Совершенствование системы управления ВПМ ЛП-19

Рисунки и таблицы смотрите в PDF-версии журнала

В настоящее время в лесозаготовительных предприятиях отрасли работает почти 1600 валочно-пакетирующих машин (ВПМ) отечественного производства, с использованием которых заготавливается более 17% общего объема древесины в стране. Несмотря на то что в последние 10-15 лет наблюдается рост объемов заготовки с применением харвестеров, интерес лесозаготовителей к валочно-пакетирующей технике не ослабевает.

Технологический процесс лесосечных работ с использованием валочно-пакетирующих машин является наиболее оправданным экономически (особенно для таежных условий России) по сравнению с другими машинными технологиями заготовки древесины. Созданные в 70-80-е годы прошлого столетия валочно-пакетирующие машины модельного ряда ЛП-19 доказали на практике перспективность такой конструкции и технологического решения.

Как показал многолетний опыт эксплуатации ВПМ на лесозаготовительных предприятиях, машины ЛП-19 отличаются высокой производительностью и в основном обеспечивают защиту оператора от рисков производственного травматизма. Правильно подготовленные и опытные операторы показывают стабильный темп валки леса на операциях валки-пакетирования, затрачивая на обработку одного дерева 28-32 с. Высокая выработка достигается за счет рациональной техники выполнения приемов валки-пакетирования, правильно выбранной траектории движения машины по лесосеке. Однако отечественные ВПМ уступают импортным аналогам в качестве систем управления, из-за чего операторы испытывают большие физические нагрузки и не в состоянии стабильно поддерживать высокий темп в течение смены. Отечественные машины невозможно эксплуатировать в режиме увеличенных (до 10-12 ч) рабочих смен, в то время как аналогичная импортная техника в таких условиях работает успешно. Перечисленные недостатки отечественных ВПМ в значительной степени снижают востребованность этой техники у лесозаготовителей.

Рабочий цикл валочно-пакетирующей машины складывается из повторяющихся операций - преимущественно в неизменной последовательности. Главным фактором процесса, определяющим его эффективность, является продолжительность отдельных операций рабочего цикла. В результате длительных наблюдений за работой ВПМ в производственных условиях определены отрезки времени, необходимые на выполнение каждого элемента процесса валки-пакетирования, в зависимости от природно-производственных условий. Установлено влияние на продолжительность выполнения отдельных операций рабочего цикла размера спиливаемых деревьев (среднего объема хлыста), таксационных показателей лесосеки (числа деревьев на гектаре), состояния поверхности лесосеки (почвенно-грунтовые и рельефные условия), климатических и погодных условий, конструктивных параметров машины (энерговооруженности, совершенства системы управления и рабочих органов), уровня подготовки оператора (обученности, психофизических возможностей - скорости двигательной реакции, выносливости, зрительной реакции и памяти).

С учетом перечисленных факторов определены средние значения продолжительности элементов рабочего цикла (рис. 1).

Как следует из данных, приведенных на рис. 1, наиболее продолжительной операцией является наводка захватно-срезающего устройства (ЗСУ) на дерево - на нее затрачивается около 40% общей продолжительности цикла. Эта операция наиболее сложная, так как выполняется последовательными или совмещенными включениями поворота платформы, перемещениями в вертикальной и горизонтальных плоскостях рукояти и стрелы гидроманипулятора. Задача полной автоматизации наводки ЗСУ на дерево довольно сложна, но частично она может быть решена путем создания автоматизированной электрогидравлической подсистемы, что дает возможность выполнять горизонтальное перемещение ЗСУ при изменении вылета гидроманипулятора одной рукояткой.

Это позволяет оператору уменьшить число включений рабочих механизмов и сократить продолжительность операции.

Таблица 1. Характеристики операций цикла валки-пакетирования
ВПМ ЛП-19

В табл. 1 приведены характеристики операций рабочего цикла ВПМ ЛП-19. Как видно из данных, в наибольшей степени для автоматизации подходит блок простых операций (поз. 2, 3, 4). Каждая из них выполняется движением одного рабочего органа и не требует совмещения движений рабочих органов; отсутствуют микродвижения для точной подводки рабочих органов. Причем эти позиции следуют одна за другой и могут быть объединены в автоматизированный блок, выполняемый от одного управляющего воздействия вместо нескольких включений. Автоматизация сложных операций (поз. 5, 6, 7) технически осуществима, но экономически неоправданна, так как потребует значительного усложнения системы управления и гидравлики машины, однако не исключит необходимости нахождения в кабине оператора, который должен корректировать управление в нештатных ситуациях. Уровень производительности на операциях поз. 5, 6, 7 при сочетании «машинист + управление "гидро-гидро" или "электро-гидро"» сопоставим с уровнем производительности автоматизированной системы, а высокая стоимость автоматики и ее обслуживания приведут к увеличению издержек эксплуатации сверх допустимого предела.

