автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение качества и надежности манипуляторов лесных машин

Ззрснегская государственная лесотехническая академия

ПОВШЕННЕ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ МАНИПУЛЯТОРОВ ЛЕСНЫХ МАШИН

05.21.01 - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

на правах рукописи

Р Г 5 ОД '¿. Ь анР 1935

ГЕРАСИМОВ Юрий Юрьевич

Воронеж - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургской Лесотехнической академии

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор АНДРЕЕВ В.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

чл.-корр. АЕН РФ БАРТЕНЕВ И.М.

- доктор технических наук, профессор ДОБРЫНИН Ю.А.

- доктор технических наук, профессор Т0Р0Л0В А.С.

Ведущее предприятие - АО "Онежский тракторный завод".

Защита диссертации состоится 26 мая 1995 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 064.06.01 при Воронежской государственной лесотехнической академии {394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ВГЛТА).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан апреля 1995 г.

Ученый секретарь

диссертационного созета,

д. т. и., проф.. чя.-корр. АЕН РФ

Курьянов В. К.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основной целью научно-технического прогресса лесного хозяйства и лесной промышленности является разработка и внедрение прогрессивных технических и технологических решений, обеспечивающих максимальное повышение производительности труда и создание условий для рационального использования всей биомассы дерева при минимальном воздействии машин на лесную среду и оператора. Это возможно только при достаточном оснащении предприятий отрасли высококачественными машинами и правильной их эксплуатацией. С этой целью за последние два десятилетия создана ло-существу новая отрасль машиностроения - лесное машиностроение по производству лесных машин (валочных, трелевочных, сучкорезных, лесопосадочных и т.д.).

Особое значение имеет этап проектирования, на котором выбираются основные параметры технологического оборудования лесных машин, определяющих ее качество и эффективность на весь период существования. Необратимость ранее принятых решений, неопределенность обстановки.. которая сложится при эксплуатации системы, постоянно возрастающая сложность самих систем в значительной. мере повышают ответственность научного обоснования характеристик. Кроме того, в условиях ускорения научно-технического прогресса, когда непрерывно сокращаются сроки эффективного существования систем в связи с моральным их старением, сокращаются и сроки, отводимые на исследования, а также требуются новые под- ■ ходы к их проведению. Научно-технический прогресс меняет облик этапа проектирования: . внедряется система автоматизации проектных работ, непрерывно повышается производительность труда проектантов. Характерной особенностью этого этапа является сравнительная свобода выбора проектных решений по компонентам системы и необходимость предусмотреть возможные условия функционирования изделий.' Обоснование технических решений с-,позиций системного подхода позволяет уже на начальных стадиях проектирования наметить пути, обеспечивающие, высокие качество и эффективность изделия в диапазоне условий планируемого применения.

Исследование качества и эффективности сложных технических систем, каковыми являются машины и оборудование лесного комплекса, на этапе конструкторского проектирования характеризуется множеством неопределенных факторов.' отражающих недостоверность

сведений о параметрах природно-производственных условий эксплуатации. технических характеристиках систем лесных машин. Кроме того, отсутствие моделей, полностью адекватных реальным процессам, неоднозначность критериев функционирования систем машин, трудность предсказания поведения объекта, и т.д. также обуславливают наличие неопределенных факторов при проектировании. Поэтому для обеспечения высокого качества и эффективности систем лесных машин необходимо в конструкциях их компонентов предусмотреть возможность изменения (адаптации) параметров в зависимости от конкретных ситуаций, так как на всех этапах жизненного цикла систем неопределенные факторы изменяются и уточняются. Реализация адаптивных технических решений является одним из перспективных направлений конструкторской компенсации неопределенности, поэтому методология исследования качества в работе рассматривается с позиции синтеза адаптивных возможностей систем.

Цель работы. Повысить эффективность лесозаготовительных машин на основе обеспечения качества проектирования манипулятор-ного технологического оборудования путем применения метода синтеза адаптивных лесотехнических систем с учетом системного подхода и условий неопределенности.

Объекта и методы исследований. Объектами исследований являлись: экспериментальные образцы манипуляторов ПЛГ-35. ПЛГ-50, погрузчика ЛГ-203. форвардера ЛТ-82; чистые сосновые древостой (1, 2. 3 бонитетов и 0.8. 0.9, 1 полнот) Северо-Запада России; рубки главного и промежуточного пользования;технологические процессы изготовления металлоконструкций манипуляторов заводов лесного машиностроения "Силава", "ОТЗ", "Краслесмаш". а также используемые при этом металлы - 10ХСНД. 15ХСНД. 444 и их сварные соединения.

При решении исследовательских задач применялись следующие основные методы: математическое моделирование; статистических . испытаний (Монте-Карло); системного подхода; оптимизации; теории чувствительности; теории игр и принятия решений; механики разрушения; теории надежности; статистики; марковских процессов.

Научная новизна работы. Заключается в разработке комплексного подхода к автоматизированному проектированию изделий лесного машиностроения на основе синтеза адаптивных возможностей лесо-

технических систем в условиях неопределенности с целью повышения качества и надежности. . При этом впервые были рассмотрены следующие вопросы:

- теоретическое обоснование и практическое применение метода синтеза ' адаптивных возможностей систем в условиях неопределенности: разработан метод автоматизированного процесса обоснования проектных решений при проектировании манипуляторного технологического оборудования, основанный на иерархической структуре процесса проектирования, выборе критериев, математических моделей и процедур принятия решений;

- методы многоцелевой оптимизации машинизированных программ рубок промежуточного и главного пользований с учетом технологии проведения работ и характеристик машины одновременно по двум критериям: выходу ликвидной и(или) деловой древесины, а также относительной себестоимости заготовки древесины;

- метода обоснования оптимальных основных параметров манипуляторного технологического оборудования по векторному критерию, компонентами которого являются: производительность и грузоподъёмность машины, повреждаемость остающегося древостоя или подроста, доступность деревьев (сортиментов) к обработке и качество выполнения программы рубок на основе имитационных моделей возможных технологий лесосечных работ и моделей лесосек в части генерирования группового размещения насаждений;

- метода обоснования оптимальных параметров компоновочной схемы "скелетной" части манипуляторного технологического оборудования по векторному критерию, учитывающему продолжительность цикла обслуживания, металлоемкость и объем рабочей зоны;

- методы и математические модели для определения оптимальных параметров передаточных механизмов манипуляторного технологического оборудования на основе использования интегрального показателя расчетной грузоподъемности;

- методы оценки надежности конструкций манипуляторного технологического оборудования, основанные на физико-статистическом и вероятностно-статистическом подходах с использованием имитационного моделирования; математические.модели зарождения и развития' • усталостных трещин в металлоконструкциях в части учета вида и места расположения технологических дефектов, специфичности режима нагружения и условий эксплуатации, влияния сварного соединения и геометрии элементов; .экспериментально-теорети-

ческие характеристики трещиностойкости металлов и их сварных соединений, используемых на-предприятиях лесного машиностроения.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- возможность создания автоматизированной процедуры принятия проектных решений для мгпипуляторных лесных машин с помощью применяемого метода синтеза адаптивных возможностей систем, основанного на теориях системного подхода, оптимального проектирования и принятия решений в условиях неопределенности;

- применение имитационного моделирования для Формализации динамической модели проблемной ситуации и обоснования на этом оптимальной программы машинизированных рубок ухода.. учитывающей технологию и прогнозируемые основные характеристики машины;

- использование гипотезы контагиозного размещения деревьев для генерирования лесосеки;

- методика обоснования основных параметров манипуляторного технологического оборудования, основанная на векторном критерии. компонентами которого являются: производительность и грузоподъемность машины, повреждаемость остающегося древостоя или подроста, доступность деревьев к обработке и качество выполнения программы рубок на основе имитационных моделей возможных технологий лесосечных работ;

- методика оптимального проектирования "скелетной" части и передаточных механизмов манипуляторного технологического оборудования, основанная на использовании соответственно векторного критерия, учитывающего продолжительность цикла обслуживания, металлоемкость а также объем рабочей зоны, и скалярного критерия в виде интегрального показателя расчетной грузоподъемности;

- возможность определения эксплуатационной нагруженности, основанная на допущениях о возможности замены реального процесса нагрунения последовательностью пуско-тормозных динамических процессов и марковости случайного процесса перехода из одного режима нагружения к другому; -

- возможность оценки надежнасти путем одновременного приме-' нения физико-статистического и математико-статистического подходов с использованием имитационного моделирования;

■ - технологические и конструкторские рекомендации, - позволяющие на этапе проектирования обеспечить качество и надежность манипуляторного технологического оборудования, сократить сроки

его создания и доводки а также адаптировать к будущим условиям эксплуатации в условиях инфляции.

