Обоснование параметров конструкции и режима работы гравитационного торцевыравнивателя для формирования лесных грузов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, кандидат наук Рощина Марина Михайловна

• Рощина Марина Михайловна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Рощина Марина Михайловна

Введение

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Поставки лесных грузов потребителям

1.2. Технические условия размещения лесных грузов на лесовозном транспорте

1.3. Технические требования к круглым лесоматериалам

1.4. Анализ оборудования для формирования лесных грузов

1.5. Обзор исследований по определению усилий торцевания

1.6. Патентный поиск устройств для формирования лесных грузов

1.7. Выводы и задачи исследований

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ЛЕСНЫХ ГРУЗОВ НА ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

2.1. Переносное устройство для выравнивания торцов пачки круглых лесоматериалов

2.2. Передвижное торцово-формировочное устройство для формирования лесных грузов

2.3. Стационарное устройство для выравнивания торцов пачки круглых лесоматериалов

2.4. Обоснование параметров переносного гравитационного

торцевыравнивателя

2.5. Расчет грузовых балок

2.6. Расчет выдвижных продольных балок

2.7. Расчет торцевыравнивающих щитов

2.8. Расчет каретки торцевыравнивающего щита

2.9. Математическое моделирование процесса формирования лесных грузов

2.10. Определение усилий торцевания пачек бревен гравитационным торцевыравнивателем

2.11. Выводы

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕСНЫХ ГРУЗОВ ГРАВИТАЦИОННЫМИ ТОРЦЕВЫРАВНИВАТЕЛЯМИ

3.1. Программа и методика экспериментальных исследований

3.2. Постановка социологического эксперимента по выявлению значимых параметров

3.3. Планирование экспериментальных исследований

3.4. Обоснование метода и масштаба физического моделирования

3.5. Конструирование механической модели лабораторной установки

3.6. Оснащение лабораторной установки измерительными приборами и регистрирующей аппаратурой

3.7. Методика обработки экспериментальных данных

3.8. Результаты лабораторных исследований усилий торцевания лесных грузов

3.9. Сопоставление результатов лабораторных, натурных и теоретических исследований

3.10. Выводы

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕСНЫХ ГРУЗОВ ГРАВИТАЦИОННЫМ ТОРЦЕВЫРАВНИВАТЕЛЕМ К-142М

4.1. Постановка задачи

4.2. Разработка технологического процесса формирования лесных грузов

4.3. Расчет производительности грузоподъемных механизмов

4.4. Результаты исследования режима работы и качества торцевания круглых лесоматериалов

4.5. Обоснование режима работы проектируемого гравитационного торцевыравнивателя

4.6. Расчет технико-экономических показателей оборудования

4.7. Определение трудозатрат и средств на оплату труда основных рабочих

4.8. Определение затрат на содержание основного оборудования

4.9. Определение экономической эффективности торцевыравнивателя

4.10. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров конструкции и режима работы гравитационного торцевыравнивателя для формирования лесных грузов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В экономике России лесной комплекс ежегодно заготавливает около 150 млн м3 древесины, которую поставляет потребителям автомобильным 54,7 %, железнодорожным 39%, водным 6,3% транспортом [189]. На лесных складах лесозаготовительных предприятий формирование лесных грузов является вспомогательной операцией, позволяющей максимально использовать грузовместимость лесотранспортных средств. Существующие в настоящее время и разработанные ранее конструкции торцевыравнивателей для формирования лесных грузов имеют ряд недостатков: длительный цикл торцевания, связанный с наличием больших сил трения и необходимостью многократного опускания краном пачки круглых лесоматериалов в торцевыравниватель. Противоречие заключается в том, что возникающее трение скольжения круглых лесоматериалов о грузовые балки торцевыравнивателей значительно увеличивают общее усилие торцевания пачек бревен и снижает качество торцевания лесных грузов. Научная идея заключается в замене процесса трения скольжения на трение качения грузовых балок о нижний ряд пачек круглых лесоматериалов.

Поэтому необходимость совершенствования конструкции гравитационных торцевыравнивателей для качественного формирования лесных грузов является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес.

Степень разработанности темы. Проблеме торцевания лесных грузов посвящены исследования М.В. Борисова, Н.Е. Варакса, Я.И. Виногорова, П.Ф. Войтко, М.Н.Волдаева, Н.Т. Гончаренко, И.П. Донского, Н.И. Жаркова, В.Е. Игутова, Д.И. Кожанова, В.Ю. Ключникова, А.В.Козлова, А.В. Кузнецова, П.В. Ласточкина, С.С. Лебедь, В.Т. Лукина, П.А. Меркурова, Д.И. Николенко, С.В. Посыпанова, Ю.М. Реутова, К.А. Свиридюк, В.И. Сокикас, В.И. Скрыпник, А.А. Труфанова, А.С. Фадеева, В.М. Филашова, В.А. Щербакова, Георгиевой М.Г. и других авторов.

Однако в опубликованных работах отсутствуют сведения об обосновании параметров конструкции и режима работы гравитационных торцевыравнивателей с самовращающимися грузовыми балками для формирования лесных грузов на лесопромышленных предприятиях.

Целью исследований является обоснование параметров конструкции и режима работы гравитационного торцевыравнивателя для формирования лесных грузов на лесопромышленных предприятиях.

Задачи, поставленные в диссертации:

1) дать характеристику лесных грузов, перевозимых лесовозным транспортом;

2) выполнить анализ технологии и оборудования для торцевания лесных грузов на лесопромышленных предприятиях;

3) провести литературный и патентный поиск способов и устройств для торцевания лесных грузов;

4) предложить технические и технологические решения по совершенствованию гравитационных торцевыравнивателей с поворотными щитами;

5) обосновать параметры конструкции и режима работы модернизированного торцевыравнивателя К-142М;

6) построить математическую модель процесса формирования лесных грузов модернизированным торцевыравнивателем гравитационного типа К-142М;

7) разработать методику и выполнить сравнительные лабораторные исследования процесса формирования лесных грузов базовым К-142 и проектируемым К-142М торцевыравнивателями в условиях лесоскладских и лесоперевалочных операций;

8) дать экономическое обоснование внедрения модернизированного торцевыравнивателя К-142М в производство.

Объектом исследования является технология и оборудование для торцевания лесных грузов гравитационными торцевыравнивателями на лесопромышленных предприятиях.

Предметом исследований является обоснование параметров конструкции и режима работы модернизированного гравитационного торцевыравнивателя К-142М для формирования лесных грузов на лесопромышленных предприятиях.

Научная новизна работы. 1. Впервые разработаны технические и технологические решения по совершенствованию процесса формирования лесных грузов торцевыравнивателями, отличающи-

/ с» и и \

мися разнообразием конструкций (переносной, передвижной, стационарной), защищенные патентами.

2. Дано научное обоснование параметров конструкции и режима работы модернизированного гравитационного торцевыравнивателя К-142М, отличающегося самовращающимися грузовыми балками.

3. Впервые разработана математическая модель процесса формирования лесных грузов гравитационным торцевыравнивателем К-142М, отличающаяся возможностью определения усилий торцевания пачек круглых лесоматериалов в зависимости от конструкции самовращающихся грузовых балок и параметров лесных грузов.

4. Впервые получены результаты сравнительных лабораторных исследований процесса формирования лесных грузов базовым К-142 и модернизированным К-142М торцевыравнивателями в зависимости от определяющих факторов.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанный метод научного обоснования параметров конструкции и режима работы гравитационного торцевыравнивателя для формирования лесных грузов, полученные математические зависимости усилий торцевания круглых лесоматериалов модернизированным тор-цевыравнивателем К-142М являются существенным вкладом в отраслевую науку. Эти разработки подтверждены экспериментальными исследованиями и предназначены для применения в инженерной деятельности при проектировании модернизированного торцевыравнивателя К-142М и обеспечении его эффективной эксплуатации, что в совокупности с предложенными конструкторскими и технологическими решениями обуславливает практическую значимость работы.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовали методы моделирования (математического и физического), лабораторного и производственного экспериментов. В основу математического моделирования положены методы теоретической механики. Измерение нагрузок и напряжений в узлах торцевыравнивающих устройств проводились методом тензометрирования. Обработка результатов экспериментов выполнялась с применением методов теории вероятности и математической статистики в программе Statistica.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Технические и технологические решения, защищенные патентами, по совершенствованию процесса торцевания лесных грузов гравитационными торцевыравнивателями на лесопромышленных предприятиях.

2. Научное обоснование параметров конструкции и режима работы модернизированного гравитационного торцевыравнивателя К-142М для формирования лесных грузов.

3. Математическая модель процесса торцевания лесных грузов гравитационным торцевыравнивателем, оснащенным самовращающимися грузовыми балками.

4. Результаты сравнительных лабораторных исследований процесса торцевания лесных грузов базовым К-142 и модернизированным К-142М торцевыравнива-телями.

