Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование Бартенев

191

При расчетах на прочность скорость груза в момент отделения от основания принимается равной скорости точки подвеса. При расчетах на выносливость для манипуляторов лесозаготовительных машин, режим работы которых соответствует тяжелому и весьма тяжелому, можно принять V = (0,5 0,8) Vп, а для манипуляторов кранового исполнения V = (0,35 0,5) Vп. Так как конструкция манипуляторов лесного и кранового исполнения отличается только конструкцией грузозахватного органа и наличием предохранительных устройств, то

врасчетах рекомендуется принимать V = (0,5 0,8) Vп.

Всоответствии с Правилами расчета, составленными Европейской Федерацией по погрузочно-разгрузочным машинам (ФЕМ) [136], динамический коэффициент при скорости подъема V 1 м/с определяется по формуле:

где 1 – коэффициент, полученный опытным путем по результатам многочисленных измерений;

Vn – скорость подъема, м/с.

Коэффициент 1, зависит от кинематических параметров гидроманипулятора, совершенства аппарата управления гидросистемой. При установке гидрораспределителей с пропорциональным управлением коэффициент 1, значительно меньше, чем при установке гидрораспределителя с дискретным управлением (рис. 4.21). Зависимость подачи рабочей жидкости от хода золотника трех различных распределителей представлена на рис. 4.24.

Фактические значения коэффициента динамичности для различных звеньев манипулятора по результатам тензометрических исследований [68] являются разными. Это явление можно объяснить различной жесткостью звеньев манипулятора, элементов звеньев в узлах передачи сосредоточенных сил [68], а также различной для каждого сечения массой конструкции, вовлекаемой в движение. Применение единого коэффициента динамичности [85], [48] следует признать некорректным при расчетах металлоконструкции манипулятора.

192

Удовлетворительное теоретическое значение коэффициента динамичности, в сравнении с экспериментальным, можно получить, если рассматривать манипулятор не как одномассовую систему [48], [85], а как многомассовую.

Q

(л/мин)

120

100

Р=20 МПа

80

60

40

20

1 2 3 4 5 6 S, мм

в)

Рис. 4.24. Зависимость расхода рабочей жидкости от хода золотника гид-

рораспределителя 346-3ККККК3 (а), Monsun-Tison F130CF (б), Р 20П (в)

Рекомендуемая методика [148] для прочностных расчетов с учетом случайных составляющих нагрузок является громоздкой и не может быть принята для расчетов металлоконструкции манипуляторов, так как коэффициенты, принятые в расчетах, определены на основе опыта эксплуатации стреловых самоходных кранов, режим работы которых значительно отличается от режима работы манипуляторов.

193

Установим влияние положения сечения звена манипулятора на коэффициент динамичности. Рассмотрим звенья манипулятора (удлинитель, рукоять, стрела) как однородные стержни с равномерно распределенной по длине массой. Принимаем сечение с абсциссой Х, отсчитываемой от точки О. Кинетическая энергия звена длиной (l-x) будет равна

T JЭ 22 ,

где JЭ – момент инерции элемента звена, кг м2.

l

В

Рис. 4.25. Схема к определению коэффициента динамичности звеньев манипулятора

Если принять стреловую группу за однородный стержень с распределенной массой q1 q2 q3 q4 q , то

Угловая скорость подъема стреловой группы

Vln ,

где Vn – скорость точки подвеса груза, м/с; l – вылет стрелы манипулятора, м;

q – плотность распределенной массы конструкции, кг/м. Кинетическая энергия элемента звена

Приведенная к точке подвеса груза масса элемента звена

mМЗ q(l x)3 3q(l2 x)(l x)2 . (4.106)

12l

При значениях х b можно упрощенно рассматривать стреловую группу как консольную балку и прогиб сечения с координатой Х определять по фор-

муле [52]:

где mc – масса стреловой группы, кг.

Подставляя в выражение (4.98) значение mМЗ вместо mМ, Х вместо l, у

где К – коэффициент, учитывающий податливость колонны и основания. При установке на жесткое основание

К=1,72 10-6 Н-1 (для ЛВ-184) и

К=1,01 10-6 Н-1 (для ЛВ-185).

195

Расчетные значения коэффициента 1 для стрелы и рукояти манипулятора ЛВ-184А без учета и с учетом податливости колонны и основания, на котором установлен манипулятор, приведены в табл. 4.3.

Как видно, коэффициент динамичности для стрелы значительно выше, чем для рукояти. Податливость колонны и основания существенно влияет на коэффициент динамичности для стрелы и практически не влияет на коэффициент динамичности для рукояти.

Коэффициент динамичности механизма подъема гидроманипулятора для пуско-тормозного режима с учетом интенсивности изменения подачи рабочей жидкости в работе [85] предлагается определять по формуле

где Jпр – приведенный момент инерции стреловой группы, кг м2; k – интенсивность изменения подачи рабочей жидкости, м3/с2, при линейном законе переходного процесса

k Qtн ;

Qн – подача рабочей жидкости, м3/с; t – время, с;

Мс – статический момент сил, Н м;

196

пц – количество цилиндров, шт;

Vц – полезный объем гидроцилиндра подъема стрелы, м3;

kf – коэффициент учета различия эффективных площадей штоковой и бесштоковой полости гидроцилиндра;

SЦ – ход штока гидроцилиндра, м; hЦГ – плечо усилия гидроцилиндра, м;

RPГ – передаточная функция механизма подъема стрелы.

