Кинематический и силовой анализ механизма шагания экскаватора Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

2004

УДК 621.879

Н.М. Суслов, С.А. Ляпцев

КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И СИЛОВОЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ШАГАНИЯ ЭКСКАВАТОРА

Семинар № 17

еханизм шагания (А.с. БИ № 1239229 А1 от 23.06.86, опубл. В БИ № 23) представляет собой устройство передвижения экскаватора, позволяющее быстро и эффективно осуществлять перемещение его корпуса кусочно-линейным способом. Кинематический и силовой расчет механизма до сих пор не производился, все его конструктивные параметры определялись, в основном, на основе опыта эксплуатации подобных устройств.

Механизм шагания представлен на рис. 1. Он содержит башмаки 1, размещенные по обеим сторонам поворотной платформы 2. Каждая сторона имеет силовые гидроцилиндры 3 и распорные рычаги 4 и 5. Рычаги связаны между собой и со штоком 6 гидроцилиндра шарниром 7, ас опорными башмаками и поворотной платформой — шарнирами 8 и 9 соответственно. Гибкая тяга 10, соединяющая опорный башмак 1 с поворотной платформой 2, закреплена с помощью шарниров 11 и 12 соответственно. Опорные башмаки соединены шарнирно с поворотной платформой посредством боковых тяг. Между нижним распорным рычагом 5 и опорным башмаком 1 установлен ограничитель 14 угла поворота нижнего рычага.

Перед началом перемещения машины происходит опускание опорных башмаков на грунт, при этом в поршневые полости П гидроцилиндров подается рабочая жидкость, а из штоковых полостей Ш гидроцилиндров — отводится, штоки гидроцилиндров выдвигаются, поворачивают-

ся распорные рычаги 5 и 4 вокруг шарниров 8 и 9 соответственно и гибкая тяга 10 вокруг шарнира 11. При дальнейшем выдвижении штоков гидроцилиндров после опускания на грунт опорных башмаков верхний конец рычага 4, воздействуя на шарнир 9, осуществляет подъем передней части машины на определенную высоту. При этом продолжается поворот распорных рычагов 4 и 5 вокруг шарниров 9 и 8. После подъема машины на заданную высоту при дальнейшем выдвижении штоков гидроцилиндров нижние распорные рычаги фиксируются в заданном положении ограничителем угла поворота нижних распорных рычагов 14.

После фиксации нижних распорных рычагов в заданном положении при дальнейшем выдвижении штоков гидроцилиндров штоки 6 упираются в неподвижные по отношению к опорным башмакам 1 шарниры 7, осуществляется перемещение машины на величину шага, при этом верхние распорные рычаги поворачиваются вокруг шарниров 7, неподвижных по отношению к опорным башмакам, а задняя кромка базы волочится по грунту.

Основу расчета составляет аналитический метод замкнутого контура [1], при котором выбранная система векторов рассматривается как геометрический многоугольник с нулевой суммой. В зависимости от варианта работы механизма шагания его кинематическая схема представляется в виде одного из известных кулисных механизмов и представляет собой пятизвенный ме-

\у

I я

I

Рис. 2. Расчетная схема

ханизм с одной степенью свободы, движение которого определяется силой давления в гидроцилиндре (рис. 2).

Исследование перемещения корпуса экскаватора при неподвижных башмаках начинается с описания движения контура, содержащего распорные рычаги 4 и 5, где в качестве неизвестных величин рассматриваются их углы наклона:

- /5 • sin а5 + 1А • cos а 4 - a = 0,

/5 • cos «5 + /4 • sin «4 - b = 0, где /i- длина соответствующего звена, - угол

его наклона.

Далее рассматривается контур, содержащий шток 6, корпус гидроцилиндра и фиктивный ползун 2, помещенный на задней кромке базы, которая волочится по грунту. Здесь неизвестными величинами являются угол наклона штока (равный углу наклона гидроцилиндра) и перемещение фиктивного ползуна. l ■ cos а + S2 - /5 • sin аз - S63 ■ cos а3 = 0, l5 • cosа 5 - S63 • sin а.3 -1 ■ sin а = 0, где l - длина, определяющая положение точки крепления гидроцилиндра по отношению к кромке базы, S63 - перемещение штока 6 по отношению к корпусу гидроцилиндра 3, аз - угол наклона корпуса гидроцилиндра, а - угол, определяющий взаимное положение точки крепления цилиндра и кромки базы.

