Разработка имитационных моделей функционирования канатных установок в горной местности

В настоящее время около 20 % всей лесопокрытой площади России приходится горные леса, при этом доля запаса древесины на данных территориях около 30 % от общего по стране. Одной из основных особенностей лесозаготовок в горных районах является более высокая стоимость их проведения, связанная со сложными условиями работ из-за рельефа местности. Особенно существенно увеличиваются затраты на первичный транспорт и вывозку леса.

Выбор наиболее адаптированных технических средств, оптимизация их режимов работы, обоснование экономичных схем транспортировки древесины с позиции дифференцированного подхода к разрабатываемым участкам остаются наиболее актуальными направлениями совершенствования производственной деятельности лесозаготовительных предприятий на данных территориях. Правила рубок в горных лесах нашей страны выработаны в основном с позиции последующего успешного естественного возобновления, поэтому проведение исследовательской работы по обозначенным направлениям повышения эффективности транспортировки древесины не может рассматриваться без обеспечения сохранения компонентов леса в необходимом объеме [1, c. 76].

Использование для внутрилесосечного транспорта традиционных технических средств (многооперационных машин, трелевочных тракторов) приводит к разрушению почвы, подроста, части растущих деревьев, наносит невосполнимый ущерб природе леса, вызывает оползни, эрозию почв, и даже гибель целых лесных массивов. Поэтому наиболее предпочтительным вариантом для горных лесов на первичной транспортировке древесины являются канатные установки, особенно самоходного типа — без значительных трудовых и материальных затраты на монтажно-демонтажные работы, а также перебазирование. Они не имеют ограничений по уклону разрабатываемой местности, наиболее приспособлены к экологическим особенностям горных лесов и отличаются, к тому же, минимальной энерго- и металлоемкостью, достаточно высокой производительностью, обеспечивают требования техники безопасности транспортных работ. Сравнение эффективности использования канатных установок и традиционной тракторной технологии показывает, что по длине трассы канатные установки вне конкуренции; по энергозатратам — расход горючего в 4...5 раз меньше относительно трактора; по затратам на ремонт и техобслуживание канатные установки также на много экономичнее, чем трактор. Кроме этого, работа канатных установок не лимитируется природными условиями и временем года. Но главным их преимуществом является полное соответствие, экологическим условиям сохранения леснойсреды: перемещая грузы в подвешенном состоянии, канатные установки способствует сохранению почвенного покрова и подроста, предупреждению повреждений корневых систем оставленных растущих деревьев и сохранению всех сопутствующих живому лесу даров природы [5, c. 14].

Для принятия научно-обоснованных решений на стадии технологического проектирования по использованию самоходных канатных установок требуется учитывать кроме рельефа местности — конфигурацию лесосеки, непредсказуемо изменяющуюся по естественным ее рубежам (скале, хребту, балке, речке и т. п.); лесотаксационные показатели насаждения (запас, объемы хлыстов, состав насаждения); способ рубки; вид транспортируемой древесины; характеристику технических средств. Достоверность прогнозируемых результатов функционирования различных вариантов техники с такой высокой чувствительностью к условиям производства и природной среды возможна только на основе использования современных методов моделирования и имитации транспортных процессов [2, c. 161].

Для этого необходимо решение следующих задач: структуризация циклового времени трелевки по всем исследуемым вариантам разнотипной техники; установление теоретических зависимостей по каждой составляющей продолжительности трелевки от ее основных факторов влияния; разработка информационно-логических блок-схем и имитационных моделей функционирования техники; сбор информации для моделирования в различных условиях производства и природной среды; проверка построенных моделей на адекватность в конкретных лесоэксплуатационных условиях; корректировка полученных моделей в случае не соответствия их реальной действительности.

Общее время, затрачиваемое самоходной канатной установкой на разработку лесосеки, согласно принятому в работе подходу [3, c. 42], определяется формулой:

                                                                              (1)

где  — время на монтаж установки на расчетном участке, с;

 — время на демонтаж установки на расчетном участке, с;

 — время на переезды между лентами на расчетном участке, с;

 — время, затрачиваемое на трелевку всех деревьев на расчетном участке, с.

