автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование и оптимизация параметров демпфера механизма подъема стрелы лесного манипулятора сортиментовоза

На правах рукописи

Сидоров Анатолий Аркадьевич

48421

26

ОБОСНОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЕМПФЕРА МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА СТРЕЛЫ ЛЕСНОГО МАНИПУЛЯТОРА СОРТИМЕНТОВОЗА

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 ДПР 2011

Воронеж-2011

4842126

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Воронежская государственная лесотехническая академия" (ГОУ ВПО ВГЛТА).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Емтыль Зауркан Камболетович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пошарников Феликс Владимирович

доктор технических наук, профессор Сюнев Владимир Сергеевич

Ведущая организация: ГНУ ВНИИЛМ «Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства»

Защита диссертации состоится « 29 » апреля 2011 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (394613, г.Воронеж, ул.Тимирязева, д.8, зал заседания - аудитория 240).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия) (ГОУ ВПО ВГЛТА).

Автореферат размещен на официальном сайте академии: E-mail: vglta@vglta. vrn.ru

Автореферат разослан « 25 » марта 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Скрыпников А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Развитие научно-технического прогресса в лесном комплексе России невозможно без создания эффективной техники, сочетающей в себе новые технические решения, обеспечивающие снижение динамической нагруженности, металлоемкости, энергоемкости, вредного воздействия на окружающую среду и оператора. Важное значение в решении этой задачи имеет применение машин манипуляторного типа в лесном комплексе при сортиментной вывозке древесины. Анализ исследования динамики гидропривода лесных манипуляторов показывает, что рабочие процессы механизмов подъёма стрелы сопровождаются большими динамическими нагрузками, вызывающими резкие скачки давления рабочей жидкости в пуско-тормозных режимах. Захват длинномерных сортиментов не всегда осуществляется по центру их тяжести, поэтому при остановках манипулятора в промежуточных положениях происходит раскачивание груза, которое вызывает колебательные процессы и знакопеременные напряжения в металлоконструкции, что снижает их надежность и производительность. Отказы в работе гидропривода составляют 30 % от общего количества отказов по машинам манипуляторного типа. Существующие демпфирующие устройства срабатывают только в конечных положениях поршней гидроцилиндров.

Решению задач создания высокоэффективных конструкций лесных манипуляторов сортиментовозов препятствует недостаточная изученность влияния демпфирующих устройств на снижение динамической нагруженности и повышение производительности сортиментовозов.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ГОУ ВПО "ВГЛТА" "Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного комплекса" (№ гос. регистрации 01.2.00609242).

Степень разработанности проблемы. Вопросами исследования рабочих процессов манипуляторов при заготовке древесины занимались такие ученые, как В.Н. Андреев, В.А. Александров, К.Н. Баринов, И.М. Бартенев, В.Н. Винокуров, З.К. Емтыль, Ю.Ю. Герасимов, П.М. Мазуркин, Ю.М. Жданов, Ф.В. Пошарников, П.И. Попиков, В.И. Казаков, Ю.А. Ширнин, B.C. Сюнев, A.M. Цыпук и др.

Из анализа теоретических исследований параметров существующих технических устройств для снижения динамической нагруженности и колебательности переходных процессов гидропривода лесных манипуляторов следует, что наиболее перспективными являются дополнительные демпферы, подключенные в гидропривод подъема стрелы манипуляторов. Однако рабочие процессы и параметры дополнительных демпферов недостаточно исследованы, особенно при промежуточных положениях поршней гидроцилиндров, при остановках манипулятора, при погрузке и разгрузке сортиментов.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности работы лесных манипуляторов сортиментовозов путем совершенствования механизма подъема стрелы манипулятора за счёт обоснования и оптимизации параметров дополнительного демпфирующего устройства.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Обосновать гидрокинематическую схему лесного манипулятора сор-тиментовоза с дополнительным демпфером;

2. Разработать математическую модель рабочих процессов гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора с дополнительным демпфером для уменьшения колебаний давления рабочей жидкости при промежуточных положениях поршня гидроцилиндра;

3. Получить экспериментальные зависимости динамических характеристик гидропривода механизма подъёма стрелы манипулятора с подключением дополнительного демпфера;

4. Обосновать и оптимизировать параметры демпфера гидропривода механизма подъема манипулятора, реализовать в опытной конструкции и определить ожидаемый экономический эффект от его внедрения.

Предмет и объект исследования. Объектами исследования являются демпфер, гидропривод, манипулятор сортиментовоза.

Предметом исследования является математическая модель, методы и алгоритмы поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров манипулятора с дополнительным демпфером.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая базы исследования. Теоретические исследования базировались на математическом моделировании рабочих процессов гидроманипуляторов. Решение систем дифференциальных уравнений осуществлялось с применением численного интегрирования на ЭВМ. Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается сопоставлением данных теоретических, лабораторных и производственных экспериментов.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Математические модели рабочих процессов механизма подъема стрелы, позволяющие учесть влияние конструкции и параметров демпфера на динамическую нагруженность манипулятора в различных режимах.

2. Динамические и конструктивные параметры дополнительного демпфера, позволяющие усовершенствовать гидросистему механизма подъема стрелы манипулятора сортиментовоза.