Практическая значимость и реализация работы. Разработан математический аппарат, позволяющий научно обосновывать оптимальные конструкторско-технологаческие решения при проектировании изделий лесного машиностроения в условиях временно-пространственной изменчивости как объекта проектирования, так и природ-но-производственной среды функционирования.

Решение проблемы обеспечения качества и надежности изделий лесного машиностроения на этапе проектирования зависит от состояния и тенденций развития и сугубо лесоводственной теории рационального лесопользования, и теории рациональной эксплуатации, и. наконец, теории оптимального проектирования самих машин. Поэтому проведенные исследования в какой-то мере восполняют пробел, существующий до сих пор в лесной отрасли между ведением лесного хозяйства, лесозаготовок и производством технологического оборудования для их нужд. Кроме того, они ставят перед конструкторами и технологами новые задачи, обусловленные необходимостью более глубокого, всестороннего анализа влияния лесных маши и технологий как на традиционные показатели качества и эффективности (стоимость, производительность), так и на экологические, социальные показатели функционирования сложных лесотехнических систем.

Созданный пакет прикладных программ входит составной частью в систему автоматизированного проектирования гидроманипуляторов лесных машин. Его применение позволило повысить качество проектирования, сократить сроки доводки, снизить потери при эксплуатации за счет повышения надежности и производительности, снижения травматизма операторов.

. Экспериментальные данные по трещиностойкости, дефектности и уровню остаточных сварочных напряжений позволяют судить об уровне качества материалов, широко применяемых в лесном машиностроении, и являются необходимым справочным пособием при проведении расчетов долговечности конструкций на основе механики разрушения.

Основные научные положения и результаты внедрены: конструкторским бюро "Сплава" при проектировании и доводке гидроманипуляторов ПЛГ-35 и ПЛГ-50. создании системы автоматизированного проектирования гидроманипуляторов лесных машин, ликвидации пос-

ледствий систематических разрушений колонн с опасными для оператора последствиями; конструкторским бюро завода лесного машиностроения при проектировании манилуляторного погрузчика ЯГ-203; головным специализированным конструкторским бюро по лесопромышленным и лесохозяйственным тракторам Онежского тракторного завода; Петрозаводским государственным университетом в учебном процессе при изучении курсов "Проектирование лесопромышленного оборудования". "Математические методы и модели в расчетах на ЭВМ". "Эргономика".

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на международных, всесоюзных, всероссийских и республиканских конференциях "Scandinavian Forest Research In Europe: Operational Research" (Randers, Denmark, 1994). "Forest, environment and new technology In Northern Europe" (Петрозаводск, 1993), "Fracture mechanics: successes and problems" (Киев, 1993), "Расчет и управление наденностыо больших механических систем" (Екатеринбург, 1992). "Теоретические и прикладные разработки молодых трибологов" (Ростов, 1991), "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов" (Петрозаводск, 1990), "Автоматизация в лесном машиностроении" (Салас-пилс. 1988), "Научно-технический прогресс на предприятиях лесного комплекса Карелии" (Петрозаводск. 1988), "Основные направления научно-технического прогресса в лесном комплексе Коми АССР" (Сыктывкар. 1988), "Научно-технический прогресс и развитие науки" (Петрозаводск, 1987), на научных семинарах кафедр Технологий лесозаготовительных производств. Технологии лесного машиностроения и Проектирования специальных лесных машин Санкт-Петербургской Лесотехнической академии (1988-1994), на Лесном факультете университета г. Йоэнсуу (Финляндия) (1993-1994).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 24 печатных работах, в том числе монографии. Кроме того, результаты исследований отражены в 5 научно-технических отчетах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающего 276 наименований, приложений. Общий объем работы - 410.е., включающий 295 м.п.л., 73 рис., 20 табл.

- 9 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работа и основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Состояние проблемы и задачи исследования. Дан аналитический обзор проблемы механизации лесосечных работ и роли манипуляторного оборудования в ее разрешении. Обоснована необходимость автоматизации проектирования с целью повышения качества и надежности изделий лесного машиностроения. Обсуждается постановка задачи обеспечения качества и надежности на примере гид-романипуляторного технологического оборудования лесных машин.

Жизненный цикл технической системы убедительно показывает, что полная централизация принятия решения в одном звене по проектированию системы невозможна. Это приводит к необходимости построения в рамках системного подхода иерархической структуры системы проектирования. К настоящему времени в отечественных научных и высших учебных организациях накоплен достаточно богатый опыт в использовании системного подхода к автоматизированному проектированию изделий лесного машиностроения. Особое место уделено исследованиям ученых СПб Лесотехнической академии, в стенах которой сформировалась научная школа, основоположником которой является В.Н.Андреев. В его трудах и работах его учеников и коллег Ю.А.Добрынина, В.Н.Меньшикова, В.С.Кралина. . Э.М. Гусейнова Э.М., А.Г.Ковалева, А.С.Лукъянчука, А.П.Пупышева идеи системного подхода были реализованы применительно к проектированию лесозаготовительных и лесомелиоративных технологий, машин и технологического оборудования. Однако, целостной методики, пронизывающей все уровни проектирования и жизненного цикла с учетом неопределенности будущих условий функционирования еще не создано. Работы носили, как правило, фрагментарный характер.

На основании изложенного поставлены следующие задачи исследования:

- построить оптимизационную иерархическую процедуру обеспечения качества манипуляторного технологического оборудования;

- разработать математические модели"и алгоритмы принятия решений, учитывающие проблемные ситуации на основе общих принципов синтеза адаптивных систем и математического аппарата много-

целевого многопараметрического оптимального проектирования;

- разработать имитационную модель природной среды с учетом повреждаемости древостоев от воздействия лесной машины;

- сформировать математическую модель многоцелевой оптимизации технологии машинизированного лесопользования;

- построить имитационную модель технологии лесосечных работ;

- сформировать математические модели многоцелевой оптимизации основных параметров, компоновочной схемы "скелетной" части и передаточных механизмов манипуляторного технологического оборудования;

- сформировать математическую модель эксплуатационной нагру-женности лесной машины манипуляторного типа;

- разработать математическую макромодель надежности;

- провести экспериментальное исследование характеристик тре-щиностойкости и дефектности материалов, оценить уровень остаточных сварочных напряжений;

- провести экспериментальные исследования нагруженности манипуляторного технологического оборудования;

- провести стендовые ресурсные испытания спроектированного манипулятора;

- используя теоретические положения, разработать алгоритмы и программное обеспечение, основные составляющие САПР манипулятора лесной машины.

