Совершенствование кинематики, динамики и конструкции лесопромышленных гидроманипуляторов

Актуальность темы

Основной целью научно-технического прогресса в лесном комплексе является разработка и внедрение в производство прогрессивных технических и технологических решений, обеспечивающих повышение производительности, снижение материалои энергоемкости процессов и операций, уменьшающих вредное воздействие на окружающую среду и оператора. Это возможно при оснащении предприятий отрасли машинами высокого технического уровня.

Особое место в общей системе машин для лесного комплекса занимают машины манипуляторного типа. Применение их позволило лесной отрасли перейти на индустриальную основу, заменить ручной труд машинным и тем самым повысить производительность труда и улучшить условия работы. Поэтому одним из приоритетных направлений в лесном машиностроении было и остается оснащение производства высокоэффективной техникой, оборудованной манипуляторами.

Манипуляторы применяют в валочных, валочно-пакетирующих, валочно-трелевочных, валочно-сучкорезно-раскряжевочных, погрузочно-транспортных, передвижных и стационарных рубительных, сортировочно-пакетирующих и других агрегатных машинах, используемых как на рубках главного пользования, так и на лесоводственных уходах.

Погрузочно-разгрузочный манипулятор эффективен в составе различных лесных машин, в том числе и хлыстовозов. Наиболее эффективен манипулятор в составе сортиментовозов, перспективность которых определяется тенденцией к неуклонному росту доли сортиментной вывозки /195/, особенно в Европейской части России.

В современных условиях рыночных отношений, когда развернулась острейшая конкурентная борьба между предприятиями-производителями гидравлических манипуляторов, как отечественными (более 20 предприятий), так и зарубежными, особенно фирма «Логлифт» с богатейшим опытом и традициями, большое значение имеет повышение производительности и надежности, снижение материалоемкости лесозаготовительных и лесохозяйственных машин путем совершенствования кинематики, динамики и конструкции. Высокий технический уровень манипуляторов в сочетании с умеренной ценой, наличие сети сервисного обслуживания — вот непременные условия конкурентоспособности предприятия в современных условиях.

Однако, отечественные манипуляторы по своим параметрам и техническому уровню уступают лучшим зарубежным образцам. Они имеют более низкаую надежность, большую удельную материалоемкость, более низкую производительность. Созданию и внедрению манипуляторов высокого технического уровня препятствует то, что еще некоторые вопросы кинематики, динамики и компоновки гидроманипуляторов недостаточно исследованы. Не изучены влияние инерционных сил на параметры и режим работы механизмов подъема стрелы и привода рукояти, возможность совмещения движения отдельных звеньев и влияние этого на динамическую нагруженность манипулятора. Недостаточно изучено влияние податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на кинематические параметры и динамическую нагруженность механизмов и звеньев манипулятора.

Все это указывает на то, что тема диссертационной работы актуальна. Научные исследования и конструкторские разработки проводились в рамках Целевой комплексной программы Комитета по науке и технике при Совета министров СССР ОЦ.029 на 1980;1990г.г., отраслевых программ повышения технического уровня лесозаготовительных машин Минстройдормаша и Минлеспро-ма СССР на 1985;1990г.г., Государственной научно-технической программы «Российский лес» Миннауки России на 1993;1997 г. г., Федеральной целевой программы «Леса России» на 1997;2000 г. г., принятой Постановлением правительства РФ № 1240 от 26.09.97 г., стратегией развития лесного машиностроения на период до 2010 года Минэкономики РФ.

Цель работы — повышение производительности, надежности, снижение материалоемкости лесопромышленных гидроманипуляторов на основе совершенствования их кинематики, динамики и конструкции, позволяющие получить технико-экономический эффект на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации.

В соответствии с целью работы поставлены следующие основные задачи: 1. Обоснование: параметров кинематики механизмов манипулятора с учетом инерционных сил;

— эффективности применения и параметров манипулятора с изменяемой кинематической схемой механизма подъема стрелы;

2. Исследование: динамики гидропривода механизмов манипулятора при раздельном и совместном движении звеньев с учетом влияния податливости рабочей жидкости, элементов гидропривода, утечек и конструктивных параметроввлияния совмещения движений звеньев на динамическую нагружен-ность и производительность манипулятора. 3. Разработка:

— конструктивных мероприятий, направленных на снижение материалоемкости и повышение долговечности за счет применения в шарнирных узлах современных антифрикционных материалов и уточненного расчета элементов металлоконструкции в местах действия сосредоточенных силметодики динамического расчета металлоконструкции манипулятора с учетом изгибной жесткости звеньевконструкции механизма поворота рабочего органа (ротатора) нового типа и оптимизация его параметров по показателям металлоемкости и быстродействияперспективных конструкций манипуляторов и их испытания;

— рекомендаций и предложений конструкторам, научным организациям и машиностроительным предприятиям по выбору параметров и повышению технического уровня лесопромышленных манипуляторов;

4. Провести комплексные экспериментальные исследования опытных образцов перспективных конструкций лесопромышленных манипуляторов.