3. Закономерности изменения давления рабочей жидкости в гидроприводе механизма подъема стрелы манипулятора сортиментовоза, позволяющие оптимизировать параметры дополнительного демпфера.

4. Рекомендации по общей компоновке гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора, оснащенного дополнительным демпфером, позволяющие повысить качество и эффективность рабочего процесса манипулятора сортиментовоза.

Научная новизна результатов исследования

1. Разработаны математические модели рабочих процессов механизма подъема стрелы манипулятора с дополнительным демпфером, отличающиеся учетом влияния конструкции и параметров демпфера на динамическую нагруженность и производительность манипулятора в различных режимах.

Программа решения модели на ЭВМ подтверждена свидетельством №2009610503.

2. Обоснованы динамические параметры механизма подъема стрелы с дополнительным демпфером, отличающиеся оптимальными значениями, полученными по критериям снижения динамической нагруженности манипулятора сортиментовоза в рабочих режимах.

3. Установлены закономерности изменения давления рабочей жидкости в гидроприводе механизма подъема манипулятора сортиментовоза, отличающиеся учетом параметров дополнительного демпфера

4. Обоснована компоновка дополнительного демпфера в гидроприводе механизма подъема манипулятора, отличающаяся учетом динамических характеристик элементов гидропривода в рабочих процессах лесного манипулятора сортиментовоза.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в установлении влияния конструктивных и технологических параметров дополнительного демпфера на работу гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора; получении математической модели рабочих процессов манипулятора сортиментовоза; разработке нового демпфера гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора, новизна которого подтверждена патентом на полезную модель № 89091.

Разработанные на основе математического моделирования алгоритмы, программы для моделирования работы демпфера гидросистемы манипулятора сортиментовоза, рекомендации по выбору параметров дополнительного демпфера, влияющих на работу гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора, используются в ОАО "Майкопский машиностроительный завод", конструкторском бюро ЦОКБлесхозмаш, учебно-опытном лесхозе ВГЛТА и в учебном процессе ГОУ ВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия" при подготовке инженеров лесотехнического профиля.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства (критерий п. 8 «Положение о порядке присуждения ученых степеней» Минобрнауки России).

Апробация и реализация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2005-2010 гг.), на технических советах ОАО "Майкопский машиностроительный завод, ЦОКБлесхозмаш, а также заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия».

Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 14 научных печатных работах, в том числе 3-в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 1 патент на полезную модель и 2 свидетельства государственной

регистрации программ для ЭВМ рабочих процессов гидропривода манипулятора с дополнительным демпфером.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающего 146 наименований. Общий объем работы-157 страниц, включающих 130 страниц основного текста, 10 таблиц, 50 рисунков, приложения на 27 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и научные положения, выносимые на защиту, научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость, результаты внедрения.

В первом разделе проведен анализ исследований лесных манипуляторов, применяемых при сортиментной вывозке древесины, при рубках ухода за лесом, сформулированы задачи исследований.

Вопросами исследования рабочих процессов манипуляторов при заготовке древесины занимались такие ученые, как В.Н. Андреев, В.А. Александров, К.Н. Баринов, И.М.Бартенев, В.Н. Винокуров, З.К. Емтыль, Ю.Ю. Герасимов, П. М. Мазуркин, Ю.М. Жданов, Ф. В. Пошарников, П.И. Попиков, В.И. Казаков, Ю.А. Ширнин, B.C. Сюнев, A.M. Цыпук и др.

Из анализа исследований рабочих процессов манипуляторов и параметров существующих технических устройств для снижения динамической нагруженности и колебательности переходных процессов гидропривода следует, что наиболее перспективными являются дополнительные демпферы, подключенные в гидропривод подъема стрелы манипуляторов. Однако рабочие процессы и параметры дополнительных демпферов недостаточно исследованы, особенно при промежуточных положениях поршней гидроцилиндров при остановках манипулятора, при погрузке и разгрузке сортиментов.

Во втором разделе приводятся обоснование гидрокинематической схемы механизма подъема стрелы лесного манипулятора с дополнительным демпфером и его влияния на динамику гидропривода в рабочих процессах.

Предлагается новый механизм подъема стрелы манипулятора лесозаготовительной машины (патент на полезную модель №89091), содержащий гидроцилиндр и дополнительный демпфер, плунжер которого образует с корпусом две изолированные полости, причем объемы полостей демпфера, соединенные со штоковой и поршневой полостями гидроцилиндра, относятся между собой как объемы штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра (рис. 1). При захвате бревен их центр тяжести бывает смещен относительно оси захватного устройства, поэтому возникает дополнительный момент от сил тяжести сортиментов MsP, действующий в горизонтальной плоскости, который вызывает раскачивание груза. В начале подъема стрелы 1 рабочая жидкость поступает в поршневую полость 2 гидроцилиндра и одновременно в поршневую полость 3 демпфера 4, перемещая плунжер 5 влево. При этом жидкость из штоковой полости 6 демпфера дросселируется в штоковую полость 7 гидроцилиндра, тем самым гасится всплеск давления. При опускании

6

стрелы плунжер перемещается вправо и жидкость дросселируется в поршневую полость демпфера. При остановках манипулятора в промежуточных положениях гидролинии становятся запертыми, и колебания сортиментов в вертикальной плоскости гасятся аналогичным образом.

