Совершенствование технологии погрузки и транспортировки грузов в мягкой таре при уборке овощей за счет обоснования параметров погрузочно-транспортного агрегата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Николаев Максим Евгеньевич

• Николаев Максим Евгеньевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Николаев Максим Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА МЕХАНИЗАЦИИ ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ РАБОТ ПРИ УБОРКЕ ОВОЩЕЙ В МЯГКОЙ ТАРЕ

1.1. Технологические процессы грузопереработки овощей в мягкой таре

1.1.1 Способы уборки и погрузки затаренных в сетки овощей на примере репчатого лука

1.1.2 Проблема механизации погрузочных работ овощей в мягкой таре

1.2. Технические средства для погрузочно-разгрузочных работ с пакетированными грузами

1.2.1. Сельскохозяйственные погрузчики для штучных грузов и

мешков

1.2.2 Клещевые захваты для мешков и пакетированных грузов22 1.2.3. Транспортировка тары с овощами

1.3. Сельскохозяйственные погрузочно-транспортные манипуляционные роботы

1.4. Цели и задачи исследования

2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ МАНИПУЛЯТОРА ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА И ОБОСНОВАНИЕ ИХ ЗНАЧЕНИЙ33

2.1. Концептуальная модель погрузочно-транспортного агрегата и варианты технологических процессов грузопереработки овощей в мягкой

таре

2.1.1. Обоснование подвижности захвата манипулятора

агрегата

2.2. Обоснование геометрических параметров механизма манипулятора

43

2.2.1. Формирование зоны обслуживания манипулятора

2.2.2. Определение рациональных параметров привода стрелы параллелограммного механизма

2.3. Анализ механизма манипулятора погрузочно-транспортного агрегата

2.3.1. Кинематический анализ механизма стрелы манипулятора57

2.3.2. Кинетостатический анализ механизма манипулятора

2.3.3. Определение продольной и поперечной устойчивости погрузочно-транспортного агрегата на базе самоходного шасси60

2.3.4. Обоснование параметров клещевого захвата сеток

3. ФОРМИРОВАНИЕ ОРИЕНТИРУЮЩИХ ДВИЖЕНИЙ И ПЛАНИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИЙ ЗАХВАТА ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА

3.1. Задача ориентации захвата в пространстве

3.2. Планирование траекторий и программных движений исполнительных приводов механизма манипулятора

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА С МАНИПУЛЯТОРОМ-ТРИПОДОМ84

4.1. Экспериментальный образец погрузочно-транспортного агрегата85

4.2 Методика экспериментального исследования и измерительная аппаратура

4.2.1 Методика регистрации параметров

4.2.2 Измерительная аппаратура и тарировка датчиков

4.3 Оценка погрешности измерений

5 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ РАБОТ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОГРУЗОЧНО-

ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА

5.1. Повышение эффективности погрузочно-транспортных работ за счет автоматизации технологических операций

5.2. Технико-экономическая оценка разработанного погрузочно-

транспортного агрегата

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. - Патенты

Приложение 2.- Дипломы и медали за участие в конференциях и выставках

Приложение 3.- Акт внедрения

Приложение 4.- Расчёты в программном комплексе МаШсаё

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии погрузки и транспортировки грузов в мягкой таре при уборке овощей за счет обоснования параметров погрузочно-транспортного агрегата»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В Волгоградской области, как и многих других регионах при погрузочных работах при возделывании овощной продукции в основном преобладает ручной труд, и это обстоятельство является существенным резервом повышения производительности труда. Анализ трудоемкости выполнения погрузочно-разгрузочных работ, показал, что в технологическом процессе уборки овощей, упаковываемых в мягкую тару, это самая трудоёмкая операция, связанная с ручными погрузочно-разгрузочными и транспортными работами.

Несмотря на развитие средств механизации в сельскохозяйственном производстве, объем ручного труда на заготовке плодоовощной продукции достигает до 40%...50%. Устранить этот недостаток возможно только комплексной механизацией и автоматизацией погрузочно-разгрузочных операций.

Совершенствование технологий уборки плодоовощной продукции и технических средств, направленных на снижение трудовых и материальных затрат, является актуальной задачей сельскохозяйственного производства и имеет важное народно-хозяйственное назначение.

Данная работа выполнена в рамках программы научных исследований ФГБОУ ВО Волгоградского ГАУ в 2016-2020 г., утвержденной Ученым советом ВолГАУ от 27.06.2016 № 8 по комплексной теме: «2.3. Погрузочные манипуляторы сельскохозяйственного назначения и повышение их технического уровня в условиях импортозамещения» и при финансовой поддержке РФФИ в рамках гранта № 19-38-90067 Аспиранты «Разработка теоретических основ проектирования сельскохозяйственного погрузочного робота с манипулятором параллельно-последовательной структуры и методов расчета согласованного движения его исполнительных приводов».

Степень разработанности темы. Повышением производительности погрузочно-разгрузочных работ при уборке овощей в мягкой таре, в том числе лука-репки посвящены работы Лобачевского Я. П., Дорохова А.С., Мерданова Ш.М., Дубинина В.Ф., Павлова П.И., Протасова А.А. Никитина В.А., Николаева Н.Н., Павлова И.М. [52, 53, 71, 83, 96, 97, 107, 120].

Большинство исследований технологических процессов погрузки лука посвящено машинам непрерывного действия. Однако анализ сельскохозяйственного производства показывает, что значительная доля приходится на штучные и пакетированные грузы. Исследованиям в области механизации погрузочно-разгрузочных работ со штучными грузами, посвящены работы Герасуна В.М., Гуськова Ю.А., Демина Е.Е., Рогачева А.Ф., Строкова И.М., Пындака В.И., и других ученых [36, 48, 121].

Цель работы. Совершенствование технологии погрузочно-транспортных работ с грузами в мягкой таре при уборке овощей за счет разработки конструкции и обоснования параметров погрузочно-транспортного агрегата.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Провести анализ погрузочно-разгрузочных работ при уборке овощей в мягкой таре и задействованных при этом технических средств с целью обоснования конструкции погрузочно-транспортного агрегата и совершенствования технологических процессов погрузки и транспортировки овощей в мягкой таре.

2. Разработать концептуальную модель и структурную схему погрузочного манипулятора с захватным устройством для мягкой тары. Обосновать параметры конструкции манипулятора с клещевым захватом и получить аналитические зависимости, характеризующие взаимосвязь конструктивных и технологических параметров погрузочно-транспортного агрегата.

3. Аналитически сформулировать задачу ориентации и планирования траектории клещевого захвата мягкой тары в пространстве по критериям

эффективности, обеспечивающим максимальную производительность погрузочно-транспортного агрегата на погрузочных работах.

4. Разработать экспериментальный образец погрузочно-транспортного агрегата с манипулятором и клещевым захватом и выполнить его экспериментальные исследования.

5. Провести оценку технико-экономических показателей разработанного погрузочно-транспортного агрегата и определить экономический эффект от использования его в технологическом процессе подбора с поля и погрузки овощей в мягкой таре.

Объект исследования - погрузочно-транспортные операции и технические средства для реализации технологического процесса уборки с поля овощей в мягкой таре.

Предмет исследования - структурно-параметрические, кинематические и динамические параметры механизма манипулятора и приводов погрузочно-транспортного агрегата, характеризующие его функционирование в технологическом процессе.

Научную новизну работы составляют:

- усовершенствованная технология погрузочно-транспортных работ при уборке овощей в мягкой таре;

- конструктивно-технологическая схема самоходного погрузочного-транспортного агрегата с манипулятором-триподом и клещевым захватом (патенты РФ № 2700304, № 2651781, №183544, №183553);

- аналитические зависимости, позволяющие обосновать параметры захвата манипулятора-трипода и механизма подъема для обеспечения согласованной работы приводов при выполнении технологического процесса погрузки овощей в мягкой таре;

- установленные закономерности качественных показателей работы манипулятора от конструктивных параметров и система управления,

позволяющая автоматизировать работу манипулятора по заданным программным движениям.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Получены аналитические зависимости параметров захвата и манипуляционного механизма от качественных показателей работы погрузочного агрегата, которые позволяют планировать траектории перемещения овощей в мягкой таре для обеспечения наибольше производительности погрузочно-транспортного агрегата.

