CC BY
57
УДК 630*377.45
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОПРИВОДА МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА ЛЕСНОГО МАНИПУЛЯТОРА
СОРТИМЕНТОВОЗА
аспирант кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин С. В. Долженко ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
На современном этапе развития лесной техники наиболее важными проблемами являются снижение энергозатрат и уменьшение металлоёмкости агрегатов. Решить эти проблемы, на наш взгляд, можно внедрением различных механизмов, оснащенных демпфирующими устройствами [1, 2, 3].
Целью экспериментальных исследований является снижение энергоемкости, динамической нагруженности механизма поворота колонны гидроманипулятора и раскачивания груза при рабочих режимах нагружения.
Программа исследований включает обоснование следующих зависимостей:
- давления в поршневых полостях гидроцилиндров механизма поворота и времени вращения колонны, торможения и остановки от различных диаметров дросселей в демпфере;
- давления в поршневых полостях гидроцилиндров механизма поворота и времени вращения колонны, торможения и остановки при подключении гидроаккумуляторов;
- давление в поршневых полостях гидроцилиндров механизма поворота от времени вращения колонны, торможения и остановки без демпфера;
- давление в поршневых полостях
гидроцилиндров механизма поворота от времени вращения колонны, торможения и остановки без гидроаккумуляторов;
- проверка работоспособности гидропривода механизма поворота манипулятора с подключением демпфера и гидроаккумуляторов в производственных условиях.
Для лабораторных исследований используется натурный образец манипулятора ЛВ-210-01. На раму сварной конструкции из швеллеров № 10 смонтирована гидростанция и манипулятор. В гидропривод механизма поворота колонны были сделаны врезки, к которым подключен дополнительный демпфер и гидроаккумулятор, спроектированный и изготовленный диссертантом на кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин ВГЛТА [4, 5].
Манипулятор состоит из стрелы 1 с удлинителем, на которой на расстоянии примерно 1 м подвешен груз (рис. 1), поворотной колонны 2, механизма поворота 3. Гидросистема манипулятора подключена к насосной станции 4, запитанной от штатной проводки 380 В, управляемая гидрораспределителем, а дополнительный демпфер с помощью гибких трубопроводов подсоединен к поршневым полостям гидроцилиндров механизма поворота ко-
лонны. На стреле с помощью цепей длиной примерно 1 м подвешен груз 5. В трубопроводы механизма поворота колонны подключены датчики давления рабочей жидкости фирмы Honeywell
MLH300PSB02A. Датчики давления подключены через устройства обработки дан-
ных осциллографы 6 серии АКИП-4106...4109 к ноутбуку 7 с программным обеспечением. На раме манипулятора закреплена шкала для замера колебания груза 8. На раме смонтирована гидростанция 9.
Рис. 1. Общий вид манипулятора ЛВ-210-01 с контрольно-измерительной аппаратурой и
демпфером
Изменения давления в подводящих гидромагистралях отслеживаются датчиками (рис. 2), которые снабжены демпфи-
рующим устройством для предотвращения его выхода из строя при гидравлическом ударе.
Рис. 2. Общий вид поворотного устройства колонны с заглушёнными врезками под демпфер
и смонтированными датчиками
Насосная станция состоит из следующих основных элементов: рама, на которую установлен трехфазный асинхронный двигатель типа МИХ 2, к которому через муфту подключен шестеренчатый насос НШ 32У-2, масляный бак подсоединен через эластичные шланги к насосу и обратному клапану распределителя. Насосная станция имеет максимальную производительность QНС « 56 л / мин . На корпус насосной станции (рис. 3) установлен корпус модульный навесной с дымчатой дверью наименованием «Бокс ЩРН-П-12» 1, в котором размещены выключатель дифференциальный серии ВД1-63 наиме-
нованием 2 и автоматический выключатель серии наименованием 3. На рис. 4 представлен общий вид установки с подключенным демпфером.
