автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Методы повышения эксплуатационной эффективности портовых манипуляционных погрузчиков с пневматическим поршневым приводом

Министерство транспорта Российской Федерации

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

НИКУЛИН КОНСТАНТИН СЕРГЕЕВИЧ

Методы повышения эксплуатационной эффективности портовых манипуляционных погрузчиков с пневматическим поршневым приводом

Специальность 05.22 19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2007

003071876

Работа выполнена в Московской государственной академии водного транспорта

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники Р Ф, Лауреат Премии Правительства РФ, доктор технических наук, профессор Гончаревич Игорь Фомич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Степанов Андрей Львович

кандидат технических наук, доцент Степанов Михаил Алексеевич

Ведущая организация:

СОЮЗМОРНИИПРОЕКТ

Защита состоится " ^" итнА 2007 года в часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 223 006 01 при Московской государственной академии водного транспорта по адресу. 117105, г Москва, ул. Новоданиловская набережная, д 1, корп 1, аудитория 336

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАВТа Автореферат разослан 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 223.006.01

. кандидат технических наук, доцент по специальности, Корчагин Е А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Постоянно возрастающие тарифы за пребывание судов в портах, требования быстрой оборачиваемости транспортных средств выдвигают неотложную необходимость всемерного ускорения погрузо-разгрузочных операций, как с массовыми, так и со штучными грузами Одновременно должны выполнятся общие тенденции снижения энергопотребления и повышение общей надежности перегрузочного оборудования

В речных портах находят применение различные погрузчики для перегрузки пакетов, контейнеров и тарно-штучных грузов Специальные портальные погрузчики применяют для многоярусной укладки крупнотоннажных контейнеров на складе

Основное назначение погрузчиков — перегружать штучные грузы на причалах, складах и других открытых территориях при загрузке-разгрузке грузовых автомобилей, железнодорожных вагонов и судов.

Опыт применения при погрузо-разгрузочных операциях на предприятиях различных отраслей промышленности и в транспортных системах поршневых цикловых манипуляционных погрузчиков с элементами программного управления свидетельствует об их технической эффективности и экономической целесообразности использования

Можно с определенной степенью уверенности прогнозировать целесообразность их применения на перегрузочных операциях и в портовом хозяйстве, если осуществить их надлежащую адаптацию к соответствующим условиям эксплуатации Это прежде всего повышение грузоподъемности и быстродействия, снижение энергопотребления и динамической нагруженности существующих цикловых манипуляционных погрузчиков с поршневым приводом Эту модернизацию целесообразно провести, так как этот тип погрузчиков по прочим показателям характеризуется простотой устройства и обслуживания, невысокой стоимостью

Проблема адаптации поршневых цикловых манипуляционных погрузчиков решается в настоящей работе на основе фунаментальной концепции и с использованием методов построения систем циклического принципа действия

Применение в аналогичных условиях разработанных модернизированных манипуляционных погрузчиков позволит усовершенствовать традиционные погрузо-разгрузочные технологические процессы.

Целью настоящей работы является рассмотрение принципиальных динамических особенностей цикловых систем и путей повышения их эксплуатационной эффективности

Системам, работающим в циклических режимах, к которым относятся манипуляционные погрузчики, характерен режим движения с

частыми остановками (старт-стопный режим) и присущи некоторые нежелательные с эксплуатационной точки зрения свойства Работа таких систем характеризуется частыми переменами направления движений их кинематических звеньев, сопровождающимися остановками, обнулением скоростей перемещения и полной потерей внутренней энергии (у быстродействующих в основном кинетической и потенциальной - у тихоходных установок) У таких систем потребление энергии определяется не величиной выполняемой полезной работы и неизбежными потерями от внешних и внутренних сопротивлений, а главным образом, необходимостью каждый раз после завершения цикла и очередной остановки возобновлять запас её внутренней энергии При некоторых режимах работы, перемещениях в поле сил тяжести, преобладают потери потенциальной энергии Это относится к механизмам подъема циклового манипулятора. При подъёме потенциальная энергия системы возрастает, при опускании рассеивается тормозной демпферной системой Таким образом, для систем рассмотренного класса, если не принимать специальных мер, характерен нерациональный расход энергии Вследствие этого, например, для роботов традиционного устройства, на кинематических звеньях которых невозможно устанавливать мощные двигатели, по энергетическим причинам, ставится почти непреодолимый барьер увеличению их быстродействия

Старт-стопные режимы работы обусловливают также повышенные динамические нагрузки при пусках и, особенно, при торможениях системы, связанные с большой интенсивности на этих этапах циркуляцией энергии.

Поэтому решение проблем цикловых систем должно сосредотачиваться, главным образом, на формировании методов рекуперации энергии, динамического и статического уравновешивания движущихся частей При этом очень важно разработать критерии оценки целесообразности и выбора методов аккумулирования энергии и уравновешивания того или иного механизма или машины.

Для поршневых цикловых погрузчиков могут использоваться два вида уравновешивания, статическое и динамическое. Источником статической неуравновешенности является гравитационное поле, динамической — силы инерции, возникающие при движении кинематических звеньев с переменными ускорениями. Статическое уравновешивание обеспечивает разгрузку приводов от статических моментов, создающихся силами тяжести кинематических звеньев и перемещаемого груза. Динамическое уравновешивание способствует разгрузке приводов от сил и моментов инерции Для компенсации сил инерции Могут быть применены специальные системы, содержащие различные модификации накопителей энергии

Комплекс исследований и разработок, проводимых в настоящей работе и направленный на повышение быстродействия и грузоподъемности поршневых манипуляционных погрузчиков, как за счет сокращения продолжительности рабочего цикла и соответствующей настройки системы на автоколебательные режимы, так и вследствие частичной автоматизации работы манипуляционного погрузчика, снижения общего энергопотребления и динамической нагруженности, в результате принципа рекуперации энергии, обуславливает общую актуальность темы диссертации Кроме того, разработанные устройства для динамического уравновешивания сил инерции движущихся частей погрузчика и рекуперации энергии в системах представляют интерес и с общетехнической точки зрения для широкого класса механизмов с пневматическим приводом, работающих в цикловых режимах

Цель работы заключается в повышении эксплуатационных показателей циклового манипуляционного погрузчика с пневматическим поршневым приводом.

Задачами исследований являются

1 Модернизация наиболее динамически нагруженного в манипуляционном погрузчике механизма поступательного движения выходного звена

2. Создание автономных рекуперационно-тормозных блоков, обеспечивающих максимальное повышение быстродействия, снижение непроизводительных затрат энергии и динамической нагруженности системы

3 Адаптация к условиям эксплуатации современных портов поршневых манипуляционных погрузчиков благодаря их модернизации, повышающей его эксплуатационные показатели

4 Разработка программного продукта для выбора параметров модернизированных манипуляционных погрузчиков циклического действия с поршневым приводом, адаптированного к инженерной практике

Методы исследования.

