Введение к работе
Актуальность работы. Постоянно возрастающие тарифы за пребывание судов в портах, требования быстрой оборачиваемости транспортных средств выдвигают неотложную необходимость всемерного ускорения погрузо-разгрузочных операций, как с массовыми, так и со штучными грузами Одновременно должны выполнятся общие тенденции снижения энергопотребления и повышение общей надежности перегрузочного оборудования
В речных портах находят применение различные погрузчики для перегрузки пакетов, контейнеров и тарно-штучных грузов Специальные портальные погрузчики применяют для многоярусной укладки крупнотоннажных контейнеров на складе
Основное назначение погрузчиков — перегружать штучные грузы на причалах, складах и других открытых территориях при загрузке-разгрузке грузовых автомобилей, железнодорожных вагонов и судов.
Опыт применения при погрузо-разгрузочных операциях на предприятиях различных отраслей промышленности и в транспортных системах поршневых цикловых манипуляционных погрузчиков с элементами программного управления свидетельствует об их технической эффективности и экономической целесообразности использования
Можно с определенной степенью уверенности прогнозировать целесообразность их применения на перегрузочных операциях и в портовом хозяйстве, если осуществить их надлежащую адаптацию к соответствующим условиям эксплуатации Это прежде всего повышение грузоподъемности и быстродействия, снижение энергопотребления и динамической нагруженности существующих цикловых манипуляционных погрузчиков с поршневым приводом Эту модернизацию целесообразно провести, так как этот тип погрузчиков по прочим показателям характеризуется простотой устройства и обслуживания, невысокой стоимостью
Проблема адаптации поршневых цикловых манипуляционных погрузчиков решается в настоящей работе на основе фунаментальной концепции и с использованием методов построения систем циклического принципа действия
Применение в аналогичных условиях разработанных модернизированных манипуляционных погрузчиков позволит усовершенствовать традиционные погрузо-разгрузочные технологические процессы.
Целью настоящей работы является рассмотрение принципиальных динамических особенностей цикловых систем и путей повышения их эксплуатационной эффективности
Системам, работающим в циклических режимах, к которым относятся манипуляционные погрузчики, характерен режим движения с
частыми остановками (старт-стопный режим) и присущи некоторые нежелательные с эксплуатационной точки зрения свойства Работа таких систем характеризуется частыми переменами направления движений их кинематических звеньев, сопровождающимися остановками, обнулением скоростей перемещения и полной потерей внутренней энергии (у быстродействующих в основном кинетической и потенциальной - у тихоходных установок) У таких систем потребление энергии определяется не величиной выполняемой полезной работы и неизбежными потерями от внешних и внутренних сопротивлений, а главным образом, необходимостью каждый раз после завершения цикла и очередной остановки возобновлять запас её внутренней энергии При некоторых режимах работы, перемещениях в поле сил тяжести, преобладают потери потенциальной энергии Это относится к механизмам подъема циклового манипулятора. При подъёме потенциальная энергия системы возрастает, при опускании рассеивается тормозной демпферной системой Таким образом, для систем рассмотренного класса, если не принимать специальных мер, характерен нерациональный расход энергии Вследствие этого, например, для роботов традиционного устройства, на кинематических звеньях которых невозможно устанавливать мощные двигатели, по энергетическим причинам, ставится почти непреодолимый барьер увеличению их быстродействия
Старт-стопные режимы работы обусловливают также повышенные динамические нагрузки при пусках и, особенно, при торможениях системы, связанные с большой интенсивности на этих этапах циркуляцией энергии.
Поэтому решение проблем цикловых систем должно сосредотачиваться, главным образом, на формировании методов рекуперации энергии, динамического и статического уравновешивания движущихся частей При этом очень важно разработать критерии оценки целесообразности и выбора методов аккумулирования энергии и уравновешивания того или иного механизма или машины.
Для поршневых цикловых погрузчиков могут использоваться два вида уравновешивания, статическое и динамическое. Источником статической неуравновешенности является гравитационное поле, динамической — силы инерции, возникающие при движении кинематических звеньев с переменными ускорениями. Статическое уравновешивание обеспечивает разгрузку приводов от статических моментов, создающихся силами тяжести кинематических звеньев и перемещаемого груза. Динамическое уравновешивание способствует разгрузке приводов от сил и моментов инерции Для компенсации сил инерции Могут быть применены специальные системы, содержащие различные модификации накопителей энергии
Комплекс исследований и разработок, проводимых в настоящей работе и направленный на повышение быстродействия и грузоподъемности поршневых манипуляционных погрузчиков, как за счет сокращения продолжительности рабочего цикла и соответствующей настройки системы на автоколебательные режимы, так и вследствие частичной автоматизации работы манипуляционного погрузчика, снижения общего энергопотребления и динамической нагруженности, в результате принципа рекуперации энергии, обуславливает общую актуальность темы диссертации Кроме того, разработанные устройства для динамического уравновешивания сил инерции движущихся частей погрузчика и рекуперации энергии в системах представляют интерес и с общетехнической точки зрения для широкого класса механизмов с пневматическим приводом, работающих в цикловых режимах
Цель работы заключается в повышении эксплуатационных показателей циклового манипуляционного погрузчика с пневматическим поршневым приводом.
