ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КРАН-МАНИПУЛЯТОР МОБИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к области подъемно-транспортного машиностроения, а именно к конструкциям кранов-манипуляторов, устанавливаемых на мобильных транспортно-технологических машинах и совершающих погрузочно-разгрузочные работы со штучными грузами.
Известна конструкция трехзвенного гидравлического крана-манипулятора (Патент RU №104167, В66С 23/00, 2011 г. ), состоящего из установленной на раме базового транспортного средства опорно-поворотной конструкции и шарнирно соединенной с ней шарнирно-сочлененной стрелы, состоящей из двух секций, на верхней из которых закреплен грузозахватный орган, а также оснащенного силовыми гидроцилиндрами механизмов возвратно-поворотного движения опорно-поворотной конструкции и обеих секций стрелы [1].
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели и принятой за ее прототип является трехзвенный гидравлический кран-манипулятор (Патент RU №2312057, В66С 23/44, В66С 23/78, 2007 г. ), монтируемый на шасси транспортного средства и содержащий снабженную механизмом поворота вокруг вертикальной оси опорно-поворотную конструкцию и последовательно установленные и шарнирно связанные две секции (стрела и колено с телескопической штангой), размещенный на конце колена грузозахватный орган, привод механизма поворота подвижной части колонны, привод подъема стрелы, привод поворота колена и привод выдвижения телескопической штанги в виде силовых гидроцилиндров [2]. Для обеспечения возвратно-поворотного движения стрелы в вертикальной плоскости силовой гидроцилиндр механизма движения стрелы располагается между опорно-поворотной конструкцией и стрелой, причем неподвижный корпус гидроцилиндра шарнирно соединен с корпусом опорно-поворотной конструкции, а конец подвижного штока гидроцилиндра шарнирно соединен с корпусом стрелы. При возвратно-поступательном перемещении штока силового гидроцилиндра под действием давления рабочей жидкости, подводимой к гидроцилиндру от насосной станции транспортного средства, происходит изменение угла между продольными осями опорно-поворотной конструкции и стрелы. Увеличение этого угла приводит к подъему стрелы и, соответственно, транспортируемого груза.
Существенным недостатком рассмотренного прототипа является неудачная (с точки зрения направления действия эксплуатационных нагрузок) ориентация силового гидроцилиндра, обеспечивающего возвратно-поворотное движение стрелы вместе с шарнирно закрепленным на ней коленом и транспортируемым грузом в вертикальной плоскости, по отношению продольной оси стрелы. Специфической конструкционной особенностью прототипа (и аналога) является то, что линия поступательного перемещения штока данного силового гидроцилиндра, т.е. линия действия развиваемой гидроцилиндром движущей силы, всегда составляет острый угол с продольной осью перемещаемой им стрелы. В процессе поворотного движения стрелы этот угол изменяется, причем при подъеме он уменьшается и достигает своего минимального значения, когда стрела находится в своем верхнем положении. Для эксплуатирующихся в настоящее время гидравлических кранов-манипуляторов минимальное значение угла может составлять α=8…12°, в результате чего необходимая для поворота стрелы движущая сила, развиваемая силовым гидроцилиндром, должна не менее, чем в 1/sinα=5…7 раз превышать сумму веса транспортируемого груза и веса металлоконструкции стрелы и колена [3].
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение энергоэффективности гидравлического привода крана-манипулятора (уменьшение мощности его насосной станции) за счет существенного уменьшения величины движущей силы, которую должен развивать силовой гидроцилиндр механизма возвратно-поворотного движения стрелы для выполнения стрелой необходимого возвратно-поворотного движения с требуемой паспортной скоростью.
Для решения указанной технической задачи в гидравлическом кране-манипуляторе мобильной машины, монтируемом на шасси мобильной машины и содержащем снабженную механизмом поворота вокруг вертикальной оси опорно-поворотную колонну, на верхнем конце которой с помощью шарнира закреплена шарнирно-сочлененная стрела, состоящая из корневой секции и приводящейся в возвратно-поворотное движение в вертикальной плоскости силовым гидроцилиндром концевой секции с закрепленным на ее конце грузозахватным органом, корневая секция не имеет механизма движения и выполняется из двух звеньев равной длины, соединенных шарниром, причем шарнир соединения корневой и концевой секций совершает возвратно-поступательное движение по направляющей вдоль вертикальной оси с помощью вертикально установленного силового гидроцилиндра. Как вариант исполнения, концевая секция крана-манипулятора выполнена телескопической.
