Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы и задачи исследований 8
1.1. Современный технический уровень навесных гидроманипуляторов сельскохозяйственного назначения
1.2. Теоретические предпосылки исследования манипуляторов с гидро- и гидропневмоприводом 20
1.3. Задачи исследований 26
2. Объекты и методика исследований 28
2.1. Лабораторная подъёмная установка с гидро- и гидропневмоприводом
2.2. Особенности методики сравнительного исследования гидро- и гидропневмопривода 35
2.3. Мощный навесной манипулятор с гидро- и гидропневмоприводом 44
2.4. Особенности методики исследования манипулятора 50
3. Теоретическое и экспериментальное исследование гидропневмопривода с пневмогидроаккумуляторами 56
3.1. Алгоритм теоретического исследования гидропневмопривода (статика и начала динамики) 56
3.2. Алгоритм теоретического исследования гидропневмопривода (гидравлические расчёты и динамика) 63
3.3. Сравнительные экспериментальные исследование гидро- и гидропневмопривода
4. Теоретическое и экспериментальное исследование пространственного приводного механизма и грузового манипулятора с гидропневмоприводом 22
4.1. Совершенствование гидравлической схемы и эксплуатационно-технологических показателей манипулятора 28
4.2. Кинематическое исследование пространственного приводного механизма (исходные предпосылки, постановка задачи) 35
4.3. Исследование кинематических возможностей пространственного приводного механизма
4.4. Исследование кинематики и определение зоны действия манипулятора с трёхзвенной шарнирно-сочленённой стрелой
4.5. Силовой анализ манипулятора и его стрелы di?
4.6. Сравнительное экспериментальное исследование гидро- и гидропневмопривода манипулятора
4.7 Экспериментальное исследование энергетических и эксплуатационных показателей манипулятора с гидро- и гидропневмоприводом
5. Перспективные технологии в сельском хозяйстве с использованием навесных грузовых манипуляторов и их экономическая эффективность
5.1. Перспективные технологии в сельском хозяйстве с использованием навесных грузовых манипуляторов
5.2. Пример обобщённого расчёта экономической эффективности новой технологии с использованием манипулятора в сельском хозяйстве 452.
Общие выводы
Литература
Приложения
- Теоретические предпосылки исследования манипуляторов с гидро- и гидропневмоприводом
- Особенности методики сравнительного исследования гидро- и гидропневмопривода
- Алгоритм теоретического исследования гидропневмопривода (статика и начала динамики)
- Совершенствование гидравлической схемы и эксплуатационно-технологических показателей манипулятора
Введение к работе
Актуальность проблемы. В сельскохозяйственном производстве, наряду с сыпучими грузами, широко распространены штучные, затаренные и пакетированные грузы. В их числе: крупногабаритные узлы и блоки сельскохозяйственной, строительной, мелиоративной и перерабатывающей техники, строительные детали и блоки, затаренные и пакетированные строительные материалы, в частности кирпич в поддонах и цемент в мешках, запасные части в контейнерах, двигатели, в том числе электродвигатели повышенной мощности, картофель, фрукты и овощи в контейнерах и ящиках, молоко в бидонах, минеральные удобрения в эластичных контейнерах (мешках) массой до одной тонны, перевозимые ульи для пчёл и другое. Многие грузы, в том числе названные, перегружают вручную или с помощью подручных средств; уровень механизации погрузочно-разгрузочных работ составляет 28 % [42J.
Наряду с этим сельская местность характеризуется наличием производственно-технологических работ, которые требуют подъёмных, монтажных и подсобных операций. Это сельское строительство, ремонтные и профилактические работы на производственных и мелиоративных объектах, механизация работ в животноводческих помещениях, хранилищах, мастерских, на базах, машинных дворах, летних полевых станах и т.п. Этот перечень можно продолжить. Их главной особенностью является рассредоточенность, ограниченный грузопоток, а зачастую и эпизодичность.
