Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование Бартенев

301

8. Технологическое оборудование к гидроманипуляторам

Агрегаты, предназначенные для выполнения различных лесохозяйственных и сельскохозяйственных работ, состоят из двух модулей – энергетического (трактора) и технологического (харвестер, корчеватель, плуг, сеялка, лесопосадочная машина и т.п.). Наибольшее применение находят навесные агрегаты, в которых оба модуля соединениы через навесной механизм, управляемый из кабины трактора. Рабочие процессы выполняются при непрерывном поступательном или дискретном движении агрегата.

Вслучае применения манипулятора, на конце стрелы которого установлен технологический модуль, рабочий процесс осуществляется путём изменения расстояния между модулями и их взаимного геометрического расположения при стационарном положении трактора. Агрегат перемещается по окончании полного цикла технологической операции, выполняемого за одну остановку.

Манипуляторы широко применяются в агрегатных лесозаготовительных машинах – валочных, валочно-сучкорезно-раскряжовочных (харвестерах), а также в машинах для рубок ухода, большей частью для осветления лесных культур [29].

Влесном хозяйстве и защитном лесоразведении манипуляторы могут найти более широкое применение, если исходить из максимального уровня механизации работ трудоемких и имеющих степень риска для жизни человека, снижения материало – и энергоёмкости, повышения эколого – экономической эффективности.

К работам, которые могут выполняться рабочими органами, управляемыми манипуляторами, можно отнести удаление пней на вырубках путём срезания, фрезерования или дробления; срезания поросли второстипенных лиственных пород; формирование кроны деревьев на лесосеменных плантациях; сбор

302

семян с растущих деревьев; подготовка посадочных мест и площадок, посадка и уход за культурами на лесных пасеках и мелококонтурных участках; локальная минерализация почвы при содействии естественному возобновлению леса; обрушение откосов оврагов при их выхолаживании и др.

Основными параметрами, по которым устанавливается возможность применения манипулятора как технического средства для доставки рабочих органов к месту проведения рабочей операции, приведения их в действие и управления ими, являются вылет стрелы, грузоподъемность, угол поворота колонны и мощность гидропривода. Величины этих параметров находятся в замисимости от технологии выполняемых работы, энергоёмкости рабочих процессов, экологических требований, размеров зон обслуживания и самих объектов воздействия.

Благоприятные условия для применения манипулятороного технологического оборудования складываются на рубках ухода, когда территория разбита напасекиузкиешириной20-25 матакжеширокие, разбиваемыеналенты8-10 м.

8.1. Корчевальное оборудование

Наряду с рычажными устройствами, удаляющими пни путём вытягивания их из почвы и обрыва корней, широко применяются рабочие органы активного действия, срезающие или измельчающие пни, как правило, их надземную часть на мелкие фракции.

Срезание надземной части пней осуществляется цепными и дисковыми пилами, плоскими ножами, действующими по принципу ножниц. Измельчение пней производится петём фрезерования, высверливания и дробления, применяя для этого фрезы цилиндрические и конические на вертикальных, горизонтальных или наклонных осях вращения (рис. 8.1)

303

Рис. 8.1. Типы рабочих органов активного действия: а - цилиндрическая фреза с горизонтальной осью вращения ; б - цилиндрическая фреза вертикальной осью вращения; в – фреза коническая с наклонной осью вращения ; г – фреза коническая с вертикальной осью вращения

Наиболее эффективным и энергосберегающим является конический рабочий орган с наклонной осью вращения (рис. 8.1.в), подводимый к пню сбоку, поскольку измельчение надземной части пня производится за счёт отрыва отдельных фракций вдоль волокон, то есть по линиям наименьшего сопротивления. Подобный рабочий орган применён в мшине для удаления пней МУП-4 монтируемой на трелёвочном тракторе ТДТ-55 (рис. 8.2)

Рис. 8.2. Машина для удаления пней МУП-4

304

Рабочий орган установлен на стреле, соединённой с трактором и управляемой в горизонтальной и вертикальной плоскостях с помощью выносных гидромоторов. Вылет стрелы составляет 5м, угол поворота 2700 . Привод рабочего органа от вала отбора мощности трактора через карданную передачу. Преимущества машины МУП-4 состоят в том, что с одной установки удаляется надземная часть нескольких пней, находящихся в радиусе поворота стрелы; удаление пней производится за счёт мощности двигателя трактора реализуемой через ВОМ, а не через движетели, действие которых отрицательно сказывается на сохранении напочвенного покрова.

