Обоснование параметров механизма поворота гидроманипулятора сортиментовоза с энергосберегающим демпфирующим устройством

Долженко, Сергей Валерьевич

Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров механизма поворота гидроманипулятора сортиментовоза с энергосберегающим демпфирующим устройством

кандидата технических наук: Долженко, Сергей Валерьевич
город: Воронеж
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.21.01
цена: 450 рублей

Диссертация по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева на тему «Обоснование параметров механизма поворота гидроманипулятора сортиментовоза с энергосберегающим демпфирующим устройством»

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров механизма поворота гидроманипулятора сортиментовоза с энергосберегающим демпфирующим устройством"

На правах рукописи

Долженко Сергей Валерьевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА ГИДРОМАНИПУЛЯТОРА СОРТИМЕНТОВОЗА С ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИМ ДЕМПФИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

5 ДЕК 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005541752

Воронеж —2013

005541752

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Воронежская государственная лесотехническая академия" (ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»),

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Попиков Петр Иванович

Официальные оппоненты: Посметьев Валерий Иванович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Винокуров Василий Николаевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры искусственного лесо-выращивания и механизации лесохозяй-ственных работ ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса»

Ведущая организация: ФБУ ВНИИЛМ «Всероссийский научно-

исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства»

Защита диссертации состоится 20 декабря 2013 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.034.02 при ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (394097, г. Воронеж, ул. Тимирязева, д.8, аудитория 146).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия».

Автореферат разослан «19» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. Д. Платонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время в лесном комплексе широко применяются машинные технологии лесозаготовок, среди которых важное место занимает сортиментная технология, которая более полно отвечает современным экологическим требованиям при проведении рубок ухода за лесом. В связи с этим возникла необходимость в разработке и выпуске отечественных конструкций лесных гидроманипуляторов для сорти-ментовозов на базе колёсных тракторов и автомобилей. Но они пока уступают в конкурентоспособности зарубежным моделям.

Рабочие процессы лесных манипуляторов характеризуются большими динамическими нагрузками, особенно в пуско-тормозных режимах, а также раскачиванием захватных устройств при наведении на пачку сортиментов и укладке груза в заданное положение. Для ограничений предельных колебаний давления рабочей жидкости применяются предохранительные клапаны, дроссели, гидравлические демпферы. Общим недостатком этих устройств является то, что ограничение колебаний давления рабочей жидкости происходит за счет ее перетекания из одной полости в другую через дроссельные отверстия , при этом гидравлическая энергия превращается в тепловую, что приводит к перегреванию жидкости и потере энергии. Наиболее эффективными являются энергосберегающие гидропневматические демпфирующие устройства , которые способны рекуперировать энергию при тормозных режимах и возвращать часть энергии обратно в систему при обратном движении. Поэтому в эпоху энергетического кризиса исследования, касающиеся разработки гидропневматических демпфирующих устройств, позволяющих понизить уровень энергопотребления в процессе выполнения работ, являются актуальными и своевременными.

Диссертация выполнена в соответствии с государственной темой ГОУ ВПО "ВГЛТА" "Разработка ресурсосберегающих технологий и обоснование параметров машин для лесовосстановления и лесоразведения в лесостепной и степной зонах РФ" (№ гос. регистрации 01201168738).

Степень разработанности темы.

Исследованиям рабочих процессов лесозаготовительных машин манипу-ляторного типа посвящены работы В.А. Александрова, В.Н. Андреева, К.Н. Ба-ринова, Ю.Ю. Герасимова, И.М. Бартенева, М.В. Драпалюка, З.К. Емтыля, П.М. Мазуркина, В.Н. Винокурова, В.Ф. Полетайкина , В.И. Казакова, Ю.А. Ширнина, B.C. Сюнева, A.M. Цыпука П.И. Попикова и др. Вопросами исследования энергосберегающих рекуперативных систем приводов технологических машин занимались JI.A. Хмара, А.Т. Рыбак, В. И. Посметьев, В.Ф. Щербаков и др.

Из анализа исследований методов снижения динамической нагруженное™ энергоемкости и амплитуды раскачивания груза при работе лесных гидроманипуляторов следует, что прогрессивными являются энергосберегающие гидропневматические демпфирующие устройства привода механизма поворота колонны, однако их рабочие процессы и параметры исследованы в недостаточной степени, особенно, при пуско-тормозных режимах.

Цель и задачи работы. Целью работы является совершенствование рабочих процессов механизма поворота гидроманипулятора сортиментовоза путем обоснования параметров гидропневматического демпфирующего устройства.

В соответствии с целью работы предлагается решить следующие задачи:

1 Обосновать гидропневматическую схему механизма поворота манипулятора сортиментовоза с энергосберегающим демпфирующим устройством.

2 Разработать математическую модель рабочих процессов механизма поворота колонны с демпфирующим устройством для оценки энергоемкости, колебаний давления рабочей жидкости и амплитуды раскачивания груза при пуско-тормозных режимах.

3 Получить экспериментальные зависимости динамических характеристик рабочих процессов механизма поворота колонны манипулятора с демпфирующим устройством.

4 Обосновать и оптимизировать параметры гидропневматического демпфирующего устройства, разработать опытную конструкцию механизма поворота манипулятора и определить ожидаемый экономический эффект от его применения.

