B5i

На правах рукописи

БЕРСТЕНЁВ Андрей Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ

АВТОМАТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМОГО

ПНЕВМОГИДРОПРИВОДА КОРОСНИМАТЕЛЯ

РОТОРНЫХ ОКОРОЧНЫХ СТАНКОВ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2012 2

Работа выполнена на кафедре сервиса и эксплуатации транс­ портных и технологических машин ФГБОУ Е1ПО «Уральский государ­ ственный лесотехниче ский университет».

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

Официаль ные Ковалев Рудольф Николаевич, доктор технически):

оппоненты: наук профессор, ФГБОУ ВПО «Уральссий государственный лесотехнический униЕюрситет», заведующий кафедрой экономики транспорта и логистики;

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

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

Защита диссертгщии состоится 13 сентября 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного с о ею тэ Д 212 281.02 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» (620 100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37), к. 401.

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

Автореферат разослан августа 20' 2 г.

Ученый секретарь диссертационного сов эта Куцубина Н.В.

кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

Процесс совершенствования таких станков еще в 80-х годах законодательно получал поддержку на государственном уровне, и принимались различные мероприятия, предусматривающие корен­ ную переработку конструкции всего станка с внедрением гидропри­ вода его рабочих органов. Совершенно очевидно, что преимуще­ ства гидро- или пневмопривода наиболее полно реализуются с си­ стемами автоматического управления (САУ).

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

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

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

В настоящее время на отечественном рынке появилось современ­ ное оборудование, комплектующие элементы необходимые для созда­ ния автоматизированных станков. Однако отсутствие теоретических разработок;, посвященных вопросам проектирования таких конструкций, не позволяет в полной мере реализовать досгижения прогресса.

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

Целью работы являлось повышение надежности, производи­ тельности роторных окорочных станков путем применения автома­ тически управляемого пневмогидропривода короснимателя.

Для достижения цели были тоставлень и решены следующие задачи:

- изучить конструктивные решения механизмов, работ, посвя­ щенных совершенствованию РОС, определить наиболее перспектив­ ную конструкцию и основные элементы гидропривода для примене­ ния с системой автоматического управления короснима~еля;

- разоаботать принципиальную схему и математическую мо­ дель пневмогидропривода короснимателя;

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

- определить метод управления, разраоотать структурную и ма­ тематическую модель САУ пневмогидропривода короснимателя;

- разоаботать имитационную модель САУ в компьютерной си­ стеме математическою моделирования;

-разоаботать модель микропрофиля поверхности лесоматери­ ала для численного эксперимента с реальными данными по процес су окорки и выполнить проверку адекватности модели автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя;

- выполнить анализ модели САУ на устойчивость при работе короснимапеля с предложенным пневмогидрэприводом;

- разоаботать алгоритм программного комплекса проектирования автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя;

- обеспечить внедрение рез/льтатов исследований в практику;

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

Объект исследований. Конструкция механизма режущего ин­ струмента роторных окорочных станков.

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

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

На защиту выносятся следующие результаты:

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

- математическая модель системы автоматического управле­ ния пневмогидроприЕЮда короснимателем и ее реализация в виде имитационной модели в среде MatLab, предназначенные для опре­ деления основных параметров САУ;

- параметры конструкции автоматически управляемого пнев­ могидропривода короснимателя;

- методика проектирования автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя.

Достоверность результатов. Обоснованность результатов определяется экспериментальными данными, корректным исполь­ зованием современных методоЕ! исследования, накогленным огытом работы по автоматизации и моделированию работы пневмогид­ ропривода, непротиворечивостью и воспроизводимостью резуль-атов, полученных теоретическим путем, а та оке провед знием оценки адекватности разработанных моделей, использования эксперимен­ тальных данных для расчетов и сопоставлэний результатов. Полу­ ченные алгоритмы реализовань на компьютере и апробированы в виде вычислительных экспериментов.

Практическая ценность ре боты и ее реализация По результатам исследований разработано конструктивное решение МРИ с пневмогидроприводом.

Результаты исследований п|эедставлены в виде рекомендаций, математических, имитационных моделей, м е т о д и к и расчета, компью­ терных программ, позволяющих решать задачи проектирования пневмо­ гидропривсда короснимателя с системой автоматического управления.

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

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

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

Апробация работы.

Основные научные положения и результаты исследований бы­ ли представлены в виде докладсв и сообщений на консэеренциях:

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

- всероссийских: «Материалы II Всероссийской научно - техниче­ ской конференции студентов и аспирантов)*. -Екатеринбург, УГЛТУ, 2006;

- областных: «Системы управления ракетных комплексов. Ill научн.-техн. конф. молодых специалистов НПОА». - Екатеринбург, Федеральное агентство ФГУП «НПО автоматика им. академика Н А.

