Варьируемые факторы, их натуральные и кодированные уровни

Варьируемые факторы	Обозначение	Размерность	Код	Уровни факторов			Интервал варьирования
				+	0	–
Избыточное давление воздуха в пневмосистеме установки	Р	МПа	X1	0,3	0,25	0,2	0,05
Время обработки участка поверхности вращающегося образца	t1	с	X2	40	30	20	10
Угол соударения рабочей среды и поверхности образца		град	X3	90	50	10	40
Параметр исходной шероховатости поверхности образца	Rа исх	мкм	X4	1,7	1,05	0.4	0,65

Мера эффективности поверхностного упрочнения плоских образцов поверхностного упрочнения – глубина наклёпа и величина остаточных напряжений сжатия. Поэтому величина Z_об прогиба образцов определена как целевой параметр эксперимента. Величина Z_об измерялась с точностью +0,01 мм на прогибомере специальной конструкции [4]. База измерений составляла 70 мм.

Зависимость целевого параметра Y= Z_об от совокупности варьируемых факторов может быть представленной в виде неполного квадратичного уравнения:

Y=b₀x₀+b₁x₁+b₂x₂+b₃x₃+b₄x₄+b₁₂x₁x₂+b₁₃x₁x₃+b₁₄x₁x_{4 .}

После начисления коэффициентов этого уравнения по данным таблицы 2, оценки их значимости по критерию Стьюдента (для 5% уровня значимости) и исключения незначимых коэффициентов, уравнение имеет вид:

Y=0,456+0,021x₁+0,034x₂+0,395x₃ –0,094x₄ – 0,021x₁x_{2 .}

После перехода от кодированных к натуральным значениям факторов уравнение регрессии имеет вид:

Z_об = – 0,364+1,68Р+0,014t₁+0,01 – 0,15R_{а исх} – 0,042Pt_1.

Таблица 2

Матрица планирования и результаты эксперимента

№ п/п	X1	X2	X3	X4	X1 X2	X1 X3	X1 X4	= об
1	+	+	–	–	+	–	–	0,22
2	–	–	–	–	+	+	+	0,12
3	+	–	–	+	–	–	+	0,04
4	–	+	–	+	–	+	–	0,01
5	+	+	+	+	+	+	+	0,76
6	–	–	+	+	+	–	–	0,64
7	+	–	+	–	–	+	-	0,89
8	–	+	+	–	–	–	+	0,97
9	0	0	0	+	0	0	0	0,51
10	0	0	0	–	0	0	0	0,64

По абсолютным величинам коэффициентов уравнения регрессии можно сделать вывод о том, что на величину прогиба образцов наибольшее влияние оказывает угол соударения рабочей среды с обрабатываемой поверхностью и исходная шероховатость этой поверхности. Очевидно, что уменьшение угла соударения значительно уменьшает достигаемую величину прогиба образцов Z_об. 

Исходная шероховатость поверхности тоже значительно влияет на величину Z_об. Установлено, что, увеличение давления Р уменьшает влияние исходной шероховатости поверхностей образцов на величину их прогиба. Экспериментальное определение влияния времени обработки участка поверхности на прогибы образцов из различных материалов осуществлялось при одинаковых условиях обработки: Р=0,3 МПа, =90⁰, L=200мм, n_вр=100об/мин., R_аисх=0,4 мкм. Образцы изготовлялись из различных материалов: У8А, ВНЛ–1М, ВНЛ–6, ЖСЗДК, ВЖЛ–14, ЭП741П, ЭП915, ВТ5–1КТ. Все образцы, кроме образцов из стали У8А, были термообработаны по технологии деталей, изготавливаемых из этих материалов. Существующие в настоящее время техпроцессы изготовления деталей предусматривают выполнение операций их поверхностного упрочнения непрофилированным инструментом при времени обработки участков поверхностей t₁=30+5 с. По результатам данного эксперимента, для повышения эффективности упрочнения деталей, можно рекомендовать увеличение времени обработки до t₁ = 40+5 с, особенно, для деталей, изготовляемых из сплавов ЖСЗДК, ВЖЛ–14, ЭП741П, ЭП915 и ВТ5–1КТ. При этом достижимые параметры R_а шероховатости обрабатываемых поверхностей можно приблизить к вышеуказанным минимальным значениям. Взаимосвязь показателей качества поверхностного упрочнения (при t₁=40с) плоских образцов из различных материалов иллюстрируются данными таблицы 3, где:

