CC BY
98
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 629.114.2-182.8
ПОДЪЕМНО-НАВЕСНЫЕ УСТРОЙСТВА УНИВЕРСАЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
В. Б. ПОПОВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
Введение
С 1987 г. ОАО «Гомсельмаш» - крупный производитель сельскохозяйственной техники в Республике Беларусь часть специализированных уборочных машин заменяет комплексами, сформированными на базе универсального энергетического средства (УЭС), что технически прогрессивно и экономически целесообразно.
Агрегатирование всех УЭС с навесными машинами (НМ) осуществляется при помощи подъемно-навесных устройств (ПНУ) (рис. 1, а), состоящих из гидропривода и механизма навески (МН), определяющего характер взаимодействия базового модуля с навешиваемыми адаптерами [1].
Цель работы - проанализировать направления развития подъемно-навесных устройств УЭС разных поколений и попытаться сформировать облик ПНУ на ближайшую перспективу.
Рис. 1. Подъемно-навесное устройство УЭС-350 «Полесье»: а - внешний вид ПНУ; б - схема трехточечного механизма навески: 1 - нижняя тяга; 2 - гидроцилиндр; 3 - рама УЭС; 4 - вал поворотный; 5 - рычаг поворотный; 6 - верхняя тяга; 7 - раскос; 8 - стяжки; А, В - размеры присоединительного треугольника
Основная часть
Существуют несколько режимов работы УЭС и соответствующих режимов работы ПНУ. В данной работе коснемся трех из них - рабочего, транспортного переезда и перевода НМ из рабочего положения в транспортное. Большая часть выходных параметров функциональной математической модели (ФММ), описывающей последний режим, одновременно присутствует в расчетах выходных параметров двух
а)
б)
первых режимов. Поэтому в дальнейшем ограничимся знакомством с ФММ перевода НМ из рабочего положения в транспортное.
Функционирование структурной ЭБ-модели МН УЭС (рис. 1, б) процесса подъема довольно сложно формализовать, поэтому, как правило, используется ее плоский аналог (рис. 2, б). Однако следует отметить, что при подъеме НМ выполняет относительно энергоносителя сложное движение, что должно учитываться при выполнении динамического анализа, для которого необходимо подробное описание кинематики механизма навески ПНУ.
а) б)
Рис. 2. Подъемно-навесное устройство УЭС: а - заднее подъемно-навесное устройство УЭС- 290/450; б - плоский аналог кинематической цепи, включающий механизм навески УЭС-290/450 и КНК-500
Выполнение расчетов по вышеупомянутой ФММ начинается с определения положения подвижных шарниров, аналогов угловых скоростей звеньев и линейных скоростей характерных точек, т. е. последовательно выполняются процедуры геометрического и кинематического анализа представленной на рис. 2, б кинематической цепи. В его основе лежит метод замкнутого векторного контура, предложенный Зиновьевым [2].
В базовой системе координат, связанной с УЭС, определяются координаты подвижных шарниров МН и характерных точек замкнутой кинематической цепи. В частности, координаты оси подвеса МН - П56 определяются по выражениям:
X56 (S) = X05 + ¿56 • cos Ф5(S); ^(S) = Y05 + L56 ■ sinФ5 (S), (1)
где X05, Y05 - координаты неподвижного шарнира П05 на раме трактора; ф; - угол,
образуемый соответствующим звеном, в правой декартовой системе координат.
Координаты характерной точки - центра тяжести НМ - определяются в соответствии с выражениями:
Xs6(S) = X56(S) + Ls6 ■ cosk(S) + Фs6]; (2)
Ys6(S) = Y56(S) + Ls6 ■ sin[ф6(S) + Фs6], (3)
где LS 6 и 6 - характеристики вектора, проведенного от оси подвеса в центр тяжести рабочего орудия.
Аналитические выражения (2)-(3) представляют собой функции положения центра тяжести НМ, необходимые одновременно для формирования процедур кинематического, а затем и силового анализа.
В результате кинематического анализа определяются аналитические выражения для передаточных чисел МН на оси подвеса - 1т (Б), для конкретной НМ - 1Б 6(Б),
а также аналог ее угловой скорости - ф'6(Б):
1т(Б) = фЭ(Б)• и5з(Б)• Ь56 • 0С8[ф5(Б)]
(4)
где ф3(Б) - аналог угловой скорости звена поворотного рычага; и53(Б) - передаточное отношение; Ь56, ф5 (Б) - длина нижней тяги и угол, образуемый ею в правой декартовой системе координат.
