1.2. Приспособления для сталкивания деревьев с пня

После перерезания ствола с оставлением недопила для того, чтобы обеспечить направленную валку дерева, необходимо вывести его из состояния неустойчивого равновесия приложением дополнительной силы. Дальнейшее падение дерева происходит под действием его собственного веса, причем еще некоторое время ствол связан с пнем посредством недопила, выполняющего роль шарнира, вокруг которого поворачивается дерево в начальный период падения. После разрыва недопила движение дерева становится неуправляемым.

На опрокидывающий момент, необходимый для наклона дерева в сторону валки и разрушения перемычки, оказывают влияние следующие основные факторы: диаметр и форма ствола; размер и форма кроны; наличие снега и ветра, наличие гнили в комлевой части дерева и размеры перемычки (недопила).

С целью определения величины опрокидывающего момента введем ряд допущений:

1. Все силы и моменты, действуют на дерево в одной плоскости и движение дерева при валке происходит в этой же плоскости.

2. Дерево имеет прямой ствол и симметрично развитую крону.

3. Дерево рассматривается как твердое неупругое тело, не меняющее своих размеров при движении.

Расчетная схема к определению опрокидывающего момента представлена на рис. 1.2. Основные геометрические параметры подпила и недопила, рекомендуемые при валке дерева, можно определить исходя из следующих математических зависимостей:

глубина подпила

; (1.17)

высота подпила

; (1.18)

ширина недопила

. (1.19)

С учетом вышеописанных допущений можно записать следующее неравенство

, (1.20)

где – момент сталкивающей силы (опрокидывающий момент), кНм; – сумма моментов, препятствующих сталкиванию, кНм; ,– моменты, создаваемые соответственно силой тяжести надземной части дерева, ветровой нагрузкой, силой сопротивления разрушению перемычки, кНм.

Знак «–» может быть при наклоне ствола в сторону валки и при попутном ветре. Поворот дерева при валке происходит вокруг центра перемычки (ось О – О, рис. 1.2).

При валке дерева с подпилом ствола задача заключается в определении максимального значения . Однако для этого необходимо знать величину угла отклонения продольной оси ствола от первоначального положения, при которомбудет максимальным.

Влияние веса дерева.

Момент от силы тяжести надземной части дерева изменяется по мере изменения наклона дерева и может быть определен по формуле

, (1.21)

В момент вертикального расположения ствола дерева (рис. 1.2, б)

, (1.22)

где – сила тяжести (зимой вместе со снегом) надземной части дерева, кН; ‑расстояние от плоскости среза до центра тяжести дерева, м; ℓ₃– расстояние от центра недопила до оси действия силы тяжести, м; δ – угол, образованный продольной осью ствола дерева и прямой, соединяющей центр вращения надземной части дерева с его центром тяжести, град; β – угол отклонения продольной оси ствола от вертикали в естественном положении, град; γ – угол отклонения продольной оси ствола от первоначального положения, град.

Вес снега может быть рассчитан по формуле

, (1.23)

где - удельное давление снега на крону, приведенное к площади сечения ствола на высоте груди, Н/м²: ‑ для сосны;‑ для ели.

, (1.24)

где Н – высота дерева (длина хлыста), м; z – коэффициент, учитывающий форму ствола и кроны дерева (0,37 ‑ для сосны; 0,4 – для ели; 0,36 – для березы и осины).

, (1.25)

где h_c – высота плоскости срезания ствола (расстояние между нижними плоскостями подпила и спиливания; , гдее ‑ ширина пропила, м), м.

, (1.26)

Влияние сопротивления перемычки

Момент от силы сопротивления разрушению перемычки изменяется по мере изменения наклона дерева. Процесс деформации недопиленной части дерева можно разделить на три периода. В первый период (γ = 1÷2°) волокна древесины недопила деформируются в упругой стадии и зависимость приближается к линейной. Во втором периоде при изменении угла γ до 6÷10° рост моментаМ_н замедляется вследствие перехода деформации древесины из упругой стадии в стадию пластического течения. Третий период характеризуется разрушением недопила от разрыва растянутых волокон и резким снижением момента М_н.

Согласно исследованиям А.П.Полищука, рассматривая недопил в виде консольной балки с защемленным концом и загруженным на свободном конце моментом, момент от силы сопротивления разрушению перемычки можно определить по формуле

, (1.27)

где E – модуль продольной упругости при статическом изгибе древесины вдоль волокон, кН/м²; ℓ - расчетная длина балки, м; I_н – момент инерции сечения недопила относительно нейтральной оси; φ_с – коэффициент, учитывающий влияние продольной сжимающей силы.