Практическая значимость заключается в усовершенствовании технологии погрузки и транспортировки овощей в мягкой таре за счет применения разработанного погрузочно-транспортного агрегата, позволяющего повысить уровень механизации погрузочно-разгрузочных работ.

Методология и методы исследования.

Решение комплекса задач, поставленных в данной работе, базировалось на классических законах механики, теории механизмов и машин, методах оптимизации и осуществлялось известными, апробированными методами теоретических и экспериментальных исследований.

Для решения задач теоретических исследований использовалось современное программное обеспечение Mathcad, MS Excel, Компас 3d, Inventor.

Положения, выносимые на защиту

• конструктивно-технологическая схема погрузочно-транспортного агрегата и усовершенствованная технология погрузки и транспортировки овощей в мягкой таре;

• аналитические зависимости, позволяющие обосновать параметры захвата манипулятора-трипода и механизма подъема для обеспечения согласованной работы приводов при выполнении технологического процесса погрузки овощей в мягкой таре;

• результаты экспериментальных исследований погрузочного агрегата с манипулятором и клещевым захватом;

• результаты производственных испытаний и показатели экономической эффективности применения погрузочно-транспортного агрегата при уборке овощей в мягкой таре на примере лука-репки, затаренного в сетки.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследований подтверждается применением апробированных методов теоретических исследований, достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также сравнением полученных результатов с подобными исследованиями других ученых.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции молодых исследователей «Наука и молодежь: новые идеи и решения» 2018 г., г. Волгоград; Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию окончания Сталинградской битвы «Мировые научно-технологические тенденции социально-экономического развития АПК и сельских территорий» 2018г. г. Волгоград; Международной научно-практической конференции «Научные исследования по сельскохозяйственному производству» 2018 г. г. Волгоград; Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем - 2018», г. Волгоград; XXXI Международной инновационной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС - 2019), ИМАШ РАН, г. Москва; XXIV Региональной конференции молодых учёных и исследователей Волгоградской области, Волгоград, 2020 г; XIII международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию Донского государственного технического университета в рамках XXIII и XXIV Агропромышленного форума юга России и выставки "Интерагромаш" 2020 г. и 2021 г.; XII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Робототехника и искусственный интеллект», г. Железногорск, 2020 г; Международной научно-практической конференции «Агроинженерные

исследования в условиях глобализации и интеграции», г. Зерноград, 2020 г.; Всероссийской (национальной) научно-практической конференции «Аграрная наука как основа продовольственной безопасности России», Нальчик, 2021 г.; XXXII Международной инновационной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС - 2021), г. Москва, 2021 г.

Публикации.

Основные научные результаты диссертации полностью отражены в 23 публикациях, в том числе 3 работы опубликовано в изданиях, индексируемых в международных наукометрических базах Web of Science и Scopus, 3 работы опубликовано в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, получено 2 патента РФ на изобретения и 2 патента на полезную модель, 13 работ опубликовано в других журналах, сборниках научных трудов, материалах конференций. Объем общих публикаций составляет 5,48 п. л., в том числе авторских -2,04 п.л.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 165 страниц с приложениями, в тексте имеется 9 таблиц и 81 рисунок. Список литературы представлен из 181 наименования.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА МЕХАНИЗАЦИИ ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ РАБОТ ПРИ УБОРКЕ ОВОЩЕЙ В

МЯГКОЙ ТАРЕ

1.1. Технологические процессы грузопереработки овощей в мягкой таре

Погрузочные работы при производстве сельскохозяйственной продукции приходится выполнять в различных условиях: на открытых площадках и в закрытых помещениях, значительная часть погрузочно-транспортных работ происходит в поле, при непосредственной уборке урожая.

Все это обуславливает особые требования к организации погрузочно-разгрузочных и погрузочно-транспортных работ и машинам, занятых на этих работах. Параметры требуемых погрузочных машин зависят и от других сельскохозяйственных машин и орудий, с которыми они взаимодействуют, от вида транспортных средств, а также технологий возделывания сельскохозяйственных культур [39, 40, 66].

В сельском хозяйстве используется значительная номенклатура фронтальных погрузчиков, которые не всегда эффективны на уборке плодоовощной продукции непосредственно в поле. Погрузчики фронтального типа имеют низкую производительность погрузочных операций на таких работах вследствие значительных затрат времени на непроизводственные перемещения, маневрирование и в том числе с несовершенством конструкции грузозахватных устройств, а также нерациональных способов захвата груза и последующей его погрузки.

1.1.1 Способы уборки и погрузки затаренных в сетки овощей на примере репчатого лука

Сбор урожая является одним из важных технологических процессов. Своевременно проведенная уборка обеспечивает получение качественного продукта. Значительную долю возделываемых овощей в Волгоградской области

составляет репчатый лук, который является одним из самых востребованных овощей. Луковицы созревают при полном полегании листьев, за это время в них образуется много питательных веществ, поэтому рано собранный продукт имеет малый запас полезных веществ. При поздней уборке в зрелых луковицах происходит прорастание корешков, которые в свою очередь поглощают всю влагу из почвы, в результате плоды теряют приятный вкус, плохо сохраняются.

Поэтому необходимо производить сбор лука при полном полегании листьев. Уборка проводится в короткий промежуток времени.

Уборка овощей проходит как вручную, так и с применением специализированный машин. При ручной уборке требуются большие трудозатраты, что в свою очередь влияет на себестоимость овощной продукции, в среднем 60-70% на различные операции такие, как сбор, уход, послеуборочная обработка. Затраты труда на уборку и обработку овощей составляют более 380 чел-ч. /га. [181]

На данный момент ручной способ уборки овощей в мягкой таре находит себе применение в различных регионах страны, так как овощеводством занимаются в основном небольшие хозяйства (от 5 га). Ручной способ уборки имеет ряд недостатков, большие трудозатраты, маленькая производительность, потеря продукта. Поэтому сельскому хозяйству необходимо переходить на механизированную и автоматизированную уборку овощей в мягкой таре, что в свою очередь понизит затраты труда, повысит производительность, уменьшит потери продукта. К тому же в последние года сложилась не простая ситуация с привлечением сезонных рабочих, как правило приезжающих из стран ближнего зарубежья.

Для каждого региона метод возделывания различных овощей индивидуален и по своему, исторически сложился. Например, уборка лука-репки в Волгоградской области преимущественно выполняется по следующему технологическому процессу: выкапывание - сушка на поле - сбор в мягкую тару (сетки) - погрузка в транспортные средства. После затаривания лука в сетки и погрузке в транспортные средства, овощи транспортируются до места реализации,

либо во временные хранилища. Затаривание лука в сетки непосредственно на поле выполняется как вручную, так и на механизированных подборщиках и лукоуборочных комбайнах. Но во всех этих случаях погрузка мешков на транспортные средства производится вручную, реже с применением наклонных ленточных транспортеров.

Анализ состояния в Волгоградской области при возделывании овощей показывает, что ручной труд является основным при уборочных работах (рис.1.1).

«

в) г)

Рисунок 1.1. - Технолгии уборки лука: а) - ручной сбор лука; б) и в) - затаривание лука в мешки-сетки на лукоуборочном комбайне; г)- погрузка мешков-сеток на

транспортное средство.

Ручная сборка овощей в мешках-сетках является монотонной и трудозатратой операцией, что в свою очередь задействует большое количество рабочей силы, это одна из главных проблем уборки овощной продукции. Поэтому

необходимо механизировать и автоматизировать сельскохозяйственную отрасль по погрузочным работам овощей в мягкой таре.

1.1.2 Проблема механизации погрузочных работ овощей в мягкой таре

Объем погрузочно-разгрузочных работ увеличивается с каждым годом. Только в Волгоградской области к 2020 году объем производства овощей составил более 1 млн.тонн, и тенденция производства только идет на увеличение валового сбора овощей. На данный момент на транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских операциях с овощной продукцией занято до 30 % все трудящихся. Механизации погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских сельскохозяйственных работ, повлияет на большое количество высвобождаемой рабочей силы.

