автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование оптимальных траекторий при работе гидроманипуляторов лесотранспортных машин с пропорциональным управлением

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные технологии лесозаготовок.

1.2. Анализ основных моделей манипуляторов.

1.3. Особенности эксплуатационных нагрузок манипуляторов лесотранспортных машин

1.4. Краткий обзор работ, посвященных исследованию манипуляторов.

1.5. Анализ влияния системы управления технологическим оборудованием на функционирование гидроманипулятора.

1.6. Постановка задачи исследования.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОМАНИПУЛЯТОРА СОРТИМЕНТОВОЗА

С ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

2.1. Цель и задачи экспериментального исследования.

2.2. Объект исследований.

2.3. Условия проведения испытаний.

2.4. Система измерения и контроля.

2.5. Датчики и чувствительные элементы.

2.6. Регистрирующая аппаратура.

2.7. Тарировка датчиков и погрешности измерений.

2.8. Порядок проведения эксперимента.

2.9. Обработка экспериментальных данных.

2.10. Результаты экспериментальных исследований. 44 Выводы по главе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРОМАНИПУЛЯТОРА С ПСУ

3.1. Анализ характеристик траектории.

3.2. Энергетический анализ.

3.3. Анализ долговечности. 64 Выводы по главе.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ

РАБОТЫ ГИДРОМАНИПУЛЯТОРА С ПСУ

4.1. Постановка задачи оптимального управления.

4.2. Определение оптимальной траектории методом динамического программирования.

4.3. Определение компромиссной траектории методом условного центра масс.

4.4. Определение оптимальной траектории методом стохастического динамического программирования.

4.5. Анализ чувствительности оптимального решения. 94 Выводы по главе.

В настоящее время 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.

Господствующая на текущий момент в нашей стране система лесозаготовок, предусматривающая уменьшение числа операций в лесу и перенос обработки хлыстов на нижние склады будет все шире заменятся сортиментной технологией. Этот переход связан не столько с повышением производительности труда лесозаготовительных машин (ЛЗМ) сколько с повышением качества разработки лесосек и сохранностью оставляемых на ней деревьев. Решение этих задач немыслимо без создания новой высокоэффективной и надежной техники, которая отвечала бы всем современным требованиям. Наиболее полно им соответствуют системы машин манипуляторного типа, позволяющие полностью механизировать все операции по заготовке и перемещению деревьев, повысить производительность и улучшить условия работы оператора, снизить себестоимость продукции.

В настоящее время проблема надежности ЛЗМ все чаще выходит на первый план в области развития современной техники, созданной для работы в лесу. Это связано с интенсификацией рабочих процессов, повышением нагрузок, скоростей, давлений в гидроприводе, уменьшением веса и габаритов конструкций. Кроме того, высокие цены на новую закупаемую технику и темпы инфляции делают естественным стремление обеспечить максимальный срок службы эксплуатируемой техники.

Возникшая в последнее время устойчивая тенденция к удорожанию энергоносителей заставляет руководителей предприятий и владельцев лесозаготовительной техники серьезнее подходить к вопросу экономии топлива.

В последние годы не только зарубежные, но и отечественные производители технологического оборудования лесозаготовительной техники стали оснащать манипуляторы пропорциональной системой управления. Подобная система управления имеет ряд преимуществ перед широко распространенной и более простой релейной: снижение пиковых нагрузок на пуско-тормозных режимах работы, сокращение времени рабочего цикла за счет совмещения рабочих движений, а также возможность автоматизации большой части элементов рабочего цикла. Однако, особенности функционирования манипуляторов с пропорциональной системой управления изучены сравнительно мало.

