современных сортиментоподборщиков по классам энергонасыщенности: а) - с колесной формулой 6х6; б) - с колесной
формулой 8х8
В самом общем случае расход мощности можно представить как сумму отдельных составляющих:
N =N +N +N +N +N +N (2)
п г ш s т л а ,
где Ыг - потери мощности на деформацию почвогрунта, Ыш - потери мощности на радиальную деформацию шины сортиментоподборщика, Ns - потери мощности на буксование, NT - потери мощности на тангенциальную деформацию шины, N„ - потери мощности на преодоление липкости почвогрунта, Na - потери мощности на преодоление подъема сортиментоподборщика по трассе движения.
Потери мощности на деформацию почвогрунта Ыг рассчитываются по формуле:
N2=GKfv, (3)
где /г - составляющая величина общего коэффициента сопротивления качению колеса сортиментоподборщика, обусловленная деформацией почвогрунта, GK - приведенная нагрузка на колесо, v - поступательная скорость машины.
Формулу для расчета составляющей общего коэффициента сопротивления качению колеса сортиментоподборщика, обусловленной деформацией почвогрунта, примем в следующем виде:
/г=, (4)
где Р/г - сила сопротивления качению колеса сортиментоподборщика, вызванная деформацией почвогрунта.
Уравнение для силы сопротивления почвогрунта качению колеса Р/г имеет следующий вид:
Pfe=\qbdz, (5)
где q - среднее значение давления на почвогрунт со стороны движителя сортиментоподборщика, Ъ - ширина колеса сортиментоподборщика, z - вертикальная координата, отсчитываемая от поверхности почвогрунта вглубь сжимаемого слоя, h - общая вертикальная деформация почвогрунта под воздействием движителя сортиментоподборщика (осадка).
Расход мощности на радиальную деформацию шины можно найти, воспользовавшись формулой В.А. Петрушова:
= GKvfmRK0 (6)
ш RK0 - ЛМК
где /ш - коэффициент сопротивления шины качению, Rko - радиус чистого качения колеса (без учета юза и пробуксовки), X - коэффициент тангенциальной эластичности колеса, Мк - крутящий момент, подводимый к колесу.
Для крутящего момента, подводимого к колесу, известно следующее соотношение:
MK=GK\y/ + (pT)\RK,-XMK) (7)
Из последнего уравнения выразим крутящий момент Мк:
GKRK0 (<рг - у/) (8)
Ad = ,
Жк-((рт-)-1
где X - коэффициент уменьшения радиуса качения колеса за счет тангенциальной деформации шины, проскальзывания шины относительно трассы движения и тангенциальной деформации почвогрунта, срт - коэффициент тяги колеса, \f/ - коэффициент сопротивления трассы.
Коэффициент тяги колеса определяется по выражению:
(рт=/сц-/г, (9)
где fC4 - коэффициент сопротивления движителя с почвогрунтом.
Коэффициент сопротивления трассы у/ определяется углом ее наклона относительно горизонта а:
\// = f + sma, (10)
где /- коэффициент сопротивления качению, рассчитываемый по формуле:
/ = /г+/ш+/л, (11)
где /л - составляющая величина общего коэффициента сопротивления качению колеса сортиментоподборщика, обусловленная липкостью почвогрунта. Коэффициент сопротивления шины качению колеса /ш принято определять по формуле:
P f
ш GK (1 )
где Pfiu - сила сопротивления шины качению колеса.
Силу сопротивления шины качению колеса Р/ш можно рассчитать по формуле:
k с S2 ( с 8Л A bq2
Pfm = if/, ш ш 1,75 —^ \ + ш^ (13)
/ш ' 2 { ЪЪ ) 2Epkm
где у/1 - коэффициент гистерезисных потерь при сжатии резины шины, щ -коэффициент учета потерь на внутреннее трение в резине при ее сжатии , г - высота грунтозацепов, кш - давление в шине при контакте с поверхностью движения, Ер - модуль жесткости резины, 3 - радиальная деформация колеса, сш - вспомогательный параметр учета соотношения высоты и ширины шины, km - вспомогательный параметр учета распределения давления между грунтозацепами и впадинами.
