Обґрунтування параметрів піднімально-транспортувальної машини і режимів її функціонування на лісових складах з малим вантажообігом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний вищий навчальний заклад

НАЦІОНАЛЬНИЙ ЛІСОТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

УДК [630*848:674.093.3]:621.86

Обґрунтування параметрів піднімально-транспортувальної машини і режимів її функціонування на лісових складах з малим вантажообігом

05.05.04 - машини для земляних, дорожніх і лісотехнічних робіт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Бакай Борис Ярославович

Львів 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі лісопромислового виробництва та лісових доріг Національного лісотехнічного університету України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Адамовський Микола Григорович,

Національний лісотехнічний університет України Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри лісопромислового виробництва та лісових доріг, м. Львів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Мартинців Михайло Павлович,

Національний лісотехнічний університет України

Міністерства освіти і науки України, професор кафедри прикладної механіки, м. Львів.;

кандидат технічних наук, доцент

Маслай Сергій Володимирович,

Національний університет біоресурсів і природокористування України Кабінету Міністрів України, доцент кафедри технологій лісогосподарського виробництва, м. Київ.

Захист відбудеться “14” грудня 2010 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.072.03 Національного лісотехнічного університету України за адресою: 79057, м. Львів, вул. Генерала Чупринки, 103, зал засідань. З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного лісотехнічного університету України за адресою: 79057, м. Львів, вул. Генерала Чупринки, 101.

Автореферат розіслано “9” листопада 2010 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради І.Т. Ребезнюк

вантажообіг транспортувальний лісоматеріал

АНОТАЦІЯ

Бакай Б. Я. Обґрунтування параметрів піднімально-транспортувальної машини і режимів її функціонування на лісових складах з малим вантажообігом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 - машини для земляних, дорожніх і лісотехнічних робіт. - Національний лісотехнічний університет України, Львів, 2010 р.

Дисертаційну роботу присвячено вирішенню науково-технічного завдання, яке полягає у розробленні піднімально-транспортувальної машини з маніпулятором шляхом обґрунтування її параметрів і режимів функціонування та раціонального технологічного і конструкторського компонування для підвищення ефективності переміщення лісоматеріалів.

Виконано аналіз і класифікацію лісових складів з малим вантажообігом, визначено резерви підвищення ефективності роботи устатковання, обґрунтовано його параметри та запропоновано перспективне устатковання для піднімально-транспортувальних операцій. Уперше реалізовано новий метод визначення зусилля, необхідного для стискання сортиментів грейфером. Проведено ряд експериментальних досліджень у виробничих умовах та на імітаційній моделі - одержані результати підтверджують отримані теоретичні положення. За результатами теоретичних й експериментальних досліджень розроблено машину портального типу, обладнану маніпулятором, та систему лісонагромаджувачів.

Ключові слова: піднімально-транспортувальні машини, маніпулятор, параметри, ефективність, лісовий склад, грейфер.

АННОТАЦИЯ

Бакай Б. Я. Обоснование параметров подъемно-транспортной машины и режимов ее функционирования на лесных складах с малым грузооборотом. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 - машины для земляных, дорожных и лесотехнических работ. - Национальный лесотехнический университет Украины, Львов, 2010 г.

Диссертационная работа приурочена решению научно-технической задачи, которая состоит в разработке подъемно-транспортной машины с манипулятором путем обоснования ее параметров и режимов функционирования и рациональной технологической и конструкторской компоновки для повышения эффективности перемещения лесоматериалов.

Выполнен анализ и классификация лесных складов с малым грузооборотом, установлено резервы повышения эффективности работы оборудования, обосновано его параметры и предложено перспективное оборудование для подъемно-транспортных операций.

Впервые предложен и реализован метод представления “балки”, образованной круглыми лесоматериалами в момент их захвата грейфером манипулятора, как балочной системы с сосредоточенными включениями в распределенную массу, применяя импульсные функции 1-4 порядков. Установлено, что зависимость усилия грейфера, необходимого для потери стойкости “балки”, от диаметра и угла приложения усилия имеет сложный характер. При увеличении их значений усилие, необходимое для потери стойкости “балки”, увеличивается. Для решения поставленных задач проведен ряд экспериментальных исследований в производственных условиях с использованием измерительной аппаратуры - полученные результаты подтверждают основные теоретические положения.

Впервые предложено установить усредненную зависимость производительности машины от времени в нормативный период ее работы. Принято, что производственный потенциал ПТМ в отличии от показателя производительности отображает возможный объем перемещения древесины за достаточно длинный период времени с учетом действия разных факторов как внешних, так и внутренних, что характеризуют реальные условия работы данной машины в производственном процессе.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования закономерностей функционирования подъемно-транспортных машин. Для оценивания производительности ПТМ выполнено экспериментальное уточнение длительности цикла работы манипулятора типа МС с грузовым моментом 120-380 кНм. Полученную математическую зависимость можно использовать для установления нормы выработки для предприятий лесного комплекса. Разработана имитационная модель, которая позволяет установить значение производительности запроектированной подъемно-транспортной машины в зависимости от производственных условий и решить задачу оптимальной ее загрузки.

Предложена рациональная конструкторская компоновка, обоснованы параметры и эффективные режимы работы запроектированной подъемно-транспортной машины, которая также может использоваться для работы в составе сортировочно-штабелируемого модуля.

По результатам теоретических и экспериментальных исследования научно обоснованы основные принципиальные схемы использования машин портального типа, оборудованных манипулятором, и системы лесонакопителей. Установлены показатели: окупаемости капитальных затрат - 3,1 лет, оценки конкурентоспособности - 0,69, уровня механизации работ - 100 %.

Основные результаты работы подтверждены при их практическом использовании и внедрении.

Ключевые слова: подъемно-транспортные машины, манипулятор, параметры, эффективность, лесной склад, грейфер.

ANNOTATION

Bakay B. Y. Substantiation of parameters of a lifting-transport machine and condition of its functioning on log yard with small turnover. - The muscript.