2. Иерархическая процедура обеспечения качества манипуляторов лесных машиц и Формирование программы машинизированного лесопользования. В работах В.А.Александрова, В.И.Алябьева, В.Н. Андреева, Г.М.Анисимова. В. А. Барановского, К.Н.Баринова, И. М. Бартенева, А. М. Гольберга, Ю. А. Добрынина. А. В. Жукова. В.М.Меньшикова, П.С.Нартова, С.Ф.Орлова. А.В.Питухина. В.Б.Прохорова и ряда других исследователей проанализировано влияние природно-производственных условий на показатели качества и эффективности лесозаготовительных машин: производительность, экономичность, надежность, экологичность, металлоемкость, др. Однако эти показатели, как правило, рассматриваются разрозненно. Методики, которая позволяет объединить их всех в единое целое, пока не существует. Показано, что проблема обеспечения качества и надежности изделий лесного машиностроения требует математического моделирования предметной области и привлечения современного аппарата теории принятия решений.

Исследование качества состояло в той. чтобы обосновать оптимальные параметры проектируемого изделия, исходя из оценки качества системы "выдел - технология - машина" в целом за весь период ее применения в широком диапазоне будущих условий эксплуатации. Формулировка этой задачи представлена в следующей общей ферме иерархической структуры проектирования (рис.1).

Оптимизационная моВель общего лесопользования. Цели проектирования: повысить продуктивность древостоя \ч0: уменьшить себестоимость древесины Vf,. Стратегии проектировщика: число рубок (главного и промежуточного пользований) п; возраст древостоя tx и интенсивность изреживания Prt каждой рубки. Факторы проблемной ситуации: местоположение выдела; возраст рассматриваемого древостоя: его бонитет; относительная полнота; предельно допустимая полнота изрекивания (из лесоводственных наставлений).

Опижзациокная модель обоснования основных параметров. Usr ЛИ: повысить производительность лесной машины Wautput; снизить повреждаемость остающегося древостоя или подроста Waamsge: повысить доступность деревьев (сортиментов) к обработке Wa(!cese; соответствие грузового момента потребностям технологического процесса Wm,sa; отклонение от программы рубок wquaUt. Стратегии: максимальный L и минимальный Ь„, „ вылеты манипулятора, грузоподъемный момент Ml, наличие накопителя, тип действия. Факторы: основные таксационные показатели вырубаемого древостоя; местоположение выдела: технология работ на лесосеке (сор-тиментная, хлыстовая, в деревьях); место проектируемой машины в комплексе машин; модель базового трактора.

Оптимизационная модель общей компоновки технологического оборудования лесной машины. Пели: повысить производительность технологического оборудования Wp; снизить его металлоемкость Wm; увеличить рабочее пространство манипулятора Wf. Стратегии: длина стрелы 1с; длина рукояти 1р; длина телескопического удлинителя It; высота колонны (опорно-поворотного устройства) По; предельные углы поворота стрелы ^ и рукояти q>0. ф*. Факторы: модель применяемого базового трактора, ограничения по габаритам, таксационные показатели вырубаемого древостоя.

Олпшшационная модель компоновки механизмов. Цель: обеспечить грузоподъемность механизма Wt. Стратегии: типоразмеры гидроцилиндров (диаметр бесштоковой полости d и ход штока з); координаты подвеса опор гидроцилиндра и размеры гидрорычажного

Методы исслсдовашя операций

/Системвый подход УИшпациошое

моделирование /Многоцелевая

ОПТИМИЗАЦИЯ

/Теория игр /Теория

чувствительности

/Марковский процесс

Причин 1!({Ц1Ш1___Ьшязл Р1б«а

Цели проектировошиг. от Повысить продуктивность древостоя «* Уменьшить себестоимость древесины

Повысить производительность гу Снизить повреждаемость г

га- Повысить доступность га- Снизить металлоёмкость кг Повысить качество выполнения программы изреживаний

Увеличить рабочуюзону машшу: Обеспечить соответствие грузоподъемности потребпостям-техпроцессз «э- Снизить затраты обеспечение надёжности «к- Повысить долговечность

Обци ШВЦОЯ! Кошошп КПП»«!

Рис. 1. Иерархическая процедура оптимального обеспечения показателей качества и надежности манипуляторов лесных машин

механизма г. Факторы: дазче-ие в гидросистеме р, технические характеристики гидравлической аппаратуры, габаритные размеры.

Оптимизационная модель надежности. Цель: увеличить долговечность металлоконструкции манипулятора Wr. Стратегии: ширина сечения В; высота сечения Н; толщины проката t, вид дефектоскопии, технология снятия остаточных сварочных напряжений; технология снятая концентрации напряжений; вид сварки; марка стали. Факторы: режим нагружения (распределение амплитуд напряжений Дб. асимметрия цикла нагружения R, частота перегрузок); температура окружающей среды ТвС; др).

В качестве целей долгосрочного (внешнего) проектирования используются показатели продуктивности и экономической эффективности машинизированного лесопользования. Модель позволяет адаптировать проектируемые в настоящий момент лесные машины к будущим условиям функционирования на основе современных представлений о лесопользовании:

wl - Vf1 + V Vt1, - max; W4 - Vfd + V Vtö, - шах; 1=1 1-1 n-l .

I vt», (1)

W* = l + - - min,

Vt*

где n - количество рубок; w'.W.W - соответственно объемы пользований по обезличенной, деловой древесине и приведенная себестоимость работ; Vf1. Vfd, Vf* - соответственно объемы обезналиченной. деловой древесины и себестоимость работ при главных рубках; vtl,vta.vt* - соответственно объемы обезналиченной, деловой древесины и себестоимость работ при рубках ухода.

Таким образом, поставлена многоцелевая, многопараметрическая задача оптимального проектирования и решена на ЭВМ по специально разработанному программному обеспечению с помощью метода условного центра масс с использованием случайного поиска. Методика апробируется на примере чистых сосновых древостоев (1. 2, 3 бонитетов и 0.8. 0.9. 1 полнот) Северо-Запада России с использованием выявленных В.К.Хлюстовым закономерностей текущего прироста древостоев по запасу под влиянием рубок ухода.

3. Имитационная модель технологии лесосечных работ по обоснованию основных параметров. На основе методов статистической оптимизации на верхнем уровне иерархической процедуры проект-

рования сформулирована многоцелевая задача принятия решения по обоснованию основных параметров манипуляторного оборудования.

Цель краткосрочного (предварительного) проектирования - это обоснование на основе имитационного моделирования' основных параметров манипулятора для проведения в условиях природно-произ-водсгвенной неопределенности механизированной рубки ухода с обеспечением наилучших показателей качества: производительности машины woutput, • повреждаемости древостоя Wasnage. доступности намеченных в рубку деревьев Wacceas. соответствия грузового момента потребностям технологического процесса (/гоаза; отклонений от программы рубок WqnaUl:

"output Си.V) - max; :

W»cceSa(u.v) - max;

W<,ama?e(u;v) - min; (2)

.Vest"./) - шах;

l«,Min(u,v) - min. где и и v - соответственно управляемые (стратегии проектировщика) и неуправляемые (стратегии природа) факторы, влияющие на показатели качества системы.