Рисунок 1 - Схема механизма подъема стрелы манипулятора с дополнительным демпфером (а) и расчетная схема гидроцилиндра (б)

I»

га

■Ш1" ЦюЦш 'И12 "ш' ' "Ш1

га у

ш

5 Ыв

\ч\

Рисунок 2 - Расчетная схема демпфера

При моделировании механической подсистемы учитываются два механических процесса: вращательное движение стрелы манипулятора вокруг точки О (рис. 1) и поступательное движение плунжера вдоль оси демпфера (рис. 2). При моделировании гидравлической подсистемы гидравлическая

система манипулятора, оснащенная демпфером, представляется в виде шести отдельных полостей, содержащих рабочую жидкость: поршневая и штоковая полости гидроцилиндра (обозначены буквами "П" и "Ш" на рис. 1); запираемые полости демпфера "П2" и "Ш2"; полости сброса рабочей жидкости демпфера "П1" и "Ш1". Полости соединены друг с другом с помощью трубопроводов и дросселирующих отверстий. Для запирания жидкости в полостях демпфера гидросистема содержит обратные клапаны, которые также учитываются в модели.

Математическая модель рабочего процесса механизма подъема с дополнительным демпфером включает три уравнения: движения стрелы манипулятора с учетом колебаний груза (сортиментов), движения плунжера демпфера и уравнение расходов рабочей жидкости:

Л1

.5Фг-4)"

+ ¿/7 + ¿-А' ХГ

- wcg¿c соб а - гпслЬ0 соэ а -

Ф.т-4)

тдхд=Рт

ял

к 1

^тс^а ^ > ! 4 "

лЛ1

— хЛ 7

(1)

(2)

ХГ7Ю}

+ а,.Рп+-

цяЧ А-И!Р1(Р-Р^§Р~-

Уп с1Рг

^ (3)

4; " " 4£ £ Л

где /с и /о - моменты инерции стрелы и груза, кг-м2; а - угол поворота стрелы, рад; Р Рщ - давление в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра, Па; - внутренний диаметр гидроцилиндра, м; (1Г~ диаметр штока, м; ¿д - расстояние от шарнира О до точки А крепления гидроцилиндра, м; £вх, ¿ву - декартовы координаты точки В крепления гидроцилиндра относительно шарнира О, м; Ьш- длина штока, м; Ьп - ширина поршня, м; ¿я, - расстояние от границы рабочей полости гидроцилиндра до точки его крепления, м; хг -ход поршня гидроцилиодра, м; тс - масса стрелы, кг; ¿с - расстояние от шарнира О до центра тяжести стрелы С, м; та - масса груза, кг; ¿0 - расстояние от шарнира О до точки О приложения силы тяжести груза, м; кТС - коэффициент вязкого трения при вращательном движении стрелы, Нс/м; т - масса плунжера, кг; хд - ход плунжера демпфера, м; Рпь ^т, Р]пг~ Давление в соответствующих полостях демпфера, Па; ¿п, - диаметры

запираемых полостей демпфера, м; к„ - коэффициент вязкого трения плунжера при пере-

з

мещении в поршне, Нс/м; - рабочий объем насоса, м /об; пн - частота вращения насоса, с'1; / - время, с; ау - коэффициент утечек, м5/Н-с; ц - коэффициент расхода; с/у- диаметры дросселей соответствующих полостей демпфера, м; р — плотность рабочей жидкости, кг/м3; Л, Р] - давление в соответствующих полостях демпфера, Па; Е - объемный модуль упругости рабочей жидкости, Па; Уп- объем рабочей полости гидроцилиндра, м3.

Из уравнения движения стреловой группы рассчитывается угловое ускорение стрелы:

я(р2г-С!2гУ\Ьа 5т(а + у)тЩ, 4

1

^ + JG

Р яОг " 4

'-'ВУ +

+ ^Я + ^К + хг

- тс^Ьс сое а - magLG соэ а - кТСЬ2аак

затем, по формулам, реализующим модифицированный метод Эйлера для дифференциального уравнения второго порядка, определяется новое угловое

ак = о*'1 + ak'lAt + v ; . dk = d*"1 + ak At

положение стрелы а и угловая скорость ак :

ак{А()2

Далее расчет переходит на следующую итерацию к + 1.

По известным давлениям в полостях демпфера рассчитываются силы, действующие на плунжер, и затем рассчитывается новое положение и скорость плунжера. При этом для интегрирования уравнения движения плунжера демпфера используется также численный метод - модифицированный метод Эйлера:

д

тд

mij

\

Р _'Ил-Р " р _4LL-P ""ш j- k

'п 1 л пг ^ Гш\ л ГШ2 л ЛдЛд

5(4)

(5)

хкд=х1~1+хдЫ. (6)

По сравнению с базовым методом Эйлера, имеющим первый порядок погрешности, данный метод имеет третий порядок погрешности для координаты и второй для скорости, а сама вычислительная схема является эффективной и устойчивой.

