ГРУЗОПОДЪЕМНЫЙ МАНИПУЛЯТОР
LOAD LIFTING MANIPULATOR

Изобретение относится к подъемно-транспортным машинам для перемещения шарнирно-подвешенных грузов в вертикальной плоскости и может найти применение в автоматических линиях и роботах-манипуляторах, преимущественно для безопасного подъема и опускания хрупких (например, стекло), тонкостенных и взрывоопасных (боеприпасов) грузов, а также опасных емкостей с жидкими радиоактивными отходами, кислотами, расплавленным металлом и ядовитыми веществами.
Известен грузоподъемный манипулятор, содержащий установленное на опорной стойке шарнирно-сочлененное устройство для перемещения подвешенного груза и выполненное в виде многозвенного рычажного механизма, состоящего из поворотной стрелы с шарнирным подвесом груза и оттяжки, присоединенных нижними шарнирами к неподвижной стойке и верхними шарнирами к шатуну, с которым жестко закреплен прямой хобот (Петухов П.З. и др. «Специальные краны: Учебное пособие по специальности «Подъемно-транспортные машины и оборудование»» - М.: Машиностроение, 1985, с. 163, рис. 6) - аналог №1.
Недостатками известного грузоподъемного манипулятора являются:
1. Подъем и опускание груза происходят с большими отклонениями от вертикали (с амплитудой более 1 метра), что приводит к раскачке с колебаниями груза и может вызвать аварийный обрыв строп и падение груза с высоты.
2. В конце опускания при посадке и полной остановке движущегося груза происходят жесткие динамические удары переносимого груза об опорную поверхность, которые возникают как из-за раскачки при перемещении груза, так и от снижения скорости движения груза до нуля за счет его удара о неподвижную опорную поверхность, что недопустимо при перемещении хрупких (например, стекло), тонкостенных (например, яйцо) и взрывоопасных (например, боеприпасы) предметов, а также емкостей с опасными жидкостями (радиоактивные отходы, кислоты, расплавленный металл и ядовитые вещества).
Известен также грузоподъемный манипулятор, представляющий «Таль для подъема опасных грузов», которая содержит корпус из трех пластинчатых щек, редуктор с установленным на нем основным дисковым фрикционным автоматическим грузоупорным тормозом, а также дополнительный второй фрикционный автоматический грузоупорный тормоз с храповым диском и подпружиненной собачкой, заключенный между двумя фрикционными дисками (Патент RU №2401243 от 08.06.2009 «Таль для подъема опасных грузов», опубликовано 10.10.2010, МПК В66Д3/12(2006.01) и МПК В66Д5/12(2006.01)) - аналог №2.
Недостатками указанного грузоподъемного манипулятора являются: 1. Сложная и ненадежная, особенно при подъеме опасных грузов, конструкция грузоподъемного привода из-за применения сложной системы из двух фрикционных грузоподъемных тормозов с многозвенной системой их автоматического срабатывания - из-за возможности их полного отказа при аварийном падении поднятого на высоту подвешенного груза в следствии неизбежной во всех фрикционных передачах пробуксовки и износа фрикционных элементов тормозов, а также из-за отказа их аварийных включателей.
2. При возможной ситуации отказа приводного двигателя и зависании в воздухе поднятого на высоту опасного груза не обеспечивается его аварийная эвакуация путем плавного опускания вниз на опорную поверхность.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является применяемый в грузоподъемных машинах и роботах грузоподъемный манипулятор, содержащий установленное на опорной стойке шарнирно-рычажное устройство для перемещения подвешенного груза, соединенного с шарнирным подвесом крюка, которое выполнено в виде кинематически связанных между собой двух кривошипных механизмов и одного двухкоромыслового механизма многошарнирного привода, в котором шарнирный подвес крюка с подвешенным грузом соединен с удлиненным шатуном, совершающим криволинейное перемещение вместе с подвешенным грузом при вращении ведущего коромысла (Енчев К.Ц., Стойкое С.Б. «Совмещение экстремального и оптимизационного синтеза при проектировании направляющего механизма портального крана // Теория механизмов и машин, №2 (12), 2008, Том 6.- Изд-во СПбГПУ - С. 38, рис. 3 (http:tmm.spbstu.ru)») - прототип. Недостатками указанного грузоподъемного манипулятора являются:
1. Криволинейное перемещение подвешенного груза (с экспериментально установленной амплитудой до 0,7 метра) приводит к возникновению автоколебаний и раскачиванию с колебаниями этого груза, что снижает точность его приземления на опорную поверхность, увеличивает затраты мощности приводного электродвигателя и может вызвать аварийный обрыв и падение груза с высоты.
