автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя роторных окорочных станков

На правах рукописи

БЕРСТЕНЁВ Андрей Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АВТОМАТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМОГО ПНЕВМОГИДРОПРИВОДА КОРОСНИМАТЕЛЯ РОТОРНЫХ ОКОРОЧНЫХ СТАНКОВ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 о АЗ Г ¿иг/

Екатеринбург - 2012

005046778

Работа выполнена на кафедре сервиса и эксплуатации транспортных и технологических машин ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет».

Научный - кандидат технических наук, доцент руководитель Побединский Владимир Викторович;

Официальные Ковалев Рудольф Николаевич, доктор технических оппоненты: наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский

государственный лесотехнический университет», заведующий кафедрой экономики транспорта и логистики;

Голенищев Александр Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ООО «Уральский научно-исследовательский институт лесной промышленности», заместитель директора по научной работе.

Ведущая - ОАО «Уральский научно-исследовательский организация институт переработки древесины (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится 13 сентября 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.02 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» (620 100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37), к. 401.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет».

Автореферат разослан « » августа 2012 г.

УЧеныЙ секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Куцубина Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодня в лесной промышленности общеизвестно, что комплексная переработка древесного сырья невозможна без окорки лесоматериалов, так как все сортименты, за исключением дров, должны окариваться перед дальнейшим использованием. В технологических процессах лесозаготовительной и деревообрабатывающей отраслей для индивидуальной окорки лесоматериалов используются роторные окорочные станки (РОС).

Процесс совершенствования таких станков еще в 80-х годах законодательно получал поддержку на государственном уровне, и принимались различные мероприятия, предусматривающие коренную переработку конструкции всего станка с внедрением гидропривода его рабочих органов. Совершенно очевидно, что преимущества гидро- или пневмопривода наиболее полно реализуются с системами автоматического управления (САУ).

Тенденция перехода на гидропривод механизма подачи, а также использование пневмопривода достаточно четко проявилась в зарубежных конструкциях, где они применяются, в основном, для механизма подачи, выполнения вспомогательных движений, но использование такого типа привода для короснимателя из-за необходимости применения систем автоматического управления, сложности технологического процесса, конструкции ротора в полной мере пока не было реализовано.

В результате задача совершенствования механизма режущего инструмента (МРИ) в этом направлении остается нерешенной, а производители окорочного оборудования производят автоматизацию отдельных узлов механизмов окорочного станка, принципиально не изменяющую конструкцию и эффективность работы станка.

Ряд ведущих производителей в мире освоил выпуск окорочных станков с пневмо-, гидроприводом и дистанционным управлением некоторых механизмов. В результате научно-практическое направление, которое в России еще к концу 80-х годов было обосновано теоретически и достаточно успешно начато, получило дальнейшее развитие в зарубежной практике.

В настоящее время на отечественном рынке появилось современное оборудование, комплектующие элементы, необходимые для создания автоматизированных станков. Однако отсутствие теоретических разработок, посвященных вопросам проектирования таких конструкций, не позволяет в полной мере реализовать достижения прогресса.

Таким образом, разработка конструкций гидро-, пневмоприводов, а также методов и систем управления рабочими органами окорочных станков позволяет решить важную практическую задачу и является актуальной.

Целью работы являлось повышение надежности, производительности роторных окорочных станков путем применения автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- изучить конструктивные решения механизмов, работ, посвященных совершенствованию РОС, определить наиболее перспективную конструкцию и основные элементы гидропривода для применения с системой автоматического управления короснимателя;

- разработать принципиальную схему и математическую модель пневмогидропривода короснимателя;

- разработать имитационную модель пневмогидропривода в развитой компьютерной системе математического моделирования;

- определить метод управления, разработать структурную и математическую модель САУ пневмогидропривода короснимателя;

- разработать имитационную модель САУ в компьютерной системе математического моделирования;

- разработать модель микропрофиля поверхности лесоматериала для численного эксперимента с реальными данными по процессу окорки и выполнить проверку адекватности модели автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя;

- выполнить анализ модели САУ на устойчивость при работе короснимателя с предложенным пневмогидроприводом;

- разработать алгоритм программного комплекса проектирования автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя;

- обеспечить внедрение результатов исследований в практику;

- оценить экономический эффект от внедрения результатов исследований в производство и проектно-конструкторскую практику.

Объект исследований. Конструкция механизма режущего инструмента роторных окорочных станков.

Предмет исследований. Закономерности автоматического управления пневмогидропривода короснимателя в процессе окорки.

Научная новизна. Впервые разработаны математические модели пневмогидропривода и системы автоматического управления короснимателя станка, необходимые для определения параметров конструкции МРИ. Предложена имитационная модель пневмогидропривода с САУ в среде Simulink приложения MatLab. Новой является методика проектирования механизма режущего инструмента с системой автоматического управления пневмогидроприводом.

На защиту выносятся следующие результаты:

- математическая модель пневмогидропривода короснимателя и ее реализация в виде имитационной модели в системе MatLab, необходимые для определения параметров МРИ;

- математическая модель системы автоматического управле-н*!В§5ЦН§вмогидропривода короснимателем и ее реализация в виде имитационной модели в среде MatLab, предназначенные для определения основных параметров САУ;

- параметры конструкции автоматически управляемого пнев-могидропривода короснимателя;

- методика проектирования автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя.

