Автоматизация разборки и обрезки сучьев с деревьев

После пачковой разгрузки хлыстов или деревьев эту пачку необходимо разобрать для поштучной подачи на следующую технологическую операцию (обрезку сучьев, раскряжевку). Эту работу выполняют специальные разборщики.
Все разборщики можно классифицировать на разборщики группового рассредоточения хлыстов и разборщики с поштучным отделением хлыстов или деревьев. В первом случае весь пакет хлыстов постепенно рассредоточивается в поперечную щель, во втором случае разборка производится поштучным отделением хлыстов или деревьев из пачки.
Разборщики группового рассредоточения. На рис. 7.4 приведены некоторые схемы разборщиков группового рассредоточения хлыстов.
Одним из полностью автоматизированных является фрикционный разборщик хлыстов (см. рис. 7.4, а). Пачка хлыстов разгружается на первую секцию поперечного транспортера и начинает перемещаться. В момент перехода пачки с одной секции на другую происходит отрыв нескольких хлыстов из общей пачки, так как скорость транспортера последующей пачки выше, чем у предыдущей, т.е. v1

На рис. 7.4, б приведена схема разборщика хлыстов (сортиментов) с неподвижной гребенкой 3 и перемещающимися с поперечным транспортером 5 кулачками 2. При включении транспортера кулачки захватывают из пачки 1 очередной хлыст и начинают его перемещение по гребенке 3, которая образует своеобразные ячейки для разделения хлыстов друг от друга. Высота кулачков выше, чем высота гребенки. Таким образом хлыст перемещается вверх по гребенке на продольный транспортер 4. Наклонная плоскость гребенки обеспечивает надежное разделение двух лежащих рядом хлыстов, а также устраняет их перекос при движении, так как перекошенные хлысты (сортименты) скатываются вниз в ячейку и выравниваются. По этому принципу работают разборщики TЛX-80 и TЛ-80 (для сортиментов).
На рис. 7.4, в приведена схема винтового разборщика, а на рис. 7.4, г — вибрационного.
Главными параметрами фрикционного разборщика являются: общее передаточное отношение транспортеров; передаточное отношение между смежными секциями; число секций.

Определение общего передаточного отношения ведется из условия заданного интервала между хлыстами X на последней секции (рис. 7.5). Разборка пачки будет осуществлена, если общее передаточное отношение

где L — длина разобранной пачки; l — длина основания пачки до разборки.
На рис. 7.5 приведена схема разборки хлыстов. Приняв λ = εd, где ε — коэффициент растаскивания, можно записать:

где N — число хлыстов в пачке; d — диаметр хлыстов.
Длину основания пачки до разборки определяем следующим образом.
Площадь торцов древесины в пачке

Если принять сечение пачки за треугольник, то

где μ — коэффициент полнодревесности.
Приравняв эти выражения, получим

откуда

Теперь определим общее передаточное отношение:

Передаточное отношение между двумя секциями —

Определим необходимое число секций транспортера:

Пример. Пусть объем пачки составляет 30 м3. Примем объем одного хлыста q = 0,4 м3. Тогда число хлыстов составит

Примем угол естественного откоса α = 40°; коэффициент полнодревесности μ = 0,6; коэффициент растаскивания ε = 2. Тогда общее передаточное отношение составит

Приняв передаточное отношение между секциями одинаковым, будем иметь i ≥ ε = 2.
Требуемое число секций составит

Принимаем 5 секций.
Одним из существенных недостатков таких фрикционных многосекционных разборщиков является возможный перекос хлыстов. Автоматическое управление выравниванием хлыстов можно осуществить двумя упорами У (рис. 7.6, а), если оба конца хлыста (вершинный и комлевой) будут находиться у упоров. Фиксация этого положения производится двумя конечными выключателями SQ1 и SQ2. Очевидно, что событие срабатывания электромагнита (событие уборки упоров) произойдет только в том случае, если сработает SQ1 и SQ2. Обозначив это событие через А, можно записать следующее логическое уравнение:

Электрическая схема в этом случае будет иметь два последовательно включенных конечных выключателя SQ1 и SQ2 и цепь катушки электромагнита YA (рис. 7.6, б).
Все рассмотренные разборщики рассредоточения можно применять только на разборке хлыстов или сортиментов.
Разборщики поштучного отделения, кран-манипулятор. В качестве разборщиков для поштучного отделения хлыстов (деревьев) применяют различные крановые установки. Они требуют применения ручного труда на застропке грузов.

К механизмам, позволяющим полностью исключить ручной труд на разгрузке и разборке пачки, относится кран-манипулятор. В настоящее время на лесных складах применяются различные конструкции таких манипуляторов.
Кран представляет собой конструкцию на базе гидрофицированного экскаватора. Он входит в комплект сучкорезных линий.
Оператор управляет краном из кабины. Управление гидроцилиндрами производится золотниками, которые включает и выключает оператор при помощи рукояток. В процессе работы оператор стремится задать, как минимум, два одновременных движения крану (стреле, захвату). В противном случае производительность крана будет низка. При такой сложности координации движений крана неизбежна быстрая утомляемость оператора. Поэтому с точки зрения автоматизации движения отдельных элементов крана наиболее перспективным следует считать применение автоматизированной следящей системы манипулятора. Сущность этой системы заключается в том, что механическая ручка крана-манипулятора копирует движение масштабной рукоятки оператора.