Поэтому целью данной работы является повышение эффективности функционирования манипуляторного погрузочно-разгрузочного технологического оборудования лесных машин путем снижения энергоемкости рабочего цикла и увеличения среднего ресурса за счет улучшения характеристик траектории движения гидроманипулятора.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: определить характер динамической нагруженности гидроманипулятора лесотранспортной машины в реальных производственных условиях эксплуатации; разработать метод определения оптимальной траектории движения гидроманипулятора лесотранспортной машины с учетом тех преимуществ, которые предоставляет применение системы пропорционального управления; и определить влияние различных факторов на полученное оптимальное решение.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем работы 110 е., из них 105 с. машинописного текста, 40 рис., 10 табл., приложения - 5 е., список литературы 86 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. На основании проведенного анализа состояния вопроса и общих тенденций развития гидроманипуляторного технологического оборудования ЛЗМ установлено, что применение систем пропорционального управления позволяет существенно повысить эффективность работы.

2. В ходе проведенного экспериментального исследования выявлено, что наиболее неблагоприятным режимом функционирования гидроманипулятора ЛТМ с пропорциональным управлением в реальных условиях эксплуатации является разгрузка бункера сортиментовоза.

3. Сравнительный анализ динамической нагруженности гидроманипулятора ЛТМ с пропорциональной системой управления и его аналогов с релейной системой управления показал, что максимальные напряжения в металлоконструкции во время работы снижаются на 10-12%, что благоприятно сказывается на долговечности.

4. Экспериментально-теоретический метод позволяет получить исходные данные для определения оптимальных характеристик траектории в виде переходных матриц динамических марковских цепей, что в сочетании с матрицами энергоемкости и напряжений позволило использовать метод стохастического динамического программирования.

5. Экспериментально-теоретический метод позволяет получить исходные данные для определения оптимальных характеристик траектории в виде переходных матриц динамических марковских цепей, что в сочетании с матрицами энергоемкости и напряжений позволило использовать метод стохастического динамического программирования.

6. В результате оптимизации траектории движения гидроманипулятора методом динамического программирования были получены два оптимальных решения: по потребляемой мощности и по среднему ресурсу. Для получения компромиссного решения использовался метод условного центра масс. С его помощью определялась оптимальная стратегия управления для каждого состояния манипулятора. При этом для цикла погрузки ожидаемый средний ресурс составил 7248 моточасов, средняя потребляемая мощность 19,1 кВт за цикл, для цикла разгрузки ожидаемый средний ресурс составил 6953 моточасов, средняя потребляемая мощность! 9,6 кВт за цикл.

7. Для повышения адекватности модели функционирования гидроманипулятора при оптимизации стратегии управления целесообразно применять метод стохастического динамического программирования. Сравнение результатов применения динамического и стохастического динамического программирования показывает, что учет случайных факторов позволяет получить уточненные данные по параметрам оптимальных траекторий, при этом средний ресурс возрастает на 1011%, а потребляемая мощность снижается на 8-9%.

8. В результате анализа чувствительности оптимальной стратегии управления к вариации исходных данных установлено, что наибольшее влияние на потребляемую мощность и средний ресурс оказывают вероятности переходов в начальных и конечных состояниях циклов.

9. Результаты оптимизации траектории движения гидроманипулятора могут служить основой для автоматизации управления технологическим оборудованием ЛТМ.

1. Александров В.А. Динамические нагрузки в лесосечных машинах, -Л.: ЛГУ, 1984.-152 с.

2. Александров В.А. Научные основы динамики рабочих процессов и прогнозирование нагруженности лесосечных машин с гидроманипуляторами. Автореф. дис. . док. техн. наук. Л.: ЛТА, 1983. - 34 с.

3. Александров В.А. Моделирование взаимодействия лесных машин с предметом труда и внешней средой. Учебное пособие. Л.: ЛТА, 1987.-84 с.

4. Александров В.А. Влияние психофизической деятельности оператора на динамическую нагруженность лесосечной машины. // Межвузовский сборник научных трудов. Л.: ЛТА, 1979. Вып. 8. с 13-17.

5. Алябьев В.И. Оптимизация производственных процессов на лесозаготовках. М.: Лесная промышленность, 1977. 232 с.

