Введение к работе
Актуальность проблемы
Современная тенденция лесозаготовок в Российской Федерации — сохранение лесньк ресурсов в малолесных регионах путем проведения несплошных рубок и рубок ухода за лесом машинами средней и малой мощности с полным выполнением лесоводственных требований. Широкое внедрение таких рубок сдерживается малым уровнем их механизации и, как следствие, низкой производительностью. Кроме того, эти машины должны соответствовать не только ле-соводственным, но и динамическим требованиям поскольку динамическая на-груженность определяет не только производительность, долговечность и экономичность машины, но и воздействие на лесную почву через движитель.
Базовыми машинами лесозаготовок являются тракторы и автомобили. Колесные лесохозяйственные машины (КЛХМ) моделируются (отображаются) чаще совокупностью механических систем. Системное моделирование позволяет определять закономерности их функционирования и динамическую нагруженность, решать задачи функционального анализа, параметрической оптимизации и управления. Оптимизация параметров и управления — двуединая проблема обеспечения устойчивости движения КЛХМ, их экономичности и долговечности, минимальной динамической нагруженности, а в целом — квазиоптимального их функционирования.
Проблема нагруженности тракторов и автомобилей затрагивается прямо или косвенно во многих монографиях, ученых трудах и исследованиях. Однако для КЛХМ недостаточно еще изучены проблемы устойчивости, параметрического анализа, оптимизации параметров и синтеза управления. Кроме того, в последний период теоретическая часть работ чаще выполняется решением на ЭВМ. Поэтому целью предлагаемого исследования ставится аналитическая разработка прикладной теории нагруженности КЛХМ, а на этой основе — путей ее снижения и реализации технических решений.
Цель и задачи исследований. Цель работы — снижение нагруженно-сти КЛХМ и лесной почвы. Соответствующие задачи исследования:
-
Провести анализ выполненных исследований по динамике тракторов и автомобилей, в т.ч. в лесозаготовительных системах, и разработать аналитическую прикладную теорию их нагруженности в переходных и стационарных режимах движения, включающей основным критерием радиальное и касательное силовое взаимодействие колеса и почвы, эффективные аналитические методы расчета, оптимизации параметров и синтеза управления.
-
Разработать комплекс методик экстремального, интерполированного, интегрального, функционального и параметрического анализа нагруженности основных систем машин для заготовки и вывозки леса.
-
Разработать эффективные методики оптимизации параметров, аппроксимативного и аналитического синтеза управления, минимизирующие динамическую нагруженность основных систем лесотранспортных машин и, как следствие, повышающих их экономичность и долговечность.
-
Обосновать расчетные и математические модели основных подсистем лесозаготовительных машин и возможное их упрощение для аналитического решения, оптимизации параметров и выявления закономерностей их функционирования.
,5. Оптимизировать упруго-диссипативные связи КЛХМ и получить расчетные формулы их оптимальных или рациональных значений.
-
Обосновать рациональные структуры основных подсистем КЛХМ и характеристики упруго-диссипативных связей.
-
Исследовать устойчивость малоустойчивых подсистем КЛХМ, определить границы устойчивости и рациональные или оптимальные параметры, доставляющие устойчивость их функционирования.
-
Провести испытания нагруженности силовой передачи экспериментального колесного трактора и сопоставить результаты с теоретическим расчетом.
-
Провести экспериментальные исследования нагруженности различных структур рессорного подвешивания колесного трактора и сопоставить результаты с теоретическим расчетом.
-
Выполнить экспериментальные исследования нагруженное гидроманипулятора в режимах подъема дерева стрелой и его переноса поворотом манипулятора по заданному плавному управлению.
-
Разработать рекомендации и технические решения, реализующие минимальную динамическую нагруженность КЛХМ.
-
Разработать и создать методом радикальной модификации колесный лесохозяйственный трактор (КЛХТ) с шарнирно-сочлененной рамой класса тяги 6—20 кН, отвечающий лесоводственным требованиям с минимальной нагруженностью.
