CC BY
1
УДК 621.86.017
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-416-417
СТРУКТУРА СИЛОВОГО АНАЛИЗА СТРЕЛОВОГО ГРУЗОПОДЪЕМНОГО УСТРОЙСТВА МАЛОГАБАРИТНОГО ЭЛЕКТРОПОГРУЗЧИКА
Н.В. Бабоченко, С.А. Войнаш
Рассмотрены конструкционные особенности малогабаритного электропогрузчика со стреловым грузоподъемным устройством. Приведен силовой анализ стрелового грузоподъемного устройства малогабаритного электропогрузчика с числом степеней свободы равным трем. Базируясь на литературные источники, приведена характеристика имеющихся электропогрузчиков и стреловых грузоподъемных средств, которые возможно использовать при силовом анализе стрелового устройства малогабаритного электропогрузчика. Определены реакции в опорах и усилия в стержнях согласно приведенным в статье расчётным силовым схемам стрелового грузоподъемного устройства малогабаритного электропогрузчика. Согласно приведенной электронной программы, рассматривается возможность определения зоны действия стрелового грузоподъемного устройства малогабаритного электропогрузчика и рассмотреть его зону обслуживания. Как видно из статьи, пользуясь уравнениями равновесия сил и моментов возможно осуществление силового анализа стрелового грузоподъемного устройства малогабаритного электропогрузчика.
Ключевые слова: силовой анализ, электропогрузчик со стреловым грузоподъемным устройством, характеристика, формула, реакции, момент.
Малогабаритная сельскохозяйственная техника - это машины будущего, которые способны выполнять различные виды работ в растениеводстве, садоводстве, огородничестве на небольших по размеру участках, животноводстве, в личных подсобных хозяйствах и т.д. особое место занимают машины узкой специализации, такие как погрузчики-стогометатели; кормозаготовители; протравливатели; опрыскиватели; картофелекопалки и картофелесажалки; машины для внесения удобрений и т.д. Электропогрузчики, отличающиеся своей бесшумностью и экологичностью, и работающие с широким спектром грузов, включая поддоны, ящики для поддонов и стеллажи, занимают особое место среди малогабаритной техники. Электропогрузчики, способны работать как внутри помещений, так и за пределами помещений. Электропогрузчики, идеальный выбор для погрузочно-разгрузочных работ, от подъема грузов и их снятия до перемещения грузов вокруг площадки и разгрузочных работ с грузами. Габаритные размеры электропогрузчиков связаны с их маневренными качествами, так как приходиться работать в стесненных условиях помещений при выполнении транспортно-складских работ [1-11]. Однако рабочие органы, предлагающиеся к применению электропогрузчиков, не обладают расширенной зоной обслуживания.
Таким образом, разработка и внедрение новых электропогрузчиков, с рабочими органами расширенной зоны действия, является на данный момент одной из приоритетных задач.
Материал и методы. Предлагаемый к рассмотрению малогабаритный электропогрузчик со стреловым грузоподъемным устройством [2] на рисунке 1, содержит четырехколесное шасси 1, на котором смонтировано рабочее место 2 оператора, место 3 для установки аккумуляторной батареи, рулевое управление 4 и управляющий рычаг 5, рычаг 6 управления гидроприводом, рычаг 7 управления электроприводом, управляемые передний 8 и задний мост 9, конструкцию ограждения 10, грузоподъемник 11 с кареткой 12, механизм 13 подъема и наклона грузоподъемника 11 с кареткой 12, включающий силовые гидроцилиндры 14 подъема и 15 наклона. Место 3 для установки аккумуляторной батареи позволяет аккумуляторной батарее выполнять также функцию дополнительного противовеса. Каретка 12 грузоподъемника 11 снабжена стреловым грузоподъемным устройством 16. Стреловое грузоподъемное устройство 16 выполнено в виде стрелы 17 с грузозахватным органом 18 на конце. Стрела 17 грузоподъемного устройства 16 представляет собой шарнирно-стержневые соединения, не регулируемые по длине, составляющие плоские и треугольные фермы. Стержни стрелы 19, 20 ближайшие к месту крепления грузозахватного органа 18 сходятся, образуя треугольные шарнирные соединения. В основании одной треугольной фермы стрелы 17 смонтированы с помощью цилиндрических шарниров два силовых гидроцилиндра 21. Два силовых гидроцилиндра 21 связаны со стержнями 22, 23, 24, 25 ближайших к ним треугольных ферм стрелы 17. Одним концом стержни 25, 26 треугольной и плоской фермы стрелы 17, ближайшие к каретке 12 грузоподъемника 11, смонтированы в общем многопозиционном шарнире 27 связанным с кареткой 12 грузоподъемника 11, а другим концом шарнирно связаны со стержнями 23, 24, 28, которые составляют ближайшие плоские и треугольные фермы стрелового грузоподъемного устройства 16. Для осуществления поворота стрелового грузоподъемного устройства 16 на заданный угол предусмотрены два дополнительных силовых гидроцилиндра 29, 30. Два дополнительных силовых гидроцилиндра 29, 30 своими штоками 31, 32 связаны с основаниями двух силовых гидроцилиндров 21 самой стрелы 17. Два дополнительных силовых гидроцилиндра 29, 30 своими основаниями монтируются с кареткой 12 грузоподъемника 11 посредством опорно-поворотных устройств 33.
