На правах рукописи Мукосей Марина Владимировна ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

На правах рукописи
Мукосей Марина Владимировна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ПРИВОДОВ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН
05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Архангельск – 2007
2
Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной
лесотехнической академии им.С.М.Кирова.
Научные руководители:
доктор технических наук, доцент
Гусейнов Э. М.,
кандидат технических наук, ст.н.с.
Емельянов В. П.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор,
Митрофанов А. А.,
кандидат технических наук, ст.н.с.
Клименко Н. Ф.
Ведущая организация:
Петрозаводский государственный
университет
Защита диссертации состоится 22 марта 2007 года в 13.00 часов на заседании
диссертационного совета Д. 212.008.01 при Архангельском государственном
техническом университете по адресу: 163002, г.Архангельск, наб. Северной
Двины, 17, ауд. 1228.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского
государственного технического университета.
Автореферат разослан
февраля 2007 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук,
доцент
А.Е. Земцовский
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современная тенденция лесозаготовок в Российской
Федерации – сохранение лесных ресурсов в малолесных районах путем
проведения несплошных рубок и рубок ухода за лесом машинами с полным
выполнением лесоводственных требований. Более того, эти машины и агрегаты
должны соответствовать динамическим требованиям, поскольку динамическая
нагруженность
определяет
производительность,
долговечность
и
экономичность машин. Реализуется современная технология заготовки леса
(первичной обработки деревьев) на несплошных рубках в сортименты.
Группу машин без совмещения технологических операций представляют
сучкорезные
машины
(СРМ).
Однако
интенсивнее
создаются
многооперационные
машины:
валочно-сучкорезные,
сучкорезнораскряжевочные и валочно-сучкорезно-раскряжевочные. Примером развития
современных технологий служат страны Скандинавии (Финляндия, Швеция и
др.), реализуемых харвестерами и форвардерами. Основным рабочим органом
первых машин является сучкорезно-раскряжевочный агрегат.
Системное моделирование технологических процессов срезания сучьев,
раскроя
и раскряжевки хлыстов представляет актуальную задачу
совершенствования новой техники и повышения эффективности ее
функционирования.
Оно
позволяет
определять
закономерности
функционирования агрегатов и всего привода (силовой подачи) первичной
обработки дерева, устанавливать динамическую нагруженность, решать задачи
функционального анализа и параметрической оптимизации. Суть в том, что
вибронагруженность
динамической
системы,
ее
устойчивость
и
функционирование определяют внешнее воздействие, структура, оптимальные
или рациональные параметры и характеристики упруго-диссипативных связей.
Цель работы заключается в обосновании рациональных структур
первичной обработки дерева и определении оптимальных или рациональных
параметров, минимизирующих вибронагруженность приводов. Для достижения
этой цели в диссертации решались следующие основные задачи:
1. Проанализировать качество древесных стволов (хлыстов), средства и
способы раскроя хлыстов и срезания сучьев.
2. Разработать модели гидро- и электроприводов протяжки и раскряжевки
дерева.
3. Исследовать
вибронагруженность
приводов
в
пусковых
и
установившихся режимах функционирования.
4. Установить расчетные параметры приводов, минимизирующие их
вибронагруженность.
5. Апробировать теоретические положения
экспериментально на
специальном стенде протяжки деревьев.
4
Решение поставленных задач осуществлялось аналитическими методами
моделирования, операционного исчисления Лапласа пусковых процессов и
спектральной теории стационарных случайных процессов установившейся
протяжки дерева.
Научная новизна исследования:
1. Развита обобщенная модель СРМ с гидроприводом ее декомпозицией на
подсистемы и аппроксимациями внешнего воздействия единичного,
полигармонического и случайного характера.
2. Установлены
функциональные
закономерности
нагруженности
гидропривода в пуско-тормозных и установившихся режимах протяжки.
3. Разработана динамическая модель гидроприводной раскряжевки дерева с
аппроксимацией внешнего воздействия и режимов пиления.
4. Установлены закономерности нагруженности гидропривода в трех
