Обоснование параметров и режимов работы нового грузоподъемного механизма манипулятора автосортиментовоза тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Богданов Дмитрий Сергеевич

• Богданов Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Богданов Дмитрий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ ситуации на рынке лесозаготовок в России

1.2 Современные технологии лесозаготовок и технические средства для осуществления основных режимов работ

1.3 Анализ исследований кинематики и динамики гидропривода механизма подъёма манипулятора

1.4 Выводы

1.5 Цель и задачи исследований

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИКИ И ДИНАМИКИ ГИДРОПРИВОДА МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА СТРЕЛЫ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ДЕМПФЕРОМ

2.1 Разработка гидрокинематической схемы механизма подъема стрелы гидроманипулятора лесотранспортной машины

2.2 Математическая модель рабочего процесса механизма подъема стрелы лесного манипулятора

2.3 Результаты имитационного моделирования рабочего процесса гидропривода механизма подъёма

2.3.1 Значимые параметры для исследования кинематики и динамики манипулятора

2.3.2 Изменение угла подъёма стрелы от времени с учётом угла между осями гидроцилиндра и стрелы

2.3.3 Влияние изменения параметров демпфера на временную зависимость угла поворота стрелы

2.3.4 Влияние изменения параметров демпфера на скорость подъёма стрелы

2.3.5 Влияние изменения параметров демпфера и механизма подъема стрелы на временную зависимость ускорения подъёма стрелы

2.3.6 Влияние изменения параметров демпфера на временную зависимость давления в гидравлической системе

2.3.7 Влияние изменения параметров механизма подъёма стрелы на перемещение плунжера демпфера

2.3.8 Влияние изменения параметров механизма подъёма стрелы на скорость плунжера демпфера

2.3.9 Влияние изменения параметров на ускорение плунжера демпфера

2.3.10 Суммарная эффективность влияния выделенных конструктивных параметров

2.4 Двухфакторная оптимизация конструктивных параметров демпфера

2.5 Выводы

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа лабораторных исследований

3.2 Оборудование, применяемое в экспериментальных исследованиях

3.3 Методика проведения экспериментальных исследований

3.4 Методика планирования полнофакторного эксперимента при двухфакторной оптимизации параметров демпфера

3.5 Методика статистической обработки экспериментальных данных

3.6 Выводы

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Определение экспериментальных динамических и кинематических характеристик рабочих процессов механизма подъема манипулятора

4.2 Определение оптимальных параметров гидропривода грузоподъемного механизма гидроманипулятора с пустотелым плунжером демпфера при различных режимах подъема груза

4.3 Проверка работоспособности манипулятора Атлант - 90 сортиментовоза с дополнительным демпфером в производственных условиях

4.4 Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

3

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров и режимов работы нового грузоподъемного механизма манипулятора автосортиментовоза»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Для достижения устойчивого развития лесозаготовительного сектора необходимо широко внедрять технологии машинной лесозаготовки, специально разработанные для естественных производственных условий окружающей среды. Повышение эффективности научно-технического прогресса в лесном комплексе России невозможно без разработки и внедрения эффективных лесотранспортных машин манипуляторного типа (ЛТМ). На существующих ЛТМ имеется проблема регулирования скорости подъема стрелы в зависимости от силы тяжести груза и снижения динамической нагруженности за счет совершенствования демпфирующих устройств. Существующие механические демпфирующие устройства имеют возможность срабатывания только в определенных положениях поршней гидроцилиндров. Поэтому необходимо усовершенствовать конструкцию грузоподъемного механизма манипулятора ЛТМ с возможностью обеспечить ускоренный режим подъема легких грузов и холостых перемещений манипулятора, а также снижение динамических нагрузок при различных режимах погрузочно-разгрузочных работ. Для обоснования параметров и режимов работы нового грузоподъемного механизма манипулятора автосорти-ментовоза требуется проведение теоретических и экспериментальных исследований, поэтому тема диссертационной работы является востребованной и актуальной.

Диссертационное исследование выполнено в рамках госбюджетной тематики кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин ВГЛТУ «Разработка технологий и техники для лесовосстановления и защиты лесов от пожаров с обоснованием типа и параметров рабочих органов проектируемых машин на основе цифровых методов моделирования», сроки выполнения с 2021 по 2025 гг.

Степень разработанности проблемы.

Вопросы конструирования, моделирования и расчета гидроманипуляторов и лесного технологического оборудования рассмотрены в трудах отечественных и зарубежных ученых, например : В.А. Александрова, И.М. Бартенева, В.Н. Андреева, Ю.Ю. Герасимова, В.С. Сюнева, З.К. Емтыля, А.В. Лагерева, В.И. Посметь-ева, И.В. Григорьева, М.В. Драпалюка, П.М. Мазуркина, В.А. Зеликова, В.Ф. По-летайкина, А.Ю. Мануковского, П.И. Попикова, А.А. Котова, А и др.

При анализе литературы, посвященной исследованию рабочих процессов гидропривода механизма подъема стрелы манипулятора сортиментовоза, нами установлено, что вопросы повышения производительности и снижения динамической нагруженности пока недостаточно исследованы.

Целью работы является снижение динамической нагруженности и повышение производительности гидроманипулятора автосортиметовоза за счёт обоснования параметров грузоподъемного механизма с устройствами для демпфирования и переключения режимов работы гидроманипулятора автосортиментовоза.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1) разработать новую гидрокинематическую схема грузоподъемного механизма лесного гидроманипулятора с дополнительными устройствами для демпфирования динамических нагрузок и автоматического переключения скоростных режимов подъема стрелы при полной загрузке захвата сортиментами и после его разгрузки;

2) разработать физико-математическую и имитационную модели рабочих процессов нового грузоподъемного механизма с учетом конструктивных параметров устройств демпфирования динамических нагрузок и автоматического переключения скоростных режимов подъема стрелы при полной загрузке захвата сортиментами и после его разгрузки;

3) обосновать параметры и режимы работы грузоподъемного механизма с рациональными значениями для снижения динамических нагрузок и повышения производительности рабочего процесса;

4) определить технико-экономические показатели применения опытного

образца грузоподъемного механизма, обеспечивающего снижение динамических

6

нагрузок и повышение производительности гидроманипулятора автосортименто-воза при погрузочно-разгрузочных работах в лесном комплексе.

Объектами исследования является конструкция гидроманипулятора с устройствами для демпфирования и переключения режимов работы, параметры гидропривода и технологический процесс работы манипулятора.

Предметом исследования является кинематика и динамика рабочих процессов гидропривода грузоподъемного механизма лесного манипулятора

Научная новизна работы:

1) разработана новая гидрокинематическая схема грузоподъемного механизма лесного гидроманипулятора с дополнительными устройствами, отличающаяся возможностью демпфирования динамических нагрузок и автоматического переключения скоростных режимов подъема стрелы при полной загрузке захвата сортиментами и после его разгрузки;

2) разработана физико-математическая и имитационная модели рабочих процессов нового грузоподъемного механизма, отличающаяся учетом конструктивных параметров устройств демпфирования динамических нагрузок и автоматического переключения скоростных режимов подъема стрелы при полной загрузке захвата сортиментами и после его разгрузки;

3) обоснованные параметры и режимы работы грузоподъемного механизма, позволяющие при рациональных значениях снизить динамические нагрузки и повысить производительность рабочего процесса;

4) определены технико-экономические показатели применения экспериментального образца грузоподъемного механизма, отличающие снижением динамических нагрузок и повышением производительности гидроманипулятора авто-сортиментовоза при погрузочно-разгрузочных работах в лесном комплексе.

Теоретическая значимость работы заключается в расширении основных положений теории кинематики и динамики гидропривода грузоподъемного механизма лесного манипулятора с дополнительными устройствами для регулирования скоростных режимов и демпфирования динамических нагрузок.

Практическая значимость работы состоит в разработке новой конструк-

7

ции гидропривода грузоподъемного механизма лесного манипулятора с дополнительными устройствами для переключения скоростных режимов и демпфирования динамических нагрузок; разработке имитационной модели рабочих процессов гидропривода нового грузоподъемного механизма. Полученные результаты внедрены в Учебно-опытный лесхоз ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова», в СГБОУ ВО «Воронежский лесопожарный центр», в учебный процесс ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова» при подготовке бакалавров и магистров.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования.

При проведении исследований в диссертационной работе, основной методологической базой стали научные труды по механизации лесного хозяйства. В процессе осуществления различных теоретических и практических исследований было широко распространено использование законов механики и гидравлики, методов формализованного моделирования, геометрического и численного решения дифференциальных и интегральных уравнений. С помощью современных технологий, таких как тензометрическая аппаратура и методы статистической обработки данных, были проведены различные исследования, которые включали теоретические и экспериментальные

Научные положения, выносимые на защиту:

1) новая гидрокинематическая схема грузоподъемного механизма лесного гидроманипулятора с дополнительными устройствами, позволяющая демпфировать динамические нагрузки и автоматически переключать скоростные режимы подъема стрелы при полной загрузке захвата сортиментами и после его разгрузки;

2) физико-математическая и имитационная модели рабочих процессов нового грузоподъемного механизма, позволяющие учитывать конструктивные параметры устройств демпфирования динамических нагрузок и автоматического переключения скоростных режимов подъема стрелы при полной загрузке захвата сортиментами и после его разгрузки для обоснования рабочих процессов грузоподъемного механизма ведущих к оптимизации его динамических нагрузок;

3) обоснованные параметры и режимы работы грузоподъемного механизма, позволяющие рациональными значениями снизить динамические нагрузки

8

и повестить производительности рабочего процесса;

4) определены технико-экономические показатели применения экспериментального образца грузоподъемного механизма, обеспечивающие снижение динамических нагрузок и повышение производительности гидроманипулятора ав-тосотиментовоза при погрузочно-разгрузочных работах в лесном комплексе.

Степень достоверности результатов работы.

Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, обосновывается применением обоснованных методов исследования, высокой сходимостью полученных теоретических и экспериментальных результатов исследования рабочего процесса грузоподъемного механизма лесного манипулятора, использованием современных методов статистической обработки данных.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Результаты, полученные в рамках выполнения диссертационной работы, соответствуют п. 5 «Компоновка, типы, параметры и режимы работы машин лесо-хозяйственных и лесопромышленных производств» паспорта научной специальности 4.3.4. «Технологии, машины и оборудование для лесного хозяйства и переработки древесины».

Личный вклад автора заключается в определении целей и задач работы, изготовлении лабораторного стенда, в выполнении научно-технических исследований и анализа их результатов, разработке, изготовлении и сборке гидрокинематической схемы грузоподъемного механизма лесного гидроманипулятора с дополнительными устройствами, проведение полевых испытаний механизма, запись кинематических и динамических показателей рабочего процесса и составлении физико-математических моделей в MathCad, проведении полнофакторного эксперимента в Excel, анализе осциллограмм давления рабочей жидкости графиков, записанных с датчиков в Excel, участии в различных конференциях, написании научных статей по теме диссертации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях профессорско-

преподавательского состава, а также заседаниях кафедры механизации лесного

9

хозяйства и проектирования машин Воронежский государственной лесотехнической университет. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: международный лесной форум «Охрана, инновационное восстановление и устойчивое управление лесами. Forestry - 2023 (Воро-неж,2023); международная научно-практическая конференция «Энергоэффективность и энергосбережение в современном производстве и обществе» (Воронеж, 2021,2022 г.), научно-практическая конференция «Подготовка кадров в условиях перехода на инновационный путь развития лесного хозяйства» (Воронеж, 2021), всероссийская научно-практическая конференция «Современные аспекты моделирования систем и процессов» (Воронеж,2021). Получен акт о внедрении в учебно-опытный лесхоз (ПРИЛОЖЕНИЕ А), акт о внедрении в учебный процесс ВГЛТУ им. Г.Ф, Морозова (ПРИЛОЖЕНИЕ Б), акт о внедрении в лесопожарный центр (ПРИЛОЖЕНИЕ В), получен патент к изобретению (ПРИЛОЖЕНИЕ Г).

Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 13 научных работах, в том числе 4 работы в издании центральной печати, рекомендованного ВАК Федерального агентства по образованию РФ, 3 публикации без соавторов, 1 статья Скопус, 1 патент на изобретение.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Содержание диссертации и результаты научных исследований соответствуют пункту 5 «Компоновка, типы, параметры и режимы работы машин лесохозяйственных и лесопромышленных производств» паспорта научной специальности 4.3.4 Технологии, машины и оборудование для лесного хозяйства и переработки древесины.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающих 97 наименований. Общий объем работы 156 страниц, включающий 138 страниц основного текста, 26 таблиц, 52 рисунка.

1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ ситуации на рынке лесозаготовок в России

В России имеются огромные лесные ресурсы, которые требуют освоения. Для того чтобы это осуществить необходимо наличие высокотехнологичных машин для валки деревьев и разделки на сортименты (харвестеры) и вывозки от места повала к погрузочной площадке (форвардеры) и погрузка гидроманипуляторами на автолесовозы-сортиментовозы. По грузовым характеристикам можно судить, что в этой сфере преобладают грузы с массовой долей до одной тоны, с процентным содержанием примерно 85%. С массой 0,5 т составляет примерно 50% от всех видов работ. Основные работы по перемещению одиночных грузов составляет около 40 % от всех типов перемещений [1]. Существует проблема с ускорением движения основных этапов работы манипулятора

С целью повышения эффективности, оптимизации и экономности деятельности предприятия, необходимо проводить оптимизацию погрузочно-разгрузочных операций на производстве [2]. У каждого этапа перемещения грузов есть свои особенности и технические сложности, которые необходимо учитывать. Так, например, точки начала и окончания перемещения груза могут быть изменены в зависимости от различных факторов: это может быть обусловлено конструктивными особенностями погрузочного оборудования, а также препятствиями. К тому же, от выбранного направления перемещения будет зависеть эффективность работы погрузочного агрегата. Прежде всего, нужно понимать то, что наиболее оптимальное решение с точки зрения расстояния и времени - это прямой путь, однако на практике такое передвижение не всегда возможно из-за разных факторов, которые влияют на условия эксплуатации. Стоит помнить о том, что для того, чтобы минимизировать затраты энергии, необходимо тщательно планировать маршруты передвижения грузов [3]. Важно избегать чрезмерных инерционных

нагрузок, которые могут привести к повреждению стволов деревьев.

11

Планирование оптимизации управления манипуляторами [4], которые перешли от ручного управления к полуавтоматическому, предполагает использование программного обеспечения для управления исполнительными цилиндрами, следуя заданным траекториям их движения. Применяются в основном законы "мягкого контакта" и "прикосновения", которые обеспечивают нулевые значения скорости и ускорения движения по траектории, а также их отсутствие в начале и конце движения. Используя эти стандартные законы, можно найти их применение в робототехнике, которая имеет открытую кинематическую цепь.

В связи с тем, что гидропривод имеет свойство податливости, он является важным параметром, который противостоит объемной жёсткости. При проведении исследований для определения динамики подъема стрелы лесного манипулятора, который используется в современных лесозаготовительных машинах, следует применять энергосберегающие демпфирующие узлы [5]. Это позволит значительно повысить надёжность и эффективность выполняемых операций.

Из-за высоких цен на энергоносители и постоянно возрастающего потребления энергии проблема энергосбережения становится все более актуальной [6]. Для обеспечения эффективной эксплуатации промышленных, технологических и иных систем и устройств необходимо периодически проводить определенные мероприятия по контролю за их потреблением и расходованием ресурсов [7]. На сегодняшний день можно выделить два реальных пути, позволяющих снизить потребление энергии: уменьшение ее потребления и повышение энергетической эффективности при использовании высокоэффективных, низкоэнергетических и энергозатратных производств, топлива, оборудования и технологий [8].

Существует мнение, что при использовании лесотранспортных машин с манипуляторами, которые используются для перемещения древесины в процессе различных видов лесозаготовок, возникают значительные динамические нагрузки. Необходимо определить конфигурацию и характеристики гидропривода на начальном этапе разработки механизмов манипуляторов. Физическая и математическая модели для обоснования данного выбора должны быть разработаны. Она

должна показать работу гидропривода манипулятора, эффективность которого будет зависеть от расположения и параметров гидроцилиндров [9].

Зачастую, при использовании лесных гидроманипуляторов в условиях низких температур воздуха и значительных динамических нагрузок происходит выход из строя рукавов высокого давления и гидроцилиндров. При этом доля выхода из строя рукава высокого давления составляет от 29.7% до 56%, а гидроцилиндра - от 14.0% до 24.1% [10]. Появилась возможность проведения диагностических мероприятий по состоянию гидроцилиндров. Для этого был разработан новый метод, основанный на максимальном логарифмическом декременте затухания колебаний рабочей жидкости, который снижается при износе уплотнений до значения равном 0.533, что свидетельствует о необходимости проведения ремонта гидроцилиндра [11].

С каждым днем на российский рынок поступают все более доступные электроцилиндры (актуаторы), которые имеют преимущества перед традиционными гидравлическими цилиндрами [12]. У них есть ряд отличительных особенностей: они имеют низкий уровень энергопотребления (работа от 24В), экологическую безопасность, а также способность функционировать в широком диапазоне рабочих температур, начиная от -40°С и заканчивая +85°С, что позволяет им быть удобными в обслуживании и управлении. Электрические цилиндры могут быть более привлекательными в качестве альтернативы гидравлическим.

Для того чтобы правильно выбрать гидроманипулятор для сортиментово-зов с лесовозными колесами, нужно учесть условия его использования. Вылет стрелы должен быть обеспечен при условии, что она имеет достаточную грузоподъемность и конструктивную массу, а также на необходимом уровне. При этом скорость и скорость должны быть на приемлемом уровне [13].

Сегодня отечественные гидроманипуляторы, предназначенные для перемещения пиломатериалов, обладают привлекательным ценником - от 1 ,5 млн. рублей до 2,5 млн. рублей, что значительно ниже стоимости зарубежных аналогов.

Несмотря на это, многие российские модели не уступают зарубежным в качестве и функциональности, хотя имеют некоторые недостатки в надежности и массе.

Машины для заготовки леса, которые используются в настоящее время, разрабатываются с учетом потребностей лесозаготовителей и фермеров в различных аспектах: экономичность и производительность труда, безопасность эксплуатации лесозаготовительного оборудования, экологическая безопасность, качество, количество, надежность и другие. Каждая машина для леса должна обладать необходимыми потребительскими качествами.

Уровень эксплуатационных потребительских качеств лесных машин и мотоповозок можно определить непосредственно в процессе их использования. Показатель общей эффективности использования строительной машины зависит от совокупности ее основных потребительских свойств и свойств [14].

1.2 Современные технологии лесозаготовок и технические средства для осуществления основных режимов работ

При сортиментной заготовке на месте валки деревьев производится обрезка ветвей и раскряжевка на сортименты. После этого подъезжает колесный трактор с манипулятором и прицепом, погружает сортименты в прицеп и транспортирует их к погрузочной площадке для разгрузки в штабели. На погрузочной площадке подъезжают автолесовозы с манипуляторами, грузят сортименты, транспортируют для дальнейшей обработки на нижний склад или на деревообрабатывающее предприятие. Хлыстовой способ лесозаготовки характеризуется тем, что после валки деревьев производится обрезка сучьев и вершин, после чего хлысты трелюются с помощью бесчокерных трелевочных захватов в агрегате с колесными или гусеничными тракторами на погрузочную площадку и далее хлысты вывозятся автолесовозами с прицепами. Преимущество сортиментной заготовки заключается в том, что транспортировка сортиментов производится на прицепах в агрегате с

колесными тракторами и меньше повреждают растущие деревья и подростки, кроме того, машины для сортиментной заготовки более легки и маневренны, порубочные остатки, сучья и вершины укладываются на волоки для улучшения проходимости, отпадает необходимость содержать нижний склад. При сортиментной заготовке применяются лесотранспортная машина манипуляторного типа (валоч-но-пакетирующие машины, форвардеры и автолесовозы [15].

