Содержание к диссертации
Введение
1- Современное состояние нроплемы и задачи исследовании 12
1.1.- Поставка лесных грузов потребителям водным транспортом 12
1.2. Характеристика рейдов приплава лесопромышленных предприятий 18
1.3. Анализ технологий и оборудования для лесоперевалочных работ 25
1.4. Обзор работ по совершенствованию лесоперевалочных процессов 34
1.5. Анализ работ по формированию лесных грузов торцевыравнивателя МИ 39
1.6. Выводы и задачи исследований 45
2. Теоретические исследования процессов выгрузки лесоматериалов с поды на рейдах приплава 48
2.1. Особенности лесоперевалочного процесса на рейдах приплава 48
2.2. Определение нагрузок на башенные краны при выгрузке лесных грузов с воды 50
2.3. Сопротивление воды при перемещении лесных грузов кранами 53
2.4. Исследование процесса выгрузки древесины бремсбергами 62
2.5. Определение режима перемещения платформы в воде 68
2.6. Исследование тяговых усилии грузовой лебедки выгрузочных устройств 73
2.7. Выводы 80
3. Математическое моделирование процессов торцевания лес ных грузов 82
3.1. Постановка задачи и выбор метода исследований 82
3.2. Математическое моделирование процесса формирования лесных грузов передвижными торцевыраишшателями 85
3.2.1. Определение нормальных сил, действующих на сортиментпып пучок в торцевырашшвателе 85
3.2.2. Усилия торцевания сортиментного пучка при перемещении брёвен горизонтальными рядами 87
3- Усилия торцевания сортиментного пучка при перемещении брёвен вертикальными рядами 89
4. Усилия торцевания пакетов круглых лесоматериалов прямоугольной формы 92
5. Усилия торцевания пачки круглых лесоматериалов трапецеидальной формы 95
Математическое моделирование процесса формирования лесных грузов гравитационными торцевыравнивателями 98
1. Усилия торцевания пачки круглых лесоматериалов гравитационным торцевыравнивателем 98
2. Влияние конструктивных особенностей гравитационного торцевы равниватсля на процесс формирования лесных грузов Ш8
Определение дополнительных нагрузок на башенный кран от дейст
вия передвижного торцевыравнивателя 113
Выводы 117
Экспериментальные исследования выгрузочных устройств в производственных условиях 119
Программа и методы экспериментальных исследований 119
Планирование экспериментальных исследовании 120
Экспериментальные исследования процессов выгрузки лесоматериалов мостовыми кранами 124
Результаты производственных исследований мостовых кранов 127
Экспериментальные исследования процессов выгрузки лесоматериалов башенными кранами 133
Результаты производственных исследовании башенных кранов 136
Производственные исследования выгрузочных устройств для сортиментов 137
Производственные исследования выгрузочных устройств для хлыстов Выводы 152
Экспериментальные исследования выгрузочных процессов II лабораторных услошіях 156
Обоснование метода и масштаба физического моделирования 156
Конструирование механической модели лабораторной установки 159
Состав п объем экспериментальных исследований
Результаты экспериментальных исследований 163
Влияние гидромеханических сил на процесс подъема лесных грузов с воды 171
Совершенствование процесса отрыва лесных грузов от воды 176
Сопоставление результатов натурных и лабораторных исследований і so
Выводы 181
Производственные исследования передвижных II гравитаци онных 183
Программа и методы производственных исследований 183
Методика экспериментальных исследований передвижных торцевы-равнивателеи 186
Методика экспериментальных исследований гравитационных торце-вы равнивателеи 188
Производственные исследования передвижных торцевыравпивате-лей 193
Результаты производственных исследований передвижных торцевы-равнивателей 195
Результаты производственных исследований гравитационных торце-выравнивателей 207
Выводы 215
Совершенствование технологических процессов на приплава
Прогнозирование водных поставок лесоматериалов на рейды при плава 218
Использование кранов для выгрузки лесоматериалов с воды 229
Обследование водной акватории рейдов приплава при разведке затонувшей древесины 236
Наведение грузозахватных механизмов на затонувшую древесину 239
Применение выгрузочных устройств на лесопромышленных пред приятиях 243
Внедрение передвижных торцевыравиивателей на лесоперевалочных базах 250
Внедрение гравитационных торцевыравиивателей на лесопромышленных предприятиях 253
Выводы 260
Основные выводыii рекомендации 264
Список использованных источников
- Анализ технологий и оборудования для лесоперевалочных работ
- Математическое моделирование процесса формирования лесных грузов передвижными торцевыраишшателями
- Влияние конструктивных особенностей гравитационного торцевы равниватсля на процесс формирования лесных грузов
- Результаты производственных исследований мостовых кранов
Введение к работе
Актуальность темы. В период становления рыночных отношений в России основным направлением развития производительных сил лесопромышленного комплекса является внедрение в производство перспективных технологических процессов и применение эффективных технических решений, способствующих повышению производительности труда и снижению себестоимости вьшускаемой продукции на основе экологически безопасного и рационального использования лесосырьевых ресурсов.
