Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование Бартенев

21

9,10,11 обеспечивают неограниченный угол поворота манипулятора, но габариты, масса ОПУ возрастают, а также усложняется система подвода рабочей жидкости к манипулятору.

При расчетах механизма поворота манипулятора большое значение имеют инерционные силы, возникающие в пуско-тормозных режимах ввиду больших значений моментов инерции манипулятора с грузом во вращательном движении.

Учет всех факторов, в том числе податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода, при динамических расчетах манипулятора, позволяет разработать наиболее приближенную к реальной конструкции математическую модель механизма поворота, получить теоретические зависимости давления рабочей жидкости в гидроцилиндрах поворота манипулятора.

Вопросам защиты гидросистемы от забросов давления при пускотормозных режимах посвящены работы [35, 131]. Наиболее распространенным способом защиты является установка предохранительных клапанов [35]. Превышение давления над номинальным заставляет клапан сработать и сбросить какой-то объем жидкости в сливную магистраль, в результате чего давление в напорной магистрали падает.

Эффективно снижают динамические нагрузки демпфирующие устройства, встраиваемые в гидроцилиндрах поворота. Однако, они срабатывают только в конечных положениях механизма поворота. Проблематичной остается снижение динамических нагрузок при остановке механизма поворота в промежуточных положениях путем прекращения подачи и слива рабочей жидкости.

Оригинальное устройство, предложенное авторами П.И. Попиковым и А.П. Нестеровым [131], позволяет решить проблему демпфирования в промежуточных положениях механизма поворота. Идея демпфирования заброса давления заключается в перепуске определенного объема жидкости из полости гидроцилиндра с нарастающим давлением в полость с падающим давлением.

23

сти вала , перепада давления на ротаторе ( р), к.п.д. насоса ( н), к.п.д. соединительных магистралей и мощности насоса (Nн):

b p(D2 d 2 ) .

8N м н

Из приведенной формулы видно, что к.п.д. напрямую зависит от внутренних перетечек ротатора ( р) и, следовательно, к точности изготовления деталей предъявляются повышенные требования.

В работе [99] показана эффективность торможения разворачиваемого грейфера с лесоматериалами методом противодавления рабочей жидкости в неполноповоротном лопастном ротаторе. Известен графический метод определения основных динамических характеристик неполноповоротного лопастного ротатора [97]. В результате решения системы дифференциальных уравнений определены угловая скорость и угловое ускорение вала неполноповоротного лопастного ротатора в процессе разворота грейфера с лесоматериалами [96].

Реечные ротаторы имеют высокую себестоимость, нетехнологичны и не нашли распространения ввиду низкой эксплуатационной надежности.

Ротатор с высокомоментным гидромотором имеет высокую себестоимость, большую массу, низкую эксплуатационную надежность.

Ротатор с гидромотором и редуктором отличается конструктивной сложностью, большой массой и себестоимостью.

Многолопастные ротаторы отличаются малой массой, высокой надежностью и являются наиболее перспективными. Однако, предъявляют высоки требования к точности изготовления. В настоящее время лопастные ротаторы используются в составе большинства манипуляторов применяемых для погрузки леса.

Повышение надежности и расширение зоны работы ротатора (примерно вдвое) достигается при применении винтового ротатора. Однако, данных в на- учно-технической литературе по обоснованию конструкции, параметров и режима работы винтового ротатора крайне недостаточно. Это не позволяет кон-

24

структорам разрабатывать высокоэффективные манипуляторы для целей лесного комплекса.

1.3. Современный технический уровень погрузочно-разгрузочных манипуляторов

При оценке технического уровня манипулятора в заданном типоразмерном ряду, определяемом грузовым моментом, основными оцениваемыми параметрами являются: масса, вылет рабочего органа и показатели надежности [118].

Масса манипулятора и соответственно масса лесозаготовительной или лесохозяйственной машины манипуляторного типа, определяет удельное давление на грунт. Увеличение вылета, при прочих равных условиях, способствует большему сохранению плодородного слоя почвы, а также большему сохранению подроста. При этом для осуществления прогрессивных и экологических технологий необходимы специальные колесные тракторы, оборудованные гидроманипуляторами с вылетом 8м и более (харвестеры, форвардеры). Причем, ставка на сельскохозяйственные тракторы К-703М, T-l50K, ЛТЗ-155 и другие является неперспективной [29, 30].

Грузовой момент и максимальный вылет определяются, как указывалось выше, технологическими и экологическими требованиями. А такой показатель, как масса, при равных значениях грузового момента и вылета, зависит от конструктивного совершенства манипулятора, гидрооборудования и качества применяемых материалов.