Семихато&а», 2006.

Результаты исследований докладывались на кафедрах серииса и эксплуатации транспортных и технологических машин, техноло­ гии и оборудования лесной промышленности Уральского государ­ ственного лесотехнического университета, на заседании секции Фе­ дерального аэрокосмического агентства им. академика Н.А. Семихатова ФГУГ НПО «Автоматика», (г. Екатеринбург).

Опубликованиесть результатов. По результатам исследо­ ваний опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 печатные ра­ боты в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состэит из введе­ ния, общей характеристики, 6 глав, основных выводов и рекоменда­ ций, списка использозанных источников, вкпючающих 105 наимено­ ваний, приложения. Содержание работы изложено на 187 страни­ цах, включая 84 рисунка, 8 таблиц. Приложение изложено на страницах и включает результаты аналитического обзора конструк­ ций станков, справочные материалы, резул ьтаты расчетов экономи­ ческого эф ф е кта, акты внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе выполнен анализ состояния проблемы, изуче­ ны конструкции РОС, известные в мировой практике, выявлены тен­ денции их совершенствования, наиболее значимыми уз которых яв­ ляются применение пневмо- и/или гидропривода и систем автомати­ ческого управления. На основе анализа и с учетом миоовой практи­ ки установлено, что одним из самых перспективных конструктивных решений является РОС с двухвальцовым механизмом подачи по ти­ пу «VK». Учитывая, ч~о по такому конструктивному типу к 80-м годам в СССР была создана унифицированная гамма станюв, в настоя­ щих исследованиях для дальнейшего развития принимается кон­ струкция с двухвальцовым механизмом подачи.

В развитие технологий окорки, совершенствование роторных станков, инструментов значительный вклад внесли исследования профессоров, докторов техн. наук С.П. Бойкова, М.Н. Симонова, Г И.

Торговникова, А.М. Ггзизова, кандидатов те го а пневмоэлемента а) - расчетная кинематическая схема; б) - структурная схема; I- модель объекта управлений; II- модель гидропривода юросниматегя; ЭГУ- электэогидравлический усилитель; САУ- система автоматического управления; МЭП - магнитоэлек­ трический преобразователь; 1 - гидравлический насос; 2 - гидэоцилиндр;

3 - пневматический элемент; 4 - рычаг передачи усилия; 5 - датчик положения поршня гневмоэлемекта; 6 -датчик угла поворота рычага передачи усилия;

a) - структурная схема цифрового ГМ Д-регулято эа ГП; б) - схема моделиро­ вания автоматического управления ГП; в) - схема модели компенсатора ДОС;

Рис/нок 3 - Элементы модели САУ пнэвмогидропривода На первых двух этапах в среде S im ijn k получены значения, оптимальные по Парето. На последнем этапе выполнялась оптими­ зация параметров передаточной функции 4а переходных режимах (рисунки 4,6) по критериям качества управления с учетом противо­ речивости критериев и выработки компромисса между ними с ис­ пользованием в MatLab процедуры «Signal Constraint».

а) - переходный процесс при отработке задаю щ зго сигнала верхней грани­ цы зоны регулирования; б) - ф рагмент I рисунка а) - процесс отработки сигнала с максим альны м градиекггом в границах зоны регулирования;

1 - задающее воздействие; 2 - b e d jo a d ; 3 - bed; 4 - best; 5 - b e s tjo a d Рисунок 4- Переходные! процессы в пневмогидроприводе короснимателя Рисунок 5 Фрагмент результатов оптимизации переходных процессов в Simulink-формате (незатененной частью графика з MatLab предусмотрено выделение области допустимых значений функции) Критериями качества управления принимались:

- максимальная вэличина пеоерегулирозания, Н;

- время выхода на режим при заходе короснимателя на бревно, мс;

- время захода не сучок, мс.

В этом случае представлялось целесообразным выработать обобщенный показатель эффективности, но специфика задачи поз­ волила длч поиска компромисса между критериями построить вна­ чале соответствующие зависимости параметров качества управле­ ния (рисунок 6) и найти оптималь ное значение коэффициентов пе­ редаточной функции САУ графически.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследова­ ниям процесса окорки, включающим следующие задачи:

- определение микропрофиля поверхности бревна, копируемо­ го лезвием короснимателя;

- получение математическсго описание микропрофиля поверх­ ности бреЕ!на;

- выполнение численного машинного эксперимента по исследо­ ванию про4ессов окорки на станке с автоматически управляемым короснимателем и проверка адекватности теоретических моделей.