Необходимо иметь самые высокотехнологичные и технические машины для эффективной работы с самыми большими лесными массивами России, которые имеют свои специфические особенности. Это обусловлено тем, что в стране преобладают суровые климатические условия, антропогенный риск и в том числе горные массивы, леса находятся в труднодоступных и опасно опасных местах. В настоящее время в арсенале лесосечных машин, которые используются на сегодняшний день, есть малогабаритные, многооперационные сельскохозяйственные харвестеры [16]. Они могут выполнять различные технологические операции по валке, сборке, сортировке, хранению и другим производственных операциям. При помощи манипуляторов в составе харвестера можно выполнить множество точных операций одной машиной. Это может быть использовано и на обычной механике, так и на других машинах, например, на автомобилях, экскаваторах, сварочных агрегатах и автоподъемниках. Однако, операция подтрелевки и погрузочно-разгрузочные работы требуют дальнейшего изучения и практической реализации из-за большого количества случайных и необъяснимых факторов, которые могут негативно повлиять на движение манипуляторов с тяжёлыми грузами. Среди множества критериев, которые определяют эффективность различных инженерных систем, особое внимание следует обратить на эффективность, энергоэффективность, надежность и долговечность [17]. Сокращение динамической нагрузки и потребления энергии в процессе работы и увеличения скорости переключения возможно благодаря разработке электрокоррекционных, энергосберегающих терморегуляторов и демпфирующих узлов [18].

Неопределенности, возникающие в процессе погрузки и выгрузки на общественном производстве, имеют свои специфические особенности, и имеют разные

15

причины. Имеется ввиду, что некоторые точки перемещения грузов могут быть перемещены в обратном порядке, а не в том порядке, как они были задуманы изначально. Несмотря на это, все перемещения можно представить в виде стандартных геометрических траекторий: прямых, криволинейных, структурно-модулирующих, составных, поперечных и других. Влияние на производительность погрузочного оборудования напрямую зависит от правильного выбора возможных траекторий его движения. К сожалению, не всегда можно использовать прямую траекторию. Это может быть обусловлено конструктивными особенностями данного механизма, инженерными препятствиями, погодными условиями и другими внешними и внутренними факторами. Движение по прямой или по прямой не всегда является наиболее эффективным способом получения электрической энергии, особенно в тех ситуациях, когда происходит смена направления движения, остановки, столкновения и происходят изменения в направлении движения. В связи с этим при планировании путевых траекторий и графике движения необходимо стремиться к минимизации затрат, к сбережению и уменьшению количества энергозатрат. Для обеспечения эффективного перемещения тяжелых грузов важно минимизировать инерционные нагрузки, особенно при работе с металлическими контейнерами, хрупкими и труднодоступными грузами, а также материалами, представляющими травмоопасность и опасность [19 - 24].

Машины для леса представляют собой специальные машины, которые используются для выполнения различных операций в лесном хозяйстве. Для того, чтобы выполнять различные этапы технологических операций, таких как посадка, уход и заготовка древесины, они были созданы. В соответствии с функциональным назначением все лесные машины можно разделить на две большие группы: лесохозяйственные и лесозаготовительные.

Лесные мши нлп

Л >00 зиготой н тел.......с

| Лесосечные Лссогрансплрт ныс

| Намочим^ Вал очно-трелевочные Лесовозные ачтопоеэда

Валочнопнкетнру ющи е иа.ючпй'фсисйи'шй-сучкорезно-ражряж™»'! 1 Автопоезда теподозы

Сучкорезные А вто поезд в соргкчентовгны

| Рубкльныо

Трелевочные

Сучкорезно-раскряжевочные

Плгруючко- 1 [n1111г1 шр1 ныс

Валочно-сучкорезно-ршфюкевочнък

110гру10чнс- разгруэочные

Лесом 1Я1Г1: гвии НЫ«

I _

Лесопосадочные I

Ьитшш а|сии[.иые

Рисунок 1.1 - Группы лесных машин

Для того, чтобы создать инновационную лесную машину, необходимо провести ряд последовательных этапов: сначала нужно разработать техническое обоснование необходимости создания, затем провести научные и научно-исследовательские работы и выполнить научно-исследовательскую и опытно-конструкторские и лабораторные изыскания.

Необходимо реализовать ряд важных свойств, которые будут иметь определенные количественные показатели для того, чтобы добиться необходимых эксплуатационных потребительских характеристик лесной машины [25].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Богданов Дмитрий Сергеевич, 2025 год

П[п] -

(1.17)

Рп1 "' Рпп.

Чк(0 = акз ■ ^ + ак2 -г2 + ак 1■ЬЛ- ат, Чк(0 = 3 ак3 ■ г2 + 2ак2 ■ г + ак 1,

(118)

романипулятора показывает существует проблема совершенствования конструкции механизма подъема и обоснования параметров гидропривода.

1.4 Выводы

1) В России имеются огромные лесные ресурсы, которые требуют освоения. Для того, чтобы это осуществить необходимо наличие высокотехнологичных машин для валки деревьев и разделки на сортименты (харвестеры), вывозки от места повала к погрузочной площадке (форвардеры) и погрузка гидроманипуляторами на автолесовозы-сортиментовозы.

2) Для совершенствования гидропривода механизма подъема стрелы лесного манипулятора, который используется в современных лесозаготовительных машинах, следует применять демпфирующие узлы. Это позволит значительно повысить надёжность и эффективность выполняемых операций.

3) Для проведения лабораторных испытаний, необходимо наличие специальных испытательных стендов, оснащенных инструментами и приборами для проведения измерений, измерительными датчиками, измерительными устройствами, и программным обеспечением для контроля входных и выходных параметров.

4) Вследствие анализа современных технологий лесозаготовок и технических средств для осуществления основных режимов работ были обнаружены возможности для повышения производительности работы манипулятора при осуществлении основных режимов работы гидроманипулятора за счёт внедрения демпфера новой конструкции.

1.5 Цель и задачи исследований

Целью работы является повышение производительности и снижение динамической нагруженности гидроманипулятора автосортиментовоза за счёт обоснования параметров и режимов работы нового грузоподъемного механизма.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1) разработать новую гидрокинематическую схему грузоподъемного механизма манипулятора автосортиментовоза с регулировочными и демпфирующими устройствами;

2) разработать физико-математическую и имитационную модели рабочих процессов гидропривода нового грузоподъемного механизма;

3) обосновать параметры и режимы работы гидропривода грузоподъемного механизма с повышением производительности и снижением динамических нагрузок рабочего процесса;

4) провести лабораторные исследования экспериментального образца грузоподъемного механизма лесного манипулятора для проверки эффективности разработанной конструкции и определения технико-экономических показателей при внедрении в производство.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИКИ И ДИНАМИКИ ГИДРОПРИВОДА МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА СТРЕЛЫ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ДЕМПФЕРОМ

2.1 Разработка гидрокинематической схемы механизма подъема стрелы гидроманипулятора лесотранспортной машины

Для того, чтобы уменьшить динамическую нагрузку на гидропривод грузоподъемного механизма, мы разработали нововведение в области оборудования для подъема стрелы манипулятора лесозаготовительной машины (Патент № 2789167). Оно заключается в уменьшении нагрузки на гидроприводе, которая зависит от различных кинематических параметров при остановках стрелы в промежуточных положениях. Конечная цель достигается за счет особенностей гидропривода грузоподъемного механизма лесного манипулятора, который включает в себя насос для подъема груза, гидрораспределитель и гидроцилиндр для перемещения стрелы. Также к ним можно добавить демпфер, который имеет видоизмененные конструктивные характеристики. В соответствии с предложенным изобретением, плунжер демпфера выполнен в виде пустотелого элемента, который может быть подпружинен с двух сторон. Корпус демпфера оснащен пробками и регулирующими шайбами, для того чтобы регулировать объем полостей демпфера, которые соединяются с полостями гидроцилиндра через дроссели, которые встроены в корпус демпфера.

На рисунке 2.1 схема гидропривода грузоподъемного механизма представлена в виде маслобака 1, насоса 2 и гидрораспределителя 3 с гидроцилиндром 4, который является частью гидроприводу. Также на схеме показаны: грузовой механизм, включающий в себя стрелу с приводом и подводящим 5 и отводящим 6 трубопроводом, а также соединительный трубопровод 7, в который встроен регулируемый 12 обратный клапан с линией 13 для управления. Управляемый клапан

9 расположен в отводящем трубопроводе, параллельным ему трубопроводам 10 с

41

обратным клапаном 11. На управляемом клапане 9 установлена линия управления 14, которая позволяет ему управлять. Дроссельные демпферы 15 были установлены в линиях управления 13 и 14. Данный дополнительный демпфер 16 соединен с трубопроводом, который имеет отвод и подвод, посредством обратных клапана 17 и 18. Внутри корпуса демпфера 16 находится пустотелый плунжер 19, который имеет пружины сжатия 20 и 21 с двух сторон. Левый отсек 23 демпфера соединен с гидролинией 5 посредством канала и регулируемого дросселя, а правый отсек 24 демпфера имеет соединение с гидролиниями 6 и 25 через канал и регулируемый дроссель, Демпфер 16 имеет резьбовые пробки 26 и 27.

