автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Совершенствование кинематики, динамики и конструкции лесопромышленных гидроманипуляторов

Введение.

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Типы манипуляторов и область их применения.

1.2. Компоновочно-кинематические схемы гидравлических манипуляторов и их соответствие предъявляемым требованиям.

1.2.1. Механизмы подъема стрелы и привода рукояти.

1.2.2. Кинематическая схема механизма поворота манипулятора.

1.2.3. Механизмы поворота рабочего органа (ротаторы).

1.3. Современный технический уровень погрузочно-разгрузочных манипуляторов.

У* 1.4. Динамическая нагруженность манипуляторов лесозаготовительных и лесохозяйственных машин в различных режимах.

1.5. Напряженное состояние металлоконструкции гидравлических манипуляторов.

Выводы.

1.6. Цель и задачи исследований.

2. Теоретические основы выбора параметров кинематических схем механизмов гидроманипуляторов с учетом инерционных сил.

2.1. Обоснование основных параметров механизма подъема стрелы. 2.2. Обоснование параметров и эффективности применения * гидроманипулятора с изменяемой кинематической схемой механизма подъема стрелы (переменным грузовым моментом).

2.3. Обоснование основных параметров механизма привода рукояти манипулятора с учетом инерционных сил.

2.4. Выбор типа и обоснование основного параметра механизма поворота рабочего органа гидроманипулятора. * Выводы.

3. Исследование влияния податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на оптимальные значения параметров и динамическую нагруженность гидроманипулятора.

3.1. О сжимаемости рабочей жидкости в общей системе податливости гидропривода.

3.2. Влияние податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на динамическую нагруженность и параметры механизма подъема стрелы.

3.3. Исследование динамической нагруженности манипулятора при торможении опускающейся стрелы с грузом с учетом податливости рабочей жидкости.

3.4. Исследование влияния податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на динамическую нагруженность механизма поворота гидроманипулятора.

3.5. Исследование влияния податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на динамическую нагруженность и параметры механизма привода рукояти.

3.6. Влияние податливости рабочей жидкости и внутренних перетечек на динамическую нагруженность винтового ротатора. Выводы.

4. Исследование динамической нагруженности манипулятора при совмещении движений звеньев и определение эффективности совмещения.

4.1. Исследование динамической нагруженности гидравлического манипулятора и обоснование целесообразности совмещения операций подъема стрелы и вращения рукояти.

4.2. Влияние податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на динамическую нагруженность гидроманипулятора при совмещении движений подъема стрелы и вращения рукояти.

4.3. Влияние совмещения движений подъема стрелы и поворота колонны гидроманипулятора на его динамическую нагруженность.

4.4. Динамический расчет металлоконструкции манипулятора с учетом изгибной жесткости звеньев.

4.5. Исследование динамической нагруженности манипулятора от раскачивания груза в плоскости подъема стрелы.

Выводы.

5. Механико-технологические основы совершенствования конструкции гидроманипулятора.

5.1. Совершенствование шарнирных узлов гидравлических манипуляторов.

5.2. Особенности грузовысотной характеристики гидроманипулятора и ограничения грузоподъемности (грузового момента).

5.3. Исследование изменения давления в двух гидроцилиндрах механизма подъема стрелы гидроманипулятора.

5.4. Некоторые направления повышения надежности металлических конструкций гидроманипуляторов.

Выводы.

6. Программа, методы и результаты экспериментальных исследований динамики гидропривода механизмов гидроманипулятора.

6.1. Исследование динамики гидропривода механизмов манипулятор.

Актуальность темы. Основной целью научно-технического прогресса в лесном комплексе является разработка и внедрение в производство прогрессивных технических и технологических решений, обеспечивающих повышение производительности, снижение материало- и энергоемкости процессов и операций, уменьшающих вредное воздействие на окружающую среду и оператора. Это возможно при оснащении предприятий отрасли машинами высокого технического уровня.

Особое место в общей системе машин для лесного комплекса занимают машины манипуляторного типа. Применение их позволило лесной отрасли перейти на индустриальную основу, заменить ручной труд машинным и тем самым повысить производительность труда и улучшить условия работы. Поэтому одним из приоритетных направлений в лесном машиностроении было и остается оснащение производства высокоэффективной техникой, оборудованной манипуляторами.