k_z – отношение прогиба образца из материала детали к прогибу контрольного образца из стали У8А;

k_а – отношение глубины наклёпа образца из материала детали к глубине наклёпа контрольного образца из материала детали к глубине наклёпа контрольного образца из стали У8А;

k_Е – отношение степени наклёпа образца из материала детали и степени наклёпа контрольного образца из стали У8А.

Измерения микротвёрдости производились на микротвердомере типа ПМТ–3 под нагрузкой 0,49Н. Глубина наклёпа определялась методом измерения микротвёрдости по толщине поверхностного слоя. Степень наклёпа определялась как отношение изменения микротвёрдости поверхностей образцов. Точность определения прогибов образцов + 0,02мм, точность определения микротвёрдости и глубины наклёпа + 20%. Данные табл. 3 позволяют, по прогибу контрольных образцов из стали У8А, прогнозировать достижимые показатели упрочнения плоских поверхностей деталей из вышеуказанных материалов.

Литература

1. Сухочев Г.А. Управление качеством изделий, работающих в экстремальных условиях при нестационарных воздействиях / Г. А. Сухочев. – М.: «Машиностроение», 2004. – 287 с.

Таблица 3

Исходные механические характеристики плоских образцов и показатели их поверхностного упрочнения в одинаковых условиях

Марка материала	Предел текучести, т,МПа	Твёрдость, НВ, МПа	Микротвёрдость сердцевины, Н0,49исх, МПа	Прогиб образцов,Zоб, мм	Глубина наклёпа aн об, мм	Микротвёрдость,Н0,49, МПа	Изменения микротвёрдости, Н0,49, МПа	Степень наклёпа н, %	kz	ka	k
У8А	1400	4500	3500	0,80	0,045	4200	700	20	1	1	1
ВНЛ1М	940	3500	2500	0,82	0,050	4200	1700	68	1,03	1,11	3,4
ВНЛ6	1060	3800	2700	0,85	0,070	5200	2500	93	1,06	1,56	4,7
ЖСЗДК	800	3200	2850	1,10	0,060	5200	2350	82	1,38	1,33	4,1
ВЖЛ14	600	2600	2500	1,13	0,070	4500	2000	80	1,41	1,56	4,0
ЭП741Л	820	3000	3500	1,00	0,070	5000	1500	43	1,25	1,56	2,2
ЭП915	850	2900	2700	0,85	0,070	3900	1200	44	1,09	1,43	2,1
ВТ51КТ	700	2400	2600	0,90	0,060	4100	1500	58	1,13	1,33	2,9

2. Гореликов В. Н. Упрочнение винтовых поверхностей фасонных деталей комбинированной обработкой / В. Н. Гореликов, С.Н. Коденцев, Е.Г. Сухочева // Заготовительные производства в машиностроении. – 2007. – № 4. – С. 38–42.

3. Сухочев Г.А. Технологические решения по обеспечению показателей качества поверхностей проточной части гидравлического пакера / Г.А. Сухочев, Д.М. Небольсин. – Проектирование механизмов и машин: труды II всерос. науч.-практ. конф. – Воронеж: ЦНТИ, 2008. – С. 89–94.

4. Сухочева Е. Г. Технологический контроль качества комбинированной обработки деталей транспортных машин / Е. Г. Сухочева, С. Н. Коденцев // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 1, Воронеж, ВГЛТА, 2006, С. 97-100.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.793.74

ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ КАК ПРОГРЕССИВНЫЙ МЕТОД ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН. ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Д. И. Станчев, А. М. Кадырметов

Рассматриваются проблемы и перспективы современного состояния прогрессивных газотермических и плазменных технологий нанесения покрытий и упрочнения поверхностей; поставлены задачи развития данных технологий и ожидаемые результаты

Газотермическое напыление в целом и плазменное напыление в частности относятся к прогрессивным и перспективным технологическим процессам, повышающим ресурс деталей машин [1].