Достоверность результатов исследований обеспечены методологией их проведения с опорой на проверенные научные положения, соответствием теоретических и экспериментальных результатов, сопоставлением с данными ранее выполненных исследований, применением теорий планирования экспериментов, физического подобия и размерностей, методов статистического анализа, публикациями в рецензируемых журналах и апробацией на научно-технических конференциях.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы апробированы на всероссийской научной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола, 2009 г.); на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников Поволжского государственного технологического университета (Йошкар-Ола, 2018, 2021 г.г.); на международных научно-технических конференциях Поволжского государственного технологического университета (Йошкар-Ола, 2010, 2019 г.г.) и получили положительную оценку в региональном конкурсе «УМНИК» (2009 г).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные результаты соответствуют паспорту специальности 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»: пункту 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» и пункту 8 «Обоснование технологий и оборудования лесообрабатывающих производств на лесопромышленных и лесохозяйственных предприятиях».

Личное участие автора в получении результатов. Основную часть диссертации автор выполнил самостоятельно с консультированием у научного руководителя. Совместно с научным руководителем определены цель, задачи и программа

исследования, разработана математическая модель, проведены экспериментальные исследования, выполнен анализ экспериментальных данных. В публикациях статей в соавторстве личный вклад автора составил 60 %.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы автором в 11 научных работах в том числе: 8 статей в научных журналах, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК; 3 патента на изобретения; 6 статей в материалах международных и всероссийских научных конференций.

Реализация результатов диссертационной работы. Результаты исследования использованы ООО «Галкиныш» Республики Марий Эл при разработке технико-экономического обоснования технологической схемы погрузки круглых лесоматериалов в железнодорожные полувагоны на грузовой станции Йошкар-Ола Республики Марий Эл, а также в учебном процессе на кафедре лесопромышленных и химических технологий ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 214 страниц и включает 91 рисунок, 72 таблицы, список литературы включает 238 наименований.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Поставки лесных грузов потребителям

На долю лесного комплекса в экономике страны по данным Росстата за 2019 г [189] приходится 6 % численности промышленно-производственного персонала; 0,2 % инвестиции в основной капитал лесоводства и лесозаготовок составил 45,6 млрд.руб., основные фонды составляют 6575346 млрд.руб. (на 5 % больше по сравнению с 2018 г.) (табл. 1.1). По статистическим данным, в 2019 г. производство деловой древесины в России составило 127,8 млн. м3, дровяной - 13,3 млн. м3. Суммарное производство составило 143 млн. м3, что на 5,3% или 8 млн м3 меньше, чем в 2018 г.

Таблица 1.1 Основные показатели работы организаций по виду экономической деятельности «Лесозаготовки»

Показатели 2005 2010 2015 2016 2017 2018 2019

Число организаций (на конец года), тыс. 20,8 15,6 10,2 8,9 8,0 7,6 6,9

Среднегодовая численность работников организаций, тыс.чел. 248 157 103 98 71 85 84,7

Сальдированный финансовый результат (прибыль минус убыток), млн.руб. -2800 -5420 -6591 5973 -231 295 -1075

Рентабельность проданных товаров, продукции (работ, услуг), % -1,7 -0,9 4,2 3,9 5,5 7,6 2,3

Вывозка древесины, млн. м3 113 112,2 126,7 137 140 149 143

В связи с неравномерностью распределения лесных ресурсов на территории страны и отдаленностью лесопотребителей от основных лесозаготовительных районов (рис. 1.1) возрастает необходимость транспортировки лесных грузов на дальние расстояния [205]. Объем вывозки древесины на лесопромышленные предприятия за последние 30 лет сократилось в 2,15 раза с 304 млн. м3 в 1990 г. до 143 млн. м3 в 2019 г. (табл. 1.2).

Для перевозки лесных грузов в 2019 г. потребителям в объеме 143 млн. м3 (табл. 1.2) применялись различные виды лесотранспорта: автомобильный - 81,4 млн. м3, железнодорожный - 54,1 млн. м3, водный - 7,5 млн. м3 [189,190]. Каждый из этих видов лесотранспорта представляет собой совокупность путей, транспортных средств и необходимых технических сооружений и устройств [190], обеспечивающих их эффективную работу (табл. 1.3).

ф Гксйи>мпвс1л1

["4 ПИОЦМШниЧ I 4«

пф'и М1М1 МО 0сч*н1<||««л|м потм ПК»«

ГЬТ*>

^шрмичкирм! я*с«ыг№>оа г'4 мим «актин оно.

--( ОмаОЙ

Рисунок 1.1- Распределение лесных ресурсов и основные направления потоков лесных грузов России

Таблица 1.2. Вывозка древесины лесовозным транспортом (млн.куб.м)

Годы Всего железнодорожным водным автомобильным

объем % объем % объем %

1990 304 93,9 30,9 49,3 16,2 160,8 52,9

1995 116 36,1 31,1 11,02 9,5 68,9 59,4

2000 94,8 30,5 32,2 9 9,5 55,3 58,3

2005 113,0 36,2 32,0 10,5 9,3 66,3 58,7

2010 112,2 49,9 44,5 8,4 8,4 53,9 48

2015 126,7 49,4 39,0 8,0 6,3 69,3 54,7

2016 137 52,7 38,5 8,1 5,9 76,2 55,6

2017 140 54,1 38,6 7,7 5,5 78,2 55,9

2018 149 57,1 38,3 7,7 5,2 84,2 56,5

2019 143 54,1 38,4 7,5 5,3 81,4 56,3

Таблица 1.3. Технико-экономические показатели различных видов транспорта общего назначения

Протяженность Грузооборот, Объем перевозок,

Вид транспорта транспортной сети, млрд т-км млн. т

тыс. км. 1998 2003 1998 2003

Железнодорожный 85 1020 1669 835 1161

Автомобильный 897 22 22 584 471

Морской - 150 65 36 24

Речной 102 65 71 93 100

На железнодорожном транспорте (рис. 1.2) для перевозки лесных грузов ис-

пользуют различные грузовые полувагоны и платформы (табл. 1.4).

Таблица 1.4. Технические характеристики вагонов

Грузоподъемность, т м 3 о ^ - о п т

Тип вагона Полный объе вагона, м3 Удельная гру: подъемность, Масса вагона ( рожняя), т Коэффициен тары

Полувагон четырехосный 64 120 0,53 23 0,359

цельнометаллический

Полувагон восьмиосный цель- 125 137,5 0,909 45,5 0,364

нометаллический

Платформа четырехосная с ме- 66 - - 21 0,354

таллическими бортами

Важнейшими эксплуатационными показателями железнодорожного прицепного

состава являются коэффициенты: использования грузоподъемности, вместимости, удельного объема вагона, удельной грузоподъемности, техническая норма загрузки вагонов.

При перевозке лесных грузов железнодорожным транспортом должны соблюдаться требования к габаритам груза, правилам погрузки, нормам загрузки вагонов,

срокам погрузки и выгрузки и другим требованиям согласно договору между дорогой и лесопромышленным предприятием на эксплуатацию подъездного пути [177,208].

Погрузку лесоматериалов в железнодорожный подвижной состав осуществляют в пределах габаритов погрузки в соответствии с правилами технической эксплуатации вагонов, погрузку производят штабелями встык предварительно отсортировав их по длине так, чтобы в вагоне в каждом штабеле был один размер по длине и толщине в пределах стандартов [177,208]. Допускается совместная погрузка на один вагон штабелей и пачек лесоматериалов различной длины, при этом верхняя часть штабеля не должна быть длиннее нижней (рис. 1.2). Лесоматериалы большей длины размещают по концам вагона. Максимальная длина штабелей должна составлять для платформ с базой 9720 мм - 14,4 м; платформ с базой 9294 мм - 13,9 м; четырехосных полувагонов - 13,7 м; шестиосных полувагонов - 16,1 м. Лесоматериалы, не помещающиеся по длине кузова полувагона, грузят с одной или двумя открытыми торцовыми дверями. В полувагоны с глухим полом лесоматериалы грузят только пакетированными, увязанными стропами. При погрузке верхней суженной части габарита лесоматериалы должны быть подсортированы так, чтобы в «шапке» было не более одного размера по длине и не более двух-трех смежных размеров по толщине.

Рисунок 1.2-Поставка лесных грузов потребителям железнодорожным транспортом Для перевозки длинномерных лесных грузов используют отечественные и зарубежные грузовые автомобили с прицепами и полуприцепами (рис. 1.3).

Одними из важнейших эксплуатационных характеристик автомобильного подвижного состава являются грузовместимость и использование массы транспортного средства.

Рисунок 1.3 - Поставки лесных грузов автомобильным транспортом Основными показателями, характеризующими морские и речные суда для перевозки лесных грузов (рис. 1.4), являются водоизмещение, грузоподъемность, дедвейт, грузовместимость, размеры судов, осадка в груженом и порожнем состоянии. Развитие судовых перевозок лесоматериалов диктуется изменением путевых условий в связи с созданием на путях водного транспорта леса гидротехнических сооружений и крупных водохранилищ, а также увеличением объема сдаваемых в лесосплав круглых лесоматериалов с недостаточным запасом плавучести, полуфабрикатов и технологической щепы.

