Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование Бартенев

1

Таблица 5.6

Схемы нагружения и значения напряжения (в МПа) в элементах манипулятора по результатам статического тензометрирования

Номер

датчика

	Схема 1	Схема 2	Схема 3	Схема 4	Схема 5	Схема 6
				5
1	2	3	4		6	7
				-28,1
00	-6,7	-62,2	-55,5		-1,3	-36,1
				158,9
01	54,6	147,8	178,9		149,1	64,7
				194,0
02	116,7	112,6	108,4		186,7	37,3
				6,7
03	8,4	101,2	62,6		9,0	26,8
				111,7
04	107,5	84,4	66,4		104,6	60,4
				27,3
05	9,6	16,0	45,0		33,6	28,9
				238,6
06	84,8	187,3	232,7		229,7	94,5
				207,5
07	74,0	172,6	213,8		203,7	93,2
				207,5
08	65,1	179,4	221,3		203,7	36,9
				74,7
09	54,2	75,6	-115,0		101,6	73,9
				173,0
10	47,0	159,2	185,6		180,1	45,3
				-109,6
11	-48,3	-114,7	-82,3		-158,7	-91,9
				215,5
12	93,2	204,7	247,8		272,0	14,2
				-88,2
13	-36,1	-110,9	-139,0		-137,3	-85,3

231

2

						Продолжение таблицы 5.6.
					6
1	2	3	4	5			7
					176,4
14	33,6	110,5	182,3	33,2			52,9
					-137,7
15	-31,0	-102,1	-147,9	-36,1			-196,5
					334,0
16	86,9	224,3	306,2	27,3			67,6
					-171,7
17	-53,8	-91,2	-	-34,0			-181,8
					138,6
18	51,7	112,2	178,1	27,3			34,4
					-89,8
19	-5,5	-112,2	-	-40,3			-138,6
					-144,9
20	-51,2	-147,8	-80,7	-109,2			-41,6
					-122,6
21	-19,8	-168,8	-131,0	-164,6			-57,1
					165,4
22	36,5	148,7	159,2	168,4			33,7
					6,3
23	25,6	63,0	12,2	8,0			52,9
					133,5
24	38,6	128,5		157,1			44,1
					123,9
25	38,6	107,1	171,8	139,4			70,1
					124,7
26	20,6	99,1	152,9	139,9			37,8
			Показания динамометра, манометра
					1,10÷1,15
G, кН	2,25	2,70	7,5÷8,0	1,85÷1,90			2,10
					16,0
Р, Мпа	14,5	14,5	16,6	16,6			16,0

232

233

Таблица 5.7

Значения напряжений в элементах базовой модели манипулятора по результатам статического и динамического тензометрирования при работе с номинальным грузом

	Напряжения, МПа	Статика
Датчик	Динамика
1	150,8	125,1
2	185,0	123,0
3	30,6	18,0
4	84,5	41,5
5	46,2	41,1
6	220,0	109,2
7	195,0	141,9
8	209,0	147,0
9	-168,0	-112,5
10	159,2	122,2
11	-212,0	-182,0
12	250,3	202,0
13	-121,8	-104,7
14	163,8	128,9
15	-197,6	-137,7
16	257,0	233,1
17	-205,8	-171,7
18	131,9	100,3
19	-192,3	-129,7
20	-148,0	-135,2
21	-183,0	-163,8
22	152,0	122,2
24	156,0	110,8
25	107,0	78,9
26	122,0	95,7

Объяснить это явление можно возникновением напряжений от общего изгиба и дополнительно от местного изгиба элементов металлоконструкций в узлах передачи сосредоточенных сил: от кронштейна гидроцилиндра привода рукояти к верхнему поясу короба стрелы и от антифрикционной накладки удлинителя к верхнему поясному листу рукояти.

Методика расчета сварных узлов шарнирных соединений дорожных машин [144] не учитывает конструктивные особенности манипулятора, а расчеты рукояти по [48] в силу этих же обстоятельств дают высокие, по сравнению с

234

фактическими, значения напряжений.

Сила давления удлинителя на верхний пояс рукояти определяется по формуле

						3
			1
					2
R	R P								.	(5.13)
1	1
						3
			2
					2

Для манипулятора ЛВ-185 при Р = 5135 Н, R1 =14670 Н.