режимах поперечного пиления.
5. Разработана трехмассовая модель раскряжевочной установки с дисковой
пилой, электроприводом и упруго-диссипативной муфтой.
6. Определены
функциональные
закономерности
нагруженности
электропривода в различных режимах поперечного пиления дерева.
7. Разработаны динамическая модель СРМ с электромеханическим
приводом и ее упрощенные варианты.
8. Установлены закономерности функционирования и нагруженности
электропривода протяжки дерева и рациональные значения параметров.
9. Установлены динамические характеристики гидро- и электропривода
протяжки дерева, а также закономерности их стационарного
функционирования.
10.Определены закономерности изменения инерционно-жесткостных
параметров консольно-протаскиваемого дерева с упругим и
амортизированным стволом. Обоснована возможность исследования
стационарного случайного процесса протяжки со средней инертностью
обрабатываемой части дерева.
Практическая значимость работы:
1. Исследованы способы раскроя хлыстов на предприятиях, а также
автоматизированные способы и предложена кусочно-линейная
оптимизация их раскроя.
2. Выявленные рациональные структуры и квазиоптимальные параметры
систем протяжки и раскряжевки минимизируют их динамическую
нагруженность.
3. Предложеная эффективная
горизонтальная модель обработки
спиленного дерева без его подъема и съема агрегата отражает
простейшую и экономичную технологию первичной обработки дерева.
5
4. Установленные параметры гидро- и электроприводов и рациональные
режимы
их
функционирования
обеспечивают
минимум
их
вибронагруженности.
5. Экспериментальные исследования протяжки деревьев различных
параметров при различной податливости гидросистемы подтвердили
теоретические положения нагруженности привода и расчетные
параметры упруго-диссипативных связей.
Достоверность результатов. Максимальное расхождение теоретических и
экспериментальных исследований нагруженности гидропривода не превышает
18 %. На увеличенное расхождение оказало влияние обнаруженное
повышенное трение в редукторах рябух. Изменение средней инертности дерева
при протяжке одного сортимента не превышает 5 %, а всего 20-метрового
дерева от исходного значения – 30 %.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на
научно-технических конференциях Санкт-Петербургской государственной
лесотехнической академии им. С.М. Кирова в 2003-2007 гг.
Научная работа по теме является победителем конкурса грантов 2006 г. для
аспирантов (диплом Правительства Санкт-Петербурга АСП № 306151).
Основные результаты исследований рекомендованы к внедрению в
ЦНИИМЭ.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6
печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав,
заключения и приложения. Изложена на 157 страницах машинописного текста,
включая 10 таблиц и 36 рисунков. Список используемых источников состоит
из 90 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель
работы, научная новизна и практическая значимость.
В первой главе излагается состояние первичной обработки дерева.
Анализируются средства и способы срезания сучьев, приводится
классификация и характеристика машин, дается анализ работ по обрезке
сучьев. Вопросам механизированной обрезки сучьев посвящены работы Б.Г.
Залегаллера, К.О. Вороницина, Л.Г. Дорофеева, Е.В. Кириллова, Н.А.
Шипилина, И.И. Клокова, В.С. Сюнёва, А.А. Селиверстова и др. Динамику
СРМ исследовали М.Я. Обросов, В.В. Сенников, В.И. Варава, Н.А. Гуцелюк,
С.В. Спиридонов, В.А. Александров, Н.Р. Шоль, Е.А. Будевич.
6
Изучение дерева как объекта труда выполнено в ЦНИИМЭ В.С. Брейтером,
Р.М. Некрасовым, Э.А. Павловым и др., а качества древесных хлыстов – А.Н.
Кармадоновым, В.К. Захаровым, Л.А. Нестеровым, И.И. Гусевым и др.
Измерению размеров хлыстов посвящены работы В.С. Петровского, Г.А.
Степакова, Ю.А. Бита, В.В. Харитонова, и др, а способам их раскроя – В.А.
Червинского, И.П. Смирнова, И.Е. Емельянова и др.
Из анализа выполненных работ по первичной обработке дерева определена
наименее изученная и актуальная тема: исследование вибронагруженности и
эффективности функционирования приводов сучкорезно-раскряжевочных
машин.
Во второй главе излагается исследование гидроприводного срезания
сучьев. Структурная модель силовой передачи обосновывается расчетными
параметрами, внешним воздействием и переводится в эквивалентную (рис. 1).
соответствующие уравнения динамического состояния в координатах φН, р, φа
= 5φМ, VМ = 5VН :