6 (Б) = ф3 (Б) • и53 (Б) • (4б • сов[ф5 (Б)]+и65 (Б) • ЬБ6 • сов^ (Б) + ф56 ]}, (5)
где ЬБ6, фБ6 - вектор, равный расстоянию от оси подвеса до центра тяжести НМ, и угол между ним и НМ, представленной звеном Ь6.
ф6 (Б) = ф3 (Б) • и63 (Б) = ф3 (Б) • и53 (Б) • и65 (Б)
(6)
где и65 (Б) - передаточное отношение, характеризующее соотношение угловых скоростей звеньев Ь56 и Ь6.
Зная 1Б 6(Б), можно, не выполняя силовой анализ МН, определить полезную нагрузку - Г (Б), приведенную к рабочим гидроцилиндрам МН:
Г(Б) = Р6 • 1б6 (Б).
(7)
Результаты расчета выходных параметров ПНУ УЭС-250 (первое поколение) и УЭС-290/450 (третье поколение), агрегатируемых, соответственно, с кормоубо-рочными комбайнами ПКК-3000 и КНК-500, выполненные при помощи ФММ, представлены на рис. 3, 4 и в табл. 1, 2.
4.5
1Я(8)
3.5
2.5
0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6 0.62 0.64 0.66 0.68 0.7
Б, м
Рис. 3. Передаточные числа МН УЭС-250 на оси подвеса и в центре тяжести НМ (при агрегатировании с ПКК-3000) в диапазоне изменения обобщенной координаты Б
4
3
Передаточные числа МН являются одними из критериев качества ПНУ, и сравнение характера их изменения для МН УЭС-250 и УЭС-290/450, безусловно, в пользу последнего. Передаточное число на оси подвеса для МН УЭС-250 в диапазоне из-
менения обобщенной координаты плавно растет (с 2,653 до 2,903) на 9,4 % (рис. 3). В то же время соответствующее ПЧ для МН УЭС-290/450 плавно уменьшается (с 2,671 до 2,461) на 8,5 % (рис. 4). Максимальные значения ПЧ, полученные для центров тяжести НМ, близки, но в случае УЭС-290/450 характер изменения ПЧ более стабилен и разность между его максимумом и минимумом составляет не более 7,4 %, а для УЭС-250, соответственно, 22,6 %.
Еще одним из критериев качества МН и ПНУ в целом является численное значение мгновенного центра вращения навесной машины - Хр, определяемое положением внешнего четырехзвенника МН, которое в соответствии с требованиями [4] лучше при агрегатировании УЭС-290/450 с КНК-500.
1т( Б)
!з (Б)
4.5 4 3.5 3 2.5
0.571 0.596 0.621 0.646 0.671 0.696 0.721 0.746 0.771 0.796 0.821
5", м
Рис. 4. Диаграммы изменения передаточных чисел УЭС-290/450
Грузоподъемность на оси подвеса МН и в центре тяжести НМ равна весу навесной машины, переводимой из рабочего в транспортное положение:
^ (5) = ■
РТк -кт(5') + FП(5*)];
4 (5 * )п
^ 6(5) = -
хк -кипнр (5*) + крр (5*)]
46(5 * )п
(8)
где ргтцах - максимальное давление в гидроцилиндре; кс - площадь поршня гидроцилиндра; кипр(5 *) - приведенная сила инерции и (5 *) - приведенная сила трения,
определенные для значения обобщенной координаты 5*, соответствующей максимуму передаточных чисел - 1т (5), 15 6(5).
Грузоподъемность - это обобщенный критерий качества ПНУ, зависящий от параметров гидропривода, механизма навески и массово-геометрических характеристик НМ.
Практика проектирования УЭС показывает, что вес навесной техники и удаление ее центра тяжести от оси подвеса МН имеют тенденцию к росту, а заданная траектория подъема НМ может быть воспроизведена, если только обеспечена достаточная грузоподъемность ПНУ.
Как следует из табл. 1 и 2, грузоподъемность ПНУ на оси подвеса для УЭС-250 и УЭС-290/450 выросла, соответственно, с 41,56 до 80,27 кН. Это следует из выражения (8) и объясняется ростом максимально возможного давления и диаметром поршня гидроцилиндра, с одной стороны, и уменьшением максимума 1т (5), с другой. Что касается грузоподъемности, связанной с подъемом ПКК-3000 и КНК-500, то в обоих случаях она на пределе: для ПКК-3000 весом в 28 кН она составляет 28,35 кН; для КНК-500 весом в 48 кН она составляет 49,39 кН.