Расчет начинается с того, что по текущему значению угла а подъема стрелы определяется длина гидроцилиндра. При перемещении поршня гидроцилиндра или плунжера демпфера изменяются объемы Ут соответствующих полостей (т - означает индекс полости) и давление рабочей жидкости:

ук _ ук~1

7— (7)

V

т

Производится учет перетекания жидкости из одной полости в другую под влиянием разности соответствующих давлений, возможны следующие варианты перетекания жидкости:

П-»П1; П—>П2; П1->П2; П2—П1; Ш->Ш1; Ш1-+Ш; Ш—Ш2; Ш1-»Ш2; Ш2—>Ш1.

Например, перетекание П —> П1:

D п К=Уп'-кПП1УР^%Аг;

если гп > Рт, то 1 Vk _ Л/ы , . /р _р At. (8) где

tvm_ vni "l"K-nniV п rnim>

кпп - коэффициент дросселирования, кш = /жi- J—.

~ \Р

Для решения системы дифференциальных уравнений, положенной в основу модели, и для проведения различных компьютерных экспериментов с моделью составлена компьютерная программа "Программа для моделирования демпфера гидросистемы манипулятора лесовозного автопоезда" на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.0.

1--.......

1 1 ! Рт®

( ч - "

к,--, ——-—........

/ 1-,дм Рп(1)

Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009610503. Компьютерный эксперимент с моделью заключается в подъеме и опускании стрелы манипулятора с быстрым запиранием магистралей в промежуточных положе ниях. При этом фиксируются временные зависимости давления в поршневой и штоко-вой полостях гидроцилиндра Рп(0 и ЫО (рис. 3).

Рисунок 3 - Изображение, выводимое на экран монитора

Решены задачи оптимизации трех функций, в которых комбинируются переменные: Рптах(с1к, аа), Рпт^кп, И ЛГ^К, К) (рис. 4), где К- масштабный коэффициент демпфера. Анализируя каждую из поверхностей отклика, представленную с помощью линий уровня, можно условно разделить факторное пространство на две области: благоприятную (заштрихована на рис. 5), в которой критерий оптимизации принимает искомые минимальное или максимальное значения, и неблагоприятную. В качестве границы между благоприятной и неблагоприятной областью экспертным путем выбирается некоторая линия уровня. В данном случае для всех трех функций в качестве границы была выбрана изолиния давления Ртгх = 15 МПа.

Рп

1\ Л 1 * \

МП" 5 I \ X

\\А \ \ "

ТТ V

I !/ ч •

10-1 4 5 1 1 I ч

I \

4Л ! Ч^У"*/' ^

77-

I

/тг 1/1

пнм/г

шМп'

УУУх^Т! 1т'

■ -Тли

Рисунок 4 - Поверхности отклика />п"т№, ЛГ^кп, Рп™Чс1к, К)

Анализ конфигурации благоприятных областей в факторных пространствах Рптах(<^к, ¿и), />птах(^кп, и />птах(</к, К) позволяет сделать выводы о выборе оптимальных параметров демпфера. При увеличении диаметра с1ц и одновременном уменьшении с/к оптимальный диаметр дросселирующего ка-

нала уменьшается с 4-5 до 2-3 мм. Диаметр дросселирующего канала с!т можно выбирать любым, начиная со значения 2 мм, так как он практически не влияет на Ртах, а диаметр с/иц должен находиться в узком диапазоне от 3,5 до 5 мм. Эффективность демпфирования можно несколько повысить (примерно на 20 %) за счет увеличения размеров демпфера

а б в

Рисунок 5 - Благоприятные области факторного пространства (заштрихованы) на поверхностях отклика, представленных линиями уровня

В третьем разделе изложена программа экспериментальных исследований, описаны лрименяемое оборудование и методика проведения исследований. Для лабораторных исследований используется серийный манипулятор ЛВ-210, установленный на сварную раму, в гидропривод механизма подъема

Рисунок 6 - Общий вид манипулятора ЛВ-210 с контрольно-измерительной аппаратурой и демпфером

стрелы был подключен дополнительный демпфер 1, спроектированный и изготовленный диссертантом на кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин ВГЛТА (рис. 6). В трубопроводы демпфера подключен датчик давления 2 рабочей жидкости фирмы Danfoss 6. Сигналы от датчика подавались через модули аналогового ввода-вывода (ADAM-4017 и ADAM -4016) на преобразователь интерфейса RS-232/RS-485 (ADAM-4520) и далее обрабатывались ЭВМ.

Экспериментальные исследования динамики гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора проводились по методике планирования полнофакторного эксперимента в рамках подъема, остановки, опускания стрелы.

11

Учитывались следующие факторы: X] - диаметр дросселирующего канала демпфера dk, Х2 - диаметр полости демпфера dn; которые изменялись в следующих пределах dK =2; 4; 6 мм, dn=20; 30; 40 мм. Кроме того, исследовались зависимости пиковых давлений в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра механизма подъема стрелы от диаметров дросселирующих каналов (dK=l; 2; 3; 4; 5; 6; 7 мм) при всех рабочих режимах манипулятора.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований. На рис. 7 представлены образцы полученных осциллограмм переходных процессов гидропривода стрелы манипулятора с подключением дополнительного демпфера. При помощи программы Statistica 7 на основании полученного статистического материала были построены гистограммы распределения давления, которые позволяют предварительно оценить нормальность эмпирического распределения.

