Проектирование захватных устройств валочво-трелевочных машин и валочво-пакетирующих машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Исходные данные
• Введение
• 1. Обзор и анализ технических решений
• 1.1 Разработка компоновочно-кинематической схемы
• 1.2 Постановка задачи оптимизации компоновки захватных устройств
• 1.3 Расчетные случаи нагружения захватных устройств
• 2. Конструктивная часть
• 2.1 Разработка компоновочно-кинематической схемы двухрычажного захватного устройства
• 2.2 Определение технологических сил
• 2.3 Расчет сил нормальных реакций и силы трения
• 2.4 Нахождение диаметра гидроцилиндра
• 2.5 Определение параметров сечения рычага по напряжениям
• 2.6 Проверка выбранного сечения рычага на сложное напряженное состояние
• Выводы
• Список литературы

• Исходные данные
• Двухрычажное захватное устройство

Диаметр дерева	Давление в гидроприводе,
	МПа
min, см	max, см
		12,5
6	20


• Введение
• Захватные устройство служат для захвата дерева с целью его последующей обработки (пакетирование, протаскивание через сучкорезные машины.)
• У трелевочных тракторов захватывающее устройство представляет собой самостоятельный рабочий орган (захват), у валочно-пакетирующих и валочно-трелевочных машин захватное устройство агрегатировано вместе с другими устройствами в многооперационный рабочий орган (захватносрезающее устройство), у сучкорезных машин захватное устройство является частью протаскивающего устройства.
• Независимо от типа лесной машины захватное устройство выполняет две основные функции: захват дерева рычагами и надежный зажим в захвате.
• Зажим дерева считается надежным, если дерево не проскальзывает в точках контакта. Эти две основные функции захватного устройства выполняются посредством согласованного действия двух элементов: захватных рычагов и гидроцилиндров.
• Простейшей компоновочной схемой захватного устройства является одно рычажная схема с одним гидроцилиндром управления.
• С раздельными цилиндрами управления выполнены захватные устройства валочно-трелевочных машин ЛП-17, ЛП-19. С одним общим цилиндром управления выполнены захватные устройства трелевочных тракторов.
• Примером трех рычажной схемы может служить захватное устройство валочно-трелевочной машины ТБ-1В, у которой на нижнем уровне применена одна рычажная схема, а на верхнем уровне-двух рычажная схема с общим цилиндром управления.
• Захватное устройство трелевочного трактора осуществляет функции захвата и удержания дерева при его перемещении манипулятором.
• У валочно-пакетирующих машин при помощи захватного устройства происходит захват и зажим дерева в месте его срезания и перемещение срезанного дерева для пакетирования либо в кониковое устройство, либо на земле.
• Клещевые захваты совершают захват, зажим пачки деревьев, удержание ее в процессе трелевки.
• Захватное устройство валочно-пакетирующих машин, должно осуществлять надежный зажим дерева в процессе срезания и приложения к нему валочного момента. Кроме надежного зажима захватное устройство валочно-пакетирующей машины должно обеспечить подъем поваленного на землю дерева за комель и подтаскивание его к месту пакетирования.

• 1. Обзор и анализ технических решений
• 1.1 Разработка компоновочно-кинематической схемы
• Проектирование начинает с разработки компоновочно-кинематической схемы ЗУ. В качестве базы принимается диаметр захватываемого дерева. В технических требованиях задаются два диаметра: максимальный и минимальный.
• Разработка компоновочно-кинематической схемы начинается с обоснования угла перекрытия рычагов, а при обжатии дерева с минимальным диаметром и угла обхвата дерева с максимальным диаметром. Угол обхвата в определяется из условия надежного удержания дерева в поднятом за комель состоянии - из условия удержания его в захвате при падении давления в напорной магистрали. Угол перекрытия рычагов б должен быть как можно меньше. В пределе этот угол желательно иметь равным нулю, тогда просто решается проблема обжатия дерева рычагами в каждой плоскости. В противоположном случае необходимо либо делать скосы на концах рычагов для захода одного из них за другой, либо рычаги размещать в разных плоскостях (уровнях).