Методология и методы исследования. Выполненные исследования основываются на использовании методов теоретической механики, гидродинамики, математической статистики, включали математическое и имитационное моделирование рабочих процессов механизма поворота манипулятора. Решение математической модели производилось с применением численного интегрирования на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1 Математическая модель процесса поворота манипулятора, позволяющая учесть параметры нового гидропневматического демпфирующего устройства и оценить эффективность его работы.

2 Программы для ЭВМ и результаты компьютерного эксперимента, позволяющие исследовать влияние параметров гидропневматического демпфирующего устройства на динамические характеристики механизма поворота манипулятора.

3 Закономерности изменения динамических характеристик рабочих процессов механизма поворота колонны манипулятора, позволяющие оптимизировать параметры гидропневматического демпфирующего устройства.

4 Обоснованные параметры механизма поворота колонны манипулятора, оснащенного гидропневматическим демпфирующим устройством, позволяющим понизить динамическую нагруженность, энергоёмкость и амплитуду раскачивания груза.

Научная новизна:

кость и амплитуду раскачивания груза в пуско-тормозных режимах. Программа решения математической модели на ЭВМ зарегистрирована свидетельством № 2009611294.

2 Обоснованы параметры гидропневматического демпфирующего устройства привода колонны, отличающиеся рациональными значениями, рассчитанными по критериям уменьшения энергоемкости, динамической нагруженное™ и амплитуды раскачивания груза в рабочих режимах.

3 Выявлены закономерности изменения давления рабочей жидкости и амплитуды раскачивания груза, отличающиеся учетом параметров гидропневматического демпфирующего устройства.

4 Обоснована компоновка гидропневматического демпфирующего устройства привода колонны манипулятора, отличающаяся учетом динамических характеристик рабочих процессов манипулятора сортиментовоза.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана математическая модель рабочих процессов манипулятора сортиментовоза с учётом конструкции и параметров нового гидропневматического демпфирующего устройства. Разработанные рекомендации по выбору параметров гидропневматического демпфирующего устройства привода колонны используются в ООО «СТАЛЬ-СИНТЕЗ», проектной организации ЦОКБЛес-хозмаш, в учебно-опытном лесном предприятии ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» и в ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» при обучении магистров, специалистов и бакалавров лесотехнического профиля.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений обеспечивается использованием современных методов теоретических и экспериментальных исследований, хорошей сходимостью и положительными результатами лабораторных и полевых испытаниях.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на международной конференции «Анализ и синтез сложных систем в природе и технике» (2013г.), научно-практических конференциях сотрудников ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» (2007-2013 гг.), на техническом совете ЦОКБЛесхозмаш.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы освещены в 9 научных публикациях, в том числе 3 публикации в издании центральной печати, рекомендованного ВАК Минобрнауки России, 1 публикация без соавторов, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура диссертации. Общий объём работы содержит 172 страницы, из них 152 страницы основного текста и 20 страниц приложений. Работа содержит 7 таблиц, 72 иллюстрации, список литературы включает 124 источников, в том числе 8 иностранных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе представлен анализ исследований рабочих процессов лесозаготовительных машин манипуляторного типа, применяемых при рубках ухода за лесом, поставлены задачи исследований.

Исследованиям рабочих процессов лесозаготовительных машин манипуляторного типа посвящены работы В.А. Александрова, В.Н. Андреева, К.Н. Ба-

ринова, Ю.Ю. Герасимова, И.М.Бартенева, М.В. Драпалюка, З.К. Емтыля, П. М. Мазуркина, В.Н. Винокурова, В.Ф Полетайкина, В.И. Казакова, Ю.А. Шир-нина, B.C. Сюнева, А.М. Цыпука и др. Вопросами исследования энергосберегающих рекуперативных систем приводов строительных и дорожных машин занимались JI. А. Хмара, А.Т. Рыбак, В.И. Посметьев, В.Ф. Щербаков и др.

Из анализа исследований методов снижения динамической нагружен-ности и амлитуды раскачивания груза при работе лесозаготовительных гидроманипуляторов следует, что наиболее эффективными являются энергосберегающие гидропневматические демпфирующие устройства механизма поворота колонны, однако их рабочие процессы и параметры исследованы в недостаточной степени, особенно, при пуско-тормозных режимах.

Во втором разделе приводятся обоснование гидропневматической схемы механизма поворота колонны манипулятора и влияние гидропневматического демпфирующего устройства на динамику рабочих процессов.

Предлагается новый механизм поворота колонны манипулятора лесозаготовительной машины (рис. 1), содержащий поворотную колонну 1 с закрепленной на ней шестерней 2, зубчатую рейку 3, размещенную внутри гидроцилиндров 4, 5, отличающийся тем, что в крышках гидроцилиндров выполнены каналы, сообщающиеся с распределителем 6 гидросистемы базовой машины и с полостями гидромеханического демпфера 7 с возвратными пружинами плунжера, а механизм поворота снабжен дополнительными пневмо-цилиндрами 8, 9, включающими в себя поршни, установленные на штоках, выполненных в виде зубчатой рейки, находящейся в зацеплении с шестерней поворотной колонны (патенты на изобретение №2479481 и на полезную модель 125571). Пневмоцилиндры обеспечивают плавные остановки колонны в крайних положениях, при этом аккумулируют энергию торможения, а затем возвращают её обратно в систему, т.е. происходит процесс рекуперации. Гидромеханический демпфер гасит динамические нагрузки и раскачивание груза при остановках поворотной колонны в промежуточных положениях, причем пружины возвращают плунжер после каждого срабатывания в исходное положение. Таким образом, демпфирующее устройство, включающее дополнительные пневмоцилиндры и гидромеханический демпфер, является энергосберегающей гидропневматической системой.

