Проект модернизации шагающего манипулятора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Калининградской области

государственное бюджетное учреждение

Калининградской области профессиональная образовательная организация «Колледж мехатроники и пищевой индустрии»

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема Проект модернизации шагающего манипулятора

Выполнил Кизимов Сергей Александрович

г.Светлый 2018г.

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретическая часть

1.1 Анализ существующих конструкций

1.2 Классификация манипуляторов

1.3 Область применения манипуляторов

Глава 2. Практическая часть

2.1 Выбор и обоснование конструкции

2.2 Расчет элементов манипуляторов

2.2.1 Расчет гидроцилиндров

2.2.2 Расчет гидроцилиндров рукоятки

2.2.3 Расчет гидроцилиндра захватного органа

2.3 Расчет трубопроводов гидросистемы

2.4 Расчет металлоконструкций манипулятора на прочность

2.4.1 Расчет рукоятки манипулятора

2.4.2 Расчет стрелы на прочность

2.4.3 Расчет сварного шва

2.5 Обоснование внедрения средств автоматизации

2.6 Технология восстановления детали

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Природные стихийные бедствия (наводнения, пожары, землетрясение), а также различные техногенные катастрофы приводят к значительным человеческим жертвам и материальным потерям. Уменьшить число пострадавших, быструю оказать им помощь, восстановить разрушенные сооружения и коммуникации можно путем рациональной организации аварийно-спасательных работ, применение специальной техники.

Опыт ведения аварийно-спасательных работ позволил определить основные направления: обследование разрушенных сооружений, обнаружение пострадавших и оказание им первой помощи; подвод временных коммуникаций (водопровод, линия электропередач) и восстановление разрушенных; обрушение опасных зон в поврежденных промышленных и гражданских сооружениях; восстановление этих сооружений и строительство новых объектов; вывод и переработка разрушенных строительных элементов.

Все эти работы требуют большого числа строительных машин различного назначения.

В данном дипломе для решения этих задач был разработан многофункциональный манипулятор на базе высокопроходимого шагающего движителя, позволяющий заменить ряд строительных машин за счет использования различного сменного оборудования.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1 Анализ существующих конструкций

В настоящее время возросшее число природных стихийных бедствий и различного рода аварий требует применение универсальной техники, предназначенной для различного рода работ, такой как строительные манипуляторы.

Манипулятор - это управляемое устройство или машина для выполнения двигательных функций, аналогичные функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве, оснащенное рабочим органом.

Если буквально придерживаться терминологии, то окажется, что строители давно с ней знакомы. Такие строительные машины, как краны и экскаваторы, соответствуют термину «манипулятор», так как их рабочие движения аналогичны двигательным функциям руки человека.

Под определением «строительные манипуляторы» следует понимать как самостоятельные разработки, так и новое поколение строительных машин, дополненных манипуляционными характеристиками.

Например, гидрокрановые установки, оснащаемые приводным захватным рабочим органом, получают новые качества работы: способность захвата груза без строповки и возможность его ориентированной установки без участия дополнительного рабочего строповщика.

Также примером может служить разработка многоцелевых землеройно-манипуляционных рабочих органов:

– ковш обратной лопаты с челюстным захватом и двух шарнирной вставкой, обеспечивающей дополнительную степень свободы, с гидравлическим поворотом ковша на рукояти или на вставке, ковш с челюстью и ротационным механизмом;

– упрощенный двухпальцевый захват.

Рабочие органы с челюстным захватом (особенно при наличии дополнительной подвижности ковша) выполняют функции руки человека, что позволяет отнести машину к оборудованию манипулятивного типа.

Таким оборудованием, помимо операций копания обратной лопаты без смены рабочего органа можно выполнять грейферные работы, а также захват груза и ориентацию его в пространстве в любом положении (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 Рабочее оборудование многоцелевого назначения

Одним из перспективных многоцелевых рабочих органов является схват рыхлитель, позволяющий значительно расширить функции традиционного зуба-рыхлителя (рис. 1.2).

Оборудование представляет собой шарнирно связанные рыхлительную стойку и челюсть.

Стойка смонтирована на рукояти вместо ковша и управляется гидроцилиндром, а челюсть смонтирована на стойке и управляется дополнительным укороченным гидроцилиндром выносной опоры.

Рыхлительная стойка снабжена одним вертикальным зубом, а челюсть - двумя наклонными в поперечной плоскости зубьями. Испытания показали, что схватом-рыхлителем можно: выполнять послойное рыхление мерзлых грунтов зубьями стойки и челюстью, клещевое скалывание (взламывание) асфальтобетонных покрытий и мерзлого грунта; срыв асфальтобетонных покрытий зубом стойки; клещевое разрушение стен одноэтажных зданий с одновременной погрузкой обломков; растаскивание завалов; извлечение бордюрных камней при ремонте дорог; погрузочно-разгрузочные и монтажные работы с грамотными и железобетонными покрытиями, трубами и другими штучными грузами.

Рисунок 1.2 Рабочее оборудование землеройно-манипуляторного рабочего органа в виде двухпальцевого схвата

Благодаря многофункциональности такого рабочего оборудования оно может применяться для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.

1.2 Классификация манипуляторов

Строительные манипуляторы и роботы классифицируются по следующим признакам.

Ручное управление строительных манипуляторов может осуществляться тремя способами:

Рисунок 1.3 Классификация строительных манипуляторов и роботов

– командным с раздельным управлением каждой степенью подвижности манипулятора;

– полуавтоматическим с помощью многостепенной рукоятки с произвольной кинематикой;

– копирующим посредством задающего устройства, кинематически подобного манипулятору.

Автоматизированные строительные манипуляторы могут быть с супервизорным управлением, когда оператор только включает соответствующую программу автоматического действия.

С комбинированным управлением, сочетающим супервизорное и ручное управление; с интерактивным управлением, когда возможно принятие как оператором, так и управляющим устройством.