6. Андреев В.Н. Надежность лесных машин и оборудования. Л.: ЛТА, 1991.-152 с.

7. Андреев В.Н., Балихин В.В., Хрусталев Б.С. Оптимизация технологических процессов ремонта лесных машин. Л.: ЛТА, 1988. - 88 с.

8. Андреев В.Н., Волков В.Ф., Иоффе А.Я. Анализ чувствительности оптимальных решений в марковских процессах с доходами // Теория чувствительности и ее применение. М.: Академия наук СССР, 1981. ВК-74. С. 33-41.

9. Андреев В.Н., Иоффе А.Я. Эти замечательные цепи. М.: Знание, 1987.-167 с.

10. Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю. Повышение качества и надежности манипуляторного технологического оборудования лесных машин при проектировании: В 2 т. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ,1995. 255 с.1U3

11. Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю. Принятие оптимальных решений: теория и применение в лесном комплексе. Изд-во университета Йоэнсуу, 1999. 200 с.

12. Анспокс Я.П. Повышение эффективности управления лесозаготовительными машинами для рубок ухода на этапе проектирования. Ав-тореф. дис. . канд. техн. наук. П.: ЛТА, 1998. - 16 с.

13. Артамонов Ю.Г. Проектирование специальных лесных машин. Л.: ЛТА, 1976.-80 с.

14. Банштык A.M. Электрогидравлические сервомеханизмы с широтно-импульсным управлением. М., Машиностроение, 1972. 144 с.

15. Базара М., Шатти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритм: Пер. с англ. М.: Мир, 1982. - 583 с.

16. Баруге А., Рид Т. Элементы теории марковских процессов и их приложения. Пер. с англ. М.: Наука, 1969. -436 с.

17. Бейко И.В., Бублик Б.Н., Зинько П.Н. Методы и алгоритмы решения задач оптимизации. Киев: Вышейна школа, 1983. - 512 с.

18. Беллман Р., Калаба Р. Динамическое программирование и современная теория управления. М.: Наука, 1969. 120 с.

19. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат, 1965. 279 с.

20. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1969. 352 с.

21. Брауде В.И., Семенов Л.Н. Надежность подъемно-транспортных машин: Учебное пособие. Л., Машиностроение, 1986. - 183 с.

22. Варава В.И. Моделирование технологических процессов лесохо-зяйственных машин: Учебное пособие. Л.: ЛТА, 1992. 173 с.

23. Венцель Е.С. Исследование операций. М.: Советское радио, 1972. 550 с.

24. Венцель Е С. Элементы динамического программирования. М.: Наука, 1964. 176 с.

25. Виногоров Г.К. Лесосечные работы. М., Лесная промышленность, 1981 -272 с.

26. Гамынин Н С. Гидравлический привод систем управления. М., Машиностроение, 1972. - 376 с.

27. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. - 509 с.

28. Герасимов Ю.Ю. Повышение усталостной долговечности металлоконструкции гидроманипулятора лесной машины при учете качества сварки. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л.: ЛТА, 1990. - 16 с.

29. Герасимов Ю.Ю., Кильпеляйнен С А., Костюкевич В.М., Сюнев B.C. Манипуляторные системы лесных машин: Проектирование и расчет. Петрозаводск; Йоэнсуу, 1994. 95 с.

30. Герасимов Ю.Ю., Сюнев B.C. Лесосечные машины для рубок ухода: Компьютерная система принятия решений. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1998. 236 с.

31. Гильц Н.Р., Федоров В В. Несплошные рубки леса. М., Лесная промышленность, 1981 -272 с.

32. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К. Математические методы в теории надежности. М.: Машиностроение, 1977. - 232 с.

33. Горбачев В.П. Вибронагруженность машиниста лесосечной машины с манипулятором в процессе формирования пачки деревьев (хлыстов) и пути ее снижения: Автореф. на соиск. учен. степ, к.т.н. Л.: ЛТА. 1983.- 18 с.