После приработки антифрикционной накладки удлинителя реакцию удлинителя можно принимать, как равномерно распределенную по площади накладки. Верхний пояс рукояти представляет собой неразрезную пластину, опорами которой являются вертикальные стенки (рис. 5.11).

a a1

Y

O X b1

Рис. 5.11. Схема нагружения верхнего поясного листа рукояти

Поясной лист, при определении в нем напряжений от силы R1 можно рассматривать, как пластину, свободно опертую на стенки. Прогиб в центре пластины толщиной под влиянием сосредоточенной силы N равен [48]:

f k1	Na23 ,		(5.14)
	E

где а – расстояние между вертикальными стенками; k1 – коэффициент, зависящий от l/a;

– расстояние между диафрагмами; при / a = (отсутствие диафрагм); k1=0,1899;

E – модуль упругости.

Изгибающие моменты на единицу длины (Н м/м) поперек и вдоль балки Му и Мх в центре пластины M y k2 R1 ; M y k3 R1

235

Нормальные напряжения в крайних волокнах центра пластины [48] при N=R1 определяется по формулам:

x				6M x						6k3 R1			,	(5.15)
				2							2
y		6M y							6k		R
											2 1	.		(5.16)
			2							2

Формулы (5.15) и (5.16) удобны в инженерных расчетах. Однако в силу конструктивных особенностей рукояти манипулятора, как указывалось выше, расчет по этим формулам с использованием коэффициентов k2 и k3 из таблиц 23 и 24 [48] дает завышенные значения напряжений.

Применяя метод тензометрирования, определены деформации верхнего поясного листа короба рукояти, а затем значения коэффициентов k2 и k3 из соотношений (5.15) и (5.16) по формулам:

k	2						2				E											,	(5.17)
				x								2			x				y		u
3	6R1
							6R1 1
k		2						2			E			(				).					(5.18)
		6R1									1 2
2						y		6R1									y			x
Напряжения от общего изгиба в расчетном сечении
							u				P(		2 3 ) .
												Wx

Для манипулятора ЛВ-185 при Р = 5185 Н; ( 2 3 ) 1,89 м; Wx = 17 10-5 м3

напряжение от прямого изгиба в исследуемом сечении и = 114,2 МПа. Значения коэффициентов, рассчитанные по формулам (5.17) и (5.18) све-

дены в табл. 5.8.

Приведенные напряжения с учетом напряжений общего изгиба для плоского напряженного состояния определяются по известной формуле:

	np		(	u		x	)2 2		y	(	u		x	) .	(5.19)
							y

236

						Таблица 5.8
		Значения коэффициентов k2 и k3
			k2 при а1/а
b1/a
	0,195	0,260	0,390		0,520	0,650
0,195	0,129	0,121	0,101		0,085	0,079
0,260	0,122	0,115	0,095		0,083	0,077
0,390	0,113	0,109	0,091		0,079	0,075
0,520	0,109	0,101	0,084		0,076	0,071
0,650	0,088	0,084	0,081		0,074	0,069
			k3 при а1/а
0,195	0,102	0,098	0,085		0,073	0,071
0,260	0,096	0,092	0,079		0,071	0,069
0,390	0,076	0,072	0,066		0,059	0,057
0,520	0,066	0,061	0,058		0,051	0,046
0,650	0,060	0,057	0,053		0,046	0,042

Увеличивать толщину листа короба рукояти нецелесообразно, т.к. это приведет к необоснованному увеличению массы рукояти. Для уменьшения напряжений от местного изгиба достаточно усилить верхний пояс рукояти накладной (рис. 5.12), длина которой равна или больше хода удлинителя.

1	2

3

Рис. 5.12. Вариант усиления верхнего листа короба рукояти накладкой: 1 – рукоять; 2 – удлинитель; 3 – накладка

Расчет толщины накладки производим следующим образом. Ширина накладки должна быть не менее

a’ a1 2 ,

где a1 – ширина антифрикционной накладки удлинителя.

Усилие, воспринимаемое верхним поясом рукояти, распределяется между накладкой и верхним листом короба рукояти (рис. 5.13)

237

	aн	4
		N
	Р

н

3
a1R1
a	1
2

Рис. 5.13. Схема к расчету толщины накладки: 1 – рукоять; 2 – удлинитель; 3 – антифрикционная накладка; 3 – накладка

R1=P+N,

(5.20)

где Р – усилие, воспринимаемое верхним поясом короба рукояти; N – усилие, воспринимаемое накладкой.