The dissertation for obtaining a scientific degree of a Candidate of Engineering Sciences on the specialty 05.05.04 - machines for earth, road and forestry engineering transport works. - National Forestry and Wood Technology University of Ukraine, Lviv, 2010.

Dissertation work is devoted the decision of scientific and technical task which consists in the increase of efficiency of work of a lifting-transport machine with a manipulator by the ground of it parameters and operational conditions and by rational technological and constructive arrangement.

An analysis and classification of forest storage yard is executed with small turnover of goods, certainly backlogs of increase of efficiency of work of equipments, grounded him parameters and it is offered perspective equipments for lifting-transport operations. The new method of determination of effort, necessity is in the first time realized for the clench of wood assortments by a grapples. The row of experimental researches is conducted in production terms and on a simulation model - the got results confirm the got theoretical positions. As a result of theoretical and experimental researches scientifically grounded basic of principle charts of variants of the use of machines of portal type, equipped a manipulator, and system of sorting.

Key words: lifting-transport machines, manipulator, parameters, efficiency, log-sort yard, log grapple.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний стан підприємств лісового комплексу залишається складним в основному через те, що встановлене на переважній більшості лісових складів високопотужне стаціонарне металомістке устатковання використовувати за сьогоднішніх незначних об'ємів лісозаготівель не раціонально. До того ж підприємства витрачають значні кошти на утримання та експлуатування встановленого устатковання.

Невідповідність між можливостями наявного устатковання лісових складів і обсягом робіт усувають шляхом його замінювання, що є актуальним завданням, вирішення якого дасть змогу підвищити ефективність роботи устатковання та впровадити комплексну механізацію лісоскладських робіт.

Одним з основних напрямів підвищення ефективності піднімально-транспортувальних операцій на лісових складах з малим вантажообігом є вдосконалення способів та засобів для виконання операцій на головній потоковій лінії. Однак темпи його впровадження невиправдано низькі, оскільки відсутні на лісових складах машини, обладнані маніпуляторами, які забезпечили б виконання сукупності операцій з переміщування лісоматеріалів.

Одним зі шляхів вирішення проблеми піднімально-транспортувальних операцій є розроблення устатковання, яке задовольняє сучасним вимогам лісоскладських робіт, підвищує ефективність і забезпечує комплексну механізацію цих робіт, що і становить основну мету цього дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано на кафедрі лісопромислового виробництва та лісових доріг Національного лісотехнічного університету України в межах пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, який визначений Законом України вiд 11.07.2001 р № 2623-III. Дисертація є частиною науково-дослідної роботи, яка пов'язана з виконаним держбюджетним завданням “Розробка екологобезпечних та енергоощадних технологій і обладнання для лісозаготівлі” (за рахунок видатків загального фонду державного бюджету України за кодом програмної класифікації видатків 2201040 у 2006-2008 рр.), № держреєстрації 0105U009084, обліковий № 0209U006560.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - розроблення піднімально-транспортувальної машини з маніпулятором шляхом обґрунтування її параметрів і режимів функціонування та раціонального технологічного і конструкторського компонування для підвищення ефективності переміщування лісоматеріалів.

Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити такі завдання:

- проаналізувати сучасний стан лісових складів з малим вантажообігом і їх устатковання для виконання піднімально-транспортувальних операцій. Виділити основні параметри і конструкторські особливості піднімально-транспортувальних машин та виробничі схеми їх роботи;

- розробити метод визначання та експериментально дослідити зусилля стискання круглих лісоматеріалів грейфером маніпулятора, яке необхідне для втрати стійкості “балки”, і порівняти отримані теоретичні та експериментальні результати;

- обґрунтувати та розробити метод оцінювання показника “виробничий потенціал” піднімально-транспортувальної машини (ПТМ) з урахуванням особливостей її функціонування в конкретних виробничих умовах;

- установити основні фактори й закономірності, що впливають на продуктивність роботи маніпулятора на переміщувальних операціях, та виконати подальше експериментальне уточнення тривалості циклу роботи маніпулятора;

- розробити аналітичну модель, що систематизує фактори впливу на роботу ПТМ, та встановити оптимальні режими її роботи;

- розробити імітаційну модель машини для піднімально-транспортувальних операцій (МПТО), експериментально дослідити її роботу для визначення оптимального значення продуктивності;

- розробити технічне завдання на проектування нової піднімально-транспортувальної машини та розробити спосіб сортування круглих лісоматеріалів і систему нагромаджувачів для його реалізації, систематизувати рекомендації щодо параметрів МПТО для підвищення ефективності переміщувальних операцій, упровадити у виробництво і навчальний процес виконані науково-дослідницькі та конструкторські розробки, установити економічну ефективність запропонованого устатковання.

Об'єкт дослідження - процес переміщування круглих лісоматеріалів ПТМ з маніпулятором на лісових складах.

Предмет дослідження - закономірність впливу параметрів і режимів функціонування ПТМ з маніпулятором на ефективність її роботи.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях приладо- і машинобудування з використанням сучасного математичного апарату, основу якого становлять: теорії систем, методи системного аналізу, оптимізації, теорії продуктивності, схожості безрозмірних функцій - для розробляння методу оцінювання виробничого потенціалу та структурно-параметричного ряду ПТМ з маніпулятором; методи імітаційного моделювання і системи масового обслуговування (СМО) - для побудови імітаційної моделі роботи МПТО; методи прикладної механіки та теорії узагальнених функцій - для вирішення задач стійкості системи, утвореної круглими лісоматеріалами.

У експериментальних дослідженнях застосовано: методи багатофакторного планування експериментів, математичного й фізичного моделювання; методи хронометражу та статистичного обробляння експериментального дослідження - для встановлення продуктивності маніпуляторів і ПТМ; метод тензометричного вимірювання величини стискання - для визначання зусилля стискання круглих лісоматеріалів грейфером маніпулятора, яке необхідне для втрати стійкості “балки”.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. На основі виконаного аналізу стану та виробничої діяльності лісових складів України розроблено їх класифікацію, за якою більшість з них можна віднести до лісопромислових складів з малим вантажообігом. Це зумовлює зміну теоретичної основи формування виробничих потоків та обґрунтування доцільності вибору устатковання головної потокової лінії складу.

