автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности сельскохозяйственных манипуляторов за счет улучшения динамических характеристик гидропривода

Волгофадская государственная сельскохозяйственная академия

На правах рукописи

НЕСМИЯНОВ Иван Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ ЗА СЧЕТ УЛУЧШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОПРИВОДА

05.20.01- Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени л кандидата технических наук /

Научный руководитель; доктор технических наук, профессор

Строков В.Л. Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Лапынин Ю.Г.

Волгоград -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................4

1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТО ЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИ Я....................................................................................8

1.1. Способы снижения динамических нагрузок в гидроприводе

сельскохозяйственных погрузочных манипуляторов...................8

1.2. Силовые гидроцилиндры с упруго - демпфирующими связями для погрузочных и подъемно-транспортных машин......19

1.3. Основные положения в области разработки и проектирования упруго - демпфирующих связей................................................23

1.4. Выводы по главе, цель и задачи исследования...........................27

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОПРИВОДА ПОГРУЗОЧНОГО МАНИПУЛ ЯГОРА ПРИ НАЛИЧИИ В НЕМ УПРУГО-ДЕМПФИРУЮЩИХ СВ ЯЗЕЙ....................................... ....................29

2.1. Предпосылки теоретического исследования................................29

2.2. Анализ динамики гидропривода рукояти погрузочного манипулятора с упругими связями.........................................................32

2.3. Динамическая модель гидропривода рукояти погрузочного манипулятора...................................................................................34

2.4. Методика проведения факторного теоретического исследования...................................................................................50

2.4.1. Анализ математической модели.........................................56

2.4.2. Анализ решения дифференциальных уравнений..............56

2.5. Результаты теоретических исследований.....................................58

2.5.1. Изучение поверхностей отклика с помощью двумерных сечений................................................................60

2.5.2. Анализ результатов теоретических исследований............64

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................69

3.1.Объект и задачи экспериментального исследования...................69

3.2.Методика экспериментального исследования...............................75

3.2.1. Экспериментальная установка...............................................75

3.2.2. Методика проведения факторного эксперимента................88

3.3. Оценка достоверности и методика обработки результатов экспериментального исследования................................................89

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИХ АНАЛИЗ.........................................................................................93

4.1. Результаты оптимизации параметров гидроцилиндров с упругими элементами.......................................................................93

4.2. Динамика гидропривода при упругом соединении поршня

со штоком в гидроцилиндре рукояти.............................................99

4.3. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований...................................................................107

5. СПОСОБ СНИЖЕНИ ЯДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО УПРАВЛЕНИ Я ЗОЛОТНИКАМИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ................................................112

6. ЭКОНОМИЧЕСКА Я ЭФФЕКТИВНОСТЬ И МЕТОДИКА ВЫБОРА УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛ Я СОЕДИНЕНИ Я ПОРШН Я СО ШТОКОМ В ГИДРОЦИЛИНДРАХ.......................................................121

6.1. Экономическая эффективность применения упруго - демпфирующих связей в гидроприводе погрузочного манипулятора... 121

6.2. Методика выбора упругого элемента в соединении поршня

со штоком........................................................................................122

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ...........................................124

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................134

Введение

Сельскохозяйственное производство характеризуется большим удельным весом малообъемных рассредоточенных погрузочно-разгрузочных, ремонтных, вспомогательных, подсобных и других работ, связанных с подъемом и перемещением грузов.

Количество штучных и затаренных грузов в процессе производства сельскохозяйственной продукции достигает 40...45% от общей номенклатуры сельскохозяйственных грузов [23]. И эта цифра не является конечной, в период роста производства сельскохозяйственной продукции и выхода из экономического кризиса появится тенденция к увеличению категории штучных грузов.

