Математическое моделирование работы валочно-сучкорезно-раскряжевочной машины с выравниваемой платформой при заготовке сортиментов в горных лесах

Введение. Математическое моделирование технологических процессов функционирования лесозаготовительных машин позволяет без проведения натуральных экспериментов выявить взаимосвязи производительности машин от внешних воздействующих факторов.

Цель исследований . Разработка математической модели функционирования валочно-сучкорезно-раскряжевочной машины (ВСРМ) при заготовке сортиментов в горных условиях.

Задачи моделирования работы ВСРМ : определение оптимальных параметров разрабатываемой ленты с учетом лесоводственных требований; выявление зависимости ширины разрабатываемой ленты от расстояния между технологическими стоянками; построение математической модели работы ВСРМ с учетом проведенных исследований.

Методы исследований : графический метод с использованием встроенных функций приложения «КОМПАС-3D LT EXE» при определении оптимальных расстояний между технологическими стоянками ВСРМ и шириной разрабатываемой ленты; методы математической статистики, регрессионного и дисперсного анализов и оценка полученных результатов с использованием приложения «MicrosoftOfficeExcel».

Любой технологический процесс можно условно представить в виде блока (рис.1), на который воздействует ряд входных факторов (параметров), и на выходе имеются выходные параметры [4]. К входным факторам относятся неуправляемые (u i ), возмущающие (z i ), управляемые факторы (x i ). Выходные параметры (y i ) характеризуют состояние процесса, возникающее в результате суммарного воздействия входных факторов [8].

и, U; u3 и

Xi

Хз

Хз

BCPtl при разработке ленты 6 горных условиях по комбинированной технологии

X

Ху

X

X

Рис. 1. Блок-схема «Разработка ленты в горных условиях ВСРМ»

Процесс функционирования ВСРМ можно описать следующим набором векторов:

^и к = [

^ 1 = Q га , U₂ = ПГУ , U 3 = Р , . U4 = ПС , u₅ = R, и₆ = V bcpm , U 7 =

V op l

где u 1 – запас на гектаре, м³/га;

• u 2 – почвенно-грунтовые условия (несущая способность грунта, вид почвы и т.д.);

• u 3 – рельеф (уклон местности), °;

• u 4 – породный состав древостоя;

• u 5 – вылет манипулятора, м;

• u 6 – скорость перемещения ВСРМ, м/с;

• u 7 – скорость протягивания хлыста при обрезке сучьев и раскряжевке, м/с;

  
  
  
  

zm = (Z1 = Vw z2 = Lхл, z3 = Zra, z4 = ng}, где z1 – объем хлыста, м³;

• z 2 – высота древа, м;

• z 3 – количество деревьев на гектаре, шт/га;

• z 4 – количество деревьев обрабатываемое с одной технологической стоянки ВСРМ, шт.;

X_m = (* 1 = ^L TC , * 2 = ^Н БП , * 3 = Н ВСРМ , * 4 = ^п сор ^} ,

• x 1 – расстояние между технологическими стоянками ВСРМ, м;

• x 2 – ширина разрабатываемой вальщиком ленты, м;

• x 3 – ширина разрабатываемой ВСРМ ленты, м;

• x 4 – схема раскроя хлыста (количество выпиливаемых сортиментов).

Комбинированная технология заготовки сортиментов в горных условиях [3], на базе системы машин – бензомоторная пила (БП)+валочно-сучкорезно-раскряжевочная машина (ВСРМ)+ канатная трелевочная установка (КТУ) [1] – предполагает разработку лент на склонах крутизной до 32° (рис. 2).

Последовательность выполнения технологических операций следующая: с помощью БП производится направленная валка деревьев под углом 25–35° по отношению к оси трелевки, причем ширина ленты не должна превышать 0,5 высоты древостоя, далее, разрабатывая ленту, ВСРМ обрабатывает и поваленные вальщиком деревья [2], максимальная ширина ленты две длины манипулятора, после обрезки сучьев и раскряжевки сортименты укладываются в пакеты, которые трелюются в полностью подвешенном состоянии, что позволяет избежать негативного воздействия на почву.

Положительные моменты данной технологии: значительная ширина разрабатываемой ленты (2х 2 +х 3 ), что позволяет сократить количество проходов машины по лесосеке и уменьшить количество технологических стоянок КТУ.

Рис. 2. Комбинированная технология заготовки сортиментов на склонах крутизной до 32°

Решая задачу максимизации производительности и выявления наиболее значимых факторов, составляется математическая модель [7].

Существующие методы определения производительности ВСРМ не учитывают специфики представленной технологии, в связи с чем и разрабатывается математическая модель, целью которой является определение факторов, в большей степени влияющих на производительность.

Количество поваленных вальщиком деревьев, приходящихся на одну технологическую стоянку (ТС) ВСРМ, определяется следующим образом:

_n БП = Q га ^Н Л^П XZ ^БП XL ТС Х10^-4

Я хл

где Q га – запас древесины на гектаре, м³;

Н БП – ширина ленты разрабатываемая вальщиком, м;

zБП – количество лент разрабатываемых вальщиком, 1 или 2;

LТС – расстояние между технологическими стоянками, м.