Основной целью механизации погрузочно-разгрузочных работ в сельскохозяйственном производстве является высвобождение рабочих от тяжелого монотонного труда. Проблема по оснащению погрузочно-разгрузочных работ современными погрузочными машинами и автоматизации процесса погрузки на данный момент является актуальной [21, 56].

Но многие вопросы остаются открытыми, такие как создание специализированных комплексов (машин и оборудования), которые будут обеспечивать развитие прогрессивных технологических операций в сельском хозяйстве при погрузочно-разгрузочных и погрузочно-транспортных работах с овощами в мягкой таре. Необходимо от разработки, создания и внедрения отдельных технологических машин переходить к разработке и внедрению специализированной техники и комплекса машин, которые целиком бы охватывали весь технологический прогресс, обеспечивали комплексную механизацию и автоматизацию грузопереработки овощей в мешках-сетках. На таком этапе технического прогресса проблемы механизации и автоматизации наиболее тесно переплетаются, так как автоматизация специализированной техники по погрузке и разгрузке штучных грузов является неотъемлемой частью.

Одной из важнейших задач повышения уровня комплексной механизации погрузочно-разгрузочных работ по уборке овощей в мягкой таре является внедрение специализированной техники, в частности погрузчиков, которые могут выполнять различные технологические операции по погрузке и разгрузке мешков (сеток) с овощной продукцией, и возможностью установки на них автоматической системы управления. Все это положительно повлияет на качество и эффективность уборки овощей в мягкой таре.

На рисунке рис. 1.2. представлены технологические схемы ручной и механизированной уборке мешков сеток с овощами. В первом случае (а) транспортное средство движется по полю и процесс погрузки осуществляется вручную, во втором случае (б) погрузочно-транспортное средство движется по полю, грузит мешки-сетки в сменный кузов, после наполнения кузова происходит его выгрузка и погрузка на другое транспортное средство.

б) Механизированный способ уборки а) Ручной способ уборки

Рисунок 1.2. Технологическая схема механизированной уборки сеток с

луком-репкой

Различные варианты предлагаемых технологических процессов механизированной грузопереработки овощей в мягкой таре более подробно

представлены в разделе 2.1. Следует отметить, что необходимо обоснование конструкции специальных грузозахватных приспособлений (клещевые захваты) к универсальным погрузчикам, обеспечивающим безтравматичное воздействие на овощи, упакованные в мягкую тару. Применение такого оборудования позволит существенно повысить производительность погрузочных машин и значительно расширить сферу их применения.

1.2. Технические средства для погрузочно-разгрузочных работ с пакетированными грузами

1.2.1 Сельскохозяйственные погрузчики для штучных грузов и мешков

Погрузочно-разгрузочные работы в сельском хозяйстве невозможно представить без погрузчиков, выполняющих различные технологические операции по погрузке. Специализированная техника в такой области сельского хозяйства имеет огромную значимость, которая в свою очередь поможет снизить трудозатраты на погрузочно-разгрузочные работы, повысить производительность и объем выполняемой работы. Примером такой техники могут служить ниже представленные погрузчики [54, 74, 75, 77, 78, 122, 135]:

Для погрузки и транспортировки штучных грузов (мешков, ящиков, контейнеров) существует тракторный погрузчик ПКП - 2 (рис. 1.3). Погрузчик агрегатируется с трактором класса 1,4 кН и имеет грузоподъемность до 2 т., смонтирован он на базе одноколесного прицепа [140].

Фронтальный погрузчик Metal Fach T241 (рис.1.4) предназначен для погрузочно-разгрузочных и транспортных сельскохозяйственных работ, таких грузов, как мешки с минеральными удобрениями, рулоны сена. Погрузчик является навесным и устанавливается на трактор, имеет клещевой захват. Управляется погрузчик оператором с помощью специального блока управления [154].

Рисунок 1.3. - Погрузчик-контейнеровоз прицепной ПКП-2 с портальным краном: 1 - трактор; 2 - платформа; 3 - кронштейн для крепления стрелы; 4 -гидроцилиндр подъёма груза; 5 - трос; 6 - блочно-тросовый механизм подъема груза; 7 - стрела погрузчика; 8 - крюковая подвеска

Рисунок 1.4. - Фронтальный погрузчик METAL FACH T241

Транспортёр для мешков биг-бэг AVANT A21162 (рис.1.5) предназначен для погрузочно-разгрузочных работ как на складах, так и на полях агропромышленного комплекса. Манипулятор устанавливается на штабелер-погрузчик, грузозахватный орган представлен в виде крюка и двух клещей.

Вылет стрелы погрузчика составляет 2000 мм, ширина транспортера 1000 мм, что позволяет погрузчику легко маневрировать в ангарах и небольших складских помещениях. Захват имеет возможность регулировки по высоте креплений для разных размеров груза [152].

Рисунок 1.5. - Транспортёр для мешков биг-бэг AVANT A21162

Электропогрузчик МСИ1Уи (рис.1.6) с захватом для рулонов предназначен для сельскохозяйственных погрузочно-разгрузочных работ, его грузозахватный орган выполнен в виде двух клещей. Погрузчик может выполнять погрузку рулонов диаметром от 400 мм до 1300 мм и массой 1000 кг и имеет высокую устойчивость и маневренность на малых площадках [168].

Рисунок 1.6. - Электропогрузчик NICHIYU с захватом для рулонов

Телескопический погрузчик ТЬ38.70 ИБ ЛОМ БОБСЛТ (рис.1.7) предназначен для выполнения погрузочных и разгрузочных работ в агропромышленном комплексе. Он имеет телескопический манипулятор, позволяющий выполнять погрузку на высоту до 7 м и снабжен клещевым захватом для рулонов сена и мешков с удобрениями [145].

Рисунок 1.7. - Телескопический погрузчик ТЬ38.70 ИБ ЛОМ

БОБСЛТ

Манипулятор DLAGRO (рис.1.8) предназначен для использования в сельскохозяйственных и фермерских предприятиях для погрузочно-разгрузочных

работ. Сам погрузчик выполнен навесным и навешивается на навеску трактора, его грузозахватный орган выполнен в виде крюка [116].

Рисунок 1.8. - Погрузчик с манипулятором DLAGRO

Навесной тракторный погрузчик Т466 (рис.1.9) предназначен для погрузочно-разгрузочных работ с мешками минеральных удобрений типа Биг-Бег. Погрузчик выполнен навесным, устанавливается на трехточечную навеску трактора с тяговым классом 2кН [84].

Рисунок 1.9. - Навесной погрузчик Т466

Навесной погрузчик ПСН-1 (рис.1.10) с захватом для рулонов ЗР-1 предназначен для разгрузки, погрузки, перемещения, штабелирования рулонных кормов и других сельскохозяйственных грузов, выполнен он в виде навесного оборудования с клещевым захватным устройством [117].

©

Рисунок 1.10. - Погрузчик навесной ПСН-1 с захватом рулона ЗР-1

Погрузчик B40 (рис.1.11) предназначен для выполнения сельскохозяйственных погрузочно-разгрузочных и транспортных работ, он имеет телескопический манипулятор последовательной структуры с клещевым захватом. Грузоподъемность погрузчика находится в пределах от 1,5 до 6 т., Ширина захватного устройства в открытом виде составляет 2 м [115].

Рисунок 1.11. - Погрузчик Б40для прямоугольных тюков и рулонов

Сельскохозяйственный навесной погрузчик с захватом ЗТ-1500 (рис.1.12) предназначен для выполнения сельскохозяйственных погрузочно-разгрузочных работ и имеет манипулятор, устанавливаемый на трехточечную навеску трактора. Погрузчик снабжен клещевым захватом и имеет грузоподъемность до 1,6 т на на высоту подъема до 5 м.

Рисунок 1.12. - Сельскохозяйственный навесной погрузчик с захватом ЗТ-1500

В сельском хозяйстве особой популярностью особенно у фермеров пользуются самоходное шасси Т-16МГ и его современный прототип ВТЗ-ЗОСШ. Для внутрихозяйственных работ на шасси могут навешиваться различные погрузчики, например, ПГ-0,2 (рис. 1.13) или ПФ-0,3 (рис. 1.14).