В условиях развития рыночных отношений и появлением мелких сельскохозяйственных предприятий требуются недорогие, малогабаритные и унифицированные погрузчики, к которым относятся и погрузочные манипуляторы, имеющие пространственный исполнительный механизм в виде треугольной пирамиды. Подобные манипуля-торные погрузчики отличаются простым конструктивным решением переноса стрелы и грузозахватного органа в трехмерном пространстве, небольшими габаритами и массой конструкции, повышенной степенью унификации узлов и деталей.

Развитие подъемно-транспортного оборудования может осуществляться по двум направлениям:

1. Количественный рост и расширение номенклатуры.

2. Техническое совершенствование конструктивных и эксплуатационных параметров машин в соответствии с поставленными задачами.

Если первый путь предполагает использование значительных капиталовложений и трудовых ресурсов, что практически не осуществимо в настоящий период упадка машиностроительной промышлен-

ности, то идя по второму пути задача может быть решена за счет разработки новых модификаций и усовершенствование серийных образцов. При этом конструктивные решения должны быть как можно проще и дешевле с высокими показателями эффективности.

Как правило все погрузочные манипуляторы имеют гидравлический привод. Одним из направлений совершенствования гидрофици-рованных погрузчиков является улучшение динамических характеристик гидропривода. Ведь с уменьшением динамических нагрузок в гидросистеме, увеличивается ресурс гидроагрегатов и узлов, снижение колебаний давления влечет повышение срока службы уплотни-тельных элементов.

Созданию и исследованию динамики и устойчивости навесных погрузочных манипуляторов сельскохозяйственного назначения с исполнительным механизмом на основе треугольной пирамиды посвящены работы В.И. Пындака, В.Л. Строкова, В.М. Герасуна, A.A. Корсакова, А.П. Потемкина, А.И. Удовкина, А.Ф. Рогачева, Ю.П. Те-плякова. Практически единственным исследованным способом снижения динамических нагрузок в гидроприводе погрузочных манипуляторов было применение пневмогидроаккумулягоров.

В связи с этим настоящая работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию нерегулируемого гидропривода навесного погрузочного манипулятора специальной конструкции с упруго-демпфирующими связями и направлена на повышение эффективности гидропривода сельскохозяйственных погрузочных машин.

В результате решения поставленных задач был предложен рад технических решений, повышающих эффективность навесного погрузочного манипулятора, за счет снижения колебаний давления в гидроприводе и уменьшения динамических нагрузок. Эти задачи были решены введением в гидропривод и гидродвигатели погрузочного ма-

нипулягора упруго - демпфирующих элементов, которые и стали объектом исследования.

Научная новизна - работы заключается в оптимизации параметров упруго - демпфирующей связи и места ее установки для получения наибольшей эффективности в снижении динамических нагрузок в гидроприводе сельскохозяйственных погрузчиков и погрузочных манипуляторов. На исследованное в настоящей работе упругое соединение поршня со штоком подано заявление на получение патента РФ на изобретение.

Достоверность разработанных положений, выводов и рекомендаций подтверждена достаточной сходимостью результатов факторного теоретического и экспериментального исследований, актом внедрения, апробацией на научных конференциях разного уровня.

Практическая значимость заключается в выработке рекомендаций, частично реализованных в экспериментальных образцах, и направленных на повышение эффективности работы погрузочных машин за счет повышения плавности работы гидродвигателей поступательного движения и снижения динамических нагрузок. Предложена методика подбора упругих элементов для щцроцилиндров.

Основные положения выполненной работы были доложены и обсуждены на 5 научных конференциях Волгоградской ГСХА (19941999 гг), I, III, IV межвузовских конференциях студентов и молодых ученых (1995-1998 гг).

Доклад на IV межвузовской конференции студентов и молодых ученых был отмечен третьей премией.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель гидропривода рукояти погрузочного манипулятора с упругими связями в щцродвигателе.

2. Результаты экспериментальных исследований по определению эффективности упруго - демпфирующих связей в гидроприводе навесного погрузочного манипулятора.

3. Результаты технико-экономической оценки использования

упругих связей в гидроприводе погрузочного манипулятора.