, (1.28)

где t – средняя длина недопила, м.

, (1.29)

Согласно исследованиям В.Г.Кочегарова значение ℓ с достаточной для практических расчетов точностью может быть определено по формуле

, (1.30)

С учетом вышеописанных зависимостей момент от силы сопротивления разрушению перемычки можно записать в виде

. (1.31)

Влияние ветровой нагрузки

Момент от ветровой нагрузки может быть рассчитан по формуле

, (1.32)

где R_в– равнодействующая сила ветровой нагрузки на дерево, кН; H_b– высота приложения R_в относительно плоскости срезания (, где H – высота дерева), м;  – аэродинамический коэффициент, с²/м; – скорость ветра, м/с; S_k – площадь проекции кроны на вертикальную плоскость, м²; – сила тяжести единицы объема воздуха (кН/м³).

, (1.33)

где A₁, A₂, A₃ – коэффициенты полинома, полученные путем статической обработки опытных данных (Приложение 5).

Скорость ветра измеряется анемометрами. Для приближенного глазомерного определения скорости ветра пользуются шкалой Бофорта (Приложение 5).

Определение усилия сталкивания дерева с пня

Чтобы пильный аппарат не оказался поврежденным от соприкосновения с валочным механизмом между ними должно быть расстояние a = 0,015 – 0,02 м. Исходя из этого , гдеb₁ - ширина пильного аппарата. Таким образом, применение гидроклина возможно, когда диаметр в месте срезания . Расчеты показывают, что применение гидроклина возможно приD ≥0,26 м.

Необходимая подъемная сила валочного механизма при валке определяется по схемам:

на рис. 1.2, а (с использованием валочной вилки)

; (1.33)

на рис. 1.2, б, в (с использованием гидроклина или гидродомкрата)

. (1.34)

где P – усилие сталкивания, кН; ψ – угол между рычагом и вертикальной осью ствола, град; ℓ₁, ℓ₂ – расстояние от центра перемычки (ось О – О) соответственно до осей действия горизонтальной (Р_х) и вертикальной (Р_у) составляющих силы Р, м; а₁– глубина внедрения гидроклина или гидродомкрата в пропил, м.

Определение основных параметров гидроклина

Усилие, необходимое для внедрения клина в рез;

, (1.35)

где α – угол наклона рабочей поверхности клина, град; τ – угол трения (; гдеf – коэффициент трения опорной поверхности клина о его щеки), град.

Угол α – принимается из условий самоисторжения клина, чтобы избежать выбрасывания его из реза во время работы, т.е . При использовании симметричных клиньев с направляющими α принимают равным половине угла заострения клина. Например, клинья КГМ-1А, КВГ-5 имеют угол α =9,5˚.

, (1.36)

где Т_о- давление жидкости на поршень, кН; T₁ – сила трения манжетки поршня, кН; Т₂ – противодействующая сила возвратной пружины, кН.

, (1.37)

где d_k- диаметр цилиндра клина; р – давление жидкости в системе (для гидроклина КГМ-1А кПа, для гидроклина КВГ –5кПа), кПа.

; (1.38)

кН, (1.39)

где f – коэффициент трения манжетки при движении в цилиндре (f_м = 0,11); d_м – диаметр манжетки, м; b_м – ширина поверхности манжетки, создающей уплотнение (b_м =0,004…0,006 м).

Диаметр цилиндра может быть определен из следующего уравнения:

(1.40)

Ход клина

. (1.41)

В уравнение (1.42) подставляется значение h_k, полученное по графику на рис.1.3

Производительность насоса (м³/с) при рабочем режиме определяется по формуле

, (1.42)

где d_n – диаметр плунжера насоса (у КГМ-1А d_n =0,008 м), м; s_n – ход плунжера (s_n=0,04 м), м; η_n – коэффициент подачи насоса (η_n =0,8); n – число рабочих ходов плунжера, с.

Расчетное время нагнетания жидкости в цилиндр гидроклина можно определить по формуле

, (1.43)

где V – рабочий объем цилиндра клина, м³; η_k – коэффициент перетекания жидкости в насос и увеличения объема шланга (η_n =1,05).