СРАВНИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ЛЕСОПОГРУЗОЧНОЙ ТЕХНИКИ

 

Ермалицкий А.А., Клоков Д.В., Насковец М.Т. («БГТУ», г. Минск, РБ)

 

Using given methods allows to motivate the parameters of the technological equipping the load machines and mechanism, as well as define the rational schemes of the location of the piles lumber and technology for transportation wood on loading platform with provision for minimization of the expenses to energy.

 

В условиях перехода лесной промышленности на способы хозяйствования, базирующиеся на улучшении экологического состояния окружающей среды на разных фазах технологического процесса, соблюдении приоритетов ресурсосбережения и внедрении безотходных технологий, особую значимость приобретают методы оценки технических средств механизации по экономическим, экологическим и энергетическим критериям. Одним из показателей, используя который, можно дать объективную оценку как вновь создаваемым машинам, так и существующим и проанализировать влияние всевозможных факторов и лесорастительных условий на производительность машин, является энергоемкость технологических операций.

Данный критерий используется многими исследователями при обосновании параметров лесозаготовительной техники [1] и разработке и анализе технологических процессов [2]. Необходимо отметить, что различные технические и технологические расчеты по этому показателю основаны на разработанной в Ленинградской лесотехнической академии Кочегаровым В.Г. методике определения энергоемкости лесозаготовительных операций [3]. Однако анализ литературных источников показал, что расчету затрат энергии при осуществлении процессов погрузки древесины дано незначительное освещение.

Поскольку данный вид лесозаготовительных операций является одним из наиболее трудоемких и дорогостоящих, при выборе и обосновании параметров оборудования лесопогрузочной техники, а также при определении более рациональной технологии работ появляется необходимость в разработке методики оценки эффективности применения различных средств механизации с использованием показателей, учитывающих технические и эксплуатационные параметры, как самой техники, так и предмета труда. С этой целью нами проведены технологические расчеты по критерию энергоемкости для соответствующих способов ведения и средств механизации лесопогрузочных операций.

Известно, что сопоставление энергоемкости различных лесозаготовительных работ, как правило, основывается на анализе затрат энергии, необходимых для освоения 1 га площади леса (кВт·ч / га), так как это позволяет учитывать и таксационные показатели лесонасаждений. Показателем удельной энергоемкости процесса (кВт·ч/м³) пользуются как вспомогательным. Условия, при которых происходит процесс погрузки, достаточно разнообразны и описываются большим числом факторов [4], что не позволяет использовать удельную энергоемкость в качестве критерия выбора оптимальной технологии. Для количественной оценки влияния объема погружаемых лесоматериалов и других параметров на выходную величину в дальнейших расчетах использован ликвидный запас древесины q, заготовленной на площади в 1 га, м³.

1. Энергоемкость погрузки хлыстов перекидными лесопогрузчиками.

Затраты энергии на выполнение процесса погрузки ПЛ – 1В, Э_п. ч подразделяются на следующие технологические операции: преодоление сопротивления сдвигаемой части штабеля при горизонтальном перемещении челюсти захвата; захват пачки при подъеме нижней челюсти; поворот технологического оборудования с пачкой в вертикальной плоскости; поворот стрелы в вертикальной плоскости в обратном направлении; раскрытие и закрытие челюстей захвата; рабочее и холостое движение погрузчика между штабелем и лесовозом.

В соответствии с расчетной схемой, представленной на рисунке 1, суммарные затраты энергии, кВт·ч / га могут быть рассчитаны следующим образом:

                           (1)

где с – коэффициент пропорциональности (1/3600); Q_т, Q_с, Q_п – силы веса гусеничного погрузчика, его стрелы, и пачки лесоматериалов соответственно, кН; n – число погружаемых пачек с площади леса в 1 га; F_ш – усилие (кН), затрачиваемое погрузчиком на горизонтальное перемещение части штабеля, ограниченной внутренней поверхностью нижней челюсти и гранью призмы bc, на расстояние l_сдв, м (пример расчета F_ш приведен в пособии [5]); F_р,з– среднее усилие на плече r при раскрытии и закрытии челюстей на угол ω (рад), кН; В – расстояние перемещения лесопогрузчика от штабеля до лесовоза, м; ψ_м – коэффициент сопротивления движению лесопогрузчика; y, z, l_с, θ, − линейные и угловые координаты перемещения центра тяжести предмета труда и технологического  оборудования;  l_ц, – расстояние от  оси поворота челюсти до  оси пачки в месте захвата, м; n_i – коэффициент, учитывающий увеличение затрат энергии за счет непроизводительных движений рабочих устройств машины (n_i = 1,1...1,3); h_м, h_т, h_х.ч. – КПД устройств, передающих энергию от двигателя машины к приводу соответствующего технологического оборудования, самого технологического оборудования и ходовой части соответственно (h_м =0,7; h_т =0,8; h_х.ч. = 0,8).

