Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование Бартенев

где К(р) – коэффициент податливости упругих элементов гидропривода; qн – рабочий объём насоса, м3/об;

qм – рабочий объём гидромотора, м3/об;н – угловая скорость вращения насоса, с-1;

– угловая скорость вращения вала гидромотора, с-1; аy – коэффициент утечек.

При моделировании динамических процессов в рассматриваемом гидроприводе уравнения (8.60) и (8.61) рассматриваются совместно как система, то есть

Система (8.62) представляет собой систему дифференциальных уравнений первого порядка, которая математически описывает динамические процессы в рассматриваемом гидроприводе. Решив эту систему, получим уравнение, характеризующее изменение давления в напорной гидромагистрали как функции времени. Аналогично данная система уравнений решается и относительно угловой скорости:

382

Первое слагаемое в этом уравнении характеризует изменение давления во время разгона ротора кустореза. В момент разгона ротора наблюдается всплеск давления от гидравлического удара и последующая стабилизация. Второе слагаемое представляет собой скачок давления при срезании поросли силой Fдин.

Таким образом, в момент разгона и в момент резания будет происходить аналогичный всплеск давления, но разного масштаба. Для вычисления этого масштаба необходимо найти максимальное давление при разгоне и разделить его на давление при срезании (второе слагаемое). После чего в момент срезания поросли разного диаметра силой Fдин скачок давления, а значит и масштаб, уменьшающий всплеск при разгоне, будут разными для каждого случая (рис. 8.51). В результате получаем корректное изменение давления во время резания.

Рис. 8.51. Исследование динамики гидропривода кустореза с гибкими инерционно-рубящими рабочими органами

383

Из рис. 8.51 видно, что при изменении силы резания Fдин =1.4…25.2 кН, величина которой зависит от диаметра срезаемой поросли и типа гибкого рабочего органа, также линейно возрастают всплески давления и время затрачиваемое на срез. При изменении параметров гидропривода таких как ay, Jm, qн,м, Кр,п, 0 характер кривой изменение давления в гидроприводе при разгоне, холостом и рабочем режимах также будет изменяться.

Таким образом, теоретически обоснованы динамические процессы, происходящие в гидроприводе кустореза, с учётом параметров гидропривода и силы, необходимой для перерезания поросли гибкими инерционно-рубящими рабочими органами.

8.4.Выводы

1.Разработанная имитационная компьютерная модель функционирования фрезерной машины с вращением фрезы от гидромотора воспроизводит основные физические процессы, происходящие в механической и гидравлической подсистемах машины, процессы взаимодействия ножей с древесиной и постепенное измельчение пня. По заданным параметрам фрезерного рабочего органа

иусловиям ее эксплуатации модель позволяет определить временные зависимости основных динамических характеристик (момента сопротивления фрезерования, угловой скорости, давления на гидромоторе), максимальную силу, возникающую на ножах, а также общие энергетические затраты на фрезерования пня.

2.На эффективность фрезерования наибольшее влияние оказывают кинематические параметры (скорость подачи фрезерного рабочего органа, объем гидромотора, скорость вращения фрезы) и геометрические параметры ножей (задний угол и угол заострения ножа). Скорости подачи фрезы целесообразно использовать не более 0,025м/с (для дубового пня диаметром 0,4 м).

3.Винтообразная схема расположения ножей на фрезе серийной машины МУП-4 может служить причиной поломок фрезерного рабочего органа при

384

удалении высоких пней из-за того, что ведущий нож винтовой линии испытывает значительно большие (примерно в два раза) нагрузки, чем остальные ножи. Предложены две новые схемы расположения ножей, повышающие устойчивость фрезы к поломкам за счет более равномерного распределения нагрузок по ножам. Двухзаходная и синусоидальная схемы снижают максимальную силу на ноже на 40 % и 30 % соответственно, что исключает необходимость увеличения прочностных параметров действующих манипуляторов.