Достоверность результатов. Обоснованность результатов определяется экспериментальными данными, корректным использованием современных методов исследования, накопленным опытом работы по автоматизации и моделированию работы пневмогидропривода, непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов, полученных теоретическим путем, а также проведением оценки адекватности разработанных моделей, использования экспериментальных данных для расчетов и сопоставлений результатов. Полученные алгоритмы реализованы на компьютере и апробированы в виде вычислительных экспериментов.

Практическая ценность работы и ее реализация.

По результатам исследований разработано конструктивное решение МРИ с пневмогидроприводом.

Результаты исследований представлены в виде рекомендаций, математических, имитационных моделей, методики расчета, компьютерных программ, позволяющих решать задачи проектирования пневмогидропривода короснимателя с системой автоматического управления.

Полученные результаты и разработанные рекомендации были приняты для использования в практике создания лесных машин ОАО «Лесмаш» (г. Екатеринбург), ОАО «УралНИИДРЕВ» (г. Екатеринбург).

Положения диссертационной работы используются в учебном процессе УГЛТУ при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Реализация рекомендаций и внедрение станка с параметрами механизма резания, принятыми по результатам исследований, позволит получить эффект до 7,3 млн. руб. на станок в год.

Апробация работы.

Основные научные положения и результаты исследований были представлены в виде докладов и сообщений на конференциях:

- международных: «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века». - Екатеринбург, УГЛТУ, 2006;

- всероссийских: «Материалы II Всероссийской научно - технической конференции студентов и аспирантов». -Екатеринбург, УГЛТУ, 2006;

- областных: «Системы управления ракетных комплексов. Ill научн.-техн. конф. молбДых специалистов НПОА». - Екатеринбург, Федеральное агентств0*ФГУП «НПО автоматика им. академика H.A. Семихатова», 2006.

Результаты исследований докладывались на кафедрах сервиса и эксплуатации транспортных и технологических машин, технологии и оборудования лесной промышленности Уральского государственного лесотехнического университета, на заседании секции Фе-

дерального аэрокосмического агентства им. академика H.A. Семиха-това ФГУП НПО «Автоматика», (г. Екатеринбург).

Опубликованность результатов. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 печатные работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики, 6 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающих 105 наименований, приложения. Содержание работы изложено на 187 страницах, включая 84 рисунка, 8 таблиц. Приложение изложено на 60 страницах и включает результаты аналитического обзора конструкций станков, справочные материалы, результаты расчетов экономического эффекта, акты внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены основные положения диссертационной работы, обоснована актуальность исследований, дана краткая аннотация работы.

В первой главе выполнен анализ состояния проблемы, изучены конструкции РОС, известные в мировой практике, выявлены тенденции их совершенствования, наиболее значимыми из которых являются применение пневмо- и/или гидропривода и систем автоматического управления. На основе анализа и с учетом мировой практики установлено, что одним из самых перспективных конструктивных решений является РОС с двухвальцовым механизмом подачи по типу «VK». Учитывая, что по такому конструктивному типу к 80-м годам в СССР была создана унифицированная гамма станков, в настоящих исследованиях для дальнейшего развития принимается конструкция с двухвальцовым механизмом подачи.

В развитие технологий окорки, совершенствование роторных станков, инструментов значительный вклад внесли исследования профессоров, докторов техн. наук С.П. Бойкова, М.Н. Симонова, Г.И. Торговникова, А.М. Газизова, кандидатов техн. наук. A.A. Добрачева, A.B. Мехренцева, В.А. Мехренцева, Н.Ф. Пигильдина, В.А. Кацадзе, Л.Н. Ганжуры, В.В. Побединского, А.Н. Некрасова и других ученых. Обзор показал, что попытки обеспечить управление короснимателем, использовать гидропривод в РОС встречались еще до создания унифицированной гаммы. Так, учеными УЛТИ Добрачевым A.A., Азарен-ком В.А., Мехренцевым В.А. был внедрен опытный образец станка с дистанционным механического типа управлением короснимателя. Известная конструкция станка ОК-36 была оснащена гидрофицирован-ным ротором. Проф., д-ром техн. наук Симоновым М.Н. в 80-х годах был обоснован переход на гидропривод и создание новой гаммы РОС, а канд. техн. наук Побединским В.В. были обоснованы параметры ме-

ханизма подачи таких станков и предложена система телеметрии для обмена информацией с оборудованием, расположенным в роторе. На сегодняшний день во многих моделях зарубежного выпуска используется воздухонепроницаемый ротор, пневмо- и гидропривод прижима короснимателя, прижима вальцов механизма подачи. Однако, несмотря на определенный прогресс, автоматически управляемый коросни-матель еще не создан. В российской и зарубежной печати отсутствуют работы, посвященные автоматическому управлению рабочими органами окорочного станка, а также непосредственному применению пневмогидропривода в РОС.

На основании анализа состояния вопроса выявлены тенденции в развитии РОС, обоснована актуальность темы, определена цель и сформулированы задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке конструктивного решения пневмогидропривода МРИ, расчетная кинематическая схема которого изображена на рисунке 1 ,а. Особенностью такого решения является введение упругого элемента 3 (пневмоэлемента), выполняющего функцию первоначально заданного прижима инструмента и одновременно датчика изменения положения штока, что эквивалентно изменению усилия прижима. Другой особенность является включение в кинематическую схему рычага передачи усилия 4, который позволяет выбрать оптимальные соотношения усилий и быстродействия гидропривода, а также обеспечить конструктивную компоновку привода в ограниченном пространстве ротора.

