УДК 62

Исследование безопасности лесных машин

Большова Ольга Михайловна – аспирант Поволжского государственного технологического университета

Аннотация: В статье исследуются самые острые вопросы, которые можно решить при проектировании лесных машин в настоящее время. Методы оценки эффективности устройств защиты оператора и обеспечение безопасных и комфортных условий труда на ранних этапах проектирования. Также рассматриваются действенные варианты исключения или минимизации несчастных случаев использованием современных эффективных защитных устройств в нелегкой работе операторов лесозаготовительных работ. Рассчитаны возможные последствия падающего дерева на кабину лесосечной машины.

Ключевые слова: безопасные условия труда, харвестер, форвардер, лесосечные работы, контроллер, исследование безопасности, зона видимости.

Харвестер представляет собой современную машину, без которой невозможно представить процесс лесозаготовок на сегодняшний день [1].

Наблюдая за работой харвестера, со стороны можно представить действия робота. Шарнирная головка харвестера находит дерево самостоятельно, также самостоятельно валит и даже обрабатывает от многочисленных сучьев. В итоге остаются только многометровые бревна. Мастерство оператора заключается в вот в чем. Ему приходится ежесекундно управлять сразу двумя джойстиками и нужно контролировать каждое движение подвесного механизма. А также движение стрелы манипулятора и отслеживать траектории деревьев, которые падают от его действий.

В наше современное время лесозаготовительные предприятия используют стандарты безопасности повышенного уровня, применяя более безопасные технологии и используя практически совершенные механизмы. Но не смотря на это, опасность при лесозаготовках по-прежнему остается высокой. Самые опасные последствия в лесной промышленности для людей являются, повреждения от деревьев и ветвей, которые могут упасть. Или травмы из-за тяжести техники. От рабочего оборудования. Возможно от топоров или бензопил [2].

image001

Рисунок 1. Работа харвестера.

Кабина харвестера оснащена монитором персонального компьютера. Оператору удобно смотреть на монитор перед ним. Клавиатура тоже есть в кабине. Его можно выдвигать, чтобы удобно было работать. В компьютере уже установлена профессиональная программа. Ее настраивают для данных параметров, которых может быть нескольку сотен. Все характеристики деревьев возможно задавать в данной программе. Объем хлыстов, породу деревьев, стоимость работ – и это еще не все параметры, которые задаются прямо во время работы.

Работа оператора заключается в управлении манипулятором харвестера. То есть стрелой и харвестерной головкой. Двигая джойстиками, оператор в точности управляет и контролирует данную систему. Джойстики для удобства расположены рядом с руками оператора лесной машины.

image002

Рисунок 2. Кабина харвестера.

Наличие решетки на ветровом стекле не дает стопроцентную защиту при ошибках человека-оператора. Ведь падающее дерево имеет очень длинный ствол и большую толщину.

Исследование падения дерева

Рассчитаем дифференциальные уравнения. Известны начальные условия движения:

  1. начальный угол наклона между осевой линией прямой с – угол φ0 = 10;
  2. угловая скорость в начале падения – угол ω0 = 0,1 рад/с.

Далее мы интегрируем уравнения и получаем изгиб ствола дерева в виде осевой линии на момент его падения от ошибки человека. На рисунке 3 этот изгиб линии можно наблюдать для промежутка времени, когда дерево падает. Когда дерево соприкасается с основанием, ствол дерева изогнут, и соответственно его ось. Импульс от деформации увеличивается.

Если дерево при этом не имеет сил сопротивления, то деформирования ствола можно избежать, так как дерево, а именно ствол дерева будет вести себя как тело, являющееся твердым абсолютно.

Энергию системы П (потенциальная) вычисляем как сумму энергий, которая состоит на данный момент из энергии связей упругости и энергии сил тяжести:

image003 (1)

image004

Рисунок 3. Деформация линии ствола дерева во время падения при на различные моменты времени t: 1 – t = 2,5; 2 – 3,8; 3 – 4,8; 4 – 5 с.

