автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Теоретические основы многокритериальной оптимизации параметров при проектировании грузоподъемных механизмов рычажного типа для лесозаготовительных машин

V # #

«V

На правах рукописи

ШИМКОВИЧ Дмитрий Григорьевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ

МЕХАНИЗМОВ РЫЧАЖНОГО ТИПА ДЛЯ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Специальность 05.21.01 — Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москпа — 1997

Работа выполнена на кафедре Теории и конструирования машин Московского государственного университета леса.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор, академик РАЕН, Александров В. А.

доктор технических наук, профессор, член-коррешондент РАЕН Андронов В. В.

доктор технических наук, профессор, академик РАЕН Петровский В. С.

Ведущее предприятие —АО ЦНИИМЭ.

Защита диссертации состоится « ^ц? . . 1997 г.

в . /¿Р. . час. на заседании специализированного .совета при Московском государственном университете леса (141001, Мытищи-1, Московской области).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « £ » . 1997 г.

Отзывы на автореферат В ДВУХ ЭКЗЕМПЛЯРАХ, ЗАВЕРЕННЫЕ ПЕЧАТЬЮ, просим направлять в адрес совета университета

Ученый секретарь специализированного совета, профессор, доктор технических паук СЕМЕНОВ Ю. П.

Поди, к печ.. 24.03.97 г. Объем 2 п. л. Зак. 63 Тир. 100

Типография Москопского государственного университета леса

ОВШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Автоматизация процессов проектирования является в настоящее время одним из основных путей ускорения научно-технического прогресса, сокращения сроков разработки и создания новых машин, улучшения их качественных показателей.

Отечественный и зарубежный опыт проектирования лесозагото- ' вительной техникй показывает, что применение методов оптимального проектирования позволяет существенно снизить металлоемкость и энергоемкость, повысить производительность и надежность, улучшить экономические и другие показатели машин и механизмов.

При этом, наиболее полная реализация принципов системного проектирования, всесторонний учет требований к проектируемым объектам, получение надежных и практически значимых технических решений возможны лишь при многокритериальной постановке задач оптимального проектирования. . -...'""

Однако до настоящего времени систематической постановки к исследования основных задач проектирования лесозаготовительной техники в многокритериальном аспекте не производилось. Вышеска-. занное свидетельствует об актуальности темы диссерта1;ии.

Цель исследс .ания. Основной целью диссертации является разработка теоретических основ многокритериальной оптимизации параметров при' проектировании грузоподъемных механизмов рычажного типа для лесозаготовитель г ък машин - комплекса математических моделей проектируемых объектов, постановка даогокритериалыых задач их оптимизации, создание эффективных методов» алгоритмов и пакета программ для решения основных конструкторских и научно-исоле.доватегьских задач многокритериального оптимального проектирования грузоподъемных механизмов рычажного типа дггя лесозаготовительных машин.

Научная новизна работы состоит в том, что в рамках сформулированной проблемы разработаны вопросы общей теории многокритериальной оптимизации параметров при проектировании лесозаготовительных машин и механизмов: ■

1) разработан метод направленной многокритериальной оптимизации и предложена методика проведения диалоговой оптимизации, с использованием вышеуказанного метода; ■ , .'

2) выработана система критерии и дана постановка задач многокритериальной оптимизации параметров для основных видов грузоподъемных механизмов ' лесозаготовительных машин различных иерархических уровней - манипуляторов, грейферных механизмов и захватов лесопогрузчиков, элементов- их металлоконструкций;

3) разработаны . математические модели указанных объектоо, 'необходи&нг» д~я зыполнекия оптимизационных расчетов; получен ряд

корреляционных соотнс.-генр-.й для оценки параметров мак-1пуляторс>в на начальных стадиях проектирования, а также формулы дая опреде-

ления коэффициента запаса управляющего момента валочного устройства, угла обхвата дерева рычагами захватного устройства, оптимальных размеров сечений балок коробчатого типа;

4) разработана уточненная теория процесса зачерпывания круглых лесоматериалов, включающая методы расчета нагрузок, а также их вероятностных характеристик при взаимодействии челюстей захватных устройств с массивом (пачкой, штабелем) круглых лесоматериалов; при этом:

- сформулирована краевая задг. 1а для определения нижней границы нагрузок на челюсть на основе уравнений предельного равновесия сыпучей среды; предложен метод численного решения указанных уравнений; рг зработан приближенный метод "слоев" для определения нижней границу нагрузок и указаны области рационального использования различных методов;

- получены уравнения и исследована задача■устойчивости, до-критического и эакритического поведения системы сжатых гладких цилиндрических тел; установлена устойчивость данных систем к бесконечно мальм и неустойчивость по отношению к конечным возмущениям; показано, что несимметричные формы данных систем являются неустойчивыми при любых значениях сжимающих сил;

- разработан метод расчета верхней границы нагрузок с уче-тс&1 упругости челюсти и лесоматериалов;

- разработан вероятностный метод расчета нагрузок, установлены законы 'их распределения; показало, что при достаточно большом числе слоев бревен закон распределения' нагрузок приближается к нормальному;

- получены динамические уравнения и проведено численное моделирование на ЭВМ движения в ограниченной области системы цилиндрических тел со случайными значениями радиусов.

Практическая значимость. Практическую ценность диссертации представляют разработанные метод и методика многокритериальной оптимизации,_ комплекс моделей и методов для исследования - грузоподъемных механизмов лесозаготовительных машин, реализованные в пакете программ ОПТИМУМ, представляющем собой практический инструмент, который может использовать любой проектировщик при решении широкого круга конструкторских и научно-исследовательских задач в процессе проектирования лесозаготовительной техники.

Реализация работы. Разработанные в диссертации методы, математические модели и программы внедрены для использования. Пакет программ ОПТИМУМ зарегистрирован в Российском государственном фонде алгоритмов и программ, внедрен в фонд алгоритмов и программ НИИ высшего образования. Вышеуказанные методы, модели и программы внедрены й применяются в АО ЦНИШЭ при проектировании оборудования лесозаготовительных машин, в ЦОКБлесхе змаше при проектировании оборудования лесохозяйственных машин.

Результаты диссертации широко используются в учебном процессе в МГУЛ при преподавании курсов Основы конструирования ма-1 шин, Проектирование и расчет' лесозаготовительного оборудования-.

Апробация работы. Основные положения диссертаций и ее отдельные разделы бьши заслушаны' и одобрены:

- на десяти научно-технических , конференциях профессорско-преподавательского состава Московского государственного универ- ' ситета леса в 1987-1996 годах;

- на V Всесоюзной научно-технической конференции по комплексной механизации переместительных операций в лесной промышленности в 1989г.; ' ' .

- на семинаре "Методология проектирования в' машиностроении", Меяедуиародный центр экономики, науки и техники; Петербургский гос. университет путей сообщения, Санкт-Петербург, 1993г;

- на Всероссийской научно-технической конференции по теории, проектированию и методам расчета лесных и деревообрабатывающих машин в 1997г;

- пакет программ ОПТИМУМ экспонировался на международной, выставке "Лесдревыаш - 96" в 1996'г; . , . .

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ общим объемом ЗЗп.л. • . '

• Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи плав, заключения и приложений.- Работа изложена на 317 страницах:, содержит 22 таблицы, 79 рисучков и список литературы из 143 наименований. ..■-.' ■'

Научным консультантом по вопросам.теории зачерпывания крут-тых лесоматериалов грейферными механизмами являлся заслуженный деятель наут^и и'техники РФ/ профессор, доктор технических наук. Гаубер, Б.А. ■ -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Введение. Основные задачи исследования • '

Во введении показана актуальность рассмотрения ропросов.по-юка оптимальных решений' при проектировании лесозаготовительной ?ехники, которыми занимались многие ученые.' Наиболее известны в > Инной области работы Алябьева В.И., Александрова В.А.,"Андреева 1.Н., Барикова К.Н., Петровского B.C., Полвтайкина И.Ф., Таубера. 5.А., и др. Однако при этом'использовались преимущественно методы даокритериальной оптимизации- или сведение многокритериальных, адач к. однокритериаяьным. Отечественный • и эаруОежный • опыт про-. ■ йотирования покачивает, что всесторонний учет требований к про- . легируемым об-вд:ггадг, ncj¡учение" надежных и практически знач'.о'ьж • 'ехккческих р£-;,-еним, причем, в форме, удобной для анализа, каиво- . iee полно реализуются прг' миогокритеридальной постановке задач ■

оптимизации с использованием диалоговых процедур адаптивного типа доя отбора решений. Систематического рассмотрения основных задач проектирования лесозаготовительной техники в указанных аспектах до настоящего времени не производилось, что и послужило одним из мотивов к разработке данной диссертации. В связи со сказанным сформулированы основные цели и задачи диссертации.

Изложение принципов и методов оптимального проектирования, а также разработанного метода направленной многокритериальной оптимизации и созданного на Данной основе пакета программ OPTIMUM приводится в первой главе диссертации.

В качестве объектов проектирования в диссертации выбран класс груэоподььмных механизмов рычажного типа как один из основных в машинах лесозаготовок. Сюда относятся стреловые системы манипуляторов, лесопогрузчиков, трелевочных тракторов дпя бесчокерной трелевки и др.; для непосредственного рассмотрения выбраны стреловые системы манипуляторов, как наиболее распространенные и содержательные с точки зрения выявления общих принципов многокритериальной оптимизации параметров систем подобного типа. В состав грузоподъемных механизмов входят захватные устт ройства рычажного типа для работы как с единичными лесоматериалами, так и пачками или штабелем лесоматериалов - рычаги валоч-ных машин, грейферы с различной площадью зева, пачковые, челюстные захваты и др.; к данной группе примыкают по единству методики их проектирования и другие виды рабочих органов - вапочныё устройства лесосечных машин, погрузочные рычаги и т.д. Важным вопросом является обоснование параметров основных элементов конструкций указанных механизмов, которыми являются балки преимущественно коробчатого сечения и шарниры со сварными узлами крепления к балкам.

'В качестве методологической основы проектирования в диссертации используется блочно-иерархический метод декомпозиции, заключающийся в выделении уровней иерархии подсистем объекта и необходимых проектных процедур для их исследования. В соответствии с данным принципом можно выделить следующие основные взаимосвязанные процедуры, возникающие при проектировании рассматриваемых объектов:.выбор геометрических параметров, механизма; определение действующих нагрузок; определение параметров привода подвижных звеньев; проведение необходимых расчетов и разработка конструкции. При этом , целесообразно максимально унифицировать методы и алгоритмы выполнения отдельных процедур в целях их применимости при проектировании аналогичных объектов или их подсистем.