, p  pm ,


J


M

V
/
2
p
H
H
H
H
H
H
..
.




,


J


25
V
/
2
p

5
M

5
M
М
a
M
a
O
C
T
..
.

(1)







V
/
2



e
р

p

0


O
H
a
O
-
, V = V0 ,


JН, JМ, βН, βМ – приведенные к валам насоса и мотора параметры инертности и
диссипации двух блоков-роторов системы, е, β0 – податливость напорной
магистрали и параметр объемных суммарных потерь,
МН, МТ, МС –
приведенные значения движущего момента и сопротивления трению и
срезанию мутовок.
MH
βH
βM
H
JH
φH
p
ММ
M
JM
φМ
Рис. 1. Эквивалентная модель гидропривода СРМ.




O
МНО5MTO
5
M
C




 ,1



ПускгидроприводаСРМисследованприβО=0,Оc,nt 11
операционнымисчислениемЛапласавформе
11
M
M

J
JHM
M
Карсона по операторно-матричной системе (2), где s – оператор Лапласа:
7

 


2
S

s

V
/
2
J

1

e
s
O
O
11
O


.
(2)


sV
/
2
es
0
O


1
КрутящиймоментгидроприводаM(VO/2)pприпускепропорционаленпарциальнойинертностиJHM(,)множителюω0νивнешнемувоздействиюε0,1.Торможениедереватрениемотприжимарябухиножейограничено:  O ,s  0,38мприυП=3м/с.Усилениеторможениядостигаетсяотключениемнасосаизапираниемжидкостипередгидромотором.
1
инертностиJHM(,) множителюω0νивнешнемувоздействиюε0,ε1.Торможениедереватрениемотприжимарябухиножейограничено:  O ,s  0,38мприυП=3м/с.Усиление
дерева трением от прижима рябух и ножей ограничено:   O , s  0,38м
при υП=3 м/с. Усиление торможения достигается отключением насоса и
запиранием жидкости перед гидромотором.
В установившемся режиме протяжки сложное вращение условных роторов
i C 
i ,
 i разлагается на переносное и относительное: i Ct i , 
i   i . При этом выделяются уравнения крутильного равновесия


C
O
M

(
V
/
2
)
p

0
,
2
(
M

M
)и возмущенных моментами M H (t ) , M C (t )
H
0
C
T
C
крутильных колебаний с заданной спектральной плотностью. Дисперсия
давления обратнопропорциональна податливости е магистрали и малой
диссипации в ней, а также низшим гармоникам возмущения
ω0, ω1,
0
1
пропорциональна квадратам амплитуд M H , MC низших гармоник. На рис. 2
max
построеныграфикифункцийσР(е),σР(h2)примаксимальномихзначенииР(2.,5).PИзграфиковследуетменьшаянагруженностьвар.1и3приυП=3м/с,атакжерациональныепараметрыгидроприводае≈0,3см5/Н,h2≈3с-1.Однакоприh2=2с-1реализуютсямощные
1
резонансные пики давлений. Поэтому желаемая диссипация определена равной h7c,   J .
σР, МПа
3
2
1
2
3
1
0,1
0,2
0,3
е, см5/Н
0
1
2
3
4
h2, с-1
Рис. 2. Графики функций σР (е), σР (h2) при скорости
протяжки дерева υП=2 и 3 м/с.
Экспериментальные исследования срезания сучьев проводились на
разработанном в ЛТА стенде протяжки с варьированием d, D, m и ПГА,
8
Vа=2,3л. Аппроксимация кривых полиномом второй степени уточнялась
методом наименьших квадратов. На рис. 3 в частности приведены кривые р(d).
С увеличением податливости <е> давления p(t) снижаются, а с увеличением
диаметра сучков увеличиваются. Расхождение с расчетом менее 18 %.
Осциллограммы рабочего процесса подтвердили особенности пускового и
установившегося процесса протяжки, включающего переносное движение и
относительные колебания, в первую очередь давления p(t) в магистрали.
ð, Ì Ï à
18
0
pm
12
1
pm
0
1
pm
6
15
pm
20
25
30
d, ñì
Рис. 3. Графики функций р(d) без ПГА (0) и с ПГА (1).
В третьей главе приводятся исследования измерения и раскроя древесных
хлыстов. Предложена кусочно-линейная аппроксимация образующей хлыста с
учетом стандартных длин l K , li , i  1,2 и сбегов  K ,  i концевых и средних
сортиментов при длине L и сбеге h распиловочной части:
L3lKzi,h
.
(3)
i1,2
L LLP от расчетной при z i  2 z ,  i  
даетпростуюоценкумаксимальноговыходаделовойдревесины:z3lK/2.Длязаданныхсреднихвеличин,KLOh выражения(3)можнообъединить
Минимизация отклонения
1/K
Lz1l2, .1
(4)
1OK
По формуле (4) и соответствующей таблице для замеренной раскроечной
длины хлыста L в клетке выбирается желаемый раскрой средней части и две
длины различного числа.
3l2
L13
L23
L33
2l2
L12
L22
l32
1l2
L11
L21
L31
1l1
2l1
3l1
l1 =
l2 =
О 
К 