В соответствии с разработанными иерархической структурой проектирования (рис. 1), моделью лесосеки и координацией со стороны внешнего проектирования вектор стратегий среды V включает в себя следующие компоненты:

- число изреживаний т. возраст подверженному рубке ухода древостою tat. число деревьев на пасеке п, степень изреживания рг. Формируются в блоке "программа изреживания" на этапе внеш него проектирования (рис. 2);

- координаты деревьев на лесосеке (х^у,) (разработана модификация "электростатического" метода с самообучением) при заданной степени контагиозности расположения с соответствующим множеством Zt = (Pj, Dt, DKt. Drlf Hlt Lut, Vxt; C^} в возрасте древостоя tBt. Здесь вектор Z - набор характеристик отдельного дерева : Р - порода; D - диаметр на высоте груди: DK р диаметр кроны; Dr - диаметр корневой системы; Н - высота; Lu - длина бессучковой зоны; Vx - объем хлыста: - о, если намечено в рубку, 1 - в противном случае. Координата моделируютец в блоке "горизонтальная структура", множество таксационных показателей каждого дерева - в блоке "вертикальная структура".

Рис. 2. Структурная блок-схема ишйационной модем технологии лесосечных работ

Вектор стратегий проектировщика и на уровне предварительного проектирования включает:

- технологию работ на лесосеке (сортиментнан, хлыстовая);

- место проектируемой машины в комплексе машин (при сорти-ментной технологии: харвестер, форвардер. сортиментовоз; при трелевке в деревьях или хлыстах: Балочная, валочно-пакетирую-щая. валочно-трелевочная, трелевочная манипуляторного типа);

- расстояние между технологическими коридорами НЬ. их длина 1Ь и ширина №;

- основные параметры базового транспортного средства: габариты по длине 1т. ширине 1™, масса Мт, грузоподъемность й. размеры площадки под приемное устройство и высота платформы НЬ. куда будет смонтирован манипулятор;

- основные параметры манипуляторного технологического оборудования: грузоподъемный-момент М1: максимальный и минимальный вылеты манипулятора I и Ьга1п; наличие накопителя; тип действия.

Численные значения составляющих вектора V формируются проектировщиком или генерируются программно в блоке "проект".

Центральный блок имитационной модели технологий разработан на основе формализованного описания технологии проведения лесосечных работ.

Показатель доступности деревьев определяется в форме вероятности того, что все намеченные в рубку деревья будут вырублены.

поэтому фиксируется информация о количестве невырубленных стволов. С целью определения показателя поврежваемосш древостоя накапливается информация о количестве существенных повреждений древостоя при проходе захватно-срезающего устройства или базового транспортного средства вблизи ствола или над корневой системой дерева, растущего в непосредственной близости от волока. Показатель произвойительносшц определяется в форме среднего результата. для этого отдельно суммируются грузовые .и холостые пути, пройденные захватно-срезающим устройством и базовым транспортным средством, угол поворота а. количество стоянок. В конце эксперимента определяется общее время всех циклов и соотносится к объему обработанных деревьев. С целью определения показателя качества выполнения требований оптимальной программы рубок фиксируется информация о разности между объемами, с одной стороны, вырубленных и оставленных стволов в процессе моделирования на компьютере и. с другой стороны, запланированным объемом лесозаготовок по вырубаемой и оставляемой на корню частями в оптимальной программе изреживаний. Для определения показателя соответствия грузового момента манипулятора потребностям технологического процесса"фиксируется информация о разности между максимальным потребным грузовым моментом для деревьев на выделе в процессе моделирования на компьютере Mtree и заложенным в конструкцию максимальным нетто-моменгом Мгаах. Полипоказатель качества W построен на основании принципа равномерной оптимальности с . предварительным приведением значений показателей качества к безразмерному виду.

Алгоритм принятия решений на этапе предварительного проекти-. рования заключается в следующем.

Формируем множество возможных стратегий природы V и множество возможных стратегий проектировщика U в виде игровой матрицы:

Стратегии V, V2 v3 Vt

WM W.2 ... ... Щш

"п Wn2 W„3 W„1 ... ^BB

где выигрыш ДО,} есть не что иное, как вектор показателей качества системы { Ири. И<313. }. полученный при имитационном моделировании технологии работ при 1-той стратегии проектировщика и Д-той стратегии природы.

Используя одну из процедур принятия многоцелевых решений путем свертывания целей, получаем полипоказатель качества системы И(рйГ)13. Используя методологию теории игр и статистических решений, в зависимости от информации об условиях проведения игры производим окончательный выбор рациональной стратегии поведения проектировщика.

Алгоритм позволяет решать как задачи непосредственного проектирования технологического оборудования (уровень конструктора-технолога предприятия отрасли), так и задачи обоснования рациональных технологий и систем машин из уже"существующего парка машин (уровень технолога-лесозаготовителя).

Методика реализована в виде программного обеспечения ЭВМ и апробирована на примере манипулятора валочно-пакетирующей машины, предназначенной для работй в чистых сосновых древостоях Северо-Запада РФ. Решение получено в чистых стратегиях (соблюдено условие седловой точки) и соответствует 20 м ширине пасеки. 10 м вылету и 35 кНм моменту манипулятора для первых изре-киваний и 65 кНм для последней рубки ухода.

4.. Обоснование компоновки и формирование модели эксплуатационной нагрузкещюпти лесной машины манипуляторного типа. Рассмотрена общая структура эскизного проектирования манипуляторного технологического оборудования на среднем иерархическом уровне проектирования. Построены оптимизационные модели 'общей компоновки и компоновки механизмов манипулятора. Обоснован метод исследования эксплуатационной нагруженности лесной машины в условиях эксплуатации я построена ее математическая модель.

"Скелетная" часть шнипулятора. Гидроманипулятор лесной машины как объект проектирования характеризуется следующими основными параметрами: максимальным вылетом Ь. грузовым моментом М1, моментом поворота ИГ. Кроме того, компоновочно-кинематическая схема манипулятора на лесной машине определяется параметрами базового транспортного средства: грузоподъемностью (Г; высотой платформы Нр, на которую будет устанавливаться опорно-поворотное устройство; высотой кабина НК,' размерами монтажной площадки под приемное устройство машины А и В. В зависимости от вида технологического оборудования лесной машины (харвестерное, валочно-пакетирующее и т.п.) необходимо учесть: высоту рабочего органа Н«; минимально необходимое расстояние от оси шарнира сочленения колонны и стрелы (или оси поворота колонны) до при-

емного устройства С; предельно допускаемый габаритный размер машины по высоте Н1.

Задача синтеза проектных параметров компоновочно-кинематической схемы "скелетовой" части манипулятора сформулирована следующим образом: по вектору исходных данных <L.Hl.Mf. Q'.Hp.Hlc, Hl,A,В,C> определить длины звеньев манипулятора lc.lp.lt,ho (соответственно стрелы, рукояти, телескопического удлинителя'и колонны), предельные углы поворота'стрелы \1)0 и фц, рукояти <р0 и фц. по которым, в свою очередь, будут подобраны и размещены на скелетной части манипулятора гидроцилиндры механизмов управления стрелой и рукоятью. Аналитический обзор состояния проблемы позволяет заключить, что искать решение целесообразно в следующем виде:

Wmilc. lp. it.ho.^.Tiin.Vo.'Pk) "min:

Wt(lc. lp.lt, ho. <p0 ipK) ■» min; (3)

Wf (le, lp, lt.ho, i|)0 ] % ! Po ! <Рк ) * плах.

(

где , V/, - соответственно металлоемкость, время рабо-

чего цикла и обьем рабочей зоны. т. е. решается многоцелевая, многопараметрическая задача оптимизации в условиях ограничений: Наиболее общий случай - манипулятор лесотранспортной машины

le + lp + lt = /ь2 + (ho + Нр - Hw)2 ;

Нр + ho + lc-cos(tyg) - lp-cos(ip0-4>0) - Hw > hs;.

lc-sln(^o) + lp* Sln(Tj)q-(p0) = C;

Hp + ho + ic-cosi|>0 - lp - Hw = hs; (4)

ho = -lc-cos(ifk); Hw = lp-sln(*j)|¡-<PR): lc-sln(%) - Ip-cos(tpK—< A .