2. На підставі аналізу роботи грейферів уперше розроблено метод прогнозування зусилля стискання круглих лісоматеріалів грейфером маніпулятора, необхідного для втрати стійкості “балки”, який на відміну від відомого, враховує властивості середовища штабеля, утвореного круглими лісоматеріалами, та особливості роботи важелів грейфера. Отримано експериментальне підтвердження цього методу.

3. Уперше отримано математичні залежності для визначання необхідного зусилля стискання круглих лісоматеріалів грейфером, які дають змогу визначати його конструкторсько-технологічні параметри. Установлено основні фактори впливу на це зусилля: діаметр колод, кут прикладення важелів грейфера.

4. Уперше розроблено метод оцінювання об'єму виконуваних робіт ПТМ - показника “виробничий потенціал” машини, який, на відміну від показника “продуктивність”, точніше відображає об'єм роботи, яка виконується на встановленому відрізку часу з урахуванням виробничих особливостей режимів її функціонування, структури потоку та завдання.

5. Уперше на підставі розробленої імітаційної моделі встановлено закономірності зміни продуктивності МПТО залежно від тривалості циклу обслуговування замовлень і відстані переміщення круглих лісоматеріалів. Ці закономірності дають змогу прогнозувати ефективність роботи МПТО в різних природно-виробничих умовах лісових складів з малим вантажообігом.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробленні методів, алгоритмів та створених на цій основі прикладних програм, які є базою для нових технологічних і конструкторських рішень щодо підвищення ефективності роботи ПТМ з маніпулятором та раціональних структурних схем лісових складів. Практичну цінність роботи мають розроблені: алгоритм оцінювання виробничого потенціалу машини, який дає змогу визначити об'єм її роботи та на етапі конструкторсько-технологічної підготовки встановити ефективність використання МПТО; імітаційна і математична модель, що описує цільову функцію оцінювання продуктивності МПТО для прогнозування ефективності її використання; методики визначання зусилля стискання круглих лісоматеріалів грейфером маніпулятора, яке необхідне для втрати стійкості “балки”, та математична модель для проектування і визначення технічних параметрів маніпуляторів, обладнаних грейферами; нові технологічні та технічні рішення щодо розроблення МПТО та підвищення ефективності переміщення круглих лісоматеріалів.

Розроблено технічне завдання на проектування піднімально-транспортувальної машини для комплексної механізації лісоскладських робіт.

Наведені у роботі методи й математичні моделі можуть бути упроваджені в науково-дослідних та проектних організаціях у процесі розробляння і вдосконалювання ПТМ. Результати дисертаційної роботи у вигляді проектних пропозицій, технічних рішень і практичних рекомендацій використано та впроваджено на ТзОВ “Уніплит” (Івано-Франківська обл.), ВАТ “Жидачівський целюлозно-паперовий комбінат” (Львівська обл.), ВКФ “Леда'С-Україна”, ВАТ “Перечинський лісохімічний комбінат” (Закарпатська обл.), ТзОВ “Універсал Сервіс Україна” (м. Одеса) та ДП “Камінь-Каширське лісове господарство” (Волинська обл.).

Окремі положення дисертації використовуються на кафедрі лісопромислового виробництва та лісових доріг НЛТУ України під час викладання низки спеціальних дисциплін, а також під час виконання науково-дослідних робіт студентами спеціальності 7.092001 “Лісоінженерна справа”.

Новизну розроблень захищено деклараційними патентами України на винаходи: “Механізм для підйомно-транспортних операцій” (UA 60937 А, № 2003076082); “Спосіб сортування круглих лісоматеріалів за довжиною та система нагромаджувачів для його реалізації” (UA 61847 А, № 2003077225).

Особистий внесок здобувача. Теоретичні і експериментальні дослідження, формування висновків і рекомендацій за темою дисертаційної роботи автор виконав самостійно.

Особистий внесок автора у спільній праці [9] полягає в розробленні методу описування “балки”, утвореної круглими лісоматеріалами в процесі їх захоплювання грейфером, та розраховуванні величини зусилля для втрати її статичної стійкості.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу НЛТУ України (Львів, 1998, 1999, 2003, 2005-2009 рр.); науково-методичних семінарах (Львів, 2006, 2008 рр.); розширеному науковому семінарі кафедри ЛПВ ЛД (Львів, 2004, 2009 рр.); міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (Харків, 2005 р.); міжнародних науково-технічних конференціях (Росія, Брянск 2004, 2006-2008 рр.); Всеросійській науково-практичній конференції з міжнародною участю “Интеграция науки, образования и производства для развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса” (Росія, Воронеж. 2004 р.); стажуванні на заводі “LIV Hidravlika” (Словенія, Постойна, 2005 р.); виробничому стажуванні на підприємстві BLN GmbH (Німеччина, Берлін, 2005 р.).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи опубліковано в 14 (13 одноосібних) друкованих працях, з яких: 6 статей - у наукових фахових виданнях, 2 деклараційних патенти України на винаходи, 6 статей, опублікованих у інших виданнях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 230 найменувань і 18 додатків (окрема книга, 196 сторінок). Основний зміст дисертації викладено на 160 сторінках машинописного тексту і містить 34 рисунки та 6 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми роботи, сформульовано мету та основні завдання дослідження, визначено об'єкт і предмет дослідження, висвітлено наукову новизну і практичну значущість отриманих результатів. Наведено інформацію щодо апробації, структури та обсягу роботи.

У першому розділі проаналізовано стан лісових складів з малим вантажообігом, наведено їх класифікацію та особливості виконання транспортувально-переміщувальних робіт з використанням наявних ПТМ. Розглянуто проблемні питання використання ПТМ і їх конструкторських особливостей. Проаналізовано тенденції використання машини з маніпулятором для виконання транспортувально-переміщувальних робіт на лісових складах з малим вантажообігом.