Численный эксперимент проводился с реальными эксперимен­ тальными данными для различных режимоЕ: работы станка типораз­ мера ОК63. Процесс моделирования движения короснимателя при скорости подачи бревна 2,1 м/с и вращения ротора 420 мин'1 по суч­ коватой поверхности лесоматериала толщиной 55 см изображен на рисунке 7.

a) - от коэффициента пропорциональности (Kp_р); (5) - от периода дискретизации (ТОj о), в) - от коэфсэициента диф ференциальной составляющей (Td_р), Рисунок 6 - Зависимость параметров качества управления от коэффициентов передаточной функции Пятая глава посвящена практическому применению результа­ тов исследований и расчету экономического эффекта. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методика и программный комплекс проекгирования ав­ томатически управляемого пн-эвмогидропривода короснимателя.

Применение программного комплекса обзспечивает сокращение сроков проектирования и доводки опытных образцов за счет разви­ тых методов численных экспериментов на основе имитационных моделей, а также реализации технологии полунатурных эксперимен­ тов. При его использовании были рассчитаны основные параметэы предложенной конструкции автоматически управляемого пневмо­ гидропривода короснимателя РСС (таблица).

а) - угловое положение рычага передачи усилия при отработке сигнала управле­ ния; б) - фрагмент I рисунка а); в) - рассогласование задающего ситала и сигнапа отработки; 1- задающий сигнал; 2 - сигнал отработки; 3 - рассогласование задаю­ Рисунок 7 - Процесс копирования короснимателем поверхности Экономический эффект от внедрения результатов исследова­ ний проявляется в двух направлениях:

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

- на стадии использования станков с автоматически управляе­ мым короснимателем за счет повышения производительности, надежности, обусловленных исключением динамических нагрузок, технологичности и качества окорки короснимателем с; дистанцион­ ным управлением прижимом.

6 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Провзденные исследования позволили получить следующие основные результаты и рекомендации.

1. На основании исследований показано, что самым перспектив­ ным напревлением, которое обеспечило прогресс в соЕершенствовании роторных станков за последние два десятилетия, является внед­ рение сисгем автоматизированного управления рабочими органами, оснащенными, как правило, пневмо- и/или гидроприводом. В этой свя­ зи работы начатые 1_|НИИМЭ в конце 80-х годов по созданию новой гаммы роторных окорочных станков с гидроприводом, отражают миро­ вые тенденции, и на сегодня следует развивать это направление» с применением систем автоматического управления, а современная элементная база пнеЕ1мо-, гидрог ривода, микропроцессорной техники позволяет оснастить механизм режущего инструмента роторного око­ рочного станка приводом с системой автоматического управления.

2. Предложено конструктивное решение кинематической схемы автоматически управляемого короснимателя, позволяющее подо­ брать оптимальное соотношение быстродействия и силовых пара­ метров гидропривода 3. Вь явлено, что управление короснимателем с помощью гид­ ропривода невозможно обеспечить на всех режимах, но введение) в систему последовательно включенного упругого элемента, напри­ мер пневматического позволяет обеспечить параметры управления для высокочастотного процесса окорки, силовых параметров гидро­ привода, si также наиболее рационально реализовать систему авто­ матического регулирования.

4. Предложенная математи иеская модель пневмогидропривода короснимателя и ее реализация в среде MatLab п о з ео л я ю т иссле­ довать и проектировать такие механизмы для РОС.

5. Разработана САУ пневмогидропривода короснимателя на дис­ кретном ПИД-регуляторе, представленная перэдаточной функцией вида:

со следую щими оптимальными значениями коэффициентов:

- дифференциал ьной состазляющей Td_p =0,01;

- пропорциональности Кр_р =3;

- периода дискретизации ТС_р = 0,003.

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

7. Для разработки САУ с пневмогидроприводом может приме­ няться метод экспериментальных исследований, предложенный в работе. Экспериментальные исследования методом имитационного численного моделирования работы МРИ достаточно точно могут быть выполнены на экспериментальной модели лесоматериала.

Для этих целей используются полученные в работе эмпирические уравнения в виде полиномов, описывающие микропрофиль поверх­ ности лесоматериала по которой движется коросниматель.