2. В конце опускания при посадке и полной остановке движущегося груза происходят жесткие динамические удары переносимого груза об опорную поверхность, которые возникают как из-за раскачки при перемещении груза, так и от гашения скорости движения груза до нуля о неподвижную опорную поверхность, что недопустимо при перемещении хрупких (например, стекло), тонкостенных (например, пустотелых) и взрывоопасных (например, боеприпасы) предметов.
3. Для повышения плавности движения и снижения указанных жестких динамических ударов в конструкции манипулятора снижают скорости подъема и опускания груза за счет применения сложного понижающего редуктора с большим передаточным отношением (в тысячу и более раз), что усложняет и удорожает привод манипулятора и уменьшает его производительность.
4. Сложная и ненадежная конструкция привода из-за рекомендуемой при переносе опасных грузов (книга Красков Л.М. «Охрана труда в условиях повышенной опасности» - Днепропетровск: Изд-во «Проминь», 1981, с. 32) сложной системы двойных фрикционных тормозов с возможность их отказа при аварийном падении груза из-за неизбежной пробуксовки, постоянного износа фрикционных колодок и отказа их аварийных включателей.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в обеспечении безопасного подъема и опускания подвешенного груза точно по вертикальной прямой без его бокового раскачивания с последующим плавным опусканием на опорную поверхность, предотвращении самопроизвольного падения этого груза с высоты и жестких динамических ударов при отказе привода, а также упрощении конструкции и повышении надежности работы грузоподъемного манипулятора.
Получение технического результата достигается за счет того, что грузоподъемный манипулятор содержит установленное на опорной стойке шарнирно-рычажное устройство для перемещения подвешенного груза, выполненное в виде двух установленных один внутри другого и подпружиненных между собой четырехзвенных шарнирных механизмов, где звенья, звенья одного из шарнирных механизмов выполнены попарно одинаковой длины и установлены на опорной стойке, а звенья другого шарнирного механизма образуют внутренний симметричный шарнирный ромб и связаны с опорной стойкой через упругий элемент и через поворотный рычаг одинаковой с опорной стойкой длины, который выполнен двухплечим с острым углом развала плеч β<90° и сблокирован с параллелограммным механизмом, на шатуне которого установлена подвижная платформа приема опускаемого подвешенного груза. Для регулирования высоты подъема подвешенного груза и его расположения относительно опорной стойки (после опускания этого груза) манипулятор снабжен основным приводом, выполненным в виде подвижного гидроцилиндра с поршнем со штоком, установленного между противоположными вершинами внутреннего симметричного шарнирного ромба. Для плавного аварийного опускания подвешенного груза (в случае отказа основного привода) манипулятор снабжен дополнительным приводом в виде аварийного мотор-редуктора, сблокированного с кривошипом параллелограммного механизма с подвижной платформой.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг .2. На фиг. 1 представлен грузоподъемный манипулятор (в фазе подъема груза 2), содержащий установленное на опорной стойке 1 шарнирно-рычажное устройство перемещения подвешенного груза 2, соединенного с шарнирным подвесом крюка 3.
2
3
2
На фиг. 2 представлен сблокированный с поворотным рычагом 10 параллелограммный механизм OMNOO (в фазе опускания груза 2) с установленной на шатуне 12 подвижной платформой 13 с опущенным на нее переносимым грузом 2.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
3
2
Данное шарнирно-рычажное устройство манипулятора выполнено в виде двух четырехзвенных рычажных механизмов OBCDO и ABCDA, установленных один внутри другого с двумя общими смежными звеньями 6 и 7 и подпружиненных между собой через упругий элемент 11. В шарнирном механизме OBCDO звенья 4 и 5 и звенья 6 и 7 выполнены попарно одинаковой длины (OВ=OD, ВС=CD), звенья 4 и 5 большей длины (OВ>ВС, OD>CD) в общей точке O установлены на опорной стойке 1. В другом шарнирном механизме ABCDA все звенья 6,7,8 и 9 выполнены одинаковой длины (AB=BC=CD=DA), образуют внутренний симметричный шарнирный ромб ABCDA и связаны с опорной стойкой 1 в общей точке O через упругий элемент 11 (например, в виде пружины растяжения) и в точке О через поворотный рычаг 10, который выполнен двухплечим с острым углом развала плеч АО и ОМ (β<90°) и сблокирован с параллелограммным механизмом OMNOO, на шатуне 12 которого установлена подвижная платформа 13 приема опускаемого подвешенного груза 2.