Параметри ПТМ та загальні методи оптимізації технологічних процесів на лісових складах детально досліджували вчені: Вільке Г. А., Воєводи Д. К., Залегаллера Б. Г., Захаренкова Ф. Е., Редькіна А. К. та інші. Дослідженню процесів сортування і пакетування круглих лісоматеріалів, машин та механізмів, які виконують ці операції, присвячені роботи Аляб'єва В. І., Васильєва Г. М., Дудюка Д. Л., Захаренкова Ф. Е., Котельникова Ю. А., Ловейкіна В. С., Мартинціва М. П., Маслая С. В., Рахманіна Г. А., Редькіна А. К., Яновіча В. В. та інших.

Питанню дослідження взаємодії круглих лісоматеріалів з важелями грейфера та між собою присвячені роботи Бегеби В. М., Бикова Є. Н., Виноградова Ю. А., Височанського В. Г., Гончаренка Н. Т., Ігнатова В. І., Парамонова С. Д., Морохіна В. І., Таубера Б. А., Теслюка С. К., Третьякова Н. Д., Wang J. та інших.

Аналіз робіт показав, що завдання дослідження процесу роботи ПТМ з маніпулятором вирішено поки що не повністю, незважаючи на його велику практичну і теоретичну значущість. Установлено, що можливими шляхами підвищення ефективності робіт з переміщення лісоматеріалів на лісових складах є організація транспортувально-складських і розвантажувально-навантажувальних (ТСРН) операцій на основі малоопераційних технологічних процесів і багатоопераційних машин, що своєю чергою вимагає вдосконалення наявних та створення нових машин портального типу з маніпуляторами, обладнаними робочими органами раціональних конструкцій, що могли б забезпечити потрібне зусилля стискання круглих лісоматеріалів.

У другому розділі наведено загальну програму і методику аналітичних та експериментальних досліджень щодо обґрунтування параметрів ПТМ з маніпулятором.

Описано методики планування експериментів і виконання вимірювання, розроблено експериментальну установку, прилади, апаратуру і програмне забезпечення та оброблено отримані експериментальні дані.

Виходячи із сформульованих завдань та на підставі аналізу стану питання, запропоновано структурні схеми машини для піднімально-транспортувальних операцій з маніпулятором з різними типами механізмів піднімання.

З метою установлення головних параметрів запропонованої МПТО комплекс експериментальних досліджень передбачав визначення необхідного зусилля для втрати стійкості “балки”, тривалості циклу роботи маніпулятора, продуктивності МПТО за відповідними розробленими програмами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Щоб виконати експеримент з визначення зусилля, необхідного для втрати стійкості “балки”, у виробничих умовах на нижньому складі ДП “Сколівське лісове господарство”, розроблено методику виконання вимірювання, виготовлено експериментальний стенд і створено вимірювально-інформаційну систему (ВІС), які передбачають використання сертифікованих та повірених технічних засобів вимірювання, внесених у Державний реєстр засобів вимірювальної техніки України (рис. 1).

Для проведення експериментів з визначення тривалості циклу переміщення круглих лісоматеріалів маніпулятором типу МС у виробничих умовах на лісопромислових складах чотирьох підприємств України і Республіки Польща розроблено методику виконання вимірювання, метою якого є встановлення залежності тривалості виконання операцій маніпулятором, а також визначення сфери його застосовування.

Програма експериментальних досліджень передбачала визначення продуктивності запропонованої МПТО. Для цього розроблено алгоритми та програми імітаційної моделі МПТО. З метою визначення області застосування МПТО проведено експеримент для встановлення продуктивності як головного параметру МПТО за розробленою методикою. Експеримент виконувався в чотири етапи. Перший етап - проведення повнофакторного експерименту, другий - стрімке зведення до області оптимуму, третій - планування експерименту методами нелінійного планування для опису області оптимуму і четвертий - графічне представлення результатів експерименту.

Для дослідження роботи МПТО розроблено алгоритм і побудовано іміта-ційну модель, у якій робоче навантаження і планування робіт відтворюються імітаційними методами, а виконання задач - аналітичними, рис. 2.

Рис. 2 Структура моделі роботи МПТО

Імітаційну модель створено і подано у вигляді програми Model_PTM з використанням інструментального середовища Stratum 2000.

Третій розділ присвячено теоретичному дослідженню параметрів, режимів функціонування ПТМ та обґрунтуванню передумови створення МПТО.

У розділі наведено теоретичні дослідження зусилля стискання круглих лісоматеріалів грейфером маніпулятора, яке необхідне для втрати стійкості “балки”.

Размещено на http://www.allbest.ru/

“Балки” утворюються в поперечному перетині пакету колод між внутрішніми стінками важелів грейфера маніпулятора ПТМ (рис. 3). Установлено, що частіше вони утворюються на початку процесу формування пачки лісоматеріалів, коли положення важелів грейфера близьке до їх максимального розкриття, а напрям зусиль, що передаються важелями на крайні колоди, близький до горизонтального. Виникнення таких “балок” миттєво викликає зростання опору стисненню пакету колод.

На основі теоретичного дослідження процесів руйнування “балки”, утвореної круглими лісоматеріалами, автором вперше запропоновано аналітичний метод визначення необхідного зусилля для руйнування важелями грейфера “балки” як системи з зосередженими включеннями в розподілену масу, застосовуючи імпульсні функції 1-4 порядків. З допомогою рекурентних співвідношень сформульовано вирази для необхідних коефіцієнтів розкладу функцій і проміжних параметрів, які входять в характеристичне рівняння за довільної кількості включень типу зовнішніх зосереджених сил і моментів, зосереджених пружних опор і шарнірів.