Полезная модель поясняется более подробно с помощью чертежей. Все не требующиеся для непосредственного понимания полезной модели элементы исключены (в частности, элементы осевой фиксации деталей, резьбовые крепежные элементы, штуцеры и трубопроводы для подвода рабочей жидкости к гидроцилиндрам и т.п.). На фиг. 1 показана кинематическая схема предлагаемого гидравлического крана-манипулятора; на фиг. 2 - общий вид крана-манипулятора (вид сбоку); на фиг. 3 - вид А на фиг. 2; на фиг. 4 - вид Б на фиг. 2; на фиг. 5 - сечение Е-Е на фиг. 2; на фиг. 6 - сечение Ж-Ж на фиг. 2; на фиг. 7 - сечение В-В на фиг. 2; на фиг. 8 - сечение Г-Г на фиг. 3; на фиг. 9 - сечение Д-Д на фиг. 4 (повернуто); на фиг. 10 - сечение 3-3 на фиг. 4 (повернуто); на фиг. 11 - радиальное сечение рабочей зоны обслуживания крана-манипулятора; на фиг. 12 - расчетные схемы нагружения силового гидроцилиндра для прототипа и предлагаемой полезной модели; на фиг. 13 - радиальное сечение рабочей зоны обслуживания крана-манипулятора с телескопической концевой секцией.
Гидравлический кран-манипулятор мобильной машины состоит из установленной вертикально опорно-поворотной конструкции 1 (фиг. 1-5, 11-13), неподвижно закрепленной своим основанием 2 (фиг. 1-4, 11, 13) на шасси мобильной машины в точке А (фиг. 1-4, 12, 13). К верхнему концу опорно-поворотной конструкции 1 (фиг. 1-5, 11-13) с помощью шарнирного соединения 3 (фиг. 1-4, 11-13) крепится корневая секция стрелы 4 (фиг. 1). Она состоит из двух звеньев 4а (фиг. 1-6, 11-13) и 4b (фиг. 1-4, 6, 9, 11-13) равной длины. Шарнирное соединение 3 (фиг. 1-4, 11-13) образовано двумя парами изготовленных из толстостенного листового проката проушин 5 (фиг. 3-5) и 6 (фиг. 3-5), первая из которых неподвижно закреплена (например, с помощью сварки) на свободном конце опорно-поворотной конструкции 1 (фиг. 1-5, 11-13), а вторая - на нижнем конце звена 4а (фиг. 1-6, 11-13). В соосные отверстия указанных проушин вставлен шарнирный палец 7 (фиг. 3-5), который обеспечивает кинематическую связь между опорно-поворотной конструкцией 1 (фиг. 1-5, 11-13) и звеном 4а (фиг. 1-6, 11-13) корневой секции стрелы 4 (фиг. 1). В свою очередь, звенья 4а (фиг. 1-6, 11-13) и 4b (фиг. 1-4, 6, 9, 11-13) соединены между собой с помощью шарнирного соединения 8 (фиг. 1-4, 11-13), которое позволяет им совершать возвратно-поворотное движение друг относительно друга в вертикальной плоскости. Шарнирное соединение 8 (фиг. 1-4, 11-13) образовано двумя парами изготовленных из толстостенного листового проката проушин 9 (фиг. 3, 4, 6) и 10 (фиг. 3, 4, 6), первая из которых неподвижно закреплена (например, с помощью сварки) на верхнем конце звена 4а (фиг. 1-6, 11-13), а вторая - на нижнем конце звена 4b (фиг. 1-4, 6, 9, 11-13). В соосные отверстия указанных проушин вставлен шарнирный палец 11 (фиг. 3, 4, 6), который обеспечивает кинематическую связь между звеньями 4а (фиг. 1-6, 11-13) и 4b (фиг. 1-4, 6, 9, 11-13) корневой секции стрелы 4 (фиг. 1). К концу звена 4b (фиг. 1-4, 6, 9, 11-13) с помощью шарнирного соединения 12 (фиг. 1-4, 11-13) крепится концевая секция стрелы 13 (фиг. 1-4, 10), состоящая из двух звеньев 13а (фиг. 1, 2, 11-13) и 13b (фиг. 1, 2, 10-13). Шарнирное соединение 12 (фиг. 1-4, 11-13) образовано одной парой изготовленных из толстостенного листового проката проушин 14 (фиг. 3, 4, 7, 8), которые