Задачами исследований являются
1 Модернизация наиболее динамически нагруженного в манипуляционном погрузчике механизма поступательного движения выходного звена
2. Создание автономных рекуперационно-тормозных блоков, обеспечивающих максимальное повышение быстродействия, снижение непроизводительных затрат энергии и динамической нагруженности системы
-
Адаптация к условиям эксплуатации современных портов поршневых манипуляционных погрузчиков благодаря их модернизации, повышающей его эксплуатационные показатели
-
Разработка программного продукта для выбора параметров модернизированных манипуляционных погрузчиков циклического действия с поршневым приводом, адаптированного к инженерной практике
Методы исследования.
Используется комбинированный метод исследований,
включающий натурный эксперимент на промышленном
манипуляционном погрузчике и математический эксперимент на PC с использованием стандартной программы MATHCAD и специально разработанной программы «Динамика»
Достоверность результатов исследований динамики движения поступательного звена манипуляционного погрузчика с пневматическим приводом и компенсационной рекуперативно-тормозной системой обусловлена использованием современной компьютерной программы MATHCAD и результатами экспериментальных исследований на аналоге пневматического манипуляционного погрузчика - промышленном роботе
ПР10И, выполненными с использованием современного аналого-цифрового преобразователя и комплекса разнообразных точно оттарированных датчиков и последующего сравнения на PC ЭВМ результатов математического и натурного экспериментов в цифровой форме с использованием статистических методов Научная новизна работы:
1. Составлены модели и дано математическое описание
функционирования механизма поступательного движения рабочего органа
манипуляционных погрузчиков с пневматическим приводом,
пружинным накопителем энергии и рекуперативно-тормозным блоком с
учетом упруго-гистерезисных свойств рабочей среды
2. Разработана методика компьютерных исследований динамики
моделей механизма поступательного движения рабочего органа с учетом
упруго-гистерезисных свойств пневмопривода
3. Разработана методика экспериментальных исследований
динамики механизма поступательного движения рабочего органа
пневматического манипуляционного погрузчика типа ПР10И с
использованием аналого-цифрового преобразователя с получением данных
в цифровом виде.
4. Разработана математическая модель и компьютерная программа
расчета для выбора эффективных режимов работы и проектирования
механизмов поступательного движения рабочего органа
Практическая ценность работы состоит в следующем
- решены поставленные задачи и созданы практические предпосылки
для обеспечения эффективного использования пневматических
манипуляционных погрузчиков в портовом перегрузочном комплексе,
разработана система компенсации динамических нагрузок в подвижных частях системы в момент остановки,
разработан рекуперативно-тормозной блок для модернизации существующих пневматических систем циклического действия и дана методика их расчета;
- сформирована инженерная методика и программный продукт для
выбора параметров пневмопривода механизма поступательного движения
рабочего органа манипуляционных погрузчиков
В принципиальном плане практическое значение работы состоит в том, что реализация выполненных разработок способствует решению проблемы модернизации и эффективного использования цикловых манипуляционных погрузчиков с поршневым приводом и усовершенствования погрузо-разгрузочных технологий в портовом хозяйстве
Апробация и реализация результатов работы.
Основные результаты работы доложены на
Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1997 и 2001 года в МГТУ им НЭ. Баумана; Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1998 года в МГАВТ; Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1999 года в МГУПС (МИИТ), XXI научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московской Государственной академии водного транспорта 1999 года в МГАВТ,
Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортная техника» 2000 года в МГСУ, 2-ой Международной конференции «Молодые ученые — промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения» 2000 года в МГТУ им НЭ Баумана, Международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОИМЕХ-2003» в филиале Волжского инженерно-строительного института,
Десятой московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» 2006 года в МГАВТ;
Заседании технического совета Московского Южного речного порта
Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре ШТГМиР МГАВТ в курсах «Роботы и манипуляторы» и «Робототехнические комплексы». Основные разделы работы использованы при выполнении отчетов о НИР «Исследование динамики робота-погрузчика с системой рециркуляции энергии» и «Исследование комбинированной системы торможения и рекуперации энергии движущихся частей портового робота-погрузчика и перемещаемого груза»
Программное обеспечение по выбору режимов работы на PC ЭВМ пневматических портовых манипуляционных погрузчиков использована Службой речного флота в качестве рабочих программно-методических материалов.
Публикации: основные положения диссертации опубликованы в 11 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы
