ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЖЕСТКОСТИ ДЕМПФИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИВОДЕ СТРЕЛОВОГО МАНИПУЛЯТОРА

 

Коновалов М.Н., Андронов И.Н., Дроздовский Г.П. (УГТУ, г. Ухта, РФ)

 

Use of materials with effect of memory of the form in hydrocylinders of systems of a  hydrodrive of wood machines and research of influence of rigidity demfer of elements in a drive of the manipulator

 

Предварительные результаты экспериментального исследования параметров колебательного процесса моделируемой структуры манипулятора с различными демпфирующими элементами (система 1 - жёсткий стержень, имитирующий силовой привод на базе материала с эффектом памяти формы (ЭПФ) и демпфирующий элемент (рессора); система 2 - гидроцилиндр и резиновый шланг (РВД)), приведены в работе [1].

Дополнительно проведенные исследования учитывают адекватные в сравниваемых вариантах жесткости упругих элементов.

При экспериментальном исследовании системы 2 варьировалась величина внутреннего давления в гидросистеме (Р_раб) для приближения упругой радиальной  податливости РВД (жесткости) к жесткости пакетов рессор в системе 1. Критерием адекватности при сравнении жесткостей обеих систем, являлась величина вертикального перемещения конца рукояти манипулятора ∆l_n от действия прикладываемой нагрузки в статическом режиме.

В таблице 1 приведены значения перемещения конца рукояти манипулятора ∆l_n  от массы груза Р (в моделируемой структуре от 8 до 20 кг на максимальном вылете L=1 м) в статическом режиме для системы 1 при различных параметрах рессоры. Количество листов рессоры n– 4; 5; 6; 7 листов с длинами l_р – 15; 16; 17; 18; 19; 20; 21 мм (размеры каждого листа), шириной b=18 мм и толщиной каждого листа h=4 мм.

 

Таблица 1 – Значения вертикальных перемещений ∆l_n∙10^{-3 м для системы 1}

n	Р, кг
	8	12	16	20
4	34,5	48	60	71
5	28,5	41	54,5	65,5
6	27,5	39,5	51	63
7	22,5	34	44,5	54,5

 

В таблице 2 приведены значения корректировочных давлений гидрожидкости в системе 2 (рабочие параметры РВД – l_РВД =970 мм, D_н=28 мм) с целью получения идентичных вертикальных перемещений конца рукояти манипулятора.

Корректировка давлений позволяет обеспечить аналогичные жесткости демпфирующих элементов для системы 2 в сравниваемых системах с учетом их разной природы податливости при варьировании массы груза в статике (где ∆l₄,  ∆l₅,  ∆l₆,  ∆l₇ − перемещение конца манипулятора для системы 1).

 

           Таблица 2 – Значения корректировочных давлений гидрожидкости Р_раб (МПа) для системы 2

∆ln	Р, кг
	8	12	16	20
∆l4	0,5	0,71	0,9	0,99
∆l5	0,51	0,73	0,91	1,03
∆l6	0,55	0,75	0,93	1,08
∆l7	0,6	0,79	0,95	1,1

 

Для определения жесткости элементов подрессоривания в системе 1 применена методика [2]. Например, на рис. 1 показана упругая характеристика рессоры (1-нагрузка; 2-разгрузка) при n=5. Линии нагрузки и разгрузки не совпадают вследствие трения между листами (явление гистерезиса).

Упругая характеристика рессоры – зависимость между вертикальной нагрузкой Р_р и упругой деформацией консольного конца рессоры, позволяет найти жесткость рессоры c_р в данной точке характеристики. Жесткость рессоры c_р равна тангенсу угла наклона касательной к средней линии характеристики рессоры при статической нагрузке или

                                                                                            (1)

где Р_р − вертикальная нагрузка приложенная к консольному концу четвертной рессоры с учетом веса манипулятора, Н;  − упругая деформация конца рессоры в статике, м.

По результатам экспериментальных замеров  в диапазоне n – 4; 5; 6; 7 листов рессоры для максимальной Р_р=1102 Н (при Р=20 кг) получены соответствующие жесткости (табл. 3).

 

          Таблица 3 – Значения жесткостей рессоры c_р для системы 1

 

Динамическая характеристика затухающих колебаний сравниваемых систем оценивалась по одному из критериев оценки − логарифмическому декременту затухания колебаний. Свободные колебания всегда являются затухающими, т. к. сопровождаются диссипацией механической энергии в демпфирующих элементах и переходом ее в тепловую. Силы сопротивления в системе 1, вызывающие затухание колебаний возникают в рессоре и обуславливаются трением между листами, трением в шарнирах и т.д. По рекомендации [2] в случае хорошо шлифованных листов рессор, трение возникающее в рессоре в первом приближении пропорционально скорости колебаний. Колебания возбуждали подтягиванием конца манипулятора с грузом на дополнительное к ∆l_n расстояние (∆l_доп=30∙10^{-3 м), с последующим отпусканием. Результаты оформлены в виде графиков (рис. 2 ) и  (рис. 3).}

Рисунок 1 − Упругая характеристика рессоры (5 листов)

 

Рисунок 2 – Зависимость изменения логарифмического декремента затухания колебаний δ₁ с нагрузкой  Р на манипулятор при демпфирующем элементе (рессора) (система 1)

 

На рис. 4 приведено отношение К_δ, т.е. критерий сравнения эффективности гашения колебаний систем 1 и 2.

 

    Рисунок 3 – Зависимость изменения логарифмического декремента
                          затухания колебаний δ₂ c нагрузкой на манипулятор Р
                          с применением гидравлики (система 2)

Рисунок 4 – Эффективность гашения колебаний сравниваемых вариантов

 

Выводы с учетом идентичности жесткостей демпфирующих элементов сравниваемых систем: - характер изменения логарифмического декремента затухания δ от нагрузки и жесткости демпферов различный. Система 1 (рессора и гидроцилиндр на базе материалов с ЭПФ) эффективней с более жесткой рессорой (n≥ 6), т. е при К_δ >1, а система 2 (гидроцилиндр и РВД) эффективней при  n≤5, когда К_δ <1.  Таким образом, демпфирующий элемент в системе 1 эффективней системы 2 в процессе гашения колебаний при увеличении жесткости c_р (в условиях данного эксперимента).

Отсюда следует, что применение системы силового привода на базе материалов с ЭПФ c демпфером - рессорой (при оптимальном подборе рабочих параметров и с учетом нагрузок предельного уровня) может способствовать эффективному гашению свободных колебаний технологического оборудования. Это позволяет увеличить сопротивляемость конструкции гидроманипулятора (стрела, рукоять) усталостным разрушениям за счет снижения количества циклов знакопеременным нагрузкам в колебательном процессе.

 

Литература

1. Коновалов М. Н. Экспериментальная установка и методика исследования динамического нагружения манипулятора ТБ-1 с применением силовых элементов на базе материалов с эффектом памяти формы. // Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции “Актуальные проблемы лесного комплекса” Выпуск 11:.– Брянск: БГИТА, 2005. – С. 78−82.

2. Ротенберг Р. В. Подвеска автомобиля. М., “Машиностроение”, 1972. – 392 с.