34. Данилов Ю.А. и др. Аппаратура объемных гидроприводов: Рабочие процессы и характеристики. М.: Машиностроение, 1990. 272 с.

35. Дорохов С.П. Оптимизация по быстродействию траектории переноса груза манипулятором в раскряжевочной установке. // Известия вузов. Лесной журнал. №4, 1988. С.48 53.

36. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных систем. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1977. 536 с.

37. Жуков A.B. Проектирование лесопромышленного оборудования. -Минск: Высшая школа. 1990. 312 с.

38. Калихман И.Л., Войтенко М.А. Динамическое программирование в примерах и задачах. М.: Высшая школа, 1979. 125 с.

39. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. Пер. с англ. М.: Мир. 1980. 604 с.i UÖ

40. Каршев Г.В. Повышение эффективности гидроманипуляторов по металлоемкости и быстродействию. Автореф. дис. . канд. техн. наук. С-Пб.: ЛТА, 1994. - 18 с.

41. Кемени Дж., Снелл Дж. Конечные цепи Маркова. Пер. с англ. М.: Наука, 1970.-395 с.

42. Китайник А.П., Перельмутер Ю.Н. О соотношении угловых скоростей звеньев манипулятора ВТМ при автоматизированном управлении траекторией. // Машинизация лесосечных работ. Химки: 1983. С. 60-63.

43. Котюк А.Ф., Цветков Э.И. Спектральный и корреляционный анализ нестационарных случайных процессов. М.: Стандарты. 1970. - 101 с.

44. Кочегаров В.Г., Бит Ю.А., Меньшиков В.Н. Технология и машины лесосечных работ. М.: Лесная промышленность, 1990. 391 с.

45. Кралин B.C. Статистическая оптимизация манипуляторов лесозаготовительных машин по критерию металлоемкости. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л.: ЛТА, 1982. - 16 с.

46. Кушелев B.C., Лакота H.A. Динамика систем управления манипуляторами. М., Энергия, 1971, -304 с.

47. Кушляев В.Ф. Лесозаготовительные машины манипуляторного типа. М.: Лесная промышленность, 1981. -248 с.

48. Лащинский В.П. Повышение эффективности лесосечных машин с манипуляторами совершенствованием гидроприводов. Химки: ЦНИИМЭ, 1986.-20 с.

49. Лихачев B.C. Испытания тракторов. М.: Машиностроение, 1990. -272 с.

50. Лебедев Н.И. Объемный гидропривод машин лесной промышленности. М.: Лесная промышленность. 1986. 296 с.

51. Лейтас A.M., Макаревич Л.М. Методика оптимизации системы управления и работы оператора мобильных машин. // Тракторы и сельхозмашины, 1984, №9. С. 7-10.

52. Лейтман Дж. Введение в теорию оптимального управления: Пер. с англ. М., Издательство «Наука», 1968. 192 с.

53. Лернер А.Я., Розенман Е.А. Оптимальное управление. М., Энергия, 1970. 360 с.

54. Логинов Ю.Н. Оценка вероятности безотказной работы гидроманипуляторов лесозаготовительных машин на этапе опытно-конструкторских работ. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л.: ЛТА, 1988.-16 с.

55. Лукьянчук A.C. Оценка напряженно-деформированного состояния металлоконструкции манипулятора лесотранспортной машины с применением метода конечных элементов. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л.: ЛТА, 1988. - 16 с.

56. Мажид К, И., Оптимальное проектирование конструкций: Пер. с англ. М., Высшая школа, 1979. 237 с.

57. Мак-Кинси Дж. Введение в теорию игр: Пер. с англ. М., Физмат-гиз, 1960. 452 с.

58. Максимов Л.П. Повышение технико-экономических показателей валочно-пакетирующих машин за счет более эффективного использования мощности силовых установок в технологическом цикле. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Химки: ЦНИИМЭ, 1985. - 20 с.

59. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.: Наука, 1971. 415 с.