Задачу з визначення необхідного стискаючого зусилля зведено до інтегрування звичайного диференціального рівняння з сингулярними коефіцієнтами

, (1)

де - відстань переміщення, - параметр стискаючої сили (відповідає за інтенсивність включень типу сил, моментів, відношення жорсткостей зосереджених опор та шарнірів до жорсткості “балки”);

, , , , , - сингулярні коефіцієнти;

, - величини згинального моменту і поперечної сили.

Загальний розв'язок рівняння (17) має вигляд

, (2)

де - сталі, які визначаються з граничних умов; - узагальнені функції Крилова, які визначаємо з рекурентних співвідношень.

Установлено, що для точнішого оцінювання об'єму виконаних робіт ПТМ введено поняття “виробничий потенціал” ПТМ, що відображає об'єм переміщення деревини за встановлений період часу з урахуванням дії зовнішніх і внутрішніх факторів, що характеризують реальні умови її роботи. Виробничий потенціал машини на заданому інтервалі часу формально визначаємо як інтеграл від функції її продуктивності, тобто

, (3)

де - коефіцієнт вихідного потоку (круглих лісоматеріалів); - функція продуктивності.

Доведено, що функція продуктивності має вигляд

. (4)

де - інтенсивність потоку замовлень; - продуктивність машини.

З'ясовано, що ефективність роботи маніпулятора з грейфером залежить від використання його технічних можливостей [4].

Установлено, що на величину продуктивності впливає ступінь диференціації і концентрації робочих позицій. Доведено, що продуктивність залежить від кількості робочих позицій і від їх розміщення. Тому для зменшення відстані переміщення лісоматеріалів встановленого об'єму q запропоновано змінювати тільки співвідношення між кількістю нагромаджувачів k у повздовжньому ряді та кількістю таких рядів m, тобто q=const, , .

Під час розроблювання МПТО оптимальними запропоновано такі технологічні та конструкторські рішення, що задовольняють вимозі

, (5)

де - тривалість циклу роботи маніпулятора; - середній об'єм лісоматеріалів, що переміщуються за один цикл; - середня довжина сортиментів; F - площа грейфера; - щільність деревини; - сортименти для поштучного переміщення; - час на керування допоміжним устаткованням.

З рівняння (5) видно, що зменшення тривалості циклу роботи маніпулятора можливе шляхом раціонального розподілу лісоматеріалів для добору пачками чи поштучно відповідно до призначення, а також виділення переважаючого сортименту.

У наступному пункті даного розділу для моделювання роботи ПТМ з маніпулятором запропоновано, що виконання ТСРН операцій може бути апроксимоване однофазною СМО. З'ясовано, що інтенсивність вихідного потоку лісоматеріалів, які надходять на обслуговування ПТМ, істотно залежить від характеристик вхідного потоку сортиментів, виробничого і сортиментного завдання на виконання ТСРН операцій. Потоки замовлень моделюються узагальненими моделями Ерланга з параметром , який є в межах .

У процесі використовування ПТМ практичне значення мають такі випадки співвідношень величин інтенсивності потоку замовлень та інтенсивності потоку обслуговування : і . За умови продуктивність ПТМ залежить тільки від інтенсивності вхідного потоку замовлень і не залежить від інтенсивності потоку обслуговування . За умови на стан системи масового обслуговування впливають не тільки параметри вхідного потоку, але і робота обслуговуючого механізму - ПТМ. Тоді продуктивність ПТМ за одну годину П для середнього об'єму одного замовлення визначається за формулою

. (6)

де - коефіцієнт варіації інтервалів між замовленнями; - коефіцієнт варіації тривалості обслуговування; - середній час перебування замовлення в черзі в очікуванні обслуговування; - середнє значення часу обслуговування замовлення; - частка сортиментів i сорторозмірних груп від об'єму всіх лісоматеріалів, що надійшли на ПТМ, причому =1; - середній об'єм пачки i-гo сортименту.

Аналіз отриманих результатів з використанням методу узагальнення змінних дав змогу виконати перехід від звичайних фізичних величин до величин безрозмірних комплексного типу з допомогою допоміжних змінних P, , отриманих з виразу (6)

, , . (7)

Відношення поточної продуктивності до сукупності величин , еквівалентних її параметричному значенню, представлено як безрозмірну продуктивність

. (8)

Вираз (8) в узагальненому вигляді описує процес виконання ТСРН робіт за допомогою ПТМ. Безрозмірну величину інтерпретовано як наближену величину відношення технічної продуктивності ПТМ до технічної продуктивності маніпулятора і надалі використано як міру цих величин. Рівняння (8) дає можливість установити значення продуктивності ПТМ за відомих значень основних факторів, які впливають на виробничий процес.

Рис. 4 Номограма визначення продуктивності ПТМ з маніпулятором

На рис. 4 представлено номограму залежності для випадку , що дає наочну геометричну інтерпретацію отриманих результатів. З номограми випливає, що зі збільшенням або зменшенням величини , що викликано зміною значення , відбувається зміна значення величини , а відповідно і зміна експлуатаційної продуктивності маніпулятора. Це відбувається через посилення взаємного впливу флуктуацій Т і t зі зближенням їх середніх значень.

Негативний вплив ймовірнісного характеру ТСРН операцій на величину продуктивності модуля можна знизити зменшенням значень величин і . З (7) і (8) випливає, що це досягається: скороченням тривалості циклу маніпулятора за дотримання умови , зниженням величини флуктуацій часу циклу маніпулятора і проміжків часу між моментами формування замовлень . Зниження досягається раціональним розподілом сортиментів в буфері естакади і в системі лісонагромаджувачів.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень.

Виконано експериментальні дослідження зусилля стискання круглих лісоматеріалів грейфером маніпулятора (рис. 5 і 6), яке необхідне для втрати стійкості “балки”, що утворюється під час захоплення грейфером круглих лісоматеріалів.