Для теоретических исследований в качестве научного метода использован метод моделирования. В результате разработан алгоритм моделирования процесса окорки автоматически управляемым пневмогидроприводом, его математическое описание и предложена реализация алгоритма в виде имитационной модели в среде ¿¡тиНпк приложения Ма^аЬ. Структурная схема автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя приведена на рисунке 1,6.

В модели гидропривода учитываются различные нелинейности (люфты, дисбаланс, запаздывание, «паразитные» объемы) и позволяют достаточно точно исследовать процесс окорки лесоматериалов. Математическая модель реализована в виде имитационной модели для численного решения в среде визуального моделирования 51тиПпк приложения Маи_аЬ.

Третья глава посвящена разработке САУ пневмогидропривода короснимателя. Структура обобщенной модели гидропривода приведена на рисунке 2, а на рисунке 3 изображены элементы модели САУ.

В модели было предусмотрено 22 варьируемых параметра, оптимизация которых выполнялись на трех этапах:

1) при разработке исполнительной части пневмогидропривода;

2) при разработке САУ для пневмогидропривода;

3) при определении параметров передаточной функции САУ.

Блмфоршфоюжя _ аггела датчика полажен« ютоа Щи рычага кредачи усншя (обратная

связь). Параметр Цтва

I I Машита—

ФЧ"«Р» мепричео-

штон --*i юЫпреоб-

I 1ра»ватнь

«явления (БФ1У)

I

Блжфортроеамя нтнала датчика угловой скорости ротора

Блок формирования автола дапш ти? щего положения штока лнеаюэлЕнента. Параметр

Блнфорирсеанм еиталвдзтчка начального положения штока тиеоиоэлемента (задатшотуиюиа). Параметр futa

а) - расчетная кинематическая схема; б) - структурная схема; I- модель объекта управления; II- модель гидропривода короснимателя; ЭГУ- электрогидравлический усилитель; САУ- система автоматического управления; МЭП - магнитоэлектрический преобразователь; 1 - гидравлический насос; 2 - гидроцилиндр; 3 - пневматический элемент; 4 - рычаг передачи усилия; 5 - датчик положения поршня пневмоэлемента; 6 -датчик угла поворота рычага передачи усилия; 7-коросниматель; 8-лесоматериал Рисунок 1- Коросниматель с пневмогидроприводом

Процедура оптимизации методом покоординатного спуска повторялась на каждом этапе разработки модели стандартными средствами Ма^аЬ, реализуя многопараметрическую (список параметров приведен в таблице) оптимизацию. На каждом этапе в качестве ограничений принимались оптимальные значения параметров, найденные на предыдущем этапе, поэтому в полном цикле выполнился алгоритм поэтапной оптимизации параметров модели.

I - подсистема «Модель ЭГУ»; II - подсистема «Модель гидроцилиндра»; III - подсистема «Перемещение штока и рычага»; IV- подсистема «ДОС»; V- блок «Контроль перемещений объекта управления» Рисунок 2-Структура обобщенной модели гидропривода в Simulink-формате

•< т

ч wajpw р

^расч лд •—Q, ад

Кяиюнитср ДОС

Регулятор ГП

а)

lf(ul <=0.05)

ut else

»а

Inl Dull

ад

»11« it

Inl Outt

В)

a) - структурная схема цифрового ПИД-регулятора ГП; б) - схема моделирования автоматического управления ГП; в) - схема модели компенсатора ДОС;

Рисунок 3 - Элементы модели САУ пневмогидропривода короснимателя в Simulink-формате

На первых двух этапах в среде Simulink получены значения, оптимальные по Парето. На последнем этапе выполнялась оптимизация параметров передаточной функции на переходных режимах (рисунки 4,6) по критериям качества управления с учетом противоречивости критериев и выработки компромисса между ними с использованием в MatLab процедуры «Signal Constraint».

а) б)

а) - переходный процесс при отработке задающего сигнала верхней границы зоны регулирования; б) - фрагмент I рисунка а) - процесс отработки сигнала с максимальным градиентом в границах зоны регулирования; 1 - задающее воздействие; 2 - bedjoad; 3 - bed; 4 - best; 5 - bestjoad

Рисунок 4-Переходные процессы в пневмогидроприводе короснимателя

Град.

КР-Р 1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

/ *** \

I — -4—

\ \ / —

/ 1 \

л 1

( _ 1 \

ч 1- —_

\ 1 1 /

-I

1

О 0,5 1 1,5 2 2,5 С

Рисунок 5 - Фрагмент результатов оптимизации переходных процессов

в 51тиПпк-формате (незатененной частью графика в Ма1:1_аЬ предусмотрено выделение области допустимых значений функции)

Критериями качества управления принимались:

- максимальная величина перерегулирования, Н;

- время выхода на режим при заходе

короснимателя на бревно, мс;

- время захода на сучок, мс.

