Для снижения динамических нагрузок в гидросистеме могут применяться различные демпферные устройства (рис.1). Устройство (рис. 1) представляет собой комбинированный демпфер, объединяющий принцип действия пружинного аккумулятора и гидравлического дросселя и состоит из стакана 1, внутри которого установлен поршень 2 с возможностью перемещения по направляющей 3, которая выполнена как единое целое с крышкой. Поршень поджат пружиной 4 к торцевой гайке 5 с дроссельными отверстиями. В крышке  направляющей 3 для перепуска воздуха выполнено дроссельное отверстие 6 [1].

Такое устройство позволяет не только гасить гидроудары, но и снижать колебания давления в гидромагистралях.

Рисунок 1 – Демпферное устройство для гашения гидроударов и снижения колебаний давления

Демпфирование может быть применено не только в элементах, испытывающих наибольшие колебания, но и на пути распространения энергии между элементами. Место установки упругодемпфирующих элементов должно быть обосновано не только с точки зрения колеблющихся масс, но и с учетом операций, выполняемых гидравлической машиной или агрегатом, условий работы и т.п..

Из анализа применяемых средств гашение колебаний в напорной магистрали гидропривода следует, что решение актуальной задачи повышения плавности работы и снижения динамических нагрузок в гидроприводах погрузчиков может быть достигнуто за счет введения простых по устройству упругодемпфирующих связей в систему «энергетическая установка – исполнительный гидроцилиндр» [2, 3, 4].

Для динамического исследования демпферного устройства в гидроприводе погрузчика составим математическую модель и сформулируем основные допущения, принятые при составлении расчетной схемы (рис.2) и математической модели гидропривода рукояти погрузочного манипулятора:

• массу рукояти, приведенной к штоку, считаем постоянной, так как по сравнению
• насос постоянной, линейно зависящей от давления производительности с постоянной частотой вращения;
• температурный режим работы гидросистемы установившийся;
• вязкие потери на поршне и гидравлические потери в гидродвигателе линейно зависят от скорости движения поршня;
• гидравлические потери на трение в трубопроводах учитываются как линейно зависящие от скорости жидкости;
• гидросистема симметрична относительно гидродвигателя.

Перемещение золотника гидрораспределителя в большей части расчетов будем принимать как мгновенное, иначе говоря – режим работы золотника скачкообразный.

  Рисунок 2. Расчетная схема исполнительного гидропривода при внешнем демпферном устройстве в напорной магистрали

Для составления дифференциальных уравнений движения приведенной массы используются уравнения равновесия сил на поршне, уравнения расходов и сохранения неразрывности потока рабочей жидкости.

Введем условные обозначения в расчетной схеме:

N – усилие на штоке;

m – приведенная к поршню масса подвижных частей;

x – перемещение штока;

p_п, p_шт – давления в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра;

p_н – давление, развиваемое насосом;

Q_п, Q_шт – расходы рабочей жидкости через дроссели в поршневой и штоковой полостях;

Q_зол – расход через щель золотника гидрораспределителя;

Q_н – объемная подача насоса;

Q_кл – расход жидкости через предохранительный клапан;

Q_сл – расход жидкости через сливную магистраль;

F_п, F_шт- эффективные площади сечения поршневой и штоковой полостей;

y – перемещение золотника;

h – коэффициент вязкого трения;

c₁, c₂ – коэффициенты жесткости днища и крышки гидроцилиндра;

Математическая модель гидропривода для одного гидроцилиндра состоит из системы дифференциальных и линейных уравнений и имеет вид:

уравнение движения

, (1)

Движение поршня в гидроцилиндре может быть ограничено упором его в крышку или дно. При этом возникает упругий удар при наличии местных деформаций. Обозначив P_i = p_iF_iопределим граничные условия, которые будут иметь вид:

P_п – c₂×x, если x³l_ц;

P_шт – c₁×x, если x£ 0.

Уравнения расходов через дроссели при нагнетании в поршневую или штоковую полость

                                        (2)

                                         (3)

Во всех уравнениях верхний знак означает нагнетание в поршневую полость, нижний – в штоковую, знак перед усилием на штоке N может принимать различное значение в зависимости от направления силы.

Уравнение расхода через щель золотника

                                               (4)

Уравнение движения поршня дифференциального гидрозамка

       (5)

Уравнение расхода через дроссель демпфера

                                                    (6)

Уравнение расхода насоса

                                    (7)

Уравнение неразрывности потока

Q_п = Q_н - Q_кл- Q_у, ,                                              (8)

где Q_у = к_у×р_н -  перетечки жидкости через уплотнения поршня, к_у – коэффициент утечек.