Рисунок 2.1 - Гидрокинематическая схема механизма подъема стелы манипулятора с дополнительным демпфером

Гидравлический привод грузоподъемного механизма функционирует в соответствии с таким принципом. Когда производится подъем легких грузов, при ускоренном режиме, жидкость, которая поступает из бака 1 через насосы 2 и гидрораспределитель 3, а также трубопровод 5, проходит в бесштоковую полость гидроцилиндра 4. В то же время, клапан 9 имеет возможность оставаться закрытым, что препятствует выходу рабочей жидкости из штоковой полости гидроцилиндра 4. Вслед за этим рабочая жидкость через трубопровод 7 с клапанами 8 и 12 поступает в бесштоковую полость гидроцилиндра, обеспечивая быстрое перемещение исполнительного органа — стрелы грузоподъемного механизма, что в свою очередь способствует ускоренному перемещению груза. Присутствие давления в трубопроводе 5 и линии управления 13 способствует открытию клапана 12.

В то же время в момент начала подъёма груза рабочая жидкость, проходя через обратный клапан 17 и канал в пробке 26, попадает в полость 22, перемещая пустой плунжер 19 влево, тем самым сжимая пружину 21. В результате этого, рабочая жидкость из полости 24 через канал и регулируемый дроссель 25 перемещается в гидролинию 6, соединённой с штоковой полостью гидроцилиндра 4, при этом она дросселируется через канал и контролируемый дроссель. Применение дроссельной жидкости для стабилизации давления в начале подъема груза, способствует снижению динамической нагрузки. На следующем этапе, после того как пружина 21 отжимает пустой плунжер 19 и возвращает его в исходное положение, он возвращается в исходное состояние.

Во время остановки стрелы в промежуточном положении, гидролинии 5 и 6 блокируются с помощью гидрораспределителя 3, а полости гидроцилиндра 4 отключаются от гидросистемы. В то же время, из-за взаимодействия инерционных и упругих сил, которые являются неотъемлемой частью манипулятора, стреловая группа в течение определенного времени продолжает подъем, что приводит к увеличению давления в штоковой полости гидроцилиндра 4. В итоге возникает процесс сжатия рабочих жидкостей и упругих элементов рукавов высокого давления, находящихся в замкнутых гидролиниях. Из-за инерционной нагрузки подъем

поршня вытесняет некоторый объем рабочей жидкости ДW, который является определённой частью рабочей жидкости:

АШ = (2.1)

^пр

где Р и н - давление рабочей жидкости за счет инерционной нагрузки в момент остановки в процессе подъема стрелы, МПа; - рабочее давление в гидросистеме механизма подъема до остановки стрелы, МПа;

Е п р - приведенный модуль упругости рабочей жидкости и гибких элементов гидролиний;

Жш - объем рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра и напорной гидролинии, л.

При опускании стрелы в момент проникновения жидкости в правое отделение 24 демпфера через обратный клапан 18 под правый торец пустотелого плунжера 19 происходит перемещение его в левое положение, при этом одновременно происходит сжатие пружины 20. Когда обратный клапан 17 автоматически закрывается, жидкость из левой полости 22 демпфера, находящейся в запертой части, через канал и дроссель 23 попадает в гидролинию 5, а затем - в поршневую полость гидроцилиндра 4. В момент, когда происходит дросселирование рабочей жидкости, стрела 1 начинает постепенно замедляться. При завершении этого цикла, пустотелый плунжер 19 возвращается к первоначальному положению под действием пружины 20. Перетекание жидкости из левой и правой полостей демпфера осуществляется с учетом того, что объем жидкости, необходимый для компенсации колебаний в штоковой и поршневой полостях гидроцилиндра, рассчитывается с учетом объема жидкости, который необходим для компенсации деформаций в штоковом и поршневом отсеках гидроцилиндра.

В процессе реверсирования исполнительного органа (стрелы), рабочая жидкость поступает из гидрораспределителя 3 в трубопровод 6, через клапан 11 в штоковую полость гидроцилиндра 4, происходит процесс реверсирования исполнительного органа (стрелы), который отвечает за перемещение груза или освобо-

ждение рычагов (ножей) зажима. Вследствие соединения трубы 5 с гидрораспределителем 3, давление понижается и регулируемые клапаны 9 и 12 закрываются, что способствует повышению давления в штоковой полости до значения, определенного предохранительным клапаном. В случае необходимости, элементы управления системы могут быть объединены и подключены к трубопроводу 5 в одной точке. Клапан 12 может быть реализован в виде гидрозамка, золотника с обратным клапаном или гидравлического устройства, которое имеет возможность управлять и контролировать. Эти конструкции имеют равную ценность как технические решения. Настройка момента запуска клапана 9, а также перехода к медленному ходу поршня осуществляется в зависимости от изменения внешних нагрузок и регулировки клапана 9. В случае если в системе присутствует предохранительный клапан, давление включения клапана 9 должно быть немного ниже давления, которое необходимо для данного клапана.

Давление для свободного слива рабочей жидкости из бесштоковой полости гидроцилиндра 4 через гидрораспределитель 3 должно быть немного выше давления для срабатывания клапана 12. Чтобы избежать резких переходов в работе гидроцилиндра 4 между режимами, демпферы 15 настраиваются таким образом, чтобы исключить резкие переходы. Это позволяет снизить динамические нагрузки в гидросистеме.

За счёт силы инерции, которая действует на манипулятор во время остановки стрелы в режиме опускания, происходит перемещение стреловой группы вниз и тем самым способствует повышению давления в поршневой полости. Поступая в полость 22 через трубопровод 5 и обратный клапан 17, жидкость из поршневой полости гидроцилиндра через трубопровод 5 поступает в полость 23, перемещая пустотелый плунжер 19 в правое положение. В этот момент, жидкость, находящаяся в полости 24, через дроссель 25 и трубопровод 6, попадает в штоковую полость гидроцилиндра 4. При торможении стрелы, происходит дросселирование рабочей жидкости, что способствует смягчению пикового давления при остановке движения стрелы вниз.

Благодаря контролю колебаний давления, а также оптимизации демпфирования, можно уменьшить динамические нагрузки при остановках стрелы и улучшить точность позиционирования, а также снизить колебания груза в процессе его подъема и перемещения.

2.2 Математическая модель рабочего процесса механизма подъема стре-

Для исследования процесса погрузочно-разгрузочных работ манипулятора с учетом подключения в гидропривод механизма подъёма стрелы дополнительного демпфера составлены расчетные схемы механизма подъёма стрелы (рисунок. 2.2) и демпфера (рисунок. 2.3).

лы лесного манипулятора

mg

С'

horizon

Рисунок 2.2 - Расчетная схема механизма подъёма стрелы манипулятора

Рисунок 2.3 - Расчетная схема демпфера

Согласно расчетным схемам разработаны математические модели для обычного и ускоренного подъема стрелы. Математическая модель для обычного (штатного) подъема стрелы состоит из трех дифференциальных уравнений (уравнения вращательного движения стрелы вокруг шарнирного соединения с поворотной колонной, уравнения расходов рабочей жидкости в гидроприводе механизма подъема, уравнения поступательного движения плунжера демпфера):

(/бР + Л) -¡¿2 =-2-р ~ + ссЧ соб ср,

Ч„пн=----+ ? —

N

2 р , , Ку., (1р

упр

(12хл

"А-—1 _

сИ2 ~тд\р 4 СпХд

ОС тт

_Д ь

йг д

(2.2)

Математическая модель ускоренного подъема стрелы с легким грузом состоит из трёх дифференциальных уравнений (уравнения вращательного движения стрелы вокруг шарнирного соединения с поворотной колонной, уравнения расходов рабочей жидкости в гидроприводе механизма подъема и уравнения поступа-

тельного движения плунжера демпфера, т.к. при ускоренном и при перекрытии

сливной гидролинии клапаном 9 дополнительный демпфер гасит гидроудар):

, лй2ср iidlb-L sin/? , Л

(/бр + Je) =-4-Р ~ (G6pL + Gc1h) COS <Р ,

7rdcbisin/? n{dl—isin/? Кум dp Ч.пн = [-i-+-i-] ~ + ayp+ — ~, (2.3.1)

й2хд 1 / 7г/)д dxд \

. = С"Хд _"dГ/CдJ'

где // - это функция угла р, определяемая из выражений (см. рис. 2.2 и 2.3)

Я = arcsin (j:sin((3H + у)^, S2 = b2 + S2 - 2bSHcos((3H + у), b = IbiSin (I),

//n = arcco , (2.3.2)

bK = 2blSin

_ Ж (pK

Yk~2~~ Ж (O

где Б_н - минимальная длина гидроцилиндра, м; S^ - максимальная длина гидроцилиндра, м; ф_н - начальное значение угла р, м; ф_к - конечное значение угла р, м.

(Остальные обозначения параметров представлены в табл. 2.1.)

В системах (2.2 и 2.3) параметры р, р, хд являются искомыми функциями от времени t. Она задается на временном промежутке. Поставим начально-краевую задачу:

= <Рн = -0.26, <p(tk) = <рк = 1.4,

Р ( О = е, (2.4)

*д(£н) = 0,xA(tfc) = (хд)к = 0.04, где хд о б о з н ач е н достаточно малый положительный параметр.

Введение малого параметра обусловлено тем, что функция не дифференцируема в тех точках, в которых р ( t) обращается в 0.

С целью упрощения машинных вычислений приблизим выражение s i n // заменим эмпирической кубической функцией угла <, равной

S(< ) = 0 . 0 5 <3 - 0 . 1 3 <2 - 0 . 4 < + 0 . 8 6 (2.5).

Действительно, как видно из формулы 2.5, графики функций s i n// и S ( < ) практически накладываются на всем отрезке .

