Определение удельного энергобаланса технологического цикла механизированной заготовки круглого лесоматериала

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 681.523

Поволжский государственный технологический университет, Йошкар-Ола, Россия

Вятская государственная сельскохозяйственная академия, Киров, Россия

Пермская государственная сельскохозяйственная академия им. Д.Н. Прянишникова, Пермь, Россия

Определение удельного энергобаланса технологического цикла механизированной заготовки круглого лесоматериала

Грязин Владимир Альбертович к.т.н.

Горбунов Роман Михайлович к.т.н., доцент

Хандриков Виктор Анатольевич к.т.н., доцент

Трутнев Николай Васильевич к.т.н., доцент

Аннотация

В работе представлен оригинальный материал исследования, направленного на определение влияния отдельных параметров техники и технологического процесса заготовки круглых лесоматериалов на показатели энергозатрат. Полученные данные позволяют определить границы эффективности как по отдельным технологическим операциям, так и по заготовке древесины в целом

Ключевые слова: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЛЕСОЗАГОТОВКА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ, КРУГЛЫЕ ЛЕСОМАТЕРИАЛЫ, УДЕЛЬНЫЕ ЭНЕРГОЗАТРАТЫ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ

технологический лесоматериал энергозатрата древесина

Annotation

This article presents the original data for study designed to determine the effect of individual parameters of machines and technological process of round timber harvesting on the energy consumption data. These data allow us to determine the frontier efficiency of individual processing steps as well as of timber harvesting generally

Keywords: MATHEMATIC SIMULATION, TIMBER HARVESTING, PROCESSING STEPS, ROUND TIMBER HARVESTING, SPECIFIC ENERGY CONSUMPTION, EFFICIENCY

Введение

Развитие отдельных направлений в науке, связанных с изучением процессов заготовки древесины, в частности круглых лесоматериалов, привело к субъективному пониманию важности отдельных структурных элементов получения древесного сырья. Совершенствование конструкции лесозаготовительной техники, организация ее эффективного использования, как с точки зрения отдельного звена, так и системы машин, безусловно, является значимым фактором в повышении энергоэффективности заготовки [1-5]. Тем не менее, следует четко понимать, что удельный вклад отдельно взятого воздействия не всегда приводит к равнозначному изменению ситуации в целом.

Цель исследования: оценка «значимости» отдельно взятой технологической операции на заготовку круглых лесоматериалов в целом по критерию энергозатрат.

Задачи, решаемые в ходе выполнения работы, включают:

- формирование обобщенной математической модели определения энергозатрат заготовки круглых лесоматериалов;

- расчет энергозатрат на выполнение отдельных технологических операций по заготовке круглых лесоматериалов;

- определение удельных энергозатрат, отнесенных к кубическому метру дерева;

- расчет доли удельных энергозатрат в процессе заготовки;

- оценка влияния учетных параметров технологических операций на значение удельных энергозатрат процесса заготовки.

Методы, применяемые для решения поставленных задач:

- метод дискретно-событийного моделирования процесса заготовки;

- метод определения расчетных параметров предмета труда;

- метод прямого перебора.

В качестве основных допущений, применяемых в процесс формирования обобщенной математической модели, используем следующие:

1) предметом труда для операций валки, пакетирования, трелевки, обрезки сучьев является расчетное дерево;

2) объем сучьев и вершины является величиной постоянной и отделяется от дерева до процесса погрузки;

3) среднее расстояние трелевки, скорость движения машин и пр. факторы оказывающие влияние на энегозатраты переместительных операций являются постоянными величинами;

4) расчет энергозатрат будем выполнять при условии, что затраты топливно-энергетических ресурсов осуществляются при выполнении операций непосредственно связанных с заготовкой [6-9];

5) технология заготовки круглых лесоматериалов постоянна, а все технологические операции выполняются последовательно, применительно к обрабатываемому предмету труда.

В качестве базовой используется хлыстовая технология, включающая следующие основные технологические операции: срезание и повал дерева; трелевка; очистка от сучьев; погрузка; вывозка.

Математическое моделирование

Рассмотрим особенности определения энергозатрат пооперационно. Работа, совершаемая в процессе срезания и повала дерева, включает в себя затраты энергии на цикл непосредственного срезания и переезды к следующей технологической стоянке [4,8,9]:

.