Важнейшими показателями технического уровня являются показатели надежности. Гидроманипулятор – это сложная гидромеханическая система, надежность которой определяется надежностью отдельных узлов и деталей. При работе гидроманипуляторы испытывают внешние воздействия: объективные (силовые, температурные, климатические и т.д.) и субъективные, определяемые деятельностью эксплуатационного персонала. Субъективные воздействия по-

25

рой оказывают большее влияние на работоспособность манипулятора, чем объективные. Показатели надежности, предусмотренные ТУ, должны подтверждаться при испытаниях: стендовых ресурсных и в условиях эксплуатации. Определение показателей надежности гидроманипулятора и его отдельных узлов в условиях эксплуатации – процесс длительный (5−6 лет). За это время в эксплуатацию могут поступить манипуляторы с серьезными конструктивными недостатками. Следовательно, предпочтение следует отдать следующей схеме испытаний: определение показателей надежности при стендовых испытаниях и их подтверждение в условиях эксплуатации. Налаженная система испытаний: приемочных, квалификационных, периодических, сертификационных и типовых обеспечивает производство манипуляторов с гарантированными показателями надежности.

Высокий технический уровень обеспечивается внедрением методов оптимального проектирования, передовых технологических процессов, системы управления качеством продукции, в том числе:

а) повышение надежности металлоконструкции манипулятора за счет:

-совершенствования методов расчета, обеспечивающих их качество и предполагающих высокую достоверность определения действующих нагрузок,

втом числе с учетом податливости рабочей жидкости, элементов гидропривода

извеньев манипулятора; определения для каждого звена расчетной схемы (взаимное положение звеньев, при котором в конструкциях возникают наибольшие напряжения); внедрение методов расчета по предельному состоянию с учетом срока службы;

-правильного выбора материалов, в том числе сварочных, для изготовления несущих сварных стальных конструкций манипулятора с учетом условий работы, в том числе природно-климатических;

-совершенствования технологических процессов с целью обеспечения высокого качества сварных соединений;

-совершенствования методов испытаний, в том числе экспериментальное

26

определение действующих напряжений и сравнение их с расчетными значениями;

-совершенствования методов контроля сварных швов, внедрение методов неразрушающего контроля;

б) совершенствование компоновочно-кинематической схемы за счет:

-оптимизации кинематических параметров механизмов с учетом инерционных сил;

-выбора наиболее простых кинематических схем механизмов привода стрелы и рукояти, отвечающих условию постоянства нагрузок на механизмы при заданном значении грузового момента;

-выбора параметров, обеспечивающих наименьшие значения динамических нагрузок и постоянства давления в гидроцилиндрах;

-учета податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода при определении параметров механизмов;

-выбора параметров механизмов привода стрелы и рукояти, обеспечивающих перемещение груза массой, соответствующей номинальному значению грузового момента и текущему значению вылета во всей зоне, описываемой кинематической схемой манипулятора;

в) совершенствование гидравлической схемы с целью снижения динамических нагрузок за счет:

-применения гидрораспределителей с пропорциональным управлением, позволяющих совмещать движение звеньев;

-применения регулируемого насоса, имеющего обратную связь с гидрораспределителем, обеспечивающего подачу рабочей жидкости в зависимости от положения золотника (золотников) распределителя;

-применения 2-х контурной гидросистемы с 2-мя насосами или 2-х поточным насосом для обеспечения совмещения движений звеньев манипулятора;

27

-применения на механизме подъема стрелы тормозных клапанов в сочетании с дросселем, а также применения гидрораспределителей, гасящих колебания давления при торможении опускающегося груза;

-применения системы с программным управлением, обеспечивающей перемещение груза по заданной траектории, в том числе с минимальными затратами энергии;

г) повышение надежности отдельных узлов манипулятора, лимитирующих его ресурс за счет:

-применения ротатора и рабочего органа более совершенной конструкции;

-применения более совершенных антифрикционных материалов в узлах

трения;

-применения новых конструкций уплотнений в гидроцилиндрах и современных материалов для них.

Если сравнить некоторые перспективные отечественные манипуляторы с зарубежными аналогами (табл.1.2), то можно сделать вывод, что технический уровень отечественных манипуляторов по ряду параметров достаточно близок

куровню зарубежных. Но по среднему ресурсу значительно уступают лучшим зарубежным аналогам.

Отечественная наука накопила достаточно большой материал по разработке манипуляторов, на технический уровень которых значительно влияет выбор оптимальной кинематической схемы, совершенство методов расчета металлоконструкций, технология производства, выбор комплектующих изделий. Вопросам оптимального проектирования манипуляторов посвящены работы известных отечественных ученых В.А. Александрова, В.Н. Андреева, К.Н. Баринова, Ю.Ю. Герасимова, С.П. Дорохова, Г.В. Каршева, С.М. Кошуба, П.М. Ма-

зуркина. и других [10, 8, 18, 17, 24, 23, 22, 70, 65, 88, 87, 84, 86, 85, 93, 94, 107, 105, 108, 109, 106, 135, 120, 143, 151, 160, 161, 162 и др.].