9
H
w
Í
y0
RC
x0
y0
P0
a
H
C
r
w
Í
Ìï
PÑÏ
ym
fH
a
PH
D0
r çâ
L0
q
H
Измерения и анализ качества раскроя хлыстов на предприятиях показали,
что содержание пиловочной древесины в балансах – случайная величина,
зависящая от средств раскроя, сортиментного плана и качества древесины.
Анализом автоматизированного способа измерения размера и раскроя хлыстов
выявлено, что использование одного-двух датчиков дает отклонения реального
результата от расчетного. Использование трех и более датчиков ощутимо
снижает эти отклонения, но усложняет измерения при немалой стоимости
измерителей.
В четвертой главе диссертации излагаются исследования раскряжевки и
протяжки дерева дизель-гидравлическим и электромеханическим приводами.
Геометрическое и технологическое моделирование поперечного пиления
цепной пилой частично отражено на рис. 4,
x0
Рис. 4. Схемы поперечного пиления ствола цепной пилой: а – схема
компоновки пила-ствол, б – геометрия пиления.
где РН, Р0 – усилия подачи и отжима, РП, МП – усилие и момент протяжки,
 ,  Н – центральные углы пиления ствола и подачи оси пильной шины, Н, r,
R0 – высота хорды, радиусы ствола и оси шины.
а)
б)
1
0
q
Ï
q
Ï =cnt
q
Í
PÍ =cnt
q
Ï Í =cnt
PÏ
PÍ
PÏ
NÏ
PÍ
NÏ
NÏ
NÏ
Ñ
0.5D
D H
Î
0.5D
D H
Рис. 5. Основные режимы поперечного пиления ствола:
а – Н = cnt, б – РП, РН = cnt.
Выделены три значимые реализации характера пиления: Н = cnt, РП = cnt, РН
= cnt (рис. 5 а, б). Хорда пиления Н(α) аппроксимируется характерной
функцией времени
H = 2r sin α/2 = r(1 – cos ωПt), 0Пt 2, П  2 c-1.
(5)
При этом приведенный к валу мотора момент сопротивления

iM
r
/
D

3

41

0
,
5

61
ММС0(1c,ot)s M
0
Ц
0
Нм,
-1
ω = ωп / iм = 2π/3 = 2 с , ωt ≤ 2π, τп = 3 с.
(6)
Выражение и изображение по Карсону прямоугольного импульса
ММП0[(t),] τ = 1 с,
ММП(s)01es,t М0 = iМц = 3·41 = 123 Нм,
где η(t) – единичная функция Хевисайда.
Движущий момент ДВС разлагается в ряд Тейлора для iH = 1:
МНдСд, Нy[dМд/.]HC
(7)
В итоге уравнение динамического состояния гидропривода пильной цепи по
эквивалентной модели (рис. 1)
д
y
д






M



J





М

(
V
/2

)
p
,M
H
С
Н
H
H
H
Н
Н
Н
0





M
(
1

cos

t
),

t
2

J





(
V
/2

)
p

M
,M

M
0
M
M
M
M
0
M

д
y



(
V
/2

)(



)
e
p

p
,


0
,p

p

20
МПа
,





,
0
H
M
0
0
m
Н
Н
Н

(8)
д
y
где M,Н,H - приведенные значения параметров диссипации в пильной
цепи, двигателе и движущем моменте.
 0  Мдcnt
БезмалойдиссипациидлянулевыхНУ,кроме0 
Н
0иН0система(8)упрощаетсядооператорно-матричноговида,гдеs–операторЛапласа:



s

2
 2

J
M
M
J
(
1

e
)
H
0
H
M
Js

V
/
2 Js


0
0
22
J
J
s

(9)