Указанные выше положения определяют содержание диссертации.

В главах 2 и 3 диссертации рассмотрены, соответственно, задачи геометрического синтеза лесозаготовительных манипуляторов и оптимизации компоновки гидроципиндров. Постановка данных задач и

методика их исследования являются весьма общими и могут быть использованы при разработке любых рычажных гидромеханизмов.

В главе 4 рассмотрены задачи обоснования выбора оптимальных значений. основных параметров рычажных механизмов (захватных и валочных), взаимодействующих с единичными лесоматериалами.

В главе .5 изложены вопросы теории взаимодействия челюстей захватных устройств с массивом (штабелем, пачкой) крупных лесо- ' материалов - существующие и разработанные автором диссертации модели и методы расчета возникающих при этом нагрузок.

В главе 6 данные методы применяются к задачам' оптимального проектирования челюстей грейферных механизмов и лесопогрузчиков.'

В главе 7 рассматриваются вопросы многокритериальной оптимизации подсистем нижнего уровня - элементов конструкций грузоподъемных механизмов: балок, шарнирных и сварных узлов.

. 1. Основные принципы и методы оптимального проектирования

1.1 Принципы описания систем при проектировании

В начале первой главы диссертации излагаются используемые понятия и определения, связанные с описанием систем при автоматизированном проектировании - понятие проектирования, как процесса разработки полного описания объекта, необходимого для. создания его б заданных условиях; виды, стадии и этапы проектирования; блочно-иерархический метод декомпозиции и аспекты описания объектов; понятие проектной процедуры;.виды параметров объекта и его математическая модель, роль задач анализа и синтеза, понятия структурном и параметрической оптимизации. . '

Далее термином оиъект проектирования , обозначается любой-элемент любого иерархического уровня, проектирование которого в данный момент рассматривается. Если при этом ищется решение, наилучшим образом удовлетворяющее;поставленным требованиям, то проектирование называется оптимальным. '

1.2. Общая постановка задач оптимального проектирования.'

Пусть имеется некоторый объект проектирования. Кеваръируе-мые при проектировании параметры об"текта будем называть фиксированными. Обозначим через оц аг,... <Хп совокупность п оарьируемых паргметров об'ьчетл, которую будем называть также, параметрами проеетирования. Данные параметры рассматриваются как декартовы координаты некоторой точки А = (аг, аз,... ая') л ~ мерного тгро- -стрзнотва проектеуэовзнкя; точка Л определяет некоторый вариант сб№кта. Вудеы лишать, чтч» м 'значения параметров проектирования нзжяязнн рарэт^фичесля*? «граничения вида

. - с -

«I < а! < аГ, '1 = (1)

.где а* , а" - некоторые числа.

На совокупность параметров проектируемого объекта могут накладываться также функциональные ограничеккБI, определяемые условиями его функционирования и записываемые в виде

£ ^(Л) ¿Г" , з = 1,2, .. .тм , (2)

где £) (Л) - некоторые функции точки А пространства проектирования, ' ^" - некоторые числа, - число ограничений.

Для еыражения целей проектирования, сравнения между собой варпнтов и отбора наиболее рациональных решений должны быть указаны критерии - некоторые функции Фл (А) , к = 1,2, • •. пк точек пространства проектирования, характеризующие контролируемые свойства проектируемого оСУъскта; пл - число используемых критериев. Критерии также называют критериями качества, показателями эффективности, критериями оптимальности и т.д. В диссертации произведена систематизация основных требований к критериям.

Йалее принято, что 1фитерии выбраны таким образом, что их меньшим значениям соответствует более высокое качество объекта, т.е. рассматривается задача совокупной мишсчгизации системы критериев. На критерии Фк[А) при проектировании накладываются тс^альнью ограничения вида:

Ф*(А) < ФГ, к = 1,2,... пл , 1 (3)

л**

..где Ф* - некоторые числа, с помощью которых устанавливают предельные значения критериев, характеризующие уровень требований, .предъявляемых к объекту проектирования. Величины Фк(Л) также ' рассматриваются как координаты пк - мерного декартового пространства критериев.

Для вычисления функций ^ (А) и Фк (А) должна быть сформирована математическая модель объекта проектирования. Значения величин а*, а**, £*, , Ф*, входящих в ограничения (1-3), задаются в начале оптимизации и могут уточняться в процессе решения задачи.

Ограничения (1-3) определяют допустимую область изменения варьируемых параметров/в-которой должен осуществляться поиск оптимального варианта.

1.3. Принципы отбора решений в многокритериальных-задачах

Ввиду априорной неопределенности понятия оптимального варианта в многокритериальных задачах, обусловленной противоречивым характером изменения критериев, когда одни из них могут возрастать, а другие - убывать, указанная формулировка задачи оптими-

аации (1-3) доляша быть дополнена методами отбора решений и методами поиска рациональных вариантов, т.е. методами оптимизации. Для вьщеления "лучших" решений в многокритериальных задачах используется принцип предпочтения Парото: точка Л' считается лучше точки А", если для всех критериев выполняются нсзравонства Фк(А') < Ф*(Л") , к = 1,2,... rijg , причем, хотя Си для одного • из критериев имеет место строгое неравенство. Данный принцип 0 общем случае дает не единственный оптималышй вариант, а целое множество Ар решений, назыв?->мое паротовсккм. Поэтому принципа Парето недостаточно для выделения единственного варианта, прини- , маемого в качестве оптимального, в связи с чем приходится идти на компромисс между критериями; при этом используются два основных способа! '

1) неформализуемый способ! с помощью ЛПР лица, прини-. маицгто решение; несмотря на неизбежную дато субъективизма, дан' ный способ принятия решения в настоящее время является. наиболее надежным, 'обладает при достаточных компетентности и опыте ЛПР. наименьшей.долей риска, поскольку при этом подробно анализируют- . ся.значения всех частных критериев, а также 1фитериев,- не ьошод-ших явно в формулировку задачи оптимизации; •

/2) формализуемый способ: единственное решение определяется из условия минимума: на множестве допустимых или паретоеских то* чек некоторого критерия 4, называемого обобщенным или св«рткой частных критериев " _ '

. Ф(А). = Ф1,Ф2,... Фл» ) , ' \4>

где Ф* = Хк ■ Ф,, (А) / Фы , к 1,2,... - нормализованные:

значения частных критериев ФК, Хк .- задаваема относительны«;

«*

веса V(приоритет), критериев, £ Хк . = 1 ; Фк!) - нормирующие шо-

1 ...

жители для • приведения критериев Ф* к безразмерному виду; часто Фм принКч=ЧУГ из условия Фк0 ~ max Фк . -.'- "'

Конк^.- fi-'i'ii способ свертки критериев выбирается в соответствии с одним из принципов построении^ каспрсииссов- в теории прикл- . тия решени'"«. Наиболее часто используются следующие принципы;

1) адцитиымй (принцип справедливой уступки)

ф(1),= V Ф* ; ■ (5)

2) мультшшикатии-ый . (принцип относительной уступки)'

Ф" • 11 <<1\ / ; (6) • :

• »=1 ; •■...- -■'.-.■

3) принцш; микиыакса ; ■ .■

ф(3) = max {Ф*| ; (7)

4) принцип минимакса для уступок по всем критериям

Ф(4) - max {ЛФ*} ; (8)

k = l,2,...nt v '

где величина ДФ* = Ф* - min Ф* назьшается уступкой по к-му критерию; используются также принципы равномерности, выделения плавного критерия, 1"Урвица, Ходка-Лемана, Гермейера и др.

Основное достоинство указанных принципов в том, что они позволяют свести многокритериальную задачу к однокритериальной. Однако для данного способа характерны следующие основные лринци- ' пиальные недостатки: 1) неопределенность и субъективизм в выборе значений весов критериев; .2) неопределенность в выборе конкретного принципа построения компромиссов между критериями; оптимальные варианты в общем случае будут различными по различным принципам построения компромиссов; 3) отсутствие непосредственного анализа значений частных критериев в процессе оптимизации; 4) необходимость исследования обобщённого критерия на наличие глобального экстремума. . ■' •

Указанные недостатки существенно снижают значимость данного способа отбора решений й его надежность - уверенность в 'правильности выбранного варианта. j

В разработанном в дисЬертации методе решения многокритериальных задач, излагаемом ниже, оптимальйые варианты, получаемые, по данному способу, используются в качестве рекомендаций ЛПР.для отбора решений, а также для автоматизации формирования (сужения) ограничений при диалоговом итерационном процессе оптимизации.

,1.4. О методах многокритериальной оптимизации.

Для решения многокритериальных задач в настоящее время разработан ряд методов, которые по способу задания дополнительных условий для отбора единственного варианта принято делить на априорные, апостеорные и адаптивные. Наиболее эффективными являются человеко-машинные процедуры адаптивного типа, основанные на диалоге ЛПР с ЭВМ, поскольку для последовательного анализа и отбора вариантов проектируемого объекта оказывается недостаточно формальных приемов. При этом широко используется сочетание методов нулевого порядка и глобальной оптимизации, основанных на задании в области изменения варьируемых параметров некоторой системы N расчетных точек Ai,A2, ...An и вычислении в них значений критериев. К этой группе относятся методы сканирования, Монте-Карло, Соболя-Статникова и др. Наиболее удачным из дайной группы методов является метод Соболя-Статникова, в котором система расчетных точек формируется на основе Jllk - последовательности, яв-

ляющейся в настоящее время наиболее равномерной и информативной среда известных последовательностей.

Достоинствами метода Соболя-Статникова являются его простота, удобство и наглядность представления результатов в виде таблицы критериев, упорядоченных по возрастанию, возможность учета необходимого числа критериев, отсутствие требований к их гладкости и др. Данный метод принят в диссертации в качестве базово- ' го (прототипа). .

1.5. Метод направленной гчогокритериальной оптимизации.

