Развитие технологий ремонта лесозаготовительных машин с использованием передвижных ремонтных мастерских

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В ранее опубликованных работах [1-2] доказано, что важным фактором, влияющим на надежность лесозаготовительной техники, является организация ее ремонта. При этом завершающим этапом ремонта является сборка, и если обеспечить ее качество, то надежность лесозаготовительной машины по критериям безотказности и долговечности будет соответствовать уровню, обеспеченному на всех предыдущих стадиях ремонта. Установлено, что принятые в отрасли технологии сборки лесозаготовительных машин не обеспечивают качества сборки и нарушают требования безопасности работ. Поэтому предложена новая технология сборки, основанная на применении специально разработанного пневматического сбалансированного манипулятора с комбинированной позиционно-астатической системой управления [3]. Эта технология позволяет обеспечить качество сборки лесозаготовительных машин и повысить, например, долговечность шарнирных соединений технологического

Автор - профессор кафедры технологии лесного машиностроения и ремонта, д.т.н.

оборудования до трех раз. Важно отметить, что снятие или установка любого агрегата осуществляются одним оператором, при этом он прилагает усилие, не превышающее ЗОН. Но технология разработана для ремонта техники в условиях гаражей, РММ и других стационарных объектов ремонтно-обслуживающей базы отрасли. В современных условиях при возрастающей удаленности лесосек от стационарных объектов ремонтно-обслуживающей базы становится экономически выгодным производить ремонт машин на месте их поломки агрегатным методом с использованием передвижных ремонтных мастерских. В этом случае спецификой ремонта техники в условиях лесозаготовок на Северо-Западе России является высокая вероятность его проведения при отрицательной температуре воздуха.

На основании вышесказанного сформулированы задачи исследования:

® Разработать структуру и конструкцию позиционно-астатической системы управления пневматическими сбалансированными манипуляторами для работы в расширенном температурном диапазоне (до ™25°С);

® Разработать математическую модель пневматического сбалансированного манипулятора предназначенного для ремонта машин в условиях лесосек, и вариант его технического решения.

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Для проверки возможности использования сбалансированных манипуляторов с комбинированной системой управления для сборки при отрицательных температурах на кафедре ТЛМиР СПбГЛА создана специальная термокамера. Предварительные испытания показали, что при отрицательной температуре воздуха нарушается стабильная работа электропневмати-ческого редукционного клапана, входящего в состав устройства управления. Поэтому предложена специальная структура позиционно-астатического устройства управления для работы в расширенном температурном диапазоне (до - 25°С). Так как в устройстве управления используется разработанный автором специальный редукционный клапан, то потребовалось проведение экспериментальных исследований с целью выбора его оптимальных параметров для работы в диапазоне температур воздуха от - 25 до +20°С. Для проведения эксперимента в соответствии с целью разработана экспериментальная установка, помещенная в термокамеру.

Оценка запаса устойчивости и быстродействия произведена по кривой переходного процесса при единичном входном воздействии. При решении задачи выбора оптимальных конструктивных параметров специального редукционного клапана в качестве целевой функции выбран минимум функции времени переходного процесса tn = f(x],..., Xj), зависящей от конструктивных параметров устройства хр..., хг В качестве функции ограничения принята функция перерегулирования а = f(x[,..., х,) = 0, а также кон- структивные ограничения параметров задающего устройства. Для проведения активного эксперимента выбраны следующие факторы: диаметр входного дросселя dBX, мм; диаметр выходного дросселя dBb]x, мм; диаметр шарика dm, мм; диаметр выходного сопла мм; ход штока hi мм; жесткость пружины кп, н/мм. Так, целью экспериментальных исследований является получение данных, необходимых для выбора оптимальных конструктивных параметров пневматического редукционного клапана, способного обеспечить работу сбалансированного манипулятора при температуре до - 25°С, проведены четыре серии экспериментов при температурах - 25, - 10, 0, + 20°С. Согласно разработанному центральному композиционному ортогональному плану второго порядка, базирующемуся на дробном факторном эксперименте (2^"*), для каждого ощыта производилась сборка пневматического редукционного клапана управления с необходимыми сменными элементами. При проведении экспериментов проверка однородности дисперсий проводилась по критерию Фишера, проверка значимости коэффициентов модели - при помощи t-критерия Стьюдента, а проверка адекватности модели - с использованием F-критерия Фишера. После получения математических моделей исследуемых параметров осуществлялся переход к их натуральным величинам. Полученные уравнения регрессии использованы при проведении оптимизации.