По конструкции рабочих органов манипуляторы разделяются на традиционные для выполнения одной типовой операции строительного производства с совмещенным оборудованием, когда на одной платформе устанавливается два рабочих органа и более; трансформируемые оборудованные автоматическим захватом и комплексом сменных рабочих органов; адаптируемые, оснащенные многоцелевым рабочим органом, для выполнения ряда технологических операций.

Классификация также может быть дополнена признаками, определяющими число степеней свободы, объем рабочей зоны, способ программирования, вид устройства передвижения, конструктивно компоновочную схему и так далее.

Дополнительно можно ввести следующую квалификацию.

Строительные манипуляторы классифицируются по следующим признакам:

– специализации;

– характеру выполняемых операций;

– грузоподъемности;

– числу степеней подвижности;

– способу установки на рабочем месте;

– возможностью передвижения;

– виду привода;

– типу задающего органа;

– виду систему координат и по системе управления.

По специализации строительные манипуляторы подразделяются на:

– многофункциональные;

– специализированные;

– специальные.

По характеру выполняемых операций подразделяются на:

– производственные;

– погрузочно-транспортные;

– универсальные.

По номинальной грузоподъемности манипуляторы подразделяются на следующие группы:

– средние (свыше 10 до 200 кг);

– тяжелые (свыше 200 до 1000 кг);

– сверхтяжелые (свыше 1000 кг).

По числу степеней подвижности манипуляторы подразделяются:

– с тремя степенями подвижности;

– четырьмя степенями подвижности;

– со степенями подвижности более четырех.

По способу установки на рабочем месте манипуляторы подразделяются на напольные, подвесные, встроенные и другие.

По возможности передвижения манипуляторы подразделяются на стационарные и подвижные.

По виду систем координат манипуляторы подразделяются на работающие:

– в прямоугольной декартовой системе координат;

– в цилиндрической системе координат;

– в угловой системе координат;

– в других системах координат.

По конструктивно компоновочным схемам строительные манипуляторы могут быть:

– напольные;

– тельферо-мостовые;

– портальные.

К напольным относятся манипуляторы обычного исполнения, базирующиеся на напольном шасси.

1.3 Область применения манипуляторов

Манипуляционное многоцелевое оборудование обеспечивает без замены рабочего органа качественное выполнение планировочных, рыхлительных, откосообразовательных и погрузочно-разгрузочных работ, позволит практически исключить ручной труд на земляных работах.

Применение многоцелевого манипуляционного оборудования показало, что оно успешно работает как обратная лопата при рытье траншей, котлованов, при разработке грунта в малообъемных выемках, уборке просыпей, на обратной засыпке грунта, на погрузочно-разгрузочных работах, при очистке территорий от мусора, при реконструкции строительных объектов, многоцелевой манипулятор успешно работает в грейферном и захватно-манипуляторном режимах. При этом не требуется выполнения сложных демонтажных работ, обусловленных заменой исполнительных рабочих органов. Оборудование легко осуществляет захват отдельных грузов, труб, бревен, тротуарных плит, бордюрных камней и манипулировании ими, перемещении и укладывании предметов в соответствии с проектом производства работ, эффективно закладывает откосы у траншей и котлованов, а также рыхлит мерзлый грунт, взламывает асфальтобетонные покрытия.

При разработке манипулятора для примера использовался процесс монтажа коммуникаций. В этом случае многофункциональный манипулятор должен производить операции по отрывке траншей, укладке и сборке трубопроводов, установке ограждений, а также засыпке траншей с утрамбовкой грунта.

В свою очередь манипулятор со сменными рабочими органами может выполнять следующие функции:

– монтаж коммуникаций;

– разборка конструкций;

– уплотнение грунта;

– бетонные, арматурные работы;

– отрывка траншей, пазух приямков при устройстве коммуникаций;

– зачистка траншей;

– погрузка, разгрузка, кантование и укладка длинномерных грузов (труб, балок, бревен и тому подобное).

Конструкция околовка манипулятора позволяет использовать оборудование для распыления различного рода обеззараживающих веществ, для обезвреживания отравляющих веществ. Также манипулятор может иметь две параллельные системы управления.

– внутреннюю с рукоятками управления;

– выносную, позволяющую управлять манипулятором кабины.

манипулятор гидроцилиндр деталь металлоконструкция

Глава 2. Практическая часть

2.1 Выбор и обоснование конструкции

Проектируемый манипулятор разработан на базе высокопроходимого шагающего транспортного средства.

Применение такой техники позволит сократить число машин, участвующих в ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, что значительно понижает себестоимость спасательных работ, а также ускорит их проведение и сократит потребность в рабочей силе.

Обычно при таких работах используется большее число техники, учитывая, что маневренность техники из-за стесненных условий снижается, требуется четкая организация работ. При этом неизбежны потери производительности техники, а значит увеличение сроков спасательных работ и ухудшения состояния пострадавших.

Избежать этих негативных факторов позволит внедрения многофункционального манипулятора со сменными рабочими органами. В качестве базовых транспортных средств могут использоваться специализированные высокопроходимые транспортные средства, обеспечивающие доступ и работу манипулятора в сложных климатических условиях.

В последние годы в связи с народнохозяйственной потребностью освоения новых труднодоступных территорий, внедрения в сельском хозяйстве почвосберегающих технологий и др. повышается интерес к разработке внедорожных транспортных средств с новыми нетрадиционными видами двигателей. Объясняется это тем, что в условиях бездорожья движение, например, по заболоченной местности, пескам, тундре не может быть эффективно обеспечено традиционными транспортными средствами с колесным и гусеничным двигателями.

Эти обстоятельства заставляют искать новые принципы конструирования транспортных машин, в том числе и на базе шагающих двигателей.

В настоящее время имеются лабораторные и опытные образцы шагающих машин. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что шагающие машины могут быть лишены недостатков, присущих колесным и гусеничным транспортным средствам. В частности, за счет достаточно большой площади опорной поверхности (стопы) механизма шагания можно существенно снизить среднее удельное давление на грунт, а рациональным выбором кинематической схемы шагающей машины или системы управления реализовать ее поворот без проскальзывания стопы по грунту.

