«ОЦЕНКА ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ ОПЕРАТОРА ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДЕРЕВЬЕВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ВЕТРОВАЛУ ...»

Санкт – Петербургский государственный лесотехнический

университет им. С.М. Кирова

На правах рукописи

Бучникова Наталья Борисовна

ОЦЕНКА ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ ОПЕРАТОРА

ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ

ДЕРЕВЬЕВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ВЕТРОВАЛУ

05.21.01. – «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, доктор технических наук, профессор Александров В.А.

Санкт – Петербург 2014 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ …...……………………………………………………………….

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ

1.

ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩИХ МАШИН НА

ЗАГОТОВКЕ ЛЕСА ………...……………………………

Обзор валочно-пакетирующих машин ………..………………………. 1. Методы определения динамических нагрузок в грузоподъмных 1.2.

машинах ………………....….…………………………………………... Обзор исследований динамики лесосечных машин 1.3.

манипуляторного типа ………..………………………………………... Обзор исследований по вибронагруженности операторов 1.4.

/машинистов/ лесосечных машин ……………………………………... Выводы. Постановка задач исследований ………………………….… 1.5.

ВИБРОНАГРУЖЕННОСТЬ ОПЕРАТОРА ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ В ПРОЦЕССЕ ПАКЕТИРОВАНИЯ ДЕРЕВА...

Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины 2.1.

при выравнивании платформы /четырхмассовая расчтная схема/.. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины 2.2.

при выравнивании платформы /трхмассовая расчтная схема/ ……. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины 2.3.

в режиме перенесения дерева поворотом платформы ……………… Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины 2.4.

в режиме стопорения с последующим обрывом связей (размыканием ветвей и сучьев) ……………………………………….

ВИБРОНАГРУЖЕННОСТЬ ОПЕРАТОРА ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ В ПРОЦЕССЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПЕРЕЕЗДОВ …………….……………………………………………… Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины 3.1.

при выведении срезанного дерева из древостоя ходом машины по поверхности без неровностей.…………………………………….. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины 3.2.

в процессе преодоления обособленной неровности …………………. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины 3.3.

в режиме преодоления препятствия методом «вывешивания».…….

ВИБРОНАГРУЖЕННОСТЬ ОПЕРАТОРА ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ С ХАРВЕСТЕРНОЙ ГОЛОВКОЙ ………..

Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины 4.1.

в режиме протяжки ствола и очистки его от сучьев ………………...

Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины 4.2.

в режиме аварийного сброса пакетируемого дерева ………..……….. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины 4.3.

в режиме натяжения ствола дерева /облома/ манипулятором ………

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.

ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ ОПЕРАТОРА ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ ………………………………………..……….. Задачи исследований …………………………………………………... 5.1.

Методика проведения экспериментальных исследований …………. 5.2.

Измерительная и регистрирующая аппаратура ……..……………….. 5.3.

Подготовка измерительной и регистрирующей аппаратуры 5.4.

к записи исследуемых параметров …………………………………… Определение числа опытов ………………………………………...…. 5.5.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ ОПЕРАТОРА ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩЕЙ

МАШИНЫ …………………………………………………………...… Экспериментальные исследования вибронагруженности оператора 6.1.

валочно-пакетирующей машины в режимах выравнивания платформы ………..…………………………………... Оценка корректности математического моделирования вибронагруженности оператора /стендовые исследования/ ……………………... Экспериментальные исследования вибронагруженности оператора 6.3.

валочно-пакетирующей машины в производственных условиях … ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ …………………………………. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.………………………... ПРИЛОЖЕНИЯ ………………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Многолетний отечественный и зарубежный опыт использования на лесосечных работах валочно-пакетирующих машин /ВПМ/ показал их перспективность и в будущем. При ведении валочно-пакетирующими машинами сплошных и выборочных рубок леса достигаются: высокая производительность труда, сохранение подроста, меньшее по сравнению с традиционными технологиями и машинами отрицательное влияние на окружающую среду. В то же время исследованиями [13] выявлено, что работа валочнопакетирующих машин сопровождается большими динамическими нагрузками в упругих связях, вызывающими значительные колебания е платформы, которые создают неблагоприятные условия для работы оператора.

Исследованиями, проводимыми Н.Д. Ромашкиным [107], было установлено, что из-за вибрации на сидении 32% опрошенных операторов валочно-пакетирующих машин ЛП-19 жалуются на болевые ощущения в спине, а 52% - в пояснице. По данным Т.П. Фролова [103] в общей структуре заболеваний машинистов более 25% приходятся на долю опорно-двигательного аппарата. Кроме того, исследованиями [31, 106] выявлено, что операторы из-за вибрации недоиспользуют 35% мощности двигателя.

В настоящее время дальнейшее развитие валочно-пакетирующих машин идт в направлении увеличения вылета манипулятора, введения накопителя в захватно-срезающее устройство, придание возможности поворота его в плоскости перпендикулярной манипулятору, расширения зоны применения /на пересечнном рельефе/ за счт введения выравнивателя платформы, а также рассматривается вопрос использования этих машин на разборе завалов леса после ветровалов.

Учитывая, что при разборе завалов леса валочно-пакетирующие машины будут работать в экстремальных условиях не только при движении по захламлнной лесосеке, но и при оперировании с предметом труда – вырванными с корнями деревьями или обломами деревьев, на первый план выходит задача – оценить возможность использования их не только с позиций нагруженности технологического оборудования и силовых установок, но и с позиций вибронагруженности операторов.

В отличие от выполняемых технологических операций ВПМ в обычных условиях /см. рис. 1.2, 1.3/ работа валочно-пакетирующей машины при разборе завалов леса сопровождается дополнительными операциями такими как:

– перевод ствола облома в вертикальное положение поворотом захватносрезающего устройства «снизу – вверх»;

– вытаскивание обломанного или вырванного с корнем дерева из завала стрелой или рукоятью или одновременным включением обеих;

– преодоление препятствий при технологических переездах методом «вывешивания машины»;

– перенесение /переориентирование/ ходовой системы в вывешенном положении относительно корпуса.

Одновременно с вышеотмеченным, технический прогресс в лесной отрасли идт в направлении дальнейшего повышения производительности машин. Повышение производительности машин в основном достигается увеличением мощности силовых установок, рабочих скоростей и форсированием пуско – тормозных режимов. При этом также неизбежно будет возрастать вибронагруженность оператора.

В связи с этим при создании новых и модернизации существующих валочно-пакетирующих машин возникает проблема согласования конструкции машины, технологии производства лесозаготовительных работ и возможностей человека – оператора.

Таким образом, разработка высокопроизводительных валочнопакетирующих машин, полностью использующих, но не превышающих возможности человека – оператора является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение эффективности валочно-пакетирующих машин путм использования на этапе проектирования аналитических методов расчта и научно-обоснованного выбора параметров, обеспечивающих снижение вибронагруженности операторов до уровня, регламентированного ГОСТ 12.1.012-90 «Вибрация. Общие требования безопасности» и санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.566-96.

Результаты диссертации по паспорту специальности 05.21.01 относятся к областям научного исследования: п. 5. «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» и п.9 «Автоматизация управления машинами, выбор системы учета лесопродукции, эргономики и безопасность условий труда».

Из поставленной цели вытекают следующие задачи исследований:

1. Разработать математические модели для изучения вибронагруженности операторов валочно-пакетирующих машин в процессах: выравнивания платформы, перенесения дерева поворотом платформы, стопорения, аварийного сброса дерева, движения по поверхности лесосеки, протяжки стволов деревьев и очистки их от сучьев.

2. Исследовать вибронагруженность операторов валочно-пакетирующих машин при разборе завалов леса после ветровалов и выявить основные закономерности возникновения динамических воздействий.

3. Разработать рекомендации по снижению вибронагруженности операторов валочно-пакетирующих машин.

4. Оценить возможность с позиций вибронагруженности оператора использования валочно-пакетирующих машин при разборе завалов леса после ветровалов.

Объекты исследования. Объектами исследований являлись валочнопакетирующие машины ЛП-19А, ЛП-19Б-01 и валочно-сучкорезнораскряжвочные машины, выполненные на их базе.

Предмет исследования – вибронагруженность операторов в процессе применения валочно-пакетирующих машин на разборе завалов леса после ветровалов.

Методы исследования. В основу изучения вибронагруженности операторов валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин положены математические модели динамических систем «Оператор – машина – дерево», компьютерные программы и эксперимент.

Научная новизна работы заключается в:

– разработке многофакторных математических моделей, позволяющих исследовать на этапе проектирования валочно-пакетирующих и валочносучкорезно-раскряжвочных машин вибронагруженность операторов в процессе разбора леса после ветровалов;

– проведении комплексных исследований вибронагруженности операторов валочно-пакетирующих и ВСР машин на разборе леса после ветровалов на основе использования математического моделирования, компьютерных программ и эксперимента.

Вклад в теорию и практику. Разработанные математические модели для исследования вибронагруженности операторов валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин, результаты исследований дополняют теорию лесных машин и являются базой для дальнейшего совершенствования существующих конструкций и создания новых, а также являются составными элементами автоматизированной системы проектирования (САПР).

Использование в практике проектирования теоретических разработок позволяет:

– научно-обоснованно производить выбор основных параметров валочнопакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин, обеспечивающих минимальные динамические нагрузки на машину и снижение вибронагруженности операторов до уровня, регламентированного санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.566-96;

– повысить качество проектирования при сокращении его стоимости;

– сократить сроки создания и доводки машин;

– повысить производительность.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели динамической /механической/ системы для исследования вибронагруженности операторов валочно-пакетирующих машин в процессе взаимодействия с предметом труда при разборе завалов леса.

2. Математические модели динамической системы «Оператор – валочнопакетирующая машина – предмет труда – дерево» для исследования вибронагруженности операторов в процессе движения и преодоления препятствий при технологических переездах.

3. Результаты исследований вибронагруженности операторов валочнопакетирующих машин при разборе завалов леса после ветровалов.

4. Закономерности возникновения динамических нагрузок в упругих связях валочно-пакетирующих машин.

5. Рекомендации по снижению вибронагруженности операторов валочнопакетирующих машин при разборе завалов леса после ветровалов.

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов, изложенных в диссертации, подтверждается использованием обоснованных расчтных схем математических моделей, основанных на фундаментальных законах физики, удовлетворительным соответствием результатов расчта и экспериментального исследования. Оценка корректности разработанных моделей производилась методом сравнения теоретических и экспериментальных данных по максимальным и среднеквадратичным значениям выходных параметров моделируемых процессов, а также использованием критериев достоверности.

Экспериментальные данные получены с использованием современных метрологически проверенных измерительных средств и обоснованием длительности и количества опытов.

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Диссертация является результатом теоретических и экспериментальных исследований автора, который обосновал тему, определил цель и задачи исследований, дополнил комплексы математических моделей с учтом вибронагруженности операторов в основных режимах работы валочнопакетирующих машин и предложил научные рекомендации на проектирование и эффективное использование рассматриваемых машин на разборе завалов леса после ветровалов.