Научная новизна работы. Разработана методика оптимизации параметров кинематических схем механизмов подъема стрелы и привода рукояти с учетом инерционных сил, возникающих при установившемся движении штоков гидроцилиндров с использованием ЭВМ по критериям металлоемкости и быстродействия, позволяющая оценить влияние скоростей движений штоков гидроцилиндров на оптимальные значения параметров кинематических схем. Выявлена целесообразность применения и обоснованы параметры манипулятора с изменяемой кинематической схемой механизма подъема стрелы.

Разработаны математические модели механизмов манипулятора с учетом податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода, позволяющие на этапе проектирования наиболее полно и объективно оценить нагрузки на механизмы и звенья манипулятора как в переходных режимах, так и при установившемся режиме работы гидропривода, дать оценку влияния податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на динамическую нагруженность и параметры механизмов манипулятора.

Разработана методика исследований динамической нагруженности манипулятора при совмещении движений различных звеньев с применением ЭВМ и определена целесообразности такого совмещения, позволяющего повысить технический уровень манипулятора на стадии проектирования. Установлено влияние податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на динамическую нагруженность манипулятора при совмещении движений.

Предложена методика построения грузовысотной характеристики с применением ЭВМ, установлено влияние параметров кинематических схем механизмов подъема стрелы и привода рукояти на грузовысотную характеристику манипулятора.

Разработана методика динамического расчета металлоконструкции с учетом изгибной жесткости звеньев, определены коэффициенты динамичности для разных звеньев манипулятора.

Разработана, с обоснованием основного параметра, конструкция механизма поворота рабочего органа — винтовой ротатор, исследована его динамическая нагруженность в различных режимах, установлена эффективность его применения. Экспериментальным путем определены значения коэффициентов в формулах для расчетов верхнего поясного листа короба рукояти. Обоснована конструкция «Мобильная установка для первичных лесотранспортных работ при рубках ухода в горных условиях», с применением перспективной конструкции манипулятора, новизна которой защищена патентом РФ № 2 128 594.

Основные положения диссертации, выносимые соискателем на защиту:

— математические модели совместного движения звеньев: стрела-рукоять, стрела-колонна как без учета так и с учетом податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода, позволяющие установить влияние совмещения движения на динамическую нагруженность и производительность манипулятора;

— математические модели механизмов манипулятора с учетом податливости рабочей жидкости, элементов гидропривода и утечек, позволяющие определить их динамическую нагруженность при различных режимах;

— методика оптимизации основных параметров механизмов подъема стрелы и привода рукояти лесопромышленных гидроманипуляторов с учетом инерционных сил;

— методика обоснования параметров и эффективности применения манипулятора с изменяемой кинематической схемой механизма подъема стрелы (с переменным грузовым моментом);

— моделирование процесса совместной работы двух гидроцилиндров механизма подъема стрелы и определение эффективности их применения;

— методика динамического расчета металлоконструкции гидроманипулятора с учетом изгибной жесткости звеньев;

— методика построения грузовысотной характеристики с учетом параметров механизмов манипулятора;

— конструкция механизма поворота рабочего органа (ротатора) нового типа, обоснование основного параметра, исследование динамической нагруженности его в различных режимах;

— методика выбора материалов и совершенствования конструкции шарнирных соединений манипуляторов.

Объекты и методы исследования.

Объектом исследований являются лесопромышленные гидроманипуляторы отечественного производства, в том числе серийно производимые в ОАО «Майкопский машиностроительный завод». Теоретические исследования кинематических параметров манипулятора проводятся аналитическим методом с применением ЭВМ, что позволяет повысить точность и многократно сократить время анализа.

При решении задач динамической нагруженности механизмов манипулятора применяются численные методы, позволяющие учесть максимальное число факторов и тем самым максимально приблизить математические модели к реальной картине нагружения механизмов. Применение ЭВМ в решении задач позволяет легко варьировать входными параметрами и устанавливать их влияние на динамическую нагруженность механ9Ш8®риментальные исследования с целью подтверждения результатов теоретического анализа проведены на натурных образцах манипуляторов путем тензометрирования в испытательном центре «Испытатель», аккредитованном Госстандартом России.

