ТРЕХЗВЕННЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КРАН-МАНИПУЛЯТОР

Полезная модель относится к области подъемно-транспортного машиностроения, а именно к конструкциям гидравлических кранов-манипуляторов, установленных на базовом транспортном средстве и предназначенных для выполнения погрузочно-разгрузочных, строительно-монтажных, транспортных и складских работ.
Известен трехзвенный гидравлический кран-манипулятор, состоящий из закрепленной на раме базового транспортного средства опорной конструкции, поворотной колонны, стрелы, рукояти с закрепленным на конце грузозахватным органом, а также выносных силовых гидродвигателей механизмов поворотного движения стрелы и рукояти, закрепленных на звеньях крана-манипулятора, и узлов шарнирного соединения концов смежных звеньев (колонны-стрелы, стрелы-рукояти) в единую кинематическую цепь [1].
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели и принятым за ее прототип является трехзвенный гидравлический кран-манипулятор [2], состоящий из поворотной колонны, стрелы, рукояти с закрепленным на конце грузозахватным органом, узлов шарнирного соединения концов смежных звеньев (колонны-стрелы, стрелы-рукояти) в единую кинематическую цепь и силовых гидроцилиндров механизмов поворотного движения стрелы и рукояти, узлы крепления которых к металлоконструкции крана-манипулятора включают по две попарно неподвижно закрепленные на металлоконструкции проушины, изготовленные из толстостенного листового проката и имеющие соосные отверстия для установки в них соединительной оси для образования цилиндрического шарнирного соединения с корпусом гидроцилиндра.
Существенным недостатком рассмотренного прототипа является наличие выносных силовых гидродвигателей механизмов поворотного движения стрелы и рукояти, крепящихся при помощи попарно расположенных проушин к поверхности подвижных звеньев крана-манипулятора. Такое расположение гидродвигателей приводит к тому, что в процессе транспортирования полезного груза при выполнении поворотного движения стрелы кроме перемещения самого полезного груза и металлоконструкции звеньев дополнительно выполняется перемещение силового гидродвигателя механизма поворотного движения рукояти и узлов его крепления. Это приводит к необходимости снижения веса полезного груза, которым может манипулировать кран-манипулятор, т.е. к снижению номинальной грузоподъемности крана-манипулятора. Анализ известных данных по конструкциям гидравлических трехзвенных кранов-манипуляторов [3] показывает, что вес силового гидродвигателя и элементов его крепления может составлять до 10% от веса полезного груза и, следовательно, на такую величину при постоянной установленной мощности силового гидропривода снижается номинальная грузоподъемность крана-манипулятора, которая является важнейшей технической характеристикой грузоподъемных машин. Кроме того, во многих конструкциях кранов-манипуляторов [3] силовые гидродвигатели устанавливаются под подвижными звеньями, т.е. в рабочей зоне крана-манипулятора. Таким образом, объем пространства, занимаемый силовыми гидродвигателями, исключается из объема пространства рабочей зоны крана-манипулятора, что приводит к его уменьшению и, следовательно, к ухудшению еще одной из основных технических характеристик крана. Опыт эксплуатации гидравлических кранов-манипуляторов [3] также свидетельствует о том, что элементы узлов крепления силовых гидродвигателей к звеньям подвержены выходу из строя вследствие возникновения в них усталостных трещин, развитие которых может приводить к разрушению элементов крепления и созданию аварийных ситуаций, и, следовательно, к снижению показателей надежности крана-манипулятора, в частности, коэффициентов готовности и использования, наработки на отказ, интенсивности отказов и др.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение таких технических характеристик гидравлического крана-манипулятора, как номинальная грузоподъемность, объем рабочей зоны и надежность.