Для обоснования и оптимизации параметров гидропневматического демпфирующего устройства механизма поворота колонны манипулятора разработана математическая модель его рабочих режимов. В модели учитываются три механических процесса, описанные дифференциальными уравнениями. Уравнение вращательного движения колонны манипулятора вокруг вертикальной оси включает: моменты от сил инерции,, сил развиваемых гидроцилиндрами, сил трения в подшипниках колонны, сил вязкого трения в гидроцилиндрах и пневмоцилиндрах поворота, сил от уклона местности, сил от ветровой нагрузки, возвращающих сил пневмоцилиндров. Уравнение поступательного движения плунжера вдоль оси гидромеханического демпфера включает силу инерции плунжера, силы, создаваемые давлением рабочей жидкости при перетекании из одной полости в другую, обозначенными буквами "Л" и "П", "Л1" и "П1", "Л2" и "П2" на рисунке 1 , силы сжатия возвратной пружины. Уравнение раскачивания груза включает векторное

уравнение движения центра тяжести груза и вращения бревна относительно центра тяжести в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

гидропневматическим демпфирующим устройством (патенты на изобретение №2479481 и на полезную модель №125571)

Общая система уравнений, описывающая работу механизма поворота манипулятора с гидропневматическим демпфирующим устройством, имеет следующий вид:

аГ> dr ¡

кАрл~ РП-La{-Fcx-smcp + FGr-coscp)-

dt 8 {{,Lr-xr) xrJJ

"fá-d'n), p ÍO, x„>ln

* Л1 . + *Л2 Сп"\, „/

dt тд{ 4 4 [1п-хд, хд<1п

ufo-di) l_ [0, La-xa-H>l

m 4 "2 4

1п~^д+Хд+Н, Ьд-хд — Н<1п

д dt

d г..

Fr.

dt~

dt1 mMl}EV Б dt )'

dt JGM

тмё;

(i)

Начальные условия:

,(0) = 0;

-- 0; ф(о) = 0;

v(0) = 90";^| =0;зс(0) = 0;^ dt /.о а'

<Ap Л"

= 0.

= 0; rM(0)= {2,4, 0,0, l,o} м;

= 0;

где Мтp - момент сил трения в подшипниках колонны; &тк - приведенный коэффициент вязкого трения в гидроцилиндрах и пневмоцилиндрах поворота; Му - момент сил от уклона местности; Мв - момент сил от ветровой нагрузки, кд - коэффициент вязкого трения ступенчатого плунжера гидромеханического демпфера при перемещении; Сп - жесткость внутренней пружины-упора; /п - свободная длина внутренней пружины-упора; тд -масса плунжера; хд - положение плунжера в демпфере; р - коэффициент расхода; Р0 - начальное давление воздуха в пневмоцилиндрах; , отношения (¿r —хг)/Ьг и *г/£г представляют относительную длину теплового контакта пневмоцилиндра с окружающей средой; Fox и Fa\ — декартовы составляющие силы, оказываемой на стрелу со стороны груза; ги -радиус-вектор точки М в декартовой системе координат XYZ\ См и dy¡- коэффициенты жесткости и вязкости вязкоупругого стержня, имитирующего устройство захвата; GM - вектор, исходящий из точки G (центра тяжести груза,) и оканчивающийся в точке М (шарнирное соединение захвата с рукоятью,); GM - расстояние между точками G и М\ g- вектор ускорения свободного падения; у и х - угловые отклонения стержня-бревна соответственно в горизонтальной плоскости относительно направления стрелы и в вертикальной плоскости относительно горизонтального положения; AfsQ) и Л#б(0 - моменты внешних сил, действующих на бревно; cfs кЛ - эффективные коэффициенты вязкого трения при вращении захвата с бревном в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Для воспроизведения в модели рабочих режимов механизма поворота манипулятора расчеты были организованы в виде компьютерного эксперимента. Он заключается последовательной комбинации следующих режимов: "поворот колонны влево" из начального положения на угол 30°; "остановка"

и выдержка в течение нескольких секунд; поворот колонны вправо до исходного углового положения; "остановка". Остановка поворота колонны сопровождается резким запиранием напорной и сливной гидромагистралей. При этом на графиках /д(0 и -Рп(0 появляются всплески давления, а на графиках раскачивания груза Л/т и А/г появляются пики, которые сменяются затухающими колебаниями. Изменяя конструктивные параметры демпфирующего устройства необходимо добиться сглаживания всплесков давления и уменьшения амплитуды колебания груза (рис. 2, 3, 4).

