Курсовой проект «Исследование подъёмно-транспортных и строительно-дорожных машин»

УДК 681.5

Н. С. СЕМЁНОВА, Ю. А. СЕМЁНОВ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ «ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДЪЁМНОТРАНСПОРТНЫХ И СТРОИТЕЛЬНО-ДОРОЖНЫХ МАШИН»

Проектирование любой машины должно начинаться с её исследования. Это в полной

мере справедливо и для подъёмно-транспортных и строительно-дорожных машин

(ПТиСДМ). Разнообразие видов работ, выполняемых ПТиСДМ, а также широкая номенклатура съёмного рабочего оборудования и приспособлений к ним делает эти машины универсальными и незаменимыми на любом промышленном предприятии. Одной из характерных особенностей машин с несколькими степенями подвижности является множественность, разнообразие движений, осуществляемых их рабочими органами. Это многообразие законов движения реализуется, как правило, с помощью функций, зависящих от нескольких переменных.

Основой для наиболее общей классификации ПТиСДМ могут служить основные виды работ, выполняемых ими. Исходя из этого, ПТиСДМ можно разделить на следующие основные классы: грузоподъёмные, транспортные, погрузочно-разгрузочные, машины для земляных работ, оборудование для свайных и буровых работ, машины для сортировки материалов.

Классы машин делятся на отдельные группы, типы, типоразмеры с соответствующим технологическим назначением, характером рабочего процесса и т. п. Например, машины для земляных работ делятся на группы по характеру рабочего процесса: землеройные (экскаваторы), отрывающие и перемещающие грунт на небольшие расстояния (бульдозеры, скреперы, грейдеры), разрабатывающие грунт во время движения и перемещающие его на определенные расстояния (рыхлители, землесосы) и др.

Многие группы машин делятся на типы, например, экскаваторы – одноковшовые, канатные и гидравлические. По режиму работы различают ПТиСДМ периодического (циклового) действия, которые производят работу путём периодического повторения одного и того же цикла (краны, экскаваторы, подъёмники) и машины непрерывного действия (конвейеры, элеваторы). Определения и краткие характеристики ПТиСДМ можно найти в 1 ; подробные сведения о таких машинах содержатся в специальной литературе.

В рассматриваемой работе, как и в предыдущей статье 2, рассмотрено курсовое проектирование ПТиСДМ, проводимое для ряда специальностей в рамках дисциплины «Теория механизмов и машин» в СПбГПУ. Рассмотрим выполнение курсового проекта по этапам.

Техническое задание проекта включает в себя конструкцию машины с заданными размерами (рис. 1), требуемую траекторию полюса рабочего органа машины или программные законы движения и описание рабочего процесса.

Пример описания рабочего процесса: в начальный момент времени полюс рабочего органа (ковша, скребка и т.п.) за заданное время должен с определённой скоростью пройти по требуемой траектории, с тем, чтобы перенести груз в заданную точку.

На первом этапе выполняется структурный анализ исполнительного механизма, т. е.

механизм разделяется на структурные группы Коловского. Такое исследование позволяет упростить геометрическое, кинематическое и динамическое исследование механизма. Эффективным методом распознания структурных групп является теория графов 3. В основе структуры большинства ПТиДМ лежат одноподвижные трёхзвенные группы и группы Ассура. В качестве примера разделим на структурные группы минипогрузчик (см. рис. 1, задание з). Несложно видеть, что двухподвижный механизм погрузчика (рис. 2) собирается следующим образом: к стойке одновременно присоединяется трёхзвенная одноподвижная группа Коловского (звенья 1, 2, 3) и группа Ассура (звенья 4, 5). Эти группы соединены между собой. К указанным выше структурным группам присоединяется также трёхзвенная Теория Механизмов и Машин. 2009. №2. Том 7.

Преподавание ТММ а) б) в) г) Рис. 1. а – автоподъёмник, б – погрузчик, в – погрузчик, г – землеройная машина 62 http://tmm.spbstu.ru Курсовой проект «Исследование подъёмно-транспортных и строительно-дорожных машин»

д) е) ж) з) Рис. 1 (окончание). д – экскаватор с прямой лопатой, е – колёсный погрузчик, ж – фронтальный погрузчик, з – минипогрузчик одноподвижная группа Коловского (звенья 6, 7, 8). Граф механизма и структурный граф показаны на рис. 3.

Теория Механизмов и Машин. 2009. №2. Том 7.

Преподавание ТММ На втором этапе в зависимости от назначения машины требуемая (программная (п)) траектория полюса М рабочего органа записывается в параметрической форме:

где p – длина пути, пройденного полюсом по траектории. Некоторые из траекторий изображены на рис. 4.

На третьем этапе выбирается график скорости перемещения полюса по траектории, состоящий из трёх характерных участков (рис. 5): 1) участка ускоренного движения (разбег), на котором имеет место возрастание скорости от нуля до максимума; 2) участка с постоянной скоростью; 3) участка замедленного движения, сопровождающегося падением скорости от максимума до нуля (торможение). При этом заданы: время движения по траектории t 3 и Курсовой проект «Исследование подъёмно-транспортных и строительно-дорожных машин»

её длина pmax и форма графика на участке разбега и торможения. График скорости p(t ) удобно задать при помощи единичной функции.

Рис. 5. а – перемещение полюса по траектории; б – скорость перемещения по траектории;

Далее дифференцируется и интегрируется функция p (t ). Из условия p (t 3 ) p max определяется максимальная скорость p max.