Как видно из рис. 7.7, гидроманипулятор состоит из механической системы, включающей в себя стрелу 4, рукоять 2 с захватом 1. Привод этих конструктивных элементов производится гидроцилиндрами 3, которые, в свою очередь, управляются золотниками 5. Управление золотниками производится пропорциональными электромагнитами YA1 и YA2 (на рис. 7.7, а показаны только два электромагнита управления золотниками гидроцилиндра привода стрелы).
Управление манипулятором производится рукоятками золотников, которые расположены на пульте в кабине оператора. Движение элементов системы задается оператором включением соответствующих рукояток золотников. Для точного наведения захвата на дерево (хлыст) оператору при существующем способе управления (включено—выключено) приходится производить многократные переключения золотников, что увеличивает время рабочего цикла и, как следствие, снижает производительность гидроманипулятора. Следует отметить, что эти многократные переключения отрицательно сказываются на психологических нагрузках рабочего и механической прочности гидросистемы в целом из-за гидравлических ударов, которые испытывает вся гидросистема.
Для того чтобы система совершала задаваемое движение по оптимальной траектории, необходимо, чтобы в любой момент времени расход жидкости, поступающей в гидроцилиндры, имел строго определенное значение. Фактически оператору это не удается сделать, и система в целом перемещается в пространстве по далеко не оптимальной траектории.
Решение проблемы оптимального движения стрелы и рукояти с захватом можно решать только при помощи следящей системы, принцип работы которой состоит в том, что механическая система отрабатывает строго определенное положение, задаваемое масштабной рукояткой оператора 2', 4' (см. рис. 7.7, а). Сравнение положения масштабной рукоятки и механической системы производится потенциометрической следящей системой (см. рис. 7.7, б), состоящей из кольцевых потенциометров датчиков и приемников (на рисунке показаны линейные изображения потенциометров). Работу следящей системы рассмотрим на примере движения одной стрелы 4 и рычага 4' масштабной рукоятки. Задавая положение рычага 4' (см. рис. 7.7, а) на угол α1. ползунок потенциометра RPG1 занимает определенное положение α1 (см. рис. 7.7, б). Положение стрелы 4 (см. рис. 7.7, а) определяется произвольным углом α2, при котором ползунок потенциометра приемника также находится в произвольном положении α2 (см. рис. 7.7, б). Ha выходе сравнивающего устройства образуется разность потенциалов ΔU определенной полярности. Магнитный усилитель 6 (см. рис. 7.7, а), реагируя на эту полярность сигнала, включает соответствующий пропорциональный электромагнит YA1 или YA2, который воздействует на золотник. Золотник, перемещаясь, подключает определенную полость гидроцилиндра, и он своим штоком начинает перемещать стрелу 4 в сторону устранения ошибки рассогласования таким образом, что α2 → α1. Как только α2 = α1 (см. рис. 7.7, в), разность потенциалов ΔU=0, электромагниты обесточатся, золотник займет нейтральное положение и система остановится, отработав задаваемое положение в пространстве. Одновременно аналогичным образом управляются и рукоять 2 с захватом 1 (см. рис. 7.7, а), т.е. задающие потенциометры RPG2 и RPG3 имеют такую же схему включения с потенциометрами-приемниками RPE2 и RPE3. При этом система останавливается при α1 = α2, β1 = β2 и γ1= γ2.

Таким образом, вместо нескольких рукояток управления золотниками только одной масштабной рукояткой 2', 4' производится управление всей механической системой.
Рассмотрим динамические свойства следящей системы.
Блок-схема следящей потенциометрической системы с входными и выходными сигналами приведена на рис. 7.8. Составим уравнения звеньев и определим их передаточные функции.
1. Выходное напряжение задающего потенциометра RPG1 (см. рис. 7.7, б)

соответственно на выходе RPE1

а общее выходное напряжение составит

Следовательно, передаточная функция

2. Передаточная функция магнитного усилителя МУ в простейшем виде

где T2 — постоянная времени обмотки управления.
3. Уравнение пропорционального электромагнита YA с пружиной и якорем представляет собой колебательное звено, передаточная функция которого имеет вид

где T3 — постоянная времени электромагнита; ξ — коэффициент демпфирования.
4. Гидроцилиндр Ц с золотником 3 (см. рис. 7.8) в идеальном случае представляют собой интегрирующее звено, передаточная функция которого имеет вид

5. Стрела С гидроманипулятора при перемещении штока гидроцилиндра будет поворачиваться на угол α2. Очевидно, что

где х2 — перемещение штока.
Тогда передаточная функция примет вид

Известно, что общая передаточная функция всей разомкнутой системы определяется по формуле Wр(P) = ПWi(P). В нашем случае будем иметь:

или

где k0 — коэффициент передачи системы (k0 = k1k2k3k4k5; k1, ..., k5 — коэффициенты передачи отдельных элементов).
Уравнение передаточной функции для замкнутой системы с отрицательной обратной связью имеет вид

В нашем случае после соответствующих преобразований получим

Характеристическое уравнение соответственно будет иметь вид

Это уравнение и используется для определения устойчивости следящей системы гидроманипулятора.