автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Совершенствование системы гидропривода лесопогрузочного манипулятора

О

Всероссийское научно-произаодственное объединение лесной промышленности — ВНПОлеспром — (ЦНИИМЭ — головная организация)

На правах рукописи

УЛЬЯНОВ Владимир Михайлович

УДК 630*36—82

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ЛЕСОПОГРУЗОЧНОГО МАНИПУЛЯТОРА

05.21.QI «гТехнология и машины лесного хозяйстпа и лесозаготовок»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Химки 1993

Работа выполнена но' Всероссийском научно-производственном объединении лесной промышленности (ВНПОлес-пром).

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

Кандидат технических наук, с. я. с. Гончаренко Н. Т.

Доктор технических «аук, профессор Полетайкин В. Ф. Кандидат технических паук Колесников В. А.

Майкопскин машиIюстроитель-пый завод ММЗ

Защита состоится « »......... 1993 г. в

10 час. на заседании Специализированного совета К093.01.01 Всероссийского научно-производственного объединения лесной промышленности (ВНПОлеспром) по адресу: 141400, г. Химки Московской обл., ул. Московская, 21.

Просим Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями направлять по адресу: 141400, г. Химки Московской обл., ул. Московская, 21, ВНПОлеспром, спецсовет.

С .диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНПОлеспром.

Автореферат разослан « »........1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук

С. В. Дмитриев

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Объем переместательшк операций в лесозаготовительной промгалонпости составляет 1,6 млрд и3 и продолжает неуклонно возрастать.

Одним из прогрессивных средств механизации перемостительных операций, связашшх с погрузочно-разгрузочныш работами является лесопогрузочный манипулятор (ЛШ). Использование ЛПЗЛ как гидромеханических систем с большим числом степеней особенно эффективно на таких видах работ как,

- погрузка и .самопогрузка лесовозных автопоездов;

- сбор пневого осмола я отходов лесосечного производства;

- пакетирование.

В связи с тем, что в лесозаготовительной промышленности все чаще находят применение гидрофицировашше погрузочные мзнзтудяторы, особешю важным становится поиск резервов повышения эффективности их использования. Одним из таких резервов является повышение производительности ЛШ за счет внедрения более совораешшх систем гидро -привода, которые позволяют совмещать отделышэ опершей переноса груза в тзхпологачэсксм цикла.

Основой совершенствования гидропривода ЛШ является анализ и научное обоснование требования, предъявляемых к его основным параметрам (расход, давление, к.п.д.), направленные нз улучшение экономических показателен работы • ЛИЛ. Следовательно, необходимо изучение связи параеттров гидропривода с такими показателя« работа ЛПМ как: врэкл технологического цикла, производительность, а таюгэ уровнем его нагруженности и фунхционзль'мп возно»зюстя?.Е1.

Учитывая Еынепзлозепное, задача проведешь специальных исследований и разработки на их основе более соворсешой систега гидропривод! ЛШ с научно-обоснаванкт.га параметрам! является вполне актуальной на данном этапа развитая лесозаготовительной дрсгаалэнкости.

Цель работа. Разработка системы гидропривода .И"!'!, позволяющей совмещать отдельные операции переноса груза в технологическом цикле. Сокращение времени технологического цикл'а ЛШ при сохранении уровня динаютеской нагрухенности за счет использоваш:л более совершенной систеш гидропривода. Разработка научно-обоснованных методов расчета нагрухштости ЛПМ, рэботащего в режиме совмещенных операций

попйилла

¡¡кучная новизна. Выявлена возможность и определены пути иоиисжш производительности гидрофицированных ЛПМ.

¡'■.хру'лчг'ли критерии и алгоритм оптимизации расходных параметров гздропр'лзэда ЛПМ на база апостериорных методов многокритериальной оцг.г.слзоц/а, обосиочиваюдаа максимальную производительность при ми-жсшышх энергозатратах и высоких функциональных возможностях ЛШ. Исследована динамическая нагруженность ЛПМ, работающего в режиме сл^и^чшшх операций переноса груза. Разработана методика определе-;i:t:i опттмэлышх ijopsi стрелы и рукояти ЛШ, обеспечивашцая ;<-ш:пальнуа их металлоемкость. На основе методики разработан ткет нрикладшх программ для среда графической системы AUTOCAD.