Рисунок 1.4 - Поставки лесных грузов речным транспортом.

В судах перевозят рудничную стойку и балансы, шпалы, пиломатериалы,

длинномерные круглые лесоматериалы и хлысты. Перевозки лесоматериалов в судах осуществляются средствами речного флота (табл. 1.3). Лесопромышленные предприятия в этом случае производят лишь погрузку лесоматериалов с береговых складов, на лесных рейдах или на их участках, а также выгрузку в пунктах приплава. Для перевозки лесоматериалов применяют несамоходные и самоходные судна типа «Большая Волга», «Волго-Дон» и др. грузоподъемностью от 2000 до 5300 т. Погрузка лесоматериалов в суда осуществляется россыпью и пакетами. При пакетных перевозках сортиментов и хлыстов сокращаются простои судов под погрузкой и разгрузкой, повышается производительность труда, устраняются повторные операции по набору пачек лесоматериалов и их торцеванию, упрощается учет древесины. На каждый пакет накладывается два специальных строп-комплекта. Формирование пакетов производят на береговых складах в накопителях сортировочных транспортеров, а на лесных рейдах - сплоточными машинами [65,116].

Поставки лесных грузов в речных и морских плотах на рейды приплава лесо-потребителей производятся по средним и крупным рекам, а также морям за тягой буксирных судов лесосплавного флота. Большинство лесных грузов на рейды приплава поступают в хлыстах или сортиментах. Поступающие на рейды приплава хлыстовые пучки имеют различный состав и геометрические размеры (объем хлыстовых пучков колеблется от 25 до 150 м3; вес от 200 до 1300 кН; длина от 11 до 27 м; ширина от 4 до 6 м; высота от 1,5 до 3 м; средний объем хлыста от 0,25 до 1,0 м3; диаметр хлыста на высоте груди от 0,2 до 0,7 м; коэффициент формы от 1,5 до 3,0; коэффициент полнодревесности составляет 0,4-0,6; осадка от 1,2 до 3 м; преобладающие породы - сосна, ель, береза, осина; процентное содержание хвойной древесины в пучках от 25 до 40 %; лиственной от 60 до 75 %; шероховатость коры бревен от 0,005 до 0,03 м) [80].

Сформированные на подвижном составе автомобильного или железнодорожного транспорта хлыстовые пучки состоят из двух, трех или четырех пачек, каждая из которых обвязывается тремя проволочными обвязками диаметром не менее 0,0065м [146]. Объем пачек зависит от подвижного состава: при вывозке автомашинами объем составляет 18-28 м3; при вывозке по узкоколейной железной дороге - 1830 м3. После распакетирования пучка пачка хлыстов имеет следующие параметры: ширина 2,5-3 м; высота 1,2-1,8 м; осадка 1 -1,8 м; коэффициент формы 1,5-3.

Рисунок 1.5 - Сплав леса в пучках

Поступающие на рейды приплава в речных плотах пучки круглых лесоматериалов имеют различный породный состав (сосна, ель, осина, береза), геометрические размеры: объем пучка 5-40 м3; вес 25-400 кН; коэффициент формы равен 1,252; длина 4,5-10 м; ширина 1-6 м; высота 0,8-4 м; осадка 0,5-3,5 м.; диаметр бревен 0,1-0,5 м; коэффициент полнодревесности от 0,5 до 0,8; преобладающие породы -сосна, ель, осина, береза; относительная шероховатость коры бревен ДМ от 0,005 до 0,02. Каждый пучок обвязывают двумя проволочными обвязками диаметром 0,006 м (рис. 1.6).

а

Рисунок 1.6 - Пучок круглых лесоматериалов

В Северо-Двинском бассейне внедрены новые плоские сплоточные единицы [116] (плитки) в оплотнике малой осадки и большого объема (рис.1.7), конструкция плитки в зависимости от габарита лесосплавной реки может быть 1, 2, 3 - рядная или многорядная. В многорядных плитках ряды сортиментов, начиная с нижнего, располагаются перпендикулярно друг другу и помещаются в деревянную рамку.

4 3 6

Рисунок 1.7 - Плоские сплоточные единицы (ПСЕ):а - основание ПСЕ; б - однорядная ПСЕ; в- двухрядная ПСЕ; г - трехрядная ПСЕ; д - четырехрядная ПСЕ; 1 - бревно; 2 -проволочная или цепная стяжка; 3 - нижняя обвязка; 4 - верхняя обвязка; 5 - вертикальная связь;6 - обвязка

Геометрические параметры плоских лесотранспортных единиц зависят от параметров формируемых сортиментов: длина и ширина варьируются от 4,5 до 10 м, высота 0,45-1,5 м, осадка 0,3-1,2 м, объем 18-24 м3, вес 144-216 кН, коэффициент полнодревесности 0,45-0,7, диаметр бревен 0,15-0,5 м, преобладающие породы -сосна, ель, береза, осина; относительная шероховатость бревен ДМ 0,005-0,02.

1.2. Технические условия размещения лесных грузов на лесовозном

транспорте

Круглые лесоматериалы транспортируют автомобильном, железнодорожным, водным транспортом [89] в соответствии с правилами перевозки лесных грузов, действующими на данном виде транспорта [177,207,208] и на лесосплаве [179,180]. Лесоматериалы транспортируют как в пакетах, так и в непакетированном виде. Круглые лесоматериалы пакетируют с использованием многооборотных строп по ГОСТ

14110-97 [93]. На транспортные средства круглые лесоматериалы укладывают штабелями, которые формируют из отдельных бревен или пакетов. При перевозках автомобильным и железнодорожным транспортом в штабель укладывают лесоматериалы одной длины [89]. При перевозке в судах и плотах в штабель или сплоточную единицу укладывают круглые лесоматериалы одной или двух смежных длин.

На железнодорожном транспорте предусмотрены способы размещения и крепления непакетированных и пакетированных круглых лесоматериалов в полувагонах или на платформах одним либо несколькими штабелями по длине в пределах основного и зонального габаритов погрузки [208]. Формирование штабелей из круглых лесоматериалов в полувагонах, применение и установка подкладок, прокладок и ограждающих стоек осуществляются в соответствии с требованиями раздела 1 «Размещение и крепление лесоматериалов» [208]. Круглые лесоматериалы в штабеле располагают комлями в противоположные стороны приблизительно в равных количествах. Количество штабелей из лесоматериалов в полувагоне в зависимости от их длины, а также соответствующее количество пар стоек, ограждающих каждый штабель, приведено в таблице 1.5.

Таблица 1.5. Формирование штабелей из круглых лесоматериалов в полувагонах

Длина лесоматериалов L, м Количество штабелей Количество пар стоек Номер рисунка

До 3,5 включительно 4 2 1.8

3 1.9

Свыше 3,5 до 4,25 включительно 3 Крайние штабеля - 3 1.10

Средний штабель - 2

Свыше 4,25 до 5,5 включительно 2 3 1.11

Свыше 5,5 2 4 1.12

Формирование прямоугольной части штабеля производят до уровня ниже верхнего обреза стоек на величину средней толщины круглых лесоматериалов в штабеле (рис. 1.8-1.12). Штабель, сформированный из непакетированных и пакетированных лесоматериалов, должен иметь в пределах высоты стоек прямоугольное поперечное сечение. Расположенная выше стоек часть штабеля ("шапка") должна иметь поперечное сечение, имеющее форму равносторонней трапеции, размеры которой ограничены очертанием верхней (суженной) части соответствующего габарита погрузки [208]. Не допускается использование суженной части габарита погрузки для размещения непакетированных лесоматериалов длиной менее 1,6 м, а

также лесоматериалов с невысохшим покрытием (пропиткой), за исключением пропитанных шпал.

Рисунок 1.8 - Схема размещения и крепления в полувагоне штабелей круглых лесоматериалов длиной до 3,5 м:1- шестизвенная стяжка,2 - удлиненная прокладка, 3 - стойка, 4 - скрепление стоек, 5 - подкладка, 6 - средняя увязка "шапки", 7 - трапецеидальная часть штабеля "шапка", 8 - прямоугольная часть штабеля.

Рисунок 1.9 - Схема размещения и крепления в полувагоне штабелей круглых лесоматериалов длиной от 3,5 м:1- шестизвенная стяжка,2 - удлиненная прокладка, 3 - стойка, 4 - скрепление стоек, 5 - подкладка, 6 - средняя увязка "шапки", 7 - трапецеидальная часть штабеля "шапка", 8 - прямоугольная часть штабеля.

Рисунок 1.10 - Схема размещения и крепления в полувагоне штабелей круглых лесоматериалов длиной от 3,5 м до 4,25 м:1- шестизвенная стяжка,2 - удлиненная прокладка, 3 - стойка, 4 - скрепление стоек, 5 - подкладка, 6 - средняя увязка "шапки", 7 - трапецеидальная часть штабеля "шапка", 8 - прямоугольная часть штабеля.

