CC BY
0
УДК 621.81:539.4
DOI 10.24412/2311-6447-2023-2-184-188
Теоретическое обоснование кинематических параметров
стрелы погрузчика
Theoretical substantiation of the kinematic parameters
of the loader boom
Доцент В.В. Васильчиков, доцент A.M. Марадудин, Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова, кафедра технического обеспечения АПК, тел. +79276225638, vasilchikov v@mail.ru
доцент А.А. Леонтьев, доцент А.В. Перетятько Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова», кафедра цифрового управления процессами в АПК
Associate Professor V.V. Vasilchikov, Associate Professor A.M. Maradudin, Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov, chair of technical support of the agro-industrial complex, tel. +79276225638, vasilchikov_v@mail.ru
Associate Professor A.A. Leontiev, Associate Professor A.V. Peretyatko Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov, chair of digital process control in the agro-industrial complex
Аннотация. Представлена методика определение влияния положения опорного шарнира силового гидроцилиндра фронтального погрузчика на энергоёмкость конструкции в целом. Приведено сравнение результатов теоретического расчета и численного и натурного экспериментов. Полученные теоретические выражения могут быть использованы для построения математической модели стрелы фронтального погрузчика как при проектировании ее новых констукций, так и оптимизации существующих.
Abstract. A technique for determining the influence of the position of the support hinge of the power hydraulic cylinder of a front loader on the energy intensity of the structure as a whole is presented. The results of theoretical calculation and numerical and full-scale experiments are compared. The obtained theoretical expressions can be used to build a mathematical model of the front loader boom both when designing its new designs and optimizing existing ones.
Ключевые слова: фронтальный погрузчик, оптимизация кинематических параметров, метод конечных элементов, металлоёмкость стрелы
Keywords: front loader, optimization of kinematic parameters, finite element method, boom metal consumption
Тенденция развития подъемно-транспортной техники сводится к максимальной унификации конструкций, наблюдается превращение погрузчиков в многофункциональные машины для транспортировки и погрузки штучных и сыпучих грузов в промышленных, сельскохозяйственных, строительных и других областях.
В технологическом цикле погрузоразгрузочных и транспортных работ на долю погрузчика приходится 60-80 % времени. В настоящее время в парке сельскохозяйственных машин преобладают одноковшовые пневмоколесные и гусеничные погрузчики. Наибольшее применение получили одноковшовые фронтальные погрузчики с передней разгрузкой ковша как наиболее простые по конструкции и надежные в эксплуатации.
© В.В. Васильчиков, A.M. Марадудин, А.А. Леонтьев, А.В. Перетятько, 2023
В процессе эксплуатации имеющегося парка погрузчиков появляется необходимость в совершенствовании их конструкции и технического процесса с целью повышения эффективности их работы. При решении задач оптимизации параметров фронтальных погрузчиков, влияющих на их энергоемкость, возникает необходимость в определении сравнительно простых и в то же время эффективных методов оценки этих параметров. В их число входят: кинематика и вес самой стрелы, ее звеньев, рабочих органов, грузоподъемность погрузчика [1,2,3].
Решение задачи обоснования и выбора типа стрелы фронтального погрузчика невозможно без кинематического анализа различных его модификаций [4,5]. Для кинематического анализа работы стрелы фронтального погрузчика рассмотрим его кинематическую схему (рис. 1). Обозначим за a, fi и у мгновенные углы стрелы погрузчика, ао - угол установки навесного механизма, ср - угол прогиба стрелы погрузчика, ц> - угол, образованный векторами скоростей ии. и ис.
В соответствии со схемой у+ 90° + ср = 180°. Отсюда ср = 90° - у.
При установившемся режиме работы шток гидроцилиндра перемещается с постоянной скоростью иц. При этом стрела погрузчика начинает совершать вращательное движение вокруг крепления В со скоростью ьи. Установим зависимость скорости подъема (опускания) груза ud от скорости выдвижения штока гидроцилиндра иц.