Подставляя функцию p(t ) в выражение (1), получим уравнения требуемой (программной) траектории полюса М рабочего органа:

В качестве примера запишем параметрические уравнения для траектории, показанной на рис. 6. Здесь изображена плоская траектория полюса М ремонтного автоподъёмника (см.

рис. 1, задание а). Траектория состоит из переходного участка (дуги окружности) и вертикальной прямой.

Уравнения траектории можно записать в виде:

Теория Механизмов и Машин. 2009. №2. Том 7.

Преподавание ТММ где pmax – длина траектории.

На четвёртом этапе составляем уравнения геометрического анализа для рассмотренных выше структурных групп в зависимости от входных координат Примеры составления уравнений геометрического анализа для многоподвижных механизмов можно найти в 4 и 5.

На пятом этапе с помощью уравнений (4) решаем обратную задачу, т. е. получаем зависимости:

Рассмотрим пример решения обратной задачи. Для траектории (рис. 7), описываемой полюсом ковша М колёсного погрузчика (рис. 8), справедлива следующая постановка обратной задачи: требуется определить входные координаты погрузчика q1 и q2 по заданным выходным координатам.

В силу особенностей конструкции погрузчика полюс ковша М может двигаться по дуге окружности радиуса О2 М, т. е.

Требуется повернуть звено 3 на угол 90 от начального значения 3н 30 до конечного 3к 60. При этом ковш не должен поворачиваться относительно неподвижной системы координат (угол 8 120 const ). Таким образом, на основе инверсной струкhttp://tmm.spbstu.ru Курсовой проект «Исследование подъёмно-транспортных и строительно-дорожных машин»

туры механизма входными координатами становятся углы 3 и 8, характеризующие положение звеньев 3 и 8 (ковша).

При инверсном преобразовании получаем структуру, показанную на рис. 9.

При решении обратной задачи известны углы:

характеризующие положения звеньев в группах I и II.

Теория Механизмов и Машин. 2009. №2. Том 7.

Преподавание ТММ Из групповых уравнений группы III (звенья 1, 2):

найдём Групповые уравнения группы IV (звенья 6 и 7):

позволяют определить где Из уравнений группы V (звенья 4 и 5):

получим где Курсовой проект «Исследование подъёмно-транспортных и строительно-дорожных машин»

При решении обратной задачи в силу нелинейных уравнений геометрического анализа появляется несколько решений. В дальнейшем надо выбрать одно (основное) решение обратной задачи.

Если в уравнения (5) подставить уравнения требуемой (программной)) траектория полюса (2), то получим законы изменения входных координат от времени t, т. е.

Дифференцируя дважды по времени уравнения геометрического анализа (2):

определим из линейных систем уравнений (17) зависимости q s (t ), q s (t ), где s 1, 2, 3.

Примеры кинематического анализа механизмов с внутренними входами приведены 6.

Во второй части курсового проекта выполняется силовой расчёт ПТиСДМ. Сначала (на шестом этапе проекта) выполняется квазистатический расчёт исполнительного механизма. С примерами квазистатического расчёта указанных механизмов можно ознакомиться в 7. В этих расчётах учитываются только реакции связей и рабочая нагрузка. Следует отметить, что квазистатический расчёт для транспортных и грузовых машин не имеет смысла, поскольку силы тяжести звеньев соизмеримы с рабочей нагрузкой.

На седьмом этапе выполняется кинетостатический расчёт механизма. Для этого определяются координаты, скорости и ускорения центров масс звеньев, а также силы и моменты сил инерции. Далее проводится силовой расчёт механизма по структурным группам, откуда определяются реакции и движущие усилия. Знание обобщённых движущих сил Qs (t ) позволяет подобрать требуемые приводные гидроцилиндры.

На заключительном этапе проекта определялся опрокидывающий момент, действующий на машину.

На рис. 10 приведен пример оформления графической части курсового проекта, выполненный студентом группы 3145/1 Р. А. Семеновым.

При выполнении курсового проекта студенты используют математические пакеты «Mathematica», «Matlab», «Mathcad», графические пакеты «AutoCAD», «Компас 3D», NX6 и др., на которые кафедра ТММ СПбГПУ приобрела лицензии.

Теория Механизмов и Машин. 2009. №2. Том 7.

Преподавание ТММ Курсовой проект «Исследование подъёмно-транспортных и строительно-дорожных машин»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Семенова Н.С., Семенов Ю.А. Курсовой проект «Исследование промышленного робота» // Теория механизмов и машин. 2009, №1(13), С. 64-73.

3. Семенов Ю.А., Семенова Н.С. Структурный анализ механизмов // Теория механизмов и машин. 2003, №1(2), С. 3-14.

4. Семенов Ю.А., Семенова Н.С. Геометрический анализ плоских рычажных механизмов // Теория механизмов и машин. 2004, №1(3), С. 26-41.

5. Теория механизмов и машин: Учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений / М.З. Коловский, А.Н. Евграфов, Ю.А. Семенов, А.В. Слоущ. 3-е изд., испр. – М.:

Изд. центр «Академия», 2008. – 560 с 6. Семенов Ю.А., Семенова Н.С. Особенности кинематического анализа механизмов с внутренними входами // Теория механизмов и машин. 2004, №2(4), С. 30-39.

7. Семенов Ю.А., Семенова Н.С. Статика механизмов // Теория механизмов и машин.

2006, №2(8), С. 47-58.

Теория Механизмов и Машин. 2009. №2. Том 7.