Подъем и опускание стрелового грузоподъемного органа 18 регулируется синхронной работой двух параллельных друг другу силовых гидроцилиндров 21 стрелы 17, а подъем (опускание) и поворот стрелового грузоподъемного устройства 16 регулируется двумя дополнительными силовыми гидроцилиндрами 29, 30, работающими поочередно друг относительно друга.
Для большего поворота и большей зоны обслуживания стрелового грузоподъемного устройства 16 работают одновременно все силовые гидроцилиндры 21, 29, 30.
Подъем и опускание каретки 12 со стреловым грузоподъемным устройством 16 на заданную высоту осуществляется двумя параллельными вертикальными силовыми гидроцилиндрами 14 подъема грузоподъемника 11, а наклон каретки 12 со стреловым грузоподъемным устройством 16 осуществляется двумя параллельными силовыми гидроцилиндрами 15 наклона, управление работой силовых гидроцилиндров 14, 15, 21, 29, 30 осуществляется с рабочего места оператором электропогрузчика.
Принцип работы малогабаритного электропогрузчика со стреловым грузоподъемным устройством заключается в следующем.
Синхронной работой двух параллельных силовых гидроцилиндров 21, сообщается подъем и опускание, и изменение вылета стрелового грузоподъемного органа 18.
Работа стрелового грузоподъемного устройства 16 и поворот на определенные углы, обеспечивается одновременной или поочередной работой дополнительных силовых гидроцилиндров 29, 30. Совместной работой силовых гидроцилиндров 18, 29, 30 регулируется процесс поворота на больший угол, подъема и опускания груза. Зона действия стрелового грузоподъемного устройства 16 за счет работы силовых гидроцилиндров 29, 30 увеличивается.
Многопозиционный шарнир 27 позволяет перемещаться смонтированным в нем стержням 25, 26 в процессе работы гидроцилиндров 29, 30 и обеспечивает жесткую связь стрелы 17 грузоподъемного устройства 16 с кареткой 12 грузоподъемника 11.
Опорно-поворотные устройства 33 обеспечивают жесткую связь силовых гидроцилиндров 29, 30 с кареткой 12 грузоподъемника 11.
Исходя из конструктивных особенностей разработки, обеспечивается достаточная производительность по-грузочно-разгрузочных работ и расширение зоны обслуживания в горизонтальной и вертикальной плоскостях электропогрузчиком.
Стоит отметить, что, представленная конструкция малогабаритного электропогрузчика со стреловым грузоподъемным устройством и принципом работы существенно отличается от существующих малогабаритных электропогрузчиков и способна работать не только на подъем-опускание, но и на поворот, на заданные углы при выполнении погрузочно-разгрузочных работ и способна работать с сыпучими грузами, такими как зерно, удобрения, гранулированные комбикорма, контейнерами, пакетированными грузами, тюками, а также возможно использование для механизации и автоматизации транспортно-складских работ при переработке сельскохозяйственной продукции: сортировка плодов и овощей по пакетам и тарам и их дальнейшее перемещение.