Использование высококонцентрированных энергетических потоков в этих процессах позволяет реализовать все известные виды теплофизических и физико-химических превращений в материалах и, вследствие этого, производительно и целенаправленно формировать оптимальные, с точки зрения условий их эксплуатации, свойства поверхностей деталей и инструмента на макро- , микро- и наноуровнях [2]. Например, технологические особенности процессов плазменного упрочнения и напыления позволяют: целенаправленно изменять физико-механические свойства покрытий; обеспечивать нанесение разных толщин покрытий и упрочнение поверхностей деталей на различную глубину; получение покрытий практически неограниченной как микро- так и макротвердостью; искусственно создавать на обрабатываемой поверхности сжимающие остаточные напряжения, которые повышают износостойкость деталей, что благоприятно сказывается на пределе выносливости.

В настоящее время на практике получили реализацию различные плазменные технологии нанесения покрытий и изменения свойств поверхностного слоя, в частности:

• наплавка поверхностей порошковыми и проволочными материалами на железной, никелевой, кобальтовой, медной и других основах слоями толщиной от 1 до 4 мм;

• напыление порошковых и проволочных покрытий толщиной до 1 мм с температурой нагрева изделия менее 100 °С, исключающим его деформацию и структурные изменения металла основы;

• финишное плазменное упрочнение (ФПУ) инструмента, штампов, деталей машин с нанесением алмазоподобного покрытия толщиной до 2 мкм (без изменения шероховатости поверхности, при нагреве изделия менее 100°С), обеспечивающее повышение работоспособности изделий в 2-10 раз;

• модификация поверхности за счет скоростных химико-термических взаимодействий плазменных струй с поверхностью металла с целью повышения износо - и коррозионной стойкости и твердости низкоуглеродистых сталей;

• закалка поверхности на глубину до 1,5-2 мм (с оплавлением или без оплавления) с возможностью регуляризации параметров поверхностного слоя;

• ионно-плазменное распыление, основанное на высокоуниверсальном принципе распыления составных мишеней. Данный процесс позволяет получать очень широкий спектр материалов: практически из любых элементов таблицы Менделеева и практически любого состава; с заданной структурой – нанокристаллической, аморфной, кристаллической, композитной. Недостатком процесса является низкая производительность.

В данных перечисленных процессах еще не полностью использованы их возможности, так как недостаточно изучены механизмы явлений, происходящих в них. Дальнейшее их совершенствование требует более глубокого исследования и получения на их основе новых покрытий и методов упрочнения путем управления процессами на всех уровнях (с наноуровня до макроуровня).

Цель исследований – разработка функциональных плазменных покрытий с заданной макро-, микро- и наноструктурой для различных деталей машин, разработка, развитие и усовершенствование технологий и средств их получения.

Задачи исследования:

1. Исследование влияния динамических, модулированных воздействий на процессы получения покрытий с целью их совершенствования.

2. Исследование химического состава, физико-механических свойств поверхности покрытий различной толщины и назначения, а также скоростных химико-термических взаимодействий металла с атмосферой плазмы.

3. Исследование образования в поверхностном слое структуры и фазового состава, обладающих высокой твердостью, дисперсностью. Увеличение числа и плотности дислокаций.

4. Формирование на поверхности алмазоподобного покрытия (толщиной менее 3 мкм) с повышенной микротвердостью и низким коэффициентом трения.

5. Создание сжимающих остаточных напряжений в покрытии.

6. Регуляризация и создание заданной топографии субмикрорельефа и параметров шероховатости поверхностности.

7. Компьютерное моделирование структуры и свойств покрытий на макро-, микро- и наноуровне, а также газодинамических, теплофизических, физико-механических процессов на поверхности и внутри покрытия. Исследование электрических, магнитных и электронно-транспортных свойств нанопокрытий.

8. Исследование, оптимизация и получение плазменных покрытий с заданной макро- и микроструктурой, стойких к абразивному износу, агрессивных газовых сред, окислительного износа, трению металла о металл, усталости и смятия, эрозии и кавитации, коррозии и фреттинга, схватывания и заедания. Разработка технологий, средств получения указанных покрытий и контроля их качества.

