Полная статья. Рубрика в журнале - Resources and Technology
Теоретические исследования работы лесных машин с гусеничным движителем на склонах
Статья научная
Во многих странах мира достаточно большие запасы лесных ресурсов находятся на горных склонах. Работы по заготовке древесины в условиях горных лесосек существенно снижают производительность и повышают риски для людей и техники. Во многих индустриально развитых странах мира преобладают машинные способы заготовки древесины, включая освоение лесов на горных склонах. Колесные лесные машины, работающие на горных склонах, прежде всего, оснащаются специальными гусеницами. Необходимо учитывать, что экосистемы горных лесов являются очень ранимыми, при неправильном проведении работ, при избыточном негативном воздействии на почвогрунт, на них могут возникать и быстро развиваться процессы водной и ветровой эрозии. Особенно опасным для экосистем лесов на склонах является процесс образования колеи под воздействием движителей лесных машин. Именно колея волока служит концентратором водной и и часто ветровой эрозии. Кроме того, превышение несущей способности почвогрунта может приводить к возникновению оползней, соскальзыванию машины по склону. В статье представлено теоретическое обоснование допустимого среднего давления движителя работающей на склоне лесной машины на почвогрунт при ограничении глубины образующейся колеи. А также получены новые зависимости, позволяющие на практике, без итераций, рассчитать: несущую способность почвогрунта, находящегося под воздействием гусеничного движителя, в зависимости от физико-механических свойств почвогрунта с учетом угла склона; глубину колеи, образующейся под воздействием гусеничного движителя лесной машины, работающей на склоне; допустимое среднее давление гусеничного движителя на почвогрунт, ограниченное глубиной образующейся колеи; коэффициент сопротивления движению гусеничной машины, движущейся вдоль склона; коэффициент сцепления гусеничного движителя с грунтовой поверхностью с учетом ослабления почвогрунта при срезе. Работа выполнена в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства». Исследование частично выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-26-00009, https://rscf.ru/project/22-26-00009/.
Бесплатно
Теоретический анализ кинематических параметров решетных станов зерноочистительных машин
Статья научная
В подавляющем большинстве зерноочистительных машин в качестве основного рабочего органа используются решетные станы с набором плоских перфорированных полотен, перфорация которых выполнена в виде различных геометрических отверстий разных размеров и расположения. Работа подвешенного на плоских металлических подвесках корпуса с решетами осуществляется за счет приводного механизма и представляет собой возвратно-поступательное движение заданной амплитуды и частоты. При этом детали машины испытывают серьезные знакопеременные нагрузки, что приводит к выходу ее из строя. Устранение данной проблемы имеет высокую актуальность для разработчиков и потребителей зерноочистительной техники. Представлены уравнения, связывающие горизонтальные и вертикальные перемещения решетного стана с углом поворота эксцентрика привода, линейно зависящим от времени. В виду громоздкости аналитических решений этих уравнений были аппроксимированы численные значения горизонтальных и вертикальных ускорений в зависимости от времени полиномами 13-го порядка, которые поддаются дифференцированию и позволили установить зависимости горизонтальных и вертикальных скоростей и ускорений решетного стана от времени, а следовательно и от угла поворота эксцентрика привода. Результаты расчетов показали, что особенно велики горизонтальные ускорения. Их максимальное и минимальное значения составляют соответственно 38,6 и -35,3 м/с2. Очевидно, что они создают большие силы инерции, вызывающие биения решетных станов. При изменении некоторых геометрических параметров привода эти ускорения значительно изменяются. При изменении длины шатуна и параметра установки оси вращения эксцентрика максимальное по модулю горизонтальное ускорение практически не меняется. При увеличении параметра установки оси вращения эксцентрика максимальное по модулю вертикальное ускорение увеличивается. При уменьшении значения радиуса эксцентрика максимальное по модулю горизонтальное ускорение уменьшается. При увеличении угловой скорости вращения эксцентрика как горизонтальное, так и вертикальное ускорения увеличиваются.