Вспомогательный параметр учета соотношения высоты и ширины шины сш рассчитывается по формуле:
с =— + 1,5^, (14)
ш А Ъ
где ш - высота шины.
Вспомогательный параметр учета распределения давления между грунтозацепами и впадинами кт можно найти по формуле:
к =l-^.(l-m), (15)
где т - коэффициент насыщенности протектора.
Сумму потери мощности на буксование и потери мощности на тангенциальную деформацию шины можно рассчитать по формуле:
(16)
V V
Ns+NT=MK
KR k R koJ
где RK - радиус качения колеса.
В формуле (16) радиус качения колеса RK выражается с использованием коэффициента буксования ds через радиус качения RK0 по формуле:
RK=RKG-(\SS) (IV)
Потери мощности на преодоление липкости почвогрунта N„ рассчитываются следующим образом:
N^GJv (18)
Составляющая величина общего коэффициента сопротивления качению колеса сортиментоподборщика, обусловленная липкостью почвогрунта U находится по формуле:
/л = — (19)
Силу сопротивления качению колеса, вызванную прилипанием к поверхности почвогрунта Р/л, найдем из соотношения:
/2
P* = 2R^" (20)
где: / - осредненное значение длины пятна контакта, рл - удельная сила сопротивления отрыву резиновой пластинки от поверхности почвогрунта.
Опубликованных данных об удельной силе отрыва резиновой пластинки от лесного почвогрунта недостаточно для адекватной оценки затрат мощности на преодоление липкости почвогрунта по формуле (18). С учетом диапазона изменения этой величины (до 40 кПа, что сопоставимо с нормальным давлением в контакте шины с почвогрунтом), целесообразно проведение отдельных экспериментальных исследований для выявления зависимости удельной силы отрыва резиновой пластинки от поверхности лесного почвогрунта.
Потери мощности на преодоление подъема сортиментоподборщика по трассе движения Na найдем из соотношения:
Na=GKvsma (21)
Уравнение, связывающее осадку h со средним давлением q, принято на основании теории проф. Я.С. Агейкина:
E-(qs-q) { ab J (2 )
где J - параметр, учитывающий форму пятна контакта движителя с поч-вогрунтом, z - вертикальная координата, отсчитываемая от поверхности почвогрунта вглубь деформируемого слоя, а - вспомогательный параметр, учитывающий затухание нормального напряжения по глубине деформируемого слоя почвогрунта, Е - модуль деформации почвогрунта,Я - толщина деформируемого слоя.
Параметр J определяется по формуле:
0,03 +
0,6 + 0,43
(23)
Длину пятна контакта можно оценить по формуле:
/ = 2Л/2Я 8- д2 + ,jR-(S + h)-(S-hf
(24)
где R – радиус колеса.
Для расчета вспомогательного параметра a используется зависимость:
а =
0,64-6-
1 +
Ъ Я
(25)
Несущая способность деформируемого слоя почвогрунта определяется с учетом его толщины по следующей зависимости В.В. Ларина:
qs = qsoaz, (26)
где qs0 - несущая способность слоя почвогрунта неограниченной толщины, az - коэффициент учета толщины сжимаемого слоя почвогрунта.
Выражение для расчета коэффициента учета толщины сжимаемого слоя почвогрунта az имеет следующий вид:
л Ъ<рЛ
+ L1
4 4 J
cos 3^ 4
/26/?tan
т
(27)
az=\ +
Зл/2
3(р0 }
cosM
4Я-4/г
ехр
Ъ\ш(р{)
я-
л Ъ<рЛ 4 4 J
где ср0 - угол внутреннего трения почвогрунта.