Для решения указанной технической задачи в трехзвенном гидравлическом кране-манипуляторе, состоящем из закрепленной на раме базового транспортного средства опорной конструкции, поворотной колонны, стрелы, рукояти с закрепленным на конце грузозахватным органом, а также узлов шарнирного соединения концов смежных звеньев в единую кинематическую цепь, к концевому торцевому сечению ближайшего к опорной конструкции звена неподвижно крепится цилиндрическая обечайка, герметично закрываемая с обоих торцов торцевыми крышками с центральными цилиндрическими отверстиями, внутри которой на равном угловом расстоянии неподвижно прикреплены к стенке обечайки три радиально расположенные перегородки, по обеим сторонам которых в стенке обечайки выполнены сквозные отверстия для установки штуцеров присоединения трубопроводов подвода рабочей жидкости от гидросистемы крана-манипулятора, и установлен ротор в виде вала, концы которого выведены наружу обечайки через центральные отверстия торцевых крышек и имеют шлицевые пазы, а к центральной цилиндрической части ротора неподвижно прикреплены на равном угловом расстоянии три радиально расположенные лопасти, причем в зазорах между перегородками и ротором и между лопастями и стенкой обечайки установлены уплотнения, а на концы ротора при помощи отверстий со шлицевыми выступами надеты хомуты, неподвижно крепящиеся к боковым поверхностям смежного звена крана-манипулятора. Как вариант исполнения, к стенке обечайки прикреплены на равном угловом расстоянии четыре радиально расположенные перегородки, а к центральной цилиндрической части ротора неподвижно прикреплены на равном угловом расстоянии четыре радиально расположенные лопасти. Как вариант исполнения, к стенке обечайки прикреплены на равном угловом расстоянии пять радиально расположенных перегородок, а к центральной цилиндрической части ротора неподвижно прикреплены на равном угловом расстоянии пять радиально расположенных лопастей.
Полезная модель поясняется более подробно с помощью чертежей. Все не требующиеся для непосредственного понимания полезной модели элементы исключены. На фиг. 1 показана исходная конструкция трехзвенного гидравлического крана-манипулятора; на фиг. 2 - конструкция трехзвенного крана-манипулятора согласно полезной модели; на фиг. 3 - выносной элемент I (укрупненно) места соединения смежных звеньев крана-манипулятора (вид сбоку); на фиг. 4 - поперечный разрез А-А на фиг. 3 узла соединения смежных звеньев крана-манипулятора; на фиг. 5 - поперечный разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 - схема, поясняющая принцип работы полезной модели.
Исходная конструкция трехзвенного гидравлического крана-манипулятора включает следующие элементы. На раме базового транспортного средства устанавливается опорная конструкция 1 (фиг. 1) крана-манипулятора. На нее опирается поворотная колонна 2 (фиг. 1, 2), на которой закреплена стрела 3 (фиг. 1-6) при помощи шарнирного узла соединения смежных звеньев 4 (фиг. 1, 2). На конце стрелы 3 (фиг. 1-6) при помощи шарнирного узла соединения смежных звеньев 4 (фиг. 1, 2) закреплена рукоять 5 (фиг. 1-6) с установленным на ее конце грузозахватным органом 6 (фиг. 1, 2). К металлоконструкции стрелы 3 (фиг. 1-6) и рукояти 5 (фиг. 1-6) с помощью элементов крепления 7 (фиг. 1, 2) крепится силовой гидродвигатель механизма поворотного движения рукояти 8 (фиг. 1). К металлоконструкции опорной колонны 2 (фиг. 1, 2) и стрелы 3 (фиг. 1-6) с помощью элементов крепления 7 (фиг. 1, 2) крепится силовой гидродвигатель механизма поворотного движения стрелы 9 (фиг. 1, 2). Он производит подъем-опускание стрелы 3 (фиг. 1-6), рукояти 5 (фиг. 1-6) и грузозахватного органа 6 (фиг. 1, 2) с полезным грузом 10 (фиг. 1, 2), а вместе с ними дополнительно - силового гидродвигателя механизма поворотного движения рукояти 8 (фиг. 1) и элементов его крепления 7 (фиг. 1, 2).