Основными недостатками метода Соболя-Статникова являются: необходимость проведения расчетов в достаточно большом числе точек, ртсутствие направленности алгоритма расчета, точнее, диалоговая . направленность; определенная сложность в формировании ограничений. ¡'Формирование системы ограничений в методе Соболя-Статникова полностью предоставляется проектировщику при диалоге с 53М, что значительно увеличивает затраты времени на проведение оптимизационных расчетов. . , . .

Для устранения ■ указанных недостатков и в . целях повышения производительности процесса оптимизации в диссертации был разработан 'метод, названный методом направленной многокритериальной оптимизации. Его основу составляет процесс автоматизированного формирования'(сужения) параметрических и критериальных ограничений при итерационном процессе оптимизации. •

Пусть на данном шаге итерационного процесса оптимизации'получена совокупность' оптимальных вариантов А^ из условия мини-.

мума нескольких свертс ; ф'г| критериев на паретовском множестве решений Ар, где г = 1,2,...Я, Л - число используемых принципов построения компромиссов мечщу: критериями, отражающих различные (оптимистические и пессимистические.) точки зрения на отбор вариантов, например, принципы (5-6). Указанные решения 'А^ в диссертации : -редложено использовать для формирования параметрических ограничений следующего шага процесса оптимизации по соотношениям (см.-. рис.1) ' ' ' а\ = а™1" - Да,-, а" '= + Аах, 1=1,2,..п, (9)' ,

где а"1" ¡гал|а^| , а™'1* ~ жах|а^| - .минимальное и, ссответ- , г=з.2,...р. г и,;:, ..я

ственко, максимальное значения а.-го параметра проектирования■а^

. ^ ——+

на. множестве.' Ас>:1., Да ^ - к, • (к.,- - а,;), с, < 1 - задаваемый коэффициент, степень' .сужения, или расширения форми-

. руе:д-;х о!г.аничоьяГ ; из сп:-:.;'- расчеггоЕ- целесообразно принимать

<*п

а

а —*

ап *

а„

л

ш1п

'А

(Г) ■opt

I О

Ш

: I

. I : I _!_I

о

аI а! <п аГ* а"

—»» «1

а,

Ф>1 Фх

Рис. 1

=» 0.1... 0.3; а1, ад - значения параметрических ограничений предыдущего шага райчета. Как видно из (9) и рис. 1а параметрические ограничения формируются в окрестности множестве оптимальных вариантов Д^; при этом происходит сдвиг и сужение ограни-

0

чений aif ai относительно значений a.i, <ц предыдущего шага, т.е. автоматически производится направленный,поиск рациональной области изменения варьируемых параметров.

Использование нескольких различных принципов построения компромиссов при формировании параметрических ограничений позволяет учесть различные точки зрения на отбор оптимального вариан- . та,, что снижает долго субъективизма, вносимую выбором весовых коэффициентов при ,расчете сверток критериев. Одновременно, получаемое множество вариантов » оптимальных по используемым

принципам, можно рассматривать как необязательные, рекомендации • ЛПР для принятия решения при отборе оптимального варианта.

Использовать решения. Л^рдля формирования (сужения) .критериальных ограничений при итерационном процессе оптимизации в общем случае нецелесообразно, поскольку данные варианты могут оказаться нерациональными по отдельным критериям; для этих целей в дак.юм методе применяется расширение минимальных'значений критериев min Фк (Л) на паретовском множестве точек Ар до некоторых. ..

значений Ф" по следующим соотношениям (см.' такие' рис. 10):"

.. ф" = Of" + &Фк, к = 1,2,...пк, . (10)

где Ф™1П = min {®jt(Ai)} ~ минимальное значение к-го критерия . i^lA-Np

на множестве паретовских точек б Ар, . Np - число паретовских точек; &Фк - eF • (ФкЛХ - ф™1п) - приращение для Ф" по отношению к Ф®1р; ф™а* = гпах {Ф^(Аа)} - максимальное значение к-1=1,2,...?;р

го. критерия на множестве паретовских точек; если данное множество состоит из одной точки tNp = 1), то ф£гк = и в этом

случае величине Фл присваивается Ф* - значение, ограничения к-го критерия предыдущего шага оптимизации; ег ~ функция весов критериев, значение которой определяет степень сужения или расширения формируемых ограничений по отношению к Ф^" и . вычисляемая в данном методе для каждого "ритерия по соотношению

А ~ 1 " с.:. А. т Я.

sг(?0 г. Б -)■---z^arcta-----— , . ' '

Г п . " Л(1 - к)

где' к - Хк - удельный вес к-го критерия, дня которого определяется е,-? X - 1 / пк. ~ средний вес критериев, е. = (1 + сИ1„) / 2." - среднее значение sF; sr,ln - задаваемое, минимальное значение' -

8Г; в случае однокритериальной задачи полагается ; из

опыта расчетов целесообразно принимать е^^ = 0,1...0,2.

. Для. значимых критериев (Х^ -> 1) сужение ограничений максимально (Бу близко к е^п) с тем, чтобы на следующей итерации получить более рациональные варианты по данным критериям; при малом весе —> 0) сужение минимально(близко к 1) , с там,

чтобы не терялись "хорошие" решения по более значимым критериям.

-А*

Использование значений Ф* предыдущего шага расчета в выражениях (10) предупреждает зацикливание итерационного процесса оптимизации в случае, если паретовское множество на данном этапе расчета оказалось состоящим из одной точки. Если для отдельных критериев величина ф" не должна меняться, то она снабжается в описании

задачи оптимизации признаком "Ы" - неварьируемое критериальное

** —**

ограничение ив (10) для него полагается Фд = Ф* .

Функциональные ограничения (2) определяются преимущественно физическими или. другими условиями функционирования проектируе-. мого объекта и, как правило, не варьируются.

Естественно, что сложность процессов отбора решений и формализации всех требований к проектируемому объекту не может исключить анализа проектировщиком получаемых результатов, поэтому излаженный метод целесообркэно применять в диалоговом режиме, обеспечивая при необходимости возможность корректировки формируемых ограничений. Данный метод необходимо рассматривать не как безусловный способ получения единственного решения, а как эффективную помощь проектировщику для ускорения процесса формирования ограничений и отбора решений.при многокритериальной оптимизации.

Метод может применяться как в многокритериальных, так и од-нокритериальных задачах оптимизации, при этом предъявляются минимальные требования к критериям - только их существование.

В диссертации разработана методика проведения оптимизационных расчетов г.о данному методу:

. 1) формулируется задача оптимизации в виде (1-3);

2) задаются начальные значения параметрических, функцио-

* ** * **

нальных и критериальных ограничении а± , х^, г^ , Фл .

3) задается.число N расчетных точек А1, 1=1,2,...К и вычисляются их координаты по формулам для ЛПг -последовательностей;

4) в данных точках рассчитываются функции /^(Л) и критерии фл(Л); если их значения удовлетворяют ограничениям (2-3), то запоминается номер точки и значения в ней критериев; в противном случае точка отбрасывается;

5) после расчета критериев во всех N точках выделяется паретовское множество решений Ар, точнее, некоторое приближение к

нему, представляемое в виде таблицы ппреггоЕСКих точек упорядоченных по возрастанию критериев; одновременно определяются оптимальные варианты по различным принципам построения компромиссов й формируются по формулам (9-10) параметрические и критериальные' ограничения для последующей итерации расчета;

■б) из анализа полученных таблиц паретовских точек выбираются один или несколько наиболее удачных по мнению ЛПР вариантов,■ в которых наблюдаются наименьшие значения критериев или их' компромиссное сочетание; если решение удовлетворяет ЛПР, то расчет заканчивается, в противном случае он повторяется с п.3). Практика показывает, что, как правило, бывает достаточно 2-4.итераций.

В диссертации приведено описание разработанного На указанных выше положениях пакета программ ОПТИМУМ для решения'широкого круга задач многокритериальной оптимизации параметров объектов лесозаготовительной техниьи,. основные из которых излагаются в последующих главах диссертации.

2. Оптимальный геометрический синтез • ' ■■■'■■" '■

лесозаготовительных манипуляторов ' . ; , . .

Одной из основных при проектировании ■ технологического оборудования лесозаготовительных машин является задача геометрического синтеза рычажных механизмов для перемещения рабочих'.органов - манипуляторов, стреговых систем' лесопогрузчиков,' трелевоу-. ных тракторов для бесчокерной трелевки и др. ' •'■".;'

Во второй главе. диссертации рассмотрена . указанная: задача применительно к шарнирно-сочлененным и телескопическим лесозаго-•говк'.'ельньк манипуляторам, • что не нарушает общности в ыетодало-' . .' гическом подходе к проектированию лмбых рычажных механизмов, но позволяет более полно конкретизировать критерии - и ограничения'-при многокритериальной постановке. '

.Задача заключается.в определении длин звеньев и величин их угловых или поступательных перемещений; ее значимость в том, что на данной стадии проектирования по сути определяется возможность манипулятора гарантированно выполнять требуемые операции в. 'заданной области пространства (аонё обслуживания), • обеспечения наибольшей производительности манип>"Лятора, удобства управления, .. минимальных габгритов, массы и нагр><5кенности конструкций.

В связи с этим, вопросы геометрического синтеза лесозаготовительных манипуляторов рассматривались в работах Алябьева В.И., Александрова В.А., Блринбва К-.Н1, Жавнера В.Л., Ьфамског.о Э.И., Кашубы С.М., куашяёва В.Ф., Турлая М.З. и др. : '

Однако' г.ри этом использовался ряд упрощений относительно ; геометрии зоны обтау.«иэдния манипулятора " й рассмотрение зада'Г • '. оптимизации 5 ,1д|:сйри'"ер..;:-..гьной постановке, с отысканием экстре-, муж«-по отдел ь ¡-.«и крит^'тчм (максимизация гшсдца.ки зоны дей-

. ствия, максимизация, ыивуааального угла между стрелой и рукоятью, минимизация времени цикла или суммарной длины всех звеньев и др.), что не позволяет в полной мере реализовать указанную выше -•истему требований к геометрическим параметрам манипулятора и получать рациональные решения по всей совокупности критериев.

В диссертации данная задача рассматривается в многокритериальной постановке при зоне обслуживания произвольной конфигурации и основных видах функциональных ограничений, характерных для лесозаготовительных манипуляторов с использованием методов оптимизации, Изложенных выше.