Реализация работы. Основные результаты диссертации внедрены в учебные процессы Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета и Ухтинского государственного технического университета при чтении лекций по дисциплинам: «Математические основы моделирования технологических процессов лесных машин», «Математические основы моделирования технологических процессов лесохозяйственных машин», «Математическое моделирование при проектировании лесных и деревообрабатывающих машин», выполнении курсовых работ и в дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности 15.04 «Машины и оборудование лесного комплекса»; бакалавров по направлению подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование»; написании магистерских диссертаций при подготовке магистров по направлениям 150400 «Технологические машины и оборудование» и 151000 «Технологические машины и оборудование».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Санкт-Петербургской лесотехнической академии (2009, 2010 и 2011 г.г.), Ухтинского государственного технического университета (2010, 2011 г.г.).

Публикации. Материалы диссертации в виде статей опубликованы в шести изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных исследований. Из всего объема опубликованных работ авторский вклад составил печатных листа.

Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения.

Общий объм работы составляет 199 страниц, из них 196 основного текста и 3 страницы приложений.

Работа включает 54 рисунка, 23 таблицы и 113 наименований использованных источников.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩИХ МАШИН НА ЗАГОТОВКЕ ЛЕСА

Обзор валочно-пакетирующих машин 1.1.

Как уже отмечалось, отечественный и зарубежный опыт использования валочно-пакетирующих машин на лесозаготовках показал их перспективность и в ближайшем будущем. На рис. 1.1 приведена классификация валочно-пакетирующих машин. Все выпускаемые валочно-пакетирующие машины по компоновке агрегатов могут быть подразделены на две основные группы [82]:

– классическая компоновка – шасси /рама/ – полноповоротная платформа с манипулятором, оснащнным захватно-срезающим устройством, силовой установкой и кабиной, вращающаяся относительно неподвижного зубчатого колеса, расположенного на шасси;

– шасси – полноповоротная платформа с кабиной, манипулятором, захватносрезающим устройством, установленная на шасси с возможностью выравнивания при работе на пересечнном рельефе.

Отечественные валочно-пакетирующие машины разрабатываются или на базе трелвочных тракторов (ЛП-2, МВП-35, ЛП-54) или на базе экскаватора и трелвочного трактора (ЛП-19, ЛП-19А, ЛП-60 «Абакан», ЛП-19Ф и др.).

Зарубежные машины разрабатываются обычно на базе экскаваторов путм замены ковша на захватно-срезающее устройство /см. рис. 1.4…1.7/.

Отечественные машины, разработанные на базе трелвочных тракторов, предназначены для использования в древостоях со средним объмом деревьев 0.15…0.40 м3, на базе экскаватора и трелвочного трактора для крупного леса /см. рис. 1.8…1.10/.

Рис. 1.1. Классификация валочно-пакетирующих машин.

Рис. 1.2. Основные технологические операции, выполняемые ВПМ Рис. 1.3. Основные технологические операции, выполняемые ВПМ при ведении выборочных рубок леса.

Рис. 1.4. Валочно-пакетирующая машина Drott 40LC:

а – общий вид; б – выравниватель платформы.

Рис. 1.5. Валочно-пакетирующая машина OSA.

Рис. 1.6. Тимбко Хайдролисс.

Рис. 1.7. Rottne 5000.

Рис. 1.8. Валочно-пакетирующая машина ЛП-19А.

Рис. 1.9. Валочно-пакетирующая машина ЛП-60-01А.

Рис. 1.10. Валочно-пакетирующая машина ЛП-19Б-01.

В настоящее время для расширения зоны применения валочнопакетирующих машин в предгорьях и на пересечнном рельефе в конструкцию опорно-поворотного механизма платформы вводят выравниватель платформы или применяют ходовые системы с возможностью перемены дорожного просвета каждым бортом в отдельности.

На рис. 1.2 и 1.3 приведены основные технологические операции, выполняемые современными валочно-пакетирующими машинами при ведении сплошных и выборочных рубок леса, а на рис. 1.11 основные предполагаемые технологические операции, выполняемые ВПМ на разборе завалов леса после ветровала.

Рис. 1.11.Основные технологические операции, выполняемые Методы определения динамических нагрузок в грузоподъмных машинах Как уже отмечалось, зарубежные валочно-пакетирующие машины разрабатываются на базе экскаваторов путм замены ковша на захватносрезающее устройство. В отечественных машинах кроме замены ковша на захватно-срезающее устройство производится ещ замена ходовой системы экскаватора на ходовую систему от трелвочного трактора, что позволяет иметь лучшую проходимость в условиях лесосеки.

Таким образом, валочно-пакетирующая машина по устройству и назначению сходна с экскаватором или краном. Основное отличие заключается в работе. ВПМ взаимодействует не с жстким компактным /сосредоточенным/ грузом, а с длинномерным упругим телом – деревом, подверженным воздействию внешней среды. Кроме того, валочно-пакетирующая машина в процессе выполнения технологической работы вынуждена перемещаться по неподготовленной поверхности лесосеки с пересечнным рельефом при большом числе различных неровностей и препятствий. Вс это, как показали исследования [13, 14] делает работу лесосечных машин, в том числе и валочнопакетирующих более напряжнной по сравнению с грузоподъмными машинами общего и специального назначения.

Изучению динамики грузоподъмных машин посвящено большое количество публикаций [1-12, 80, 81]. Из них основополагающими являются труды Д.П. Волкова [1, 2], М.С. Комарова [3], С.А. Панкратова [4], С.А. Казака [5, 6], А.Н. Голубенцева [7], П.Е. Богуславского [11], Н.И. Григорьева [12] и В.И. Брауде [8, 10].

Исследованию лесных машин, оснащнных гидроманипуляторами, посвящены работы В.А. Александрова [13, 14], В.И. Алябьева [15], П.Д. Безносенко [19], П.С. Бурмака [20], А.В. Жукова [16, 17], Г.А. Рахманина [21], В.Ф.

Полетайкина [18], Г.Ш. Гасымова [82], Л.П. Максимова [31], З.К. Емтыль [44], И.Н. Багаутдинова [73] и других.

Анализ работ перечисленных авторов позволяет сделать следующие выводы:

1. В большинстве публикаций перечисленных авторов исследование динамики грузоподъмных, в том числе и лесных, машин проведено на многомассовых расчтных схемах, представляющих собой системы дискретных масс, соединнных упругими невесомыми связями и нагруженных приведенными силами или моментами сил.

2. Требованиям инженерного расчта отвечают двух-трхмассовые расчтные схемы.

Обзор исследований динамики лесосечных машин манипуляторного 1.3.

Динамике стационарного лесного погрузчика-штабелра посвящена статья Г.В. Рахманина [21]. Изучение динамики погрузчика, установленного на жстком основании, выполнено на двухмассовой расчтной схеме.

В публикациях В.А. Александрова [13, 14] исследована динамика лесосечных многооперационных машин, включая трелвочный трактор, валочнотрелвочные и валочно-пакетирующие машины, в пуско-тормозных режимах в процессе обработки деревьев, в режимах установившегося движения через обособленные неровности, а также в режимах «свободного повала» и валки дерева на пачку, уложенную в конике машины.

Исследования проведены на двух-четырхмассовых расчтных схемах.

Работа посвящена исследованию нагруженности валочнопакетирующих машин на постепенных и выборочных рубках леса. Исследования проведены на математических моделях, позволяющих определить динамические нагрузки на технологическое оборудование и силовые установки машины в режимах стопорения при выносе срезанного дерева из древостоя, разгона и движения по лесосеке.

Исследования З. Пацыньски [27] посвящены изучению процесса пакетирования деревьев во время «свободного повала». В работе получены аналитические зависимости, позволяющие определить в процессе пакетирования дерева нагрузки на машину. При этом манипулятор и дерево рассматриваются как абсолютно тврдые тела. В работе П.Д. Безносенко [19] изучен процесс перемещения срезанного дерева поворотом платформы ВПМ ЛП-2. Исследования проведены на трхмассовой расчтной схеме. При этом нижняя часть дерева отнесена к массе захватно-срезающего устройства и части стрелы и рукояти, а вторая (верхняя) часть выделена в самостоятельную массу. В результате исследований выявлено, что демпфирующие свойства кроны в режимах торможения составляют 27 процентов и вызывают значительное снижение динамических нагрузок.

Отдельные вопросы взаимодействия многооперационных машин манипуляторного типа с деревьями отражены в работах В.Ф. Кушляева [25, 26], С.Ф. Орлова и В.М. Рубцова [26, 50]. В процессе этих исследований выявлено влияние сопротивления воздушной среды на пиковые нагрузки, а также определены нагрузки на манипулятор в момент фиксирования дерева в захватах, натяжения ствола и несовпадения вертикальных плоскостей манипулятора и захватно-срезающего устройства.

Исследования Д.Г. Шимковича [24] посвящены оптимизации параметров при проектировании грузоподъмных механизмов рычажного типа для лесозаготовительных машин. В работе разработана система критериев для многокритериальной оптимизации геометрических параметров манипуляторов, обеспечивающая наивысшую производительность при минимальных массе и габаритах манипулятора, предназначенного для работы в заданной зоне обслуживания.

Работа Лащинского В.П. [29] посвящена повышению эффективности трелвочного трактора с манипулятором совершенствованием гидропривода.

В процессе исследований разработана математическая модель гидроманипулятора, учитывающая параметры дерева и начальное содержание нерастворнного газа в гидрожидкости.

Милютиковым В.Ю. |30] решена задача синтеза механического согласующего устройства. Выполнен сравнительный анализ функционирования механической системы «манипулятор – согласующее устройство» серийного манипулятора, а также разработана модель системы для исследования динамики.

В диссертационной работе Демакова В.М. [28] исследована динамика рубительных установок. Автором разработана математическая модель рубительной установки, включающей базовый трелвочный трактор ЛП-18А с манипулятором и рубительную машину. Исследованиями отмечен высокий уровень динамических нагрузок в элементах загрузочного манипулятора.

Повышению эффективности работы технологического оборудования лесосечной машины посвящена диссертационная работа Орлова А.Н. [32].

Автором предложена комплексная расчтно-эксперементальная методика оценки влияния характеристик системы пропорционального управления на долговечность и производительность лесосечных машин с гидроманипуляторами. Методика учитывает вероятностные характеристики и законы распределения динамических нагрузок в элементах конструкций.

В результате установлено, что применение систем пропорционального управления позволяет уменьшить пиковые значения динамических нагрузок на гидроманипулятор на 9-11 процентов и увеличить производительность трелевки на 20-25 процентов.

В работе Максимова Л.П. [31] получены и проанализированы данные о нагрузочных режимах силовых насосных установок валочно-пакетирующей машины ЛП-19А по элементам технологического цикла; определены условия согласованной и устойчивой работы замкнутых систем привода ВПМ, а также решена задача определения технико-экономических показателей лесозаготовительных машин манипуляторного типа.