60. Можаев Д.В., Ильюшкин С.Н. Механизация лесозаготовок за рубежом. М.: Лесная промышленность. 1988. 296 с.

61. Негейтис П.Э. Разработка имитационной модели системы управления гидроманипуляторами лесных машин. // Машины и оборудование для механизации лесозаготовок и лесного хозяйства: Межвуз. сб. науч. тр. Л.: ЛТА, 1986. С. 87 92.

62. Орлов А.Н. Повышение эффективности работы технологического оборудования лесной машины путем применения системы пропорционального управления. Автореф. дис. . канд. техн. наук. С-Пб.: ЛТА, 1993.-16 с.

63. Орлов С.Ф. и др. Расчет и проектирование специальных лесных машин. Лекции. Л.: ЛТА, 1973. - 150 с.

64. Понтрягин Л.С. и др. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1983. 583 с.

65. Проников A.C. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1990. -591 с.

66. Пупышев А.П. Повышение надежности и снижение металлоемкости гидроманипуляторов лесозаготовительных машин. Автореф. дис. . канд. техн. наук. С-Пб,: ЛТА, 1992. - 19 с.

67. Разинцев В.Н. Повышение эффективности приводов с дроссельным регулированием. М.: Машиностроение, 1993. 320 с.

68. Разработка автоматизированного гидроманипулятора для лесных машин ОТЗ: Отчет НИР / ЛТА; Руководитель К.Н Баринов. Л.: 1982. -143 с.

69. Разработка методов оптимального проектирования типовых манипуляторов лесозаготовительных машин: Отчет НИР / ЛТА; Руководитель В.Н. Андреев. Л.: 1982. 89 с.

70. Разработка методов оптимального проектирования типовых манипуляторов лесозаготовительных машин: Отчет НИР / ЛТА; Руководитель В.Н. Андреев. Л.: 1983. 97 с.

71. Рахманин Г.А. Исследование кинематики и динамики навесных шарнирно-сочлененных устройств (манипуляторов) для погрузки иluyштабелевки лесоматериалов: Автореф. на соиск. учен. степ, к.т.н. -М.: МЛТИ. 1970.-20 с.

72. Редькин А.К. Основы моделирования и оптимизации процессов лесозаготовок. М.: Лесная промышленность, 1988. 256 с.

73. Свешников В.К. Усов A.A. Станочные гидроприводы: Справочник. М., Машиностроение, 1988. 512 с

74. Сырицын ТА Надежность гидро- и пневмопривода. М. Машиностроение, 1990. - 248 с.

75. Сюнев B.C. Динамические нагрузки опорных элементов лесных подборочно-транспортных машин и их снижение. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л.: ЛТА, 1984. - 19 с.

76. Тайсман Д.М., Гедз Н.И. Применение тензометрии в лесной промышленности. М.: Лесная промышленность, 1965. - 86с.

77. Taxa X. Введение в исследование операций: Пер. с англ. М.: Мир, 1985.-654 с.

78. Теппоев A.B. Методика и аппаратура для исследования гидроманипулятора с пропорциональным управлением. Межвуз. сб. науч. тр., С-Пб., ЛТА, 1999. с. 97-100.

79. Уайлд Д. Оптимальное управление: Пер. с англ. М., Мир, 1981. 272 с.

80. Фиакко М., Мак-КормикЖ. Нелинейное программирование. Методы последовательной безусловной оптимизации. Пер. с англ. М.: Мир, 1972.-526 с.

81. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование: Пер. с англ. М.: Мир, 1975. - 534 с.

82. Шиловский В.Н. Выбор режимов ускоренных испытаний технологического оборудования трелевочного трактора с манипулятором. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л.: ЛТА, 1980. - 20 с.110

83. Шелгунов Ю.В., Горюнов А.К., Ярцев И.В. Лесоэксплуатация и транспорт леса. М.: Лесная промышленность, 1989. 520 с.

84. Юдин Д.Б. Задачи и методы стохастического программирования. М.: Советское радио, 1979. 392 с.