Особенность предлагаемой кинематической схемы погрузчика [1] заключается в том, что введённый в механизм поворота колонны дополнительный гидроцилиндр увеличивает угол поворота стрелы в горизонтальной плоскости без глобальных перемещений самого погрузчика (рис.1).

Рисунок 1 – Кинематическая схема погрузчика с последовательным соединением гидроцилиндров поворота колонны со стрелой.

На рис. 2 представлена структурная схема механизма поворота колонны погрузчика, для которого определим степень подвижности по формуле Чебышева:

W=3n-2p=3·6-2·8=2

где    n=3 – число подвижных звеньев;

p=8 – число одноподвижных пар 5 класса.

Степень подвижности W=2 говорит о том, что положение выходного звена 6 (колонны) зависит от двух обобщённых координат l₁ и l₂. Механизм поворота колонны является механизмом с внутренними входами и не распадается на группы Ассура.

Рисунок 2 – Структурная схема механизма поворота колонны погрузчика.

С целью получения компактного и рационального по кинематическим параметрам механизма рассмотрим его возможные компоновки и решим задачу определения линейных размеров звеньев механизма с целью получения наибольшего угла φ поворота выходного звена.

Граф механизма поворота представлен на рис. 3, где вершины – это звенья, рёбра графа – одноподвижные кинематические пары.

Рисунок 3 – Граф механизма поворота колонны

Опишем однозначные присоединения поводков кинематических пар, предварительно расчленив механизм (рис.2). Однозначно звено 3 присоединяется средним шарниром к стойке в точке О, туда же присоединяется поводок рычага 6.

Неоднозначные соединения: к стойке 0 можно присоединить как звено 1, так и 2, также как звено 1 или 2 тогда может присоединяться к звену 3. Аналогичная ситуация с присоединением звеньев 4 и 5 к стойке и рычагу 3.

С точки зрения структуры механизма от таких неоднозначных соединений цилиндров к звеньям его работоспособность не изменяется, однако с точки зрения кинематики, скорости и ускорения звеньев будут при различных вариантах разные, и будут зависеть от плеч рычага 3 и угла δ между этими плечами. Включение в работу штоковой (Ш) или поршневой (П) полостей гидроцилиндров будут оказывать влияние на скорость движения выходных звеньев. Варианты возможных управляемых движений стрелы приведены в табл.1.

Таблица 1

Варианты совместной работы гидроцилиндров

Угол поворота колонны зависит как от линейных размеров рычагов, так и от параметров исполнительных гидроцилиндров [2].

Для механизма поворота колонны с исполнительными гидроцилиндрами ЦГ-50.30х320.22 и для найденных в результате геометрического синтеза межосевого расстояния h=602 мм и длины рычага 6 l₁=300 мм определены зависимости изменений угла поворота рычага l₁ при изменении длины гидроцилиндра от l_2min=522 мм до l_2max=842 мм (рис.4).

Рисунок 4 – Зависимость угла поворота рычага поворотной колонны от удлинения одного цилиндра (нижний график) и одновременного удлинения двух цилиндров (верхний график).

Полученные зависимости  изменения угла  φ₁ нелинейны, в итоге получим нелинейные законы изменения скоростей и ускорений.

Определим скорости движения штоков гидроцилиндров механизма порота колонны со стрелой исходя из типоразмеров гидроцилиндров, принятых ранее и насоса НШ-32-УЖ3.

Площади сечения полостей гидроцилиндра ЦГ-50.30х320.22 составляют:

поршневая полость

А_п=0,25πD²=0,25π0,05²=0,00196 м²,

штоковая полость

А_шт=0,25π(D²-d²)= 0,25π(0,05²-0,03²)= 0,00126 м².

Коэффициент отношения площадей сечений

Ψ=А_п/А_шт=0,00196/0,00126=1,56.

Для насоса НШ-32-УЖ3 номинальная подача рабочей жидкости составляет Q=1,1437·10^-3 м³/с, с учетом того, что одновременно работают два гидроцилиндра, то подача рабочей жидкости составляет Q_ц=Q/2=0,57·10^-3 м³/с, и тогда скорость штока гидроцилиндра:

При нагнетании в поршневую полость

V_п=Q_ц/А_п=0,29 м/с,

При нагнетании в штоковую полость

V_шт=Q_ц/А_шт=0,45 м/с.

При этом, для принятого значения l₁=300 мм средние угловые скорости поворота колонны составляют соответственно ω_ср=0,97 с^-1 и ω_ср=1,5 с^-1.

