На правах рукописи
Савич Василий Леонидович
ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ВИБРОКОРЧЕВКИ ПНЕЙ И ЦЕЛЫХ ДЕРЕВЬЕВ
Специальность 05.21.01 – Технология и машины
лесозаготовок и лесного хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Петрозаводск – 2013
Работа выполнена на кафедре теоретической механики и начертательной геометрии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Хегай Валерий Константинович
Официальные оппоненты: Цыпук Александр Максимович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», профессор кафедры технологии и оборудования лесного комплекса Козьмин Сергей Фёдорович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова», доцент кафедры проектирования специальных лесных машин
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова»
Защита состоится 15 марта 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 на базе ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Петрозаводского государственного университета.
Автореферат разослан « 7 » февраля 2013 г.
Ученый секретарь Р. В. Воронов диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования При существующей технологии лесосечных работ после срезания дерева валочнопакетирующей или валочно-трелевочной машиной на лесных делянках остаются пни, которые уже при проведении лесохозяйственных и лесовосстановительных работ приходится убирать, то есть выкорчевывать. Корчевка пней представляет собой довольно сложный и трудоемкий процесс, и для его осуществления приходится вторично «загонять»
тяжелую и дорогостоящую технику на лесные площади, разрушая уже повторно почвенную среду и подрост деревьев, что приводит к эрозии почвы и ухудшает все условия для естественного и искусственного восстановления леса. Кроме того, существующие технологии лесозаготовок и лесовосстановления требуют больших энергетических и финансовых затрат, средств, времени и труда.
Также отметим, что корчевку деревьев и пней необходимо проводить при расчистке полос под линии электропередач с обеспечением в дальнейшем ее чистоты от древесной растительности.
Очевидно, в будущем, определенный интерес будут представлять технологии лесосечных и лесохозяйственных работ, которые позволят избежать традиционную корчевку пней, а вместо этого выдергивать деревья из земли (почвы) вместе с корневой системой с последующим её отделением. Выгода такой технологии вполне очевидна. Следует отметить, что и ранее такие попытки имели место. Наибольший вклад в развитие такой технологии лесозаготовки внесли такие известные ученые как А. И. Баранов, Е. И. Власов, И. М. Зима, Т.
Т. Малюгин, И.Р. Шегельман, А.М. Цыпук, М.У. Скальский, М.П. Албяков, В.Ф. Кушляев, Б.А. Таубер, В.П. Горячкин, А.В. Верховский и др. Основными недостатками предлагаемых машин были избыточная нагруженность технологического оборудования и машины в целом, энергоемкость и невысокая надежность технологического оборудования, что, очевидно, явилось причиной не внедрения их в производство, серийный выпуск. Исследованиями установлено, что сила корчевания дерева (пня) зависит от многочисленных факторов, связанных с породой дерева, условиями произрастания, и достигает 210-250 кН. Для обеспечения и развития таких сил требуются энергоемкие, мощные машины.
Одним из направлений работ для внедрения такой технологии может быть применение вибрационной техники для продольных или поперечных колебаний дерева вместе с корневой системой. Как известно, применение вибрации во многих случаях является весьма эффективным, в частности, при забивке свай или в шпунтовыдергивателях, применяемых в строительстве. Внедрение такой технологии позволит значительно снизить силу корчевания при заготовке деревьев вместе с корневой системой или корчевке пней. В частности, в работе Скальского М.У.
отмечается, что применение вибрации при корчевании снижает силу корчевания на 25-30%. При этом необходимо иметь в виду, что вибрация при определенных условиях позволяет не только снизить нагрузку на машину при корчевании деревьев, но и увеличить. Все зависит от правильного выбора динамических характеристик вибратора, которые должны соответствовать определенным образом характеристикам рассматриваемой механической системы «машина – дерево почвенно-корневая система». Только в этом случае можно ожидать эффективность от применения вибрационной технологии.
Таким образом, применению вибрационной технологии для корчевки деревьев с корнями и (или) пней должны предшествовать всесторонние исследования динамики взаимодействия между технологическим оборудованием машины, деревом и почвеннокорневой системой с целью уменьшения силы корчевания, что определяет актуальность теоретических и экспериментальных исследований в данном направлении Степень разработанности Разработанные в диссертации математические модели, формулы и выводы не противоречат законам механики, и являются дополнением к существующим работам данного направления.
Цель работы Исследование процесса взаимодействия машины с деревом при виброкорчевке деревьев (пней) вместе с корневой системой с целью повышения эффективности работы корчевальных машин.