Прогиб верхнего листа короба рукояти в точке пересечения осей x и y (рис. 5.11):

	Pa 2
f 1 k1	E 3 .

Пренебрегая перемещением концов накладки (обычно накладка выполняется по ширине равной ширине верхнего пояса короба рукояти), найдем прогиб в середине накладки:

f k1	Na н2 .
	E н3
Так как f=f1 ,то
Pa 2	Na’2 .

k1 E 3 k1 E н3

Отсюда имеем:

N (R1 N)a2 н3 .

aн2 3

Учитывая, что aн a и обозначив отношение толщин накладки и листа короба рукояти

		238
н3	,
n 3
окончательно получим:
N nR1 .		(5.21)
1 n

Определив значение N, вычисляем напряжения в накладке по формулам

(5.15), (5.16) и (5.19).

Для манипулятора ЛВ – 185 при заданных значениях R1= 14670 Н,

и= 114,2 МПа, а = 124 мм, = 6 мм, в1= 80 мм, а1= 80 мм и принимая ан = 100 мм, н = 6 мм, получим: х= 61,6 МПа; у= 101,2 МПа; кр= 152,8 МПа.

Значения напряжений в накладке, определенные тензометрированием, равны соответственно: хэ= 63,8 МПа; уэ= 105,8 МПа.

Различия между теоретическими и экспериментальными значениями напряжений составляют соответственно 3,5 % и 4,5 %.

Как видно, напряжения от местного изгиба верхнего поясного листа х и у соизмеримы с напряжением от общего изгиба и.

2. Применение низколегированных сталей с пределом текучести

т=430 450 МПа.

В настоящее время для изготовления сварных стальных конструкций манипуляторов широко применяются низколегированные стали марок 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД, 12-ой категории (с проверкой ударной вязкости при температуре -40°С и после механического старения). Эти стали отличаются более высоким пределом текучести по сравнению с углеродистыми сталями, более низкой температурой перехода в хрупкое состояние и повышенной коррозионной стойкостью. К недостаткам низколегированных сталей относятся большие стоимость и чувствительность к концентрациям напряжений. В обоснованных случаях, когда определяющим является критерий прочности, а не жесткости, необходимо применять низколегированные стали с пределом текучестит = 590 780 МПа (например сталь 12ГМ2МФАЮ). При выборе материалов

239

для сварных стальных конструкций необходимо учитывать не только механические характеристики, но также технологические свойства и в первую оче- редь-свариваемость.

3. Обеспечение высокого качества сварных соединений. Для этого необходимо руководствоваться требованиями, изложенными в работах [48, 137, 138, 146, 145, 158, 169], а также следующими рекомендациями:

-требовать снятия усиления шва в зоне с высоким уровнем переменных напряжений, так как усиление шва значительно снижает предел выносливости;

-избегать крепления каких-либо деталей к элементам конструкций, работающих при высоких переменных напряжениях;

-размещать сварные швы в местах с низким уровнем напряжении и малой переменной составляющей напряжений;

-нагрузки от кронштейнов передавать не на пояса, а стенки или одновременно на пояса и стенки конструкции;

-элементы конструкций, воспринимающие давление выдвижных секций, усиливать накладками, длина которых превышает ход удлинителя;

5.5.Выводы

1.На механизме подъема стрелы гидроманипулятора рекомендуется устанавливать один гидроцилиндр вместо двух.

2.Грузовысотная характеристика гидроманипуляторов типа МШ и МК для каждого значения массы груза представляет собою некоторою область, на ближней и дальней границе которой должен сработать ограничитель грузового момента.

3.Для обеспечения максимальной грузоподъемности на заданном вылете операторам рекомендуется работать при минимально возможных углах подъема стрелы.

240

4.Для исключения разрывов грузовысотной характеристики при разработке компоновочно-кинематической схемы манипулятора необходимо выдерживать определенные соотношения длин звеньев: стрелы, рукояти, удлинителя, изложенные в разделе 5.2.

5.При прочностных расчетах металлоконструкции манипулятора необходимо учитывать дополнительные напряжения, возникающие в узлах передачи сосредоточенных сил.

6.В шарнирных узлах гидроманипулятора рекомендуется применять взамен бронзы угленаполненные полиамиды типа ПА-66-1-Л-У40 или УПА-6-40 с коэффициентом трения по стали не более 0,2.