::рак1':1".еская цотюсть работы. Изложенные в диссертации методы д:ыа:глчоских нагрузок в ЛПМ могут быть использованы' при нагруаюнности элементов вновь создаваемых лесопог-русоччых манипуляторов.

Разработанные критерии и алгоритм оптимизации расходных .;^рс?г.<тров гидросистема ЛШ позволяет перейти к научно-обоснованному yiMopy расходов в гидроприводах ЛШ.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований были иеисш-зовяш при модернизации гидросистемы лесопогрузочного М8:ы.чуллтора, задействованного в составе автолесовоза на вывозке сорта,;t г;он в Цхалтубском, гослесхозе. Анализ хрономегражных набЛ11 "jiuffl показал снижение времени технологического цикла погрузки в cpc-JvioM на 21%.

Реализация и апробация. Результаты исследований использованы в Е'ЛХИ лосмзш и на Майкопском машиностроительном заводе при модернизации гидропривода серийно-выпускаемого погрузочного манипулятора .■IB-185 и при создании ссрийно-выпускаемогопогрузочного манипулятора ■И-190.

Ссновше положения и результаты диссертации докладывались и обсуздаяись на 47-й научно-технической конференции, проходившей в Сибирском автодорожном институтэ в 1987г., на Всесоюзной.научно-тех-ннческой конференции "Механизация и автоматизация перемэстительных работ на предприятиях лесного комплекса" (Московский лесотехнический институт, 156Эг.) и на научно-телшческой конференции аспирантов, соискателей и молодых специалистов ЦНИИМЭ в 1989г.

Кроме того, основные разделы диссертации докладывались на заса-дй;глях секции Ученого совета, научно-технических совещаниях лаборатории иервично'Л обработки леса в 1988-1Э92 годах

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 1 пг-:зт:п;:: работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит кз вподс-.-с!'!, разделов и основных выводов и рекомендаций, изложена нз И', сгр.:.ч.!.т.:\ машинописного текста, содержит таблиц, 34 рисунков, 5 приложения. Список использованных источников содержит 117 наименований.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш исследований, раскрнтз цель работы, новизна научных положений.

В первом разделе проведен аналитический обзор гидроприводов ЛП.М, их элементов, а также анализ работ по исследованиям переходшх процессов в металлоконструкции и гидроприводе ЛПМ.

Обзор систем гидроприводов ЛПМ показал большое их разнообразно. Наиболее перспективными из них являются гидропривода, позволявшее перемещать груз при одновременным использованием нескольких степеней свобода ЛП?Л (как правило двух).

В результате анализа были выявлены вида работ в технологическом потоке лесозаготовительного производства, где ЛПМ с подобными гидросистемами эффективны.Такие гидроприводы оснащены гидравлическими устройствами синхронизации. Конструкции и метода расчета гидравлических устройств синхронизации рассматриваются в работах Н.С.Гамынинз, Н.З. Зайченко, Ю.А. Сахно, В.Л. Кузшса и др.. Ня основе анвлиза особенностей применяемых устройств синхронизации были определены их достоинства и недостатки, предложена конструкция активно-регулируемого гидравлического устройства синхронизации с помощью которого оператор получает возможность управлять скорости:.« переноса груза с одновременным использованием нескольких отменен свобода ЛПМ. Принципиальная схема гидропривода ЛГ?Л с яшользоггшеч активно-регулируемого делителя потока показан на рис. I.