В этом случае представлялось целесообразным выработать обобщенный показатель эффективности, но специфика задачи позволила для поиска компромисса между критериями построить вначале соответствующие зависимости параметров качества управления (рисунок 6) и найти оптимальное значение коэффициентов передаточной функции САУ графически.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям процесса окорки, включающим следующие задачи:

- определение микропрофиля поверхности бревна, копируемого лезвием короснимателя;

- получение математического описания микропрофиля поверхности бревна;

- выполнение численного машинного эксперимента по исследованию процессов окорки на станке с автоматически управляемым ко-роснимателем и проверка адекватности теоретических моделей.

Численный эксперимент проводился с реальными экспериментальными данными для различных режимов работы станка типоразмера ОК63. Процесс моделирования движения короснимателя при скорости подачи бревна 2,1 м/с и вращения ротора 420 мин"1 по сучковатой поверхности лесоматериала толщиной 55 см изображен на рисунке 7.

а) - от коэффициента пропорциональности (Кр_р); 6) - от периода дискретизации (ТО_р)-} в) - от коэффициента дифференциальной составляющей (ТУ_р) Рисунок 6 - Зависимость параметров качества управления от коэффициентов передаточной функции

Пятая глава посвящена практическому применению результатов исследований и расчету экономического эффекта. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методика и программный комплекс проектирования автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя. Применение программного комплекса обеспечивает сокращение сроков проектирования и доводки опытных образцов за счет развитых методов численных экспериментов на основе имитационных моделей, а также реализации технологии полунатурных экспериментов. При его использовании были рассчитаны основные параметры предложенной конструкции автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя РОС (таблица).

3

/ г

г

.

0.2 0.4 0.6 0.3 1 1.2 1.4 1.6 1 8 С

В)

а) - угловое положение рычага передачи усилия при отработке сигнала управления; 6) - фрагмент I рисунка а); в) - рассогласование задающего сигнала и сигнала отработки; 1 - задающий сигнал; 2 - сигнал отработки; 3 - рассогласование задающего сигнала и сигнала отработки Рисунок 7 - Процесс копирования короснимателем поверхности сучка высотой 4 см

Экономический эффект от внедрения результатов исследований проявляется в двух направлениях:

- на стадии проектирования за счет сокращения сроков создания новых моделей станков, повышения качества разработки проектов;

- на стадии использования станков с автоматически управляемым короснимателем за счет повышения производительности, надежности, обусловленных исключением динамических нагрузок, технологичности и качества окорки короснимателем с дистанционным управлением прижимом.

6 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Проведенные исследования позволили получить следующие основные результаты и рекомендации.

1. На основании исследований показано, что самым перспективным направлением, которое обеспечило прогресс в совершенствовании роторных станков за последние два десятилетия, является внедрение систем автоматизированного управления рабочими органами, оснащенными, как правило, пневмо- и/или гидроприводом. В этой связи работы, начатые ЦНИИМЭ в конце 80-х годов по созданию новой гаммы роторных окорочных станков с гидроприводом, отражают мировые тенденции, и на сегодня следует развивать это направление с применением систем автоматического управления, а современная элементная база пневмо-, гидропривода, микропроцессорной техники позволяет оснастить механизм режущего инструмента роторного окорочного станка приводом с системой автоматического управления.

2. Предложено конструктивное решение кинематической схемы автоматически управляемого короснимателя, позволяющее подобрать оптимальное соотношение быстродействия и силовых параметров гидропривода.

3. Выявлено, что управление короснимателем с помощью гидропривода невозможно обеспечить на всех режимах, но введение в систему последовательно включенного упругого элемента, например пневматического, позволяет обеспечить параметры управления для высокочастотного процесса окорки, силовых параметров гидропривода, а также наиболее рационально реализовать систему автоматического регулирования.

4. Предложенная математическая модель пневмогидропривода короснимателя и ее реализация в среде МаНаЬ позволяют исследовать и проектировать такие механизмы для РОС.

5. Разработана САУ пневмогидропривода короснимателя на дискретном ПИД-регуляторе, представленная передаточной функцией вида:

цг = та р-та 6 АО _Р - А\_Р -г"1 '

I

со следующими оптимальными значениями коэффициентов:

- дифференциальной составляющей Тб_р = 0,01;

- пропорциональности Кр_р = 3;

- периода дискретизации Т0_р = 0,003.

6. Установлено, что при работе станка с механизмом режущего инструмента, оснащенного САУ, обеспечивается исключение динамических нагрузок и повышение скорости подачи в сравнении с реальными данными 0,2-0,6 м/с в 3-5 раз. При максимальных режимах - вращении ротора 420 мин"1, подаче до 2,1 м/с и толщине бревна 55 см - неточность регулирования составляет не более 12 %.

7. Для разработки САУ с пневмогидроприводом может применяться метод экспериментальных исследований, предложенный в работе. Экспериментальные исследования методом имитационного численного моделирования работы МРИ достаточно точно могут быть выполнены на экспериментальной модели лесоматериала. Для этих целей используются полученные в работе эмпирические уравнения в виде полиномов, описывающие микропрофиль поверхности лесоматериала, по которой движется коросниматель.

8. Для практического использования результатов исследований разработана методика и программный комплекс проектирования автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя. Разработка программного комплекса в среде Simulink приложения MatLab-7.13 позволяет реализовать технологию полунатурного эксперимента при доводке опытных образцов роторных окорочных станков.

9. Рекомендуемые параметры пневмогидропривода механизма короснимателя и системы автоматического управления, рассчитанные по результатам исследований, приведены в таблице.