Другое важное преимущество шагающих машин связано с их энергетическими характеристиками. При движении транспортного средства потребляется энергия, в конечном счете, затрачивается на необратимую деформацию грунта. Если теперь учесть, что колесные и гусеничные машины образуют более глубокую колею, а шагающие - дискретную и мягкую, то достаточно обосновано предложение о меньших энергозатратах при движении рационально спроектированных шагающих машин.

Вместе с тем накопленный опыт исследования динамических характеристик движения шагающих машин обнаруживает целый ряд факторов, сдерживающих форсированное внедрение шагающих машин в различные отрасли народного хозяйства. Среди них важнейшими являются сравнительная сложность конструкции, а, как следовательно, и низкая надежность, и невысокая скорость передвижения, обусловленная высокими динамическими нагрузками, действующими на корпус шагающей машины и ее привод при высоких скоростях перемещения неуравновешенных механизмов шагания на этапах быстрого переноса. Однако, не игнорируя эти факторы, следует иметь в виду, что усложнение конструкции в целом есть объективный закон развития техники и, в частности, транспортного машиностроения. С другой стороны, для различных отраслей народно сложности. Так в сельском хозяйстве для производства технологических операций на сравнительно ровном грунте достаточно, сохраняя принципы управления колесными и гусеничными машинами, перенести их на шагающие машины.

Преимущества шагающих машин определяют тот интерес, который испытывают исследователи со всего мира на протяжении последних десятилетий к проблемам создания шагающих манипуляторов. В настоящее время шагающие машины не нашли широкого применения, однако огромное число исследователей данной проблемы заставляет предположить, что шагающие машины уже в обозримом будущем займут значительную нишу в различных областях человеческой деятельности. Так весьма популярна идея применения шагающих аппаратов в военных целях. Шагающие машины предполагается использовать для транспортировки грузов, контроля последствий ядерного, химического и биологического нападения, разведки, постановки дымовой завесы, разборки разрушенных зданий и проведения спасательных операций в городах после ядерной бомбардировки или стихийных бедствий, для транспортировки боеприпасов на огневые позиции и работы на складах боеприпасов, при минировании и разминировании объектов, исследуются возможности применения шагающих двигателей для боевых машин. Прорабатываются вопросы использования машин, передвигающихся с помощью ног, для проведения исследований на поверхности других планет.

Использование шагающих машин в народном хозяйстве перспективно для транспортировки грузов в местности, не имеющих дорог. Например, для доставки опор линий электропередач и канатных дорог в горах, транспортировки буровых вышек, проведения исследований и т.п. Высокая грунтовая проходимость и более слабые по сравнению с колесным и гусеничным транспортом разрушения почвы определяют целесообразность использования шагающих машин при движении по слабым грунтам и легко разрушающемуся почвенному покрову в болотистой местности, тундре, пустынях и полупустынях, в лесу и в горах. Такие машины предполагается использовать, например, для ремонтных работ на участках нефте- и газопроводов, проложенных на труднопроходимой территории.

Трудности создания шагающих машин прежде всего были связаны со сложностью решения проблемы управления их движением. Наиболее простым с точки зрения управления способом перемещения шагающей машины является статически устойчивое шагание.

В частности, в алгоритмах управления движением такой машины можно не учитывать динамические факторы. В то же время статически устойчивые режимы движения обеспечивают высокую маневренность и проходимость, а также не опрокидывание машины при сбоях и отказах. Система управления должна обеспечивать согласованное (координированное) движение по каждой из степеней подвижности ног за счет одновременного согласованного управления значительным количеством сервоприводов в шарнирах ног в зависимости от состояния машины (показаний датчиков), управляющих сигналов от водителя или верхних уровней системы управления автоматической машины и формы опорной поверхности, что обеспечивает реализацию цели перемещения машины и сохранение ее устойчивости.

Если аппарат не имеет значительной по площади управляемой стопы, то контакт ноги с опорной поверхностью имеет точечный характер и для статически устойчивой ходьбы минимальное количество ног, одновременно находящихся в фазе опоры, равно трем. Минимальное же количество ног аппарата равно четырем. При этом четырехногий аппарат имеет только один тип статически устойчивых походок, при котором по очереди одна за другой переносятся ноги аппарата. С точки зрения реализации достаточно богатого набора походок, обеспечивающих высокую проходимость машины в рамках статической устойчивости, количество ног аппарата должно быть не менее шести. Использование большего чем шесть количества ног не дает заметных преимуществ по профильной проходимости или маневренности. Однако увеличение количества ног может быть выгодно при движении по слабым грунтам для снижения удельного давления на грунт.

В силу указанных причин наибольшее продвижение получено в области создания статически устойчивых шагающих машин. А для увеличения проходимости проектируемого механизма, предлагается ввести в ранее рассмотренную схему движителя управляемый элемент - гидроцилиндр, который при движении, как будет показано позднее, увеличивает положительные качества характеристики траектории движения проектируемого механизма.

Шагающий движитель машины грунтовой проходимости состоит из следующих узлов: механизмов шагания, механизма адаптации или подрессоривания; приводов курсового движения, поворота; системы управления приводами.

По составу функциональных узлов шагающих движителей выделяют следующие классификационные признаки:

1) количество шагающих механизмов в движителе и их расположение;

2) структура функциональных приводов шагающих механизмов;

3) тип системы поворота шагающего движителя;

4) кинематическая схема шагающего механизма;

5) система адаптации или подрессоривания шагающих механизмов к рельефу местности;

6) система управления шагающим движителем;

7) тип сигналов в управляющем устройстве.

Указанные признаки достаточно полно охватывают круг вопросов, требующих решения при проектировании шагающих машин, и могут служить основой для систематизированного анализа рассмотренных конструкций движителей и схемных решений шагающих машин.