4.Машина манипуляторного типа для удаления пней эффективна для пней различных диаметров (от 0,1 до 0,6 м), причем диаметр пня будет влиять на энергетические затраты больше, чем на максимальную силу на комплексе. При обработке различных типов древесины динамические и энергетические характеристики процесса могут изменяться на 20 … 30 %. С увеличением длины щепы возрастает сила, необходимая на ее отделение и, соответственно, максимальная сила на комплексе ножей рабочего органа, что необходимо учитывать при выборе параметров комплекса.

5.Оптимальные сочетания скорости подачи фрезы и объема гидромотора

находится в интервалах параметров: от 0,01 до 0,025 м/с для vпод и от 192 до 256 см3/об для qм. Оптимальные сочетания заднего угла и угла заострения скалы-

вающего ножа находятся в интервалах углов αск = 35О 40О, βск = 40О 45О.

6.Разработанная новая конструктивно-технологическая схема машины манипуляторного типа для обрезки крон зеленых насаждений со сменными рабочими органами с гидроприводом формирует кроны в пределах вылеты стрелы манипулятора.

7.На основании полученных уравнений описывающих изменение давление в гидроприводе пилы и гибкого рабочего органа соответственно, можно установить проектные параметры рабочего органа и его гидропривода, а также обосновать технологические режимы при обрезке крон деревьев и кустарников.

При частоте вращения дисковой пилы 600 1000 мин-1 давление рабочей жидкости достигает максимального значения за 0,5 0,6 с, частота колебаний 0,5 Гц, коэффициент неравномерности 0,37.

385

Заключение

Изложенные в монографии материалы, в первую очередь, касаются методов повышения производительности, надёжности и снижения материалоёмкости гидравлических манипуляторов лесозаготовительных и лесохозяйственных машин на основе совершенствования их киематики, динамики и конструкции. Разработанные методы расчета учитывают инерционные силы, возникающие в следствие неравномерного вращения стрелы манипулятора, а также при торможении опускающегося груза и повороте стрелы с находящимся на конце её технологического оборудования в процессе подвода к объекту воздействия.

Оснащение гидросистемы манипуляторов демпфером новой конструкции приводит к существенному снижению пиковых давлений, возникающих при резком закрытии золотника. Демпфер гасит пиковые давления не только в конечных, но и промежуточных позициях.

Существенным вкладом в теорию гидравлических систем манипулятора является исследование влияния податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода механизмов гидроманипулятора. Сжимаемость рабочей жидкости также, ак и податливость элементов гидропривода оказывает положительное влияние на снижение пиков давлений в момент открытия – закрытия золотника гидрораспределителя. Поэтому их надо учитывать в переходных режимах при определении коэффициента динамичности.

Обоснованы параметры и целесообразность применения манипулятора с изменяемой кинематической схемой механизма подъёма стрелы (с переменным грузовым моментом), позволяющего уменьшить номенклатуру манипуляторов в 1,5 2раза, снизить удельную металлоёмкость на 20 25% и повысить производительность на погрузочно-разгрузочных работах до 35%. Предложен типоразмерный ряд манипуляторов.

386

Большой интерес для конструкторов и эксплуатационников являются исследования по вопросу совмещения подъёма (опускания) стрелы и вращения рукояти, которое существенно увеличивает производительность гидроманипуляторов. Совмещение особенно эффективно при выполнении цикла менее 11с. При этом усилия гидроцилиндров подъёма стрелы и привода рукояти уменьшаются в 3 8раз.

При установке одного насоса и делителя расхода (для совмещения операций) максимальные значения усилий гидроцилиндров снижаются в 1,16 1,6 раза для различных манипуляторов, а время цикла сокращается в 1,5 1,6 раза. Наиболее эффективной схемой совмещения операция является 2-х контурная схема с 2-мя насосами. В этом варианте время цикла уменьшается в 1,7 1,8 раза, а максимальные значения усилий гидроцилиндра – на 15%.