Используется комбинированный метод исследований, включающий натурный эксперимент на промышленном манипуляционном погрузчике и математический эксперимент на РС с использованием стандартной программы МАТНСАО и специально разработанной программы «Динамика»

Достоверность результатов исследований динамики движения поступательного звена манипуляционного погрузчика с пневматическим приводом и компенсационной рекуперативно-тормозной системой обусловлена использованием современной компьютерной программы МАТНСАО и результатами экспериментальных исследований на аналоге пневматического манипуляционного погрузчика - промышленном роботе

ПР10И, выполненными с использованием современного аналого-цифрового преобразователя и комплекса разнообразных точно оттарированных датчиков и последующего сравнения на РС ЭВМ результатов математического и натурного экспериментов в цифровой форме с использованием статистических методов

Научная новизна работы:

1. Составлены модели и дано математическое описание функционирования механизма поступательного движения рабочего органа манипуляционных погрузчиков с пневматическим приводом, пружинным накопителем энергии и рекуперативно-тормозным блоком с учетом упруго-гистерезисных свойств рабочей среды

2. Разработана методика компьютерных исследований динамики моделей механизма поступательного движения рабочего органа с учетом упруго-гистерезисных свойств пневмопривода

3. Разработана методика экспериментальных исследований динамики механизма поступательного движения рабочего органа пневматического манипуляционного погрузчика типа ПР10И с использованием аналого-цифрового преобразователя с получением данных в цифровом виде.

4. Разработана математическая модель и компьютерная программа расчета для выбора эффективных режимов работы и проектирования механизмов поступательного движения рабочего органа

Практическая ценность работы состоит в следующем

- решены поставленные задачи и созданы практические предпосылки для обеспечения эффективного использования пневматических манипуляционных погрузчиков в портовом перегрузочном комплексе,

- разработана система компенсации динамических нагрузок в подвижных частях системы в момент остановки,

- разработан рекуперативно-тормозной блок для модернизации существующих пневматических систем циклического действия и дана методика их расчета;

- сформирована инженерная методика и программный продукт для выбора параметров пневмопривода механизма поступательного движения рабочего органа манипуляционных погрузчиков

В принципиальном плане практическое значение работы состоит в том, что реализация выполненных разработок способствует решению проблемы модернизации и эффективного использования цикловых манипуляционных погрузчиков с поршневым приводом и усовершенствования погрузо-разгрузочных технологий в портовом хозяйстве

Апробация и реализация результатов работы.

Основные результаты работы доложены на

- Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1997 и 2001 года в МГТУ им Н Э. Баумана; Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1998 года в МГАВТ; Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1999 года в МГУПС (МИИТ), XXI научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московской Государственной академии водного транспорта 1999 года в МГАВТ,

- Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортная техника» 2000 года в МГСУ, 2-ой Международной конференции «Молодые ученые — промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения» 2000 года в МГТУ им НЭ Баумана, Международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОИМЕХ-2003» в филиале Волжского инженерно-строительного института,

- Десятой московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» 2006 года в МГАВТ;

- Заседании технического совета Московского Южного речного порта

Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре ППТМиР МГАВТ в курсах «Роботы и манипуляторы» и «Робототехнические комплексы». Основные разделы работы использованы при выполнении отчетов о НИР «Исследование динамики робота-погрузчика с системой рециркуляции энергии» и «Исследование комбинированной системы торможения и рекуперации энергии движущихся частей портового робота-погрузчика и перемещаемого груза»

Программное обеспечение по выбору режимов работы на РС ЭВМ пневматических портовых манипуляционных погрузчиков использована Службой речного флота в качестве рабочих программно-методических материалов.

Публикации: основные положения диссертации опубликованы в 11 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается необходимость проведения комплекса работ по адаптированию в техническом и экономическом аспектах

универсального погрузочного манипуляционного оборудования к условиям конкурентного его использования в портовых погрузочно-разгрузочных комплексах Кроме того, показана научная новизна работы, ее практическая ценность, степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированы задачи исследования и основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы проведен аналитический обзор и охарактеризовано состояние вопроса Основан выбор пневматического привода в качестве объекта исследований из-за его широкого применения и таких преимуществ, как простота конструкции линейных и поворотных пневматических двигателей, позволяющая реализовать требуемые движения без использования сложных механических передач, отсутствие сливных магистралей (в отличие от гидропривода), легкость реализации принципов агрегатно-модульного построения конструкции ПР, надежность работы в широком диапазоне температур, пожаро- и взрывобезопасность, простота защиты от перегрузок, виброустойчивость. Дано обоснование необходимости плавной остановки системы в конце хода специальными устройствами (демпферами), разработанные для этой цели. Показана функциональная и конструктивная структура таких стандартных устройств и выявлен главный их недостаток, заключающийся в рассеянии энергии в атмосферу в виде теплоты при остановке системы

Проанализированы существующие системы аккумулирования механической энергии для повышения эффективности приводов роботов, внедряемых в перегрузочные работы в портах С этой целью изучены работы А А Пароя, Л.М Виноградова, Ю Н Лаптева, С Г. Телицы, Д М Берковича, Н В Гулиа, Н В Маховичного, П К Попова, А И Корендясева, К В Фролова, ЕИ Воробьева, ЕИ Семенова, МА Крючкова, АЮ Выжигина и др Рассмотрены конструкции и принципы действия гидравлических и пневмогидравлических аккумуляторов

Анализ манипуляционных систем показал, что из пяти составляющих его механизмов только два подлежат модернизации - это механизм выдвижения-вдвижения захвата и механизм поворота колоны (захвата) вокруг вертикальной оси Вследствие значительных масс и моментов инерции этих механизмов и сравнительно высоких линейных и угловых скоростей при их работе происходит значительная циркуляция кинетической энергии. По трём остальным координатам циркуляция энергии незначительна.

Оба механизма в качестве привода в рассмотренных системах используют пневмоцилиндры и в принципиальном аспекте являются однотипными. В связи с изложенным, для дальнейших исследований принимается механизм выдвижения-вдвижения захвата.

Во второй главе описывается экспериментальная установка, созданная на базе манипуляций!¡ной системы промышленного робота ПР-10И. Манипуляцнонная система оснащена дополнительными датчиками, контролирующими основные характеристики движения механизма вы движен ия-вдвижения захвата манипулятора с пневмоприводом: перемещение, скорость выдвижения руки, ускорение, давления в штоковой И беСШТОКОВОЙ ПОЛОСТЯХ ЦИЛИНДра, ТОЧНОСТЬ ПОЗИЦИОНИрОВаНИЯ руки (рис. 1,2).

Контроль делений ь Контроль перемещения, скорости и штоковой и бесштокощ.й

Рис. 1. Трехмерная модель пневматической манипуляциоиной системы, иллюстрирующая систему измерений параметров движения поступательного звена и давлений в рабочих полостях гшевмо цилиндра.

Оиисан способ преобразования информации от аналогового сигнала датчиков до цифрового сигнала ЭВМ дна снятия «оказаний с датчиков и их анализа на компьютере посредством аналого-цифрового преобразователя и способ подключения измерительных датчиков (рис. 3).