 

c

b

a

Fш

y

ω

Fр

Fз

B

lд

r

z

Qт

Qп

Qс

lц

lх

lс

Θ

Рисунок 1- Расчетная схема по определению энергоемкости процесса погрузки гусеничным лесопогрузчиком перекидного типа

 

Проведем некоторые преобразования:

, , , , , для упрощения расчета можно принять y = l_c, z = l_c / 2. В приведенных зависимостях m_п, m_т, m_с, – массы пачки, гусеничного погрузчика и его стрелы соответственно, т; g –ускорение силы веса, м/с²; ρ_п – плотность древесины в пачке, т/м³.

Тогда окончательное выражение для определения суммарных затрат энергии примет вид

                      (2)

2. Энергоемкость погрузки сортиментов гидроманипуляторами.

Затраты энергии на выполнение процесса погрузки самозагружающимися сортиментовозами Э_с. с (рис. 2, а) включают следующие технологические операции: подъем и опускание пачки сортиментов; поворот пачки сортиментов в горизонтальной плоскости; подъем и опускание, а также поворот стрелы манипулятора без груза; захват и выгрузка пачки, т.е.

                  (3)

где k_у – коэффициент увеличения пути укладки сортиментов в пакетирующее устройство по отношению к расчетному, (k_у=1,05...1,2); k_c – коэффициент совмещения операций, (k_c = 0,8); h – средняя высота подъема и опускания груза, м; α – угол поворота манипулятора, (α = π...π/3 рад); l_м – вылет манипулятора, м; Q_м – вес манипулятора, кН; Р_зах, Р_отк– среднее усилие на плече r₁ при захвате дерева и открытии клещевин соответственно на угол φ (рад), кН; r₁ – средний радиус захвата, м.

б

a

 

Рисунок 2- Погрузка древесины гидроманипуляторными средствами:

а− погрузка сортиментов манипулятором ЛВ−185; б− погрузка хлыстов манипулятором Loglift–130

 

При сравнении существующих и обосновании параметров новых лесопогрузочных средств целесообразно выразить массу пачки через грузовой момент М (кНм), вылет l_м (м) и коэффициент использования грузоподъемности манипулятора k_г, т.е.

    (4)

3. Энергозатраты на погрузку хлыстов в два приема манипулятором.

Погрузка хлыстов гидроманипуляторами, установленными на лесовозах, может производиться по одной из нескольких схем [6], выбор которой зависит от конструкции, грузового момента и вылета манипулятора. При достаточном грузовом моменте (180–240 кНм) для свободного перемещения длинномерных грузов и наличии на стреле гидроманипулятора упоров процесс формирования пакета хлыстов на лесовозе осуществляется по аналогии со схемой погрузки сортиментов. Однако говорить о повсеместном использовании данного способа не приходится ввиду того, что лесопромышленный комплекс Беларуси насчитывает всего лишь несколько единиц таких механизмов. В основном для самопогрузки древесины в хлыстах применяют другую технологическую схему (рис. 2, б), при которой хлыст не вывешивается полностью, а погрузка осуществляется в два приема (поочередное укладывание на коник тягача и коник роспуска комлевой и вершинной частей хлыста).

Процесс погрузки самозагружающимися лесовозами Э_с. л (кВт·ч / га) характеризуется затратами энергии на погрузку комлевой и вершинной частей пачки; движение манипулятора без груза; захват, подтаскивание и выгрузку хлыстов.