Рл, МПа

начало влево о о начало вправо останов

бе? дрмпфера

^—Пи

1 ; Г

; ! !

| ; с Демпфером

Р, МПа

правая полость

левая полость

10 15 20 25 30 35 с

10 15 20 25 30 35 I, с

а) б)

Рисунок 2 — Графики колебания давления рабочей жидкости в полостях гидроцилиндров (а) и сжатого воздуха в полостях пневмоцилиндров (б) в рабочих режимах механизма поворота манипулятора

20 25 30 35 г, с

Рисунок 3 - Колебания груза в тангенциальном направлении

Точечный груз Бревно, ¿ъ = 3 м Бревно, ¡Ц = 6 м

АШ м 0.06

0,04

0,02

0.00

' 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 /Гц Рисунок 4 - Амплитудно-частотные характеристики (спектры) колебаний груза

Как видно из рисунка 2 демпфирующее устройство снижает максимальное давление в гидросистеме на 39 % (с 33 до 20 МПа), что позволяет гарантировать надежную работу гидросистемы и использовать элементы гидропривода, рассчитанные на меньшие давления. Демпфирующее устройство также уменьшает максимальную амплитуду раскачивания груза в тан-

генциальном направлении на рисунке 3 примерно на 35 % (с 31 до 20 см). Раскачивание груза в радиальном направлении также уменьшается (приблизительно на 20 %), однако радиальное раскачивание при поворотном движении колонны незначительно по сравнению с тангенциальным направлением (амплитуда составляет лишь около 5 см). На рисунке 4 представлены амплитудно-частотные характеристики (спектры) колебаний груза с различной длиной сортиментов. Основная частота тангенциальных колебаний груза составляет около 0,3- 0,5 Гц, т.е. а другой пик колебаний находится в частотном интервале 0,0 - 0,3 Гц. Без демпфирующего устройства- основная частота колебаний 0,4 - 0,8 Гц . Таким образом, оснащение механизма поворота манипулятора демпфирующим устройством приводит к значительному уменьшению амплитуды колебаний груза: на 25 % на основной частоте колебаний (0,5 Гц) и на 50 % в области частоты колебаний (0,8-1,6 Гц). Получены, зависимости возвращающей силы /*}( пневматического цилиндра (рис. 5а) и накопленной энергии Еа от величины смещения рейки хг (а) (рис. 56).

а б Рисунок 5 - Зависимости возвращающей силы Fn пневматического цилиндра (а) и накопленной энергии Еа от величины смещения рейки хг (а)

При малых углах поворота колонны манипулятора от равновесного положения возвращающая сила (и соответственно момент) линейно зависит от угла поворота, обеспечивая линейную рекуперацию энергии. При значительных поворотах колонны в крайних положениях возвращающая сила резко возрастает, обеспечивая своеобразные "мягкие упоры, доля рекуперируемой энергии может составлять около 25 % от общей энергии, затрачиваемой на поворот колонны. Использование пневматических цилиндров повышает плавность поворота колонны и уменьшает всплески давления в гидросистеме при резкой смене режимов движения. Без пневмоцилиндров всплеск давления рабочей жидкости составляет около 70 % от номинального давления, а с пневмоцилиндрами — всего 15 %.

Для удобства анализа результатов оптимизации параметров механизма поворота манипулятора с гидропневматическим демпфирующим устройством факторы были сгруппированы попарно. Соответственно были решены две следующие задачи оптимизации:

\Pm{K,d,7)->min; (2) {Pm{c„,la)-+ min; (3)

\AT(K,dn)^> min; |Д(слЛ)-> min.

В процессе оптимизации параметров демпфирующего устройства факторы варьировали на восьми уровнях: коэффициент размера демпфера К от 0,70 до 3,00 с шагом 0,29; dn от 10,00 до 60,00 мм с шагом 6,25 мм; сп от 0,00 до 2,00 МН/м с шагом 0,25 МН/м; /п от 0,00 до 10,00 мм с шагом 1,25 мм.

Для каждой из задач оптимизации (2) и (3) провели по 64 компьютерных эксперимента (8 х 8 = 64), получили изображения поверхностей отклика к параметрам демпфирующего устройства (рис. 6).

При наложении благоприятных областей в факторном пространстве получаем в результате пересечения оптимальную область. Основываясь на конфигурации последней можно рекомендовать следующие оптимальные диапазоны геометрических параметров демпфера; А' от 1,7 до 2,2; dn от 20 до 26 мм, сп от 0,5 до 1,5 МН/м; /п от 30 до 80 мм.

Рисунок 6- Поверхности отклика к оптимизации параметров демпфирующего устройства: коэффициента размера К и диаметра запираемых полостей с/п (я, б); жесткости Сп и свободной длины внутренней пружины-упора /п (в, г)

В третьем разделе представлены программа и методика лабораторных и полевых исследований, а также применяемое оборудование и контрольно-измерительная аппаратура. Для лабораторных исследований разработан стендовый манипулятор (рис. 7), который состоит из стрелы 1 с удлинителем к шарниру подвешен груз 2, поворотной колонны 3, механизма поворота 4, насосной станции 5, гидрораспределителя б (5-ти секционный Badestnost 5408). В трубопроводы гидропривода механизма поворота колонны подключены датчики 7 давления рабочей жидкости фирмы Honeywell MLH300PSB02A. Датчики давления подключены через устройства обработки данных осциллографы 8 серии АКИП-4106...4109 к ноутбуку 9 с программным обеспечением. На раме манипулятора закреплена шкала 10 для замера колебаний груза.