(
V
/
2
)
ses
0
0




1
1
Система получена весьма гибкой ввиду JM  JH с критерием нагруженности
2

с
J2 
(
V
/
40
e
). В режиме поперечного пиления Н = cnt
<p(t)> или M
0



m
Pm1.02,МПа P
МПа
.Снижениедавлениядостигаетсямалойскоростьюω0включениягидронасоса,гибкостьюпривода(е=0,2см5/Н,ν=8с-1)исущественнымрасхождениемчастотω2<<ν2.Приω=νрω(t)→∞.ВрежимеРП=cnt,НН=cntрm1.4М8Па,аврежимеРН=cnt–вышеP(2,4156)МПа.ЗасчетинтенсивногосниженияНприРН=cntреализуютсябольшиенагрузкивначалеивесьмамалые–вконцецикла.
 19
Разработана трехмассовая модель раскряжевочной установки с дисковой
пилой, электроприводом и упругодиссипативной муфтой. На рис. 6 приведена
схема взаимодействия пила-ствол, где обозначены: PП , РН , Р0 – усилия
пиления, подачи и отжима, GП , GР – вес пилы и рычага, ω, ωН – угловые
скорости пиления и подачи (надвигания).
ÐÑ Ï

Ì

ÐÍ
Ï
P0

C
ÐÏ
R0
Gä

H
0 PØ
GP
Рис. 6. Схема взаимодействия пила-ствол.
Движущий момент (7) подключается при ω0 = 0, а сопротивления пилению –
Нм
0 400
по закону (6) M
. Уравнения динамического состояния
раскряжевочной системы
С
С




J


с
(

)

M
,
М

cnt
,
t

2
,
1
1
1
1
1
2
д
д




J


с
(

)

М
,
М

М
(
1

cos
t
),
2
2
2
2
1
2
П
П
0

H P
P

P

P

(
G

G
/
2
)
sin

k
P

k
P

(
G

G
/
2
)
sin
JH
H
0
д
p
H
H
0
П
д
p
R
0, 
,   / 4 .
При малой диссипации выделяется уравнение относительных крутильных
колебаний привода  1 2 :
2 С

1




М
/
J

M
/
J
,
J

J
J
/
J
,

C
/
J

11
c
.
(11)
д
1
0
2
1
2

Критериями нагруженности приняты главный момент сил инерций и упругая
реакция муфты. Последняя обязывает упругодиссипативную муфту, например,



















1
2
резинокордную ГОСТ 20884-82. Нагруженность электропривода изучена
операционным исчислением по характерным (экстремальным) режимам: М 1 =
770 Нм, М2 = 1200 Нм, М3 = 100 Нм. Она почти в четыре раза выше
гидропривода за счет увеличенного в 6,5 раз момента пиления ствола при
снижении в 1,4 раза гибкости системы. Затраченные мощности одинаковы
ввиду уменьшенной угловой скорости дисковой пилы. В режиме пиления
РН  cnt получены одинаковые динамические качества с цепной пилой: при
увеличенной в 3,2 раза внешней нагрузке в 3,2 раза возросла максимальная
реакция. В режиме пиления РН  cnt выявлен неустойчивый расходящийся
процесс как за счет нарушения критерия устойчивости (h  0), так и кратности
частот  ≈ .
Разработана динамическая модель СРМ с электромеханическим приводом. В
ней отсутствует флуктуационное возмущение от двигателя, но в стационарном
режиме протяжки движущий момент также разлагается в ряд Тейлора, а
срезание мутовок – в ряд Фурье с выделением среднего и флуктуационного
моментов. Уравнения кинетостатики СРМ




J


с

M
,

,

1
1
д
1
2

(12)




J


с


(
M

M
)
2
2
C
T

упрощаются выделением крутильных колебаний



J


C

М

(
М

М
)
, J J1J2 / J.
(13)
1
д
2
С
Т
В установившемся режиме протяжки сложное вращение ротора φi
e
заменяется суммой переносного i  Ct и относительного ψi движений, а

 