Приведенная выше формула не учитывает влияние податливости рабочей жидкости, элементов гидропривода и звеньев манипулятора на коэффициент динамичности и не может использоваться в практике расчетов.

В.А. Александров [8] экспериментально установил, что коэффициент динамичности, характеризующий нагружение трелевочного трактора упругими колебаниями, составляет при пакетировании 1,10-1,53, а при опускании дерева и торможении значительно выше и находится в пределах 1,87-3,14. Причем, при пакетировании за вершину этот коэффициент выше на 5-8%, чем при пакетировании за комель. Более высокие значения коэффициентов динамичности соответствуют меньшим значениям объемов деревьев (массы груза), что подтверждено и при стендовых испытаниях манипуляторов [68]. Автором не исследовано влияние характера переходного процесса, зависящего от аппарата управления гидросистемой, на коэффициент динамичности.

Определение коэффициента динамичности по характеру изменения давления в поршневой полости гидроцилиндра подъема стрелы нельзя считать корректным, так как податливость рабочей жидкости в 130-150 раз превышает податливость конструкции [8]. Поэтому при экспериментальном определении коэффициента динамичности для металлоконструкции необходимо записывать осциллограммы деформаций (напряжений) в звеньях манипулятора (колонна, стрела, рукоять, удлинитель).

Коэффициент динамичности, как видно из выражений (4.98) и (4.102), зависит от суммарной податливости рабочей жидкости, элементов гидропривода

197

и звеньев манипулятора, а также скорости движения штока. При установившемся режиме работы гидропривода скорость штока при неизменном положении золотника распределителя, как установлено ранее, является постоянной. При уменьшении вылета манипулятора уст уменьшается на два порядка быстрее и, следовательно, увеличивается коэффициент динамичности. Так как с изменением вылета изменяется и жесткость см, то для более точного анализа зависимости от l необходимо найти аналитические выражения для уст, см, mM,

затем производную ddl , приравнять к нулю и найти значение l, соответствую-

щее наибольшей величине . Однако, наибольшие напряжения в элементах металлоконструкции манипулятора возникают в положении указанном на рис. 4.23 и коэффициент динамичности необходимо определять для этого случая.

Следует заметить, что увеличение вылета манипулятора ведет к уменьшению жесткости и увеличению времени развития нагрузки tн. Но в большей степени время развития нагрузки зависит от конструкции гидрораспределителя и изменения интенсивности подачи рабочей жидкости.

Период развития нагрузки tн, а значит и коэффициент динамичности, зависят также от навыков оператора. На основе анализа осциллограмм Александров В.А. установил, что при недостаточной квалификации операторов динамические нагрузки на манипулятор превышают статические в 1,8 2,5 раза. Этот режим необходимо учитывать при расчете динамических нагрузок в звеньях манипулятора и гидроприводе.

Рассмотрим процесс торможения опускающегося груза.

Если принять допущение мгновенного торможения опускающейся с грузом стрелы, то кинетическая энергия опускающегося груза и стреловой группы при торможении перейдет в потенциальную энергию деформации металлоконструкции, сжатия рабочей жидкости в гидроцилиндрах механизмов подъема стрелы и вращения рукояти манипулятора.

Кинетическая энергия опускающегося груза (рис. 4.26)

198

В

Рис. 4.26. Схема к определению динамических нагрузок при торможении опускающегося груза

где V – окружная скорость груза, м/с; l – длина стреловой группы, м;

– угловая скорость стреловой группы, с-1; m – масса груза, кг.

Кинетическая энергия стреловой группы TC JC 22 .

Суммарная кинетическая энергия груза и стреловой группы

T (JC ml2 ) 22 ,

где Jc – момент инерции стреловой группы относительно оси, проходящей через точку О, кг м2;

Если привести массу стреловой группы к точке подвеса груза, то кинетическая энергия

где mnp – суммарная приведенная масса, приложенная в точке подвеса груза, кг.

199

Потенциальная энергия деформации стреловой группы в поперечном направлении

Если пренебречь кинетической энергией стреловой группы (в реальных конструкциях она не превышает 8 10%), т.е. принять mnp m , то

Максимальная вертикальная нагрузка на конце стрелы

Выразим скорость движения груза через скорость движения штока гидроцилиндра (рис. 4.26)

Найдем производную d и приравняем к нулю:

d C

200

cos2 C cos( ) sin C cos C sin( )

sin 2 C cos( ) sin C cos C sin( ) 0;

или

cos2 C sin 2 С cos( ) 2 sin C cos C sin( ) 0 ; cos 2 С cos( ) sin 2 C cos C sin( ) 0 ;

1 tg2 C tg( ) 0.

Так как 1800 ( ) , то tg2 Ctg(180 ) 1; tg2 Ctg(180 C ) 1; tg 180 ( С ) tg( С ) , то tg2 Ctg( C ) 1,

tg2 C (tg Ctg 1) (tg Ctg 1) 0 ;

(tg2 C 1)(tg Ctg 1) 0 ; tg C tg1 .

При заданном значении = 76 , коэффициент динамичности достигает

максимума при значении С =13 .

При подъеме груза с основания потенциальная энергия деформации металлоконструкции и сжатия рабочей жидкости гидроцилиндров переходит в кинетическую энергию груза и металлоконструкции, так как к моменту отделения груза от основания масса конструкции обладает некоторой скоростью.

Для манипуляторов с гибкой подвеской рабочего органа формула (4.97)