Расходы  через дроссели на входе и выходе из рабочих полостей гидроцилиндра:

                           (9)

                  (10)

                 (11)

                    (12)

где    m – коэффициент расхода;

f_др1 ,f_др2- площади проходного сечения дросселей;

r – плотность рабочей жидкости;

p_зол – давление на выходе из гидрораспределителя;

p_сл- давление слива.

l_др – ширина дроссельного отверстия.

Силы трения в уплотнительных элементах поршней цилиндра и демпфера

R_тр = f×F_м×(±p_п-p_шт)                                                    (13)

R_тр1 = f×F_м×p_н                                                                                                         (14)

Коэффициенты упругости полостей с жидкостью

где    ΔV_п, ΔV_шт – мертвые объемы соответственно поршневой и штоковой полостей;

l_ц- ход штока гидроцилиндра;

L- длина участка трубопровода;

V_н – рабочий объем насоса;

d -внутренний диаметр трубопровода или полости в которой замкнута жидкость;

E_пр - приведенный модуль упругости,

Е_ж  - модуль упругости жидкости;

d_ст – толщина стенки трубопровода или гильзы цилиндра;

F_м - модуль упругости материала трубопровода или цилиндра.

Таким образом, в процессе анализа динамики гидропривода с одним гидроцилиндром и упруго – демпфирующими связями в напорной магистрали была получена математическая модель содержащая дифференциальные и  линейные уравнения.

Решение математической модели численными методами на ЭВМ позволили подтвердить ранее выдвинутые гипотезы о снижении динамической нагруженности гидропривода погрузчика при введении в его гидросистему упругодемпфирующих связей [5]. Как видно из графика изменения давления в полости гидроцилиндра (рис.3, а), при одних и тех же условиях эксплуатации применение демпферного устройства позволяет уменьшить амплитуду скачков давления в гидросистеме. В среднем амплитуда колебаний давления снизилась на 250..350 кПа.

а)

б)

Рисунок 3 –Изменения амплитуды давления в гидроприводе.

Традиционное управление каждой степенью подвижности (звеном манипулятора) осуществляется при помощи самостоятельной рукоятки гидрораспределителя. Основная трудность управления погрузочными манипуляторами с пространственным исполнительным механизмом параллельно-последовательной структуры, как например манипуляторами НПМ-0,6 и НПМ-0,8 (рис.1), заключается в сложности координации перемещения органов управления, согласования движений оператора с пространственным положением рабочего органа машины при одновременном выполнении условий точности и быстродействия [2]. Недостаточная скоординированность управляющих воздействий увеличивает суммарное время цикла и длину траектории перемещения рабочего органа.  Улучшить эти показатели эффективности управления манипулятором можно, если оператор будет управлять не каждым звеном в отдельности, а задавать направления перемещения собственно рабочего органа [8]. Одним из вариантов решения этой проблемы является управление гидроцилиндрами от одной рукояти. а)                                                                                                       б)

Рисунок 1 – Навесные погрузочные манипуляторы параллельно-последовательной структуры НПМ-0,6 (а) и НПМ-0,8 (б)

Разработана система дистанционного электрогидравлического управления погрузочным манипулятором от одной рукоятки. Она состоит из электрогидрораспределителей 1, 2 (рис.2) управления силовыми цилиндрами стрелы 4, 5 и электрораспределителем 3 управления цилиндром рукоятки 6. Рабочая жидкость подается к распределителям от насосной станции 7. Пульт управления 8 электрогидрораспределителями представляет рукоятку 9, шарнирно укрепленную на основании, и кнопок 10, 11, 12, 13, расположенных симметрично относительно рукоятки и кинематически связанных с ней. В рукоятку 9 встроены две кнопки 14 и 15 управления электрогидрораспределителем 3. Кнопки 10, 11, 12, 13 расположены относительно рукоятки таким образом, что возможно замыкание их контактов поочередно или одновременно два соседних. Это позволяет производить перемещение стрелы в направлениях «подъем» (движение рукоятки на себя), «опускание» (рукоятку – от себя), «подъем-поворот» и «опускание-поворот» (рукоятку – от себя по диагоналям), причем совмещение операций подъема или опускания с поворотом возможно влево и вправо (табл. 1). При этом независимо от направления движения стрелы или нахождения ее в покое встроенными в рукоятку 9 кнопками 14 и 15 можно управлять рукоятью манипулятора. Питание электромагнитов распределителей осуществляется от аккумуляторной батареи.

Описанная система управления погрузочными манипуляторами и подобными им машинами повышает удобство управления и снижает утомляемость оператора [4]. Пульт управления (рис.3), выполненный в виде джойстика, умещается в руках, и оператор может находиться в удалении от рабочего органа или в непосредственной близости к нему.