Используя таблицу 1 проанализируем диапазон возможных скоростей поворотной колонны при раздельной и совмещенной работе гидроцилиндров Ω=ω₁±ω₂ при различных режимах их работы (при нагнетании рабочей жидкости в штоковую) или поршневую полости).

Вариант 1. Шток первого гидроцилиндра соединен с цилиндром (корпусом) второго.

Таблица 2

Возможные комбинации сложения угловых скоростей колонны по варианту 1

Из таблицы 2 видно, что при поворотах колонны в разные стороны диапазоны скоростей различны (рис.5).

Вариант 2. Шток первого цилиндра соединен со штоком второго.

Таблица 3

Возможные комбинации сложения угловых скоростей колонны по варианту 2

Для варианта 2 диапазоны скоростей при различных режимах работы цилиндров приведены на рис.6.

 Рисунок 5 – График скоростей поворота колонны при различных режимах работы цилиндров (Вариант 1).

 Рисунок 6 – График скоростей поворота колонны при различных режимах работы цилиндров (Вариант 2).

Как видно, второй вариант позволяет получить одинаковые угловые скорости поворота колонны в разные стороны при различных режимах работы гидроцилиндров, следовательно тандемная установка гидроцилиндров по варианту 2 оптимальна с точки зрения удобства управления и динамичности протекаемых процессов.

Соединение гидроцилиндров по первому варианту также может эффективно применяться для конкретных технологических процессов грузопереработки, когда стрела с грузом поворачивается с одной скоростью, а на холостом повороте в противоположную сторону перемещается быстрее, динамичность процессов не увеличивается, а время холостого пробега меньше.

Основные преимущества предлагаемой кинематической схемы привода поворотной колонны погрузчика:

1.                При угле поворота стрелы в горизонтальной плоскости 75^о, поворот колонны дополнительным цилиндром расширяет зону до 150^о. Угол поворота стрелы естественно зависит от хода поршня цилиндра.

2.                Поворот стрелы может происходить при угловой скорости, почти в два раза превышающую скорость одной из составных частей колонны, т.к. угловые скорости складываются. Асинхронной работой обоих цилиндров можно добиться более медленного поворота.

 Литература

1. Патент РФ №2323154 МПК В66С 23/86. Гидропривод поворотной колонны погрузчика. Несмиянов И.А., Рыпакова Н.С., Рогачёв А.Ф. Опубл. 27.04.2008. Бюл. №12.
2. Герасун В.М., Несмиянов И.А., Турыгин П.В. Рычажные механизмы в телескопических стрелах погрузочных манипуляторов.// Тракторы и сельхозмашины. 2011. №8. С.32-35.

Волгоградская государственный аграрный университет

Рассмотрены вопросы повышения эффективности использования сельскохозяйственных погрузочных агрегатов за счет внедрения информационных систем мониторинга грузопереработки. Предложено новое направление совершенствования сельскохозяйственных погрузчиков и манипуляторов как мехатронных и робототехнических систем.

Современные информационные технологии, повсеместное использование микропроцессорной техники и мехатронных систем, активное развитие робототехники в т.ч. и в сельском хозяйстве ставят технические средства и технологии на новый уровень развития.

Использование средств робототехники в сельском хозяйстве в настоящее время большая редкость, исключение составляют системы параллельного вождения (система автоматического подруливания тракторов), однако областей применения робототехнических средств в агропромышленном комплексе (АПК) довольно много (рис.1) [1].

Рисунок 1 – Возможные области применения робототехники в АПК.

Одним из наиболее трудоёмких процессов в сельскохозяйственном производстве являются погрузочно-разгрузочные и транспортные работы. В агропромышленном комплексе приходится около 40% от всех затрат труда на транспортные и погрузочно-разгрузочные работы. По расчётам ВИМ в среднем за 1 год необходима транспортировка 5,2 млрд.т. грузов на среднее расстояние 24 км. [2], и на настоящий момент эта проблема осталась.

Технологические особенности сельскохозяйственного производства накладывают существенные ограничения на внедрение средств робототехники, в т.ч. и манипуляторов, в связи с этим же внедрение существующих промышленных роботов в аграрное производство невозможно. Производство сельскохозяйственной продукции, как растениеводческой, так и животноводческой происходит чаще всего в неопределённых временных режимах и при различных объёмах и качестве продукции. Например, полученный урожай овощей на разных полях одного хозяйства может отличаться в широких пределах. Автоматизация погрузки сельскохозяйственной продукции одним и тем же робототехническим комплексом в этих условиях требует либо применения адаптивных систем управления и контроля, либо перенастройки роботизированного погрузочного агрегата. В обоих случаях это приводит к удорожанию или конструкции, или обслуживания агрегата.