Унаслідок цих експериментів розроблено рівняння регресії в кодових позначеннях факторів

(9)

Установлено, що фактори і підпадають під загальну тенденцію - збільшення їх значень призводить до збільшення зусилля для руйнування “балки”, що у цілому пояснюється збільшенням її стійкості унаслідок вирівнювання. Найбільше впливає на фактор - зі збільшенням діаметра сортиментів зростає абсолютна величина зусилля, необхідного для руйнування “балки” . Зі збільшенням абсолютного значення змінного фактора прикладання і направлення зусилля здійснюється паралельно до осі “балки”, що призводить до потреби збільшення необхідного зусилля для її руйнування.

Зі збільшенням фактору зменшується величина зусилля стискання круглих лісоматеріалів грейфером маніпулятора, яке необхідне для втрати стійкості “балки”. Це пояснюється тим, що зменшення зусилля для руйнування “балки” відбувається зі збільшенням ділянки контакту круглих лісоматеріалів між собою.

Установлено теоретично і підтверджено експериментально залежність опорів, які виникають під час стискання колод, від кута , діаметра колод і їх довжини .

Установлено, що на тривалість переміщення сор-тиментів під час штабелювання, відванта-ження, подачі (переміщення) сортиментів та їх сортування маніпулятором впливає ряд факторів, найбільш значу-щими з яких є відстань переміщення лісоматеріалів у горизонтальній площині , довжина сортиментів і середній діаметр сортиментів .

Для уточнення тривалості переміщення сортиментів в умовах лісового складу проведено керований багатофакторний експеримент. За результатами експерименту отримано такі рівняння

, (10)

. (11)

Експериментально встановлено, що тривалість позиціювання і захоплення пачки сортиментів грейфером маніпулятора (середнє значення) становить 27,5 % від тривалості циклу роботи маніпулятора, що значно більше порівняно з часом захоплення окремого сортименту на 53,6 %. Це можна пояснити утворенням “балки” під час захоплювання пачки сортиментів.

З метою визначення області застосування запропонованої МПТО досліджено її роботу за оригінальною методикою автора. Суть методики полягає в тому, що основну характеристику процесу “переміщування” визначено за рівнянням (10) і (11), а сам процес роботи МПТО змодельовано за зміни вхідного потоку сортиментів (досліджуваних змінних факторів).

Моделювання роботи і дослідження продуктивності МПТО на імітаційній моделі виконано за розробленим алгоритмом та програмою (рис. 9). У процесі моделювання визначено значення основних показників, що характеризують процес переміщування, та їх статистичні характеристики.

В імітаційному експерименті прийнято змінні фактори: інтенсивність оброблення , відстань переміщення сортиментів , кількість сортиментних груп ; контрольовані фактори: інтенсивність поступлення сортиментів, допустима величина черги, частка сортиментів, що надходять, добір, сортування. Також фіксували простої МПТО і кряжувальних засобів, спричинені її перевантаженням. Вихідний параметр експерименту - продуктивність МПТО.

Унаслідок проведення експерименту розроблено рівняння регресії, коефіцієнти якого знайдено за допомогою матриці базових функцій

(12)

(13)

Для встановлення значення більшої продуктивності використано метод крутого сходження до області оптимуму на основі градієнтного методу зі застосуванням лінійного планування і крокової ітераційної процедури руху в напрямку градієнта

. (14)

За початкову точку прийнято центр досліджуваної області, який розміщений всередині варіювання факторів. Для таких значень центру досліджуваної області с, м, од. отримано . Рухаючись у напрямку градієнта від початкової точки (центр досліджуваної області) - показника продуктивності м3 досягнуто максимальне в заданій досліджуваній області значення м3. Отже, встановлено значення факторів у точці максимуму: с, м, од.

Для визначення оптимальних умов процесу досліджено область, близьку до екстремуму, з використанням центрального композиційного рототабельного уніформ-планування другого порядку для фіксованого значення од.

Отримано рівняння продуктивності роботи МПТО

; (15)

(16)

Отримане рівняння регресії другого порядку (15) і рівняння (16), які адекватно описують майже стаціонарну область, досліджено для визначення координат оптимуму. На рис. 10 показано точку максимуму продуктивності та групу ліній рівня для кількох певних значень продуктивності, які являють собою систему вкладених еліпсів.

Переріз поверхні відгуку для , яке відповідає тривалості циклу роботи МПТО - с, є рівнянням параболи, рис. 11, а.

. (17)

Переріз поверхні відгуку для , що відповідає відстані переміщення сортиментів - м, є рівнянням параболи, рис. 11, б.

. (18)

Максимальну продуктивність роботи МПТО 93,52 м3 досягнуто за умов: (тобто с) та (тобто м).

У п'ятому розділі висвітлено розроблені відповідно до рекомендацій автора конструкція МПТО та технологічні схеми її використання.

МПТО має такі конструктивні особливості: портальна основа машини, яка виконана на шарнірних опорах; “U”-подібна форма балки порталу для транспортування лісоматеріалів; механізм балки порталу для вирівнювання торців лісоматеріалів; змінне робоче устатковання маніпулятора для ефективного захоплення лісоматеріалів. Розроблено основні технологічні схеми використання запропонованої МПТО для сортування і транспортувально-переміщувальних операцій круглих лісоматеріалів та системи лісонагромаджувачів для лісових складів з вантажообігом: до 40 тис. м3, 40-70 тис. м3, 70-100 тис. м3.

Основні теоретичні і практичні результати дослідження використано під час розроблення технічного завдання на проектування МПТО і удосконалення виробничого процесу ТСРН робіт на підприємствах ДП “Камінь-Каширське лісове господарство” (м. Камінь-Каширськ, Волинської області); ТзОВ “Уніплит” (смт Вигода, Івано-Франківської області), ВАТ “Жидачівський целюлозно-паперовий комбінат” (м. Жидачів, Львівської області), ТзОВ “Універсал Сервіс Україна” (м. Одеса), ВКФ “Леда'С-Україна” (м. Хуст, Закарпатської області), а також у навчальному процесі НЛТУ України.

