Введение к работе
Актуальность темы. Основной целью научно-технического прогресса лесного хозяйства и лесной промышленности является разработка и внедрение прогрессивных технических и технологических решений, обеспечивающих максимальное повышение производительности труда и создание условий для рационального использования всей биомассы дерева при минимальном воздействии машин на лесную среду и оператора. Это возможно только при достаточном оснащении предприятий отрасли высококачественными машинами и правильной их эксплуатацией. С этой целью за последние два десятилетия создана ло-существу новая отрасль машиностроения - лесное машиностроение по производству лесных машин (валочных. трелевочных, сучкорезных, лесопосадочных и т.д.).
Особое значение имеет этап проектирования, на котором выбираются основные параметры технологического оборудования лесных машин, определяющих ее качество и эффективность на весь период существования. Необратимость ранее принятых решений, неопределенность обстановки.. которая сложится при эксплуатации системы, постоянно возрастающая сложность самих систем в значительной. мере повышают ответственность научного обоснования характеристик. Кроме того, в условиях ускорения научно-технического прогресса, когда непрерывно сокращаются сроки эффективного существования систем в связи с моральным их старением, сокращаются и сроки, отводимые на исследования, а также требуются новые под- ходы к их проведению. Научно-технический прогресс меняет облик этапа проектирования: . внедряется система автоматизации проектных работ, непрерывно повышается производительность труда проектантов. Характерной особенностью этого этапа является сравнительная свобода выбора проектных решений по компонентам системы и необходимость предусмотреть возможные условия функционирования изделий.' Обоснование технических решений с-,позиций системного подхода позволяет уже на начальных стадиях проектирования наметить пути, обеспечивающие, высокие качество и эффективность изделия в диапазоне условий планируемого применения.
Исследование качества и эффективности сложных технических систем, каковыми являются машины и оборудование лесного комплекса, на этапе конструкторского проектирования характеризуется множеством неопределенных факторов.' отражающих недостоверность
- 4 -сведений о параметрах природно-производственных условий эксплуатации, технических характеристиках систем лесных машин. Кроме того, отсутствие моделей, полностью адекватных реальным процессам, неоднозначность критериев функционирования систем машин, трудность предсказания поведения объекта, и т.д. также обуславливают наличие неопределенных факторов при проектировании. Поэтому для обеспечения высокого качества и эффективности систем лесных машин необходимо в конструкциях их компонентов предусмотреть возможность изменения (адаптации) параметров в зависимости от конкретных ситуаций, так как на всех этапах жизненного цикла систем неопределенные факторы изменяются и уточняются. Реализация адаптивных технических решений является одним из перспективных направлений конструкторской компенсации неопределенности, поэтому методология исследования качества в работе рассматривается с позиции синтеза адаптивных возможностей систем.
Цель работы. Повысить эффективность лесозаготовительных машин на основе обеспечения качества проектирования манипулятор-ного технологического оборудования путем применения метода синтеза адаптивных лесотехнических систем с учетом системного подхода и условий неопределенности.
Объекта и методы исследований. Объектами исследований являлись: экспериментальные образцы манипуляторов ШІГ-35. ПЛГ-50, погрузчика ЛГ-203. форвардера ЛТ-82; чистые сосновые древостой (1, 2. 3 бонитетов и 0.8. 0.9, 1 полнот) Северо-Запада России; рубки главного и промежуточного пользования;технологические процессы изготовления металлоконструкций манипуляторов заводов лесного машиностроения "Силава". "ОТЗ", "Краслесмаш". а также используемые при этом металлы - 10ХСНД. 15ХСНЛ. 444 и их сварные соединения.
При решении исследовательских задач применялись следующие основные методы: математическое моделирование; статистических . испытаний (Монте-Карло); системного подхода; оптимизации; теории чувствительности; теории игр и принятия решений; механики разрушения; теории надежности; статистики; марковских процессов.