Известные специалисты по грузоподъёмным средствам и гидроманипуляторам сельскохозяйственного назначения В.М. Герасун, Ю.Г. Лапынин, В.И. Пындак, А.Ф. Рогачёв, В.Л. Строков подчёркивают [47, 48, 70, 114, 115, 118, 121, 151, 163, 164, 166], что примерно 65 % номенклатуры штучных, затаренных и пакетированных сельскохозяйственных грузов имеют массу до 600 кг. Значительный объём грузов достигает 0,8...1,0 т, а масса крупногабаритных загруженных контейнеров, узлов техники для села, новейших эластичных контейнеров с минеральными удобрениями, отдельных строительных блоков, технологического оборудования и т.п. достигает двух, трёх, а иногда и пяти тонн.
5"
Наиболее эффективен путь снижения трудовых затрат - это внедрение технологий пакетных и контейнерных перевозок грузов [185].
Отмечается также, что в сельскохозяйственном производстве доля подъёмно-транспортных работ составляет примерно 40 % в стоимости продукции. Образование и становление на селе крестьянских (фермерских) хозяйств, малых сельскохозяйственных, в том числе перерабатывающих предприятий, специализация производства приводит к некоторому повышению объёма подъёмно-транспортных и иных работ с применением подъёмных операций. Производительность труда в сельском хозяйстве в значительной степени определяется механизацией погрузочно-разгрузочных работ.
С учётом отмеченной специфики сельскохозяйственных грузов и подъёмно-технологических операций, серийные автомобильные гидрокраны и тракторные погрузчики не в полной мере обеспечивают проведение подъёмно-транспортных работ в сельском хозяйстве. Их применение, как правило, неэффективно, а в ряде случаев - и невозможно. Автокраны не приспособлены для буксировки прицепов, фронт работы для них незначителен (особенно в крестьянских хозяйствах), автокраны не могут и не должны работать в производственных помещениях. Применительно к названным грузам и операциям тракторные погрузчики имеют ограниченную грузоподъёмность и недостаточную зону действия.
В связи с этим давно назрела необходимость создания мощных грузовых манипуляторов, агрегатируемых с тракторами соответствующего класса, способных и транспортировать прицепы, и работать в помещениях, и иметь приемлемую зону действия, и способных освобождаться от навесного грузоподъёмного оборудования для использования трактора для других работ. Для этого должен быть решён ряд сопутствующих вопросов, существо которого изложено ниже. Разработке, исследованию и обоснованию этой актуальной научно-технической проблемы и посвящена настоящая работа.
Цель исследования. Провести сравнительные экспериментально-теоретические исследования обычного (насосного) гидропривода и гидропнев-
мопривода с пневмогидроаккумуляторами, выявить диссипативные свойства и преимущества последнего. Выполнить кинематический и силовой анализ грузового манипулятора с трёхзвенной шарнирно-сочленённой стрелой и с пространственным приводным механизмом. Экспериментально определить основные показатели манипулятора. Обосновать области применения гидроманипуляторов при их агрегатировании с тракторами и бронетехникой.
Объект и предмет исследования. Лабораторная подъёмная установка для испытания гидро- и гидропневмопривода. Диссипативные свойства гидропневмопривода. Кинематический и силовой анализ пространственного приводного механизма и многозвенного манипулятора на его основе. Мощный грузовой манипулятор с пневмогидроаккумуляторами на тракторе класса 5 (типа «Кировец») и его экспериментальные исследования. Многозвенные гидроманипуляторы на тракторах и бронетехнике.
Научная новизна. Выявлены высокие диссипативные свойства гидропневмопривода в составе грузоподъёмных средств циклического действия, эффективность гидропневмопривода повышается при возрастании внешней нагрузки. Кинематический и силовой анализ подобных манипуляционных систем проведён на основе метода координат с преобразованием систем координат. Экспериментально установлено, что гидропневмопривод - при использовании пневмогидроаккумуляторов в качестве основного источника гидроэнергии -способствует повышению энергетических и эксплуатационных показателей, улучшению кинематических и динамических характеристик манипулятора.