/ ш
/ 31 29
32 30
20 28 26 30 J2_ JL JL J5_ А
н \ \УЛ
\ \ \ \ \
/
J9J
25 29
çfaS i_С
13 % 15
п И —1 ^!
i N щ H ш
ш H
РГ il L 2
Рис. 1. Малогабаритный электропогрузчик со стреловым грузоподъемным устройством
Разработанная ранее программа Pivotal Manipulator - 3D, [1] позволяет определить зону действия стрелового грузоподъемного устройства малогабаритного электропогрузчика с числом степеней свободы равную трем.
При силовом анализе стрелового грузоподъемного устройства малогабаритного электропогрузчика с числом степеней свободы равным трем, в расчётной схеме представленной на рис.2, учитывались вес груза Сгр на оголовке К стрелы и приведённый вес корневой секции и рукояти Gi и G2 стрелового грузоподъемного устройства малогабаритного электропогрузчика.
Расчёты базируются на принципе "затвердевания" системы. Моменты сил трения не учитываются, поскольку стреловое грузоподъемное устройство малогабаритного электропогрузчика используется эпизодически без
форсирования режимов работы. Учитывается момент в опорном шарнире О (на рис.2 показан вектор - момент М0 ). Искомыми величинами являются усилия Fi, F2F3 в штоках гидроцилиндров, реакции Ro и Roi в шарнирах О и О1, момент Мо.
Указанные величины определяются не в базовой системе координат Охут, а в системе Ох1уш, отслеживающей поворот стрелы стрелового грузоподъемного устройства. Вследствие этого обобщённая координата у формально не учитывается, но координаты опор А и В цилиндров являются функциями угла у (рис.2,г). Реакция Яо в опоре О представлена составляющими Я2 и Яз, совпадающими с осями стержней, а составляющая Я1 перпендикулярна плоскости стрелы стрелового грузоподъемного устройства (рис.2, а, б). Благодаря этому расчётная схема и её решение упрощаются.
Сначала рассматриваем стрелу стрелового грузоподъемного устройства в целом, поэтому усилие F3 и реакция R01 являются внутренними силами. С учётом этого уравнения равновесия сил и моментов записываются в виде:
Xa.F -Хв.f2 + R = 0; .F + Ус -Ув .f2 -R2cos^ + R3cos(p + p0)- 0;
l1 l2 l1 l2
Zc +ÎA..F + Zc + Zb .F2 -R2 sinp+R3sin(p + p0) = Огр + G1 + G2; l1 l2
(zc + Za )Ус -(Ус + Уа )Zc f + (zc + Zb )Ус -(Ус - Ув )zc F = (G y + G y + G y v
-:--Fi +-:--F2 --(g& ■ Ук + gj • Ум + g2 ' Ум);
l1 l2
Xa' Zc .Fj + ^B^. F2 + M 0 - 0; XaU^.Fx + F2 - 0; (1)
1 1 1 2 1 1 1 1 '2 '1 '2
где ум, ум - координаты центров масс секции и рукояти; та = Тв = - с (рис. 2).
После этого производят преобразования координат и записывают уравнения сил и моментов, действующих на "отброшенную" рукоять в своих системах отсчёта (не показаны). Заканчивается силовой анализ стрелового грузоподъемного устройства приведением пространственной системы сил и моментов, действующих на корневую секцию, к двум плоским системам. Стержни секции и рукояти стрелового грузоподъемного устройства в основном воспринимают растягивающие и сжимающие усилия. Подвижность системы учитывается соответствующим коэффициентом.
Результат и обсуждение. В процессе проведенных расчетов было установлено, что изменением размеров силовых гидроцилиндров, возможно, определение реакций и моментов стрелового грузоподъемного устройства малогабаритного электропогрузчика, а так же выявить оптимальные значения для: а) работы силовых гидроцилиндров; б) расстояний между точками крепления силовых гидроцилиндров к опорно-поворотным устройствам на каретке грузоподъемника малогабаритного электропогрузчика со стреловым грузоподъемным устройством; в) длин стержней составляющих треугольные соединения конструкции электропогрузчика со стреловым грузоподъемным устройством; г) углов поворота электропогрузчика со стреловым грузоподъемным устройством в горизонтальной и вертикальной плоскостях (у, ф).