Исследование динамики гидропривода проводилось для поршневых полостей, с учетом наличия и отсутствия в гидросистеме демпфера для 20 характерных значений давления.
При проведении лабораторного эксперимента были выделены 4 этапа работы манипулятора: 1 - включение; 2 - начало поворота; 3 - окончание поворота; 4 -продолжение поворота; 5 - окончательная остановка.
Рис. 3. Блок управления
Рис. 4. Общий вид установки с подключенным демпфером
На рис. 5 представлена кинематическая функциональная схема опорно-поворотного устройства ЛВ-210-01.
Груз удерживается при горизонтально расположенной стреле и вылетом на 5 м. Торможение колонны осуществляется
при угле поворота 90°.
Измерение давления и поворота колонны проводились при следующих схемах испытания:
а) в поршень демпфера устанавливались поочередно дроссели диаметром 1 мм; 2 мм; 3 мм; 4 мм; 5 мм; 6 мм.
б) изменялись объёмы полостей
демпфера, соединенные с поршневой и штоковой полостями, соответствующие диаметрам 20 мм; 30 мм; 40 мм; 50 мм; 60 мм с помощью регулировочных пробок.
в) замеры давления в гидроцилиндрах механизмы поворота колонны производились при углах поворота стрелы 0°, 40°, 80°, 120°, 160°.
ЛВ-210-01
Замеры производились с помощью цифрового запоминающего ^В-осциллографа (рис. 6) АКИП-4107, АКИП-4107/1 (АКИП™): «3 в 1»: осциллограф, анализатор спектра и генератор сигналов, 2 входных канала + выход генератора + вход внешней синхронизации, Полосы пропускания: 5, 10, 25, 50, 100, 200 МГц, максимальная частота дискретизации: 40 МГц (АКИП-4107), 100 МГц (АКИП-
4107/1). Максимальная длина памяти: 8 кБ (АКИП-4107, АКИП-4107/1) [6]. Автоматические (26 параметров) и курсорные измерения (Ди; ДТ), быстрое преобразование Фурье (БПФ), режим послесвечения с накоплением, встроенный функциональный генератор до 1 МГц: синус, меандр, треугольник и др., ГКЧ (одновременно с осциллографом), генератор произвольных форм (дискретизация до 20 МГц), режим
«покадровой» регистрации (за-
пись/считывание до 1000 осциллограмм во внутренний буфер), совместимость с ПО Picolog, интерфейс USB, ПО под ОС WIN XP SP2, Vista и WIN 7, питание и управление по USB от внешнего ПК.
Рис. 6. Устройства обработки данных
Осциллографы серии АКИП-4106...4109 - это современные цифровые USB-приборы с широким набором технических характеристик, функций и режимов анализа сигналов. Штатная программа PicoScope (далее по тексту PicoScope) обеспечивает быстрое и чёткое отображение измеряемого сигнала, обладает множеством настроек, в то же время имеет интуитивно-понятный пользовательский интерфейс. Разнообразие режимов настройки и развитые системы запуска определяют устойчивый захват и отображение сигнала в полной полосе частот осциллографа, возможность математической обработки сигналов, исследование сигналов с помощью функции FFT (быстрое преобразование Фурье), автоматические и курсорные измерения и прочие возможности современных цифровых осциллографов. В неко-
торые модели встроен генератор стандартных сигналов или сигналов специальной формы. Все эти функции позволяют использовать ^В-осциллографы АКИП в различных областях науки, при производстве, отладке, обслуживании и ремонте электронного оборудования.
Однако зачастую, помимо наблюдения и анализа сигнала, необходимо регистрировать входной сигнал в течение длительного времени, а также оперативно отображать полученную информацию. PicoScope обеспечивает наблюдение сигнала на интервале времени, не превышающем 500 с и, главное, - не предназначен для автоматической записи данных на внешнее устройство сбора (рис. 7).