Достоверность разработанных положений, выводов и рекомендаций подтверждена сравнительными экспериментальными исследованиями на лабораторной установке и на реальном грузовом манипуляторе на тракторе, решением аналитической задачи на ЭВМ, привлечением для расчётов проверенных алгоритмов механики механизмов и машин, а также апробированием на научно-технических конференциях.
Практическая значимость. Доказана эффективность применения пневмогидроаккумуляторов в качестве основного источника гидравлической энергии
в гидрофицированных грузоподъёмных средствах циклического действия и возрастания эффективности при увеличении нагрузки на крюке. Применительно к грузовым манипуляторам гидропневмопривод целесообразно применять при грузоподъёмности свыше одной тонны. Манипулятор с трёхзвенной стрелой грузоподъёмностью до 5 т сочетается с гидронавесной системой колёсного трактора класса 5, при этом используются штатные гидроцилиндры навески. Манипулятор отличается маневренностью, широкой зоной действия, монтажеспособ-ностью и компактностью в транспортном положении. При наличии пневмогид-роаккумуляторов соответствующей вместимости появляется возможность кратковременной работы в производственных помещениях. Разработаны практические рекомендации по использованию в сельском хозяйстве многозвенных манипуляторов на тракторах и бронетехнике.
Реализация работы. Экспериментальный образец гидроманипулятора на тракторе «Кировец» подвергался опытно-промышленной эксплуатации на по-грузочно-разгрузочных, технологических и монтажных работах в ВГСХА и в прилегающих хозяйствах. Техническая документация используется в учебном процессе, в частности при дипломном проектировании, в ВГСХА.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях Волгоградской ГСХА (2002) и Пензенской ГСХА (2002).
В полном объёме диссертация доложена и обсуждена на научном семинаре ВГСХА в 2003 году.
Разработки автора «Гидроманипуляторы на тракторах и бронетехнике» демонстрировались на региональной выставке «Образование Волгоградской области» (2003, отмечены дипломом) и на выставке при Международной научно-практической конференции «Проблемы агропромышленного комплекса» (Волгоград, 2003).
Публикации. С участием автора по теме диссертации опубликовано 14 работ, из них в центральных журналах - 3, в число опубликованных работ входят 2 изобретения; дополнительно к этому в печати находятся 2 работы.
Теоретические предпосылки исследования манипуляторов с гидро- и гидропневмоприводом
Кинематический и силовой анализ и динамика гидрофицированных манипуляционных систем с шарнирно-сочленёнными стрелами, как плоскими шарнирно-рычажными образованиями с гидроцилиндрами, изучены достаточно подробно. Можно сослаться на работы [1, 33, 34, 62, 148, 153, 154, 158, 181 и др.], где эти вопросы рассмотрены с различных позиций. Не потеряли актуальности методы расчётов плоских шарнирно-рычажных механизмов, грузоподъёмных и строительных машин и экскаваторов общепромышленного применения [2,4,6,44,52,55,58,91, 102, 107, 159, 171, 184 и др.].
Различные аспекты аналитического и экспериментально-теоретического исследования гидравлических манипуляторов и погрузчиков с пространственными и плоскими приводными механизмами и с шарнирно-сочленёнными стрелами содержатся в работах цитировавшихся специалистов по сельскохозяйственным грузоподъёмным средствам В.М. Герасуна, Ю.Г. Лапынина, В.И. Пын-дака, А.Ф. Рогачёва, В.Л. Строкова, их соавторов и последователей [46, 48...50, 70,71,77,86,88, 105, 109...112, 114, 124, 125, 130, 131, 150, 151, 165, 176 и др.].
