Повышение эффективности лесотранспорта на участках рубок ухода в молодняках Европейского Севера

Актуальность темы

Одной из основных задач по механизации современного лесоводства является повышение продуктивности лесов в результате улучшения их породного состава, в том числе увеличение лесных площадей с преобладанием хвойных пород так как это в перспективе основной источник доходов от лесопользования. В полной мере это относится к лесам Европейского Севера.

Однако нельзя при этом не учитывать и общемировые тенденции, заключающиеся в том, что все «побочные» продукты становления окончательного промышленного древостоя должны быть рационально использованы. В условиях современных рубок ухода (для Северного региона), в молодняках эта цифра может составлять, по оценкам автора, до 15 — 25 м плотной древесины (биомассы) с гектара которые необходимо на данном уровне развития технологий разнопланово использовать — как-то переработка в биотопливо, в сырье для производства бумаги, строительных материалов и пр. Однако, все благие намерения, как правило, заканчиваются складированием «продуктов» от рубок ухода в молодняках на производственном участке, с последующим перегниванием, что уничтожает реакреакционные свойства леса, или «благополучном», часто небезопасном сжигании. И все это по причине нелеквидности этой заготовленной биомассы. Опыт, однако, показывает что эта «неликвидность» скрыта в отсутствии эффективных современных технических средств для трелевки на территории участков ухода за лесом древесины на верхний склад для последующей технологической переработки. В связи с этим комментарием, решение задач по научному обоснованию лесохозяйственных машин для эффективной трелевки древесины на участках рубок ухода в молодняках является актуальным.

Цель и задачи исследований. Цель работы — повышение эксплуатационной эффективности лесотранспортных процессов на участках рубок ухода в молодняках на основе разработки и применения математических моделей данных процессов для снижения технологического удельного расхода топлива в стадии грузового хода трелевочного агрегата.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

— на основе производственной апробации технологического комплекса машин для ухода за молодняками, включающего в качестве транспортного компонента систему «минитрактор 2К2 — прицеп» определить возможность использования данного трелевочного агрегата в реальных условиях рубок ухода;

— разработать теоретические и экспериментальные математические модели определения технологического удельного расхода топлива в стадии грузового хода транспортного процесса выбранного трелевочного компонента технологического комплекса машин для участков ухода за молодняками, с учетом эластичности шин, пластической податливости лесной почвы и инерционных показателей колесного движителя трелевочного агрегата;

— разработать программу, методику и осуществить исследовательские полевые испытания по оценке технологического удельного расхода топлива в стадии грузового хода транспортного процесса выбранной лесотранспортной системы;

— провести оценку результатов экспериментальных исследований и теоретического математического моделирования;

— произвести обоснование проектных параметров и выбор элементов шасси колесного трелевочного агрегата для участков рубок ухода в молодняках с целью минимизации оценки технологического удельного расхода топлива в стадии грузового хода транспортного процессаразработать основные рекомендации по повышению эксплуатационной эффективности лесотранспорта на участках ухода за молодняками путем повышения топливной экономичности трелевочного агрегата.

Методы исследования. При разработке программы и методики производственной апробации и исследовательских натурных испытаний использовались положения отраслевых стандартов, методы планирования эксперимента. При поиске экстремальных решений — методы математического анализа.

При математическом моделировании показателей эффективности транспортного процесса использовались методы общей динамики лесотранспортных машин, теории функциональных преобразований.

При нахождении конструктивных оптимальных и проектных решений по перспективному варианту лесотранспортной системы для участков рубок ухода в молодняках — методы дискретной оптимизации.

Использовались лицензированные программные продукты MathCAD, Maxima и для составления интерактивной оптимизационной программы алгоритмический язык программирования GWBASIC.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается аргументированностью принятых допущений и использованием современных методов при теоретических исследованиях, сходимостью результатов экспериментальных исследований с теоретическими расчетами.

Научная новизна работы.

Разработана, теоретически и экспериментально исследована математическая модель для прогнозирования топливной экономичности лесотранспортной системы «минитрактор 2К2 — прицеп» для участков ухода за молодняками с учетом динамических свойств двигателя, эластичности шин агрегата, инерционных характеристик колес тягового модуля, деформируемости поверхности движения, позволяющая минимизировать технологический удельный расход топлива транспортного процесса на участке рубки ухода.

Практическая значимость работы.

Результаты исследований позволяют на стадии проектирования и модернизации лесотранспортной системы «минитрактор — прицеп» для участков рубок ухода в молодняках обосновать технические решения, обеспечивающие минимизацию технологического удельного расхода топлива, уменьшение энергозатрат на весь производственный процесс рубки ухода в молодняках.

На защиту выносятся:

— математическая модель прогнозирования топливной экономичности лесотранспортной системы «минитрактор 2К2 — прицеп» на трелевочном процессе при рубках ухода в молодняках с учетом эластичности шин, инерционных параметров колес и деформируемости лесной поверхности движения и результаты ее использованиярезультаты производственной апробации экспериментальной лесотранспортной системы «минитрактор 2К2 — прицеп» в условиях участка хвойных интродуцентов ПХИ 83 в делянке плантации сосны скрученной широколиственной;

— результаты исследовательских натурных испытаний транспортного процесса экспериментальной лесотранспортной системы для ухода за молодняками.

Реализация результатов.

Предложен вариант компоновки, и разработана конструкторская документация на технический проект перспективного прицепа для лесотранспортной системы «минитрактор 2К2 — прицеп» с оптимальными параметрами для энергетической установки мощностью 3,7 кВт. Указанные материалы переданы в ОАО «Механический завод» (г. Архангельск).