Бесплатно
Статья научная
В статье последовательно решены следующие задачи исследования: обоснование параметров движителей, выполненное с учётом критериев проходимости и экологичности. Показано, что ограничение степени воздействия движителя лесной машины по глубине колеи, как правило, целесообразно и с точки зрения проходимости машины, поскольку при большой глубине колеи отмечается потеря несущей способности и сцепления движителя с опорной поверхностью. Для случая работы лесных машин в условиях чувствительных почв многолетней мерзлоты обычная формулировка допустимой глубины колей в большой части случаев неприемлема, поскольку глубина колеи должна быть ограничена существенно меньшим, нежели обычно, значением, максимум до 5 см. В статье показано, что в оценке глубины колеи следует различить непосредственно уплотнение и сдвиг-срез слоёв почвы, поскольку для почв на многолетней мерзлоте принципиально важно не допустить минерализации и переуплотнения верхних слоёв, взаимодействующих с движителем на начальном этапе формирования колеи. Как правило, в лесоинженерном деле рассматривается взаимодействие движителей машин с лесными почвогрунтами, для которых уже получен значительный объём экспериментальных данных по физико-механическим свойствам. Для почв на многолетней мерзлоте имеющиеся научные сведения о физико-механических свойствах достаточно ограничены. Важно учитывать сложные условия и транспортную доступность региона, затрудняющие сбор экспериментальных данных. Доказано, что при обосновании параметров рекомендуемой техники критически важно учитывать не только сохранение почвы. Достаточно остро в условиях региона встают вопросы топливной экономичности машин, в связи с чем требуется проводить расчёт расхода топлива при движении машины, связанный с учётом образования колеи.
Бесплатно
Технологический анализ вариантов использования валочно-трелёвочно-процессорных машин
Статья научная
Для мелких и малообъёмных лесозаготовительных предприятий, которые преобладают в лесном комплексе Российской Федерации, в условиях острого дефицита вальщиков леса универсальные лесозаготовительные машины (одномашинные лесозаготовительные комплексы) являются одним из наиболее предпочтительных вариантов для проведения лесосечных работ, как при сплошных, так и при выборочных рубках леса. По сравнению с классическими многомашинными лесозаготовительными комплексами (например, харвестер и форвардер) они требуют значительно меньше капиталовложений, операторов, затрат на их перемещение с лесосеки на лесосеку, что при дефрагментированном лесосечном фонде (с преобладанием небольших по площади и ликвидному запасу древесины лесосек), свойственном для таких предприятий, является достаточно значимым фактором. В статье выполнен технологический анализ четырёх вариантов использования валочно-трелёвочно-процессорных машин. Рассмотрены технологические схемы разработки лесосек при помощи этих машин. Рассмотрены варианты использования этих универсальных лесозаготовительных машин при включении их в состав многомашинных лесозаготовительных комплексов, в случае необходимости - значительного увеличения объёма заготовки древесины за единицу времени. Показано, что валочно-трелёвочно-процессорные машины имеют большую вариативность технологического использования, в частности, в том, что они могут быть задействованы как на скандинавской, так и на канадской технологии лесосечных работ.