Затем для наглядности происходящих изменений строятся графики (рис.3,4).
Вопрос стабильности работы стреловых грузоподъемных средств обсуждался и на конференциях [5,6], что и натолкнуло на создание конструкции и исследования малогабаритного электропогрузчика со стреловым грузоподъемным устройством.
Рис. 3. График определения оптимального расстояния а между точками крепления силовых гидроцилиндров к опорно-поворотным устройствам на каретке грузоподъемника малогабаритного электропогрузчика
со стреловым грузоподъемным устройством
<Р■ град
О 380 400 420 440 460 I ,мм
Рис. 4. Графики определения углов поворота малогабаритного электропогрузчика со стреловым грузоподъемным устройством в горизонтальной и вертикальной плоскостях (у, р) при оптимальныш значениях величин
Выводы. Рассматривая конструктивные составляющие малогабаритного электропогрузчика со стреловым грузоподъемным устройством и, опираясь на силовой анализ, возможно сделать вывод о целесообразности внедрения его в производственные работы для выполнения погрузочно-разгрузочных работ и в помещениях с ограниченным пространством.
Список литературы
1. Бабоченко Н.В. Компьютерная модель исследования кинематических параметров шарнирно-стержневых гидроманипуляторов // Южно-Сибирский научный вестник. 2014. №2. С.8-10.
2. Патент РФ на изобретение №2768058. Малогабаритный электропогрузчик со стреловым грузоподъемным устройством / Бабоченко Н.В. № 2021112612; заявл. 28.04.2021; опубл. 23.03.2022, Бюл. № 9. 10 с.
4. Поисковая система [Электронный ресурс] URL: https://www.sinref.ru/000 uchebniki/05300 transport/017 elektrokari i elektropogrushiki troinin 2 izdanie 1967/000.htm (дата обращения: 10.04.2024).
5. Токарев В.И. Вопрос стабильности работы стреловых грузоподъемных средств на колесном шасси / В.И. Токарев, Н.В. Бабоченко // Нива Поволжья. 2020. №4 (58). С.127-137.
6. Шойкин А.А. Автоматизация шарнирно-стержневого манипулятора / А.А. Шойкин, Н.В. Бабоченко // Материалы XXVIII Региональной конференции молодых ученых и исследователей Волгоградской области. Волгоградский ГАУ. Волгоград, 2024.С.169-172.
7. Электропогрузчики - особенности и преимущества [Электронный ресурс] URL: https://service-sklad.ru/stati/elektropogruzchiki-osobennosti-i-preimushhestva (дата обращения: 10.04.2024).
8. Электрокары и электропогрузчики [Электронный ресурс] URL: https://www.sinref.ru/000 uchebniki/05300 transport/017 elektrokari i elektropogrushiki troinin 2 izdanie 1967/000.htm (дата обращения: 10.04.2024).
9. Zhang T., Wei Q., Ma H. Position. Force Control for a Single Leg of a Quadruped Robot in an Operation Space. // International Journal of Advanced Robotic Systems. 2013. Vol. 10. P.137
10. ISO 8686-2:2018(en) Cranes — Design principles for loads and load combinations — Part 2: Mobile cranes. (ИСО 8686-2:2018 «Краны грузоподъемные. Принципы формирования расчетных нагрузок и комбинаций нагрузок. Часть 2: Краны стреловые самоходные»). 2018. 18 p.
11. Geisler T. Free vibration analysis of a DST-0285 truck crane considering changes in the system load configuration / T. Geisler // MATEC Web of Conference. 2018. V.157. 03005.