Применение автоматизированной электрогидравлической подсистемы перемещения ЗСУ при его наводке на дерево, а также автоматической системы захвата и спиливания дерева обеспечит уменьшение количества включений рукояток управления на 18-20%. При этом меняется стереотип управления: вместо интенсивной работы рукоятками для управления захватами и пилой оператор наблюдает за срабатыванием этих органов. С учетом того, что захват и спиливание дерева создают повышенную эмоциональную нагрузку оператора, такое изменение снижает общий уровень психофизического напряжения при управлении ВПМ, что в конечном итоге способствует снижению усталости работника и росту выработки.

На основе перечисленных особенностей управления ВПМ специалисты ОАО «ЦНИИМЭ» выбрали концепцию модернизации захватно-срезающего устройства, обеспечивающую:

• автоматизацию управления основными рабочими органами ЗСУ;
• адаптацию существующих гидравлических и электрических схем и приборов к условиям автоматизации управления;
• сокращение периода срабатывания рабочих органов и пиления за счет использования двойного потока рабочей жидкости гидросистемы машины;
• повышение производительности пиления за счет применения высокоскоростного цепного пильного механизма.

Основой для создания автоматизированной системы управления захватно-срезающим устройством ВПМ является структурная схема АСУ ТП, которая представлена на рис. 2.

Устройство АСУ ТП выполнено в виде конструкции, основанной на программируемом микроконтроллере DD1 серии ATMEL ATiny2313, что позволяет гибко настраивать логику работы системы автоматизации.

Элементы автоматики управления рабочими органами включают:

• зажим ствола дерева захватами (после установки ЗСУ на стволе при наводке);
• натяг стрелой зажатого ствола вверх;
• включение привода цепи и привода подачи пильной шины;
• отвод пильной шины после окончания пропила с выключением привода цепи;
• работу системы индикации информации о рабочих параметрах базовой машины и АСУ ТП.

Схема управления процессом «захват - натяг - пиление дерева», представленная на рис. 2, позволяет оператору выбирать режим управления процессом пиления - ручной или автоматический. В автоматическом режиме могут быть реализованы два положения, определяющие усилие удержания деревьев крюками ЗСУ в зависимости от величины спиливаемых стволов. Это сделано для того, чтобы не повреждать стволы мелких и средних деревьев крюками ЗСУ.

После наведения ЗСУ на намеченное к срезанию дерево оператор переводит переключатель режимов управления в автоматический режим, визуально определяет размер дерева - мелкое (до 40 см в диаметре) или крупное (свыше 40 см в диаметре) - и устанавливает переключатель в соответствующее положение. Далее процесс выполняется автоматически. После автоматического отвода пилы из пропила дальнейшие действия по укладке спиленного дерева в пачку оператор выполняет в ручном режиме.

Автоматизированная система управления оснащена системой датчиков и дисплеем, что позволяет оператору вести визуальный контроль работы машины и систем управления. На дисплее постоянными символами, а также по вызову оператора фиксируются: давление и температура рабочей жидкости в гидросистеме (после насосов и в отдельных контурах), уровень рабочей жидкости в баке, количество топлива в баке, напряжение в электросистеме, число оборотов двигателя, температура в системе охлаждения двигателя, текущее время и продолжительность смены.

Наибольший эффект автоматизации системы управления может быть достигнут при одновременном ускорении процесса спиливания дерева.

ОАО «ЦНИИМЭ» совместно с ООО «НПП "Лесагросервис"» был разработан и проверен в производственных условиях скоростной механизм срезания деревьев, обеспечивающий высокую производительность пиления - не менее 1 тыс. м² в секунду, а также низкие (в полтора-два раза меньше по сравнению с импортными механизмами срезания) энергозатраты.

В настоящее время отечественные ВПМ ЛП-19 оснащены цепным пильным механизмом, у которого по сравнению с другими пильными механизмами есть как достоинства, так и недостатки. К достоинствам следует отнести малую инерционность вращающихся (движущихся) частей механизма, который не расходует лишнюю энергию на разгон или поддержание вращения режущего органа между циклами резания, как это имеет место у дисковых фрез. Общий объем работы по резанию древесины в расчете на одно дерево у цепного пильного механизма на 30-40% меньше, чем у механизмов с дисковыми фрезами или ножами (так как толщина пропила после цепи существенно меньше, чем после фрезы), а также не тратит энергию на уплотнение древесины, как это происходит при использовании ножевых механизмов.