гц
Таблица 1
Выходные параметры ПНУ УЭС-250
Геометрические параметры Кинематические параметры Силовые параметры
Я, м Г»($), м Хр(Б), м фб(Я), град Фз'(Я», 1/м Цз(Я>, *« Фб'(Я), 1/м ^„(Я), кН кН ^пр(Я), кН Р2(Я), МПа
0,50 - - - - - - - - -
0,52 0,354 -2,290 89,195 4,734 0,167 0,791 45,473 34,778 97,13 12,077
0,54 0,407 -2,141 90,112 4,717 0,172 0,810 45,430 34,565 97,73 12,151
0,56 0,460 -2,039 91,056 4,743 0,177 0,837 45,282 34,222 98,70 12,273
0,58 0,513 -1,924 92,034 4,807 0,181 0,872 45,049 33,767 100,04 12,438
0,60 0,567 -1,798 93,058 4,912 0,186 0,915 44,739 33,203 101,73 12,649
0,62 0,621 -1,661 94,136 5,062 0,191 0,969 44,353 32,531 103,83 12,911
0,64 0,676 -1,516 95,282 5,266 0,196 1,034 43,879 31,739 106,43 13,233
0,66 0,731 -1,364 96,513 5,538 0,201 1,116 43,292 30,807 109,65 13,633
0,68 0,787 -1,205 97,848 5,904 0,206 1,218 42,547 29,698 113,74 14,142
0,70 0,845 -1,040 99,316 6,411 0,211 1,352 41,559 28,352 119,14 14,814
"Подсоединение полунавесного кормоуборочного комбайна ПКК-3000 выполняется, когда высота оси подвеса (Г56) составляет 0,4 м. ""Безразмерная величина.
Таблица 2
Выходные параметры ПНУ УЭС-290/450
Геометрические параметры Кинематические параметры Силовые параметры
Я, м ЫЯ», м Хр(Я), м Фб(Я), град фз'(Я), 1/м Цз(Я>, ** Ф кН кН т, кН Р2(Я), МПа
0,571 - - - - - - - - -
0,596 0,297 -1,253 89,184 4,844 0,233 1,129 78,451 51,271 196,11 17,770
0,621 0,363 -1,208 90,791 4,425 0,252 1,117 80,268 52,339 192,10 17,407
0,646 0,428 -1,148 92,394 4,175 0,269 1,124 81,514 52,879 190,14 17,229
0,671 0,492 -1,075 94,017 4,023 0,285 1,145 82,397 53,038 189,57 17,178
0,696 0,555 -0,992 95,68 3,935 0,301 1,179 83,047 52,907 190,04 17,220
0,721 0,618 -0,899 97,401 3,896 0,315 1,226 83,553 52,545 191,35 17,339
0,746 0,68 -0,799 99,198 3,896 0,330 1,286 83,978 51,992 193,38 17,523
0,771 0,743 -0,694 101,09 3,932 0,346 1,36 84,365 51,273 196,09 17,769
0,796 0,804 -0,585 103,10 4,003 0,363 1,451 84,747 50,403 199,48 18,076
0,821 0,866 -0,473 105,26 4,112 0,380 1,563 85,145 49,391 203,56 18,446
"Подсоединение навесного кормоуборочного комбайна КНК-500 выполняется, когда высота оси подвеса (Г56) составляет 0,33 м. ""Безразмерная величина.
Одним из способов обеспечения требуемого запаса грузоподъемности ПНУ является снижение потерь энергии на трение как в гидроприводе, так и в шарнирах МН, которое в среднем составляет 16-21 % от величины ее полезных затрат, а также приведенной силы инерции.
Приведенная к штоку ГЦ сила инерции может быть определена по выражению
^ (5) = ш6 • а56 (5) • 6 (5) + /6 • е6 (5) • Ф'6 (5), (9)
где а56(5), в6(£) - соответственно, линейное и угловое ускорение НМ; т6, /6 - соответственно, масса и момент инерции НМ.
Силовой анализ МН выполняется по группам Ассура по известной методике, причем определенная в результате реакция в кинематической паре П23 - Я23 (5) равна полезной нагрузке - Е (5) на штоке поршня гидроцилиндра.