Манипуляторы применяют в валочных, валочно-пакетирующих, валочно-трелевочных, валочно-сучкорезно-раскряжевочных, погрузочно-транспортных, передвижных и стационарных рубительных, сортировочно-пакетирующих и других агрегатных машинах, используемых как на рубках главного пользования, так и на лесоводственных уходах.

Погрузочно-разгрузочный манипулятор эффективен в составе различных лесных машин, в том числе и хлыстовозов. Наиболее эффективен манипулятор в составе сортиментовозов, перспективность которых определяется тенденцией к неуклонному росту доли сортиментной вывозки /195/, особенно в Европейской части России.

В современных условиях рыночных отношений, когда развернулась острейшая конкурентная борьба между предприятиями-производителями гидравлических манипуляторов, как отечественными (более 20 предприятий), так и зарубежными, особенно фирма «Логлифт» с богатейшим опытом и традициями, большое значение имеет повышение производительности и надежности, снижение материалоемкости лесозаготовительных и лесохозяйственных машин путем совершенствования кинематики, динамики и конструкции. Высокий технический уровень манипуляторов в сочетании с умеренной ценой, наличие сети сервисного обслуживания - вот непременные условия конкурентоспособности предприятия в современных условиях.

Однако, отечественные манипуляторы по своим параметрам и техническому уровню уступают лучшим зарубежным образцам. Они имеют более низкаую надежность, большую удельную материалоемкость, более низкую производительность. Созданию и внедрению манипуляторов высокого технического уровня препятствует то, что еще некоторые вопросы кинематики, динамики и компоновки гидроманипуляторов недостаточно исследованы. Не изучены влияние инерционных сил на параметры и режим работы механизмов подъема стрелы и привода рукояти, возможность совмещения движения отдельных звеньев и влияние этого на динамическую нагруженность манипулятора. Недостаточно изучено влияние податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на кинематические параметры и динамическую нагруженность механизмов и звеньев манипулятора.

Все это указывает на то, что тема диссертационной работы актуальна. Научные исследования и конструкторские разработки проводились в рамках Целевой комплексной программы Комитета по науке и технике при Совета министров СССР ОЦ.029 на 1980-1990г.г., отраслевых программ повышения технического уровня лесозаготовительных машин Минстройдормаша и Минлеспро-ма СССР на 1985-1990г.г., Государственной научно-технической программы "Российский лес" Миннауки России на 1993-1997 г.г., Федеральной целевой программы "Леса России" на 1997-2000 г.г., принятой Постановлением правительства РФ №1240 от 26.09.97 г., стратегией развития лесного машиностроения на период до 2010 года Минэкономики РФ.

Цель работы - повышение производительности, надежности, снижение материалоемкости лесопромышленных гидроманипуляторов на основе совершенствования их кинематики, динамики и конструкции, позволяющие получить технико-экономический эффект на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации.

В соответствии с целью работы поставлены следующие основные задачи: 1. Обоснование: параметров кинематики механизмов манипулятора с учетом инерционных сил;

- эффективности применения и параметров манипулятора с изменяемой кинематической схемой механизма подъема стрелы;

2. Исследование: динамики гидропривода механизмов манипулятора при раздельном и совместном движении звеньев с учетом влияния податливости рабочей жидкости, элементов гидропривода, утечек и конструктивных параметров; влияния совмещения движений звеньев на динамическую нагружен-ность и производительность манипулятора. 3. Разработка:

- конструктивных мероприятий, направленных на снижение материалоемкости и повышение долговечности за счет применения в шарнирных узлах современных антифрикционных материалов и уточненного расчета элементов металлоконструкции в местах действия сосредоточенных сил; методики динамического расчета металлоконструкции манипулятора с учетом изгибной жесткости звеньев; конструкции механизма поворота рабочего органа (ротатора) нового типа и оптимизация его параметров по показателям металлоемкости и быстродействия; перспективных конструкций манипуляторов и их испытания;

- рекомендаций и предложений конструкторам, научным организациям и машиностроительным предприятиям по выбору параметров и повышению технического уровня лесопромышленных манипуляторов;

4. Провести комплексные экспериментальные исследования опытных образцов перспективных конструкций лесопромышленных манипуляторов.

Научная новизна работы. Разработана методика оптимизации параметров кинематических схем механизмов подъема стрелы и привода рукояти с учетом инерционных сил, возникающих при установившемся движении штоков гидроцилиндров с использованием ЭВМ по критериям металлоемкости и быстродействия, позволяющая оценить влияние скоростей движений штоков гидроцилиндров на оптимальные значения параметров кинематических схем. Выявлена целесообразность применения и обоснованы параметры манипулятора с изменяемой кинематической схемой механизма подъема стрелы.

