РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКИ ВАЛОЧНО-СУЧКОРЕЗНО-РАСКРЯЖЕВОЧНОЙ МАШИНЫ (ВСРМ)
В РЕЖИМЕ ОЧИСТКИ ДЕРЕВА ОТ СУЧЬЕВ

 

Александров В.А.,  Шоль Н.Р., Будевич Е.А. (УГТУ, г. Ухта, РФ)

 

Results theoretical and experimental researches of dynamics felling-delimbing-bucking machines (FDBM) in a mode of clearing of a tree from knotes are submitted. It is revealed, that work experimental FDBM in modes pulling through a trunk and clearing from knotes is accompanied by significant dynamic loadings in elastic connections. Factors of dynamism are within the limits of 1,16 … 1,38. The divergence of the theoretical results executed under the three-mass settlement circuit, with experimental in modes of clearing of trunks of trees from knotes on the dynamic moments does not exceed 7,5 … 13,05 %. Two-mass settlement circuits give the big error.

 

Для более эффективного использования валочно-пакетирующих машин на сортиментной технологии лесозаготовок в конструкцию захватно-срезающего устройства вводятся механизмы протяжки дерева, его очистки от сучьев и раскряжевки на сортименты. Выполнение новых технологических операций внесло существенные изменения в характер и уровень динамических нагрузок, воздействующих на конструкцию и привод машины (теперь уже ВСРМ). Очистка ствола от сучьев  и его раскряжевка на сортименты производятся при расположении ствола в вертикальном положении или близком к вертикальному. При этом, как показали экспериментальные исследования, проводимые в ЛТА [1], в процессе протяжки ствола через ножи происходят его поперечные колебания (вдоль оси манипулятора). С целью изучения нагруженности ВСРМ в режиме очистки ствола от сучьев рассмотрен общий случай, когда ствол дерева отклонен от вертикального положения на некоторый угол j.

Динамическая нагруженность валочно-сучкорезно-раскряжевочной машины (ВСРМ) в режиме очистки дерева от сучьев при двух- и трехмассовой расчетных схемах механической системы "ВСРМ - дерево" (см. рис. 1, а, б) рассмотрены в работах [2, 3].

Принятые обозначения: J₁ – момент инерции платформы; J₂ – момент инерции манипулятора, сучкорезно-раскряжевочной головки, приведенный к оси поворота платформы; J₃ – момент инерции дерева, приведенный к оси поворота платформы; , ,  - соответственно угловые перемещения масс с моментами инерции J₁, J₂, J₃; С_о – крутильная жесткость привода выравнивателя платформы; С₁₂ – приведенная крутильная жесткость манипулятора; С₂₃ – приведенная крутильная жесткость дерева; G_д – сила тяжести дерева; h_т – расстояние от верхних захватов до центра масс дерева.

 

 

В процессе перемещения ствола в харвестерной головке происходит изменение массы, жесткости и коэффициента демпфирования кроны верхней свободной части дерева. Исследованиями [1] выявлено, что в 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 ее жесткостью. Характер изменения поперечной силы, вызванной колебаниями массы верхней части дерева носит явно выраженный  колебательный /гармонический/ характер. Частота колебаний находится в пределах 3-4 с^-1. Максимальное значение динамических нагрузок достигается в начальный момент обработки дерева. 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 расчетов на прочность элементов машины, необходимо и достаточно исследовать перерезание сучьев нижних 1-2-х мутовок. Следует заметить, что нижние сучья имеют максимальный диаметр. Учитывая, что расстояния между соседними мутовками составляет в среднем 28-30 см, а скорость протаскивания ствола  м/с, то время прохождения части ствола между мутовками составляет не более  с.

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

В работах [2, 3] установлен теоретически уровень динамической нагрузки в упругих связях ВСРМ при очистке ствола ели от сучьев, который для деревьев V=2,0 м³ составляет – 16,31…23,57 кН·м.

Сравнение расчетных данных по нагрузке в упругой связи С₂₃ с данными экспериментальных исследований [1] показывает их хорошую сходимость. Так при очистке дерева от сучьев величина поперечной  силы при колебаниях центра масс дерева по данным [1] составляет 200…250 Н. В нашем случае  Н. Таким образом, полученные аналитические зависимости для определения максимальных динамических нагрузок (моментов) в упругих связях ВСРМ могут быть рекомендованы для использования.