Основные научные результаты реализованы в учебном процессе кафедры транспортных машин АГТУ и использованы в госбюджетной НИР механического факультета (отчеты 2008, 2009 годов).

Работа поддержана грантом Администрации Архангельской области при выполнении проекта на тему «Разработка оптимальной технологии лесотранспорта на участках рубок ухода в естественных молодняках Архангельской области» в рамках приоритетных направлений развития науки в Архангельской области в 2007 году.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены и одобрены на:

— международной научно-технической конференции в Вологодском государственном техническом университете (г. Вологда, 2009 г.);

— научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (2007 г., 2008 г., 2009 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатных работы, в т. ч. три в изданиях по перечню ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 71 наименования, 2 приложений. Основное содержание работы изложено на 121 страницах, включает 40 рисунков, 13 таблиц.

5.3 Выводы.

1. В соответствии с поставленной оптимизационной задачей, лесотранспортную машину типа «минитрактор 2К2 — прицеп» с известными перспективными проектными параметрами (масса минитрактора 260 кг, масса прицепа 260 кг, масса груза 960 кг) рекомендуется оснастить специальными отечественными шинами: на тяговом модуле модели Ф — 122 (5.5 — 16) — на одноосном прицепе двумя шинами модели И — 83 (8.25 — 15). При этом прогнозируемый минимальный часовой расход топлива в грузовом режиме составит 1,33 кг/ч.

2. Для обеспечения требуемой скорости предлагаемой лесотранспортной машины с рекомендуемыми шинами в грузовом режиме Vip ~ 3,5 км/ч, трансмиссия тягового модуля должна иметь на соответствующей ступени передаточное число 193,3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований отмечено:

1. К выбору схемы и средств транспортного процесса освоения участка рубок ухода в молодняках следует подходить дифференцированно, исходя их особенностей их формирования на конкретных вырубках.

2. В случаях' естественных смешанных молодняков первой и второй групп на еловых вырубка, смешанных молодняков на вырубках сосновых лесов и хвойных культур целесообразно использовать при рубках ухода с заготовкой древесины линейную прорубку технологических коридоров и просек с включением в механизированный технологический комплекс комплекта бензомоторного инструмента и транспортного агрегата по схеме «минитрактор — прицеп».

3. В качестве показателя эксплуатационной эффективности транспортного процесса на участках рубок ухода в молодняках, при прочих равных условиях, следует установить технологический удельный расход топлива на транспортный процесс в режиме грузового хода трелевочного о агрегата отнесенный к его технологической работе (кг/мкм).

4. Реализованные производственные испытания экспериментальной лесотранспортной системы «минитрактор 2К2 — прицеп» подтвердили работоспособность выбранного агрегата и возможность его применения при уходе за молодняками.

5. Использование предлагаемого* транспортного процесса требует подготовки участка с использованием двух типов бензомоторного инструмента — кустореза и легкой бензопилыс целью более полного использования объема кузова грузового прицепа мелкие деревья целесообразно очищать от сучьев, а их стволы раскряжевывать.

6. Предложена математическая модель оценки топливной экономичности лесотранспортного агрегата «минитрактор 2К2 — прицеп» при движении его в неустановившемся режиме с учетом эластичности шин машины, деформируемости поверхности лесной почвы и инерционных характеристик колес тягового модуля, которая является предпосылкой для постановки и решения задачи оптимизации проектных параметров шасси путем минимизации удельного расхода топлива (например, часового или технологического удельного в режиме грузового хода).

7. Такой показатель как технологический удельный расход топлива, отнесенный к единице технологической работы, может выступать показателем косвенных измерений, при этом, как показали опыты, погрешность эксперимента не превысила 1,03%.

8. Полученная регрессионная математическая модель технологического удельного расхода топлива от сцепного веса тягового модуля и полезной нагрузки на прицеп позволила определить минимум данного показателя, который составил 0,64 (кг /м3км) для экспериментального агрегата.

9. Доказано, что для лесотранспортных агрегатов типа «минитрактор 2К2 — прицеп» предназначенных для участков ухода за молодняками существуют конкретные соотношения между проектными параметрами компонентов машины и грузоподъемностью, при которых обеспечивается минимум технологического удельного расхода топлива, при этом расхождение по данному показателю для рассмотренных вариантов не превысило 6,3%.

10. Для малогабаритного форвардера в составе мотоблока (2К2) с энергетической установкой МП-5 «Урал-Электрон» и одноосного прицепа-прототипа «Красный Октябрь» (г. Санкт-Петербург) в исследованных условиях рубок ухода в молодняках, характерных для Северной подзоны тайги Архангельской области, повышение эксплуатационной эффективности производственного процесса рубки путем минимизации расхода топлива на единицу транспортной работы на участке достигается балластированием массы минитрактора до 150. 170 кг и обеспечением полезной нагрузки на прицепной модуль 350.400 кг (0,45.0,5 пл. куб. м).

11. В соответствии с поставленной оптимизационной задачей, лесотранспортную машину типа «минитрактор 2К2 — прицеп» с известными перспективными проектными параметрами (масса минитрактора 260 кг, масса прицепа 260 кг, масса груза 960 кг) рекомендуется оснастить специальными отечественными шинами: на тяговом модуле модели Ф — 122 (5.5 — 16) — на одноосном прицепе двумя шинами модели И — 83 (8.25 — 15). При этом прогнозируемый минимальный часовой расход топлива в грузовом режиме составит 1,33 кг/ч.