Повышение эффективности силового привода лесозаготовительного оборудования применением материалов с эффектом памяти формы

На правах рукописи

Коновалов Максим Николаевич

Повышение эффективности силового привода лесозаготовительного оборудования применением материалов с эффектом памяти формы

05.21.01. – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Петрозаводск 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Андронов Иван Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Шиловский Вениамин Николаевич

кандидат технических наук, доцент

Чупраков Александр Михайлович

Ведущая организация: Санкт-Петербургская

государственная лесотехническая академия (СПбГЛТА)

Защита состоится « 23 » декабря 2006 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет» (185910, Республика Карелия, Петрозаводск, пр. Ленина, 33).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан « » ноября 2006 года

Ученый секретарь диссертационного совета В. В. Поляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эксплуатация гидрофицированного технологического оборудования лесозаготовительных машин (ЛЗМ) в условиях безгаражного хранения, влияния жесткого климата (зимний период 160…230 дней при температуре от минус 22С до минус 50С, а также скорость ветра от 10 до 12 м/с), высокой вероятности разгерметизации из-за высоких рабочих давлений гидрожидкости (до 25 МПа), значительной динамической нагруженности в процессе технологического использования сопровождается низкой экологической безопасностью и надежностью гидропривода (30%…50% от всех отказов по машине).

Устранение этих недостатков возможно за счет применения материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) в качестве дискретного силового привода в виде гидроцилиндров управления элементами технологического оборудования ЛЗМ. Исполнительные гидроцилиндры одностороннего действия с механизмом создания давления гидрожидкости от усилия пружин или стержней трубного профиля из материала с ЭПФ в процессе их нагрева позволят: сократить количество элементов объемного гидропривода (гидронасосы, трубопроводы, гидрораспределители, гидробак, фильтры); применять синтетические гидрожидкости (10…15 л на один силовой гидроцилиндр) с положительно зависимыми параметрами работы в условиях жесткого климата; устранить аварийные ситуации выброса гидрожидкости при внезапной разгерметизации трубопроводов. Т.е. создается автономная система осуществления силового возвратно-поступательного воздействия на технологическое оборудование (бульдозеры, аутригеры, захваты, грейферы, силовой привод элементов конструкции манипулятора).

В настоящее время хорошо известен широкий класс материалов, обладающий обратимыми мартенситными переходами . К ним относятся, прежде всего, сплавы на основе TiNi, MnCu, CuZn, FeMn и другие. Эти материалы обладают целым классом уникальных, нетрадиционных физико-механических свойств, выделяющих их из класса обычных конструкционных металлов и сплавов. К этим свойствам относятся: эффект памяти формы способность материала восстанавливать неупругие деформации до 10…15% при изменении температуры; пластичность прямого превращения (ППП) накопление деформации в сторону внешней нагрузки при охлаждении в интервале прямого мартенситного перехода; циклическая память формы (ЦПФ) обратимое формоизменение при термоциклировании в нагруженном cостоянии и другие явления. Перечисленные свойства можно обобщить одним термином мартенситная неупругость . Вышеупомянутые уникальные свойства материалов с дают возможность использовать их в различных областях техники: в космонавтике, машиностроении, медицине и т.д. В частности, они могут быть использованы в элементах исполнительных силовых механизмов сложного функционального назначения: мартенситных двигателях; тепловых реле; в строительных конструкциях; насосах; клапанах и в ряде других инженерно-технических направлениях. Многообразие всевозможных вариантов использования данных материалов определяет задачу исследования применимости силовых приводов на базе металлов с ЭПФ для повышения эффективности технологического оборудования ЛЗМ.

Цель работы. Повышение эффективности силового привода лесозаготовительного оборудования путем повышения надежности при эксплуатации в условиях жесткого климата за счет применения материалов с эффектом памяти формы в гидроцилиндрах управления технологическим оборудованием.

Научная новизна работы:

результаты экспериментальных исследований системы – проволока из материала с ЭПФ и упругое контртело. Показано, что при определенной термоциклической тренировке величины деформационно-силовых характеристик однозначно определяются жесткостью противодействия;

разработаны методы расчета реактивных напряжений, осевых или сдвиговых деформаций и усилий, генерируемых в различных рабочих элементах с ЭПФ и упругом контртеле, функционирующих при обратимых мартенситных переходах. Данные методы основываются на полученных экспериментальных данных и отличаются минимизацией необходимых расчетных параметров;

результаты экспериментальных исследований применения системы силового привода стрелового манипулятора на базе материалов с ЭПФ c системой демпфирования – четвертной рессорой. Показано, что в процессе демпфирования затухающих колебаний манипулятора особое влияние оказывает жесткость демпфера. Поэтому предлагается способ по увеличению эффективности демпфирования путем корректировки жесткости рессоры за счет изменения ее рабочей длины.