Исходной информацией для проектирования манипулятора является зона обслуживания требуемого- вида, задаваемая совокупностью N точек Ш, 1=1,..N1, границы зоны обслуживания, относящаяся к группе фиксированных параметров. Таковыми являются также относительная длина опорных участков телескопических секций, относительная длина вьщвижных секций и высота установки основания манипулятора.

При оптимизации варьируются относительная длина стрелы (параметр ц = 11/1го, 11 ~ длина стрелы, 1го ~ длина корпуса рукояти) , минимальный угол между стрелой и рукоятью при работе на максимальном вылете - ^„щц, высота шарнира колонны В0 и число вьщвижных телескопических секций ; при Мс- 0 имеем вариант шарнирно-сочлененного манипулятора. 1

В диссертации получены соотношения для определения необходимых геометрических характеристик: требуемого максимального вылета манипулятора, длин всех звеньев и их угловых координат Ч'1(М1), Ч/2(М1) при положении в каждой точке МА зоны обсяужива-■ ния, а также требуемые предельные утшы поворота звеньев

^лап = »¿"ВДЛ!« = иахЧ'1(М1).Ч'2„я = так .

Функциона-ьными ограничениями в данной задаче являются: условия досягаемости манипулятором любой точки зоны'.обслуживания, а также возможные дополнительные, ограничения: по предельным углам поворота -стрелы, по углу сервиса при работе со штабелем или при захвате дерева манипулятором. валочно-пакетируюшей машины; возможные габаритные .'ограничения.

Для сравнения вариантов манипуляторов предложена следующая система критериев: полные углы поворота стрелы и рукояти - критерии Ф1 = ДЧ^ = Ч'1иах - ¥1т1п и Ф2 = ЛТ2 = - Ч'^г совместная минимизация которых обеспечивает максимальную производительность манипулятора . и наилучшие. условия компоновки гидроцилин-. дров; минимальные масса и габариты манипулятора будут при условиях минимума суммы длин всех звеньев (ьфитерий ФЗ) и длины стрелы (критерий Ф4), как наиболее металлоемкой и определяющей

габариты манипулятора в транспортном положении, . а также высоту подъема шарнира стрелы при работе. Для телескопических манипуляторов дополнительно используется критерий Ф5 - число выдвижных секций, поскольку при их.минимальном числе снижается металлоемкость и повышается надежность конструкции.

. 'Как видно, 'данная, постановка-задачи учитывает все основные требования, предъявляемые к манипуляторам при их геометрическом синтезе и в удобной форме позволяет контролировать значения критериев и ограничений в процессе оптимизации. ..

Результатом решения зада, ¿и оптимизации является выбор reo-,

■ метрических параметров манипулятора, обеспечивающих его наиболь- . шую производительность, минимальные массу и габариты или их компромиссное сочетание. В диссертации' произведено исследование влияния различных параметров на основные показатели манипуляторов; дан анализ' влияния функциональных ограничений,, а также кор- . реляционный а'налиэ степени взаимосвязи 1фитериев. -

Установить универсальные оптимальные значения указанных параметров не представляется в общем случае возможным, поскольку-их значения существенно зависят от заданной зоны обслуживания и • поставленных ограничений.. Разработанные программа позволяют в каждом конкретном случае производить необходимый анализ й осуществлять оптимизацию параметров проектируемых манипуляторов.:

' 3. Оптимизация компоновки гмдроциЯиндров .. ,

Весьма' важной- при проектировании' механизмов ' лесозаготови- . тельных машин является рассматриваемая в третьей главе диссерта-. ции задача оптимизации компоновки гидроцилиндров, которая относится к классу задач синтеза рычажных механизмов, но с7 учетом' действующих нагрузок. Нерациональная компоновка гидроцилиндров . может привести к излишнему нагружению. конструкции, а следовательно, к увел:1чению ее массы; к неравномерности динамических характеристик при- работе механизма, ухудшению управляемости. . В связи с этам данная задача рассматривалась многими авторами: Ан~. дреевым В.Н.,: Бариновым К.Н., Александровым В.А., Жавнером В.ЗТ., Крамским Э. И., Коршуном В. И., Башкировьм В.А., Полетайкиным В.Ф.,. Ройг. нбёрг'см В.Я. и др. с использованием однокритериальных '

■ методов, оптимизации. В многокритериальной постановке вопросы оп-.

'- тимизаиии 'компоновки '1>щроцилинцров'. ранее н$' рассматривались.

При решений данной задачи .основными являются вопросы выбора критериев оптимальности. компоновки, "в качестве которых предлагались критерии Ш'кимапьйой' и расчетной грузоподъемности, макси-

•мальной нагружзикости гидоэцилкндра, минимума усилия на штоке, и др. Однако ослиной, силовой функцией. П1Дроцилиндр;1 является

• ураановевц'.ваьич мгчлекта'.вкаг ту. сия, .поэте««?"наиболее рацяонаяь- \

• но'использовать' в качестьз главного'- критерия, уезюйке минимум

максимального значения избыточного момента гидроцилиндра над моментом внешних сил во всем диапазоне углов поворота звеньев.

Помимо указанного основного критерия большое значение при компоновке гидроцилиндров имеют критерии или ограничения конструктивного характера, обусловленные желанием или необходимостью (при наличии ограничений по длине звеньев) получить минимальные габариты компоновки, массу гидроцилиндра или усилие на штоке. Данные требования можно выразить как условия минимума расстояний а и Ъ от шарнира поворота звеньев до шарниров гидроцилиндра, !его диаметра D и хода, штока L, позволяющие в удобной форме учитывать в процессе оптимизации различные конструктивные ограничения и осуществлять унификацию используемых гидроцилиндров по основным параметрам.

Для задания точек крепления шарниров гидроцилиндра использованы полярные координаты, что удобно при конструктивной привязке, поскольку силовой треугольник, образуемый шарнирами, звеньев и гидроцилиндра допускает геометрические преобразования симметрии и поворота как жесткое целое без изменения кинематических и силовых характеристик компоновки.

В диссертации произведена классификация основных схем компоновки гидроцилиндров (схемы 1-3 без передаточного механизма и схемы 4-5 с передаточным механизмом - шарнирным четырехзвенни-ком) для которых сформулирована задача оптимизации в следующем виде: ,

фиксированные параметры: Ч^, Ч^, ртах, г), б, аир М(Ч*); параметры проектирования;1/, L, С, D, кф, q0, q2, q3, 80, 83; функциональные ограничения:

1) кинематические ограничения;

2) силовое М®ах = NMxh > sup М • |q| ; критерии :

1) Фх = ;«ахМизб(Ч-) = max{M^ax(40-3upMW-|qm|js

2) Ф2 = а £ ф",

3) Ф3 = b < Ф",

4) Ф4 = L <, Ф",

5) Ч>5 = D £ Ф" ;

здесь Ч^п, Ч^зл - требуемые предельные значения угла поворота подвижного звена, ргоах - максимальное давление в гидроцилиндре, г) - механический. кпд гидроцилиндра, е - параметр компоновки, е = 1 соответствует компоновке с а > b, е = -1 : с а < Ь, sup M0F) - верхняя граница момента внешних сил.при работе гидро-

механизма, у = а + р - угловой параметр компоновки, аир- угловые координаты шарниров гидроцилиндра, С = Эт:1п - Ь - конструктивный параметр гилроцилиндра, Зт1л - расстояние меэду шарнирами гидроцилиндра при полностью втянутом штоке, Б - диаметр поршня, к^, - .отношение площадей поршневой и штоковой полостей, Чо/ ЯгI Чз ~ относительные длины звеньев четырехэвенника и 8о, 53

- угловые координаты его шарниров; Ь - плечо гидроцилиндра, Ы,,.-«

- максимальное усилие на штоке гидроцилиндра, М™ах- максимальный момент гидроцилиндра как функция угла поворота звеньев, .

- модуль производной передаточной функции гидромеханизма.

В диссертации получены 'кинематические ьгредаточные фуикции для указанных схем гидромеханизмов, соотношения для связи координат шарниров.а и Ь с кигэыатическими параметрами- из условия использования полного хода штока, а также силовые соотношения, вытекающие из принципа возможных перемещений. • Функциональными ограничениями в данной задаче являются кинематические, вытекающие из условий существования- передаточных функций гидромеханизмов и силовое условие - максимальный" момент гилроцилиндра при давле :ии ршх должен быть -не менее верхней храиииы момента внешних сил при любых положениях звеньев.

На основе указанных .положений в диссертации разработана программа для ЭБМ, предложена методика расчета верхней границы момента внешних сил и.оптимизации компоновки гидроцилиндров;

«а.со

120,00

100,00

5 80,00 X

* 80,00 <0,00

20,00 о.оо

0,00 20.00 «,00 . 60,00 80,00 .100,00 *1вЛ| 'У,, град

рис. г ■ .

произведено иссл'-дованке '.влияние - различных параметров и исполь- ' • зуемых схем на показатели усшюнгвюг на-'примере гадроцидандрев- •

стрелы и. рукояти манипулятора. Получены также корреляционные формулы для оценки массы манипулятора и его звеньев, необходимые на начальных этапах проектирования при расчетах верхней Гранины ломента внешних сил.

Проведенные расчеты показали эффективность используемого в диссертации подхода к оптимизации компоновки гидроцилиндров, позволяющего получать (пример - рис.2, у =34.16°) равномерные динамические характеристики гидромеханизмов во всем диапазоне-углов поворота' звеньев, обеспечивать использование стандартных параметров гиДроцилиндров и их унификацию в гидромеханизмах.

4. Некоторые задачи обоснования оптимальных параметров рабочих органов для единичных лесоматериалов -

В четвертой главе дано обоснование управляющего момента при направленной валке дерева. В существующей литературе по проектированию лесозаготовительных машин отмечается экспериментально установленный большой разброс (в пределах 1...2,5) значений требуемого коэффициента запаса управляющего момента при направленной валке деревьев вследствие значительного числа случайных факторов - колебаний ветровой нагрузки, естественного yivna наклона дерева и других факторов,- при этом теоретическое обоснование выбора данного коэффициента не приводится.