Решение данных задач планируется осуществить лабораторией плазменного нанесения и упрочнения покрытий Воронежской государственной лесотехнической академии, имеющей 20-летний опыт в разработке технологий восстановления и упрочнения деталей машин методами плазменного напыления, напыления-наплавки износостойких покрытий и их термомеханического упрочнения на основе имеющихся технологий и собственных исследований и разработок, защищенных патентами. По тематике защищено 6 кандидатских диссертаций, получено восемь патентов на изобретения.

Ожидаемые результаты исследования:

• совершенствование существующих прогрессивных плазменных технологий получения функциональных покрытий (износо-, коррозионностойких и др.);

• повышение на порядок долговечности и стойкости покрытий для деталей различного назначения;

• управление структурой покрытия (нанокристаллической, аморфной, кристаллической, композитной) в процессе нанесения из практически любого состава.

Потребности рынка в деталях с плазменными макро-, микро- и нанопокрытиями представляются широкими. Потенциальные клиенты – машиностроительные предприятия, предприятия оборонного комплекса, нефтяной и газовой промышленности, деревообрабатывающие предприятия, горнообогатительные предприятия, сельско- и лесохозяйственные предприятия, автотранспортные предприятия, частные лица.

В настоящее время наиболее актуальным с точки зрения потребности является восстановление изношенных деталей. Стоимость восстановленных деталей в 4-5 раз ниже стоимости новых.

Ожидаемая экономическая эффективность определяется:

• повышением надежности и долговечности выпускаемой и используемой продукции;

• сокращением затрат на изготовление запасных частей;

• экономией металла, расходуемого на изготовление запасных частей;

• высвобождением работников, занятых на изготовлении запасных частей и восстановлении деталей;

• увеличением выпуска продукции на существующем оборудовании, вследствие сокращения простоев для замены изношенных деталей и аварийных ремонтов оборудования.

Литература

1. Тополянский, П.А. Техническая политика в области внедрений процессов восстановления и упрочнения [Текст] / П. А. Тополянский // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: В 2 ч. Часть1: Материалы 10-й Международной научно-практической конференции: СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – С.5-13.

2. Соснин, Н.А.Плазменные технологии. Руководство для инженеров [Текст] / Н. А. Соснин, С. А. Ермаков, П. А. Тополянский – СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – 406 с.: ил.

Воронежская государственная лесотехническая академия

УДК 674.046

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ГИДРОТЕРМООБРАБОТКИ ФАНЕРНОГО СЫРЬЯ

Е. А. Мануковский

Рассматриваются проблемы оптимизации участка гидротермообработки фанерного сырья, рассматривается проведение тепловой обработки древесины в чураках в закрытых и открытых бассейнах выявляются их достоинства и недостатки.

Одной из важнейших технологических операции, влияющих на качество получаемого шпона и, в конечном итоге, на качество фанеры, является тепловая обработка (гидротермообработка), древесины, предшествующая операции лущения шпона. Цель тепловой обработки древесины — повысить ее пластические свойства. Процесс регламентирован технологической инструкцией [1], согласно которой тепловая обработка древесины в чураках или кряжах производится в закрытых или открытых бассейнах путем ее прогрева в воде при температурах +40, 60 или 80°С.

В как правило прогрев древесины при высоких температурах воды +60, +80°С сокращает длительность технологического цикла по сравнению с прогревом при температуре воды +40°С в 4-5 раз, уменьшает необходимое количество и объемы нагревательных устройств. Однако, прогрев сырья разного диаметра происходит при этом неравномерно. Поэтому фанерное сырье перед гидротермообработкой рекомендуется подсортировывать по диаметрам и прогревать по режимам, установленным для каждой группы диаметров (таблица 1). Для выравнивания температуры внутренних слоев древесины необходимо их вылеживание после прогрева, а для этого нужны дополнительные площади. Но и даже после всех этих мероприятий качество шпона получается менее высоким, чем при обработке древесины по мягким режимам. Кроме того, по данным Центрального научно-исследовательского института фанеры (ЦНИИФ) древесина в кряжах при жестких режимах прогревается неравномерно из-за разности диаметров комлевой и вершинной части. В работах [2] показано, что при перегреве древесины, а жестких режимах происходит потеря сырья из-за проворачивания древесины в шпинделях лущильных станков и сырье не долущивается, а карандаш выходит повышенных диаметров. Кроме того, шпон при лущении получается с повышенной ворсистостью, что снижает его сортность. Если нагрев древесины не достаточный, то при лущении возникают сколы, шпон растрескивается, ломается и значительная его часть идет в отходы. Оптимально прогретым считается сырье, у которого на поверхности карандаша температура древесины равна +20°С [1].