Для манипулятора вапочно-трелевочной или трелевочной машины

г le + lp + lt- / L2+ (h„ + Н„ - HJ2 ;

Нр + h„ + 1с eos {%) - lpCos (i(i0 - Ф„) - Ни = hs ; (5) V lc sin % - lp sin 1ф„чр0) -С

Для манипулятора форвардера: i

( le + 1Р + lt - /L2 + <he + H„- H„)2 ; .

1« elnp(í,) - lp sin (% - <p0? - t ; i (6)

^ Hp+ h0 + lc eos i|i0 - lp - ни = h, . |

Для манипулятора харвестера или процессора ( типа. МЛ-20):

le + lp + lt = /L2 + (h0 + Нр- Н,)2 ; *

le sin \1)0 - lp sin (%, -'ч>о) " С .

Обоснование параметров передаточных механизмов. При обосновании кинематических схем гидроманипуляторов возникает задача выбора и установки гидроцилиндров на "скелете". В общем случае задача имеет неограниченное число вариантов. Нами данная задача сформулирована как оптимизационная со следующей целью: найти такие значение параметров передаточного механизма, при которых максимальное значение двойного интеграла отношения развиваемого приводом момента к верхней границе моментов на всем диапазоне изменений углов поворота был бы наименьшим, при условии, что это отношение не становится меньше единицы: Фк

rain í {Mg(t¡i,cp) / Ml(iy,<p)>l} d<pdi|) , (8)

(s.d.r) J

Фо 9o «

где

Mg(i|i,<p) - функция развиваемого приводом момента; Ml(i|>,cp) -Функция верхней границы моментов; s - вектор ходов штока гидроцилиндра; d - вектор диаметров бесштоковой полости гидроцилиндра; г - вектор координаты подвеса опор гидроцилиндра и размеры элементов рычажного механизма; \¡i„, i}ik - начальный и конечный угол поворота стрелы; ф<>. 4>к ~ начальный и конечный угол поворота рукояти.

Исходя из конструктивных соображений, на управляемые параметры (компоненты векторов з. d. г) необходимо наложить соответствующие областные и Функциональные ограничения.

Таким образом, задача выбора параметров механизмов приводов в общем случае сформулирована как задача многопараметрического нелинейного программирования и реализована в среде MathCAD. В качестве примера рассчитан манипулятор сортиментовоза.

Математическая модель эксплуатационной нагруженкосши исследует процесс взаимодействия технологического оборудования с предметом труда, который представлен в виде марковского случайного процесса с дискретными состояниями и непрерывным временем. За основу динамической модели манипулятора взята схема с упругими связями и дискретными массами. В качестве математического аппарата для решения дифференциального уравнения движения, составленного в виде уравнения Лагранжа второго рода, используются преобразования Лапласа, а эксплуатационная нагрузка моделируется при помощи метода Монте-Карло. Для расчета характеристик

случайных процессов изменения напряжений в элементах- металлоконструкции по полученным нагрузкам используются передаточные механические функции, построенные на допущении того, что манипулятор находится, как правило, в линейном напряженном состоянии. Схематизация процесса изменения напряжений производится по методу "размахов", что позволяет процесс нагружения представить в виде блоков нагружения.

В качестве примера приведен расчет гидроманипулятора ПЛГ-35 как основы технологического оборудования сортиментовоза и фор-вардера.

5. ■ Формирование математической макромодели надежности. На нижнем иерархическом уровне сформулированы методики расчета надежности и обоснования мероприятий по повышению долговечности манипуляторного технологического оборудования лесной машины на основе вероятностно-статистического (теории надежности) и физико-статистического (механики разрушения) подходов.

Статистические наблюдения и опыт проверочных расчетов металлоконструкций манипуляторов свидетельствуют о том. что показатели надежности зависят от небольшого числа элементов. Это обстоятельство позволяет существенно сократить объем вычислений при прогнозировании надежности металлоконструкций, сведя их к расчету по условию сохранения циклической прочности одного -двух сечений стрелы, рукояти и колонны с наибольшим уровнем действующих рабочих напряжений, концентрации напряжений, остаточной сварочной напряженности и вероятности появления технологических несплошностей.

При определении суммарного закона распределения использована формула полной вероятности, согласно которой ш п

f(t) = П 1 p]y3-ilJ(t), (9)

1=1 J=1 I

где

m - количество опасных сечений металлоконструкции;

п - количество возможных эксплуатационных состояний'^ машины;

t - наработка до первого отказа, м3;

р3уэ - вероятность попадания в j-тое эксплуатационное состояние (может бить найдена по формуле Байеса);

. f1j(t) - плотность распределения наработки 1-го элемента манипулятора в ^-том состоянии.

■ Математическая модель по пределению г1-, Ш состоит из двух частей: модели зарождения усталостных трещин из технологических дефектов (это, как правило, дефекты сварки: непровары, поры, шлаковые включения, др.) и модели распространения трещин в металлоконструкции. Модели построены на использовании, принципов механики разрушения (физико-статистический подход).

В основу первой положено уравнение Джака-Прайса

Н"

при р>р0; (Ю)

Р

Н (ДК)" , при р<р0; где

- число циклов до зарождения усталостной трещины; р0,р - соответственно критический фактический радиусы надреза; М, Л - эмпирические константы; * ДК - размах коэффициента интенсивности напряжений. Достижение предельного состояния в зоне разрушения по моменту возникновения трещины можно определить на основе гипотезы линейного суммирования повреждений . 8 п,

И * Е - . (11)

'"Из,

где

п4 - общее число циклов с амплитудой 1-го уровня Дб1. Из1 - число циклов до зарождения трещины при заданном Дб1. в - число ступеней в блоке нагружения. В качестве предельного состояния принято условие Ш>1. Часть ресурса, обуславливающая подрастание трещпы в период эксплуатации, можно определить путем интегрирования уравнения Пэриса. которое с учетом коэффициента асимметрии цикла И (по исследованиям Курихавара, Като и Кавахара) имеет вид С-(ДК)" , К > 0.5 ;

(12)

(11 ~5Г

г ДК лП

С- - . й < 0.5

и в - Р '

где

(31 /с1М - скорость роста усталостной трещины; . С, п - эмпирические константы.

Полное разрушение произойдет в тот момент, когда длина тре-

щины такова, что выполняется соотношение ЛКта, > Кс , где К0 -условный критический коэффициент интенсивности напряжений, дкго»* ~ максимальное значение размаха коэффициента интенсивности напряжений.

Достижение предельного состояния в зоне разрушения по моменту превышения трещиной критического размера при блочном нагру-жении также можно определить на основе гипотезы линейного суммирования повреждений (И).

Учет влияния сварки на развитие усталостной трещины осуществляется путем введения в формулу для расчета ДК коэффициента концентрации напряжений Кб, определяемого методом конечных или граничных элементов, и остаточных сварочных напряжений бг. Принципиальная особенность применения механики разрушения для расчета изделий лесного машиностроения состоит в том, что трещины возникают и развиваются в области повышенных упругопласти-ческих деформаций. Для их учета введена поправка Ирвина на пластичность гр. С учетом сказанного имеем

ДК (Кб-Дб + Мг) Ж-а + гр)-У,<1) , (13)

где

Дб - размах рабочих напряжений:

1 - полудлина трещины:

Р - эмпирический коэффициент:

У,(1) - функция, зависящая от геометрических параметров.

Для учета эффекта торможения применяется метод Уилленборга, согласно которого остаточные напряжения, появляющиеся при перегрузке, уменьшают действительное значение напряжения при вершине трещины.