Для минимизации технологических стоянок ВСРМ расстояние между ними должно быть максимальным [5], т.е. равное максимальному вылету манипулятора, но в данном случае образуются участи, которые не входят в зону досягаемости машины S Н (рис. 3). Таким образом, ширина разрабатываемой ленты имеет прямую зависимость от расстояния между технологическими стоянками валочно-сучкорезно-раскряжевочной машины.

Определение параметров необработанной зоны при расстоянии между технологическими стоянками, равному R (длина вылета манипулятора), производится графическим методом (рис. 3) с помощью приложения «КОМПАС-3D LT EXE».

Рис. 3. Графический метод определения S Н и х

В масштабе изображаются окружности радиусом, равные длинам манипулятора (R), расстояние между центрами окружностей равно R, центр окружности является центром технологической стоянки. Зона, не входящая в радиус действия манипулятора S Н , ее площадь находиться с помощью вложенной функции «сервис» (рис. 4) – «измерить» – «площадь», далее выбирается объект, площадь которого необходимо измерить. Определенные таким образом площади обрабатываются статистическим методом и строится график зависимости (рис. 5).

Рис. 4. Описание метода определения площади и значения х с помощью программного приложения КОМПАС-3D LT EXE

Рис. 5. Зависимость площади необрабатываемой зоны от длины манипулятора

Полученное уравнение зависимости S Н – от длины манипулятора выражается следующим образом:

S Н = 0,8681×R - 4,2558.                                       (5)

Значение х (рис. 3) показывает, какое число необходимо учитывать при расстоянии между ТС, равному R, данное расстояние в нашем случае может разрабатываться вальщиками, тем самым сокращая ширину ленты разрабатываемую ВСРМ. Как и значение необработанной площади, х определяется графическим методом, полученные данные обрабатываются статистическим методом [6], и строится уравнение зависимости значения х от длины манипулятора.

х = 0,134×R.                                         (6)

Рис. 6. Зависимость ширины необрабатываемой зоны (х) от длины манипулятора

Таким образом, ширина разрабатываемой ленты лесозаготовительной машиной (Н ВСРМ ) при расстоянии между ТС, равному R (длине манипулятора), определяется из уравнения:

Н всрм ^— ^ - (0,134 x ^R).

Время цикла определяем по формуле:

Т ц — ^£ 1 + ^£ 3 + ^£ 4 + ^£ 6 + ^£ 7 + ^(t 8 + ^£ 9 + ^£ 10 + ^£ 11 ) ^{X П} пр + ^£ 10 +

+ Q га xH Б Xz ^БП XL ^ТС x10^-'

Я хл

■ 4

^{_ X} ^ 12 <

где t 1 – затраты времени на подвод харвестерной головки к дереву, с;

• t 2 – затраты времени на срезание дерева, с;

• t 3 – затраты времени на зажим дерева, с;

• t 4 – затраты времени на перемещение дерева в зону обработки, с;

• t 6 – затраты времени на натяг, с;

• t 7 – затраты времени на подъем дерева, с;

• t 8 – затраты времени на протаскивание дерева, с;

• t 9 – затраты времени на очистку деревьев от сучьев, с;

• t 10 – затраты времени на раскряжевку хлыстов, с;

• t 11 – затраты времени на сброс сортимента, с;

• t 12 – затраты времени на переезд к следующей группе деревьев, с;

• Q – объем древесины заготавливаемый с одной ТС, м³;

• q хл – средний объем хлыста, м³.

Определив методику расчета времени цикла, можно выразить и производительность ВСРМ с выравниваемой платформой:

ВСРМ

Пч

_____________________________ 3600^х К ис ^xg хл _____________________________

A[²( 53-r3 ^__r]Х ^ хл ^х104+б,6+ [ ¹сорт+^Ц (n     1)+ ²⁰ ' ^8х1 ° ^4х Ц хл ^x Кз '

Vнав 3 R2-r2        qгаxF         vnpom 4xПч.n.x^   сорт J       qгаxF где R,r – соответственно максимальный и минимальный вылет манипулятора, м;

• ϕ – коэффициент, учитывающий использование производительности чистого пиления;

• d П – диаметр дерева в месте пропила, м;

• ℓ д – длина обрабатываемого дерева, м;

• v нав – скорость наведения харвестерной головки на дерево, v нав = 0,20–0,22 м/с;

• α – средний угол поворота платформы при срезании и переносе деревьев, °;

• n сорт – количество выпиливаемых сортиментов;

• ℓ сорт – средняя длина выпиливаемых сортиментов, м;

• υ прот – скорость протаскивания дерева через сучкорезные ножи, м/с;

П ч.п. – производительность чистого пиления, см²/с;

d S – средний диаметр дерева в месте раскряжевки, м;

К з – коэффициент, учитывающий захламленность лесосеки;

n 1 – количество деревьев, срезанных ВСРМ с одной технологической стоянки (ТС), шт.;

F – площадь, вырубаемая с одной ТС, м²;

q га – запас древесины на 1 га, м³;

• n – частота вращения поворотной платформы;

К ис – коэффициент использования максимального вылета манипулятора, зависящий от уклона местности.

Выводы

Разработанная модель позволяет определить оптимальные параметры ленты, при которых производительность ВСРМ максимальна; при определении оптимального расстояния между технологическими стоянками ВСРМ целесообразно пользоваться выявленной зависимостью ширины ленты от расстояния между ТС. Данная модель позволяет определить производительность ВСРМ при работе по комбинированной технологии.