Суммарные затраты энергии на самопогрузку хлыстов, составят:

       (5)

где α_к, β_в – углы поворота комлевой (α_к= π/3... π рад) и вершинной (β_в = π/6… π/4 рад) частей хлыста; ,  – коэффициенты распределения веса пачки (дерева) между захватным органом и штабелем при поднятии за комель и вершину соответственно, (=0,7, =0,65); μ_д – коэффициент увеличения затрат энергии на преодоление сопротивления повороту части пачки, находящейся в штабеле; l_д – средняя длина пути подтаскивания пачки (хлыста), м; ψ_п – коэффициент сопротивления движению части пачки волочащейся по грунту.

Для определения оптимальных значений факторов, влияющих на рабочий процесс машин, по зависимостям 2, 4, 5 для каждого из описанных способов погрузки лесоматериалов была решена задача однокритериальной многопараметрической оптимизации с граничными условиями на основе метода нелинейного программирования с использованием В - плана второго порядка с проведением опытов на трех уровнях варьирования.

Результаты исследований показали, что между ликвидным запасом древесины и энергоемкостью прослеживается устойчивая корреляционная связь. Изменение энергозатрат неравномерное и интенсивность их возрастания увеличивается с уменьшением массы груза. При ее уменьшении с 3,2 до 1 т энергоемкость процесса погрузки возрастает на 38–40%. Затраты энергии на грузовое и холостое перемещение гусеничного лесопогрузчика являются самыми значительными составляющими суммарной энергоемкости. Так при средних значениях прочих факторов и изменении расстояния удаления штабеля от лесовоза с 8 до 40 м энергоемкость увеличивается с 44 до 115 кВт ч/га. Оптимизированное значение энергоемкости погрузки хлыстов гусеничной машиной ПЛ-1В составило 31 кВт ч/га.

При погрузке сортиментов и хлыстов гидроманипуляторами основными факторами, влияющими на энергоемкость, являются грузовой момент М, кНм и вылет, l, м. Установлено, что при погрузке пачек сортиментов при l = 2 м и уменьшении величины М с 240 до 60 кНм выходная величина изменяется незначительно и составляет 14–17 кВт ч/га, тогда как при l = 8,4 м и таком же изменении грузового момента энергоемкость резко возрастает с 49 до 99 кВт ч/га. Оптимизированное значение искомого показателя при погрузке сортиментов составило 13 кВт ч/га. Энергоемкость погрузки хлыстов манипуляторами различной грузоподъемности колеблется в пределах 22–127 кВт ч/га при оптимизированном значении 24  кВт ч/га.

Из проведенного анализа видно, что менее энергозатратной, удовлетворяющей требованиям длительной лесоэксплуатации и основным критериям ресурсосбережения для большинства комбинаций варьируемых факторов является технология погрузки древесины при помощи гидроманипуляторных средств, что наряду с более экологичными условиями производства обосновывает постепенный переход предприятий лесозаготовительной отрасли Беларуси при осуществлении рассматриваемых операций на данного рода технику.

Литература

1. Аликин, Г.П. К оценке энергоемкости производства щепы / Г.П. Аликин // Лесная промышленность. -1982. – №11. – С. 24- 27.

2. Прохоров, В.Б. Резервы энергосберегающей технологии / В.Б. Прохоров, А.В. Трофимов // Лесная промышленность- 1983. – №7. – С. 26–27.

3. Кочегаров В.Г. Технология и машины лесосечных работ: учебник для вузов / В.Г. Кочегаров, Ю.А. Бит, В.Н. Меньшиков. – М.: Лесн. пром-сть, 1990. – 392 с.

4. Ермалицкий А. А. Производственные условия и средства механизации погрузочных работ на лесосеках / А.А. Ермалицкий // Труды БГТУ. Сер. II. Лесная и деревообрабатывающая промышленность. – 2004. – Вып. ХII. – С. 104–107.

5. Гороховский К.Ф. Основы технологических расчетов оборудования лесосечных и лесоскладских работ: учеб. пособие для вузов / К.Ф. Гороховский, Н.В. Лившиц. – М.: Лесн. пром-сть, 1987. – 256 с.

6. Брик, М.И. Лесотранспорт на базе самозагружающихся автопоездов / М.И. Брик, М.В. Тацюн, В.Н. Воронцов // Лесная промышленность. -1988. – №11. – С. 20–22.