Окружная скорость точки С будет равна
ис = ■ созф = ■ соз(90° — y) = ■ sin y
Угловая скорость вращения стрелы фронтального погрузчика
_ UÇ _ Цц-вшу ]с 1С
Из DABC по теореме синусов :
АВ АС
SL П у
= >
АВ
sin y =--sill а
1 АС
Из DAOB выражаем:
h
АВ -
cosaD
(1)
(2)
(3)
(4)
Нп
Plie. 1. Кинематическая схема стрелы фронтального погрузчика
Расстояние АС в процессе движения штока будет изменяться от начального значения Ьо до некоторого значения Ьтах. Так как шток движется с постоянной скоростью, то промежуточное значение АС может быть рассчитано по формуле АС = Ьо + Иц'Ог,
где Иг - время работы гидроцилиндра в пределах одного рабочего цикла.
5111 у =
Ьо+Цп-Д! соза-с
Таким образом,
иы Ъ П ¡2
£У = —
_ 1с созас
Следовательно,
В О - И| + 1|-21с10созф
Из ИВИС по теореме косинусов
Тогда искомая скорость подъема (опускания) груза будет равна
------ —■ кч1^-21с10со5Ф
и 1с Ьо+Цц-Д! созас Л1 с' с ^ и ^
(5)
После упрощения и преобразования получаем
^^ ,_ь_. ¡1 + (рУ — 2 (- |соэ(р
и Ьв+иц-Д* сов^о ^ ис7 Ч
(6)
Из анализа полученного выражения видно, что на скорость перемещения груза фронтальным подъемником оказывают влияние его геометрические параметры (высота установки креплений Н, длины плеч стрелы 1с и Ь, угол прогиба стрелы ср, угол установки навесного механизма ао ), причем в процессе работы погрузчика данные величины остаются неизменными.
При работе погрузчика отношение " ~ будет менять свое значение, таким образом при постоянной скорости выдвижения штока гидроцилиндра иц величина ив будет варьироваться.
Оптимизировать скорость подъема (опускания) груза иб можно за счет подбора рациональных геометрических параметров стрелы фронтального погрузчика.
Мощность фронтальных погрузчиков можно упрощенно определить исходя из зависимости, представленных в [7,9,10].
На основании методики, приведенной в работе [4,5] оптимальный вариант соотношения размеров механизма подъема должен обеспечивать наибольшее отрывное усилие, которое из уравнения моментов относительно точки крепления силового
гидроцилиндра на стреле погрузчика будет:
р _
Ь , (5)
где ¥с= г/рАс -усилие в гидроцилиндре; г] - к.п.д. механической передачи; р - рабочее давление в системе; Ас - суммарная площадь гидроцилиндров.
Решение данной задачи возможно путем определения значения угла а, для которого значение силы Ргц не столь важно.
Для этого задают шаг измерения угла а=а„Шх-атт для каждого значения этого угла при фиксированных значениях параметров вычисляют и строят график функции Рц =/(а).
По полученным результатам строим график зависимости усилия на штоке гидроцилиндра от угла наклона стрелы погрузчика и расстояния до точки крепления
опорного шарнира силового гидроцилиндра (рис. 2).
Рис. 2. Зависилюстъ усилия на штоке гидроцилиндра подъема стрелы фронтального погрузчика от ее кинематических, параметров
Представили частное решение определения кинематических параметров стрелы фронтального погрузчика при различных положениях опорного шарнира гидроцилиндра подъема. Применяли методику определения оптимальных кинематических и конструктивных параметров стрелы погрузчика, позволяющую за счет изменения положения опорного шарнира силового гидроцилиндра существенно снизить усилие на его штоке, и, как следствие, снизить энергопотребление трактора при погруз о раз груз о ч н ых работах. Максимальное усилие на штоке гидроцилиндра при одинаковом угле наклона стрелы составило при расстоянии до опорного шарнира гидроцилиндра 2,4 м - 2,2 кН, минимальное - 1,3 кН. Максимальное снижение усилия на штоке силового гидроцилиндра за счет оптимизации кинематических параметров составило 57 %. (минимальное - 14 %, среднее - 35,5 %).
Возможности предлагаемого метода позволят с достаточной степенью точности определить усилие на штоке гидроцилиндра подъема стрелы с учетом ее кинематических и конструктивных параметров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамов СВ., Алексеенко В.Г. К вопросу о повышении эффективности использования фронтальных погрузчиков / Машины и процессы в строительстве: Сб. науч. тр. № 2. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2000. - С. 39 - 44.