Научная новизна работы. Заключается в разработке комплексного подхода к автоматизированному проектированию изделий лесного машиностроения на основе синтеза адаптивных возможностей лесо-
-5-. технических систем в условиях неопределенности с целью повышения качества и надежности. . При этом впервые были рассмотрены следующие вопросы:
теоретическое обоснование и практическое применение метода синтеза ' адаптивных возможностей систем в условиях неопределенности: разработан метод автоматизированного процесса обоснования проектных решений при проектировании манипуляторного технологического оборудования, основанный на иерархической структуре процесса проектирования, выборе критериев, математических моделей и процедур принятия решений;
методы многоцелевой оптимизации машинизированных программ рубок промежуточного и главного пользований с учетом технологии проведения работ и характеристик машины одновременно по двум критериям: выходу ликвидной и(или) деловой древесины, а также относительной себестоимости заготовки древесины;
методы обоснования оптимальных основных параметров манипуляторного технологического оборудования по векторному критерию, компонентами которого являются: производительность и грузоподъемность машины, повреждаемость остающегося древостоя или подроста, доступность деревьев (сортиментов) к обработке и качество выполнения программы рубок на основе имитационных моделей возможных технологий лесосечных работ и моделей лесосек в части генерирования группового размещения насаждений;
методы обоснования оптимальных параметров компоновочной схемы "скелетной" части манипуляторного технологического оборудования по векторному критерию, учитывающему продолжительность цикла обслуживания, металлоемкость и объем рабочей зоны;
методы и математические модели для определения оптимальных параметров передаточных механизмов манипуляторного технологического оборудования на основе использования интегрального показателя расчетной грузоподъемности;
методы оценки надежности конструкций манипуляторного технологического оборудования, основанные на физико-статистическом и вероятностно-статистическом подходах с использованием имитационного моделирования; математические.модели зарождения и развития' усталостных трещин в металлоконструкциях в части учета вида и места расположения технологических дефектов, специфичности режима нагружения и условий эксплуатации, влияния сварного соединения и геометрии элементов; .экспериментально-теорети-.
ческие характеристики трещиностойкости металлов и их сварных соединений, используемых на-предприятиях лесного машиностроения.
Основные научные положения, выносимые на зашиту:
возможность создания автоматизированной процедуры принятия проектных решений для мгпипуляторных лесных машин с помощью применяемого метода синтеза адаптивных возможностей систем, основанного на теориях системного подхода, оптимального проектирования и принятия решений в условиях неопределенности;
применение имитационного моделирования для Формализации динамической модели проблемной ситуации и обоснования на этом оптимальной программы машинизированных рубок ухода.. учитывающей технологию и прогнозируемые основные характеристики машины;
использование гипотезы контагиозного размещения деревьев для генерирования лесосеки;
методика обоснования основных параметров манипуляторного технологического оборудования, основанная на векторном критерии, компонентами которого являются: производительность и грузоподъемность машины, повреждаемость остающегося древостоя или подроста, доступность деревьев к обработке и качество выполнения программы рубок на основе имитационных моделей возможных технологий лесосечных работ;
методика оптимального проектирования "скелетной" части и передаточных механизмов манипуляторного технологического оборудования, основанная на использовании соответственно векторного критерия, учитывающего продолжительность цикла обслуживания, металлоемкость а также объем рабочей зоны, и скалярного критерия в виде интегрального показателя расчетной грузоподъемности;
возможность определения эксплуатационной нагруженное, основанная на допущениях о возможности замены реального процесса нагружения последовательностью пуско-тормозных динамических процессов и марковости случайного процесса перехода из одного режима нагружения к другому; -
возможность оценки надежнасти путем одновременного приме-' нения физико-статистического и математико-статистического подходов с использованием имитационного моделирования;
- технологические и конструкторские рекомендации, - позволяющие на этапе проектирования обеспечить качество и надежность манипуляторного технологического оборудования, сократить сроки
- 7 -его создания и доводки а также адаптировать к будущим условиям эксплуатации в условиях инфляции.