Рисунок 2 – Вариант системы управления манипулятором

Таблица 1. Матрица возможных управляющих воздействий на манипулятор посредством пульта управления типа «джойстик»

Рисунок 3 – Пульт управления манипулятором типа «джойстик» и блок электрогидрораспределителей

Рукояти управления может быть выполнена и в другом варианте, без кнопок управления гидроцилиндром 6 ( по рис.2) рукояти. Другой вариант устройства для управления гидравлическим манипулятором состоит из корпуса 1 (рис.4), в котором шарнирно установлен рычаг 2 и его подвижная часть 3. На рычаге закреплено рабочее звено 4 с четырьмя кулачками 5. Подвижная часть рычага 3 имеет возможность перемещаться вдоль оси рычага относительно неподвижной части 2 с шарниром 6.

Возврат рычага в первоначальное положение осуществляется пружиной 7. В корпус 1 встроены два ряда контактов в виде микропереключателей 8-11 и 12-15. Контакты 8-11 и 12-15 расположены относительно рычага таким образом, что возможно замыкание их контактов поочередно или одновременно два соседних. Работа устройства осуществляется следующим образом. При перемещении рычага от себя замыкаются контакты 8 и 9, опуская тем самым стрелу манипулятора. При перемещении рычага на себя замыкаются контакты 10 и 11, стрела начинает подниматься. Для поворота стрелы манипулятора в горизонтальной плоскости рычаг следует переместить вправо или влево, замыкая соответственно контакты 9, 10 или 8, 11. Для совмещения подъема с поворотом или опускания с поворотом следует замкнуть только один вариант микропереключателя 8, 9, 10 или 11. Для опускания рукояти манипулятора рычаг следует нажать вниз и переместить от себя, при этом замкнется контакт 13, аналогично производится подъем рукояти, только следует рычаг перемещать вниз и от себя.

Рисунок 4 – Вариант исполнения пульта управления

Представленная система управления является системой прямого управления. Проведенные эксперименты показали, что эффективным средством для существенного повышения производительности манипулятора является оснащение специальными системами управления, которые позволяют совместить рабочие операции, облегчить сам процесс управления [1, 3, 5, 6, 7].

На рис. 5 представлена система управления рабочим оборудованием манипулятора параллельно-последовательной структуры с системой позиционирования. Перемещение грузонесущей стрелы по координатам φ и ψ обеспечивают звенья переменной длины 1 и 2, которые расположены под углом друг к другу и образуют пространственную структуру в виде трехгранной пирамиды неполнопараллельного механизма. Как отмечалось выше, управление перемещением т. Асоздает определенные трудности так, как у оператора в этом случае отсутствует характерное для управления плоскими механизмами, представление о взаимном соответствии координат груза (места захвата и выгрузки) и координат, определяющих положение т. А_, а также направление ее движения при включении приводов.

Рисунок 5 –  Система прямого управления манипулятором:

ПУ – пульт управления; ЭК – блок электронных ключей; СП – система позиционирования; Р₁, Р₂, Р₃ – электрогидрораспределители; 1, 2, 3 – исполнительные цилиндры; ДП1, ДП2, ДП3 – датчики положений.

Система прямого управления манипулятором в нашем случае состоит из пульта управления (ПУ), блока электронных ключей (ЭК), системы позиционирования (СП), электрораспределителей P₁, P₂…Р_N и соответствующих исполнительных цилиндров 1,2,3…N, а также датчиков положений ДП₁, ДП₂ …ДП_N.

Для перемещения грузозахватного устройства манипулятора сигнал от пульта управления поступает электронные ключи (ЭК), управляющие электромагнитами распределителей P₁, P₂…Р_N. Управление возможно как всеми цилиндрами одновременно, так и дискретно, каждым цилиндром в отдельности.

При достижении манипулятором крайнего положения, либо положения заранее заданного оператором, сигнал от датчика ДП_i с логическим состоянием «1» поступает в систему позиционирования (СП), которая переводит соответствующий электронный ключ, управляющий распределителем Р_i, в логическом состоянии «0» и движение манипулятора в данном направлении прекращается.

Для ограничения зоны манипулятора, при выполнении конкретных технологических процессов, датчики положений настраиваются соответствующим образом. Ограничение зоны действия т. А манипулятора необходимо при работе в складских помещениях, ангарах во избежание повреждаемости окружающих предметов при ошибке оператора.

Датчики положений звеньев (ДП) и систем позиционирования (СП) может быть настроены для автоматического возврата грузозахватного устройства манипулятора в заданное положение по окончании технологической операции.

Эффективным средством для существенного повышения производительности манипулятора является оснащение автоматизированными системами управления, которые позволяют выполнять повторяющиеся однообразные рабочие операции без участия оператора (например, автоматический возврат грузозахватного устройства манипулятора в заданное положение по окончании технологической операции, перевод рабочего оборудования в транспортное положение), облегчить сам процесс управления и как результат – уменьшение утомляемости оператора.