С целью упрощения расчетов, работа затраты энергии на цикл срезания А_цикла определим из условия 70% нагружения двигателя, за заданное среднее время цикла. Затраты энергии на переезд А_{переезд} будут определяться исходя из методики определения касательной силы тяги на ведущих элементах транспортной машины Р_К [5] и среднего расстояния переезда.

Работа, совершаемая в процессе трелевки включает затраты энергии на сбор пачки, трелевку и возвращение машины в порожнем положении назад

.

Затраты энергии на сбор пачки А_сбор определим как совершаемую работу на подъем комлей деревьев в пачке на заданную высоту.

Работа, совершаемая в процессе очистки дерева от сучьев, определяется удельной работой резания [10]. При этом важным допущением является условие, что объем сучьев и вершины, оставляемых после очистки дерева составляет заданный процент от объема дерева.

Работа, совершаемая в процессе погрузки определяется как затраты энергии на подъем пачки, переезд с пачкой и возвращение в порожнем положении назад.

.

Удельная работа операций с деревом определяется как отношение общих энергозатрат к кубатуре «расчетного» дерева.

,

где - работа, совершаемая в процессе отдельной технологической операции.

Удельная работа операций с хлыстами относится к дереву с учетом потерь объема древесины в процессе очистки от сучьев и срезание вершины. Значение будет больше А_i на величину потери объема, так как в качестве расчетного выбрано именно начальное «расчетное» дерево [11], произрастающее на лесосеке:

.

Исходные данные для расчета:

1) состав машин:

- срезание и повал дерева - валочно-пакетирующая машина ЛП-19А;

- трелевка - машина трелевочная гусеничная с пачковым захватом ЛП-154А;

- очистка от сучьев - бензопила Partner 350;

- погрузка - челюстной погрузчик ПЛ-1Г;

- вывозка - лесовоз 5960-10 на базе УРАЛ 43204-1111-31.

2) Значения принимаемых параметров, представлены в таблице 1

Таблица 1 - Исходные данные для расчета

Результаты расчета для плеча вывозки 10 км представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 -- Пооперационное распределение удельных энергозатрат, отнесенных к «расчетному» дереву, на плече вывозки 10 км

Результаты расчета для плеча вывозки 20 км представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 -- Пооперационное распределение удельных энергозатрат, отнесенных к «расчетному» дереву, на плече вывозки 20 км

Как показали расчеты, на плече вывозки 10 км, порядка 55% всех энергозатрат при заготовке круглой древесины приходятся на долю вывозки; 28% - срезание и повал дерева; на третьем месте с 14% занимает трелевка.

Для плеча вывозки в 20 км, первое место по-прежнему занимает вывозка с 72% всех энергозатрат; второе место срезание и повал дерева - 18%; на третьем месте с 9% занимает трелевка.

При дальнейшем увеличении плеча вывозки, порядок «значимости» технологических операций сохраняется.

Для наиболее наглядного отображения изменения долей технологических операций при различных значениях плеча вывозки приводим графическое отображения данных, представленных на рисунке 3.

Рисунок 3 - Изменение долей удельных энергозатрат, отнесенных к «расчетному» дереву, по технологическим операциям

Таким образом, имеем наглядное распределение «важности» отдельных технологических операций при заготовке круглой древесины, которое условно может быть распределено следующим образом:

1 место - вывозка;

2 место - срезание и повал;

3 место - трелевка;

4 место - погрузка;

5 место - очистка от сучьев.

На кривую «Вывозки», представленной на рисунке 3 наложена логарифмическая линия тренда. Аппроксимирующее уравнение кривой для заданных параметров технологического процесса заготовки позволяет с точностью 98,9 % получить обобщенное выражение для определения значений удельных энергозатрат на вывозку, отнесенных к «расчетному» дереву.

С целью определения отклика значения удельных энергозатрат, отнесенных к «расчетному» дереву, на изменения учетных параметров технологических операций, примем в качестве величины воздействия - 20% изменение.

В качестве направления изменения (увеличение или уменьшение) используем критерий снижения энергозатрат. Так, например, если снижение конструктивной массы машины приводит к снижению энергозатрат, примем направление воздействия - уменьшение массы.