Разработчики осциллографов АКИП, в дополнение к PicoScope, предлагают ПО PicoLog (далее по тексту - PicoLog), призванное расширить возможности базовой программы. PicoLog превращает любой из указанных осциллографов в автоматический регистратор данных (самописец) на базе входного аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
PicoLog обеспечивает сбор и регистрацию данных (событий) во временном интервале от нескольких наносекунд до нескольких дней. Помимо этого в меню программы предусмотрены различные режимы визуализации, обработки и протоколирования. Прежде чем приступить к сбору и обработке данных, необходимо выполнить процедуру настройки: выбрать параметры регистрации, задать интервал между выборками, включить каналы регистрации (1, 2 или 4), задать метод обработки и т.д. Процесс настройки может пока-
заться длинным и трудоёмким из-за широкого набора параметров и доступных установок. Однако, выполнив настройку, в дальнейшем не нужно повторять всю про-
цедуру заново. Данные о настройках хранятся в специальном файле программы и могут быть в любой момент скорректированы.
Рис. 7. ПО PicoScope (режимы: осциллограф, генератор, анализатор)
PicoLog выполняет регистрацию данных в определённый файл с установленной скоростью записи. Скорость записи (интервал выборки) зависит от метода регистрации. В программе можно выбрать регистрацию на жесткий диск внешнего ПК в реальном времени или запись во внутреннюю память прибора. В первом варианте записанные данные передаются по USB интерфейсу в область хранения внешнего накопителя, а минимальное время между отсчётами составляет 1 мс (что эквивалентно частоте дискретизации 1 кГц). Таким образом, можно осуществлять мониторинг в реальном времени (Real Time), в том числе контроль аварийных ситуаций при выходе за установленные допуски. В этом режиме пользователь может сформировать многоканальную систе-
му регистрации, активировав в оболочке программы сразу четыре USB-прибора АКИП. Максимальное число каналов сбора информации до 16 для моделей 4109/1, 4109/2, имеющих 4 входных канала.
При необходимости скорость сбора можно увеличить, выбрав второй способ -быструю регистрацию во внутреннюю память (Fast Block). Минимальное время между отсчётами в этом случае уже составит 5 нс, но при этом отсутствует возможность мониторинга, а количество используемых приборов для регистрации ограничено критерием «для одного ПК один USB прибор».
Следует особо подчеркнуть, что каждый из собираемых отсчётов - это результат математической обработки нескольких выборок, производимых с частотой дис-
кретизации АЦП и затем усреднённых за период интеграции. В программе есть возможность выполнять мгновенные измерения без усреднения. Это требуется в некоторых случаях, например, когда вычисляется стандартное отклонение. Данные могут быть выборками сигнала, поступающего на вход осциллографа, результатом измерения параметра или результатом математической обработки этих данных. Записанные данные могут быть выведены на экран в реальном масштабе времени или с задержкой (если интервал между отсчётами меньше 50 мс). Записанные данные могут быть сохранены в отчёт в виде графиков или таблиц данных.
Варианты отображения регистрируемых данных в программе:
Окно регистратора. В этом окне отображаются текущие значения на каналах, панель управления сбором данных. Управление настройками, обработкой и конфигурирование каналов осуществляется через это окно. Для допускового контроля имеется меню установки пределов и режимов сигнализации.
График в формате ХУ. Помогает определить зависимость между каналами, например, построить диаграмму соотношений тока и напряжения.
Данные в крупноформатной таблице. В этой таблице выводятся все сохранённые данные, которые могут быть сохранены на диск ПК (в стандартном текстовом формате).
График. В этом окне данные пред-
ставлены в виде графика. Графики могут строиться непосредственно в процессе оцифровки или после сбора данных. Для разных каналов графики могут строиться отдельно или быть объединены в общий. Масштаб по осям может быть изменён вручную или автоматически. Интересующие области графика могут быть растянуты. График может быть сохранён на диск в графическом формате и прикреплён к отчёту.