Объекты исследования. Объектами теоретических и экспериментальных исследований являлись опытные проволочные образцы из материала с ЭПФ (сплав ТН-1), взаимодействующие с упругим контртелом (витая пружина растяжения). А также система демпфирования, состоящая из четвертной рессоры, установленная на модели манипулятора типа ТБ-1.

Предмет исследований. Силовой привод технологического оборудования на базе материалов с ЭПФ с системой демпфирования.

Методы исследований. В работе использовано экспериментальное исследование деформационно-силовых характеристик системы рабочее тело из материала c ЭПФ и упругое контртело, методы сопротивления материалов и метод тензометрирования.

Значимость для теории и практики. Теоретическая значимость заключается в:

– методе расчета элементов исполнительных механизмов с рабочим телом из сплавов с ЭПФ;

– обосновании условий перехода на материалы с ЭПФ в качестве рабочего тела в силовом приводе технологического оборудования лесозаготовительной техники и возможности использования этих разработок лесозаготовительными предприятиями Республики Коми;

– рекомендациях по использованию рабочих элементов с ЭПФ многоразового назначения в устройствах и механизмах лесной отрасли с целью внедрения результатов в учебный процесс.

Практическая значимость заключается в:

– практическом применении материалов с ЭПФ в силовом приводе технологического оборудования лесных машин.

Идея внедрения этих сплавов положена в основу положительного решения по авторскому свидетельству «Способ обработки полуфабрикатов из сплавов с термоупругими мартенситными превращениями», заявленному в Российское агентство по патентам и товарным знакам; заявка №2005124798/17(027882) от 03.08.2005 г. Уведомление о положительном результате формальной экспертизы получено 01.2006 г.

Основные положения, выносимые на защиту:

результаты экспериментальных исследований системы: проволока из материала с ЭПФ и упругое контртело, позволяющие разрабатывать методы расчета основных параметров для различных рабочих элементов с ЭПФ и упругим контртелом.

метод расчета реактивных напряжений, осевых деформаций и усилий, генерируемых в системе, состоящей из трубки из материала с ЭПФ и упругого контртела, функционирующих при обратимых мартенситных переходах, отличающийся минимизацией необходимых расчетных параметров;

метод расчета реактивных напряжений, сдвиговых деформаций и усилий, генерируемых в системе, состоящей из пружины из материала с ЭПФ и упругого контртела, функционирующих при обратимых мартенситных переходах, отличающийся минимизацией необходимых расчетных параметров;

конструктивные решения исполнительных механизмов на базе материалов с ЭПФ, такие как силовые гидроцилиндры одностороннего действия и устройство экологической защиты. Данные разработки могут быть применены в силовом приводе технологического оборудования, таких ЛЗМ как ТБ-1 М 15, ТБ-1 М 16, МЛ-119 А, ЛТ-171, МЛ-136.

методы определения основных рабочих параметров для различных конструкций силовых гидроцилиндров;

результаты экспериментальных исследований на модели манипулятора типа ТБ-1 с применением силового привода на базе материалов с ЭПФ c системой демпфирования;

рекомендации по использованию системы регулировки жесткости рессоры, которая позволяет осуществлять автоматический режим корректировки жесткости всей упругой структуры манипулятора в зависимости от вылета манипулятора и изменения нагрузки на рабочий орган рукояти в процессе эксплуатации.

Обоснование и достоверность результатов исследований. Точность экспериментальных исследований находится в пределах 90 % при достоверности 95 %.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Межрегиональных молодежных научных конференциях «Севергеоэкотех-2003» (Ухта, 2003); «Севергеоэкотех-2004» (Ухта, 2004); на научно-технических конференциях УГТУ (Ухта, 2003); (Ухта, 2004); (Ухта, 2005); а также представлены на: LX Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Великий Новгород, 2002); на XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003); на Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2004); (Брянск, 2005); Международной научно-технической конференции «Новые технологии в машиностроении» (Брянск, 2005); на научно-технической конференции «Обоснование технических решений и параметров лесосечных машин. Поддержание и восстановление их потенциальных свойств» (Санкт-Петербург, 2003); изданы в сборниках трудов: «Известия Санкт-Петербургской академии» (Санкт-Петербург, 2005); «Вестник Самарского университета» (Самара, 2004).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 статьях и одних тезисах, в том числе четыре работы без соавторов.