Рисунок 7 - Общий вид лабораторного стенда с контрольно- туды всплеска дав-измерительной аппаратурой ления Рт в гидросис-

теме (рис. 8а) и амплитуды раскачивания груза в тангенциальном направлении Аг (рис. 86) от диаметра дросселирующих каналов с!к. На этом рисунке точками и сплошной линией отмечены результаты эксперимента, штриховой линией - результаты моделирования, что свидетельствует о хорошей их сходимости. Установлено, что при диаметре перепускного канала в плунжере (3-5 мм) груз раскачивается с относительно небольшой амплитудой 20 см, однако с увеличением диаметра канала несколько растет амплитуда всплеска давления (прирост составляет около 1 МПа при увеличении с/к с 3 до 5 мм). Поэтому оптимальные значения с1к находятся в диапазоне 2-3 мм. В этом диапазоне гидропневматическое демпфирующее устройство эффективно устраняет гидроудар и раскачивание груза и не снижает существенно скорость переключения режимов манипулятора и точность позиционирования груза.

В полевых условиях проведен полнофакторный эксперимент. В результате обработки данных получены регрессионные полиномы для функций РтМс, и АТ(с/к, ¿/п):

Гидромеханический демпфер с помощью гибких трубопроводов подсоединен к поршневым полостям гидроцилиндров механизма поворота колонны.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований. При проведении экспериментов раскачивание груза фиксировалось с помощью видеосъемки.

По результатам лабораторных экспериментов построены зависимости ампли-

РМс, ¿п) = 34,0 - 2,75-<4 - 0,401ч/п + 0,263 с/к2 + 3,75-10+ 0,022-с/к-с/п; (4) АМк, d„) = 32,7 - 5,82-^к - 0,047ч/п + 0,492-^к2 - 8,33-10^п2 + 0,025ч^ш (5)

где единицами измерения Рт являются мегапаскали, Лт - сантиметры, 4и4 - миллиметры.

Д,м

Рисунок 8 - Зависимости амплитуды всплеска давления Рт в гидросистеме а и амплитуды раскачивания груза А, в тангенциальном направлении (б) от диаметра дросселирующих

каналов с/к

Полученные аналитические формулы (4) и (5) могут быть использованы для быстрой оценки эффективности при проектировании демпфирующего устройства. Оптимальными его параметрами являются диаметр перепускного канала равный 4 мм и диаметр запираемой полости-30 мм, что совпадает с теоретическими исследованиями В результате обработки экспериментальных данных, построены зависимости возвращающей силы пневматических цилиндров и накопленной энергии от величины смещения рейки. Доля возвращаемой энергии при обратном вращении колонны с учетом утечек воздуха через уплотнения поршней пневмоцилиндров составляет около 22% от общей энергии, затрачиваемой на поворот манипулятора.

В пятом разделе определена технико-экономическая эффективность применения сортиментовоза, оборудованного манипулятором ОМТЛ-70-02(70-05) с гидропневматическим демпфирующим устройством. Одна пара гидроцилиндров механизма поворота была отключена от гидросистемы и работала в режиме пневмоцилинлров. Начальное давление в полостях пневмоцилиндров создавалось компрессором тормозной системы автомобиля, при этом воздух нагнетался через обратные клапаны. Гидромеханический демпфер был подключен к другой паре гидроцилиндров с помощью гибких трубопроводов (рис. 9).

В результате производственных испытаний при вывозке сортиментов выявлены исходные данные для определения основных показателей экономической эффективности. Производительность повысилась на 14 % за счет уменьшения времени наведения захвата на пачку сортиментов и укладки их в заданное положение, а также уменьшения энергоемкости поворота колонны на 22 % за счет дополнительных пневмоцилиндров. Годовой экономический эффект от внедрения механизма поворота манипулятора с гидропневматическим демпфирующим устройством привода составил 336333.48 руб. на одну машину, срок окупаемости дополнительных капитальных вложений- 0,25 года.

Рисунок 9 - Механизм поворота колонны манипулятора ОМТЛ-70-02(70-05) сор-тиментовоза с гидропневматическим демпфирующим устройством

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 При рубках ухода за лесом применятся сортиментовозы на базе колесных тракторов и автомобилей, оборудованные манипуляторами, однако их гидросистемы подвержены перегрузкам, а при шарнирном присоединении захвата наблюдаются значительные амплитуды раскачивания груза, что снижает надежность и производительность. Для ограничения предельных значений давлений рабочей жидкости в гидросистемах при пуско-тормозных режимах применяются предохранительные клапаны, дроссели, гидравлические демпферы, которые недостаточно эффективны, т. к. при их срабатывании гидравлическая энергия превращается в тепловую. Совершенствование механизма поворота манипулятора сортиментовоза можно обеспечить за счёт применения нового энергосберегающего гидропневматического демпфирующего устройства.

2 Разработанная имитационная компьютерная модель функционирования механизма поворота манипулятора с гидропневматическим демпфирующим устройством позволяет оценить его эффективность по амплитуде всплеска давления в гидросистеме и амплитуде раскачивания груза, рассчитать возвращающую силу и рекуперируемую энергию при поворотах колонны.

3 При проведении компьютерных экспериментов установлено, что применение демпфирующего устройства позволяет существенно снизить всплески давления рабочей жидкости в гидросистеме на 35 % и амплитуду раскачивания груза в тангенциальном направлении на 20 %. Сравнительный анализ амплитудно-частотных характеристик колебаний груза показал, что уменьшение амплитуды колебаний груза на 25 % происходит на основной частоте колебаний (0,5 Гц) и на 50 % в области частоты колебаний (0 8-1 6 Гц).