Водный транспорт леса (ВТЛ) является одним из наиболее экономичных видов лесотранспорта, а в отдаленных лесных регионах - единственно доступным В настоящее время до 10% древесного сырья поставляется потребителям по водным путям, и эффективность работы рейдов приплава, основных предприятий водного лесотранспорта, является одной из важных составляющих в экономике лесного комплекса России
Лесные склады предприятий с рейдами приплава (ЛПП) имеют сложную структуру, а выполняемые ими операции выгрузки лесных грузов с воды и торцевания круглых лесоматериалов, наиболее трудоемкими, в пределах от 20 до 40% объема основных работ. Для выполнения лесоперевалочных процессов на предприятиях с рейдами приплава применяют более 220 типов различных машин, механизмов и вспомогательного оборудования, имеющих физический и моральный износ от 60 до 80 % Учитывая роль и значение водного транспорта леса для доставки лесоматериалов потребителям, проблема совершенствования лесоперевалочных процессов выгрузки лесоматериалов с воды и их торцевания на предприятих с рейдами приплава является актуальной
Работа выполнялась автором в соответствии с заказами лесопромышленных предприятий, ВКНИИВОЛТ, Министерств и ведомств, Федеральной программой развития лесопромышленного комплекса РФ, Федеральной научно-технической программой "Вузовская наука - регионам России в 1997-2000 г.г."
Цель исследований. Совершенствование процессов выгрузки лесоматериалов с воды и их торцевания на лесопромышленных предприятиях с рейдами приплава для повышения производительности лесоперевалочных работ.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются рейды приплава лесопромышленных предприятий, оснащенные грузоподъемными кранами, выгрузочными устройствами, передвижными и гравитационными торцевыравнивателями Предметом исследований являются режимы нагру-жения и параметры подъемпо-транспортного оборудования для выгрузки лесоматериалов с воды я торцевания лесных грузов на рейдах приплава
Методы исследований. Использовались методы математического и физического моделирования, лабораторного и производственного экспериментов. В основу теоретических исследований положены методы механики и гидромеханики, математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием метода "разложения" жидкостей. Измерение
нагрузок и напряжении в узлах подъем» ьтд|{ющт{оддоідаадііроизводилось методом тензометрирования В процессе эбрабдавядадоедтов жепериментов
С О»
nct«9>»r or і
применялись методы теории вероятности и математической статистики
Научная новизна работы. Разработаны математические модели процессов выгрузки лесішк грузов с воды и установлены закономерности возникновения дополнительных гидромеханических нагрузок в упругих канатах кранов и бремсбергов, отличающиеся учетом специфических свойств лесных грузов, поступающих па рейды приплава водным транспортом Составлены математические модели процессов торцевания лесных грузов передвижными и гравитационными торцевыравнивателями, отличающиеся возможностью определения усилий торцевания пучков, пакетов, пачек круглых лесоматериалов, размещенных в формировочных устройствах торцевыравнивателей разных форм поперечного сечения. Обоснована методика расчета дополнительных нагрузок на лесопогрузчики башенного типа от действия передвижных торцевыравнивателей, отличающаяся учетом конструктивных особенностей передвижных торцевыравнивателей.
Получены результаты экспериментальных исследований грузоподъемных машин на выгрузке лесных грузов с воды в лабораторных и производственных условиях, отличающиеся широким диапазоном исследуемых факторов и учетом специфических условий их эксплуатации на рейдах приплава, которые дополняют нормы расчета мостовых и башенных кранов эксиерименгальными коэффициентами Получены результаты производственных исследований передвижных и гравшационных торцевыравнивателей на рейдах приплава, отличающиеся учетом их конструктивных особеїшостей и разнообразием технологических схем эксплуатации
Разработаны технические и технологические решения по совершенствованию процессов выгрузки лесоматериалов с воды и торцевания лесных грузов на предприятиях с рейдами приплава, защищенные патентами, отличающиеся возможностью снижения дополнительных гидромеханических нагрузок на краны общего назначения и повышения их полезной грузоподъемности
Основные положения, выносимые на защиту.
1 Математические модели процессов выгрузки лесных грузов с воды, учигывающие закономерности возникновения дополнительных гидромеханических нагрузок в упругих канатах кранов и бремсбергов на рейдах приплава
2. Матемагические модели процессов торцевания лесных грузов передвижными и гравитационными торцевыравнивателями, позволяющие рассчитывать усилия торцевания пучков, пакетов, пачек круглых лесоматериалов, размещенных в формировочных устройствах торцевыравнивателей разных форм поперечного сечения
-
Методика расчета дополнительных нагрузок на лесопогрузчики башенного типа от действия передвижных торцевыравнивателей, позволяющая рассчитывать усилия в тягах крепления и напряжения в портале крана
-
Результаты экспериментальных исследований грузоподъемных машин и выгрузочных устройств в лабораторных и натурных условиях, позволяющие раскрыт!) физическую сущность условий их эксплуатации на рейдах приплава и дополнить нормы1Чвдсчетд бад^їщьгх и мостовых кранов экспериментальными коэффициентами »*J>fnK„.,5*M |
' »» 90t «і* <
5 Результаты цроизводствешшх исследований передвижных и гравита-ішонньїх торцевьфавнивателей на рейдах приплава лесопромышленных предприятий, позволяющие установить закономерность изменения усилий торцевания круглых лесоматериалов от значимых факторов, а также осуществить привязку передвижных торцевыравнивателей к лесопогрузчикам башенного типа.