Пиковые значения давлений при разгоне и торможении винтового ротатора зависят от диаметров отверстий в дросселях, наличия предохранительных устройств, характеристик рабочей жидкости, утечек в гидроцистеме, а также коэффициента податливости рабочей жидкости. Значение угла подъёма резьбы винтового ротатора, соответствующее минимальному полезному объёму и максимальной величине его коэффициента полезного действия зависит ещё от приведённого коэффициента трения и для пары сталь-бронза (f=0,124) составляет

25,1º.

Для увеличения производительности, уменьшения нагрева рабочей жидкости и обеспечения безопасности в магистрали поршневой полости гидроцилиндра подъёма стрелы вместо дросселя с обратным клапаном следует устанавливать тормозной клапан. Для снижения динамических нагрузок на механизмы манипулятора рекомендуется в магистралях гидроцилиндров поворота колонны и ротатора вместо дроссельных шайб устанавливать дроссели с обратным клапаном.

387

Оптимальный диаметр дросселирующих клапанов 3,5 4,5 мм. При меньшем диаметре демпфер оказывается практически запертым и не выполняет свою функцию. При большем диаметре плунжер перемещается с минимальным сопротивлением, т.е. и в этом случае демпфер не работает. Диаметры запираемых полостей демпфера должны быть различными, чтобы компенсировать вытеснение жидкости поршневой и штоковой полостями гидроцилиндра, вследствие разной площади их поперечного сечения. Соотношение диаметров поршневой и штоковой полостей должно быть равным 2,3.

Предложенное технологическое оборудование является только лишь частью того типа машин, в конструкции которых гидроманипуляторы являются средством доставки рабочих органов к объекту воздействия и органов управления ими. Научно и экспериментально обоснованные параметры рабочих органов для дробления пней, контурной обрезки ветвей, удаления поросли, их силовой режим и ряд других факторов позволяет повысить надёжность гидроманипуляторов.

388

Библиографический список

1.Александров В.А. Аналитическое и экспериментальное исследование подъема груза – дерева стрелой гидроманипулятора // Машины и орудия для механизации лесозаготовок: межвуз.сб. научн. тр. Л., 1972. №147.

2.Александров В.А. Аналитическое и экспериметальне исследование процесса подтаскивания груза – дерева рукоятью гидроманипулятора // Машины и орудия для механизации лесозаготовок, межвуз.сб. научн. тр. Л., 1974. Вып.2.

3.Александров В.А. Динамические нагрузки в лесосечных машинах. Л.:

ЛГУ, 1984.

4.Александров В.А. Исследование динамики гидроманипулятора бесчокерного трактора типа ТБ-1: автореф. канд. дис. Л., 1971.

5.Александров В.А. Исследование нагруженности лесосечных машин в режиме разгона груза «с веса». //Лесной журнал. 1987. №6. С. 38–43.

6.Александров В.А. К оценке нагруженности лесосечных машин в режиме отрыва груза от основания //Лесной журнал. 1983. №6. С. 33–37.

7.Александров В.А. Моделирование взаимодействия лесных машин с предметом труда и внешней средой. Л.:Изд-во ЛТА, 1987.

8.Александров В.А. Моделирование технологических процессов лесных машин. М.:Экология, 1995.

9.Александров В.А. Построение программы движения роботаманипулятора лесосечной машины //Лесной журнал. 1987. №6. С. 38–43.

10.Александров В.А. Проектирование специальных лесных машин. Л., 1977. – 150 с.

11.Александров В. А., Шоль Н.Р. Конструирование и расчет машин и оборудования для лесосечных работ и нижних складов: учебник. Ухта: УГТУ, 2002.

389

12.Амалицкий, В. В. Деревообрабатывающие станки и инструменты: учебник. М.: ИРПО, 2002.

13.Амалицкий, В. В. Санев В.И. Оборудование и инструмент деревообрабатывающих предприятий: учебник. М., 1992.

