Переходные процессы в элементах конструкции поворотного лесопогрузчика с комбинированным манипулятором

Изменившиеся социаш>но-экономические условия в нашей стране привели к снижению объемов лесозаготовок, к разукрупнению предприятий и созданию акционерных обществ в виде малых предприятий. Последние стали отдавать предпочтение технологии заготовки древесины в виде сортиментов. На лесосеке появилась необходимость вьшолнять дополнительные операции по подсортировке древесины по качеству и породному составу, пггабелевке и погрузке сортиментов. В этих условиях широко и эффективно стали применять универсальные машины, оснащенные различного типа гидрофицированными манипуляторами, способными вьшолнять ряд операций в лесной и деревообрабатывающей промьшшенности, лесном хозяйстве, строительстве и других отраслях промьппленности.

Применение подобных машин не является новшеством в лесной промьппленности. Уже в течение нескольких десятилетий они успешно используются на таких операциях, как валка и трелевка деревьев, сбор порубочных остатков и пневого осмола, погрузка сортиментов на транспорт и самопогрузка лесовозных автопоездов, подача сырья в рубительные, сучкорезные, окорочные, раскряжеючные и другие установки.

В связи с тем, что переместигельные операции занимают ведущее место в технологии лесной и деревообрабатьшающей промьшшенности, вопросы эффективного использования манипуляторов приобретают особую значимость.

3].

Подъемно-транспортное машиностроение в нашей стране сформировалось в самостоятельную отрасль промьппленности в годы первых пятилеток. В России производятся все виды подъемно-транспортного оборудования, в том числе и лесопогрузчики. Техническая база машиностроения позволяет обеспечить производство лесопогрузчиков с параметрами, необходимыми для предприятий современного уровня [4].

Количественный рост вьшуска подъемно-транспортных машин сопровождается не только разнообразием конструктивных форм, но и качественными изменениями механизмов. Еще в середине 70-х годов бьшо начато освоение серийного производства принципиально новых стреловых самоходных кранов с гидравлическим приводом и телескопической стрелой (КС-2571, КС-3571 и КС-4571 грузоподъемностью 6,3, 10 и 16 тонн). Применение телескопических стрел с гидравлическим приводом подъема стрелы и выдвижением ее секций, а также гидравлических вьшосных опор, значительно сократило время приведения кранов в рабочее состояние, облегчило работу оператора и обеспечило качественное улучшение вьшолнения отдельных операций по перемещению груза [5 .

Лесопогрузчики и лесосечные машины манипуляторного типа по своему конструктивному исполнению и назначению близки к стреловым кранам и экскаваторам. Однако, условия их эксплуатации, характер взаимодействия с предметом труда и сам предмет труда имеют специфические особенности, которые обуславливают более напряженный режим вьшолнения отдельных технологических операций. При этом манипулятор лесопогрузчика и лесосечной машины взаимодействует не с компактным жестким грузом, а с упругим длинномерным, поэтому результаты теоретических разработок по исследованию кранов и экскаваторов не могут бьпъ механически перенесены на машины манипуляторного типа для лесной отрасли [6].

Исследования ЦНИИМЭ и СибНИИЛП по обоснованию параметров кинематической схемы манипулятора, определению оптимального соответствия его звеньев по условиям затрат энергии на вьшолнение погрузочно-транспортных операций, режимов нагружения элементов манипулятора, интенсивности включений органов управления, времени вьшолнения технологического цикла подтверждают, что наиболее рациональной и перспективной является кинематическая схема шарнирно-телескопического комбинированного) манипулятора [7 — 9]. Результаты анализа технических решений и конструкций в виде коэффициента перспективности оценивают указанную схему в 0,64 единицы против 0,56 для шарнирно-сочлененных и 0,42 для телескопических. Однако, на последуюш: ем этапе разработки отечественных машин просматривается предпочтительность проработки полностью телескопических вариантов [10″ .

Анализ конструкций отечественных и зарубежньж подъемно-транспортных машин (лесопогрузчики, автомобильные и другие самоходные краны) показьшает, что машины, обеспечивающие проведение погрузочно-переместительньк операций на переменном вьшете манипулятора, получили в настоящее время широкое распространение. В конструкциях таких машин используются многоступенчатые телескопические устройства, основными преимуществами которьк являются компактность констрзпкции, удобство в управлении, хорошая обзорность, улучшение эксплуатационных условий за счет снижения динамических нагрузок при вьшолнении операций технологического цикла, быстродействие и универсальность.