Рп, МПа

20 15 10 О 15 10 О

Рисунок 7 - Образцы полученных осциллограмм переходных процессов гидропривода стрелы манипулятора с подключением дополнительного демпфера

По результатам экспериментов построены зависимости максимального давления в гидросистеме от диаметра дросселя поршневой полости параметра

dK (рис. 8). Установили, что оптимальные диаметры дросселирующих каналов демпфера, при которых демпфер не оказывается "запертым" и в то же время хорошо гасит импульсы давления, составляет около 4 мм для поршневой полости и около 2 мм для штоковой.

На основании проведения полнофакторного эксперимента и в результате расчетов с использованием Microsoft Excel ХР получено следующее уравнение регрессии второго порядка в кодированном виде: Y = 45.29+10.87х,х2 +8.88x2,

где xi - диаметр дросселирующего канала демпфера cfe х2 - диаметр полости демпфера dn.

При решении уравнения регрессии получен график зависимости давления рабочей жидкости от параметров <4 и d„ (рис. 9), который подтверждает теоретические исследования.

без демпфера

—1 - 1

с демпфером

10 12 t, с

Рисунок 8 - Влияние диаметра дросселирующих каналов на пиковое давление в гидросистеме

В пятом разделе определена технико-экономическая эффективность применения сортиментовоза, оборудованного манипулятором с дополнительным демпфером. В результате производственных испытаний в учебно-опытном лесхозе ВГЛТА при вывозке сортиментов с применением лесного манипулятора Атлант-С 70-10 (ЛВ-184А-10) с дополнительным демпфером в гидросистеме и без него установлены исходные данные для расчёта основных показателей экономической эффективности.

Годовая производительность увеличилась на 18 % за счет сокращения времени колебательных процессов гидропривода в рабочих режимах манипулятора, а также сокращения прогнозируемого количества отказов элементов гидропривода из-за снижения динамической нагруженности.

Общие выводы и рекомендации

1. При рубках ухода за лесом в малолесных районах целесообразно применять автопоезда-сортиментовозы с лесными манипуляторами. Совершенствование гидравлической системы с целью снижения динамической нагруженности можно достичь за счёт применения в механизме подъема стрелы нового демпфера, гасящего колебания давления при переходных процессах.

2. Разработана имитационная модель функционирования манипулятора с демпфирующим устройством в гидросистеме с учетом колебаний груза в вертикальной плоскости. Модель воспроизводит основные физические процессы, происходящие в механической и гидравлической подсистемах манипулятора и позволяет по заданным параметрам манипулятора, демпфера, режимам работы и условиям эксплуатации определить временные зависимости давления в основных элементах гидросистемы.

3. Оснащение механизма подъема манипулятора ЛВ-184А-06 демпфером предлагаемой конструкции приводит к существенному снижению пиковых давлений в гидросистеме, возникающих при резком запирании гидронасоса. Пиковое давление в магистрали поршневой полости гидроцилиндра снижается примерно на 47 %, в магистрали штоковой полости - примерно на 25 %. Длительность колебаний давления рабочей жидкости при переходных процессах в рабочих режимах уменьшается на 1,5-2 сек.

4. Анализ конфигурации благоприятных областей в факторных пространствах Рптах(с/к, ¿п), Рп^Ш, <4-ш) и />п"их№> К) показал, что при увеличении диаметра с!н и одновременном уменьшении с1к оптимальный диаметр дросселирующего канала уменьшается с 4-5 до 2-3 мм. Диаметр дросселирующего канала с/кп можно выбирать любым, начиная со значения 2 мм, так как он практически не влияет на Ртт, а диаметр ¿юн должен находиться в уз-

Рисунок 9 - Зависимости давления рабочей жидкости от диаметров дроссельных отверстий с!к и плунжера демпфера с/п

ком диапазоне от 3,5 до 5 мм.

5. Эффективность демпфирования можно несколько повысить (примерно на 20 %) за счет увеличения размеров демпфера, однако при этом возрастает металлоемкость демпфера и появляются сложности его размещения в пределах конструкции манипулятора. При оптимальном диаметре дроссельного отверстия равном 4 мм, диаметр полости демпфера dn, соединенной с поршневой полостью гидроцилиндра, должен быть равен 30 мм. Оптимальное соотношение диаметров dnl с1ш = 2,3.

6. Годовая производительность сортиментовоза увеличилась на 18 % за счет сокращения времени колебательных процессов гидропривода в рабочих режимах манипулятора, а также сокращения прогнозируемого количества отказов элементов гидропривода из-за снижения динамической нагруженно-сти. Годовой экономический эффект от внедрения демпфера на лесном манипуляторе составляет 63292,32 руб., при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,2 года.

Основные публикации по теме диссертации

Печатные работы, входящие в перечень изданий, рекомендованных ВАК к публикации при представлении кандидатской диссертации

1. Сидоров, А. А. Исследование функционирования манипулятора с демпфирующим устройством в гидросистеме с применением ЭВМ [Текст] / А. А. Сидоров // Вестник КрасГАУ. - 2009. - №. 9. - С. 187-190.

2. Сидоров, А. А. Моделирование работы гидропривода механизма подъема стрелы лесного манипулятора [Текст] / А. А. Сидоров, JI. Д. Бухтоя-ров // Вестник КрасГАУ. - 2009. - № 10. - С. 112-115.

