На правах рукописи
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
Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной
лесотехнической академии им. .
Научные руководители: доктор технических наук, доцент
,
кандидат технических наук, ст. н.с.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
,
кандидат технических наук, ст. н.с.
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 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
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, сучкорезно-раскряжевочные 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:
Проанализировать качество древесных стволов (хлыстов), средства и способы раскроя хлыстов и срезания сучьев. Разработать модели гидро - и электроприводов протяжки и раскряжевки дерева. Исследовать вибронагруженность приводов в пусковых и установившихся режимах функционирования. Установить расчетные параметры приводов, минимизирующие их вибронагруженность. Апробировать теоретические положения экспериментально на специальном стенде протяжки деревьев.Решение поставленных задач осуществлялось аналитическими методами моделирования, операционного исчисления Лапласа пусковых процессов и спектральной теории стационарных случайных процессов установившейся протяжки дерева.
Научная новизна исследования:
Развита обобщенная модель СРМ с гидроприводом ее декомпозицией на подсистемы и аппроксимациями внешнего воздействия единичного, полигармонического и случайного характера. Установлены функциональные закономерности нагруженности гидропривода в пуско-тормозных и установившихся режимах протяжки. Разработана динамическая модель гидроприводной раскряжевки дерева с аппроксимацией внешнего воздействия и режимов пиления. Установлены закономерности нагруженности гидропривода в трех режимах поперечного пиления. Разработана трехмассовая модель раскряжевочной установки с дисковой пилой, электроприводом и упруго-диссипативной муфтой. Определены функциональные закономерности нагруженности электропривода в различных режимах поперечного пиления дерева. Разработаны динамическая модель СРМ с электромеханическим приводом и ее упрощенные варианты. Установлены закономерности функционирования и нагруженности электропривода протяжки дерева и рациональные значения параметров. Установлены динамические характеристики гидро - и электропривода протяжки дерева, а также закономерности их стационарного функционирования. 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:
Исследованы способы раскроя хлыстов на предприятиях, а также автоматизированные способы и предложена кусочно-линейная оптимизация их раскроя. Выявленные рациональные структуры и квазиоптимальные параметры систем протяжки и раскряжевки минимизируют их динамическую нагруженность. Предложеная эффективная горизонтальная модель обработки спиленного дерева без его подъема и съема агрегата отражает простейшую и экономичную технологию первичной обработки дерева. Установленные параметры гидро - и электроприводов и рациональные режимы их функционирования обеспечивают минимум их вибронагруженности. 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. в 2003-2007 гг.
Научная работа по теме является победителем конкурса грантов 2006 г. для аспирантов (диплом Правительства Санкт-Петербурга АСП № 000).
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 , , и др. Динамику СРМ исследовали , , .
Изучение дерева как объекта труда выполнено в ЦНИИМЭ , , и др., а качества древесных хлыстов – , , и др. Измерению размеров хлыстов посвящены работы , , и др, а способам их раскроя – , , 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 ?Н, р, ?а = 5?М, VМ = 5VН :
, 
,
, (1)
-
, V = V0 ,
JН, JМ, ?Н, ?М – приведенные к валам насоса и мотора параметры инертности и диссипации двух блоков-роторов системы, е, ?0 – податливость напорной магистрали и параметр объемных суммарных потерь, МН, МТ, МС – приведенные значения движущего момента и сопротивления трению и срезанию мутовок.
MH ?H ?M ММ
H p M
?H ?М
Рис. 1. Эквивалентная модель гидропривода СРМ.
Пуск гидропривода СРМ исследован при ?О=0, 
операционным исчислением Лапласа в форме Карсона по операторно-матричной системе (2), где s – оператор Лапласа:
. (2) Крутящий момент гидропривода 
при пуске пропорционален парциальной инертности 
, множителю ?0? и внешнему воздействию ?0, ?11. Торможение дерева трением от прижима рябух и ножей ограничено: 
, 
м при ?П=3 м/с. Усиление торможения достигается отключением насоса и запиранием жидкости перед гидромотором.
В установившемся режиме протяжки сложное вращение условных роторов 
разлагается на переносное и относительное: 
, 
, 
. При этом выделяются уравнения крутильного равновесия 
и возмущенных моментами 
, 
крутильных колебаний с заданной спектральной плотностью. Дисперсия давления обратнопропорциональна податливости е магистрали и малой диссипации в ней, а также низшим гармоникам возмущения ?0, ?1, пропорциональна квадратам амплитуд 
низших гармоник. На рис. 2 построены графики функций ?Р (е), ?Р (h2) при максимальном их значении 
. Из графиков следует меньшая нагруженность вар. 1 и 3 при ?П=3 м/с, а также рациональные параметры гидропривода е ? 0,3 см5 /Н, h2?3с-1. Однако при h2 = 2 с-1 реализуются мощные резонансные пики давлений. Поэтому желаемая диссипация определена равной 
, 
.
?Р, 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 ?Р (е), ?Р (h2) при скорости
протяжки дерева ?П=2 и 3 м/с.
Экспериментальные исследования срезания сучьев проводились на разработанном в ЛТА стенде протяжки с варьированием d, D, m и ПГА, 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.
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 
, 
и сбегов 
, 
концевых и средних сортиментов при длине L и сбеге h распиловочной части:
. (3)
Минимизация отклонения 
от расчетной при 
, 
дает простую оценку максимального выхода деловой древесины: 
. Для заданных средних величин 
выражения (3) можно объединить
. (4)
По формуле (4) и соответствующей таблице для замеренной раскроечной длины хлыста L в клетке выбирается желаемый раскрой средней части и две длины различного числа.
l1=
l2=
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,
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, 
– центральные углы пиления ствола и подачи оси пильной шины, Н, r, R0 – высота хорды, радиусы ствола и оси шины.