Практическая значимость и реализация работы. Разработан математический аппарат, позволяющий научно обосновывать оптимальные консгрукторско-техкологические решения при проектировании изделий лесного машиностроения в условиях временно-пространственной изменчивости как объекта проектирования, так и природ-но-производственной среды функционирования.
Решение проблемы обеспечения качества и надежности изделий лесного машиностроения на этапе проектирования зависит от состояния и тенденций развития и сугубо лесоводственной теории рационального лесопользования, и теории рациональной эксплуатации, и. наконец, теории оптимального проектирования самих машин. Поэтому проведенные исследования в какой-то мере восполняют пробел, существующий до сих пор в лесной отрасли между ведением лесного хозяйства, лесозаготовок и производством технологического оборудования для их нужд. Кроме того, они ставят перед конструкторами и технологами новые задачи, обусловленные необходимостью более глубокого, всестороннего анализа влияния лесных маши и технологий как на традиционные показатели качества и эффективности (стоимость, производительность), таки на экологические, социальные показатели функционирования сложных лесотехнических систем.
Созданный пакет прикладных программ входит составной частью в систему автоматизированного проектирования гидроманипуляторов лесных машин. Его применение позволило повысить качество проектирования, сократить сроки доводки, снизить потери при эксплуатации за счет повышения надежности и производительности, снижения травматизма операторов.
. Экспериментальные данные по трещиностойкости, дефектности и уровню остаточных сварочных напряжений позволяют судить об уровне качества материалов, широко применяемых в лесном машиностроении, и являются необходимым справочным пособием при проведении расчетов долговечности конструкций на основе механики разрушения.
Основные научные положения и результаты внедрены: конструкторским бюро "Сплава" при проектировании и доводке гидроманипуляторов ПЛГ-35 и ПЛГ-50. создании системы автоматизированного ' проектирования гидроманипуляторов лесных машин, ликвидации пос-
ледствий систематических разрушений колонн с опасными для оператора последствиями; конструкторским бюро завода лесного машиностроения при проектировании манилуляторного погрузчика ЛТ-203; головным специализированным конструкторским бюро по лесопромышленным и лесохозяйственным тракторам Онежского тракторного завода; Петрозаводским государственным университетом в учебном процессе при изучении курсов "Проектирование лесопромышленного оборудования". "Математические методы и модели в расчетах на ЭВМ". "Эргономика".
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на международных, всесоюзных, всероссийских и республиканских конференциях "Scandinavian Forest Research In Europe: Operational Research" (Randers, Denmark, 1994). "Forest, environment and new technology In Northern Europe" (Петрозаводск, 1993), "Fracture mechanics: successes and problems" (Киев, 1993), "Расчет и управление наденностью больших механических систем" (Екатеринбург, 1992), "Теоретические и прикладные разработки молодых трибологов" (Ростов, 1991), "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов" (Петрозаводск, 1990), "Автоматизация в лесном машиностроении" (Салас-пилс. 1988), "Научно-технический прогресс на предприятиях лесного комплекса Карелии" (Петрозаводск. 1988), "Основные направления научно-технического прогресса в лесном комплексе Коми АССР" (Сыктывкар. 1988), "Научно-технический прогресс и развитие науки" (Петрозаводск, 1987), на научных семинарах кафедр Технологий лесозаготовительных производств. Технологии лесного машиностроения и Проектирования специальных лесных машин Санкт-Петербургской Лесотехнической академии (1988-1994), на Лесном факультете университета г. Йоэнсуу (Финляндия) (1993-1994).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 24 печатных работах, в том числе монографии. Кроме того, результаты исследований отражены в 5 научно-технических отчетах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающего 276 наименований, приложений. Общий объем работы - 410. с, включающий 295 м.п.л., 73 рис., 20 табл.