Аналитические исследования по кинематике и статике подвижных пространственных стержневых систем и пространственных приводных механизмов базируются на основополагающих трудах Н.Е. Жуковского и И.И. Артоболевского [63,5], методах изучения кинематики пространственных механизмов Г.Д. Ананова, И.И. Артоболевского, Ф.М. Диментберга, Н.И. Мерцалова [3...5,56, 80], современных аналитических методах исследования кинематики пространственных механизмов, обобщённых П.А. Лебедевым [73], методе треугольников О.Г. Озола в кинематике плоских механизмов [91], на основах механики и статики пространственных стержневых систем, строительных конструкций и ферм Г.Д. Ананова, Б.Н. Горбунова, В.Л. Кирпичёва, И.Е. Лившица, И.М. Рабиновича, СП. Тимошенко, Н.А. Туманского, А.А. Уманского и других известных учёных [3, 53, 66, 74, 147, 173, 174, 178, 179 и др.], а также на современных методах аналитической геометрии в пространстве [81].
Изучив основные методы исследования кинематики и статики пространственных стержневых систем - шарнирно-рычажных механизмов и жёстких трёхстержневых образований {треножников), которые сначала были графическими и графо-аналитическими, а затем - в основном аналитическими, мы пришли к выводу, что эти методы не подходят для изучения пространственных приводных механизмов в виде треугольной пирамиды. Это объясняется тем, что в теории механизмов и машин отсутствуют структурные группы, в которых в одной кинематической паре между собой взаимодействовали бы три звена; наиболее близкими к нашим случаям являются жёсткие треножники, как элементы пространственных конструкций и ферм, в цитируемых источниках их статика основана на трудоёмких графических и графо-аналитических методах (для жёстких образований кинематика не имеет смысла).
Если применить известный принцип «затвердевания» системы - считать, что подвижная структура в каждый данный момент является жёсткой, то методы статического расчёта треножников можно интерпретировать по отношению пространственным приводным (также трёхстержневым) механизмам. Но графические и графо-аналитические методы, будучи трудоёмкими применительно к жёстким образованиям, станут неприемлемо сложными для подвижных пространственных структур, поскольку потребуются графические построения для многих положений звеньев. При этом не будут решены задачи кинематики.
Обзор П.А. Лебедева методов кинематики пространственных механизмов [73] показывает исключительную сложность решения главной задачи кинематического анализа - определения положений звеньев механизма. Это происходит на примере «эталонного», весьма простого пространственного шарнирно-рычажного четырёхзвенника с одной степенью свободы. Нам представляется, что чрезвычайно сложное решение в виде уравнений замкнутости кинематической цепи или систем координат (в тензорной) или матричной форме или с привлечением иных систем вычислений для простейшего пространственного механизма - это излишество.
На этом фоне выгодно выделяется метод В.И. Пындака определения параметров кинематики, статики и динамики, т.е. универсальный и вместе с тем весьма простой аналитический метод, который им назван методом координат [109, 111, 112, 114]. Метод базируется на теорему Н.Е. Жуковского - И.И. Артоболевского [63,5] - условиях связи (постоянства расстояний) между тремя точками твёрдого тела и любой четвёртой точкой этого тела, находящейся за пределами плоскости, проходящей через первые три точки, и на общих принципах метода координат [45].
Сформулированы и доказаны теоремы аналитической геометрии в пространстве об условиях связи между четырьмя точками, не лежащими на одной плоскости. Частным случаем этой теоремы являются условия связи на плоскости между тремя точками, не лежащими на одной прямой.
Существо новых теорем на плоскости и в пространстве формулируется следующим образом [109, 114].
