Обоснование режимов работы механизма поворота колонны лесного манипулятора с энергосберегающим гидроприводом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

DOI: 10.12737/1773 УДК 629.3.065

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА КОЛОННЫ ЛЕСНОГО МАНИПУЛЯТОРА С ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИМ ГИДРОПРИВОДОМ

доктор технических наук, профессор, заслуженный лесовод РФ, профессор кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин И. М. Бартенев заведующий кафедрой лесной промышленности, метрологии, стандартизации и сертификации, кандидат технических наук, доцент Л. Д. Бухтояров доктор технических наук, профессор, профессор кафедры механизации лесного хозяйства и

проектирования машин П. И. Попиков аспирант кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин С. В. Долженко ФГБОУ ВПО Воронежская государственная лесотехническая академия. vglta-mlx@yandex.ru, svdwolf@mail.ru

Анализ исследования динамики гидропривода лесных манипуляторов показывает, что рабочие процессы механизмов поворота колонны сопровождаются большими динамическими нагрузками, вызывающими резкие скачки давления рабочей жидкости в пуско-тормозных режимах. Общим недостатком демпфирующих устройств является то, что при остановках поворотной колонны в различных положениях демпфирование колебаний давления рабочей жидкости происходит за счет ее перетекания из одной полости в другую через дроссельные отверстия, при этом гидравлическая энергия превращается в тепловую, что приводит к перегреванию жидкости и потере энергии. При остановках манипулятора происходит раскачивание груза, которое вызывает колебательные процессы и знакопеременные напряжения в металлоконструкции, что снижает их надежность и производительность. Наиболее эффективными являются гидропневматические приводы колонны манипулятора, которые способны рекуперировать энергию при переходных режимах и

возвращать часть энергии обратно в систему [1].

Предлагаем новый механизм поворота колонны лесного манипулятора (рис. 1).

Механизм поворота содержит поворотную колонну 1 с закрепленной на ней шестерней 2, зубчатую рейку 3, размещенную внутри гидроцилиндров 4, 5, отличающийся тем, что в крышках гидроцилиндров выполнены каналы, сообщающиеся с распределителем 6 гидросистемы базовой машины и с полостями дополнительного демпфера 7 с внутренними возвратными плунжерами, а механизм поворота снабжен дополнительными пневмоцилиндрами 8, 9, включающими в себя поршни, установленные на штоках выполненных в виде рейки, находящейся в зацеплении с шестерней поворотной колонны [2, 3]. Начальное давление в пневмоцилиндрах создается компрессором тормозной системы базового транспортного средства. Дополнительный демпфер с возвратными пружинами гасит динамические нагрузки и раскачивание груза при остановках поворотной колонны в промежуточных поло-

/ 9

Рис. 1. Расчетная схема гидропневмопривода механизма поворота колонны

жениях, а пневмоцилиндры обеспечивают плавные остановки колонны в крайних положениях, при этом аккумулируют энергию торможения, а затем возвращают её обратно в систему, т.е. происходит процесс рекуперации.

Для описания рабочих процессов и обоснования параметров механизма поворота колонны манипулятора нами разработана математическая модель, которая учитывает три механических процесса: вращательное движение колонны манипулятора вокруг вертикальной оси, поступательное движение плунжера вдоль оси демпфера, а также раскачивание груза относительно точки крепления на рукояти манипулятора. Общая система уравнений, описывающая работу механизма поворота манипулятора,

имеет следующий вид (1).

Для воспроизведения в модели рабочего цикла манипулятора расчеты были организованы в виде компьютерного эксперимента рис. 2. Он заключается последовательной комбинации следующих режимов: "поворот колонны влево” из начального положения на угол 30 °; "остановка" и выдержка в течение нескольких секунд; "поворот колонны вправо" до исходного углового положения; "остановка".

