CC BY
10
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Информация об авторах Лебедь Никита Игоревич, профессор кафедры «Электроснабжение и энергетические системы», доктор технических наук, Волгоградский государственный аграрный университет (РФ, 400002, г. Волгоград, Университетский пр-т, 26), E-mail: nik8872@yandex.ru
Гапич Дмитрий Сергеевич, заведующий кафедрой «Электроснабжение и энергетические системы», доктор технических наук, Волгоградский государственный аграрный университет (РФ, 400002, г. Волгоград, Университетский пр-т, 26), E-mail: gds08@mail.ru
Фомин Сергей Денисович, профессор кафедры «Механика», доктор технических наук, заведующий Центром наукометрического анализа и международных систем индексирования, Волгоградский государственный аграрный университет (РФ, 400002, г. Волгоград, Университетский пр-т, 26), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7910-9284 E-mail: fsd_58@mail.ru
Ханин Юрий Иванович, доцент кафедры «Электроснабжение и энергетические системы», кандидат технических наук, Волгоградский государственный аграрный университет (РФ, 400002, г. Волгоград, Университетский пр-т, 26), E-mail: haninyu5@gmail.com
Веселова Наталья Михайловна, доцент кафедры «Электроснабжение и энергетические системы», кандидат технических наук, Волгоградский государственный аграрный университет (РФ, 400002, г. Волгоград, Университетский пр-т, 26), E-mail: veselovanm@volgau.com
DOI: 10.32786/2071-9485-2022-02-46 FRONT LOADER WITH ADVANCED FUNCTIONAL CAPABILITIES
I. A. Nesmiyanov, M. E. Nikolaev, A. G. Ivanov
Volgograd State Agrarian University, Volgograd Received 25.12.2021 Submitted 06.04.2022
Summary
The design of the front loader is proposed and developed, geometric, structural, and kinematic analysis of the manipulation mechanism is carried out. The loader can be used when laying straw in stacks, laying haylage rolls in a stack. The degree of mobility of the manipulator is calculated, the theoretical calculation of the working area of the loader service is carried out. As a result of calculations, the front loader-0.5 can expand its service area by using spatially parallel programming mechanisms that will reduce the maneuvering of the loader in the technological process of loading, stacking hay bales.
Abstract
Introduction. In agriculture, front loaders are widely used for stacking bales, haylage rolls and other handling operations. Most often, the functionality of front loaders is enough, but sometimes additional maneuverability is required, and in such cases it is necessary to maneuver the tractor. Especially often this happens when laying straw in stacks, laying haylage rolls in a pile. Materials and methods. To expand the functionality of the front loader-0.5 in order to reduce the maneuvering of the tractor, it is planned to improve the manipulation mechanism of the loader. Results and conclusions. The design of the loader has been developed, a geometric, structural, and kinematic analysis of the manipulation mechanism has been carried out. calculated, the degree of mobility of the output link, carried out a theoretical calculation of the working area of the service loader. As a result of the calculations, the front loader - stacker (mounted universal stacker)-550 can expand its service area through the use of spatially parallerogram mechanisms that will reduce the maneuvering of the loader in the technological process of loading, stacking (stacking) hay bales.
Keywords: front loader, structural analysis, kinematic analysis, service area, cargo-handling body, spatially parallelogram mechanism.
Citation. Nesmiyanov I. A., Nikolaev M. E., Ivanov A. G. Front loader with advanced functional capabilities. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2022. 2(66). 372-378 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2022-02-46.
Author's contribution. The authors conducted research, summarized and analyzed the results and wrote a manuscript.
Conflict of interest. The authors declare that there is no conflict of interest.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
УДК 621. 869
ФРОНТАЛЬНЫЙ ПОГРУЗЧИК С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ
И. А. Несмиянов, доктор технических наук, доцент М. Е. Николаев, заведующий лабораторией А. Г. Иванов, ассистент
Волгоградский государственный аграрный университет, г. Волгоград Дата поступления в редакцию 25.12.2021 Дата принятия к печати 06.04.2022
Актуальность. В сельском хозяйстве довольно широко используются фронтальные погрузчики, применяемые для укладки тюков, рулонов сенажа и выполнению других погрузочно-транспортных операций. Чаще всего функциональных возможностей фронтальных погрузчиков достаточно, но иногда требуется дополнительная маневренность и в таких случаях приходится осуществлять маневрирование трактором. Особенно часто такое происходит при укладке соломы в стога, кладке рулонов сенажа в штабель. Материалы и методы. Для расширения функциональных возможностей фронтального погрузчика СНУ-550 с целью уменьшения маневрирования трактора предполагается усовершенствование манипуляционного механизма погрузчика. Результаты и выводы. Разработана конструкция погрузчика, проведен геометрический, структурный, и кинематический анализ манипуляционного механизма. Посчитана степень подвижности выходного звена, проведен теоретический расчет рабочей зоны обслуживания погрузчика. В результате расчетов фронтальный погрузчик-стогометатель СНУ-550 может расширить свою зону обслуживания за счет использования пространственно-параллерограммных механизмов, которые уменьшат маневрирование погрузчика в технологическом процессе погрузки, штабелирования (укладки) тюков сена.