Бабоченко Наталья Владимировна, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Волгоград, Волгоградский государственный аграрный университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник, [email protected]. Россия, Рубцовск, Рубцовский индустриальный институт (филиал) Алтайский государственный технический университет им. И.И. Пол-зунова
STRUCTURE OF FORCE ANALYSIS OF THE BOOM LIFTING DEVICE OF A SMALL ELECTRIC FORKLIFT
N.V. Babochenko, S.A. Voinash
The design features of a small-sized electric forklift with a boom lifting device are considered. A force analysis of the boom lifting device of a small-sized electric forklift with the number of degrees of freedom equal to three is presented. Based on literary sources, the characteristics of available electric forklifts and boom lifting equipment are given, which can be used in the force analysis of the boom device of a small-sized electric forklift. Reactions in the supports and forces in the rods were determined according to the design power diagrams of the boom lifting device of a small-sized electric forklift given in the article. According to the above electronic program, the possibility of determining the coverage area of the boom lifting device of a small-sized electric forklift and considering its service area are being considered. As can be seen from the article, using the equations of equilibrium of forces and moments, it is possible to carry out a force analysis of the boom lifting device of a small-sized electric forklift.
Key words: force analysis, electric forklift with a boom lifting device, characteristics, formula, reactions, torque.
Babochenko Natalia Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Volgograd, Volgograd State Agricultural University,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher, sergey_voi@mail. ru, Russia, Rubtsovsk, Rubtsovsk Industrial Institute (branch) of Polzunov Altai State Technical University
УДК 621.865
DOI: 10.24412/2071 -6168-2024-7-420-421
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МЯГКОГО СХВАТА НА ОСНОВЕ ПНЕВМОПРИВОДА И ГИБКИХ ЭЛАСТОМЕРОВ
Е.В. Лебедева, А.А. Жиленков
В статье рассматриваются основные принципы работы систем мягких схватов, анализируются преимущества и недостатки таких систем. На основе полученных данных разработана система схвата для манипуляций с легкими, хрупкими объектами и объектами нестандартной формы.
Ключевые слова: робототехника, мягкий схват, гибкий эластомер, пневмопривод.
Актуальность статьи обусловлена растущим интересом к созданию роботов и автоматизированных систем с мягкими захватами, которые обладают уникальными возможностями по взаимодействию с различными объектами без ущерба для них. Системы мягкого схвата, с использованием пневмоприводов и гибких эластомеров обладают потенциалом для множества приложений, от медицинских роботов до производственных линий.
Мягкие роботы в основном состоят из жидкостей, гелей, функциональных полимеров и других легко деформируемых материалов. Эти материалы обладают во многом теми же эластичными и реологическими свойствами, что и мягкая биологическая материя, и позволяют роботу оставаться работоспособным даже при растяжении и сжатии. Что еще более важно, все эти материалы совместимы с современной технологией 3D-печати. Мягкие роботы — очень молодая область исследований, в основном вдохновленная природными механизмами, которые веками оптимизировались для решения конкретной задачи [1]. Однако создание такой системы требует комплексного подхода и тщательной разработки.
Анализ требования и аналогов. Прежде чем приступить к разработке, необходимо провести анализ требований и аналогов.
Требования включают в себя определение целей системы мягкого схвата и ее ключевых параметров. Целью системы мягкого схвата является манипуляция с легкими, хрупкими объектами и объектами нестандартной формы. Параметры системы должны быть в пределах 300 мм в длину, 150 мм в ширину и весом до 300 грамм (рис. 1).
Аналоги
Существует ряд аналогов, некоторые из них представлены ниже:
1. Схват на основе желатина (рис. 2).
Здесь применяются съедобные материалы для создания «съедобной робототехники». Съедобные роботы могут быть разлагаемыми, совместимыми с организмом и экологически безопасными, не вызывающими токсичности или с меньшей степенью токсичности [1]. Кроме того, съедобные роботы могут служить источником энергии, обеспечивая преимущества в увеличении полезной нагрузки по сравнению с несъедобными роботами, которые требуют загрузки пищевыми ресурсами.
Сферами применения таких роботов могут стать исследования, медицинские процедуры для людей и животных, а также транспортировка пищевых продуктов, где робот сам является пищей.
Используя свойство плавления желатина, привод может регенерироваться и использоваться повторно, что отличает его от существующих мягких пневматических приводов [1].
Важными недостатками являются сложность изготовления и зависимость от условий окружающей среды, включая влажность и температуру, желатино-глицериновый материал изменяет свои свойства в зависимости от влажности воздуха.