Несущая способность слоя почвогрунта неограниченной толщины рассчитывается по следующей формуле:
qso = 0,5/Д^^ + N2yh + J3N3C0Kfi3, (28)
где у - объемный вес почвогрунта, С0 - удельное сцепление почвогрунта, J1, J3 - вспомогательные параметры для учета соотношения длины и ширины пятна контакта движителя с поверхностью почвогрунта Д
N1, N2, N3 -вспомогательные параметры для учета внутреннего трения поч-вогрунта, Кр1, Кр1 - вспомогательные параметры для учета отклонения вектора приложения результирующей нагрузки от нормали. Эти коэффициенты находятся по формулам:
I 1 + Ь
J = ;J = (29)
1 / + 0,46 3 / + 0,56
Ni = ^El;N2 = A^;N: = H^2) (30)
ш5 ш2 3 ш3
Ш = tan --^U (31)
U 2)
Кр1= ;Кръ= (32)
7r-4j3tan
; К „, =
;r + 4/?tan
r= V Уг Ч /;v, (33)
tr \trq tan
где tr - расстояние между грунтозацепами ,E1 - модуль сдвига почвогрунта.
Для определения деформации сдвига путем аппроксимации получена следующая формула:
._ e0MSR>361-(l + es)2'156 (34)
J ~ ' і,0-322
Для расчета радиальной деформации колеса в зависимости от нагрузки Gk [кН] воспользуемся зависимостью:
S = 0,005GK75 (35)
Силу сцепления движителя с почвогрунтом рассчитаем по формуле:
Рсщ=Ыт (36)
Коэффициент сцепления движителя с почвогрунтом рассчитывается по формуле:
сц
Р
fc4 = W (37)
Угол отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали к поверхности движения определяется по следующей формуле:
(р -р/
(38)
Р = arctan си fz
Применительно к оценке показателей взаимодействия движителя сор-тиментоподборщика с почвогрунтом, время действия нагрузки на поч-вогрунт в расчетах можно учесть понижающим динамическим коэффициентом кд для нагрузки, значение которого определяется реологическими свойствами почвогрунта. В этом случае в расчетах приведенная нагрузка на ко-
лесо сортиментоподборщика рассчитывается с учетом коэффициента динамичности по формуле:
G=^, (39)
2п
где G - вес сортиментоподборщика с пачкой древесины, п - число осей сортиментоподборщика.
Значение динамического коэффициента изначально предлагалось определятьс помощью уравнения
К = (40)
l + yv
Параметр вязкости почвогрунта у определяется экспериментально по кривым развития деформации во времени. Накопленных на настоящий момент сведений о релаксационных свойствах лесного почвогрунта недостаточно для адекватной оценки этого показателя применительно к исследуемому процессу. В связи с этим, для реализации составленной математической модели, необходимо провести отдельную серию экспериментов по определению времени релаксации напряжений лесного почвогрунта.
Отметим также, что скорость движения сортиментоподборщика ограничена соотношением:
v = ^ , (41)
GJ где ц - КПД трансмиссии.
Аппроксимация результатов расчетов позволила получить зависимость для расчета радиуса чистого качения колеса при варьировании радиуса колеса R, радиальной деформации колеса 8 и осадки к:
^0=0,863Д— (42)
В настоящем разделе при составлении расчетных соотношений для разрабатываемой математической модели применен следующий подход: базовые уравнения решаются численно (использован программный комплекс MathCAD 15.0) в широком диапазоне исходных данных, покрывающем спектр изменения физико-механических свойств лесных почвогрунтов и параметров движителей современных колесных сортиментоподборщиков. Далее численные результаты аппроксимировались при помощи метода наименьших квадратов; качество получаемых приближенных выражений оценивалось при помощи коэффициента детерминации R2.
По результатам реализации математической модели установлены: - зависимости для расчета глубины колеи под воздействием движителя колесного сортиментоподборщика (для III, II и I категорий почвогрунтов соответственно):
/z = 0,0093G,-(1 + /?)00904 (43)
h = 0,00453Gr (1 + /З)0,067 (44)
h = 0,00232Gr (1 + /?)0,0505 (45)
- выражения для определения коэффициента сцепления движителя сорти-ментоподборщика с почвогрунтом:
_ 0,243 j1 + Sj,156
К G^i1 + fif008 ( }
0,497-(1 + ^)2156
G0,242 (1 + Р)
2,156
_ 0,805-(1 + ^)2
К G0,285.(1 + ^0,014 (48)
- выражения для расчета коэффициента тяги в зависимости от нагрузки на колесо и коэффициента буксования:
срт = 4,26 (-0,000186G, + 0,0428)-(2,15^ + 0,488)-0,309 (49)
срт = 0,336 (- 0,00664G, +1,33)- (1,80^ + 0,418)- 0,196 (50)
срт =1,52- (-0,00161G, +0,295) -(2,73^ +0,696) -0,0941 (51)
Как отмечалось исследователями ранее, глубина колеи, остающейся после прохода машины по волоку, может рассматриваться как интегральный показатель взаимодействия движителя с почвогрунтом. В связи с этим, для оценки адекватности предлагаемой модели исследуемому процессу, было принято решение о проведении полевых испытаний, цель которых - исследование глубины колеи после прохода колесного сортиментоподборщика в зависимости от его энергонасыщенности.
