Повышение эффективности использования лесотранспортных машин при движении по снежному покрову в условиях лесосеки (на примере свердловской области)

На правах рукописи

Савсюк Марина Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ЛЕСОТРАНСПОРТНЫХ МАШИН ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО

СНЕЖНОМУ ПОКРОВУ В УСЛОВИЯХ ЛЕСОСЕКИ

(НА ПРИМЕРЕ СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ)

05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок

и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Уральский государственный лесотехнический университет" (УГЛТУ)

Научный руководитель:	кандидат технических наук, Заслуженный работник высшей школы РФ, профессор Булдаков Сергей Иванович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Бартенев Иван Михайлович
	доктор технических наук, профессор Сушков Сергей Иванович
Ведущая организация:	Московский государственный университет леса

Защита диссертации состоится 26 декабря 2008 г. в 1000 час на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, зал заседания – аудитория 240)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВГЛТА.

Автореферат разослан 24 ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.В. Скрыпников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Около 60% всей лесной площади Свердловской области по почвенно-грунтовым условиям относится к 3 и 4 категориям с несущей способностью грунтов 50 – 70 кПа. При этом продолжительность периода с устойчивым снежным покровом составляет 100 – 120 календарных дней, поэтому такие лесные массивы целесообразно осваивать только в зимний период с использованием лесотранспортных машин (ЛТМ), способных перемещаться в этих условиях.

Однако процесс взаимодействия ходовых частей ЛТМ со снежным покровом в условиях лесосеки изучен недостаточно, а, следовательно, это приводит к необходимости определения факторов, влияющих на процесс образования колеи и сопротивления движению, разработки методики расчета опорной проходимости ЛТМ и выработки рекомендаций по конструктивному исполнению ходовых частей.

Целью исследований является повышение эффективности использования лесотранспортных машин при движении по снежному покрову на основе анализа степени влияния различных факторов на их опорную проходимость.

Объекты и методы исследований. Объектами теоретических и экспериментальных исследований являются: физико-механические свойства снежного покрова в лесу, влияющие на движение ЛТМ; процесс взаимодействия ходовых частей ЛТМ со снежным покровом; математическая модель оценки проходимости ЛТМ по снежному покрову.

Для решения поставленных задач проведена комплексная оценка условий эксплуатации лесотранспортных машин и математическое моделирование процесса взаимодействия ходовых частей ЛТМ со снежным покровом в лесу с применением программного обеспечения.

Экспериментальные исследования проводились на лесотранспортной машине в составе: автомобиль – тягач Урал 4320 с манипулятором СФ-65 и прицепом – роспуском повышенной проходимости на базе ГКБ 9383-012 на резинометаллических гусеницах (РМГ).

Научная новизна работы заключается:

1. В разработке математической модели оценки проходимости лесотранспортных машин по снежному покрову, отличающейся учетом характера изменения физико-механических свойств снега.
2. В теоретическом обосновании параметров ходовых частей лесотранспортных машин, отличающемся тем, что учитывается состояние снежного покрова и особенности перемещения прицепа-роспуска по следу автомобиля-тягача.
3. В разработке методики оценки эксплуатационных свойств снежного покрова, отличающейся тем, что учитывается многократное нагружение снежного покрова и изменение его физико-механических свойств, в зависимости от глубины погружения деформатора и величины внешней нагрузки.

Достоверность научных исследований. Достоверность научных положений основана на применении современных методов обработки результатов научных и экспериментальных исследований опорной проходимости транспортных средств и проведением математического моделирования, реализованного в современном программном комплексе, подтверждением и апробацией полученных результатов на предприятиях лесного комплекса.

Значимость для теории и практики. Разработанные математическая модель и методы исследований позволяют выполнить оценку процессов взаимодействия ходовой части ЛТМ со снежным покровом в условиях лесосеки; выбрать наиболее рациональные конструктивные параметры ходовых частей ЛТМ; оперативно оценить эксплуатационные свойства снежного покрова разработанным экспресс - методом; дать прогноз проходимости ЛТМ по снежному покрову в условиях лесосеки.