-
Разработать прикладную теорию нагруженности созданного трактора, соответствующую общей теории нагруженности КЛХМ.
-
Провести экспериментальные исследования нагруженности трактора для апробации характеристик его функционирования и нагруженности.
Объекты и методы исследований. Объектом теоретических исследований являлись лесозаготовительно-транспортные системы на базе КЛХМ: машины рубок ухода, трелевочные колесные машины лебедочно-щитовые и с гидроманипулятором, лесовозы и сортиментовозы. Испытания гидроманипулятора с деревом проводились на натурном стенде, силовой передачи и упруго-диссипативных связей шин и коника — на экспериментальном тракторе Т-40ЛБ с пачкой, а различных структур рессорного подвешивания — на тракторе Т-80Л с пачкой. Производственные испытания осуществлялись на разработанной методом радикальной модификации конструкции трактора с пачкой и без нее.
Аналитический расчет базировался на применении и развитии методов системного подхода с использованием декомпозиционных расчетных моделей, функционального анализа, параметрической оптимизации и синтеза управления. Аналитическое решение переходных процессов в линейной системе осуществлялось эффективным методом операционного исчисления Лапласа в форме Карсона, а нелинейных — методом усреднения (асимптотического интегрирования). Для изучения стационарного случайного процесса использовалась спектральная теория с эффективным аппаратом передаточ-
ных функций. В нелинейном случае применялась статистическая линеаризация, а в сложных случаях — решение с помощью ЭВМ.
Экспериментальные исследования базировались на тензометрических и других датчиках с подачей сигналов на шлейфы осциллографа. Обработка осциллограмм осуществлялась на ЭВМ по стандартным программам. Основными показателями нагруженности являлись технологические усилия и крутящие моменты в упруго-диссипативных связях и ускорения инерционных блоков.
Научная новизна работы:
-
Обоснованы расчетные модели лесозаготбвительно -транспортных систем и их упрощение на основе частотного и нагрузочного анализа, декомпозиции большой размерности для выявления основных закономерностей их функционирования.
-
Разработана аналитическая прикладная теория нагруженности лесозаготовительных транспортных систем в переходных и стационарных режимах движения, включающая основным критерием покоординатное взаимодействие колеса и почвы, эффективные аналитические методы расчета, оптимизации параметров и синтеза управления.
-
Разработана прикладная теория нагруженности нового КЛХТ, учитывающая функционирование его узлов в различных технологических операциях.
-
Развита прикладная теория нагруженности гидроманипулятора с учетом аппроксимации управления и управляющих усилий и специфики функционирования в лесных условиях.
-
Разработана эффективная методология (стратегия) научного поиска путей снижения нагруженности основных систем машин для заготовки и вывозки леса, включающая обоснование рациональных структур подсистем и характеристик упруго-диссипативных связей, установление закономерностей их функционирования и динамической нагруженности, функциональный (интерполированный) и параметрический анализы, параметрическую оптимизацию и синтез управления, технические решения и научные рекомендации по минимизации динамической нагруженности.
-
Разработан комплекс методик экстремального, интерполированного и интегрального, функционального и параметрического анализа нагруженности основных систем машин для заготовки и вывозки леса.
-
Разработаны эффективные методики параметрической оптимизации, аппроксимированного и аналитического синтеза управления, минимизирующие динамическую нагруженность основных подсистем и повышающие их экономичность и долговечность.
-
Оптимизированы упруго-диссипативные связи КЛХМ и получены расчетные выражения их квазиоптимальных параметров. Выполнен аппроксимированный синтез управления манипулятором и аналитический — разгоном трелевочной системы.
-
Определены границы устойчивости исследованных малоустойчивых систем и квазиоптимальные параметры, доставляющие максимум устойчивости их функционирования.
-
Установлены рациональные структуры исследованных подсистем и характеристики упруго-диссипативных связей.
-
Установлены закономерности функционирования и динамической нагруженности исследованных подсистем, а также уровни нагруженности.