Для современных конструкторских проработок подъемно-транспортньк машин лесной отрасли в нашей стране и за рубежом характерны следующие направления: увеличение единичной мопщости машинрасширение диапазона грузоподъемностиповьппение скорости подъема грузаувеличение скорости передвижения и высоты подъема грузауменьшение транспортньк габаритов при увеличении рабочего вьшета манипулятораавтоматизация управления. Несмотря на разнообразие конструкторских решений, кинематические параметры основньк звеньев сходны как в отечественных, так и зарубежных образцах машин.

Использование гидроманипуляторов как гидромеханических систем с большим числом степеней свободы и достаточно широкой зоной обслуживания особенно эффективно в таких процессах, где структура технологического цикла существенно не стаидонарна, когда от цикла к циклу при перемещении предметов труда узлы конструкции с различными степенями свободы имеют различную степень функциональной нагрузки.

Нестационарность технологического цикла при погрузке вызвана низкой концентрацией предмета труда на погрузочной площадке. Вследствие этого часто изменяется относительное расположение начального и конечного положения предмета труда. Это вызывает необходимость использования в каждом конкретном случае различных траекторий переноса груза [3].

Частые включения гидроприводов манипулятора и резко изменяющаяся нагруз1са приводят к тому, что значительную часть времени манипулятор работает в неустановившемся динамическом режиме, который характеризуется резкими колебаниями напряжений в металлоконструкциях, являющихся основной причиной снижения надежности гидроманипулятора [11].

Технологическое оборудование машин для лесной промьппленности отечественного производства обладает большой массой и низкой надежностью. Указанные недостатки в значительной мере обусловлены тем, что из-за отсутствия теоретических методов расчета конструкций технологического оборудования машин лесной отрасли, элементы последних рассчитьшаются статическими методами с учетом поправочных коэффициентов, принятые величины которых не всегда достаточно обоснованы. Запас прочности принимается также без учета величины реального динамического нагружения. Осторожность при выборе запаса прочности в процессе проектирования приводит к) пвеличению конструктивной массы машин, перерасходу металла и увеличению нагрузок на ходовую часть базовых машин.

РЬвестно, что увеличение массы не всегда способствует устранению «слабых» мест в конструкции, но зато снижает ее долговечность. Все это сказьшается на сроках создания и доводки лесопогрузчиков и лесосечных машин, которые нередко растягиваются на 8. 10 лет. В этих условиях для совершенствования указанных машин, со1фащения сроков проектирования и доводки новых, особенно актуальным становится создание теоретических основ расчета динамики рабочих процессов и элементов конструкции таких машин [6].

Установлено, ш-о около 80% отказов современных грузоподъемных и других машин в основном связано с динамическими нагрузками, которые приводят к повышенному изнашиванию трущихся элементов, усталостному разрушению несушдх металлоконструкций и деталей механизмов, появлению недопустимых остаточных деформаций [12].

Поэтому теоретические методы определения динамических нагрузок важны не только для практичесьсих расчетов отдельных узлов машин, но главное, должны способствовать оптимальному выбору параметров новьк машин, что может привести к изменению кинематических схем машин в целом, уменьшит затраты на трение, повысит надежность и долговечность лесных машин манипуляторного типа.

Динамические нагрузки на элементы конструкции гидроманипулятора зависят от большого числа эксплуатационных и конструктивных факторов, характерных только для работы лесных машин. Учет их на стадии проектирования обеспечивает ухфавление показателями качества (назначения, надежности, эргономики, эффективности). В связи с этим научное обеспечение процессов проектирования и повьппение технического уровня, обоснование требовашш к режимам их эксплуатации является научной проблемой [13]. Исходя из этого тема диссертации, посвященная исследованию влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на динамическую нагруженность лесопогрузчиков с манипуляторами, оснащенными телескопическими устройствами, является актуальной.