Реализация работы. Научные результаты исследований внедрены в виде рекомендаций на ОАО «Ремонтник» и используются в учебном процессе кафедр ЛДМ и М (УГТУ) и СМ и ДМ (УГТУ). На изготовленных и модернизированных лабораторных установках проводятся лабораторные работы со студентами.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, список литературы включает 115 наименований, приложений. Содержание работы изложено на 135 страницах машинописного текста, иллюстрировано 63 рисунками и 20 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованна актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные научные положения, выносимые на защиту.

1. В первой главе освещено краткое состояние вопроса: проведен анализ надёжности гидросистем лесозаготовительных машин; рассмотрено влияние силовых параметров структур существующих манипуляторов и влияние гидропривода технологического оборудования на его динамическую нагруженность. Также приведены краткие сведения о материалах с обратимыми мартенситными переходами, рассмотрена структурно-аналитическая теория прочности и патентная проработка прикладных аспектов по силовым механизмам на базе материалов с ЭПФ. Рассмотрены возможные варианты применения силового привода на базе материалов с ЭПФ в лесозаготовительной технике.

При обзоре и анализе исследований использовались работы: по динамической нагруженности лесосечных машин, выполненные В. А. Александровым, Г. Ш. Гасымовым, Г. П. Дроздовским, В. К. Хегаем, И. Г. Мосеевым; по надежности гидропривода лесозаготовительной техники В. П. Тюкавина, В. Н. Шиловского, Н. И. Лебедева; Ю. И. Кричевского, Г. П. Дроздовского; по ретроспективному обзору и применению материалов с ЭПФ, аналитической теории прочности таких ученых, как Г. В. Курдюмова, Л. Г. Хандорса, В.А. Лихачева, В. Г. Малинина, С. П. Беляева, И. Н. Андронова, С. Л. Кузьмина, Ю. Н. Вьюненко и других.

Обзор и анализ проведенных исследований показал, что существующие физические теории мартенситных переходов хоть и проясняют кинетику образования и роста мартенситной и аустенитной фаз, однако не дают возможность описать эти явления на языке напряжений и деформаций. Надежного физико-механического аппарата для описания свойств материалов с МН в терминах инженерной механики до недавнего времени не было. И лишь за последние 12 лет с появлением структурно-аналитической теории прочности Лихачева В.А-Малинина В.Г. появилась возможность адекватно описывать поведение материалов в условиях проявления МН. Однако эти теории очень сложны и не проверены, по крайней мере, для систем, действующих в режиме термоциклирования. Следовательно для расчета необходимых параметров потребуются экспериментальные данные.

В следствии низкой надежности гидропривода ЛЗМ в условиях жесткого климата (30%…50% от всех отказов по машине), а также значительной знакопеременной нагрузки в процессе эксплуатации (4,38…13,47 кН), необходимо внедрение силового привода технологического оборудования на базе материалов с ЭПФ. Конструктивным решением являются силовые гидроцилиндры одностороннего действия с рабочим телом из материала с ЭПФ.

При внедрении силовых элементов на базе металлов с ЭПФ, такой элемент демпфирования как гидросистема отсутствует, а следовательно надо искать альтернативные способы и решения позволяющих снизить пиковые динамические нагрузки.

На основании выше изложенного, поставлены следующие задачи:

проведение экспериментального исследования сплава ТН-1 в качестве рабочего тела из материала с ЭПФ с упругим контртелом;

на основе полученных экспериментальных данных разработать методы расчета реактивных напряжений, осевых или сдвиговых деформаций и усилий, генерируемых в различных системах, состоящих из различных рабочих элементов с ЭПФ и упругого контртела, функционирующих при обратимых мартенситных переходах;

анализ возможности применения нескольких конструктивных решений исполнительных механизмов на базе материалов с ЭПФ (таких как силовые гидроцилиндры одностороннего действия и устройство экологической защиты), а также расчет их основных рабочих параметров по полученным методам;

экспериментальное исследование на модели манипулятора типа ТБ-1 возможности применения системы силового привода на базе материалов с ЭПФ c демпфером рессорой взамен штатной гидросистемы с целью снижения изменяющихся по величине во времени динамических нагрузок на конструкцию гидроманипулятора.

В главе 2 описан метод и непосредственное проведение экспериментального исследования системы из сплава с ЭПФ ТН-1 (проволока) с упругим контртелом (пружиной). С целью осуществления эксперимента использовалась ранее спроектированная специальная установка. В данной главе представлены закономерности эволюции деформаций и реактивных напряжений р, обусловленных обратимой памятью формы, а также предложена методика выбора оптимального режима функционирования металла с ЭПФ при его защемлении.

Введена величина, называемая жесткостью противодействия системы образец из материала с ЭПФ и упругое контртело К1:

, (1)

где К – жесткость упругого элемента, Н/м; LЭ длина рабочей части образца из материала с ЭПФ, м; s площадь поперечного сечения образца из материала с ЭПФ, м2.

Если пренебречь обычной пластической деформацией, то реактивные напряжения р находятся по формуле:

, (2)

где – осевые деформации, способные к возврату.

Осевая деформация находится по отношению (3):

=100 %, (3)

где LЭ изменение длины образца из материала с ЭПФ при нагреве, м.

Основные результаты экспериментов представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Деформационно-силовые характеристики

Показано, что для данного режима термоциклической тренировки (=350 МПа) величины деформационно-силовых характеристик р и зависят от величины жесткости противодействия К1. Для точек ABCDE значения р и найдены экспериментально, а точка F отвечает фактическому пределу прочности исследованной проволоки из сплава с ЭПФ. Для остальных точек значения найдены путем линейной экстраполяции. Прямые, исходящие из начала координат, представляют геометрическое место точек равных жесткостям противодействия К1.

На рисунке 2 представлена зависимость осевой силы N от жесткости противодействия К1. Согласно рисунку 3, указаны графики удельной работоспособности А от жесткости противодействия К1 для первого (1), пятого (2) и десятого термоцикла (3).

Рисунок 2 – Зависимость осевой силы N от жесткости противодействия К1

Рисунок 3 – Зависимость удельной работоспособности А от жесткости

противодействия К1 в первом (1), пятом (2) и десятом термоциклах (3)

Из хода кривых видно, что максимальная удельная работоспособность А достигается при жесткости противодействия К1=14 ГПа. Установлено, что уровень реактивных напряжений р и осевая сила N возрастают при увеличении жесткости противодействия К1, однако максимальная удельная работоспособность А определяется из оптимального режима функционирования металла с ЭПФ при его взаимодействии с упругим контртелом.

В третьей главе по полученным экспериментальным данным разработано несколько методов расчета основных рабочих параметров для систем, состоящих из рабочего тела из металла с ЭПФ и упругого контртела. Предложено несколько конструктивных решений силовых гидроцилиндров на базе сплавов с ЭПФ и механизм экологической защиты. Для обоснования перехода на исполнительные гидроцилиндры на базе материалов с ЭПФ был проведен анализ параметров теплообмена объемного гидропривода в рассматриваемых условиях жесткого климата.

1. Расчет реактивных усилий и напряжений в системе, состоящей из трубки с ЭПФ и упругого контртела (рисунок 4).

Тэ трубка из материала с ЭПФ; П0 упругое контртело (пружина сжатия).

Рисунок 4 – Расчетная статически неопределимая схема

Согласно рисунку 4 получены основные расчетные формулы:

жесткость противодействия К1 трубки с ЭПФ и упругого контртела:

, (4)

где D1 и D2 наружный и внутренний диаметры трубки с ЭПФ (соответственно), м; L – длина трубки с ЭПФ, м; D0 – диаметр пружины, м; d0 диаметр проволоки пружины, м; n0 – число витков пружины; G – модуль сдвига линейно упругой пружины, Па;

осевая сила N, генерируемая в трубке из металла с ЭПФ:

, (5)

где – рабочее напряжение в системе, МПа;

осевое перемещение трубки с ЭПФ :

, (6)

где max – предельно возможное генерируемое напряжение в системе, МПа; максимальный деформационный отклик, %.

Расчет рабочих выходных параметров дискретного силового гидроцилиндра одностороннего действия на базе материалов с ЭПФ по данному методу осуществляется по формулам (7) и (8). На рисунке 5 представлена схема разрабатываемого силового гидроцилиндра одностороннего действия на базе металлов с ЭПФ.

Усилие гидроцилиндра Z на базе материалов с ЭПФ и ход штока гидроцилиндра S на выходе:

; (7) , (8)

где Dп1, Dп2, Dп3, и Dп4 диаметры поршней гидроцилиндра, м; – коэффициент гидравлических потерь.