6. Технические и технологические решения по совершенствованию процессов выгрузки лесоматериалов с воды и их торцевания на предприятиях с рейдами приплава, защитценные патентами, позволяющие снижать гидромеханические нагрузки на краны общего назначения и повысить производительность труда на лесоперевалочных работах.
Научная и практическая значимость. Выявлены закономерности лесоперевалочных процессов на рейдах приплава лесопромышленных предприятий. Разработанные стохастические модели дополнительных гидромеханических нагрузок на ірузоподьемньїе машины при вертикальном подъеме лесных грузов с воды, теоретические основы расчета тяговых усилий электрических лебедок при наклонном подъеме лесотранспортных грузоединиц из воды выгрузочными устройствами дополняют теорию перемещения лесных грузов и являются базой для модернизации грузоподъемных машин. Составлены математические модели процессов торцевания лесных грузов передвижными и гравитационными торцевыравнивателями, а также дополнительных нагрузок на лесопогрузчики башенного типа от действия передвижных торцевыравнивателей.
Разработанные методы расчета случайных нагрузок на шдьемно-транспортное оборудование при выгрузке лесных грузов с воды и усилий торцевания пучков и пачек круглых лесоматериалов, а также полученные результаты экспериментальных исследований выгрузочных устройств и торцевыравнивателей использовались ВКНИИВОЛТом при разработке и конструировании выгрузочных устройств К-122, К-125, К-131, электрической лебедки К-159, торцевыравнивателей. передвижных ТПК-10, ЛВ-169; гравитационных с поворотными щитами К-127, К-142, К-153. Испытанные и внедренные в производство образцы лесоперевалочного оборудования служат основой для их серийного производства.
Рекомендованы рациональные технологии и комплекты машин для механизации трудоемких лесоперевалочных работ при выгрузке лесных грузов с воды на рейдах приплава лесопромышленных предприятий. Часть рекомендуемого оборудования вошла в перспективную систему машин для лесоперевалочных работШГР 1,ЛПР2
Достоверность результатов исследований. Научные положения, выводы и рекомендации не противоречат известным положениям гидромеханики и динамики грузоподъемных машин, сої ласуются с имеющимся опытом создания устройств и способов совершенствования лесоперевалочных процессов на рейдах приплава лесопромышленных предприятий Достоверность экспериментальных исследований подтверждается показателями статистической обработки, апробацией и внедрением результатов исследований в производство
Личное учасше автора в получении результатов. Диссертация является результатом многолетних исследований, выполненных лично автором или
под его руководством по заказам федеральных и региональных органов лесопромышленного комплекса России и Минобразования РФ Все работы по сбору экспериментального материала на лесопромьпшгегшых предприятиях с рейдами приплава, разработке методик и программ исследований, математическому и физическому моделированию лесоперевалочных процессов, проведению натурных и лабораторных экспериментов, обработке материала, анализу и обобщению результатов исследований произведены автором или под его руководством.
Реализация работы. Результаты исследований использованы ВКНИИ-ВОЛТом при проектировании, изготовлении и внедрении 4 передвижных ТОКІО, ЛВ-169, 7 гравитационных с поворотными щитами К-127, К-142, К-153 тор-цевыравнивателей, а также 6 выгрузочных устройств К-122, К-125, К-131 в технологических процессах лесоперевалочных работ Кировской, Болтинской, Ли-мендской, Човской ЛПБ, Сыктывдинском ЛПК, Волжском ОЭДК "Заря" Фактический экономический эффект, полученный лесопромышленными предприятиями от внедрения и реализации результатов исследований на рейдах приплава лесопромышленных предприятий составил 2 млн 624 тыс. рублей, а ожидаемый экономический эффект более 4 млн рублей Разработанные стенды и лабораторные установки используются в учебном процессе МарГТУ
Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты исследований докладывались и получили положителыгую оценку на TV Международном форуме "Лесогфомышленный комплекс России XXI века" (Санкт-Петербург, 2004), Международных НТК (Йошкар-Ола, 1999, 2001, 2004, Петрозаводск, 2001); Всесоюзных НТК (Ленинград, 1972, Москва, 1984), Всероссийских НПК (Йошкар-Ола, 1996, 1997; Красноярск, 2003); НТС ВКНИИВОЛТ (Казань, 1977, 1983, 1993, 2001), НТК МарІТУ (Йошкар-Ола, с 1974 по 2005гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано автором в 46 работах объемом 56,4 п л, 19 работ в сооавторстве (4,5 п л), авторский вклад 50%, в том числе: 2 монографии (26,5 п л ); б учебных пособий (18,2 п л ); 25 статей в научных журналах (8,7 п.л), из них 13 статей (5,7 п.л) в изданиях, рекомедуемых ВАК для публикации материалов докторских диссертаций; 3 патента РФ (1,0 п л ); 12 статей в материалах международных и всероссийских НТК (2,0 ал )
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 ыав, заключения, списка использованных источников и 72 приложений Объем работы изложен на 295 стр и включает 122 рисунка, 46 таблиц, список литературы включает 372 наименования, в том числе 22 иностранных Приложения включают 175 стр. текста, 40 таблиц, 54 рисунка
Анализ технологий и оборудования для лесоперевалочных работ
Проведенные ЦНИИЛесосплав [293] обследования лесосплавных предприятий Республики Карелия, Архангельской, Вологодской и Пермской областей (табл. 1.5) показали, что парк лесосплавной техники сократился в десятки раз, а оставшееся оборудование морально и физически устарело, имеет износ 85... 100 %. Новое лесосплавное оборудование не выпускается. Уровень механизации труда на сплавных работах составил в 1999 году около 41 % от уровня 1990 года. Снизилась доля механизации на сплотке, формировании плотов, сброске леса в воду, сортировке и погрузочно-разгрузочных работах [49].