Ключевые слова: фронтальные погрузчики, зона обслуживания, грузозахватные органы, пространственно—параллелограммные механизмы.
Цитирование. Несмиянов И. А., Николаев М. Е., Иванов А. Г. Фронтальный погрузчик с расширенными функциональными возможностями. Известия НВ АУК. 2022. 2(66). 372-378. DOI: 10.32786/2071-9485-2022-02-46.
Авторский вклад. Авторы провели исследования, обобщили и проанализировали полученные результаты и написали рукопись.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Введение. В сельскохозяйственном производстве большое применение находят себе фронтальные погрузчики, используемые для укладки тюков, рулонов сенажа и выполнения других погрузочно-транспортных операций. При укладке такой тары функциональных возможностей фронтальных погрузчиков чаще всего недостаточно, требуется дополнительная маневренность и в таких случаях приходится осуществлять маневрирование трактором. Особенно часто подобное происходит при укладке соломы в стога, кладке рулонов сенажа в штабель [1, 3, 4].По данным некоторых исследований до 12 % времени технологических операций штабелирования рулонов сенажа затрачивается на маневрирование шасси, при этом коэффициент использования фронтального погрузчика по производительности составляет 0,75. Материалы и методы. Для расширения функциональных возможностей фронтального погрузчика СНУ-550 с целью уменьшения маневрирования трактора предполагается усовершенствование манипуля-ционного механизма погрузчика. Результаты и обсуждение. Фронтальный погрузчик с расширенной рабочей зоной содержит грузозахватный орган, состоящий из верхнего 1 и нижнего 2 коромысел, грабельной решетки 3, ведущего звена-гидроцилиндра 4, а
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
также двух коромысел 5, 6 подъема грузозахватного органа, при чем шарниры 7 являются цилиндрическими, кинематическая пара которых равна пяти, два исполнительных привода 8, осуществляющие поворот коромысел 5, 6 в продольной плоскости, имеющие крепления посредством цилиндрических шарниров 9, пространственно-параллелограммный механизм, состоящий из звеньев 10, соединённых параллельно-последовательно между собой вращательными цилиндрическими шарнирами 11, гидроцилиндр управления 12 параллелограммным механизмом, имеющий крепления с звеньям пространственно-параллелограммного механизма посредством вращательных цилиндрических шарниров 13, неуправляемые тяги 14 соединены между собой вращательными цилиндрическими шарнирами 15.
Технологический процесс погрузки тюков осуществляется следующим образом. Фронтальный погрузчик с расширенной рабочей зоной в транспортном положение движется до захватываемого объекта (рисунок 2), после чего останавливается с помощью гидроцилиндров 10 подъема механизма погрузчика, переводит погрузочное средство в рабочее положение, далее с помощью грузозахватного органа происходит захват объекта, в частности с помощью ведущего звена-гидроцилиндра 4 осуществляется сжатие объекта за счет поворота верхнего 1 и нижнего 2 коромысел, после чего осуществляется дальнейшее позиционирование в продольной плоскости с помощью коромысел 5, 6 подъема механизма погрузчика, перемещение в поперечной плоскости происходит за счет поворота пространственно-параллелограмного механизма, с помощью гидроцилиндра 12 и звеньев 10, причем пространственно-параллелограмный механизм всегда находится в горизонтальном положении за счет неуправляемых тяг 14 [5].
При исследовании механизма погрузчика структурный и кинематический анализ являются наиболее важными задачами. При проектировании механизма могут получиться лишние связи и избыточные подвижности, что в свою очередь приводит к возможной потере устойчивости и заклиниванию механизма. Для этого необходимо рассчитать степень подвижности механизма погрузчика [7-9].