Економічну ефективність упровадження результатів досліджень визначено порівнянням запропонованого устатковання з типовим у відповідних виробничих процесах лісового складу з вантажообігом 30 тис. м3/р. Термін окупності капітальних витрат становить для МПТО - 3,1 роки, а показник оцінки конкурентоспроможності - 0,69. Це устатковання забезпечує 100 % рівень механізації праці на лісових складах.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове розв'язання наукового завдання, що полягає у розробленні піднімально-транспортувальної машини з маніпулятором обґрунтуванням її параметрів і режимів функціонування та раціонального технологічного і конструкторського компонуванням для підвищення ефективності переміщування лісоматеріалів. Унаслідок проведених досліджень зроблено такі основні висновки:

1. На підставі огляду літературних джерел виділено основне піднімально-транспортувальне устатковання, виробничі схеми і режими роботи головних потокових ліній лісових складів, установлено основні фактори, які впливають на функціонування ПТМ, та параметри і конструкторські особливості, що характеризують її роботу. Доведено, що резерви підвищення рівня ефективності використання ПТМ і механізації робіт на лісових складах з вантажообігом до 100 тис. м3 не враховані. Вирішення цих задач можливе за умови широкомасштабного впровадження мобільних ПТМ з маніпулятором, застосування прогресивних технологій і устатковання.

2. Установлено, що понад 90 % лісових складів належать до лісопромислових складів з середнім вантажообігом 32 тис. м3. Для них характерно змішане примикання до шляхів сполучення, поступлення деревини в стовбурах, напівстовбурах і сортиментах. Водночас, 60-75 % деревини у вигляді круглих лісоматеріалів відвантажується споживачам у напіввагони, а решту 40-25 % - у автомобільний транспорт і подається на спеціалізовані потоки. З'ясовано, що існує невідповідність піднімально-транспортувального устатковання і режимів його функціонування до величини вантажообігу, що зменшує показник ефективності роботи ПТМ, а рівень механізації робіт не перевищує 25 %.

3. Уперше запропоновано і реалізовано метод представлення “балки”, утвореної круглими лісоматеріалами, як балкової системи з зосередженими включеннями в розподілену масу, застосовуючи імпульсні функції 1-4 порядків. Установлено, що залежність зусилля N, необхідного для втрати стійкості “балки”, від діаметра , кута прикладення зусилля і довжини колод має складний характер. Зі збільшенням значень і зусилля N зростає, а зі збільшенням - спадає.

4. Експериментально встановлено вплив характеристик сортиментів однієї групи на операцію захоплювання радіальним грейфером, що збільшує тривалість її виконання на 53,6 %. Уперше отримані рівняння регресії дають змогу прогнозувати величину стискання грейфером маніпулятора ПТМ залежно від діаметра колод , кута прикладення зусилля і довжини колод та описувати зв'язок між цими змінними факторами. Доведено, що досліджувана “балка” втрачає стійкість в діапазоні середніх значень критичної сили стискання =53,465-111,650 кН. Експериментальні дослідження підтвердили висновки теоретичних досліджень величини і характеру необхідного зусилля для руйнування “балки”, утвореної круглими лісоматеріалами. А результати досліджень можуть бути використані для проектування грейферів та вибору робочих органів ПТМ.

5. Уперше запропоновано метод оцінювання виконаного об'єму роботи ПТМ - показника “виробничий потенціал”. На відміну від показника “продуктивність” “виробничий потенціал” точніше відображає об'єм роботи, що виконується на встановленому відрізку часу з врахуванням особливостей структури потоку та завдання. Введення поняття “виробничий потенціал” зумовлено двома основними причинами: необхідністю неодноразового переміщення лісоматеріалів в межах установленого виробничого процесу і виникненням на достатньо тривалих інтервалах часу наднормативних зупинок устатковання потокових ліній, які не враховують в значеннях продуктивності і коефіцієнті працюючого устатковання .

6. Теоретично обґрунтовано, що підвищення продуктивності маніпулятора на ТСРН операціях досягають повнішим використанням його вантажного моменту збільшенням циклового завантаження лісоматеріалами та зміною умов його функціонування, а також зменшенням кількості замовлень на обслуговування, особливим компонуванням у складі інших механізмів.

7. Експериментально уточнено залежність для визначення тривалості циклу роботи маніпулятора, яку, на відміну від відомої, визначаємо для серійних маніпуляторів типу МС з вантажним моментом 120-380 кНм. Установлено, що значення тривалості циклу роботи маніпулятора становить 17,1-37,9 с і залежить від відстані переміщення , діаметра , довжини . Отриману математичну залежність можна використовувати для встановлювання норми виробітку для підприємств лісового комплексу.

8. Отримано аналітичну залежність для визначання безрозмірної величини , яку інтерпретовано як наближену величину відношення продуктивності ПТМ до технічної продуктивності маніпулятора і яку надалі потрібно використовувати як міру цих величин. Отримано графічне представлення величини , що систематизує фактори впливу на ПТМ і забезпечує практичне застосування під час прийняття рішень щодо вибору варіанту використання ПТМ залежно від конструкторсько-технологічних параметрів. Установлено оптимальні режими роботи ПТМ, за якими виконується співвідношення , що не накладає твердих обмежень на умови її застосовування і забезпечує найбільшу продуктивність машини.

9. Розроблено імітаційну модель, що дає змогу встановити значення продуктивності МПТО залежно від природно-виробничих умов підприємства і вирішити задачу оптимального її завантаження за прийнятих обмежень. Уперше встановлено, що оптимальне значення продуктивності МПТО - 93,52 м3/год в умовах лісових складів досягається за тривалості циклу с та відстані переміщення сортиментів м. Підтверджено раціональне конструкторське компонування, ефективні режими і параметри функціонування МПТО в складі сортувально-штабелювального модуля.