1
2
3
1
2
3
1
1
2
2
3
3
1
2
3
1
2
3
Суть полезной модели заключается в следующем. К концевому торцевому сечению стрелы 3 (фиг. 1-6), которая является ближайшем к опорной конструкции 1 (фиг. 1, 2) звеном, при помощи сварных швов 11 (фиг. 3-5) неподвижно крепится цилиндрическая обечайка 12 (фиг. 2, 4-6). Обечайка 12 (фиг. 2, 4-6) с обоих торцов герметично закрывается съемными торцевыми крышками 13 (фиг. 2-4), имеющими центральные отверстия 14 (фиг. 4). Торцевые крышки 13 (фиг. 2-4) крепятся к обечайке 12 (фиг. 2, 4-6) болтами 15 (фиг. 3, 4). Для герметизации зазора между сопрягаемыми поверхностями обечайки 12 (фиг. 2, 4-6) и торцевой крышки 13 (фиг. 2-4) устанавливается резиновое уплотнительное кольцо 16 (фиг. 4). В торцевой крышке 13 (фиг. 2-4) выполнены две центральные расточки, в одну из которых с натягом устанавливается подшипник качения 17 (фиг. 4), а в другую - уплотнительная манжета 18 (фиг. 4). Например, в качестве уплотнительной манжеты 18 (фиг. 4) может быть использована армированная манжета по ГОСТ 8752-79, которая применяется в конструкциях силовых гидроприводов машин различного назначения для уплотнения валов, совершающих вращательное или возвратно-поворотное движение. Для исключения осевого смещения подшипника качения 17 (фиг. 4) к внутренней поверхности торцевой крышки 13 (фиг. 2-4) крепится предохранительное кольцо 19 (фиг. 4) при помощи винтов 20 (фиг. 4). К внутренней поверхности обечайки 12 (фиг. 2, 4-6) на равном угловом расстоянии α=120° крепятся три радиально расположенные перегородки 21 (фиг. 4-6) при помощи фиксаторов 22 (фиг. 4, 5) и удерживающих винтов 23 (фиг. 4). По обеим сторонам каждой перегородки 21 (фиг. 4-6) в ее непосредственной близости в стенке обечайки 12 (фиг. 2, 4-6) выполняются по одному радиальному сквозному резьбовому отверстию 24 (фиг. 4), в каждое из которых снаружи устанавливается штуцер 25 (фиг. 4-6) для присоединения подъемного трубопровода 26 (фиг. 4-6) или опускного трубопровода 27 (фиг. 4-6) для подачи (или отвода) рабочей жидкости из гидросистемы силового гидропривода крана-манипулятора. Внутри обечайки 12 (фиг. 2, 4-6) в подшипниках качения 17 (фиг. 4) установлен ротор 28 (фиг. 3-6) в виде вала. Концы ротора 28 (фиг. 3-6) выведены наружу через центральные отверстия 14 (фиг. 4) торцевых крышек 13 (фиг. 2-4). На концах ротора 28 (фиг. 3-6) выполнены шлицевые пазы 29 (фиг. 3, 4). На центральной цилиндрической части ротора 28 (фиг. 3-6) при помощи призматической шпонки 30 (фиг. 5) закреплена втулка 31 (фиг. 4-6), к которой на равном угловом расстоянии α=120° крепятся три радиально расположенные лопасти 32 (фиг. 4-6) при помощи фиксаторов 33 (фиг. 4, 5) и стопорных винтов 34 (фиг. 4). Для герметизации зазоров между сопрягаемыми поверхностями перегородок 21 (фиг. 4-6) и втулки 31 (фиг. 4-6) в каждой перегородке 21 (фиг. 4-6) выполняется паз 35 (фиг. 5) для установки уплотнительного элемента 36 (фиг. 4, 5). Для герметизации зазоров между сопрягаемыми поверхностями лопастей 32 (фиг. 4-6) и внутренней поверхности обечайки 12 (фиг. 2, 