Широкое распространение получили четыре механизма с точки зрения их пригодности в качестве шагающих механизмов транспортно-технологических машин опорной проходимости. Рассматриваемые схемы, отобранные из известных с учетом следующих качеств:

Точка на одном из звеньев имеет приближенно прямолинейный участок, скорость на котором постоянна;

Требуемая траектория точки образуется при полном обороте ведущего звена механизма;

Обратимость механизма;

Прямолинейный участок траектории опорной точки располагается внешним образом по отношению к звеньям механизма;

Прямолинейный участок траектории опорной точки располагается внешним образом по отношению к звеньям механизма;

Механизм имеет одну степень свободы.

Этим требованиям удовлетворяют механизмы изображенные на рисунках 2.1 - 2.3.

Рисунок 2.1 Сдвоенный лямбдообразный механизм

Сформулируем критерии, на основе которых можно оценивать конструкции движителей, построенных на основе рычажных механизмов, схемы которых рассмотрены выше.

Рисунок 2.2 Четырехзвенный механизм

Рисунок 2.3 Шестизвенный механизм

1) Габариты движителя: длина, ширина, высота. Для сопоставимости результатов конструктивные проработки выполнялись для одного и того же значения размаха траектории - 850 мм.

Сравнение получающихся параметров является простым и наглядным. Вместе с тем объем, занимаемый конструкцией, является достаточно общим и глубоким показателем ее совершенства, т.к. отражает рациональность выбранных кинематических и силовых схем и в значительной степени определяет возможность расположения движителей на корпусе шагающей машины последовательно (один за другим) или объединения их в блоки попарно (поперечная компановка), возможность поворота движителя относительно корпуса шагающей машины и т.д.

2) Число подвижных звеньев движителя, перемещающих одну опорную стойку.

3) Число плоскостей, в которых движутся звенья механизма.

Физические направляющие, особенно длинные, трудно изготавливать с высокой точностью. Нагрузка со стороны ползуна вызывает их изгиб, что приводит к росту их сечений и, как следствие, веса - из-за необходимости обеспечить жесткость, исключающую перекосы и заклинивания пары. Такие направляющие трудно герметизировать, в результате чего они работают в условиях сухого или полусухого трения, снижающего КПД шагающей машины и увеличивающего износ движителя.

4) Удобство подвода вала трансмиссии к входному кривошипу механизма.

5) Наличие нагрузок, перпендикулярных плоскости прямолинейно-направляющего механизма. При вертикальном расположении прямолинейно-направляющего механизма отсутствие таких нагрузок обеспечивается автоматически.

При горизонтальном или наклонном расположении приводного прямолинейно-направляющего механизма для разгрузки его звеньев от вертикальной реакции требуется введение горизонтальных направляющих.

Отметим, что шагающий движитель на основе механизма с одной степенью свободы, сочетающий в полной мере компактность и простоту конструкции с хорошей траекторией (форма, коэффициент режима, скорости, ускорения) на сегодняшний день не известен. В связи с этим для экспериментальной отработки был использован наиболее простой четырехзвенный механизм.

Новый тип движителя (рис. 2.4) включает в себя дополнительный управляемый элемент управления, который позволяет улучшить характеристики новой шагающей машины, в частности в определенный момент времени увеличить высоту шага машины, которая необходима нам для увеличения проходимости, а также появляется дополнительная возможность горизонтирования машины путем выравнивая положения высоты лап движителя.

По расчетным данным, полученным с помощью разработанной программы с применением языка программирования Delphi удалось получить результаты подтверждающие тот факт, что высота проседания машины уменьшится, а следовательно уменьшатся нагрузки приходящиеся на движитель, увеличится плавность хода.

Рисунок 2.4 Шагающий движитель с гидравлическим приводом

Разработка на базе шагающего движителя многофункционального манипулятора.

Структурно шагающий движитель состоит из пяти элементов: приводного электродвигателя, редуктора, раздаточного редуктора и двух механизмов шагания. Каждый из этих элементов в общем случае может быть различным по конструкции, однако независимо от конструктивных особенностей он должен иметь некоторые общие функциональные свойства, выделяющие его в отдельный класс механизмов. Так механизм шагания должен иметь одну степень подвижности, ведущее звено должно совершать вращательное движение, а выходное звено должно иметь некоторую точку, траектория которой должна отвечать ряду специфических требований, определяющих ее пригодность для использования в качестве опорной точки. То есть механизм шагания служит преобразователем вращательного движения ведущего звена в поступательное движение стопы, прикрепленной в опорной точке механизма. Раздаточный редуктор должен иметь одно входное и два выходных звена, совершающих вращательное движение.

При этом он может иметь постоянные передаточные отношения или изменяющиеся при движении и служить в этом случае корректором траектории стоп. В частном случае редуктор корректор может вырождаться до жесткой связи между ведущими кривошипами механизмов. Таким образом, шагающий движитель представляет собой одностепенную механическую систему, с постоянным нахождение в опоре.

Задачей любого механизма шагания является при заданном движении ведущих звеньев отработать заданную траекторию опорной точки механизма. Характеристики этой траектории являются теми параметрами, которые отвечают на вопрос пригодности механизма шагания для использования его в движителе шагающей машины.

В связи с этим, для дальнейшего анализа, траектория опорной точки условно разделяется на два участка (фазы). Первый участок называется фаза опирания на грунт, он начинается с момента опускания стопы на грунт и заканчивается в момент подъема стопы, траектория стопы на этом участке должна иметь большую горизонтальную длину и маленькую высоту. Второй участок - фаза переноса, начинается с момента схода стопы с грунта и заканчивается в момент опускания стопы на грунт. В независимости от вышесказанного траектория движения стопы разделяется на четыре зоны.

Рисунок 2.5 Структурная схема шагающего движителя

Первая зона - зона гарантированного опирания на грунт, границами зоны служат некоторые условные точки, между которыми стопа должна находиться в опоре в штатном режиме движения.

Вторая зона - подъема стопы, начинается по окончании зоны гарантированного опирания и заканчивается в некотором условном положении, в котором стопа поднята на достаточную высоту для осуществления ее переноса, траектория на этом участке должна иметь возможно меньшую горизонтальную протяженность.