Задачи исследования 1. Установить на основе статистических исследований расчетные параметры «модельного» дерева, расчетного пня, а также корневой системы в условиях лесозаготовок Республики Коми;
2. Определить основные динамические характеристики модельного дерева и технологического оборудования в системе «машина – дерево - почвенно-корневая система (ПКС)»;
3. Разработать математические модели динамического взаимодействия машины с модельным деревом (пнем) при их корчевании с корневой системой и ее анализ на предмет снижения силы корчевания;
4. Определить основные параметры вибрационного устройства для корчевания деревьев;
5. Провести эксперимент на определение силы корчевания при предельном равновесии дерева (пня) с корневой системой и расчетных параметров пня и корневой системы.
Научная новизна:
1.Определены основные характеристики (геометрические, инерционные, жесткостные) «модельного» дерева, пня с корневой системой в условиях лесозаготовительной зоны Республики Коми;
2. Разработана методика для определения предельной силы корчевания, необходимой для оценки эффективности применения вибрации при заготовке деревьев с корневой системой или корчевке пней с учетом географии расположения корней на стадии проектирования;
3. Разработана методика определения продольных резонансных частот «модельного»
дерева с корневой системой;
4. Созданы математические модели динамического взаимодействия машины с «модельным» деревом при его корчевке с применением вибрации;
5. Установлены основные параметры вибрационного устройства для корчевания деревьев Теоретическая и практическая значимость работы 1. Установленные основные характеристики «модельного» пня (дерева) с корневой системой в условиях лесозаготовок Республики Коми позволяют получить исходную (первичную) информацию, необходимую при проведении исследований, связанных с выбором параметров системы «дерево-вибратор-машина»;
2. Разработанная методика определения продольных резонансных частот «модельного»
дерева с корневой системой дает возможность обосновать динамические характеристики вибрационного и технологического оборудования;
3. Созданная математическая модель взаимодействия машины с деревом при его корчевке с применением вибрации дает возможность подбирать наиболее рациональную базу машины;
4. Результаты исследований внедрены в учебный процесс при подготовке студентов специальностей 170400 «машины и оборудование лесного комплекса» и «лесоинженерное дело» по курсу «Основы теории колебаний на кафедре теоретической механике и начертательной геометрии Ухтинского государственного технического университета.
Методология и методы исследования Для решения поставленных задач в диссертации широко применялись методы аналитической механики, теории колебаний и математической статистики с использованием компьютерного программирования в среде qbasic.
Положения, выносимые на защиту 1. Расчетные параметры «модельного» дерева, пня, а также корневой системы в условиях лесозаготовок Республики Коми.
2. Методика для определения предельной силы корчевания с учетом географии расположения корней.
3. Методика для определения инерционных и частотных характеристик дерева и почвенно-корневой системы».
4. Математическая модель взаимодействия машины с «модельным деревом» при его корчевании с корневой системой и установление условия снижения силы корчевания.
5. Основные параметры вибрационного устройства для корчевания деревьев.
Степень достоверности и апробация результатов Результаты исследований и выводы не противоречат известным положениям науки о машинах и оборудовании лесного комплекса; базируются на строго доказанных выводах, изложенных в теоретическом и экспериментальном разделах. Дополняют известный опыт создания и совершенствования лесных машин и оборудования.
Основные положения работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
– научно-техническая конференция преподавателей и сотрудников УГТУ (г. Ухта, 2006 – 2012 гг.), – международная молодежная конференция «Севергеоэкотех» (г. Ухта, 2007 – 2010, 2012 г г.), – научно-техническая конференция ВГЛТА лесотехнической академии (г. Воронеж, 2009 г.);
– расширенное заседание кафедры лесных и деревообрабатывающих машин и оборудования (г. Ухта, 19 январь 2012 г.).
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные научные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе освещено состояние проблемы, проведен обзор корчевальных, валочных, валочно-пакетирующих машин, применяемых при корчевке пней и деревьев вместе с корнями, в том числе с применением вибрации, сформулированы задачи исследования.
Проведенный анализ работ, посвященных проблемам корчевки пней и деревьев с корнями, показал:
– эффективность применения вибрации при корчевке пней и деревьев с корнями;
– отсутствие реальных машин и оборудований для корчевки деревьев с корнями и пней с помощью вибрации;
– недостаточность теоретических исследований по взаимодействию вибрационного технологического оборудования машины с деревом;
– недостаточность исследований физико-механических характеристик корневой системы деревьев.