алеете с тем, экспериментальными' исследованиями ЦНИИМЭ установлено, что для обеспечения направленной валки различных деревьев без скола у комля и сброса с.пня,угловая скорость aso поворота дерева перед началом его свободного падения (в конце работы валочного .устройства) должна находиться в относительно небольшом диапазоне значений ffio = 0,1...0,16 1/с. Этот факт использован в диссертации для обоснования величины коэффициента запаса управляющего момента. Иэ решения дифференциального уравнения повороту дерева при условиях постоянства управляющего момента и момента ветровой нагрузки в процессе работы валочного устройства в аналитическом виде получено соотношение мевду коэффициентом запаса п управляющего момента М.у и величиной угловой скорости дерева а>0 перед началом свободного падения

где обозначено п — Му / Mqj - коэффициент запаса управляющего; момента. Мод = G(dó / 2 + hc sin Р) + Мв - максимальный момент сопротивления при валке дерева (без учета момента сопротивления в перешчке недопила Mtp), Мв - момент от ветровой нагрузки,

®о = мсо / -/GhcJQ ; J0, G, d0, hc, p - момент .инерции,, сила тяжести, диаметр в плоскости среза, высота центра тяжести и, соответственно, угол отрицательного наклона расчетного дерева. , Момент сопротивления Мсо, зависящий от yrvia р и'момента ветровой., нагрузки Мв является случайной величиной'. Соответственно п' является случайной функцией момента Мс0. На основе приведенной выше формулы для коэффициента запаса п в диссертации получены соотношения для определения его матожидания и среднеквадратичного отклонения. Момент сопротивления перемычки недопила Мпер можно рассчитать по известным формулам hm увеличить коэффициент запаса на 0,1...0,15, поскольку Мпер « (ОД.. ,0,1.

В данной главе приводится также обоснование оптимальных значений основных параметров захватных устройств (ЗУ) для единичных лесоматериалов s угла обхвата' р дерева рычагами ЗУ, типа схемы ЗУ - одаорычажная или двухрычажная, вида конструкции рычагов в месте контакта с поверхностью лесоматериалов - гладкие рычаги или с зубьями. Данные показатели взаимосвязаны между собой и их выбор в значительной степени определяется уплом обхвата р.. В литературе по проектированию лесопромышленного оборудования приводятся рекомендации по выбору угла обхвата Р ¿ Pmin. = 20...30° для двухрьмажной и р > pmin = 45° для однорычажной схем ЗУ, вытекающие из условия удержания дерева при отслоении коры. Вместе с тем существует оптимальное значение ух\ла обхвата Popt при котором требуется минимальное усилие прижатия рычагов для удержания дерева и на которое, наряду с Pmin, необходимо ориентироваться при проектировании ЗУ. В диссертации из уравнений равновесия дерева в ЗУ получены соотношения для усилий прижима в состоянии предельнопр равновесия, откуда определены оптимальные значения углов р, при которых требуется минимальное усилие прижатия рычагов для основных схем ЗУ:

тс и

двухрычажной - Popt = — - ip0, однорычажной - popt = — - 2tp0,

где сро - угол трения поверхности дерева о рычаги. На основе полученных результатов произведен анализ конструктивных схем ЗУ и даны практические-рекомендации по выбору их параметров.

5. Математические модели взаимодействия челюстей рабочих органов лесозаготовительных машин с массивом (пачкой) лесоматериалов

. Одно из центральных, мест ' в диссертации занимают вопросы теории взаимодействия челюстей грейферов, захватов лесологруэчи-

ков и др. с массивом (пачкой) лесоматериалов' и оптимизация параметров даннйх механизмов. Указанные вопросы рассматривались различными авторами - Таубером В.А.,. .Труфановым A.A., Виноградовым ¡O.A., Гончаренко И.Т., Бондаренко А.Д., Игнатовым В.И., Никишо-вым Ю.Г., Щербаковым А.И., Андроновым В.В., Щ/тем Г.Е., Сербиным Я.А.,,Третьяковым Н.Д., Тимошенко П.Д. и др., однако достаточно полной теории, позволяющей в необходимой степени учитывать влияние формы челюстей на значения нагрузок и показатели процесса зачерпывания разработано не было.

Сложность проблемы обусловлена многообразием свойств, которые, проявляются при 'деформировании массива контактирующих круглых лесоматериалов с множеством факторов вероятностного характера.Основным из них является пульсирующий характер нагрузок на челюсть при деформировании массива бревен, обусловленный образованием достаточно устойчивых структур типа .сжатых цепочек тал, названных Б.'А.Таубером "балками"; при этом требуемые усилия достигают максимума и после разрушения "балок" резко снижаются до некоторого минимума, что сопровождается относительным перемещением частей массива бревен по некоторым поверхностям скольжения, где массив ведет себя'подобно сыпучей среде;- далее процесс повторяется i , При этом отчетливо прослеживаются нижняя и- верхняя границы нагрузок , и . случайный характер изменения усилий между данными границами.

С указанных позиций в диссертации' разработана уточненная теория процессов взаимодействия челю-тей рабочих органов с массивом 1фуглых лесоматериалов, включающая в себя построение моделей, создание методов расчета и и¿следование различных сторон процесса.;зачерпывания на основе рассмотрения вопросов определение нижней) и верхней границы нагрузок, а, также их вероятностных характеристик. ,

5.1. Метода определения нижней границы нагрузок ' ■

• , Поскольку нижняя граница нахрузок. соответствует процессам относительного скольжения частей массива лесоматериалов,, то для. ее определения естественно использовать методы механики сыпучих сред. Ранее различными авторами для эч-.чх целей, применялись' при-, ближ-энные подхода, основанные на допущениях- о прямолинейности линий скольжения, замене криволинейной формы челюсти на.кусочно-прямолинейную-и т.д. Вдиссертации указанные вопросы рассмотрены .в точной постановке на основе дифференциальных уравнений равновесия сплошной среда и у'словий ее предельной состояния, которые сводятся, к слеаушим соотношениям теории сыпучей ср':---ты на характеристиках '(линиях .скольжения;

. 'da + 2xtgf|>d4' ~Y'-öy + Xtaipcix),

dy / dx = tg(SP + ХЙ. где (рис.За) о = (c1 + а2) / 2, а1г а2 - среднее и главные напряжения в рассматриваемой точке среды с координатами х,у; У -. угол между горизонтальной осью х и направлением' первого главного, напряжения а1г у - приведенная удельная сила тяжести лесоматериалов, учитывающая уплотнение лесоматериалов при зачерпывании, форму пачки, место ее захвата челюстью, ц. = л I 4 - ф/ 2, ф - внутренний угол трения между лесоматериалами, % = + 1 вдоль характеристики , х = - 1 вдоль характеристики ¡;2 » к указанным уравнениям добавляются граничные условия на свободной поверхности

а = О, Ч* = [8 + arc3in (sinS / airvp)] /2; и твердой поверхности 2г (челюсти):

¥ = [<р0 + arcsín(sin <р0 / sin <р) ] / 2 - Р, где 5 - угол мевду касательной к свободной границе и осью х; <р0 - угол трения лесоматериалов о челюсть, (i - угол между касательной к челюсти и вертикалью. ■

В диссертации предложен численный метод решения краевой задачи теории предельного равновесия сыпучей среды, в котором нет необходимости вычислять средние напряжения а на каздом шаге процесса итераций при построении сетки характеристик, в связи с чем на 15...30% сокращается время счета по сравнению с известными методами Соколовского В.В. и Голушкевича С.С.

Результатом расчета в данной задаче является сетка характеристик (пример - см. рис.36) и значения напряжения с на.твердой границе, позволяющие вычислить нормальные- стп и касательные tn напряжения на поверхности челюсти и нагрузки Rx, Rr, Мл, приведенные к концу челюсти, записываемые в виде

R* = j (an cos р in sin J3)dS = ?Lh2Cx, • R„ = / (ап sin p - xn eos p)dS = ?Lh2C ,

Mñ = J |(un cos P + tn sin p)y + (an sin p - Tn eos p)x]dS = yLh3Cm,

где С*, Cy, Qo - - безразмерные коэффициенты нагрузок, L - длина лесоматериалов, h - глубина погружения конца челюсти.

В диссертации предложен также приближенный метод расчета нижней границы нагрузок при зачерпывании круглых лесоматериалов, названный методом "слоев" и основанный на допущении, что линии скольжения являются прямыми, наклоненными под некоторым углом а к вертикальной оси. Разрешающие соотношения метода получаются из уравнений равновесия элементарного слоя среды и уравнений ее

тредельного состояния, что приводит к следующим выражениям для напряжений на поверхности челюсти - ■

yLl(s, a) sin (а + Р) cos <р0 coa (а - ср? _

О ---;—-——-;-: i _ апт-34'0»

sin (а + Р - ф - <р0) где 1 - длина выделенного слоя. Неизвестный угол а" определяется'' из условия минимума давления на челюсть.

В диссертации произведено сравнение результатов расчета нижней границы нагрузок различными методами, на основе которого установлена.область применимости приближенных методов для расчета нижней границы нагрузок на челюсть по модели сыпучей среды: для челюстей, расположенных в процессе зачерпывания в секторе углов р от 10° до 70°, расчеты нижней границы нагрузок по точным и приближенным методам даю? практически близкие значения.

5.2. Основные закономерности поведения системы сжатых цилиндрических тел

Рассмотрению методов определения верхней границы нагрузок и разработке вероятностного метода'в диссертации предшествует ист' следование основных ,закономерностей поведения системы идеально-гладких цилиндрических тел. Вопрос о характере потери устойчивости таких систем, их докритическсм и закритическом поведении ранее не рассматривался. •

Решение данной задачи основано на исследовании устойчивости решений уравнений динамики вытесняемых тел с различными диаметрами. Показано, что данные уравнения эквивалентны следующей обобщенной краевой задаче для системы уравнений в частных производных

^и д а

ц —5- + — (Т sin а) = -а, —• (Г cos а) = 0. dt2 dS . es-

при граничных условиях u(0,t) = u(£,t) = 0, где и - ордината вертикальных смещений тел, Т - силы взаимодействия между телами, ци q обобщенные функции, характеризующие массы тел и вертикальную нагрузку, ц(х) = £га45(х - xj,) / d, q(x> = £ Qjl5(x - xj.) / d, 8(x) - дельта-функция Дирака, и», xi - масса и координата центра i-ro тела, & вертикальная нагрузка на него, t - время, s -длина дуги цепочки взаимодействующих тел, d - средний диаметр тал, L - расстояние между ближайшими телами, взаимодействующими с опорной поверхностью.