Описаны конструктивные особенности используемых для соответствующих сигналов датчиков и рассмотрены способы тарировки каждого измерительного элемента. Достаточно подробно рассмотрен способ получения и отображения сигналов, получаемых с измерительных приборов, на ЭВМ посредством специализированного программного обеспечения, основные модули которого следующие:

— электронный осциллограф с режимом анализа спектра;

- утилита непрерывного сбора большого количества данных на жесткий диск компьютера.

Электронный осциллограф позволяет увидеть сигнал (рис. 4), измеряемый с помощью устройства А.ЦП, в реальном времени.

Утилита непрерывного сбора информации осуществляет сбор данных и их запись в файл на жесткий диск персонального компьютера в течении длительного периода времени.

5 4

Рис. 2. Стенд с измерительной аппаратурой для экспериментального исследования закономерностей выдвижения-втягивания руки манипулятора:

1 - датчик точности позиционирования;

2 —датчик ускорения;

3 — датчик перемещения руки манипулятора;

4 —датчик скорости;

5 и 6 - датчики давлений соответственно в штоковой и бесштоковой полостях.

ч 5|'5н ,

» Источник сигнала 1 ладе А1Т\П

► Источник сигнала 16 : ; ЛА-2 А»Ч15 АСМЭ

земля -

Корпусная I Корпусная

земля - земля

Рис. 3. Схема соединения АЦП ЛА-2 с источниками аналоговых

сигналов.

В третьей главе анализируются экспериментальные данные о закономерностях перемещения механизма в ыдви жен и я - в д ви жен ия захвата. Измерения производились при различных режимах работы в условиях изменения частоты срабатывания управляющего элемента пневматического распределителя (рис. 5). При подаче электрического сигнала на обмотку крана 3, управляющего трехлинейным распределителем 4, воздух из магистрали высокого давления 1 через каналы в корпусе демпфера 5 поступает в левую полость пневмоцилиндра 7, выдвигая руку 8, При снятии электрического сигнала воздух из магистрали низкого давления 2, не проходя через управляющую распределитель!¡ую аппаратуру, поступает через передний демпфер 6 руки

S 6

в правую штоковую полость пневмопилипдра 7. При этом воздух из поршневой полости пневмонияиндра 7 стравливается в атмосферу, вследствие этого происходит цдвижение руки.

В процессе эксперимента контролировались следующие параметры системы: перемещение, скорость, ускорение, точность позиционирования и давления в штокоаой и бесштоковой полостях.

Данные записывались в формате «Windows ANSÍ» в виде условных цифровых данных, снимаемых и преобразуемых АЦП с датчиков. Общий график содержит показания всех датчиков (перемещений, скорость,

Рис. 4, Общий вид программного модуля «Электронный осциллограф».

ускорение, точность позиционирования и давления в штоковой и бесштоковой полостях) в условных единицах измерений, поступаемых с датчиков Каждый отдельный график для перемещения, скорости, ускорения, точности позиционирования и давлений в штоковой и бесштоковой полостях построен в соответствующих единицах измерений В таблицах данных содержаться цифровые данные показаний датчиков и переведенные через тарировочные коэффициенты данные в конкретных единицах измерений с дополнительными пояснительными таблицами между ними (где указаны максимумы, минимумы и среднеарифметические значения данных) Данные прошли предварительную выбраковку значений, имеющих случайные всплески. Наличие экспериментальных данных о давлениях воздуха в поршневой и штоковой полостях пневмоцилиндра, позволило путем дополнительного пересчета определять результирующие усилия, создаваемые пневматическим приводом механизма выдвижения-втягивания схвата

Изучение полученных в процессе экспериментов осциллограмм давления воздуха (см. рис 6) на этапе выдвижения руки показывает, что процесс заполнения поршневой полости пневмоцилиндра воздухом носит типично динамический характер. В начале цикла поршневая полость соединена с атмосферой, поэтому избыточное давление в ней равно нулю.

Рис 6. Графики зависимости перемещения (XT), скорости (XT'), усилия в поршневой полости (Fn) и усилия в штоковой полости (Fin) от времени за один цикл работы в соответствующем масштабе

При срабатывании электропневматической быстродействующей распределительной системы манипулятора сжатый воздух из магистрали высокого давления устремляется в поршневую полость находящуюся под атмосферным давлением. В этот момент, перепад давления на воздухоподводящем клапане и секундный расход воздуха имеют максимальные значения. Поэтому скорость воздушной струи истекающей из проходного отверстия клапана достигает наиболее высоких значений. Как следует из осциллограммы начальный импульс давления носит кратковременный характер и имеет ярко выраженный динамический вид, его максимальное значение временами превышает даже давление в высоконапорной магистрали, не говоря уже о статическом давлении в

поршневой полости Можно полагать, что он формируется вследствие удара воздушной струи движущейся с большой скоростью о неподвижный поршень Этот импульс имеет малую продолжительность и не обеспечивает страгивания поршня с места (это убедительно показывает осциллограмма перемещений поршня приведенная на рис 6) В то же время вследствие удара о неподвижный поршень происходит затормаживание воздушной струи, при котором её кинетическая энергия преобразуется в потенциальную, что и выражается в повышении давления воздуха в струе выше давления в высоконапорной магистрали На этом этапе статическое давление во всей поршневой полости пневмоцилиндра остаётся невысоким. Только постепенно, по мере поступления дополнительных порций воздуха статическое давление в поршневой полости начинает повышаться и достигает давления в высоконапорной магистрали только после остановки поршня и стабилизации объёма поршневой полости

В связи со значительной сложностью рассматриваемых процессов анализ экспериментальных данных сопровождался параллельными компьютерными расчетами на математических моделях, идентифицированных современными методами с исследуемым цикловым манипулятором Комплексный экспериментально - аналитический анализ закономерностей работы поршневого привода цикловых манипуляторов позволяет дать оценку изложенному и прийти к выводу, что динамическая составляющая воздушной струи не обеспечивает поставленной цели -выдвижения руки манипулятора, но в то же время, вследствие ударного приложения нагрузки, возбуждает в системе манипулятора высокочастотные колебания и приводит к росту динамической нагруженности элементов конструкции

Отсюда возникает задача модернизации системы подачи воздуха в пневмопривод манипулятора Необходимо ее регулирование при заполнении поршневой полости.

Анализ экспериментальных данных показывает также, что в моменты торможения, особенно в конце этапа выдвижения руки, действуют значительные ускорения (замедления) следствием чего является высокая динамическая нагруженность манипулятора

Проведенные экспериментально-аналитические исследования были положены в основу разработки предложений по модернизации портовых манипуляционных погрузчиков с поршневым приводом с целью повышения их эксплуатационной эффективности и надежности.

