Оптимизация привода захватного устройства харвестерной головки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Оптимизация привода захватного устройства харвестерной головки

Optimization of the harvester head grip device mechanism

А. А. Селиверстов (A. Seliverstov)' e-mail: saa.pk@onego. ru В. С. Сюнёв (V. Siounev) е-ntail: siounev@psu. karelia. ru Петрозаводский государственный университет

АННОТАЦИЯ

Приводится методика оптимального выбора приводного гидроцилиндра захватного устройства (ЗУ) харвестерной головки.

Ключевые слова: харвестерная головка, захватное устройство, гидроцилиндр.

SUMMARY

Method of optimal choice a hydraulic cylinder for grip device of harvester head is discussed.

Keywords: harvester head, grip device, hydraulic cylinder.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

На современных харвестерных головках удержание дерева в процессе валки и последующего перемещения производится захватными рычагами, на концах которых агрегатируется протаскивающий механизм вальцового или гусеничного типов. Таким образом, рычаги захватного устройства (ЗУ) наряду с функцией удержания дерева выполняют функцию прижима протаскивающего устройства к стволу в процессе его подачи к сучкорезным ножам. Привод (закрытие и разведение) рычагов осуществляется гидроцилиндром двухстороннего действия.

Для того чтобы подобрать оптимальный гидроцилиндр привода рычагов ЗУ, необходимо определить следующие параметры:

в момент М1, необходимый для надежного удержания дерева;

® момент Mg , развиваемый приводным гидроцилиндром. Оптимальным будет только тот гидроцилиндр, у которого момент Mg больше момента М1 на всем диапазоне изменения диаметров обхватываемых де-

1 Авторы - соответственно аспирант кафедры тяговых машин и д. т. н., профессор, заведующий кафедрой тяговых машин © Селиверстов А. А., Сюнёв B.C., 2005

ревьев от й?0 до А, , при этом момент Mg должен

быть минимальным из всех возможных вариантов. Очевидно, что достичь полного совпадения максимального момента гидроцилиндра и максимально возможного потребного момента для всех положений захватных рычагов не удается из-за ограниченного числа варьируемых параметров, конструктивных ограничений и дискретности стандартного ряда типоразмеров гидроцилиндров.

Аналогично задаче, решаемой при проектировании манипулятора [2, 3], необходимо найти такие значения параметров механизма, при которых максимальное значение отношения развиваемого приводом момента к максимально возможному потребному моменту на всем диапазоне изменений диаметров было бы наименьшим, при условии, что это отношение не становится меньше единицы:

1Шп(тах^^-1>0) М 1(£>)

3,с1,Х,у, (1)

й0 < £> < /)0,

где Mg(D) - функция развиваемого гидроцилиндром момента;

Ж (О) - функция верхней границы моментов;

^ - ход штока гидроцилиндра; й-диаметр поршневой или штоковой полости гидроцилиндра;

X, у - координаты подвеса опор гидроцилиндра и размеры элементарного рычажного механизма;

I) - диапазон изменений диаметров деревьев.

На управляемые параметры (компоненты векторов 5, й, X, у), исходя из конструктивных соображений и нормативных материалов, накладываются соответствующие областные и функциональные ограничения.

Расчетная схема представленной задачи показана на рисунке 1.

Для определения верхней границы моментов механизма управления рычагами рассчитывается потребный момент, действующий относительно шарнира соединения рычага и корпуса (точка О на рис. 2). Он действует в плоскости движения рычага, при этом наибольший момент будет соответствовать захвату дерева максимального диаметра.

\ / -"■у-

V/

Рис. 1. Расчетная схема

Момент, развиваемый приводом, также действует в плоскости движения рычага и прижимает его вместе с вальцом к дереву (рис. 2).

Рис. 2. Силы, действующие на захватный рычаг

Поставленная задача успешно решается в среде пакета МаЛСАБ.

ИСХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Исходными являются следующие параметры:

® максимальный диаметр захватываемого дерева £)() ;

в минимальный диаметр захватываемого дерева с!0;

® угол обхвата дерева максимального диаметра;

в угол обхвата (X дерева минимального диаметра.

АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

I. Предварительные расчеты. Центр дерева максимального диаметра (точка

О^Хо ,У0 )) берется за начало системы координат ХО^У . Координаты точек А( Хд , уА ), А' ( х'л , у'А ) и О ( хО ,уО ) известны (см. рис. 1).

Для построения траектории движения точки контакта А захватного рычага с деревом необходимо построить окружность, проходящую через точку контакта рычага с деревом максимального диаметра А и точку контакта рычага с деревом минимального диаметра

А'.

Координаты центра этой окружности Х\ и У| определяются из системы уравнений [1]:

r = №-x'A)2+(Yl-y'A)2

r = J(Xi-xA)2+(Y]-yA)2 Dn

где

г = 1.5'

(2)

(3)

(4)

Траектория движения точки контакта А захватного рычага с деревом определяется из системы уравнений:

х2 +

У-

DO D

i-1

UJ

(x-Xxf+{y-Yxf=r\

принимая затем = Find(х, >') ,

где D = d0,d0+O.Ol...DO.

(5)

(6)

(7)

(8)

Траектория движения точки А при заданных параметрах d0 — 0.06 М, DO = 0.45 М, Р = 55° и

СХ = 10 показана на рисунке 3.