НазЛая новизна диссертации заключается в разработке и реализации на ЭВМ математических моделей для расчета и исследования зфовня динамических нагрузок в элементах конструкции гусеничных поворотных лесопогрузчиков с комбинированными манипуляторами. Выполнены комплексные теоретические исследования динамики с учетом диссипативных сил для режимов функционирования телескопического механизма манипулятора при переезде сосредоточенного препятствия лесопогрузчиками, оснащенными манипуляторами различных типоразмерных групп. Получены и экспериментально подгверяедены значения коэффициентов динамичности нагрузок, определены границы их применения при проектировании, установлено влияние на динамическую нагруженность элементов конструкции скорости движения мапшны, высоты преодолеваемых препятствий, жесткости рабочего оборудования, податливости груза, вылета манипулятора. Вьшедены аналитические зависимости для расчета параметров динамической системы поворотного лесопогрузчика с комбинированным манипулятором при работе телескопического устройства.

На защиту вьшосятся следующие положения работы:

— математические модели динамических систем, эквивалентных гусеничным поворотным лесопогрузчикам с комбинированными манипуляторами;

— результаты аналитического исследования динамики вертикальных нагрузок в элементах конструкции поворотных лесопогрузчиков в режиме грузового хода;

— методика экспериментальных исследований динамических нагрузок в элементах конструкции телескопического механизма комбинированного манипулятора с применением ЭВМ;

— результаты моделирования нагрузок на телескопический метанизм колЛинированного манипулятора поворотного лесопогрузчика;

— рекомевдации по проектированию элементов конструкции и эксплуатации комбинированных манипуляторов поворотных лесопогрузчиков.

Общие выводы.

1. Процессы функционирования гусеничных поворотньк лесопофузчиков описываются уравнениями второго порядка. Число степеней свободы эквивалентных динамических систем определяется типом ходового аппарата базы, консфукцией манипулятора, видом фуза. Для рассмофенных систем оно составляет от 3 до 5.

2. Разработанные математические модели эквивалентных динамических систем, алгоритмы и профаммы, данные по динамическим характеристикам упругих элементов машин и расчетных хлыстов позволяют с помощью персональных ЭВМ на стадиях исследования и проектирования определять уровень динамической нафуженности элементов консфукции лесопофузчиков в режиме фузового хода с учетом влияния эксплуатационных и консфуктивных факторов (скорость движения, высота препятствия, вид фуза, вьшет рабочего оборудования манипулятора, жесткость системы и т. д.).

3. Наибольшее влияние на уровень динамической нафуженности лесопофузчика оказьшают следующие факторы: скорость фузового хода, высота преодолеваемых препятствий, податливость фуза, вылет и жесткость элементов консфукции рабочего оборудования манипулятора.

4. С увеличением скорости фузового хода динамические нафузки интенсивно нарастают. При увеличении скорости движения от 0,7 м/с до 0,8 м/с (интервал изменения скорости фузового хода) коэффициенты динамичности нафузок на рабочее оборудование манипулятора в продольно-вертикальной плоскости возрастают с 3,81 до 5,59- на колонну манипулятора — с 3,00 до 3,65- на корпус и ходовую систему — с 2,95 до 3,55.

5. При увеличении высоты препятствий от 0,1 м до 0,2 м коэффициенты динамичности нафузок на рабочее оборудование манипулятора в продольно.

152 вертикальной плоскости возрастают от 2,83 до 5,59, на колонну манипулятораот 2,18 до 3,65- на корпус и ходовую систему — от 2,14 до 3,55.

6. Коэффициенты динамичности нагрузок на рабочее оборудование при движении с длинномерным грузом на 7. 23% превьппают значения коэффициентов, полученных при движении с жестким грузом.

7. Рекомендуемые значения коэффициентов динамичности нагрузок в продольно-вертикальной плоскости, установленные по результатам настоящих исследований следующие: рабочее оборудование манипулятора — 4,5″ л’л, колонна манипулятора — 3л'ллкорпус и ходовая система — 3″ *лл.

За1слючение.