* * #

Считаю своим долгом выразить благодарность сотрудникам кафедры «Сопротивление материалов, детали машин и ПТМ» и особо Хавронину В.П. и Гаджибутаеву М.Г. за помощь при изготовлении и внедрении экспериментальных образцов.

1. Современное состояние вопроса и задачи исследования

1.1.Способы снижения динамических нагрузок в гидроприводе сельскохозяйственных погрузочных манипуляторов

В сельскохозяйственном производстве широкое применение находят тракторные и автомобильные погрузчики, краны и прочее грузоподъемное оборудование различного назначения - стреловые грузоподъемные средства периодического действия.

Характерная особенность грузоподъемных машин - значительные нагрузки на механизмы от веса поднимаемого груза и низкие скорости движения механизмов, работа в повторно - кратковременном режиме, ударное нагружение.

Около 80% отказов современных грузоподъемных машин в основном связано с динамическими нагрузками, которые приводят к повышенному изнашиванию трущихся элементов, усталостному разрушению деталей механизмов, появлению недопустимых остаточных деформаций [3].

Развитие мобильных сельскохозяйственных и подъемно-транспортных машин неразрывно связано с применением в них гидропривода, особенностями которого являются многоконтурность гидравлических схем, наличие одновременно работающих в различных режимах несколько гидродвигателей.

Динамические нагрузки в металлоконструкции и колебания элементов погрузочных машин воздействуют через гидрощшиндры на динамику гидросистемы в целом, вызывая гидроудары и колебания в гидросистеме привода. Это приводит к повышенному износу сопрягаемых деталей гидроцилиндров, усталостному разрушению элементов гидроагрегатов, а соответственно снижению их срока службы.

Поэтому одной из проблем динамики гидрофицированных подъемно-транспортных машин, является повышение плавности хода исполнительных органов, устранение и уменьшение колебаний и динамических нагрузок, возникающих в элементах конструкции. Основной задачей при решении этой проблемы является создание машин и оборудования как динамических систем, обеспечивающих оптимальные режимы нагружения основных элементов конструкции с точки зрения долговечности и надежности [15].

Общий обзор показывает, что для механизации погрузочно - разгрузочных работ в сельском хозяйстве необходимы различные типы погрузчиков: фронтальные (рис 1.1,а) и с поворотной стрелой (рис. 1.1, б, в, г). В настоящее время количественное соотношение обоих типов примерно одинаково. Однако наблюдается тенденция к увеличению числа погрузчиков с поворотной стрелой, и для большей универсальности - навешиваемых на навесную систему трактора.

Помимо поворотных погрузчиков, существуют погрузчики на основе пространственного исполнительного механизма в виде треугольной пирамиды (рис. 1.2). Особенностью кинематических схем этих манипулягорных погрузчиков является то, что функции ведущих звеньев выполняют силовые гидроцилиндры, которые воспринимают большие внешние нагрузки.

Анализируя кинематические схемы гидрофицированных погрузчиков с поворотной стрелой и с пространственным исполнительным механизмом, можно выделить одну особенность: погрузчики, состоящие как правило из шарнирно сочлененных стрелы и рукояти, могут иметь верхнюю установку гидроцилиндра привода рукояти (рис. 1.1,6 и рис. 1.2, в) и нижнюю (рис. 1.1, в, г и рис. 1.2 Дг).

Как отмечается в работе [59], стреловой гидроцилиндр, имеющий верхнее расположение, подвержен воздействию сложных динамических нагрузок, даже в неработающем режиме. Он ведет себя как пру-

г/

Рис.1.1. Погрузчики сельскожозяаотвенногс назначения, а/ Т.0-1ЭА;, б/ ПГ-0,2; в/ ПЭА-1,0; г/ 1ШгО,8Б

а/ БПМ-0,2; б/ 1ШЬ0,6; в/ НП№-0,8; г/ НШ-5

жина, в итоге происходит раскачивание всего погрузочного агрегата. При опускании груза рукоятью за пределами фронтальной плоскости наблюдается самый неблагоприятных режим нагружения стрелового гидроцилиндра.