Предлагаемые параметры автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя

Наименование параметра Значение

1. Эффективная площадь бесштоковой полости ГЦ, м2 11 (±0,7)10"4

2. Эффективная площадь штоковой полости ГЦ, м2 g.Síto.Tí-Kr4

3. Расстояние между упорами ГЦ (ход штока), м 15,9(±1,1)-10"2

4. Относительный командный ток насыщения, мА 0,25(±0,02)

5. Относительное смещение середины зоны нечувствительности МЭП, м 9(±0,1)-10"3

3. Относит, перемещение струйной трубки в момент насыщения силовой характеристики 1-го каскада 0,7(±0,05)

7. Постоянная времени золотника, с 25(±0,5)-10"3

В. Макс, значение относит, смещения середины зоны нечувствительности МЭП от линейных перегрузок 0,09

9. Макс, проводимость раб. окна МЭП, м2с/Н2 3,2694-10"'

10. Проводимость канала золотникового распределителя, м2с/Н2 26,819 (±0,005)-10"7

11. Плечо поворота вала датчика обратной связи, м 0,12(±0,001)

12. Длина кронштейна короснимателя, м 0,2(±0,05)

Окончание таблицы

13. Начальный угол наклона кронштейна короснимателя к пневмоэлементу, рад 0,31 (±0,007)

14. Коэффициент демпфирования пневмоэлемента, Нс/м 1(±0,03)-10'3

15. Коэффициент упругости пневмоэлемента, Н/м 4600(±2)

16. Длина пневмоэлемента без нагрузки, м 0,6(±0,01)

17. Наклон РПУ в начальном положении относительно радиального направления, рад 52,36-10"2

18. Длина РПУ, м 0,3(±0,03)

19. Соотношение плеч РПУ 1/3

20. Начальный угол положения пневмоэлемента относительно гидроцилиндра, рад 0(±0,01)

21. Ход штока пневмоэлемента, м 0,7(±0.01)

10. Применение программного комплекса при проектировании обеспечивает экономический эффект не менее 150 тыс. руб. на одну модель станка. Расчетный экономический эффект от внедрения результатов исследований, обусловленный повышением производительности, надежности окорочных станов с автоматически управляемым пневмогидроприводом короснимателя и принятыми параметрами составляет не менее 7,3 млн руб. на станок в год.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

I. Научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Побединский В.В., Берстенев A.B. Тенденции в развитии роторных окорочных станков // «Справочник. Инженерный журнал», № 5(182) - М.: ООО «Издательский дом "Спектр", 2012. - С. 46-51.

2. Побединский В.В., Берстенев A.B. Конструкции современных окорочных инструментов // Вестник КрасГАУ. Техника, №5(68) -Красноярск: КрасГАУ, 2012. - С. 293-297.

3. Побединский В.В., Берстенев A.B. Пневмо- и гидропривод в роторных окорочных станках // Вестник КрасГАУ. Техника, №6(69) -Красноярск: КрасГАУ, 2012. - С. /3<?-Л/3.

4. Побединский В.В., Берстенев A.B. Коросниматель с пневмогидроприводом // Вестник КрасГАУ. Техника, №7(70) - Красноярск: КрасГАУ, 2012. - С. ¿¿6- /ЗО.

II. Доклады к международным конференциям

5. Берстенев A.B., Побединский В.В. Математическая модель гидропривода рабочего органа роторного окорочного станка // Сб. тр. междун. Евразийск. симпоз. 20-21 сентября 2006 «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» / под науч. ред. И.Т. Глебова. - Екатеринбург: УГЛТУ, ООО РИЦ «Компас»,

2006.-С. 177-181.

6. Побединский В.В., Берстенев A.B. Синтез математической модели гидропривода механизма резания роторного окорочного станка в системе MatLab // Сб. тр. междунар. Евразийск. симпоз. 2021 сентября 2006 «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» / под науч. ред. И.Т. Глебова. - Екатеринбург: УГЛТУ, ООО РИЦ «Компас», 2006. - С. 170-177.

7. Побединский В.В., Берстенев A.B. Моделирование процесса окорки лесоматериалов на основе теории нечетких множеств // Сб. тр. междунар. Евразийск. симпоз. 20-21 сентября 2006 «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» / под науч. ред. И.Т. Глебова. - Екатеринбург: УГЛТУ, ООО РИЦ «Компас», 2006. - С. 90-97.

8. Берстенев A.B., Побединский В.В. Моделирование рабочих процессов роторного окорочного станка в среде MatLab // Сб. тр. междунар. Евразийск. симпоз. 20-21 сентября 2006 «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» / под науч. ред. И.Т. Глебова. - Екатеринбург: УГЛТУ, ООО РИЦ «Компас», 2006.-С. 182-187.

III. Статьи в сборниках материалов Всероссийских и региональных научных конференций

9. Берстенев A.B., Побединский В.В., Санников С.П. Система автоматического управления рабочим органом роторного окорочного станка // Матер. II Всерос. науч.-техн. конф. студ. и аспирантов 19 апреля 2006. Ч. 2. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2006. - С. 115-118.

10. Берстенев A.B., Побединский В.В., Шуняев С.Н. Применение алгоритмов нечеткого вывода в моделировании объектов с нестрого определенными параметрами // Системы управления ракетных комплексов. Ill научн.-техн. конф. молодых специалистов НПОА: Сер. Ракетно-космическая техника: науч.-техн. сб. - Екатеринбург: Федеральное агентство ФГУП «НПО автоматика им. академика H.A. Семихатова», 9-11 апреля 2006. - С. 119-127.

