Исследование устойчивости транспортного агрегата с манипулятором

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК621.86.01

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА

С МАНИПУЛЯТОРОМ

В.М. Герасун, доктор технических наук, профессор И.А. Несмиянов, кандидат технических наук, доцент С.Д. Фомин, кандидат технических наук, доцент

Волгоградский государственный аграрный университет

В работе представлены результаты анализа устойчивости погрузочно-транспортного агрегата модульного принципа построения, определены критические углы поворота стрелы манипулятора, даны рекомендации по увеличению устойчивости агрегата при различных способах сочленения энергетического и технологического модулей.

Ключевые слова: устойчивость, погрузочно-транспортный агрегат,

манипулятор, технологический модуль.

Эффективность сельскохозяйственного производства зависит от уровня механизации транспортных и погрузочно-разгрузочных работ при выполнении различных технологических процессов [6]. От способа производства этих работ зависит длительность простоя транспортных средств под операциями погрузки и выгрузки, степень использования грузоподъёмности подвижного состава, сохранность груза, а также капитальные затраты и эксплуатационные расходы и содержание погрузочно-транспортных агрегатов [2].

Динамика развития в нашей стране и за рубежом тракторов и самоходных шасси показывает, что они остаются основой мобильной энергетики, а из анализа их годовой загрузки видно, что до 30...55 % времени колёсные тракторы используются на транспортных работах. Приоритетным направлением считается разработка транспортных средств, оборудованных погрузочно-разгрузочными устройствами, причём наиболее распространённой схемой является: «трактор + погрузочный агрегат + прицеп». Поэтому работы, связанные с совершенствованием компоновочных решений транспортных агрегатов и повышение их технического уровня представляют научный и практический интерес[1, 8, 5].

Волгоградским государственным аграрным университетом совместно с Всероссийским институтом механизации сельского хозяйства (ВИМ) и ПО «Сельхозпогрузчик» г. Орёл был разработан и изготовлен манипулятор для погрузочно-транспортного агрегата на базе колёсного трактора Т-150К (рис. 1).

Рисунок 1 - Погрузочно-транспортный агрегат на базе трактора Т-150К

Конструкция этого агрегата представляет сложную техническую систему, состоящую из отдельных шарнирно-сочленённых блоков, имеющих свободный контакт с опорной поверхностью. Поэтому исследования по оценке устойчивости агрегата при проведении погрузочно-разгрузочных работ являются основными, оценивающими технический уровень машины [3, 4, 7].

Введем следующую терминологию: часть трактора с двигателем назовем «энергетический модуль», другую часть, соединенную шарнирно, -«технологический модуль». Расчетная схема этого агрегата представляется статистически неопределенной системой на шести упруго-податливых опорах: четыре колеса энергетического и технологического модулей с коэффициентом податливости ^к, а также две выносные опоры манипулятора с коэффициентом податливости ^3 (рис. 2).

Для получения реальных графиков зависимостей параметров системы друг от друга при воздействии силовых факторов считаем, что: масса энергетического и

технологических модулей Gt=7900 кг; масса манипулятора вместе с максимальным полезным весом Gk=2600 кг; грузовой момент, создаваемый поднимаемым грузом и массой поворотных частей манипулятора, Мг=9550 кг-м.

Действие этого момента находится в вертикальной плоскости стрелы манипулятора. Силу, передаваемую на технологический модуль от массы полуприцепа и перевозимого на нем груза, обозначим - G^

Грузовой момент, исходя из схемы работы погрузочного манипулятора, раскладывается на две составляющие: момент в продольной плоскости агрегата Mu = Mг • cos р; момент в поперечной плоскости агрегата Mk = Ыг • sin р ;ф - угол поворота стрелы по горизонту.

Для определения реакций опор агрегата используем принцип суперпозиции, позволяющей рассматривать систему при воздействии силовых факторов отдельно друг от друга - сосредоточенных сил, изгибающего и крутящего моментов.

Мк

Рисунок 2 - Расчётная схема погрузочно-транспортного агрегата

Определение реакций от сосредоточенных сил

Погрузочно-транспортный агрегат представлен как абсолютно жесткий брус 1-2-3 (рис. 2 а), расположенный на податливых опорах. После приложения внешних сил брус займет положение 1' — 2 ' — 3'. Для данной геометрии погрузочнотранспортного агрегата получим зависимость между перемещением опор:

¿3 —1,294$2 + 0,294^ = 0.

Перемещения опор можно выразить через реакции и коэффициенты податливости опор:

¿3 = Мз, ¿2 = V7¿k + ¿0, ¿1 = ,

где 50 - величина перемещения колес технологического модуля в результате его разгрузки при действии выносных опор манипулятора.

Подставляя зависимости (2) в выражение (1), получим:

ЯзГз! —1,294^21 + 0,294ЛкУп = 1,294$,

ґ

где V = V — .