4 При малых углах поворота колонны манипулятора от равновесного положения возвращающая сила (и соответственно момент) линейно зависит от угла поворота, обеспечивая линейную рекуперацию энергии. При значительных поворотах колонны к крайним положениям возвращающая сила резко возрастает, обеспечивая своеобразные "мягкие упоры" при резкой смене режимов движения. Без пневмоцилиндров всплеск давления рабочей жидкости составляет около 70 % от номинального давления, а с пневмоцилиндрами — всего 15 %, доля рекуперируемой энергии составляет около 25 % от общей энергии, затрачиваемой на поворот колонны.

5 Многофакторная оптимизация позволила определить оптимальные диапазоны геометрических параметров гидромеханического демпфера: коэффициента размера К от 1,7 до 2,2; диаметра запираемой полости dn от 20 до 26 мм, диаметра перепускного канала в плунжере î/k в диапазоне 2-3 мм; жесткости возвратной пружины сп от 0,5 до 1,5 МН/м; свободной длины пружины /п от 30 до 80 мм.

6 В результате проведения в полевых условиях полнофакторного эксперимента получены регрессионные полиномы для функций Рт(г/к, dn) и Ax(dK, dn), которые могут быть использованы для быстрой оценки эффективности при проектировании демпфирующего устройства. Установлено, что оптимальными его параметрами являются диаметр перепускного канала равный 4 мм и диаметр запираемой полости-30 мм, что подтверждает теоретические исследования. Производительность сортиментовоза с новым механизмом поворота колонны манипулятора увеличилась на 14 % за счет уменьшения времени наведения захвата на пачку сортиментов и укладки их в заданное положение, а также сокращения энергоемкости поворота колонны на 22% за счет дополнительных пневмоцилиндров. Годовой экономический эффект от внедрения гидропневматического демпфирующего устройства механизма поворота гидроманипулятора составил 336333,48 руб., срок окупаемости дополнительных капитальных вложений- 0,25 года.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1 Математическое моделирование процессов в системе гидропривода лесных манипуляторов [Электронный ресурс] / П. И. Попиков, П. И. Титов, А. А. Сидоров, С. В. Долженко и др. / Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ. 2011. № 69. С. 96-106.

2 В. Математическая модель демпфирования рабочего процесса гидропривода механизма поворота колонны лесного манипулятора [Электронный ресурс] / С. В. Долженко, П.И. Попиков, A.B. Зубков, Е. П. Рыкованова / Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ. 2012. № 79. С. 243-259.

3 Долженко, C.B. Разработка методики экспериментальных исследований гидропривода механизма поворота лесного манипулятора сортиментовоза [Текст] / Долженко С. В. / Лесотехнический журнал. 2013. № 1. С. 127-137.

Патенты и свидетельства

4 Пат. на изобретение 2479481 РФ, МПКВ 66 С 13/42. Механизм поворота колонны стрелового манипулятора [Текст] / П. И. Попиков, Д. В. Обо-янцев, С. В. Долженко; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. - № 2011148369/11,заявл. 28.11.2011, опубл. 20.04.2013. Бюл. № 115.

5 Пат. на полезную модель 125571 РФ, МПКВ 66 С 13/42 Механизм поворота колонны стрелового манипулятора [Текст] / П. И. Попиков, Д. Ю. Дручинин, С. В. Долженко, А. Д. Азаров; заявитель и патентообладатель ВГЛТА . - № 2012143435/11; заявл. 10.10.2012 ; опубл. 10.03.2013.

6 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2009611294 РФ. Программа для моделирования процесса поворота гидроманипулятора с демпферным устройством [Текст] / П. И. Попиков, С. В. Долженко; А. А Сидоров, В. И. Посметьев, Заявитель и патентообладатель ВГЛТА; зарег. 03.03.09.

Статьи и материалы конференции

7 Попиков, П. И. Моделирование рабочего процесса механизма поворота лесного манипулятора, оснащенного демпфером [Текст] / П. И. Попиков, В. В. Посметьев, С. В. Долженко, // Вестник Воронежской государственной лесотехнической академии - Воронеж, 2009. - Вып. 2 (7). — С. - 130 - 135.

8 Попиков, П. И. Повышение точности позиционирования груза при работе гидроманипулятора за счет оснащения гидросистемы демпфером [Текст] / П. И. Попиков, С. В. Долженко // Лесотехнический журнал. — 2011. -№4.-С. 97-103.

9 Долженко, С. В. Математическая модель рабочего процесса гидропривода механизма поворота колонны гидроманипулятора при погрузке сортиментов [Текст] / С. В. Долженко, П. И. Попиков, П. И. Титов / Лесотехнический журнал. 2012. - № 3. - С. 84-90.

Приглашаем принять участие в работе диссертационного совета

Д 212.034.02 или отправить по почте ваш отзыв на автореферат с заверенными подписями в двух экземплярах по адресу 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, Воронежская государственная лесотехническая академия, ученому секретарю.

Тел. 8-(473)253-67-00 Долженко Сергей Валерьевич

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 18.11.2013 г.

Формат 60x901/16. Объем 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ 516 Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10

Текст работы Долженко, Сергей Валерьевич, диссертация по теме Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

04201 455074

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

Специальность 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного

хозяйства

АКАДЕМИЯ (ВГЛТА)

На правах рукописи

Долженко

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор

Попиков П.И.