Тепловая обработка по мягким режимам обеспечивает более равномерный прогрев древесины, исключает необходимость вылеживания древесины после ее прогрева для выравнивания температуры, уменьшает количество групп сортировки сырья по диаметрам, дает возможность прогрева сырья в кряжах, создает нормальные санитарные условия обслуживании бассейнов. Вместе с тем продолжительность прогрева при мягких режимах, а 4-5 раз больше , чем при жестких. Это влечет за собой увеличение площадей под бассейны и соответствующее технологическое оборудование.

Анализ расхода тепла при различных режимах гидротермообработки древесины показывает (таблица 2), что при прогреве древесины в открытых бассейнах при мягких режимах имеет место общее повышение удельного расхода тепла на прогрев древесины, а также значительное повышение этого расхода с увеличением диаметра сырья. Например, если принять расход тепла при прогреве в бассейнах с мотовилами за 100%, то расход тепла в закрытом бассейне при жестких режимах составит 94% при мягких режимах - 77% а при мягких режимах в открытых бассейнах - 130% при начальной температуре -20°С и 150% при начальной температуре - 40°С [3].

Режим гидротермической обработки фанерного сырья лиственных пород в открытых секционных бассейнах и бассейнах камерного типа с мотовилами

Таблица № 1.

№№ пп	Показатели	Продолжительность прогрева в часах, при диаметре фанерного сырья в см.
		до 20	21-25	26-30	31-35	36
I	Продолжительность гидротермической обработки фанерного сырья, в бассейнах с температурой воды +40ºС при температуре воздуха:
1.1	выше 0°С	5	7	10	16	16-24
1.2	от 0°С до -10°С	7	10	18	23	23-60
1.3	от -11°С до -20°С	10	14	24	30	30-80
1.4	от -21°С до -30°С	12	16	28	35-	35-93
1.5	от -31°С до -40°С	14	18	30	40	40-112
2	Продолжительность гидротермической обработки фанерного сырья в бассейнах с температурой воды 70-80°С при температуре воздуха:
2.1	выше 0°С	1.0	2,0	3,5	5,0	7-8
2.2	от 0°С до -10°С	1,5	3,0	5,0	7,0	8-10
2.3	от -11°С до -20°С	2,0	3,5	6,0	8,5	9-11
2.4	от -21°С до -30°С	2,5	4,5	7,0	10,0	11-13
2.5	от -31°С до -40°С	3,0	6,0	8,0	12,0	14-16

Расход пара на 1 м³ древесины зависит от теплосодержания

пара, давления в паропроводе и от системы подачи пара в бассейн. Теплосодержание перегретого пара выше теплосодержания насыщенного пара на величину теплоты перегрева. В работе [4] проф. Стерлина Д. М. показано, что на предприятии мощностью 50 тыс.м³ фанеры в год расход тепла на нагрев 1 м³ древесины составляет 0,1 Гкал, а общий расход пара с потерями - 2,6 Гкал/ч. Проведенные исследования показали, что расход пара на многих предприятиях гораздо выше. Так, расход пара на прогрев I м³ древесины на Череповецком фанерно-мебельном комбинате составляет 0,6 Гкал, на Любанском лесодеревообрабатывающем комбинате - 0,78 Гкал, на Ленинградском промышленно-экспериментальном фанерном заводе -1,18 Гкал. Это связано с конструктивными особенностями бассейнов и состоянием парораспределительной системы. При расположении трубы вдоль стенки бассейна пар в воду подают через отверстия 6-12 мм. Пар, проходя струей через эти отверстия, не успевает передать все тепло воде и значительная его часть выбрасывается в атмосферу. Также к проблемам участка можно отнести отсутствие фильтрации воды после выгрузки фанерного сырья, что тоже приводит к потерям тепла так как новую воду приходится греть заново до необходимой температуры.