Рис. 3. Траектория движения точки контакта А

Шаг изменения диаметров деревьев от до . Например, если при = 0.06 м и 00 = 0.45 м задать изменение диаметра обхватываемых деревьев с шагом 0.01 м, тогда получим

£>0 -йп

п =--,

0.01

откуда П = 39 ;

7=0..«;

=4+0.01-7'.

(9)

(10) (И)

Изменение координаты точки А (ХА , у А ) запишется в следующем виде:

хА1у = F^DJl

уаь = ФА

(12) (13)

Изменение координаты центра дерева 0] (х^ , |: х01, = 0, (14)

у01,

(15)

V ^ У

Изменение угла обхвата деревьев:

{ \

р'. = агссоэ

(хА1,-х01.

\ з ]

1

(х41у -хОх)2 + + {уА1/-у0\1

(16)

Наименьший угол обхвата р'. соответствует углу

обхвата дерева максимального диаметра р (см. рис. 1).

Изменение плеча действия силы нормального давления рычага на ствол N равно:

Ш;

-Ы1 . - V (> 1 )• Г/11 • -хО-уА1]+у01/хО + + уО-хА1/ ~х01/ ■уО

^(хА1/-х01/)2+(уА1/-у01/)2 '

17)

где хО и уО - координаты точки О крепления рычага на корпусе харвестерной головки (см. рис. 1).

Изменение плеча действия силы трения Т определяется:

[хА\; - х01 )-хО + (уА\] - уО 1у)■ ■уО +

Щ =

з }.

{х01;-хА1.. -хА12.

V

+ у01/-уА1/-уА1"/

хА1/-х01/)2+(уА^-у01у)2

Изменение угла X (см. рис. 2) равно:

хА1/

ГУА\} ~у01,.

+

'хА\, V у01

V

и

(19)

Длина рычага Ьр при захвате дерева максимального диаметра определяется:

Ьр = уЦ.хО - хА У + (уО - у А)2 . (20)

Длина рычага 1р при захвате дерева минимального диаметра равна:

1р = ^хО-х'АУ+(уО-у'А)2

причем Ьр = 1р .

(21) (22)

Изменение угла поворота рычага при захвате деревьев

у, = агссоБ

Ьр2+1р2-~{хА\. -хА} ■

2 ■ Ьр ■ 1р

(23)

Изменение плеча действия усилия Ргц , развиваемого гидроцилиндром (см. рис. 2),

=р-соэ(у/).

(24)

2. Определение верхней границы моментов механизма управления рычагами

Л/!. = • //Л .. ••• 'Г -ИТ .

(25)

где N - максимальная потребная сила нормального давления рычага на ствол; Т - сила трения рычага о ствол;

Верхняя граница моментов соответст вует наиболее тяжелому режиму работы ЗУ. К таким режимам относятся: ® натяг дерева при срезании; ® отрыв дерева от пня; « наклон дерева в положение от машины; » подтаскивание дерева за комель к машине при волочащейся вершине.

Сила трения рычага о ствол определится по следующей формуле:

(26)

3. Момент, развиваемый приводным гидроцилиндром:

=РгЧ -}1ёГрЛ0Ь -Л,,,,,;. (27)

где Ргц - площадь поршневой или штоковой части гидроцилиндра. При работе гидроцилиндра поршневой полостью на обжим дерева

гц <+

При работе штоковой полостью

2

р _ Фпорш (1шт) Ргц ~ 71 ^ '

(28)

(29)

р - давление в гидросистеме, Па;

'Цкпд = 0,95 - коэффициент полезного действия.

На рисунке 4 представлен график зависимости момента, развиваемого гидроцилиндром, и верхней границы моментов от диаметра обхватываемого дерева при изменении последнего от й?0 = 0.06 м до

00 = 0.45 м.

и

Рис. 4. Момент, развиваемый гидроцилиндром, и верхняя граница моментов

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предлагаемая методика позволяет подобрать оптимальный гидроцилиндр привода рычагов. Вследствие этого на протяжении всего технологического процесса заготовки древесины захватные рычаги будут надежно удерживать дерево, исключая его проскальзывание относительно захватных рычагов и корпуса харвестерной головки.

2. Наиболее тяжелым режимом работы захватного устройства является наклон дерева в положение от машины.

3. На рисунках 5, 6, 7 представлены графики, которые показывают зависимости изменения соответствующих параметров от диаметра обхватываемого дерева, при изменении последнего от с10 = 0.06 м до

ВО = 0.45 М.

м

Рис. 5. Изменение плеча силы нормального давления рычага на ствол дерева от диаметра дерева

Т.*Е

Рис. б. Изменение плеча силы трения от диаметра дерева

0.2--0.1?--

о.озз--

--1-1-1-1-1-1

О 0.073 0.13 0.22 0.3 038 0А5

м

Рис. 7. Значение плеча действия усилия, развиваемого гидроцилиндром, от диаметра дерева

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике 11-е изд. / М. Я. Выгодский. М.: Наука, 1976. 872 с.

2. Герасимов Ю. Ю. Манипуляторные системы лесных машин: проектирование и расчет: Учебное пособие / Ю. Ю. Герасимов, С. А. Кильпе-ляйнен, В. М. Костюкевич, В. С. Сюнёв. Петрозаводск; Йоэнсуу, 1994. 96с.

3. Герасимов Ю. Ю. Лесосечные машины для рубок ухода: компьютерная система принятия решений / Ю. Ю. Герасимов, В. С. Сюнёв. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1998. 236 с.