^ *31 *31 2

Решая полученное уравнение совместно с уравнениями статики, после преобразований получим следующие зависимости для определения усилий на опорные элементы:

Хъ + 2,08 Ак + 0,0000Ш0 А3 + 0,502Ак — 0,00067£0

V,, = 2634—----^----------------0 V, = 2510

А3 + 1,76Ак . 21 А3 +1,76^

к

К = ҐП- + 2442 Лк + °-00Ш0

2 А, +1,76 Лк

Для того чтобы в дальнейших расчетах можно было учитывать влияние выносных опор на разгрузку колес технологического модуля, определим перемещение 50, при котором указанные колеса будут полностью оторваны от земли (^21=0):

л л ст о Л, + 0,502А,

А + 0,502Ак - 0,0006780 = 0 ,отсюда 30 = к,

^ к 0 0 0,00067

тогда можно записать 50 = к50,

где 0 < к < 1 - коэффициент, учитывающий степень разгрузки колес от действия выносных опор.

Граничные условия имеют вид:

к=0 - технологический модуль не разгружен;

к=1- технологический модуль разгружен выносными органами до полного отрыва колес.

Реакцию выносной опоры от сосредоточенных сил вычислим по формуле: 1ПЛЛ„п + 0,791к

V, = — + 2442-

2 А3 + 1,76п

¿к

где п =------отношение податливости колеса к податливости выносной опоры.

¿3

Определение реакций опор от действия изгибающего и крутящего моментов

Определим перемещения опор от действия изгибающего момента Ми (рис. 2

б).

53 = ГзЛ; S2 = V2A; 5 = ЪЛ.

Взаимосвязь между податливостями опор имеет вид

X3V32 - 1,294XkV2 + 0,294\V = 0 .

Решая совместно с уравнения статики, получим выражения для определения усилий на опоры:

V = -(V + V V V = °Л5Ми A - °,29^) • V = °21ШЛ

У12 V 22 ^ У 32 / ’ У 22 п . пг п 5 У 32 л , і nr Л '

A + 1,76 Ak A + 1,76 Ak

Если учесть, что изгибающий момент можно определить из формулы

A

Mu = Мг • cos р и коэффициент n = — для реакции выносной опоры в зависимости

А3

2652n

отМ получим формулу: V32 =---------------cosp .

1 + 1,76n

Исходя из расчетной схемы (рис.2, в) определим зависимость между

деформациями опор агрегата — = —, где Bk - базовое расстояние между колесами

5k Bk

энергетического и технологического модулей, В3 - базовое расстояние между выносными опорами.

Тогда £3 = V33A3; S, = VA; V„ = .

Bk

И окончательно зависимости для определения усилий на опорные элементы:

V = °; V = Mk'Bk ; V = Mk'n'Bk

' n ^ ч ' ~>1 -1 -14' 11

B¡n+в; 33 B;n+B2

Определение критического угла поворота стрелы манипулятора

Критерием устойчивости будем считать такой угол поворота стрелы манипулятора, при котором реакция на одной из выносных опор будет равна нулю:

V = V + V + V

v 3 г 31 ^ г 32 — г 33

5

подставляя в эту зависимость в ранее полученные значения найдем реакцию на выносной опоре

т, G „лл„п + 0,791k (1 + 0,502n) 2652 • n 9555 • n • B3 .

V3 = —* + 2442----------^+-------------------cos% + — ---------3sm %,

2 1 + 1,76n 1 + 1,76n B32 • n + Bk2

в этой зависимости n = —.

¿3

В предельном положении стрелы манипулятора на одной из выносных опор реакция будет равна нулю, что характеризуется знаком «-»в предыдущей формуле. Решая тригонометрическое уравнение, получим формулу для критического угла поворота стрелы по горизонту:

%=%+arcsin coso j,

в

где %o = arctgA

Введем обозначения:

. 9555•n• B3

A = —---------3

B3 • n + Bk

в =

2652•n 1 + 1,76n

^ Gn „лл„п + 0,791 • k (1 + 0,502n) C = —^ + 2442------- ’ у ’ >

2

1 + 1,76n

Определим реакцию на другой выносной опоре:

V3 = A sin <рк + B cos%k + C .

Рассмотрим случай, когда шарнирное соединение между энергетическим и технологическим модулями зафиксировано [3]. Определим критический угол поворота стрелы манипулятора по горизонту. В этом случае зависимость для определения перемещений опор будет аналогичной выше рассмотренной, а изменится лишь условие равновесия системы:

Mk = V3 • B3 + 2VkBk.

( S ) Mk • n • B3

Т огда можно записать V33 = —f------------23 . На основании этого критический

B3n + Bk

угол поворота стрелы манипулятора можно определять по формуле (3), однако вместо параметра А необходимо подстанавливать значение

9555•n • B.