неподвижно закреплены (например, с помощью сварки) на верхнем конце звена 4b (фиг. 1-4, 6, 9, 11-13), и отверстиями в боковых стенках 15 (фиг. 7, 8, 10) коробчатого поперечного сечения концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10). В соосные отверстия указанных проушин и боковых стенок концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10) вставлен шарнирный палец 16 (фиг. 3, 4, 7, 8), который обеспечивает кинематическую связь между звеном 4b (фиг. 1-4, 6, 9, 11-13) и концевой секцией стрелы 13 (фиг. 1-4, 10). Звенья 13а (фиг. 1, 2, 11-13) и 13b (фиг. 1, 2, 10-13) жестко соединены между собой, причем их продольные оси образуют тупой угол β (фиг. 2). На свободном конце концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10) крепится грузозахватный орган 17 (фиг. 1-3, 12) для закрепления транспортируемого груза. Опорно-поворотная конструкция 1 (фиг. 1-5, 11-13) снабжена силовым гидродвигателем (условно не показан), который обеспечивает ее возвратно-поворотное движение относительно вертикальной оси АВ (фиг. 1-4, 12, 13). К опорно-поворотной конструкции 1 (фиг. 1-5, 11-13) неподвижно крепится силовой гидроцилиндр 18 (фиг. 1, 3, 4, 11-13) механизма возвратно-поступательного движения концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10). Продольная ось силового гидроцилиндра 18 (фиг. 1, 3, 4, 11-13) вертикальна и параллельна вертикальной оси АВ (фиг. 1-4, 12, 13). Конец штока силового гидроцилиндра 18 (фиг. 1, 3, 4, 11-13) через серьгу 19 (фиг. 3, 4, 7, 8) шарнирно связан с шарнирным пальцем 16 (фиг. 3, 4, 7, 8). Сам шарнирный палец 16 (фиг. 3, 4, 7, 8) с помощью подшипниковой обоймы 20 (фиг. 7, 8) закреплен в пазу 21 (фиг. 2, 7) вертикально установленной направляющей 22 (фиг. 2, 4, 5, 7, 8), которая неподвижно укреплена на опорно-поворотной конструкции 1 (фиг. 1-5, 11-13). Продольная ось направляющей 22 (фиг. 2, 4, 5, 7, 8) параллельна вертикальной оси АВ (фиг. 1-4, 12, 13). Направляющая 22 (фиг. 2, 4, 5, 7, 8) имеет продольный паз 21 (фиг. 2, 7) для возвратно-поступательного перемещения шарнирного пальца 16 (фиг. 3, 4, 7, 8). Направляющая 22 (фиг. 2, 4, 5, 7, 8) проходит насквозь через концевую секцию стрелы 13 (фиг. 1-4, 10), поэтому в стальных листах ее верхнего и нижнего пояса выполнены прямоугольные вырезы 23 (фиг. 7, 8) для обеспечения свободного качания концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10) в пределах установленного максимально допустимого угла ее возвратно-поворотного движения. Для обеспечения прочности и жесткости ослабленных вырезами поперечных сечений концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10) по периметру указанных вырезов 23 (фиг. 7, 8) приварены ребра жесткости 24 (фиг. 7, 8). Силовой гидроцилиндр 25 (фиг. 1, 2, 4, 9, 11-13) механизма возвратно-поворотного движения концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10) своим корпусом с помощью серьги 26 (фиг. 4, 9), пары проушин 27 (фиг. 3, 9) и шарнирного пальца 28 (фиг. 9) шарнирно крепится к звену 4b (фиг. 1-4, 6, 9, 11-13) корневой секции стрелы 4 (фиг. 1), а своим штоком с помощью серьги 29 (фиг. 10) и шарнирного пальца 30 (фиг. 4, 10), пропущенного через отверстия в боковых стенках 15 (фиг. 7, 8, 10), шарнирно крепится к свободному концу звена 13b (фиг. 1, 2, 10-13) концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10).
