Обеспечение универсальности навесного устройства энергосредства УЭС-2-250А «Полесье» с целью создания сельскохозяйственных агрегатов модульного типа

Авторы: Дюжев А.А., Котов А.В., Чупрынин Ю.В.

Агрегатирование универсального энергетического средства УЭС-2-250А, выпускаемого ПО «Гомсельмаш», с навесными сельскохозяйственными машинами или орудиями осуществляется при помощи навесного устройства, представляющего собой рычажный механизм, передвигаемый гидроцилиндрами. По отношению к энергосредству навешенная машина может располагаться либо перед мостом управляемых колес – переднее навесное устройство, либо перед мостом ведущих колес – заднее навесное устройство. В процессе эксплуатации энергосредства наиболее широко применяется заднее (большое) навесное устройство, которое при помощи трех присоединительных точек (верхней и двух нижних тяг, образующих присоединительный треугольник) обеспечивает стыковку и требуемое относительное расположение сельскохозяйственных машин в рабочем и транспортном состояниях.

Механизм навесного устройства представляет собой пространственный рычажный механизм, плоский аналог которого получают путем проецирования характерных точек механизма на его продольную плоскость симметрии.

Согласно плоской расчетной схеме представленной на рисунке 1, механизм навесного устройства шарнирно закреплен на раме энергосредства в четырех опорных точках А, E, M и O. В точке A осуществляется крепление гидроцилиндра АВ механизма навесного устройства, в точке Е – крепление нижних тяг EF, в точке M – крепление верхней (центральной) тяги MK, а в точке О – крепление двуплечего рычага OBC. Тяги механизма навесного устройства через присоединительный треугольник связаны с навесной машиной посредством звена KF, условно принимаемого за выходное звено и называемого стойкой. Такой способ агрегатирования характерен для большинства мобильных энергетических средств как отечественного, так и зарубежного производства.

Рисунок 1 – Схема механизма навесного устройства энергосредства УЭС-2-250А

Раскосы CD механизма навесного устройства и верхняя (центральная) тяга MK представляют собой регулируемые звенья с заданным диапазоном регулировки, а крепление верхней (центральной) тяги MK в точке M может осуществляться в двух положениях. Изменение размеров механизма навесного устройства УЭС-2-250А, которое обеспечивается конструктивно, позволяет осуществлять его переналадку на различные режимы работы с широким шлейфом адаптеров. Гидроцилиндр AB через систему рычагов осуществляет подъем - опускание навешенного адаптера и обеспечивает требуемое его расположение в рабочем и транспортном состоянии.

Для удовлетворительной работоспособности навесного устройства с конкретным адаптером необходимо обеспечить требуемую высоту расположения адаптера над горизонтом и заданный характер изменения угла наклона стойки к вертикали в рабочем и транспортном состояниях. С этой целью проводится соответствующая регулировка раскосов CD и верхней тяги MK или меняется положение точки крепления верхней тяги M.

В данной работе рассмотрено аналитическое описание плоского рычажного механизма на примере механизма навесного устройства энергосредства УЭС-2-250А с навешенным адаптером согласно схеме приведенной на рисунке 1. Для аналитического описания рассматриваемого механизма, был использован векторный метод исследования рычажных механизмов, основанный на применении векторного анализа и векторного преобразования координат, который уже более 10 лет успешно применяется в РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике» ПО «Гомсельмаш» при проектировании рычажных механизмов сельскохозяйственных агрегатов. Этот метод отличается простотой и наглядностью, легко поддается формализации и алгоритмизации в любых современных математических пакетах и языках программирования.

Принятые условные обозначения и аналитические зависимости

Для описания векторного метода исследования рычажных механизмов введем следующие понятия. Вектор, обозначенный одной буквой, будем считать абсолютным вектором, т.е. координатами точки относительно начала системы координат, которая в данном частном случае совмещена с осью ведущего колеса комбайна на уровне условного горизонта (см. рисунок). Двумя буквами будем обозначать относительный вектор, т.е. координаты второй точки относительно первой.