а) б)
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(?) аппроксимируется характерной функцией времени
H = 2r sin ?/2 = r(1 – cos ?Пt), 
, 
c-1. (5)
При этом приведенный к валу мотора момент сопротивления
, 
Нм,
? = ?п / iм = 2?/3 = 2 с-1, ?t ? 2?, ?п = 3 с. (6)
Выражение и изображение по Карсону прямоугольного импульса
, ? = 1 с,
, М0 = iМц = 3·41 = 123 Нм,
где ?(t) – единичная функция Хевисайда.
Движущий момент ДВС разлагается в ряд Тейлора для iH = 1:
, 
. (7)
В итоге уравнение динамического состояния гидропривода пильной цепи по эквивалентной модели (рис. 1)
(8)
где 
- приведенные значения параметров диссипации в пильной цепи, двигателе и движущем моменте.
Без малой диссипации для нулевых НУ, кроме 
и 
система (8) упрощается до операторно-матричного вида, где s – оператор Лапласа:
(9)
Система получена весьма гибкой ввиду JM << JH с критерием нагруженности <p(t)> или 
. В режиме поперечного пиления ?Н = cnt 
, 
. Снижение давления достигается малой скоростью ?0 включения гидронасоса, гибкостью привода (е = 0,2 см5/Н, ?=8с-1) и существенным расхождением частот ?2 << ?2. При ? = ? р?(t)> ?. В режиме РП = cnt, Н?Н = cnt 
, а в режиме РН = cnt – выше 
. За счет интенсивного снижения ?Н при РН = cnt реализуются большие нагрузки вначале и весьма малые – в конце цикла.
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, ?, ?Н – угловые скорости пиления и подачи (надвигания).
Рис. 6. Схема взаимодействия пила-ствол.
Движущий момент (7) подключается при ?0 = 0, а сопротивления пилению – по закону (6) 
. Уравнения динамического состояния раскряжевочной системы
, 
,
.
При малой диссипации выделяется уравнение относительных крутильных колебаний привода 
:
. (11)
Критериями нагруженности приняты главный момент сил инерций и упругая реакция муфты. Последняя обязывает упругодиссипативную муфту, например, резинокордную ГОСТ 20884-82. Нагруженность электропривода изучена операционным исчислением по характерным (экстремальным) режимам: М1 = 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 
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 
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
(12)
упрощаются выделением крутильных колебаний
, 
(13)
В установившемся режиме протяжки сложное вращение ротора ?i заменяется суммой переносного 
и относительного ?i движений, а средние моменты уравновешиваются, 
.
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 
, а жесткость 
.
При выполнении условия 
целесообразно уточненное выражение спектральной плотности срезания мутовок с малым спектром в низкочастотной области 
. Для него получен вдвое меньше оптимум диссипации (
) и еще меньше минимум вибронагруженности, 
. В гидроприводе с этим спектром вибронагруженность также ниже, но расчетная диссипация выше (
) по ограничению сверху при отсутствии экстремума реакции при 
.
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)
б)
Рис. 7. Графики зависимости среднеквадратичного крутящего момента электро - (а) и гидропривода (б) от их параметров.
Оценка по вибронагруженности дополнена оценкой по долговечности (рис. 8) 
, 
, 
, (14)
где 
- эффективный период нагружения.
а) б)
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 
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 
. Радикальным упрощением моделей 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).
Рис. 9. Эквивалентная модель протяжки дерева.
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).
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 
, 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:
Развита обобщенная модель СРМ <двигатель-гидропривод-дерево> ее декомпозицией на подсистемы с аппроксимациями внешнего воздействия единичного, полигармонического и случайного характера. Установлены функциональные закономерности нагруженности СРМ в различных режимах функционирования: пуско-тормозных и установившихся режимах протяжки дерева. Нагруженность снижается податливостью магистрали, расчетной диссипацией, плавным включением. Определены квазиоптимальные параметры гидропривода (е ? 0,3 см5/Н, h? ? ? ? 7 c-1, ? ? J?) и предпочтительная скорость протяжки дерева ?П = 3 м/с. Экспериментальные исследования вертикальной протяжки дерева на разработанном в ЛТА стенде подтвердили теоретические закономерности функционирования привода и расчетные параметры. Разработана динамическая модель гидроприводного поперечного пиления дерева с аппроксимацией внешнего воздействия и режимов пиления. 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 ? > ?. 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. 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 (? ? ?). 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. 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 диссипации в муфте:
и жесткости 
. При выполнении условия 
введена уточненная спектральная плотность срезания мутовок с малым спектром в низкочастотной области 
. Для нее получен вдвое меньше оптимум диссипации (?0 = 1Нмс) и еще меньше минимум вибронагруженности 
. В гидроприводе с этим спектром воздействия вибронагруженность также ниже, но расчетная диссипация выше 
. Графическим построением функционала 
уточнены квазиоптимальные значения параметров электропривода (
, 
) и гидропривода (? < 14 с-1, h ? 2 с-1, ?1 ? 100 с-1). При этом допустимый максимум 
в гидроприводе в 1,5 раза выше, чем в электроприводе. Долговечность приводов в стационарном режиме функционирования 
, 
, 
оценена эффективным периодом нагружения 
. Последний плавно увеличивается с уменьшением ?, h, ?1. В среднем уровень 
в гидроприводе в 1,4 раза ниже, чем в электроприводе. 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. 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. 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:
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим отправлять г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, Архангельский государственный технический университет, диссертационный совет Д.212.008.01.