Рис. 3. Валка леса машиной ЛП-19Б/15 с
модернизированным ЗСУ в ходе производственных
испытаний

В то же время у цепного пильного механизма по сравнению с механизмами срезания имеется недостаток в виде плоской фрезы или силовых ножей. На серийных ВПМ типа ЛП-19 (ЛП-19А, МЛ-119, ЛП-60-01) скорость пильной цепи обычно не более 12 м/с при производительности пиления около 400 см²/с. При такой производительности затраты времени на спиливание деревьев составляют от 3 до 20 с на рез, или 12-22 % от времени цикла на обработку одного дерева. Поэтому ВПМ типа ЛП-19 могут стабильно работать в темпе валки-пакетирования, обрабатывая только 70-80 стволов в час, в чем существенно уступают аналогам с фрезерными механизмами срезания ствола, обеспечивающими срез за 1-5 с и темп валки-пакетирования - примерно 120 стволов в час чистого времени работы.

Низкая скорость цепи обусловлена необходимостью уменьшить динамические нагрузки на детали механизма и не допускать быстрого износа металла в местах контакта ведущей звездочки и звеньев цепи, а также в шарнирах самой цепи. Поэтому для обеспечения работоспособности высокоскоростного цепного пильного механизма были усовершенствованы конструкция пильной цепи, шины и ведущей звездочки.

Конструкция усовершенствованной пильной цепи отличается особой формой изгиба зуба (максимально приближенной к заостренному углу), которая обеспечивает оптимальный угол резания по верхней и боковой граням и особой формой заточки верхней грани и режущей кромки зуба, обеспечивающей оптимальное заострение режущей кромки по ее длине. Кроме того, уменьшена на 20% ширина развода по боковым режущим кромкам, что обеспечивает снижение затрат энергии на пиление и позволяет увеличить скорость цепи и надвигания шины.

Особенности конструкции усовершенствованной пильной шины:

• в ее плоскости имеется специальный профиль по направляющему гребню, обеспечивающий его определенную выпуклость, чем достигается устойчивое движение цепи по гребню и снижается риск случаев схода цепи с шины в процессе пиления, что очень важно при увеличении скорости пильной цепи;
• для повышения надежности концевого ролика по его беговой дорожке шарики заменены на ролики.

Основные характеристики созданного высокоскоростного пильного механизма приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные характеристики высокоскоростного
пильного механизма

Усовершенствованный пильный механизм оснащен устройством смазки пильного аппарата, автоматически обеспечивающим циклическую порционную подачу жидкого смазочного материала при каждом включении дистанционного блока управления пилой.

На стендовых испытаниях созданного пильного механизма при пилении древесины березы и дуба достигнута производительность 900 см²/с. Новое захватно-срезающее устройство с высокоскоростным пильным механизмом было изготовлено на ООО «Лестехком». Система автоматизированного управления была спроектирована, изготовлена и смонтирована на ВПМ ЛП-19 ОАО «ЦНИИМЭ» совместно с Поволжским государственным техническим университетом (ФГБОУ ВПО «Поволжский ГТУ»).

Работоспособность нового ЗСУ и системы автоматизированного управления в составе ВПМ ЛП-19 Б/15 были проверены в ходе заводских, стендовых и производственных испытаний. Производственные испытания проводились в Нолькинском лесоучастке учебно-опытного участкового лесничества Поволжского государственного технического университета. Они показали, что за счет того, что в конструкции ЗСУ использованы автоматизированная система управления и высокоскоростной пильный механизм затраты времени на спиливание одного дерева сократились в среднем на 28%.

Кроме того, применение автоматизированной системы значительно облегчает работу оператора.

Фагмент работы валочно-пакетирующей машины с высокоскоростным пильным механизмом и автоматизированной системой управления приведен на рис. 3.

Следует подчеркнуть, что модернизация захватно-срезающего устройства и частичная автоматизация системы управления рабочими органами машиной повысят технический уровень и конкурентоспособность ВПМ ЛП-19 на внутреннем рынке и будут способствовать увеличению спроса на эту технику у лесозаготовителей.

Виктор ВЕСЕЛОВ,
начальник отдела Департамента
лесной и легкой промышленности
Минпромторга России;

Николай ЕРЕМЕЕВ,
генеральный директор ОАО «ЦНИИМЭ», д-р техн. наук