Третий участок называется зона гарантированного переноса, начинается после окончания зоны подъема и заканчивается на той же высоте с началом зоны опускания. Таким образом, самыми низкими точками на участке переноса являются границы этого участка.

Наконец, четвертый участок - зона опускания, начинается при достижении стопы высоты. На которой закончилась зона подъема и продолжается до постановки стопы на грунт. Таким образом, границы фаз опирания и переноса при движении в штатном режиме лежат в зонах подъема и опускания. конкретные значения фаз зависят, во-первых, от характера объединения механизмов шагания в шагающий движитель, во-вторых, от профиля опорной поверхности, а в-третьих, от упругих и пластических свойств грунта. Границы зон являются независимыми от характера местности, по которой движется машина, а определяются на этапе проектирования как кинематические характеристики механизма шагания. Такой подход, на мой взгляд, позволяет с одной стороны сформулировать исходные требования к механизму шагания, а с другой, позволяет рассматривать работу движителя на реальном грунте.

Общие характеристики шагающего манипулятора можно представить следующими параметрами.

1. Степень подвижности движителя - включает число управляемых (активных) степеней подвижности и число неуправляемых (пассивных) степеней подвижности, определяет сложность привода механизма шагающего движителя.

2. Сложность структурной схемы - комплексный параметр, который включает в себя количество звеньев, количество кинематических и поступательно движущихся пар, количество пространственно движущихся звеньев.

3. Размах - максимальное расстояние между крайними по горизонтали точками траектории, размах не зависит от профиля опорной поверхности и служит базовой величиной, к которой относятся все прочие геометрические параметры движителя.

4. Номинальная высота - от точки опоры до точки подвеса, выражается отношением к длине размаха, определяется своим минимальным и максимальным значением, определяет величину дорожного просвета.

5. Длина опорного участка - расстояние по горизонтали между границами участка, выражается отношением к длине размаха, определяет длину шага.

6. Передаточное отношение от ведущего звена движителя до стопы в горизонтальном положении - определяется как отношение горизонтальной скорости стопы к произведению угловой скорости ведущего звена и длины размаха, характеризуется минимальным, максимальным и средним значением, характеризует горизонтальную скорость движения стопы.

7. Передаточное отношение от ведущего звена движителя до стопы в вертикальном направлении - определяется как отношение вертикальной скорости стопы к произведению угловой скорости ведущего звена и длины размаха, характеризуется минимальным и максимальным значением, характеризует скорость вертикальных колебаний стопы.

8. Максимальное полное ускорение стопы - определяется по модулю, характеризует величину кинематически обусловленных динамических нагрузок.

9. Номинальная высота - определяется отношением расстояния между точкой опоры и точкой подвеса в фазе опускания и подъема к длине размаха, характеризуется своим минимальным и максимальным значением, определяет возможное уменьшение дорожного просвета при перешагивании.

10. Доля размаха, приходящаяся на фазу опускания или подъема.

11. Отклонение от нуля скорости опорной точки в момент касания или схода стопы с грунта, определяется значениями своей горизонтальной и вертикальной составляющих, определяет наличие жесткого удара при постановке или снятии стопы.

12. Отклонения от нуля ускорения опорной точки в момент касания или схода стопы с грунта, определяется значениями своей горизонтальной и вертикальной составляющих, определяет наличие мягкого удара при постановке или снятии стопы.

13. Номинальная высота - определяется отношением расстояния между точкой опоры и точкой подвеса в фазе переноса к длине размаха, характеризуется своим минимальным и максимальным значениям, определяет величину перешагиваемых препятствий.

14. Доля размаха, приходящаяся на фазу переноса.

15. Максимальное значение полной скорости стопы.

16. Максимальное и минимальное (с учетом знака) значения ускорения стопы.

Независимо от вышесказанного, определяются основные параметры, характеризующие фазовое разбиение траектории опорной точки зависит не только от параметров движителя, но и геометрии грунта по которому осуществляется движение. Это означает, что само определение данных параметров зависит от профиля опорной поверхности под стопой. Поскольку проектируемые машины предполагаются для ходьбы по относительно ровной поверхности, то правомерно при проектировочном расчете ограничится рассмотрением одного основного типа опорной поверхности, а именно - плоскости.

17. Вертикальная координата линия смены ног - вертикальная координата опорной точки в системе координат связанной с движителем в момент постановки или снятия стопы с грунта, определяет дорожный просвет машины.

18. «Глубина приседания» - разница между вертикальными координатами линии смены ног и самой низкой точкой траектории, определяет величину вертикальных колебаний корпуса машины при ходьбе.

19. Длина шага - горизонтальное расстояние между точками постановки стопы на грунт и снятия стопы с грунта.

20. Горизонтальная скорость в опорной фазе - определяется минимальным, максимальным и средним значением, определяет курсовую устойчивость машины, выражает неравномерность горизонтальной скорости машины как отношения максимального значения горизонтальной скорости стопы в опорной фазе к ее минимальному значению.

2.2 Расчет элементов манипулятора

2.2.1 Расчет гидроцилиндров

Усилие в гидроцилиндре привода оголовка манипулятора. Расчет производится в положении, когда рабочий орган находится в крайнем нижнем положении траншеи (рис. 2.6).



Рисунок 2.6. Расчетная схема для определения усилия в гидроцилиндре оголовка

Для определения усилия Р_ц.о. составим сумму моментов всех сил относительно точки поворота оголовка - точки А.

Ма=0

Р_ц.о.0,255 - G_о0,45 - (G_зо+G_гр) 0,855=0

где G_о - вис оголовка; G_о=1,96 кН,

G_зо - вес захватного органа; G_зо=2,94 кН,

G_гр - вес груза; G_гр=19.6 кН.

кН.

Внутренний диаметр гидроцилиндра d_цо вычислим в зависимости от значений действующего усилия Р_ц и расчетного давления жидкости в гидросистеме Р_р:

(2.1)

При этом с учетом гидравлических потерь от насоса до цилиндра можно принять Р=0,9Р_р.