На основе результатов исследования сделаны рекомендации для создания и эксплуатации экспериментального сортиментовоза с роспуском повышенной проходимости на резинометаллических гусеницах.

Работа выполнена в рамках программы «Разработка методики подготовки лесопромышленного предприятия к сертификации по схеме устойчивого лесоуправления на основе критериев FSC» (руководитель работы – профессор Э.Ф. Герц, № сл – 8 – 144/2007 г.) по заданию Министерства промышленности, энергетики и науки Свердловской области.

Разработанные методы расчетов взаимодействия ходовых частей лесотранспортных машин со снежным покровом в лесу и математическое обеспечение внедрены в учебный процесс Уральского государственного лесотехнического университета при подготовке инженеров по специальности 250401.65 «Лесоинженерное дело», отражены в научных трудах кафедры транспорта и дорожного строительства, научных изданиях и публикациях периодической печати.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель оценки проходимости лесотранспортных машин по снежному покрову в условиях лесосеки с учетом его состояния, позволяющая прогнозировать перемещение ЛТМ в конкретных условиях эксплуатации и проводить ограничения по величине рейсовой нагрузки;

• аналитические и графические зависимости для обоснования конструктивных параметров резинометаллической гусеницы работающей совместно с пневмоколесной ходовой частью ЛТМ;
• методика определения эксплуатационных свойств снежного покрова экспресс - методом с помощью универсального штампа (Устройство для определения несущей способности снежного покрова: Пат. 41150 Россия МПК7 G 01 N 1/20).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Транспорта и дорожного строительства» (Уральский государственный лесотехнический университет 2005, 2006, 2007 гг.); научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (Уральский государственный технический университет – УПИ, 2004 г.); V международной научно-технической конференции «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (Уральский государственный лесотехнический университет, 2005 г.); научно-технической Всероссийской конференции «Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе» (Пермский государственный технический университет, 2005 г.); на II Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов УГЛТУ (Уральский государственный лесотехнический университет, 2006 г.); международной научно-технической конференции «Урал промышленный - Урал полярный: социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (Уральский государственный лесотехнический университет, 2007 г.).

Реализация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в Билимбаевском лесничестве Свердловской области, УУОЛ УГЛТУ п. Северка Свердловской области, используются в учебном процессе подготовки специалистов очной и заочной форм обучения по специальности 250401.65 «Лесоинженерное дело» Уральского государственного лесотехнического университета.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, и патент РФ на полезную модель (Устройство для определения несущей способности снежного покрова: Пат. 41150 Россия МПК7 G 01 N 1/20).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, общих выводов и приложений; содержит 149 страниц текста, 21 таблицу, 38 рисунков и библиографический список из 114 наименований, включая 8 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту, отмечена теоретическая и практическая значимость результатов исследований.

В первой главе освящены способы трелевки леса; выполнен анализ имеющегося опыта применение ЛТМ на лесосеке и вывозке, а также методов расчета взаимодействия ходовых частей этих машин со снежным покровом на лесосеке.

Исследованием транспортных и технологических процессов предприятий лесного комплекса, оценкой проходимости ЛТМ по снежному покрову занимались многие вузы (МГУЛ, НГТУ, ВГЛТА, УГЛТУ, БГТУ), научно-исследовательские организации (ЦНИИМЭ, ОНИЛВМ).

Проблемой транспортировки леса занимались ученые: Г.М. Анисимов, И.М. Бартенев, С.И. Булдаков, Г.К. Виногоров, В.А. Горбачевский, А.Д. Драке, М.И. Зайчик, Б.А. Ильин, М.М. Корунов, В.Г. Кочегаров, И.Н. Кручинин, В.К. Курьянов, В.Ф. Кушляев, В.П. Немцов, С.Ф. Орлов, А.П. Панычев, Ю.Д. Силуков, Я.В. Слодкевич, С.И. Сушков, Д.И. Шеховцев и ряд других ученых, которые внесли существенный вклад в развитие лесного комплекса России.

В трудах Л.В. Барахтанова, А.В.Жукова, В.И. Ершова, А.П. Куляшова, В.А. Малыгина, Э.А. Поздеева, С.В. Рукавишникова, А.С. Федоренчика рассмотрены вопросы перемещения лесотранспортных машин по снежному покрову.