Математические модели надежности реализуются в виде алгоритмов и программ и апробированы на примере манипулятора ПЛГ-35. Результаты расчетов показывают необходимость совершенствования как самой конструкции, так и технологии ее изготовления. С этой целью разработана методика научного обоснования мероприятий по повышению долговечности проектируемых конструкций манипуляторов с использованием теории игр и критерия прибыльности. Решение получейо с использованием критериев Сэвиджа, Гурвица и Вальда и соответствует технологическому процессу, включающему в себя снятие сварочных напряжений и проведение дефектоскопии.

6. Экспериментальные исследования качества и надежности манипуляторов лесных машин. Для практической реализации разработанных математических моделей применительно к металлоконструкциям технологического оборудования лесных машин возникает необходимость в проведении ряда экспериментальных исследований.

Произведен выбор марок сталей и их толщин проката, наиболее широко используемых при изготовлении современного технологического оборудования на предприятиях лесного машиностроения (10ХСНД толщиной б - 4 мм; 15ХСНД -5 = 7 им; 4-44 -6 = 6 мм), а также зон их сварных соединений для изучения характеристик трещиностойкости и дефектности. Образцы изготавливались непосредственно на предприятиях лесного машиностроения по существующим там технологиям ("Силава", "ОТЗ"). Испытания проводились на пульсаторе ЦДМ Пу-10 (НИИ мостов). Определены характеристики статической и циклической прочности исследуемых материалов. Получено. что трещиностойкость в зависимости от марки стали и исследуемой зоны сварного соединения колеблется от 50 до 90 МПа(/м, причем максимальная - в зоне швов, минимальная - в зоне термического влияния. Наилучшие показатели имеют образцы из стали 4-44: основной металл - Кс= 73 МПа^и; сварной шов - Кс-84 МПа|/м; зона термического влияния - Кс= 51 МПгц/м". Построенные диаграмма зависимости вязкости разрушения материалов от толщины проката, упрощенная полная кинетическая диаграмма циклического разрушения, гистограммы несплошностей по видам и размерам рекомендуются к использованию на предприятиях лесного машиностроения.

Уровень остаточных напряжений оценивался с помощью прибора И0Н-4М, использующего магнитоупругий эффект, в условиях заводов "Краслесмаш" и "ОТЗ". Приводятся результаты статистической обработки остаточных напряжений, причем, отмечается высокий уровень напряжений растяжения (до 190-ИПа).

В местах возможного инициирования .усталостных трещин оценивалась нагруженность манипуляторов лесных машин, выявлялись статистические, закономерности ее изменения в процессе эксплуатации для их имитации на ЭВМ при вычислительном эксперименте . с целью проверки математической модели эксплуатационной нагружен-ности лесных машин на адекватность.

Проведено два натурных испытания. В качестве первого объекта исследований был выбран экспериментальный образец, форвардера

ЛТ-82. Испытания проводились в условиях рядовой эксплуатации на Кингиссепской ЛЛМС с фиксацией на магнитограф TESLA ЕАМ 34О. Анализ результатов эксперимента произведен на IBM PS/2 с помощью специально разработанного программного и электронного обеспечения. Схематизация случайного процесса нагружения осуществлялась методом "дождя" с получением блоков рабочих напряжений. Второй объект - сортиметовоз на базе автомобиля ЗИЛ-131, оснащенный опытным образцом манипулятора ПЛГ-35. Тензометричес-кие исследования проводились в условиях лесной опытной станции "Силава". Обработка результатов испытания проведена по методу "дождя" на ЭВМ СМ-1420.

Показано, что блоки нагружения. полученные в натурном испытании, по своему повреждающему воздействию эквивалентны блокам, найденным в результате моделирования аналогичных условий нагружения на ЭВМ по разработанным математическим моделям эксплуатационной нагруженности.

Проведенные ресурсные испытания металлоконструкции манипулятора ПЛГ. спроектированного с использованием разработанных методик обеспечения качества и надежности, показали, что манипулятор выдержал 8.34-105 циклов нагружений. что соответствует наработке 52380 м3 в условиях рядовой эксплуатации или 8 годам работы на сортиментовозе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Лесные машины манипуляторного типа занимают одну из ключевых позиций в современных системах лесозаготовительного производства и лесного хозяйства. Отечественными предприятиями лесного машиностроения практически не освоено производство манипуляторного технологического оборудования для нужд рубок промежуточного пользования; не развита в связи с этим теоретическая база по их проектированию.

2. Отечественные манипуляторы при меньшем максимальном вылете имеют материалоемкость до 30% больше, чем их зарубежные аналоги. Наработка на отказ к третьему году серийного производства машин манипуляторного типа ЛП-19 возрастает в 2.5... 3.5. раза и составляет всего 25...35 мото-часов. Эти факты говорят о следующем: (1) отечественные лесозаготовительные машины имеют низкую надежность (особенно технологического оборудования). (2) коне-

трукции были не достаточно проработаны при проектировании, что привело к заметному снижечию эффективности эксплуатации и дополнительным затратам на "доводку" машин в процессе серийного производства. Следовательно, во избежание такого рода негативных ситуаций, целесообразно акцентировать внимание на этапе проектирования технологического оборудования машин с соответствующим вложением средств.

3. Процедура процесса автоматизированного принятия решений должна быть построена на основе взаимодействующей трех уровне-вой иерархической структуры, включающей в качестве уровней следующие оптимизационные модели:

- на первом (верхнем) уровне моделей машинизированного лесопользования и обоснования основных параметров манипулятора;

- на втором (среднем) уровне моделей общей компоновки и обоснования параметров механизмов манипуляторного технологического оборудования;

- на третьем (нижнем) уровне модель надежности манипулятора.

4. Оптимальное решение по технологии лесопользования для машин манипуляторного типа необходимо искать исходя из соображений многоцелевого характера поставленной задачи, т. е. учитывать как относительные экономические показатели (приведенную себестоимость 1 м3 древесины от рубок ухода к сплошносечной рубке), так и показатели продуктивности, выраженные в натуральных показателях (объемом пользований по обезличенной или деловой древесине). При этом основными показателями программ являются сроки проведения рубок, период повторяемости и число приемов ухода, рекомендуемый процент выборки по запасу за каждый прием рубки.

Для исследованных сосновых древостоев Северо-Залада России оптимальная программа соответствует трем механизированным приемам рубок ухода со сгглошносечной рубкой в 100 лет. Периоды повторяемости и интенсивности изреживаний в зависимости от исходной относительной полноты насаждения составили:

- при полноте 1.0 первая рубка ухода в возрасте древостоя 30 лет с интенсивностью до 0.7, вторая - 60 лет и 0.8, третья - 80 лет и 0.8 соответственно. При этом дополнительный выход ликвидной древесины по сравнению со сплошносечной технологией составил 35%. себестоимость древесины уменьшилась на 12% (по сравнению с существующей технологией);

- при полноте 0.9 первая рубка ухода в возрасте древостоя 40

лет с интенсивностью до 0.7, вторая - 60 лет и 0.7, третья - 80 лет и 0.7 соответственно; дополнительный выход ликвидной древесины составил 36%. себестоимость уменьшилась на 13%;

- при полноте 0.8 первая рубка ухода в возрасте древостоя 50 лет с интенсивностью до 0.7. вторая - 70 лет и 0.7, третья - 90 лет и 0.7 соответственно; дополнительный выход ликвидной древесины составил 27%, себестоимость уменьшилась на 26%.

5. Модель природной среды функционирования целесообразно свести к адаптации существующих алгоритмов генерации ряда таксационных, климатических, грунтовых и рельефных характеристик лесосеки на ЭВМ для соответствующего лесосырьевого района. При генерировании горизонтальной структуры вырубаемого древостоя при первых рубках ухода целесообразно учитывать контагиозное расположение деревьев с помощью "электростатического" метода.