Р=0,925=22,5 Мпа.

мм.

По ГОСТ 6540-68 d_цо=70 мм; d_ш=30 мм.

2.2.2 Расчет гидроцилиндра рукояти

Расчет ведем в положении, когда плечи сил, приложенных к рукояти, наибольшие (рис. 2.7).

Рисунок 2.7 Расчетная схема для определения Р_цр

Определяем усилия в гидроцилиндре рукоятки

,

где G_р - вес рукояти; G_р=6,5 кН.

кН.

Определяем внутренний диаметр гидроцилиндра

мм.

По ГОСТ 6540-68 d_ц=125 мм; d_ш=50 мм.

2.2.3 Расчет гидроцилиндра стрелы

Расчет ведем в положении, что и для гидроцилиндра рукояти.

Определяем усилия в гидроцилиндре стрелы составляя сумму моментов всех сил относительно точки С.

Мс=0

,

где G_с - вес стрелы; G_с=7,1 кН.

кН.

Требуемое усилие развиваемое в одном гидроцилиндре стрелы

Определяем внутренний диаметр гидроцилиндра:

м. = 125 мм.

По ГОСТ 6540-68 выбираем d_ц=140 мм; d_ш=60 мм.

Рисунок 2.8 Расчетная схема для определения Р_цс

2.2.4 Расчет гидроцилиндра захватного органа

Для проектируемого захватного органа расчетная схема имеет вид (рис. 2.4), где Р - требуемое усилие на штоке гидроцилиндра; N - сила, необходимая для удержания объекта манипулирования; l - расстояние до центра захвата.

Для данного вида захватного устройства справедливо равенство

, откуда

(2.2)

В данном случае, чтобы обеспечить удержание объекта необходимо, чтобы сила трения пальцев и объекта равнялась весу груза, тогда

F=G=N , откуда

,(2.3)

где - коэффициент трения сталь о сталь; =0,3.

кН.

Размеры d и l - определяем конструктивно.

d=120 мм, l=264 мм.

Вычисляем требуемое усилие гидроцилиндра:

Найдем размер гидроцилиндра:

м.=170 мм.

Примем диаметр гидроцилиндра по ГОСТ 6540-68 d_ц=180 мм; d_ш=50 мм.

Рисунок 2.9 Схема работы гидроцилиндра

2.3 Расчет трубопроводов гидросистемы

Внутренний диаметр трубы нагнетательного трубопровода рассчитываем по формуле:

,(2.4)

где q - расход жидкости л/мин; q=100 л/мин; v=5 М/С.

мм.

Толщина стенок трубопровода определяется по формуле

,(2.5)

где Р_u - давление в гидросистеме; Р_u=25 Мпа.

- допускаемое напряжение растяжения для стальных труб; =78,4 Мпа.

d - внутренний диаметр трубы;

k - коэффициент безопасности, k=2.

мм.

Принимаем по ГОСТ 8734-58 стальные толстостенные трубы с внутренним диаметром 17 мм, наружным 30 мм, =6,5 мм.

Аналогично ведем расчет для всасывающей гидролинии:

мм.

Толщина стенок трубопровода

мм.

Принимаем по ГОСТ 8734-58 стальные трубы с внутренним диаметром 26,4 мм, наружным 30 мм и толщиной стенки 1,8 мм

– для низкого давления шина Б с внутренним диаметром 321.5 мм.

– для высокого давления «РВД» с внутренним диаметром d=200,8 мм.

2.4 Расчет металлоконструкций манипулятора на прочность

2.4.1 Расчет рукояти манипулятора

Для расчета рукояти на прочность составим схему расчета, для этого представим рукоять как консольную балку закрепленную одним концом в жесткую заделку и приложим все силы действующие на рукоять в вертикальной плоскости.

Для построения эпюр М, Q, Н необходимо найти реакции в заделе Н_в, R_в, М_в. Для нахождения М_в составим уравнение моментов всех сил относительно точки В.

М_в=0;

М_в+G_гр3,75+(G_о+G_зо)Р_цосоs200,1-Р_цоsin201,65+

+Р_црсоs450,2-Р_црsin421,7+G_р1,8

М_в=258,980,671,7+79,030,561,65-19.63,75-(1,96+2,94)3,225-

-79,030,940,1-258,980,740,2-6,51,8=221,2 кН м.

Для нахождения Н_в составим уравнение проекций всех сил на ось Х.

Х=0;

Н_в-Р_цосоs20-Р_црcоs20-Р_црсоs42=0

Н_в=79,030,94+258.980,74=266 кН.

Для нахождения R_в составим уравнение проекций всех сил на ось Y.

Участок 1. 0z₁0,525 (слева)

Q₁cos22= G_гр кН.

Н₁sin22= G_гр кН.

М₁=G_грz₁

При z1=0; М1=0.

При z₁=0,525; М₁=19,60,525=-10,29 кНм.

Участок 2. 0z₂1,425 (слева)

Q₂cos22= G_гр+G_о+G_зо

кН.

Н₂sin22= G_гр+G_о+G_зо

кН.

М₂=-(G_о+G_зо)z₂-G_гр(0,525+z₂)

При z2=0; М2=-Gгр0,525= -19,60.525= -10,29 кНм

При z2=1,425; М2= -4,91,425-19,6 10,525+1,425)= -45,2 кНм.

Участок 3. 0z₃0,1 (слева)

Q₃cos22= G_гр+G_о+G_зо+G_р



Рисунок 2.10 Схема рукояти манипулятора

кН.

Н₃sin22= G_гр+G_о+G_зо+G_р

кН.

М₃=-G_гр(1,95+z₃)-(G_о+G_зо)(1,425+z₃)-G_р

При z3=0; М3=-19,61,95-4,91,425= -45,2 кНм

При z3=0,1; М3= -19,62,05-4,91,525-6,50,1= -48,3 кНм.

Участок 4. 0z₄0,1 (слева)

Q₄cos78=-Р_црsin42+G_р+G_о+G_зо+G_гр

кН.