Рисунок 1.13. - Погрузчик грейферный ПГ-0,2 на базе Т-16

Рисунок 1.14. - Фронтальный погрузчик ПФ-0,3 на базе самоходного шасси

Т-16

Как показывает приведенный обзор существующих погрузочных средств, они мало приспособлены для погрузки мешков и сеток с овощами. Чаще всего используются погрузчики для крупногабаритных штучных грузов, таких как рулоны сенажа, тюки, мешки биг-бэг [155].

1.2.2 Клещевые захваты для мешков и пакетированных грузов

Для работы со штучными грузами в основном на все сельскохозяйственные погрузчики в виде грузозахватного органа устанавливается клещевой захват, в зависимости от исполнения он может применяться для работы с грузами различной геометрической формы. По сути, захват представляет собой рычажную систему, как правило, это два клеща, с помощью которых происходит захват и фиксация груза [67].

Клещевые захваты могут быть как самоустанавливающимися, которые удерживают груз от возникающей силы трения при сжатии груза, так и управляемыми, с помощью гидро-, пневмо- либо электроприводов.

Клещевые захваты применяются для погрузочно-разгрузочных работ как в промышленной области (для труб, бетонных блоков и сортового проката), так и в сельскохозяйственной (погрузка рулонов сена, тюков сена, мешков с

удобрениями и т.д.). Примером таких захватов служат клещевой захват для рулонов (рис. 1.15) и для тюков (рис. 1.16) [61].

Рисунок 1.15. Клещевой захват для погрузки рулонов сена.

Рисунок 1.16. Клещевой захват для погрузки тюков сена

1.2.3 Транспортировка тары с овощами

Контейнеры, сменные кузова, прицепы позволят бесперегрузочно доставить товары до потребителя, тем самым значительно сократив объём промежуточных погрузочно-разгрузочных работ (рис. 1.17). Сами перевозки выполняются различными видами транспорта.

Пункты разгрузки, сортировки, временного хранения находятся на различных расстояниях от полей. Как правило для перевозки овощей используют тракторные прицепы. Примером такого устройства является прицеп для перевозки овощных контейнеров и цилиндрических тюков сена (соломы) ПТ7-0000010 (рис. 1.17.)Модель ПТ7 предназначена для перевозки овощных контейнеров и цилиндрических тюков сена (соломы). Грузоподъемность прицепа составляет 14 тонн при собственном весе в 4 тонны.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Николаев Максим Евгеньевич, 2021 год

// // N Л

0 12 3

5

7 в

10

Рисунок 2.17 - Характер изменения угловых скоростей звеньев параллелограммного механизма Тогда угловые ускорения звеньев определяются по выражениям (2.30) и представлены на рис. 2.18 [58, 59].

сх - СО $,(р + с2 -ЫПф

<Р1 = ф =

I • бш^ - ф) с2 • БШ (р1+С1- Бт (р г • - (р)

(2.31)

ЕМ 2

12

рад/с' 1

0.5

-0.5 -1

-1.2 рад/с'

/ ' N \

/ \ в 'О

1

О / 3 4 5 6 7

/

/

К с

10

Рисунок 2.18 - Характер изменения угловых ускорений звеньев параллелограммного механизма

Таким образом, используя трапециидальный закон управления штоками гидроцилиндра привода параллелограммного механизма стрелы манипулятора полученные законы изменения скорости и ускорения обеспечивают достаточную плавность переходных процессов, что ведет с снижению коэффициента динамичности.

2.3.2. Кинетостатический анализ механизма манипулятора

С целью определения уравновешивающего момента в крайних положениях (наибольшем вылете захвата) проведен кинетостатический анализ механизма погрузчика (рис.2.19) [ 156].

Рисунок 2.19. - Расчетная схема для кинетостатического анализа

Для полученных в результате проектирования геометрических размеров звеньев, рассчитано усилие на каждый приводной исполнительный цилиндр параллелограммного механизма согласно расчетной схемы (рис.2.19) на основании уравнения моментов

XО • Ц ^ • к, -Мур = 0 (2.32)

В результате анализа определено, что привод параллелограмного механизма должен обеспечивать усилие Рур=5,28 кН. При этом при рабочих скоростях штоков цилиндров до ¥шт=0,25 м/с потребная мощность исполнительного привода составляет Ыном=1,82 кВт [65, 76, 93, 147, 148, 149, 150, 163].

2.3.3 Определение продольной и поперечной устойчивости погрузочно-транспортного агрегата на базе самоходного шасси

В процессе технологических операций погрузчику приходится передвигаться от одного объекта к другому, осуществлять технологические переезды и пересекать неровности рельефа. В связи с тем, что конструкция погрузчика имеет значительные габариты по высоте, центр тяжести всего агрегата также смещается выше при приведении стрелы в вертикальное положение, вследствие чего становится актуальным вопрос определения устойчивости погрузочно-транспортного агрегата при его движении как по полю, так и при транспортных переездах. Проведенные экспериментальные исследования погрузочно-транспортного агрегата показали незначительные инерционные нагрузки на металлоконструкцию погрузчика, при работе коэффициент динамичности не превышает значения 1,1 (раздел 3). Поэтому принято допущение о достаточности статических расчетов на устойчивость погрузочного агрегата в продольной и поперечной плоскостях [112].

В данном случае было рассмотрено два варианта:

а) в продольной плоскости, при максимальном вылете стрелы погрузчика;

б) в поперечной плоскости, по определению предельного угла наклона механизма.

В данном случае продольная устойчивость погрузочно-транспортного агрегата зависит от веса поднимаемого груза. При максимальном вылете стрелы, задние колеса самоходного шасси разгружаются, в результате чего происходит опрокидывание механизма погрузчика через передние опоры. Для этого

необходимо определить координаты центра тяжести погрузочно-транспортного агрегата (рис.2.20) [24, 25, 90, 91].

Рисунок 2.20 - Схема к определению статической продольной устойчивости при максимальном вылете стрелы погрузчика

Координату центра тяжести механизма по оси у, определяли по следующей формуле

а • ЯА 1,6 • 650 У =- = ошт = 0,05 м, (2.33)

ттр • § 21000 , ( )

где а - колесная база самоходного шасси погрузочно-транспортного агрегата, м;

ЯА = 6500 Н - реакции опор на передние колеса;

- реакция на опоры задних колес погрузчика, Н; ттр - масса самоходного шасси механизма, кг; § - ускорение свободного падения, м/с . Сумма проекций всех сил на ось у

£Fty) = 0; -Огр + Ra - QT Тр + RB = 0 . (2.34)

Сумма моментов относительно точки А

XM(A) = 0; Огр-d-QТТР/Ь + RB ■a = 0. (2.35)

Потеря устойчивости погрузочно-транспортного агрегата происходит при

приближении реакции на задних колесах шасси rb = 0 , тогда выражение (2.35) принимает вид

ОГр'd = 'Ь, (2.36)

Огр max = ^ = 16270 Н , (2.37)

где Ь - расстояние от передней оси колес самоходного шасси, до центра тяжести, м;

QT Тр - вес приложенный в центре тяжести; Н;

Огр - максимальный вес поднимаемого груза, Н.

Таким образом опрокидывание механизма погрузочно-транспортного агрегата через передние опоры произойдёт при поднятии груза массой тГ = 1658 кг.

Поперечная устойчивость погрузочно-транспортного агрегата определяется для случая, когда погрузчик движется поперек склона. При полной разгрузке одной из сторон наступает опрокидывание механизма. Для этого в данном случае необходимо определить угол поперечного уклона, при котором погрузчик начинает опрокидываться (рис.2.21).