• 1-корпус; 2-рычаг; 3-гидроцилиндр.
• Рисунок 1.1. Схема захватных устройств ВТМ и ВПМ
• Построив точки конца рычага на максимальном и минимальном диаметрах, легко найти прямую, с которой должна пересекаться ось шарнира рычага. Для этого достаточно к середине отрезка восстановить перпендикуляр. При определении положения оси шарнира рычага необходимо выполнить ограничение: точка О его оси должна отстоять от центра окружности О, на расстояние:
• ,
• Где D₀ - Максимальный диаметр дерева из выбранного диапазона; - некоторый конструктивный размер, учитывающий технологический зазор между проушиной рычага и поверхностью ствола дерева, высоту самой проушины и радиус пальца или втулки пальца шарнира.
• Для завершения комноновочно-кинематической схемы достаточно осуществить сопряжение штока гидроцилиндра с рычагом, т .е. определить положение точки сопряжения. Чем больше расстояние между шарниром, тем меньше потребуется усилие на штоке для обжатия дерева.
• 1.2 Постановка задачи оптимизации компоновки захватных устройств
• Полагаем, что задана кинематическая схема ЗУ ( одно рычажная или двух рычажная), максимальный и минимальный диаметры захватываемого дерева D₀, do, Выбраны из условия надежного захвата дерева с максимальным диаметром минимальный угол обхвата в и минимальный угол перекрытия а при захвате дерева с минимальным диаметром. Введены ограничения, налагаемые на координаты точек подвеса гидроцилиндров к корпусу, а также функциональное ограничение, исключающее пересечение штока гидроцилиндра с втулкой рычага на всем рабочем ходе штока. Полагаем далее, что определена совокупность варьируемых параметров: координаты точки подвеса гидроцилиндра к корпусу проектируемого устройства; р=ОС - длина рычага, сопрягаемого со штоком гидроцилиндра µ - угол между осью О и рычагом ОС.
• В качестве критерия оценки оптимальной компоновки ЗУ принимает минимальное усилие на штоке гидроцилиндра при обжатии дерева максимальным диаметром или эквивалентную этому условию величину максимальное плечо усилия на штоке. При этом оптимальная компоновка обусловливается следующими двумя условиями:
• 1) При обжатии деревьев всего диапазона по диаметрам от d₀ до D₀ полностью реализуется рабочий ход штока гидроцилиндра.
• 2) Начальный раствор рычагов при наведении ЗУ на дерево с максимальным диаметром должен обеспечивать безударное захватывание дерева рычагами.
• Чем больше раскрытие рычагов, тем проще наведение ЗУ на дерево, но при этом теряется значительная часть рабочего хода штока, что неизбежно влечёт за собой уменьшение плеча и увеличения усилия на штоке.
• Рисунок 1.2. Компоновочно-кинематическая схема двух рычажного захватного устройства.
• Таким образом, задача оптимальной компоновки ЗУ формулируется следующим образом.
• Среди множества допустимых проектных параметров при которых удовлетворяются ограничения:
• ,
• Где Д-область определения координат
• ,
• Где - радиус втулки; -радиус штока
• ,
• Где l - ход штока гидроцилиндра; - конструктивная длина, определяемая высотой поршня цилиндра, размерами его проушин, толщиной днищ и утолщений; ЕС₃- максимальная длина цилиндра с полностью выдвинутым штоком
• Сформулированная задача относится к классу задач нелинейного программирования и может быть решена с использованием ЭВМ.
• 1.3 Расчетные случаи нагружения захватного устройства
• Нагрузки, действующие на захватное устройство, зависят от способа взаимодействия рабочего органа, каким является ЗУ, с- предметом труда - деревом. Если ЗУ предназначается для трелевочных машин, то для него характерны два случая нагружения: подъем дерева за комель подтаскивание дерева. Если ЗУ используется для валочно-пакетирующих машин, то для него, помимо подъема и подтаскивания, характерна нагрузка, возникающая при надежном обжатии дерева рычагами при валке, когда не допускается проскальзывание рычагов по поверхности дерева.