4-6) в каждой лопасти 32 (фиг. 4-6) выполняется паз 37 (фиг. 5) для установки уплотнительного элемента 38 (фиг. 4, 5). Например, по аналогии с практикой герметизации аналогичных поверхностей в шиберных поворотных гидродвигателях машиностроительного гидропривода в качестве уплотнительных элементов 36 (фиг. 4, 5) и 38 (фиг. 4, 5) могут использоваться фторопластовые пластины или шевронная набивка. Перегородки 21 (фиг. 4-6) и лопасти 32 (фиг. 4-6) разделяют все внутреннее пространство обечайки 12 (фиг. 2, 4-6) на три пары камер U, U, U и V, V, V, которые чередуются между собой в окружном направлении, т.е. располагаются в следующей последовательности: U-V-U-V-U-V. К камерам U, U, U через штуцеры 25 (фиг. 4-6) подключены подъемные трубопроводы 26 (фиг. 4-6). К камерам V, V, V через штуцеры 25 (фиг. 4-6) подключены опускные трубопроводы 27 (фиг. 4-6). На концы ротора 28 (фиг. 3-6), имеющие шлицевые пазы 29 (фиг. 3, 4), надеваются хомуты 39 (рис. 3-6), выполненные из стального листового проката. Для этого на одном из концов каждого из хомутов 39 (фиг. 3-6) имеется отверстие 40 (фиг. 3) со шлицевыми выступами. Шлицевые пазы 29 (фиг. 3, 4) концов ротора 28 (фиг. 3-6) и шлицевые выступы отверстий 40 (фиг. 3) хомутов 39 (фиг. 3-6) обеспечивают разъемное шлицевое соединение ротора 28 (фиг. 3-6) с хомутами 39 (фиг. 3-6). Другими концами хомуты 39 (фиг. 3-6) неподвижно крепятся к противоположным боковым поверхностям рукояти 5 (фиг. 1-6), которая является звеном, смежным стреле 3 (фиг. 1-6). Для обеспечения сборки шарнирного узла соединения стрелы 3 (фиг. 1-6) и рукояти 5 (фиг. 1-6) в единую кинематическую цепь, крепление хомутов 39 (фиг. 3-6) к боковым поверхностям рукояти 5 (фиг. 1-6) выполняется разборным, например, с помощью шпилек 41 (фиг. 3-5) и гаек 42 (фиг. 3, 4).
Как вариант исполнения, к внутренней поверхности обечайки 12 (фиг. 2, 4-6) на равном угловом расстоянии α=90° крепятся четыре радиально расположенные перегородки 21 (фиг. 4-6) при помощи фиксаторов 22 (фиг. 4, 5) и удерживающих винтов 23 (фиг. 4). К втулке 30 (фиг. 5) на равном угловом расстоянии α=90° крепятся четыре радиально расположенные лопасти 32 (фиг. 4-6) при помощи фиксаторов 33 (фиг. 4, 5) и стопорных винтов 34 (фиг. 4).
Как вариант исполнения, к внутренней поверхности обечайки 12 (фиг. 2, 4-6) на равном угловом расстоянии α=72° крепятся пять радиально расположенных перегородок 21 (фиг. 4-6) при помощи фиксаторов 22 (фиг. 4, 5) и удерживающих винтов 23 (фиг. 4). К втулке 30 (фиг. 5) на равном угловом расстоянии α=72° крепятся пять радиально расположенных лопастей 32 (фиг. 4-6) при помощи фиксаторов 33 (фиг. 4, 5) и стопорных винтов 34 (фиг. 4).
Полезная модель представляет собой конструкцию, которая совмещает:
1) шарнирный узел соединения в единую кинематическую цепь смежных звеньев крана-манипулятора - стрелы 3 (фиг. 1-6) и рукояти 5 (фиг. 1-6) и
2) механизм силового гидропривода возвратно-поворотного движения рукояти 5 (фиг. 1-6) вместе с грузозахватным органом 6 (фиг. 1, 2) и полезным грузом 10 (фиг. 1, 2).