В четвертой главе описываются принципы формирования и идентификации математических моделей механизмов выдвижения-вдвижения захвата серийного и модернизированного цикловых манипуляторов с поршневыми приводами, а также компьютерный эксперимент, проведенный на ЭВМ с целью математического

моделирования процессов, протекающих в поступательных звеньях цикловых манипуляторов с учетом реальных свойств пневмопривода и упругодиссипативных свойств рабочей среды

Процесс создания универсальной математической модели включал следующие этапы Прежде всего, была разработана математическая модель натурного циклового манипулятора, на котором проводились экспериментальные исследования Затем, в процессе идентификации модели с натурой, были определены параметры поршневого привода математической модели и по аналогии параметры тормозных демпферов. Используя эти характеристики, была сформирована универсальная математическая модель, позволяющая проводить исследования манипуляционной системы погрузчика с поршневым приводом оснащенного пневмопружинным накопителем энергии или рекуперативно-тормозным блоком Преобразования универсальной модели для указанных частных случаев осуществляется простым изменением значений упруго-вязких коэффициентов входящих в универсальное (обобщенное) уравнение.

В качестве основных показателей процесса при определении структуры и выборе параметров математической модели можно принимать различные характеристики, например усилия действующие на исследуемое кинематическое звено, его перемещения, скорости и ускорения на этапах разгона, установившегося движения и торможения, нагрузки от перемещаемого объекта на рабочий орган, затраты энергии на преодоление действующих в системе сопротивлений, общие затраты энергии погрузчиком, точность исполнения характерных этапов движения, позиционирования схвата и тд Можно использовать также различные совокупности перечисленных показателей Идентификацию модели натуре можно производить также по изменениям стандартных характеристик движения захватного устройства при различных условиях (нагрузках) эксплуатации

В качестве исходных данных для сопоставления с расчетными характеристиками процесса движения манипулятора могут непосредственно использоваться результаты экспериментов либо построенные на их основе уравнения регрессии

Формирование оптимальной математической модели манипулятора сводится к подбору значений реологических (упругость, гистерезисные потери) и инерционных параметров для наилучшего совпадения расчетных характеристик с опытными данными, и изменениям ее структуры, что осуществляется исключением или введением дополнительных структурных элементов При создании оптимальной динамической модели погрузчика, в качестве главных локальных критериев приняты минимум отклонения между расчетными и опытными значениями наиболее существенных параметров моделируемого процесса и минимум

реологических тел модели. Подбор параметров модели производился по наиболее распространенному режиму работы погрузчика, а затем накладывались ограничения на допустимые ошибки при граничных значениях параметров режима работы или огранивалась область применения модели предельными значениями параметров режима работы

На изложенных выше принципах разработана в среде МАТНСАБ усовершенствованная модель портового манипуляционного погрузчика с поршневым приводом пружинно-пневматическим накопителем энергии или рекуперационно-тормозным блоком, сформировано программное обеспечение процесса идентифицированная расчетных параметров с экспериментом.

Проведенный гармонический анализ осциллограмм давления воздуха в пневмоцилиндре на различных этапах движения руки манипулятора показал, что характерные конфигурации реальных записей давлений хорошо апроксимируются рядами Фурье

На математической модели циклового манипулятора были проведены исследования влияния режима впуска сжатого воздуха в пневмоцилиндр на динамическую нагруженность манипулятора На рис 7 представлены давления сжатого воздуха в поршневой полости на этапе выдвижения руки робота при традиционной системе впуска воздуха ограниченные первым нечётными четырьмя гармониками ряда Фурье Р4 и при модернизированной системе Р1 На рис 8 приведены максимальные ускорения возникающие в манипуляционной системе при традиционной 114 и модернизированной Ш системах.

При проведении математического эксперимента на РС для давления воздуха в поршневой полости на рабочем участке выдвижения поршня использовалась аналитическая зависимость, полученная при идентификации модели с натурой четырьмя членами ряда Фурье Р4 и идеальный закон возмущения Р1 (см рис 7)

Используемый комплексный подход, при котором на натурных установках определяются параметры реальных систем позволяющие обеспечивать физическую достоверность компьютерного эксперимента, а на математических моделях воссоздаются новые перспективные устройства, оказался весьма практичным и не требующим больших затрат на создание опытных образцов модернизированных погрузчиков

Опираясь на натурный эксперимент и анализ динамических свойств пневматического поступательного звена манипулятора была разработана математическая модель исследуемого циклового манипуляционного погрузчика с поршневым приводом. Адекватность созданной модели реальному объекту была подтверждена корреляцией расчетных и экспериментальных данных Разработанная математическая модель описывает как существующий манипулятор так и разработанную модификацию модернизируемого агрегата оснащенного рекуперативно-

О 25 50 75 100

Рис. 7. График зависимости давления в Рис 8. График зависимости поршневой полости для идеального максимальных ускорений при закона возмущения Р1 и реального традиционной Ш и

идентифицированного четырьмя членами модернизированной Ш ряда Фурье Р4 системах

тормозным блоком Таким образом разработанная математическая модель позволяет исследовать не только традиционные, но и более новые и модернизированные системы

Закон движения поршня на холостом ходу и особенно под нагрузкой, зависит не только от режима подачи воздуха, но и от действующих сопротивлений и может носить достаточно сложный нелинейный (кусочно-линейный) характер

В цикловых манипуляционных погрузчиках с поршневым приводом традиционного устройства движение исполнительного органа формируется из следующих основных этапов ускорение при пуске и торможение при остановке, между ними имеет место более-менее равномерное, равноускоренное или равнозамедленное перемещение.

В модернизированном манипуляционном погрузчике с поршневым приводом и системой рекуперации энергии может быть реализован совершенно особый режим работы — автоколебательный Автоколебательный режим работы манипуляционного погрузчика характеризуется отсутствием непроизводительных потерь энергии и отсутствием высокочастотных составляющих в динамических нагрузках.

Для работы манипуляционного погрузчика с поршневым приводом наибольший интерес представляет автоколебательный режим, при котором цикличность перемещений происходит на собственной частоте манипуляционной системы.

Подставив в уравнение движения манипулятора любой (нелинейный, кусочно-линейный) закон движения робота, ставшее нелинейным уравнение, можно решить на РС ЭВМ численным методом и получить точные кинематические и динамические параметры движения исследуемого кинематического звена

Для получения аналитического решения, что предпочтительнее с точки зрения углубленного анализа параметров закономерностей движения манипулятора в широком диапазоне, любой нелинейный закон движения пневмопривода, используя метод Фурье, можно представить набором

гармонических функций с любой степенью приближения, а затем, подставив ею в уравнение, найти аналитическое решение. Опыт показывает, что для инженерных целей можно ограничится 1-ым или 2-ым приближениями.

Для достижения поставленных в диссертации целей была сформирована принципиально новая универсальная модель манипуляциоиной системы погрузчика, суть которой заключается в оснащении погрузчика рекуперативно-тормозным блоком (рис. 9). Он дает возможность модернизировать существующие пневматические манипуляторы транспортных роботов путем простой установки блока без каких-либо переделок основного оборудования (рис. 10), а так же разрабатывать новые системы с учетом компенсационных свойств встраиваемого элемента.

Рис. 9. Пневмоцилиндр, оснащенный реку ператив!?то -тормозным блоком.

Рис, 10. Проектное решение оснащения механизма выдвижения-втягивания руки с боковым схватом для штучных грузов с поршневым приводом и рекуперативно-тормозным блоком.