По результатам экспериментальных исследований установлено, что при прочих равных условиях повышение температуры воздуха с - 25°С до + 20°С приводит к повышению быстродействия редукционного клапана (длительность переходного процесса tn снижается) и одновременному повышению значения перерегулирования. При этом требуется найти оптимальные параметры специального редукционного клапана, позволяющего обеспечить качество работы устройства управления сбалансированного манипулятора в диапазоне температур от - 25°С до + 20°С.

Поэтому в качестве целевой функции выбрано уравнение регрессии функции времени переходного процесса для температуры воздуха - 25°С. В качестве функции ограничения принимаем уравнение регрессии функции перерегулирования соответствующее температуре + 20°С, значение которой должно быть равным нулю, так как при а>0 возможны произвольные колебания рабочего органа сбалансированного манипулятора, что нарушает требования правил безопасности. Также вводим конструктивные ограничения. Таким образом, получена целевая функция: tn=-1,15241 +0,07835dBX-0,01417dBbIX-0,04514dm+ +0,31719dBC-0,01214hшт-0,05735kп-0,00097dвxdBЬIX--0,00354dвxdш-0,00345dвxdвc+0,00073dвx kn+ +0,00067dR,Ixdm-0,00123 dR,,YdRr-0,00012 dR,rY h,„T--0,00137 dR. ,Y kn+0,00273 d,„ dRr+0,00063 dm hmT-

• ’       ВЫХ П ’       Ш ВС ’       Ш ШТ

  -0,00204d,_I,k_n-0,00009d_Rrh_mT-0,00804d_nJ<_n+

  • ¹            LU 11   ³            BL- 1111    ’             BL- 11

+0,00014h,„_Tk_n-0,00612d ²+0,00226d_R²- LU 1 11  ³        ВЛ              ВЫЛ

-0,01I95d„ 2+0,00005 h 2+0,64402 k2 min.

Ограничения:

ст =33,4617-24,5928d_BX-18,7893d_Bb]X+ +7,7899 d_m+21,3882 d_BC+l,5591 Н_шт+ +10,2199k_n+0,1486 d_BXd_BbIX+0,1082 d_BXd_m+ +0,1216 d_RY d_Rp+0,1520 d_HY h_lnT+0,7279d_RY k_n+ +l,1336d_R,_IYd„_T-2,0978d_HMYd_Rr-0,0714 d_RMY h_mT+ ³        ВЫХ 111  ’        ВЫА BL- '        ВЫЛ 1111

+0,2575d_RMYk_n-l ,0819d_lnd_Rr-0,0625 d_m h_mT- '        ВЫЛ 11           LU BL-            LU LU 1

• -0,2005 d_m k_n-0,1410 d_RP h,,,_T+0,0686 d_Rr k_n ’           LU 11   ’           BL- 111 1                 BL- 11

• -0,1252     k„+0,6979 d ²-0,0418d_n, ,²+

’       Ш1 11   ’       ВЛ 3 вых

+0,0731 d 2-0,l 429d 2-0,0020h 2-97,6482 к n2 = 0;

tn > 0; 1,0 < dRY <5,0; l,0< dR,IY <5,0; 6,0< dln <14,0; 3,0 ^шт» ^П’ удовлетворяющих конструктивным ограничениям. Задача решена на ЭВМ при помощи пакета MathCAD2001Pro. В результате получены следующие значения:

dDV = 1,62 мм, dD,,Y = 3,78 мм, = 8,83 мм, бог.= 5,60мм,      62,0 мм, k„= 0,80 н/мм.

Для выбора оптимальных или рациональных параметров других элементов пневматического устройства управления сбалансированного манипулятора с комбинированным управлением и параметров пневматического привода необходимо разработать обобщенную математическую модель. При ее разработке наибольшую сложность представляет математическое моделирование процессов, происходящих в специальном редукционном клапане, так как произвести адекватное теоретическое описание динамических процессов, происходящих в дросселе «сопло-заслонка», невозможно. Поэтому, учитывая, что клапан устанавливается в управляющей ветви пневматической схемы сбалансированного манипулятора и поэтому его параметры не зависят от параметров исполнительного устройства сбалансированного манипулятора, целесообразно получить его экспериментальную математическую модель.