Основой данного метода является система аналитического преобразования координат исходного вектора в вектор, который может быть получен из исходного путем поворота его на некоторый угол в заданном направлении в рассматриваемой плоскости XY.

где V – поворачиваемый вектор; a – угол поворота исходного вектора (причем значение угла a принимается со знаком «+» при осуществлении поворота исходного вектора против часовой стрелки, а при повороте по часовой стрелки – со знаком «-»).

Выражение (1) означает, что вектор V1 может быть получен из вектора V путем его поворота на угол a в плоскости XY. Для чего первый множитель правой части выражения (1), который представляет собой матрицу направляющих косинусов поворота, необходимо умножить на исходный вектор, который представлен в виде второго множителя. В этом случае полученный вектор будет иметь длину такую же, как исходный вектор, но другое направление.

Для получения повернутого в плоскости вектора, имеющего заданную длину необходимо полученный с помощью выражения (1) вектор умножить на его длину и разделить на модуль исходного вектора. Это преобразование можно записать в виде выражения (2).

где Lnew – длина нового вектора.

Определение величин углов, на которые необходимо поворачивать известные вектора для нахождения неизвестных векторов, будем осуществлять по теореме косинусов для треугольника с известной длиной всех сторон.

где L1 и L2 – стороны треугольника, прилежащие к искомому углу; L3 - сторона треугольника, противолежащая искомому углу.

Кинематический анализ

Исходными данными для описания механизма являются координаты неподвижных точек, известные длины звеньев и углы. В качестве обобщенной координаты примем ход поршня гидроцилиндра механизма навесного устройства, пределы изменения которого заранее известны. При этом длину гидроцилиндра между точками его крепления в процессе работы механизма можно представить в виде суммы длины гидроцилиндра в сомкнутом состоянии LoGC и обобщенной координаты S, т.е.:

Аналитическое описание механизма с учетом выражений (1)-(3) можно представить в следующем виде:

где AOB(S) – угол между векторами AO и AB при вершине А треугольника OAB; LAB(S) - длина гидроцилиндра между точками его крепления в процессе работы механизма; LOB – заданная длина вектора OB.

Выражением (7) получаем вектор AB(S) поворотом вектора OA на угол OAB(S) по часовой стрелке и изменением его длины на длину гидроцилиндра LAB(S). Выражениями (8) и (9) вычисляем абсолютную координату точки B.

С помощью выражений (10)-(24) можно получить положение всех характерных точек механизма навесного устройства энергосредства в зависимости от величины хода поршня гидроцилиндра S.

Положение навешенного адаптера определяется положением оси подвеса F и углом наклона стойки адаптера FK к вертикали. С помощью выражений (25) и (26) можно получить положение центра тяжести навешенного адаптера в зависимости от величины хода поршня гидроцилиндра S.

Выражениями (4)-(26) описывается кинематика всей рассматриваемой системы в целом.

Передаточное отношение представляет собой вертикальную составляющую аналога линейной скорости центра тяжести навешенной машины и может быть определено как:

где G(S)Y – вертикальная составляющая вектора-точки центра тяжести навешенной машины.

Силовой анализ

Выражение (27) для передаточного числа механизма навесного устройства позволяет определить соответствующую грузоподъемность навесного устройства по следующему выражению:

где FGCmax – максимально допустимая величина усилия на штоке гидроцилиндра механизма навесного устройства, Н; hGIDRO - полный к.п.д. гидравлической и механической системы навесного устройства; IG(S) - передаточное отношение механизма навесного устройства.

Максимально допустимую величину усилия на штоке гидроцилиндра механизма навесного устройства можно определить зная максимальное давление в гидроцилиндре и площадь поршня:

где pmax – максимальное давление в гидроцилиндре, Па; SD – площадь поршня гидроцилиндра, м2.