2. Алексеенко, В.Г. Обеспечение эффективности рабочего процесса фронтальных погрузчиков. Дисс. на соискание степени кандидата технических наук / В.Г. Алексеенко; Науч. рук.к.т.н. C.B. Абрамов. - Омск: СибАДИ, 2002. - 153 с.
3. Бояркина, И.В. Технологическая механика одноковшовых фронтальных погрузчиков: монография/ И.В. Бояркина. - Омск: СибАДИ.
4. Павлов, П.И. Факторы, влияющие на энергоемкость фронтального погрузка / П.И, Павлов, В.В. Васильчиков, С.А. Жигунов // Вестник Саратовского СГАУ. Саратов, 2014. № 6, С. 58-60.
5. Васильчиков, В.В. Экспериментальное исследование усиливающей накладки стрелы фронтального погрузчика с применением масштабного моделирования / Васильчиков В.В., Жигунов С.А.// Научная мысль. 2016. № 5. С. 51-54.
6. Дрон, Ю.И. Устройство для изменения вылета стрелы подъемно-транспортного средства. Патент на изобретение RU 2 404 113(13) Cl
7. Дьяков,И.Ф. Метод конечных элементов в расчетах стержневых систем :учебное пособие / И. Ф. Дьяков, С. А. Чернов, А. Н. Черный. -Ульяновск :УлГТУ, 2010. - 133 с.
8. Фронтальные погрузчики серии LA для тракторов New Holland. Режим доступа: http://www.agindustrial.com/ Дата обращения 8.11.2020.
9. Подсвиров А.Н. Разработка конструкции и методики расчета параметров погрузочного оборудования одноковшового фронтального погрузчика с энергосберегающим гидроприводом: дис. ... канд. техн. наук /А.Н. Подсвиров. - Омск, 1992. -213 с.
10. Соколов, С.А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. Учебное пособие. - СПб.: Политехника, 2005. - 423 стр.
REFERENCES
1. Abramov SV, Alekseenko V.G. On the issue of increasing the efficiency of using front loaders / Machines and processes in construction: Sat. scientific tr. No. 2. - Omsk: SibADI Publishing House, 2000. - S. 39 - 44.
2. Alekseenko, V.G. Ensuring the efficiency of the workflow of front loaders. Diss, for the degree of candidate of technical sciences / V.G. Alekseenko; Scientific Ph.D. S.V. Abramov. - Omsk: SibADI, 2002. - 153 p.
3. Boyarkina, I.V. Technological mechanics of single-bucket front loaders: monograph / I.V. Boyarkin. - Omsk: SibADI.
4. Pavlov, P.I. Factors influencing the energy intensity of frontal loading / P.I., Pavlov, V.V. Vasilchikov, S.A. Zhigunov / / Bulletin of the Saratov State Agrarian University. Saratov, 2014. No. 6, pp. 58-60.
5. Vasilchikov, V.V. Experimental study of the reinforcing lining of the front loader boom using large-scale modeling / Vasilchikov V.V., Zhigunov S.A.// Scientific Thought. 2016. No. 5. S. 51-54.
6. Dron, Yu.I. A device for changing the reach of the boom of a lifting vehicle. Patent for invention RU 2 404 113 (13) С1
7. Dyakov, I.F. Finite element method in calculations of rod systems: textbook / I. F. Dyakov, S. A. Chernov, A. N. Cherny. - Ulyanovsk: U1GTU, 2010. - 133 p.
8. LA series front loaders for New Holland tractors. Access mode: http:// www.agindustrial.com/ Accessed 8.11.2020.
9. Podsvirov A.N. Development of the design and methodology for calculating the parameters of the loading equipment of a single-bucket front loader with an energy-saving hydraulic drive: dis. ... cand. tech. Sciences / A.N. Podsvirov. - Omsk, 1992. -213 p.
10. Sokolov, S.A. Metal structures of hoisting and transport machines. Tutorial. -St. Petersburg: Polytechnic, 2005. - 423 pages.