Воронеж - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................10

1.1 Технологии лесозаготовок и погрузочно-транспортные машины, предназначенные для погрузки и вывозки древесины....................................10

1.2 Анализ исследования динамики гидропривода технологических машин...............................................................................................27

1.3 Выводы.................................................................................36

1.4 Задачи исследования.................................................................36

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА КОЛОННЫ ГИДРОМАНИПУЛЯТОРА...............37

2.1 Обоснование гидропневматической схемы механизма поворота колонны манипулятора....................................................................................37

2.2 Математическая модель рабочего процесса механизма поворота колонны гидроманипулятора с дополнительным демпфирующим устройством.......................................................................................41

2.2.1 Моделирование механической подсистемы..................................41

2.2.2 Моделирование гидропневматической подсистемы........................43

2.2.3 Порядок вычислений на каждом шаге численного интегрирования системы уравнений...............................................................................47

2.2.4 Компьютерная программа для работы с моделью..........................57

2.2.5 Компьютерный эксперимент.....................................................58

2.2.6 Входные и выходные параметры математической модели................58

2.3 Повышение эффективности работы манипулятора при оснащении гидросистемы демпфером.......................................................................61

2.3.1 Снижение пикового давления в гидросистеме................................61

2.3.2 Уменьшение амплитуды колебаний груза.....................................62

2.3.3 Улучшение спектров колебания груза.........................................64

2.4 Влияние параметров демпфирующего устройства на работу гидроманипулятора..............................................................................66

2.4.1 Особенности проведения систематического исследования.................66

2.4.2 Базовый компьютерный эксперимент.........................................67

2.4.3 Влияние эффективности дросселирования в плунжере....................67

2.4.4 Влияние размеров демпфера.....................................................69

2.4.5 Влияние диаметра запираемых полостей демпфера...........................70

2.4.6 Влияние жесткости и свободной длины внутренних пружин-упоров демпфера...........................................................................................71

2.4.7 Влияние параметров пневмогидравлического аккумулятора..............74

2.4.8 Оценка аккумулирующей способности пневмоцилиндров................75

2.4.9 Влияние конечного угла поворота колонны..................................80

2.5 Оптимизация параметров демпфера...............................................81

2.5.1 Постановка задачи оптимизации................................................81

2.5.2 Оптимизация геометрических параметров плунжера демпфера........82

2.5.3 Оптимизация параметров внутренних пружин-упоров демпфера......85

2.6 Выводы.................................................................................86

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХИ И ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВНИЙ.................................................................................90

3.1 Программа лабораторных и полевых исследований.........................90

3.2 Лабораторное оборудование и контрольно-измерительная аппаратура.........................................................................................90

3.3 Методика проведения лабораторных и полевых исследований..........102

3.4 Методика проведения полнофакторного эксперимента.....................106

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................................109

4.1 Лабораторно полевые исследования динамики энергосберегающего гидропривода механизма поворота колонны..................................................109

4.1.1 Зависимости максимальных значений давления в гидросистеме от параметров демпфирующего устройства....................................................109

4.1.2 Уменьшение амплитуды и частоты колебаний груза.....................110

4.1.3 Влияние эффективности дросселирования в демпфирующем устройстве........................................................................................112

4.1.4 Влияние конечного угла поворота колонны.................................113

4.1.5 Влияние параметров пневмоцилиндров на энергозатраты механизма поворота..........................................................................................115

4.1.6 Влияние жесткости и свободной длины внутренних пружин-упоров демпфирующего устройства..................................................................116

4.1.7 Результаты полнофакторного эксперимента................................119

4.2 Выводы...............................................................................122

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ

МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА МАНИПУЛЯТОРА С ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИМ ДЕМПФИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ... 123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................134

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................136

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................150

Приложение А Интерфейсные формы программы для моделирования

гидроманипулятора, оснащенного демпфером гидросистемы........................150

Приложение Б Пример решения задачи оптимизации в математическом

пакете MathCad 14..............................................................................153

Приложение В Данные лабораторного эксперимента по изучению

манипулятора, оснащенного демпфером..................................................155

Приложение Г Акты внедрения производства....................................156

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время в лесном комплексе широко применяются машинные технологии лесозаготовок, среди которых важное место занимает сортиментная технология, которая более полно отвечает современным экологическим требованиям при проведении рубок ухода за лесом. В связи с этим возникла необходимость в разработке и выпуске отечественных конструкций лесных гидроманипуляторов для сортиментовозов на базе колёсных тракторов и автомобилей. Но они пока уступают в конкурентоспособности зарубежным моделям.

Рабочие процессы лесных манипуляторов характеризуются большими динамическими нагрузками, особенно в пуско-тормозных режимах, а также раскачиванием захватных устройств при наведении на пачку сортиментов и укладке груза в заданное положение. Для ограничений предельных колебаний давления рабочей жидкости применяются предохранительные клапаны, дроссели, гидравлические демпферы. Общим недостатком этих устройств является то, что ограничение колебаний давления рабочей жидкости происходит за счет ее перетекания из одной полости в другую через дроссельные отверстия, при этом гидравлическая энергия превращается в тепловую, что приводит к перегреванию жидкости и потере энергии. Наиболее эффективными являются энергосберегающие гидропневматические демпфирующие устройства, которые способны аккумулировать энергию при тормозных режимах и возвращать часть энергии обратно в систему при обратном движении. Поэтому в эпоху надвигающего энергетического кризиса исследования, касающиеся разработки гидропневматических демпфирующих устройств, позволяющих понизить уровень энергопотребления в процессе выполнения работ, являются актуальными и своевременными.