10. За результатами комплексу теоретичних та експериментальних досліджень науково обґрунтовано рекомендації щодо головних параметрів МПТО, розроблено на рівні технічного завдання на дослідно-конструкторську роботу та патенту на винахід машину для піднімально-транспортувальних операцій для лісових складів вантажообігом до 100 тис. м3, запропоновано її конструкторську реалізацію, науково обґрунтовано основні принципові технологічні схеми її використання в складі сортувально-штабелювального модуля. Розроблено на рівні патенту на винахід спосіб сортування круглих лісоматеріалів за довжиною та систему нагромаджувачів для його реалізації, як допоміжне устатковання для МПТО, і сформульовано рекомендації щодо схем застосування.

11. Результати дисертаційних досліджень використано та впроваджено на ТзОВ “Уніплит” (Івано-Франківська обл.), НЛТУ України (м. Львів), ВАТ “Жидачівський целюлозно-паперовий комбінат” (Львівська обл.), ВКФ “Леда'С-Україна”, ВАТ “Перечинський лісохімічний комбінат” (Закарпатська обл.), ТзОВ “Універсал Сервіс Україна” (м. Одеса) та ДП “Камінь-Каширське лісове господарство” (Волинська обл.). Установлено показники: окупності капітальних витрат - 3,1 роки, оцінки конкурентоспроможності - 0,69, рівня механізації праці - 100 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті в наукових фахових виданнях

1. Бакай Б. Я. Аналіз і прогноз розвитку світового ринку круглих лісоматеріалів [Текст] / Б. Я. Бакай // Науковий вісник НЛТУ України : зб. наук.-техн. праць. - Львів : РВВ НЛТУ України. - 2008. - Вип. 18.3. - С. 41-45.

2. Бакай Б. Я. Аналіз шляхів підвищення ефективності використання маніпулятора на переміщенні сортиментів [Текст] / Б. Я. Бакай // Лісове господарство, лісова, паперова і деревообробна промисловість : міжвід. наук.-техн. зб. - Львів : УкрДЛТУ. - 2004. - Вип. 28. - С. 76-80.

3. Бакай Б. Я. Принцип побудови аналітичної моделі та аналіз вихідного потоку підйомно-транспортного механізму [Текст] / Б. Я. Бакай // Лісове господарство, лісова, паперова і деревообробна промисловість : міжвід. наук.-техн. зб. - Львів : УкрДЛТУ. - 2004. - Вип. 29. - С. 81-85.

4. Бакай Б. Я. Обґрунтування технологічних вимог до сортувально-штабелювального механізму на базі маніпулятора, обладнаного грейферним захоплювачем [Текст] / Б. Я. Бакай // Науковий вісник УкрДЛТУ : зб. науч.-техн. праць. - Львів : УкрДЛТУ. - 2003. - Вип. 13.2. - С. 90-93.

5. Бакай Б. Я. Планування траєкторії руху маніпулятора при виконанні операцій на лісових складах [Текст] / Б. Я. Бакай // Лісове господарство, лісова, паперова і деревообробна промисловість : міжвід. наук.-техн. зб. - Львів : УкрДЛТУ. - 1999. ? Вип. 26. ? С. 45?48.

6. Бакай Б. Я. Стан та перспектива розвитку нижніх складів України [Текст] / Б. Я. Бакай // Науковий вісник УкрДЛТУ : сучасна екологія і проблеми сталого розвитку суспільства. - Львів : УкрДЛТУ. - 1999. - Вип. 9.8. ? С. 147-151.

Патенти

7. Деклараційний патент на винахід UA 61847 А, МПК 7 В07С5/00. Спосіб сортування круглих лісоматеріалів за довжиною та система нагромаджувачів для його реалізації [Текст] / Бакай Б. Я. ; заявник і власник патенту Український лісотехнічний університет. - № 2003077225 ; заявл. 31.07.03 ; опубл. 17.11.03, Бюл. № 11.

8. Деклараційний патент на винахід UA 60937 А, МПК 7 В25J5/04. Механізм для підйомно-транспортних операцій [Текст] / Бакай Б. Я. ; заявник і власник патенту Український лісотехнічний університет. - № 2003076082 ; заявл. 01.07.03 ; опубл. 15.10.03, Бюл. № 10.

Статті в інших виданнях

9. Адамовський М. Г. Методические основы формирования математической модели стойкости “балки” образованной грейфером [Текст] / М. Г. Адамовський, Б. Я. Бакай // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-техн. конф. “Лесной комплекс состояние и перспективы развития”. - Брянск : БГИТА, 2008. - Ч. 2. - С. 3-6.

10. Бакай Б. Я. Методика определения времени захватывания древесины радиальным грейфером [Текст] / Б. Я. Бакай // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-техн. конф. / Под ред. Е. А. Памфилова. - Брянск : БГИТА, 2008. - Вып. 21. - С. 176-179.

11. Бакай Б. Я. Моделирование переместительных операций на лесопромышленных складах малолесистых районов [Текст] / Б. Я. Бакай // Интеграция науки, образования и производства для развития лесного хозяйства и лесопромышленных комплексов: всероссийская науч.-практ. конф. с междунар. участием, 28-30 июня 2004 г. : материалы. - Воронеж : ВГУ, 2004. - С. 30-32.

12. Бакай Б. Я. Моделирование работы подъемно-транспортного механизма на лесопромышленном складе [Текст] / Б. Я. Бакай // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. тр. по итогам 5-ой междунар. науч.-техн. конф. - Брянск : БГИТА, 2004. - Вып. 8. - С. 170-172.

13. Бакай Б. Я. О вопросе использования погрузочных машин на нижних складах Украины [Текст] / Б. Я. Бакай // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-техн. конф. / под ред. Е. А. Памфилова. - Брянск : БГИТА, 2007. - Вып. 20. - С. 26-30.

14. Бакай Б. Я. Технология и оборудование для нижних складов с малым грузооборотом [Текст] / Б. Я. Бакай // Лесной комплекс: состояние и перспективы развития : сб. науч. трудов. - Брянск : БГЛТА, 2003. - Вып. 6. - С. 3-7.

Размещено на Allbest.ru

...