Приведенная сила трения определяется по результатам кинематического и силового анализа:
Епрр(5) = ЕТр.ц + г/Тр Я(5)•ф;(5) + 2Я(5)•[Ф;(5)±фм(Б)]\, (10)
где г - радиус шарниров; /тр - коэффициент трения; Я0 (5), Я (5) - силы реакций, соответственно, в неподвижных и подвижных шарнирах МН; ф;, ф;+1 - аналоги угловых скоростей звеньев МН; Е - сила трения манжеты ГЦ.
Рост энергонасыщенности УЭС и появление в шлейфе НМ тяжелых адаптеров -навесных кормо-, свекло- и зерноуборочных машин весом от 34 до 48 кН внесли изменения в характер их агрегатирования с УЭС. Поэтому возросли требования к грузоподъемности как переднего, так и заднего ПНУ, к возможностям их ГП и МН. Количественно и качественно расширение шлейфа агрегатируемых машин и задач, решаемых УЭС, отразилось на структуре и параметрах их ПНУ (табл. 3).
Таблица 3
Структура и параметры ПНУ для разных типов УЭС
о Гидроцилиндр с односторонним штоком а о т я л Грузоподъемность ПНУ на оси подвеса кН
« № м ул м
Тип УЭС Эксплуатационш вес УЭС, кН т а - и в ч л т с о н В о Ж Тип гидронасоса Количество Диаметр ГЦ, мм Ход поршня АБ, м Гидропневмоакк количество Давление предохр клапана, МПа Вес балласта, кН Задний МН Передний МН
УЭС-250 78 250 НШ-32 2 80 200 - 16 4,88 45 12
УЭС-2-250А 82 270 НШ-32 2 90 250 2 18 5,36 52/70* 20
УЭС-2-280А 88 290 НШ-32 2 90 250 2 18 5,36 52/70 20
УЭС-350 106 290 НШ-32 2 90 250 - 16 10,8 52/70 20
УЭС-290/450 138 350 АП** 2 90 250 2 20 14 85 40
Грузоподъемность зерноуборочного варианта ПНУ для зерноуборочной приставки в составе комплекса зерноуборочного роторного (КЗР-10).
Аксиально-поршневой насос с переменной подачей (0-90 л/мин).
Одним из недостатков работы мобильных сельскохозяйственных агрегатов (МСХА), сформированных на базе мобильных энергосредств, являются неудовлетворительные сцепные свойства ходовой системы, особенно при выполнении тяговых операций. Это явление обусловлено передачей реакции почвы с рабочих органов и веса навесной машины через механизм навески на корпус и ходовую систему энергосредства. При этом одновременно уменьшается нормальная реакция почвы на его передние колеса с ухудшением их сцепных свойств, а значит, и управляемости МСХА. Применение в качестве гидроусилителя сцепного веса (ГСВ) гидропневмо-аккумулятора (ГПА) позволило создать дополнительную нормальную нагрузку на задние колеса УЭС, что и определяет эффективность работы ГСВ.
Задние ПНУ серийных УЭС могут работать в режиме гидроувеличения сцепного веса - при агрегатировании с комбайном КСН-6-2, зерноуборочным комплексом КЗР-10 или в плавающем режиме - при агрегатировании с комбайном КПК-3000 и косилкой КПН-6-Ф. Режимы ГСВ и пневмовывешивания адаптеров обеспечивают ГПА, подключенные к гидросхеме ПНУ.
Для улучшения управляемости УЭС разных типов в передней части их рам устанавливают грузы-противовесы - балласт (рис. 5). Вес и координаты балласта определяются в конкретном случае характеристиками НМ и условиями режима эксплуатации МСХА. Так, при агрегатировании с комбайном КНК-500 на переднем МН УЭС-290/450 монтируется балласт весом в 14 кН.
а) б)
Рис. 5. Передние подъемно-навесные устройства: а - УЭС-2-250А: 1 - верхняя тяга; 2 - рычаги нижние; 3 - рукоятка; 4 - плита;
5 - гидроцилиндр; 6 - блок грузов противовесов; б - УЭС-290/450: 1 - верхняя тяга;
2 - рукоятка; 3 - гидроцилиндр; 4 - плита; 5, 10 - нижние рычаги; 6, 11 - раскосы;
7, 12 - стяжки; 8 - поперечина; 9 - вилка; 13 - ВОМ
Снижение уровня колебаний давления и расхода рабочей жидкости в ГП ПНУ во время переходных процессов может быть достигнуто регулированием скорости поршней гидроцилиндров в зависимости от нагрузки со стороны МН, что обеспечивается применением «чувствительного к нагрузке» (LS - Load Sensing) гидропривода. Например, в аксиально-поршневых насосах Bosch-Rexroth А4VSO с LS-регулято-ром (рис. 5) используется цилиндр, изменяющий наклон шайбы и регулирующий рас-
ход рабочей жидкости. Регулируемый ход и нагрузка возвратной пружины позволяет LS-регулятору работать в большом диапазоне давлений и изменять объемный расход насоса.