2
3
2
3
2
В параллелограммном механизме OMNOO кривошип 14 установлен на опорном шарнире O и сблокирован с аварийным мотор-редуктором 18, а другой кривошип ОМ сблокирован с поворотным рычагом 10. Для регулирования высоты подъема подвешенного груза 2 и изменения расположения этого груза 2 относительно опорной стойки 1 (после его опускания на установленную на шатуне 12 подвижную опору 13) шарнирно-рычажное устройство для перемещения подвешенного груза 2 снабжено подвижным приводом, выполненным в виде подвижного гидроцилиндра 15 с поршнем соштоком 16, установленного между противоположными вершинами В и D внутреннего симметричного шарнирного ромба ABCD.
В штоковой полости между гидроцилиндрами 15 и поршнем со штоком 16 установлен упругий элемент 17, выполненный в виде пружины сжатия 17. Для плавного аварийного опускания зависшего в воздухе груза 2 в манипуляторе установлен дополнительный привод в виде аварийного мотор-редуктора 18, сблокированного с кривошипом 14 параллелограммного механизма с подвижной платформой 13.
1
2
1
2
Работа представленного грузоподъемного манипулятора заключается в следующем. При подаче жидкости в штоковую полость гидроцилиндра 15 происходит одновременное удаление между собой вершин А и С внутреннего симметричного шарнирного ромба ABCD и сближения между собой вершин В и Z) этого же ромба ABCD, что приводит к плавному отделению груза 2 от подвижной платформы 12 с последующим подъеме подвешенного груза 2 точно по вертикальной прямой CC без отклонения от нее и вредной раскачки груза 2. При подаче жидкости в другую, т.е. поршневую полость гидроцилиндра 15 имеет место обратный процесс, т.е. происходит одновременно удаление между собой вершин В и D внутреннего ромба ABCD и наоборот сближение между собой вершин А и С.Это приводит к плавному снижению груза 2 точно по вертикальной прямой СС без его бокового раскачивания.
2
3
Создаваемые при вертикальном опускании груза 2 в шарнирно-рычажном устройстве упругие усилия от одновременной деформации разных упругих элементов растяжения 11 и сжатия 17 в сочетании с возникающей в параллелограммном механизме ОМNО дополнительной подвижности (книга Решетов Л.Н. «Самоустанавливающиеся механизмы: Справочник» - М., Изд-во «Машиностроение», 1979, с. 92., п. 2.9) обеспечивают плавное движение груза 2 без жестких ударов в конце его опускания. Кроме того, создаваемое упругими элементами 11 и 17 и возрастающие прямопропорционально их деформации упругие силы всегда будут направлены против силы тяжести падающего груза 2 и поэтому автоматически тормозят его опускание, что исключает самопроизвольное ударное падение с высоты груза 2 при отказе привода манипулятора (гидроцилиндра или двигателя).
Управляемое от гидроцилиндра 15 вращение поворотного рычага 10 (в ту или другую сторону) обеспечивает регулирование расположения подвижной платформы 13 с опущенным на нее грузом относительно опорной стойки 11.
При отказе основного привода 15 аварийный мотор-редуктор 18 обеспечивает плавное опускание зависшего в воздухе груза 2 на подвижную платформу 13.
Достигаемый в предлагаемом грузоподъемном манипуляторе положительный эффект заключается в следующем:
1. Обеспечивается подъем и опускание подвешенного груза точно по вертикальной прямой без его бокового раскачивания и жестких ударов в конце его опускания, что достигается за счет дополнительной упругой связи звеньев посредством разделенных упругих элементов растяжения и сжатия совместно с установкой в привод подвижной платформы приема груза на основе параллелограммного механизма.
2. Достигается упрощение конструкции привода грузоподъемного манипулятора и обеспечивается безопасный подъем и опускание грузов за счет исключения из традиционного привода сложной и ненадежной системы двойных фрикционных тормозов с возможностью их отказа при аварийном падении груза из-за неизбежной пробуксовки и постоянного износа их фрикционных колодок, фрикционных дисков и гибких лент с зоной буксования.
3. Реализуемое в предлагаемом шарнирно-рычажном приводе движение подвешенного груза точно по вертикальной прямой без его бокового раскачивания и жестких ударов позволяет увеличить безопасную скорость подъема и опускания груза, т.е. увеличить производительность грузоподъемного манипулятора и применить его для перемещения хрупких или особо опасных грузов (стекло, боеприпасы и взрывчатые вещества, емкости с жидкими радиоактивными отходами, жидким расплавленным металлом или кислотами и ядовитыми веществами).
4. Предотвращается самопроизвольное ударное падение с высоты (при отказе привода) подвешенного груза 2 за счет автоматически возникающих при перемещении груза 2 вниз в шарнирно-рычажном устройстве усилий от деформируемых упругих элементов 11 и 17, которые будучи направлены против разгоняющей груз 2 его силы тяжести, будут автоматически тормозить этот груз 2 с последующим его плавным опусканием посредством аварийного мотор-редуктора 18, что повышает безопасность работы манипулятора.