• В случае подъема имеем схему взаимодействия ЗУ с деревом показанную на рисунке. Дерево находится под действием силы тяжести комля kG, нормальных реакций Nл, Nв, Nc сил трения Fл, Fв, а также в соответствии с принципом Даламбера = под действием силы инерции комлевой части дерева (к-коэффициент, определяющий долю силы тяжести дерева, приходящуюся на комлевую часть
• Составим уравнения равновесия сил, приложенных к дереву при двухрычажной схеме:
• ,
• ,
• Где , - сила инерции.
• а - для двух рычажной схемы; б - для одно рычажной схемы
• Рисунок 1.3 - Расчетные схемы сил при подъеме дерева
• При F=fNимеем:
• ,
• ,
• Где f - коэффициент трения поверхности рычага о кору дерева.
• Из второго уравнения находим:
• ,
• Минимальное обжатие происходит тогда, когда нормальная реакция в точке С равна нулю. В этом случае усилие обжатия дерева рычагами.
• ,
• Где w - ускорение деревом захватом.
• В случае однорычажной схемы имеем:
• ,
• ,
• Из первого уравнения записываем связь между нормальными реакциями в точках А, В: кинематический двухрычажный захватный
• ,
• Из второго уравнения, принимаем равной нулю Nc, находим
• ,
• И получаем расчетную формулу для усилия обжатия дерева рычагом
• ,
• Расмотрим теперь нагрузки, возникающие при подтаскивании дерева. Полагаем, что подтаскивание осуществляется за комель вдоль поверхности Земли, имеющей угол наклона б
• ,
• Где - коэффициент сопротивления кроны
• Рисунок 1 А. Расчетная схема сил при подтаскивании дерева
• В этому случае выражение для усилия обжатия дерева имеет вид:
• ,
• При срезании дерева сила обжатия NA должна определяться из условия, что валочный момент Мв, передаваемый через ЗУ, не вызывает проскальзывания рычагов, т.е. Do
• ,
• На основании этого находим
• ,
• Таким образом, мы имеет три сравниваемых случая нагружения захватного устройства: подъем дерева за комель, валка дерева, подтаскивание дерева.
• Из трех случаев нагружения захватного устройства, расчетным случаем будет являться тот, где нормальная реакция NA будет наибольшей
• Рисунок 1.5. Расчетная схема сил приложенных рычагу ЗУ
• Усилие на штоке гидроцилиндра Рц определяется из условия равновесия
• ,
• Из полученного равенства имеем
• ,
• По полученным значениям Рц находим диаметр цилиндра
• ,
• Для определения опасного сечения необходимо построить эпюры изгибающих моментов. В данном случае изгиб происходит в двух плоскостях: вдоль и поперек рычага. Поперечный изгибающий момент достигает максимального значения в шарнире О, в котором этот момент нейтрализуется парой сил, приложенных в проушинах подвески рычага к корпусу. Изгибающий момент в вертикальной плоскости рычага имеет максимальное значение в точке пересечения линии действия RIII нейтральной линией сечений. В полученной точке действует и суммарный изгибающий момент. Поэтому в качестве опасного сечения примем сечение, проходящее через точку пересечения линии действия RIIJ с нейтральной линией рычага. Нейтральную линию в первом приближении будем считать проходящей по середине высоты сечения рычага. Если высотой Н сечения оказывается вполне определенным.
• В опасном сечении рычага действуют следующие усилия: изгибающие моменты
• =P,
• Крутящий момент
• ,
• нормальная сила, равная проекции сил N, F на нормаль к опасному сечению в точке С, и поперечные , в двух плоскостях.
• Таким образом, в опасном сечении рычага имеем все виды статического нагружения, известные в курсе сопротивления материалов.