Исходя из анализа состояния проблемы и цели работы, поставлены следующие задачи исследования:

- разработать математическую модель оценки проходимости движения лесотранспортных машин по снежному покрову в условиях лесосеки;

• обосновать рациональные конструктивные параметры ходовой части ЛТМ повышенной проходимости и дать рекомендации их использования при движении ЛТМ по снегу в условиях лесосеки;
• разработать методику определения эксплуатационных свойств снежного покрова.

Во второй главе рассмотрены особенности взаимодействия ходовых частей ЛТМ со снежным покровом в условиях лесосеки и разработана математическая модель оценки проходимости ЛТМ по такой поверхности.

В качестве расчетной принята схема взаимодействия со снежным покровом сортиментовоза в составе: автомобиль – тягач Урал 4320 с манипулятором СФ-65 и прицепом – роспуском повышенной проходимости ГКБ 9383-012 с гибкими резинометаллическими гусеницами (РМГ) одетыми на пневматические колеса и представленная на рисунке 1.

а – общая схема ЛТМ: Hс – высота снежного покрова; hа1 – глубина колеи после прохода переднего колеса тягача; hа2 – глубина колеи после прохода тягача; hр – глубина колеи после прохода прицепа-роспуска; б – схема взаимодействия РМГ со снежным покровом: V – скорость движения; Т – натяжение резинометаллической гусеницы; W – прогиб рабочей ветви резинометаллической гусеницы; hкол1 –глубина колеи после прохода первой оси двухосного прицепа-роспуска; hкол2 – глубина колеи после прохода второй оси прицепа-роспуска; Fкр –крюковая сила тяги; Rк1, Rк2 - радиусы качения колес прицепа-роспуска; Gк1, Gк2 – нагрузки на оси прицепа-роспуска; Мк1, Мк2 – крутящие моменты колес прицепа-роспуска; 1, 2 – угловые скорости вращения колес прицепа-роспуска; Lк – длина колеи, образованной прицепом роспуском; Lб – база прицепа-роспуска; – динамический радиус колеса

Рисунок 1 - Расчетная схема взаимодействия сортиментовоза

с роспуском повышенной проходимости на

резинометаллических гусеницах со снежным покровом

Особенностью представленной ЛТМ является различие в ширине следа после прохода тягача и прицепа-роспуска. При определенном соотношении между шириной следа от ходовой части автомобиля и гусеницы ЛТМ, а также нормальных давлений от них на снег, ядро АСОД уплотнения, образующееся при проходе прицепа-роспуска, будет опираться на сформировавшееся ядро ДОЕ уплотнения от тягача (рисунок 2). Это приводит к значительному уменьшению глубины колеи и, как следствие, уменьшению сопротивления движению. Данное предположение основывается на том, что максимальное нормальное давление от прицепа-роспуска не превышает максимального давления от тягача, т.е. q р

В - ширина гусеницы прицепа-роспуска; b- ширина ходовой части тягача; Hр, hтяг - глубина колеи после прохода прицепа-роспуска и тягача соответственно

Рисунок 2 - Особенности перемещения ЛТМ, имеющей

различие в ширине следа после прохода тягача

и прицепа-роспуска

Значение текущей длины контакта верхнего ядра уплотнения снега с нижним определяется как (рисунок 2):

, (1)

где Xi - текущее значение контакта верхнего ядра уплотнения с нижним, Xi=ОД, м ;

Bi - текущее значение ширины гусеницы прицепа-роспуска, м;

Ндеф - толщина слоя снега, выдавленного прицепом-роспуском на дно колеи от тягача, м;

Нос - осадка под гусеницей прицепа-роспуска за счет вертикальной деформации выдавленного снега со стенок колеи, м;

0 - угол внутреннего трения снега, град.

При Xi = b после математических преобразований окончательно получим значение максимальной ширины гусеницы прицепа-роспуска:

(2)

Однако применение резинометаллической гусеницы, одетой на пневматические колеса роспуска, вызывает появление дополнительных сил сопротивления движению. Сила натяжения гусеницы, действуя на протектор шины, деформирует ее, и вызывает появление кинематического рассогласования.