Диссертация Ле Тан Куиня [33] посвящена изучению динамики взаимодействия трелвочного трактора с манипулятором и выравнивателем платформы или ВТМ на его базе с предметом труда – деревом на горных склонах и пересеченном рельефе. Исследования проведены на трехмассовой расчтной схеме. В результате установлено, что введение в конструкцию базы выравнивателя платформы улучшает условия работы операторов, но одновременно повышает уровень динамических нагрузок на машину.

Исследования В.Ф. Логинова [35] посвящены разработке и изучению способов валки деревьев с целью снижения нагруженности манипуляторов валочно-трелвочных машин. В работе предложен способ валки дерева на пачку, уложенную в конике ВТМ и изучена динамика процесса. Расчтная схема математической модели представлена приведнными массами манипулятора и предмета труда – дерева.

В работе Г. И. Семенова [36] изучена нагруженность опорных элементов ВТМ при направленном повале срезанного дерева на пачку, лежащую в конике. Пачка заменена тремя сосредоточенными массами, пакетируемое дерево рассматривается лишь как источник возмущения системы при его падении на пачку. Взаимодействие всей системы «база – манипулятор – дерево»

не рассматривается.

Работа Э.А. Дваранаускаса [39] посвящена обоснованию параметров трелвочного телескопического манипулятора. Автором разработана математическая модель для исследования продольной устойчивости машины в процессе подтаскивания дерева.

Г.В. Каршевым [40] осуществлено обоснование параметров манипуляторов лесных машин по металломкости и быстродействию. Установлено, что с позиций металломкости и быстродействия для ВТМ на базе ТДТ-55А с неполноповоротной колонной и максимальным вылетом манипулятора 5-6.5 м целесообразно принимать предельный угол разложения стрелырукояти 1500, высоту колонны 1.6-1.65 м.

В диссертационной работе Лю И [37] исключены недостатки расчтных схем и математических моделей В.Ф. Логинова и Г.И. Семнова. Автором при изучении динамики направленного повала срезанного дерева на пачку, находящуюся в конике ВТМ, разработана математическая модель замкнутой системы «ВТМ – дерево», учитывающая нагрузку на манипулятор при ударном воздействии с двух направлений – со стороны дерева и пачки через базу.

В.И. Третьяковым [38] исследована динамика лесопосадочного агрегата, состоящего из базового трелвочного трактора ТБ-1 и лесопосадочной машины, навешанной на манипулятор. В работе разработаны математические модели, позволяющие определить нагрузки на манипулятор и базу в технологических и транспортных режимах.

В диссертации Асмоловского М.К. [41] разработана математическая модель функционирования узкозахватной валочной машины, выполненной на базе трактора «Беларусь», с вертикально перемещаемым деревом. Модель учитывает воздействия от неровностей опорной поверхности, ветровой нагрузки, сил сопротивления со стороны стоящих соседних деревьев и двигателя.

Вопросы повышения наджности и снижения материаломкости гидроманипуляторов лесозаготовительных машин рассмотрены в диссертации Пупышева А.П. [45]. На основе экспериментальных данных по нагруженности гидроманипуляторов лесных машин разработана методика определения оптимальной стратегии управления гидроманипулятором при выполнении технологических операций.

Бушаковым С.А. [46] изучены нагрузки в шарнирах гидроманипуляторов лесных машин и рассмотрены методы их снижения. Исследования выполнены на математической модели с учтом люфтов и зазоров в шарнирных соединениях гидроманипулятора. В процессе исследований выявлены основные закономерности, связывающие динамические нагрузки с величиной зазоров, а также определены допустимые интервалы значений зазоров с позиций нагруженности гидроманипуляторов.

Исследования И.В. Лямина [49] посвящены изучению процесса пакетирования деревьев гидроманипулятором с совмещнным механизмом подъма и поворота. В результате исследований получены аналитические зависимости для определения углов поворота и подъма стрелы в зависимости от кинематических параметров устройства, усилий в захвате и на штоках гидроцилиндров привода стрелы на различных этапах функционирования.

Троязыков В.М. [51] исследовал управляемую валку дерева машиной с валочно-корректирующим устройством. В процессе исследований выявлена закономерность – если корректирующее устройство представляет собой дугу большого круга относительно опорного узла вращения дерева, то в этом случае реакция связи не зависит от текущих координат перемещения дерева.

В работе Костюкевича В.М. [43] изучена возможность повышения наджности манипуляторов лесных машин путм обеспечения безотказности и долговечности опорно-поворотных устройств. Автором разработана методика определения безотказности и долговечности опорно-поворотных устройств. Для уменьшения динамических нагрузок на элементы опорноповоротного устройства рекомендуется использование пропорциональной системы управления манипулятором.

Исследования Галимова В.М. [42] посвящены изучению динамики грейферного колсного лесопогрузчика в режимах подъма (опускания) дискретного груза-пачки сортиментов и при переезде обособленной неровности.

Исследования проведены с использованием двухмассовой расчтной схемы, которая не учитывает демпфирующие свойства гидропривода.

В работе Александровой В.Б. [47] исследована динамика валочнотрелвочных машин в режимах направленной валки деревьев, стационарного движения по волоку и разгрузки пачки ходом машины. В процессе исследований выявлены закономерности ударных нагрузок, установлены уровни нестационарной и стационарной нагруженности лесосечной машины и вибронагруженности оператора.

Вопросам динамики лесопогрузчиков посвящены труды В.И. Алябьева [15], Ю.И. Верхова [23] и В.Ф. Полетайкина [18].

В работе В.И. Алябьева рассмотрена динамика исполнительных органов лесопогрузчиков, осуществлена постановка и дано решение параметрической оптимизации погрузчиков при периодических внешних нагрузках.

Монография Ю.И. Верхова посвящена исследованию динамики лесопогрузчиков на колсной базе. Нагруженность погрузчика изучена на модели, учитывающей инерционные, упругие и диссипативные свойства механической системы «опорный массив – лесопогрузчик – груз».При этом выявлены и определены случайные и детерминированные возмущающие воздействия, влияющие на лесопогрузчик со стороны опорного массива и предмета труда.

В работе В.Ф. Полетайкина [18] исследована динамика гусеничных лесопогрузчиков «перекидного» типа. В результате исследований определены предельные динамические нагрузки, установлено влияние на динамическую нагруженность машины скорости движения, высоты преодолеваемых препятствий, жсткости рабочего оборудования, типа подвески корпуса машины, податливости грунта и условий движения.

Вопросы устойчивости валочно-пакетирующих машин изучены П.С.

Бурмаком [20]. Исследования проведены на математической модели, позволяющей рассматривать движение механической системы «ВПМ – дерево» в сторону опрокидывания как до, так и после отрыва одной из опор от грунта.

В работах А.В. Жукова, И.И. Леоновича [17], А.В. Жукова и Л.И. Кадолко [16] исследована динамика колесных лесопромышленных тракторов и автомобилей с погрузочным оборудованием манипуляторного типа. В процессе исследований рассмотрены колебания машин при периодических воздействиях и возмущениях случайного характера.

Исследования Емтыля З.К. [44], [68] посвящены повышению технического уровня гидравлических манипуляторов лесозаготовительных и лесохозяйственных машин. В диссертации разработана методика оптимизации по показателю металломкости параметров механизмов подъма стрелы и привода рукояти с учтом инерционных сил с использованием ЭВМ и установлено влияние скоростей движений штоков на оптимальные значения параметров.

Вопросам совершенствования лесных машин манипуляторного типа для сортиментной заготовки древесины посвящены исследования В.Г. Питеева [52]. В работе разработаны унифицированный ряд гидравлических манипуляторов и методика аналитического расчта их кинематики на ЭВМ.

В работе Рубцова В.М. [50] исследован процесс взаимодействия валочно-трелвочной машины манипуляторного типа с деревом при его валке и пакетировании. Математическая модель ВТМ с деревом составлена с использованием уравнений Аппеля. В то же время ВТМ в системе уравнений не представлена, рассматривается лишь перемещение абсолютно тврдого теладерева в вертикальной плоскости /плоскость манипулятора/.

Диссертация В.С.Кралина [48] посвящена оптимизации параметров манипуляторов лесозаготовительных машин по критерию материаломкости.

Оптимизация параметров выполнена на основе тензометрических испытаний ВТМ ВП-80.

В работе Нгуен Ван Лоя [59] рассмотрена нагруженность подвески валочно-пакетирующей машины ограниченной грузоподъмности при работе на склонах и пересечнном рельефе. Исследованиями выявлено, что в процессе подъма /опускания/ срезанного дерева стрелой манипулятора и перенесения его поворотом динамическая нагрузка на раму в зоне подвески машины составляет 3.12…3.66 кН. С введением в конструкцию ВПМ выравнивателя платформы динамические нагрузки уменьшаются, однако при этом увеличивается деформация подвески базы.

В работах [54, 55] рассматриваются методика определения максимальной ударной нагрузки на манипулятор и некоторые частные задачи по снижению динамической нагруженности манипуляторов ВПМ за счт включения в конструкцию манипулятора дополнительного упругого элемента.

Чураков А.А. [53] исследовал динамику валочно-пакетирующих машин типа ЛП-19А и ЛП-19В в пуско-тормозных режимах при перенесении вертикально расположенного дерева поворотом платформы. Исследования выполнены на математических моделях с учтом конструктивных особенностей механизма поворота.

Работы И.Г. Мосеева [56] и Б.В. Мурычева [57] посвящены изучению нагруженности силовых установок валочно-трелвочных и валочнопакетирующих машин в режимах пуска и стопорения при выполнении одной или нескольких операций одновременно. Исследования проведены на двухтрхмассовых расчтных схемах. Основной результат – установлен высокий уровень добавочных динамических моментов на силовую установку ВПМ, который достигает при минимальных угловых скоростях перед началом стопорения 40...50% от номинального момента, развиваемого двигателем.

В статье [58] В.П. Ермольевым приведены результаты теоретических исследований динамики стрелового манипулятора с жстким захватом дерева. В результате установлено, что стреловой гидравлический манипулятор с жстким захватом дерева можно рассматривать как упругую конструкцию, совершающую колебания при нестационарных режимах работы, и которую с достаточной точностью можно привести к системе с одной массой.

Трусовцевым [64] исследована нагруженность валочно-пакетирующих машин типа ЛП-19А и ЛП-19В, в конструкцию которых введены выравниватели платформы. Динамика ВПМ изучена на 2 – 3-х массовых расчтных схемах. В результате выполненных исследований установлен высокий уровень динамических нагрузок в переходных режимах при выравнивании платформы.

В работе [62] изучены поперечные колебания дерева. Установлены частоты и коэффициенты затухания колебаний дерева при жсткой заделке комлевой части.

Работа Лэ Суан Тху [63] посвящена исследованию режимов стопорения при подъме /опускании/ выносимого дерева стрелой, подтягивании рукоятью и переносе поворотом платформы.