6. Имитационная модель обоснования основных параметров лесотехнической системы "древостой-технология-машина" рекомендуется строить в многоцелевой постановке проблемы - обеспечением проведения в условиях природно-производственной неопределенности механизированной рубки ухода с одновременно максимальной производительностью машины Иои1р|11, минимальной повреждаемостью древостоя Иаапаве, максимальной доступностью намеченных в рубку деревьев Иассе8а. минимумом материалоемкости изделия при требуемом грузовом моменте Мтааа: обеспечением качества выполнения программы рубок ^чиа1и (минимальное отклонение от оптимальной программы рубок). Кроме того, как единичные показатели, так и полипоказатель качества не должны быть связаны с денежными знаками, что очень важно в современных инфляционных условиях.

Получено, что в сосновых высокополнотных древостоях Северо-Запада России при проведении первых рубок ухода рекомендуется использовать валочно-пакетирующ'де машины (харвестеры) с вылетом 10 м, грузоподъёмным моментом манипулятора 35 кНм при расстоянии между технологическими коридорами 20 м. ДЛя последних изреживаний целесообразно использовать манипуляторное технологическое оборудование, имеющее при максимальном вылете 10 м грузоподъемный момент 65 кНм. Это позволяет на 33% снизить показатель мта8а. характеризующий материалоемкость манипулятора для первых изреживаний при неизменности остальных показателей качества; на 3% снизить повреждаемость остающегося древостоя иаапа8е' на 20% увеличить доступность деревьев к рубке Иассеаа,

на 65! снизить показатель Ивазо при неизменной производительности М0 и [ р и ( и 1435 улучшить качество выполнения программы последнего изреживания. Проектировать манипуляторное технологическое оборудование с максимально возможным вылетом не целесообразно. Данный фактор не оказывает существенного влияния на качество системы. Степень агрегатированности насаждений не оказывает существенного влияния на полипоказатель качества лесотехнической системы в целом, но при исследовании единичных показателей, таких как повреждаемость, доступность и, особенно, отклонения от программы рубок ухода по объему вырубаемой древесины, ее игнорирование может привести к достаточно серьезным ошибкам.

7. Оптимизационная модель общей компоновки технологического оборудования лесной машины должна формулироваться как многоцелевая. многопараметрическая задача оптимизации в условиях неопределенности, связанной со спецификой природно-производственных условий функционирования лесной техники. В качестве показателей качества целесообразно принять производительность технологического оборудования, металлоемкость и рабочее пространство манипулятора. Оптимизационную модель компоновки механизмов манипулятора рекомендуется формулировать в виде одноцелевой, многопараметрической задачи оптимизации. В качестве цели предлагается использовать интегральный критерий расчетной грузоподъемности.

8. Приложение разработанных математических моделей к обоснованию компоновки манипуляторного технологического оборудования показало, что для лесотранспортных машин отношение длины стрелы к длине рукояти (с втянутым удлинителем) приблизительно соответствует 1.7:1. Для машин валочного типа это соотношение должно быть меньше - 1.3:1. Высота колонны манипулятора лесотранс-портной машины должна соответствовать максимальной высоте пачки в кониковом. устройстве, а валочной машины - иметь минимальное значение исходя из конструктивных соображений. Данные рекомендации позволяют на 10-15% снизить материалоемкость манипулятора, . на 2355 улучшить значение показателя использования рабочего пространства. Отсюда вытекает, что требуется раздельная разработка манипуляторов для лесотранспортных и валочных машин, и использование конверсионных манипуляторов для нужд лесного хозяйства без предварительного учета специфики работы не допустимо.

9. Для решения задач моделирования эксплуатационной нагру-

женности лесного манипулятора на этапе внешнего проектирования можно рекомендовать расчетные схемы с дискретными массами и упругими связями. Однако при внутреннем, более детальном, проектировании следует использовать более точные континуальные или дискретно-континуальные модели. Учет многорежимности взаимодействия манипулятора с предметом труда целесообразно вести с помощью марковского случайного процесса, а схематизацию процесса нагружения производить с помощью метода "размахов".

10. Результаты имитационного моделирования работы манипулятора ПЛГ-35 по разработанному алгоритму эксплуатационной нагру-женности показали, что манипуляторное технологическое оборудование форвардера подвержено более высоким эксплуатационным нагрузкам, чем оборудование соргиментовоза (на 15...20% по максимальной амплитуде).

11. Для решения задачи обеспечения надежности функционирования лесной машины на этапе проектирования целесообразным является блочно-иерархическое построение алгоритма исследования, позволяющее реализовать идеи системного подхода на основе адаптации математико- и физико- статистических подходов.

12. Математическая модель исследования развития усталостной трещины из несплошностей сварки с достаточной адекватностью описывается методами механики разрушения. При этом для определения периода зарождения макротрещины целесообразно использовать зависимость Джака-Прайса, а для расчета периода распространения - формулу Париса. Данная модель позволяет учитывать следующие конструкторско-технологические факторы, влияющие на усталостную долговечность конструкции: асимметрию цикла нагружения. эффект торможения трещины от эксплуатационной перегрузки. местные пластические деформации у вершин трещиноподобных дефектов, геометрию сварного соединения, остаточные сварочные напряжения. Расчетную схему элементов металлоконструкции технологического оборудования лесных машин рекомендуется формировать путем схематизации технологической несплошности дефектом эллипсоидной формы. В минимальный набор исходных данных для схематизации целесообразно включить три величины - площадь несплошности. глубину расположения и вид дефекта (пора, непровар, др.).

13. Прогнозирование усталостной долговечности манипулятора ПЛГ-35 показало, что при существующей технологии изготовления 80-процентный ресурс металлоконструкции, установленного на сор-

тиментовозе (автомобиль ЗИЛ-131). составляет 9510 м3. что составляет примерно полутора годам эксплуатации. При монтаже манипулятора на форвардер (трактор типа ЛКТ) получено соответственно 8280 м3. Наиболее "слабый" (с точки зрения усталостной долговечности) элемент - стрела. Ее ресурс в среднем на порядок меньше ресурса рукояти. Результаты расчетов показывают необходимость дальнейшего совершенствования как самой конструкции, так и технологии ее изготовления. В первую очередь необходимо обратить внимание на технологию изготовления, где желательно ввести ряд заключительных операций, таких как шлифование сварных швов, снятие остаточных сварочных напряжений, дефектоскопию. Так, снятие геометрической концентрации напряжений в сварных соединениях повышает наработку в 2 раза, снятие сварочных напряжений - в 1.5 раза, а проведение дефектоскопии - в 2 раза по сравнению с существующей технологией. Наибольший эффект дает комплексное проведение мероприятий по снижению концентрации напряжений и контролю несплошностей в сварных соединениях.

14. Применение разработанной макромодели надежности к обоснованию технологии изготовления металлоконструкции манипулятора показало, что критерий эффективности в форме прибыльности наиболее чувствителен к технологическим операциям, направленным на уменьшение концентрации напряжений и размеров "несплошностей". В результате выбора рациональной организации операций в условиях заводов лесного машиностроения по разработанной методике ре-, комендуется в первую очередь внедрять ультразвуковую дефектоскопию и предусмотреть шлифование наиболее ответственных сварных швов, либо их обработку ТК-методом.

