Методи оцінки і покращення параметрів функціональних та несучих систем сільськогосподарських грейферних навантажувачів

Abstract

У дисертаційній роботі розроблено комплексні аналітично-експериментальні підходи для розв’язування важливої науково-технічної проблеми з покращення якості і підвищення ресурсу грейферних сільськогосподарських навантажувачів. Теоретичні дослідження процесів перенесення вантажів, силової взаємодії робочих органів зі зв’язними матеріалами, динамічної навантаженості маніпулятора і рамної конструкції, а також коливних процесів у несучих системах та гідроприводі виконано на основі різного класу моделей. Сформульовано критерії оптимального співвідношення довжин ланок маніпулятора й умови синтезу чотириланкового механізму підйому для визначення його раціональних параметрів. Розроблено методику раціонального конструювання рами навантажувача з урахуванням кососиметричного навантаження від маніпулятора. В експериментальних дослідженнях було застосовано сучасні технології збирання та опрацювання інформації з фіксацією результатів у числові формати. Отримано аналітичні вирази КІН для визначення граничного стану хвостовика колони з урахуванням змінних факторів силового навантаження. Розрахунок на довговічність та живучість проведено із використанням даних статистичних моделей експлуатаційного навантаження. За результатами роботи отримано інженерну методику раціонального конструювання несучих систем грейферних навантажувачів з гарантованим ресурсом роботи.

В диссертационной работе предложены комплексные аналитико-экспериментальные подходы для решения важной научно-технической проблемы по улучшению качества и увеличения ресурса работы грейферных сельскохозяйственных погрузчиков. Теоретические исследования процессов переноса грузов, силового взаимодействия рабочих органов со связными сельскохозяйственными материалами, динамической нагруженностью манипулятора и рамной конструкции, а также колебательных процессов в несущих системах и гидроприводе выполнены на основе различных моделей. Разработаны методы улучшения кинематических и силовых параметров манипулятора по характеристикам его рабочей зоны и технологии выполнения работ. Сформулированы критерии оптимального соотношения длин звеньев манипулятора и условия синтеза четырехзвенного механизма подъема для определения его рациональных параметров. Достигнуто стабильность величины усилия при подъеме грузов с допустимым отклонением 10%, что привело к снижению максимальной нагруженности на 26%. Значительно снижены силовые усилия на манипулятор при загрузке связных материалов рабочим органом путем применения гидравлических устройств защиты. Использование данных устройств за оригинальной схемой привело к снижению давления в гидроцилиндре стрелы с 17,3 МПа до 4,0 МПа. В экспериментальных исследованиях использовано современные технологии сбора и обработки информации с фиксацией в числовые форматы данных. Усовершенствовано технологию обработки цифровых дискретных данных с выделением амплитуд цикличной нагруженности несущих систем, используемых в дальнейшем для формирования статистических моделей эксплуатационного нагружения. Показано, что учет высокочастотных процессов дает уменьшение долговечности на 8 – 15% при случайных факторах нагружения и до 20 – 35% – в случае вибрационных процессов. Приведены частотные характеристики процесса нагружения, полученные быстрым преобразованием Фурье в специальных программных продуктах. Проведение полунатурных экспериментов позволило реализовать новые подходы в исследовании кинетики развития усталостных трещин на основании ее цифровой 3D-модели. Показано, что наличие вхождения трещины вовнутрь металла увеличивает значение КИН на 20 – 40%, особенно на последних стадиях ее развития. Предложены методы исследования эксплуатационных характеристик манипулятора на основе математической модели его динамического нагружения с учетом маятниковых колебаний рабочего органа. Показано, что факторами увеличения динамической нагруженности на 20 – 30% являются раскачивание грейфера, что подтверждено экспериментальными исследованиями. Теоретически доказано возникновение ударных нагрузок в шарнирах крепления грейфера и предложено использование в шарнирах полимерных втулок. Для предотвращения произвольного раскачивания рабочего органа в конструкцию введено специальное приспособление –амортизатор. Расчет напряженно-деформированного состояния рамы проведен с использованием метода минимума потенциальной энергии деформации в его модифицированном варианте. Достигнут эффект получения более простых уравнений с одновременным сохранением надлежащей точности расчета. В модернизированном варианте конструкции рами введены усиливающие елементы в виде дополнительной поперечины, что позволило снизить максимальные напряжения до 36%. Применение метода конечных элементов при динамическом нагружении позволило разработать конечно-элементную модель рамы для определения ее НДС в условиях колебаний. Расчеты на долговечность и живучесть проведены с использованием данных статистических моделей эксплуатационного нагружения для работы грейферных погрузчиков в условиях сельского хозяйства. На основании проведенных исследований осуществлено оценку усталостной долговечности хвостовика колонны манипулятора на стадии развития и распространения трещины. Предложено увеличить радиус галтельного перехода в хвостовике колонны, в результате чего живучесть манипулятора увеличивается на 8%. За результатами комплексных теоретико-экспериментальных исследований была усовершенствовано раму грейферного сельскохозяйственного погрузчика ПЕА-1А «Карпатець». За счет внесения изменений долговечность рам достигла заданного срока эксплуатации (7 лет). По результатам роботы получена инженерная методика рационального конструирования несущих систем грейферных погрузчиков с гарантированным ресурсом работы.

The doctoral thesis presents developed comprehensive analytical and experimental approaches to solve paramount scientific and technical problem about quality boost and service life increase for agriculture grab loaders. Theoretical researches of load transfer processes, force interaction between functioning units and binding agents, dynamic load of manipulator and frame constructions as well as oscillation processes in load-carrying systems and hydraulic actuator have been carried out on the basis of different class models. There have been developed methods that assess and increase manipulator kinematic and power parameters on the basis of its working area indexes and work performance technology. Criteria for optimal ratio between manipulator link lengths and synthesis condition of four-link lifting mechanism to define its rational parameters have been formulated. The experimental research relied on modern techniques of data collection and processing. All the results have been recorded in a digital form. Obtained analytical SIF expressions have been used to detect limiting boundary state of column shank with an allowance of variable power load factors. Calculations for service life and operability have been conducted applying these statistical working load models. On the basis of the research results we have obtained engineering methodology to construct carrying load systems for grab loads rationally with warranted service life.