Сумма проекции всех сил на ось х

£F(x) = 0 ; -ОГр - QTтТр + Ra -cosa + Rb • cos а = 0, (2.38)

где Ra - реакция опоры переднего колеса в точке А , Н;

Re - реакция опоры переднего колеса в точке В , Н;

Рисунок 2.21 - Схема к определению статической поперечной устойчивости

при движении поперек склона

Сумма моментов относительно точки А

с

XМ(А) = 0; Огр • Ь• ^

\

— • соб а-1 • б1п а

к 2 у

0, (2.39)

где И- расстояние от центра поднимаемого объекта до поверхности груза, м; е- колея самоходного шасси погрузчика, м;

I- расстояние от центра тяжести самоходного шасси до поверхности поля; м; а- угол поперечного уклона а, град. из условия (2.39) получено выражение угла

а = агс^

' вГр • к + 0 • Л

к

0,5 • 0 • е

агсс£(2,5) = 21,8°,

(2.40)

(2.41)

Получаем, что предельное значение угла поперечного уклона, при котором произойдет опрокидывание погрузчика, составляет а > 21,8°.

Для фронтальных погрузчиков в соответствии с ГОСТ 18962-86 и ISO 369180, при работе со штучными грузами допускается угол наклона относительно опорной поверхности в продольной плоскости - 4% и 18% при движении погрузчика с опущенным грузом, в поперечной же плоскости допускается 6%. При движении погрузчика процент наклона можно определить как 15 ± 1,1 V, где F-скорость движения, км/ч.

На основании результатов выполненных расчётов, можно сделать вывод, что для разработанного погрузочно-транспортного агрегата обеспечивается необходимая продольная и поперечная устойчивость.

2.3.4. Обоснование параметров клещевого захвата сеток

Гарантированное удержание груза захватом обуславливается либо геометрическим замыканием, либо силовым замыканием, обеспечивающим невозможность поступательных и вращательных движений захватываемых тел [133].

При удержании груза только за счет сил трения плоских поверхностей губок (рис. 2.22)

N = N = ^, (2.42)

где / - коэффициент трения поверхности груза.

На практике часто встречается сложное нагружение захватных устройств. Для таких случаев расчет следует проводить для наиболее неблагоприятного сочетания нагрузок, если оно однозначно не определяется, или делать это для нескольких вариантов нагружения.

Для рычажного захвата

N

P >j

2£ Mj -cosp

-, (2.43)

b-ц

где р - угол рычажной системы; b - размер плеча рычага; Ц = 0,90-0,95-КПД, учитывающий потери на трение в рычажной системе.

Mj = Nj (l + b - cos р) - момент на рычагах захвата, Нм.

В зависимости от размера сетки с овощами ее масса брутто, также варьируется в различных пределах (табл.2.1)

Таблица 2.1 - Соотношение размера сетки и массы брутто

Размер сетки, см Масса брутто, кг

30 х 47 до 9 кг

40 х 60 до 20 кг

45 х 75 до 30 кг

50 х 80 до 40 кг

Зависимость удерживающей силы от геометрических параметров в общем

виде

2 N(ь+ь • шбР) • Р(р) =-^- (244)

Графические зависимости удерживающей силы Р в зависимости от угла положения рычага р при различных массах брутто мешков с овощами приведены на рис. 2.23, а на рис. 2.24 представлена поверхность, характеризующая зависимость удерживающей силы Р от угла положения рычага р и его длины Ь. Например, задавшись длиной рычага Ь=0,3 м и выбрав угол положения рычага ф=450 в положении зажатия сетки с овощами получаем минимально необходимое удерживающее усилие Р=800 Н. Таким образом, полученные зависимости (2.43), (рис. 2.23) и (рис 2.24) позволяют на этапе проектирования захватного устройства выбрать приводы для обеспечения необходимой удерживающей силы. Здесь, однако следует помнить о том, что удерживающим грузом являются овощи, которые при значительном силовом воздействии на них, могут быть повреждены [71, 82, 99, 143, 144].

Р.Н

1.2х 10

Р1(Ф) Р2(ф) Р3(ф)

„Пи

4'

200

Ччч т=^0 кг

. ГП-ЗО К2 чч

••./ ч \ ч ч ч ч N

кг' ч ч ч ч

*••

0.2 0.4 0.6 0.8

Ф

(р. род

Рисунок 2.23 - Зависимость удерживающей силы от массы мешка и угла

положения рычага захвата

□0-200 О 200-400 о 400-600 600-800 □ 800-1000 □ 1000-1200 о 1200-1400

Рисунок 2.24 - Зависимость удерживающей силы Р от угла положения рычага <р и его длины Ь при массе брутто т=30 кг

Для клещевого захвата (рис. 2.25) приведенные усилия замыкания

к • О

N = И2 = кО (245)

1 2 2 • tgp' (2 45)

где /3 - угол между горизонталью и направленным нормалью реакцией опорой поверхностью груз.

Рисунок 2.25 - Расчетная схема клещевого захвата

Для клещевых захватов значение усилия в захватной петле

Р = ^2 • 0 , (2.46)

где к2 - коэффициент учитывающий силу тяжести захвата и потери на трение в его шарнирах

Коэффициент к2 можно рассчитать по формуле

в.

к. = к • (I + —)

2 п у ф,

(2.47)

где О - сила тяжести захвата;

кп - коэффициент потерь на трение в шарнирах (кп = 1,15...1,20).

Уравнение равновесия рычага захвата

5 • Ь - N. • I + = 0

N • I

Из выражения (2.47)

5 =

4

да 4

Ь

5 =

Р

К • в

или с другой стороны

™ 2 •Бта 2 •Бта

Приравнивая выражения (2.48) и (2.49) получим

N• I-0,25• в• а_ К• в

(2.48)

(2.49)

(2.50)

Ь

2• Б1па ,

Б1па

к2 • Ь

(2.51)

(2.55)

откуда 2 • N • I - 0,5 • в • а

Последнее выражение можно использовать при проектировании захвата

мешков

Б1па =

к2 • Ь

к2 • I Л с 2 0,5 • а

(2.53)

tg3

Минимально необходимое удерживающее усилие определится из выражения

Р(р) >

2 • соб(( N • I - 0,25 • в • а)

Ь

(2.54)

На рис. 2.26 представлена зависимость удерживающей силы клещевого захвата по схеме рис 2.25 от угла положения рычагов ф и их длине Ь. Как видно из зависимости, величины удерживающих сил в клещевом захвате с загнутыми губками в 5 раз меньше, чем у захвата с плоскими губками. Вследствие чего, последняя схема предпочтительнее с точки зрения меньшего силового воздействия на сетку с овощами и соответственно меньшего повреждения овощей [43, 96].

□ 0-50 С150-100 □100-150 □ 150-200 О200-250 □ 250-300

Рисунок 2.26- Зависимость удерживающей силы Р от угла положения ф и

его длины Ь при массе брутто

3. ФОРМИРОВАНИЕ ОРИЕНТИРУЮЩИХ ДВИЖЕНИЙ И ПЛАНИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИЙ ЗАХВАТА ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА

3.1. Задача ориентации захвата в пространстве

Важным показателем работы автоматических и полуавтоматических грузоподъемных механизмов является точность позиционирования грузозахватного органа (захватного устройства). Обычно требуется по условиям технологического процесса точность позиционирования грузозахватного органа ниже, чем точность позиционирования исполнительных приводов. По точности позиционирования погрузочные манипуляторы можно поделить на 4 класса (табл. 3.1) [20]. Например, краны-штабелеры для работы в складах имеют механизмы с повышенной точностью остановки, а автоматизированные грейферные с низкой, что достаточно по условиям технологического процесса.

Таблица 3.1. - Классы точности позиционирования погрузочных

манипуляторов.

Абсолютная погрешность позиционирования механизма, мм Класс точности

±2...3 высокий

±5...10 повышенный

±25.50 средний

±100.200 низкий

Требуемая точность позиционирования, зависящая от величины допустимых отклонения положений груза на исходной позиции и позиции разгрузки (в начальной и конечной конфигурации), а также от допустимого

несовпадения главных осей грузоподъёмного устройства как правило достигается посредством жесткого подвеса.

Перспективность автоматизации и роботизации подъемно-транспортного агрегата на основе манипулятора с клещевым захватом определяется по следующим признакам:

1) реализация координатных степеней подвижности: переносных и ориентирующих;

2) применение грузозахватного устройства в виде клещевого захвата;

3) установка на мобильном шасси механизма переноса манипуляционного устройства;

4) относительное однообразие объектов манипулирования (грузов) по их форме и массе;

5) сравнительно невысокую (преимущественно среднюю) требуемую точность позиционирования (грузов);

6) возможность организации строго регламентированного технологического процесса.