Недостатком машины МУП-4 является то, что расстояние между рабочим органом и трактором постоянно, а это вынуждает, при неполном захвате рабочим органом пня по диаметру, перемещаьт трактор на крайне незначительные расстояния, что затруднительно. Этот недостаток легко устраняется, если применить шарнирно-сочленённую или телескопическую конструкцию манипулятор и гидропривод.

Также на стреле гидроманипулятора могут быть установлены и другие рабочие органы, показанные на рис. 8.1. и другие им подобные. Известны корчевальные устройства, которые доставляются к каждому пню с помощью манипуляторов и через них осуществляется управление и корчевание. Одним из таких устройств является устройство для корчевки пней, показанное на рис. 8.3.

Устройство для корчевания пней включает смонтированные на самоходном шасси 1 манипулятор 2 и корчевальный механизм. Корчевальный механизм состоит из центральной направляющей 3, на которой подвижно смонтированы опорная рама 4 аутригеры 5 и подвижная рама 6 с приводом 7 механизма поворота подвижной рамы рамки дисковой пилы 8, которая в свою очередь имеет собственный привод 9. На конце направляющей 3 установлено приспособление для захвата 10.

Базовая машина движется по технологическому коридору, проложенному по вырубке с запасом пней, и поочередно корчует пни, находящиеся в зоне дей-

305

ствия манипулятора. Для этого манипулятором устройство наводят на пень, заглубляют на необходимую глубину в грунт приспособление для захвата и смыкают его челюсти. После этого приводят в действие дисковую пилу, которой и производится обрезка боковых корней по окружности пня. Освободив пень, включают гидроцилиндры аутригеров, рама которых вместе с приспособлением для захвата и пнем перемещаются вверх, в результате чего пень извлекается из почвы.

Рис. 8.3. Устройство для корчевки пней

При работе корчевателей такого типа, как правило, применяют вибрацию, что на 30 % уменьшает усилие извлечения пня и способствует его очистке от почвы на 70…90 % . Недостатком таких устройств является то, что реакция пня передается на базовую машину, поэтому она должна иметь большую грузоподъемность и массу.

В устройствах с домкратным рабочим органом реакция пня передается на грунт. Однако для извлечения пней, даже с применением вибрации, необходимы значительные вертикальные усилия (100…300 кН), поэтому такие устройства также громоздки и металлоемки, а диаметр удаляемых ими пней ограничен.

306

8.2. Фрезыдляпониженияпнейустанавливаемые нагидроманипулятором

8.2.1. Компоновка фрезы

Компоновочная схема агрегата для понижения пней (рис. 8.4) состоит из трактора 1, механизма навески 2, манипулятора 3, включающего гидроцилиндр 4 управления телескопической стрелой; регулировочного устройства 5, гидромтора 6 и фрезы 8.

Рис. 8.4. Кинематическая схема экспериментального образца машины для понижения пней с гидроприводом рабочего органа на тракторе ЛТЗ-60А

Рабочий орган 7 (рис. 8.5.) выполнен в виде корпуса конусной усечённой формы. Он состоит из верхнего основания 1 нижнего основания 2 в виде дисков и балок 3, соединяющих диски по образующей конуса. На балках расположены гнезда для крепления подрезающих 5 и скалывающих ножей 4, которые прижимаются клиньями 7, 8 с помощью болтов 9 к нижней плоскости гнезд (рис. 8.5 а, б). Рабочий орган в виде усеченного конуса 7 рекомендуется устанавливать на машине для понижения пней твердолиственных пород с приводом от

307

гидромотора 6, который монтируется к стреле манипулятора 3 установленного на тракторную навеску 2 трактора 1 (рис. 8.5).