В обозначениях

_ nd2b± _ G6vL + GclH 1_4(/бр+/с)' 2" /бр +/c '

^ _ ^у^пр ^ _ ^М^др^пр j ff _ ndc tlEaP ff _ Чн^н^пр

V ' 2 4 1/ -1 I n' 3 4 1/ '4 у ' ( . )

"сум ч"сум ^ p ч"сум "сум

kn cn teD^

Ci =---,C2 =--» ^з = РДРт

тд тд 4 7тгд

перепишем систему (2.1), выделив старшие производные от искомых функ-

ций:

= А 1 p(t) ■ 5 (t) + Л2 ■ cos(>(t)), ^ = в± ■ P(t) + в2 ■ Vko + В3 ■ S(t) ^ + В4>

d2xn dx„

(2.7)

= С1 + с2 ■ хд( о + С3 ■ р ( 0. (2.8)

Сначала рассмотрим систему из первых двух уравнений этой системы. Для ее решения заменим искомые функции их разложениями в многочлен Маклорена в окрестности точки t = = 0 до третьей степени t включительно:

у' ( о , у' ' ( О , у'''( о (2.9)

(pit) = + '

гл rm х Р ' ( О ) , I Р' ' ( О ) ,2 х Р' ' ' ( О ) (210)

p(t) = р(0) + ——t + —— t2 + t6.

Значения, р (i)( О ) , i = О , 1 , 2 , 3 , вычисляются по следующей схеме. Пусть у ' ( О ) - параметр, который надлежит вычислить.

1. Из первого уравнения системы (2.3), взяв t = О , находим у '' ( О ) ;

2. Из второго уравнения этой системы, взяв t = О , находим р ' ( О) ;

3. Продифференцировав первое уравнение, зная у '' ( О ) , находим у ''' ( О ) ;

4. Продифференцировав второе уравнение, зная у ' ' ( О) , находим р ' ' ( О) ;

5. Подставляем найденные значения у (i ) ( О ) , i = 2 , 3 , в формуле 2.5; из уравнения находим .

6. Продифференцировав второе уравнение дважды, зная р (i ) (О ) , у (i ) (О ) ,

и , находим ;

7. Подставляем найденные значения р (i)( О ) , i = 1 , 2 , 3 , в формуле 2.10. Задача будет решена в системе компьютерной алгебры Maxima. Отметим,

что числовые значения округляются до тысячных.

Введем входные данные программы, указанные в таблицы 2.1.

Таблица 2.1 - Входные данные основных параметров гидроманипулятора

Параметр Интервал Значение

tK время на процесс поднятия, с 15

(Ри начальное значение угла у, рад -0.26

<Рк конечное значение угла у, рад 1.4

С*-д)к конечное положение хода плунжера, м 0.04

минимальная длина гидроцилиндра, м 1.. .1.5 1.4

максимальная длина гидроцилиндра, м 1.8...2.3 2.2

тбр масса пачки бревен, кг 884

тс масса стреловой группы, кг 433

/бр момент инерции пачки бревен относительно точки О, кг-м2 /бр — тбр'2 =33435.09

/с момент инерции стрелы относительно точки О, кг-м2 Л = Щ. I2 =4830.37

ббр сила тяжести пачки бревен в захвате, Н ^бр — тбрЗ =8840

сила тяжести стрелы, Н Сс = ™сд =4330

С1с внутренний диаметр гидроцилиндра стрелы, м 0.1

К параметр, м 1

1 вылет манипулятора 6.15

*н расстояние от точки О до центра масс стреловой группы 3.34

С = ЧнП н Подача рабочей жидкости насосом -5 в единицу времени, м/с 0.1

\1 коэффициент расхода 0.7...0.8 0.75

^ДР диаметр отверстия дросселя, м 0.001... 0.003 0.002

р плотность рабочей жидкости, кг/м 800

ау коэффициент утечек в гидросисте- л ме, м /(Па/с) 2-10-12

Kp E коэффициент податливости (0.9...3.3) • •10-10 2.1-10-10

ТПд масса плунжера демпфера, кг 0.01.0.03 0.02

диаметр демпфера, м. 0.08

Сп жёсткость пружины демпфера, Н/м 10.20 15

/Сд коэффициент вязкого трения плунжера демпфера, Нс/м 100

Для функции р ( t) получим формулу

p(t) = p(t, е) = 2 ■ 106t + ^3.115 ■ 107 - 2.890 ■ 108 ■ ^ t2 +

+ (2.238 ■ 106 + 9.174 ■ 105 ■ - 1.31 ■ 104 ■ i + 9.371 ■ 1014 ■ t3,

(2.11),

где £ = р ( 0 ) - достаточно малый положительный параметр.

Отметим, что решение задачи очень чувствительно к изменению малого параметра из-за того, что он находится в знаменателях коэффициентов. А именно, при рост функции становится интенсивнее.

Далее, вычислим ход плунжера хд ( t) , решив уравнение (2.2) с условиями (2.4). Неоднородная часть найдена выше. Пусть

С12 + 4 С2>0 . (2.12)

Обозначим

v, =

q2+4C2

,V2 =-51

Cf+4C2

P*(t,E) =

(2.13)

(2.14)

Cf+4C2

eVlt -v±t-l eV2t - v2t - 1

+

2еуIе - у\г2 - 2угг - 2 2е^ъ - у^2 - 2v2t - 2

+Я2(г) -^-----^--- +

"веу1е - у\гъ - Ъу\г2 - 6- в веу* - - Зу^2 - 6v2t - 6

4 4

VI VI

Тогда методом вариации постоянных получим решение

. . (хл)и-е15у2-(хл) +Р4( 15,г)

*д(0 — ' .4 ' е е + (2.15)

-(дс.) ■ е151,1 + (х ) — Р4(15,е)

Подставив значения из табл. 2.1, получим

хд(0 = -6.2 ■ Ю17е-°15С + 7.259 ■ ю17е-4999-85с + 5.955 ■ ЮЩ3 -- 1 . 1 9 1 ■ 1 0 1 + 1. 5 88 ■ 1 0 1 Н - 1 . О 5 9 ■ 1 0 1 7. (2.16)

Обозначив

^ — 0.966Л 2 ,Я2 — 0.9 54Л ^Яз — 0 . 9 1 1 Л гВ3 + 0 . 2 5 7Л 2 , (2.17) получим

Ф (0 — Фн ' ( 0) +|о 1 +|( О 2 + О зФ '( 0 ) ) . (2.18) Решив уравнение ф ( 1 5 ) — ф к, находим

ф ( ) 1 1 2 5 О 3 + 3 0 . ( . )

Далее, обозначим

05 = В4 + 0.954Б3<р'(0), /)6 = 0.5 В2В4 + 0А77В2В3(р'(0),

07 = В±В4 + 0.922А2В3 + 0.5В\ + 0.954Б1Б3у'(0) - 0.322(У (О))2, Б8 = -0.25В2В\ - 0.239£2£3<р'(0), И9 = О.БВ^^ - 0.2БВ1В2 + 0.477£1£2£3<р'(0), Я1 0 — - 0. 2 5 (2.20).

0ц = 0.88Л1Л2В3^4 + + 0.922А2ВгВ3 + 0.5 ВХВ\ + + [0.84Л1Л2Б| + 0.954£12£3 + 0.231 А\ВЪ - 0.934Л2£3]<р'(0) -

-о.згг^Бз^чо))2 + о.17бл2я3(у (о))3

Тогда, исключив слагаемые с //£ £ £2, оказывающее малое влияние, получим

p(t) = p(t, s) = ^Ds + |у(о6 • ^ + D7) +

+ + + o-7 + Dn) (2.21).

Далее, будем обозначать эту функцию

p(t) = P1t + P2(e)t2+P3(e)t3,

где

P2 ( £) = D6-^ + D7, (2.22).

P3(0 = D8~ + D9~ + D10-^ + D11

2.3 Результаты имитационного моделирования рабочего процесса гидропривода механизма подъёма

2.3.1 Значимые параметры для исследования кинематики и динамики манипулятора

Для исследования работы манипулятора в теоретической модели были подобраны параметры, позволяющие изменить поведение манипулятора при изменении их значений.

К таковым относятся следующие параметры

Таблица 2.2 - Входные данные основных параметров гидроманипулятора.

№ Название Минимальное зна- Максимальное

п/п чение значение

1 Масса плунжера 0,2 кг 1,2 кг

2 Вылет стрелы 3 м 6 м

3 Диаметр плунжера 0,06 м 0,12 м

4 Коэффициент жёсткости 20 H/м 60 Н/м

5 Коэффициент расхода 0,7 л/мин 0,8 л/м

6 Коэффициент вязкого трения 100 Шм 400 Шм

7 Коэффициент подачи 0,10 м3/с 0,175 м3/с

8 Масса поднимаемого груза (бревно) 300 кг 600 кг

9 Диаметр дросселя 0,001 м 0,003 м

10 Подача в единицу времени, м/с 0,00133

Данные параметры входят в систему дифференцируемых уравнений второго порядка математической модели работы манипулятора, что позволяет математическим образом выявить зависимости этих переменных друг от друга.

Так, из представленных параметров, можно просмотреть как данные будут влиять на кинематику с дальнейшей целью оптимизации параметров. Под оптимизацией будет предложено уменьшение динамических показателей, таких как общее давление в гидравлической системе, колебание подвешенного груза с определённой скоростью и ускорением при совершении режимов работы манипулятора, такие как подъём, опускание.

2.3.2 Изменение угла подъёма стрелы от времени с учётом угла между осями гидроцилиндра и стрелы

В ходе расчётов по программе ЭВМ MatchCad была получена функция зависимости угла подъёма стрелы от времени. С целью упрощения машинных вычислений приблизим выражение и заменим эмпирической кубической функцией угла , равной

5 (<) = 0 . О 5 <3 - 0 . 1 3 <2 - 0 . 4 < + 0.86 (2.23).

Действительно, как видно из рис. 2.5, графики функций 5 1 п// и 5 ( < ) практически накладываются на всем отрезке .

Найденная функция < ( имеет следующий вид. Исходя из этого можно

предположить, что заменяя функцию на её приближённое значение можно без

вреда к расчётам сократить машинное вычисление. Подобный график показывает

55

зависимость угла < от времени переходного процесса, это даёт нам понятие о том, что в начале движения манипулятор совершает более быстрый подъём от 0 до 85 градусов в связи с большим значением угла, а далее, с моментом его перехода из горизонта выше и далее боле плавный подъём. На всём участке вначале преобладает всплеск давления, далее, когда вступает работа демпфера идёт стабилизация давления в гидравлической системе.