Рекуперативно-тормозноЙ блок представляет собой отдельный функциональный элемент, выполненный в виде бес штоков пиевмопвдшндра, поршень которого жестко соединен с упругим элементом - пружиной (см. рис. 9). С основным приводным цилиндром он связывается пневмомагистралями через систему пневматических кранов с электромагнитным управлением. Управление кранами позволяет не вытравливать воздух в атмосферу при торможении, а направлять его в рекуперативно - тормозной блок для воздействия на упругий элемент с целью накопления потенциальной энергии. Кроме того, управляя задержкой включения пневмокранов можно добиться достаточно высокого уровня сохранения энергии при движении Исполнительного органа с грузом и без неЕ"о.

Пружина работает в режиме сжатия-растяжения таким образом, что при ходе поршня блока благодаря вытравливанию давления воздуха из любой полости основного пневмопилиндра она накапливает в себе потенциальную энергию, которую использует при последующем разгоне

кинематического звена в начале следующего цикла движения обратным вытравливанием сжатого воздуха.

Универсальная математическая модель поступательного кинематического звена циклового манипуляционного погрузчика с поршневым приводом и рекуперационно-тормозным блоком позволяет воспроизводить любые конфигурации возбуждения, собственные характеристики системы «манипулятор-привод», всевозможные режимы работы и торможения при наличии или в отсутствии рекуперативной системы

При полигармоническом (на практике импульсном) воздействии

D

пневматического привода (разложенном в ряд Фурье вида х0 =Хл sm(co„t),

i

п

х„=2>г» sin((0nt)) нелинейное уравнение поступательного движения в

i

направлении оси X подвижных частей (масс) механизма выдвижения-вдвижения захвата, манипулятора приведенное к единичной массе имеет вид-

Х + 2(пс+п0) Х + Я,(2 \ nt Х-кт р?-х)+р*-х =

О

= £-Ро Zr„-sm(cont)+£ 2-п0 со ]Гг„ cos((ü„t)T cos(<» t), i

где X - перемещение захвата, X'- скорость движения захвата, X -ускорение движения захвата, пс — коэффициент приведенных вязких сопротивлений рабочей среды(воздуха), ро, по — приведенные упруго-гистерезисные параметры пневмопривода (упругие свойства и потери вследствие деформаций рабочей среды - воздуха); pt, nt — приведенные упруго-гистерезисные параметры в рекуперативно-тормозном блоке, X — логический переключатель режимов работы рекуперативно-тормозного блока (включение-выключение) и его накопительных (А<) и возвратных (Xf) свойств, являющийся элементом управления, ^ — логический переключатель режимов работы привода (включение-выключение), являющийся элементом управления, г„ — амплитуды n-ных гармоник привода, соп — круговые частоты n-ных гармоник привода, t — время работы системы.

В рабочий цилиндр привода манипулятора рабочая среда (сжатый воздух) подается в соответствии с командами системы управления электропневматическим распределителем Система управления формирует командный сигнал на подачу рабочей среды из расчета обеспечения необходимого перемещения поршня пневмопривода Хо, обусловливающего выдвижение поступательного кинематического звена манипулятора на заданное расстояние X, при этом выдвижение руки манипулятора, при условии не сжимаемости рабочей среды и не

деформируемости подводящих трубопроводов, однозначно определяется перемещением поршня рабочего цилиндра X = Хо Однако в действительности система (рабочая среда, подводящие магистрали) обладает упруго-гистерезисными свойствами и в реальном механизме X не равно Хо Поэтому, для обеспечения физической достоверности точности расчетов следует учитывать упруго - гистерезисные свойства системы пневматического привода

Используя более высокие гармоники (пятую, седьмую и т д ) можно проанализировать работу системы при любом нелинейном возбуждении (рис 11)

Ф ~ Ф

а) б)

Рис 11 Расчетные кинематические характеристики пневматического манипуляционного погрузчика с рекуперативно-тормозной системой при возбуждении а) близком к гармоничному, б) близком к бигармоничному хб, х'б — соответственно перемещение и скорость системы, Ф — угол фазовой системы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате проведения комплекса натурных экспериментальных и математических исследований разработаны методы повышения эксплутационной эффективности портовых манипуляционных пневмопогрузчиков с поршневым приводом в отношении повышения быстродействия, грузоподъёмности, снижения энергопотребления и динамической нагруженности.

2. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования на промышленном манипуляторе ПР- 10И по определению рабочих параметров. Эксперименты проведены с использованием комплекса датчиков регистрации основных параметров процесса (перемещения, скорости, ускорения, давления, точности позиционирования и др расчетно-экспериментальные), аналого-цифрового преобразователя и компьютерной обработки полученной информации Экспериментальные

исследования позволили выявить основные недостатки традиционной системы и сформулировать главные задачи ее модернизации

3 Разработана принципиально-конструктивная схема рекуперативно-тормозного блока механизма выдвижения-вдвижения захвата с пневмоприводом и сформирована компьютерная программа его расчета и выбора эффективных режимов работы поршневых манипуляционных погрузчиков в условиях погрузо-разгрузочного портового хозяйства Сравнение характеристик пневматического манипуляционного погрузчика традиционного типа без рекуперационно-тормозного блока (рис 4 и 6) и модернизированного варианта с системой рекуперации энергии (рис. 11, а и б) показывает, что модернизированная модификация как при гармоническом возбуждении (рис 11, а), так и при полигармоническом (рис 11, б) отличаются плавностью в работе и существенно более низкими динамическими нагрузками Анализ показывает также, что модернизированный манипуляционный погрузчик имеет существенно более низкий расход энергии При одинаковом уровне динамической нагруженности у него также выше быстродействие

4 Составлены расчетные модели и дано математическое описание механизма выдвижения-вдвижения захвата манипуляторов с пневмоприводом, учитывающие упруго-диссипативные свойства рабочей среды (сжатого воздуха), рассмотрены как традиционные системы, так и комплексы оснащенные пневмопружинными накопителями энергии и рекуперативным блоком Разработана универсальная модель механизма выдвижения-вдвижения захвата манипуляторов с пневмоприводом любой компановки и сформировано программное обеспечение для выбора эффективных режимов работы и проектирования манипуляционных погрузчиков с пневматическим приводом как традиционной компоновки, так и модернизированных Разработанные методы расчета и проектирования адаптированны к требованиям инженерных расчетов

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1 Гончаревич И Ф, Никулин К С. Динамика портовых роботов-погрузчиков с компенсацией динамических нагрузок (рекуперацией энергии) с учетом массы перемещаемого груза- Тезисы докладов/ МГТУ им. Н Э Баумана, 1997.

