Оценка массовых характеристик манипулятора с пространственным механизмом

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 621.869

ОЦЕНКА МАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАНИПУЛЯТОРА С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ МЕХАНИЗМОМ

В.М. Герасун1, доктор технических наук И.А. Несмиянов1, кандидат технических наук В.В. Дяшкин-Титов1, аспирант

В.А. Серов , кандидат технических наук

1 Волгоградский государственный аграрный университет

2ЦКБ «Титан»

Получена зависимость, позволяющая на стадии технического задания определить массу разрабатываемого манипулятора, задавшись его кинематическими и конструктивными параметрами с учетом материала стрелы, типа гидроцилиндра и требований к манипулятору.

Ключевые слова: манипулятор, пространственный механизм.

Металлоемкость манипулятора, агрегатируемого с мобильными энергетическими средствами, является важным эксплуатационным параметром, определяющим технический уровень машины. В общем случае на массу манипулятора существенно влияют: физико-механические характеристики используемого конструкционного материала; распределение силового потока, действующего на элементы агрегата; основные параметры (грузоподъемность, зона обслуживания, скорость выполнения технологических операций). Для различных конструктивных схем влияние этих факторов неоднозначно, однако их рациональное сочетание дает возможность создания манипуляторов, обладающих пониженной металлоемкостью, что снижает затраты на их изготовление.

Существующие конструкции погрузочных манипуляторов можно разделить на две группы: а) с традиционными опорно-поворотными устройствами; б) с пространственными исполнительными механизмами. Для гидравлических кранов, имеющих опорно-поворотное устройство, которое устанавливается на грузовые автомобили грузоподъемностью 1,5...20 т получена эмпирическая зависимость [6], связывающая массу кранового оборудования с грузоподъемностью и максимальным вылетом стрелы.

где - грузоподъемность автокрана; Ь - наибольший вылет стрелы автокрана; л - массовый коэффициент, составляющий 0,14...0,142 для выпускаемых автокранов, 0,13...0,132 - для перспективных.

При этом отмечается [6], что доля узлов, образующих опорно-поворотное устройство может составлять до 40 % от общей металлоемкости крана-манипулятора. Поэтому поиск технических решений, позволяющих снизить массу манипулятора является актуальной задачей.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13-08-00387

Одним из решений этой задачи можно считать использование пространственных механизмов, с помощью которых обеспечивается перемещение грузонесущего устройства [1, 2, 7, 5]. Известно, что основные принципиальные варианты, определяющие облик машины, принимаются на ранних стадиях ее создания в условиях неполной информации [4].

Для манипуляторов с пространственными исполнительными механизмами, имеющими существенное отличие кинематических схем от традиционных, известные методы предпроектной оценки не позволяют достоверно оценить их металлоемкость, причем зависимость (1) не учитывает влияния геометрических параметров механизма и типоразмерный ряд гидроцилиндров.

Поэтому представляет интерес получить зависимость массовых характеристик пространственного механизма от различных внешних и внутренних (конструктивных) факторов.

В соответствии с расчетной схемой манипулятора (рис. 1) примем следующие допущения.

1. Сечение стрелы прямоугольное, коробчатое и тонкостенное. Отношение сечения ширины к высоте составляет

Рисунок 1 - Расчетная схема манипулятора

Отношение толщины стенки к высоте

2. Масса стрелы пропорциональна ее длине и площади сечения в месте действия наибольшего изгибающего момента.

тс = ИзРрь,

где р - плотность; ^ - площадь сечения; Ь - длина стрелы; - конструктивный коэффициент.

3. Масса несущего основания пропорциональна расстоянию между точками крепления шарнирных узлов и переменной массе применяемых гидроцилиндров, а коэффициент пропорциональности - ц4.

Тогда момент сопротивления сечения стрелы в опасном сечении составит:

№=т"(з!+1)=а (а +1)я‘ • <5>

Максимальный изгибающий момент определится

М = Ев

где - приложенная на конце стрелы внешняя нагрузка; Ь - полная длина стрелы; 10 - расстояние между шарнирами крепления стрелы и гидроцилиндров для ее подъема и поворота.