Экспериментальные исследования динамики ВСРМ проводились в режимах протяжки ствола дерева, очистки его от сучьев и раскряжевки на сортименты. Целями эксперимента являлось:

1. Установить уровень динамической нагрузки в упругих связях механической системы "ВСРМ – предмет труда – дерево".

2. Проверить корректность математических моделей.

3. Выявить влияние на динамическую нагруженность ВСРМ параметров предмета труда и вылета манипулятора.

Для реализации поставленных целей эксперимента параметры одновременно записывались на осциллографическую бумагу. Тензодатчики давлений устанавливались в гидролинии, соединенных с бесштоковыми полостями гидроцилиндров подъема (опускания) стрелы манипулятора  и выравнивания платформы. Датчик угловых перемещений устанавливался в торец оси подвеса стрелы на колонне. Аппаратура размещалась в отапливаемом помещении и соединялась с датчиком посредством системы электрокабелей.

В табл. 1 приведены результаты обработки осциллограмм. Из приведенных результатов видно, что уровень добавочных динамических моментов находится в диапазоне  /упругая связь “”/ [1, 2]. При этом коэффициенты динамичности нагрузки составляют .

 

Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований нагруженности 

ВСРМ в режимах протяжки ствола и очистки от сучьев

V, м3	Параметры
	Рт, кН	М0, кН×м	Давление в приводе, МПа		кН×м	Кд	Расхождение с расчетными в % по
			рстат.	рдин				Кд
0,25	6,77	33,83	5,2	2,0	13,01	1,38	13,0	0,73
0,50	7,68	38,38	5,9	1,85	12,04	1,31	8,83	0,77
0,75	8,72	43,59	6,7	1,12	7,29	1,16	7,5	2,07
1,00	9,76	48,79	7,5	1,25	8,13	1,17	11,02	0

 

Сопоставление расчетной динамической нагрузки в упругой связи “” с экспериментальной показывает, что расчетная нагрузка выше экспериментальной [2, 3]. Исключение составляет обработка дерева объемом 0,75 м³. Незначительное превышение экспериментальной нагрузки, скорее всего, связанно с неточностями вычисления исходных данных при математическом моделировании.

В целом же расхождение расчетных данных с экспериментальными не превышает  по динамическому моменту в упругой связи “” и  по коэффициенту динамичности.

Выводы.

1.     Работа экспериментальной ВСРМ в режимах протяжки ствола и очистки его от сучьев сопровождается значительными динамическими нагрузками в упругих связях. Коэффициенты динамичности находятся в пределах 1,16…1,38. При этом добавочные динамические моменты при обработке деревьев объемов 0,25-1,00 м³ составляют 7,29…13,01 кН×м  /упругая связь ““/.

2.     Расхождение теоретических результатов, выполненных по трехмассовой расчетной схеме, с экспериментальными в режимах очистки стволов деревьев от сучьев по динамическим моментам не превышает 7,5…13,05%. Двухмассовые расчетные схемы дают большую погрешность.

Литература

1. Сенников В.В. Разработка и обоснование основных проектных параметров устройства для рубок ухода с разделкой деревьев в близком к вертикальному положении. Автореферат дисс. на соискание ученой степени к.т.н. Л., ЛТА, 1984, 19 с.

2. Александров В.А., Будевич Е.А., Шоль Н.Р. Нагруженность валочно-сучкорезно-раскряжевочной машины (ВСРМ) в режиме очистки дерева от сучьев / Сб. науч. трудов: Материалы НТК (15-16 апреля 2002 г.).-Ухта: УГТУ, 2003.-4 с.

3. Шоль Н.Р., Будевич Е.А., Попов А.С. Динамика валочно-сучкорезно-раскряжевочной машины (ВСРМ) в режиме очистки ствола дерева от сучьев /Сб. науч. трудов: Материалы НТК (18-19 апреля 2003 г.).- Ухта: УГТУ, 2004.- 2 с.