В диссертации Татаренко А.П. [65] разработаны математические модели механизмов манипулятора с учтом влияния податливости и утечек гидрожидкости на нагрузки в упругих связях технологического оборудования лесосечных машин.

У Корниенко В.В. [67] исследованы переходные процессы в конструкциях лесопогрузчиков манипуляторного типа. Установлено, что на уровень нагрузок определяющее влияние оказывают скорость движения машины, высота преодолеваемых препятствий и вылет манипулятора.

Вертикальная динамика лесопромышленных тракторов и е влияние на состояние почв вырубок рассмотрена в диссертационной работе Коновалова А.М. [66]. Основной вывод работы – снижение неподрессоренной массы у тракторов ТДТ-55А и ТБ-1М в два раза позволяет снизить уплотняющее воздействие на почву примерно на 15…30%.

В работе Колесникова П.Г. [69] выполнено обоснование основных параметров механизмов подъма и изменения вылета телескопической стрелы.

Диссертационная работа Сюнва В.С. [70] посвящена обоснованию перспективных систем машин для ведения рубок ухода за лесом. В процессе исследований разработана компьютерная модель технологического процесса рубки ухода за лесом.

Работа Багаутдинова И.Н. [73] посвящена совершенствованию опорноповоротного устройства лесозаготовительных машин типа ЛП-19В. Автором изучен процесс переноса дерева поворотом платформы при одновременном подтягивании дерева рукоятью.

В работе [92] приведены результаты экспериментальных исследований, позволяющие обосновать модель расчетного дерева применительно к обрубке сучьев, установлены законы распределения межмутовочных расстояний, средних диаметров сучка в мутовке, площадей оснований сучьев, получены корреляционные уравнения, устанавливающие связь между площадью оснований сучьев и длиной сучковой зоны.

Экспериментальными исследованиями [67] выявлено, что максимальная сила прижима обрабатываемого дерева ножами сучкорезной головки у самоходных машин находится в пределах 8000 – 34000 Н.

Б.Н. Новиковым в работе [60] исследована плотность ветвей ели. Основной вывод – плотность древесины из середины ветвей на 30-50% меньше плотности древесины комлевой части ветвей.

В.В. Сенниковым в работе [93] разработана математическая модель колебаний верхней свободной части протаскиваемого дерева переменной массы, переменной жесткости с учетом демпфирования; предложена методика оценки тягово-сцепных свойств протаскивающего механизма; установлены закономерности изменения тягово-сцепного усилия, развиваемого протаскивающим механизмом, в зависимости от пород и диаметров стволов обрабатываемых деревьев, условий обработки, шага установки контактных пластин рябух и усилия прижима рябух.

Исследованиями Манжоса Ф.М. [94] установлено, что при мгновенном приложении нагрузки в случае резания сучьев и полном перерезании сука возмущающая сила, вызывающая вынужденные колебания, имеет явно выраженный синусоидальный характер.

В работе [61] рассмотрены некоторые вопросы по обоснованию параметров валочно-сучкорезных машин. Доказывается, что обрезку сучьев на лесосеке возможно совместить со срезанием и валкой деревьев.

Разработке основ проектирования сучкорезных машин посвящена диссертационная работа В.И. Дитриха [95]. В процессе исследований выявлено, что динамические нагрузки, возникающие от неровностей ствола, находятся в линейной зависимости от скорости протаскивания; усилия от срезания мутовок /сосна/ не превышает усилий, возникающих от срезания одиночных сучьев максимального диаметра; усилия резания мутовок ели несколько ниже усилий, возникающих от резания одиночных сучьев максимального диаметра.

Нагруженность валочно-пакетирующих машин, оснащнных харвестерной головкой, освещена в работе Будевича Е.А. [89]. Автором изучена динамика в режимах протяжки ствола и очистки дерева от сучьев и при технологических переездах. Исследования проведены на трхмассовых расчтных схемах. Выявлено, что процесс очистки стволов деревьев от сучьев сопровождается высоким уровнем динамической нагрузки. Нагрузки зависят от породы и объма деревьев, вылета манипулятора, расстояния между мутовками и жсткости опорно-поворотного механизма.

К.т.н. Снопок Д.Н. [90] исследовал нагруженность силовых установок валочно-сучкорезно-раскряжвочных машин, выполненных на базе ВПМ ЛП-19А, в режимах протяжки ствола и очистки его от сучьев. Установлено при обработке деревьев объмом 0.5…3.5 м3 уровень динамических нагрузок на двигатель составляет 240…550 Нм, что приводит к снижению частоты вращения коленчатого вала дизеля до предельно допускаемой.

Обзор исследований по вибронагруженности операторов /машинистов/ 1.4.

лесосечных машин 1.4.1. Общие положения Изучению вибронагруженности водителей автомобилей, машинистов (трактористов) машин общего назначения посвящены основополагающие работы Р.В. Ротенберга [100], А.А. Хачатурова, В.Л. Афанасьева, В.С. Васильева и др. [104], К.В. Фролова, В.К. Асташева, В.И. Бабицкого, И.И. Быховского и др. [103], И.Б. Барского, В.Я. Аниловича, Г.М. Кутькова [102], В.В. Иванова, В.А. Иларионова, М.М. Морина, В.А. Мастикова [101] и др.

В результате выполненных исследований установлено:

1. Неблагоприятными условиями работы водителей являются:

– длительное воздействие колебаний, с учтом действия пиковых нагрузок со значительными ускорениями;

– неудобство позы. В положении сидя колебания передаются непосредственно позвоночнику, минуя нижние конечности;

– при частотах ниже 3-4 Гц хуже переносятся продольные и поперечные колебания, а при более высоких вертикальные;

– основная частота колебаний человеческого тела находится по-видимому, в пределах 3.5-5 Гц;

– колебания влияют на важнейшую характеристику водителя как оператора – на безошибочность его действий, его наджность;

– изменение частоты колебаний влияет на организм человека в большей степени, чем изменение амплитуды. Совместное влияние амплитуды z max и часz max n к, тоты колебаний n характеризуется параметром a где к – показатель. Величина «к» в зависимости от интенсивности колебаний находится в пределах 1.5…2.7;

– в первом приближении человека можно представить в виде сосредоточенной массы, помещнной на упругом основании. Жсткость основания и затухание колебаний в такой системе определяются жсткостью сиденья и затухания в нм, то есть жсткостью ягодиц и их демпфированием пренебрегают.

2. Сидящий человек может считаться практически линейной динамической системой [105].

1.4.2. Обзор исследований по вибронагруженности операторов /машинистов/ лесосечных машин Изучению вибронагруженности операторов или машинистов лесосечных машин посвящено незначительное количество работ.

Первой значительной работой по изучению вибронагруженности операторов-трактористов трелвочного трактора была работа кандидата медицинских наук Э.И. Гольдман [96]. Исследованию был подвергнут тогда ещ только что поставленный на серийный выпуск трактор ТДТ-55. Целью испытаний являлось получение сопоставимых между собой данных гигиенических и физиологических исследований. Было установлено, что вибрация на полу кабины превышает допустимые нормы в 1.5-2.0 раза. Ускорения на сидении при трелвке, как правило, достигали 0.8 g, а в отдельных случаях (при наезде на пни) приближались к 1 g. Полученные данные свидетельствуют о том, что амортизация кабин и сидений не обеспечивает нормальных условий работы трактористу.

Последующими исследованиями вибронагруженности машинистов (операторов) лесосечной машины манипуляторного типа [34], выполненной на базе трелвочного трактора ТДТ-55, выявлено, что вибронагруженность машинистов превышает допустимые нормы не только в процессе трелвки пачки деревьев или холостого хода, но и в пуско-тормозных режимах при работе манипулятора.

Н.Н. Горбачвым [98, 108] исследовались колебательные характеристики трелвочных тракторов ТДТ-75 и ТТ-4.

В результате было установлено:

– частоты собственных колебаний тракторов (115 и 120 кол/мин) – высокие, что свидетельствует о значительных жесткостях рессор передних кареток. В авто – и тракторостроении нижний предел частот собственных колебаний ограничивается началом зоны укачивания (35-40 кол/мин). Верхней границей комфорта принято состояние человека соответствующее колебаниям с частотой 120 кол/мин.

– при максимальной жсткости подвески сиденья (12.5 кН/м) частоты собственных колебаний остова трактора ТТ-4 (120 кол/мин) и его сиденья ( кол/мин) имеют близкие значения. При этом возможны неблагоприятные резонансные колебания.

Исследованиям параметров подрессоривания кресла водителя колсного трелвочного трактора посвящена работа Ю.Е. Рыскина [97]. Основной результат:

– подвеска сиденья должна быть мягкой со значением статического прогиба не менее 140 мм (жсткость сиденья сс = 5 кН/м);

– оптимальное значение коэффициента апериодичности в подвеске сиденья должно быть на уровне 0.4-0.6;

– повысить эффективность работы сиденья можно, создав подвеску с динамическим гасителем колебаний.

Н.Д. Ромашкиным в диссертационной работе [107] теоретическими и экспериментальными исследованиями выявлено, что современные валочнопакетирующие машины, обладая высокими технико-экономическими показателями, не в полной мере обеспечивают нормальные условия труда машинистам; дано обоснование некоторых параметров рабочего места машиниста.

В работе [106] представлены материалы исследований, раскрывающие эргономические требования к лесозаготовительным машинам и оборудованию, методы оценки эргономических параметров и снижения вибрации на рабочем месте оператора.

Выводы. Постановка задач исследований 1.5.

1. Исследованию процессов взаимодействия лесосечных машин манипуляторного типа с предметом труда – деревьями посвящено большое число публикаций. Основной метод изучения динамики – математическое моделирование с применением двух-четырхмассовых расчтных схем.

2. До настоящего времени процесс разбора завалов леса после ветровала остатся недостаточно механизированным с большим удельным весом применения ручного труда. Использование валочно-пакетирующих машин при разборе завалов леса не производилось и, естественно, вибронагруженность операторов также не изучалась.

3. Вибронагруженность операторов валочно-пакетирующих машин в процессе: преодоления препятствий; переориентирования ходовой системы с целью перемены направления движения методом «вывешивания»; стопорения при натяжении ствола дерева или облома; перенесение дерева или облома на технологический коридор; аварийного сброса также не изучалась.

4. При изучении вибронагруженности оператора валочно-пакетирующей машины его можно представить в виде сосредоточенной массы, помещнной на упругом основании. Жсткость основания и затухание колебаний в такой системе определяется жсткостью сидения и затуханием в нм, то есть жсткостью ягодиц и их демпфированием пренебрегают.

5. Повышенный уровень вибрации на сидении приводит к увеличению дисперсии ошибок оператора в управлении машиной, недоиспользованию мощности силовой установки и снижению производительности.

На основании вышеизложенного и учитывая тенденции развития лесосечных машин в диссертации поставлены следующие задачи исследований:

1. Разработать математические модели для изучения вибронагруженности операторов валочно-пакетирующих машин в процессах: выравнивания платформы, перенесения дерева поворотом платформы, стопорения, аварийного сброса дерева, движения по поверхности лесосеки, протяжки стволов деревьев и очистки их от сучьев.