Просим Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями направлять по адресу: 620 100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37, УГЛТУ, диссертационный совет.

Подписано к печати 21.07.2012. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Бумага мелованная. Гарнитура «Arial» 14 пт. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ №

Издательство Уральского государственного лесотехнического университета 620 100, Екатеринбург, Сибирский тракт, 37.

ФГБОУ ВПО

«Уральский государственный лесотехнический университет»

о

На правах рукописи

БЕРСТЕНЁВ Андрей Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АВТОМАТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМОГО ПНЕВМОГИДРОПРИВОДА КОРОСНИМАТЕЛЯ РОТОРНЫХ ОКОРОЧНЫХ СТАНКОВ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

см

(ф Диссертация

на соискание ученой степени Ю т- кандидата технических наук

СО °

см ю

р Научный руководитель

кандидат технических наук Побединский В.В.

Екатеринбург 2012

Содержание

Введение.................................................................................6

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.....12

1.1 Анализ конструкций роторных

станков и механизмов режущего инструмента...................12

1.1.1 Станки с позиционированием бревна по центру

ротора двухвальцовым механизмом подачи..................15

1.1.1.1 Унифицированная гамма станков марки «ОК» 15

1.1.1.2 Станки марки «УК».......................................................16

1.1.2 Станки с позиционированием

ротора относительно центра бревна..............................22

1.1.3 Станки с позиционированием бревна по центру

ротора трехвальцовым механизмом подачи...................24

1.1.4 Околостаночное оборудование.......................................30

1.1.4.1 Подающие конвейеры..................................................31

1.1.4.2 Приемные механизмы..................................................32

1.1.5 Конструкции механизма режущего инструмента.............33

1.2 Анализ работ, посвященных исследованию процесса окорки лесоматериалов и совершенствованию механизма режущего инструмента...................................37

1.3 Методы регулирования прижимом короснимателя..............52

1.4 Выводы, цель, задачи и общая

методология исследований..............................................55

Глава 2 РАЗРАБОТКА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПНЕВМОГИДРОПРИВОДА КОРОСНИМАТЕЛЯ ..........60

2.1 Обоснование принципиальной и расчетной схемы пневмогидропривода короснимателя.................................60

2.2 Математическая модель

пневмогидропривода короснимателя.................................77

2.2.1 Исходные положения......................................................77

2.2.2 Формализация процессов выполнения рабочих операций элементами гидропривода..............................79

2.2.3 Обобщенная математическая модель

и алгоритм процесса работы гидропривода....................90

2.3 Синтез математической модели гидропривода короснимателя в среде визуального

моделирования ЗппгшГшк приложения Ма^аЬ...................98

2.3.1 Общая структурная схема модели гидропривода............98

2.3.2 Структура подсистемы «Модель золотника ЭГУ»...........99

2.3.3 Структура блока «Перемещение струйной трубки»..........99

2.3.4 Структура подсистемы «Модель гидроцилиндра»............101

2.3.5 Структура блока «Расход рабочей жидкости».................103

2.3.6 Структура блока «Расчёт расхода

рабочей жидкости».........................................................103

2.3.7 Структура подсистемы «Перемещение штока и рычага» 104

2.3.8 Структура блока «Скорость

перемещения штока и рычага».......................................104

2.3.9 Расчетная схема объекта управления в среде 31тиМпк ...105

2.3.10 Обобщенная модель

пневмогидропривода в среде Ма11_аЬ...........................107

2.3.11 Проверка адекватности работы модели гидропривода................................................................ 107

2.4 Выводы по второй главе....................................................113

Глава 3 РАЗРАБОТКА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

САУ ПНЕВМОГИДРОПРИВОДА КОРОСНИМАТЕЛЯ ...115

3.1 Структурная схема САУ пневмогидропривода.

Синтез САУ пневмогидропривода МРИ в среде Ма11_аЬ .... 115

3.2 Оптимизация параметров модели пневмогидропривода ...118

3.3 Исследование влияния параметров ПИД регулятора на характеристики САУ. Оптимизация

параметров передаточной функции САУ......................... 122

3.3.1 Анализ результатов оптимизации

параметров передаточной функции САУ.......................... 124

3.4 Исследование работы короснимателя

с системой автоматического управления.......................... 131

3.4.1 Влияние параметров САУ на работу МРИ...................... 131

3.4.2 Исследование характеристик САУ пневмогидропривода

с учетом усилия прижима короснимателя...................... 135

3.5 Проверка САУ пневмогидропривода на устойчивость...... 142

3.5.1 Методика проверки на устойчивость...............................142

3.5.2 Исследование на устойчивость модели

золотникового распределителя.......................................144

3.5.3 Исследование параметров работы управляемой

подсистемы в диапазоне рабочих частот......................148

3.6 Выводы по третьей главе..................................................153

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССА ОКОРКИ С АВТОМАТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫМ КОРОСНИМАТЕЛЕМ .......................155

4.1 Цель, задачи и постановка численного эксперимента.......155

4.2 Разработка модели лесоматериала...................................156

4.2.1 Подготовка образца лесоматериала...............................158

4.2.2 Определение микропрофиля поверхности......................158

4.3 Выполнение эксперимента.................................................161

4.4 Моделирование движения короснимателя

по поверхности лесоматериала с сучками.........................164

4.5 Сравнение процесса окорки с включенной и отключенной САУ пневмогидропривода короснимателя........................ 164

