Проектирование устройств, создающих валочный момент. Расчет гидроцилиндра валочного устройства

 

 

Валочное устройство служит для создания момента в направлении валки дерева и обеспечения беззажимного срезания. В зависимости от способа создания валочного момента различают валочные устройства, использующие силы реакции (опоры) пня и использующие силы натяжения, создаваемые манипулятором. В свою очередь, валочный момент за счет сил реакций пня может создаваться путем внедрения клина в рез (рисунок Г.1а), посредством внедрения упора в пень (рисунок Г.1б) и путем захвата пня и упора в дерево (рисунок Г.1в).

Натяжение манипулятором может создаваться приложением силы (рисунок Г.1е) и приложением пары (рисунок Г.1д).

Натяжение дерева манипулятором делается с целью беззажимного срезания, а также для отделения дерева от пня при переносе в защемленном вертикальном или наклонном положении.

Натяжение при валке дерева с пня на землю, создаваемое по схеме, показанной на рисунке Г.1 г, обеспечивает одновременно как беззажимное срезание, так и направленную валку дерева.

 

Рисунок Г.1 – Принципиальные схемы валочных устройств

 

Приложение валочного момента посредством автономного устройства также выполняет две функции: беззажимное срезание и направленную валку дерева.

Автономное валочное устройство, как правило, содержит два основных элемента: упор или клин и гидроцилиндр.

Простейшим из перечисленных способов создания валочного момента является клин. Однако он эффективно решает только задачу беззажимного срезания и не может создавать значительных валочных моментов, противодействующих ветровой нагрузке.

Поэтому клин применяется в сочетании с натягом посредством манипулятора. Натяг дерева манипулятором, естественно, создает значительные дополнительные нагрузки на манипулятор и относится к явлениям нежелательным.

Наиболее перспективным способом является создание валочного момента посредством сил реакции пня. В этом случае представляется возможным полностью разгрузить манипулятор при валке дерева. Во всяком случае, относительно несложно решается проблема направленной валки при слабом встречном ветре. В случае же расчета валочного устройства на создание момента, противодействующего максимальному возмущающему моменту, получается тяжелое устройство.

Выбор той или иной схемы создания валочного момента должен осуществляться на основе тщательного анализа нагруженности и металлоемкости.

Схема взаимодействия валочного устройства с деревом приведена на рисунке Г.2.

 

Рисунок Г.2 – Кинематически-компоновочная схема валочного устройства

 

Особенность работы рассматриваемой схемы состоит в том, что шток внедряется в дерево, передавая полное усилие для создания валочного момента.

Если бы шток передавал усилие дереву через упор или какое-либо другое контактное устройство, то в этом случае необходимо рассмотреть равновесие гидроцилиндра и сил реакций упора.

Для этого, естественно, необходимо знать, каким образом фиксируется положение гидроцилиндра в пространстве. Если шток передает усилие через скользящий упор, то необходим фиксатор сверху гидроцилиндра, препятствующий проскальзыванию упора по дереву, а если шток внедряется в дерево, то достаточен фиксатор снизу, препятствующий падению цилиндра. В последнем случае реакция гидроцилиндра с нижней опорой пренебрежимо мала и к дереву полностьюпередается P_гц (рисунок Г.2).

Пусть валочное устройство создает автономно (без манипулятора) расчетный валочный момент М_в.

Тогда на штоке гидроцилиндра должно создаваться усилие

.

Ход штока определим из условия наклона дерева на такой угол φ₀, при котором гравитационный момент достаточен для уравновешивания момента от ветровой нагрузки:

,

где h_т – высота центра тяжести дерева;

с_т – коэффициент момента аэродинамических сил, зависящий от диаметра дерева и скорости ветра (с_т = 15 ÷ 75);

S_кр – площадь миделя кроны. При приближенных оценках площади кроны рекомендуется принимать для ели S_кр = 0,03H², для других пород S_кр = 0,02H².

 

Отсюда

.

Из кинематической схемы (рисунок Г.2) находим требуемое перемещение штока l.