15. Трещиностойкость в зависимости от марки стали и исследуемой зоны сварного соединения колеблется от 50 до 90 МПа И?, причем, максимальная - в зоне швов, минимальная - зоне термического влияния. Наилучшие показатели имеют образцы _ из стали 4-44. Для основного металла К1с= 73 МПа 1/м, для сварного шва К1с=. 84 МПа 1/м. для зоны термического влияния К1с= 51 МПа 1/м. Определены- фактические размеры технологических несплошностей, встречающихся в сварных элементах лесных манипуляторов. Наиболее типичная несплошность - пора (90%). Доля шлаковых включений составляет 8%. а непроваров и цепочек пор соответственно 1. 555 и 0.5%. Уровень остаточных напряжений растяжения в исследованной металлоконструкции манипулятора после изготовления значителен и

достигает в некоторых зонах 190 МПа. Следовательно, целесообразно с инженерной точки зрения априори принимать их значения при расчетах на долговечность равными пределу текучести.

16. На основании результатов натурных экспериментов было подтверждено утверждение, что процесс динамической нагруженнос-ти манипуляторного технологического оборудования лесной машины является нестационарным процессом. Максимальные амплитуды напряжений достигали 100 МПа. Коэффициент асимметрии цикла изменялся в широком диапазоне от 0.1 до 0.8. Машинный анализ (на ЭВМ) результатов исследования показал, что экспериментальный блок напряжений, возникающих в элементах манипулятора, адекватен теоретическому блоку нагружения.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Герасимов Ю. ¡0. качество и надежность проектируемых изделий лесного машиностроения: теоретические основы. - С.-Пб.: ЛТА, 1994. - 241 с. Деп. во ВИНИТИ 28.01.94 N 258 - В 94.

2. Герасимов Ю.Ю., Кильпеляйнен С.А., Костюкевич В.М.. Сюнев B.C. Манипуляторные системы лесных машин: проектирование и расчет (Summary: Forest machinery crane systems: design and calculation). - Петрозаводск-Joensuu: ПетГУ-JU. 1994, 95 c.

3. Geraslmov Yu.Yu. Multiple-objective simulation model of harvester operation for optimal design: study structure and cutting area algorithm /7 Scandinavian Forest Research in Europe: Operational Research. - Danish Forest and Landscape Research Institute, Lyngby, Denmark. 1994. - pp. 206-219.

4. Geraslmov Yu.Yu. Operational research In Russian Karelia: Review // Scandinavian Forest Research In Europe: Operational Research. - Danish Forest and Landscape Research Institute, Lyngby. Denmark. 1994. - pp. 108-115.

5. Hljustov V.K., Geraslmov Yu.Yu. Forming of high productivity stands by using the thinning programme optimization // Forest. environment and new technology In Northern Europe. - Jo-ensuu: Joensuu yllopisto. Tiedonantoja 17, 1994. - 36-38. 244-247 pp.

6. Geraslmov Yu.Yu: The ensuring of the reliability of the forest machines at the design stage // Fracture mechanics: successes and problems.' Part 2. - Lviv: PMI ASU, 1993, p. 514.

7. Герасимов Ю. К). Компьютерная имитационная макромодель для исследования качества системы "выдел-машина-оператор" // Forest, environment and new technology In Northern Europe. - Joensuu'. Joensuu ylloplsto. Tledonantoja 17. 1994. - 452 p.

8. Сюнев B.C.. Костюкевич В.M., Герасимов Ю.Ю. Усталостная долговечность элементов технологического оборудования лесной машины при динамических нагрузках // Forest, environment and new technology In Northern Europe. - Joensuu: Joensuu ylloplsto. Tledonantoja 17, 1994. - 458-459 pp.

9. Герасимов Ю.Ю. Оценка дефектности сварных швов металлоконструкций лесных машин // Проектирование, эксплуатация и ремонт лесных машин и оборудования: Межвуз. сб. научн. тр. -С.-Пб.: ЛТА, 1993. С. 75-78.

10. Герасимов Ю.Ю. Исследование надежности металлоконструкций лесных машин на этапе проектирования // Строительные и дорожные машины. 1993. - Н 6. - С. 28-29.

11. Кондратьев D.H., Герасимов Ю. D. Персональный компьютер в ВУЗе // Лесн. пром-сть, 1993. - N 4. - С. 14.

12. Герасимов Ю.Ю., Костюкевич В. М. Основы инженерных методов прогнозирования надежности механизма поворота гидроманипулятора. - Петрозаводск: ЛГУ, 1993. - 20 с. Деп. во ВИНИТИ 29.07.93 N02171-B93

13. Герасимов Ю.Ю., Костюкевич В. М. Оценка уровня остаточных напряжений в металлоконструкции гидроманипулятора лесной машины. - Петрозаводск: ПГУ, 1993. - 9 с. Деп. во ВНИПИЭИлеспромом 19.05.93 N 2904 - лб 93.■

14. Герасимов В.Ю. Обоснование конструкторско-технологичес-ких мероприятий по обеспечению надежности и эффективности лесных машин // Расчет и управление надежностью больших механических систем: Информационные материалы. - Екатеринбург: Наука, УО. 1992. С. 128.

15. Герасимов D. Ю. Обоснование выбора рациональных альтернатив .организации заключительных технологических операций // Изв. высш. учеб. заведений. Лесной журнал. 1992. - N 5. - С. 65-68.

16. Герасимов Ю.Ю. Экспериментальное определение характеристик трещиностойкости и дефектности материалов гидроманипуляторов лесных машин // Повышение качества лесных машин в • процессе проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта: Межвуз. сб. научн. тр. -Л.: ЛТА, 1991. С. 32-37.

17. Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю. Алгоритм модуля расчета усталостной долговечности в САПР гидроманипуляторов лесохозяйс-твенных машин // Повышение качества лесных машин в процессе проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта: Межвуз. сб. научн. тр. -Л.: ЛТА. 1991. С. 8-11.

18. Андреев В.Н., Герасимов D.D. Влияние сварного соединения на усталостную долговечность металлоконструкции гидроманипулятора лесозаготовительной машины // Изв. высш. учеб. заведений. Лесной журнал, 1991. - N 2. - с. 27-29.

19. Герасимов D.D. Разработка методики прогнозирования надежности шарнирных узлов лесных машин манипуляторного типа // Теоретические и прикладные разработки молодых трибологов: Тезисы докладов школы-семинара с международным участием. - Рыбинск: РАТИ, 1991. С. 53.

20. Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю. Обоснование конструкторс-ко-технологических мероприятий по повышении работоспособности материалов лесных машин //,Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов: .Тезисы докладов 4 Всесоюзного семинара. - Л.: ЛГТИ, 1990. С. 58.

21. Герасимов Ю.Ю.. Узлов А.Г. Математическая модель развития усталостной трещины в сварной металлоконструкции гидроманипулятора лесной машины // обоснование параметров машин и механизмов для лесозаготовок и лесного хозяйства: Межвуз. сб. научн. тр. - Л.: ЛТА, 1990. С. 33-39.

22. Герасимов Ю.Ю. Прогнозирование усталостной долговечности гидроманипулятора лесозаготовительной машины на основе моделирования зарождения и распространения трещин в его металлоконструкции // Эксплуатация лесовозного подвижного состава: Межвуз. сб. научн. тр. - Свердловск: УПИ, 1989. С. 17-21.

23. Герасимов Ю.Ю., Узлов А.Г. Модуль "Концентратор" в САПР лесохозяйственного манипулятора // Автоматизация в лесном машиностроении: Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции.-Саласпилс:Мин-во ЛХиЛП ЛатССР, "Силава", 1988.-С. 15.

24. Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю., Молинский Д.К.. Узлов ,А.Г. Подсистема "Прочность" в САПР гидроманипуляторов лесохозяйс-твенных.машин // Автоматизация в лесном машиностроении: Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции. - Са-ласпилс: Мин-во ЛХиЛП ЛатССР, "Силава". 1988. - С. 6.