Гидросистемы большинства погрузочных манипуляторов сельскохозяйственного назначения имеют схожие гидравлические схемы с унифицированными гидроаппаратами, и чаще всего гидропривод нерегулируемый.

В качестве примера рассмотрим гидравлическую схему погрузочного манипулятора НПМ-0,8 (рис. 1.3), которая состоит из гидробака 1, насоса 2, предохранительного клапана 3,делителя потока 4, включенного в схему для обеспечения независимой (параллельной) работы цилиндров стрелы 5, 6 и цилиндра рукояти 7, распределителей 8, 9, 10, фильтра 11 и дросселей 12,13.

Для уменьшения динамических нагрузок на агрегат при горизонтальном повороте стрелы в крайние положения предусмотрены дроссели 12, 13 с регуляторами ПГ55-34, кинематически связанные с кон-сольно-поворотным механизмом стрелы [22],

Дроссельное регулирование скорости выходных звеньев применяется в основном в экскаваторах и гидрофицированных кранах, в сельскохозяйственных машинах оно не получило широкого распространения.

Наряду с дроссельным регулированием скорости используется управление подачей рабочей жидкости насосом, например, в малогабаритных погрузчиках (до 1,5 т.) фирмы Ьапг. Но регулирование гидропривода приводит к усложнению его схем и повышению стоимости, а также затратам полезной мощности на приводы сервомеханизмов систем регулирования [54].

Плавное снижение и увеличение скорости выходных звеньев гидроцилиндров не всегда приводит к желаемому эффекту уменьшения

РиоЛ.З,. Гидравлическая схема ¡погрузочного манипулятора

НПМ - 0,8 .

динамических нагрузок, особенно при соударении подвижных частей цилиндра с неподвижными.

Для уменьшения динамических нагрузок в гидроприводе используют устройства для торможения, встраиваемые в крышки силовых цилиндров или установленные в крайних положениях звеньев тормозные клапаны. Последние, как правило используются больше всего на различных станках [76,81].

Для смягчения удара поршня о крышку корпуса цилиндра в конце хода применяются различные конструкции гидравлических и механических демпферов, принцип действия которых основан на поглощении кинетической энергии движущихся частей гидроцилиэдра.

Известны гидравлические демпферы [4, 8, 10] основанные на дросселировании рабочей жидкости в конце хода поршня гидроцилиндра (рис. 1.4,а). Принцип действия демпфера заключается в следующем: при достижении поршнем 1 днища гидроцилиндра 2, запорный хвостовик 3 перекрывает отверстие 4, при этом давление в поршневой полости повышается, открывается клапан 5 и жидкость перетекает через дроссель 6 на слив.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции и постоянная сила демпфирования, в следствии нерегулируемости дроссельного отверстия 6. Этих недостатков лишен гидравлический демпфер [53] с переменным сопротивлением и более простой конструкцией (рис. 1.4,б). В конце хода поршня 1, дроссельное отверстие постепенно перещэывается выступом переменного сечения 3 на поршне, в следствии чего по мере движения поршня увеличивается сила демпфирования

Описанные выше и известные гидравлические демпферы [66,81] надежны, обладают стабильными характеристиками, однако они имеют недостаток, заключающийся в том, что создаваемая сила демпфирования зависит от скорости, но не зависит от величины перемещений

f € 4 3 I

б/

Рис. 1.4. Дешфир$вдие:; элементы в гидрощшшдраж.

а/ гидравлический демпфер; б,в/ гидромеханический демпфер; г/ амортизатор в качестве демпфера

поршня. Это приводит к малой эффективности демпфера, особенно при низкой частоте колебаний и относительно больших перемещениях. К недостаткам гидравлических демпферов следует отнести также и чрезмерный нагрев рабочей жидкости за счет ее дросселирования.

Применение в гидроцилиндрах гидромеханических демпферов позволяет снижать ударные нагрузки при больших скоростя