Н₄sin78= -Р_црcos42

кН.

М₄=Р_црsin42z₄-G_гр(2,05+z₄)-(G_о+G_зо)(1,525+z₄)-G_р(G₁+z)

При z4=0; М4=-Gгр2,05-(Gо+Gзо)1,525= -48,3 кНм

При z₄=0,1; М₄=258,980,670,1-19,62,15-4,91,625-6,50,2= -26,15 кНм.

Участок 5. 0z₅1,6 (справа)

Q₅=R_в = -171,1 кН

Н₅= -Н_в= -266 кН

М₅=М_в+R_вz₅

При z5=0; М5=Мв =221,2 кНм

При z₅=1,6; М₅= 221,2+(-171,1)1,6= -52,56 кНм.

Участок 6. 0z₆0,1 (справа)

Q₆= кН.

Н₆sin78= -Н_в кН.

М₆= М_в+R_в(1,6+z₆)+Н_вz₆cos12

При z6=0; М6=-52,56 кН

При z₃=0,1; М₆= -26,15 кН

По полученным данным строим эпюры Н, Q и М. Расчет на прочность будем вести в наиболее опасных сечениях I-I и II-II, так как в этих местах сечения ослаблены отверстиями.

Из эпюр определяем нагрузки действующие в опасных сечениях.

M^I=47,65 кНм

Q^I=33,3 кНм

Н^I=83,8 кН

M^II=187 кНм

Q^II=171 кН

Н^II=266 кН

Изобразим сечения и найдем для них геометрические характеристики: Jx и Wx, F.

Jx - момент инерции сечения относительно оси х.

Wx - момент сопротивления сечения нетто.

Для сечения I-I имеем:

Рисунок 2.11 Сечение балки

F=22,251+21(30-6)=98 см²=9810^-4 м²

Момент инерции нетто вычислим по формуле

Jx=,(2.6)

где - толщина стенки, м;

h - высота сечения, м;

В - ширина сечения, м;

d - диаметр отверстия, м.

Jx= см⁴ =18,134 м⁴.

Момент сопротивления сечения Wх вычислим по формуле

(2.7)

см³ =11,334 м³

Нормальное напряжение, возникающее в сечении вычислим по формуле

,(2.8)

где Mи - изгибающий момент;

Н - наибольшая сжимающая (-) или растягивающая сила.

МПа.

Касательные напряжения возникающие в сечении вычислим по формуле

,(2.9)

где S - статический момент полусечения относительно оси х.

(2.10)

 см³ =6,56м³.

МПа.

Суммарное напряжение, действующее в сечении, определим по третьей теории прочности.

(2.11)

МПа

При расчете на прочность должно выполняться неравенство

,(2.12)

где _т - предел текучести, для стали 20 _т =260 МПа;

n - коэффициент запаса прочности, n=1,7.

МПа

Условие выполняется, следовательно в сечении I-I прочность обеспечивается.

Сечение II-II:

Рисунок 2.12 Площадь конечного сечения

F=2,251+21(20-6)=53 см²=5310^-4 м²

Момент инерции сечения относительно оси х

Jx=,(2.13)

Jx= см⁴ =9,0552 м⁴.

Момент сопротивления Wх для нижних волокон

см³ =15,092 м³.

Нормальное напряжение в сечении II-II

МПа.

Статический момент полусечения Sх.

см³ =0,84 м³

Касательное напряжение возникающее в сечении II-II

МПа.

Суммарное напряжение в сечении

МПа

134,8 МПа < 153 МПа

Условие выполняется, следовательно в сечении II-II прочность обеспечена.

Расчет рукояти в горизонтальной плоскости проводить нецелесообразно, но ввиду незначительности действующих в этой плоскости сил (сил инерции), а также запаса прочности.

2.4.2 Расчет стрелы на прочность

Составим расчетную схему стрелы и приложим в крайней точке В реакции возникающие от действия рукояти, а в точке с реакции возникающие в заделке.

Найдем реакции, возникающие в заделе.

Для определения М_с составим уравнение моментов всех сил относительно точки С.

М_с=0;

М_с+М_в+Н_в0,57+R_в2,55-Р_цсsin322,2+Р_цсcos321,125-G_с1,06=0.

М_с=275,850,532,2+7,11,06-221,2-2660,57-171,12,55-275,850,851,125= -744 кН м.

Для нахождения реализации R_с составим уравнение проекций всех сил на ось у.

у=0;

R_с+G_c+Р_цсsin32-171,1=0.

R_с=171,1-7,1-275,850,53= 17,8 кН

Для нахождения Н_с составим уравнение проекций всех сил на ось х.

х=0; Н_с-Н_в-R_цсcos32=0

Н_с=266+275,850,85=500,5 кН.

Строим эпюры М, Н и Q.

Участок 1. 0z₁0,15 (слева)

Q₁cos76= -R_в

кН.

Н₁sin76= -R_вcos14-Н_вcos76

кН.

М₁-R_вz₁-М_в+Н_вsin76z₁cos76

При z1=0; М1=Мв=221,2 кНм.

При z1=0,15; М1=171,10,15+221,2+221,2-221,20,970,240,15=239,14 кНм.

Участок 2. 0z₂0,2 (слева)

Q₂cos30= R_в

кН.

Н₂sin30= -R_вcos60-Н_вcos30

кН.

М₂-R_в (z+0,15)-М_в+266sin30cos30 (z₁-0,15)

При z2=0; М2=239,14 кН.

При z2=0,2; М2= -171,1(0,2+0,15)+221,2=75 кНм.

Участок 3. 0z₃0,7 (справа)

Q₃=-Н_с= -500,5 кН.

Н₃=R_с= 17,8 кН.

М₃=-Н_сz₃-М_с

При z3=0; М3=-Мс = 744 кНм.

При z3=0,7; М3= -500,50,7+744= 393,65 кНм.

Участок 4. 0z₄1,93 (справа)

Q₄cos24=-R_с

кН.

Н₄sin24= -Н_с

кН.

