Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование Бартенев

201

где ст – статическое удлинение каната под действием груза массой m;

При торможении поднимаемого груза коэффициент динамичности, по аналогии с формулой (4.114)

Рассмотрим случай мгновенной разгрузки. У манипуляторов, работающих в лесной промышленности на погрузочно-разгрузочных работах, технологией предусмотрена мгновенная разгрузка при раскрытии грейферного захвата. Теоретические исследования динамики манипулятора проведены с учетом податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода путем решения системы уравнений (4.118):

где Qн – номинальная производительность насоса, м3/с; t – время, с;

d – диаметр поршня гидроцилиндра, м;

Jc – приведённый момент инерции стреловой группы относительно шарнира поворота О (рис. 2.1), кг м2;

m – масса груза с грузозахватным органом и ротатором, кг; l – вылет манипулятора, м;

b – плечо приложения усилия гидроцилиндра, м; mc – масса стреловой группы, кг;

lc – расстояние от шарнира О до центра масс стреловой группы, м;

– текущее значение угла между осями звеньев ОА и АВ, град;

202

Kt=t/tн при t=tн ; Kt=1 при t>tн ;

tн – время нарастания расхода рабочей жидкости от 0 до номинального значения Qн;

aу – коэффициент утечек, м3(с. Па);

d – диаметр поршня гидроцилиндра подъёма стрелы, м; P – давление рабочей жидкости, Па.

При t = 1,52 с ( = 0) во втором уравнении системы (4.118) значение мас-

сы принято равным нулю (сброс груза) а движение стрелы без груза продолжается. Принят линейный закон нарастания подачи рабочей жидкости в период переходного процесса (t tn). Номинальная подача рабочей жидкости Qn

=1,33 103м3/с. Задача решена методом Эйлера с шагом t=0,0005с. Рассеянием энергии при деформации системы пренебрегаем. При сбросе груза (рис. 4.27а) возникают колебания давления в поршневой полости ГЦ подъема стрелы с час-

тотой приблизительно равной 6Гц, амплитудой 7,5 8,5 МПа и средним значе-

нием 7,5 8 МПа. Колебания начинают затухать при t = 3с. Колебательный ха-

рактер имеют также скорость движения штока ГЦ (рис. 4.24б), угловая скорость (рис. 4.27в) и угловое ускорение стрелы (рис. 4.27г).

Эти колебания необходимо учитывать при расчетах усталостной прочности конструкций манипуляторов, так как за время одного цикла возникают десятки колебаний. Для приближенных расчетов крановых конструкций принимается, что при мгновенной разгрузке к конструкции приложена направленная вверх сила, равная 25% от веса груза [48].

203

б) скорость движения штока гидроцилиндра; в) угловая скорость подъема стрелы; г) угловое ускорение стрелы

Так как манипулятор не имеет, как правило, противовеса, то расчет на ус-

тойчивость при мгновенном снятии нагрузки можно не проводить.

Необходимо отметить, что понятие «мгновенное снятие нагрузки», строго говоря, не соответствует механизму процесса, т.к. проходит некоторое время

(1,0 2,0 с) от воздействия оператора на рычаг гидрораспределителя до полного раскрытия грейфера и освобождение пачки сортимента.

204

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследова-

ний установлено следующее:

коэффициент динамичности зависит от характеристики аппарата управления гидросистемой, податливости рабочей жидкости элементов гидро-

привода и звеньев манипулятора, скорости движения штока ГЦ, режима работы манипулятора и опыта оператора;

коэффициент динамичности для различных звеньев манипулятора,

атакже различных сечений одних и тех же звеньев имеет разные значения;

коэффициент динамичности зависит от вида подвеса рабочего ор-

гана (гибкой, жесткой, шарнирной);

рекомендуемые значения коэффициента динамичности для всех ис-

следованных гидроманипуляторов, работающих в режиме погрузки-разгрузки,

составляет: для удлинителя =1,1 1,3; рукояти 1,2 1,4; стрелы 1,3 1,7; колон-

ны 1,5 2,0. Большие значения коэффициента динамичности относятся к мани-

пуляторам, устанавливаемым на жестком основании (стационарно) и с боль-

шими скоростями движения штока ГЦ подъема стрелы. Несмотря на отсутствие в большинстве манипуляторов гибкой подвески (каната) коэффициент дина-

мичности гидроманипуляторов ниже, чем у грузоподъемных кранов с механи-

ческим приводом в силу большой податливости рабочей жидкости.

205

4.5. Исследование динамической нагруженности гидроманипулятора от раскачивания груза

вплоскости подъема стрелы

Вгидроманипуляторах с шарнирной подвеской грузозахватного органа, в отличие от грузоподъемных кранов и кранов-манипуляторов с гибкой подвеской органа, при работе механизма подъема возникают инерционные силы, раскачивающие груз в плоскости подъема, обусловленные перемещением груза при подъеме по некоторой кривой. Исследование нагрузок от раскачивания груза является важной задачей, так как это приводит к возникновению колебаний давления в гидросистеме и напряжений в металлоконструкции, что в свою очередь может привести к снижению ресурса гидроманипулятора в целом вследствие значительного количества изменений напряжений за время одного рабочего цикла. Разработка методов борьбы с раскачиванием груза также актуальна, так как при больших углах подъема стреловой группы раскачивающийся груз может соударяться с удлинителем или рукоятью и вызвать их повреждение. Кроме того, раскачивание груза снижает производительность, так как время цикла увеличивается на время успокоения раскачивающегося груза.