В связи с ликвидацией молевого лесосплава, как одного из видов первич ного транспорта леса, практически исключена из эксплуатации значительная часть лесных массивов, тяготеющих к внутренним водным путям. По данным Лссппвеста [293] к внутренним водным путям России тяготеет около 14 млрд.мЗ лесосырьевых ресурсов, что позволит вести неистошителыюе лесопользование и доставлять водным транспортом до 140 млн.мЗ древесины еже 18 годно. В частности в Северо-Двинском бассейне к водным путям тяготеет 90 %, Обь-Иртышском и Ангаро-Енисейском - 93 %, в Камском - 75 % лесных ресурсов. Кроме того, в этих регионах водные пути являются единственно возможным способом доставки древесины потребителю, особенно с верховий рек (рис. 1.2).
Расчеты показывают [49, 293], что сплав древесины в большинстве случаев экономически выгоднее по сравнению с автомобильными и железнодорожными перевозками. Проблема расширения объемов сплава древесины в ближайшей перспективе актуальна и сточки зрения снижения затрат на топливно-энергетические ресурсы, цены па которые будут и в дальнейшем постоянно расти.
Характеристика рейдов приплава лесопромышленных предприятии Лесопромышленные предприятия с рейдами приплава размещаются на стыке водного (сплавного) пути и сухопутного транспорта общего назначения (железнодорожного или автомобильного) в крупных населенных пунктах (рис. 1.1), обеспеченных рабочей силой. Древесное сырье доставляется сюда сплавом, подвергается первичной обработке, частично или полностью перерабатывается на ле-сопродукцию (пиломатериалы, строительные конструкции, заготовки, мебель, бумага, картон) и отгружается потребителям водным или сухопутным транспортом [154].
Рейды приплава лесопромышленных предприятии (рис. 1.4) предназначены для приемки лесных грузов, поступающих водным лесотранспортом в плотах, судах или молевым сплавом, подготовки и выгрузки их на берег, подачи круглых лесоматериалов в цеха обработки или переработки, перегрузки лссопродукции на другие виды транспорта {табл. 1.6). Рейд приплава может быть как самостоятельным предприятием, снабжающим лесоматериалами несколько потребителей, так и цехом лесоперевалочного, целлюлозно-бумажного пли деревообрабатывающего предприятий. Важным параметром рейдов приплава является их годовой грузооборот [298]: мелкие - до 100 тыс.м ; средние — от 100 до 300 тыс.м ; крупные — ЗООтыс.м3 и более (табл. 1.7).
За последние 15 лет грузооборот лесоперевалочных предприятий сократил -ся в девять раз, а большинство предприятий из средних и крупных перешли в разряд мелких (табл. 1.7).
К основным видам операции лесопромышленных предприятий с рейдами приплава относятся: приемка и отстой лесных грузов на рейде; расформирование лесотранспортпых единиц, сортировка и подача их к участкам выгрузки; выгрузка лесоматериалов с воды на берег; раскряжевка хлыстов на сортименты и их сортировка, штабелевка, пакетирование, торцевание и погрузка круглых лесоматериалов в вагоны для отправки потребителям; окорка и подача в специальные цеха для производства лесопродукции (лесопиление, шпалопиление, тарное производство, выработка щепы, сушка и изготовление мебели, целлюлозно-бумажное производство и т.д.).
Несмотря на наличие многих общих операций, применяемых в технологических процессах этих предприятий, имеются и существенные отличия, заключающиеся в подготовке древесного сырья к дальнейшей переработке [154]. Если этот фактор полностью отсутствует и технологических процессах лесоперевалочных баз и лесных причалов, то для деревообрабатывающих и лесопильно-деревообрабатывающпх комбинатов операция по подготовке круглых лесоматериалов к окорке и распиловке является такой же необходимой, как и все остальные операции, В свою очередь на лесных складах ЦБК, ЛЗ, ДОК, ЛПДК полностью отсутствует погрузка круглых лесоматериалов в вагоны РЖД и отправка их потребителям. С учетом указанных отличительных особенностей лесоперевалоч 21 пых процессов предприятии с рейдами приплава выделены три группы структурных схем основных операций [49] в зависимости от шща водного транспорта леса (прил. 1.1).