Рисунок 1.11 - Схема размещения и крепления в полувагоне штабелей круглых лесоматериалов длиной от 4,25 м до 5,5 м:1- шестизвенная стяжка,2 - удлиненная прокладка, 3 - стойка, 4 - скрепление стоек, 5 - подкладка, 6 - средняя увязка "шапки", 7 - трапецеидальная часть штабеля "шапка", 8 - прямоугольная часть штабеля.

Рисунок 1.12 - Схема размещения и крепления в полувагоне штабелей круглых лесоматериалов длиной свыше 5,5 м:1- шестизвенная стяжка,2 - удлиненная прокладка, 3 -стойка, 4 - скрепление стоек, 5 - подкладка, 6 - средняя увязка "шапки", 7 - трапецеидальная часть штабеля "шапка", 8 - прямоугольная часть штабеля.

Формируемые в штабель круглые лесоматериалы должны быть одинаковой длины в пределах допусков, установленных нормативными документами на соответствующую продукцию [91, 92]. В прямоугольной части штабеля допускается размещение круглых лесоматериалов, отличающихся толщиной не более чем на величину разности четырех смежных размеров в пределах допусков, установленных нормативными документами на соответствующую продукцию [91, 92]. В "шапке" штабеля допускается различие толщины круглых лесоматериалов не более чем на величину разности двух смежных размеров. Разность двух смежных размеров (градация) лесоматериалов составляет: при толщине до 140 мм включительно - 10 мм, при толщине свыше 140 мм - 20 мм. Допуски по длине круглых лесоматериалов колеблются от 0,02 м до 0, 05 м и зависят от технических требований к лесоматериалам [91, 92].

При смешанных водно-железнодорожных перевозках лесоматериалов габариты пакетов круглых лесоматериалов (табл. 1.6) должны быть кратными габариту подвижного состава.

Вид пакетов и обвязок Пакетируемые Размеры пакетов, мм Масса,

лесоматериалы ширина высота длина т

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рощина Марина Михайловна, 2022 год

- ~1

I I I [I I ™ I I I _ I I I I ■___ ____ __ ______________________

- ь - - - - - - - - _ -1 - - - - ■ +- - - • — — -

— — — — _

— —! —1 "1

— — — — "2

: : —| : ; : : г------------—±......:-::::::::

- - - - I I I I I □ I I ~

~1

— — -1 О.- -- --- ------- -____

1 н _ 1

— -' — - -- --г : - _____с

н : "Г — — —

~1 —

—

з ■

_

I _ ш _ _ _ _

Рисунок 3.3 - Выбор схемы планирования опытов

Состав и объем экспериментальных исследований представлены в форме цифровой матрицы [183], построенной в виде латинского ортогонального квадрата (рис. 3.4). Уровни варьирования значимых параметров приведены в табл. 3.6. Чтобы исключить влияние систематических ошибок на определение усилия торцевания лесных грузов гравитационным торцевыравнивателем К-142М, была проведена рандомизация опытов во времени [50] с использованием таблиц случайных чисел [60].

Лабораторные опыты проводились на экспериментальной установке (рис. 3.5)

согласно порядковым номерам в комбинационном квадрате (рис. 3.4) при следующих условиях (табл. 3.6). Исследуемая модель лесного груза заданных размеров краном помещалась на измерительный стенд, где проводились измерения веса, объема, его геометрических параметров (табл. 3.6), после чего грузоподъемным механизмом с заданной скоростью опускалась на грузовые балки гравитационного торцевырав-нивателя. Одновременно включалась запись на персональный компьютер продолжительности и усилия торцевания пачки модельных бревен гравитационным торцевы-равнивателем К-142. Затем рулеткой измеряли расстояния между торцующими щитами в четырех габаритных точках отторцованной пачки бревен.

К 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Р,кН 4 4,5 5 5,5 6 4 4,5 5 5,5 6 4 4,5 5 5,5 6 4 4,5 5 5,5 6 4 4,5 5 5,5 6

0,1 1

0,18 2

50 0,2 3

0,3 4

0,38 5

0,1 6

0,18 7

65 0,2 8

0,3 9

0,38 10

0,1 11

0,18 12

80 0,2 13

0,3 14

0,38 15

0,1 16

0,18 17

95 0,2 18

0,3 19

0,38 20

0,1 21

0,18 22

110 0,2 23

0,3 24

0,38 25

Рисунок 3.4 - Комбинационный квадрат для проведения лабораторных исследований по определению зависимости Fт = й(Р, к, d, L).

Отторцованную пачку модельных бревен краном перегружали из торцевырав-нивателя на измерительный стол в специальном контейнере шириной равной ширине формировочного устройства торцевателя. На измерительном столе определяли качество торцевания путем измерения разбега торцев бревен по периметру пачки с обеих сторон. Все полученные данные заносились в регистрационный журнал

наблюдений (прил. К). Повторяемость каждых опытов была устанавливалась расчетом.

Таблица 3.6. Матрица проведения лабораторных исследований процесса торцевания лесных грузов торцевыравнивателем К-142М

№ опыта Уп равляемые параметры Кол-во бревен

Р, кН К d,м L,м

1 50 0,1 0,10 4,5 181

2 50 0,4 0,18 4 63

3 50 0,3 0,24 5,5 26

4 50 0,2 0,30 5 21

5 50 0,5 0,38 6 10

6 65 0,2 0,10 5,5 192

7 65 0,5 0,18 4,5 83

8 65 0,4 0,24 6 31

9 65 0,3 0,30 4 30

10 65 0,1 0,38 5 17

11 80 0,3 0,10 6 220

12 80 0,1 0,18 5,5 59

13 80 0,5 0,24 5 51

14 80 0,4 0,30 4,5 32

15 80 0,2 0,38 4 23

16 95 0,4 0,10 5 308

17 95 0,2 0,18 6 49

18 95 0,1 0,24 4 67

19 95 0,5 0,30 5,5 32

20 95 0,3 0,38 4,5 24

21 110 0,5 0,10 4 446

22 110 0,3 0,18 5 110

23 110 0,2 0,24 4,5 69

24 110 0,1 0,30 6 33

25 110 0,4 0,38 5,5 23

всего 2200

3.4. Обоснование метода и масштаба физического моделирования

Проведенные ВКНИИВОЛТ производственные испытания гравитационного торцевыравнивателя К-142 на Котласской сплавной конторе [216] показали, что в производственных условиях лесопромышленного предприятия провести весь объем экспериментальных исследований К-142 практически невозможно. Для этого необходимо иметь на одном предприятии 3 участка погрузки круглых лесоматериалов в автомобильный, железнодорожный и речной транспорты, оснащенных специальными кранами грузоподъемностью от 100 до 147 кН, у которых можно плавно регулировать скорости опускания лесных грузов в торцевыравниватели от 5 до 25 м/мин.

Кроме того, на лесопромышленном предприятии необходимо обеспечить разновидность лесных грузов и уровни варьирования значимых факторов (табл. 3.5), оказывающих существенное влияние на процесс торцевания круглых лесоматериалов гравитационным торцевыравнивателем.

Перечисленные выше причины заставили прибегнуть к методу экспериментальных исследований в лабораторных условиях с целью более глубокого изучения процесса формирования лесных грузов гравитационным торцевыравнивателем К-142М. Лабораторные исследования проводились на физических моделях механизма опускания лесного груза башенным краном КБ-572, а также переносного гравитационного торцевыравнивателя К-142, что позволило учитывать диссипативные свойства крановой металлоконструкции и торцевыравнивателя. Исходной для моделирования была принята 2х-массовая система кран-торцевыравниватель, при конструировании которой достаточно обеспечить подобие входящих в эту систему параметров. В период неустановившегося движения механизма опускания груза краном на систему действует энергия движущей силы веса лесного груза, направленной вдоль грузового каната, при этом ускорение опускания груза предполагается постоянным по величине.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований [61, 76, 80, 83, 102], а также проведенные экспертные оценки (табл. 3.2) и отсеивающий эксперимент (рис. 3.1, 3.2) позволили установить, что на величину усилия торцевания лесных грузов гравитационным торцевыравнивателем К-142М существенное влияние оказывают: вес груза Р, масса древесины т, коэффициент трения бревен вдоль волокон £ габариты лесного груза: высота Н и длина L, средний диаметр бревен 4 отношение выступающих бревен к их общему числу К, коэффициент распора бревен X, ускорение свободного падения g, скорость опускания груза V.

В соответствие с теорией подобия [195] из 10 параметров зависимости (3.4), среди которых три фактора т, g, £ выбраны основными, можно составить 7 безразмерных комплексов, являющимися критериями подобия

Физическая сущность технологического процесса торцевания лесных грузов

Рт = /(Р, и, /, Н, I, X, к, X д,у).

(3.4)

(3.5)

гравитационными торцевыравнивателями заключается в том, что одновременно действуют силы тяжести и трения круглых лесоматериалов (между собой вдоль волокон, с грузовыми балками, по поверхности торцевыравнивающих щитов, а также с ограждающими стойками). Если на моделях применяется та же древесина, что и в натуре, то строгое подобие процесса торцевания возможно лишь для одной силы. Накопленный экспериментальный материал [61, 80] показывает, что основной силой при торцевании лесных грузов гравитационными торцевыравнивателями является сила тяжести лесного груза. В силу изложенного технологический процесс торцевания лесных грузов гравитационными торцевыравнивателями при действии преобладающей силы тяжести можно моделировать по гравитационному закону подобия критерию Ньютона [79].