• Проверка прочности опасного сечения представляет собой коробчатое очертание с постоянной толщиной стенки . Если Н -- высота сечения, В его ширина, то моменты инерции сечения, относительно взаимно перпендикулярных осей Сх, Су:
• ,
• ,
• Суммарные нормальные напряжения в наиболее напряженной точке сечения определяется по формуле
• ,
• Где ), - площадь поперечного сечения
• Рисунок 1.6. Коробчатое сечение
• Касательные напряжения, обусловленные кручением сечения находятся по формуле:
• ,
• Где - расстояние от центра тяжести до наиболее напряженной точки; - момент инерции при кручении
• ,
• При необходимости можно воспользоваться той или иной теорией прочности и вычислить приведенные нормальные напряжения
• Проверка давления во втулках пальцев шарниров. Давление пальцев (осей) во втулках определяется по формуле:
• ,
• Где R - сила реакции в шарнире или усилие на штоке гидроцилиндра; -диаметр пальца или втулки; b - ширина втулки.
• Давление р при небольших скоростях скольжения пальцев во втулках ограничивается некоторой допустимой величиной, зависящей от характеристик кинематической пары.

• 2. Конструктивная часть
• 2.1 Разработка компоновочно-кинематической схемы однорычажного захватного устройства
• Разработка компоновочно-кинематической схемы начинается с обоснования угла перекрытия рычагов а при обжатии дерево с минимальным диаметром и угла обхвата дерево с максимальным диаметром. Угол обхвата ствола должен быть как можно меньше. В пределе этот угол желательно иметь равным нулю, тогда просто решается проблема обжатия дерева ,рычагами в каждой плоскости, ко при этом конструкция не будет обладать достаточной жесткостью. Конструкция получится более жесткой, если
• Примем угол захвата ствола б=20
• Угол обхвата определяется из условия надежного удержания дерева в поднятом за комель состоянии из условия удержания его в захвате при падении давления в напорной магистрали. Этому компоновочному требованию удовлетворяет угол обхвата в=30…35
• Примем угол обхвата
• Принятым углом б,в соответствует отрезок прямой. Восстанавливая перпендикуляр к середине данного отрезка, получаем луч, на котором должен находиться центр шарнира рычага О. Пока О отстоит от точки на расстоянии 5...10см. Принимаем =9 см. Расстояние от точки О до дерева равно 4,5 см.
• 2.2 Определение технологических сил
• Диаметр дерева на высоте груди:
• ,
• Диаметр дерева на высоте 0,5
• ,
• Согласно варианту, вид дерева сосна, ее плотность p=800
• Объем ствола принимаем 0,18
• Определяем массу ствола:
• ,
• Определяем массу дерева:
• ,
• В качестве основного расчетного направления перемещения дерева принимаем подъем дерева за комель.
• Сила инерции определяется по формуле:
• ,
• Где Ф - сила инерции; m - масса ствола; w - ускорение отрыва дерева
• Найдем силу тяжести:
• ,
• Где g - ускорение свободного падения
• Рассчитаем силу тяжести с учетом коэффициента определяющего долю силы тяжести дерева, приходящуюся на комлевую часть:
• ,
• 2.3 Расчет силы нормальной реакций и силы трения
• Формула для расчета силы нормальной реакции для одно рычажной схемы имеет следующий вид
• ,
• Где f коэффициент трения поверхности рычага о кору дерева, принимаем f=0,2
• Найдем силу трения
• ,
• 2.4 Нахождение диаметра гидроцилиндра
• Определим усилие на штоке
• ,
• Найдем диаметр цилиндра для :
• ,
• Найдем нагрузки, возникающие при подтаскивании дерева:
• ,
• ,
• Найдем диаметр цилиндра для
• ,
• По наибольшему выбираем гидроцилиндр ГЦ ЦС-50
• 2.5 Определение параметров сечения рычага по напряжениям
• Для начала выбираем материал рычага. Возьмем Ст18Г2А с допустимым напряжением изгиба
• В опасном сечении рычага действуют изгибающие моменты:
• ,
• ,
• Найдем размеры внутреннего сечения рычага.