По видам поставок древесного сырья на лесопромышленные предприятия их рейды приплава подразделяются на рейды, принимающие древесину в плотах, судах, молем, и на рейды со смешанной поставкой (рис. 1.5). На рейды со смешанной поставкой в первый период навигации лесоматериалы поступают в плотах или судах, а во второй- молевым лесосплавом.
При поступлении лесоматериалов на рейд приплава в imomax [49] выполняют постановку плотов на плотостоянки, их расформировку на секции и линейки пучков, подачу пучков в молехранилище (рис. 1.6), роспуск пучков в молехрани-лище, дополнительную сортировку круглых лесоматериалов и подачу их на выгрузку. Для этого на рейде приплава организуют три участка: приемки плотов на плотостоянках, расформировочный, размолевочно-выгрузочный. Плотостояпка предназначена для приемки поступающих лесоматериалов и плотах и временного хранения их до подачи на выгрузку. Плотостояпка образуется системой причальных бонов или деревянных многорядных плиток, закрепленных стальными канатами за донные или береговые опоры.
Математическое моделирование процесса формирования лесных грузов передвижными торцевыраишшателями
Дальнейшими исследованиями ВКНИИВОЛТ в этой области являются работы [147, 168, 261, 262, 263], в которых рассмотрены вопросы механизации и автоматизации лесоперевалочных операций на лесоперевалочных базах и лесных складах с использованием перспективного оборудования. Особое внимание было уделено средствам механизации обработки лесоматериалов на лесоперевалочных предприятиях и лесных складах [147, 262].
Исследования производственных процессов рейдов приплава ВКНИИ-ВОЛТом проводились как отдельно, так и совместно с другими научными организациями, в частности кафедрой водного транспорта леса МарПИ, результаты которых отражены в работах [141, 144, 261, 317, 328]. В указанных работах, выполненных при участии автора, разработаны рациональные технологические процессы рейдов приплава с технико-экономическим обоснованием; собран и проанализирован фактический материал по 17 лесопромышленным предприятиям Волжско-Камского бассейна [54, 261]. Объектами исследований являлись также основные грузопотоки лесных грузов в судах Российской Федерации, существующая технология погрузочно-выгрузочных работ и применяемый состав оборудования на лесных причалах [141, 328]. Разработаны мероприятия по совершенствованию судовых перевозок лесных грузов, составлены 57 технических паспортов погрузочно-разгрузочных причалов [328] в 7 речных бассейнах Российской Федерации.
Исследованиями лесоскладских процессов лесоперевалочных предприятий занимались также Гипролестранс [227], Центрогппрошахт, ЦНИИЭВТ МРФ [26], ЦНИИ МПС [210], НИИЖТ [149], ГИИВТ [137], которые выполнили целый ряд технико-экономических исследований по улучшению поставки крепежного леса наугольные шахты России. ЦНИИМЭ [50, 91], Гипродрев [136], СепНИИП [169], СНИИЛП [87, 329], ЦНИИМОД [136, 286] п другие научно-исследовательские институты внесли значительный вклад в развитие техники и технологии лесных складов, а также в исследование средств механизации и автоматизации лесоперевалочных процессов, В связи с возрастающими экологическими требованиями к лесосплавным водоемам повышенное внимание уделяется поиску и подъему затоновшеп древесины на рейдах приплава ЛПП [158,314, 322].
Эксплуатация подъемно-транспортного оборудования общего назначения на рейдах приплава имеет некоторые особенности, связанные с выгрузкой лесоматериалов с воды [54, 299]. Систематические исследования режимов работы кранов в лесной промышленности впервые проводились институтами ВНИИПТмаш [28] и ЦНИИМЭ [17]. Большие исследования по эксплуатации грузоподъемного оборудования проводят ВНИИПТМаш [46, 299], ВНИИ-Стройдормаш [24, 119, 175, 223, 225], ЦНИИМЭ [17, 50, 91, 323], ВКНИИВОЛТ [147, 257, 271], МГУЛ [16, 86, 210, 266, 315], СПбЛТА [118, 121, 232, 240], ГИИВТ [137, 181], Лесинвест [227, 318], СНПЛО [87, 329], крано-строитсльный завод им. СМ. Кирова [13, 108, 122,157]. Однако, существующие методики расчета нагрузок на грузоподъёмные машины [46, 98, 251, 252, 277] не учитывают перечисленных выше особенностей лесоперевалочного процесса на рейдах приплава. "При работе в воде пли вязких материалах ёмкость грейфера должна быть снижена для компенсации силы присоса. В этих случаях, если отсутствуют специальные данные, рекомендуется расчётный вес грейфера с грузом условно увеличивать па 25%" [299: т.1.-с.51]. Основные данные режимов работы грузоподъемных машин в лесной промышленности приведены в работе [91].