Выразим силу тяжести лесного груза Р через его объем древесины W по формуле (2.1). Тогда отношение силы тяжести натуры Рн и модели Рм будет равно

_Рн _ РнАн^н _ (3.6)

4р=рМ = р д Т = аРа9а™-гм Рмам'^м

Ввиду того, что ар = 1, то отношение сил тяжести натуры и модели будет равно

ар = ат. (3-7)

Известно [195], что масштаб объема зависит от его линейных размеров ап = ае, , тогда для основного объема лабораторных исследований значения масштабных коэффициентов будут равны ае=10, а^=103, ар=103, а Рн=103Рм, Wн=103Wм.

Подставляя значения ап в формулу (3.6) получим

ар = арада^. (3.8)

При а° = ае/а+; будем иметь

4

ар=^

Этими уравнениями устанавливается связь между силами ар, объемной массой ар, геометрическим размерами ае и временем аг.

Учитывая, что скорость ау=ае/а+, то произведем замену в выражении (3.9)

аР = (310)

Приравнивая (3.9) и (3.10), при а° = 1, получим

ау = ^ае- (3.11)

Масштаб времени определится по формуле

а+ = = 4а~е. (3.12)

Масштаб мощности получим из выражения (3.10) и (3.11) при ар = 1

aN = aPav = а^^а = а^/2. (3.13)

Масштаб лабораторной установки выбирался из наличия необходимого лабораторного оборудования на кафедре ЛиХТ ПГТУ и условий создания технологического процесса торцевания лесных грузов гравитационным торцевыравнивателем [83]. Экспериментальные исследования проводились в лесотехнической лаборатории кафедры лесопромышленных и химических технологий Поволжского государственного технологического университета. Лабораторное оборудование кафедры ЛиХТ позволило выбрать максимально возможный масштаб моделирования 1:10 (табл. 3.7).

Таблица 3.7. Моделирование технологического процесса торцевания лесных грузов гравитационным торцевыравнивателем К-142М и башенным краном КБ-572Б в масштабе 1:10

Наименование параметров Величина

натура модель

1. Грузоподъемный механизм:

- кран башенный КБ-572Б

- мощность, кВт 82 0,5

- грузоподъемность, кН 100 0,6

- скорость подъема груза, м/мин 20 0,025

- скорость опускания груза, м/мин 4,8 0,05

2. Гравитационный торцевыравниватель К-142:

- масса, кг 6500 65

- грузоподъемность, кН 110 0,11

- наибольший объем обрабатываемой пачки бревен, м3 14 0,014

- габариты формируемых лесных грузов:

- ширина, м 2,05 0,205

- высота, м 1,9 0,19

- длина: наибольшая и наименьшая, м 6,5/4,0 0,65/0,4

- разброс бревен до торцевания, м 0,7 0,07

- угол поворота щитов от вертикали, град. 23 23

- диаметр бревен, м: наибольший/ наименьший 0,5/0,1 0,05/0,01

- объемный вес бревен, Н/м3: наибольший/ наименьший 9,8/6,5 0,015

- отношение выступающих бревен к их общему числу 0,1/0,5 0,1/0,5

- коэффициент трения бревен вдоль волокон 0,3/,6 0,3/,6

- коэффициент распора бревен 0,2/0,6 0,2/0,6

Достоверность найденных критериев подобия, масштаба моделирования, формул перехода от модели к натуре и соблюдение их при проектировании и изготовлении моделей проверялись путем проведения серии сравнительных испытаний

(табл. 3.28). Анализ результатов сравнительных испытаний показал, что расхождения между данными натурных и лабораторных экспериментов не превышает 3-5%.

3.5. Конструирование механической модели лабораторной установки

Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена лабораторная установка в масштабе 1:10 и установлена в лесотехнической лаборатории кафедры ЛиХТ Поволжского государственного технологического университета (рис. 3.5), которая включала в себя: 1) грузоподъемный механизм башенного типа мощностью 0,5 кВт и грузоподъемностью 0,6 кН; 2) гравитационный торцевыравнива-тель К-142 базовой и проектируемой конструкции грузоподъемностью 0,11 кН; 3) модели лесных грузов различных размеров и форм, а также пород древесины; 4) комплекс измерительных приборов и регистрирующей аппаратуры; 5) стенд кинофотосъемки с осветительной аппаратурой; 6) пульт дистанционного управления грузоподъемным механизмом, гравитационным торцевыравнивателем, измерительной и осветительной аппаратурой

3 1 2 4 7 6 5

Рисунок 3.5 - Лабораторная установка для исследования процесса торцевания лесных грузов гравитационным торцевыравнивателем К-142М: 1 - грузоподъемный механизм; 2 - гравитационный торцевыравниватель; 3 - модели лесных грузов; 4 - комплект измерительных приборов; 5 - регистрирующая аппаратура; 6 - стенд кинофотосъемки с осветительной аппаратурой; 7 - пульт управления лабораторной установкой (компьютер).

Наряду с перечисленным оборудованием при проведении экспериментальных

исследований использовалось вспомогательное оборудование (набор измерительных приборов и инструментов, фото и тензометрическая лаборатория).

1. Грузоподъемный механизм башенного типа (рис. 3.6), изготовленный и смонтированный на металлической раме 1, включал электродвигатель переменного тока 2 мощностью 0,5 кВт, электромагнитную муфту 3 сцепления ЭТМ-031, червячный редуктор 4 с передаточным числом 8, сварной барабан 5 диаметром 0,13 м и трособлочную систему 6 из стального каната 3,0-Н-150-1 диаметром 3 мм. Грузоподъемный механизм выбирался из условия жесткости его механических характеристик.

1 2 3 4 5 6 7 8

Рисунок 3.6 - Грузоподъемный механизм башенного типа: 1 - металлическая рама башенного типа; 2 - электродвигатель; 3 - червячный редуктор; 4 - муфта сцепления; 5-сварной барабан; 6 - трособлочная система; 5 - датчик силы ИИ-К50; 7- модель лесного груза; 8 - торцевыравниватель.

2. Модель гравитационного торцевыравнивателя К-142 с Г-образными поворотными торцующими щитами (рис. 3.7.) включала: металлическую раму 6, на которой были смонтированы на роликах 7 металлических щита Г-образной формы 4, при этом горизонтальные части обоих щитов представляли собой раздвижные телескопические конструкции (полые цилиндры 8 с раздвижными стержнями внутри, на свободных концах которых закреплены съемные грузовые балки 3). Приведение щитов в раскрытое положение осуществлялось с помощью противовесов 5, прикрепленных к тыльной стороне щитов. На грузовых балках установлены 4 стойки-уловители 2, образующие формировочное устройство торцевыравнивателя трапецеидаль-

ной формы. Стойки-уловители расположены между щитами и выполняют роль вертикальных ребер формировочного устройства. Для измерения усилия торцевания круглых лесоматериалов установлены датчики 9 силы ИИ-К50 между торцующими щитами по центру в нижней их части основания.

3. Выбор модельных лесных грузов из пакетов круглых лесоматериалов осуществлялся в зависимости от масштаба моделирования лесоперевалочного процесса и характера исследований (табл. 3.5). За расчетную модель принимался пакет лесоматериалов симметричной укладки, образованный из цилиндрических стержней одного диаметра и длины, стянутые гибкой нерастяжимой нитью грузовых строп башенного крана (рис. 3.8). Параметры моделей лесных грузов определялись по аналитическим зависимостям (2.72- 2.77).

10

3

4

8

5

6

9

7

Рисунок 3.7 - Модель гравитационного торцевыравнивателя К-142: 1 - пачка модельных бревен; 2 - стойки-уловители; 3 - съемная грузовая балка; 4 - торцевыравнивающий щит; 5 - противовес; 6 - рама; 7 - передвижной ролик; 8 - телескопическая выдвижная балка; 9 - тензодатчик усилия торцевания; 10 - соединительный провод.

Рисунок 3.8 - Модель лесного груза из круглых лесоматериалов

Изменение объемного веса древесины различных пород лесных грузов регулировалось металлическими стержнями, запрессованными в торцы модельных бревен (рис. 3.9).

Рисунок 3.9 - Набор моделей круглых лесоматериалов различных длин, диаметров, объемного веса, сбежистости ствола, пород древесины.

Для проведения экспериментов использовались круглые лесоматериалы в масштабе 1:10 двух типов: 1) выточенные из различных пород древесины (сосна, ель, береза, осина) цилиндрические бревна длиной от 0,4 м до 0,65 м и диаметрами от 0,01 м до 0,05 м в количестве 2200 штук; 2) выточенные из различных пород и размеров конусообразные бревна для исследования влияния распорного сопротивления торцеванию пачек круглых лесоматериалов в количестве 79 штук (рис. 3.9).