Согласно выражению (28) основным фактором, влияющим на величину грузоподъемности навесного устройства, которое может регулироваться геометрическими параметрами, является передаточное отношение механизма навесного устройства – IG(S).

В качестве управляющих параметров передаточного отношения можно принять длины регулируемых тяг LMK и LCD, длину стойки присоединительного треугольника LKF, а также координаты точки крепления верхней тяги навесного устройства M, расположенной на раме энергосредства. Каждой комбинации вектора управляющих параметров V=f(LMK,LCD,LFK,M) соответствует определенное значение передаточного отношения механизма навесного устройства, которое в свою очередь определяет величину грузоподъемности. Однако при этом следует учитывать конструктивные ограничения, которые могут быть наложены на управляющие параметры навесного устройства, т.е. LMKmin£LMK£LMKmax.

На рисунке 2 приведены зоны изменения величины грузоподъемности и изменения угла наклона стойки к вертикали в зависимости от изменения управляющих параметров в принятом диапазоне. Границы зон получены таким сочетанием величин управляющих параметров, при которых достигается минимальные и максимальные значения исследуемых величин.

a)                                                                              б)

Рисунок 2 – Зоны изменения величины грузоподъемности навесного устройства (а) и изменение величины угла наклона стойки адаптера к вертикали в пределах возможных регулировок величины управляющих параметров

Используя все приведенные выше выражения, описывающие рассмотренную систему, можно осуществить оптимизацию механизма навесного устройства с целью обеспечения потребных выходных параметров для агрегатирования с каждым конкретным адаптером.

Выводы

1. Навесное устройство энергосредства УЭС-2-250А является универсальной настраиваемой системой с широким диапазоном регулируемых свойств, позволяющей обеспечить оптимальные параметры для агрегатирования с любым имеющимся или вновь проектируемым адаптером.

2. Представленный в статье векторный метод исследования рычажных механизмов позволяет просто и наглядно описывать кинематику проектируемые рычажные систем. Этот метод легко поддается формализации и алгоритмизации в любых современных математических пакетах и языках программирования, позволяет применять различные методы оптимизации для решения поставленной технической задачи. Применение данного метода позволяет в короткие сроки и с высоким качеством создавать оптимальные и конкурентоспособные системы рычажных механизмов для сельскохозяйственных агрегатов, что подтверждается многолетним опытом его использования в РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике» ПО «Гомсельмаш».

Список литературы

1. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. – 2-е изд., прераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1987. – 560 с., ил.

2. Чупрынин Ю.В., Дюжев А.А. Алгоритм расчета геометрии ременного контура векторным способом // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2005, № 6.

3. Котов А.В. Формирование функциональной математической модели механизма навески с переменными параметрами для энергосредства: дис. … маг. техн. наук. 36.01.01 / Котов А.В. – Гомель, 2004. – 78 с.

4. Котов А.В. Применение векторного анализа при проектировании рычажных механизмов / А.В. Котов, Ю.В. Чупрынин // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф., Минск, 17-19 октября 2007 г. / РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства»: под общ. ред. В.Н. Дашкова. В 2 т.: Т.2. – Минск, 2007. – С. 32-37.

Надеюсь, представленные на сайте материалы окажутся полезными для Вашей научной или практической деятельности и буду признателен за упоминание моих работ в списке Вашей литературы при их использовании.

Для цитирования данной работы:

Дюжев А.А. Обеспечение универсальности навесного устройства энергосредства УЭС-2-250А «Полесье» с целью создания сельскохозяйственных агрегатов модульного типа / А.А. Дюжев, А.В. Котов, Ю.В. Чупрынин // Энергосберегающие технологии и технические средства в сельскохозяйственном производстве: доклады Международной научно-практической конференции, Минск, 12-13 июня 2008 г. В 2 ч. Ч.1 / редкол. А.В. Кузьмицкий [и др.]. – Минск, 2008. – С. 78-84.

Ссылка на оригинальную работу в формате *.pdf