М₄+М_с+R_сz₄+Н_с(0,6+z₃sin24)=0

При z4=0; М4=744-17,80-500,50,6=393,65 кНм.

При z₄=1,93; М₄=744-17,81,06-500,5(0,6+1,060,41) = 207,3 кНм.

Участок 5. 0z₅1,6 (справа)

Q₅cos24=-R_с -G_к

Q₅=-27,4 кН

Н₅sin24=-Н_с

Н₅==-1220 кН

М₅+М_с+R_с(z+1,06)+Н_с(1,0346+z₅sin24)-G_сz₅

При z5=0; М5=74417,81,06+500,51,0346=207,3 кНм.

При z₅=0,87; М₅= 744-17,8(1,06+0,87)-500,5(1,0346+0,870,36)-7,10,87=

=5,4 кНм.

Участок 6. 0z₆0,27 (справа)

Q₆=cos30=-G_к-R_с

кН.

Н₆sin30= -Н_с

кН.

М₆+М_с+R_с(1,93+z₆)+G_к(0,87+z₆)+Н_с(1,39-z₆sin30)=0

При z6=0; М6=744-17,81,93-7,10,8-500,51,39=5,4 кНм.

При z₆=0,27;

М₆= 744-17,8(1,93+0,27)-7,1(0,87+0,27)-500,5(1,39-0,270,5)= 75 кН

По полученным данным строим эпюры Н, Q и М. Расчет на прочность будем вести в наиболее опасных сечениях I-I и II-II, так как в этих сечениях присутствуют элементы ослабляющие конструкцию.

Усилия в опасных сечениях.

M^I=21,2 кНм

Q^I=713 кНм

Н^I=237 кН

M^II=207,3 кНм

Q^II=28,6 кН

Н^II=1202,07 кН

Сечение I-I:

Рисунок 2.13 Площадь опасного сечения

F=2202-25=70 см²=7010^-4 м²

Момент инерции нетто вычислим по формуле

Jx=,(2.14)

где b=300-220=260 мм.

Jx= см⁴

Момент сопротивления сечения Wх определим по формуле

(2.15)

см³

Нормальное напряжение, возникающее в сечении

МПа.

Касательные напряжения возникающие в сечении данного вида не возникают.

153 МПа 146,1 МПа

Условие выполняется, следовательно в сечении I-I прочность обеспечена.

Сечение II-II:

Рисунок 2.16. Площадь сечения

F=2261+2281=108 см²=10810^-4 м²

Момент инерции:

Jx= см⁴ =16,2 м⁴.

Момент сопротивления:

см³ =5,4 м³.

Нормальные напряжения:

МПа.

Статический момент полусечения относительно оси х.

см³ =6,15 м³.

Касательное напряжение

МПа.

Суммарные напряжения, действующие в сечении

МПа

153 МПа 150 МПа

Условие выполняется, следовательно в сечении II-II прочность обеспечена.

2.4.3 Расчет сварного шва

Расчет сварного шва стрелы.

Сварные швы рассчитываются на действие касательных и местных сминающих напряжений. Необходимая толщина шва при этом определяется по формуле

,(2.17)

где Sn - статический момент полусечения;

Qmax - максимальная сжимающая нагрузка, Qmax=28,6 кН;

- коэффициент для ручной сварки, =0,8;

- расчетное сопротивление условного шва, для толщин деталей 20 мм из стали 20 =195 МПа.

м = 8 мм.

Примем толщину шва К_f=8 мм.

Расчет сварного шва щеки стрелы

Расчет шва воспринимающего осевую нагрузку и изгибающий момент ведем по формуле

,(2.18)

где l_ш - длина шва, l_ш=350 мм;

- толщина свариваемых деталей, =20 мм;

N - растягивающее усилие, N=1001 кН;

М - изгибающий момент, М=239,14 кН;

=195 МПа.

=158,1 МПа

158,1 МПа < 195 МПа. Условие выполняется.

2.5 Обоснование внедрения средств автоматизации

Широкое распространение электронных систем защиты манипуляторов связано с рядом их эксплутационных достоинств, к которым в первую очередь следует отнести простоту настройки, обслуживания и ремонта, относительно невысокую стоимость. Благодаря развитой и доступной элементной базе обеспечивается работа электронных узлов в широком диапазоне температур, не требующая термостатирования.

Использование микропроцессорных средств в аппаратуре систем защиты манипуляторов обеспечивает повышение безопасности и производительности их работы благодаря повышению точности задания грузовой характеристики и снижению психофизических нагрузок на оператора.

Внедрение микропроцессорных ограничителей позволяет снизить стоимость разработки и производства модификации аппаратуры под различные марки манипуляторов с большим набором сменного оборудования, повысить информационную насыщенность приборных панелей, уменьшить потребляемую мощность, размеры, обеспечить задание защитных характеристик с погрешностью не более 0,6%, а за счет отображения параметров (вылета стрелы, высоты подъема рабочего органа и так далее) с погрешностью 0,5-1% и почти вдвое увеличить время безотказной работы.

В зарубежной и отечественной практике число разновидностей систем автоматической защиты манипуляторов достаточно велико. Они отличаются функциональными, точностными и другими технико-экономическими и эксплуатационными показателями, конструктивными особенностями и применяемой элементной базой.

При ликвидации чрезвычайных ситуаций часто возникают ситуации, которые могут привести к перегрузке манипулятора. Для предотвращения таких ситуаций разработан микропроцессорный ограничитель нагрузки манипулятора.

Общие принципы построения микропроцессорных ограничителей манипуляторов представлены структурной схемой на рисунке. В состав ограничителя входят средства получения информации, блок обработки данных БОД, блок управления, сигнализации и индикации БУИ.

Средства получения информации включают в себя счетчики В₁, В₄ угла наклона стрелы или управления гуска и датчик В₂ длины стрелы L. Датчики В_3-1, В_3-2 нагрузки фиксируют давление Р_п в поршневой и Р_ш в штоковой плоскостях гидроцилиндра подъема стрелы.

...