Значимость для теории и практики
Разработанная прикладная теория и стратегия научного снижения нагруженности КЛХМ и лесной почвы минимизирует их динамическую нагруженность, а также максимизирует экономичность, долговечность и служит основой квазиоптимального проектирования.
Разработанные методики функционального анализа устанавливают закономерности функционирования и нагруженности, и как следствие, характер и уровень нагруженности и ее зависимость от параметров системы, в первую очередь от параметров жесткости и диссипации. Методики параметрической оптимизации минимизируют экстремально или интегрально уровень нагруженности и дают расчетные формулы и числовые значения квази-оптималышх параметров.
Методики синтеза пассивного управления дают квазиоптимальные характеристики упруго-диссипативных связей, а активного управления — рациональные энергосиловые или тяговые характеристики приводов КЛХМ.
Выявленные рациональные структуры лесотранспортных систем приближают возможные передаточные функции их функционирования к идеальным по минимальному уровню нагруженности. Обоснованная декомпозиция расчетных и математических моделей позволяет выполнить аналитический расчет, функциональный анализ и параметрическую оптимизацию. Обеспечение устойчивости малоустойчивым системам исключает их катастрофу. Если критерии устойчивости и нагруженности противоречивы, то принимается компромиссное решение или с полным приоритетом устойчивости лесозаготовительной или лесотранспортной системы.
Проведенные испытания силовой передачи трелевочной системы <трактор Т-40ЛБ + пачка хлыстов> подтвердили адекватность моделей натурному образцу по частотному спектру, характеру и уровню крутящих моментов в шинах и усилий в упруго-диссипативных связях <коник—рама>. Подтверждены также экспериментально расчетные квазиоптимальные параметры жесткости и диссипации отмеченных связей. Испытания различных структур рессорного подвешивания трелевочной системы <трактор Т-80Л + пачка хлыстов> подтвердили теоретические расчеты лесовозных систем с одно- и двухступенчатым подвесом. Установлено также, что нагруженность
трактора возрастает со скоростью движения, а при и й 5 м/с становится целесообразным двухступенчатое рессорное подвешивание колесного тягача с оптимальным соотношением прогибов и диссипации по ступеням подвеса.
По результатам теоретических исследований разработаны рекомендации и технические решения, обеспечивающие минимизацию нагруженности КЛХМ. Часть решений защищена авторскими свидетельствами. В 1970 г. на кафедре ПСЛМ ЛТА возникла идея быстрого создания КЛХТ с шарнирно-сочлененной рамой путем радикальной модификации сельхозтрактора. При активном и непосредственном участии автора был разработан и создан экс-
периментальный его образец в производственных мастерских ЛТА. Затем работы велись в содружестве с НПО «Силава», Онежским, Минским, Липецким, Владимировским и Харьковским тракторными заводами.
Для нового трактора разработана прикладная теория нагруженности его узлов и связей. Проведены производственные испытания его функционирования и нагруженности. Материалы разработок и испытаний используются на перечисленных выше заводах и в учебном процессе ЛТА—СПбГЛТА. Достоверность полученных результатов колеблется в пределах (85...95)% в зависимости от принятого критерия нагруженности. Для квазиоптимальных параметров системы она высокая ввиду того, что экстремальные свойства сохраняются при упрощении модели. Суть в том, что гибкость и нагруженность неконсервативной системы определяются низшей собственной частотой и параметрами жесткости и диссипации. В линейном случае нагруженность пропорциональна величине внешнего воздействия.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Прикладная аналитическая теория нагруженности лесозаготовитель-но-транспортных систем в переходных и стационарных режимах движения, содержащая критерием опорные реакции, эффективные методы расчета, оптимизации параметров и синтеза управления.
-
Прикладная теория нагруженности разработанного КЛХТ, включающая расчетные и экспериментальные исследования и специфику функционирования технологического оборудования: гидроманипулятор (ГМП)—г привод, щит—пачка, коник—пачка.