Общий расход тепла на гидротермообработку 1 м3 березовых чураков начальной температурой 20ºС Гкал.

Таблица № 2

Диаметр чураков, см	Бассейн
	с мотовилами		закрытый		закрытый		открытый
	Температура воды
	80°С			40°С
18	0,120	0,118		0,095		0,138
20	0,122	0,117		0,096.		0,148
22	0,124	0,116		0,097		0,159
24	0,126	0,115		0,098		0,170
26	0,123	0,114		0,099		0,180

Литература

1. Технологическая инструкция по производству фанеры, фанерных плит и древесных пластиков: – М.: Лесн. пром-сть, 1995. - 207 с.

2. Кириллов Л.И. Караоев К.И. Технология фанерного производства. -Я.: Лесная промышленность, 1974. - 312 с.

Р ис. 1. Изменение расхода тепла на гидротермообработку древесины при различных способах ( а - температура воды 80°С; б - температура воды 40°С): I - начальная температура чураков минус 10°С; 2,- .минус 20°С; 3 - минус 30°С; 4 - минус 40°С

3. Стерлин М.Д., Поэлементный анализ расхода тепла на гидротермообработку сырья в фанерном производстве – М.: Лесн. пром-сть, 1978.. - 207 в. , с.50-52.

4. Стерлин М.Д. Пути эффективного использования пара на фанерных предприятиях: Обзор. - М.: ВНИПИЭИлеспром,, 1979. - 44 с.

Воронежская государственная лесотехническая академия

УДК 630*52

МОДЕЛИ АВТОМАТИЗАЦИИ УЧЁТА ОБЪЁМОВ ДРЕВЕСИНЫ В ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

М.В. Филипцов

В статье выводятся формулы наиболее точного определения запаса древесины в древостоях, уравнения образующей хлыстов, вывезенных на склад, а также формула определения их объёмов.

В настоящее время в связи с интенсивным развитием использования вычислительной техники в лесном комплексе создались условия определения запаса сортиментов лесфонда с достаточно высокой точностью. Для решения этих задач необходимы их математические модели по породам и данные распределения стволов по размерам и породам.

Математическая модель стволов имеет вид [1]

(1)

где 2х – текущий диаметр ствола на расстоянии l от комля; d₀₅ – диаметр ствола на средине высоты; H – высота ствола; – некоторая непрерывная функция для ствола данной породы.

Известно, что при таксации древостоев диаметры d₀₅ невозможно измерить непосредственно. Используя уравнение (1), можно перейти от d₀₅ к диаметру без коры на высоте груди D_1.3:

(2)

Подставляя выражение (2) в уравнение (1), получим

(3)

При таксации леса диаметр ствола на высоте груди измеряется в коре, а учет объема сортиментов производится без коры. Натурная проверка и исследования многих авторов показывают, что между D_1.3 в коре и d_1.3 без коры существует линейная связь:

(4)

где D_1.3 , d_1.3 – диаметр ствола на высоте груди соответственно в коре и без коры; λ —постоянный коэффициент для каждой породы.

С учетом (4) уравнение (3) будет иметь вид:

(5)

Уравнение (5) является функцией аргументов D_1.3 и H, которые будут известны в результате таксации пробных площадей при отводе древостоев лесфонда в рубку.

Пусть годичная лесосека состоит из t кварталов, площадь k-го квартала равна . Задача сводится к определению запаса древесины сортиментов, например балансов, годичного лесфонда при наличии материала сплошных перечетов на пробных площадях.

Определение запаса балансов в древостоях на ЭВМ. Из таксации леса известно, что высоты стволов варьируются в широком диапазоне даже в одной ступени толщины. Поэтому определение запаса сортиментов древостоев с учетом средней высоты ступени толщины вносит некоторые неточности, в связи с чем число стволов N_ik каждой ступени толщины нужно дифференцировать еще и по ступеням высот. Разбивку на ступени высот в каждой ступени толщины можно выполнить по правилу Штюргерса. Число ступеней высот n_i в каждой i-й ступени толщины определяется по формуле

(6)

Градация ступеней высоты Δ_i для i-й ступени толщины вычисляется как

(7)

где Н_imax, Н_imin — максимальная и минимальная высоты стволов в i-й ступени толщины.