В литературных источниках по динамике грузоподъемных машин [13, 14, 24, 46, 161, 164, 195] и теории колебаний [138] наиболее полно освещены вопросы расчета динамических нагрузок в крановых и близких к ним экскаваторных системах при подъеме груза. Вопросы расчета максимальных усилий, возпикающих в грузовом канате крана при подъеме груза от земли освещены в монографиях и справочниках П.Е.Богусловского [28], М.М.Гохбсрга [299], Л.И.Дукельского [14], М.С.Комарова [167], С.Л.Козака [164], Б.Л.Таубера [315], Н.Л.Лобова [195], а также в многочисленных статьях. Ряд вопросов динамики подъема лесных грузов от земли краном, с учетом особенностей экс-плуатаци лесных погрузочио-разгрузочных машин, исследованы Б.Л.Таубсром [316], В.М.Алябьевым [16], А.Ф.Тихоновым, Л.В.Жуковым, А.И.Смеяном [325].
Вопросам динамики подъемно-транспортного оборудования при выгрузке лесных грузов с воды посвящены работы Б.Л. Таубера, B.C. Наймана [316], М.В. Борисова, Л.В. Козлова, Э.М. Ощепкова [31], Г.Ґ. Ушакова, Ю.И. Демя-ненко, Г.Д. Низам [329], М.И. Комарова [166], И.А. Беленова, В.Н.Патякина, В.К.Сербского [232], Ф.Е.Захаренкова [120]. В работе М.В.Борисова [31] приведены результаты экспериментальных исследованиП на модельной установке М1:10 по определению усилии в грузовом канате крана при подъеме пучка бревен с воды. В результате исследований были сделаны следующие выводы: 1) при подъеме пакетов круглых лесоматериалов с воды в грузовых канатах подъемных механизмов возникают дополнительные усилия, составляющие 10...40% веса пакета в зависимости от скорости подъема груза 0,133...0,4 м/с; 2) дополнительные усилия в грузовом канате при подъеме пакета с воды зависят от скорости подъема, полнодревесности пакета, габарита пакета в плане.
Анализируя состояние изученности динамики подъемно-транспортного оборудования при выгрузке лесных грузов с воды, приходится признать, что эта проблема чрезвычайно сложная и многие ее вопросы еще не решены. Если по теории динамики подъема груза от земли краном имеются многочисленные работы [16, 28, 164, 167, 195, 299, 315, 325], то в области исследования динамики крана при подъеме лесных грузов с воды, с учетом специфических особенностей плавающих лесотранспортных грузоединпц в ограниченном водном пространстве, сделано мало [31, 120, 166, 316, 329]. Отсутствие достаточных сведений о расчетных нагрузках, возникающих при отрыве лесных грузов от воды, отражается на работе подъемно-транспортного оборудования. В итоге одни типы кранов большой грузоподъемности с малыми скоростями подъема имеют излишние запасы прочности, а другие с большими скоростями - недостаточные, что подтверждается случаями их поломок [54]. Все это обуславливает низкую эффективность использования грузоподъемных машин на рейдах приплава.
Анализ работ по формированию лесных грузов торцепмравшшателнмн Применение торцевыравнивателей обусловлено несовершенством технологического оборудования, используемого на лесоскладских работах, условиями транспортировки круглых лесоматериалов по водным путям и перевозки их в смешанном сообщении. Проблеме торцевания посвящены исследования А.А. Труфанова, Д.И. Кожанова, Я.И. Виноградова, И.П. Донского, Н.Т. Гончаренко, М.В. Борисова, ІІ.Е. Варакса, В.А. Щербакова, В.М. Филатова, А.В. Козлова, Н. Д. Ми колен ко, В.И. Сокикас, С.С. Лебедь, М.И.Жаркова, К.А. Свиридюк, А.С. Фадеева, В.Т. Лукина и других авторов.
Влияние конструктивных особенностей гравитационного торцевы равниватсля на процесс формирования лесных грузов
Институтами ВКНИИВОЛТ, совместно с ВНИИстройдормаш и МарГТУ разработаны 3 типа гравитационных торцевыравнивателей К-127, К-142, К-153 и 2 типа передвижных торцевыравнивателей ТПК-10, ЛВ-169 (рис.ЗЛ) к башенным и портальным кранам, наличие которых составляет около 40% грузоподъемного оборудования в лесопромышленном комплексе России (прил. ЗЛ).
Предметом исследовании является определение усилия торцевания круглых лесоматериалов и параметров передвижных и гравитационных торцевыравнивателей для лесоперевалочных работ на рейдах приплава лесопромышленных предприятий.