Сформулированные вопросы требуют решения таких задач как:
1. Установление на основе статистических исследований расчетных параметров «модельного» дерева, пня, и корневой системы в условиях лесозаготовок Республики Коми;
2. Определение основных динамических и инерционных характеристик предмета труда и технологического оборудования в системе «машина – дерево - почвенно-корневая система»;
3. Разработка математической модели взаимодействия машины с предметом труда при виброкорчевании дерева с корневой системой и ее анализ на предмет снижения силы корчевания;
4. Развитие методики для определения предельной силы корчевания деревьев (пней) вместе с корневой системой;
5. Проведение эксперимента на определение силы корчевания при предельном равновесии дерева (пня) с корневой системой и расчетных параметров пня и корневой системы.
Во втором разделе установлены основные параметры пней, деревьев, а также корневой системы, характерные для лесозаготовительных зон республики Коми.
К основным параметрам пня отнесены его высота и диаметр. Основными параметрами модельного дерева являются высота, диаметр основания, объем ствола дерева, средний диаметр на трех участках ствола дерева, вес дерева в естественных условиях. К основным параметрам корневой системы отнесены количество опорных корней, диаметр корня в зоне входа в ствол дерева; угол расположения опорных корней к горизонту;
географическое направление опорных корней; диаметр опасного сечения корня в области корчевальной ямы.
Все вышеперечисленные параметры представлены в таблицах 1 и 2.
Основные параметры среднестатистического предмета труда Соотношение диаметра корня в зоне Угол расположения корней к горизонту, град В третьем разделе рассмотрены вопросы взаимодействия машины с деревом при корчевании деревьев вместе с корневой системой как с применением вибрации, так и без нее.
Вначале найдем статическую силу корчевания дерева вместе с корнями. Она определяется как:
где Pд - сила корчевания дерева; Pc - вес дерева; P - вертикальная сила корчевания пня из условия предельного равновесия.
Расчетный пень представлен в виде тела, у которого опорная корневая система выступает линиями действиями сил сопротивления, которые сходятся в точке С (рис. 1 a, b).
К основным силовым факторам, участвующим в формировании силы сопротивления корчеванию одного корня ( Ri ), отнесены: вес грунта над корнем ( Qгр ); вес одного корня ( Qk ); сила упругости одного корня ( S i ), сила трения одного корня при его движении в почвенной среде ( Fтp ).
Согласно расчетной схеме находим:
В результате решения задачи найдено условие для определения вертикальной силы корчевания пня:
Численные значения основных силовых факторов определяем по следующим формулам:
где d k - диаметр корня в зоне входа в ствол дерева (м); d 0 - диаметр опасного сечения корня плотность древесины опорных корней в естественных условиях (кг/м3); гр - плотность почвы (кг/м3); g - ускорение свободного падения (м/с2); h - глубина корчевальной ямы (м);
- нормальное напряжение в опасном сечении корня в области корчевальной ямы (Па).
В проекциях на соответствующие оси уравнения равновесия для корчевания одного корня записываем в виде:
трения почвы ( 23 ).
После математических преобразований с учетом уравнений (4-6) получим силу корчевания на один корень:
где d - диаметр пня (м).
Тогда вертикальную силу корчевания пня Р находим как:
Для определения вертикальной силы корчевания дерева необходимо к силе корчевания пня Р добавить вес дерева.
Статическая сила корчевания модельного дерева по формулам (1-8) составляет Pд =43,5 кН.
а) силовая схема с учетом b) схема к формированию силы сопротивления географического расположения корней корчеванию Ri на один корень Рис. 1. Расчетная схема для определения вертикальной силы корчевания расчетного пня Применение вибрационной технологии при корчевке деревьев (пней) потребует знание динамических частотных характеристик дерева, технологического оборудования и почвенно-корневой системы. Для определения собственных частот колебаний дерева ствол рассматриваем как гибкий стержень, состоящий из трех разнородных участков, опирающихся нижним концом на упругое основание почвенно-корневой системы (рис.2).
Каждый участок характеризуется длиной l i, площадью поперечного сечения Fi, модулем упругости E i и скоростью распространения продольных колебаний Для каждого из участков составного стержня введем свою координатную ось Оx i, где xi 0, li. Осевое перемещение на i м участке обозначим через u i ( x i, t ). В расчетах коэффициенты диссипации i принимаем одинаковыми на всех трех участках, то есть Исходная задача для продольных колебаний составного (неоднородного) стержня запишется в виде:
граничные условия:
где g – ускорение свободного падения, - скорость распространения продольных возмущений вдоль i го стержня.
В результате решения краевой задачи (9) получено уравнение для определения собственных (резонансных) частот продольных колебаний стержня, состоящего из трех участков Безразмерная частота i выражается через резонансную круговую частоту как Выразив все параметры а также приняв 1 2 3, получим уравнение для определения множества частот продольного резонанса:
Как видно из уравнения (12) собственные (резонансные) частоты продольных колебаний неоднородного (составного) стержня зависят от многих факторов: длины участков l1, l2 и l3, площади поперечного сечения участков F1, F2 и F3, скорости распространения продольных возмущений вдоль стержня, приведенного коэффициента жесткости.