 
С
средние моменты уравновешиваются , МдсСРТ.
В пусковом режиме критерием нагруженности служит упругая реакция
муфты. Ее максимум в двух экстремальных режимах (М1 = 407 Нм, М2 = 336
Нм) находится на уровне гидропривода. Для торможения также требуется
дополнительное трение. В стационарном процессе протяжке критерием
нагруженности служит дисперсия упруго-диссипативного момента муфты. Она
пропорциональна жесткости с и квадрату внешнего воздействия М1, обратна
основной гармонике 11 и инертности J привода. Расчетная диссипация в муфте
  сJ , а жесткость с0,1J12 .
При выполнении условия   1 целесообразно уточненное выражение
спектральной плотности срезания мутовок с малым спектром в низкочастотной
области   1 . Для него получен вдвое меньше оптимум диссипации
0
(0 1Нмс
)иещеменьшеминимумвибронагруженности,МDM1,5Н6.мВгидроприводесэтимспектромвибронагруженностьтакжениже,норасчетнаядиссипациявыше(h  0,5 )поограничениюсверхупри
отсутствии экстремума реакции при   1 .
1
3
Технико-экономическая оценка структур и параметров приводов протяжки
дерева осуществлялась по графикам зависимости М(, с, J) рис. 7а и М(, h,
1) рис. 7б. По графикам уточняются рациональные (квазиоптимальные)
параметры: а – с  40 Нм, J  0,3 кгм2,  = 10…14 с-1,  = 0,4…1 Нмс, 1  100
с-1; б –   14 с-1, h  2 с-1 , 1  100 с-1. Ниже отмеченных значений 1 , h,  и
выше для  = 0 нагруженность приводов резко возрастает. При этом
допустимый максимум
М в гидроприводе в 1,5 раза выше, чем в
электроприводе.
а)
s
Ì ,Í ì
4
3
s
Ì (w
1)
s
Ì (Ñ)
s
)
Ì (b
2
1
s
Ì (J)
0.1w
1 ,ñ 10 Jêãì
-1
0
6
8
10
2
0.1Ñ, Í ì ;10b
,Íìñ
б)
s
Ì ,Í ì
8
6
s
)
Ì (u
s
Ì (h)
4
2
s
Ì (w
1)
0
4
8
12
16
20
0.1w
1 ,ñ
-1
n
, ñ ;5h, c
-1
-1
Рис. 7. Графики зависимости среднеквадратичного крутящего момента электро(а) и гидропривода (б) от их параметров.
Оценка по вибронагруженности дополнена оценкой по долговечности (рис.
7
8) ТСЛТеN0, N0  10 , Те2М/ ,
(14)
где Т е - эффективный период нагружения.
а)
б)
1
4
Òå ,ñ
Òå ,ñ
0.4
Òå (n
)
0.3
0.4
Òå (h)
Òå (h)
0.3
0.2
Òå (w
1)
Òå (n
)
Òå (w
1)
0.1w
1 ,ñ
-1
-1
n
, ñ ;10h, c
-1
0.2
4
12
8
16
20
0.1w
1 ,ñ
-1
n
, ñ ;10h, c
-1
0.1
4
12
8
16
20
-1
Рис. 8. Графики зависимости эффективного периода нагружения электро- (а) и
гидропривода (б) от их параметров.
Из графиков (рис. 8) следует почти линейное нарастание долговечности
систем с уменьшением определяющих параметров. В среднем уровень Т е в
гидроприводе в 1,4 раза ниже, чем в электроприводе.
В пятой главе
обосновываются интегральные параметры дерева и
динамические характеристики приводов его протяжки. Наиболее простые и
наглядные характеристики дерева и хлыста дают интегральные параметры,
основанные
на
аппроксимациях
их
образующих
в
виде
r

r
cos
x
/
2
l
,
r

r
cos
x
/
2
l
,
0

x

l
. Радикальным упрощением моделей
д
T
x
T
упругого дерева или хлыста является дискретизация распределенных по их
длине масс и упругости по базисной функции изгиба f(x). Эквивалентность
преобразований обеспечивает сохранение кинетической и потенциальной
энергии.
Обоснована
эффективная
модель
консольно-протаскиваемого
горизонтального дерева без его подъема после валки и съема агрегата СРМ.
Аппроксимированы параметры инертности и жесткости изгибно-гибкого и
амортизированного кроной дерева в функции времени протяжки (рис. 9).