При формировании или выравнивании торцов лесных грузов возникают силы трения перемещения круглых лесоматериалов относительно друг друга и обвязки (пучка, пакета), а также со щитами торцевыравнивающих устройств. Силы трения, которые необходимо преодолеть при выравнивании торцов, зависят от многих факторов, а также от натяжения в обвязке лесотранспортной гру-зоединпцы. Усилие торцевания, которое необходимо приложить к рабочему органу торцевыравнивателя является основным при разработке торцевыравнивающих машин. Для исследования процессов торцевания лесных грузов применялись три основных метода: 1 )жидкостной без учета сил трения [269]; 2)с учетом сил трения, используя теорию сыпучей среды [109]; 3)энергетический принцип [348].
Примем следующие допущения и ограничения [76, 333]: лесной груз в торцевыравнивателе представляет сыпучую среду (рис. 3.2), состоящую из круглых лесоматериалов одинакового диаметра d, веса q, сбежистости и шероховатости боковой поверхности, обвязанных гибкими канатами. Масса обвязок мала по сравнению с массой груза, поэтому она может не учитываться. Поперечное сечение формировочного устройства торцевыравнивателя имеет І пс. 3.1. Передвижные и переносные торпешлрішшшаїслп: 1-ТПК-10, 2-JIB-169, 3-К-127,4-К-І42,5-К-153 форму плоской симметричной фигуры (полукруг, прямоугольник, равнобедренный треугольник или трапеция, сложная форма (полукруг+прямоугольник)). В формировочном устройстве торцевыравшшателя принимается структура расположения круглых лесоматериалов, в котороїї каждое бревно касается четырех соседних (рис. 3.2). Коэффициенты трения (сопротивления): сортиментов между собой/с, между лесоматериалами н обвязкой , между бревнами и опорными стойками формировочного устройства , при их относительном перемещении вдоль волокон, равны между собой.
Рис. 3.2. Расчетная схема расположении нуїка сорпшентон и форліпрішочиом устройстве передншшшготорцекырашпшателн
При определении усилия торцевания лесоматриалов предполагается, что сумма усилий торцевания горизонтальных рядов бревен /\J(:H,.,7 вторцевыравни-вателе равна сумме усилий торцевания вертикальных рядов Fitc,(l(:p. Геометрическая сумма векторов сил: распорных усилий N&OK и сил тяжести /, действующих на расчетное бревно, принимается равной нормальной реакции Nlt совпадающей по направлению с линией действия силы тяжести q (рис. 3.2). Влияние проволочных обвязок на лесной груз учитывается приведенной, равномерно распределенной нагрузкой из дополнительных рядов сортиментов, высотой h,,p.
Для составления математических моделей [79] использовались методы математического анализа, уравнений статики, общего уравнения динамики, дифференциальных уравнений Лаграпжа II рода, а также графоаналитический метод.
В главе использовались совместные разработки с Л.С.Фадеевым [71, 72]. 3.2. Математическое моделирование процесса формировании лесных грузов передвижными торцепырашпшателимп
Определение нормальных сил, действующих на сортиментний пучок вторцепыравшшптсле Определим нормальные силы, действующие на пучок круглых лесомате риалов, помещенный в передвижной торцевыравшшатель ТПК-10 (рис. 3.3). При выравнивании торцов сортиментного пучка весом G„ вертикальными щи тами торцевыравнивателя необходимо учитывать влияние усилий Гот обвязок: где Р0 — интенсивность равномерно распределенной нагрузки по периметру пучка, Ы/м; г — радиус кривизны пучка круглых лесоматериалов, м; К- коэффициент, учитывающий какая доля веса пучка падает на обвязку.
В связи с тем, что на пучок наложены обвязки, то усилия от последних будут передаваться на наружный по периметру слой круглых лесоматериалов, что вызовет дополнительное сопротивление перемещению их Б пучке. Согласно принятым ранее допущениям
Заменим давление от обвязок пучка (рис. 3.2) приведенной, равномерно распределенной нагрузкой из дополнительных слоев сортиментов высотой h,,p и весом G„p где у ) — плотность древесины, кг/ м ; р - коэффициент полподревесности пучка сортиментов. Интенсивность равномерно распределённой нагрузки определим по выражению Po!=Gnp/B. (3.5) Подставляя в (3.5) значение (3.4), получим значение интенсивности равномерно распределённой нагрузки
Результаты производственных исследований мостовых кранов
Проведенные натурные испытания грузоподъемного оборудования на ЛПП с рейдами приплава показали, что в производственных условиях провести весь объем экспериментальных исследований без нарушения производственной деятельности лесопромышленных предприятий практически невозможно. Для этого необходимо иметь специальный мощный кран груз о подъем ностыо 392 кН, у которого можно плавно регулировать скорость подъема лесных грузов от 6 до 90 м/мин. Кроме того, на одном предприятии практически невозможно обеспечить необходимую разновидность сплавных лесотранспортных единиц (хлыстовые и сортиментные пучки, плитки), а также варьирование размерами выгрузочного дворика и глубины воды в нем в широких пределах (табл. 4.1). Названные выше причины заставили с целью более глубокого изучения процесса выгрузки лесных грузов с воды прибегнуть к методу физического моделирования.