Эксперимент по построению математической модели специального редукционного клапана проведен в соответствии с методикой, представленной в работе [1]. Методика основана на анализе переходной характеристики исследуемого элемента системы управления. В результате получено дифференциальное уравнение специального клапана т22 (d2 Рвых /d t2 ) + Tj (d pBMX/d t)+ pBblx= k xBX, где T], T2 - постоянные времени, k - коэффициент передачи, рвых - давление на выходе клапана, хвх -перемещение штока клапана (Т]=1,1х10"2с, ?2= 4,39 х 10'3с, к= 1,905x107Па/м).

При использовании уравнения совместно с системой уравнений (5.1) - (5.14), представленной в работе [ 1 ], получают обобщенную математическую модель СМ с пневматическим комбинированным управлением, предназначенным для эксплуатации в расширенном температурном диапазоне ( до - 25°С). Для проверки адекватности разработанной обобщенной математической модели и оценки точностных характеристик манипуляторов в диапазоне температуры воздуха от - 25 °C до + 20°С проведена серия экспериментов. Исследования проводились по методике, разработанной в главе 6 работы [1] для исследования СМ с комбинированной системой управления.

Единственным дополнением методики является то, что все испытания повторяются для температур воздуха- - 25°С, - 10°С, 0°С, +20°С. Поэтому экспериментальная установка, созданная на базе сбалансированного манипулятора МПУ-100 с разработанным устройством управления, располагалась в специальной термокамере на кафедре технологии лесного машиностроения и ремонта Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии.

В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что погрешность значений установившейся скорости при расчете по обобщенной модели не превышает 7,8%, 8,2%, 9,2%, 9,6% соответственно при температурах воздуха - +20°С, 0°С, - 10°С, - 25°С. Погрешность расчетных значений времени разгона при данных температурах соответственно не превышает 15,4%, 15,9%, 17,6%, 18,5%. Погрешность расчетных значений времени торможения соответственно не более 16,5%, 16,7%, 18,4% и 18,9%. Таким образом, можно заключить, что экспериментальные результаты подтверждают адекватность обобщенной математической модели. Погрешность позиционирования при работе в позиционном режиме при температуре воздуха + 20°С, 0°С, - 10°С, - 25°С не превышала соответственно следующих пределов ± 0,27 мм, ± 0,28 мм, ± 0,34 мм, ± 0,36 мм.

Разработка технического решения сбалансированного манипулятора, предназначенного для механизации сборки лесных машин с использованием передвижных    ремонтных мастерских

При разработке технического решения учитывалось, что современные передвижные ремонтные мастерские оснащены краном-манипулятором. Поэтому предложено сбалансированный манипулятор выполнить в миниатюрном исполнении и оснастить его устройством быстрого соединения с краном-манипулятором. В этом случае с помощью сбалансированного манипулятора выполняются ориентирующие движения в процессе установки или снятия агрегата, а транспортировка его к месту ремонта или, наоборот, к месту установки обеспечивает кран-манипулятор. Новизна технического решения защищена Патентом на изобретение [4]. Изобретение решает задачу расширения технологических возможностей передвижных ремонтных мастерских.

ВЫВОДЫ

• 1.    Разработан вариант структуры пневматического устройства управления сбалансированным манипулятором на основе позиционно-астатического управления и автоматического уравновешивания силы тяжести груза для механизации сборки лесозаготовительных машин при температуре до - 25°С.

• 2.    Разработанные обобщенные математические модели пневматических сбалансированных манипуляторов с комбинированным управлением, учитывающие процессы, происходящие в устройстве управления и пневматическом привода, можно рекомендовать для анализа и синтеза манипуляторов, построенных по основным кинематическим схемам, которые в настоящее время используются в сбалансированных манипуляторах.

• 3.    Использование на передвижных ремонтных мастерских миниатюрного сбалансированного манипулятора позволяет существенно расширить технологические возможности передвижных ремонтных мастерских и обеспечить качество сборки лесных машин при их ремонте на лесосеках.