2 Гончаревич И Ф., Никулин К С. Использование компьютерных технологий для исследования динамики портовых роботов-погрузчиков с компенсацией динамических нагрузок в условиях переменности масс перемещаемого груза: Тезисы докладов/ МГА водного транспорта, 1998

3 Гончаревич И.Ф., Никулин К.С Методы компенсации динамических нагрузок и рециркуляции энергии поступательных кинематических звеньев промышленных роботов: Тезисы докладов/ МИИТ, 1999

4 Гончаревич И Ф, Никулин К С. Исследование пневматических роботов-погрузчиков с рекуперативно-тормозным блоком, предназначенных для перегрузочных работ в портах Тезисы докладов/ МГСУ, 2000

5 Гончаревич И Ф , Никулин К С Разработка и определение параметров рекуперативно-тормозной системы поступательных кинематических звеньев портового робота-погрузчика Сборник научных работ/ МГА водного транспорта, 2000

6 Гончаревич И Ф, Никулин К С Разработка гибкого управления пневматическим роботом-погрузчиком с рекуперативно-тормозным блоком Тезисы докладов/МГТУ им НЭ Баумана, 2001

7 Гончаревич И Ф, Никулин К С Идентификация компьютерной модели промышленного пневматического циклового манипулятора Материалы международной научно-технической конференции ИНТЕРСТРОИМЕХ-2003/Волжский инженерностроительный институт (филиал) ВолгГАСА, 2003

8 Гончаревич ИФ, Никулин КС К вопросу о статическом уравновешивании манипуляторов пневматических цикловых роботов Тезисы докладов/ МГА водного транспорта, 2003

9. Гончаревич И Ф, Никулин К С Экспериментально - аналитические исследования путей повышения эксплуатационной надежности портовых цикловых манипуляторов с поршневым приводом Тезисы докладов/ МГА водного транспорта, 2004

10 Гончаревич ИФ, Никулин КС Исследование натурных манипуляционных систем с поршневым приводом, идентификация и дальнейшее развитие математических моделей портовых погрузчиков с рекуперационно-тормозным блоком Тезисы докладов/ МГА водного транспорта, 2006

11 Никулин К. Анализ необходимости роботизации перегрузочных работ в портах. Речной транспорт (XXI век), №5,2006, с 67-69

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Выбор объекта и направления проведения исследований

1.2. Анализ существующих систем рециркуляции энергии и компенсации динамических нагрузок с целью выявления путей повышения эффективности приводов роботов, внедряемых в перегрузочные работы в портах

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ЦИКЛОВОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА ПР-10И

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОХОДЯЩИХ В КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЗВЕНЬЯХ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ТИПА МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПОГРУЗЧИКА С ПНЕВМОПРИВОДОМ

Современный порт насыщен большим числом техники для погрузочно-разгрузочных работ. Геометрические (пространственные) и силовые параметры определяются размерами грузовых мест, транспортных средств и складов, технологическими задачами. Машины предназначены для различных технологических операций и поэтому разделяются на главные для переноса груза между транспортными средствами и складами и вспомогательные для укладки груза в транспортных средствах и складах. Наиболее характерные представители этих машин — портальный кран и авто- и электропогрузчики. Они создавались традиционными методами машиностроения, позволили существенно повысить коэффициент механовооруженности, а затем уровень комплексной механизации (УКМ). Но, не смотря на это, сегодня в технологических операциях на погрузочно-разгрузочных работах занято большое число докеров-механизаторов и достаточно много используется ручного труда. Многолетние попытки автоматизировать работу портальных кранов были малоэффективными. К тому же, постоянно возрастающие тарифы за пребывание судов в портах, требования быстрой оборачиваемости транспортных средств выдвигают неотложную необходимость всемерного ускорения погрузо-разгрузочных операций как с массовыми, так и со штучными грузами. Одновременно должны выполнятся общие тенденции снижения энергопотребления и повышение общей надежности перегрузочного оборудования.

Дальнейшее решение проблемы возможно методами робототехники, возникшей на стыке механики, электроники и бионики. Это определило в настоящее время технические возможности создания манипуляционных и робототехнических систем под практические потребности перегрузочных и других работ в портовом хозяйстве.

В речных портах находят применение различные погрузчики для перегрузки пакетов, контейнеров и тарно-штучных грузов. Специальные портальные погрузчики применяют для многоярусной укладки крупнотоннажных контейнеров на складе.

Основное назначение погрузчиков — перегружать штучные грузы на причалах, складах и других открытых территориях при загрузке-разгрузке грузовых автомобилей, железнодорожных вагонов и судов.

Опыт применения поршневых цикловых манипуляционных погрузчиков с элементами программного управления в погрузо-разгрузочных операциях на предприятиях различных отраслей промышленности и в транспортных системах свидетельствует об их технической эффективности и экономической целесообразности использования.

Можно с определённой степенью уверенности прогнозировать целесообразность их применения на перегрузочных операциях и в портовом хозяйстве, если осуществить их надлежащую адаптацию к соответствующим условиям эксплуатации. Это прежде всего повышение грузоподъемности и быстродействия, снижение энергопотребления и динамической нагруженности существующих цикловых манипуляционных погрузчиков с поршневым приводом. Эту модернизацию целесообразно провести, так как этот тип погрузчиков по прочим показателям характеризуется простотой устройства и обслуживания, невысокой стоимостью.

Проблема адаптации поршневых цикловых манипуляционных погрузчиков решается в настоящей работе на основе фунаментальной концепции и с использованием методов построения систем циклического принципа действия.

Применение в аналогичных условиях разработанных модернизированных манипуляционных погрузчиков позволит усовершенствовать традиционные погрузо-разгрузочные технологические процессы. Из этого вытекает необходимость исследования принципиальных динамических особенностей цикловых систем и определения путей повышения их эксплуатационной эффективности.

Системам, работающим в циклических режимах, к которым относятся манипуляционные погрузчики, характерен режим движения с частыми остановками (старт-стопный режим). В этом режиме возникают некоторые нежелательные с эксплуатационной точки зрения свойства. Работа таких систем характеризуется частыми переменами направления движений их кинематических звеньев сопровождающимися остановками, обнулением скоростей перемещения и полной потерей внутренней энергии (у быстродействующих - в основном кинетической энергии и потенциальной - у тихоходных установок). У таких систем потребление энергии определяется не столько величиной выполняемой полезной работы и неизбежными потерями от внешних и внутренних сопротивлений, а главным образом, необходимостью каждый раз после завершения цикла и очередной остановки возобновлять запас её внутренней энергии. При некоторых режимах работы, перемещениях в поле сил тяжести, преобладают потери потенциальной энергии. Это относится к механизмам подъёма циклового манипулятора. При подъёме потенциальная энергия системы возрастает, при опускании рассеивается тормозной демпферной системой. Таким образом, для систем рассмотренного класса, если не принимать специальных мер, характерен нерациональный расход энергии. Вследствие этого, например, для роботов традиционного устройства, на кинематических звеньях которых невозможно устанавливать мощные двигатели, по энергетическим причинам ставится почти непреодолимый барьер увеличению их быстродействия.

Старт-стопные режимы работы обусловливают также повышенные динамические нагрузки при пусках и особенно при торможениях системы, связанные с особенно интенсивной на этих этапах циркуляцией энергии.

Поэтому решение проблем цикловых систем должно сосредотачиваются, главным образом, на формировании методов рекуперации энергии, динамического и статического уравновешивания движущихся частей. При этом очень важно разработать критерии оценки целесообразности и выбора методов аккумулирования энергии и уравновешивания того или иного механизма или машины.