1
1
2
3
1
2
3
2
1
2
1
1
2
2
3
3
1
2
3
1
2
3
кр
1
2
3
кр
кр
1
1
2
3
1
2
3
2
1
2
3
кр
Функцию шарнирного узла соединения реализуют обечайка 12 (фиг. 2, 4-6), торцевые крышки 13 (фиг. 2-4) с установленными в них подшипниками качения 17 (фиг. 4), ротор 28 (фиг. 3-6) и хомуты 39 (фиг. 3-6). Контакт между собой перечисленных конструктивных элементов обеспечивает постоянную неразрывную кинематическую связь между смежными звеньями крана-манипулятора - стрелой 3 (фиг. 1-6) и рукоятью 5 (фиг. 1-6), так как они формируют цилиндрический шарнир, позволяющий рукояти 5 (фиг. 1-6) выполнять возвратно-поворотное движение относительно стрелы 3 (фиг. 1-6) в вертикальной плоскости. Функцию механизма силового гидропривода возвратно-поворотного движения рукояти 5 (фиг. 1-6) реализуют обечайка 12 (фиг. 2, 4-6) с закрепленными на ней с помощью штуцеров 25 (фиг. 4-6) подъемных 26 (фиг. 4-6) и опускных 27 (фиг. 4-6) трубопроводов, торцевые крышки 13 (фиг. 2-4), перегородки 21 (фиг. 4-6), лопасти 32 (фиг. 4-6), ротор 28 (фиг. 3-6) с закрепленной на нем втулкой 31 (фиг. 4-6), подшипники качения 17 (фиг. 4) и уплотнительные устройства различного исполнения - уплотнительные кольца 16 (фиг. 4), уплотнительные манжеты 18 (фиг. 4), уплотнительные элементы 36 (фиг. 4, 5) и 38 (фиг. 4, 5). Схема, поясняющая принцип работы полезной модели приведена на фиг. 6. При подключении подъемных трубопроводов 26 (фиг. 4-6) к напорной гидролинии силового гидропривода крана-манипулятора (не показана) рабочая жидкость под высоким давлением p через штуцеры 25 (фиг. 4-6) и резьбовые отверстия 24 (фиг. 4) поступает в камеры U, U, U. Одновременно с этим опускные трубопроводы 27 (фиг. 4-6) подключаются к сливной гидролинии силового гидропривода крана-манипулятора (не показана) и находящаяся в камерах V, V, V рабочая жидкость под низким давлением p удаляется из них. В результате разницы давления Δр=р-р рабочей жидкости, находящейся в смежных камерах, разделяемых лопастями 32 (фиг. 4-6), т.е. в камерах U-V, U-V, U-V, на лопасти 32 (фиг. 4-6) со стороны камер U, U, U начинают действовать силы разницы давления R=R=R=ΔрА (где А - площадь боковой поверхности лопасти), которые создают суммарный крутящий момент на роторе 28 (фиг. 3-6) М=RH+RH+RH=3ΔрАН относительно продольной оси ротора - точки О. Крутящий момент М, создаваемый на лопастях 32 (фиг. 4-6), передается с них на втулку 31 (фиг. 4-6) и через призматическую шпонку 30 (фиг. 5) - на ротор 28 (фиг. 3-6), поворачивая его против часовой стрелки. Далее с помощью шлицевых соединений концов ротора 28 (фиг. 3-6) с хомутами 39 (фиг. 3-6) и сами хомуты 39 (фиг. 3-6) крутящий момент М передается на рукоять 5 (фиг. 1-6), обеспечивая ее поворот в вертикальной плоскости против часовой стрелки и, таким образом, обеспечивая подъем грузозахватного органа 6 (фиг. 1, 2) с полезным грузом 10 (фиг. 1, 2). Максимальный угол поворота β рукояти 5 (фиг. 1-6) определяется наибольшим возможным углом поворота лопасти 32 (фиг. 4-6) между двумя соседними перегородками 21 (фиг. 4-6). Опыт проектирования поворотных гидродвигателей для силовых гидроприводов различных машин показывает [4], что β≈(0,70…85)α. При подключении опускных трубопроводов 27 (фиг. 4-6) к напорной гидролинии силового гидропривода крана-манипулятора (не показана) рабочая жидкость под высоким давлением p через штуцеры 25 (фиг. 4-6) и резьбовые отверстия 24 (фиг. 4) поступает в камеры V, V, V. Одновременно с этим подъемные трубопроводы 27 (фиг. 4-6) подключаются к сливной гидролинии силового гидропривода крана-манипулятора (не показана) и находящаяся в камерах U, U, U рабочая жидкость под низким давлением р удаляется из них. Физические процессы, протекающие при этом, аналогичны описанным выше, однако силы разницы давления R, R, R и крутящий момент М направлены в противоположную сторону. Как результат, рукоять 5 (фиг. 1-6) совершает поворот в вертикальной плоскости по часовой стрелке, обеспечивая опускание грузозахватного органа 6 (фиг. 1, 2) и полезного груза 10 (фиг. 1, 2).
кр
кр
Таким образом, увеличение количества пар перегородок 21 (фиг. 4-6) и лопастей 32 (фиг. 4-6) приводит к следующим результатам: 1) величина крутящего момента М, передаваемого на рукоять 5 (фиг. 1-6) увеличивается, а, следовательно, увеличивается вес перемещаемого полезного груза 10 (фиг. 1, 2) и номинальная грузоподъемность крана-манипулятора; 2) уменьшается максимально возможный угол поворота β рукояти 5 (фиг. 1-6) в вертикальной плоскости, а, следовательно, снижается рабочая зона, в пределах которой у рукояти 5 (фиг. 1-6) имеется возможность манипулировать полезным грузом 10 (фиг. 1, 2). Поэтому полезная модель имеет три варианта конструктивного исполнения, отличающихся количеством пар перегородок 21 (фиг. 4-6) и лопастей 32 (фиг. 4-6) - три, четыре и пять пар. При количестве пар перегородок 21 (фиг. 4-6) и лопастей 32 (фиг. 4-6) меньше трех величина передаваемого крутящего момента М оказывается недостаточной для создания крана-манипулятора удовлетворительной номинальной грузоподъемности. При количестве пар перегородок 21 (фиг. 4-6) и лопастей 32 (фиг. 4-6) больше пяти величина угла поворота β рукояти 5 (фиг. 1-6) в вертикальной плоскости оказывается неудовлетворительно малой (не более 50…55°) с точки зрения возможности эффективности манипулирования полезным грузом 10 (фиг. 1, 2) в пространстве рабочей зоны крана-манипулятора.
Технико-экономический результат от внедрения полезной модели достигается за счет совмещения в едином конструктивном узле шарнирного узла соединения в единую кинематическую цепь смежных звеньев крана-манипулятора (стрелы и рукояти) и механизма силового гидропривода возвратно-поворотного движения рукояти вместе с грузозахватным органом и полезным грузом, что позволяет при той же мощности насосной установки гидропривода увеличить до 10% номинальную грузоподъемность трехзвенного крана-манипулятора и объем рабочей зоны. Отказ от применения в конструкции гидравлического трехзвенного крана-манипулятора выносного силового гидродвигателя механизма поворотного движения рукояти и элементов его крепления к звеньям дополнительно позволяет повысить количественные показатели надежности работы крана вследствие устранения отказов, связанных с усталостным разрушением элементов крепления в процессе эксплуатации.
Использованная литература
1. Суфтин, С.Г. Основы создания и развития автомобильных кранов-манипуляторов / С.Г. Суфтин. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 303 с.
2. Патент 153946 Российской Федерации В66С 23/44. Трехзвенный гидравлический кран-манипулятор / А.В. Лагерев, И.А. Лагерев. - Заявл. 10.12.14, №2014149984. Опубл. 10.08.15. - Бюл. №22.
3. Лагерев, И.А. Моделирование рабочих процессов манипуляционных систем мобильных многоцелевых транспортно-технологических машин и комплексов / И.А. Лагерев. - Брянск: РИО БГУ, 2016. - 371 с.
4. Лагерев, А.В. Проектирование насосных гидроприводов подъемно-транспортной техники / А.В. Лагерев. - Брянск: БГТУ, 2006. - 232 с.