Из решения данной краевой задачи в рядах Фурье получены условия устойчивости рассматриваемой системы; определена величина критической силы ,в зависимости от расстояния L мезду опорными телами; показана неустойчивость несимметричных цепочек тел при любых сжимающих нагрузках; установлено, что потеря устойчивости

данной системы носит не "эйлеров" характер: ■ система устойчива к бесконечно малым возмущениям и теряет устойчивость лишь при конечных возмущениях.

Исследован вопрос о вероятности-устойчивого состояния сжатой системы.тел в зависимости от уровня возмущений Л, определяемого различие».! в диаметрах тел или разбросом их взаимных положений относительно горизонтальной оси, что приводит к следующим соотношениям для вероятности Ро вытеснения 1-го тела цепочки

[О при N < 1 / 2Д ,

Ра - К ( 1 у- _

- 1 -при N > 1 / 2Д . ■ [2 V 2№У .

■/ .'Вероятность (3 того, что 'ни одно из п сжатых силой N тел не . будет вытеснено равна СТО = (1 - Р0)п. С увеличением числа тел вероятность, 'выдержать большие сжимающие силы быстро снижается .

: .5.'3. Определение верхней границы нагрузок

В диссертации разработан метод расчета Верхней границы нагрузок на челюсть в. процессе зачерпывания круглых •лесоматериалов V Верхняя граница нагрузок, связанная с контактным взаимодействием лесрматериалов, .рассматривается как' реализация, худшего опучая при зачерпывании, когда в', казвдом слйе лесоматериалов образуются наиболее устойчивые горизонтальные- цепочки бревен "балки",дпя которых точки,контакта бревен находятся на горизонтальной прямой и лесоматериалы имеют примерно одинаковый даа метр, поскольку различие в диаметрах, и • неодинаковая ориентация контактирующих тел приводят к снижешр,предельных сжимаквдих сил.

, Из'п.5.2, следует, что разрушение балки Наиболее вероятно путем вытеснения одного или двух.брёвен. Из уравнений равновесия и основных, условий предельного состояние,, соответствующих взаимному: качению бревен, скольжению: 1файнего бревна по челюсти ..или второму бревну получены выражения для- нагрузок на челюсть при разрушении балки , в . зависимости от числа слоев,. -В ..действиталь-' ноеги' будет, реализован тот из указанных трех случаев, разрушения г балки, для которого сжимающая сила имеет минимальное значение,

.<Произведем анализ полученных, соотношений: для нагрузок. Показано, что при малых углах наклона челюсти в точке контакта с бреоном- разрушение балки может происходить -.'за счет качания брёвен; :с увеличением-р. происходит скольжение крайнего бревна по челюсти - -грейфера; при больших углах р возмохаю разрушение б^лки за счет ■ относительного скольжения дэух 'бревен. Соотношение указанных форм разрушения. балки существенно .зависит - от значений коэффициентов '¡гренич. Для верхней' границы -нагрузок характерн а на-

личие пиков для случая криволинейной челюсти, что связано с переходом от одной формы разрушения балки (скольжение крайнего бревна по челюсти) к другой - качение двух бревен.

В диссертации также впервые рассмотрен расчет верхней гра- ' ницы нагрузок с учетом упругости сжатого слоя бревен и челюсти.

Из сравнения верхней и нижней границ нагрузок на челюсть при зачерпывании лесоматериалов получены условия рациональности формы рабочей части челюстей: для снижения среднего уровня нагрузок челюсть должна быть как можно ближе к прямолинейной, а для снижения пульсаций нагрузок - иметь угол наклона к вертикали по возможности ближе к 52°.. .57°.. Данный критерий удобен на начальных стадиях проектирования, так как позволяет оценить рациональность формы челюсти без расчета нагрузок.

5.4. Вероятностный метод расчета нагрузок на челюсть

В диссертации предложен вероятностный метод расчета нагрузок на челюсть, основанный на анализе взаимного случайного расположения тел в выделенном слое пладких цилиндрических тел (рис.4). Нагрузка от верхних опоев моделируется по схеме сыпучей, среды. Из уравнений предельного равновесия и условия равновероятности расположения точек контакта рзаимодействующих тел с учетом ограничений, вносимых челюстью, получена функция распределения величины критической сжимающей нагрузки N :

я ,1 _--■ arcsin •.-PIN) = 1 - [1 - ЪЩвЦЯ), ¡?X(N) = -2-.

' '■ - - р

.2

На основе данных- соотношений бьши' получены первое приближение для плотности распределения f(N), а также математическое ожидание ^ и среднеквадратичное отклонение Од силы N :

1 + cos Р

N»» _ _ _ 1 .

(Ñ) = / Nf(N)dN = -In

¡w — - В

2 .

sin Р

.f^S fvS - «.л* _ /й\2 ™ - _ Ctgp

a- = i/b(N), DjN) = m2(N) - (Ñ) , m2(N) ~ J N f(N)dN

Nmín

--P г

где Nmin = 1, .Nmax = 1 / sin p - нижняя и верхняя границы изменения силы N, соответствующие нагрузкам, вычисленным по модели сыпучей среда и методу "балок":при нулевом коэфф: диенте трения. Для сравнения с полученными результатами проведено численное моделирование на ЭВМ движения системы цилиндрических тел со случайными значениями радиусов на основе уравнений динамики:

n

. JíUXi = "Z N^ooз а±1, • 5=1

n

• = -n^g - £ Ni:j sin aiv

где ;

Yj ~ Yi '- ' sinajj = —-, cos ai5 = --,

• ' rij rij •

rij = ^(Xj - xj2 + (y-j - y^2, i, j - 1,2,... n, n - число тел, Xj,, yi - декартовы координаты центра i-го тела,

- сила взаимодействия-мезвду i-ым и j-ым телами,

¡rij = ikq^ - масса i-ro тела, m0 X / n ~ средняя масса - ■ - - i = l

тел, r4 - радиус i-го тела. Для сил Sy использовалась нелиней-.. ная упруго-вязкая модель, коэффициенты которой определялись экспериментально. Проведенное. сравнение показало хорошее- соответствие .с результатами, полученными вероятностным методом.

Суммированием по слоям бревен определены результирующие нагрузки на ¡челюсть, ..которые по теореме Ляпунова при. достаточно большом чибле слоев будут иметь нормальный закон распределения.

•Матожидание нагрузки в каждом слое представляет величину ее отличия от нижнего значения нагруэю.. Отсюда'получает v практический метод расчета матожидания суммарных нагрузок на челюсть пу-' . тем интегрирования давлений an и т'п от сыпучей среды, помноженных на функцию К(Р) = (Ñ) /

■ Rx = f K®(an cos Р гп sin p)ds = YLh3Cx. .

• Ry = í-K{p)(on sin fl - tn'cosP)dS = ifLh2Cy,

- ■ s¡ ■■ .'■';.

MA. r i K(p)[(on eos P + xn sin p)v + (on sin p - xn eos p)x]ds = yLh3Cm; ,

• при расчетах'значения функции К(Р), при" Р < 3o. .5°. ограничивались значениями 3. . .3,5, определении»!'.на основе, описанного ваше моделирования на ЭВМ вэашодействия системы цилиндрических тел.

6. Оптимальное проектирование -рабочих органов , ? ; ; для пачек лесоматериалов

Вопроса:.! выбора рациональных параметров rpepj/epwix механиу-м.ч-' п<.х2эяэ(ено бехпнщба количесм -о рабо® ТауРсра JB.A., Boii.í-Uiíxshko

А.Д., Шутя Г.Е., Сербина Я.А., Тимошенко П.Д., Глебко Д.К., Ка-ракулина Г.Г., Козлова В.Ф., Морохина В.И. и др.

В отличие от работ указанных авторов оптимизация параметров грейферных механизмов' в данной диссертации производилась в мно- ' гокритериальной постановке с использованием разработанных мето-, дов расчета взаимодействия челюстей с крупными лесоматериалами.

В математическую модель приводного грейфера, необходимую Оля постановки многокритериальной задачи оптимизации его параметров, входят уравнения равновесия грейфера, из которых определяется момент поворота челюсти

Мр = Iq[Rx соз Ç - Ry 3in Ç +'R ~~ 8)] - Мд - MGl,

t величина нормальной реакции на нижнюю сторону челюсти R = + н ] coa ер, V2 V eos ((рк - 5)

ще г0 расстояние'от шарнира поворота челюсти до ее конца, § ~ головая координата поворота челюсти, отсчитываемая от вертикали, V. - угол трения между нижней стороной челюсти и лесоматериала-м, S - угол наклона кривой зачерпывания к горизонтали, Moi - мо-1ент сил тяжести челюсти относительно шарнира ее поворота, G ила тяжести грейфера. Нагрузки на челюсть R», Ну, IV в данных ©отношениях рассматривается как случайные величины, характери-тики которых' определяются с помощью изложенного еьшо вероят-остного метода расчета. Это дает возможность вычистить матожи-ание и дисперсию момента поворота.

Неизвестная заранее кривая зачерпывания при расчетах опре-елялась как кривая наименьшего сопротивления из условия миниму-з требуемого момента поворота челюстей на каждом шаге расчета э углу поворота. К данным соотношениям добавляется уравнение вменения высоты слоя бревен в процессе зачерпывания, полученное диссертации в дифференциальной форме,, и связи мевду гашемати-5скими параметрами грейфера. ^

Описанная выше замкнутая система уравнений интегрировалась гсленно методом Рунге-Кутта четвертого порядка. В результате ¡счетов определялись все необходимые показатели процесса эачер-юания: кривая зачерпывания и нагрузки на челюсти, объем эа-;рпнутой пачки, фактический коэффициент заполнения зева грейфе-I, матожидание и дисперсия момента поворота челюстей, средняя и [ксимальная мощность для зачерпывания, удельная работа на за-рпывание 1 мЗ лесоматериалов. :

Разработанная модель приводного грейфера позволяет сформу-ровать многокритериальную задачу оптимизации его параметров.

Фиксированными параметрами .задачи япляются грузоподъемность ана, масса грейфера, параметры зачерпываемых лесоматериалов и

др. В процессе.оптимизации производится варьирование расстояния между' шарнирами и параметров, определяющих форму челюстей, для представления которой наиболее рациональным оказалось использование интерполяционных полиномов Эрмита; при расчетах учитывалась толщина челюсти.