3. Бухтояров Л.Д., Попиков П.И., Сидоров A.A. Оптимизация параметров демпфера гидропривода механизма подъема стрелы лесного манипулятора [Текст] / Л.Д. Бухтояров, П.И. Попиков, A.A. Сидоров // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. Архангельск. - 2011. - № 6. - С. 102-105.

Статьи и материалы конференции

4. Попиков П.И. Обоснование параметров демпферов гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора [Текст] / П. И. Попиков, М. В. Драпалюк, А. А. Сидоров // Лес. Наука. Молодежь-2004: сб. материалов по итогам науч.-исслед. работы молодых ученых за 2004 год, посвящ. 75-летию со дня рождения проф. А. В. Веретенникова / ВГЛТА. - Воронеж, 2005. - С. 109-111.

5. Емтыль З.К. Обоснование параметров демпфера гидропривода технического оборудования манипуляторного типа лесовозного автопоезда [Текст] / 3. К. Емтыль, П. И. Попиков, Л. Д. Бухтояров, А. А. Сидоров // Вестник Центрально-Черноземного регионального отделения наук о лесе Российской академии естественных наук Воронежской государственной лесотехнической академии. / Под. ред. проф. Л. Т. Свиридова - Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2007. - Вып. 5. - С. 135-138.

6. Емтыль З.К. Математическое моделирование рабочего процесса механизма поворота манипулятора с демпфером [Текст] / 3. К. Емтыль, П. И.

Попиков, А. А. Сидоров, С. Н. Батищев // 70 лет кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии. / Под ред. проф. И.М. Бартенева - Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2007. - С. 131-133.

7. Попиков П.И. Усовершенствование гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора [Текст] / П. И. Попиков, А. А. Сидоров, С. В. Долженко // 70 лет кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии. / Под ред. проф. И.М. Бартенева - Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2007. - С. 63-66.

8. Попиков П.И. Оптимизация положения гидроцилиндров манипулятора с учетом демпфирования динамических нагрузок [Текст] / П. И. Попиков, А. А. Сидоров // 70 лет кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии. / Под ред. проф. И.М. Бартенева - Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2007. - С. 165-169.

9. Попиков П.И. Компьютерное моделирование переходных процессов в гидросистеме манипулятора, оснащенного демпфером [Текст] / П. И. Попиков, A.A. Сидоров, В.В. Посметьев // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. B.C. Петровского; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2008. - С. 85-88.

10. Сидоров A.A. Математическое моделирование динамики гидропривода механизма подъема стрелы лесного манипулятора с дополнительным демпфером [Текст] / A.A. Сидоров, П.И. Попиков, В.В. Посметьев, Л.Д. Бух-тояров // Лес. Наука. Молодёжь - 2008: Материалы по итогам научно-исследовательской работы молодых учёных ВГЛТА за 2007-2008 годы / Под ред. Л.Т. Свиридова; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». -Воронеж, 2008. - С. 121-126.

11. Сидоров A.A. Теоретическое исследование динамики гидропривода лесного манипулятора с дополнительным демпфером [Текст] / А. А. Сидоров, Л. Д. Бухтояров, П.И. Попиков, В. В. Посметьев: Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2008. - С. 34. - 17 ил. Рус. Деп. в ВИНИТИ. 30.10.08, № 844-В2008.

12. Сидоров A.A. Систематическое исследование функционирования манипулятора с дополнительным демпфером гидропривода механизма подъема стрелы [Текст] / А. А. Сидоров // Лес. Наука. Молодёжь - 2008: Материалы по итогам научно-исследовательской работы молодых учёных ВГЛТА за 2007-2008 годы / Под ред. Л.Т. Свиридова; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2008. - С. 116-121.

13. Емтыль З.К. Программная реализация математической модели динамики гидропривода механизма подъема стрелы лесного манипулятора с дополнительным демпфером [Текст] / 3. К. Емтыль, А. А. Сидоров, Л. Д. Бухтояров, В. В. Посметьев // Вестник Воронежской государственной лесотехнической академии / Под. ред. проф. Л. Т. Свиридова; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2009. - Вып. 1 (6). - С. 151-155.

14. Сидоров А.А. Последовательность вычислений в процессе компьютерного моделирования динамики гидропривода механизма подъема стрелы лесного манипулятора [Текст] / А. А. Сидоров // Вестник Воронежской государственной лесотехнической академии / Под. ред. проф. Л. Т. Свиридова; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2009. -Вып. 2 (7).-С. 141-150.

Патенты и свидетельства

15. Пат. на полезную модель 89091 РФ , МПКВ 66 С 13/42. Гидропривод грузоподъемного механизма [Текст] / П. И. Попиков, Л. Д. Бухтояров, А. А. Сидоров ; заявитель и патентообладатель ВГЛТА . - № 2009119635/22 ; заявл. 25.05.2009 ; опубл. 27.11.2009.

16. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2008613437 РФ. Программа оптимизации положения гидроцилиндров манипуляторов с учетом инерционных нагрузок и податливости гибких элементов гидропривода [Текст] / П. И. Попиков, В. П. Попиков, Л. Д. Бухтояров, А. А. Сидоров, С. В. Долженко ; заявитель и правообладатель ВГЛТА - № 2008612521 ; заявл. 05.06.08 г.; опубл. 18.07.2008.

17. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2009610503 РФ. Программа для моделирования работы демпфера гидросистемы манипулятора лесовозного автопоезда [Текст] / П. И. Попиков, А. А. Сидоров, В. И. Посметьев, С. В. Долженко ; Заявитель и патентообладатель ВГЛТА; зарег. 19.01.2009.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.034.02 или выслать ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», ученому секретарю.

Тел. 8-4732-53-72-40, факс 8-4732-53-72-40, 8-4732-53-76-51.

Сидоров Анатолий Аркадьевич

ОБОСНОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЕМПФЕРА МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА СТРЕЛЫ ЛЕСНОГО МАНИПУЛЯТОРА СОРТИМЕНТОВОЗА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 14.03.2011 г. Заказ № 423.

_Объем - 1 усл. п. л. Тир. 100 экз._

Типография «Истоки». 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 73. Тел. 253-57-97.

Введение.

1 Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Современные технологии лесозаготовок.

1.2 Анализ конструкции машин манипуляторного типа для сортиментной заготовки.:.

1.3 Анализ исследований динамики гидропривода механизма подъема манипуляторов.

1.4 Выводы.

1.5 Задачи исследования.

2 Теоретическое исследование динамики механизма подъема манипулятора с дополнительным демпфером.

2.1 Обоснование гидрокинематической схемы механизма подъёма». стрелы манипулятора с дополнительным демпфером.

2.2 Методика математического моделирования.

2.2.1 Общая методика построения модели.

2.2.2 Моделирование механической подсистемы.

2.2.3 Моделирование гидравлической подсистемы.

2.2.4 Последовательность вычислений в процессе численного интегрирования системы уравнений.

2.2.5 Программная реализация модели.

2.2.6 Особенности проведения компьютерного эксперимента.

2.2.7 Входные параметры и выходные характеристики математической модели.•.

2.3 Систематическое исследование функционирования манипулятора, оснащенного демпфером.

2.3.1 Стратегия систематического исследования.'.

2.3.2 Базовый компьютерный эксперимент с типичными значениями входных параметров.

2.3.3 Снижение пикового давления при оснащении гидросистемы демпфером.

2.3.4 Влияние конструктивных параметров демпфера.

2.3.4.1 Влияние эффективности дросселирования.

2.3.4.2 Влияние размеров демпфера1.'.69213.4.3 Влияние диаметров запираемых.полостей демпфера-.

2.315 Эффективность демпфера для других типов манипуляторовí.

2.4 Оптимизация параметров демпфера.

2.4.1 Особенности решения задачи оптимизации.

2.4.2 Двухфакторная оптимизация конструктивных параметров демпфера

2.5 Выводы.

3 Программа и методика экспериментальных исследований.

3.1 Программа исследований.

3.2 Оборудование, применяемое в экспериментальных исследованиях.

3.3 Методика проведения экспериментальных исследований.

3.4 Методика планирования полнофакторного эксперимента при двухфакторной.оптимизации параметров демпфера.

4 Результаты экспериментальных исследований.

4.1 Экспериментальные исследования динамики гидропривода механизма, подъема манипулятора.

4.2 Результаты планирования полнофакторного эксперимента при двухфакторной оптимизации параметров демпфера.

4.3 Выводы.'.

5.2 Расчет экономической эффективности-.

Актуальность исследования. Развитие научно-технического прогресса в лесном комплексе России невозможно без» создания эффективной техники, сочетающей в себе новые технические решения, обеспечивающие снижение динамической нагруженности, металлоемкости, энергоемкости, вредного воздействия на окружающую среду и оператора. Важное значение в решении этой задачи имеет применение машин манипуляторного типа в лесном комплексе при сортиментной вывозке древесины. Анализ исследования динамики гидропривода лесных манипуляторов показывает, что рабочие процессы механизмов подъёма стрелы сопровождаются большими динамическими нагрузками, вызывающими резкие скачки давления рабочей жидкости в пуско-тормозных режимах. Захват длинномерных сортиментов не всегда осуществляется по центру их тяжести, поэтому при остановках манипулятора в промежуточных положениях происходит раскачивание груза, которое вызывает колебательные процессы и знакопеременные напряжения в металлоконструкции, что снижает их надежность и производительность. Отказы в работе гидропривода составляют 30 % от общего количества отказов по машинам манипуляторного типа. Существующие демпфирующие устройства срабатывают только в конечных положениях поршней гидроцилиндров.

Решению задач создания высокоэффективных конструкций отечественных манипуляторов сортиментовозов препятствует недостаточная изученность влияния демпфирующих устройств на снижение динамической нагруженности и повышение производительности сортиментовозов.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ГОУ ВПО "ВГЛТА" "Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного комплекса" (№ гос. регистрации 01.2.00609242).

Степень разработанности проблемы. Вопросами исследования рабочих процессов манипуляторов при заготовке древесины занимались такие ученые, как В.Н. Андреев, В.А. Александров, К.Н. Баринов, И.М.Бартенев, В.Н.