Разработаны математические модели механизмов манипулятора с учетом податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода, позволяющие на этапе проектирования наиболее полно и объективно оценить нагрузки на механизмы и звенья манипулятора как в переходных режимах, так и при установившемся режиме работы гидропривода, дать оценку влияния податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на динамическую нагруженность и параметры механизмов манипулятора.

Разработана методика исследований динамической нагруженности манипулятора при совмещении движений различных звеньев с применением ЭВМ и определена целесообразности такого совмещения, позволяющего повысить технический уровень манипулятора на стадии проектирования. Установлено влияние податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на динамическую нагруженность манипулятора при совмещении движений.

Предложена методика построения грузовысотной характеристики с применением ЭВМ, установлено влияние параметров кинематических схем механизмов подъема стрелы и привода рукояти на грузовысотную характеристику манипулятора.

Разработана методика динамического расчета металлоконструкции с учетом изгибной жесткости звеньев, определены коэффициенты динамичности для разных звеньев манипулятора.

Разработана, с обоснованием основного параметра, конструкция механизма поворота рабочего органа - винтовой ротатор, исследована его динамическая нагруженность в различных режимах, установлена эффективность его применения. Экспериментальным путем определены значения коэффициентов в формулах для расчетов верхнего поясного листа короба рукояти. Обоснована конструкция "Мобильная установка для первичных лесотранспортных работ при рубках ухода в горных условиях", с применением перспективной конструкции манипулятора, новизна которой защищена патентом РФ №2128594.

Основные положения диссертации, выносимые соискателем на защиту:

- математические модели совместного движения звеньев: стрела-рукоять, стрела-колонна как без учета так и с учетом податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода, позволяющие установить влияние совмещения движения на динамическую нагруженность и производительность манипулятора;

- математические модели механизмов манипулятора с учетом податливости рабочей жидкости, элементов гидропривода и утечек, позволяющие определить их динамическую нагруженность при различных режимах;

- методика оптимизации основных параметров механизмов подъема стрелы и привода рукояти лесопромышленных гидроманипуляторов с учетом инерционных сил;

- методика обоснования параметров и эффективности применения манипулятора с изменяемой кинематической схемой механизма подъема стрелы (с переменным грузовым моментом);

- моделирование процесса совместной работы двух гидроцилиндров механизма подъема стрелы и определение эффективности их применения;

- методика динамического расчета металлоконструкции гидроманипулятора с учетом изгибной жесткости звеньев;

- методика построения грузовысотной характеристики с учетом параметров механизмов манипулятора;

- конструкция механизма поворота рабочего органа (ротатора) нового типа, обоснование основного параметра, исследование динамической нагруженности его в различных режимах;

- методика выбора материалов и совершенствования конструкции шарнирных соединений манипуляторов.

Объекты и методы исследования.

Объектом исследований являются лесопромышленные гидроманипуляторы отечественного производства, в том числе серийно производимые в ОАО "Майкопский машиностроительный завод". Теоретические исследования кинематических параметров манипулятора проводятся аналитическим методом с применением ЭВМ, что позволяет повысить точность и многократно сократить время анализа.

При решении задач динамической нагруженности механизмов манипулятора применяются численные методы, позволяющие учесть максимальное число факторов и тем самым максимально приблизить математические модели к реальной картине нагружения механизмов. Применение ЭВМ в решении задач позволяет легко варьировать входными параметрами и устанавливать их влияние на динамическую нагруженность механ9Ш8®риментальные исследования с целью подтверждения результатов теоретического анализа проведены на натурных образцах манипуляторов путем тензометрирования в испытательном центре "Испытатель", аккредитованном Госстандартом России.

Практическая значимость работы. Предложенные методики позволяют ^ обосновать: по показателю металлоемкости и быстродействию параметры механизма подъема стрелы; параметры и эффективность применения манипулятора с изменяемой кинематической схемой механизма подъема стрелы (с переменным грузовым моментом), позволяющего уменьшить номенклатуру манипуляторов в 1,5-ь2 раза и снизить удельную материалоемкость на 20-5-30%; параметры механизма привода рукояти; выявить зависимость оптимальных значений параметров от скорости движения штока гидроцилиндра; повышение производительности и снижение динамических нагрузок при совмещении движений звеньев манипулятора; применение одного гидроцилиндра вместо двух на механизме подъема стрелы. Установлено: влияние подат-^ ливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на динамическую на-груженность и оптимальные значения параметров механизмов манипулятора как при раздельном движении, так и при совмещении движений; влияние параметров механизма подъема стрелы и привода рукояти на грузовысотные характеристики манипулятора.