Особенности методики сравнительного исследования гидро- и гидропневмопривода
Лабораторная подъёмная установка для сравнительных экспериментальных исследований обычного (насосного) гидравлического привода и гидропневматического привода-гидропривода с пневмогидравлическими аккумуляторами - включала в свой состав следующие устройства [135]: поворотную стрелу с набором грузов цилиндрической формы (рис. 2.1 и 2.2); гидроцилиндр для подъёма и опускания стрелы с грузом (рис. 2.2 и 2.3) -использовали одно- и двухступенчатый цилиндры; гидро- и гидропневмопривод, система управления установкой (рис. 2.2); система измерений (рис. 2.4). Краткое описание и принцип действия установки целесообразно показать, воспользовавшись схемой (рис. 2.2). Установка содержит стрелу С, которая снабжается грузами Г различной массы. Для подъёма и опускания стрелы предусмотрен гидроцилиндр Ц. Источниками гидравлической энергии являются два поршневых пневмогидроаккумулятора А (на рис. 2.2 схематично показан один аккумулятор), вместимость каждого аккумулятора 7 дм (литров). Для зарядки пневмогидроаккумуляторов предназначен маломощный электроприводной насос Н типа НШ-10Е. В варианте обычного (насосного) гидропривода использовался более мощный насос НШ-32. Для забора рабочей гидрожидкости, зарядки и разрядки пневмогидроаккумуляторов в состав установки включены: бак Б для рабочей жидкости, предохранительный клапан ПК, обратный клапан ОК, манометр М, регулируемый дроссель ДР, вентиль (кран) К, фильтр Ф в сливной магистрали. Для дистанционного управления работой гидроцилиндра предусмотрены электроуправляемые краны Kl, К2 и двухходовые распределители 31 и 32.
Для задействования электромагнитов в кранах имеется по два реле PI, Р2, а в каждом распределителе - по одному реле Р1. Электромагниты и реле работают на постоянном токе напряжением 27 В, для чего в составе установки имеются блок питания постоянного тока и соответствующий блок управления (на рис. 2.2 не показаны, видны на рис. 2.3). Для отключения - остановки стрелы в нижнем и заданном верхнем положениях установка снабжена конечными выключателями КВ1 и КВ2, которые соединены с блоками питания и управления. Для фиксации результатов испытаний установке придаётся система измерений -осциллограф, электрические аккумуляторы, источник стабилизированного напряжения постоянного тока, тензоусилитель и т.п.
При зарядке пневмогидроаккумуляторов включают насос, который нагнетает рабочую жидкость до заданного давления (контролируют по манометру) - до срабатывания предохранительного клапана, настроенного на определённое давление. Обратный переток жидкости исключает обратный клапан и электро-управляемый кран К1 (рис. 2.2). Подъём и опускание стрелы с грузом в режиме гидропневмопривода осуществляют от пневмогидроаккумуляторов как основных источников гидроэнергии. Стрелу комплектуют расчётным грузом и устанавливают на необходимый угол разворота с помощью конечного выключателя КВ1. Для подъёма стрелы от блока управления одной кнопкой задействуют все реле Р1 и Р2 и электромагниты. В этом случае рабочая жидкость от пневмогидроаккумуляторов через регулируемый дроссель, электроуправляемые кран К1 и распределитель 31 под давлением поступает в поршневую полость гидроцилиндра, а из штоковой полости через распределитель 32, кран К2 и фильтр сливается в бак.
Подъём стрелы прекращается после срабатывания выключателя КВ1. Для опускания стрелы нажатием другой кнопки задействуют реле Р2 и включают только электроуправляемые краны К1 и К2, распределители 31 и 32 остаются отключёнными. Это состояние гидропневмопривода показано на рис. 2.2. В результате этого из пневмогидроаккумуляторов жидкость под давлением через дроссель поступает в штоковую полость гидроцилиндра, а из поршневой полости сливается в бак. Опускание стрелы происходит до срабатывания конечного выключателя КВ2. В процессе испытаний периодически проводят подзарядку пневмогидроаккумуляторов, после завершения цикла испытаний остатки жидкости из аккумуляторов сбрасывают в бак открытием вентиля (крана) К. Для получения сравнимых результатов экспериментальных исследований был собран также обычный гидропривод с более мощным насосом и обычным гидрораспределителем, в этом варианте пневмогидроаккумуляторы не использовались.