4.6 Результаты экспериментальных исследований.................167

4.7 Выводы по результатам экспериментальных исследований 167 Глава 5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ .................174

5.1 Методика проектирования автоматически управляемого

пневмогидропривода на основе имитационной модели.... 175

5.2 Разработка алгоритма программного комплекса................181

5.3 Расчет экономического эффекта

от внедрения результатов исследований..........................182

6 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ...186 Приложение А (справочное) Станки

унифицированной гаммы «OK»..........................................190

Приложение Б (справочное) Станки марки «VK».....................191

Приложение В (справочное) Станки с позиционированием

ротора относительно центра бревна.................................207

В1. Станки марки «Nicholson»............................................207

В2. Станки марки «Тауте»................................................216

Приложение Г (справочное) Конструкции станков с позиционированием бревна по центру

ротора трехвальцовым механизмом подачи.....................217

Приложение Д (справочное) Околостаночное оборудование ...224

Приложение Е (справочное) Конструкции короснимателей.....230

Приложение Ж (обязательное) Исходные данные для расчетов 233 Приложение И (справочное) Отходы коры

как продукция на рынке....................................................234

Приложение К (обязательное) Расчет экономического

эффекта от внедрения результатов исследований..........235

Приложение Л (обязательное) Акты внедрения.......................250

Библиографический список.....................................................253

Введение

На сегодня в лесной промышленности общеизвестно, что комплексная переработка древесного сырья невозможна без окорки лесоматериалов, так как все сортименты, за исключением дров, должны окариваться перед дальнейшим использованием. В технологических процессах лесозаготовительной и деревообрабатывающей отраслей для окорки лесоматериалов используются роторные окорочные станки. В нашей стране серийно выпускаются станки унифицированной гаммы, в которую входят одноротор-ные ОК40-2, ОК63-2, ОК80-2, ОКЮО-2 и двухроторные модели 20К40-2, 20К 63-2, 20К80-2, 20К100-2, 2РОС-55.

В конце 80-х годов ситуация с парком станков складывалась таким образом, что на тот период в отрасли было почти 1600 станков и дополнительно еще 1200 заказывалось предприятиями отрасли. Планы отрасли не были выполнены, поэтому на сегодняшний день ситуация значительно обострилась. В этой связи создание новых более прогрессивных моделей окорочных станков с целью повышения надёжности и производительности является актуальной задачей.

Процесс совершенствования таких станков еще в 80-х годах законодательно получал поддержку на государственном уровне, и принимались различные законодательные документы, например, «Программа технического перевооружения отрасли на 1990-2000 гг.», ГОСТ 27012-86 «Оборудование деревообрабатывающее. Общие технические требования», предусматривающие коренную переработку конструкции всего станка с внедрением гидропривода его рабочих органов. Совершенно очевидно, что преимущества гидро- или пневмопривода наиболее полно реализуются с системами автоматического управления (САУ).

Тенденция перехода на гидропривод механизма подачи, а также использование пневмопривода достаточно четко проявилась в зарубежных конструкциях, например, «Nicholson» (Канада), «Belloit» (Канада), «Brünette» (Канада), «Cambio» (Швеция), «Valon Копе» (Финляндия), «SCS-SDB900(1200)» (Япония), где гидро- и/или пневмопривод применяется в основном для механизма подачи, выполнения вспомогательных движений, но использование такого типа привода для короснимателя из-за необходимости применения систем автоматического управления, сложности технологического процесса, конструкции ротора в полной мере пока не было реализовано.

Оснащение короснимателя САУ вызывает ряд сложных проблем связанных с размещением гидро- или пневмосистемы во вращающемся роторе, обеспечением быстродействия управления и силовых параметров привода, передачей информации методом телеметрии. В результате задача совершенствования механизма режущего инструмента (МРИ) в этом направлении остается нерешенной, а производители окорочного оборудования производят автоматизацию отдельных элементов, принципиально не изменяющую конструкцию и эффективность работы станка в целом.

Поскольку ранее полностью автоматическое управление ко-роснимателями было практически не реализуемо, принципиально новых конструктивных решений подобного типа за последние десятилетия в российской практике не наблюдалось. Объективные трудности были как технические, связанные с бесконтактной передачей управляющих сигналов из вращающейся системы ротора, так и теоретические в плане проектирования механизмов с учетом динамических нагрузок или автоматического регулирования инструментом.

Опыт последних лет показал, что интенсивное развитие эле-

ментной базы пневмо- и гидропривода, информационных технологий, микропроцессорной техники, а также практических приложений математики в различных областях, новых методов управления позволяют решать ранее недоступные для практической реализации вопросы автоматического регулирования и конструктивного исполнения рабочих органов станков. Ряд ведущих производителей в мире освоил выпуск окорочных станков с пневмо-, гидроприводом и дистанционным управлением некоторых механизмов. Таким образом, направление, которое в России еще к концу 80-х годов было обосновано теоретически [60,61] и достаточно успешно начато [9,37], получило дальнейшее развитие в зарубежной практике [24,75-95].

В настоящее время на отечественном рынке появились современное оборудование, комплектующие элементы, необходимые для создания автоматизированных станков. Однако отсутствие теоретических разработок, посвященных вопросам проектирования таких конструкций, не позволяет в полной мере реализовать достижения прогресса.