Разработанные математические модели позволяют уже на стадии проектирования определять нагрузочные режимы конструкции гусеничных поворотньж лесопогрузчиков в зависимости от конструктивных, технологических и эксплуатационньж факторов, дршамических характеристик системы и вести направленное совершенствование машин манипуляторного типа. На основании проведенных исследований можно сделать следуюпще вьшоды:

— лесопогрузчики совмещают транспортную и погрузочно-разгрузочную работу, поэтому основные нагрузки в конструкции формируются в режиме грузового хода при перемещении лесопогрузчика по опорному массиву с грузом в захвате;

— характерной особенностью динамической колебательной системы лесопогрузчика является то, что она включает массы, жесткости и демпфируюпще сопротивления ходовой части и корпуса базовой мапшны, гидросистемы, элементов конструкции рабочего оборудования, груза и позволяет проанализировать нагрузочные режимы в лесопогрузчике от скорости движения, жесткостей, демпфирующих сопротивлений и масс элементов конструкции и груза, конструктивньж параметров рабочего оборудования, высоты препятствий в интервалах, которые встречаются в условиях эксплуатации и прогнозируются в будущем.

Необходимо отметить что:

— разработанная теория взаимодействия опорного массива, рабочего оборудования и груза позволяет правильно оценить нагрузочные режимы в констр) асции, вести их достоверный учет при прочностньж расчетах, что в свою очередь позволяет выбирать рациональные параметры лесопогрузчиков и служит дальнейшему совершенствованию этих мапшн, повьппая их надежность;

— разработанная методика аналитического расчета динамики позволяет определить действующие в элементах конструкщш нагрузки с учетом динамических и кинематических параметров гусеничных поворотных лесопогрузчиков. Расчет задач с различными вариантами исходных данных позволяет определить ращгональные параметры конструкции.

Во время движения лесопогрузчика по опорной поверхности возмущения на конструкцию передаются от неровностей площадки через ходовую часть базовой машины. При этом наибольшие динамические нагрузки возникают в элементах конструкции рабочего оборудования манипулятора.

В работе проведено сравнение значений коэффициентов динамичности рабочего оборудования манипуляторов, полученных теоретически и экспериментально. Расхождения между ними находятся в допустимых для такого вида исследований пределах.

Исследования завершены разработкой следующих вопросов:

1. Разработана динамическая модель, эквивалентная гусеничному поворотному лесопогрузчику, оснащенному комбинированным манипулятором, учитывающая инерционные, упругие и диссипативные свойства системы «опорная поверхность — база — рабочее оборудование — груз», отражающая колебания реального лесопогрузчика в условиях эксплуатации в режиме грузового хода, в зависимости от конструктивных, технологических и эксплуатационных показателей.

2. Исследованы инерционные, упругие, частотные и диссипативные свойства элементов конструкции лесопогрузчика, вьювлена их зависимость от варьируемых параметров (скорости движения, высоты обособленного препятствия, вьшета рабочего оборудования и т. д.).

3. Разработана методика динамического расчета поворотных лесопогрузчиков, позволяющая аналитически определять действующие динамические нагрузки в элементах конструкции, находить их амплитудные и частотные характеристики. Аналитические положения разработаны с использованием теории колебаний и применением ЭВМ и доведены до инженерной формы расчета.

4. Определены возмущающие воздействия, действующие на лесопогрузчик со стороны опорной поверхности и предмета труда, выявлено их влияние на динамическую нагруженность элементов конструкции.

5. Дан анализ динамической нагруженности в элементах конструкции лесопогрузчика от изменения динамических характеристик системы, таких как жесткость и демпфирующие сопротивления элементов конструкции и упр>чюго груза, массы груза, скорости движения, высоты препятствия.

6. Разработаны методики экспериментального отфсделения динамических характеристик элементов конструкции рабочего оборудования манипуляторов.

Результаты исследований докладьгоались и обсуждались на научно-пракгических конференциях СибГТУ 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 годов, на.

U U U 1 ТТ U всероссийской научно-практической конференции «Лесной комплекспроблемы и репгения» (г. Красноярск, 1999 г.), на международной научно-практической конференции «Химико-лесной комплекс — научьюе и кадровое обеспечение в XXI веке. Проблемы и рещения» (г. Красноярск, 2000 г.), на секции ученого совета СибНИИЛП (г. Красноярск, 2000 г.). По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Разработанные в работе методологические положения по оценке динамической нагруженности и расчету параметров жесткости в элементах конструкции гусеничных поворотных лесопогрузчиков, оснащенньпс комбинированными манипуляторами, внедрены на АО «Завод Краслесавтоматика», АО «Завод Краслесмаш», ООО «СИБ», занимающихся ремонтом и изготовлением лесопромьппленной техники и оборудования.

На основании проведешшх исследований можно сделать следующие общие вьшоды.