Опыты проводились на лесосеках ЗАО «Лесной комплекс (пос. Зайцево, Выборгский район, Ленинградская область). Для испытаний использован колесный сортиментоподборщик JohnDeere 1110D.
С учетом максимальной грузоподъемности и массы машины, за счет варьирования массы лесоматериалов в кузове, диапазон изменения коэффициента энергонасыщенности составил от 4,7 до 8,6 кВт/т.
Экспериментальные участки (волока) подбирались относительно ровные, длиной 200 м. Трассы разбивали на участки через каждые 20 м, где проводился контроль глубины колеи и отбор образцов почвогрунта для определения физико-механических свойств. Глубина колеи определялась как среднее двух значений (под левому и правому ряду по ходу движения форварде-ра) при помощи линейки. Также проводились замеры транспортной скорости форвардера на участках между пикетами.
Сортиментная заготовка леса
Данное семейство математических моделей дает возможность прогнозировать абсолютную влажность грунтовой массы на различные сроки весенне–летнего и осеннего периода. В этой связи, полученные с их помощью материалы,в перспективе могут служить для оценки эффективности использования трелевочных машин с различными конструктивными параметрами.
В последние годы наблюдаются значительное изменение зимних климатических условий на Северо–Западе РФ[34]. Особенно это отразилось в большинстве регионов средней и южной подзон тайги, в которых зимы стали мягче. Снежный покров накрывает еще теплую лесную почву постоянным толстым слоем и сохраняет положительный температурный режим в ней практически на весь зимний период. Лесная грунтовая масса под воздействием движителей машин подвергается значительным изменениям влажности [34].
Данное явление мало изучено при взаимовлиянии движителей машин и грунтовой массы на проходимость и приспособляемость к выполнению технологического процесса и режимы работы. Для этого необходимо исследовать процессобразования глубины колеи и реализацию тяговых свойств машин при изменении влажности грунтовой массы и погодных условий.
Важную роль для обоснования параметров создаваемых и совершенствуемых лесных технологий и машин играет типизация лесных природно– производственных условий. Начало типизации условий в лесорастительных и лесозаготовительных районах положено во ВНИИЛМе и ЦНИИМЭ [67] – [69]. Базой для типизации послужили работы [70] – [79].
Изучению воздействия на лесную машину рельефа местности, физико– механических свойств почвогрунта, неровности пути, особенностей взаимодействия машины с опорной поверхностью и предметом труда, динамических свойств механизмов и систем самой машины и многих других факторов в процессе эксплуатации посвящено огромное количество научно– практических работ. При этом оценку возмущающих воздействий на лесные машины производят с помощью данных о характере почвенно–грунтовых и рельефных условий и предмета труда, а также путем измерения динамических и кинематических процессов в одном из входных звеньев динамической системы «машина – технологическое оборудование – предмет труда» [18], [20].
Наиболее распространенной оценкой условий эксплуатации при исследований трелевочной техники является суммарный коэффициент сопротивления движению. Он представляет собой суммарное значение коэффициентов сопротивления движению трелевочной машины и трелюемой ею древесины [18], [20].
Большое влияния на эксплуатационные свойства колесных сортимен-топодборщиков оказывают все виды рельефов. К наиболее обширным ранним исследованиям микрорельефа поверхностей движения машин следует отнести работу проф. А.Б. Лурье [80], посвященную изучению микронеровностей сельскохозяйственных полей, и работу проф. А.А. Силаева [81], в которой предлагается классифицировать дороги по микронеровностям.