2. Исследовать вибронагруженность операторов валочно-пакетирующих машин при разборе завалов леса после ветровалов и выявить основные закономерности возникновения динамических воздействий.

3. Разработать рекомендации по снижению вибронагруженности операторов валочно-пакетирующих машин.

4. Оценить возможность с позиций вибронагруженности оператора использования валочно-пакетирующих машин при разборе завалов леса после ветровалов.

ВИБРОНАГРУЖЕННОСТЬ ОПЕРАТОРА ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ В ПРОЦЕССЕ ПАКЕТИРОВАНИЯ ДЕРЕВА

Результаты исследований эргономики труда операторов валочнопакетирующих машин /ВПМ/ [106, 107] свидетельствуют о том, что конструкции сидений у серийно выпускаемых машин не обеспечивают необходимой защиты операторов от вибрации. Механические колебания тела человека или отдельных его частей оказывают сложное биологическое воздействие и могут вызвать ряд изменений в организме, влияющих на здоровье. В практике конструирования лесосечных машин, на наш взгляд, сложился неверный подход к улучшению условий труда операторов или машинистов, заключающийся в том, что выявлением вибронагруженности оператора при работе на новой машине разработчики занимаются не в процессе е конструирования, а в процессе испытаний опытных образцов. При таком подходе основные параметры новой машины уже определены и в дальнейшем при постановке на серийный выпуск не подвергаются существенным изменениям. Поэтому защита оператора от вибрации, если она превышает санитарные нормы, сводится лишь к подрессориванию сиденья, что как показала практика, не всегда осуществима.

Защиту от вибрации необходимо обеспечивать в процессе конструирования машины, когда варьированием параметров механической системы «лесосечная машина – предмет труда – дерево» можно достичь не только снижения нагруженности машины, но и вибронагруженности оператора. Для этого на этапе проектирования целесообразно использовать математическое моделирование.

Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины при 2.1.

выравнивании платформы /четырхмассовая расчтная схема/ Для создания удобств оператору при работе на склонах или пересечнном рельефе в конструкцию опорно-поворотного механизма валочнопакетирующих машин в последние годы вводят выравниватель платформы.

Кроме удобств оператору, выравниватель платформы расширил возможности оператора при взаимодействии машины с предметом труда – деревом.

В то же время исследованиями [82, 85] выявлено, что введение выравнивателя в конструкцию валочно-пакетирующей машины приводит к значительному росту динамических нагрузок на манипулятор и машину в целом.

Очевидно, что увеличение динамических нагрузок на машину неизбежно приведт и к росту вибронагруженности оператора.

На рис. 2.1 приведена расчтная схема динамической системы «Оператор – машина – дерево» [112].

Принятые обозначения:

J1 – момент инерции платформы;

J2 – момент инерции манипулятора с захватно-срезающим устройством /ЗСУ/, приведнный к оси поворота платформы;

J3 – момент инерции дерева, приведенный к оси поворота платформы;

J0 – момент инерции оператора относительно оси поворота платформы;

0, 1, 2 и 3 – угловые перемещения масс с моментами инерции соответственно J0, J1, J2 и J3;

c12 – приведенная угловая жсткость манипулятора;

c23 – приведенная угловая жсткость дерева;

c0 – приведенная угловая жсткость сиденья;

Р– усилие на штоках гидроцилиндров привода выравнивателя;

r– плечо силы Р;

Gп – сила тяжести платформы ВПМ;

L– вылет манипулятора;

Gк – приведенная сила тяжести манипулятора и ЗСУ;

r1 – радиус поворота оператора относительно точки 0 /оси поворота платформы/.

Принятые допущения:

Физико-механические свойства упругих связей постоянны.

Движения масс системы описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами.

Кинетическая энергия системы:

Потенциальная энергия системы:

Система дифференциальных уравнений примет вид Умножая уравнение (1) системы (2.1) на J1, уравнение (2) на J0, уравнение (3) на J3, а уравнение (4) на J2 и вычитая, получим Припишем к полученной системе уравнений (2.2) уравнения (2) и (3) системы (2.1), то есть Домножим уравнение (3) системы (2.3) на J2, а уравнение (4) на J1 и вычтем Продифференцировав дважды, получим (2.3), получим Из уравнения (1) системы (2.3) имеем Продифференцировав, получим

IV IV VI VI IV IV

уравнение (2.6) и преобразуем И окончательно

VI VI IV IV

где уравнение вида Решение уравнения (2.9) запишется как Исходные данные примем применительно к ВПМ ЛП-19А:

Объм дерева – 2.0 м3; сила тяжести дерева Gд=22000 Н; вылет манипулятора 1. При таких исходных данных коэффициенты дифференциального уравнения (2.8) будут иметь следующие значения:

2. Решим уравнение (2.9) методом Рунге-Кутта с помощью среды программирования MathCAD при начальных условиях соответственно:

На рис. 2.2-2.5 приведены типовые графики виброперемещения, виброскорости и виброускорения оператора на сиденье ВПМ, а в таблицах 2.1-2.3 результаты исследований при пакетировании деревьев объмом 0.5;

2.0; 3.5 м3.

Анализ результатов показывает, что во всех случаях уровень ускорений на сидении оператора превышает санитарные нормы в несколько раз.

Примечание: в режиме торможения (останова) Q Определяющее влияние на уровень ускорений оказывает интенсивность форсирования пускового режима, объм пакетируемого дерева и жсткость сиденья.

Вылет манипулятора имеет меньшее влияние.

Диапазоны изменения ускорений в зависимости от жсткости сиденья и объма пакетируемых деревьев составляют соответственно: 1.667…12.310;

2.03…10.24; 2.33…12.84 м/с2. Частоты колебаний оператора на сидении в зависимости от жсткости сидения и объма обрабатываемых деревьев составляют: 1.21…4.67; 9.37…10.15; 16.3…17.31 1/с. При этом перемещения оператора на сиденье достигают 0.126…0.210 м.

Анализ амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) на сидении оператора /см. рис. 2.6/, отражающих реакцию динамической системы на внешнее воздействие показывает, что основная полоса пропускания частот находится в диапазоне 3.14…12.56 1/с. Максимальные значения приходятся на частоту р = 8.79 и р = 10 1/с. Появление одной резонансной области на АЧХ объясняется ограничением диапазона частот 0…17.31 1/с. Последующие резонансные частоты лежат за его пределами. Интереса они не представляют, так как частота вынужденных колебаний не превышает 20…22 1/с.

Результаты исследований указывают на ограниченные возможности снижения вибронагруженности оператора за счт варьирования жсткости сиденья.

Более эффективным в этом случае является увеличение времени разгона и снижения скорости перемещения платформы.

Рис. 2.2. Графики виброперемещения (Vn,2), виброскорости (Vn,3) и Расчтные характеристики вибрационного воздействия на оператора V, м Расчтные характеристики вибрационного воздействия на оператора V, м Рис. 2.3. Графики виброперемещения (Vn,2), виброскорости (Vn,3) и Рис. 2.4. Графики виброперемещения (Vn,2), виброскорости (Vn,3) и Рис. 2.5. Графики виброперемещения (Vn,2), виброскорости (Vn,3) и Рис. 2.6. Амплитудно-частотные характеристики ускорений на сидении оператора при пакетировании деревьев V 2.0 м3, L 8 м, Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины при 2.2.

выравнивании платформы /трхмассовая расчтная схема/ Рассмотрим возможность упрощения расчтной схемы за счт объединения массы пакетируемого дерева и манипулятора с ЗСУ.

В этом случае /см. рис. 2.7 / J2 – момент инерции манипулятора с ЗСУ и дерева, приведенный к оси поворота платформы.

Кинетическая энергия системы:

Потенциальная энергия системы:

В соответствии с уравнением Лагранжа 2-го рода, имеем:

Умножим уравнение (1) системы (2.11) на J1, а уравнение (2) на J0 и вычтем из первого второе, то есть или преобразуя, получим Домножим уравнение (2) системы (2.11) на J2, а уравнение (3) системы (2.11) на J1 и вычтем из первого второе или преобразуя, получим И окончательно где уравнение Характеристическое уравнение имеет вид Решением уравнения (2.15) будет выражение Частота колебаний определяется как 1. Вычисляем коэффициенты А, В 2. Находим частоты колебаний 3. Примем режим разгона, то есть Тогда Таким образом Динамическая нагрузка определяется как Оценку трхмассовой расчтной схемы произведм при 0.2 1 и 0.15 с. В результате вычислений /см. рис. 2.8/ получены максимальные значения виброперемещения, виброскорости и виброускорения оператора на сидении 0.15 624. В переводе на линейные перемещения имеем:

Сравнивая с предыдущими результатами, полученными по четырхмассовой расчтной схеме, видим, что трхмассовая расчтная схема дат заниженные результаты.

Оценим приемлемость трхмассовой расчтной схемы с учтом параметров гидропривода выравнивателя платформы. С этой целью дополним систему уравнений (2.11) уравнением связи с гидроприводом [13] Рис. 2.8. Графики виброперемещения, виброскорости и виброускорения оператора на сидении.

Домножим уравнение (1) системы (2.17) на J1, а уравнение (2) на J0 и вычтем из первого второе К полученному уравнению (2.18) припишем уравнения (2), (3) и (4) системы (2.17), то есть где Решение неоднородного уравнения (2.22) будет состоять из частного решения и решения однородного уравнения [13].

В данном случае решением однородного уравнения будет Рассмотрим пример с теми же исходными данными, что и в предыдущем случае При этих значениях исходных данных коэффициенты дифференциального уравнения (2.22) будут иметь следующие значения:

Рис. 2.9. Графики виброперемещения оператора на сидении ВПМ.

1. Определяем коэффициенты затухания колебаний и частоты колебаний 2. Находим постоянные интегрирования при начальных условиях:

Чтобы оценить влияние параметров гидропривода выравнивателя на воздействие на оператора ВПМ примем те же начальные условия Тогда постоянные интегрирования будут равны:

При этих значениях /см. рис. 2.9/ максимальное значение будет равно 0.025 рад. По четырхмассовой схеме в этом случае было 0.041 рад, по трхмассовой 0.00427 рад.

Таким образом, окончательное решение необходимо принимать сравнением с экспериментальными данными.

Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в режиме перенесения дерева поворотом платформы На рис. 2.10 представлена расчтная схема механической /динамической / системы «Оператор – машина – предмет труда».

Принятые обозначения:

J1 – момент инерции поворотной платформы;

J0, J2 – соответственно моменты инерции оператора и манипулятора с захватно-срезающим устройством /ЗСУ/ и деревом, приведенные к оси вращения платформы;

1, 2, и 0 – угловые перемещения масс соответственно с моментами инерции J1, J2, и J0;

c12, c0 – приведенные крутильные жсткости соответственно гидроманипулятора и сиденья;

cп – крутильная жесткость привода платформы;

Рис. 2.10. Расчтная схема.