Рисунок 1 - Общий вид фронтального погрузчика с пространственно-параллелограммным механизмом
Figure 1 - General view of a front loader with a space-parallelogram mechanism
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 2 - Схема технологического процесса погрузки тюков сена Figure 2 - Diagram of the technological process of loading hay bales
Степень подвижности обосновывается исполнительными звеньями механизма манипулятора. В данном случае это линейный привод на подъем стрелы погрузчика l1=AC в продольной плоскости, линейный привод l2=KK¡ поворота пространственно-параллелограммного механизма в горизонтальной плоскости и линейный привод грузозахватного органа. Используя формулу Сомова-Малышева-Чебышева, для определения степени подвижности механизма W получаем:
W=6n - 5p5 - 4p4 - 3p3 = 2 (1)
где W(n, pi) - степень подвижности; n- количество подвижных звеньев механизма; p-количество кинематических пар i-й подвижности.
Степень подвижности грузозахватного органа с учетом глобальных перемещений шасси составляет W=3.
Перемещение грузозахватного органа зависит от изменения обобщенных координат, которые задают его перемещение в пространстве q(t).
Расчет рабочей зоны обслуживания погрузчика является одной из основных задач кинематического исследования, которая определяется движением выходного звена точки М грузозахватного органа (рисунок 3).
За параметры, от которых зависит зона обслуживания, взяты длины исполнительных звеньев l=AC, l2=KK¡, угол а - угол поворота коромысел пространственно-параллелограммного механизма в продольной плоскости, зависящий от длины исполнительного привода l1) и угол a¡ - угол поворота пространственно-параллелограммного механизма в продольной плоскости, зависящий от длины исполнительного звена l2).
Перемещение выходного звена (точки М) грузозахватного органа между подвижной O1X1Y1Z1 и неподвижной OXYZ декартовыми системами координат осуществляется по следующим зависимостям [2, 6, 10-12]:
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Xj = X0 + an Хш + &21Y1M + a31Z1M ,
YI = Y0 + ^12X1M + ^22Y1M + a32Z1M ,
Zj = Z0 + ^13X!M + a23Y1M + a33Z1M •
(2)
где ХМ, YМ, 2М - координаты выходного звена (точки М) грузозахватного органа; Х0, Y0, Х0 -проекции на соответствующие оси, которые определяют отношение подвижной системы к не подвижной; а^ - косинусы углов, задающие направление вектора подвижной системы относительно не подвижной; 1, гк - проекции единичных векторов в подвижной и неподвижной системе координат.
Рисунок 3 - Кинематическая схема фронтального погрузчика с пространственно-параллелограммным механизмом
Figure 3 - Kinematic diagram of a front loader with a space-parallelogram mechanism
ask =i1s -h S k = 1,2,3 Для формулы (1) Xo = 0; Yo =Yo; Zo = 0,
1 0 0 матрица направляющих косинусов - 0 cos p sin p
0 - sinp cosp
(3)
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Тогда для точки М в неподвижной системе формула (2) принимает вид:
х = DB
У = de
(
ß-y + arccos
-AC2 + AB2 + BC 2AB ■ BC
2 Л Л
+ DE
JJ
DK + DK2 - KKf
2^ DK ■ DK
1 J
(
z = OB - DB ■ cos
ß-y + arccos
f-AC2 + AB2 + BC2 ЛЛ
2AB ■ BC
JJ
1-
rDK2 + KD -KK2 Л2
2DK ■ DK
+ME
(5)
Рисунок 4 - Рабочая зона погрузчика стогометателя Figure 4 - The working area of the loader stogometatel
Формирование теоретической зоны обслуживания манипуляционного механизма погрузчика, полностью описывается с помощью системы уравнений (5). Все расчеты пространственного перемещения точки М произведены в программном комплексе Mathcad [13, 14].
В результате из полученной зоны обслуживания фронтального погрузчика на рисунке 4 видно, что движения выходного звена грузозахватного органа (точки М) осуществляется по оси X от min(X) = 6554 мм до max(X) = 8104 мм; по оси Y от min (Y)=-1077 мм до max(Y)=917 мм; по оси Z от min(Z)=-845 мм до max(Z)=4423 мм [15,16]. Фронтальный погрузчик СНУ-550 может расширить свою рабочую зону обслуживания, за счет использования пространственно-параллелограммных механизмов, которые уменьшат маневрирование погрузчика в технологическом процессе погрузки, штабелирования (укладки) тюков сена, что, в свою очередь, повлечет уменьшение расхода топлива и повышение производительности труда.