время

Рисунок 2.4 - Зависимость угла подъёма стрелы от угла между осями гидроцилиндра и стрелы

2.3.3 Влияние изменения параметров демпфера на временную зависимость угла поворота стрелы

Так при исследовании графиков зависимостей (рисунок 2.5) только по зависимости угла поворота можно заметить, что именно только вылет стрелы и масса груза позволяет в каком-то виде изменить параметры подъёма груза манипулятора, остальные параметры не влияют на подъём стрелы.

Так, при изменении вылета стрелы с 3 до 6 метров видим, что угол поворота на 30 секунде возрастает с 25 до 45 градусов (рисунок 2.5 б).

А при изменении массы груза с 300 до 600 кг видим уменьшении градусов на 30 секунде с 25 до 25 градусов (рисунок 2.5 ж).

ё)

ж)

а) Влияние диаметра дросселя на угол поворота стрелы; б) Влияние вылета стрелы на угол поворота стрелы; в) Влияние диаметра плунжера на угол по-

57

ворота стрелы; г) Влияние коэффициента жёсткости на угол поворота стрелы; д) Влияние коэффициента расхода на угол поворота стрелы; е) Влияние коэффициента трения на угол поворота стрелы; ё) Влияние массы плунжера на угол поворота стрелы; ж) Влияние массы поднимаемого груза бревна на угол поворота стрелы;

Рисунок 2.5 - Влияние параметров гидроманипулятора на угол поворота стрелы

Влияние диаметра дросселя, диаметра плунжера, коэффициента жесткости возвратных пружин, коэффициента расхода, коэффициента трения, подачи и массы не влияет на изменение угла поворота стрелы гидроманипулятора и показывает равномерное его возрастание с 0 до 45 градусов через 30 секунд.

2.3.4 Влияние изменения параметров демпфера на скорость подъёма стрелы

При изучении влияния диаметра дросселя на давление внутри гидравлической линии, можно так же заметить, что при увеличении диаметра с 0,001 до 0,003 м наблюдается более быстрое достижение давления (рисунок 2.6 а) за счёт более мощного потока на гидравлическую систему и максимальное давление в 6.3 МПа достигается на 20 % быстрее, чем при стандартном размере в 0,001 м что ведёт в сторону увеличения скорости подъёма стрелы с 0,9 м/с до 1,6 м/с.

Зависимость диаметра дросселя и скорости подъёма может показать, что более больше разница в диаметре дросселей незначительна и составляет у данного манипулятора 1,5 м/с.

Жёсткость пружины не влияет на скорость поднятия груза манипулятором. Повышение или понижение жёсткости может не влияет на скорость подъёма груза и общую эффективность работы манипулятора (рисунок 2.6 г).

Влияние коэффициента трения, но при данных значениях эффект незаметен и составляет 1,5 м\с (рисунок 2.6 е).

При изучении влияния массы груза на подъём видно, что при увеличении груза с 300 до 600 кг заметно снижении скорости подъёма с 1,6 м/с до 0,8 м/с, что так же подтверждается физическим законом (рисунок 2.6 ж).

10 15 20

Время [с)

а) Влияние диаметра дросселя на скорость подъёма груза; б) Влияние вылета стрелы на скорость подъёма груза; в) Влияние диаметра плунжера на скорость подъёма груза; г) Влияние коэффициента жёсткости на скорость подъёма груза; д) Влияние коэффициента расхода на скорость подъёма груза; е) Влияние коэффициента трения на скорость подъёма груза; ё) Влияние массы плунжера на скорость подъёма груза; ж) Влияние массы поднимаемого груза бревна на скорость подъёма груза;

Рисунок 2. 6 - Влияние параметров гидроманипулятора на скорость подъёма груза

В результате можно увидеть, чтобы добиться изменения скорости подъёма стрелы можно повысить его кинематический параметр - скорости можно с помощью уменьшения вылета стрелы и снижения массы груза.

Для остальных параметров видно, что при изменении их, так, например для диаметра дросселя, выбранный от 0,018 до 0,024 м скорость подъёма стрелы остаётся неизменной 1,5 м/с. Так же для параметра - диаметра плунжера, видно, что скорость остаётся неизменной - 1, 5 м/с. Для параметра коэффициента жёсткости 20 и коэффициента расхода 0, 66 оно так же составляет 1,5 м/с. Подобную зависимость видно и для параметров коэффициента трения, подачи и для массы плунжера у демпфера. В связи с этим можно сделать вывод, что на скорость подъёма влияют только внешние параметры среды или габаритные параметры гидроманипулятора. Для величины подачи рабочей жидкости в гидроцилиндре скорость подъёма прямо пропорционально, что обуславливает работу в ускоренном режиме, при подаче большего количества гидравлического масла получаем большую скорость подъёма.

2.3.5 Влияние изменения параметров демпфера и механизма подъема стрелы на временную зависимость ускорения подъёма стрелы

Как видно из графиков (рисунок 2.7) на увеличение скорости поднятия груза непосредственно влияет вылет стрелы гидроманиплутяора с 3 метров до 6 метров с увеличением ускорения с 1 м/с2 до 1,7 м/с2 (рисунок 2.7 б).

Так же на ускорение влияет сам груз, так при увеличении массы груза с 300 до 600 кг видно уменьшение ускорения подъёма с 2 м/с2 до 1 м/с2. (рисунок 2.7 ё)

Так как скорость и ускорение вместе связаны, можно видеть, что ускорение так же будет меняться у тех же параметров, что и у скорости. Поэтому при изменении параметров дросселя, диаметра плунжера, коэффициента жёсткости, коэффициента трения, диаметра дросселя, коэффициента расхода и массы плунжера демпфера ускорение остаётся неизменным и составляет 1, 5 м/с2 на 2 секунде и становится близкой к 0, начиная с 5 секунды. Т.к к этому времени давление в системе становиться стабильным и далее наблюдается равноускоренной перемещение груза при его подъёме. Поднимаемый груз, так же влияет на ускорение подъёма в сторону увеличения её, при использовании массы груза с 300 до 600 кг ускорение будет опускаться с 2 м/с до 1 м/с (рисунок 2.7 ж)

Остальные параметры (рисунок 2.7 в-е) не влияют на ускорение подъёма

груза.

В)

Г)

ё)

ж)

а) Влияние диаметра дросселя на ускорение подъёма груза; б) Влияние вылета стрелы на ускорение подъёма груза; в) Влияние диаметра плунжера на ускорение подъёма груза; г) Влияние коэффициента жёсткости на ускорение подъёма груза; д) Влияние коэффициента расхода на ускорение подъёма груза; е) Влияние коэффициента трения на ускорение подъёма груза; ё) Влияние массы плунжера на ускорение подъёма груза; ж) Влияние массы поднимаемого груза бревна на ускорение подъёма груза; Рисунок 2. 7 - Влияние параметров гидроманипулятора на ускорение подъёма груза

В результате можно увидеть, чтобы добиться изменения ускорения подъёма стрелы и понизить его кинематический параметр - ускорения необходимо с помощью уменьшения длины стрелы или уменьшения массы груза.

Главной трудностью, которая возникает при проектировании демпфера, является его минимизация в линейных размерах. Это необходимо для того, чтобы снизить металлоемкость и энергопотребление при производстве демпфера. Кроме того, в целях уменьшения габаритов манипулятора, возможно использование компактного демпфера. Он может быть установлен в конструктивных элементах основания или руки оператора, что способствует уменьшению размеров самого манипулятора.

В рамках модели размеры демпфера могут быть определены при помощи данного коэффициента. В ходе компьютерного эксперимента, габарита К варьировался от 0,08 до 0,12 с интервалом 0,2. При всем при этом диаметры дроссельных каналов оставались неизменными и равнялись - 24 мм (рисунок 2.8 а). С увеличением размеров демпфера происходит постепенное увеличение значения пикового давления РПтах с 7 МПа до 14 МПа. Давление в гидравлической системе при установленных по умолчанию параметров манипулятора при изменении диаметра плунжера не меняется.

Показатель пикового давления уменьшается с 6.3 МПа до 2.8 МПа при увеличении размеров демпфера. Это означает то, что в сопоставлении с пиковым давлением 36 МПа без использования демпфера степень подавления составляет 67 %

В случае, если бы было возможно объяснить уменьшение монотонного характера зависимости, можно было бы предположить, что по мере увеличения размеров амортизатора увеличивается объем жидкости, заключенной в поршневой полости амортизатора при давлении, создаваемом в поршневых полостях. Резкое повышение давления возникает в момент заключения, когда происходит быстрое сокращение объема жидкости. Кроме того, повышение давления происходит обратно пропорционально объему, который заключен в полости.

Необходимо проводить исследования, которые направлены на изучение пи-

63

кового давления в гидроцилиндрах, так как это является важным аспектом их функционирования. Изучение данных показало, что пиковое давление в магистрали штоковой полости гидроцилиндра практически не зависит от размера демпфера и имеет место быть только при условии, что коэффициент амортизации составляет более 1,5. Вероятное объяснение данного факта заключается в том, что уже при значении коэффициента габарита К в 1,5 демпфер практически полностью устраняет пиковое значение давления.

В результате, увеличение размеров демпфера положительно влияет на эффективность амортизации. Также, необходимо учитывать то, что размер демпфера ограничен такими факторами, как трудоемкость и энергозатраты на производство демпфера, а также требуемый уровень удобства его размещения в гидроманипулятора.

Также видно, что вследствие постепенного роста скорости можем наблюдать и изменение ускорения, с преимущественно резким ростом при старте подъёма с дальнейшим плавным уменьшением и выходом на плато.