Мс – приведенный момент сопротивления перемещению дерева и платформы;

Мд – приведенный момент, отбираемый от силовой установки, для привода платформы;

В соответствии с уравнением Лагранжа 2-го рода система дифференциальных уравнений примет вид:

Домножим уравнение (1) системы (2.24) на J1, а уравнение (2) на J0 и вычтем из второго первое К полученному уравнению (2.25) припишем уравнения (2) и (3) системы (2.24), а также уравнение связи с гидроприводом [13] В последнем уравнении системы (2.26) обозначено:

где qн – объмная постоянная;

n– число оборотов гидромотора;

r– радиус тангенциальной составляющей;

н, ц – теоретические объмные КПД насоса с распределителем и гидромотора;

fп – эффективная площадь поршней;

Kн, Kц и K – коэффициенты пропорциональности;

р– давление в гидросистеме;

iп – передаточное число.

то уравнение (2.27) запишется в виде:

где Как было установлено ранее [13], решением дифференциального уравнения (2.29) будет где – решение однородного уравнения;

– частное решение.

Соответственно однородное и характеристическое уравнения имеют вид Характеристическое уравнение (2.31) имеет две пары комплексносопряжнных корней с отрицательными вещественными частями В соответствии с этим решением однородного уравнения (2.31) будет Рассмотрим пример с исходными данными применительно к ВПМ ЛП-19А.

В качестве расчтного случая примем пусковой режим работы. ВПМ ЛП-19А имеет следующие исходные параметры: масса поворотной части М=20000 кг; радиус инерции поворотной части z=0.5 м; масса манипулятора, приведенная к точке подвеса рабочего органа m2=220 кг; масса ЗСУ – 1500 кг; вылет манипулятора L=5 м; передаточное число iп=44.2; скорость поворота платформы 1 =0.625 1/с; время разгона tр=0.5 с; изгибная жсткость кН/м; расстояние от сиденья до оси поворота платформы r0=1.2 м.

При этих исходных данных коэффициенты дифференциального уравнения (2.29) будут иметь следующие значения:

1. Определяем коэффициенты затухания колебаний и частоты колебаний нагрузки [84] 2. Находим постоянные интегрирования при начальных условиях:

Тогда выражения для определения постоянных интегрирования будут иметь вид [14]:

Подставляя значения,, k и n, а также 1 и tp, получим:

3. Определяем деформацию упругой связи «с0» и динамическую нагрузку на оператора На рис 2.11 представлены графики изменения соответственно деформации упругой связи «с0», ускорения и динамической нагрузки на оператора.

Из графика видно, что максимальная деформация упругой связи при линейной жсткости сидения 10 кН/м составляет 0.0101 рад, динамический момент 145.68 Нм. Это означает, что динамическая нагрузка на оператора будет При этом перемещение оператора на сидении в горизонтальной плоскости (плоскости поворота платформы) составит Расчты показывают, что если уменьшить линейную жсткость сиденья до 5 кН/м, то динамическая нагрузка на оператора снижается до 70.09 Н, но при этом перемещение оператора на сиденье увеличивается до 0.014 м. В случае увеличения жсткости сиденья до 15 кН/м нагрузка на оператора возрастает до 183.14 Н, а перемещение снижается до 0.010 м. Уровень ускорений оператора на сиденье составляет 1.48…1.68 м/с2.

Рис. 2.11. Графики изменения соответственно деформации упругой Частоты колебаний нагрузки при варьировании жсткости сиденья находятся в диапазоне:

высокие 14.45…17.97 1/с (2.3…2.86 Гц);

низкие 6.44…8.96 1/с (1.02…1.43 Гц).

Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в режиме стопорения с последующим обрывом связей (размыканием ветвей и сучьев) На выборочных рубках леса и при разборе завалов леса после ветровалов часто возникают режимы стопорения элементов технологического оборудования ВПМ вследствие сплетения ветвей выносимого дерева с оставляемыми на лесосеке с последующим обрывом удерживающих связей (ветвей или сучьев). Как показали исследования [82] этот режим нагружения сопровождается значительными угловыми перемещениями масс механической системы.

/динамической/ системы зависят от вылета манипулятора, объма пакетируемых (обрабатываемых) деревьев и начальной скорости ствола дерева после размыкания ветвей. Причм определяющее влияние оказывает угловая скорость дерева.

Так как этот режим работы на выборочных рубках и разборе завалов леса происходит практически при выносе всех или почти всех деревьев, то естественно возникает задача произвести оценку не только нагруженности машины, но и вибронагруженности оператора.

На рис. 2.12 представлена расчтная схема динамической системы «оператор – машина – предмет труда – дерево».

Принятые обозначения:

J1 – момент инерции всех сборочных единиц, составляющих силу тяжести ВПМ, относительно линии опрокидывания поворотной платформы, проходящей через передние катки опорно-поворотного круга;

J2 – момент инерции манипулятора и захватно-срезающего устройства /ЗСУ/, приведенный к оси поворота платформы (т. к);

J3 – момент инерции дерева, приведенный к оси поворота платформы;

J0 – момент инерции массы оператора, приведенный к оси поворота платформы;

Рис. 2.12. Расчтная схема.

1, 2, 3 и 0 – угловые перемещения масс соответственно с моментами c12, c23 и c0 – соответственно приведенные угловые жсткости гидроманипулятора, дерева и сиденья оператора;

G– сила тяжести ВПМ без учта гидроманипулятора и ЗСУ;

GД – сила тяжести дерева;

hT – расстояние от оси подвеса ЗСУ до центра тяжести дерева;

МС – момент статического сопротивления повороту ВПМ.

Принятые допущения:

1. Физико-механические свойства упругих связей постоянны.

2. Движения масс системы описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами.

3. Сопротивление воздушной среды учитываем в статическом моменте сопротивления повороту ВПМ.

Кинетическая энергия системы Потенциальная энергия системы Выполнив преобразования в соответствии с уравнением Лагранжа II-го рода, получим следующую систему уравнений Преобразуя систему уравнений, получим частотное уравнение вида Перемещения масс системы определятся как С учтом соотношений между амплитудами обозначим:

Таким образом, выражения (2.36) запишутся В качестве начальных условий примем:

Решая систему уравнений (2.39) относительно А1, А2, А3 и А4, получим:

где Исходные данные примем применительно к ВПМ ЛП-19А:

1. Находим частоты колебаний масс динамической системы:

В результате решения уравнения, имеем:

3. Вычисляем амплитуды колебаний масс системы:

4. Находим характеристики вибрационной интенсивности воздействия на оператора 1.01 0.041 sin1.031 t 12.74 ( 0.0047 ) sin9.6 t ( 3.445) 0.000133 sin11.34 t ( 0.037 ) 0.0000265 sin53 t, 0 1.01 0.041 1.031 cos1.031 t 12.74 ( 0.0047 ) 9.6 cos9.6 t ( 3.445) 0.000133 11.34 cos11.34 t ( 0.037 ) 0.0000265 53cos53 t, 1.01 0.041 1.0312 sin1.031 t 12.74 ( 0.0047 ) 9.62 sin9.6 t ( 3.445) 0.000133 11.34 2 sin11.34 t ( 0.037 ) 0.0000265 532 sin53 t.

На рис. 2.13 приведены графики виброперемещения, виброскорости и виброускорения оператора на сиденье ВПМ при скорости перемещения ствола после размыкания ветвей Максимальные значения равны соответственно:

В переводе на линейные величины, имеем:

Из полученных результатов видно, что уровень виброускорения на сиденье оператора превышает нормативные значения в несколько раз.

1. Анализ результатов исследований вибронагруженности операторов ВПМ показывает, что в процессе выравнивания платформы во всех случаях при 1 уровень ускорений на сидении превышает санитарные нормы в 3.3…9.0 раз. Определяющее влияние на уровень ускорений оказывает интенсивность форсирования пускового или тормозного режимов, объм пакетируемых деревьев и жсткость сиденья. Вылет манипулятора имеет меньшее влияние.

2. При пакетировании деревьев объмом 0.5…3.5 м3 перемещения оператора на сидении в зависимости от его жсткости достигают 0.126…0.210 м. В то же время выявлено, что возможности снижения вибронагруженности за счт варьирования жсткости сиденья ограничены. Более эффективным является увеличение времени разгона (торможения) или снижение скорости перемещения платформы.

3. Диапазоны изменения ускорений в зависимости от форсирования пускотормозных режимов, жсткости сиденья и объма пакетируемых деревьев соответственно составляют: 1.667…12.310; 2.03…10.24; 2.33…12.84 м/с2.

Ускорения на сидении в горизонтальной продольной плоскости ВПМ превышают ускорения в вертикальной плоскости в среднем в 1.3 раза.

4. В режиме перемещения дерева поворотом платформы в горизонтальной плоскости уровень ускорений в 2.5…3.8 раза ниже, чем при выравнивании платформы, однако частоты воздействия близки к собственным частотам колебания человека.

5. Режим стопорения манипулятора валочно-пакетирующей машины с последующим обрывом связей сопровождается высоким вибрационным воздействием на оператора, превышающим нормативные значения в несколько раз.

ВИБРОНАГРУЖЕННОСТЬ ОПЕРАТОРА ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ В ПРОЦЕССЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕЕЗДОВ

В процессе ведения лесозаготовок, особенно при разборе леса после ветровалов, операторы применяют прим вывода срезанного дерева или облома ходом машины.

Учитывая, что на поверхности лесосеки имеется большое количество неровностей (валжные деревья, пни, выступающие корневые системы и т.д.) в этом режиме возможны значительные воздействия как на машину так и на оператора.

Для работы валочно-пакетирующих машин наиболее характерны три основных случая движения [14]: через обособленные неровности; по непрерывно чередующимся периодическим неровностям; со случайным микропрофилем. В отдельных случаях возможны технологические переезды и при отсутствии неровностей.

Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины при 3.1.

выведении срезанного дерева из древостоя ходом машины по поверхности без неровностей На рис. 3.1 представлена расчтная схема механической системы «ВПМ – оператор – предмет труда – дерево».

Принятые обозначения:

J1 – момент инерции платформы;

J0 – момент инерции оператора относительно оси поворота платформы;

J2 – момент инерции манипулятора, захватно-срезающего устройства /или харвестерной головки/, приведенный к оси поворота платформы;

J3 – момент инерции дерева, приведенный к оси поворота платформы;

0, 1, 2 и 3 – соответственно угловые перемещения масс с моментами c0 – угловая жсткость привода выравнивателя платформы;

cс – угловая жсткость сиденья;

c12 – приведенная угловая жсткость манипулятора;

c23 – приведенная угловая жсткость дерева;

GД – сила тяжести дерева;

r– радиус поворота сиденья относительно оси поворота платформы;

hT – расстояние от оси подвеса захватно-срезающей головки до центра тяжести дерева.

– путь горизонтальный, неровности отсутствуют;

– движение машины установившееся.