Изучению микропрофиля трелевочных волоков посвящены исследования Ю.А.Добрынина, Ю.Е. Рыскина, И.В. Григорьева и др. [38], [53] – [55], [82], [83]. В них выявлены основные особенности трелевочных волоков, как источников возмущения колебаний лесных колесных машин.
Ученый М.Г. Беккер [84] предлагает оценку геометрии поверхности мезорельефа при встречи колесной машины с препятствиями проводить по следующим критериям: преодоление препятствий, управляемость машины и дорожный комфорт. Ряд исследователей считает, что для того, чтобы оценивать неровности поверхности с точки зрения этих критериев, необходимо определить реальный профиль поверхности с учетом ограничений, вызванными геометрическими характеристиками машины. При этом полная или частичная потеря проходимости может наступить по двум причинам: из–за недостаточного клиренса, угла атаки, угла схода и т. п. элементов машины, либо из–за часто повторяющихся препятствий, вызывающих колебательные процессы в машине, что приводит к снижению скорости движения или полной остановке и ухудшению устойчивости. Первая причина потери проходимости вызвана преодолением единичных препятствий, вторая – периодических [85].
Ученые СПбГЛТУ им. Кирова предложили методику описания свойства трелевочного волока с помощью обобщенного закона сил сопротивления качению тягача, скольжения пачки, неровности пути и повороту транспортной системы. Данная методика позволяет упрощенным путем установить законы распределения отдельных составляющих, характеризующих эксплуатационные режимы работы трелевочного трактора [82], [83].
Большое внимание при изучении показателей работы трелевочных машин уделяется исследованиям физико–механических свойств почвогрунтов, как опорной поверхности перемещения лесных машин. Одной из основополагающей работ в этой области являются исследования проф. А.Н. Зеленина [86]. Им предложена классификация грунтов, базирующуюся на группах, объединенных по числу ударов ударника ДорНИИ.
Был также предложен мобильный измерительный комплекс для оценки физико–механических свойств почво–грунта [87]. Комплекс позволяет проводить бесконтактным способом измерение и регистрацию необходимого числа показателей, характеризующих различные физико–механические свойства почвогрунтов [87].
Основные зависимости для оценки энергетических показателей каченияколесных сортиментоподборщиков
Математическая модель предназначена для последующей выработки рекомендаций по обоснованному выбору сортиментоподборщика и режимов его работы для конкретных почвенно-грунтовых условий лесосеки. Специфика решаемой задачи состоит в том, что необходимо проанализировать связи показателей деформации почвогрунта под воздействием движителя сор-тиментоподборщика, а также тягово–сцепные свойства движителя с его параметрами и режимом работы сортиментоподборщика (скоростью движения и приведенной нагрузкой на колесо). Эти показатели сложным образом взаимосвязаны между собой[18].Например, деформации почвогрунта зависят от времени воздействия, которое, в свою очередь, определяется скоростью сор-тиментоподборщика, причем скорость движения определяется соотношением полезной мощности двигателя и силы сопротивления движению. Сила сопротивления движению, в свою очередь, определяется параметрами движителя, физико–механическими свойствами и деформациями почвогрунта. Кроме того, необходимо учитывать влияние на деформации почвогрунта таких показателей, как буксование и отклонение вектора результирующей нагрузки на почвогрунт от нормали к поверхности движения, вызванное воздействием касательной силы тяги со стороны сортиментоподборщика, которая во многом зависит от тягово–сцепных свойств движителя в конкретных почвенно– грунтовых условиях [114], [115]. Комплексная картина процессов взаимодей 42
ствия движителей колесных машин изучается в теории движения колесных машинв условиях бездорожья[114], [115], многие вопросы которой по-прежнему освещены не полно. Базовые зависимости, описывающие основные показатели взаимодействия колесного движителя с поверхностью движения, требуют для реализации графоаналитических методов, корректных упрощений, либо численных методов решения.