Винокуров, З.К. Емтыль, Ю.Ю. Герасимов; П. М. Мазуркин, Ю.М. Жданов, Ф. В. Пошарников, П.И. Попиков, В.И. Казаков, Ю.А. Ширнин, B.C. Сюнев, А.М. Цыпук и др.

Из анализа теоретических исследований параметров существующих технических устройств для снижения динамической нагруженности и колебательности переходных процессов гидропривода лесных манипуляторов следует, что наиболее перспективными являются дополнительные демпферы, подключенные в гидропривод подъема стрелы манипуляторов. Однако рабочие процессы и параметры дополнительных демпферов недостаточно исследованы, особенно при промежуточных положениях поршней гидроцилиндров при остановках манипулятора при погрузке и разгрузке сортиментов.

Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение эффективности работы лесных манипуляторов сортиментовозов путем совершенствования механизма подъема стрелы манипулятора за счёт обоснования и оптимизации параметров дополнительного демпфирующего устройства.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Обосновать гидрокинематическую схему лесного манипулятора с дополнительным демпфером;

2. Разработать математическую модель рабочих процессов гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора с дополнительным демпфером для уменьшения колебаний давления рабочей жидкости при промежуточных положениях поршня гидроцилиндра;

3. Получить экспериментальные зависимости динамических характеристик гидропривода механизма подъёма стрелы манипулятора с подключением дополнительного демпфера;

4. Обосновать и оптимизировать параметры демпфера гидропривода механизма подъема манипулятора, реализовать в опытной конструкции и определить ожидаемый экономический эффект от его внедрения.

Предмет и объект исследования. Объектами исследования являются демпфер* гидропривод, манипулятор сортиментовоза.

Предметом исследования является математическая модель, методы» и алгоритмы поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров манипулятора с дополнительным демпфером.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая базы исследования. Теоретические исследования базировались на. математическом моделировании рабочих процессов гидроманипуляторов. Решение систем дифференциальных уравнений осуществлялось с применением численного интегрирования на ЭВМ. Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается сопоставлением данных лабораторных и производственных экспериментов.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Математические модели рабочих процессов механизма подъема, стрелы, позволяющие учесть влияние конструкции и параметров демпфера на динамическую нагруженность манипулятора в различных режимах.

2. Динамические и конструктивные параметры дополнительного демпфера, позволяющие усовершенствовать гидросистему механизма подъема стрелы манипулятора сортиментовоза.

3. Закономерности изменения; давления рабочей жидкости в гидроприводе механизма подъема стрелы манипулятора сортиментовоза,. позволяющие оптимизировать параметры дополнительного демпфера.

4. Рекомендации по общей компоновке гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора, оснащенного дополнительным демпфером, позволяющие повысить качество и эффективность рабочего процесса манипулятора сортиментовоза.

Научная новизна результатов исследования:

1. Разработаны математические модели рабочих процессов механизма подъема стрелы манипулятора с дополнительным демпфером, отличающиеся учетом влияния конструкции и параметров демпфера на динамическую нагруженность и производительность манипулятора в различных режимах.

Программа решения модели на ЭВМ подтверждена свидетельством №2009610503.

2. Обоснованы динамические параметры механизма подъема стрельъ манипулятора с дополнительным демпфером, отличающиеся оптимальными' значениями, полученными по критериям снижения динамической нагружен-ности манипулятора в рабочих режимах.

3. Установлены закономерности изменения давления рабочей жидкости в гидроприводе механизма подъема манипулятора сортиментовоза, отличающиеся учетом параметров дополнительного демпфера.

4. Обоснована компоновка дополнительного демпфера в гидроприводе механизма подъема манипулятора, отличающаяся учетом динамических характеристик элементов гидропривода в рабочих процессах лесного манипулятора сортиментовоза.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость заключается в установлении влияния конструктивных и технологических параметров дополнительного демпфера на работу гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора; получении математической модели рабочих процессов манипулятора сортиментовоза; разработке нового демпфера гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора, новизна которого подтверждена патентом на полезную модель №•89091.

Разработанные на основе математического моделирования алгоритмы, программы для моделирования работы демпфера гидросистемы манипулятора сортиментовоза, рекомендации по выбору параметров дополнительного демпфера, влияющих на работу гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора, используются в ОАО «Майкопский машиностроительный завод», конструкторском бюро ЦОКБлесхозмаш, учебно-опытном лесхозе ВГЛТА и в учебном процессе ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» при подготовке инженеров лесотехнического профиля.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности;

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.01 — Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства, (критерии п. 8 «Положение о порядке присуждения ученых степеней» Министерства образования и науки России).

Апробация и реализация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной; работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2005-2010 гг.), на технических советах ОАО «Майкопский машиностроительный завод», учебно-опытном лесхозе ВГЛТА, ЦОКБлесхозмаш, а также заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии.

Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 14 научных работах, из них 3 работы - в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК Федерального агентства по образованию РФ, 1 патент на полезную модель и 2 свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ рабочих процессов гидропривода манипулятора с дополнительным демпфером.

Структура диссертации. Диссертационная работа сострит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающих 146 наименований. Общий объем работы 157 страниц, включающий 130 страниц основного текста, 10 таблиц, 50 рисунков; 11 приложений на 27 страницах.

X Состояние вопроса иг задачи .исследования