Методы повышения эксплуатационной эффективности портовых манипуляционных погрузчиков с пневматическим поршневым приводом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат технических наук Никулин, Константин Сергеевич

• Никулин, Константин Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никулин, Константин Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Выбор объекта и направления проведения исследований

1.2. Анализ существующих систем рециркуляции энергии и компенсации динамических нагрузок с целью выявления путей повышения эффективности приводов роботов, внедряемых в перегрузочные работы в портах

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ЦИКЛОВОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА ПР-10И

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОХОДЯЩИХ В КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЗВЕНЬЯХ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ТИПА МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПОГРУЗЧИКА С ПНЕВМОПРИВОДОМ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы повышения эксплуатационной эффективности портовых манипуляционных погрузчиков с пневматическим поршневым приводом»

Современный порт насыщен большим числом техники для погрузочно-разгрузочных работ. Геометрические (пространственные) и силовые параметры определяются размерами грузовых мест, транспортных средств и складов, технологическими задачами. Машины предназначены для различных технологических операций и поэтому разделяются на главные для переноса груза между транспортными средствами и складами и вспомогательные для укладки груза в транспортных средствах и складах. Наиболее характерные представители этих машин — портальный кран и авто- и электропогрузчики. Они создавались традиционными методами машиностроения, позволили существенно повысить коэффициент механовооруженности, а затем уровень комплексной механизации (УКМ). Но, не смотря на это, сегодня в технологических операциях на погрузочно-разгрузочных работах занято большое число докеров-механизаторов и достаточно много используется ручного труда. Многолетние попытки автоматизировать работу портальных кранов были малоэффективными. К тому же, 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.

Дальнейшее решение проблемы возможно методами робототехники, возникшей на стыке механики, электроники и бионики. Это определило в настоящее время технические возможности создания манипуляционных и робототехнических систем под практические потребности перегрузочных и других работ в портовом хозяйстве.

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 поршневых цикловых манипуляционных погрузчиков с элементами программного управления в погрузо-разгрузочных операциях на предприятиях различных отраслей промышленности и в транспортных системах свидетельствует об их технической эффективности и экономической целесообразности использования.

Можно с определённой 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. Из этого вытекает необходимость исследования принципиальных динамических особенностей цикловых систем и определения путей повышения их эксплуатационной эффективности.

Системам, работающим в циклических режимах, к которым относятся манипуляционные погрузчики, характерен режим движения с частыми остановками (старт-стопный режим). В этом режиме возникают 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 энергии и потенциальной - у тихоходных установок). У таких систем потребление энергии определяется не столько 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 подъёма 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 особенно интенсивной на этих этапах циркуляцией энергии.

Поэтому решение проблем цикловых систем должно сосредотачиваются, 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, снижение 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 настоящей 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.

3. Адаптация к условиям эксплуатации современных портов поршневых манипуляционных погрузчиков благодаря их модернизации, повышающей его эксплуатационные показатели.

4. Разработка программного продукта для выбора параметров модернизированных манипуляционных погрузчиков циклического действия с поршневым приводом, адаптированного к инженерной практике.

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.

Достоверность результатов исследований динамики движения механизма поступательного перемещения рабочего органа манипуляционного погрузчика с пневматическим приводом и компенсационной рекуперативно-тормозной системой обоснована результатами математического моделирования на ПЭВМ с использованием современной компьютерной программы MATHCAD-2001 и экспериментальными исследованиями пневматического манипуляционного погрузчика ПР10И, выполненными на современном аналого-цифровом оборудовании и последующего сравнения на ПЭВМ результатов математического и натурного экспериментов в цифровой форме.

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.

На защиту выносится:

1. Составление модели и математическое описание функционирования механизма поступательного движения рабочего органа манипуляционных погрузчиков с пневматическим приводом, оснащенных пневмо-пружинным накопителем энергии и рекуперативно-тормозным блоком с учетом упруго-гистерезисных свойств рабочей среды.

2. Разработанная методика компьютерных исследований динамики моделей механизма поступательного движения рабочего органа с учетом упруго-гистерезисных свойств пневмопривода.

3. Разработанная методика экспериментальных исследований динамики механизма поступательного движения рабочего органа аналога пневматического манипуляционного погрузчика типа ПР10И с использованием аналого-цифрового преобразователя с получением данных в цифровом виде.