Полезная модель работает следующим образом. Вертикально установленная опорно-поворотная конструкция 1 (фиг. 1-5, 11-13) с помощью гидропривода ее механизма возвратно-поворотного движения (не показан) обеспечивает вращение самой опорно-поворотной конструкции 1 (фиг. 1-5, 11-13) и кинематически связанных с ней корневой 4 (фиг. 1) и концевой 13 (фиг. 1-4, 10) секций стрелы крана-манипулятора вместе с закрепленным в грузозахватном органе 17 (фиг. 1-3, 12) транспортируемым грузом вокруг вертикальной оси АВ (фиг. 1-4, 12, 13). Из двух секций стрелы крана-манипулятора только одна является приводной - концевая секция стрелы 13 (фиг. 1-4, 10), тогда как другая - корневая секция стрелы 4 (фиг. 1) не имеет своего индивидуального механизма движения. Ее функциональное назначение заключается в обеспечении неразрывной кинематической связи между приводной концевой секцией стрелы 13 (фиг. 1-4, 10) и опорно-поворотной конструкцией 1 (фиг. 1-5, 11-13), а также в размещении силового гидроцилиндра 25 (фиг. 1, 2, 4, 9, 11-13) механизма возвратно-поворотного движения концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10). Силовой гидроцилиндр 18 (фиг. 1, 3, 4, 11-13) за счет возвратно-поступательного смещения своего штока под действием подаваемой в его рабочие полости рабочей жидкости (трубопроводы подвода рабочей жидкости условно не показаны) обеспечивает вертикальное возвратно-поступательное движение как единого целого концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10). Строго вертикальное движение концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10) обеспечивается тем, что строго вертикальное движение имеет шарнирное соединение 12 (фиг. 1-4, 11-13). Для этого на шарнирном пальце 16 (фиг. 3, 4, 7, 8) установлена подшипниковая обойма 20 (фиг. 7, 8), которая перемещается в продольном пазу 21 (фиг. 2, 7) направляющей 22 (фиг. 2, 4, 5, 7, 8), неподвижно закрепленной на опорно-поворотной конструкции 1 (фиг. 1-5, 11-13), причем ее продольная ось параллельна вертикальной оси АВ (фиг. 1-4, 12, 13) крана-манипулятора. Силовой гидроцилиндр 25 (фиг. 1, 2, 4, 9, 11-13) за счет возвратно-поступательного смещения своего штока под действием давления подаваемой в его рабочие полости рабочей жидкости (трубопроводы подвода рабочей жидкости условно не показаны) обеспечивает возвратно-поворотное движение в вертикальной плоскости концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10) как единого целого относительно продольной оси шарнирного соединения 12 (фиг. 1-4, 11-13). Силовые гидроцилиндры 18 (фиг. 1, 3, 4, 11-13) и 25 (фиг. 1, 2, 4, 9, 11-13) могут работать как раздельно, так и одновременно, в результате чего грузозахватное устройство 17 (фиг. 1-3, 12) вместе с транспортируемым грузом могут совершать либо поступательное или поворотное движение в вертикальной плоскости, либо сложное поступательно-поворотное движение в вертикальной поскости. При этом рабочая зона обслуживания крана-манипулятора, т.е. геометрическое место точек нахождения грузозахватного органа 17 (фиг. 1-3, 12) при всех возможных положениях штоков силовых гидроцилиндров механизмов движения крана-манипулятора, будет иметь цилиндрическую форму с формой поперечного сечения, показанного на фиг. 11.