Выводы. Разработана конструкция погрузчика, проведены геометрический, структурный и кинематический анализ манипуляционного механизма. Посчитана, степень подвижности манипулятора, проведен теоретический расчет рабочей зоны обслуживания погрузчика. В результате расчетов фронтальный погрузчик СНУ-550, может
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
расширить свою зону обслуживания за счет использования пространственно-параллерограммных механизмов. Это уменьшит маневрирование погрузчика в технологическом процессе погрузки, штабелирования (укладки) тюков сена.
Библиографический список
1. Дегтяренко А. С. Исследование способов погрузки тюков незерновой части урожая // Инженерный вестник Дона. 2021. № 6 (78). С. 115-130.
2. Дяшкин-Титов В. В., Павловский В. Е. Задача оптимального управления перемещением схвата манипулятора-трипода // Известия Нижневолжского агроинженерного комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2014. № 4 (36). С. 241-247.
3. Использование современного программного обеспечения для проектирования сельскохозяйственной техники / Д. Н. Пирожков, Е. В. Воронов, С. А. Сорокин, Р. Н. Бачурин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2018. № 1 (159). С. 153-158.
4. Оценка комбинированных машин с грузоподъемными устройствами / Р. Л. Сахапов, М. М. Махмутов, М. М. Земдиханов, М. М. Махмутов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2017. Т. 19. № 1-2. С. 282-287.
5. Строганов Ю. Н., Давыдова В. В., Летнев К. Ю. Повышение безопасности погрузочно-разгрузочных работ при транспортировке картофеля и овощей с использованием мягких контейнеров // Научно-технический вестник: Технические системы в АПК. 2019. № 5 (5). С. 67-77.
6. Тарасов В. Н., Бояркина И. В. Динамика рабочего оборудования технологических стреловых машин при реальном законе управления электрозолотником гидрораспределителя // Динамика систем, механизмов и машин. 2016. № 1. С. 108-115.
7. Токарев В. И., Бабоченко Н. В. Вопрос стабильности работы стреловых грузоподъемных средств на колесном шасси // Нива Поволжья. 2020. № 4 (57). С. 100-108.
8. Шварц А. А., Шварц С. А., Башкирев А. П. Оптимизация параметров бокового погрузчика пресс-подборщика // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2018. № 9. С. 223-232.
9. Щербак О. В. Математическое и компьютерное моделирование нагруженности основных элементов рамы фронтального погрузчика // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2020. Т. 2. № 88. С. 51-55.
10. Akay A. E. Productivity analysis of front-end loader in timber harvesting // European Journal of Forest Engineering. 2020. № 6 (1). Р. 7-13.
11. Nesmianov I. A., Nikolaev M. E., Sharipov R. V. Substantiation of the parameters of the executive drive of the robot manipulator of the loading and transport unit // Series of conferences IOP: Science of the Earth and the environment. 2021. 659(1).
12. Nikolaev M. E., Nesmianov I. A., Zakharov E. N. Determination of the service area of an agricultural loading robot with a manipulator of parallel-sequential design // IOP conference series: Materials science and engineering. 2020. 747 (1).
13. Nikolaev M. Parameters of justification and trajectory of capture planning for robotic loading and transportation // Intellectual innovations, systems and technologies. 2022. 245.
14. Oskarsson B., Westergaard E., Langer, T. H. Optimization of tractor front loader for improved design freedom and increased operability. 2019.
15. Troyanovskaya I. P., Shepelev S. D. Design of agricultural loader with articulated frame. 2021.
16. Zhoga V. The architecture of the control system for the mobile process robot with walking movers // International Review of Mechanical Engineering. 2017. V. 11. № 5. P. 337-342.
Информация об авторах: Несмиянов Иван Алексеевич, проректор по учебной работе, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (400002, г. Волгоград, Университетский проспект, 26), тел. +7 (8442) 41-18-49. E-mail ivan_nesmiyanov@mail.ru Николаев Максим Евгеньевич, заведующий лаборатории кафедры "Механика" ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (400002, г. Волгоград, Университетский проспект, 26), тел. +7 (8442) 41-18-49. E-mail: mr.maks.nikolaev.1994@mail.ru ORCID 0000-0003-2956-4064 Иванов Алексей Геннадьевич, ассистент кафедры «Механика» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (400002, г. Волгоград, Университетский проспект, 26), тел. +7 (8442) 41-18-49. E-mail: leha_2106@list.ru ORCID 0000-0003-1098-099X