Примечание. Позволяет прикрепить к записанным данным пояснение (буквенно-цифровое примечание).
Проигрыватель. Позволяет просматривать ранее сохранённые данные. Старые данные могут исследоваться, пока новые регистрируются.
PicoLog обеспечивает работу в двух режимах - регистратор (Recorder) и проигрыватель (Player). Можно использовать одновременно несколько окон проигрывателя (рис. 8, 9), чтобы просмотреть данные от различных источников. Просматривать и анализировать ранее записанные данные можно в то же самое время, когда происходит сбор новых данных. В программе поддерживается одновременное использование сразу нескольких USB-осциллографов различных типов в качестве регистраторов. Таким образом, можно увеличить число каналов регистрации на одном компьютере.
ча!
энпппи
ОЛЫйи локунснты Те51р1и
Е|[||||1ЙИ аИм 30 ;ат|11(3
□ НИ
Очте!
мУ
Канал В тУ А н*
Мат. Обработка 4,653 г« ЭНЕИ шея
[>:\Мон д о кун I.1 II ТЫ
РПЭАПЛМ
Gl.Di.20ID 11:24:43
20 затр1сз
П:1Мчн документы Prisl.pl V
0i.0Z.201911:22:36
швш
Р1.¥/ 5ргеаЛИее1 га1*!
иаыыииаш -
Т(тс Тса1 ЕХР
ШЕ [тУ]
1 1..ШИ 1,003
I, а, Алл 0641
11 ■а.ш1 0,К41
1Б 0,003 1,0(13
19 0,003 1.0113
24 «,«41
» -0,414 0.641
33 0,003 1,0011
30 0,003 1,001
12 -0,414 0,641 ■V
< 1>
Ч? я
на
ЮЭВу=0,МЗ IПУ — ТЕ5<
е. г о
о, г
-0.4
1Р2!> 1,? 1,1 Б
1,1 1Г05
> 6Й Г\М/\АА
— ЕХР л'-—-- ГХАДАДА
ню 2оа зоо лм ьао
Рис. 8. Пример регистрации и анализа данных
й
Время Канал А Канал В _ Мат. Обработка
НС [мВ] [мВ] (мВ]
1 -0,444 -0,444 -1,621
103 -0,444 -0,891 -2,868
201 -0,444 -0,444 -1,621
302 -0,444 -0,444 -1,621
402 -0,444 -0,444 -1,621
501 -0,444 -0,444 -1,621
604 -0,444 -0,444 -1,621
700 0,003 -0,444 -8,136
803 -0,444 -8,891 -2,868
902 0,003 -0,444 -8,436
1001 -0,444 -0,444 -1,621
1101 -0,444 -0,444 -1,621
1202 -0,444 -0,444 -1,621
1301 -0,444 -0,444 -1,621
< ■ Ш).:
Рис. 9. Пример табличного отчёта
Удобство регистрации данных при помощи программы состоит в том, что для отчёта не нужно создавать разные форматы файлов. Данные записываются в один специализированный файл, данные из которого могут быть обработаны на любом компьютере. Для открытия этого файла требуется только PicoLog. Далее данные
регистрации могут быть выведены в виде таблицы, визуализированы (преобразованы в графический формат) или добавлены в отчёт. При этом параметры отчёта не обязательно задавать перед регистрацией, они могут быть изменены после завершения сбора всех данных.
Программа PicoLog предоставляет
широкие возможности по математической обработке данных (рис. 10 и 11). Например, можно выполнить привязку к шкале с использованием масштабного коэффици-
ента или формулы, совместить обработку данных по нескольким каналам, выполнить фильтрацию или усреднение и пр.