31
13a
13b
Для оценки эффективности предлагаемой полезной модели по сравнению прототипом (и аналогом) рассмотрим условия нагружения силового гидроцилиндра 18 (фиг. 1, 3, 4, 11-13) для известного и предлагаемого конструктивных исполнений гидравлического крана-манипулятора мобильной машины. Расчетные схемы нагружения представлены на фиг. 12. В процессе работы прототипа крана-манипулятора силовой гидроцилиндр механизма подъема стрелы прототипа 31 (фиг. 12) должен развить такое движущее усилие на своем штоке F, которое могло бы преодолеть возникающие эксплуатационные нагрузки от веса транспортируемого груза G, веса корневой секции стрелы прототипа 32 (фиг. 12), веса звеньев G и G концевой секции стрелы. Из условия равновесия корневой секции стрелы прототипа 32 (фиг. 12) относительно шарнирного соединения 3 (фиг. 1-4, 11-13) можно определить искомое усилие по зависимости
32
13a
13b
31
где h - плечо действия веса груза относительно шарнирного соединения 3 (фиг. 1-4, 11-13); h - плечо действия веса корневой секции стрелы прототипа 32 (фиг. 12) относительно шарнирного соединения 3 (фиг. 1-4, 11-13); h, h - плечо действия веса звеньев 13а (фиг. 1, 2, 11-13) и 13b (фиг. 1, 2, 10-13) концевой секции стрелы относительно шарнирного соединения 3 (фиг. 1-4, 11-13); h - плечо действия усилия, развиваемого силовым гидроцилиндром механизма подъема стрелы прототипа 31 (фиг. 12), относительно шарнирного соединения 3 (фиг. 1-4, 11-13).
31
31
max
31
31
Анализ расчетной схемы нагружения прототипа (фиг. 12) и формулы (1) показывает, что величина усилия F изменяется в процессе работы крана-манипулятора и достигает своего максимального значения F, при максимально поднятом положении корневой секции стрелы прототипа 32 (фиг. 12), так как в этом положении плечо h действия усилия, развиваемого силовым гидроцилиндром механизма подъема стрелы прототипа 31 (фиг. 12), относительно шарнирного соединения 3 (фиг. 1-4, 11-13) оказывается минимальным. Известные в литературе данные [3] говорят о том, что при подъеме стрелы величина F может изменяться в 4…6 раз и более. Мощность силового гидроцилиндра механизма подъема стрелы прототипа 31 (фиг. 12) согласно [4] приближенно определяется зависимостью
где ν - паспортная скорость движения штока гидроцилиндра; η - коэффициент полезного действия гидропривода.
18
4
a
4b
13
a
13b
В случае предложенной полезной модели в процессе ее работы силовой гидроцилиндр 18 (фиг. 1, 3, 4, 11-13) механизма возвратно-поступательного движения концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10) должен развить такое движущее усилие на своем штоке F, которое могло бы преодолеть возникающие эксплуатационные нагрузки от веса транспортируемого груза G, веса звеньев G и Gкорневой секции стрелы 4 (фиг. 1), веса звеньев G и G концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10). Из условия равновесия проекций сил, приведенных к шарнирному соединению 12 (фиг.), относительно вертикальной оси АВ (фиг. 1-4, 12, 13) можно определить искомое усилие по зависимости:
18
Анализ расчетной схемы нагружения полезной модели (фиг. 12) и формулы (3) показывает, что величина усилия F не изменяется в процессе работы крана-манипулятора и остается постоянной независимо от положения стрелы. Таким образом, полезная модель обеспечивает стабильные условия нагружения силового гидроцилиндра 18 (фиг. 1, 3, 4, 11-13) при производстве работ, что положительно сказывается на показателях надежности (долговечности и безотказности) крана-манипулятора в целом. Мощность силового гидроцилиндра 18 (фиг. 1, 3, 4, 11-13) также приближенно определяется зависимостью, аналогичной формуле (2):