Остановка поворота колонны сопровождается резким запиранием питающей и сливной гидромагистралей. При этом на графиках РЛ({) и РП^) появляются всплески давления, а на графиках раскачивания груза Д/т и Д/г появляются пики, которые сменяются затухающими колебаниями.

d х„

dt2

— РП1

d 2ф Иё

Р„

:{рД - (\П)

+ Р„

Ж2

■ + С г,

г(р Д - (П)

0, ХД — 1П 1П — ХД , ХД < 1П

-Р

ж(2

0, Д ХД Н — 1П !жд

---------к

1п — Ьд + Хд + Н, Ьд — Хд — Н < /п (

жР 2

РК (РЛ — РП ) Ьо (— ГОХ ' ф + ГОУ ' С°^ ф) —

3

2

—МТР — к^К(ф+мУ + мВ + -К ж'рП'Р°'Ьг dt

8Т

(Т1 (ьг — Хг )

Т

Т

(ЬГ Хг )

dt

Ьг

ЧТ — Т1);

(1)

(Т. = (т0 — Т2);

dt ЬгУ 0 2>

Г

dt тм _____

К = (См (0м — Ьм ) + )4м — тм1-;

dt

где мТР - момент сил трения в подшипниках колонны;

кТК - приведенный коэффициент вязкого трения в гидроцилиндрах поворота; мУ - момент сил от уклона местности; МВ - момент сил от ветровой нагрузки; кд - коэффициент вязкого трения плунжера при перемещениях в демпфере;

сП - жесткость внутренней пружины-упора;

/П - свободная длина внутренней пружины-упора;

—д - масса плунжера;

хд - положение плунжера в демпфере;

ц - коэффициент расхода;

Р0 - начальное давление газа в пневмоцилиндрах;

Т0 - температура окружающей атмосферы;

Т1 и Т2 - температура газа в левом и правом пневмоцилиндре;

к - эффективный коэффициент тем-

пературопроводности, отношения (Ьг -хг)/Ьг и хг/Ьг представляют относительную длину теплового контакта пневмоцилиндра с окружающей средой;

кд - коэффициент вязкого трения плунжера при перемещениях в демпфере;

ГоХ и - декартовы составляющие

силы, оказываемой на стрелу со стороны груза;

Гм - радиус-вектор точки М в декартовой системе координат ХУ2;

сМ и - коэффициенты жесткости и

вязкости вязкоупругого взаимодействия посредством устройства захвата;

Ом - вектор, исходящий из точки О и оканчивающийся в точке м;

Ом - расстояние между точками О и м;

§ - вектор ускорения свободного падения;

¥ и X - угловые отклонения стержня-

1

4

4

-

4

4

1

1

1

С^О

х

Г

бревна соответственно в горизонтальной плоскости относительно направления стрелы и в вертикальной плоскости относительно горизонтального положения;

м^Б(0 и мХБ(/) - моменты внешних сил, действующих на бревно;

(Б и (ХБ - эффективные коэффициенты вязкого трения при вращении захвата с бревном в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Изменяя конструктивные параметры демпфера необходимо добиться сглажива-

Рис. 2. Вывод результатов моделирования на экран компьютера в процессе компьютерного эксперимента

ния всплесков давления и уменьшения амплитуды колебания груза.

Чтобы оценить, насколько эффективно демпфирующее устройство сглаживает скачки давления в гидросистеме, провели два вычислительных компьютерных эксперимента. В первом эксперименте ("без демпфера") модель гидравлической подсистемы не содержала демпфера, что было реализовано обнулением коэффициентов дросселирования £гнЛ1, ^НЛ2, ^НП1, ^НП2, &Л1А, &П1А, £лЛ1, &ЛЛ2, ^ПП1, kпП2, отвечающих за перетекание жидкости между основными полостями демпфера. В качестве второго эксперимента ("с демпфером") выступал базовый эксперимент, в котором модель гидравлической подсистемы содержала демпфер с типичными параметрами.

На основе уравнения вращательного движения колонны рассчитаны зависимости возвращающей силы от смещения рейки ^П(хГ), а также накопленной пневомо-цилиндром энергии Ед. При этом было принято Dп = 80 мм; Р0 = 0,1 МПа; LГ = 220 мм (рис. 3).