Экспериментальные исследования гидромеханических нагрузок на кран при подъеме лесных грузов с воды проводились на физической модели механизма подъема, что позволило учитывать диссипативные свойства крановой металлоконструкции, проводить эксперименты для различных сочетаний жесткости крана. Исходной для моделирования была принята 2-х массовая система крана, при конструировании которой достаточно обеспечить подобие входящих в эту систему параметров. В период неустановившегося движения механизма подъема груза на систему действует энергия движущей силы, приложенной к грузу и направленной вдоль грузового каната, причем ускорение механизма подъема предполагается постоянным по величине в период времени его действия.
Анализ теоретических [195, 232, 316] и экспериментальных [31, 52, 166] исследований, а также проведенные экспертные оценки, отсеивающий и произ 157 водственный эксперимент позволили установить, что на величину случайной нагрузки на кран от перегрузки веса груза Кз при подъеме пакета бревен с воды существенное влияние оказывают: вес груза G/, скорость подъема V, габариты пакета: длина L, ширина В, высота Я; средний диаметр бревен сі, жесткость металлоконструкции крана с, угол наклона поднимаемого пакета к поверхности жидкости а, угол взаимного расположения бревен в пакете в, угол отклонения груза от оси подъема у, коэффициент кинематической вязкости воды у, ускорение свободного падения д. В соответствии с теорией подобия [25, 283] из 11 параметров, среди которых три параметра G},V,c выбраны основными, можно составить 8 безразмерных комплексов, являющихся критериями подобия
Физическая сущность протекаемого процесса при подъеме пакета бревен с воды краном заключается в том, что одновременно действуют силы тяжести и вязкости. Если на модели применяется та же жидкость, что и в натуре, то строгое подобие процесса возможно лишь для одной силы. Накопленный экспериментальный материал [31, 52, 166] показывает, что гидромеханические силы сопротивления воды движению груза при увеличении геометрического масштаба модели не зависят от числа Рейнольдса, Проведенный анализ гидромеханических сил, действующих на плавающий груз при подъеме его с воды краном, показал [52], что силы поверхностного натяжения жидкости, капиллярного давления воды в пакете и разрыва водяного столба, увлекаемого грузом, составляют 1,2%, а силы тяжести древесины вместе с присоединенной массой жидкости внутри пакета- 98,8%. В силу изложенного, процесс подъема лесного груза с воды краном, при действии преобладающих сил тяжести, можно моделировать по гравитационному закону подобия. Моделирование процесса подъема пучка бревен с воды но критерию Фруда требует соблюдения следующих равенств, приведенных в прил. 5.1, в котором даны соотношения между различными физическими величинами и свойствами жидкостей натуры и моде 158
Масштаб лабораторной установки выбирался из условия создания турбулентного режима фильтрации жидкости внутри пакета лесоматериалов и размеров экспериментального бассейна. Экспериментальные исследования проводились в гидравлическом лотке МарГТУ прямоугольного поперечного сечения размерами 5x2x0,5м. Режим движения жидкости определялся опытным путем по известной величине коэффициента фильтрации для сбвокупности модельных хлыстов различных диаметров в масштабе 1, 10, 15, 20, 25 (прил. 5.2). Опыты показали, что турбулентный режим движения жидкости внутри пакета хлыстов сохраняется для модельных хлыстов диаметром свыше 1,1 см. По данным эксперимента была построена кривая влияния масштаба моделирования на величину случайной нагрузки (рис. 5Л). Из графика следует, что наиболее достоверные результаты лабораторных исследований можно получить при максимально возможном масштабе моделирования, равном 10.
Экспериментальная установка (рис.5.2) была смонтирована в лотковом зале гидравлической лаборатории Марийского государственного технического
Лабораторная установка для исследований случайной нагрузки на кран от перегрузки веса груза при подъеме пакета бревен с воды университета и включала в себя: 1) электропривод мощностью 1 кВт и диапазоном регулирования: скорости подъема от 0,005 до 0,6 м/с, жесткости крановой конструкции от 0 до 100 Н/м; 2) гидравлический лоток 8 х 2 х 0,5 м с варьируемыми размерами глубины и рабочей акватории выгрузочного дворика (рис. 5.3); 3) модели пучков, пакетов, плиток, хлыстов и бревен различных размеров; 4) металлический передвижной бак 1,3 х 1,3 х 0,8 м со стеклянными стенками, позволяющими проводить кино-фотосъемку процесса отрыва лесных грузов от воды; 5) стенд кино-фотосъемки с осветительной аппаратурой; 6) комплект измерительных приборов и регистрирующую аппаратуру; 7) пульт дистанционного управления механизмом подъема, измерительной и осветительной аппаратурой. Наряду с перечисленным оборудованием, при проведении экспериментальных исследований, использовалось также вспомогательное оборудование, обеспечивающее удобство проведения экспериментов (фототен-зометрическая лаборатория, набор измерительных приборов и инструментов).
Электропривод лабораторной установки выбирался из условия плавного регулирования скорости подъема и жесткости крановой металлоконструкции, отсутствием обратной связи при подъеме груза с воды, жесткостью его механических характеристик (прил 5.2).