Погрузчик (рис.3.1) имеет одну переносную глобальную координату Б со скоростью перемещения шасси Уш, угловую скорость поворота основания трипода ю и три обобщающих координат трипода 12 и /3 обеспечивающих перемещения точки М подвеса захвата со скоростями УМх, УМу и УМг ,представляющими

проекции скорости Ум на координатные оси, грузозахватное устройство-клещевой захват.

Перемещение грузов т (мешков с овощами) осуществляется между двумя точками: П (, у1,) -расположение сетки на поле относительно подвижной

системы координат х'у^', привязанной к корпусу шасси и П (х1, у,) -координаты клещевого положения сетки в кузове самоходного шасси: где 1 = 1... М- количество сеток на поле; у =1...^-количество мест в кузове (при вертикальном однорядном расположении сеток в кузове К=24).

Рисунок 3.1 - Расчетная схема к обоснованию ориентирования захвата

Производительность погрузочно-транспортных работ при подборе сеток с луком зависит от скоростей исполнительных приводов, технологической скорости шасси, равномерности распределения сеток по полю, и что не мало важно, ориентации сеток по отношению к самоходному погрузчику.

Функциональная модель (рис.3.2) описывает состояние системы «технология-машина-груз». Входными воздействиями является количество сеток, расположенных на единицу площади поля О^), д(г) управляющими средствами является конструктивные особенности (геометрические параметры) захвата и манипулятора погрузочно-транспортного агрегата к@), V(г) - рабочие скорости исполнительных приводов, /(¿) - режимы согласования совместной работы приводов. К не управляющим факторам н (г) следует отнести расположение в пространстве сетки на поле относительно рамы шасси Я(г).

Рисунок 3.2 - Функциональная модель системы

К выходным переменным У(?) относится валовый сбор (погрузка) Q(t) (в единице времени) потери в виде разорванных сеток Л(г) и сменная производительность погрузочно-транспортного агрегата П(С).

Ориентация сетки с луком в пространстве определяется в системе декартовых координат, связанной непосредственно с рамой самоходного шасси, т.е. ориентация сетки определяется относительно шасси (рис.3.3) с помощью углов а, /3 и У [38, 39, 40,142].

а) б)

Рисунок 3.3 - Ориентация сетки в пространстве: а - возможные случаи расположения сетки относительно систем декартовых координат; б - ориентация сетки, описанная углами систем декартовых координат

Рассмотрим наиболее характерные случаи ориентации сеток (частные случаи) относительно координатных осей по расположению в пространстве единичного вектора г , проходящего через ось симметрии сетки.

Для случаев относительного расположения сеток может быть три варианта (рис. 3.4)

Рисунок 3.4 - Случаи ортогонального расположения сеток: а -расположение сетки на оси б - расположение сетки на оси х; в - расположение

сетки на оси у

Положение сеток в пространстве сеток можно определить по значениям углов а,(3 или по направляющим косинусам

Со?(г А / ),Са?(г А]),Са?(г тогда указанные на рис.3.4 частные случаи можно записать как:

случай а) - г - к или

0 1

(3.1)

случай б) - V — I или

случай в) - г = 7 или

0 1 0

1" 0 0

(3.2)

(3.3)

Для рассмотрения следует принять вариант расположения сетки указанных на рисунке 3.5 (а, б) в плоскости хоу под углом к осям х и у.

а) б)

Рисунок 3.5- Вариант расположения сетки: а - расположение сетки вариант I ; б - расположение сетки вариант II

Малость углов С и р будет компенсирована соответствующей подвижностью захвата, поэтому интерес будет представить обобщённый случай, когда с ~ р ~ тс /4.

Направляющие косинусы для этого случая (для различных четвертой

координат)

Со?(г АГ) = ±л/2/2 ; л7) = ±лУ2/2 ;

Соб^г Ак) = О

Или единичный вектор V

г

±0,707 ±0,707 0

г =

±72/2 ±>¡212 0

Не исключены случаи, представлены на рисунке 3.6, когда

0«Сш(гЛО<1; 0 « Соб{г л 7)«1; 0« С<ю(г л£) «1.

(3.4)

(3.5)

(3.6)

(3.7)

(3.8)

(3.9) (3.10)

Рисунок 3.6 - Частный случай расположения сетки

Следует также учитывать взаимное расположение сеток. Близкое расположение сеток друг к другу может мешать их захвату, как это показано на рис. 3.7.

а) б)

Рисунок 3.7 - Смежное растояние сеток в плоскостях декартовых координат: а -горизонтальное расположение мешков; б - вертикальное расположение мешков

Для обеспечения гарантированного захвата сетки необходимо чтобы расстояние между осями рядом стоящих сеток (рис. 3.8) должно быть

а) б)

Рисунок 3.8- Обоснование расстояния захвата: а - геометрические размеры мешка сетки; б - геометрические размеры клещевого захвата

Ь > 2£ + р (3.11)

где 5 - ширина сеток, м;

р - расстояние между сетками, м. На основе полученных статических данных ориентирование сеток на поле обосновывается ориентирование клещевого захвата.

Анализ характера расположения сеток в пространстве представляем на рис. 3.9, соответствующее случаю, приведенному на рис.3.4.

Рисунок 3.9. Анализ расположения сеток в пространстве

3.2. Планирование траекторий и программных движений исполнительных приводов механизма манипулятора

Эффективность и производительность погрузочно-транспортного агрегата напрямую зависит от расположения и ориентирования в пространстве мешков на поле [5].

Одной из задач управления захватом является достижение заданной точки в неопределенной внешней среде при избежании столкновений со стационарными и подвижными объектами. В некоторых случаях управление захватом должно обеспечивать движение по желаемой траектории [22, 42, 43, 44].

С целью планирования программных движений исполнительных приводов манипулятора рассмотрен технологический процесс сбора и погрузки сеток с овощами погрузочно-транспортным агрегатом (рис. 3.10).

Мешки с овощами в случайном порядке расположены на поле в точках С1,С2,...Сх. Самоходное шасси 1 движется по полю с заданной технологической скоростью ¥сш, причем эта скорость является постоянной на заданном участке

(Усш=сот1). На шасси установлен кузов 2 для укладки сеток, погрузка и укладка осуществляется роботизированным манипулятором 3 с клещевым захватом для сеток (мешков).

В общем случае последовательность захвата мешка рассчитывается решением задачи коммивояжера, т.е. наиболее кратчайшими расстояниями

812,823,834 и т.д.

Задачу оптимального перемещения можно представить в виде минимизации функции

п

Ф1 =Е ^ тш- (3.12)

г=1

а) б) 6)

Рисунок .3.10 - Технологический процесс сбора и погрузки сеток с овощами: а - перемещение погрузочно-транспортного агрегата к мешку С1; б -перемещение погрузочно-транспортного агрегата к мешку С2; в - перемещение погрузочно-транспортного агрегата к мешку С3;

При захвате сетки в точке C1 захват перемещается в заданные координаты, при этом точки м и Cl совмещаются. Захваченный мешок перемещается в ближайшее свободное место в кузове (рис. 3.10, а) по кратчайшей траектории Pi. Для данного вида перемещения захвата с мешками в кузов оптимальным будет решение минимизации функции

n

Ф =ZP ^min. (3.13)

i=1

Пока осуществлялось перемещение захвата с мешками по траектории P1 (рис.3.10, а) и H1 (рис.3.10, б) шасси переместилось на расстояние Lcm.

После того, как мешок C1 был погружен, захват необходимо переместить к следующей точке C2, при этом если нет препятствий, то траектория H1 может быть любой, за критерий здесь можно принять функцию минимизации времени

n Н

Ф3 = ^min' (3.14)

где Vcm=const;

VMcp - средняя скорость точки М перемещения захвата за цикл.

После захвата мешка из точки C2 он перемещается в кузов в ближайшее свободное место по траектории Pi+1. Далее весь технологический захват повторяется до полного заполнения кузова.