CÖ
hÖ
Cà
0
Ñ
e
õÑ
ÑÊ
Cà
õ=
t
à
ÑÊ
õK =l K - 
t
Рис. 9. Эквивалентная модель протяжки дерева.
1
5
Они мало и медленно меняются по длине дерева. Максимальные отклонения
массы до 20 %, момента инерции и жесткости – 30 %. При задании средней
инертности и жесткости для каждого сортимента эти отклонения не превышают
5 %. Стабильность параметров и инертности дерева объясняется усреднением
их при протяжке вершинной и комлевой части. При этом масса кроны
составляет 20 % от общей массы протаскиваемого дерева. Отсюда следует
возможность исследования стационарной протяжки дерева через сучкорезный
агрегат возмущенной спектральной плотностью срезания мутовок. При этом
выявляются не только интегральная нагруженность приводов, но и их
квазиоптимальные параметры и динамические характеристики (рис. 10).
l M==M0 / M0
Ï
Ã
0.6
0.4
Ý
0.2
0
5
10
15
20
25

,c
-1
Рис. 10. Модули передаточных функций гидропривода (Г) и
электропривода (Э) при протяжке дерева.
Из графиков рис. 10 следует меньше вибронагруженность электропривода в
высоком спектре частот   12с , но больше, чем у гидропривода в низком
спектре. В варианте (Э) заданы оптимальные параметры жесткости и
диссипации, а (Г) с реальным заниженным демпфированием. В результате во
втором случае завышен экстремум ПФ в резонансном режиме.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Определяющим критерием качества функционирования машин первичной
обработки дерева является динамическая нагруженность их приводов в
переходных и установившихся режимах работы. Последняя определяется:
уровнем и характером внешнего воздействия, структурой систем, параметрами
и характеристиками упруго-диссипативных связей. Основные результаты
исследования в этом направлении:
1. Развита обобщенная модель СРМ двигатель-гидропривод-дерево ее
декомпозицией на подсистемы с аппроксимациями внешнего
воздействия единичного, полигармонического и случайного характера.
2. Установлены функциональные закономерности нагруженности СРМ в
различных
режимах
функционирования:
пуско-тормозных
и
1
6
установившихся режимах протяжки дерева. Нагруженность снижается
податливостью
магистрали,
расчетной
диссипацией,
плавным
включением.
3. Определены квазиоптимальные параметры гидропривода (е ≤ 0,3 см5/Н,
h   ≤ 7 c-1,   J) и предпочтительная скорость протяжки дерева П =
3 м/с.
4. Экспериментальные исследования вертикальной протяжки дерева на
разработанном
в
ЛТА
стенде
подтвердили
теоретические
закономерности функционирования привода и расчетные параметры.
5. Разработана динамическая модель гидроприводного поперечного
пиления дерева с аппроксимацией внешнего воздействия и режимов
пиления.
6. Исследованы оперисчислением переходные процессы пиления и
установлены закономерности нагруженности гидропривода в режимах
Н= cnt, РП = cnt, НН = cnt. Снижение нагруженности достигается малой
скоростью включения гидронасоса, гибкостью привода и расхождением
частот   .
7. Разработана трехмассовая модель раскряжевочной установки с дисковой
пилой,
электроприводом
и
упруго-диссипативной
муфтой.
Аппроксимировано внешнее воздействие, а критериями нагруженности
приняты главный момент сил инерций и упругая реакция муфты.
8. Установлены
закономерности
поперечного
пиления
ствола.
Нагруженность привода в 4 раза больше гидравлического за счет
увеличенного в 6,5 раз момента пиления при снижении в 1,4 раза
гибкости системы. В режиме пиления РП = cnt выявлен расходящийся
процесс за счет критерия неустойчивости (h  0) и кратности частот (
≈ ).
9. Разработана динамическая модель СРМ с электромеханическим
приводом. В ней отсутствует флуктуационное возмущение от двигателя
и пусковой импульс 0(t), а в установившемся режиме протяжки
движущий момент также разлагается в ряд Тейлора, а срезания мутовок
– в ряд Фурье с выделением среднего и флуктуационного моментов.
10. Установлены закономерности функционирования СРМ. Дисперсия
реакции муфты пропорциональна ее жесткости с, квадрату внешнего
воздействия М1, обратна основной гармонике 1 и инертности J
привода. Минимизацией функционала определены параметры
2
диссипации в муфте:   сJ и жесткости с0,1J1 .
11. При выполнении условия   1 введена уточненная спектральная
плотность срезания мутовок с малым спектром в низкочастотной области
   1 . Для нее получен вдвое меньше оптимум диссипации (0 = 1Нмс)
0
иещеменьшеминимумвибронагруженностиМD1,5Н6.мВгидроприводесэтимспектромвоздействиявибронагруженностьтакжениже,норасчетнаядиссипациявышеh  0,5 .
1
7
спектром воздействия вибронагруженность также ниже, но расчетная
диссипация выше h  0,5 .