Анализ работ, посвященных исследованиям переходных процзесс-в в гидроприводах и металлоконструкциях лесопогрузчиков показал отсутствие исследований, рассматривающих связь нзгружешюсти системы гидропривод - манипулятор с режимом совмещения операций переноса груза в технологическом цикла погрузки. Чагруже.'гаость ЛПМ при использовэшш в технологическом цикле последовательных операций переноса груза рассмотрена в работах Н.И.Алферьева, Г.А. Гахмшша, А.А. Александрова и др..

делитель потока Р1Р2-гидрораспраделитеяи.

Рис.1 Принципиальная схема гидропривода ЛПМ с активно-регулируемым делителем потока.

В первом .разделе рассмотрены также требован::,:, предьяхп'зггб к расходным параметрам гидропривода ШМ во взаимосвязи о его п^ох.з-с-дительностиэ. функциональными возыолсвостяки, энергетически::: заггз-таиг. Отмечено отсутствие работ, посвгпешш:: обзсновгесз -?с::гдк::>: параметров в гидроприводах Жа.

Правильное ть выбора расходных параметров лщрсспсгЕ.'.и . _ на этапе проектирования является одни.! из услозкй леленпя задачи эффективного использования лесопогрузочного манипулятора в различии:: условиях эксплуатации.

Вопросам определения оптимальных расходных параметров лесопогрузочных манипуляторов в целом посвящены работы В.И. Алябьева, З.А. Таубера, В.В. Подцубного, С.С. Давидова к др.

В соответствии с цельн диссертационной работы и на основе проведенного анализа имеющихся результатов исследований ейормулнроввкы задачи диссертационной работы:

- разработка математической шделг колебапяй ЛИЛ с учетом особенностей решала совмещенных операций перекоса груза:

- теоретическое исследование и анализ переходник процессов в гидромеханической системе ЛИЛ с учетом резпма совмещении:: оперг.ц::;; переноса груза;

- постановка и реление оптимизационной задач:: с цель:: обоскоза-впя расходных параметров гидросистемы ЛШ, оборудованной актизно-ре-гулируемым гидразлическим устройством синхронизац:::!;

- экспериментальные исследования с цельа подтверждения адекватности разработанной математической ноделп;

- оценка эффективности проведенных доследований.

Во-втрром разделе показаны структура и основные этапа прзледг;:-' ных теоретических и экспериментальных исследований.

3 третьем разделе разизботана и исследована.катеиатпческая модель колебания Л1ы7 лрк составления уравнений иодалл кепзпьзовадзеь

расчетная схема, учитывающая резам совмещения операдий переноса ггу- . за (рис.2). При получении уравнений <&лп псязльзэвчш ур-ля .'агрздла второго-рода. В качестве обобщенных координат-бир: выбран:-' улрвие--перемещенЕЯ звеньев манипулятора в горизонтальной к вертикальной плоскостях.

Математическая модель представлена системой неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка,

В вертикальной плоскости

В горизонтальной плоскости

Шзу-

Чг..Чо-Чг*с.2зЧз>Чз2- обобщенные координаты механической системы ЛПМ п« .т2 лто -масса стрельб рукояти и захвата с грузом соответствен^ 8 к .!з.Ц,Ь-гесметрические пзрйметры мзхзнической системы ЛПМ: сп.са,си,с22-жесткости упругих шарниров расчетной схемы ЛПМ.

Рис. 2 Расчетная схема колебаний манипулятора

Ч12 (Ш11?+П212+ГП313 )+Ч22 (т21213+ш31214 )_<132И312Н<132=-с1 2^12+Т'3

421 (т213+ГС!3:1-4)+Ч11 (ш21312+П131214)+'132п31114<131+1131Г13}а4532=

="°21 <«2ГЧ11 )-2шзы-4Ч31Ч32!

