Оптимизация привода захватного устройства харвестерной головки

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

На современных харвестерных головках удержание дерева в процессе валки и последующего перемещения производится захватными рычагами, на концах которых агрегатируется протаскивающий механизм вальцового или гусеничного типов. Таким образом, рычаги захватного устройства (ЗУ) наряду с функцией удержания дерева выполняют функцию прижима протаскивающего устройства к стволу в процессе его подачи к сучкорезным ножам. Привод (закрытие и разведение) рычагов осуществляется гидроцилиндром двухстороннего действия.

Для того чтобы подобрать оптимальный гидроцилиндр привода рычагов ЗУ, необходимо определить следующие параметры:

е момент М 1, необходимый для надежного удержания дерева;

о момент Mg , развиваемый приводным гидроцилиндром.

Оптимальным будет только тот гидроцилиндр, у которого момент Mg больше момента М\ на всем диапазоне изменения диаметров обхватываемых де- ревьев от d0 до DQ , при этом момент Mg должен быть минимальным из всех возможных вариантов. Очевидно, что достичь полного совпадения максимального момента гидроцилиндра и максимально возможного потребного момента для всех положений захватных рычагов не удается из-за ограниченного числа варьируемых параметров, конструктивных ограничений и дискретности стандартного ряда типоразмеров гидроцилиндров.

Аналогично задаче, решаемой при проектировании манипулятора [2, 3], необходимо найти такие значения параметров механизма, при которых максимальное значение отношения развиваемого приводом момента к максимально возможному потребному моменту на всем диапазоне изменений диаметров было бы наименьшим, при условии, что это отношение не становится меньше единицы:

min(max ^^ -1 > 0)

M1(D)s,d,x,y,                               (1)d0

Ml (D) - функция верхней границы моментов;

5 - ход штока гидроцилиндра;

d - диаметр поршневой или штоковой полости гидроцилиндра;

• X, у - координаты подвеса опор гидроцилиндра и размеры элементарного рычажного механизма;

D -- диапазон изменений диаметров деревьев.

На управляемые параметры (компоненты векторов 5, d, X, у), исходя из конструктивных соображений и нормативных материалов, накладываются соответствующие областные и функциональные ограничения.

Расчетная схема представленной задачи показана на рисунке 1.

Для определения верхней границы моментов механизма управления рычагами рассчитывается потребный момент, действующий относительно шарнира соединения рычага и корпуса (точка О на рис. 2). Он действует в плоскости движения рычага, при этом наибольший момент будет соответствовать захвату дерева максимального диаметра.

• ¹    Авторы - соответственно аспирант кафедры тяговых машин и д. т. н., профессор, заведуюирш кафедрой тяговых машин

  © Селиверстов А. А., Сюнёв В. С., 2005

Рис. 1. Расчетная схема

АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

• 1.    Предварительные расчеты.

Центр дерева максимального диаметра (точка О_х^Х_о ’Уо, )) берется за начало системы координат ХО₍ ¥. Координаты точек Mx_A,y_AY А' (Х_А , у_А) и О ( хО , уО ) известны (см. рис. 1).

Для построения траектории движения точки контакта А захватного рычага с деревом необходимо построить окружность, проходящую через точку контакта рычага с деревом максимального диаметра А и точку контакта рычага с деревом минимального диаметра А'.

Момент, развиваемый приводом, также действует в плоскости движения рычага и прижимает его вместе с вальцом к дереву (рис. 2).

Рис. 2. Силы, действующие на захватный рычаг

Поставленная задача успешно решается в среде пакета MathCAD.

ИСХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Исходными являются следующие параметры:

• е    максимальный диаметр захватываемого дерева D„ ;

• »    минимальный диаметр захватываемого дерева dg;

• »    угол обхвата (1 дерева максимального диаметра;

• •    угол обхвата (X дерева минимального диа

Координаты центра этой окружности Х^ и У] определяются из системы уравнений [IJ:

г=у а )2, г =      - х J2 + (У, - у А )2 ,

Dn где Г = 1.5--.(4)

Траектория движения точки контакта А захватного рычага с деревом определяется из системы уравнений:

Траектория движения точки А при заданных параметрах d₀ — 0.06 м, D0 = 0.45 м, Р = 55 и а = 10° показана на рисунке 3.

метра.

Рис. 3. Траектория движения точки контакта А

Изменение координаты центра дерева О_А (x_a, у₀

хО1у =0,

Изменение угла обхвата деревьев:

р у = arccos

(хАХ_; - хОхД 1ДаХ_;. — хОХ Д² + рДяг . -уохД²

Наименьший угол обхвата р'. соответствует углу обхвата дерева максимального диаметра р (см. рис. 1).