A(S) =

B3 • n + 2 Bk

Анализ результатов устойчивости агрегата

На основании полученных аналитических зависимостей проведены исследования, в результате чего установлено:

1. Реакция опор погрузочно-транспортного агрегата и критической угол поворота стрелы по горизонту зависят от отношения податливости колеса и

Л

податливости выносных опор (п = —), причем примерно при значении п>2

Л3

величина критического угла поворота фкстабилизируется.

2. Для оценки влияния значения фк от степени разгрузки колес за счет работы выносных опор (коэффициент «к») и вертикальной нагрузки, действующей на технологический модуль в результате соединения с полуприцепом (6П), были проведены вычисления фк и реакции на выносную опору Vз при значениях коэффициента п=1 и п=ю. Анализ графиков (рис. 3) показывает, что критический угол поворота стрелы манипулятора фк возрастает с увеличением степени вывешивания агрегата на выносных опорах, причем эта зависимость при п=1 более предпочтительная, чем при значении отношения п=ю. Это позволяет сделать вывод, что при проектировании агрегата этого типа нужно стремиться к тому, чтобы до некоторого предела увеличивать податливость выносных опор, или иначе уменьшить коэффициент «п».

а)

б)

Рисунок 3 - Зависимость критического угла поворота стрелы от степени поддомкрачивания (к) и нагрузки на крюке а) при п=1 и б) при п=го

3. В случае, когда происходит отрыв одной из выносных опор от поверхности, на противоположной опоре может возникнуть весьма большая реакция. На графике (рис. 4) приведены зависимости величин этой реакции от

г \ \

отношения податливостей колеса и опоры (п = —), от степени влияния выносных

Лз

опор (к) и воздействия тракторного прицепа GП. Расчетные значения показывают, что усилие на выносной опоре может достигать значительных величин и при проектировании целесообразно, чтобы выносные опоры были более податливее или соблюдалось условие п^-1.

Рисунок 4 - Зависимость величины реакции У3 от к, п, и Gп

Рисунок 5 - Зависимость критического угла поворота стрелы от к и Gп для трактора с заблокированным шарниром

Увеличение базы выносных опор приводит к увеличению критического угла поворота стрелы, но незначительно. Так, например при п=10 и при увеличении базы выносных опор с В3=3м до В3= 4м критический угол поворота стрелы увеличивается на 17 %, а при п=1 на 13 %.

4. Блокировка соединительного шарнира между энергетическим и технологическим модулями дает положительный эффект только при условии п<2. На (рис. 5) представлены зависимости критического угла поворота стрелы фк от степени влияния выносных опор «к» и воздействия тракторного прицепа GП при п=1. Расчеты показывают, что даже при нулевом значении GП можно добиться значение угла фк в диапазоне ±900 при полном вывешивании агрегата. При п<3 значение угла поворота фк будут аналогичными шарнирному варианту соединения модулей.

Библиографический список

1. Герасун, В.М. Рычажные механизмы в телескопических стрелах погрузочных манипуляторов [Текст]/ В.М. Герасун, И.А. Несмиянов, П.В. Турыгин // Тракторы и сельхозмашины. - 2011. - № 8. - С. 32-35.

2. Герасун, В.М. Совершенствование стендовых испытаний погрузочных манипуляторов [Текст]/ В.М. Герасун, А.Л. Конюшков // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2006. - № 7. - С. 41-43.

3. Герасун, В.М. Грузовая устойчивость погрузочного агрегата [Текст]/ В.М. Герасун, А.Л. Конюшков// Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2008. - № 8. - С. 28-30.

4. Герасун, В.М Системы управления манипуляторами [Текст] /В.М. Герасун, И.А. Несмиянов // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2010. - № 2. - С. 24-28.

5. Манипуляторы для мобильных роботов. Концепции и принципы проектирования [Текст] / В.М. Герасун, В.И. Пындак, В.В. Дяшкин-Титов, В.Е. Павловский // Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша. - 2012. - №44.

6. Несмиянов, И.А. Пути повышения эффективности сельскохозяйственных погрузочных машин [Текст] / И.А. Несмиянов // Естествознание на рубеже столетий: материалы международной конференции. - М.: , 2001. - Т. 3.

7. Несмиянов, И.А. Особенности структурного анализа и синтеза пространственных погрузочных манипуляторов [Текст]/И.А. Несмиянов, В.В. Дяшкин-Титов// Материалы Международной научно-практической конференции. - Волгоград : Волгоградская ГСХА, 2011.

8. Синтез манипулятора для мобильного робота на гусеничном шасси [Текст]/ В.М. Герасун, А.Ф. Рогачёв, И.А. Несмиянов, В.Е. Павловский // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2011. - № 5. - С. 51-54.

E-mail: gerasun@ro.ru