Функциональными ограничениями в данной задаче являются: 1) ограничение по ггрузоподъемности крана; 2)- условие выпуклости челюсти; 3) ограничения на углы наклона кривой зачерпывания; 4) ■ ограничения на угол наклона концов челюстей в сомкнутом положении; 5) условие отсутствия касания траверсы о лесоматериалы при зачерпывании; 6) условие отсутствия выхода грейфера на поверхт ность, которое может иметь.место при недостаточной массе грейфера ипи нерациональной форме челюстей; 7) отсутствие пересечения наружной поверхности челюсти с кривой зачерпывания. При нарушении ходя бы одного из указанных функциональных ограничений совокупность' значений параметров данного грейфера считается неудовлетворительной. .

Оценка грейфера и отбор .вариантов при оптимизации осуществляется1 по. критериям: .1)удельной работе на зачерпывание одного кубометра лесоматериалов; 2)средней мощности,, требуемой на зачерпывание;. 3)соотношению между максимальной и средней мощностями . для рационального . выбора параметров привода; 4)требуемому максимальному моменту поворота челюстей; 5) .'максимальному значению коэффициенту вариации, данного момента; данный критерий характеризует уровень пульсаций момент- поворота челюстей вследствие образования и разрушения балок при зачерпывании;6)по критерию максиммьного раскрытия'челюстей, который можно использовать для задания габаритных ограничений.при проектирований грейферов, работающих! в ограниченном пространстве:— в полувагонах, накопителях транспортеров и т.д.," 7) по условир максимального заполнения эева грейфера. Данная система критериев учитывает все основные требования, предъявляемые к грейферу при его'проектировании.

.На основе разработанной модели;и программы для ЭВМ произведено исследование задачи оптимизации, параметров грейферных механизмов и анализ влиянияразличных факторов - формы челюстей грейфера, его ■ массы, длины лесоматериалов, величины ■ начального заглубления концов челюстей на основные показатели процесса за-, черпывания;' произведено сравнение расчетных данных с экспериментальными,. показавшее их хорошее соответствие.

Установлено, что-форма челюстей грейфера существенно влияет на значения основных показателей процесса зачергывания лесоматериалов. ' Коэффициент вариации момента поворота т.рк зачерпывании составляет в зависимости от формы челюстей 0,1-0,4,* что ©¿ответствует эксперимента ль ныи данкьэ,- (0,12 .. .0,25) , получение в работах ■ Вик'оградсза Ю.А..,' НикишсФа-'Ю.Г., 'СерЗина Я.А.

На рис.5 представлена наиболее рациональная при принятых условиях работы форма челюсти (обозначенная как СрС), полученная в результате оптимизации, а также кривые зачерпывания, характер изменения среднего момента поворота челюстей, его нижняя и верхняя границы в зависимости от длины сортиментов Ь. С использованием. разработанного пакета ОПТИМУМ можно производить оптимизацию параметров грейферов для любых конкретных условий работы.

100 so

V 63 п. <0 20

1 1 1

<Ma>ILs8; 8: fOM^

"Ч. __

V а

— Т"

* ---- —

0,2 М 0,6 0,3

1,2 1,4 1,8 1Д

Рис. 5

На . рис.6 показано влияние разошчных форм челюстей (обозначены -кружками с номерами) и длины лесоматериалов' на Сдельную работу зачерпывания сортиментов. Сплошнь!ми линиями на-¡есены экспериментальные данные (Таубер Б.А., И-грбаков А.И.}, ;видетельстзующие о том, что: 1) разработанная в диссертация "гочненная теория зачерпывания и оптимизации параметров грейфе-

ров позволяет достаточно адекватно определять основные показатели процесса■зачерпывания крутых лесоматериалов; 2) форма челюсти оказывает существенное влияние (в 1,5-2 'раза) на требуемые мошностиые и силовые характеристики грейфера; 3) широко применяемый в настоящее время энергетический метод расчета грейферов с использованием коэффициента удельной работы зачерпывания, принимаемого без учета конкретной формы челюстей, может давать большую погрешность в определении потребной мощности, двигателя привода и параметров его рабочей характеристики.

8,09 ■

.' МО;-

' 0.С9 ----.- -,--...-> 0,00 2,0» 4,00 , 6,00 8,00 10,08 •

' ; I ' ■' Л . '-1-' и

, 1 ; - '■' Рис. 6.

. Произведено сравнение осн шных/показателей процесса зачерпывания. -дгЫ ряда форм. челюстей. ' существующих грейферов (ЛТ-153, ЛТ-185, 'ЛТ-184,:ГГ-5) и с челюстью СрС..Оптимизация формы челюсти погшоляет до 30% снизить энергоемкость процесса зачерпывания, пошаять коэффициент заполнения зева гр-эйфера, а также улучшить ряд других показателей по' сравнению с существующими грейферами.

В диссертации в аналогичной постановке й: с.использованием разработанных методов расчета нагрузок рассмотрена также задача многокритериальной . оптимизации формы челюстей .лесопогрузчиков для .основного"' расчетного случая - внедрения челюстей в штабель.' Фиксированные параметрами здесь являются .требуемая грузоподъемность захватного устройства и параметры лесоматериалов; при. оптимизации варьируется. форма челюсти. Произведен анализ влияния формы челюсти на Величину нагрузок и уровень .их пульсаций, а также на взаимосвязь- основных критериев - площади сечения захватываемой лачки и величины максимальных, нагрузок при внедрении челюсти -в штаСаль. - Устаиовнена существенная', противоречивость .данных показа Ллйе'й..-' Разработан.»-' дя прзграга.» оптимизации поязояя-

ет определять наиболее рациональную форму челюсти лесопогрузчика в зависимости от максимального усилия внедрения,- развиваемого базовым трактором.

7. Оптимальное проектирование металлоконструкций лесозаготовительных машин

В главе 7 диссертации рассматриваются вопросы многокритериальной оптимизации параметров объектов нижнего . иерархического уровня - основных видов элементов металлоконструкций грузоподъемных механизмов лесозаготовительных машин, к которым относятся преимущественно балки коробчатого сечения, шарнирные и сварные узлы. Данные задачи представляют, во-первых, практический интерес, как наиболее часто решаемые в процессе конструирования лесозаготовительного оборудования и, во-вторых, с точки зрения выявления основных закономерностей формирования критериез при многокритериальной оптимизации элементов конструкций.

Балки коробчатого типа находят широкое применение в металлоконструкциях машин различного, назначения - грузоподъемных, строительно-дорожных, лесозаготовительных и др., в связи с чем задача оптимизации параметров коробчатых сечений рассматривалась многими авторами - Гохбергом М.М., Перлиным Л.Г., Бурдиным C.B., Алябьевым В.И. и др. Для ее исследования в работах указанных авторов использовались однокритериальные методы оптимизации.

В диссертации данная задача рассматривается а многокритериальной постановке, что позволяет формулировать ее в естественном виде и упрощает исследование. Фиксированными параметрами являются моменты К-х, Му, Т и силы Qx, Qy, N, действующие в сечении и коэффициент запаса прочности. В состав варьируемых параметров входят геометрические параметры сечения, а также предел текучести материала балки, что позволяет одновременно- производить выбор наиболее рациональной марки стали по критериям минимума массы (площади сечения А - критерий Фа ) и относительной стоимости массы балки единичной длины - критерий Фг = С. /

В число критериев также включены ограничения по .прочности -критерий <ij = max аэкв / [а] < 1 , где гаахаэкв - максимальное эквивалентное напряжение на контуре сечения, [а] - допускаемое напряжение, и по' местной устойчивости стенок и полок балки -критерий 4>з£ = max п3 < 0.8 - 0.9, .где гаах пэ- наибольшее из значений коэффициентов местной устойчивости, рассчитанных для каждой из полок и стенок сечения. Применение данных критериев позволяет контролировать степень использования несущей способности сечения в процессе диалоговой.оптимизации.

Данная особенность - использование функциональных ограничений по различным условиям работоспособности конструкций

(прочности, устойчивости, износостойкости и др.) в' качестве критериев является характерной для методов диалоговой многокритериальной оптимизации параметров элементов металлоконструкций.

В результате произведенных в' диссертации оптимизационных расчетов удалось установить формулу для определения оптимальных соотношений <xopt = b / h ширины и высоты- коробчатого сечения в зависимости от действующих в сечении силовых факторов

aopt = Му + (1 - Му)^| + , где My. = Му / Мх, Т = Т / Мх -

относительные моменты в сечении.. Данную формулу удобно использовать в проектных расчетах коробчатых.балок минимальной массы.

Рассмотрена также задача оптимизации параметров шарнирных уалов лесозаготовительных машин,. которые являются весьма нагруженными, . воспринимая усилия 100...400 кН. Значительное число отказов. в металлоконструкциях лесозаготовительных "машин обусловлено'нарушением прочности элементов шарнирных узлов.и их износом. В связи.с.этим задача определения наиболее рациональных значений параметров, шарнирных узлов, обеспечивающих максимальную равно-прочность и минимальную массу их элементов представляет значительный практический интерес.

. ' ' Фиксированиями параметрами здесь являются нагрузка в.-шарнире, расстояние между' проушинами и зазор мевду втулками и проушинами. При оптимизации варьируются все геометрические параметры шарнира. В Аачестве 1фитериев в' данной задаче приняты'- масса узла, давление в шарнире й напряжения во всех элементах конструкции шарнирного узла.

' _ . Рассмотрена задача оптимизации . формы контура сварного на-хлесточного соединения, весьма распространенного в конструкциях шарнирных 'узлов лесных машин. .Фиксированным^' параметрами здесь являются нагрузки в* узите, координаты точек сопряжения накладки с балкой, коэффициент проплавления, зависящий от способа сварки, и число сварных швов. В процессе оптимизации варьируется форма на-. кладки, а . также катет швов. - '

Основной целью оптимизации является получение формы контура ■ и параметров сварных швов при которых обеспечивается необходимая' прочность соединения, равномерная нагруженность всех сварных швов, что важно для обеспечения долговечности соединениями равномерности передачи нагрузки от шарнира, на- металлоконструкцию. При. этом также должны обеспечиваться условия минимума габаритов накладки при максимальной производительности сварки.; В соответствии со сказанным приняты следукщие критерии: ограничение по ..прочности (критерий , условие равномерной нагруженности всех с&арных швов контура - критерий Ф>, равный разности ме;зду значе-к'.' каксм-глгьного и hs-шишльного • напряаюний вдоль, швов сварно-. г - K-.HTtT't! крлтерий ij - сумм рная длина всех е.чов, характер«-.