Воспользуемся теоремой об изменении количества движения и составим дифференциальное уравнение вращения груза вокруг оси подвеса при остановке поднимающейся стрелы (рис. 4.28)

206

Рис.4.28. К определению динамических нагрузок от раскачивания груза в плоскости подъема стрелы

где J O1 – момент инерции груза с грузозахватным органом относительно оси подвески, кг м2;1 – угол отклонения груза от вертикали при раскачивании, град;

m – масса груза с грузозахватным органом и ротатором, кг;

О1С1 ln – расстояние от центра масс груза с грузозахватным органом до оси подвески, м.

При малых значениях угла раскачивания груза, принимая 1 sin 1 , получим:

где k 2 mgln J O1

Принимая груз с грузозахватным органом за материальную точку, имеем

J O1 m ln2 .

207

Тогда k 2 g . ln

С учетом того, что в начальный момент при t=0, 1=0, 1 10 , т.е. грузу была сообщена посредством толчка от сил инерции при торможении начальная угловая скорость 10 , то решение уравнения (4.120) примет вид:

ln

где C – угловая скорость стреловойгруппывмоментначалаторможения, с-1;C – угол подъема стреловой группы в момент остановки, град;

l1 – расстояние от корневого шарнира до центра масс груза с грузозахватным органом, м;

Из треугольника ОО1С1 имеем:

l1 l 2 ln2 2l ln sin C , (4.124)

где OO1=l – длина стреловой группы, м.

Максимальное значение угла отклонения груза с учетом центробежных сил можно определить, составив уравнение моментов сил относительно оси О1;

где – угловое ускорение при торможении поднимающейся стреловой группы, с-

2

C ; tT

208

где tT – время торможения поднимающейся стрелы с грузом, с. Более точное значение начальной угловой скорости:

10 1max k .

Значение угловой скорости C в момент начала торможения можно определить из уравнений движения стреловой группы и расхода рабочей жидкости:

Давление в поршневой полости гидроцилиндра подъема стрелы можно определить, приняв в первом уравнении системы (4.115) QH=0, переписав второе уравнение в виде:

(JC ml2 ) mgl cos( ) ln sin 1 mC glC cos( ) d42 Pbsin

ирешив полученную систему совместно с уравнением (4.121).

4.6.Выводы

1.Эффективность операции совмещения подъема стрелы и вращения рукояти зависит от времени цикла движения стрелы и рукояти. Совмещение особенно эффективно при Тц<11 секунд.

2.При заданном времени цикла динамические составляющие усилий гидроцилиндров подъема стрелы и вращения рукояти при совмещении движений уменьшаются в 3-8 раз.

3.При установке одного насоса и делителя расхода (для совмещения операций) максимальные значения усилий гидроцилиндров снижаются в 1,1-2,0 раза для различных манипуляторов, а динамические составляющие усилий гидроцилиндров снижаются до 4-х раз.

209

4.Наиболее эффективной схемой совмещения операций является двухконтурная гидросистема с 2-мя насосами. В зависимости от выбранной схемы усилия гидроцилиндров снижаются до 70%, или время цикла сокращается в 1,5- 2 раза.

5.После завершения переходного процесса скорости движения штоков гидроцилиндров не изменяются, что подтверждает корректность принятого ранее допущения о постоянстве скорости штоков при установившемся режиме работы гидропривода.

6.После завершения переходного процесса изменение коэффициента податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода не влияет на характер изменения давления в гидроцилиндрах.

7.Значительное увеличение коэффициента податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода приводит к увеличению участков нестабильности давления рабочей жидкости в гидроцилиндрах подъема стрелы и привода рукояти.

8.Влияние податливости элементов гидропривода на динамическую нагруженность манипулятора в переходных режимах зависит от степени заполнения гидроцилиндров рабочей жидкостью в начале процесса движения.

9.При установившемся движении штоков гидроцилиндров динамическую нагруженность манипулятора при совмещении движений можно определять без учета податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода.

10.При совмещении движений подъема стрелы и поворота колонны время цикла сокращается на 20-25 %, максимальное значение усилия гидроцилиндра поворота в переходном режиме уменьшается в 1,8 раза, а усилие гидроцилиндра подъема стрелы уменьшается в 1,1-1,2 раза.

11.Рекомендуемые значения коэффициента динамичности для всех исследованных гидроманипуляторов, работающих в режиме погрузки-разгрузки,

составляет: для удлинителя =1,1 1,3; рукояти =1,2 1,4; стрелы =1,3 1,7; колонны =1,5 2,0. Большие значения коэффициентов динамичности относятся к манипуляторам, установленным на жестком основании.

210

5.Механико-технологические основы совершенствования конструкции гидроманипулятора

5.1. Совершенствование шарнирных узлов гидравлических манипуляторов

Причиной отказов шарнирных соединений манипуляторов является износ, который зависит от множества факторов: нагрузки, скорости относительных перемещений, материала трущейся пары, состояния поверхности, температуры, т.е. износ является случайным процессом [14]. С другой стороны, износ пропорционален времени. Аналитически процесс износа можно записать в виде

[14]:

U (t) U0 Vut ,

где U(t) – случайное значение износа в момент времени t; U0 – случайное начальное значение размера;

Vu – случайная величина скорости изнашивания.

Увеличение зазоров в шарнирах из-за износа элементов трущейся пары приводит к большим динамическим нагрузкам и ударам, особенно при изменении направления действия нагрузки.

Ресурс может быть определен по формуле [14]:

T Uпр ,

2mVu

где Uпр – значение предельного износа;

mVu – математическое ожидание скорости изнашивания.

Традиционно в шарнирных сочленениях звеньев манипуляторов, как и в шарнирных узлах грузоподъемных кранов, устанавливаются стальные втулки и