Степень разработанности темы.

Исследованиям рабочих процессов лесозаготовительных машин манипуля-торного типа посвящены работы В.А. Александрова, В.Н. Андреева, К.Н. Баринова, Ю.Ю. Герасимова, И.М. Бартенева, М.В. Драпалюка, З.К. Емтыля, П.М. Мазуркина, В.Н. Винокурова, В.Ф. Полетайкина, В.И. Казакова, Ю.А. Ширнина, B.C. Сюнева, A.M. Цыпука, П.И. Попикова и др. Вопросами исследования энергосберегающих рекуперативных систем приводов технологических машин занимались J1.A. Хмара, А.Т. Рыбак, В.И. Посметьев, В.Ф. Щербаков и др.

Из анализа исследований методов снижения динамической нагруженности, энергоемкости и амплитуды раскачивания груза при работе лесных гидроманипуляторов следует, что прогрессивными являются энергосберегающие гидропневматические демпфирующие устройства привода механизма поворота колонны, однако их рабочие процессы и параметры исследованы в недостаточной степени, особенно, при пуско-тормозных режимах.

В соответствии с целью работы предлагается решить следующие задачи:

Положения, выносимые на защиту:

Научная новизна:

1 Представлены математические модели рабочих процессов нового механизма поворота манипулятора, защищенного патентами на изобретение №2479481 и полезную модель № 125571, отличающиеся тем, что учтено влияние конструкции и параметров гидропневматического демпфирующего устройства привода колонны на динамическую нагруженность, энергоемкость и амплитуду раскачивания груза в пуско-тормозных режимах. Программа решения математической модели на ЭВМ зарегистрирована свидетельством № 2009611294.

2 Обоснованы параметры гидропневматического демпфирующего устройства привода колонны, отличающиеся рациональными значениями, рассчитанны-

ми по критериям уменьшения энергоемкости, динамической нагруженности и амплитуды раскачивания груза в рабочих режимах.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана математическая модель рабочих процессов манипулятора сортиментовоза с учётом конструкции и параметров нового гидропневматического демпфирующего устройства. Разработанные рекомендации по выбору параметров гидропневматического демпфирующего устройства привода колонны используются в ООО «СТАЛЬ-СИНТЕЗ», проектной организации ЦОКБЛесхозмаш, в учебно-опытном лесном предприятии ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» и в ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» при обучении магистров, специалистов и бакалавров лесотехнического профиля.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на международной конференции «Анализ и синтез сложных систем в природе и технике» (2013 г.), научно-практических конференциях сотрудников ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» (2007-2013 гг.), на техническом совете ЦОКБЛесхозмаш.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Технологии лесозаготовок и погрузочно-транспортные машины, предназначенные для погрузки и вывозки древесины

В настоящее время развитие лесопромышленного комплекса невозможно без применения машинных технологий лесозаготовок, реализация которых позволяет почти полностью исключить тяжёлые травмы на лесосечных работах и создать цивилизованные условия труда [65]. Рассматривая общемировую практику, можно сделать вывод, что основное распространение получили три технологии лесозаготовок [27, 40, 42, 97]:

- технология заготовки и трелевки древесины целыми деревьями, при которой после валки дерева оно трелюется к погрузочному пункту, где производится обрезка сучьев, а потом погрузка хлыстов на лесовозный автомобильный транспорт;

- технология заготовки и трелевки древесины хлыстами, которая получила название хлыстовой, при которой обрезка сучьев производится у пня сразу после валки дерева, погрузку хлыстов на автомобильный транспорт проводят после трелевки;

- технология заготовки и трелевки древесины сортиментами, при которой дерево валится, производится обрезка сучьев и раскряжевка на сортименты различной длины, формируются в пачки, производится их погрузка на форвардеры и перемещаются к лесовозной дороге. У дороги лес складируется, грузится на сор-тиментовозы или на автопоезда и вывозится потребителям. В России и скандинавских странах все большее применение находит сортиментная заготовка древесины, как наиболее отвечающая природно-климатическим условиям, экономическим и экологическим требованиям.

Основным направлением в решении вопроса механизации погрузочно-транспортных работ является создание погрузочно-транспортной машины с технологическим оборудованием, установленным на колесном тракторе при неболь-

ших расстояниях вывозки и на лесовозных автомобилях при значительных расстояниях транспортирования.

Колесные тракторы перспективны для данной области применения, так как колесные тракторы более универсальны: их можно использовать для подготовки почвы, посадки и ухода за лесными культурами, на трелевке леса и др. работах; способны работать на более высоких скоростях. Кроме того, колесные тракторы имеют меньшую массу, на производство запасных частей идет меньше металла (129 кг против 704 кг для гусеничного), проще в эксплуатации и дешевле при изготовлении [18].

Однако существенными недостатками колесных тракторов является худшее сцепление с почвой и меньшая эффективность резиновых грунтозацепов. Поэтому конструкции колесных тракторов постоянно усовершенствуются. Процесс совершенствования существующих и поиск новых компоновочных схем колесных тракторов ведутся по линии повышения энергонасыщенности, тяговых качеств и создания новых типоразмеров.

Повышение тягово-сцепных качеств колесных тракторов идет по линии введения привода на передние колеса, относительного перераспределения массы трактора между ося�

Похожие работы

Технология, машины и оборудование лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева
05.21.00