Телескопическая стрела манипулятора способна выдвигаться за счет гидроцилиндра 4 с рабочим органом, что позволяет повысить производительность агрегата за счет увеличения площади действия с одного места. Регулировочное устройство 5 позволяет изменять расположение фрезы в вертикальной плоскости относительно пня 8. Рабочий процесс осуществляется при опущенной стреле в горизонтальной плоскости и подачи вращающегося рабочего органа на пень по дуге. При этом предварительно рабочий орган устанавливается так, чтобы его образующая, обращенная к пню, располагалась близко к вертикали. Затем вращающийся рабочий орган опускают около пня на требуемую высоту и надвигают на пень. Сначала вступают в работу подрезные ножи и прорезают сплошные щели, при этом расстояние между ними должно быть не менее ширины скалывающего ножа, а затем вступают в работу скалывающие ножи. Скорость подачи регулируется в зависимости от породы и размеров пня. По окончанию измельчения пня, технологическое оборудование поднимают в транспортное положение, и трактор переезжает на другую рабочую позицию.

Подрезной нож 5 установлен относительно скалывающего ножа 4 с выступом в направлении подачи на расстоянии 1÷5 мм, причем комплексы ножей смещены друг относительно друга по винтовой линии на образующей фрезы с перекрытием. Предлагаемая расстановка подрезных ножей позволяет распределить нагрузку на скалывающие ножи и предварительно подрезать волокна древесины пня.

На базе описанной установки были проведены исследования взаимодействия рабочего органа с пнём с целью изучения динамики действующих сил и учёта их при выборе типа гидроманипулятора и его параметров; расчета прочности и жесткости конструкции, обеспечения фиксированного геометрического положения рабочего органа относительно пня в процессе работы. Наибольшую динамическую неустойчивость процесса дробления пней следует ожидать при применении фрезы с вертикальной или наклонной осью вращения, установленной на гидроманипуляторе.

308

Рис. 8.5. Фреза для понижение пней и конструкция крепления подрезного и скалывающего ножей: 1 – верхнее основание, 2 – нижнее, 3 – балки, 4 – скалывающий нож, 5 – подрезной нож, 6 – гидромотор, 7,8 – клинья, 9 – болты.

309

8.2.2Геометрическое представление рабочего органа

Врамках модели фрезерный рабочий орган содержит 16 комплектов ножей. Каждый комплект состоит из подрезного и скалывающего ножа, а сами комплекты располагаются попарно на восьми ребрах рабочего органа (рис. 8.6). При этом комплекты ножей расположены по винтовой линии.

Рис. 8.6. Комплекты ножей (изображены параллелепипедами) расположены попарно на восьми ребрах фрезерного рабочего органа

Считается, что подрезной и скалывающий ножи действуют одновременно, поэтому комплект из двух ножей в рамках модели объединен в одну пространственную фигуру – шестигранник, близкий по форме к параллелепипеду. Однако относительные вклады подрезного и скалывающего ножа в общую силу различны и определяются соответствующими формулами.

Остановимся подробнее на форме комплекта (рис. 8.5). Вершинами комплекса шестигранника являются восемь точек, четыре из которых лежат на образующих конуса-фрезы (точки 1, 2, 3 и 4), а остальные четыре (точки 5, 6, 7, 8)

– отстоят от поверхности конуса-фрезы на расстояние az в направлении прямых, проходящих через ось рабочего органа параллельно его основаниям. Координаты точек (xi, yi, zi) шестигранника, по отношению к системе координат AZ, связанной с рабочим органом, выражаются следующим образом:

310

x1 = rz1·cos(φz + ψ/2); y1 = rz1·sin(φz + ψ/2); z1 = hz;

x2 = rz1·cos(φz – ψ/2); y2 = rz1·sin(φz – ψ/2); z2 = hz;

A

rн

Рис. 8.7. Шестигранная форма ножа в модели фрезы

где z (i 1) 45O – угловое положение комплекса i;

ψ– угловаяширинакомплекса(врасчетахиспользованозначениеψ= 6О); az и bz – длина и высота комплекса;

hz H H bz i151 – положение комплекса i по высоте;