Кинетическая энергия системы:

Потенциальная энергия системы:

Выполнив необходимые действия в соответствии с уравнением Лагранжа 2-го рода, имеем:

Здесь Подставим выражения (3.2) в систему уравнений (3.1) Сократив на sin pt и отбросив индексы при 0, 1, 2 и 3, получим:

Из системы уравнений (3.4) выразим «3»

Значение для «3» подставим в уравнение (3) системы (3.4) и преобразуем Отсюда Значение для «2» подставим в уравнение (2) системы (3.4) и преобразуем Отсюда Выражение для «1» подставим в уравнение (1) системы (3.4) и преобразуем Выражение (3.5) позволяет определить угловые перемещения оператора при колебаниях механической системы.

Для упрощения расчтов обозначим:

Тогда Исходные данные примем применительно к ВПМ ЛП-19А:

r 1.2 м ; J c 1. Определяем значения коэффициентов, входящих в выражение (3.5) 2. Находим виброперемещения оператора на сиденье Таким образом, вибрационное воздействие на оператора будет Сравнивая полученные данные, видим что жсткость сиденья практически в этом режиме работы ВПМ не оказывает влияния на вибрационное воздействие оператора.

Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в 3.2.

процессе преодоления обособленной неровности Для работы ВПМ при разборе леса после ветровалов наиболее характерным является движение через обособленные неровности.

В этом случае внешнее возмущение может быть принято как где v– скорость движения;

S0 – длина неровности;

T– период колебаний.

На рис. 3.2 представлена расчтная схема, соответствующая данному режиму нагружений.

Переезд ВПМ через препятствие можно рассматривать как кинематическое возмущение на динамическую систему.

Допущение – сопротивлением воздушной среды пренебрегаем.

Кинетическая энергия системы:

Потенциальная энергия системы:

Произведя соответствующие действия, получим следующую систему уравнений Полагая, как и ранее:

и подставляя выражения для 0… 3 и вторые производные от них в уравнения системы (3.6), получим В полученных уравнениях сократим левые и правые части на sin pt и отбросим индексы при 0 … 3, то есть Из уравнения (4) системы (3.7) выразим «3»

Значения для «3» подставим в уравнение (3) системы (3.7) и преобразуем Значение «2» подставим в уравнение (2) системы (3.7) Полученное значения для «1» подставим в уравнение (1) системы (3.7) и преобразуем или и окончательно Таким образом, при преодолении обособленной неровности h = 12 см на скорости 2 км/час оператор подвержен вибрации Максимальные значения будут:

Так как уровень воздействия высокий, снизим скорость движения ВПМ до 0.5 км/час.

Как видим, уменьшением скорости передвижения ВПМ можно существенно снизить вибрационное воздействие на оператора.

В связи с тем, что наиболее часто встречаются неровности высотой 7-23 см [77], рассмотрим переезд обособленной ВПМ высотой 23 см при минимальной скорости движения.

Таким образом, переезд неровности даже значительной высоты на небольшой скорости позволяет снизить ускорения на сиденье оператора до допустимых значений.

Оценим теперь возможность уменьшения вибронагруженности оператора снижением жсткости сиденья.

Примем: h Сравнивая полученные результаты, видим, что уменьшение жсткости сиденья в два раза привело к увеличению вибрационных характеристик также в два раза.

То же самое наблюдается и при преодолении обособленной неровности высотой 12 см при той же скорости и жсткости сиденья:

При этих значениях 0 составляющие по осям будут иметь соответстz венно значения (см. таблицу 3.1.):

Таким образом, с позиций преодоления валочно-пакетирующей машиной обособленных неровностей, снижать жсткость сиденья не целесообразно.

Расчтные характеристики вибрационного воздействия на оператора Рассмотрим случай, когда ВПМ переезжает обособленную неровность без дерева в захватно-срезающем устройстве.

Кинетическая энергия механической системы:

Потенциальная энергия системы:

Произведя соответствующие действия, получим следующую систему дифференциальных уравнений:

Полагая, как и ранее:

и подставляя выражения для 0… 2 и вторые производные от них в уравнения системы (3.9), получим:

Сократив левые и правые части уравнений на sin pt и отбросив индексы при 0 … 20, получим Выразим из уравнения (3) системы (3.10) «2»

Значение для «2» подставим в уравнение (2) системы (3.10) и преобразуем Полученное значение для «1» подставим в уравнение (1) системы (3.10) или И окончательно Рассмотрим пример.

Примем: h 23 см;

Ранее, когда в процессе преодоления этого же обособленного препятствия с теми же исходными данными было Таким образом, при движении ВПМ без дерева в захватном устройстве вибронагруженность оператора снизилась в два раза.

Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в режиме преодоления препятствия методом «вывешивания»

Прим «вывешивания» ходовой системы валочно-пакетирующей машины применяется при преодолении препятствия значительной высоты.

Происходит он в следующей последовательности: вначале машинист наезжает на препятствие гусеницами, затем приводится в действие стрела манипулятора до упора захватно-срезающего устройства в грунт. За счт реактивной силы стрела поднимает вверх переднюю часть ходовой системы над препятствием. Включением гусениц ВПМ преодолевает препятствие.

Рассмотрим вибронагруженность оператора ВПМ в этом процессе. На рисунке 3.4 представлена расчтная схема механической системы.

Принятые обозначения:

J1 – момент инерции захватно-срезающего устройства и манипулятора относительно оси поворота, проходящей через точку А;

J2 – момент инерции поворотной платформы относительно оси поворота J0 – момент инерции оператора относительно оси поворота;

1, 2, 0 – угловые перемещения (координаты) масс системы соответственно с моментами инерции J1, J2, J0;

c12 – угловая жсткость манипулятора;

c0 – угловая жсткость подвеса сиденья;

Gк – сила тяжести корпуса;

к – расстояние от центра тяжести корпуса до оси поворота;

r– плечо силы Р.

Кинетическая энергия системы:

Потенциальная энергия системы:

В соответствии с уравнением Лагранжа 2-го рода имеем:

Система дифференциальных уравнений будет Домножим уравнение (2) системы (3.11) на J0, а уравнение (1) на J2, вычтем из первого второе и преобразуем К полученному уравнению (3.12) припишем уравнения (2) и (3) системы (3.11) Домножим уравнение (2) системы (3.13) на J1, а уравнение (3) на J2 и вычтем из первого второе. Преобразуя, получим (J1 J 2 )c12J 2c Преобразуем полученное выражение где уравнение Его характеристическое уравнение будет иметь вид Решением уравнения (3.16) будет выражение где p1 и p 2 – частоты колебаний.

С целью нахождения общего интеграла системы дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами будем искать частные решения в виде Подставим эти значения в уравнения системы (3.11) и преобразуем Сократив на sin (pt ), получим:

Из уравнения (1) системы (3.19) имеем Значение для А подставим в уравнение (2) системы (3.19) Из уравнения (3) системы (3.19) выразим «В»

Значение для «В» подставим в уравнение (3.20) и преобразуем p 2 (J 2c0c12 c0 J 0c12 c0 J1c12 ) 0.

или p1, Рассмотрим пример применительно к валочно-пакетирующей машине ЛП-19А.

Примем режим работы – разгон.

Начальные условия для этого режима запишутся в виде:

Тогда выражения для определения постоянных интегрирования будут 1. Используя выражение (3.21) находим частоты колебаний масс системы На рис. 3.5 – 3.7 приведены графики изменения характеристик вибрационного воздействия на сиденье оператора.

В результате исследований выявлено, что при варьировании угловой жсткостью сидения в диапазоне 39.2…117.6 кНм (линейная жсткость сиденья 5…15 кН/м), характеристики вибрационного воздействия на оператора составляют:

В переводе на линейные величины это составит:

Диапазоны частот составят:

Так как в этих случаях уровень виброскорости и виброускорения на сиденье оператора превышает нормативные значения по СН2.2.4/2.1.8.566- Рис. 3.5. Графики изменения вибрационного воздействия на сиденье 1 (t) – виброперемещение; 1 (t) – виброскорость;

1 (t) – виброускорение; 1 (t) с0 – вибровоздействие Рис. 3.6. Графики изменения вибрационного воздействия на сиденье 1 (t) – виброперемещение; 1 (t) – виброскорость;

1 (t) – виброускорение; 1 (t) с0 – вибровоздействие Рис. 3.7. Графики изменения вибрационного воздействия на сиденье 1 (t) – виброперемещение; 1 (t) – виброскорость;

1 (t) – виброускорение; 1 (t) с0 – вибровоздействие в несколько раз даже при линейной жсткости сиденья 5.0 кН/м, то рассмотрим возможность снижения этих характеристик за счт уменьшения скорости поворота ВПМ до минимальной Тогда характеристики вибрационного воздействия составят:

В переводе на линейные величины это составит:

Нормативные значения по СН 2.2.4/2.1.8.566-96 для частот 2…4 Гц (12.56…25.12 1/с): виброскорость – 0.035 м/с, виброускорение 0.79…0. м/c2.

Таким образом, в режиме «вывешивания» ходовой системы ВПМ с уград ловой скоростью 1 и временем разгона 0.5 с характеристики вибc рационного воздействия на оператора также превышают нормативные значения.

1. Выведение срезанного дерева из древостоя ходом валочно-пакетирующей машины сопровождается вибрационным воздействием на оператора близким к нормативному по СН 2.2.4/2.1.8.566-96 в диапазоне 2 – 4 Гц. При этом изменение линейной жсткости сиденья в пределах 5…15 кН/м не оказывает существенного влияния на вибрационные характеристики.

2. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в режимах преодоления обособленных неровностей высотой до 12 см и более с деревом в захватно-срезающем устройстве на скоростях свыше 0.5 км/час вызывает вибрационное воздействие на оператора, превышающее нормативное по ускорению в 5 – 7 раз. При этом виброперемещение оператора на сидении достигают 15…30 см.

3. На уровень вибронагруженности оператора при технологических переездах, кроме скорости передвижения ВПМ, значительное влияние оказывает жсткость сиденья и высота преодолеваемого препятствия. С уменьшением жсткости сиденья наблюдается рост виброперемещения, виброскорости и виброускорения.

4. Переезд обособленной неровности без дерева в захватно-срезающем устройстве позволяет снизить вибронагруженность оператора примерно в два раза.

5. Выявлено, что горизонтальные составляющие виброускорений превышают виброускорения вертикальные в 1.3…2.5 раза.

6. Преодоление обособленных неровностей методом вывешивания ВПМ классической компоновки сопровождается также значительным уровнем вибрационного воздействия на оператора. Определяющее влияние на вибрационное воздействие оказывает скорость вывешивания машины и длительность пускового или тормозного режима.

ВИБРОНАГРУЖЕННОСТЬ ОПЕРАТОРА ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ С ХАРВЕСТЕРНОЙ ГОЛОВКОЙ

Для более эффективного использования валочно-пакетирующих машин на сортиментной технологии лесозаготовок в конструкцию захватносрезающего устройства вводятся механизмы протяжки дерева, его очистки от сучьев и раскряжвки на сортименты.