Время на монтаж и демонтаж установки, будет описываться формулами:

,                                                                                                         (2)

,                                                                                                        (3)

где ,  — время монтажа и демонтажа установки на одной разрабатываемой ленте соответственно, с.

Время монтажа и демонтажа канатной установки на одной разрабатываемой ленте, определяется по формулам и, соответственно.

,                                                                   (4)

где - время на фиксацию канатной установки, с;

- время на переход работника с монтажным тросиком от канатной установки к опорному дереву, с одновременным переходом одного человека с технологическим оборудованием, с;

- время на фиксацию опорного блока на дереве, с;

- время на установку растяжек для опорного дерева, переход к канатной установке, и возврата монтажного троса к канатной установке, с;

- время запасовки грузового троса, с;

- время на монтаж каретки, с.

,                                                                      (5)

где - время на демонтаж каретки, с;

- время сматывания несущего каната на барабан, с;

- время на переход работников к опорному дереву, с;

- время на демонтаж растяжек и опорного блока и на переход работника от опорного дерева к канатной установке с монтажным оборудованием, с;

- время на демонтаж растяжек канатной установки и фиксации ее мачты в транспортное положении, с.

Время на фиксацию канатной установки, определяется по следующей формуле:

,                                                            (6)

где  — время фиксации мачты в рабочем положении, с;

 — расстояние на котором устанавливается растяжка при фиксации мачты канатной установки, м;

 — коэффициент увеличения пути проходимого работником за счет обхода естественных препятствий;

 — средняя скорость перехода работника при установке растяжек, м/с;

 — время, затрачиваемое на зацепку одной растяжки для фиксации мачты канатной установки, с;

 — количество растяжек для фиксации мачты канатной установки.

Время на переход работника с монтажным тросиком от канатной установки к опорному дереву, определяется по формуле:

,                                                                                                     (7)

где  — протяженность трассы канатной установки или расстояние от канатной установки до опорного дерева (можно принимать равным ширине лесосеки), м;

 — скорость перехода работника с монтажным тросиком для фиксации каната на опорном дереве, м/с.

Время на установку растяжек для опорного дерева, переход к канатной установке, и возврата монтажного троса к канатной установке в виду параллельности некоторых операций по времени определяется по формуле:

,                                                   (8)

где  — расстояние, на котором устанавливается растяжка при фиксации блока на опорном дереве, м;

 — время, затрачиваемое на зацепку одной растяжки для фиксации блока на опорном дереве, с;

 — количество растяжек для фиксации блока на опорном дереве;

 — скорость холостого перехода работников по лесосеке, м/с.

Время запасовки грузового каната определяется формулой:

,                                                                                        (9)

где - дополнительная длина каната для нормальной запасовки, м;

- скорость сматывания каната лебедкой канатной установки.

При демонтаже канатной установки затраты времени на переход работников к опорному дереву, определяются по формуле 7, куда вместо скорости перехода работника с монтажным тросиком подставляется скорость холостого перехода рабочего по лесосеке.                                 Время на демонтаж растяжек и опорного блока и на переход работника от опорного дерева к канатной установке с монтажным оборудованием находятся по формуле:

,                                            (10)

где  — время, затрачиваемое на отцепку одной растяжки для опорного дерева, можно принять равным времени на зацепку растяжки, с;

 — время, затрачиваемое на отцепку опорного блока, с;

 — скорость перехода работника с монтажным оборудованием по лесосеке, м/с.

При демонтаже растяжек канатной установки и фиксации ее мачты в транспортном положении затраты времени определяется по формуле 6. Где вместо времени фиксации мачты установки подставляется время на ее установку в транспортное положение, а вместо времени зацепки растяжки время ее снятия.

Время на переезды между лентами на расчетном участке определяется по формуле:

,                                                                                                          (11)

где - коэффициент, учитывающий дополнительное время, затрачиваемое на остановку, дополнительные переезды и разворот канатной установки перед ее установкой на разрабатываемой ленте.

Время трелевки всех деревьев на расчетном участке определяется по формуле:

,                                                                                           (12)

где  — время трелевки всех деревьев на волоках и полупасеках, с.