Практическая значимость работы. Предложенные методики позволяют ^ обосновать: по показателю металлоемкости и быстродействию параметры механизма подъема стрелыпараметры и эффективность применения манипулятора с изменяемой кинематической схемой механизма подъема стрелы (с переменным грузовым моментом), позволяющего уменьшить номенклатуру манипуляторов в 1,5-ь2 раза и снизить удельную материалоемкость на 20−5-30%- параметры механизма привода рукоятивыявить зависимость оптимальных значений параметров от скорости движения штока гидроцилиндраповышение производительности и снижение динамических нагрузок при совмещении движений звеньев манипулятораприменение одного гидроцилиндра вместо двух на механизме подъема стрелы. Установлено: влияние подат-^ ливости рабочей жидкости и элементов гидропривода на динамическую на-груженность и оптимальные значения параметров механизмов манипулятора как при раздельном движении, так и при совмещении движенийвлияние параметров механизма подъема стрелы и привода рукояти на грузовысотные характеристики манипулятора.

Разработанная конструкция винтового ротатора обеспечивает заданный ресурс, равный ресурсу манипулятора, и соответствует эксплуатационным требованиям.

Предложенная методика динамического расчета металлоконструкции < 4 манипулятора позволяет на стадии проектирования определять коэффициент ^ динамичности для различных звеньев с учетом скорости движения штока гидроцилиндра и параметров кинематической схемы механизма подъема стрелы.

Предложенные таблицы значений коэффициентов в формулах для расчетов верхнего поясного листа короба рукояти позволяют учесть дополнительные напряжения от местного изгиба, и тем самым повысить надежность металлоконструкции рукояти.

Даны рекомендации по изменению конструкции и применяемых материалов в шарнирных узлах манипулятора с целью увеличения ресурса и снижения затрат на их обслуживание.

Реализация работы. Методика оптимизации кинематических параметров и исследования динамической нагруженности манипулятора внедрены на предприятиях ОАО Концерн «Лесмаш» на стадии проектирования и производства манипуляторов. На ОАО «Майкопский машиностроительный завод» внедрены в производство винтовой ротатор, манипулятор с переменным грузовым моментом и манипулятор с совмещением движений звеньев, методика построения грузовысотной характеристики, математические модели механизмов.

Апробация работы. Предлагаемые методики апробированы на манипуляторах ЛВ-184А, ЛВ-184А-06, ЛВ-185−03, ЛВ-185−07, ЛВ-190, серийно изготавливаемых ОАО «Майкопский машиностроительный завод». Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях в том числе в международных в ЦНИИМЭ (1987;1989г.г.), МГТИ (1996;2000г.г.) АГУ (1996;1997), ВГЛТА (1996;2000г.г.), КБГУ (1998).

Структура и объем работы. Диссертация содержит 339 страниц машинописного текста, 32 таблицы, 158 рисунков, библиографический список из 221 наименований и приложений, включающих 79 страниц машинописного текста.

4. Выводы и предложения.

4.1. Рекомендовать манипулятор ЛВ-184А в комплектации ЛВ-184А.00.000−06 серийному производству с присвоением конструкторской документации литеры «А» после положительного заключения АО «ШИИстройдормаш.

4.2. Протокол типовых испытаний манипулятора ЛВ-184А от 8. 10.1998г. является неотъемлемой частью настоящего акта.

Члены комиссии рекий. ен.

В.Г.Питеев З. А. Фрицлер А.А.Смыков А. П. Шевчегг.

Генеральный — ОАО-КОНЦЕРН.

Генеральный директор

ЛЕСМАШ" .

——-чтаяй^аводах лесного машиностроения, входящих в состав ОАО «КОНЦЕРН ЛЕСМАШ», внедрены предложенные соискателем следующие работы:

— - аналитический метод оптимизации параметров механизмов ма.

• нипулятора с учетом инерционных сил, позволяющий значительно сократить сроки разработки манипуляторов более высокого технического уровня;

— манипулятор с переменным грузовым моментом, прошедший приемочные испытания и рекомендованный к серийному производству на предприятиях ОАО «КОНЦЕРН ЛЕСМАШ» ;

— методика исследования динамической нагруженности и определения целесообразности совмещения движений звеньев манипулятора,.

4 внедренных на заводах «ВЕЛМАШ», «Пожмаш», «Майкопский МЗ», позвоф, ляющая повысить их производительность и конкурентоспособность;

— с 1996 года освоено серийное производство механизма поворота рабочего органа манипулятора — винтового ротатора;

— внедрена на «Майкопском МЗ» методика упрощенного динамического расчета, позволяющая определять коэффициент динамичности различных звеньев на стадии проектирования;

— внедрена на предприятиях Концерна методика расчета верхнего поясного листа короба рукояти;

— рекомендован к серийному производству гидроманипулятор с двухконтурной гидросхемой и двумя насосами;

— гидросхема механизма подъема стрелы, позволяющая при торможении опускающейся стрелы с грузом снизить коэффициент динамичности в 1,5 — 2 раза.