Выполнение новых технологических операций внесло существенные изменения в характер и уровень динамических нагрузок, воздействующих на конструкцию и привод, а следовательно и на вибронагруженность оператора.

Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в режиме протяжки ствола и очистки его от сучьев Как показали экспериментальные исследования, проводимые в ЛТА [93], в процессе протяжки ствола через ножи происходит его поперечные колебания (вдоль оси манипулятора).

Рассмотрим общий случай, когда протаскиваемый ствол дерева отклонн от вертикального положения на некоторый угол. В этом случае массу дерева целесообразно сосредоточить в центре масс и расчтная схема динамической системы «Оператор – машина – дерево» будет четырхмассовая (см. рис. 4.1).

Принятые обозначения:

J0 – момент инерции оператора, приведенный к оси поворота платформы;

J1 – момент инерции платформы;

J2 – момент инерции манипулятора и харвестерной головки, приведенный к оси поворота платформы;

J3 – момент инерции дерева, приведенный к оси поворота платформы;

0, 1, 2 и 3 – угловые перемещения масс соответственно с моментами cс – угловая жсткость сиденья;

c0 – угловая жсткость привода выравнивателя платформы;

c12 – приведенная угловая жсткость манипулятора;

c23 – приведенная угловая жсткость дерева;

Gд – сила тяжести дерева;

hт – расстояние от верхних захватов до центра масс дерева;

r0 – радиус поворота сиденья относительно точки 0.

Рис. 4.1. Расчтная схема динамической системы В процессе перемещения ствола в харвестерной головке происходит изменение массы, жсткости и коэффициента демпфирования кроны верхней свободной части дерева. В работе [93] установлены зависимости для определения этих величин:

В формулах (4.1) обозначено:

высота верхней свободной части обрабатываемого дерева, м;

Lдиаметр ствола комлевой части дерева на входе в механизм очистки, м;

Dплотность дерева, кг/м3;

скорость протаскивания ствола, м/с;

uвремя, с;

tЕ- модуль упругости первого рода ствола дерева, Па;

C - коэффициент аэродинамических сил, м/с;

- плотность воздуха, кг/м3;

- коэффициент пропорциональности ширины кроны и высоты L.

Исследованиями [92, 94, 95, 110, 111] выявлено:

1. Воздействия на ВСРМ от перерезания сучьев в мутовках можно рассматривать как периодические импульсы, аппроксимируемые гармонической функцией (условно), с частотой их повторения р, то есть где Fлинейная скорость протяжки ствола;

расстояние между мутовками (длина волны).

SВ процессе протаскивания ствола дерева амплитуды колебаний центра масс быстро уменьшаются и с увеличением скорости протаскивания скорость уменьшения амплитуд также возрастает. Объясняется это тем, что уменьшение массы верхней части дерева происходит быстрее в сравнении с е жсткостью.

3. Характер изменения поперечной силы, вызванной колебаниями массы верхней части дерева, носит явно выраженный колебательный.

4. Максимальное значение динамических нагрузок достигается в начальный момент обработки дерева.

5. Демпфирование кроны оказывает существенное влияние на амплитуды поперечных колебаний верхней свободной части обрабатываемого дерева.

На основании перечисленных выводов можно заключить, что для выявления максимальных (пиковых) нагрузок в упругих связях ВСРМ, необходимых для расчтов на прочность элементов машины, необходимо и достаточно исследовать перерезание сучьев нижних 1-2х мутовок. Следует заметить, что нижние сучья имеют максимальный диаметр. Учитывая, что расстояние между соседними мутовками составляет в среднем 28-30 см [92], а скорость протаскивания ствола =1.5…4 м/с, то время прохождения части ствола между мутовками составит не более 0.08…0.15 с.

Таким образом на этом промежутке времени можно пренебречь, ввиду их незначительности, изменениями массы и жсткости дерева.

Кинетическая энергия механической (динамической) системы Потенциальная энергия системы действующие на массы моменты, получим систему дифференциальных уравнений а М(t) – момент от сил резания сучков.

Подставим значения (4.3) в систему уравнений (4.2) Сократив, левые и правые части на sin pt, получим Преобразуем для удобного вида И из уравнения (4) системы (4.6) выразим 3 :

Значение для 3 подставим в уравнение (3) системы (4.6) Из полученного выражения выразим 2 :

Значение для 2 подставим в уравнение (2) системы (4.6) Из выражения (4.8) определим 1 :

Отсюда Тогда Значение для 1 подставим в уравнение (1) системы (4.6) и преобразуем Откуда Окончательно Выражение (4.9) позволяет определить максимальные перемещения оператора на сиденье.

Рассмотрим пример применительно к ВПМ ЛП-19А, оснащнной харвестерной головкой.

рода – ель.

F 6600, 20886, 37740 H; J В таблице 4.1 приведены расчтные характеристики вибрационного воздействия на оператора ВПМ в процессе очистки стволов деревьев от сучьев.

Анализ результатов показывает, что в процессе очистки стволов деревьев от сучьев малых объмов уровень вибрационного воздействия на оператора не превышает санитарные нормы, при очистке стволов деревьев больших объмов превышает незначительно.

Расчтные характеристики вибрационного воздействия Рассмотрим возможность упрощения расчтной схемы за счт объединения массы манипулятора, харвестерной головки и дерева.

В этом случае система дифференциальных уравнений имеет вид Выполнив подобные преобразования, получим выражение для нахождения максимального перемещения оператора на сиденье ВПМ Из уравнения (3) системы (4.11) выразим Значение для 2 подставим в уравнение (2) системы (4.11) Преобразуем последнее уравнение Значение для 1 подставим в уравнение (1) системы (4.11) и преобразуем И окончательно В таблицах 4.2 и 4.3 приведены характеристики вибрационного воздействия на оператора ВПМ, определнные по 3-х массовой расчтной схеме.

Сравнивая эти результаты с данными, полученными по четырх массовой расчтной схеме видим, что результаты, полученные по 3-х массовой расчтной схеме, превышают их по ускорению на 33…56%. Таким образом, исследование нагруженности ВСРМ в режимах очистки стволов от сучьев необходимо выполнять по четырх массовой расчтной схеме.

Расчтные характеристики вибрационного воздействия Расчтные характеристики вибрационного воздействия на оператора Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в режиме аварийного сброса пакетируемого дерева Работа валочно-пакетирующих машин на разборе завалов, несплошных, выборочных рубках и рубках ухода за лесом сопровождается частыми режимами стопорения из-за сплетения ветвей обрабатываемых деревьев с соседними. Для того, чтобы освободить крону пакетируемого дерева от крон соседних деревьев операторы применяют различные примы. При этом часто происходит аварийный сброс дерева или деревьев из захватно-срезающего устройства. Вследствие мгновенного освобождения манипулятора валочнопакетирующая машина совершает «подскок» с последующими угловыми колебаниями механической системы. При этом оператор, как объект системы, подвергается вибрационному воздействию.

С целью оценки уровня воздействия вибрации на оператора рассмотрим механическую систему «валочно-пакетирующая машина – предмет труда» совместно с динамической моделью оператора [113].

На рис. 4.2 представлена расчтная схема этой системы.

Принятые обозначения:

момент инерции поворотной части платформы ВПМ относительно оси, J1 проходящей через т. 0;

момент инерции оператора относительно оси, проходящей через т. 0;

J0 момент инерции манипулятора, захватно-срезающего устройства отноJ2 - сительно оси поворота платформы;

1, 0, и 2 - угловые перемещения масс соответственно с моментами инерции J1, J0, и J2;

c12 - угловая жсткость гидроманипулятора, приведенная к оси поворота приведенная угловая жсткость сиденья;

cс приведенная угловая жсткость привода платформы;

c0 Gк - приведенная сила тяжести.

Принятые допущения:

1. Физико-механические свойства упругих связей постоянны.

2. Движения масс механической системы описываются линейными дифференциальными уравнениями.

Кинетическая энергия системы:

Потенциальная энергия системы:

В соответствии с уравнением Лагранжа 2-го рода, имеем:

Решение системы уравнений (4.15) может быть представлено в виде гармонических колебаний Решая систему уравнений (4.17), получим уравнение для нахождения частот колебаний масс рассматриваемой системы Перемещения масс системы определятся как трхчастотные функции:

С учтом соотношений с амплитудами, обозначим:

Таким образом, выражения (4.19) запишутся В качестве начальных условий примем Так как то подставляя полученные условия в выражения (4.21), (4.23) и преобразуя, получим:

Пример. Рассмотрим вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины ЛП-19А.

1. Определяем частоты колебаний механической системы:

2. Используя выражения (4.20), находим:

3. Находим амплитуды перемещений оператора на сиденье:

4. Начальную скорость 20 после мгновенного раскрытия захватов определяем по формуле [14] Здесь 5. Вычисляем перемещения оператора на сиденье, виброскорость и виброускорение 0 0.5118 20 7.07 cos7.07 t 0.0228 20 11.56 cos11.56 t 0 0.5118 20 49.955 sin7.07 t 0.0228 20 133.63 sin11.56 t На рис. 4.3 представлены графики, характеризующие вибронагружение оператора ВПМ при аварийном сбросе дерева объмом 2.0 м 3, а в таблицах 4.3 – 4.5 расчтные характеристики вибрационного воздействия на оператора при варьировании жсткости сиденья.

Анализ результатов вычислений показывает, что при аварийном сбросе деревьев объмом 0.5…3.5 м3 уровень виброускорений при линейной жсткости сиденья 5 кН/м находится в диапазоне 2.09…14.225 м/с2. При этом вертикальные перемещения оператора достигают 15.5…21.8 см. С увеличением жсткости сиденья в два раза вибронагруженность оператора также возрастает /см. табл. 4.4/. Однако, при дальнейшем увеличении жсткости сиденья /см. табл. 4.6/ наблюдается наоборот некоторое снижение воздействия.

Рис. 4.3. Графики вибрационного воздействия на оператора ВПМ Рис. 4.4. Графики вибрационного воздействия на оператора ВПМ Расчетные характеристики вибрационного воздействия V, м Расчетные характеристики вибрационного воздействия V, м Расчетные характеристики вибрационного воздействия Рис. 4.4. График зависимости вибрационного воздействия на оператора ВПМ от объма сбрасываемого дерева.

Расчтные характеристики вибрационного воздействия V, м 2.5 10.124 6.277 8.099 36.18 22.432 28.944 31.469 19.511 25. 3.0 12.174 7.548 9.739 43.51 26.976 34.808 37.839 23.460 30. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в режиме натяжения ствола дерева /облома/ манипулятором Операция натяжения ствола дерева или облома манипулятором производится с целью обеспечения беззажимного срезания или удаления его из земли.

Принятые обозначения:

J1 – приведенный момент инерции платформы относительно оси поворота J2 – приведенный момент инерции манипулятора, захватно-срезающего устройства и дерева относительно оси поворота;

J0 – момент инерции оператора;