Алгоритм теоретического исследования гидропневмопривода (статика и начала динамики)
Разработанный алгоритм теоретического исследования гидропневмопривода, несмотря на то, что расчётная схема включает один пневмогидроаккумуля-тор и один гидроцилиндр, отличается повышенной сложностью и, как принято в динамических расчётах, содержит экспериментальные данные. Поэтому экспериментальное исследование гидропневмопривода той же подъёмной установки -это логическое продолжение и комплексное изучение нового направления в сельскохозяйственных грузовых машинах циклического действия.
В дополнение к иллюстрациям 2.1, приведём для наглядности исследовавшиеся обобщённые схемы одной и той же установки, оборудованной обычным (насосным) гидроприводом с ручным управлением (рис. 3.4, а) и гидропневмоприводом с пневмогидроаккумулятором и электрогидравлическим распределителем (рис. 3.4, б). Такие схемы позволили осуществить сравнительные экспериментальные исследования гидро- и гидропневмопривода.
Рассмотрим один из наиболее характерных режимов работы установки серию опытов 2 (табл. 2.1) - с начальным углом (рИ =10возвышения загружен ной стрелы при испытании гидропривода и гидропневмопривода рп = 4 МПа и Pi= 9 МПа (П1J1-2). Рис. 3.5 показывает, что для гидропривода это по существу неустановившийся режим работы, поскольку на протяжении всего времени подъёма (/ =2,63 с) давление/?,, на выходе из насоса и давлениерп в поршне вой полости гидроцилиндра не имеют тенденции к успокоению. В гидропневмоприводе ПИ 1-2, по истечению времени подъёма t = 0,9 с, изменение давлениярп носит статический характер. И это достигается несмотря на то, что общее время подъёма стрелы с аналогичным грузом снижается до 2,23 с (в отличие от табл. 2.1 здесь фактический конечный угол подъёма стрелы ср =30).
На примере изменения угла (р из рис. 3.5 следует, что в гидроприводе первые 0,7 с подъёма стрела совершает некоторое колебательное движение. На этом фоне выделяется стабильное - по законам кинематики - изменение угла (р в ГПП-2. Лишь в начальный момент подъёма (7 0,11 с)происходит упругое на-гружение системы. Характерно, что первые максимальные пики давления ртах -на выходе из насоса (/?„) и в поршневой полости цилиндра (рп) с приводом от ГГТП-2 - несколько дольше по сравнению с ртал для цилиндра обычного гидропривода. Однако уже второй и последующие пики рп давления в ГПП-2 существенно ниже. Что касается первых и последующих минимальных пиков давления Pmin , то в ГПП-2 он неизменно больше, т.е. амплитуда колебаний давления меньше.
Весьма характерно, что цикл подъёма стрелы от обычного гидропривода начинается с нарастания давления на выходе из насоса - при t =0 рИ «0,7 МПа, а по истечении времени t «0,1 с р„ «6,7 МПа. Это и предопределяет высокую динамичность системы, которая передаётся и на поршневую полость гидроцилиндра, но не влияет на давление рш в штоковой полости. Давление р/ в источнике гидроэнергии гидропневмопривода - пневмогидроаккумуляторе носит статический характер. Вследствие этого первоначальное давление рп (на отметке t =0) в этом приводе примерно равно статическому давлению.
Представленные на графике (рис. 3.5) и на последующих графиках значения давления рп в поршневой полости гидроцилиндра гидропневмопривода является приведёнными (эквивалентными) - с учётом исключения влияния некоторого повышения давления Арш в штоковой полости - см. 2.2, зависимости (2.6) и (2.7). В связи с этим показанное давление рш считается одинаковым для обоих приводов и равно давлению в штоковой полости цилиндра обычного (насосного) гидропривода.
В 2.2 показано, что гидропневмопривод проверяли в двух агрегатных состояниях - «мягком» и «жёстком». Поэтому представляет интерес сравнительная динамика этих состояний и их сопоставление с обычным гидроприводом. Такая «картина» зафиксирована на рис. 3.6 на примере серии опытов 1 (табл. 2.1) - при подъёмах загруженной стрелы с начального угла рн =0. Очевидно, что это самый тяжёлый режим работы установки, который отличается наибольшими усилиями F в штоке гидроцилиндра (в начале подъёма) и наибольшей продолжительности цикла (ц.
Экспериментальные данные подтверждают, что и в этом режиме работы обычной гидропривод отличается высокой динамичностью. В частности первый пикртах давления/?,, на выходе из насоса достигает 7,7 МПа, а первая амплитуда колебания давления составляет 4,1 МПа (!), что соизмеримо с величиной статического давления. Несколько меньше, но с такой же закономерностью изменяется давление/?,, в поршневой полости цилиндра гидропривода.
В отличие от предыдущего режима (рис. 3.5), здесь (рис. 3.6) всплески давления р„ в обоих агрегатных состояниях гидропневмопривода (ГПП-1 и ГПП-2) меньше, чем в гидроприводе. Причём в «мягком» приводе ГПП-1 {р0 =3 МПа, /?/ = 8 МПа) и величина пиков ртах и /?„„„, и стабилизация давления /?„ и угла р подъёма стрелы наступают раньше, чем в ГПП-2, и существенно отличаются от соответствующих показателей обычного гидропривода. Это свидетельство того, что при увеличении внешней нагрузки F динамичность обычного гидропривода повышается, а гидропневмопривода, работающего в аккумуляторном режиме, -снижается. В дальнейшем эта важная особенность приводов будет конкретизирована.
В этой серии опытов, на протяжении всего цикла tH, обычный гидропривод также работает в неустановившемся режиме. Это относится к давлениям /?„ и/?,,и к динамике изменения угла р. Здесь заметные колебания угла р, а следовательно и его производных со= d(p/dt, є = acp/dt2, наблюдаются свыше 1,2 с, что соответствует не менее 0,42 цикла подъёма стрелы. Лишь давления pt в пневмо-гидроаккумуляторах и рш в штоковой полости гидроцилиндра, как обычно, носят статический характер, но выделяется загрузка системы в начале подъёма стрелы.
Совершенствование гидравлической схемы и эксплуатационно-технологических показателей манипулятора
Стреловое оборудование рассматриваемого грузового манипулятора разработано в нескольких модификациях (рис. 4.2) путём наших дополнений к раз-разработкам В.И. Пындака [114, 120]. Модификации с трёхзвенной стрелой {а, б) отличаются длиной последней секции стрелы (рукояти) и характеризуются фузоподъёмностью 5 и 3 т (50 и 30 кН) соответственно. Предусмотрена также стрела-надставка к основной трёхзвенной стреле (в). Разработаны технические предложения по созданию манипулятора грузоподъёмностью 30 кН с двухзвен-ной стрелой (г) и телескопической стрелой кранового типа (д).
Последняя модификация имеет наибольшие вылет стрелы (6 м) и высоту подъёма крюка (до 8,5 м). Очевидно, что подобная стрела может использоваться совместно с механизмом вертикального подъёма фуза - с канатно-полиспастной системой. Возможности остальных модификаций стрелового оборудования видны из рис. 4.2; это расширяет эксплуатационно-технологические показатели манипулятора.
Во всех модификациях угол if/ поворота стрелы в горизонтальной плоскости может достигать 100 (±50) и офаничивается поперечной фузовой устойчивостью агрегата. В этом агрегате - с шарнирно-сочленённой рамой трактора - перед началом работы манипулятора догружают опоры (башмаки) основания за счёт некоторого вывешивания (без отрыва от грунта) задних колёс трактора.
В агрегате (тракторе с манипулятором) сохранена возможность буксировки за трактором прицепов (тракторных тележек) (рис. 4.3, а). Для этого буксировочный крюк перенесен с трактира на основание манипулятора. Благодаря этому образуется своеобразное транспортно-технологическое звено в составе трактор-манипулятор-прицеп (тележка), которое обслуживается одним трактористом-оператором. В процессе выполнения монтажно-технологических, ремонтных и т.п. работ манипулятор обеспечивает зафузку, транспортировку, раз-фузку прицепа (или нескольких тележек) и соответствующие пофузочно-разфузочные и технологические операции.
