Структурный анализ оборудования раскряжевочных установок для первичной обработки древесных хлыстов

Для создания оборудования нового поколения раскряжевочных установок необходим детальный анализ существующего оборудования и устройств, что даст возможность определить направления синтеза новых технологических структур для первичной переработки древесного сырья. Для анализа используем матричные преобразования координат, которые позволят формализовать структуру оборудования [2].

Рассмотрим наиболее распространённый механизм для разобщения хлыстов типа РРУ, ПРХ-2, например РРУ-10М. Определим функциональные возможности РРУ.

Структуру РРУ-10М рассмотрим более подробно.

Рис. 1. Структурный граф РРУ: a 11 – операция разобщения пакета; → рабочий ход РРУ;

--→ холостой ход РРУ; ∠ Ө – угол между осью хлыста и направлением, например, подающего транспортера; V 11 , V 12 – скорость движения ветвей РРУ; l 11 , l 12 – расстояние линейного перемещения ветвей РРУ

При V 11 = V 12 производится линейное перемещение хлыста, перпендикулярное продольной оси хлыста. При V 12 = 0 и V 11 > 0 производится поворот хлыста на z(+ 0 ) ; при V 12 >  0 и V 11 = 0 - поворот на z(- 0 ) .

Первый хлыст ориентирован относительно координат OXYZ (рис. 1) следующим образом: продольная ось хлыста совпадает с осью Z; оси X, Y направлены в радиальных направлениях комлевого среза хлыста. При этом соблюдаются следующие условия:

• -    система координат OXYZ неподвижна относительно хлыста;

• -    хлыст во время перемещения не поворачивается относительно продольной оси.

Система координат OXYZ является в данном случае базовой, и все перемещения хлыста с изменением координат будут характеризоваться относительно этой системы.

Структурная формула объекта нашего анализа [1], записанная в матричной сокращенной форме, определится результирующей матрицей 5×5 (1)

в = В л &1М                         (1)

• ¹ 1 = ¹ 11 = ¹ 12 ,

где   В _л - матрица линейного перемещения;

i - вектор направления перемещения;

• 1₁    - расстояние, на которое переместится начало координат системы O 1 X 1 Y 1 Z 1 ;

• 1₁    - время, затраченное на перемещение 1₁ .

Возможность РРУ поворачивать хлыст на угол Ө определяется следующим образом:

в=В вр ае^-В л (I,i 1 ,t 1 ) ,                       (2)

где   В_вр - матрица поворота вокруг оси Y (базовый единичный вектор j ) на угол 0 ;

• 1₂    - время поворота.

Полное перемещение РРУ с холостым и рабочим ходом ветвей, поправкой хлыста записывается следующим образом:

^В = ^В лх (В ^ х > X . х ) ' ^{(в — 1} х < X . х ) ' ^В лр ^{(в 1} р 1 < ¹ р 1 ) ' ^В вр (В ^е , 2 ) ) ' ^В лр (В ¹ 1 < 1 ) )   ⁽³⁾

где В - результирующая матрица, определяющая координаты хлыста в системе OXYZ;

I _х , 1 _х - расстояние и время холостого хода соответственно;

I р 1> 1р1 - расстояние и время рабочего хода при разобщении пакета соответственно;

• , 1:1. - расстояние и время подачи хлыста в зону гидроманипулятора или непосредственно в зону раскряжевки соответственно.

Структурный анализ гидроманипуляторов ЛО-13С, ЛП-03 (ЛО-126). Гидроманипулятор (ГМ) ЛО-13С двухстреловой, неповоротный. Каждая стрела обладает двумя степенями свободы. Захват ствола дерева (хлыста) производится захватом без ориентации в пространстве (рис. 2).

I и II гидроманипуляторы (с зажатым в захватах хлыстом) в совокупности обеспечивают хлысту четыре степени подвижности. Достигается это изменением углов поворота стрел <р ₁ и <р ₂ , а также углов поворота рукоятий а₁ и а ₂ .

Рис. 2. Схема сдвоенного ГМ ЛО-13С

Из четырех перемещений главными будут перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях (подача хлыста), остальные – вспомогательные.

В упрощенном виде расстояние ОО 1 (рис. 2) можно представить как траекторию или описать в виде изменения координат матрицами, которые учитывают время перемещения t .

Перемещение ОО 1 (рис. 2) равно сумме векторов l 1 + l 2 = ОО 1 .

Структурная формула будет иметь вид:

в = в( аь Л)- л ( ai₂ );                            (4)

в = В (&1М- Л ( (i,l ₂ ,t ₂ ) ;                            (5)

где В - результирующая матрица, которая определяет координаты ц.т. хлыста в результате преобразования координат;

ВЛ - переходная матрица, отражающая перемещение по вектору j или изменение координаты у ;

В Л - переходная матрица, отражающая перемещение по вектору i или изменение координаты x ;

t - время, затраченное при перемещении по вектору OO i . Учитывается только в одной из переходных матриц (4);

t_r , 2₂ - время, затраченное при изменении координат х, у соответственно (несовмещенное перемещение).

При известном расстоянии ОО 1 и при совмещении перемещений стрел и рукоятей перемещение из точки О в точку О 1 запишется проще

В = В [i,j, O О^^, (р₂,a i ,а 2 ), t]-                           (6)

Выражение (6) при любой траектории перемещения хлыста можно привести к более простому – (4) или (5) и более удобному для структурного анализа, поскольку в (6) использованы параметры ГМ, которые определятся при проектировании. А исходными данными будут (4) или (5), в зависимости от которых определятся L i , L 2 , q) _i, (р ₂, a_i, а₂ с необходимыми ограничениями.

Гидроманипулятор сучкорезно-раскряжевочной машины ЛО-126 на базе сучкорезной машины ЛП-33 относится к типу стреловых ГМ, которые обеспечивают попадание захвата (сучкорезных ножей) в определенную точку пространства без ориентации захватного органа.

На рисунке 3 представлена схема преобразования координат при выполнении технологической операции стреловым ГМ, при условии: хлыст в захвате ГМ; ось z 0 направлена вдоль продольной оси хлыста.

Рис. 3. Схема преобразования координат при выполнении стреловым ГМ цикла операций

OX 0 Y 0 Z 0 – базовая система координат; O 1 X 1 Y 1 Z 1 – система координат на поднятом хлысте на высоту h=OO 1 ; O 2 X 2 Y 2 Z 2 – система координат, учитывающая поворот хлыста на угол γ; O 3 X 3 Y 3 Z 3 – система координат, учитывающая положение хлыста после протаскивания на длину стрелы L.

Координата точки захвата хлыста после цикла перемещения в базовой системе координат OX 0 Y 0 Z 0 запишется следующим образом (матрица 4×4):

В = л _л fthy B_ep &_Г)- л _л (k,L) л _л (J,H),                           (7)

где В - результирующая матрица с координатами в системе OX 0 Y 0 Z 0 ;

B _п (j, h) - переходная матрица линейного перемещения точки захвата на высоту h;

B _вр (i,y) - переходная матрица поворота стрелы до параллельности осей стрелы и хлыста на угол y;

В_п(к, В) - переходная матрица линейного перемещения хлыста вдоль стрелы ГМ на расстояние L ;

В _п (j, Н) - переходная матрица перемещения хлыста при сбросе с высоты H .

С учетом времени перемещения t i имеем

В = В_пa h, to • В^(I, Y,t 2 )• Л ((к, к , t₃ )• В _л(j, Н, t₄) .                    (8)

При составлении расчетной схемы и преобразованиях координат принято: подъем хлыста осуществлен не по радиусу движения стрелы вокруг точки К (рис. 3), а по прямой ОО 1 .

Анализ бункерных разобщителей типа МСГ-3, ЛТХ-80, СМ-18. При моделировании необходимо учесть время t выдачи хлыстов. При наличии данных о пути хлыста l без неподвижных упоров на выдаче и скорости V движения элеваторов можно определить t , что учтется переходной технологической матрицей 5×5 [1]

В = Л _л (i,l, Q .                                                (9)

Разобщению хлыстов обычно сопутствуют операции, выполняемые ГМ

В = B(-ll,tyB(j,-l_r ,Ъ ),                          (10)

где I - перемещение ГМ к хлысту;

• 1_Г - перемещение, например, при удалении хлыста;

• t - среднее время на вспомогательную операцию.

Анализ ориентирующего оборудования. Ориентация необходима в поточных линиях для обеспечения программного метода раскряжевки хлыстов.

Продольными ориентирующими транспортерами оснащены поточные линии СТИ-1, СТИ-2, СТИ-3, ЛО-65, ЛО-26, Раума-Репола.

Переходная матрица 4×4 для ориентации запишется следующим образом:

В = В_п (k,l),                                                 (11)

где    'к - направляющий вектор по принятым ранее условиям. Он направлен вдоль оси хлыста;

l – расстояние продольного перемещения хлыста при ориентации. В общем случае l варьируемая величина, зависящая от наличия напённой гнили и качества разобщения.

При этом требуются вспомогательные операции ГМ: поправка, удаление обломков, удаление хлыстов.

B = В _п(-i, X ) )• В_л& Р _р) ,                                         (12)

где ) _х, Р_р - расстояние перемещений ГМ при холостом и рабочем ходе соответственно.

В последних разработках поточных линий для раскряжевки хлыстов нашли применение шнековые ориентирующие устройства, которые обеспечивают ориентацию с одновременным перемещением хлыстов поперек и вдоль продольной оси (рис. 4). Таким ориентирующим оборудованием оснащены линии СЛ-4, ЛО-105.

Рис. 4. Расчетная схема ориентации хлыстов шнековым транспортером: 1 – слешерный стол;

2 – торцующая пила; 3 – торцующая стенка; 4 – сориентированный хлыст;

5 – хлыст до ориентации по торцующей пиле, 6 – шнековый транспортер

Переходная матрица, описывающая процесс ориентации, запишется с учетом времени перемещения как

В — Л ((I, ^ i , ^ i ) • Л_п(к., I ₂),

где   В - - матрица 5*5, учитывающая время перемещения;

• t1 – время перемещения по двум координатам одновременно.

Из переходной матрицы (13) видно, что время учитывается в одной матрице, поскольку оно едино при движении по двум координатам одновременно. Операциям перемещения соответствуют вспомогательные действия ГМ в — вл (-. h) • Вп а, 12 ) • Лвр(к, <р),                       (14)

где ср - угол поворота хлыста при поправке.

Анализ оборудования для осуществления операции раскряжевки хлыстов. Операция раскряжевки подготовленных для выполнения этой операции хлыстов выполняется на линиях с продольной подачей во время остановки хлыста и определенным размером будущего сортимента. Как правило, это раскряжевочные установки с круглыми пилами маятникова типа.

Ось пильного диска маятниковой пилы описывает дугу радиусом R, при этом изменяются две координаты: x и y . При включении переходной матрицы в технологическую структурную формулу необходимо учесть: при выполнении операции раскряжевки маятниковой или балансирной пилой перемещений предмета труда не происходит, но временные затраты имеют место.

Технологическая матрица 5×5 с учетом времени воздействия на предмет труда запишется как (15) с учетом обратного хода пилы

В = В л (I, R, t) • В л d, R, 0) • В л (I, -R, t) • В л (J, -R, 0) .             (15)

В переходной матрице (15) рабочий ход пилы по перемещению учитывается по двум координатам x , y через проекцию радиуса R. Холостой ход учитывается также по перемещениям в виде проекции R, но со знаком минус. В переходных матрицах (15) время холостого и рабочего хода учитывается только по одной проекции, поскольку обе проекции изменяются одновременно.

Раскряжевка хлыстов в потоках с поперечной подачей ведется непрерывно, что является главным достоинством, которое обеспечивает высокую производительность. В связи с этим главным элементом слеше-ра является транспортер надвигания с шагом между упорами надвигания l уп . Надвигаются хлысты со скоростью поперечного транспортера V .

Время подачи упора под хлыст равно (рис. 5)

t-'~ .

v

При расположении хлыста по оси z ортонормированного базиса L 3 (рис. 5) переходная матрица 5×5 надвигания хлыста поперечным транспортером запишется

В   В л (и уп ,t).                                    (16)

При раскряжевке на слешерных линиях проявляется нежелательное явление, которое [3] называют «бичём» слешерных линий – заклинивание пильных дисков. Процесс заклинивания можно описать в виде перемещений.

Линии СТИ-1, СТИ-2, СТИ-3, СЛ-4, Раума-Репола

В = В л (I,- D-B„ (i,^                             (17)

где    - l_r - реверс транспортера на расстояние l ^

• Ц - надвигание транспортера на пильные диски.

При этом необходимо учесть время t₃ на запуск остановившегося пильного диска.

Линия ЛО-105:

Заклинивание учтем через опускание и подъем пильного диска (18)

В = Вла-ы-Вл,а^ ,                       (18)

где   1г - расстояние перемещения пильного диска при выводе из пропила. Знак минус означает, что мы имеем дело с противоположенными матрицами, перемножение которых не повлияет на координаты хлыста.

Так же, как и для линий СТИ-1, СТИ-2, ЛО-105 и др., необходимо учесть затраты времени на разгон остановившегося в процессе заклинивания пильного диска.

Перемещение хлыста транспортером надвигания учтется технологической матрицей с учетом времени перемещения упором (19) и с учетом угла наклона стола слешера (20)

ВвВ_п (1,1 уп ,t) .                                           (19)

С учетом угла подъема слешерного стола

ВвВ_п (i,l у_П ,1)-В вр (к,ф,0)-В_П (j,h,0).                           (20)

Рис. 5. Схема слешера: 1 – щеть хлыстов; 2 – хлыст, надвигаемый на вращающиеся круглые пилы; 3 – постав круглых пил; 4 – сортимент, полученный при раскряжевке; L – длина слешерного стола; V – скорость надвигания хлыстов на круглые пилы, φ – угол подъема слешерного стола; h – величина увеличения высоты лесонакопителей

Таким образом, из рисунка 5 и записи процесса заполнения упора хлыстами (17), (18) и (19) время раскряжевки хлыста и время выдачи сортимента определяются расстоянием между упорами l уп и скоростью надвигания V .

Выводы

• 1.    Структурный анализ показал, что применение переходных ортогональных матриц позволяет определять основные функциональные возможности различных механизмов, входящих в поточные линии.

• 2.    При помощи переходных ортогональных матриц возможно описание реверсирования механизмов, а также перемещений, не влияющих на координаты предмета труда.

• 3.    Переходные ортогональные матрицы позволяют описывать перемещения по сложной (криволинейной) траектории, при этом возможна замена траектории изменением координат предмета труда, что упрощает формализацию предмета труда.