Проектирование двух векторных уравнений на оси прямоугольной декартовой системы координат позволяет составить четыре алгебраических уравнения с четырьмя указанными неизвестными величинами. Задаваясь перемещением штока относительно корпуса гидроцилиндра можно установить все соответствующие значения

S63 —>■ 1 -f

V 3 /а3 'k* 2 \

s2 ^

Рис. 3. Расчетная схема

неизвестных величин. Полученная система алгебраических уравнений нелинейна и потому не может быть решена аналитически. Решение данной системы возможно получить на ПЭВМ с использованием стандартных программ решения нелинейных уравнений. Дальнейший кинематический анализ данного варианта перемещения экскаватора хорошо известен из теории механизмов и машин: необходимо дважды продифференцировать полученные уравнения и получить систему теперь уже линейных алгебраических уравнений относительно угловых и линейных скоростей и ускорений, переходя в дальнейшем к расчету ускорений точек, необходимых для силового анализа.

Совершенно аналогично рассматривается вариант перемещения башмака относительно неподвижной базы, но при этом кинематическая схема механизма несколько изменяется, так как его стойка связана в данном случае с базой. Поэтому и системы алгебраических уравнений для описания данного движения имеют иной вид. Однако, механизм это также пятизвенный и имеет одну степень свободы, а потому принципиально новый подход к решению системы уравнений не нужен.

Иной подход следует использовать при силовом анализе механизма шагания. Здесь движение каждого звена кинематической схемы следует рассматривать отдельно, вводя в местах соединений (кинематических пар) реакции связей. Поскольку каждая из рассматриваемых кинематических схем имеет одну степень свободы, для составления уравнений движения можно воспользоваться принципом Даламбера [2], в соответствии с которым следует рассмотреть равновесие звеньев с учетом инерционных нагрузок. В каче-

стве ускорении для вычисления инерционных нагрузок при этом используются значения, полученные при кинематическом анализе, описанном выше. Оба варианта движения сводятся к составлению и решению системы пятнадцати линейных алгебраических уравнений с 15 неизвестными, в числе которых оказывается и величина силы давления на поршень гидроцилиндра. Таким образом, расчет сводится опять к стандартной процедуре -определению силовых параметров на ПЭВМ.

Указанный алгоритм позволяет произвести серию вычислительных экспериментов по подбору наиболее рациональных вариантов сочетания геометрических размеров отдельных элементов

механизма шагания, а также выбору соответствующих параметров гидромеханической системы, обеспечивающей его работу.

Вместе с тем, полученные уравнения содержат производные от углов поворота и линейных перемещений, а потому являются дифференциальными уравнениями. Следовательно, возможно осуществить оптимизацию конструктивных параметров при выборе необходимых критериев качества на основе анализа дифференциальных уравнений. Соответст-

вующая теория оптимизации в настоящее время достаточно хорошо разработана [3] и потому вполне доступна для применения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Артоболевский ИИ. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, 1988.

2. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. - М.: Наука, 2001.

3. Красовский Н.Н. Теория оптимального управления. - М.: Наука, 1976.

— Коротко об авторак

Суслов Н.М. - профессор УГГГА. Ляпцев С.А. - профессор УГГГА.

© А.И. Жигульская, Л.Н. Самсонов, 2004

УДК 662.641:634.0.332:676.1.021 А.И. Жигульская, Л.Н. Самсонов

СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВ И НАПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОРФЯНОЙ ПНЕВОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Семинар № 17

¥~% азвитие экономики вызывает постоян--МГ но растущий спрос на древесное сырье, который уже нельзя удовлетворить только увеличением объема лесозаготовок. Возникает опасность истощения лесных ресурсов. Добыча сырья становится все дороже при освоении лесных территорий, отступающих от транспортных магистралей и обжитых мест. Поэтому комплексное использование всей органической массы дерева стало одним из основных направлений развития лесной и торфяной отраслей промышленности.

Большое внимание в нашей стране уделяют производству щепы. В щепу можно перерабатывать дровяные и тонкомерные деревья, пни и корни, вершины и обломки

стволов, сучья и ветви, отходы деревообрабатывающих производств. Частицы щепы образуют однородный сыпучий материал, который облегчает механизацию и автоматизацию транспортно-переместительных операций, складирование и хранение сырья.

Отходами лесозаготовок называют всю неиспользованную биомассу древостоя, оставляемую в лесу после лесозаготовительных работ. К ним относят пни, корни, лесосечные отходы и целые деревья, которые остаются на лесосеке.

К лесосечным отходам относятся сучья, ветви, вершины, и обломки стволов. Среди оставленных на корню или брошенных на лесосеке следует выделить нежелательные и тон-