Принимая допускаемые напряжения изгиба, с учетом динамичности и нормативных запасов, получим

М

\и ] =-------------=

J ГЛ7

(ь - о

№

откуда Н =

\

¡в,

0\ О + ]

Тогда масса стрелы

тс = църРЬ = 2^33

С учетом принятых ранее обозначений для элементов пространственного исполнительного механизма, после преобразования получим

тс = і(1- Д0)3 ,

і = 20, + 1)К23,ЦРЬ3

Я

\°и ]

р =

к

кЬ'

£ — ІЖ — І200-1 в в

где /10, 120 - первоначальные длины гидроцилиндров.

Длина используемых гидроцилиндров не является произвольной, а определяется существующими типоразмерными рядами гидроцилиндров.

Для определения зависимости массы гидроцилиндра от его размеров, проанализируем типичный типоразмерный ряд для гидроцилиндров, например [3].

Определенный тип у цилиндра характеризуется одинаковыми диаметрами поршня, переменными являются ход и начальная длина, определяемые его номером і, причем

К- 0 = ^ + а,

где 1уо - начальная длина цилиндра типа у с номером і; 5^ - ход штока цилиндра типа у с номером і; а}- - константа для всех цилиндров типа у.

2

Масса гидроцилиндров составляет

m = m + ml п

i 0j j j° 5

где т0] - константа для всех цилиндров типа]; т] - удельная масса, постоянная для всех цилиндров типа ].

С учетом практической линейности (14), для определения постоянных можно использовать следующие формулы:

т - т

V I-

т =-----------“;

_________________i—1,j O

lj0 li—i,j о

m = m — m.l..n

°j i j i 0

С учетом допущения 3 и, считая, что нагруженность всех граней пространственного исполнительного механизма примерно одинакова, масса несущего основания составит

mo =^4mjP,

где fi4 - коэффициент, определяемый конструкцией основания; Р - периметр опорного треугольника АВС (рис. 1).

С учетом параметра в пространственного исполнительного механизма, масса основания составит:

т0 = 2д,mjв

Суммарная масса механизма равна сумме масс стрелы, гидроцилиндров и основания. С учетом (10), (14) и (18) получим:

m =t(1—pl j о)3 + ql j о + 2mo j..

q = 2m

x | M1 + sinp)

На рис. 2 представлен график этой функции.

200

160

120

80

т, кг

j=3

j=2

20

40

60

80

100

I. см

Рисунок 2 - Зависимость общей массы конструкции от начальной длины гидроцилиндров

Полученная зависимость позволяет на стадии технического задания определить массу разрабатываемого манипулятора, задавшись его кинематическими (ki, k2, sinP) и конструктивными (jUj) параметрами с учетом материала стрелы ([о„], р), типа гидроцилиндра j и требований к манипулятору (Fg, L), а также оценить влияние каждого из этих параметров.

Кроме того, по критерию минимума массы можно подобрать наиболее рациональный вариант кинематической схемы манипулятора с различными типами гидроцилиндров j или длинами их ходов i.

Библиографический список

1. Герасун, В.М. Пути снижения металлоемкости навесных погрузчиков с поворотной стрелой [Текст]/ В.М. Герасун, А.П. Потемкин // Тракторы и сельхозмашины. - 1985. - № 7. -

С.33-34.

2. Герасун, В.М. Опыт использования пространственных механизмов в кинематических цепях манипуляторов [Текст]/ В.М. Герасун, А.Ф. Рогачев, И.А. Несмиянов //Экстремальная робототехника: труды XXI международной научно-технической конференции.- Санкт-Петербург: Изд-во «Политехника-сервис»; 2010. - 494 с.

3. ГОСТ 6440-68. Гидроцилиндры и пневмоцилиндры. Ряды основных параметров.

4. Егер, С.М. Основы автоматизированного проектирования самолетов [Текст] : учеб. пособие для студентов авиационных специальностей вузов/ С.М. Егер, Н.К. Лисейцев, О.С. Са-мойлович. - М.: Машиностроение, 1986. - 232 с., ил.

5. Исследование оптимальных конфигураций манипулятора-трипода с поворотным основанием [Текст]/ В.М. Герасун, В.В. Жога, И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, В.В. Дяшкин-Титов // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2013. - № 6. - С. 21-26.

6. Рось, Я.В. Автокраны с объемным гидроприводом [Текст] / Я.В. Рось. - Киев: Техника, 1978. - 128 с.

7. Экстремальная робототехника [Текст] / В.М. Герасун, В.В. Жога, И.А. Несмиянов, В.А. Шурыгин// Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции. - Санкт-Петербург: Изд-во «Политехника-сервис», 2012. - С. 77-81.

E-mail: mshaprov@bk.ru