В результате получаем следующие критерии оптимальности, представленные в выражениях (3.12, 3.13, 3.14). Перемещение мешка в кузов Pi желательно осуществлять по кратчайшему расстоянию, то же относится и к перемещению захвата к мешку Si, а перемещение Hi желательно производить за минимальное время [1, 6, 11, 108, 109, 137].

С целью формирования траекторий движения захвата манипулятора погрузочно-транспортного агрегата задавшийся временным законом изменения траекторий

о/Л (U2 + U2-l) •V"max • t2 v

Si (t) = -^-+ Щ-l • Vmax • t (3.15)

u = i

у - относительная скорость в i-й точке траектории, для выбранных

max

типов электро- и гидроцилиндров находится в пределах 0,325.. .1; Vmax =0,2 м/с - максимальная скорость движения захвата;

Si =1,1.3,2 м - величина пути между опорными точками на i-м интервале, зависит от координат точки захвата груза с поля и точки погрузки в кузов самоходного шасси.

При этом средняя скорость перемещения захвата на i-м участке определится

как

V (S) = Vm

Vv. .S +

Cir i-1

V Si J

(3.16)

Важным параметром является равномерность движения погрузочно-транспортного агрегата по полю.

Время выполнения технологического процесса погрузки мешков в кузов определяется из выражения [80]

N-1

N-Z h

ттп =—7Г--кч + твц (3.17)

р

N - количество мешков умещающихся в кузов; - расстояние между соседними (близлежащими) мешками;

Уср - средняя скорость движения технического погрузочно-транспортного агрегата;

Рр - вероятность нахождения погрузочно-транспортного агрегата

непосредственно в работе;

кц -коэффициент потерь циклового времени, зависящий от особенностей

организации технологического процесса погрузки, в том числе от расположения мешков на поле, ориентации их в пространстве;

ТВц - внецикловое время (затрата времени на ежесменное техническое обслуживание.

Расчетная (техническая) производительность погрузочно-транспортного агрегата при работе с одинаковыми по весу штучными грузами определится как

Wт=n■Qnkр■kв, (3.18)

где п=3600/tц - число циклов перемещения грузов при непрерывной работе за час;

Qn■ =0,035.0,05 т - масса груза;

^р=0,65...0,85, ^ = 0,91 - соответственно коэффициенты использования грузоподьемности и использования по времени;

tц - время, затрачиваемое на движение захвата в течение цикла, с.

С учетом выражений (3.15) и (3.16) продолжительность цикла

£ц = £Е?(| + £п), (3.19)

где 8=0,7.0,8 - коэффициент совмещения операций;

tП - время пауз и время на захват и освобождение груза, с,

Таким образом, выражение (3.18) с учетом (3.19) примет вид

Для разработанного погрузочно-транспортного агрегата при принятых выше значениях параметров расчетная производительность составляет 1,85 т/ч, 1,62 т/ч и 1,89 т/ч соответственно при работе с грузами (мешками) 30 кг, 40 кг и 50 кг.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА С МАНИПУЛЯТОРОМ-ТРИПОДОМ

Для выработки окончательных рекомендаций о внедрении новых грузоподъемных средств в практику сельскохозяйственного производства требуется их всесторонняя проверка на реальных (экспериментальных) образцах. Экспериментальные исследования предусматривают на практике исследование наиболее характерных образцов, которые бы учитывали специфику работы всего семейства новых грузоподъемных средств на основе пространственных механизмов.

К числу таких погрузочных средств относится и разработанный погрузочно-транспортный агрегат с манипулятором-триподом и клещевым захватом.

Задачами экспериментальных исследований является проверка адекватности теоретических обоснований конструкции и математических моделей реальному экспериментальному образцу погрузочно-транспортного агрегата с манипулятором триподом и клещевым захватом.

Для решения поставленных задач составлена программа экспериментальных исследований, куда входят:

- разработка и изготовления экспериментального образца погрузчика сеток с манипулятором-триподом и клещевым захватом;

-установка системы датчиков, монтаж измерительной регистрирующей аппаратуры, тарировка датчиков и оценка погрешностей измерений;

- испытание погрузчика в реальных условиях при погрузке овощей в мягкой таре, определение фактической производительности погрузочно-транспортного агрегата.

Экспериментальная работа разбивалась на следующие этапы: изготовление конструкции погрузчика, испытание и проверка работоспособности как отдельных его узлов, так и в целом всей машины. Отработка управляющих алгоритмов и основных траекторий перемещения захвата осуществлялась в лабораторных условиях, и только после этого проводились экспериментальные

исследования погрузочно-транспортного манипуляционного средства в условиях, приближенных к реальному технологическому процессу.

При проведении исследований ставились следующие основные задачи:

1. Проверить работоспособность предлагаемой конструктивной схемы и соответствие теоретической зоны обслуживания фактической.

2. Проверить в работе новые технические решения и взаимодействие общеприемлемых элементов грузоподъемных машин с пространственными механизмами на основе экспериментов.

3. Экспериментально определить основные параметры кинематики и динамики и сопоставить их с теоретическими данными.

4. Проверить в работе специфические схемы управления исполнительными цилиндрами по различным законам программных передвижений.

5. Выработать рекомендации по применению новых грузоподъёмных средств в условиях сельскохозяйственного производства.

4.1. Экспериментальный образец погрузочно-транспортного агрегата

Погрузочно-транспортный агрегат состоит из самоходного шасси Т-16МГ (рис. 4.1, 4.2) 1, к раме 2 которого крепится пространственный параллелограмный механизм, который состоит из четырех стоек 3, 4, 5, 6, закрепленных посредством цилиндрических шарниров 7, 8, 9, 10, 11, 12 к раме 2 самоходного шасси, позволяющих при помощи исполнительных цилиндрров 13, 14 осуществлять угол поворота таким образом, что платформа 15 сохраняется в горизонтальном положении. К платформе 15 крепится манипулятор-трипод, имеющий три линейных электромеханических привода 19, 20, 21 концы, которых с одной стороны крепятся с помощью шарниров 16, 17, 18 к платформе 15. Штоки противоположных концов трех линейных приводов-актуаторов 19 - 21 соединены между собой и с двухстепенным управляемым захватом 22 посредством пятиподвижного сферического шарнира 23 [1, 2, 3, 4, 5].

Рисунок 4.1. - Крепление пространственно-параллелограммного механизма

к лонжеронам самоходного шасси: 1-лонжероны самоходного шасси, 2 - точки крепления нижней платформы

пространственно-параллелограммного механизма к лонжеронам шасси

Погрузчик манипулятор имеет возможность установки относительно шасси в различных положениях в продольной плоскости. Это позволяет устанавливать кузов нестандартных размеров, а также изменять цент тяжести погрузочного агрегата.

На основание 15 и рамы 2 установлены датчики технического зрения 24, 25, таким образом, чтобы обеспечивать обзор для распознавания и определения координат захватываемого груза [99, 100, 102, 103, 110, 111, 112, 113, 114, 141].

Двухстепенной управляемый захват 22 содержит два независимых звена 26, 27 и грузозахватный орган 28, расположенных последовательно друг за другом, при этом звенья 26 и 27 соединены между собой посредством вращательных цилиндрических шарниров с кинематической парой пятого класса.

Рисунок 4.2. - Устройство погрузочно-транспортного агрегата: 1 - самоходное шасси; 2 - рама; 3,4,5,6 - стойки; 7,8,9,10,11,12,16,17,18 - шарниры;13,14 - привода параллелограммного механизма; 15 - платформа; 19,20,21 - линейные привода (актуаторы); 22 - управляемый захват; 23 - пятиподвижный сферический шарнир; 24, 25 - датчики технического зрения; 26,27 - звенья; 28 -грузозахватный орган; 29 - рычаг клещевого захвата; 30 - линейный привод (гидроцилиндр); 31 - блок управления; 32 -

кузов.

При этом ось симметрии 21 пятиподвижного сферического шарнира 23 перпендикулярна оси симметрии 72 звена 26 двухстепенного управляемого захвата 22, а ось звена 27 совпадает с осью симметрии 21 пятиподвижного сферического шарнира 23 и 72 звена 26. Грузозахватный орган 28 самоустанавливающийся и управляется линейным приводом 30.