б

Рис. 3. Зависимости возвращающей силы ГП пневматического цилиндра от смещения рейки хг (а) и накопленной энергии ЕА от величины смещения рейки хг (а)

манипулятора от равновесного положения возвращающая сила (и соответственно момент) линейно зависит от угла поворота, обеспечивая линейную рекуперацию энергии. При значительных поворотах колонны (к крайним положениям) возвращающая сила резко возрастает, обеспечивая своеобразные "мягкие упоры". Для удобства анализа результатов оптимизации факторы были сгруппированы попарно. Соответственно были решены две следующие задачи оптимизации.

Р— (к, (п тт; (2)

Ах (К, ) ^ тт;

|Р— (сп, /п min; (3)

I Л (сП , /П )^ min.

При оптимизации параметров демпфера каждый из четырех факторов варьировали на восьми уровнях: где: К от 0,70

до 3,00 с шагом 0,29; dп от 10,00 до 60,00 мм с шагом 6,25 мм; сП от 0,00 до 2,00 МН/м с шагом 0,25 МН/м; /П от 0,00 до 10,00 мм с шагом 1,25 мм.

Для каждой из задач оптимизации (2) и (3) провели по 64 компьютерных эксперимента (8 х 8 = 64). При этом получили таблично заданные функции двух переменных для каждой оптимизируемой функции.

Благодаря незначительному количеству рассматриваемых факторов (два фактора) появляется возможность графически изобразить поверхности отклика и провести их визуальный анализ (рис. 4).

При наложении благоприятных областей в факторном пространстве (К, dп) получаем в результате пересечения оптимальную область.

б

Рис. 4. Поверхности отклика к оптимизации конструктивных параметров демпфера коэффициента размера К и диаметра запираемых полостей (П (а, б); жесткости сП и свободной длины внутренней пружины-упора /П (в, г)

Таким образом, можно рекомендовать следующие оптимальные диапазоны геометрических параметров демпфера: К от 1,7 до 2,2; (П от 20 до 26 мм, сП от 0,5 до 1,5 МН/м; /П от 30 до 80 мм. При характерном давлении газа в аккумулирующих пневмоцилиндрах 1 МПа доля рекуперируемой энергии составляет около 25 % от общей энергии, затрачиваемой на поворот колонны. Использование пневматических цилиндров повышает плавность поворота колонны и уменьшает всплески давления в гидросистеме при резкой смене режимов движения. Без пневмоцилиндров всплеск давления составляет около 70 % от рабочего давления, а с пневмоцилиндром - всего 15 %.

Библиографический список

1. Гидроманипуляторы и лесное тех-

нологическое оборудование: монография / И.М. Бартенев, З.К. Емтыль, А.П. Татарен-ко [и др.] / под ред. д-ра технических наук, проф. ИМ. Бартенева. М.: ФЛИНТА: Наука, 2011. 409 с.

2. Пат. на изобретение 2479481 РФ, МПКВ 66 С 13/42. Механизм поворота колонны стрелового манипулятора / П.И. Попиков, Д.В. Обоянцев, С.В. Долженко; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2011148369/11; заяв. 28.11.2011; опубл. 20.04.2013, Бюл. № 115.

3. Пат. на полезную модель 125571 РФ, МПКВ 66 С 13/42 Механизм поворота колонны стрелового манипулятора / П.И. Попиков, Д.Ю. Дручинин, С.В. Долженко [и др.]; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2012143435/11; заяв. 10.10. 2012; опубл. 10.03.2013.

DOI: 10.12737/1774 УДК 631.3.02

ИЗНАШИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН

доктор технических наук, профессор, заслуженный лесовод РФ, профессор кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин И. М. Бартенев аспирант кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин

Е. В. Поздняков

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» kafedramehaniza@mail.ги, pozd.ev@yandex.ru

Изнашивающая способность почвы с В основе абразивного изнашивания

точки зрения процесса разрушения - это лежит процесс микрорезания поверхности

способность почвы изнашивать режущие деталей вершинами абразивных зерен. На

элементы, изменять их геометрические интенсивность процесса изнашивания бо-

размеры в результате режущего или сколь- льшое влияние оказывает острота граней и

зящего воздействия составляющих почву их количество. Чем больше острых граней

частиц и включений. имеют частицы, тем более высокое изна-