При проведении таксации леса с помощью формул (6) и (7) можно проводить учет количества стволов i-й ступени толщины, относящегося к j-и ступени высот:

Распределение стволов древостоев по высоте внутри отдельных ступеней толщины с приемлемым приближением может быть охарактеризовано кривой нормального распределения. Учитывая это, число стволов j-и ступени высоты в i-й ступени толщины можно еще определить по статистической формуле:

(8)

где σ_Hi – среднее квадратичное отклонение; H_ijk , H_ijk+1 - нижняя и верхняя границы j-и ступени высот в i-й ступени толщины; - средняя арифметическая высота стволов i-й ступени толщины; - плотность распределения числа стволов по ступеням высот в каждой ступени толщины.

С учетом дифференциации стволов по ступеням высот внутри отдельной ступени толщины объем древесины балансов i-й ступени толщины, относящегося к j-и ступени высот на пробной площади k-го квартала V_ijk, определяется по формуле

(9)

где - среднеарифметическая высота j-и ступени высот в i-й ступени толщины на k-м квартале. Объем древесины балансов i-и ступени толщины V_ik на данной пробной площади определяется по формуле

(10)

Объем древесины балансов на данной пробной площади для всех m_k ступеней толщины вычисляется как

(11)

И, наконец, запас древесины балансов годичной лесосеки V, состоящей из t кварталов, определяется выражением

(12)

Полученная формула является математической основой составления для ЭВМ программы вычисления запаса любого вида сортиментов в древостоях.

На складах есть возможность определения диаметра в любой части хлыста. Выведем уравнение образующей (математическую модель) хлыста на основании длины и диаметра на середине высоты.

Для учёта широкого варьирования размеров стволов по высоте и диаметру за основу уравнения образующей наиболее целесообразно принять уравнение пораболы в канонической форме:

, (13)

где

Определим величину фокального параметра P при начальных условиях у=0 и х=d_0.5/2. Подставим эти значения текущих координат в уравнение х²=2Р(у-h) и после преобразования получим:

. (14)

Подставим выражения (13) и (14) в формулу х²=2Р(у-h) и после преобразования получим уравнение пораболической образующей:

. (15)

Уравнение (15) отражает полный диапазон варьирования среднего стволового сбега, но даёт ошибки, величина и знак которых определяются уравнением:

±Δ=2х-D_ф,

где 2х – расчётный диаметр хлыста, м; D_ф – фактический диаметр хлыста, м.

Установлена математическая связь между относительной ошибкой Δ/d_0.5 и относительной высотой сечения l/H. Анализ этой эмпирической кривой показал, что наилучшую аппроксимацию дает полином 4-й степени. Эта связь приближается к функциональной. Корреляционное отношение η=0.995. Для сосны это уравнение имеет следующее выражение:

, (16)

. (17)

Для получения математической модели стволов всех пород, поступающих на раскряжёвку, алгебраически сложим уравнения пораболической образующей (15) с уравнением её абсолютных ошибок (17):

. (18)

Это уравнение является принципиально новым и наиболее точным из всех известных уравнений образующей. Коэффициенты A, B, C, D, E имеют определённое значение для каждой породы. Уравнение образующей (18) можно упростить и соответствующим пересчётом коэффициентов привести его к виду (19). Для этого по уравнению (18) на графике можно построить кривую. Методом наименьших квадратов вычислить коэффициенты а₄, а₃, а₂, а₁, а₀ для этой кривой:

, (19)

где а₄, а₃, а₂, а₁, а₀ – коэффициенты, имеющие своё значение для каждой породы

Математическая модель даёт возможность получить формулу для вычисления объёмов хлыстов V:

(20)

После замены 2х его значением из уравнения образующей (18) или (19), преобразования и интегрирования получим конечную формулу определения объёма хлыстов:

(21)

где F – переменная, зависящая от коэффициентов породы.