Таким образом, разработка конструкций гидро-, пневмоприводов, а также методов и систем управления рабочими органами окорочных станков позволяет решить важную практическую задачу и является чрезвычайно актуальной.

Целью работы являлось повышение надежности, производительности роторных окорочных станков путем применения автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: - выполнить анализ конструктивных решений механизмов, результатов работ, посвященных совершенствованию РОС, определить наиболее перспективную конструкцию и основные элементы гидропривода для применения с си-

стемой автоматического управления короснимателя;

- разработать принципиальную схему и математическую модель пневмогидропривода короснимателя;

- разработать имитационную модель пневмогидропривода в развитой компьютерной системе математического моделирования;

- определить метод управления и структурную модель САУ короснимателя;

- разработать математическую модель САУ пневмогидропривода короснимателя;

- разработать имитационную модель САУ в компьютерной системе математического моделирования;

- разработать модель микропрофиля поверхности лесоматериала;

- выполнить проверку адекватности модели автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя;

- выполнить анализ модели САУ на устойчивость при работе короснимателя с предложенным пневмогидроприводом;

- разработать алгоритм программного комплекса проектирования автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя;

- обеспечить внедрение результатов исследований в практику;

- оценить экономический эффект от внедрения результатов исследований в производство и проектно-конструкторскую практику.

Научная новизна. Впервые разработаны математические модели пневмогидропривода и системы автоматического управления короснимателя станка, необходимые для определения параметров МРИ.

(

Предложена имитационная модель пневмогидропривода с САУ в среде 81тиГшк приложения Ма^аЬ.

Новой является методика проектирования механизма режущего инструмента с системой автоматического управления пнев-могидроприводом.

На защиту выносятся следующие результаты:

- математическая модель пневмогидропривода короснимате-ля и ее реализация в виде имитационной модели в системе Ма^аЬ, необходимые для определения параметров МРИ;

- математическая модель системы автоматического управления пневмогидропривода короснимателем и ее реализация в виде имитационной модели в среде Ма11_аЬ, предназначенные для определения основных параметров САУ;

- параметры автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя;

- методика проектирования автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя.

Практическая ценность работы и ее реализация.

По результатам исследований разработано конструктивное решение МРИ с пневмогидроприводом.

Результаты исследований представлены в виде рекомендаций, математических, имитационных моделей, методики расчета, компьютерных программ, позволяющих решать задачи проектирования пневмогидропривода короснимателя с системой автоматического управления.

Полученные результаты и разработанные рекомендации были приняты для использования в практику создания роторных окорочных станков ОАО «Лесмаш» (г. Екатеринбург), ОАО «УралНИ-ИДРЕВ» (г. Екатеринбург).

Реализация рекомендаций и внедрение станка с параметрами механизма резания, принятыми по результатам исследований, позволит получить эффект до 7,3 млн руб. на станок в год.

Результаты исследований докладывались на кафедрах сервиса и эксплуатации транспортных и технологических машин, технологии и оборудования лесной промышленности Уральского государственного лесотехнического университета, на заседании секции Федерального государственного унитарного предприятия «НПО автоматики им. академика H.A. Семихатова» (г. Екатеринбург), на международном Евразийском симпозиуме (г. Екатеринбург), всероссийских научно-технических конференциях аспирантов и молодых специалистов в 2005, 2006, 2007 гг. Основные положения диссертации опубликованы в работах [96-105].

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАНИИ ИСССЛЕДОВАНИЙ

В процессе совершенствования станков нужно учитывать как актуальные требования производства, так и преимущества уже созданных конструкций. С этой целью необходимо провести анализ существующего положения в области технологий окорки, определить наиболее перспективные конструктивные решения механизмов станка, практическую цель и задачи научно-исследовательского плана, а также научные подходы к решению поставленных задач.

1.1 Анализ конструкций роторных станков и механизмов режущего инструмента

В настоящее время в мировой практике используется более ста моделей роторных станков для окорки лесоматериалов толщиной от 4 до 220 см. Известны станки наиболее массового выпуска типа «Cambio» («Söderhamn Eriksson», Швеция), «VK» («Valon Копе», Финляндия), «OK» (станки унифицированной гаммы, СССР), «Nicholson», «Brünette», «Belloit» (Канада). Роторные станки также выпускают в Японии («SCS-SDB»), ФРГ («ЕР-75») и других странах.

В станках, выпускаемых зарубежными фирмами, для учета конъюнктуры рынка примерно через каждые 3-5 лет проводится реконструкция с заменой узлов, частично моделей, а иногда одновременно и всех типов.

Каждый производитель в конструкциях выпускаемых станков соблюдает принципы типизации, унификации и конструктивного подобия общей компоновки и околостаночного оборудования. Как правило, выпускаемые одной фирмой станки идентичны по внешнему виду, поскольку образуют типоразмерный ряд.

В целом многообразие различных моделей роторных станков, применяемых на сегодня для штучной окорки лесоматериалов, по конструктивному решению подразделяется на четыре типа:

1) станки с позиционированием бревна по центру ротора двухвальцовым механизмом подачи (унифицированная гамма «OK», «VK», «Nicholson А5», «Nicholson А5В», « Nicholson A8», «Brunette Kodiak Dual»)