Разработанная конструкция винтового ротатора обеспечивает заданный ресурс, равный ресурсу манипулятора, и соответствует эксплуатационным требованиям.

Предложенная методика динамического расчета металлоконструкции < 4 манипулятора позволяет на стадии проектирования определять коэффициент ^ динамичности для различных звеньев с учетом скорости движения штока гидроцилиндра и параметров кинематической схемы механизма подъема стрелы.

Предложенные таблицы значений коэффициентов в формулах для расчетов верхнего поясного листа короба рукояти позволяют учесть дополнительные напряжения от местного изгиба, и тем самым повысить надежность металлоконструкции рукояти.

Даны рекомендации по изменению конструкции и применяемых материалов в шарнирных узлах манипулятора с целью увеличения ресурса и снижения затрат на их обслуживание.

Реализация работы. Методика оптимизации кинематических параметров и исследования динамической нагруженности манипулятора внедрены на предприятиях ОАО Концерн "Лесмаш" на стадии проектирования и производства манипуляторов. На ОАО "Майкопский машиностроительный завод" внедрены в производство винтовой ротатор, манипулятор с переменным грузовым моментом и манипулятор с совмещением движений звеньев, методика построения грузовысотной характеристики, математические модели механизмов.

Апробация работы. Предлагаемые методики апробированы на манипуляторах ЛВ-184А, ЛВ-184А-06, ЛВ-185-03, ЛВ-185-07, ЛВ-190, серийно изготавливаемых ОАО "Майкопский машиностроительный завод". Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях в том числе в международных в ЦНИИМЭ (1987-1989г.г.), МГТИ (1996-2000г.г.) АГУ (1996-1997), ВГЛТА (1996-2000г.г.), КБГУ (1998).

Структура и объем работы. Диссертация содержит 339 страниц машинописного текста, 32 таблицы, 158 рисунков, библиографический список из 221 наименований и приложений, включающих 79 страниц машинописного текста.

4. Выводы и предложения

4.1. Рекомендовать манипулятор ЛВ-184А в комплектации ЛВ-184А.00.000-06 серийному производству с присвоением конструкторской документации литеры "А" после положительного заключения АО "ШИИстройдормаш.

4.2. Протокол типовых испытаний манипулятора ЛВ-184А от 8. 10.1998г. является неотъемлемой частью настоящего акта.

Члены комиссии рекий. ен

В.Г.Питеев З.А.Фрицлер А.А.Смыков А.П.Шевчегг

Генеральный ; ОАО-КОНЦЕРН

Генеральный директор

ЛЕСМАШ"

-----чтаяй^аводах лесного машиностроения, входящих в состав ОАО "КОНЦЕРН ЛЕСМАШ", внедрены предложенные соискателем следующие работы:

- - аналитический метод оптимизации параметров механизмов ма

• нипулятора с учетом инерционных сил, позволяющий значительно сократить сроки разработки манипуляторов более высокого технического уровня;

- манипулятор с переменным грузовым моментом, прошедший приемочные испытания и рекомендованный к серийному производству на предприятиях ОАО "КОНЦЕРН ЛЕСМАШ";

- методика исследования динамической нагруженности и определения целесообразности совмещения движений звеньев манипулятора,

4 внедренных на заводах "ВЕЛМАШ", "Пожмаш", "Майкопский МЗ", позвоф, ляющая повысить их производительность и конкурентоспособность;

- с 1996 года освоено серийное производство механизма поворота рабочего органа манипулятора - винтового ротатора;

- внедрена на "Майкопском МЗ" методика упрощенного динамического расчета, позволяющая определять коэффициент динамичности различных звеньев на стадии проектирования;

- внедрена на предприятиях Концерна методика расчета верхнего поясного листа короба рукояти;

- рекомендован к серийному производству гидроманипулятор с двухконтурной гидросхемой и двумя насосами;

- гидросхема механизма подъема стрелы, позволяющая при торможении опускающейся стрелы с грузом снизить коэффициент динамичности в 1,5 - 2 раза

- разработаны математические модели механизмов манипулятора с учетом податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода, позволяющие на этапе проектирования с высокой степенью точности

41 определять нагрузки, преодолеваемые механизмами в процессе работы, и наиболее точно проводить силовые и прочностные расчеты.