422 (ш213+и314 )+Ч12 (ю21213+т31214)"<132П!314!1Ч32="с22 ^зг"^ 2 Ь

+тзП14ч|г;

Ч31V4! 1ш31агч32+ч21т31а4(132=-т3}112<111 <132"т31г14с121 ^зг+^^'З !: 2

Ч32(Ш3П +1у)-<122тЗН14Ч32+д211П3Ь14':131+'511!1!3!игч31_<112ГГ,3->112'132"

=тпэ^зг-т3Ь14а21 а31 +т3ь1гч12а32+тзы.4522азг

где а11 .ч12»чг1 .Чгг'^З!,ч32 " обобщенные координаты механической система;

С11,012,021,с22 ~ жесткости упругих пзрниров расчетной схемы; .

п^.п^.п^ - массы стрэлы, рукояти я захвата с грузом соответственно

1ХДУ - момэнты инерции захвата с грузом;

,12,13,1^,11 - геометрические параметры 'ЛПМ.

Решвниэ полученной системы уравнений проводилось численным Методом пргноз-коррекции четвертого порядка. На ЭВМ был смоделирован переходный процесс одновременного тормохения при повороте ЛПМ и подъеме стрелы. Расхоздениэ мезду теоретическими и . экспериментальными данными- составили до 252,. что позволило в дальнейшем использовать • полученную модель в качестве генератора ограничений, в поставленной выше оптимизационной задаче.

Результаты определения максимальных напряжений в опасном сечения стрелы ЛПМ с помощью подученной модели показаны на рис. 3. ~.....

В «»тютек разделе поставлена и решена оптимизационная задача определения рациональных расходных .параметров гидросистемы ЛПМ с двумя независимыми контурами.

Поскольку задача является многокритериальной, для выбора метода оптимизации был проведен анализ существущих методов многокритериальной оптимизации. В качестве базового метода применен метод апостериорного типа с использованием в качестве гло-

е

0"пох,МПа

Он- расход насоса О] - расход в контуре привода ГЦ поворота нанипулятора: Ттох- максимальное напряжение в опасной сечении стрелы манилулятора

'не. 3 - Максимапьнка напряжения в опасном сечении стрелы ЩМ при различных расходах в контуре неханизма пезерота и в кгатуре подъема стрелы манипулятора

бального критерия полилинейюз ©гшпрзг "кардинальной ценности" вида .....

. .+1с1 -. -nü1 (xl>.. . W

где ш^-. маргинальная функция кардинальной ценности для критерия х.; к - весовыо коэффициента, получаемые в результате анализа экс-пэртных оценок альтернатив xL

Экспертные оценки были получены в результате диалога с ведущими специалистами в области проектирования и эксплуатации гидропривода ЛИЛ.

К расходным параметрам гидросистемы ЛПМ необходимо подойти с двух сторон. С одной стороны, для обеспечения максимальной производительности они должны быть максимальными. С другой стороны, они должны быть минимальными с тем, чтобы снизить непроизводительные затраты мощности на гидравлическое трение в элементах гидропривода и снизить динамические нагрузки.

На основе сформулированных требования к расходным параметрам гидросистемы ЛШ были разработаны четыре критерия оценки альтернативных вариантов гидросистемы с различными расходными параметрами,

П _Тсм7ср°1 тад°з min ^_.

•п =

—^—^---- —..........- + 1

ф = 1 - 'V^lmln-Qlirax1

max

где ПС!Д - смэштая производительность; r¡ -к.п.д.;

<T> - симметричность диапазона регулирования расходов

независимых контурах гидросистемы; s' - диапазон регулирования расходов. Полученные критерии оцаниваэт функциональные.скоростные воз-

мощности ЛШ и энергозатраты в зависимости от расходных параметров гидросистемы: Од- расход насоса; сц^^- максимальный расход в одном из независимых контуров гидросистемы; минимальный расход в

том же контуре гидросистемы.

В качестве Барьируемых параметров была выбраны Од, о^^, 91ш1п. При атом распределение гидродвигателей ЛПМ в независимых контурах гидросистемы принималось следувдим,

Контур N1 поворот манипулятора, захват, рукоять

КОНТУР N2 поворот захвата, стрела, удлыштель

В результате поиска были найдены следующие оптимальные параметры

1) для двухконтурной гидросистемы с активно-регулируемым делителем потока,

Од = 70 л/мин; 01ша2= 70 л/мин; 0,ш1п= 0 л/мин;

2) для двухконтурной гидросистемы с постоянным соотношением расходов в независимых контурах,

Од = НО л/мин; 0.|= 50 л/мин; 02= 60 л/мин. В пятом разделе разработана методика экспериментальных исследований динамической нагружэнноста ЛПМ в режиме совмещенных операций груза, приведены результаты измерений.