эугаций размеры сварного контура и расход сварочных материалов;.в качестве последнего критерия Ф4 принято габаритное ограничение на длину накладки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ' -

1. В диссертации рассмотрено актуальное направление - многокритериальное оптимальнее проектирование грузоподъемных механизмов лесозаготовительных машин, позволяющее на новом уровне и с высокой степенью эффективности реализовать системные принципы при проектировании данного класса, механизмов, учесть полный комплекс в общем случае весьма противоречивых требований к проектируемым объектам, получать' решения наиболее рациональные по всем критериям.

2. Выработана общая структура описания задач многокритериальной ■оптимизации параметров лесозаготовительных машин и механизмов, сформулированы основные требования к выбору критериев.

3. Разработан метод направленной многокритериальной оптимизации-, позволяющий:

- автоматизировать процесс формирования параметрических и критериальных ограничений с возможностью их корректировки проектировщиком, что значительно ускоряет процесс оптимизационных расчетоз в многокритериальных задачах, а в ряде случаев дает возможность выполнять его в автоматическом режиме;

- автоматически осуществлять поиск области рациональных значений варьируемых параметров;

предоставлять проектировщику рекомендации по отбору окончательного варианта, принимаемого в качестве оптимального;

- сократить общее число расчетных точек вследствие направленного сужения ограничений.

4. Разработан дня ЭВМ пакет программ №ого1сритериальной оптимизации параметров лесозаготовительных машин и механизмов.

5. Предложена система критериев для многокритериальной оптимизации геометрических параметров лесозаготовительных манипуляторов, обеспечивающая наибольшую производительность работы при минимальных массе и габаритах манипулятора, предназначенного для работы в заданной зоне обслуживания. Сформулированы задачи многокритериальной оптимизации геометрических параметров указанных манипуляторов, разработаны математические модели и программные модули для данного класса задач. •

6. Классифицированы основные схемы компоновки гидроцилин-цров для которых^ сформулирована многокритериальная задача оптимизации с учетом действующих нагрузок и возмог гостью задания стандартных параметров гидроцилиндров. Разработана математическая модель и программный модуль для решения данных оптимизационных задач.

7. Разработана методика и получены расчетные соотношения для обоснования величины управляющего момента вапочного устройства лесозаготовительных машин ыанипуляторного типа,' обеспечивающего направленную валку дерева с учетом случайного характера действующих на дерево нагрузок.

8. Получены соотношения для обоснования оптимального ,угиа обхйата дерева при зажиме его рычагами'захватных устройств различных типов. Приведены рекомендации для практического выбора ' схемы и основных параметров захватных устройств.

9. Разработана уточненная теория процесса зачерпывания крутых лесоматериалов захватными устройствами. При этом:

- сформулирована краевая задача для определения нижней границы .нагрузок на челюсть захватного устройства на основе уравнений, предельного равновесия сыпучей среды.- Предложен численный метод 1 решения уравнений предельного равновесия сыпучей среды,

.являющийся на 15-30% эффективнее по затратам вычислительных ре- . сурсов по сравнению с известными алгоритмами; разработан приближенный метод "слоев" для определения нижней границы нагрузок; произведена.оценка погрешности различных методов расчета нижней границы нагрузок по сравнению с методом характеристик в зависимости от геометрических параметров челюсти; ■

- получены и решены уравнения динамики сйстемц . сжатых цилиндрических теп; .произведен анализ .основных, закономерностей поведения указанной'системы; получены условия устойчивости данных систем и показано, что они являются устойчивыми к бесконечно малым и неустойчивыми по отношению к конечным возмущениям; устано- • влено, что несимметричные цепочки 'цилиндрических' тел являются неустойчивыми при любых значениях сжимающих .сил; -

- разработан метод расчета .'верхней границы нагрузок с уче-- том упругости челюстей и , лесоматериалов; исследовано влияние

основных - параметров челюсти и лесоматериалов на параметры верхней границы нагрузок;

' - установлены требования к рациональной форме" челюстей, взаимодействующей с круглыми лесоматериалами;

• разработан, вероятностный метод расчета нагрузок на че-, люсть; установлены законы их распределения; показано, . что .при ' достаточно, большем, числе слоев бревен пакон распределения нагрузок приближается к нормальному; получены расчетные ..формулы для '■ определения вероятностных характеристик ' {математического сжида-•-ния и дисперсии) нагрузок, действующих на челюсть; исследована зависимость данных соотношений от числа сяоёв бревен;

,'■ - получены динамические уравнения и проведено численное мо- ' датирование -на'-ЭВМ движения в ограниченной области системы цилиндрических тел со случайными значениями радиусов; характеристики нагрузок - (матежидание и ' средааквадратичное . отклонение) в

юленном эксперименте и рассчитанные вероятностным методом на->дятся в хорошем соответствии друг другу. •

10. Разработана математическая модель и сформулирована многокритериальная задача оптимизации параметров приводного грейфе- ■ 1 для работы со штабелем круглых лесоматериалов. Произведен. 1ализ влияния формы челюсти и других параметров грейфера на тчения нагрузок, их пульсаций и характер процесса зачерпыва-[Я. Установлено существенное влияние формы челюсти на требуемые >щностные характеристики привода грейфера. Указаны рациональные ¡ачения параметров формы челюстей. Произведено сравнение ре-гльтатов расчетов с известными экспериментальными данными, ко->рое подтверждает адекватность математической модели грейфера сальным процессам, происходящим при его работе.

И. Разработана математическая модель и сформулирована мно->1фитериальная задача оптимизации формы челюстей лесопогрузчи->в, работающих со штабелем лесоматериалов (сортиментов, хлыс-■в) для основного расчетного случая - внедрения челюсти в шта-ль. Произведен анализ влияния формы челюсти на значения нагру-к и их пульсаций при работе с лесоматериалами.

12. Разработаны математические модели и сформулированы за-чи многокритериальной оптимизации параметров металлоконструк-й лесозаготовительных машин: балок коробчатого сечения, шар-рных и сварных узлов. Предложена формула для определения опти-льных соотношений размеров коробчатых сечений, удобная.на на-льных этапах проектирования балок коробчатого типа.

Результаты диссертационной работы могут использоваться при оектировании машин и механизмов для лесозаготовок, строительно-рожных, сельскохозяйственных и других типов машин и механиз-в; при преподавании курсов по САПР и проектированию технологи-

ского оборудования лесозаготовительных и других видов машин. «

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

' /

1. К определению усилий для разрушения "балок", образую-кся при зачерпывании грейфером 1фуглых лесоматериалов//Научн. ./МПТИ--1987, Вып.197, с.22-36.

2. Сравнительный анализ методов расчета нагрузок на челюсти эйфера при зачерпывании' круплых лесоматериалов и оптимизация эмы челюсти. В сб.: V Всесоюзн.- научно-технич. конфер. Мехаки-дия и автоматизация переместительных работ на предприятиях зного комплекса. Тезисы докладов,- М.: МЛТИ, 1999.-с.97-99. •

3. Об устойчивости и коэффициенте уплотнения упорядоченной зуктуры шероховатых цилиндрических тел//Изв. высш. учебн. задний. Лесной журнал.-1989, № 5, с.54-58.

- за -

4. Об одном алгоритме решения уравнений предельного равнс весия 'сыпучей среды//Строительство и архитектура. - 1990, К'2 с,133-135.

5. Сравнительная оценка методов расчета нагрузок при зачер пывании круглых лесоматериалов//Изв. высш. учебн. заведений Лесной журнал, г 1990, № 5, с.51-55.

6., Оптимизация формы челюстей грейферных механизмов при за черпывании круглых лесоматериалов//Изв. высш. учебн. заведений Лесной журнал.-1990, I? 6, с.34-38.

7. Основы оптимального проектирования элементов конструкци лесных машин. - М. :.МЛТИ, 1990 - 68с.

8. Об устойчивости системы сжатых цилиндрических тел и ве роятных 'значениях критической силы//Изв. высш. учебн. заведений Лесной журнал..- 1991, № 5, с.42-48.

,9.. Многокритериальная оптимизация компоновки гидроцилин дров//Научн.'тр/ МЛТИ.- Вып.251,. 1992, с:.89-100. "

10. Вероятностный метод расчета нагрузок при взаимодействи челюсти грейфера с круглыми'лесоматериалами // Научн. тр./МЛТИ. 1992, Вып.247, с.141-151.

11.. Об оптимальных геометрических соотношениях сечений ба лок коробчатого пррфиля//Научн. тр./ МЛТИ. . - Вып. '247, 1992 с. 152-15.5. | (в соавторстве)

12. Основы оптимального проектирования.-М. :МЛТИ,'1992- 44с. ' ' ,13. Расчет и проектирование металлоконструкций лесных ма ■шин/ч. 1,11. - М.: МЛТИ, 1992, чЛ-РОс^ч.И-бЗс.

14. К*обоснованию коэффициента запаса управляющего момент при направленной валке дерева//Изв. >высш. учебн. заведений. Лес ной журнал!- 1993, № 4, с.44-48.

15. Ор оптимальных углах оохвата. дерева( рычагами захватног устройства//Иэв. высш. учебн. заведений. Леской журнал.- 1993, 5-6, с.67-69. . ■ " ; ' . .

16. Обоснование выбора расчетного' дерева и основных пара метров валочных (глногооперационных), машин при проектировании. М.-..МГУЛ, 1993.-44с.

,17. Проектирование механизма поворота. гидравлического мани пулятора.- М.: МГУП, 1994 - 40с. '

18. Пакет программ миого!шитериал--,ного оптимального г.роек тироваиия лесозаготовительных, машин ' и механизмов// .Научн тр./МГУП,- вып. 271, 1995,' с.43-56. '.

. 19. Проектирование гидравишчаских грузоподъемных манипуля торов. - М.: МГУП, .1995. - 72«.

20. Ксяодьзазание -метода направленной многокритериально •оптимизации при- проектировании лесозаготовительных -машин и меха низыов.- В сб.: Всероссийская научно-техническая конфереици "Тесрия, 'проектирование и методы расчета лесных и деревосбраба тьэаквдх Тезисы'докладов.~М. :МГУЛ, 1<>!?7.;-с. 25-27. •