Масса и размеры обоих типов модельных бревен измерялись при помощи электронных весов, линейки, штангенциркуля. Взвешивание модельных бревен производились на электронных весах ВЛКТ-500М (табл. 3.8). Плотность древесины, используемая в расчетах масс модельных бревен, принималась в зависимости от ее породы и влажности древесины. Влажность древесины измерялась влагомером ИВ-1 (табл. 3.8).

Структура пачек модельных бревен, а также коэффициенты полнодревесно-сти лесных грузов, формируемых переносным гравитационным торцевыравнивате-лем К-142М исследовались фотографическим методом до и после торцевания

Ж 4ЬВН "ВН ^ „ „ч

« = — = = Т, (314)

Ж^п пй'Ьп пй'п

где Wг - геометрический объем пачки бревен в торцевыравнивателе, м3; Wб - объем модельного бревна, м3; L, В, Н - длина, ширина и высота пачки, м; d - средний диаметр бревен в пачке, м;

n - количество бревен в пачке, шт.

Таблица 3.8. Перечень измерительных приборов и регистрирующей аппаратуры для проведения лабораторных исследований

Измеряемый параметр Измеряемый прибор Предел измерения Место установки измерительного прибора Способ снятия показаний

1. Усилие торцевания пачки бревен Датчик силы растяжения ИИ-К10, ИИ-К50 50 кг в растяжке между торцующими щитами Компьютер НР550 с прикладной программой

2. Угол поворота щита Уровень-угломер ТУ50-252-80 УУБ-1 90° на выдвижной балке торцевырав-нивающего щита визуальный

3. Геометрические размеры лесных грузов Рулетка, линейки, фотоаппарат 1м 0,6 м на измерительном стенде лабораторной установки визуальный

4.Масса модельных пакетов и бревен Электронные весы ВЛКТ-500М визуальный

5. Влажность древесины Влагомер ИВ-1 визуальный

6. Диаметры круглых лесоматериалов Штангенцир куль, фотоаппарат визуальный

7. Продолжительность цикла торцевания Секундомер ГОСТ 5072-79 С0Ппр-2а-3-000 30 визуальный

8. Конструктивная масса торцевыранивателя Динамометр ГОСТ 13837-79 ДПУ-10-2-УХЛ2 50 кг визуальный

3.6. Оснащение лабораторной установки измерительными приборами

и регистрирующей аппаратурой

В лабораторных условиях кафедры ЛиХТ ПГТУ оказалось возможным провести на механической модели гравитационного торцевыравнивателя К-142М следующие измерения: усилия торцевания лесных грузов, времени цикла торцевания пачек круглых лесоматериалов, качества торцевания лесных грузов.

Комплект измерительных приборов и регистрирующей аппаратуры выбирался из условий точности измерения исследуемых параметров для формирования лесных грузов гравитационным торцевыравнивателем К-142М. Измерительный стенд лабораторной установки (рис. 3.10) состоял из персонального компьютера HP 550 6, соединительных проводов 9, цифрового преобразователя NI 9219 8, датчика силы растяжения ИИ-К50 (ИИ-К10) 5, пульта дистанционного управления грузоподъемным механизмом 3, фото и видеосъемкой 7.

4 5 6 7 8

Рисунок 3.10 - Измерительный стенд лабораторной установки: 1 - измерительный стол; 2 - модели лесных грузов; 3 - пульт управления краном; 4 - съемные грузовые балки; 5 - датчик силы растяжения ИИ-К50; 6 -компьютер НР-550; 7 -фото и видеосъемка; 8 - преобразователь N 9219; 9 - соединительные провода;10- измерительный стенд; 11 - измерительные приборы.

Для измерения усилий торцевания лесных грузов гравитационным торцевы-равнивателем использовались датчики силы ИИ-К50 и ИИ-К10 (рис. 3.11) (прил. Е), которые были установлены в растяжке между торцующими щитами, закрепленной в нижней части щитов по оси их перемещения (рис. 3.7).

Рисунок 3.11 - Датчики силы растяжения ИИ-К50 для измерения усилия торцевания лесных грузов

Для обработки сигналов, полученных с датчиков силы (прил. Е), применялся модуль по преобразованию аналогового сигнала N1 9219 (рис. 3.12), имеющий технические характеристики, представленные в приложении З. Усилие торцевания пачки круглых лесоматериалов устанавливалось как разность усилий на датчике ИИ-К10 перемещения торцевыравнивающих щитов в нагруженном Тн и холостом Тх состоянии торцевыравнивателя

Т=Тн-Тх. (3.15)

Для управления измерительной аппаратурой использовался персональный

компьютер НР 550 с установленным программным обеспечением LabVIEW 2011. Технические характеристики персонального компьютера НР 550 представлены приложении 3.5. Для получения сигналов с датчиков силы на персональный компьютер была разработана прикладная программа в компьютерной среде LabVIEW 2011 (рис. 3.12).

Рисунок 3.12 - Прикладная программа в компьютерной среде LabVIEW 2011 Порядок выполнения работ по определению усилия торцевания пачек модельных бревен был следующий. Взвешенную пачку лесоматериалов в стропах с установленным количеством выступающих торцов бревен опускали грузоподъемным механизмом с заданной скоростью на грузовые балки торцевыравнивателя. Перед опусканием пачки включали компьютер, счетчик времени и датчик силы растяжения, с помощью которого измерялось усилие торцевания, развиваемое поворотными щитами торцевыравнивателя в зависимости от угла наклон щитов. Одновременно

проводился хронометраж времени цикла торцевания (опускания пачки в торцевы-равниватель и выравнивание торцев бревен поворотными щитами, подъем отторцо-ванной пачки из торцевыравнивателя). Затем рулеткой замерялось расстояние между торцующими щитами в четырех габаритных точках отторцованной пачки бревен 11, 12, Ъ, 14 (рис. 3.13). Отторцованную пачку круглых лесоматериалов грузоподъемным механизмом поднимали из торцевыравнивателя в специальном стропконтейнере шириной, равной ширине формировочного устройства торцевыравнива-теля. На измерительном столе определяли качество выравнивания торцов пачки бревен путем измерения разбега торцев бревен по периметру пачки с обеих сторон.

Рисунок 3.13 - Схема торцевания пачки бревен проектируемым торцевыравнивате-лем К-142М

Качество торцевания пачки бревен определяли по формуле

11 + 12 + 13 + 141 (3.16) М =----1б < 0,05 м.

4

Измерение угла наклона торцевыравнивающего щита в исходном положении проводилось с помощью уровня-угломера УУБ-1 (табл. 3.8). Для этого уровень-угломер устанавливался на ровную горизонтальную поверхность и поворотом диска устанавливали пузырек уровня между рисками, соответствующими горизонтальному положению уровня, затем уровень-угломер устанавливали на выдвижную балку торцевыравнивающего щита и по шкале лимба с помощью нониуса определяли угол наклона щита от горизонтали.

Наибольший объем обрабатываемой модели пачки круглых лесоматериалов 0,014 м определялся исходя из грузоподъемности модели крана КБ-572Б 0,1 кН, занятого на проведении лабораторных испытаний и грузовместимости гравитационного торцевыравнивателя К-142 0,1 кН (табл. 3.7). Подобранную пачку модельных бревен краном укладывали в торцевыравниватель между стойками-уловителями.

Если часть бревен находилась выше стоек, то их убирали и вычитали этот объем из общего объема пачки. В результате получали фактическую величину наибольшего объема пачки лесоматериалов, обрабатываемой гравитационным торцевыравнивате-лем.

Для определения длины обрабатываемых лесоматериалов рулеткой (табл. 3.8) измерялось расстояние между внутренними поверхностями торцевыравнивающих щитов, находящихся в вертикальном положении.

Наибольшую величину разброса торцов модельных бревен в пачке определяли с помощью фотоаппарата, рулетки, линейки по зависимости

±(1тах — [бр) (317)

= 2 '

где 1тах - наибольшая длина пачки в торцевыравнивателе, м; - длина модельных бревен в пачке, м.

Коэффициент к, учитывающий отношение количества выступающих модельных бревен в пачке Пв к общему числу бревен в торцевыравнивателе Побщ вычисляется по формуле

к =-^Ц (318)

^общ

где Пв - количество выступающих бревен в пачке, шт.; Побщ - общее количество бревен в пачке, шт.

Коэффициент распора X круглых лесоматериалов в пачке определялся по формуле

° = пВ2РТ/(пРТН - РВ)Н, (3.19)

где В, Н - ширина и высота пачки бревен в торцевыравнивателе, м; РТ - усилие торцевания пачки бревен, кН; Р - вес пачки бревен, кН.

Коэффициент сопротивления бревен при их относительном перемещении вдоль волокон определяется по формуле:

Гс = Рт/Рт- (3.20)

Коэффициент полнодревесности пачки круглых лесоматериалов равной длины определялся по формуле:

« = Т7=Л/6т> (3.21)

где Т1]1=16 - суммарная площадь торцов круглых лесоматериалов в пачке, м2;

Sт - площадь торца пачки круглых лесоматериалов в формировочном устройстве

2

девыравнивателя, м2.