Экспериментальные исследования проводились с дельв подтверздеяия адекватности разработанной математической модели колебаний ЛПМ.

В качестве объекта исследований был использован серийно выпускаемый универсальный погрузочный манипулятор ЛВ-185. Экспериментальные исследования проводились классическими методами на на основе тензометрирования опасных сечений.металлоконструкции ЛПМ. Измерения проводились на испытательном толигоне ВПКИлесмаш. Функциональная схема измерений приведена на рис: 4. Запись сигналов от тензорезисторов, закрепленных в опасном сэчении стрелы ЛПМ, осуществлялась на тензометрической система С1ШТ-3 в цифровом виде. Фрагмент переходного процесса показан на рис. 5.

Полученные экспериментальные данные обработаны математическими методами статистики.

В игстом разделе выполнен расчет экономической эффективности внедрения результатов исследований.

В производственных условиях Цхалтубского Гослесхоза били проведены сравнительные испытания лесопогрузочного манипулятора с

БДРП-блок дистанционного релейного переключения: БУ1БУ2-блоки упразпония; Щб800К-устрсйство цифропечатгющее: БИ-бпок измерения.

Рис.4 Функциональная схека измерений.

Рис.5. Фрагмент переходного процесса в металлоконструкции ЛПМ.

Он- расход насоса; 0\ -расход в контуре поворота ЛПМ: Ог -расход в контуре привода стропы ЛПМ к) кг-тарировочныа коэффициенты тензорезисторов; о, о2- величина выходного сигнала тензорозистороо. (ГтюЮ-максимальное напряжение в опасном сочении стрелы.

различными системами гидропривода. Манипулятор был установлен на автомобиле МЛЗ-501А, задействованного на вывозке сортиментов, получаемых в результате рубок ухода в лесосечном фонде лесхоза. Среднее расстояние вывозки составляло 15 км.

Сравнительный анализ хронометражных наблюдений за работой манипулятора с различными гидросистемами показал снижение времени цикла погрузки в среднем на 21% при использовании гидросистемы с активно-регулируемым делителем потока.

Расчетный экономический эффект составил 4284 руб. на одну машину в год.

ЗЛКЛИЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы получена следующие научные и практические результаты:

1.В соответствии с комплексной программой развития научно-технического прогресса к 2000 году объем заготавливаемой древесины по отрасли должен возрасти на 16-182, что потребует в обязательном порядке существенного повышения производительности машин и механизмов манипуляторного типа, задействованных на погрузочно-разгрузочных работах.

2. Наиболее перспективным средством механизации погрузочяо-разг-рузочных работ на лесозаготовках являэтся манипуляторы, позволяющие использовать в технологическом цикла совмещение операций переноса груза.

3. Анализ существующих систем гидропривода лесопогрузочных манипуляторов показывает, что совмещение операций переноса груза в технологическом цикле может быть достигнуто посредством оборудования гидропривода ДШ гидравлическим устройством синхронизации.

4. Показано, что в качестве гидравлического устройства синхронизации в данном случае целесообразно использовать активно-ре-гулируе'гый дроссельный делитель потока.

5. В результате анализа существущих конструкций дросселышх делителей потока были сформулированы требования к конструкции активно-регулируемого делителя потока в составе гидросистемы ЛШ и изготовлен и испытан его опытный обрззец.

6. Среда работ, выполняемых лесопогрузочным манипулятором, оборудованным гидросистемой с активно-регулируемым делителем потока наиболее предпочтительными является работы характеризующиеся низкой концентрацией предмета труда на погрузочной площадке, свободной от пре-

нятствай рабочей зоной и требует большого числа манипуляций с грузом (погрузка и самопогрузка лесовозных автопоездов, сбор осмола, пакетирование и др.)