— разработаны математические модели механизмов манипулятора с учетом податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода, позволяющие на этапе проектирования с высокой степенью точности.

41 определять нагрузки, преодолеваемые механизмами в процессе работы, и наиболее точно проводить силовые и прочностные расчеты.

X Внедрение результатов работ соискателя на предприятиях ОАО.

КОНЦЕРН ЛЕСМАШ" дает экономический эффект в сумме 14 000 тысяч рублей при годовом объеме производства манипуляторов 500 штук. emt.il.

Главный специалист ОАО «КОНЦЕРН ЛЕСМАШ» .

4.

Заключение

.

4.1. Манипулятор 1В-184А.комплектации 1В-184А.00.000−06 соответствует ТУ 4851−075−239 161−98. Средний ресурс до первого катального ремонта в объёме 6000 н машинного времени подтвержден.

4.2. Основные детали и сборочные единицы находятся в работоспособном состоянии.

4.3. Подтверждена эффективность применения гидроцилиндра, перемещающего верхнюю опоругидроцилиндра подъёма стрелы, обеспечивающего увеличение грузового момента с 52 до 75 кНм.

•¿-филояена" едатедгькомиссии.

К. С. Афасижев.

Г. 1998 г.

АКТ типовых испытаний манипулятора ЛВ-184А. б комплектации ЛВ-184А.00.000−06 г. Майкоп.

Комиссия в сотаве: председателя комиссии Афаейжева К.С.

Сикорского М.П.

Лундена Е.Е.

Питеева В.Г.

Шевченко А. П, Фрицлера В. А. Смнкова А.А. октября 1998 г председателя комитета по лесу Республики Адыгея.

Инспектора отдела по надзору за подъемными сооружениями Северокавказского округа Госгортехнад-зора России.

Заведующего лабораторий гса*.": • :&ккпуля?сров АС «БККИстройдс? кандидата технических наук главного конструктора ИИК 'Тер-:-:-г экол» кандидата технических наук Эректора ЙЦ «Испытатель» .

1ам.главного инженера ОАО «Майкоп ский маши ко строит ельный завод» ведущего конструктора ОАО «Майкоп ский машиностроительный завод» назначенная приказом по ОАО «Майкопский машиностроительный завод» $ 59 от 14.ТО.98г., рассмотрела материалы типовых испытаний манипулятора ЛВ-184А в комплектаций Л8−184А.00.000−06, созданного в соответствии с требованиями «Правил устройства и безопасной эксплуатации грузододъеглних кранов», РД 10−146−9?, и другой нормативно!' документации.

I. Краткие сведения до изделий.

Манипулятор изготовлен МО «Майкопский машиностроительный завод» .

Манипулятор изготовлен в соответствии с ТУ 4851−075−239 161−98 «Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных 1фанов Госгортехнадзора России» (ПБТО-14−92) РД 10−146−47, РД 22−207−88 и предназначен для применения в качестве технологического оборудования на автомобилях грузоподъемностью 5 т и более для выполнения погрузочно-разгрузочных работ с использованием грузоподъемного крюка или других сменных грузозахватных органов.

2. В процессе работы комиссии:

2.1. Ознакомилась с техническими условиями', технической и эксплуатационной документацией на манипулятор ЛВ-184А в комплектации:-.: ЛВ-184А.00.000−06 и результатами испытаний, проведенных Щ «Испытатель» по программе и методике типовых испытаний, согласованной и утвержденной в установленном порядке.

2.2. Произвела визуальный осмотр манипулятора ЛВ-184А в ноглалектацик ЯВ-184А.00.00С-06, установленного на нслы? ат&ш-:н:г сте: д СИ-ТО.

2.3. Произвела проверку на•пригодность манипулятора к работе-, для чего были произведены статические и динамические испытания.

2.4. Произвела проверку работы ограничителя грузового момента.

3. Комиссией установлено:

3.1. Документация на манипулятор 1В-184А в комплектации ЛВ-184А.00.000−06 соответствует требованиям действующих НТД/.

3.2. Нераметры манипулятора, полученные при испытаниях соответствуют параметрам в ТУ.

3.3. Статические и динамические испытания, проведенные контрольными грузами' '.массой соответственно 1570 кг и 1400 кг при выдвинутом удлинителе^ показав ' ?то манипулятор грузовые испытания выдержал.

3.4. Ограничитель грузового момента обеспечивает защиту манипулятора по грузовому моменту. Ф.