Для модельного дерева (диаметр 23 см) уравнение (12) имеет вид:
0,00207 arctg (0,4539 tg (0,00207 arctg (0,4128 tg (0,00236 )))) Для решения уравнения (12) были определены основные коэффициенты, и составлена программа, основанная на использовании графоаналитического метода решения неявных функций, т.е. f () 0.
По результатам расчетов программы собственная частота модельного дерева при диаметре 23 см составляет 49,74 Гц.
Теперь рассмотрим задачу по определению частотной характеристики вибрационного оборудования, которая обеспечила бы эффективное разрушение почвенно-корневой системы, и в то же время - эффективную защиту от вибрации технологического оборудования машины. Для решения этой задачи рассмотрим следующую расчетную схему (рис.3).
На схеме: m1 - приведенная масса дерева и технологического оборудования машины;
m2 - приведенная масса корневой системы и прилегающего грунта; С1 и С 2 соответствующие приведенные коэффициенты жесткости дерева и технологического оборудования машины; С3 - приведенный коэффициент жесткости корневой системы и прилегающей почвы; Р P0 sin(t ) - возмущающая сила.
Для вывода дифференциальных уравнений движения системы воспользуемся уравнениями Лагранжа 2-го рода:
Кинетическая и потенциальная энергия системы равны соответственно:
После подстановки значений Т и П в систему уравнений (13), и имея в виду, что Q0 sin( pt ), Q2 P 0, получим дифференциальные уравнения Q1P Решение системы дифференциальных уравнений (15) имеет вид:
Как следует из уравнений (16) амплитуды вынужденных колебаний масс m1 и m будут равны соответственно:
Из первого соотношения уравнений (17), в случае выполнения уравнения условия амплитуда А1 равна нулю. Это означает, что объект массой m1 не совершает вынужденные колебания. В этом случае реакция второго объекта с массой m2 в любой момент времени уравновешивает приложенную к первому объекту возмущающую силу, а потому первый объект совершает лишь свободные колебания.
Таким образом, равенство (18) определяет условие полного гашения вынужденных колебаний технологического оборудования машины.
При p 2 2 система является системой с двумя степенями свободы и имеет две собственные частоты k1 и k 2, которым соответствуют две критические частоты возмущающей силы: p1 k1 и p 2 k 2. При выполнении этих условий в системе возникает резонанс.
Резонансные частоты k1 и k 2 определяем из уравнения частот:
предварительно определим некоторые динамические характеристики системы «машина – дерево - ПКС»
Приведенный коэффициент жесткости корневой системы и грунта (почвы) определяем как сумму жесткостей элементов где Сk - коэффициент жесткости корня; С г - коэффициент жесткости грунта.
Коэффициент жесткости корня находим по формуле где А0 - площадь опасного сечения корня в зоне корчевальной ямы; l k - длина корня в зоне корчевальной ямы; Е - модуль упругости древесины корня.
Коэффициент жесткости грунта Республики Коми, согласно исследованиям Засухина Д.П., составляет для брусничных почв C г 65,6 кН/м; кисличных почв C г 26,3 кН/м;
черничных почв C г 18,5 кН/м; долгомошных почв C г 12,2 кН/м.
Для технологического оборудования коэффициент жесткости C 2 определяется из условий работы манипулятора на изгиб и последовательного соединения рукояти и стрелы по методике, разработанной д.т.н. Александровым В.А.
Коэффициент жесткости С 2 определяем по формуле где cc, cp - изгибные жесткости стрелы и рукояти; f A, f A - соответственно прогибы на концах стрелы и рукояти.
Частоту собственных колебаний ПКС находим как:
Масса корневой системы и почвы определяем как:
По результатам расчетов по формулам (17-24) построены амплитудно-частотные характеристики в зоне критических частот, которые для кисличного типа почв и модельного дерева при диаметре 23 см представлены на рис.4-5.
Рис.4. Амплитудно-частотные характеристики в зоне первой критической частоты механической системы «машина-дерево-ПКС» тип почвы - кисличный ( k1 9,81Гц).
Как видно из рис.4 в интервале 0 p 9,47 Гц объекты системы массой m1 и m колеблются синхронно и амплитуды колебаний А1 и А2 сопоставимы по величине. Амплитуда А2 зависит от величины Q0 - максимальной возмущающей силы, которая определяется формулой (17).
«