НАПРАВЛЕНИЕ МОДЕРНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Ворков А.А. (УГТУ, г. Ухта, РФ)
В статье рассказывается о путях модернизации технологического оборудования, используемого в отечественных машинах лесной промышленности.
This article tells about the ways of modernization of technological equipment, which used on forestry machines in the Russian Federation.
Ключевые слова: модернизация, оборудование, лесозаготовительные машины; гидропривод.
Keywords: modernization, equipment, forestry machines, hydraulic.
Современные условия лесозаготовительного производства диктуют новые требования к технологическому оборудованию лесозаготовительных машин. Однако большинство машин, используемых в лесах России, как старых, так и современных, не вписываются в эти требования. Это объясняется несоответствием технических характеристик машин условиям эксплуатации, недостаточным уровнем автоматизации и несовершенством конструкции.
В сложившейся ситуации перед отечественной промышленностью стоят задачи создания принципиально нового лесозаготовительного оборудования, способного успешно конкурировать с зарубежными аналогами и успешно функционировать в условиях лесосек, расположенных в климатических зонах, характерных для России. При этом стоимость машин должна быть значительно меньше, чем аналогичной техники зарубежного производства.
Одним из приоритетных направлений является автоматизация технологических процессов, а так же внедрение автоматического управления рабочими характеристиками элементов машины на основе бортовой ЭВМ или автономных вычислительно-управляющих модулей на основе микропроцессоров [1, 2].
В настоящее время существует классификация гидравлического привода по способу управления, включающая в себя 3 поколения [3]:
Машины с гидроприводом первого поколения имеют один канал управления, реализуемый оператором, который проводит предпусковую подготовку, диагностику технического состояния ДВС и рабочих органов, элементов гидросистемы и управления. Непосредственное воздействие на элементы управления может осуществляться либо рычагами и педалями, либо с помощью гидравлической или электрогидравлической сервосистемы управления.
Машины с гидроприводом второго поколения имеют два независимых канала управления: первый – оператор, второй – система гидропривода с обратной связью по нагрузке, которая выполняет следующие функции: управление оборотами ДВС, изменение подачи рабочей жидкости (РЖ) при изменении внешней нагрузки, ограничение максимальной подачи РЖ в исполнительный гидродвигатель, поддержание требуемого соотношения скоростей совмещаемых операций.
В гидроприводах первого и второго поколений управление транспортными и рабочими операциями осуществляется оператором.
В гидроприводе третьего поколения предусматривается использование трех каналов управления:
- первый LS-канал – непрерывная обратная связь по нагрузке, обеспечивающая возможность независимого совмещения операций регулирования оборотов ДВС и подачи насоса;
- второй канал - программирующая самообучающаяся цифровая система с обратной связью по нагрузке и положению ведущего звена гидродвигателя;
- третий канал – непрерывное техническое диагностирование состояния и работоспособности основных систем и агрегатов машины.
Функции оператора при работе с машинами третьего поколения – анализ поведения механизмов рабочего оборудования, коррекция и внесение изменений в программу работы машины. Команда на включение автоматизированного управления машиной подается оператором для выполнения типовых повторяющихся операций и на их отключение при переходе к другим операциям, например транспортным.
Большинство современных харвестеров и форвардеров, используемых на территории России, оборудованы гидравлическими системами второго поколения. В состав данных систем входят гидравлические распределители и насосы, в которых конструктивно предусмотрена LS (load sensing) функция, обеспечивающаяся за счет гидравлических линий обратной связи. Эти агрегаты характеризуются значительно более высокой сложностью устройства, а так же более жесткими требованиями к точности изготовления и применяемым материалам по сравнению с агрегатами первого поколения.
К сожалению, на данный момент отечественная промышленность не имеет возможности наладить производство классических компонентов для гидравлических систем второго и третьего поколений. Поэтому требуется разработка и ввод в производство принципиально новых, альтернативных компонентов, которые могли бы обеспечить своей работой функциональность, сходную с компонентами второго и третьего поколения. Наиболее перспективной возможностью создания альтернативных компонентов является синтез электрогидравлических агрегатов на базе компонентов первого поколения путем оснащения их дополнительными электронными и электромеханическими устройствами управления. Таким образом, можно получить эффективные мехатронные системы, представляющие собой комплементарную совокупность гидравлических компонентов, электрических приводов и электронных модулей управления.
Большие перспективы имеет применение для управления гидравлическими распределителями таких электрических исполнительных устройств как бесколлекторные, в том числе и шаговые, электродвигатели, соленоиды, приводы линейного перемещения, а так же устройства привода на базе материалов с эффектом памяти формы (МЭПФ). Кроме того, на основе МЭПФ, можно создать автономные устройства для привода технологического оборудования машин [1].
Гидросистемы, управляемые электронными модулями, имеют высокий потенциал для их частичной автоматизации, и дают широкие возможности для роботизации технологических машин, на которых они используются.
Возможность роботизации это обязательное условие для любой современной технологической машины. Уже имеется достаточно большой зарубежный практический опыт по постройке и применению лесозаготовительных машин с глубокой степенью автоматизации. Есть предпосылки к созданию полностью роботизированных технологических машин. Использование таких машин в будущем может значительно повысить эффективность лесозаготовок.
Однако в настоящее время серийные роботизированные лесные машины не производятся [4]. Причиной отказа от таких машин на данный момент является отсутствие успешных прототипов, годных к выпуску в серию, а так же их высокая стоимость, техническая сложность и низкая конкурентоспособность по сравнению с классическими машинами лесного комплекса.
Если рассматривать с точки зрения роботизации современные харвестеры, выпускаемые зарубежными фирмами, то можно прийти к выводу, что они являются весьма слабо роботизированными системами. Ведь единственная полностью автоматическая функция, выполняемая ими, это раскрой, маркировка и учет сортиментов, заготовленных в процессе работы. Остальные операции оператор вынужден проводить на ручном управлении, среди них можно отметить и самую сложную операцию: подвод манипулятора и захват ствола дерева.
Рациональное решение проблемы автоматизации операции наведения манипулятора и захвата ствола было давно найдено – для этого был использован лазерный луч, наводимый оператором на выбранное для повала дерево [4].
Без подходящей технической реализации системы управления технологическим оборудованием данный метод наведения оказался не востребован.
Тем не менее, в настоящий момент существуют некоторые технические решения, позволяющие эффективно использовать метод лазерного наведения для роботизации лесозаготовительной машины. Для этого требуется манипулятор машины оснастить системой датчиков [5], которые могли бы с высокой точностью в режиме реального времени фиксировать положение его звеньев в декартовой или сферической системе координат. Зная точное положение в пространстве звеньев манипулятора можно, используя бортовую ЭВМ или микроконтроллерный модуль, рассчитать оптимальную траекторию движения манипулятора в пространстве для достижения требуемого положения с учетом его разгона и торможения. Кроме того, использование ЭВМ дает возможность использовать одновременно несколько приводов манипулятора, что затруднительно для оператора машины, таким образом, сокращая траекторию движения манипулятора и уменьшая время на перемещение.
Установив в кабине оператора лазерный дальномер, закрепленный на 2х подвижных осях-датчиках, можно получать с помощью него информацию о расстоянии до дерева и углах относительно оси кабины или шасси машины. Обрабатывая информацию на ЭВМ в свою очередь можно получить оптимизированную траекторию движения для достижения манипулятором помеченной лазером точки. Таким образом, для подведения манипулятора к стволу дерева и его срезания оператору потребуется только навести лазер и запустить выполнение программы, избегая трудозатратных операций ручного наведения.
Согласно общим стратегиям развития отечественной промышленности, рекомендуется уделить особое внимание инновационным технологиям и принципам, направленным на создание эффективных и конкурентоспособных образцов техники, способных занять значительную нишу на внутреннем и внешнем рынках Российской Федерации. Руководствуясь данными рекомендациями и мировым опытом производства и эксплуатации лесозаготовительной техники можно установить основные требования, необходимые для создания отраслевых машин и механизмов:
- гидравлические системы машин должны комплектоваться гидроэлементами, синтезированными путем соединения элементов первого поколения и современных электронно-механических исполнительных устройств;
- в структуре системы управления должны использоваться недорогие управляющие модули на основе микропроцессоров, неся на себе функцию частичной автоматизации рабочего процесса, оптимизации рабочих операций, а так же контроля технического состояния технологического оборудования и машины в целом. При этом от применения полноценных промышленных ЭВМ стоит отказаться ввиду их высокой стоимости и низкого эффекта от использования;
- с целью облегчения труда оператора необходимо реализовать пропорциональное управления движением технологического оборудования, а так же использовать новейшие технологии, такие как лазерное и ультразвуковое наведение манипулятора на ствол дерева при процессе валки или погрузки;
- в системе привода технологического оборудования, где это возможно, гидравлические исполнительные элементы (цилиндры, двигатели) должны быть заменены автономными электрическими, электрогидравлическими или устройствами на основе МЭПФ. Это позволит уменьшить сложность управляющей гидравлической аппаратуры, снизить протяженность гидравлических линий и требуемую производительность гидравлического насоса, а так же даст возможность значительно упростить агрегатный ремонт машины или механизма, что немаловажно при эксплуатации машины в условиях лесосеки;
- при проектировании техники следует добиваться синергетической совокупности гидропривода, электронно-автоматических систем и механической части технологического оборудования для гармоничного взаимодействия машины одновременно с оператором, предметом труда и окружающей средой.
Выводы: В статье дается одна из возможных общих концепций совершенствования конструкций лесозаготовительной техники и технологического оборудования, которая может быть осуществлена внедрением прогрессивных информационных и мехатронных систем в устройства гидравлического привода машин. Описываемые в статье меры могут быть применены как самостоятельно, так и комплексно, вместе с другими конструктивными изменениями, позволяющими повысить эффективность функционирования оборудования.
Такой подход к модернизации позволяет резко поднять технический уровень изготавливаемых машин без значительного изменения основных конструктивных элементов, что дает возможность наладить выпуск технически совершенной продукции даже в условиях упадка машиностроительной промышленности.
Список использованных источников
1. Дроздовский Г. П., Шоль Н. Р., Юсенхан В. И. Обоснование направления проектирования структуры гидросистемы управления оборудованием лесных машин // Лесной вестник. -2010. -№ 5.- С. 86-90.
2. Ширин Ю. А., Сидоркин Д. А. Об автоматизации лесных машин / Ю. А. Ширин, Д. А. Сидоркин // Рациональное использование лесных ресурсов: Материалы научно-практической конференции. Йошкар-Ола: МарГТУ, 1999. – С. 123-124.
3. Смоляницкий Э. А. Гидропривод мобильных машин-орудий // Строительные и дорожные машины.- 2006. -№ 6. -С. 15-22.
4. Billingsley J., Visala A., Dunn M. Robotics in agriculture and forestry // Springer handbook of robotics. URL: http://eprints.usq.edu.au/4557/ (дата обращения: 15.01.2012).
5. Smith A., Batavia B. Electronic control for hydraulic applications – a case study // Eaton site. URL: http://www.eaton.com/ecm/groups/public/@pub/@eaton/
@hyd/documents/content/ct_153417.pdf (дата обращения: 29.12.2011).