Проверка этой формулы показала её высокую точность.

Литература

1. Петровский В.С. Оптимальная раскряжёвка лесома-териалов. - 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лесн. пром-сть, 1989.-288с.

Воронежская государственная лесотехническая академия

УДК 621

МОДЕЛЬ МАНИПУЛЯЦИОННОГО РОБОТА С КОМПЬЮТЕРНЫМ И РУЧНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Б.Б. Еськов, А.В. Попов, В. Текунов, Ж.Новиков

В статье описывается модель манипуляционного робота, разработанного студентами группы РС под руководством преподавателей кафедры ПМ и ПТМ. Действия робота программируются на компьютере и могут быть выполнены как под управлением оператора, так и по программе.

Манипуляционные роботы, как правило, предназначены для выполнения вспомогательных операций по обслуживанию технологического оборудования, например, транспортно-складских систем как элемента гибкой автоматической производственной системы.

Именно поэтому была создана и предлагается Вашему вниманию модель манипуляционного робота, предназначенного для перемещения деталей с рабочего стола (верстака) на транспортирующий конвейер и наоборот.

Модель, как и традиционный робот, состоит из информационной (сенсорной), управляющей (интеллектуальной) и двигательной (моторной) систем, а также системы связи. В качестве элемента сенсорной системы модели использовались датчики положения и скорости, так как манипулятор реализует только реверсивно-вращательное движение и возвратно-поступательное перемещение звеньев.

Внешний вид модели манипуляционного робота представлен на рис.1, где

1 – основание двигательной системы;

2 – двигательная система;

3 – исполнительный орган;

4 – пульт управления;

5– системный блок управляющей системы.

Рис. 1. Модель манипуляционного робота.

Двигательная или моторная система, характеризующая динамические свойства робота, в частности, его способности совершать разнообразные движения, служит для фактической отработки управляющих сигналов и программ. Двигательная система разработанной модели, показанная на рис. 2, представляет собой разомкнутую кинематическую цепь, оснащенную:

• вращающимся звеном –1;

• звеном поступательного перемещения – 2;

• и электромагнитным схватом – 3.

Для выполнения двигательных функций звеньев применены микроэлектродвигатели типа ДПР.

Рис. 2. Двигательная (моторная) система модели манипуляционного робота

Система связи, необходимая для обмена информацией между роботом и человеком, в предлагаемой модели осуществляется через пульт управления, на котором имеются кнопки ввода команд перемещения звеньев (механических рук) – 1, включения и выключения электромагнитного схвата – 2 и показана на рис. 3.

Управление моделью робота осуществляется в двух режимах:

1. пошаговой отработки команд человека-оператора, подаваемых с пульта управления;

2. программного управления от ЭВМ.

Пошаговый режим применяется для настройки движений робота. При этом ПЭВМ является транслятором команд оператора, а обратная связь по положению рабочего органа манипулятора замыкается «через человека». Скорости движения элементов кинематической цепи робота рассчитаны таким образом, чтобы время реакции оператора обеспечивало приемлемую точность позиционирования манипулятора, но в то же время студенты имеют возможность «почувствовать на себе» как важно программное управление роботом.

Рис. 3. Пульт управления манипуляционного робота.

Для реализации программного управления манипулятором разработан интерфейс, соединяющий персональный компьютер с пультом управления через LPT-порт ЭВМ.

Кроме того, для питания электронной схемы пульта управления и электродвигателей используется сетевой адаптер, преобразующий переменное сетевое напряжение 220В в напряжение постоянного тока 12В.

Разработанная модель манипуляционного робота по структуре представляет собой автомат, включающий информационную, управляющую, двигательные системы и систему связи. Задавая различные последовательности команд можно выполнять различные действия по перемещению условного груза. Поэтому данная модель манипуляционного робота может быть использована в качестве наглядной демонстрационной модели в учебном процессе для студентов специальности робототехнические системы.

Рис. 4. Подключение управляющего пульта к системному блоку компьютера

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.981.1.001

УЧЁТ ШИРИНЫ ЗАГОТОВКИ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПАРАМЕТРОВ ПРУЖИНЕНИЯ ПОСЛЕ ГИБКИ