Самоходное шасси 1 двигающееся по полю распознаёт объект с помощью датчика системы технического зрения 25 установленного на раме 2, после чего блок управления 31 отдает команду двум линейным приводам 13, 14, которые осуществляют наклон пространственного параллелограммного механизма, затем датчик технического зрения 24 установленный на платформе 15 распознаёт объект манипулирования и определяет его координаты расположения, далее блок 31 управления отдает команды исполнительным приводам 19, 20, 21, и 30 на перемещение объекта.

Изменение длины штока хотя бы одного линейного привода 19 , 20, или 21 пространственного стержневого механизма, способствует изменению геометрии всей пространственной структуры. Шарниры 7, 8, 9, 10, 11, 12, 16, 17, 18 обеспечивают необходимую двухстепенную подвижность стоек 3, 4, 5, 6 относительно рамы 2, и линейных приводов относительно платформы 15. Вследствие изменения геометрии параллелограмного механизма и пространственного механизма манипулятора-трипода перемещается сферический пятиподвижный шарнир 23, который уводит за собой захват 22 и грузозахватный орган 28. Таким образом, максимальное перемещение грузозахватного органа 28 выполняется параллелограмным механизмом и параллельно-пространственным механизмом манипулятора-трипода. Дальнейшее регулирование оптимального положения грузозахватного органа 28 в пространстве осуществляется самоустанавливающимися звеньями 26 и 27 управляемого захвата 23. После того как грузозахватный орган 28 полностью будет сориентирован в нужное положение, происходит захват груза с помощью линейного привода 30 и перенос его в кузов 32. Техническая характеристика погрузочно-транспортного агрегата представлена в (табл. 4.1).

Таблица 4.1. - Техническая характеристика погрузочно-транспортного агрегата с

манипулятором

Максимальная грузоподъемность, кг. 150 кг

Масса груза, перевозимого в захвате, кг. 100 кг

Мамксимальная высота подъема захвата, м. 2500 мм

Максимальный вылет захвата в сторону от шасси (влево и вправо), от его продольной оси, м 3300 мм

Собственная масса конструкции (без массы шасси), кг 205 кг

Тип гидронаса НШ-10

Тип гидрораспределителя MSV04A

Ход штока силовых цилиндров, мм 330 мм

Диаметр штока 40 мм

Внутренний диаметр цилиндра 50 мм

Тип электроцилиндров САНВ-21 SKF

Напряжение питания электроцилиндров, В 24 В

Максимальный ток, потребляемый электроцилиндрами, А 8 А

Вся конструкция манипулятора выполнена в виде навесного модуля на лонжероны самоходного шасси. Это позволяет использовать его с различными энергетическими модулями: Т-16МГ, СШ-2540, ВТЗ-ЗОСШ, Агромаш 30СШ/50СШ.

Исполнительный привод манипулятора является комбинированным. манипулятор-трипод выполнен на основе электроцилиндров SKF CABH-21 с питанием от постоянного тока напряжением 24 В.

По сравнению с традиционными схемами тракторных погрузчиков с подъемно-поворотной стрелой в грузоподъемных средствах на базе пространственных механизмов достигается снижением массы конструкции навесного оборудования в 1,5... 2 раза, а в ряде случаев до трех раз.

Использование электроцилиндров обосновывается и тем обстоятельством, что программное управление одновременно несколькими, кинематическими зависимыми приводами, несколько проще и дешевле организовывать посредством ШИМ - управления, нежели устройствами гидравлического объемного регулирования. Тем более что электроцилиндры предназначены для постоянного позиционирования захвата и перемещения его по различным траекториям.

Для отработки штатного управления использовался диагностический стенд (рис 4.3.), состоящий из следующего оборудования: 1 - пульта управления исполнительными приводами; 2 - испытательного актуатора; 3 - блока регистрации параметров, 4 - двух аккумуляторный батарей (напряжение питания 24В). На данном стенде отрабатывались программные движения приводов по различным программным законам.

Рисунок 4.3. - Стенд для отработки штатного управления: 1 - пульт управления исполнительными приводами; 2 - актуатор; 3 - блок регистрации параметров; 4 - аккумуляторная батарея.

В кабину трактора Т-16, был установлен дополнительный четырехсекционный гидрораспределитель (рис. 4.5.), подключённый к главному гидрораспределителю через напорную магистраль и обеспечивающему дополнительную защиту при перегрузке давления. Также была смонтирована новая гидросистема, включающая в себя, гидробак и масленый фильтр (рис. 4.4.). Гидронасос использовался штатный типа НШ-10 [130, 133, 134].

Рисунок 4.5. - Дополнительная гидросистема манипулятора: 1-гидробак; 2-

масленный фильтр.

Гидравлическая схема представлена на рис. 4.6. Управление исполнительными приводами гидроцилиндрами Ц1, Ц2 и Ц3 осуществляется четырехсекционным гидрораспределителем Р. Причем, гидроцилиндры поворота стрелы параллелограммного механизма Ц1 и Ц2 работают параллельно, вследствие чего они подключены к секции распределителя через делители (сумматоры потока). Гидроцилиндр управления захватом Ц3 управляется от второй секции гидрораспределителя, гидросистема привода исполнительных цилиндров имеет отдельный бак Б и предохранительный клапан КП в сливной магистрали [94].

в

Рисунок 4.6 - Гидравлическая схема привода исполнительных гидроцилиндров стрелы и клещевого захвата

На рисунке 4.7 представлена функциональная схема централизованной однопроцессорной системы управления приводами манипулятора-трипода. В данной системе модулем управления двигателями постоянного тока электроцилиндров (актуаторов), является имикроконтроллер STM32F407 с архитектурой ARM Cortex-M4F. Регулирование скорости движения штока, происходит за счет изменения управляющего ШИМ-сигнала, максимальная скорость таких электроцилиндров составляет 45 мм/с при максимальной нагрузке на шток в 2,3 кН и 65мм/с без нагрузки. На двигатели приводов установлены потенциометрические датчики обратной связи, с помощью которых определяется текущее положение штока электроцилиндра. Задаваемые программные законы перемещения захвата реализуются с помощью системы управления, осуществляющей текущий контроль положения штоков электроцилиндров (рис. 4.7). Микроконтроллер STM32F407 оснащен АЦП и контролерами интерфейсов USB 2.0, Ethernet и RS-232.

Управляющий ШИМ-сигнал генерируется встроенными таймерами микроконтроллера, которые включаются микросхемами мостовых усилителей. Микросхемы VNH3SP30 и схема двухканального полного H - моста выполняют функцию усилителя. На цифровых выходах GPIO контролера задаются управляющие сигналы реверсивного вращения двигателя (направление движения штока). Для измерения тока в обмоткам приводных электродвигателей актуаторов в разрыв цепи включен датчик тока ACS 712. На вход встроенного АЦП контролера поступает выходной аналоговый сигнал датчика, который пропорционален протекающему току.

Рисунок 4.7 - Функциональная схема системы управления приводами манипулятора-трипода и гидропривода

механизма пространственного параллелограммного механизма.

4.2 Методика экспериментального исследования и измерительная

аппаратура

4.2.1 Методика регистрации параметров

Особенностью разработанной конструкции является то обстоятельство, что при равномерном движении штока гидроцилиндра скорость груза в общем случае - величина переменная. Поэтому определение скорости груза и его ускорения, а также степени влияния на эти параметры каждого цилиндра - задача довольно сложная. Чтобы решить ее, необходимо связать перемещения всех штоков гидроцилиндров во времени и пространстве о перемещением груза.

Особенностью силового анализа конструкции является наличие знакопеременных усилий в цилиндрах. Величины этих усилий можно определить, зная давление в штоковой и поршневой плоскостях каждого гидроцилиндра управления параллелограммным механизмом.

Таким образом, исходя из изложенных выше особенностей манипулятора, необходимо замерять следующие параметры:

- перемещение штока каждого электроцилинда и гидроцилиндра;

- давление в напорной магистрали гидропривода.