В качестве базовой, примем плечо вывозки 10 км.

Результаты оценки отклика значения удельных энергозатрат по отдельным технологическим операциям, отнесенных к «расчетному» дереву, на изменения учетных параметров, приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты оценки отклика значения удельных энергозатрат

* - так как значение объема резов в большей степени зависит от параметров обрабатываемого дерева.

Анализируя данные, представленные в таблице следует отметить, что наибольшее влияние на значение удельных энергозатрат, отнесенных к единице объема дерева пооперационно следующие:

1. Срезание и повал дерева посредством ВПМ ЛП-19А - совершенствование конструкции (снижение среднего времени цикла и уменьшение массы машины);

2. Трелевка посредством машины трелевочной гусеничной с пачковым захватом ЛП-154А - уменьшение среднего расстояния трелевки и совершенствование конструкции машины (снижение сопротивления на движение и уменьшение массы машины);

3. Очистка от сучьев посредством бензопилы Partner 350 - снижение удельной работы резания;

4. Погрузка посредством челюстного погрузчика ПЛ-1Г - снижение энергозатрат на переезды (выбег и сопротивление движению);

5. Вывозка - лесовоз 5960-10 на базе УРАЛ 43204-1111-31 - снижение сопротивления движению и увеличение полезной нагрузки.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.B37.21.2045.

Список литературы

1. Грязин В.А. Повышение эффективности применения лесозаготовительных машин с системой рекуперации энергии [Текст] / В.А. Грязин, А.В. Егоров // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Лес. Экология. Природопользование» Научно-прикладной журнал. - Йошкар-Ола: Изд-во МарГТУ, 2008. - №1(2). - С. 59-65

2. Грязин, В.А. Оценка энергоемкости работы валочно-пакетирующих машин [Текст] / В.А. Грязин // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии: Вып. 185. - СПб.: СПбГЛТА, 2008. - С. 109-115

3. Грязин В.А. Повышение эффективности работы лесозаготовительных машин применением энергоаккумулирующего привода / В.А. Грязин // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии: Вып. 184. - СПб.: СПбГЛТА, 2008. - С. 112-118.

4. Грязин В.А. Энергоемкость как фактор производительности валочно-трелевочных машин» [Текст] / В.А. Грязин // Известия высших учебных заведений. «Лесной журнал». - Архангельск: Издательство Архангельского государственного технического университета, 2009. - №2. - С.54-58.

5. Грязин В.А. Влияние природных условий на энергоемкость трелевки древесины тракторами с чокерным оборудованием [Текст] / В.А. Грязин // Известия высших учебных заведений. «Лесной журнал». - Архангельск: Издательство Архангельского государственного технического университета, 2009. - №3. - С. 68-73

6. Грязин В.А. Модеpнизация гидpопpивода подъемно-тpанспоpтных машин по кpитеpию энеpгоемкости [Текст] / В.А. Грязин // Ремонт, восстановление и модернизация. - 2008. - №6. - С.5-7

7. Грязин В.А. Совеpшенствование гидpоаккумулиpующих устpойств, функциониpующих в pежиме источника энеpгии [Текст] / В.А. Гpязин // Ремонт, восстановление и модернизация. - 2009. - №7. - С.20-22.

8. Грязин В.А. Нагруженность подъемно-транспортных машин в режиме выполнения технологических операций [Текст] / В.А. Грязин // // Тракторы и сельхозмашины. - Москва: ООО «Редакция журнала «ТСМ», 2010. - №7. - С.30-32.

9. Грязин В.А. Особенности моделирования технологического оборудования подъемно-транспортных машин с механическим энергоаккумулирующим приводом [Текст] / В.А. Грязин // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии: Вып. 190. - СПб.: СПбГЛТА, 2010. - С. 97-103

10. Ширнин Ю.А. Технология и оборудования лесопромышленных производств. Часть 1. Лесосечные работы: Учебное пособие [Текст] / Ю.А. Ширнин. - М.: МГУЛ, 2004. - 446 с.

11. Александров В.А. Конструирование и расчет машин и оборудования для лесосечных работ и нижних складов [Текст]: учебник / В.А. Александров, Н.Р. Шоль. - Ухта: УГТУ, 2002. - 244 с.

Размещено на Allbest.ru