Апробация работы.

Основные результаты работы опубликованы и доложены на:

- Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1997 и 2001 года в МГТУ им. Н.Э. 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. Н.Э. Баумана;

- Международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ-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 ППТМиР 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»

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», Никулин, Константин Сергеевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате проведения комплекса натурных экспериментальных и математических исследований разработаны методы повышения эксплутационной эффективности портовых манипуляционных пневмопогрузчиков с поршневым приводом в отношении повышения быстродействия, грузоподъёмности, снижения энеропотребления и динамической нагруженности.

2. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования на промышленном пневматическом манипуляторе по определению рабочих параметров системы поступательных перемещений кинематического звена с пневмоприводом; эксперименты проведены с использованием комплекса датчиков регистрации основных параметров процесса (перемещения, скорости, ускорения, давления, точности позиционирования и др. расчетно-экспериментальные), аналого-цифрового преобразователя и компьютерной обработки полученной информации. Экспериментальные исследования позволили выявить основные недостатки традиционной системы и сформулировать главные задачи ее модернизации.

3. Разработана принципиально-конструктивная схема рекуперативно-тормозного блока и сформирована компьютерная программа его расчета и выбора эффективных режимов работы поршневых манипуляционных погрузчиков в условиях погрузо-разгрузочного портового хозяйства.

Сравнение характеристик пневматического манипуляционного погрузчика традиционного типа без рекуперационно-тормозного блока и модернизированного варианта с системой рекуперации энергии показывает, что модернизированная модификация как при гармоническом возбуждении, так и при бигармоническом отличаются плавностью в работе и существенно более низкими динамическими нагрузками. Анализ показывает также, что модернизированный манипуляционный погрузчик имеет также существенно более низкий расход энергии. При одинаковом уровне динамической нагруженности у него также выше быстродействие.

4. Составлены расчетные модели и дано математическое описание поступательных пневматических звеньев манипуляторов с пневмоприводом, учитывающие упруго-диссипативные свойства рабочей среды (сжатого воздуха); рассмотрены как традиционные системы, так и комплексы оснащенные пневмо-пружинными накопителями энергии и рекуперативным блоком. С использованием динамических моделей разработана компьютерная методика и сформировано программное обеспечение для выбора эффективных режимов работы и проектирования поступательных кинематических звеньев манипуляционных погрузчиков с пневматическим приводом как традиционной компоновки, так и с рекуперативно-тормозным блоком. Разработанные методы адаптированны к требованиям инженерных расчетов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никулин, Константин Сергеевич, 2007 год

1. Отчет о научно-исследовательской работе «Провести исследования и определить сферу применения роботов и манипуляторов на перегрузочных работах в портах», ЛИВТ, Л., 1988 г., № Гос. регистрации 0.186.0055828.

2. Отчет по теме 899 по плану МРФ 6-ЗГ «Разработка системы автоматизированной разгрузки складов (силосов) апатита», ЛИВТ, Л., 1967 г.

3. Отчет о научно-исследовательской работе «Разработать автоматизированную систему управления машинами циклического действия», ЛИВТ, Л., 1987 г., № Гос. регистрации 0186.00558.27.

4. Ю.Г. Козырев «Промышленные роботы. Справочник», М., Машиностроение, 1988 г., 392 с.

5. П. Скотт «Промышленные роботы переворот в производстве», Сокр. перев. с англ. под ред. Л.И. Волчкевича, М., Экономика, 1987 г., 304 с.

6. М.В. Малахов, Н.А. Нейбергер, Г.Н. Сидорин «Монтаж, наладка, эксплуатация и ремонт промышленных роботов», М., Металлургия, 1989 г., 224 с.

7. УДК 62-85.001.24, А.А. Парой «К расчету пневмоприводов с торможением», Вестник машиностроения, М., 1995, №5, с. 8-13.

8. J1.M. Виноградов, Ю.Н. Лаптев, С.Г. Телица и др. «Пневмо-гидроаккумуляторы», под ред. проф. Ю.Н. Лаптева, М., Машиностроение, 1993 г., 176 с.

9. Д.М. Беркович, «Силы инерции в технике и их уравновешивание», М., Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Киев, МАШГИЗ, 1963 г., 101 с.

10. Н.В. Гулиа, «Инерция», М., Наука, 1982 г., 152 с.