Для поршневых цикловых погрузчиков могут использоваться два вида уравновешивания статическое и динамическое. Источником статической неуравновешенности, является гравитационное поле, динамической - силы инерции, возникающие при движении кинематических звеньев с переменными ускорениями. Статическое уравновешивание обеспечивает разгрузку приводов от статических моментов, создающихся силами тяжести кинематических звеньев и перемещаемого груза. Динамическое уравновешивание способствует разгрузке приводов от сил и моментов инерции. Для компенсации сил инерции Могут быть применены специальные системы, содержащие различные модификации накопителей энергии.

Комплекс исследований и разработок, проводимых в настоящей работе и направленный на повышение быстродействия и грузоподъемности поршневых манипуляционных погрузчиков, как за счет сокращения продолжительности рабочего цикла и соответствующей настройки системы на автоколебательные режимы, так и вследствие частичной автоматизации работы манипуляционного погрузчика, снижение общего энергопотребления и динамической нагруженности, в результате принципа рекуперации энергии, обуславливает общую актуальность темы диссертации. Кроме того, разработанные устройства для динамического уравновешивания сил инерции движущихся частей погрузчика и рекуперации энергии в системах представляют интерес и с общетехнической точки зрения для широкого класса механизмов с пневматическим приводом, работающих в цикловых режимах.

Цель настоящей работы заключается в повышении эксплуатационных показателей циклового манипуляционного погрузчика с пневматическим поршневым приводом.

Задачами исследований являются:

1. Модернизация наиболее динамически нагруженного в манипуляционном погрузчике механизма поступательного движения выходного звена.

2. Создание автономных рекуперационно-тормозных блоков, обеспечивающих максимальное повышение быстродействия, снижение непроизводительных затрат энергии и динамической нагруженности системы.

3. Адаптация к условиям эксплуатации современных портов поршневых манипуляционных погрузчиков благодаря их модернизации, повышающей его эксплуатационные показатели.

4. Разработка программного продукта для выбора параметров модернизированных манипуляционных погрузчиков циклического действия с поршневым приводом, адаптированного к инженерной практике.

Научная новизна работы:

1. Составлены модели и дано математическое описание функционирования механизма поступательного движения рабочего органа манипуляционных погрузчиков с пневматическим приводом, пружинным накопителем энергии и рекуперативно-тормозным блоком с учетом упруго-гистерезисных свойств рабочей среды.

2. Разработана методика компьютерных исследований динамики моделей механизма поступательного движения рабочего органа с учетом упруго-гистерезисных свойств пневмопривода.

3. Разработана методика экспериментальных исследований динамики механизма поступательного движения рабочего органа пневматического манипуляционного погрузчика типа ПР10И с использованием аналого-цифрового преобразователя с получением данных в цифровом виде.

4. Разработана математическая модель и компьютерная программа расчета для выбора эффективных режимов работы и проектирования механизмов поступательного движения рабочего органа.

Достоверность результатов исследований динамики движения механизма поступательного перемещения рабочего органа манипуляционного погрузчика с пневматическим приводом и компенсационной рекуперативно-тормозной системой обоснована результатами математического моделирования на ПЭВМ с использованием современной компьютерной программы MATHCAD-2001 и экспериментальными исследованиями пневматического манипуляционного погрузчика ПР10И, выполненными на современном аналого-цифровом оборудовании и последующего сравнения на ПЭВМ результатов математического и натурного экспериментов в цифровой форме.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- решены поставленные задачи и созданы практические предпосылки для обеспечения эффективного использования пневматических манипуляционных погрузчиков в портовом перегрузочном комплексе;

- разработана система компенсации динамических нагрузок в подвижных частях системы в момент остановки;

- разработан рекуперативно-тормозной блок для модернизации существующих пневматических систем циклического действия и дана методика их расчета;

- сформирована инженерная методика и программный продукт для выбора параметров пневмопривода механизма поступательного движения рабочего органа манипуляционных погрузчиков.

В принципиальном плане практическое значение работы состоит в том, что реализация выполненных разработок способствует решению проблемы модернизации и эффективного использования цикловых манипуляционных погрузчиков с поршневым приводом и усовершенствования погрузо-разгрузочных технологий в портовом хозяйстве.

На защиту выносится:

1. Составление модели и математическое описание функционирования механизма поступательного движения рабочего органа манипуляционных погрузчиков с пневматическим приводом, оснащенных пневмо-пружинным накопителем энергии и рекуперативно-тормозным блоком с учетом упруго-гистерезисных свойств рабочей среды.

2. Разработанная методика компьютерных исследований динамики моделей механизма поступательного движения рабочего органа с учетом упруго-гистерезисных свойств пневмопривода.

3. Разработанная методика экспериментальных исследований динамики механизма поступательного движения рабочего органа аналога пневматического манипуляционного погрузчика типа ПР10И с использованием аналого-цифрового преобразователя с получением данных в цифровом виде.

Апробация работы.

Основные результаты работы опубликованы и доложены на:

- Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1997 и 2001 года в МГТУ им. Н.Э. Баумана;

- Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1998 года в МГАВТ;

- Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1999 года в МГУПС (МИИТ);

- XXI научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московской Государственной академии водного транспорта 1999 года в МГАВТ;

- Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортная техника» 2000 года в МГСУ;

- 2-ой Международной конференции «Молодые ученые -промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения» 2000 года в МГТУ им. Н.Э. Баумана;

- Международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2003» в филиале Волжского инженерно-строительного института;

- Десятой московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» 2006 года в МГАВТ;

- Заседании технического совета Московского Южного речного порта.

Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре ППТМиР МГАВТ в курсах «Роботы и манипуляторы» и «Робототехнические комплексы». Основные разделы работы использованы при выполнении отчетов о НИР «Исследование динамики робота-погрузчика с системой рециркуляции энергии» и «Исследование комбинированной системы торможения и рекуперации энергии движущихся частей портового робота-погрузчика и перемещаемого груза»

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате проведения комплекса натурных экспериментальных и математических исследований разработаны методы повышения эксплутационной эффективности портовых манипуляционных пневмопогрузчиков с поршневым приводом в отношении повышения быстродействия, грузоподъёмности, снижения энеропотребления и динамической нагруженности.

2. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования на промышленном пневматическом манипуляторе по определению рабочих параметров системы поступательных перемещений кинематического звена с пневмоприводом; эксперименты проведены с использованием комплекса датчиков регистрации основных параметров процесса (перемещения, скорости, ускорения, давления, точности позиционирования и др. расчетно-экспериментальные), аналого-цифрового преобразователя и компьютерной обработки полученной информации. Экспериментальные исследования позволили выявить основные недостатки традиционной системы и сформулировать главные задачи ее модернизации.

3. Разработана принципиально-конструктивная схема рекуперативно-тормозного блока и сформирована компьютерная программа его расчета и выбора эффективных режимов работы поршневых манипуляционных погрузчиков в условиях погрузо-разгрузочного портового хозяйства.