Взаимодействие падающего дерева с упругим основанием

Если дерево упало на основание, а оно упругое, то можно использовать линейную модель Винклера. Деформации поверхности пропорциональны нагрузке и полностью исчезают при ее снятии [3]. Тогда Zck< 0 и Потенциальная энергия из формулы (1)с учетом упругости основания запишется в виде:

П*=П+image006

Жесткость упругости основания принимаем за Cocнk =  Cocн = 6,5  105 Н.м

Каким образом меняется форма ствола дерева при падении и во взаимодействии с основанием видим из рисунка 4. При соприкосновении стержня деформации у пружин в начале увеличиваются. В центре деформация близка нулю. Резкое возрастание происходит, когда последние стержни достигают поверхности. Последний стержень имеет деформацию Δzc = 0,22 м. Если падение рассматривать в реальности, то смягчающим элементом ствола дерева является крона. Данное условие также можно учитывать изменением размеров пружин при взаимодействии с кроной. Импульс основания (S) от ствола дерева при деформации основания ΔZjk и времени взаимодействия tвз

S=image013

У более плотного ствола дерева импульс (S) = 10,720, у более гибкого – 8,722 к Н·с. В итоге мы выяснили, что чем гибче ствол дерева, тем меньше импульс (S) примерно на 20%. Модель падения ствола дерева на упругую опору можно найти согласно выражению (2), если все коэффициенты = 0.

Рисунок 4. Упругая линия ствола в момент взаимодействия с опорой: 1 – t = 4,38; 2 – 4,46; 3 – 4,40; 4 – 4,46; 5 – 4,45; 6 – 4,50 с.

Система безопасности харвестеров

Современные машины, в том числе и машины для лесозаготовок невозможно представить без контроллеров и датчиков. Сигналы от датчиков поступают на контроллеры харвестера, которые, в свою очередь, управляют всей работой лесной машины. В том числе и работой системы безопасности.

image015

Рисунок 5. Харвестер производства John Deere:1 – монитор бортового компьютера; 2 – контроллеры консоли; 3 – контроллер кабины (CAB); 4 – блок управления двигателем (ECU); 5 – контроллер трансмиссии (TRC); 6 – контроллер Tier4 (T4C); 7 – контроллер клапана хода (ВМС); 8 – контроллер рамы (FRC); 9 – контроллер манипулятора (BOC); 10 – контроллер харвестерной головки (HHC).

Шина данных обеспечивает прием и обмен данными от датчиков, исполнительных механимов. Информацию обрабатывает программа бортового компьютера и результат появляется на мониторе.

Современные производители систем измерения и управления для лесных машин, как правило, предлагают пользователю следующий функционал программного обеспечения для контроля техники: расход топлива, продолжительность работы, простоя и рабочих циклов операторов, объем заготовленной (перевезенной) древесины, данные по рабочим делянкам, на которых работают машины, и данные, характеризующие техническое состояние машины.

Казалось бы, современные производители лесозаготовительных машин учитывают все – от расхода топлива до объема заготовок древесины. И даже много способов повышения безопасности рабочего места оператора. Но все это множество контроллеров и датчиков не установлены в местах «слепых зон» лесных харвестеров и форвардеров (рисунок 6).

image016

Рисунок 6. Зона видимости лесной машины.

image017

Рисунок 7. «Слепые зоны» автомобиля.

Рассмотрим систему контроля «слепых зон» современного автомобиля (рисунок 7). Данная система, позволяет наблюдать, не появился в этой зоне «невидимке» какой-либо объект? Данный сервис безопасности, устанавливается на большинство современных транспортных средств [4]. Почему бы такой ассистент не внедрить на лесные машины? Система безопасности не сложная и включает в себя собой различные датчики, которые обнаруживают любые объекты, появляющиеся в «слепой зоне». Если такой объект будет обнаружен датчиком, система безопасности оповещает оператора звуковым сигналом и одновременно оператор также увидит на мониторе бортового компьютера визуальный сигнал. Вероятность несчастного случая будет сведена к минимуму или вообще устранена. Тема безопасности лесозаготовительных работ является актуальной и требует дальнейших исследований.

Список литературы

  1. Россельхоз.рф. Информационный портал о сельском хозяйстве. Интернет-ресурс. https://xn--e1aelkciia2b7d.xn--p1ai/stati/nauka-i-tehnika/harvester-plyus-forvarder-luchshaja-para-dlja-zagotovki-lesa.html. Дата обращения 11.03.2023.
  2. Трудяков С.Т. Предотвращение травм в лесозаготовительной промышленности. Интернет-ресурс. https://laboratoria.by/stati/travmy-v-lesozagotovke. Дата обращения 11.03.2023.
  3. Черкасов И.И. Механические свойства грунтов в дорожном строительстве. / И.И. Черкасов. – М.: Транспорт, 1976. – 247 с.
  4. Система контроля «слепых зон». Принципы работы, виды системы, ее достоинства и недостатки. Интернет-ресурс. https://naavtotrasse.ru/encziklopediya/sistema-kontrolya-slepyh-zon.html. Дата обращения 11.03.2023.
  5. https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=4162. Интернет-ресурс. Дата обращения 23.03.2023.

Интересная статья? Поделись ей с другими: