Кинематические и кинетостатический анализы механизма грейферного ковша

Ергалиев Д.С., Бекетов Б.Ш. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ И КИНЕТОСТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗЫ МЕХАНИЗМА ГРЕЙФЕРНОГО КОВША

Показано, что одним из перспективных направлений повышения эффективности дорожных и строительных машин становятся исследования по созданию универсальных машин с многоцелевыми рабочими органами, в том числе механизмы грейферного ковша. Предлагается решение задачи увеличения усилий на кромках челюстей, приводящее к повышению производительности.

Совершенствование конструкций строительных и дорожных машин неразрывно связаны с совершенствованием их рабочих органов.

В последнее время одним из перспективных направлений повышения эффективности дорожных и строительных машин становятся исследования по созданию универсальных машин с многоцелевыми рабочими органами, в том числе механизмы грейферного ковша [1].

Грейферные захваты по сравнению с другими устройствами аналогичного назначения являются наиболее перспективными и прогрессивными, так как применение их на кранах и погрузчиках позволяет полностью механизировать процесс захвата (зачерпывания) и освобождения (выгрузки) сыпучего и длинномерного материала.

К рабочим (исполнительным) элементам грейферов относятся элементы, непосредственно воздействующие на зачерпываемый или захватываемый груз (челюсти, ковши, лапы, клыки и др.). При зачерпывании материала исполнительные элементы совершают поступательное движение, вращательное, вращательное и поступательное.

В работе рассматривается грузозахватное устройтво, а именно, механизм грейферного ковша и может быть использовано в качестве рабочего органа одноковшовых экскаваторов при выполнении земляных работ под фундаментом сооружений, при планировке поверхности и откосов земляного полотна дорог. Одним из этих машин выполняющих эти операции является гидравлический грейферный экскаватор.

Для создания большого момента смыкания на челюстях грейфера гидроцилиндры располагают иногда наклонно относительно каждой челюсти. Высота грейфера и траектория движения челюстей изменяется в зависимости от плеча подвески челюстей. При выполнении подгребающего грейфера с наклонными гидроцилиндрами значительно увеличивается размах челюстей.

Грейфер представляет собой плоский дифференциальный механизм с двумя степенями свободы. Движение механизма определяют исходя из уравнений Лагранжа 2-го рода, решая задачу кинематики грейферного механизма.

Механизм ковша грейферного с прямолинейным движением кромок челюстей ранее был рассмотрен в работе [2]. В ней предложена структурная схема ковша грейферного состоящая из группы Ассура 2- и 4-класса. Для этого ковша грейферного выполнен кинетостатический, кинематический синтез и анализ. Хотя этот ковш обеспечивает полную разгрузку и исключает ручной труд, однако является сложной по конструкции.

Нами разработана новая конструкция гидравлического грейферного механизма для строительно-дорожных работ состоящая только из группы Ассура 3-класса, позволяющее увеличить усилие на кромках челюстей и повышение производительности [3].

Предлагается решение этой задачи следующим образом: на челюсти выполнена проушина и соединена

посредством дополнительного рычага с ползуном, а также проушина одной челюсти со штоком гидроцилиндра, корпус которой шарнирно соединен с несущим элементом и тягой, а другие концы рычагов соединены с ползуном. На рисунке 1 представлена предложенная кинематическая схема грейферного механизма.

где: несущий элемент 1, тяга 2, челюсти 3, рычаги 4 и 6, ползуны 5 и 7, проушины 7 и 8,

направляющий ползун 9, гидроцилиндр 10, шток гидроцилиндра 11.

В соответсвии с этим при движении гидроцилиндра, шток и его проушина ползуна воздействует посредством рычагов на челюсть и его проушину.

Челюсть вращается относительно тяги, а кромки ее движутся навстречу друг другу. При этом длина проушины челюсти и длина дополнительного рычага подобраны так, что при движении штока гидроцилиндра кромки движутся строго по горизонтали навстречу друг другу.

В таблице 1 приведены координаты положений шарниров грейферного механизма для строительнодорожных работ.

Таблица 1. Координаты положений шарниров грейферного механизма.

Сх Су 9х 9у Бх Бу

-0,15625 -0,29855 0,1798 -0,1771 0,20308 -0,33438

-0,15625 -0,26673 0,1798 -0,14529 0,20251 -0,30566

-0,15625 -0,24026 0,1798 -0,11881 0,20163 -0,28354

-0,15625 -0,21708 0,1798 -0,95634 0,2004 -0,26582

-0,15625 -0,19587 0,1798 -0,74424 0,19869 -0,25121

-0,15625 -0,17577 0,1798 -0,5432 0,19633 0,23902

-0,15625 -0,15633 0,1798 -0,34882 0,19309 -0,22896

-0,15625 -0,13743 0,1798 -0,15985 0,18867 -0,22095

-0,15625 -0,11913 0,1798 0,23178 0,18277 -0,21496

-0,15625 -0,10155 0,1798 0,19897 0,1751 -0,21087

-0,15625 -0,84852 0,1798 0,36595 0,16538 -0,20851

-0,15625 -0,69203 0,1798 0,52243 0,15336 -0,20762

-0,15625 -0,54785 0,1798 0,66662 0,13883 -0,20792

-0,15625 -0,41804 0,1798 0,79642 0,12159 -0,20913

-0,15625 -0,30508 0,1798 0,90938 0,10137 -0,21097

-0,15625 -0,2121 0,1798 0,10024 0,77547 -0,21331

Ех Еу Бх Бу Рх Ру

0,77481 -0,43257 0,18393 -0,61185 0,59793 -0,90227

0,76315 -0,47594 0,20371 -0,3179 0,55411 -0,9013

0,74981 -0,49045 0,2209 -0,10346 0,51315 -0,90108

0,73497 -0,50569 0,23624 0,5696 0,47377 -0,90117

0,71849 -0,52159 0,25017 0,17776 0,43487 -0,90131

0,70013 -0,53817 0,26285 0,26651 0,39562 -0,90135

0,67969 -0,55533 0,27409 0,32659 0,35569 -0,90124

0,6572 -0,57277 0,28349 0,3598 0,31524 -0,90094

0,63282 -0,59014 0,29253 0,36822 0,27462 -0,9005

0,60678 -0,60706 0,29473 0,3549 0,23421 -0,90001

0,57925 -0,62326 0,29571 0,32363 0,19418 -0,89958

0,55036 -0,63855 0,29319 0,2786 0,15458 -0,89929

0,52014 -0,6528 0,28701 0,22399 0,11527 -0,89919

0,48856 -0,66589 0,27701 0,16371 0,76062 -0,89929

0,45552 -0,67775 0,263 0,10124 0,36702 -0,89961

0,42052 -0,68836 0,24437 0,38848 -0,34397 -0,90023

Одним из этапов создания новой конструкции ковша является расчет его кинематических параметров. Решение обратной задачи о положениях дает возможность определить вышеназванные параметры. Для решения задачи кинематики механической системы ковша эффективным методом является векторно-матричный метод [4].

На основе разработанного структурно-кинематического оптимизационного метода синтеза грейферного механизма предложена прикладная программа обесчивающая выполнение на ЭВМ всех этапов синтеза и анализа механизмов по заданным технологическим требованиям.

Для предложенной схемы конструкции грейферного механизма произведен кинематический и силовой анализ, получены координаты положений шарниров и значение реакций в шарнирах механизма грейфера.

На рисунке 2 представлены графо-аналитические кривые координат положений шарниров механизма грейферного ковша.

-0 1 Ч 0,5. Рх

Ру ^

Рисунок 2.Кривые координат положений шарниров механизма грейфера

Полученные значения решают вопрос об определении обобщенных координат механизма грейферного ковша по заданному положению выходного звена. Если вычислить значения обобщенных координат, то рабочая точка ковша будет занимать предписанные положения в пространстве.

В таблице 2 приведены полученные значения реакций в шарнирах грейферного механизма для строительно-дорожных работ.

Таблица 2. Значение реакций в шарнирах механизма грейферного ковша.

Я15х Я15у Я12х Я12у Я32х Я32у

0,94693 78,106 2,8875 169,202 2,8875 -10,798

1,0368 69,248 3,1586 167,976 3,1586 -12,024

1,1132 60,883 3,4014 166,433 3,4014 -13,567

1,1743 52,648 3,6162 164,552 3,6162 -15,448

1,2164 44,276 3,8005 162,275 3,8005 -17,725

1,2347 35,615 3,9499 159,538 3,9499 -20,462

1,2245 26,618 4,0604 156,297 4,0634 -23,703

1,1824 17,307 4,1325 152,532 4,1325 -27,468

1,1063 7,726 4,172 148,251 4,172 -31,749

0,9932 -2,091 4,1884 143,472 4,1884 -36,528

0,83527 -12,136 4,192 138,221 4,192 -41,779

0,61369 -22,435 4,1912 132,514 4,1912 -47,486

0,28375 -33,061 4,1899 126,353 4,1899 -53,647

0,27115 133,831 4,18198 119,701 4,1819 -62,299

1,4645 123,825 4,124 112,382 4,124 -67,618

Я34х Я34у Я35х Я35у Я04х Я04у

2,2016 138,197 0,94693 -0,10189 2,2016 -41,803

2,3694 136,615 1,0368 -110,752 2,3694 -43,385

2,4999 134,908 1,1132 -119,117 2,4999 -45,092

2,5964 133,071 1,1743 -127,352 2,5964 -46,929

2,6617 131,085 1,2164 -135,724 2,6617 -48,915

2,6998 128,943 1,2347 -144,385 2,6998 -51,057

2,7186 126,659 1,2045 -153,382 2,7186 -53,341

2,7318 124,257 1,1824 -162,693 2,7318 -55,743

2,757 121,765 1,1063 -172,274 2,757 -58,235

2,8144 119,201 0,99327 177,909 2,8144 -60,799

2,9266 116,578 0,83527 167,864 2,9266 -63,422

3,1229 113,897 0,61369 157,565 3,1229 -66,103

3,4523 111,153 0,28375 146,939 3,4523 -68,847

4,0258 108,336 0,27115 -44,169 4,0258 -71,664

5,2173 105,401 1,4645 -56,175 5,2173 -74,599

На рисунке 3 кривые реакций в шарнирах механизма грейфера для строительно-дорожных работ.

Рисунок З.Кривые реакций в шарнирах механизма манипулятора для строительно-дорожных работ.

Как показали кинематические и кинетостатические исследования, именно такое выполнение конструкции грейферного механизма позволяющее увеличить усилие на кромках челюстей и повышение производительности. Предложенная схема имеет ноу-хау и патента способна.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б.А. Таубер. Грейферные механизмы. - М. Машиностроение, 1985. - 272 с.

2. Журсенбаев Б.И., Егалиев Д.С. и др. Синтез грейферного механизма прямолинейной траектории кромок челюстей. Сб. Науч. Тр. 1-ой Международной научно-практической конференции « Автомобильные дороги и транспортные машины: проблемы и перспективы развития» Алматы, 21-22 мая, 2002. С. 169-171.

3. Джолдасбеков У.А. Теория механизмов высокого классов. Алматы: Гылым, 2001. 427 с.

4. Механика промышленых роботов: Учебное пособие для втузов: в 3-х кн. Под. Фролов К.Б.,

Воробьева Е.И. - М.: Высшая школа, 1989.