У дисертаційній роботі вирішено нове наукове завдання підвищення надійності та динамічної безпеки комбінованого устатковання для трелювання деревини шляхом теоретичного обґрунтування і експериментального підтвердження його конструктивних і режимних параметрів. Об’єктом дослідження є процес трелювання деревини комбінованим устаткованням (лісовозний автомобіль або трактор з гідравлічним маніпулятором та однобарабанною гідравлічною лебідкою, встановленою безпосередньо на стрілі маніпулятора). Предметом дослідження є динамічні навантаження в системі “привід лебідки – стріла маніпулятора – вантаж”, параметри коливального стану стрілового перерізу та методи обґрунтування раціональних параметрів устатковання.
На основі методу Релея встановлено еквівалентні зосереджені параметри стріли (mc = 720 кг, L = 7,0 м, EI = 9,286·106 Нм2): mn = 260 кг і cn = 1,01·107 Н/м у точці кріплення обвідного блока з похибкою не більше 1 %. Вперше розроблено тримасову нелінійну динамічну модель системи у формі рівнянь Лагранжа, яка враховує квадратичну характеристику гідромотора, пружно-дисипативні властивості каната й стріли та змінний опір вантажу. Чисельне інтегрування методом Рунге-Кутта у середовищі Wolfram Mathematica встановило, що при часі пуску τ = 0,50 с пікові навантаження перевищують усталені: крутний момент у 4,47 рази, зусилля в канаті у 2,44 рази, зусилля в стрілі у 2,91 рази. Аналіз методом малого параметра підтвердив адекватність моделі з похибкою до 6,6 %; параметричний аналіз у безрозмірних комплексах виявив, що збільшення безрозмірного часу пуску τ̄ від 0,2 до 1,5 знижує коефіцієнт динамічності kβ на 70 %. Метод фазових портретів ідентифікував критичний поріг переходу до нелінійного режиму при зусиллі в канаті понад 14 кН.
Уперше встановлено аналітичну залежність kT(τ) = 1,994 – 0,490·ln(τ), яка визначає критичні зони навантаженості (Lk = 20–35 м, m = 500–800 кг) і мінімальний безпечний час пуску τmin = 0,38 с за критерієм міцності каната.
Просторовий аналіз для φ = 0°–90° показав, що опора стріли на стовбур дерева зменшує горизонтальний згинальний момент у 1,82 рази; гранична маса вантажу при φ = 90°, τ = 0,5 с становить m = 1120 кг. На основі трьох критеріїв безпеки – міцності стрілового перерізу, крутного моменту на опорно-поворотному пристрої та просторової стійкості шасі – побудовано карту допустимих параметрів роботи у просторі {m, Lk, τ, φ}. Метод скінченних елементів у SolidWorks Simulation 2025 (96 868 вузлів, 48 802 елементи, матеріал AISI 4140, σy = 490 МПа) підтвердив коефіцієнт запасу міцності КЗМ = 1,47–1,63 для семи кутів нахилу каната α = 0°–30°, що задовольняє нормативну вимогу [КЗМ] ≥ 1,40 за ДСТУ EN 1993-1-1.
Програму та методику натурного повного факторного експерименту (ПФЕ 3×4, 40 дослідів) реалізовано у виробничих умовах лісосіки з використанням трьох акселерометричних давачів WT901SDCL-BT50 (9-осьовий MEMS, ±8g, 200 Гц, BLE 5.0). Для колод ялини (d = 0,40 м, l = 6,0 м) за масами m ∈ {500; 750; 1500} кг і відстанями підтягування Lk ∈ {10; 20; 30; 40} м встановлено: середнє пікове прискорення āmax = 4,95–6,63 м/с², середньоквадратичне прискорення
aRMS = 1,75–2,21 м/с², динамічний коефіцієнт kd = 1,68–2,25. Власна частота стріли f1 = 6,8 Гц підтверджена спектральним аналізом із відхиленням ±1,5 % від теоретичного значення. Регресійні моделі āmax і aRMS як функцій параметрів {m, L} отримано з коефіцієнтами детермінації R² = 0,883 і R² = 0,825. Розбіжність між теоретичним kT = 2,334 і експериментальним kd не перевищує 8–12 %, що підтверджує адекватність математичної моделі і достовірність карти допустимих режимів.
На основі отриманих результатів розроблено комплекс інженерно-технічних рішень щодо зниження динамічних навантажень і підвищення надійності комбінованого устатковання. Техніко-економічна оцінка підтвердила ефективність впровадження: простий термін окупності – 1,53 року, чиста теперішня вартість – 172,96 тис. грн, індекс доходності – 2,19.
Результати дисертаційного дослідження впроваджено у: навчальний процес НЛТУ України (дисципліни “Машини та устатковання лісопромислових виробництв” і “Лісоексплуатація”, розрахунковий модуль у Wolfram Mathematica); практику науково-технічної експертизи Львівської філії ДНУ УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого (допустимі режими завантаження комбінованого устатковання: m ≤ 1280 кг, τmin ≥ 0,40 с); виробничу практику ОКС ЛГП “Галсільліс” (карти критичних режимів і регламентів плавного пуску, що забезпечило підвищення продуктивності трелювальних робіт на 12–15 % і зниження питомих витрат на технічне обслуговування та ремонт).