Время трелевки всех деревьев на волоках и полупасеках определяется по формуле:

,                                                                                      (13)

где  — среднее время трелевки одной пачки деревьев на волоках или полупасеках, с;

 — запас леса приходящийся на волоки или полупасеки, м³;

 — объем пачки деревьев трелюемой канатной установкой на волоке, м³.      Среднее время трелевки одной пачки деревьев на волоках и полупасеках определяется по формуле:

 ,                                                  (14)

где  — время натяжения грузового каната для перемещения каретки, с;

 — среднее время перемещения каретки к месту формирования пачки, с;

 — среднее время формирования пачки, с;

 — время натяжения грузового каната для перемещения каретки с пачкой деревьев, c;

 — время трелевки пачки деревьев, с;

 — время отцепки пачки деревьев, с.

Среднее время перемещения каретки к месту формирования пачки определяется по формуле:

,                                                                                                              (15)

где  — скорость холостого хода каретки канатной установки, м/с.

Среднее время формирования пачки определяется по формуле:

,                                                                        (16)

где  — время опускания каретки для зацепки пачки деревьев, с;

 — среднее время чокеровки одного дерева, с;

- расстояние на которое должен отойти чокеровщик после зацепки пачки, м;

- скорость отхода работника на безопасное расстояние, м/с.

Время трелевки пачки деревьев определяется по формуле:

,                                                                                                              (17)

где  — скорость рабочего хода каретки канатной установки, м/с.

Время отцепки пачки деревьев определяется по формуле:

,                                                                                     (18)

где  — время опускания каретки с пачкой деревьев» с;

 - среднее время отцепки чокера с одного дерева, с.

Представленная аналитическая модель функционирования самоходной канатной установки позволяет определять продолжительность ее работы на лесосеке в широком изменении факторов: предмета труда, условия работы, технологии и технического средства. В дальнейшем на ее основе рекомендуется разработка информационно-логических блок-схем и имитационных моделей функционирования канатных установок для принятия научно-обоснованных решений на стадии технологического проектирования по выбору наиболее адаптированных к конкретным лесоэксплуатационным условиям горной местности технических средств, оптимизации режимов их работы, а также обоснованию наиболее экономичных схем работы внутрилесосечного транспорта [4, c. 29].

Литература:

1.                            Абрамов В. В. Имитационное моделирование работы трелевочных средств на выборочных рубках: Деп. в ВИНИТИ 22.07.2008, № 631-В2008 — Воронеж, 2008 — С. 96.

2.                            Луценко Е. В. Эффективные объемы лесозаготовительного производства в условиях горных лесных массивов Дальнего Востока // Актуальные проблемы лесного комплекса/ Под ред. Е. А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 25. — Брянск: БГИТА, 2010. — С. 160–162.

3.                            Пошарников Ф. В., Абрамов В. В., Бондаренко А. В. Оптимизация параметров работы трелевочных средств при уходе за насаждением: Деп. в ВИНИТИ 14.07.2011, № 342-В2011 — Воронеж, 2011 — С. 41.

4.                            Пошарников Ф. В., Абрамов В. В., Бондаренко А. В. Анализ технологий и технических средств для выполнения транспортировки древесины в условиях горной местности: Деп. в ВИНИТИ 14.07.2011, № 343-В2011 — Воронеж, 2011 — С. 35.

5.                            Пошарников Ф. В., Абрамов В. В., Бондаренко А. В. Моделирование процесса транспортировки древесины в горной местности: Деп. в ВИНИТИ 14.07.2011, № 344-В2011 — Воронеж, 2011 — С. 31.

6.    Пошарников Ф. В., Абрамов В. В. Выполнение трелевки в условиях постоянного и непрерывного лесопользования // Вестник Московского государственного университета леса — Лесной вестник. — 2008. — № 6. — С. 108–111.

7.    Пошарников Ф. В., Абрамов В. В., Бондаренко А. В. Разработка математической модели трелевки древесины в условиях несплошных рубок // Современные проблемы науки и образования. — 2012. — № 2. URL: http://www.science-education.ru/102–5521.