Не менее эффективно перегрузочно-транспортный агрегат (рис. 4.3, б) -трактор с манипулятором используется и без прицепа (подробней об этом в главе 5). Будучи смонтированным на гидронавеске трактора, манипулятор по существу становится разновидностью навесной сельскохозяйственной машины. По конструктивному исполнению, способу агрегатирования с трактором и использованию, манипулятор, несмотря на значительный грузовой момент, не подпадает под действие правил Госгортехнадзора, что упрощает его устройство и эксплуатацию. По минованию надобности манипулятор легко демонтируется, и трактор высвобождается для других работ. Всё это направлено на совершенствование эксплуатационно-технологических показателей манипулятора.
Вне зависимости от конструктивно-кинематических особенностей стрелового оборудования, пространственный приводной механизм грузового манипулятора включает в себя (рис. 4.4, а): ведущие звенья изменяемой длины - гидроцилиндры АС и ВС; ведомое звено - отрезок прямой ОС, принадлежащий стреле, в шарнирно-сочленённой структуре - её коренной секции; самодействующее опорно-поворотное устройство (шарнир) О стрелы; шарниры-опоры А и В крепления корпусов гидроцилиндров на основании; специальный шарнирный узел С для соединения штоков цилиндров между собой и со стрелой.
Будем рассматривать только тот вариант шарнирного узла С, в котором оси штоков цилиндров пересекаются между собой геометрически в одной точке - в центре шаровой опоры (рис. 1.2 и 2.9). Вследствие этого приводной механизм представляет трёхстержневую подвижную пространственную структуру (изменяемой геометрической формы) в виде треугольной пирамиды, «вершина» которой находится в точке С- в центре специального шарнирного узла.
Эта структура характеризуется кинематической жёсткостью и устойчивостью в работе. Известно, что трёхстержневые пространственные узлы обладают именно этим качеством - при незначительной собственной массе, несмотря на то, что их стержни имеют шарнирное крепление. Поэтому при кинематическом исследовании и самого механизма, и грузового манипулятора на его основе «искажения» траекторий движения не ожидается, поскольку цитировавшиеся возможные несовершенства шарниров и, прежде всего, специального шарнира С в расчёт не принимаются.
Как отмечалось в 1.2, пространственный приводной механизм имеет две степени свободы, шарниры О, А, В также обладают двумя степенями свободы, а реализуемое минимальное количество степеней свободы в шарнире С равно трём. В этом специальном, не имеющем аналогов в теории механизмов, шарнире возможны избыточные связи, которые в предложенном конструктивном исполнении (рис. 1.2 и 2.9) не оказывают влияние на стабильность работы механизма.
Исходя из необходимости логичного перехода от кинематического исследования пространственного приводного механизма к изучению манипулятора в целом, в качестве обобщённых координат механизма в системе координат Oxyz (рис. 4.4, а-в) приняты углы поворота стрелы - прямой ОС коренной секции в вертикальной р и горизонтальной ц/ плоскостях. Эти координаты геометрического характера, наравне с другими обобщёнными координатами, остаются при исследовании стрелового оборудования и манипуляторов различного исполнения с приводным механизмом в виде треугольной пирамиды.
На основе названного в 1.2 метода координат и принципа «затвердевания» системы, уравнения связи в трёхстержневой пространственной структуре или условия существования пространственного приводного механизма можно записать, используя цитировавшуюся теорему 2 В.И. Пындака [109, 112. 114]. Искомыми величинами являются текущие значения координат «вершины пирамиды» - точки С (хс, ус, zc). В условиях задачи координаты опор А (а, в, -с) и В (-а, в, -с) известны, задан закон изменения длины // и 12 или, по крайней мере, диапазон изменения длины приводных цилиндров (рис. 4.4).