11. Н. Маховичный, «Накопители энергии», М., Знание, 1980 г., Серия «Техника», №7, 64 с.

12. УДК 621.865.8-8, Е.И. Семенов, М.А. Крючков, А.Ю. Выжигин «Анализ методов увеличения быстродействия пневмоприводов поступательного перемещения промышленных роботов для листовой штамповки», Вестник машиностроения, М., 1996, № 6, с. 38-40.

13. АЛ. Степанов «Портовое перегрузочное оборудование», М., Транспорт, 1996, 328 с.21. «Справочник эксплуатационника речного транспорта», Под ред.ак. С.М. Пьяных, М., Транспорт, 1995, 360 с.

14. И. И. Мачульский, В. П. Запятой, Ю. П. Майров «Робототехнические системы и комплексы», М.: Транспорт, 1999, 446 с.

15. Е. Е. Иванов, С. М. Тихоненков «Выбор параметров уравновешивания шарнирно-балансирных манипуляторов», Вестник машиностроения, 1986, №4, с. 42-44.

16. В. М. Зябликов, В. Ф. Смирнов «Оптимальное построение механических систем и гашение динамических нагрузок», Вестник машиностроения, 1995, №10, с. 3-8.

17. А. Г. Овакимов «Кинетостатика передач манипуляторов с приводными двигателями на основании», Вестник машиностроения, 1997, №4, с. 8-12.

18. К. JI. Навроцкий «Универсальная программа и методика динамического расчета на ЭВМ систем приводов машин», Вестник машиностроения, 1997, №6, с. 24-28.

19. Н. В. Гулиа, А. Г. Серх, В. В. Сергунин «Инерционный накопитель для робототележки», Вестник машиностроения, 1987, №2, с. 18-19.

20. Н. М. Беляев, Е. И. Уваров, Ю. М. Степанчук «Пневмо-гидравлические системы: Расчет и проектирование», М.: Высшая школа, 1988, 272 с.

21. Е. В. Герц «Динамика пневматических систем машин», М.: Машиностроение, 1985, 256 с.

22. А. С. Донской «Моделирование переходных процессов в пневматических системах», Санкт Петербург: Санкт Петербургский Государственный университет технологии и дизайна , 1998, 205 с.

23. И. Юрай «Проектирование гидравлических и пневматических систем», Перевод со словацкого Д. К. Рапопорта, Д.: Машиностроение, 1983, 383 с.

24. М. М. Мордасов, А. В. Трофимов «Анализ и синтез пневматических устройств», М.: Машиностроение, 1999, 100 с.

25. В. А. Федорец, А. В. Педченко, А. В. Кухарец «Расчет пневматических цикловых систем», Киев: Техника, 1981, 184 с.

26. А. И. Добролюбов «Механизмы на гибких и упругих элементах», Минск: Наука и техника, 1984, 120 с.1.c.ieOoeanue комбинированной тормозной си an см ы с рекуперацией энергии в условиях переменностимассы.

27. Решение дифференциальнО?о уравнения методам Гунге-Кутта

28. Зада кие немодных параметров системы: Лm т 500 СО» 10 Ct=20 тш 2 1с0® 5 kt ■ 9000 Сс • 100 С я C0+ Ссш 4пО Iп0 101. СО 2 m1. ГкТрО = — рО =0.11. J mnC I1. Сс 2 ■ mС2 ■ mnC = 0.1п 10.1nt1. Ct 2 mktpt. -■J mnt = 0.02pt = 4.243

29. Количество расчетных шагов (точек);st 1000

30. Исследование динамики движения системы в условиях переключения ре ж и мов работы.

31. Н ~— t2 := 42 ■ —*— t3 tm $ • —— t4:=<H tS := ф5180. «>180. м180. а1.O- ш180. шф5 := фО ч- ф5 фб := ф0 + 46 ф7 := ф0 + ф7180.«6 ;= ф •180. шt7 := ф7 ■180. соаst

32. Jtf(t) :=if(tl S t <t2,l,tf(t4S t < 15,1,0)) *i(t) :«iflt2 5 t < t3,-J,ifl[t5 £ t < t6,-l,if(tl S t < t3,l,iftt4 fi t < t6,1,0))))

33. Графический анализ работы переключателей.17 = 1.745ю о5(0 1 X(t)о0.4