Изменение плеча действия силы нормального давления рычага на ствол N равно:

Шаг изменения диаметров деревьев от d^ до Dq .

Например, если при dy = 0.06 м и D0 = 0.45 м задать изменение диаметра обхватываемых деревьев с шагом 0.01 м, тогда получим

hN f =

Дат, -^oi j.^i,-

-^AXJ -хОхД-уАХ. -

• - хО • yAX j + у 01 у хО +

• + уО • хАХ j - хО 1 у ■ уО

ДхАХ;-хОх Д л-ДАХ^уОх Д ’

откуда П = 39 ;

j = 0..П;

Изменение координаты точки А ^^_А,У _А^ запишется в следующем виде:

Щ17. = F^DДо,(12)

Щ17. = Е^рД.(13)

где хО и уО - координаты точки О крепления рычага на корпусе харвестерной головки (см. рис. 1).

Изменение плеча действия силы трения Т определяется:

(хАХ ■ - хО 1 у ) ■ хО + (Щ1у - У 01у ) ■

хО 1 у • хАХ j - хАХ ² + ^Л руОХ^уАу^уАХД

•^(хАХ у - хО 1 у )² + (уАХ j - у 01 _v )²

Изменение угла X (см. рис. 2) равно:

Изменение плеча действия усилия Ргц , развиваемого гидроцилиндром (см. рис. 2),

(хАХ; )

(уАХ.-уОХ,.-

(xAlj

РО17 '

СхЛХо

Длина рычага Lp при захвате дерева максимального диаметра определяется:

Lp = <хО- х_А У + (уО - у_А У .      (20)

Длина рычага 1р при захвате дерева минимального диаметра равна:

= ^хО-х'_лУ +(уО-у'_АУ .      (21)

причем Lp = lp .                            (22)

Изменение угла поворота рычага при захвате деревьев

у У = arccos

Lp^V-

-^xAXj-x^-

-^yAXj-y^

2 • Lp-lp

hgj =p-cos(y_v).                     (24)

2. Определение верхней границы моментов механизма управления рычагами

MXj^Nj-hNj-Tj-hTj,          (25)

где N - максимальная потребная сила нормального давления рычага на ствол;

Т - сила трения рычага о ствол;

Верхняя граница моментов соответствует наиболее тяжелому режиму работы ЗУ. К таким режимам относятся:

• ®    натяг дерева при срезании;

• «    отрыв дерева от пня;

• ®    наклон дерева в положение от машины;

• 3.    Момент, развиваемый приводным гидроцилиндром:

« подтаскивание дерева за комель к машине при волочащейся вершине.

Сила трения рычага о ствол определится по следующей формуле:

Tj - N_j • tanX_z.                          (26)

M_gj = С„ -hgj -Р -Ю⁶ -Пл-^.         (27)

где F_aj - площадь поршневой или штоковой части гидроцилиндра.

При работе гидроцилиндра поршневой полостью на обжим дерева

D ² порш ^рг_Ч=^—4  •                   ⁽²⁸⁾

При работе штоковой полостью г-, ^.L)nOfnu d шт)

F_a; = ^л------                (29)

р - давление в гидросистеме, Па;

Т|Ю7Э = 0,95 - коэффициент полезного действия.

На рисунке 4 представлен график зависимости момента, развиваемого гидроцилиндром, и верхней границы моментов от диаметра обхватываемого дерева при изменении последнего от d₀ = 0.06 м до D0 = 0.45 м.

Рис. 4. Момент, развиваемый гидроцилиндром, и верхняя граница моментов

Рис. 6. Изменение плеча силы трения от диаметра дерева

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

• 1.    Предлагаемая методика позволяет подобрать оптимальный гидроцилиндр привода рычагов. Вследствие этого на протяжении всего технологического процесса заготовки древесины захватные рычаги будут надежно удерживать дерево, исключая его проскальзывание относительно захватных рычагов и корпуса харвестерной головки.

• 2.    Наиболее тяжелым режимом работы захватного устройства является наклон дерева в положение от машины.

• 3.    На рисунках 5, б, 7 представлены графики, которые показывают зависимости изменения соответствующих параметров от диаметра обхватываемого дерева, при изменении последнего от d₀ = 0.06 м до D0 = 0.45 м.

  

  Рис. 7. Значение плеча действия усилия, развиваемого гидроцилиндром, от диаметра дерева

  
  
  

  Рис. 5. Изменение плеча силы нормального давления рычага на ствол дерева от диаметра дерева