Полученные в рамках этой теории подходы и результаты нуждаются в адаптации и дальнейшем развитии применительно к задачам описания взаимодействия движителей лесных машин с почвогрунтами лесосек. В настоящей главе при составлении расчетных соотношений для разрабатываемой математической модели применен следующий подход: базовые уравнения решаются численно (использован программный комплекс MathCAD 15.0) в широком диапазоне исходных данных, покрывающем спектр изменения физико-механических свойств лесных почвогрунтов и параметров движителей современных колесных сортиментоподборщиков. Далее численные результаты аппроксимировались при помощи метода наименьших квадратов; качество получаемых приближенных выражений оценивалось при помощи коэффициента детерминации R2.
В таблице 2.1 представлены сводные данные по классификации современных колесных сортиментоподборщиков, представленных на российском рынке, по классам энергонасыщенности. Данные получены путем обработки сведений производителей колесной техники, представленных на вебсайтах [10] - [15]. При расчете показателя энергонасыщенности Кэ использована формула проф. Г.М. Анисимова [16] - [18]: Кэ=— (2.1) где Nдв – мощность двигателя сортиментоподборщика [кВт], mс – масса сор-тиментоподборщика [т].
Распределение современных сортиментоподборщиков с колесной формулой 8х8 по классам энергонасыщенности III26% Рисунок 2.2 – Распределение современных колесных сортиментоподборщиков по классам энергонасыщенности (сводные данные) Анализ диаграмм показывает, что 17 – 30 % моделей сортиментопод-борщиков, представленных на рынке, относятся к I классу (очень большой уровень энергонасыщенности), 50 – 60 % моделей относятся ко II классу (большой уровень энергонасыщенности), 17 – 30 % моделей относятся к III классу (средний уровень энергонасыщенности); моделей, относящихся к IV классу (низкий уровень энергонасыщенности), на современном российском рынке не представлено.
Анализ сведений производителей также показывает, что связи между показателем энергонасыщенности и грузоподъемностью сортиментоподбор-щиков, не прослеживается (рисунки 2.4 и 2.5). 5 II Класс энергонасыщенности Минимальное значение Максимальное значение Диапазон изменения значений грузоподъемности сортиментоподборщиков в зависимости от класса энергонасыщенности 12 10 8 6 A О колесная формула 8х8 Л колесная формула 6х6 Рисунок 2.5-Значения грузоподъемности сортиментоподборщиков в зависимости энергонасыщенности Основные зависимости для оценки энергетических показателей каченияколесных сортиментоподборщиков
Для оценки показателей работы движителя в конкретных грунтовых условиях проф. Я.С. Агейкиным предложен показатель экономичности, определяемый как частное мощности, расходуемой при качении колеса машины Nn, и произведения нагрузки на колесо GK и скоростиv[114], [115]: где Na - потери мощности на деформацию почвогрунта, Nm - потери мощности на радиальную деформацию шины сортиментоподборщика, Ns - потери мощности на буксование, Л - потери мощности на тангенциальную дефор 47 мацию шины, Njt - потери мощности на преодоление липкости почвогрунта, Na - потери мощности на преодоление подъема сортиментоподборщика по трассе движения.
Методика определения удельной силы отрыва резиновой пластинки от почвогрунта
Несущая способность слоя почвогрунта неограниченной толщины рассчитывается по следующей формуле [114], [115]: qs0 = 0,5JJJJCpjb + N2yh + J3N3C0Kp3 (2.39) где у - объемный вес почвогрунта, С0 - удельное сцепление почвогрунта, J\, –вспомогательные параметры для учета соотношения длины и ширины пятна контакта движителя с поверхностью почвогрунта, N\, N2, N3-вспомогательные параметры для учета внутреннего трения почвогрунта, Кр\, Кр\ -вспомогательные параметры для учета отклонения вектора приложения результирующей нагрузки от нормали.
Проанализируем изменение величины несущей способности лесного почвогрунта. Известна классификация лесных почвогрунтов по категориями в зависимости от физико-механических свойств, предложенная проф. И.В. Григорьевым (таблица 2.2) [82], [83].