• Т.к. максимальный диаметр дерева равен 20см, то выбираем сплошное сечение рычага, а не коробчатое, которое применяется для более крупных в диаметре деревьев.
• Ширина сечения принимаем В=28 мм.
• Высота и ширина сечения имеют следующее отношение:
• ,
• Значит, высоту сечения Н можно вычислить через ширину сечения В:
• ,
• ,
• Принимаем Н=40мм
• Найдем момент инерции J:
• ,
• Где W-момент сопротивления сечения
• ,
• Получаем следующее выражение:
• ,
• Толщину стенки сечения будет соответствовать ширине сечения.
• Рассчитаем площадь поперечного сечения :
• ,
• Определяем
• ,
• 2.6 Проверка выбранного сечения рычага на сложное напряженное состояние
• Эквивалентное напряжение рассчитывается по следующей формуле:
• ,
• Определим напряжение, действующее в продольной плоскости:
• ,
• Напряжение, действующее в поперечной плоскости, находится из следующей зависимости:
• ,
• Касательные напряжения, обусловленные кручением сечения, находятся по формуле:
• ,
• Где - расстояние от центра тяжести сечения до наиболее напряженной точки,
• ,
• J - момент инерции
• ,
• Где .Јх -- момент инерции сечения относительно взаимно перпендикулярной оси Сх
• ,
• Получаем значение
• ,
• Расчитываем
• ,
• Проверяем полученное значение
• ,

• Выводы
• В результате проделанной работы мы научились проектировать захватное устройство валочно-трелевочных машин и валочно-пакетирующих машин, узнав какие задачи должен решить конструктор для того, чтобы захватное устройство выполняло поставленные перед ним функции.
• Для двух рычажного захватного устройства нами была построена компоновочно-кинематическая схема, определены силы действующие на рычаг и корпус. Также были построены эпюры изгибающих и крутящих моментов рычага и корпуса, рассчитаны параметры опасных сечений рычага и корпуса и выбраны соответствующие размеры сечений.
• Также при проектировании захватного устройства следует различать расположение шарниров подвеса рычага и сопряжения штока гидроцилиндра с рычагом. Делятся расположения шарниров подвеса рычага и сопряжения штока гидроцилиндра с рычагом на 2 типа:
• 1. Внутренний шарнир подвеса рычага и наружный шарнир сопряжения штока гидроцилиндра с рычагом.
• 2. Наружный шарнир подвеса рычага и внутренний шарнир сопряжения штока гидроцилиндра с рычагом.
• Принципиальным различием в этих двух типах является то, что при втором варианте гидроцилиндр работает на зажим штоковой плоскостью. На первый взгляд такая компоновка кажется нерациональной, так усилие на штоке при зажиме дерева меньше, однако при втором типе лучше размещение гидроцилиндра, его элементы скрыты внутри корпуса, и в этом смысле такая схема предпочтительнее первой.
• Учитывая все вышесказанное, можно прийти к выводу, что проектирование захватных устройств -- это трудоемкий процесс, требующий внимательного отношения к каждой его детали, и ошибки при проектировании могут привести к серьезным последствиям. Поэтому можно сказать, что именно от конструктора зависит то, насколько долгую и качественную службу сослужит захватное устройство.

• Список литературы
• 1. Александров В.А., Шоль НГ. -- конструирование и расчет машин и оборудования для лесосечных работ и нижних складов: Учебник, 2-е изд., перераб. И доп. -- СПб.: Издательство ”Лань”, 2012. -- 256с.:ил. (Учебник для вузов. Специальная литература).
• 2. Баринов К.Н. -- Проектирование и расчет специальных лесных машин. Учебное пособие. - Л.:ЛТА, 1983.-72с.
• Размещено на Allbest.ru
...