 M ( )
12. Графическим
построением
функционала
уточнены
квазиоптимальные значения параметров электропривода ( с  40Нм,
2

1
J

0
,
3
кгм
,
10
...
14
с
,
1
Нмс
,

100
с
) и гидропривода (  14 с-1,
1

h  2 с-1, 1  100 с-1). При этом допустимый максимум  M ( ) в
гидроприводе в 1,5 раза выше, чем в электроприводе.
13. Долговечность приводов в стационарном режиме функционирования

Т ТеN0 ,N0  107 ,Те2М/оцененаэффективнымпериодомнагруженияТ е .Последнийплавноувеличиваетсясуменьшением,h,1.ВсреднемуровеньTe ( ) вгидроприводев1,4разниже,чемвэлектроприводе.


14. Обоснованы интегральные параметры дерева и их изменения по времени
горизонтальной протяжки. Стабильность параметров инертности при
протяжке в интервале сортимента объясняется усреднением вершинной и
комлевой части. При этом масса кроны достигает лишь 20 % общей.
Отсюда следует возможность исследования стационарной протяжки
дерева через сучкорезный агрегат возмущенной спектральной
плотностью срезания мутовок.
15. Установлены динамические характеристики гидро- и электропривода
протяжки дерева. У электропривода меньше вибронагруженность в
высоком спектре частот   12 с, но больше, чем у гидропривода в
низком спектре. При малой диссипации резко выделяются резонансные
пики модулей передаточных функций.
16. Исследованы способы измерения и раскроя хлыстов на предприятиях, а
также автоматизированные способы и предложена кусочно-линейная
аппроксимация их раскроя.
Основные результаты диссертации изложены в работах:
1.
Тихонов И.И., Мукосей М.В. Раскрой хлыстов: проблемы и
возможные решения. // Структурная перестройка лесного комплекса
Республики Карелия. Материалы республиканской научн. - практ.
конф. Петрозаводск: КарНИИЛПК, 2003. – с. 52.
2.
Мукосей М.В., Ледяева А.С. Система управления раскроем хлыстов
(долготья) на установках с продольным перемещением. // Известия
Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Сб.докл. молодых
ученых на ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской
лесотехнической академии: Вып. 8/ Под общей ред. А.В. Селиховкина,
Э.М. Лаутнера. СПб.: СПбГЛТА, 2004. – с. 53-58.
3.
Мукосей М.В. Совершенствование поперечного раскроя хлыстов
путем оптимизации выхода товарной продукции. // Одиннадцатая
Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов.
Аннотации работ по грантам Санкт-Петербургского конкурса 2006 г.
1
8
4.
5.
6.
для студентов, аспирантов и молодых специалистов. СПб.: Изд-во С.Петерб. ун-та, 2006.
Мукосей М.В. Анализ качества раскроя хлыстов на предприятиях
лесозаготовительной отрасли Ленинградской области. // Известия
Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Сб.докл. молодых
ученых на ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской
лесотехнической академии: Вып. 10/ Под общей ред. А.В.
Селиховкина, Э.М. Лаутнера. СПб.: СПбГЛТА, 2006. – с. 23-27.
Мукосей М.В. Линейное программирование раскроя хлыста.//Известия
Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Сб.докл. молодых
ученых на ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской
лесотехнической академии: Вып. 11/ Под общей ред. А.В.
Селиховкина, Э.М. Лаутнера. СПб.: СПбГЛТА, 2006. – с. 82-84.
Гусейнов Э.М., Мукосей М.В. Исследование процесса срезания
сучьев. // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии:
Вып. 178. СПб.: СПбГЛТА, 2006. – с. 59-69.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными гербовой печатью
подписями просим отправлять по адресу: 163002, г.Архангельск, наб. Северной
Двины, 17, Архангельский государственный технический университет,
диссертационный совет Д.212.008.01.