Площадь торцов круглых лесоматериалов определялась по формуле

А (3.22)

^¿гсХ?/4.

¿=1

Площадь торца пачки круглых лесоматериалов S определялась фотографическим методом с помощью полярного планиметра

6 = Шф6ф. (3.23)

где тф - масштаб фотографии торца пачки бревен;

Sф - площадь торца пачки бревен на фотографии, измерена планиметром, м2.

Фотографии торцов пачек бревен позволили также определять: общее количество бревен, количество выступающих бревен в торцах, габаритные размеры поперечного сечения формируемой пачки бревен: ширину В и высоту Н.

Производительность переносного гравитационного торцевыравнивателя К-142М с краном КБ-572Б по чистому времени работы определялось по формуле:

£ (3.24)

V

где V - объем перерабатываемой древесины, м3;

Тц - время работы торцевыравнивателя с краном, час.

Объем перерабатываемой древесины за период лабораторных исследований определялся по выражению

" (3.25)

V = 2JVl,

¿=1

где VI - объем торцуемой пачки бревен, м3.

Время работы торцевыравнивателя с краном устанавливалось по результатам хронометражных наблюдений каждого цикла торцевания Т с помощью секундомера

Тц = £"=10Т (3.26)

Конструктивная масса гравитационного торцевыравнивателя и его элементов измерялась динамометром ДПУ-10-2-УХЛ2 (табл. 3.8). Удельная масса определялась отношением конструктивной массы торцевыравнивателя Мт к наибольшему объему обрабатываемой пачки лесоматериалов Vmax

Vr,

Мт (3.27)

max

3.7. Методика обработки экспериментальных данных

Рассмотрим на примере зависимости силы торцевания лесных грузов от варьируемых факторов, методику обработки экспериментальных данных, полученных при выполнении лабораторных опытов по описанным выше комбинационным схемам [80,172,183,221]. Данный метод можно назвать методом последовательных исключений влияющих факторов, который заключается в следующем: а) проводится первичная обработка экспериментальных данных; б) данные последовательно группируются по значениям каждого из факторов; в) путем арифметического усреднения прочие факторы нейтрализуются; г) графическим путем выявляется влияние каждого из факторов на общий результат; д) проводится дисперсионный, корреляционный и регрессионный анализы экспериментальных данных; е) при помощи частных эмпирических формул производится пересчет первичных данных, для которых выполняются пункты б, в, г, д; ж) частные эмпирические формулы объединяются в одну общую путем умножения их между собой, деленных на генеральное среднее всей совокупности данных на единицу меньшей числа первичных факторов; з) расчетные данные сопоставляются с исходными величинами и вычисляется среднее квадратическое отклонение.

Анализ экспериментальных данных проводился в три этапа с применением дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализов (прил. Н). Вся обработка выполнялась в ПГТУ на ПВЭМ в программе Microsoft Office и Statistica [192].

3.8. Результаты лабораторных исследований усилий торцевания лесных

грузов

На основе выполненных лабораторных исследований (прил. М) и статистической обработки полученных экспериментальных данных в программной среде Microsoft Office Excel произведено усреднение значений усилий торцевания пачек круглых лесоматериалов базовым К-142 и проектируемым К-142М торцевыравнива-телями по каждому из первичных параметров Fg = f1 (P, k) (табл. 3.9), Fn = f2 (P, k)

(табл. 3.10), Fб = fз (ё, L) (табл. 3.11) и Fп = 14 (d, L) (табл. 3. 12), согласно схеме усреднения (табл. З.1, З.2) ортогонального латинского квадрата (рис. 3.4).

Таблица 3.9. Усреднение полученных значений результатов усилий торцевания лесных грузов Fб = 1 (Р, к) базовым торцевыравнивателем К-142.

Р,кН—— 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 сумма среднее

50 32,65 59,74 46,64 70,87 105,46 315,36 63,072

65 106,31 64,48 87,02 62,81 85,24 405,86 81,172

80 108,29 112,02 85,61 106,32 106,48 518,72 103,744

95 174,13 82,24 154,41 97,26 114,76 622,8 124,56

110 176,67 181,43 169,87 181,17 124,91 834,05 166,81

сумма 598,05 499,91 543,55 518,43 536,85 1995,05 539,358

среднее 119,61 99,982 108,71 103,686 107,37 539,358 107,8716

Таблица 3.10. Усреднение полученных значений результатов усилий торцевания лесных грузов Fп = 12 (Р, к) проектируемым торцевыравнивателем К-142 М.

РТкН——^^ 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 сумма среднее

50 30,77 56,11 44,65 67,01 55,34 253,88 50,78

65 79,46 61,32 85,46 61,85 82,33 370,42 74,08

80 102,37 108,77 81,09 95,18 91,51 478,93 95,79

95 135,89 80,26 133,58 95,31 111,25 556,28 111,26

110 114,95 135,81 103,98 125,63 83,35 563,72 112,74

сумма 463,45 442,27 448,78 444,97 423,78 2223,24 444,65

среднее 92,69 88,45 89,76 88,99 84,76 444,65 88,93

Таблица 3.11. Усреднение полученных значений результатов усилий торцевания лесных грузов Fб = 6 (ё, L) базовым торцевыравнивателем К-142

^м ——-— 4 4,5 5 5,5 6 сумма среднее

0,1 124,91 32,65 106,31 64,48 85,61 413,96 82,792

0,18 70,87 85,24 169,87 108,29 82,24 516,51 103,302

0,24 174,13 181,43 106,48 46,64 62,81 571,49 114,298

0,3 87,02 106,32 59,74 114,76 176,67 544,51 108,902

0,38 112,02 154,41 106,31 181,17 105,46 659,37 131,874

сумма 568,95 560,05 548,71 515,34 512,79 2705,84 541,168

среднее 113,79 112,01 109,742 103,068 102,558 541,168 108,2336

Таблица 3.12. Усреднение полученных значений результатов усилий торцевания лесных грузов Fп = 14 (ё, L) проектируемым торцевыравнивателем К-142 М

^м -—— 4 4,5 5 5,5 6 сумма среднее

0,1 67,01 30,77 56,11 44,65 81,09 279,64 55,93

0,18 85,46 82,33 79,46 61,32 80,26 388,83 77,77

0,24 108,77 95,18 91,51 102,37 61,85 459,68 91,94

0,3 135,89 133,58 95,31 111,25 65,34 541,37 108,27

0,38 83,35 135,81 103,98 125,63 114,95 563,72 112,74

сумма 480,49 477,67 426,38 445,21 403,49 1995,07 446,65

среднее 96,10 95,53 85,28 89,04 80,70 446,65 89,33

Нанося средние значения усилий торцевания пачек круглых лесоматериалов

(табл. 3.9-3.12) на графики получим зависимости усилия торцевания пачек круглых лесоматериалов от каждого параметра в отдельности базовым торцевыравнивателем

(рис. 3.14 а, б, рис. 3.16 а, б) и проектируемым торцевыравнивателем (рис. 3.15 а, б, рис. 3.17 а, б).

а

б

Рисунок 3.14 - Графики зависимости усилий торцевания пачек бревен базовым торцевыравнивателем от значений переменных параметров: а) ■ Рб=й(Р); б) —Гг>=Г2(к).

а

б

Рисунок 3.15 - Графики зависимости усилий торцевания пачек бревен проектируемым торцевыравнивателем от значений переменных параметров: а) ■ Рц=Р?(Р); б) • Би^Ос)

а

б

Рисунок 3.16 - Графики зависимости усилий торцевания пачек бревен базовым тор-цевыравнивателем от значений переменных параметров: а) и Гг>=Г5(с1); б) ♦ РвИУ^Ь)

а

100,00 Fп, кН

95,00 90,00 85,00 80,00 75,00 70,00

L, м

4,5

5,5

4

5

6

б

Рисунок 3.17 - Графики зависимости усилий торцевания пачек бревен проектируемым торцевыравнивателем от значений переменных параметров: а) ■ Рп=17(с1); б) • Бп^СЬ).

По результатам лабораторных экспериментов (прил. Н) с использованием программы Satistica построены графики усилия торцевания пачек круглых лесоматериалов базовым (рис. 3.18) и проектируемым (рис. 3.19) торцевыравнивателями от параметров Р, к, ё, L:

а

б

в

Рисунок 3.18 - Зависимость усилия торцевания лесных грузов базовым торцевырав-нивателем К-142 Fт=fl (P,k,d,L): а) от веса груза Р и коэффициента выступающих бревен к; б) от веса груза Р и диаметра лесоматериалов d ; в) от веса груза Р и длины лесоматериалов L; г) от коэффициента выступающих бревен к и диаметра лесоматериалов d; д) от коэффициента выступающих бревен к и длины лесоматериалов L; е) от диаметра лесоматериалов d и длины лесоматериалов L

е

в

Рисунок 3.19 - Зависимость усилия торцевания лесных грузов проектируемым тор-цевыравнивателем К-142МFт=f2 (Р,к^^): а) от веса груза Р и коэффициента выступающих бревен к; б) от веса груза Р и диаметра лесоматериалов d ; в) от веса груза Р и длины лесоматериалов L; г) от коэффициента выступающих бревен к и диаметра лесоматериалов d; д) от коэффициента выступающих бревен к и длины лесоматериалов L; е) от диаметра лесоматериалов d и длины лесоматериалов L.