Роботизация сельскохозяйственного производства требует значительных капиталовложений. Например, в строительной области внедрение робототехнических комплексов в Японии и США осуществляется при государственной поддержке [3].

К сожалению, отечественные погрузчики и погрузочные манипуляторы практически не имеют автоматизированных средств управления, контрольно-измерительных и информационных систем, отражающих параметры процесса грузопереработки погрузочным агрегатом.

Существенные особенности погрузочных манипуляторов – большое число степеней свободы и использование систем дистанционного управления. В связи с этим важным направлением исследований являются вопросы, связанные с развитием методов расчета и проектирования систем передачи энергии и управляющих сигналов от задающих органов к исполнительным механизмам и передачи сигналов обратной связи на задающие органы управления.

Неоптимальное управление погрузчиками и погрузочными манипуляторами приводит к излишним энергозатратам, снижению производительности погрузочных агрегатов, утомляемости оператора и соответственно последующего возникновения ошибок позиционирования груза (ошибок управления), влекущих за собой аварийные ситуации.

Эти обстоятельства ставят необходимость решения задач обоснования и создания эффективных систем управления погрузочными манипуляторами, систем контроля и мониторинга погрузочно-разгрузочных операций.

Следует отметить, что эффективность использования погрузочно-разгрузочной техники в сельском хозяйстве, как правило, оценивается по объёму грузопереработки за час, смену, сезон и оценивается по количеству погруженных или разгруженных грузов на конечных пунктах. Однако, универсальные погрузчики могут использоваться в течение смены на разных работах. Отсутствие точного учёта грузопереработки одним погрузочным агрегатом снижает эффективность его рационального применения, усложняет учёт энергозатрат на операцию и оптимального использования на различных технологических операциях разгрузки-погрузки.

Мониторинг грузопереработки отдельного погрузочного агрегата, возможный только при использовании информационных систем, получающих данные от датчиков грузоподъёмности, скорости перемещения агрегата, счётчиков грузопереработки, позволит рационально планировать погрузочно-разгрузочные операции и оптимизировать технологические процессы в АПК.

Перспективным направлением совершенствования сельскохозяйственных погрузчиков и погрузочных манипуляторов, на наш взгляд, является роботизация погрузочных агрегатов, заключающаяся в создании и комплексном использовании интегрированных систем позиционно-силового управления погрузочным манипулятором, систем контроля положения груза, систем учёта грузопереработки, систем контроля устойчивости погрузочного агрегата. Конечно, функционирование выше перечисленных систем возможно при использовании в приводах погрузчиков мехатронных узлов и устройств управления на базе микропроцессоров.

Использование автоматического управления погрузочными манипуляторами возможно на повторяющихся однотипных операциях и при переводе манипулятора из транспортного положения в рабочее и наоборот.

Авторами данной статьи ведутся работы в области автоматизации и роботизации погрузочных манипуляторов для аграрного производства. На настоящий момент разработана система дистанционного позиционного управления манипулятором [4], система выравнивания груза (контейнера) на вилочном захвате мобильного погрузчика [5], предназначенная для исключения опрокидывания и соскальзывания контейнера с вилочного захвата при движении погрузчика по пересечённой местности и переезде через препятствия типа насыпей и канав.

Работы по внедрению средств робототехники в АПК несомненно актуальны и перспективны, однако они требуют значительных интеллектуальных и материальных вложений.

Решение же упомянутых задач позволит повысить производительность погрузочного агрегата, снизить утомляемость оператора и повысить безопасность эксплуатации погрузчиков и погрузочных манипуляторов в сельскохозяйственном производстве.

Список литературы

1. Юревич Е.И. Основы робототехники: учеб.пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ – Петербург, 2010. – 368 с.:ил.+CD-ROM.
2. Анискин В.И. Перспективы технического обеспечения сельского хозяйства // Механизация и электрификация сельского хозяйства. №12 1999. С2-7.
3. Паршин Д.Я. Состояние и концептуальные основы строительной робототехники./ Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ-2009) // Материалы Международной научно-технической конференции. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. –С.351-353.
4. Герасун В.М., Несмиянов И.А. Системы управления манипуляторами на основе пространственных исполнительных механизмов// Мехатроника, автоматизация, управление. М. 2010, №2. С.24-28.
5. Патент РФ на изобретение №2457172. Система контроля положения контейнера на вилочном захвате. Несмиянов И.А., Токарев В.И. Опубл. 27.07.2012.