Категориям соответствуют следующие характеристики прочности поч-вогрунта: I – прочный почвогрунт, II – нормальный почвогрунт, III–слабый почвогрунт). Отметим, что сочетания значений физико–механических свойств в рамках принятой классификации являются характерными для категорий поч-вогрунтов.
По результатам реализация расчетов по формулам (2.36) – (2.47) при варьировании величины относительной осадки h, а также угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали при b = 0,7 м, lb для трех категорий почвогрунта (свойства принимались по таблице 2.2), нами получены приближенные зависимости для расчета несущей способности почвогрун-та.
Изменение несущей способности почвогрунта при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали у слабого почвогрунта (III категория) проиллюстриро вано на рисунке 2.7.
Несущая способность почвогрунта при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали (слабый почвогрунт, III категория) Формула для расчета имеет следующий вид (Я2 = 0,9514): ps = 29,6h2 - 0,273/? + 40,9 (2.48) Изменение несущей способности почвогрунта при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали у нормального почвогрунта (II категория) проиллюстрировано на рисунке 2.8.
Несущая способность почвогрунта при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали (нормальный почвогрунт, II категория)
Формула для расчета имеет следующий вид (R2 = 0,9705): p =224h2 - 0,992/? + 107 (2.49) Изменение несущей способности почвогрунта при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали у прочного почвогрунта (I категория) проиллюстрировано на рисунке 2.9. Рисунок 2.9 - Несущая способность почвогрунта при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали (прочный почвогрунт, I категория) Формула для расчета имеет следующий вид (R2 = 0,9705): p =1510h3- 2,94/? + 240 (2.50) Расчеты по формулам (2.48) - (2.50) показывают, что при осадке до половины толщины деформируемого слоя почвогрунта, отклонение вектора результирующей нагрузки от нормали вызывает снижение несущей способности почвогрунта на 40 - 70 % (в зависимости от категории почвогрунта).
При тех же исходных данных было проведено численное решение уравнения (2.35) с использованием выражений для несущей способности по полученным формулам (2.48) - (2.50), вспомогательные параметры рассчитывались по формулам (2.25), (2.27).
Зависимость среднего по пятну контакта давления q при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали у слабого почвогрунта (IIIкатегория) проиллюстрировано на рисунке 2.10.
Среднее по пятну контакта давление при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали (слабый почвогрунт, III категория) После аппроксимации результатов расчета получена формула для среднего давления на слабых почвогрунтах в следующем виде (Я2 = 0,9422): q = -0,00217(З2 - 0,505/?/z - 60,6/z2 + 0,196/? + 120/z (2.51) Зависимость среднего по пятну контакта давления q при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали у нормального почвогрунта (II категория) проиллюстрировано на рисунке 2.11. Рисунок 2.11 - Среднее по пятну контакта давление при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали (нормальный почвогрунт, II категория)
После аппроксимации результатов расчета получена формула для среднего давления на нормальных почвогрунтах в следующем виде (і?2 = 0,9671): q = -0,00588/?2 - 1,56/?/z - 20,4/z2 + 0,464/? + 281/z (2.52) Зависимость среднего по пятну контакта давления q при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали у прочного почвогрунта (I категория) проиллюстрировано на рисунке 2.12. Рисунок 2.12 - Среднее по пятну контакта давление при варьировании величины относительной осадки и угла отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали (прочный почвогрунт, I категория)
Результаты реализации математической модели
Липкость почвогрунта зависит также от внешних факторов, таких как давление на штамп и время действия давления. По мере увеличения давления на штамп величина максимальной липкости возрастает, при этом влажность начального и максимального прилипания снижается. С увеличением длительности действия нагрузки на штамп величина липкости возрастаетнели-нейно, стремясь к некоторому постоянному значению [117], [130].
Для определения липкости лесного почвогрунта использовался прибор Н.А. Качинского (рисунок 3.3).
Прибор Н.А. Качинского представляет собой модифицированные тех-нохимические весы, правая чашка которых была заменена специальным подвесным стержнем 10, заканчивающимся диском 11 площадью 10 см2. Диск и стержень уравновешиваются правой чашкой весов 4 и алюминиевым стаканчиком определенной массы 5. Подвесной стержень имеет винтовое крепление 9, что позволяет изменять его длину. Коромысло прибора размещено на неподвижной колонке 2, укрепленной на металлическом основании. Опорой для призм коромысла служит стальная «подушка» верхней части колонки. Тяга внутри колонки поднимает и опускает арретир 1.