X Внедрение результатов работ соискателя на предприятиях ОАО

КОНЦЕРН ЛЕСМАШ" дает экономический эффект в сумме 14000 тысяч рублей при годовом объеме производства манипуляторов 500 штук. emt.il

Главный специалист ОАО "КОНЦЕРН ЛЕСМАШ"

4. Заключение

4.1. Манипулятор 1В-184А.комплектации 1В-184А.00.000-06 соответствует ТУ 4851-075-00239161-98. Средний ресурс до первого катального ремонта в объёме 6000 н машинного времени подтвержден.

4.2. Основные детали и сборочные единицы находятся в работоспособном состоянии.

4.3. Подтверждена эффективность применения гидроцилиндра, перемещающего верхнюю опору; гидроцилиндра подъёма стрелы, обеспечивающего увеличение грузового момента с 52 до 75 кНм.

•¿филояена« едатедгь; комиссии

К. С. Афасижев

Г. 1998г.

АКТ типовых испытаний манипулятора ЛВ-184А. б комплектации ЛВ-184А.00.000-06 г.Майкоп

Комиссия в сотаве: председателя комиссии Афаейжева К.С.

Сикорского М.П.

Лундена Е.Е.

Питеева В.Г.

Шевченко А.П, Фрицлера В.А. Смнкова А.А. октября 1998 г председателя комитета по лесу Республики Адыгея

Инспектора отдела по надзору за подъемными сооружениями Северокавказского округа Госгортехнад-зора России

Заведующего лабораторий гса*.":: • :&ккпуля?сров АС "БККИстройдс? кандидата технических наук главного конструктора ИИК 'Тер;:-:-г экол" кандидата технических наук Эректора ЙЦ "Испытатель"

1ам.главного инженера ОАО "Майкоп ский маши ко строит ельный завод" ведущего конструктора ОАО "Майкоп ский машиностроительный завод" назначенная приказом по ОАО "Майкопский машиностроительный завод" $ 59 от 14.ТО.98г., рассмотрела материалы типовых испытаний манипулятора ЛВ-184А в комплектаций Л8-184А.00.000-06, созданного в соответствии с требованиями "Правил устройства и безопасной эксплуатации грузододъеглних кранов", РД 10-146-9?, и другой нормативно!' документации.

I. Краткие сведения до изделий

Манипулятор изготовлен МО "Майкопский машиностроительный завод"

Манипулятор изготовлен в соответствии с ТУ 4851-075-00239161-98 "Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных 1фанов Госгортехнадзора России" (ПБТО-14-92) РД 10-146-47, РД 22-207-88 и предназначен для применения в качестве технологического оборудования на автомобилях грузоподъемностью 5 т и более для выполнения погрузочно-разгрузочных работ с использованием грузоподъемного крюка или других сменных грузозахватных органов.

2. В процессе работы комиссии:

2.1. Ознакомилась с техническими условиями', технической и эксплуатационной документацией на манипулятор ЛВ-184А в комплектации:-. :: ЛВ-184А.00.000-06 и результатами испытаний, проведенных Щ "Испытатель" по программе и методике типовых испытаний, согласованной и утвержденной в установленном порядке.

2.2. Произвела визуальный осмотр манипулятора ЛВ-184А в ноглалектацик ЯВ-184А.00.00С-06, установленного на нслы?ат&ш-:н:г сте::д СИ-ТО.

2.3. Произвела проверку на•пригодность манипулятора к работе-, для чего были произведены статические и динамические испытания

2.4. Произвела проверку работы ограничителя грузового момента.

3. Комиссией установлено:

3.1. Документация на манипулятор 1В-184А в комплектации ЛВ-184А.00.000-06 соответствует требованиям действующих НТД/

3.2. Нераметры манипулятора, полученные при испытаниях соответствуют параметрам в ТУ.

3.3. Статические и динамические испытания, проведенные контрольными грузами' '.массой соответственно 1570 кг и 1400 кг при выдвинутом удлинителе^ показав ' ?то манипулятор грузовые испытания выдержал.

3.4. Ограничитель грузового момента обеспечивает защиту манипулятора по грузовому моменту. Ф