Е<И1 са1си1а1«<1 раг-аяШог Разине ¡а г ар1» X,
мат* Мот Обробоге-э 1при1 [нггтйеп; Ч -агг Обработка ок
Р1ûë̹
Э ипй [»«
А |Канал А
Й Канал В он СтгН 1 1Г
J 1 Регпч! рЯосст г смьп» 1
"Г J >
¡Г J А|Д1ГП !С11И|1>г. РЧ
йсЬгл J | Г Ег№1*1|-> Акт У
дгге5-в [.О*™ 1]аЕ5Ь|М |-1 СЙ00.ЙВ 14
Уиш |! сам.ко Ст1 |
Щ
■
Рис. 10. Пример настройки математической обработки
PicoLog позволяет линеаризовать функции любого датчика. Также в программе предусмотрена поддержка различных преобразователей - трансформаторов тока, термопар, датчиков освещённости, влажности и пр. Калибровочные таблицы преобразователей можно изменять - редактировать в табличном виде или с помощью математических функций, подгружать калибровочную таблицу из файла.
■ ! Р1_ЮСгарГ1
Информация о типах датчиков хранится в отдельном файле программы, куда пользователь может добавить свои типы преобразователей. В PicoLog предусмотрен экспорт данных в различные форматы - текстовый, графический, поддерживается непосредственный вывод на печать, а также передача данных через удалённую сеть, путём организации межсетевого протокола (1Р), который заложен в программе.
0(1®
из а з и в з
Клнпл Д
Клнлл Э
0 500 1000 1БСО 2000 2500
Рис. 11. Графический отчёт с применение математической обработки
PicoLog превращает при необходимости ^В-осциллографы АКИП в новый тип приборов - в цифровые регистраторы. К функции наблюдения и анализа сигналов добавляется регистрация данных на персональный компьютер. При этом не требуется дополнительных денежных расходов или конструктивных доработок. Пользователь становится обладателем компактного МФУ в составе: осциллограф, анализатор спектра, генератор сигналов, регистратор данных.
С учётом такого программного усиления измерительных ресурсов за счёт применения PicoLog ^В-осциллографы серии АКИП-4106.. .-4109 могут с успехом применяться в таких областях как управление и анализ производственных циклов, мониторинг различных процессов и аварийных ситуаций. С учётом их компактности и совместимости с ПК они востребованы для архивирования данных (событий), в научных исследованиях, при эксплуатации различного рода объектов, в процессе приёмо-сдаточных испытаний и пр.
Библиографический список
1. Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование / Бартенев И.М., Драпалюк М.В., Попиков П.И., [и др.]. М. : «Флинта». «Наука», 2011. 408 с.
2. Попиков П.И., Долженко СВ., По-сметьев В.В. Моделирование работы гидропривода механизма поворота лесного манипулятора оснащенного демпфером // Вестник Воронежской государственной лесотехнической академии [Текст] / под. ред. проф. Л. Т. Свиридова; Фед. агентство
по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». Воронеж, 2009. Вып. 2 (7). C. 129-134.
3. Математическое моделирование процессов в системе гидропривода лесных манипуляторов / Попиков П.И., Титов П.И., Сидоров А.А. [и др.] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011. - № 05 (69). С. 459. Шифр информрегистра: 0421100012/0168. Режим доступа: http: // ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/25.pdf
4. Попиков П.И., Драпалюк М.В., Попиков В.П. Математическая модель управления процессом обрезки крон деревьев машиной манипуляторного типа с дисковой пилой // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011. - № 10 (74). С. 25-36. Шифр информрегистра: 0421100012/0412. Режим доступа: http: // ej.kubagro.ru/2011/10/pdf/17.pdf
5. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2009610503. Программа для моделирования работы демпфера гидросистемы манипулятора лесовозного автопоезда / П. И. Попиков, А. А. Сидоров, В. И. Посметьев, С. В. Долженко ; Заявитель и патентообладатель ВГЛТА ; Зарег. 19.01.2009
6. АКИП-4106 Цифровой запоминающий USB-осциллограф [Электронный ресурс]. URL: http://www.profpribor.ru /?mcat=937&rec=83487574 (дата обращения 09.02.2013)