В нерабочем положении коромысло лежит на стойках приподнятого арретира. При работе арретир опускают, и опорная призма коромысла ло 95 жится на «подушку». Чашки стержень с диском подвешены на коромысло 7 на серьгах 8. На концах коромысла помещены тарировочные грузы 6, а в центре укреплена стрелка 3, с помощью которой производят отсчет по шкале, расположенной у основания колонки. Прибор установлен на тяжелой металлической плите.
В стандартный комплект входит несколько дисков 13: стальной, латунный, деревянный, резиновый (использовался резиновый диск). К прибору прилагаются гири 14, 15 для дополнения массы диска со стержнем. Формочки 12 для образца почвы имеют сетчатое дно и заостренный верхний край (чтобы легче врезать их в почву).
Рисунок 3.3 – Прибор Н.А. Качинского для определения удельной силы отрыва резиновой пластинки от почвогрунта[117]: 1 – арретир; 2 – колонка; 3 – стрелка; 4 – правая чашка весов; 5 – стаканчик; 6 – тарировочный груз; 7 – коромысло; 8 – серьги; 9 – винтовое крепление; 10 – стержень; 11 – диск; 12 – формочки; 13 – диски; 14, 15 – гири; 16 – песочница Определение проводили на образцах почвогрунта нарушенного сложения. Исследования начинали с влажности, соответствующей общей влагоем-кости, в дальнейшем почвогрунт подсушивали. Суть опытов заключалась в следующем. Образец почвогрунта помещали в формочку, на сетчатое дно которой был положен кружок из фильтровальной бумаги. Формочку с образцом почвогрунта устанавливали в ванну с водой для насыщения до общей влагоемкости, после чего переносили на плиту прибора со стороны диска. На коромысло подвешивали диск и уравновешивали его с чашкой. Стержень приводили в полное соприкосновение диска с почвогрунтом. Сверху на диск клали гирю,опускали арретир и выдерживали груз 30 с. После этого, придерживая стержень рукой, снимали груз. Далее левую чашу весов постепенно нагружали до момента отрыва диска от поверхности почвогрунта. По отношению весагруза, при котором происходил отрыв, к площади диска рассчитывали липкость почвогрунта. После определения липкости с поверхности образца почвогрунта брали пробу на влажность. Через определенный промежуток времени на этом же образце повто-рялииспытания, вплоть до прекращения прилипания почвы к диску.
Методика проведения опытов по определению нормальных деформаций почвогрунта под воздействием движителя сортиментоподборщика в полевых условиях Во втором разделе настоящей работы составлена математическая модель, с помощью которой проводится оценка показателей трелевки колёсным форвардером в различных почвенно–грунтовых условиях. Как отмечалось ранее в работах [7], [19], [23], [24], [27], глубина колеи, остающейся после прохода машины по волоку, может рассматриваться как интегральный показатель взаимодействия движителя с почвогрунтом. В связи с этим, для оценки адекватности предлагаемой модели исследуемому процессу, было принято решение о проведении полевых испытаний, цель которых – исследование глубины колеи после прохода колесного форвардера в зависимости от энергонасыщенности машины. Опыты проводились на лесосеке ЗАО «Лесной комплекс» по адресу: пос.Зайцево Выборгского района Ленинградской области.Для испытаний использован колесный сортиментоподборщик JohnDeere 1110D, основные характеристики которого представлены в таблице 3.1.
Экспериментальные участки (волока) подбирались относительно ровные, длиной 200 м. Трассы разбивали на участки через каждые 20 м, где проводился контроль глубины колеи и отбор образцов почвогрунта для определения физико–механических свойств. Глубина колеи определялась как среднее двух значений (под левому и правому ряду по ходу движения трактора) при помощи линейки [19], также проводились замеры транспортной скорости форвардера на участках между пикетами [19].