Сравнение характеристик пневматического манипуляционного погрузчика традиционного типа без рекуперационно-тормозного блока и модернизированного варианта с системой рекуперации энергии показывает, что модернизированная модификация как при гармоническом возбуждении, так и при бигармоническом отличаются плавностью в работе и существенно более низкими динамическими нагрузками. Анализ показывает также, что модернизированный манипуляционный погрузчик имеет также существенно более низкий расход энергии. При одинаковом уровне динамической нагруженности у него также выше быстродействие.

4. Составлены расчетные модели и дано математическое описание поступательных пневматических звеньев манипуляторов с пневмоприводом, учитывающие упруго-диссипативные свойства рабочей среды (сжатого воздуха); рассмотрены как традиционные системы, так и комплексы оснащенные пневмо-пружинными накопителями энергии и рекуперативным блоком. С использованием динамических моделей разработана компьютерная методика и сформировано программное обеспечение для выбора эффективных режимов работы и проектирования поступательных кинематических звеньев манипуляционных погрузчиков с пневматическим приводом как традиционной компоновки, так и с рекуперативно-тормозным блоком. Разработанные методы адаптированны к требованиям инженерных расчетов.

1. Отчет о научно-исследовательской работе «Провести исследования и определить сферу применения роботов и манипуляторов на перегрузочных работах в портах», ЛИВТ, Л., 1988 г., № Гос. регистрации 0.186.0055828.

2. Отчет по теме 899 по плану МРФ 6-ЗГ «Разработка системы автоматизированной разгрузки складов (силосов) апатита», ЛИВТ, Л., 1967 г.

3. Отчет о научно-исследовательской работе «Разработать автоматизированную систему управления машинами циклического действия», ЛИВТ, Л., 1987 г., № Гос. регистрации 0186.00558.27.

4. Ю.Г. Козырев «Промышленные роботы. Справочник», М., Машиностроение, 1988 г., 392 с.

5. П. Скотт «Промышленные роботы переворот в производстве», Сокр. перев. с англ. под ред. Л.И. Волчкевича, М., Экономика, 1987 г., 304 с.

6. М.В. Малахов, Н.А. Нейбергер, Г.Н. Сидорин «Монтаж, наладка, эксплуатация и ремонт промышленных роботов», М., Металлургия, 1989 г., 224 с.

7. УДК 62-85.001.24, А.А. Парой «К расчету пневмоприводов с торможением», Вестник машиностроения, М., 1995, №5, с. 8-13.

8. J1.M. Виноградов, Ю.Н. Лаптев, С.Г. Телица и др. «Пневмо-гидроаккумуляторы», под ред. проф. Ю.Н. Лаптева, М., Машиностроение, 1993 г., 176 с.

9. Д.М. Беркович, «Силы инерции в технике и их уравновешивание», М., Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Киев, МАШГИЗ, 1963 г., 101 с.

10. Н.В. Гулиа, «Инерция», М., Наука, 1982 г., 152 с.

11. Н. Маховичный, «Накопители энергии», М., Знание, 1980 г., Серия «Техника», №7, 64 с.

12. УДК 621.865.8-8, Е.И. Семенов, М.А. Крючков, А.Ю. Выжигин «Анализ методов увеличения быстродействия пневмоприводов поступательного перемещения промышленных роботов для листовой штамповки», Вестник машиностроения, М., 1996, № 6, с. 38-40.

13. АЛ. Степанов «Портовое перегрузочное оборудование», М., Транспорт, 1996, 328 с.21. «Справочник эксплуатационника речного транспорта», Под ред.ак. С.М. Пьяных, М., Транспорт, 1995, 360 с.

14. И. И. Мачульский, В. П. Запятой, Ю. П. Майров «Робототехнические системы и комплексы», М.: Транспорт, 1999, 446 с.

15. Е. Е. Иванов, С. М. Тихоненков «Выбор параметров уравновешивания шарнирно-балансирных манипуляторов», Вестник машиностроения, 1986, №4, с. 42-44.

16. В. М. Зябликов, В. Ф. Смирнов «Оптимальное построение механических систем и гашение динамических нагрузок», Вестник машиностроения, 1995, №10, с. 3-8.

17. А. Г. Овакимов «Кинетостатика передач манипуляторов с приводными двигателями на основании», Вестник машиностроения, 1997, №4, с. 8-12.

18. К. JI. Навроцкий «Универсальная программа и методика динамического расчета на ЭВМ систем приводов машин», Вестник машиностроения, 1997, №6, с. 24-28.

19. Н. В. Гулиа, А. Г. Серх, В. В. Сергунин «Инерционный накопитель для робототележки», Вестник машиностроения, 1987, №2, с. 18-19.

20. Н. М. Беляев, Е. И. Уваров, Ю. М. Степанчук «Пневмо-гидравлические системы: Расчет и проектирование», М.: Высшая школа, 1988, 272 с.

21. Е. В. Герц «Динамика пневматических систем машин», М.: Машиностроение, 1985, 256 с.

22. А. С. Донской «Моделирование переходных процессов в пневматических системах», Санкт Петербург: Санкт Петербургский Государственный университет технологии и дизайна , 1998, 205 с.

23. И. Юрай «Проектирование гидравлических и пневматических систем», Перевод со словацкого Д. К. Рапопорта, Д.: Машиностроение, 1983, 383 с.

24. М. М. Мордасов, А. В. Трофимов «Анализ и синтез пневматических устройств», М.: Машиностроение, 1999, 100 с.

25. В. А. Федорец, А. В. Педченко, А. В. Кухарец «Расчет пневматических цикловых систем», Киев: Техника, 1981, 184 с.

26. А. И. Добролюбов «Механизмы на гибких и упругих элементах», Минск: Наука и техника, 1984, 120 с.1.c.ieOoeanue комбинированной тормозной си an см ы с рекуперацией энергии в условиях переменностимассы.

27. Решение дифференциальнО?о уравнения методам Гунге-Кутта

28. Зада кие немодных параметров системы: Лm т 500 СО» 10 Ct=20 тш 2 1с0® 5 kt ■ 9000 Сс • 100 С я C0+ Ссш 4пО Iп0 101. СО 2 m1. ГкТрО = — рО =0.11. J mnC I1. Сс 2 ■ mС2 ■ mnC = 0.1п 10.1nt1. Ct 2 mktpt. -■J mnt = 0.02pt = 4.243

29. Количество расчетных шагов (точек);st 1000

30. Исследование динамики движения системы в условиях переключения ре ж и мов работы.

31. Н ~— t2 := 42 ■ —*— t3 tm $ • —— t4:=<H tS := ф5180. «>180. м180. а1.O- ш180. шф5 := фО ч- ф5 фб := ф0 + 46 ф7 := ф0 + ф7180.«6 ;= ф •180. шt7 := ф7 ■180. соаst

32. Jtf(t) :=if(tl S t <t2,l,tf(t4S t < 15,1,0)) *i(t) :«iflt2 5 t < t3,-J,ifl[t5 £ t < t6,-l,if(tl S t < t3,l,iftt4 fi t < t6,1,0))))

33. Графический анализ работы переключателей.17 = 1.745ю о5(0 1 X(t)о0.4