Подъем навесной техники, как правило, сопровождается колебаниями давления и потока рабочей жидкости в ГП ПНУ, возникающими из-за собственных колебаний нагруженных поршней гидроцилиндров [5]. При использовании насосов с регулируемой производительностью характер колебаний изменяется, улучшая показатели качества переходных процессов.
а) б)
Рис. 5. Насос с Ь8-регулятором фирмы ВоБсЬ-ЯехгоШ: а - общий вид; б - принципиальная схема
Заключение
Проведенное исследование разработок ПНУ, охватывающее три поколения УЭС, и сравнение их выходных параметров позволяет экстраполировать достигнутое в энергетическом аспекте агрегатирования навесной техники с другими моделями УЭС, имеющими идентичные по структуре ПНУ.
Вес НМ и удаление ее центра тяжести от оси подвеса МН имеют тенденцию к росту, а заданная траектория подъема НМ может быть воспроизведена, если обеспечена достаточная грузоподъемность ПНУ, которая может быть обеспечена на основе адекватных ФММ.
Передаточное число МН УЭС, связанное с конкретной навесной машиной, изменяется по мере ее подъема, а его максимум ограничивает вес НМ, который можно перевести при помощи ПНУ в транспортное положение.
Следует также отметить использование ГПА, обеспечивающих щадящее воздействие адаптеров на опорную поверхность и насосов с регулируемой производительностью, повышающих показатели качества переходных процессов и улучшающих характеристики как ПНУ, так и МСХА в целом.
Поиск и учет резервов грузоподъемности ПНУ, перераспределение нагрузки со стороны МСХА по осям колес, снижение уровня и продолжительности гидромеханических колебаний в ПНУ и УЭС должно вестись с учетом соответствующих критериев качества и продолжаться при помощи методики параметрической оптимизации ПНУ [6].
Подъемно-навесные устройства современных мобильных энергетических средств должны иметь рекомендации для возможности гибкой переналадки их ком-
понент или автоматической регулировки отдельных звеньев механизма навески [7]
и параметров гидропривода для надежной и экономичной работы в различных режимах и условиях эксплуатации МСХА.
Литература
1. Попов, В. Б. Анализ агрегатирования универсального энергетического средства УЭС 290/450 «Полесье» с навесным кормоуборочным комбайном КНК-500 / В. Б. Попов // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2012. - № 4. -С. 29-36.
2. Артоболевский, И. И. Теория механизмов и машин / И. И. Артоболевский. - М. : Машиностроение, 1988. - 640 с.
3. Попов, В. Б. Аналитические выражения кинематических передаточных функций механизмов навески энергоносителей / В. Б. Попов // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2000. - № 2. - С. 25-29.
4. Устройство навесное заднее сельскохозяйственных тракторов классов 0,6-8. Типы, основные параметры и размеры : ГОСТ 10677-2001. - Минск : Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2002. - 8 с.
5. Усс, И. Н. Мониторинг технического состояния приводных систем тракторов «Беларус» / И. Н. Усс, В. Л. Басинюк, Е. И. Мардосевич. - Гомель : Ин-т механики металлополимер. систем НАН Беларуси, 2008. - 278 с. : ил.
6. Попов, В. Б. Совершенствование методики проектирования подъемно-навесных устройств универсальных энергетических средств / В. Б. Попов // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2014. - № 4. - С. 29-36.
7. Навесное устройство мобильного энергетического средства : пат. 7496 Респ. Беларусь, МПК А 01 В 59/06 / В. Б. Попов ; заявитель Гомел. гос. техн. ун-т им. П. О. Сухого. - № И2101085 ; заявл. 31.12.2010 ; опубл. 2011 // Офиц. бюл. / Нац. центр интеллект. собственности. - 2011. - № 4. - С. 154.
Получено 03.11.2015 г.