в)

Время (с)

г)

ё)

ж)

а) Влияние диаметра дросселя на давление в гидравлической системе; б) Влияние вылета стрелы на давление в гидравлической системе; в) Влияние диаметра плунжера на давление в гидравлической системе; г) Влияние коэффициента жёсткости на давление в гидравлической системе; д) Влияние коэффициента расхода на давление в гидравлической системе; е) Влияние коэффициента трения на давление в гидравлической системе; ё Влияние массы плунжера на давление в гидравлической системе; ж) Влияние массы поднимаемого груза бревна на давление в гидравлической системе; Рисунок 2.8 - Влияние параметров гидроманипулятора на ускорение подъёма груза

При изменении диаметра дросселя с 0,018 до 0,024 м видим увеличение давление с 7 МПа до 14 МПа (рисунок 2.8 а).

При рассмотрении данных графиков, видно, что только коэффициент расхода, коэффициент подачи и диаметр дросселя влияет на давление в гидравлической

-5

При изменении коэффициента подачи с 0,1 до 0,18 м/с видим рост давления в гидравлической системе с 8 МПа до 26 МПа (рисунок 2.8 ё).

В результате можно увидеть, чтобы добиться изменения давления в гидравлической системе необходимо повысить следующие параметры повысить коэффициент расхода или увеличить диаметр дросселя.

Остальные параметры (рисунок 2.8 в, г, е, з) незначительно влияют на давление в гидравлической системе.

2.3.7 Влияние изменения параметров механизма подъёма стрелы на перемещение плунжера демпфера

Были выделены следующую параметры для изучения воздействия их на режимы работы гидроманипулятора: масса плунжера, вылет стрелы, диаметр плунжера, коэффициент жёсткости, коэффициент расхода, коэффициент трения, коэффициент подачи, масса груза, диаметр дросселя.

На данных графиках (рисунок 2.9) можем видеть, как перемещается плунжер внутри демпфера, в зависимости от изменения различных параметров.

Так, при изменении массы плунжера (рисунок 2. 9 а) можно наблюдать более плавный ход плунжера, что говорит о том, что требуется больше усилий в гидравлической линии, чтобы плунжер осуществил своё движение. По оси ординат указано суммарное перемещение за время подъёма стрелы. Так, через 10 секунд перемещение плунжера с массой 0, 2 кг составляет 2 метра, а с массой 1,2 кг 1 метр, что свидетельствует о быстродействии демпфера с пустотелым плунжером. Далее влияние изменения вылета стрелы от 3 до 6 метров перемещение плунжера имеет приблизительное одинаковое расстояние равное 2 метров (рисунок 2.9 б).

Однако, мы можем видеть, что при изменении диаметра плунжера в большую сторону, мы наблюдаем постепенный линейный рост хода поршня в связи с

большей подачей масла в гидролинии, это обусловлено большим поступлением масла в полости демпфера. Влияние диаметра плунжера на перемещение, как видно из рисунка очень значительное. Так, через 10 секунд перемещение плунжера с диаметром 0,06 составляет 1, 8 метра, а при диаметре 0, 12 метра суммарное перемещение составляет 10,2 метра, так как на большую площадь поперечного сечения плунжера действует большая движущая сила (рисунок 2.5 в). Далее, при изменении коэффициента жёсткости от 25 до 60 Н\м суммарный ход плунжере уменьшается от 2,7 метра до 1, 5 метра. Т.к. сопротивлению пружины растёт и уменьшается ход плунжера в демпфере.

Коэффициент жёсткости пружины оказывает сдерживающее действие на движение плунжера, более жёсткая пружина позволяет создать необходимые условия для снижения перемещения плунжера (рисунок 2.9 г).

Влияние коэффициента расхода дросселя можно выявить на основании (Рисунка 2.9 д). Так, при увеличении коэффициента расхода от 0,65 до 0,95 перемещение плунжера также уменьшается от 3 до 2,5 метра через 10 секунд. А через 30 секунд от 7 метров до 4,2 метров. Коэффициент расхода увеличивается, а ход уменьшается, что объяснится тем, что при увеличении утечек через дросселя уменьшается ход плунжера.

При увеличении коэффициента трения от 100 до 400 суммарное перемещение плунжера также уменьшается с 3 до 1, 2 через 10 секунд, а через 30 секунд от 6 до 3, 5 м. (рисунка 2.9 е).

-5

При изменении подачи рабочей жидкости от насоса от 0, 1 м /с до 0, 175 м3/с ход плунжера увеличивается через 10 секунд от 2 метров до 4 а через 30 секунд от 4 метров до 7, 5 метров что так же имеет физический смысл. Чем больше подаётся жидкости, тем больше скорость перемещения плунжера, а, следовательно, и пройдённый путь. Размер коэффициента подачи также увеличивает общее перемещение плунжера внутри демпфера (рисунок 2.9 ё).

Увеличение массы груза (рисунок 2.9 ж) от 3 до 6 кг, фактически не влияет на перемещение груза и кривые сливаются в одну.

Влияние диаметра дросселя, отображённого на рисунке 2, 9 из которого видно, что с увеличением диаметра дросселя от 0, 18 до 0, 24 перемещение плунжера уменьшается, через 10 секунд от 2 до 1, 5 метра о через 30 секунд от 4 до 1, 6 метров. Т.к утечке жидкости в дросселе увеличивается и уменьшается ход плунжера. Также мы наблюдаем, что при изменении диаметра дросселей, можно наблюдать снижение общего перемещения плунжера в связи с увеличиванием потока масла в гидролинии (рисунок 2. 9 з).

д)

е)

ё)

ж)

а) Влияние диаметра дросселя на перемещение плунжера от времени; б) Влияние вылета стрелы на перемещение плунжера от времени; в) Влияние диаметра плунжера на перемещение плунжера от времени; г) Влияние коэффициента жёсткости на перемещение плунжера от времени; д) Влияние коэффициента расхода на перемещение плунжера от времени; е) Влияние коэффициента трения на перемещение плунжера от времени; ё) Влияние массы плунжера на перемещение плунжера от времени; ж) Влияние массы поднимаемого груза бревна на перемещение плунжера от времени; Рисунок 2.9 - Влияние параметров гидроманипулятора на перемещение

плунжера от времени В результате можно увидеть, чтобы добиться изменения перемещения плунжера в демпфере необходимо снизить его кинематический параметр - перемещение за счёт увеличения диаметра плунжера, коэффициента жёсткости пружины или увеличения диаметра дросселя

2.3.8 Влияние изменения параметров механизма подъёма стрелы на скорость плунжера демпфера

При исследовании скорости плунжера является важным учитывать его скорость перемещения в демпфере, это показывает, как можно более рационально использовать кинетическую энергию для положительного влияния на работу манипулятора при осуществлении его основных режимов работы. Так, для более

быстрого поднятия требуется, чтобы плунжер мог совершать более быстрые движения внутри демпфера.

На данных графиках можем видеть, как меняется скорость плунжера внутри демпфера, в зависимости от изменения различных параметров.

Существуют различия при использовании плунжера различного материала или необходимостью его принудительного изменения с целью контролировать кинематику работы манипулятора. Так, при изменении массы плунжера в большую стороны с 200 грамм до 1200 грамм наблюдается достижение максимального значения давления более быстро, за счёт увеличивающейся нагрузки на гидравлическую линию вследствие возникновения большего сопротивления со стороны плунжера.

Так, при изменении массы плунжера можно наблюдать более плавный набор скорости плунжера, что говорит о том, что требуется больше усилий в гидравлической линии, чтобы плунжер осуществил своё движение, также видно, что и сама скорость с увеличением массы уменьшается.

Компьютерные эксперименты показали, что зависимость давления от массы плунжера ведёт не к его сокращению, а к более быстрому достижения его пика. Возможное объяснение данного феномена заключается в том, что при сравнительно небольшой массе плунжера сила, воздействующая на плунжер, не достаточно велика для того, чтобы вызвать увеличение давления в штоковой полости гидроцилиндра. В то же время, при увеличении массы плунжера сила, которая действует на плунжер, становится достаточно высокой, и это приводит к тому, что он совершает более медленное перемещение.

На данных графиках (рисунок 2.10) можем видеть, как перемещается плунжер внутри демпфера, в зависимости от изменения различных параметров.

Так, при изменении массы плунжера (рисунок 2.10 а) можно наблюдать увеличение скорости у более лёгкого плунжера. По оси ординат указана скорость за время подъёма стрелы. Так, через 5 секунд скорость плунжера с массой 0, 2 кг составляет 0,3 м/с, а с массой 1,2 кг 0,1 м/с, что свидетельствует о быстродействии демпфера с пустотелым плунжером. Далее влияние изменения вылета стрелы

70

от 3 до 6 метров перемещение плунжера имеет приблизительное одинаковое расстояние равное 2 м (рисунок 2.10 б).

Влияние диаметра плунжера на скорость, как видно из рисунка очень значительное. Так, через 10 секунд скорость перемещения плунжера с диаметром 0,06 составляет 0,9 м/^ а при диаметре 0, 12 м скорость 0,1 м/^ так как на большую площадь поперечного сечения плунжера действует большая движущая сила. (Рисунок 2. 10 в). Далее, при изменении коэффициента жёсткости пружин от 25 до 60 Н\м скорость плунжере уменьшается от 0,4 м/с до 0,2 м/с на отрезке времени 7 секунд. Т.к. сопротивлению пружины растёт и уменьшается ход плунжера в демпфере.

Коэффициент жёсткости пружины оказывает сдерживающее действие на движение плунжера, более жёсткая пружина позволяет создать необходимые условия для снижения скорости плунжера (рисунок 2.10 г).

Влияние коэффициента расхода дросселя можно выявить на основании (рисунка 2.10 д). Так, при увеличении коэффициента расхода от 0,65 до 0,95 скорость плунжера также уменьшается от 0,53 до 0,3 метра через 10 секунд

Коэффициент расхода увеличивается, а ход уменьшается, что объяснится тем, что при увеличении утечек через дроссель уменьшается ход плунжера.