Преимущество предлагаемой полезной модели перед прототипом (и аналогом) по энергоэффективности гидропривода крана-манипулятора может быть количественно выражено с помощью относительного коэффициента энергоэффективности, равного отношению необходимой мощности силовых гидроцилиндров прототипа и предлагаемой полезной модели:
ээ
31,max
18
18
ээ
Расчеты показывают, что во всех случаях коэффициент К≥1. Как пример, рассмотрим выпускаемую отечественной промышленностью мобильную энергетическую машину АСТ-4-А для сварки магистральных трубопроводов [5], оснащенную гидравлическим краном-манипулятором номинальной грузоподъемности G=7,5 кН. Кинематическая схема крана-манипулятора этой машины аналогична рассмотренным прототипу и аналогу (фиг. 1, 12). Согласно имеющимся расчетам [6], величина максимального усилия на штоке силового гидроцилиндра составляет F=78 кН. Величина усилия F, рассчитанная по формуле (3) на основании паспортных характеристик машины АСТ-4-А, составляет F=12,3 кН. Таким образом, для крана-манипулятора указанной мобильной машины коэффициент энергоэффективности K=6,3, т.е. использование крана-манипулятора новой конструкции позволило бы приблизительно в 6 раз снизить мощность силового гидроцилиндра механизма подъема стрелы и, таким образом, существенно уменьшить суммарную мощность крановой гидростанции. В абсолютных цифрах это выражается следующими значениями: мощность крановой гидростанции (суммарная мощность трех силовых гидроцилиндров механизмов движения) машины АСТ-4-А составляет 33 кВт, тогда как мощность крановой установки при условия внедрения полезной модели могла бы составить 22 кВт, т.е. на 33% меньше.
Как вариант исполнения, звено 13а (фиг. 1,2, 10-13) концевой секции стрелы 13 (фиг. 1-4, 10) выполнено телескопическим. Как видно из анализа фиг. 13, это позволяет в процессе эксплуатации мобильной машины изменять длину звена 13а (фиг. 1, 2, 10-13) и, таким образом, увеличивать рабочую зону обслуживания крана-манипулятора.
Основной технико-экономический результат от внедрения полезной модели достигается за счет повышения энергоэффективности гидравлической установки крана-манипулятора путем снижения необходимой мощности гидропривода механизмов движения. Дополнительный эффект связан с повышением показателей надежности эксплуатации крана-манипулятора вследствие стабильности величины эксплуатационной нагрузки, действующей на наиболее нагруженный силовой гидроцилиндр механизма возвратно-поступательного движения концевой секции стрелы.
Источники информации
1. Пат. 104167 Российская Федерация, МПК В66С 23/00. Трехзвенный гидравлический кран-манипулятор / Лагерев И.А., Лагерев А.В.; заявитель и патентообладатель Брянский государственный технический университет. - №2010153018/11; заявл. 23.12.2010; опубл. 10.05.2011, Бюл. №13.
2. Пат. 2312057 Российская Федерация, МПК В66С 23/44, В66С 23/78. Кран-манипулятор / Зволинский В.П., Салдаев A.M., Салдаев Г.А., Салдаев Д.А.; заявитель и патентообладатель Прикаспийский научно-исследовательский институт аридного земледелия Российской академии сельскохозяйственных наук. - №2005137754/11; заявл. 05.12.2005; опубл. 10.12.2007, Бюл. 34.
3. Лагерев, И.А. Динамика трехзвенных гидравлических кранов-манипуляторов / И.А. Лагерев, А.В. Лагерев. - Брянск: БГТУ, 2012. - 196 с.
4. Лагерев, А.В. Проектирование насосных гидроприводов подъемно-транспортной техники / А.В. Лагерев. - Брянск: БГТУ, 2006. - 232 с.
5. Лагерев, А.В. Оптимизация конструкции крана-манипулятора машины для сварки магистральных трубопроводов при модернизации / А.В. Лагерев, И.А. Лагерев // Подъемно-транспортное дело. - 2013. - №1 (71). - С. 4-7.
6. Лагерев, А.В. Моделирование рабочих процессов в дроссельно-регулируемом гидроприводе манипуляционных систем мобильных машин при раздельном движении звеньев / А.В. Лагерев, И.А. Лагерев // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. - 2018. - №4. - С. 355-379.