На рисунке 3 представлено изменение дополнительного коэффициента сопротивления качения шины от натяжения гусеницы. Причем за критическое значение натяжения гусеницы принимается момент, когда дополнительный коэффициент сопротивления качения fн будет равен коэффициенту трения гусеницы о снег , т.е. условию блокировки пневмоколес роспуска.

.

1 - шина ИЯВ-12 при Рш=0,45 МПа; 2 - шина ИД-304 У-4 при

Рш=0,50 МПа; 3 - шина ИД-304 У-4 при Рш=0,55 МПа;

4 - шина ИЯВ-12 при Рш= 0,55 МПа; 5 – предельное значение

натяжения РМГ по условию блокировки колес

Рисунок 3 - Изменение дополнительного коэффициента

сопротивления качения шин в зависимости

от натяжения гусеницы и давления воздуха в шине

В процессе движения на ЛТМ действуют внешние силы, различные по своему характеру и происхождению. В общем виде условие обеспеченности движения имеет вид:

, (3)

где Fk - касательная сила тяги; Ff – силы сопротивления движению; Fi – силы сопротивления от уклонов; Fw – силы сопротивления воздушной среды; Fj - силы инерции.

С учетом условий работы лесотранспортных машин на лесосеке, рассматриваем только силу сопротивления движения и касательную силу тяги, принимаем следующие допущения: уклоны на лесосеке в равнинной местности незначительны, скорость ЛТМ не превышает 20 км/ч, поэтому силой сопротивления воздушной среды можно пренебречь. Тогда уравнение (3) имеет вид:.

Структурная схема взаимодействия ходовой части ЛТМ со снежным покровом в условиях лесосеки в общем виде представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структурная схема математической модели оценки

проходимости ЛТМ по снежному покрову

На рисунке 5 представлено решение математической модели в виде графика по ограничению рейсовой нагрузки. Высота снежного покрова накладывает определенные ограничения по величине рейсовой нагрузки: так при высоте до 0,4 м ограничений не существует; при 0,5 м максимально возможная нагрузка составляет только 136,4 кН, а при высоте свыше 0,6 м движение становится необеспеченным.

h – высота снежного покрова, Qр – рейсовая нагрузка, кН,

Fк – среднее значение касательной силы тяги, кН;

F – среднее значение сил сопротивления движения, кН

Рисунок 5 - Решение математической модели в виде графика

по ограничению рейсовой нагрузки

С целью оптимизации параметров ходовой части ЛТМ проведены расчеты на математической модели для условий, наиболее характерных для Свердловской области, при этом за критерий оптимизации принималась величина суммарной силы сопротивления движения сортиментовоза.

На рисунке 6 приведены расчетные значения сопротивления движению сортиментовоза по снежному покрову в зависимости от относительной ширины и различном предварительном натяжении резинометаллической гусеницы. Наименьшее сопротивление движению оказывает ЛТМ с роспуском при соотношении ширины резинометаллической гусеницы В и ширины ходовой части тягача b: B/b=1,2…1,7 при предварительном натяжении гусеницы Т=4 кН, и составляет 23,7…24,1 кН. В зависимости от соотношения ширины гусеницы роспуска и тягача сопротивление движению может изменяться от 23,7 до 26,8 кН, при наибольшем значении B/b=0,8.

Используя полученную модель и задаваясь параметрами снежного покрова можно оценить возможности движения любой ЛТМ при известных условиях эксплуатации.

1-при натяжении РМГ 1 кН; 2- при 4 кН; 3- при 7 кН

Рисунок 6 - Расчетные зависимости сопротивления движению

сортиментовоза от относительной ширины РМГ

на снежном покрове высотой 0,5 м:

В третьей главе выполнены исследования физико-механических свойств снежного покрова в условиях лесосеки на территориях: Исовского лесхоза Н. Туринского района, Буйского лесничества Н. Сергинского района, Билимбаевского лесничества Свердловской области, Паркового лесничества городского лесхоза г. Екатеринбурга, как наиболее характерных по природно-климатическим условиям для Свердловской области.