Бесплатно
Статья научная
Повышение эффективности лесного хозяйства и лесопользования требует решения вопросов районирования лесных территорий. Цель данного исследования состояла в статистическом обосновании схемы типизации лесоэксплуатационных условий на уровне центральных лесничеств Республики Карелия, Мурманской и Архангельской областей. Лесоэксплуатационное районирование проведено с учётом 19 переменных, характеризующих ресурсы древесины, природно-производственные условия и дорожную инфраструктуру. Источниками данных являлись лесные планы и лесохозяйственные регламенты центральных лесничеств. Методика исследования включала последовательное применение факторного, кластерного и дискриминантного анализов. Факторный анализ применён для устранения мультиколлинеарности и сокращения числа переменных. Извлечение факторов осуществлялось методом максимального правдоподобия, а их количество определялось по критерию Кайзера. Факторная структура подвергалась вращению методом Варимакс. В результате факторного анализа выделено 4 фактора, которые объясняют 83,16 % общей дисперсии 19 переменных. Первый фактор определял общую продуктивность лесов и уровень расчётной лесосеки по хвойному хозяйству. Второй фактор характеризовал уровень лиственного хозяйства и природно-производственные условия, характерные для лесов с высоким содержанием лиственных пород. Третий фактор характеризовал объём расчётной лесосеки по сплошным рубкам. Четвёртый фактор определял степень соответствия природно-производственных условий благоприятным условиям (более сухие почвы и продуктивные леса). Кластерный анализ включал два этапа. На первом этапе применён иерархический кластерный анализ с целью определения числа кластеров. На втором этапе использован метод k-средних для деления центральных лесничеств на заданное количество групп. По итогам кластерного анализа исследуемый регион разделён на 9 лесоэксплуатационных районов и разработана карта-схема. Достоверность результатов кластерного анализа подтверждена статистическими критериями дискриминантного анализа: значениями канонической корреляции, критерием χ^2 Пирсона, критерием лямбда Уилкса.
Бесплатно
Требования к диаметрам круглых лесоматериалов для обеспечения жёсткости плоской сплоточной единицы
Статья научная
Обеспечение эффективного функционирования транспортно-технологических схем поставки лесоматериалов потребителям требует совершенствования известных плоских сплоточных единиц в плане упрощения их конструкции и обеспечения возможности изготовления в сплоточных машинах. Цель исследования - определить допустимый диапазон варьирования диаметров круглых лесоматериалов в рядах плоской сплоточной единицы относительно принятого (номинального) диаметра для обеспечения её жёсткости. Ряды круглых лесоматериалов усовершенствованной конструкции плоской сплоточной единицы (патент РФ № 210485) являются объектом исследования. Для снижения затрат все опыты эксперимента проводились на моделях плоских сплоточных единиц, масштаб которых принят 1 : 10. Модели подвергались испытанию на жёсткость. При проведении всех опытов полученные данные заносились в таблицу, где каждому диаметру нулевого уровня присваивался установленный допустимый диапазон варьирования диаметра круглых лесоматериалов в рядах плоской сплоточной единицы. Используя экспериментальные данные, которые были получены для моделей плоских сплоточных единиц, определили допустимый диапазон варьирования диаметров круглых лесоматериалов, из которых собираются ряды плоской сплоточной единицы натуральных размеров. Установлено, что для каждого принятого (номинального) диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды плоской сплоточной единицы, присутствует изменение в бóльшую и меньшую сторону на 1,0 см. Данное условие справедливо при изменении номинального диаметра от 10,0 до 70,0 см. В практических условиях для обеспечения наибольшей жёсткости плоской сплоточной единицы необходимо использовать круглые лесоматериалы с минимальной сбежистостью. Не допускается использование круглых лесоматериалов в рядах, имеющих сбежистость более 1,0 см на 1,0 м длины. При этом гибкие связи должны быть отнесены от концов круглых лесоматериалов, уложенных в рядах, не менее чем на 1,0 м. Соблюдение установленного варьирования диаметров круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды усовершенствованной плоской сплоточной единицы, позволит изготавливать сплоточные единицы данной конструкции, которые будут обладать достаточной жёсткостью и, как следствие, волноустойчивостью.