7. В работе проведет теоретические исследования динамической нагруз:еннзсти ЛШ, работающего в режиме совмещенных операций переноса груза. Разработанная с этой целы) математическая модель может использоваться для прогнозирования нагруженности ЛПМ на стадии проектирования .

8. В работе теоретически исследована зависимость максимального напряжения в опасном сечении стрелы ЛПМ от его геометрических параметров при различных значениях параметра нагружэния. В результате полученных зависимостей показано что, с преобладанием в сечении динамических нагрузок снижается соотношение высоты и ширины оптимального пг) <iC'p:.!e сечения, и наоборот.

При постоянной рабочей площади сечения с ростом его периметра максимальные напряжения в сечении снижаются.

9. Разработана инженерная методика и комплекс прикладных программ на базе персональной ЭВМ типа IBM PC/AT для определения оптимальной формы прямоугольных сечений звеньев ЛПМ. Методика может использоваться при выборе геометрии прямоугольных сечений ЛПМ на стадии проектирования с целью снижения мзссы моталлоконструкции.

10. Разработаны теоретические основы • определения оптимзльных расход?шх параметров гидросистем Alii.

11. Впервые для обоснования расходных параметров гидросистемы ЛПМ произведена оценка принимаемого решения на основе следувщих критериев:

- к.п.д. гидропривода ЛШ;

- сменная производительность ЛПМ;

- ис-личина диапазона регулирования расходов в независимых контурах гзд[юсистемы ЛПМ;

- степень симметричности диапазона регулирования расходов в незз-ju;c:;:sjx контурах гидросистемы.

JZ. Расчетам! обосновано, что для серийно выпускаемого универ-с-гльного погрузочного манипулятора ЛВ-185, задействованного в составе самопогружающегося автолесовоза расходные параметры гидросистемы дол.ч:нн быть следующими:

а) для двухконтурных гидросистем с активно-регулируемым дроссельным делителем потока,

- расход насоса л/мин

- минимальный расход в контуре привода поворота ашшулятора 0 л/мин

- максимальный расход в контуре привода поворота анипулятсра 70 л/мин

б) для двухконтурннх гидросистем с нерегулируемым зотношением расходов в независимых контурах гидросистемы,

- расход насоса НО л/мин

- расход в контуре привода поворота манипулятора 50 л/мин

- расход в контуре подъема стрелы 60 л/мин

13. Испытания ЛПМ с модернизированной системой гидропривода в про-^водственных условиях Цхалтубского лесхоза показали снижение времен:! шла погрузки в среднем на 21%.

1-1. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения новой сне-¡ми гидропривода ЛПМ составил 4284 руб. на машину.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих ботах:

1. Ульянов З.М. Повышение эффективности работы сортировочной тановки путем регулирования расходов в гидросистеме.-1988.- Рук. П. в ВШПИЭИ, N 2197-Л688.

2. Ульянов В.М., Драгомиров В.А. Определение требуемого соот-ления деления потока на примере двухконтурной гидросистемы.- В .: Гидропривод я системы управления строительных и дорожных ма-I.- Омск, 1988, с. 112-115.

3. Ульянов В.М., Драгомиров В.А. Влияние величины соотношения входов в двухконтурннх гидросистемах манипуляторов на время "тех-тогического цикла сортировки.

4. Ульянов В.М. Рациональное соотношение размеров поперечных гений звеньев манипулятора с учетом динамических нагрузок. Тез. •л. "Механизация и автоматизация переместительных работ на •дприятиях лесного комплекса". М., 1989. с. 228.

5. Ульянов В.М., Драгомиров В.А. Совершенствование гидросис-ы лесопогрузочных манипуляторов.- В сб. Проблемы комплексной анизации первичной обработки древесины. Химки, 1988, с. 93-97.