-
Методология (стратегия) снижения нагруженности лесозаготови-тельно-транспортных систем, включающая обоснование рациональных структур и характеристик связей, функциональный и параметрический анализы, оптимизацию параметров и синтез управления, технические решения й научные рекомендации по минимизации нагруженности.
-
Комплекс эффективных методик анализа и оптимизации параметров, минимизирующих нагруженность КЛХМ.
;5. Декомпозиционные расчетные модели и закономерности функционирования и нагруженности подсистем.
-
Расчетные формулы и числовые значения оптимальных параметров упруго-диссипативных связей.
-
Рациональные структуры подсистем и расчетные выражения параметров, доставляющих устойчивость их функционирования.
-
Научные рекомендации и технические решения по снижению нагруженности КЛХМ.
-
Разработка и испытание нового КЛХТ.
Реализация работы. В экспериментально-производственной мастерской лесотехнической академии (ЛТА) с активным участием автора были изготовлены пять колесных лесохозяйственных тракторов (КЛХТ) на базе Т-40АМ Липецкого тракторного завода с четырьмя ведущими колесами одинакового размера со щитом и лебедкой для трелевки леса (1975-76 гг.).
В 1977—1991 гг. ЛТА совместно с НПО «Силава» организовали серийный выпуск КЛХТ на заводе «Ригалесмаш». В 1978 году один трактор был продемонстрирован на ВДНХ СССР, а разработчики КЛХТ награждены бронзовой медалью.
Затем ЛТА совместно с НПО «Силава» создали бесчокерные трелевочные тракторы Т-40ЛБ с гидроманипулятором и зажимным коником. В 1985 году на этой основе создан Т-40ЛБ с пачковым захватом.
: В 1973 году ЛТА совместно с Харьковским заводом тракторных самоходных шасси (ХЗТСШ) создали экспериментальные образцы тракторов ТЛ-28. Аналогичные машины изготовлены в ЛТА на базе трактора Т-25А с чокерным и бесчокерным технологическим оборудованием.
В ЛТА на базе Т-25А была создана машина для разделки деревьев в вертикальном положении на рубках ухода. Кроме этого был изготовлен трелевочный трактор на базе МТЗ для несплошных рубок. Созданные на базе Т-40АМ трактора прошли производственные испытания в лесхозах и леспромхозах Ленинградской и Новгородской областях, Карельской, Латвийской и Литовской республиках. По результатам государственных испытаний
трактор ТЛ-28 рекомендован к серийному выпуску. Некоторые рекомендации по компоновке и конструкции КЛХТ отражены в утвержденных Гослесхозом лесотехнических требованиях.
Апробация работы. Результаты исследований отражены в научных отчетах лаборатории по проблемам механизации лесозаготовок ЛТА (1973— 1988 гг.), кафедр технологии лесного машиностроения и ремонта (1980— 1982 гг.), и технологии лесозаготовительных производств (1991—2004 гг.), докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ЛТА (1973—2004 гг.), Всесоюзном научно-техническом семинаре по проблемам рубок ухода (г. Шучинск, 1980 г.), на конференциях молодых ученых в Латвийской ССР (г. Рига, 1981 г.) и специалистов НТП лесозаготовительных учреждений (г. Свердловск, 1985 г.), на конференциях «Повышение эффективности лесного комплекса Карельской АССР» (г. Петрозаводск, 1985 г.), «Комплексное и рациональное использование лесных ресурсов» (г.Минск, 1985 г.), «Эколого-экономические проблемы лесного комплекса» (г. Санкт-Петербург., 1997 г.), а также Международном форуме «Лесопромышленный комплекс России XXI века» (г. Санкт-Петербург, 2002 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 42 научные работы, в том числе: две монографии, 25 печатных работ, получены 14 авторских свидетельств на изобретения. Автор работы в 1979 г. награжден бронзовой медалью ВДНХ СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 11 глав, заключения, списка использованных источников из 75 наименований и приложения. Общий объем работы 519 страниц текста, в т.ч. 147 рисунков и 59 таблиц.