Бесплатно
Устройство для испытания звукоизоляции древесных панелей
Статья научная
При развитии деревянного домостроения очень важно применять экологически чистые материалы с экономическими и техническими характеристиками, удовлетворяющие как домостроителя, так и жильца. В последнее время всё больше обращают внимание на древесные панели, которые по многим параметрам превосходят свои аналоги. При применении деревянных панелей различных конструктивных вариантов очень важны их характеристики, одной из значимых является звукоизоляция. При патентном поиске обнаружены изобретения для определения звукоизоляции материалов, однако они не направлены на определение звукоизоляции панелей или предназначены для крупноразмерных панелей, что затрудняет их использование в лабораторных условиях. Цель настоящих исследований - предложить установку и способ измерения для определения звукоизоляции деревянных панелей (древесных плит) от воздушного шума. Цель достигается особенностями предлагаемой конструкции изобретения, заключающимися в наличии акустических звукоизоляционных камер высокого и низкого давления, позволяющих использовать установку в условиях окружающего шума до 75 дБ и размещать между ними испытуемую панель 327 ´ 327 мм (активная площадь испытания диаметром 315 мм). Предлагаемая конструкция позволяет исследовать образцы толщиной до 150 мм, как одно-, так и многослойные. В качестве тестовых образцов были использованы панели с известными звукоизоляционными свойствами: пенопласт, пенополиуритан, трёхслойная фанера, изовер. При сравнении полученных результатов с известными звукоизоляционными характеристиками данных материалов отклонение составило не более 8 %, что подтверждает работоспособность установки. Также испытания проводились на трёхслойных древесных панелях, собранных из соснового мебельного щита толщиной 18 мм. Предложенная установка и способ измерения не противоречат межгосударственному стандарту ГОСТ 27296-2012 «Здания и сооружения. Методы измерения звукоизоляции ограждающих конструкций». Данную установку можно эффективно использовать для определения звукоизоляции различных панелей, в т. ч. деревянных. Это позволит определять возможности их применения в различных условиях деревянного домостроения.
Бесплатно
Численное исследование показателей заготовки древесины на лесных плантациях
Статья научная
В рамках новых трендов в мировой экологической политике в последнее время появился термин «биоэкономика», который имеет достаточно большое число различных определений. Одним из его вариантов является понимание биоэкономики как процесса устойчивого производства и преобразования биомассы для пищевых и промышленных продуктов, а также энергии. Под данное определение как нельзя лучше подходит процесс создания и эксплуатации лесных плантаций, в т. ч. и энергетического назначения. Энергетические лесные плантации как нельзя лучше подходят и к задачам глобального энергетического перехода в экономике Российской Федерации, о котором в конце сентября 2021 г. объявил премьер Михаил Мишустин. С точки зрения эффективности создания и эксплуатации энергетических лесных плантаций основным критерием оценки является энергетическая эффективность, под которой понимают следующий принцип: энергетическая ценность выращенной древесной массы должна быть больше количества энергии, затраченной на её выращивание и заготовку. В статье представлены практические зависимости для оценки энергетической ценности стволовой древесины от времени роста; приведены математические модели для расчёта производительности различных комплексов машин и механизмов заготовки плантационной древесины и их реализации, осуществлён вычислительный эксперимент и приведены его результаты, получены зависимости для практической оценки показателей заготовки энергетической древесины различными комплексами машин и механизмов, совершенствующие планирование и принятие решений в области заготовки плантационной древесины. Работа выполнена в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства» Арктического государственного агротехнологического университета.
Бесплатно
Статья научная
В последние годы крупные и средние лесопромышленные компании начали существенно выравнивать объёмы заготовки древесины по сезонам, переходя практически на круглогодичную заготовку и вывозку древесины, не считая периодов закрытия дорог на просушку. Это связано с необходимостью равномерного внесения платежей за используемые ими банковские продукты, в т. ч. на приобретение лесных машин, такие как кредит и лизинг. При этом можно объективно наблюдать результаты глобального потепления климата. Например, согласно данным статистики, за период с 1980 по 2020 г., т. е. за 40 лет, период устойчивой зимней вывозки древесины на Северо-Западе России сократился почти на 3 недели, а это очень существенно. Важно отметить, что потепление - это не значит, что жаркое лето и тёплая зима. Вполне может быть холодное лето с максимумом осадков и маломорозная, малоснежная зима. Также становится всё более характерным размытие межсезонных периодов. Иначе говоря, тепло и сыро может теперь быть практически круглый год. Проблему быстрого строительства временной дорожной сети в сложных условиях при помощи сборно-разборных покрытий научились решать достаточно давно. Однако процесс воздействия движителя машины на укреплённое композитное основание, представляющее собой синтетический дорожный мат и подстилающий лесной почвогрунт, до сих пор не изучен. В статье приведены методика, аппаратура и результаты экспериментальной проверки математической модели взаимодействия колёсного штампа-движителя с двуслойной опорной поверхностью, модели деформируемой плиты, размещённой на податливом (винклеровском) основании.
Бесплатно
Статья научная
В работе выполнено исследование энергоёмкости процесса производства древесной технологической щепы в древесно-подготовительном цехе АО «Кондопожский целлюлозно-бумажный комбинат». В статье представлен анализ актуальной для лесопромышленного комплекса проблемы энерго-эффективности и целесообразности использования рубительных машин для производства щепы, используемой в качестве топлива для автономных энергоустановок. Актуальность этой проблемы обусловлена всё большим удалением мест лесозаготовки от территорий с развитой инфраструктурой и централизованных сетей энергоснабжения, что требует значительного снижения затрат на генерацию электроэнергии, например, таких как затраты топлива для дизельных генераторов, а также расходы на доставку этого топлива до мест заготовки леса. Основной целью этого исследования является экспериментальное определение удельного расхода электроэнергии дисковой рубительной машиной МР5-150 на производство 1 м3 древесной щепы. В ходе работы на рубительные машины древесно-подготовительного цеха АО «Кондопожский ЦБК» были установлены счётчики электроэнергии, показания которых регулярно фиксировались персоналом предприятия. Кроме этого, персонал фиксировал данные об общем потреблении древесной щепы предприятием и данные о количестве используемой привозной щепы, исходя из которых получилось определить объёмы щепы, производимой древесно-подготовительным цехом. В ходе работы также определено, что среднегодовой удельный расход электроэнергии на производство 1 м3 щепы, согласно проведённому исследованию, составляет 3,97 кВт⋅ч/м3. При этом электро-двигатели рубительных машин на предприятии работают при нагружении 20-25 % от номинальной мощности. Помимо этого, выявлено, что удельный расход электроэнергии на производство 1 м3 щепы значительно зависит от влажности древесины. Так, например, в январе удельный расход составлял 2,90 кВт•ч/м³ при влажности сырья более 40 %, а в июле - 5,35 кВт•ч/м³ при влажности сырья 26-40 %. Такие показатели получены при условии, что за сутки рубительные машины в древесно-подготовительном цехе АО «Кондопожский ЦБК» простаивают около 6 ч.
Бесплатно
Экспериментальные исследования воздействия колёсно-гусеничного движителя на лесные почвогрунты
Статья научная
Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных условиях на кафедре «Технология и оборудование лесного комплекса» Арктического государственного агротехнологического университета. Методика их проведения, в целом, сформировалась в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства». Эксперименты проведены на лабораторном стенде для двух типов штампов, являвшихся лабораторными моделями колёсного и гусеничного движителей комбинированной (колёсно-гусеничной) лесной машины. Задачей экспериментальных исследования являлась проверка: уточнённой теоретической зависимости прочности почвогрунта при вдавливании зонда от модуля деформации, предлагаемой для определения характеристик почвогрунта в полевых условиях; функции несущей способности почвогрунта при образовании колеи глубиной h = 0,2 м от модуля деформации почвогрунта для колёсного и гусеничного движителей соответственно; функции среднего давления, допустимого по критерию глубины образующейся колеи, от модуля деформации для колёсного и гусеничного движителей соответственно. Опыт предыдущих исследователей показывает, что лабораторные эксперименты, план которых составлен с использованием положений теории подобия, позволяют верифицировать теоретические зависимости несущей способности, колееобразования и допустимого воздействия на почвогрунт. При этом достигается снижение объёма полевых опытов и погрешности определения экспериментальных величин, благодаря использованию более точного лабораторного оборудования и методик. Результаты обработки опытных данных, измеренных на стенде, показывают, что во всех опытах эмпирические распределения экспериментальных величин соответствуют нормальному закону распределения.
Бесплатно