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

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

Предлагаемые параметры автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя 1. Эффективная площадь бесштоковой полости ГЦ, м2 11 (±0,7)-10* 2. Эффективная площадь штоковой полости ГЦ, м2 9,5(±0,7)-10' 3. Расстояние между упорами ГЦ (ход штока) м 15.9(±1,1) 4. Относительный командный ток насыщения мА 0,25(±0,02) 5. Относительное смещение середины зоны нечувствительности МЭП, м В. Относит перемещение струйной трубки в момент насыщения силовой характеристики 1-го каскада 7. Постоянная времени золотника, с 25(±0,5)-10:'> 8. Макс. значение относит, смещения середины зоны нечувствительности МЭП от линейных перегрузок 9. Макс. проводимость раб. окна МЭП, м2с/Н2 3.2694 10-' 10. Проводимость канала золотникового 26, 11. Плечо поворота вала датчика обратной связи, м 0,12(±0,001) 12. Длина кронштейна короснимателя, м 0^10, Окончание таблицы 13. Начальный угол наклона крон шейна короснлмателя к лневмоэлементу, рад 14. Коэффициент демгфирования пневмоэлемента, Нс/м 1(±0,03)Ю 15. Коэффициент упругости пневмоэлемента. Н/м 4600(±2) 16. Длина пневмоэлемента без нагрузки, м 17. Наклон РПУ в начальном положении относительно радиального на травления, рад 20. Начальный угол положения пневмоэлемента относительно гидроцилиндра, рад 10. Применение программного комплекса при проектировании обеспечивает экономический эффект не менее 150 тыс. руб. на одну модель станка. Расчетный экономический гффект от внедрения ре­ зультатов исследований, обусловленный повышением производи­ тельности. надежности окорочных станов с автоматически управля­ емым пнеимогидроприводом короснимателя и принятыми парамет­ рами составляет не менее 7,3 млн руб. на станок в год.

Оснозные научные результаты диссертации опубликованы в следующи< работах.

I. Научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Побединский З.В., Берстенев А.В. Тенденции в развитии ро­ торных окорочных станков // «Справочник. Инженерный журнал», № 5(182) - М.: ООО «Издательский дом “Спектр”, 2012. - С. 46-51. ' 2. Побединский S. В., Берстенев А.В. Конструкции современных окорочных инструментов // Вестник КрасГАУ. Техника, №5(68) Красноярск: КрасГАУ, 2012. - С. 293-297.

3. Побединский В.В., Берстэнев А.В. Пневмо- и гидропривод в роторных окорочных станках // Еестник КрасГАУ. Техника, №6(69) Красноярск: КрасГАУ, 2012. - С. /З ^ - А /З.

4. Побединский В.В., Берстэнев А.В. Коросниматель с пневмо­ гидроприводом // Вестник КрасГАУ. Техника, №7(70) - Красноярск:

КрасГАУ, 2012. - С. г г б -/3 0.

II. Доклады к международным конференциям 5. Берстенев А.В., Побединский В.В. Математическая модель гидропривода рабочего органа роторного окорочногс станка // Сб.

тр. междун. Евразийск. симпоз. 20-21 сентября 2006 хДеревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» / под науч.

ред. И.Т. Глебова. - Екатеринбург: УГЛТУ, ООО РИЦ «Компас», 2006.- С. 177-181.

6. Побединский В.В., Берстенев А.В. Синтез математической модели гидропривода механизма резания роторного окорочного станка в системе MatLab // Сб. тр. междунар. Евразийск. симпоз. 20сентября 2006 «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» / под науч. ред. И.Т. Глебова. - Екатерин­ бург: УГЛТУ, ООО РИЦ «Компас», 2006. - С. 170-177.

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

8. Берстенев А.В., Побединский В.В. Моделирование рабочих процессов роторного окорочного станка в среде MatLab // Сб. тр.

междунар. Евразийск. симпоз. 20-21 сентября 2006 «Деревообра­ ботка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» / под науч.

ред. И.Т. Глебова. - Екатеринбург: УГЛТУ, ООО РИЦ «Компас», 2006. - С. 182-187.

III. Статьи в сборниках материалов Всероссийских 9. Берстенев А.В., Побединский В.В., Санников С.П. Система автоматического управления рабочим органом роторного окорочного станка // Матер. II Всерос. науч.-техн. конф. студ. и аспирантов апреля 2006. Ч. 2. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2006. - С. 115-118.

10. Берстенев А.В., Побединский В.В,, Шуняев С.Н. Примене­ ние алгоритмов нечеткого вывода в моделировании объектов с не­ строго определенными параметрами // Системы управления ракет­ ных комплексов. Ill научн.-техн. конф. молодых специалистов НПОА:

Сер. Ракетно-космическая техника: науч.-техн. сб. - Екатеринбург:

Федеральное агентство ФГУП «НПО автоматика им. академика Н А.

Семихатова», 9-11 апреля 2006. - С. 119-127.

подписями направлять по адресу: 620 100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37, УГЛТУ, диссертационный совет.