е

Анализ полученных экспериментальных данных для проектируемого торце-выравнивателя К-142М показал, что усилие торцевания пачек бревен весом от 50 до 110 кН нарастает с увеличением веса от 50 до 110 кН. Аналогично увеличивается усилие торцевания с увеличением диаметра от 0,1 до 0,38 м. При изменении длины бревен от 4 до 6 м усилие торцевания уменьшается. При снижении отношения количества выступающих бревен усилие торцевания лесных грузов также уменьшается.

По результатам обработки значений, полученных в результате лабораторного эксперимента (прил. Н), с использованием программы Satistica составлено уравнение регрессии для проектируемого (3.29) торцевыравнивателя в зависимости от значимых факторов Р, d, L:

Fп = 2,41Р + 98,07ё -0,00007Р3-0,1^3-71,51. (3.28)

Проведенный анализ регрессионной зависимости показал значимость коэффициента детерминации, так как значение F больше Fкр.

Анализ коэффициента детерминации R2 по критерию Фишера говорит о надежности уравнения регрессии (рис. 3.20).

Рисунок 3.20 - Результаты множественной регрессии

Результат регрессионного анализа показал, что все значения критерия Пирсона «р-уров.» меньше 0,05, поэтому сделан вывод о значимости коэффициентов регрессии (рис. 3.21).

Итоги регрессии для зависимой переменной: Б (Та&лица проект Н= .930022Б4 Р12= ,86494.211 Скорректир. £12= ,83793063 Б(4.20)=32.021 р<.00000 Станд. оши&ка оценки: 11,618_

N=25 БЕТА Стд.Ош. БЕТА В Стд.Ош. В 1(20) р-уроа.

Се.член -71.50680 27.63613 -2.58743 0.017598

Р 1.32393 и 393080 2.41024 0.51942 4,64023 0 000153

0.33703 0.082176 98.06934 23,91207 4.10127 0.000555

VI "3 -1.03403 0.393080 -0.00007 0.00003 -2,63059 0.01Е029

У4**3 -0.20972 и 082176 -0.10887 004266 -2.55214 0.013939

Рисунок 3.21 - Результаты регрессионного анализа

Таблица 3.13. Сравнение результатов лабораторных исследований усилий торцевания лесных грузов весом от 50 до 110 кН базовым К-142 и проектируемым К-142М торце-выравнивателями Fт=fl (Р).

РГ^кН ----- 50 65 80 95 110 сумма среднее

Базовым К-142 Рб 63,07 81,17 103,74 124,56 166,81 539,36 107,87

Проектируемым К-142М Рп 50,78 74,08 95,79 111,26 112,74 444,65 88,93

Снижение Рб- Рп 12,30 7,09 7,96 13,30 54,07 94,71 18,94

% снижения (Рб- Рп)/ Рб* 100 19,49 8,73 7,67 10,68 32,41 78,99 15,80

Таблица 3.14. Сравнение усилий торцевания лесных грузов базовым и проектируемым торцевыравнивателями в зависимости от отношения выступающих бревен к их общему числу Fт=f2 (к).

Рт~кН —--к=Пв/п 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 сумма среднее

Базовым К-142 Рб 119,6 100,0 108,7 103,7 107,4 539,4 107,9

Проектируемым К-142М Рп 92,7 88,5 89,8 89,0 84,8 444,6 88,90

Снижение Рб- Рп 26,9 11,5 19,0 14,7 22,6 94,7 18,90

% снижения (Рб- Рп)/ Рб* 100 22,5 11,5 17,4 14,2 21,1 86,7 17,30

Таблица 3.15. Сравнение усилий торцевания лесных грузов базовым и проектируемым торцевыравнивателями в зависимости от диаметра круглых лесоматериалов FT=fз

0,1 0,18 0,24 0,3 0,38 сумма среднее

Базовым К-142 Рб 82,79 103,30 114,30 108,90 131,87 541,17 108,23

Проектируемым К-142М Рп 55,93 77,77 91,94 108,27 112,74 446,65 89,33

Снижение Рб- Рп 26,86 25,54 22,36 0,63 19,13 94,52 18,90

% снижения (Рб- Рп)/ Рб* 100 32,45 24,72 19,56 0,58 14,51 91,82 18,36

Таблица 3.16. Сравнение усилий торцевания лесных грузов базовым К-142 и проек-тируемымК-142М торцевыравнивателями в зависимости от длины круглых лесоматериалов Fт=fз (Г).

рТкН ——— 4 4,5 5 5,5 6 сумма среднее

Базовым К-142 Рб 113,79 112,01 109,74 103,07 102,56 541,17 108,23

Проектируемым К-142М Рп 96,10 95,53 85,28 89,04 80,70 446,65 89,33

Снижение Рб- Рп 17,69 16,48 24,47 14,03 21,86 94,52 18,90

% снижения (Рб- Рп)/ Рб* 100 15,55 14,71 22,29 13,61 21,32 87,48 17,50

AF,%

35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00

50

65

80

95

110

Р, кН

Рисунок 3.22 - Снижение усилия торцевания пачек круглых лесоматериалов К-142М Д F= (F6- Fn)/ F6 100 = fi (Р).

AF,0% 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0

к

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Рисунок 3.23 - Снижение усилия торцевания пачек круглых лесоматериалов К-142М Д F= (F6- Fn)/ F6 100 = f2 (к).

AF,%% 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00

0,1

0,18

0,24

0,3

0,38

d,M

Рисунок 3.24 - Снижение усилия торцевания пачек круглых лесоматериалов К-142М Д F= (Fб- Fп)/ Fб 100=fз (ф.

AF,%

24,00 22,00 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00

4,5

5,5

L,M

Рисунок 3.25 - Снижение усилия торцевания пачек круглых лесоматериалов К-142М Д F= ^б- Fп)/ Fб 100=f4 (L).

4

5

6

Лабораторный эксперимент подтвердил технический результат предложенного изобретения (патент РФ № RU 2463238 С1) - снижение сил трения на 18 % между грузовыми балками проектируемого торцевыравнивателя К-142М и пачками круглых лесоматериалов (табл. 3.13-3.16) путем установки съемных самовращающихся грузовых балок и замены на них трения скольжения на трение качения (табл. 3.13). По экспериментальным данным (табл. 3.13-3.16) построены графические зависимости снижения усилий торцевания лесных грузов проектируемым торцевырав-нивателем от варьируемых факторов (рис. 3.22-3.25). Усилия торцевания лесных грузов весом от 50 до 110 кН проектируемым торцевыравнивателем снизились в среднем на 18,94 кН или на 15,8 % (рис. 3.22) по сравнению с базовым (табл. 3.16).

Снижение усилий торцевания лесных грузов проектируемым торцевыравнивателем происходит на 17,3 % (табл. 3.14) в зависимости от отношения выступающих бревен к их общему числу в диапазоне от 0,1 до 0,5 (рис. 3.23). При изменении длины бревен от 4,0 м до 6,0 м. (рис. 3.25) снижение усилий торцевания лесных грузов составляет в среднем 17,5 %. Наибольшее снижение усилий торцевания лесных грузов на 18,6% (табл. 3.15) происходит при варировании диаметров круглых лесоматериалов в диапазоне от 0,10 м. до 0,38 м. (рис. 3.24).

3.9. Сопоставление результатов лабораторных, натурных и теоретических исследований

Достоверность найденных критериев подобия (3.4) процесса торцевания круглых лесоматериалов гравитационным торцевыравнивателем К-142М, формул пересчета результатов лабораторных исследований на натуру и соблюдения их при изготовлении лабораторной установки, моделей лесных грузов и круглых лесоматериалов проверены путем проведения сравнительных испытаний базового торцевырав-нивателя К-142 в лабораторных и производственных условиях. Производственные испытания К-142 были выполнены Фадеевым А.С. [216] на промышленной площадке экспериментально-производственного завода Волжско-Камского научно-исследовательского института водного лесотранспорта, оснащенной грузоподъемным краном ККС-10, гравитационным торцевыравнивателем К-142 и различными видами пачек круглых лесоматериалов (табл. 3.17).

Сравнивая результаты лабораторных Fл и производственных Fп исследований гравитационного торцевыравнивателя К-142 (табл. 3.17) видно, что расхождение усилий торцевания пачек круглых лесоматериалов составило 6,27 %

Р, % = ^п-Рл)*100% / Fп = (88,93-83,40)*100 / 88,93=6,2 %. (3.29)

Сравним полученные результаты лабораторных исследований базового торцевыравнивателя К-142 с данными М.В. Борисова [61], где усилие торцевания пачек бревен гравитационным торцевыравнивателем ТГПК-1 достигало 1,5Gп (рис. 3.26).