28

Таблица 1.2

Сравнительная характеристика некоторых отечественных манипуляторов

Тем не менее, еще недостаточно изучены режимы работы манипуляторов, нагрузочная характеристика на отдельные элементы конструкции и ее изменение в динамике, проблемы повышения надежности и снижения металлоемкости. Конструктор не имеет полного научно-обоснованного материала для проектирования манипуляторов, соответствующих по своему техническому уровню мировому.

1.4.Динамическая нагруженность манипуляторов лесозаготовительных и лесохозяйственных машин в различных режимах

Динамические силы, действующие на манипулятор в переходных режимах, достаточно глубоко изучены В.А. Александровым [3, 7, 2, 4, 10, 8, 9, 5, 6], В.Н. Андреевым, Ю.Ю. Герасимовым [17], К.Н. Бариновым [24], И.М. Бартеневым, З.К. Емтылем [28, 26, 75, 63 ] и другими. В работе [24] обосновано, что с достаточной для инженерных расчетов точностью при расчете упругой системы, лесосечная машина – предмет труда, можно принять упрощенную трех – или двухмассовую дискретную систему; при выборе расчетной системы можно пренебречь влиянием упругих и демпфирующих свойств грунта и кроны паке-

29

тируемого с грунта дерева, массой неподрессоренной передней части трактора, демпфированием подвески автомобиля и массой гусениц при определении момента инерции подрессоренных масс. В работе составлены и решены дифференциальные уравнения движения масс упругой системы; определены динамические нагрузки в упругих связях трелевочного трактора при разгоне и торможении дерева стрелой в случаях: разгон «с веса», подъем «с подхватом». В целом работа посвящена определению динамических нагрузок, возникающих в результате пуска (торможения) элементов манипулятора с грузом, быстрого изменения нагрузки в рабочем органе вследствие освобождения его от пакетируемого дерева и по другим причинам.

Значительный вклад в исследование переходных режимов работы был сделан Александровым В.А., который на основании анализа расчетных схем и случаев нагружения машины манипуляторного типа сделал вывод о невозможности однозначного переноса расчетных методов, используемых в смежных отраслях машиноведения, в практику проектирования лесных машин.

Вработе [8] рассмотрены методы моделирования взаимодействия лесных машин с предметом труда и внешней средой; составлены дифференциальные уравнения движения гибкой системы с заменой распределенных элементов лесосечных машин, предмета труда сосредоточенными (дискретными) массами, соединенными между собой упругими связями; при определении динамической нагруженности масса стрелы и рукояти приводятся к точке подвеса захвата; учитывается жесткость элементов гидропривода, приведенная изгибная жесткость стрелы, рукояти и дерева, приведенная жесткость подвеса базы; рассматривается динамическая нагруженность лесосечной машины в режиме подъема (опускания) дерева стрелой, подтаскивания рукоятью и подъема (опускания) уложенного на рукояти дерева стрелой; приведены методы моделирования ва- лочно-трелевочных, валочно-пакетирующих и рубительных машин.

Вработе [108] исследован процесс взаимодействия валочно-трелевочной машины с манипулятором с предметом труда – деревом, разработаны аналити-

30

ческие зависимости и методика расчета и выбора основных параметров конструкции базы и технологического оборудования; выявлены зависимости динамических нагрузок от положения точки удара, объема пачки. Рассмотрена динамика в переходных режимах.

Предложена континуальная расчетная схема упругой системы, в которой конструкция манипулятора и груза (дерева, хлыста, доски) схематизируется балочной моделью с переменными по длине массово-жесткостными характеристиками и сосредоточенными включениями [92, 91, 90]. Этот метод позволяет более точно учитывать динамику элементов и машины в целом. Особенно это важно в период переходного процесса, т.е. для определения коэффициента динамичности. Метод слишком сложен для использования в инженерных расчетах.

Одним из отличительных особенностей режимов нагружения манипуляторного технологического оборудования лесных машин является высокая динамическая нагруженность, обусловленная в первую очередь предметом труда в условиях лесосеки и под пологом леса. Динамические нагрузки, возникающие при работе лесозаготовительных машин манипуляторного типа, зависят также от характеристик аппаратов управления гидравлической системой [3].

Выведен коэффициент динамичности при работе лесосечной машины в режиме разгона «с веса» и режиме отрыва груза от основания. Установлена зависимость коэффициента динамичности от жесткости металлоконструкций манипулятора [5,6].

В работе [49] рассматривается дискретная расчетная схема упругой системы. Разработана 4-х массовая расчетная схема и математическая модель колебаний трактора с телескопическим манипулятором при опускании (подъеме) хлыста, позволяющие оценить динамику и параметры манипулятора. Также рассмотрена динамика переходного процесса.

В работе Л.М. Тарко [159] при изучении переходных процессов в гидравлических механизмах учитываются: нагрузка исполнительного механизма,