При увеличении коэффициента вязкого трении от 100 до 400 скорость плунжера также уменьшается с 3 до 1, 2 через 10 секунд, а через 30 секунд от 6 до 3, 5 м. (рисунка 2.10 е).

-5

При изменении подачи рабочей жидкости от насоса от 0, 1 м /с до 0, 175 м3/с ход плунжера увеличивается через 10 секунд от 2 метров до 4м, а через 30 секунд от 4 метров до 7, 5 метров что так же имеет физический смысл. Чем больше подаётся жидкости, тем больше скорость перемещения плунжера, а, следовательно, и пройдённый путь. Размер подачи также увеличивает общее перемещение плунжера внутри демпфера (рисунок 2.10 ё).

Увеличение массы груза (рисунок 2.10 ж) от 3 до 6 кг, фактически не влияет на скорость плунжера и кривые сливаются в одну.

Влияние диаметра дросселя, отображённого на рисунке 2.9 из которого видно, что с увеличением диаметра дросселя от 0, 18 до 0, 24 скорость плунжера уменьшается, через 5 секунд от 0,36 до 0,2 5 м/с о через 15 секунд от 0,15 до 00, 6 м. Т.к утечке жидкости в дросселе увеличивается и уменьшается ход плунжера. Также мы наблюдаем, что при изменении диаметра дросселей, можно наблюдать снижение скорости в связи с увеличиванием потока масла в гидролинии (рисунок 2.10 з).

д)

е)

Л. 0 3 0.25-

I 02

£ 0 15*

Б 0.05-

о

I"

О -0.05- -0

ё) Ж)

а) Влияние диаметра дросселя на скорость перемещение плунжера от времени; б) Влияние вылета стрелы на скорость перемещение плунжера от времени; в) Влияние диаметра плунжера на скорость перемещения плунжера от времени; г) Влияние коэффициента жёсткости на скорость перемещения плунжера от времени; д) Влияние коэффициента расхода на скорость перемещения плунжера от времени; е) Влияние коэффициента трения на скорость перемещения плунжера от времени; ё) Влияние массы плунжера на скорость перемещения плунжера от времени; ж) Влияние массы поднимаемого груза бревна на скорость перемещения плунжера от времени; Рисунок 2.10 - Влияние параметров гидроманипулятора на скорость перемещения плунжера от времени

В результате можно увидеть, чтобы добиться изменения скорости плунжера в демпфере необходимо повысить его кинематический параметр - скорости за счёт увеличения диаметра плунжера, коэффициента жёсткости пружины или увеличения коэффициента подачи

2.3.9 Влияние изменения параметров на ускорение плунжера демпфера

При рассмотрении ускорения плунжера внутри демпфера рассматривается способность к более быстрому переключению между режимами работы манипулятора, что позволит более быстро делать основные операции такие, как подъём, опускание. Так же рассматривая ускорение, важно заметить, что этот параметр так же способен производить более быстрое изменение режимов работы при экс-

I Масса 0,2 кг I Масса 0,4 кг I Масса 0,8 кг I Масса 1,2 кг

На данных графиках (рисунок 2.11) можем видеть, как перемещается плунжер внутри демпфера, в зависимости от изменения различных параметров.

Так, при изменении массы плунжера (рисунок 2.11 а) можно наблюдать увеличение параметра ускорения у плунжера для более лёгкого плунжера. По оси

ординат указано ускорение за время подъёма стрелы. Так, через 5 секунд скорость

2 2 плунжера с массой 0, 2 кг составляет 0,16 метра/с , а с массой 1,2 кг 0,02 метр/с ,

что свидетельствует о быстродействии демпфера с пустотелым плунжером. Далее

влияние изменения вылета стрелы от 3 до 6 метров перемещение плунжера имеет

л

приблизительное одинаковое расстояние равное 0,08 метров/с (рисунок 2.11 б).

Влияние диаметра плунжера на ускорение, как видно из рисунка очень значительное. Так, через 10 секунд перемещение плунжера с диаметром 0,06 состав-

2 2 ляет 0,2 метра/с2, а при диаметре 0, 12 метра скорость 0,02 метра/с2, так как на

большую площадь поперечного сечения плунжера действует большая движущая сила. (рисунок 2.11 в). Далее, при изменении коэффициента жёсткости от 25 до 60 Н\м скорость плунжере уменьшается от 0,4 метра до 0,2 метра на отрезке 7 секунд. Т.к сопротивлению пружины растёт и уменьшается ход плунжера в демпфере.

Коэффициент жёсткости пружины оказывает сдерживающее действие на движение плунжера, более жёсткая пружина позволяет создать необходимые условия для снижения скорости плунжера (рисунок 2.11 г).

Влияние коэффициента расхода дросселя можно выявить по рисунку (Рисунок 2.7 д). Коэффициент расхода увеличивается, а ход уменьшается, что объяснится тем, что при увеличении утечек через дросселя уменьшается ход плунжера. При увеличении коэффициента трении от 100 до 400 ускорение плунжера

л

примерно одинаково и составляет 0,06 м/с (рисунка 2.11 е).

-5

При изменении подачи рабочей жидкости от насоса от 0, 1 м /с до 0, 175

3 2 2

м/с ход плунжера увеличивается через 5 секунд от 0,12 метров/с до 0,06 м/с чем

больше подаётся жидкости, тем больше скорость перемещения плунжера, а, сле-

74

довательно, и пройдённый путь. Размер коэффициента подачи также увеличивает общее перемещение плунжера внутри демпфера (рисунок 2.11 ё).

Увеличение массы груза (рисунок 2.11 ж) от 3 до 6 кг, фактически не влияет на скорость плунжера и кривые сливаются в одну.

Влияние диаметра дросселя, отображённого на рисунке 2, 9 из которого видно, что с увеличением диаметра дросселя от 0, 18 до 0, 24 ускорение плунжера

л

уменьшается, через 5 секунд от 0,006 до 0,04 метра/с . Т.к утечке жидкости в дросселе увеличивается и уменьшается ход плунжера. Также мы наблюдаем, что при изменении диаметра дросселей, можно наблюдать снижение скорости в связи с увеличиваем потока масла в гидролинии (рисунок 2.11 з).

I Вылет стрелы 3 м I Вылет стрелы 4 м I Вылет стрелы 5 м I Вылет стрелы 6 м

б)

Время (с)

I Коэффициент жёсткости 20 I Коэффициент жёсткости 30 I Коэффициент жёсткости 45 I Коэффициент жёсткости 60

В)

Г)

I Коэфициент расхода 0,65 I Коэфициент расхода 0,75 I Коэфициент расхода 0,85 I Коэфициент расхода 0,95

I Коэффициент трения 100 I Коэффициент трения 200 I Коэффициент трения 300 I Коэффициент трения 400

Д)

е)

ё)

Время (с)

ж)

а) Влияние диаметра дросселя на ускорение перемещения плунжера от времени; б) Влияние вылета стрелы на ускорение перемещения плунжера от времени; в) Влияние диаметра плунжера на ускорение перемещения плунжера от времени; г) Влияние коэффициента жёсткости на ускорение перемещения плунжера от времени; д) Влияние коэффициента расхода на ускорение перемещения плунжера от времени; е) Влияние коэффициента трения на ускорение перемещения плунжера от времени; ё) Влияние массы на ускорение перемещения плунжера от времени; ж) Влияние массы поднимаемого груза бревна на ускорение перемещения плунжера от времени; Рисунок 2.11 - Влияние параметров гидроманипулятора на ускорение перемещение плунжера от времени

В результате можно увидеть, чтобы добиться изменения ускорения плунжера в демпфере можно и повысить его кинематический параметр - ускорения можно с помощью увеличением диаметра плунжера, коэффициента жёсткости пружины и увеличением коэффициента подачи

2.3.10 Суммарная эффективность влияния выделенных конструктивных параметров

Так, для исследования эффективности влияния разных параметров манипулятора, следует учесть, что для каждой из моделей, в связи с конструктивными

особенностями различных моделей, оптимальные будут разные значения параметров для каждой из моделей

Общую таблицу для проведения компьютерного эксперимента для нашей модели можно представить в виде подобной таблицы

Таблица 2.3 - Входные данные основных параметров гидроманипулятора.

Наименования Переменная Min Max Step

Коэффициент жёсткости пружины cp 15 Н/м 25 Н/м 5 Н/м

Диаметр плунжера dp м 0.08 м 0.12 м 0.02 м

Масса плунжера Mp кг 0.2 кг 0.6 кг 0.2 кг

Диаметр дросселей dдр м 0.01 м 0.03 м 0.01 м

Коэффициент вязкого трения плунжера kd 100 Н 150 Н 25 Н

Вылет стрелы L м 3 м 6 м 1 м

Зависимость параметров коэффициента жёсткости, диаметра плунжера, диаметра поршней, массы плунжера, диаметра дросселей, коэффициент трения и скорости подъёма от времени показала, что при увеличении этих параметров происходит планомерное увеличение давление в гидравлической системе, а также увеличиваются количество колебаний, но они становиться менее выражены, т.е с меньшей амплитудой, что ведёт к заметному уменьшению всплесков и контролированному подъёму стрелы манипулятора.

Так, исходя из предыдущих графиков, можно сделать вывод, что наиболее оптимальным для снижения колебаний будут параметры со следующими значениями

Для подачи - 0,1 м /с.

Для коэффициента расхода - 0,95.

Для коэффициента жёсткости - 25 Н/м.

Для диаметра плунжера - 0,12 м.

Для коэффициента трения - 150 Н.

Для вылета стрелы - 3 м.

Остальные параметры, незначительно влияют на колебания в гидравлической системе или же приводят к увеличению колебаний в гидравлической системе.

2.4 Двухфакторная оптимизация конструктивных параметров демпфера