14.Андреев В.Н. Надежность лесопромышленного оборудования. Л.: Изд-во ЛТА, 1995.

15.Андреев В.Н. Системный подход к проектированию лесных машин на основе марковских цепей // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии: сб. тр. СПб: Изд-во ЛТА, 1993. С. 172–182.

16.Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю. Влияние сварочного соединения на усталостную прочность металлоконструкции манипулятора лесозаготовительной машины // Лесной журнал. 1991. №2 С. 27–29.

17.Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю. Повышение качества и надёжности технологического оборудования лесных машин при проектировании. Т2. Петрозаводск: Изд-во Петрозаводского университета, 1996.

18.Андреев В.Н., Гусейнов Э.М. Выбор и обоснование критериев и показателей эффективности при оптимальном проектировании лесных машин // Машины и орудия для механизации лесозаготовок и лесного хозяйства: межвуз. сб. научн. тр. Л.: Изд-во ЛТА, 1981. С. 12–15.

19.Анспоккс Я.И. Повышение эффективности управления лесозаготовительными машинами для рубок ухода на этапе проектирования. автореф. дисс. к.т.н. Л.: Изд-во ЛТА, 1988.

20.Артамонов Ю.Г. Проектирование технологического оборудования манипуляторных лесных машин. Л.: Изд-во ЛТА, 1985.

21.Артоболевский И.М. Теория механизмов и машин. М.:Наука, 1988.

22.Баринов К.Н., Каршев Г.В. Оптимизация компоновки манипуляторов лесных машин по косвенному показателю металлоёмкости // Обоснование параметров машин и механизмов для лесозаготовок и лесного хозяйства: межвуз. сб. научн. тр. Л.: Изд-во ЛТА, 1990. С. 22–25.

390

23.Баринов К.Н., Каршев Г.В. Формализация критерия оптимальности гидропривода манипулятора при линейном законе управления // Обоснование параметров машин и механизмов для лесозаготовок и лесного хозяйства: межвуз. сб. научн. тр. Л.:Изд-во ЛТА, 1988. С. 92–95.

24.Баринов К.Н., Александров В.А. Проектирование лесопромышленного оборудования: учеб. пособие. Л.: Изд-во ЛГУ, 1988.

25.Баринов К.Н., Милютников В.Ю. Синтез согласующего устройства для манипуляторов трелёвочных и валочно-трелевочных машин // Лесной жур-

нал. 1985. №4. С. 33–35.

26.Бартенев И.М., Попиков П.И., Бухтояров Л.Д. Динамические характеристики гидропривода лесохохяйственных машин // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров, оборудования и систем управления лесного комплекса: межвуз. сб. научн. тр. ВГЛТА. Воро-

неж, 2001. – Вып. 6. С. 113–118.

27.Бартенев И.М. Емтыль З.К., Татаренко А.П. О необходимости учёта податливости рабочей жидкости и утечек в гидросистеме при проекировании манипуляторов // Вестник Центрально-Черноземного регионального отделения наук о лесе. Академия естественных наук. Воронеж. 1999. №2. С. 108–114.

28.Бартенев И.М., Емтыль З.К., П.И. Попиков. Исследование динамической нагруженности гидравлического манипулятора и обосновение целесообразности совмещения операций подъема стрелы и вращения рукояти // Труды ФОРА (Труды. Физического Общества Республики Адыгея). Майкоп. Изд-во АГУ, 1997. Вып.2. С. 96–114.

29.Бартенев И.М., Котляр Г.Л. Машины и механизмы для рубок ухода

//Лесное хозяйство. 1992. № 2–3. С. 22–23.

30.Бартенев И.М., Родин С.А. Экологизация технологий и машин лесного комплекса // ВНИИЛМ. Пушкино, 2001.

31.Бартенев И.М., Попиков П.И., Бухтояров Л.Д. К вопросу взаимодействия ротора кустореза с порослью // Технологии и оборудование деревооб-