1 рабочий элемент из материала с ЭПФ; 2 нагревательный элемент; 3 пружина противодействия; 4 поршень приводной гидродомкрата; 5 поршень малый гидродомкрата; 6 поршень нагнетательный; 7 поршень исполнительный; 8 шток исполнительного гидроцилиндра; 9 ребра охлаждения; 10 клапан с электроуправлением для возврата синтетической жидкости под действием веса технологического оборудования.

Рисунок 5 – Схема силового гидроцилиндра одностороннего действия на базе

металлов с ЭПФ

2. Расчет реактивных усилий и напряжений в системе, состоящей из витой пружины из материала с ЭПФ и упругого контртела (рисунок 6)

пружина из матерала с ЭПФ (рабочее тело); - линейно упругая пружина (упругое контртело). Рисунок 6 – Расчетная статически неопределимая схема, состоящая из пружин заневоленных между двумя жесткими заделками

Получены основные расчетные формулы:

жесткость противодействия трубки с ЭПФ К1 и пружины (упругое контртело):

, (9)

где и – стандартные параметры указанных пружин, м; G – модуль сдвига материала, из которого сделана пружина , Па;

осевая сила , в пружинах:

, (10)

где – рабочее напряжение в системе, МПа;

осевая деформация , м (удлинение при нагреве):

. (11)

Расчет рабочих выходных параметров силового гидроцилиндра по данному методу осуществляется согласно рисунку 7 по формуле (12).

Исполнительное усилие штока гидроцилиндра Z в зависимости от параметров материала с ЭПФ и конструктивных параметров устройства:

, (12)

где диаметр поршня (эффективная площадь давления на гидрожидкость со стороны пружины с ЭПФ, м; А коэффициент, учитывающий место для нагревательных элементов; n – число пружин ЭПФ; диаметр внутреннего трубопровода, м; об –гидравлические потери; S – ход штока гидроцилиндра, м.

1 пружины из металла с ЭПФ; 2 упругое контртело; 3 электронагревательный элемент; 4 обратный клапан с электоруправлением;5 ребра охлаждения; 6 термоизоляция; 7 пружина возврата поршня (для грейфера или механизма поворота); 8 обратный клапан. Рисунок 7 Схема силового гидроцилиндра одностороннего действия на базе металлов с ЭПФ (=0,7)

Также в данной главе предлагается методика выбора параметров силового гидроцилиндра Z, S или d по заданному одному из них (рисунок 8). В основу этой методики положена трансформация значений Z и S при выбранных значениях Dэ; D; dэ; d1 для оптимального сочетания всех конструктивных и силовых параметров конструкции и размеров пружин из материала с ЭПФ. Исходя из требуемых силовых и кинематических параметров привода технологического оборудования ЛЗМ, выбираются необходимые параметры силового гидроцилиндра на базе материалов с ЭПФ.

Рисунок 8 – График определения параметров силового гидроцилиндра Z, S или d по заданному одному из них

В четвертой главе работы приведено экспериментальное исследование применимости системы силового привода на базе материалов с ЭПФ c демпфером четвертной рессорой для эффективного гашения свободных колебаний конструкции манипулятора.

С целью осуществления этой работы и оценки критериев динамической нагруженности была доработана модель манипулятора трактора типа ТБ-1 с изменением кинематической схемы (рисунок 9). Модель состоит из: технологического оборудования; демпфирующего элемента – упругого элемента с параметрами гистерезиса (четвертная рессора с варьируемым количеством листов n=4;5;6;7); основания.

Для сравнения этой системы 1 (рессора и гидроцилиндр на базе материалов с ЭПФ) альтернативно применена система 2 – гидроцилиндр и резиновый шланг.

Эксперимент проходил по следующим направлениям:

исследование системы 1: жесткий стержень (имитация силового привода на базе материала с ЭПФ и демпфирующий элемент (рессора) (рисунок 9);

исследование системы 2: введение гидроцилиндра и резинового шланга (рисунок 9).

Критерием адекватности при сравнении жесткостей обеих систем, являлась величина вертикального перемещения конца рукояти манипулятора ln от действия прикладываемой нагрузки Р и количества листов рессоры n в статическом режиме.

1 жесткий стержень (имитация силового привода на базе материала с ЭПФ) и демпфирующий элемент (рессора); 2 введение гидроцилиндра и резинового шланга. Рисунок 9 Вид общий экспериментальной установки

Основной задачей проведенного эксперимента являлся поиск альтернативного обоснования на переход системы с гидроприводом на новые силовые приводы с материалами с ЭПФ с целью уменьшения динамической нагруженности манипулятора. Исследования заключались в записи свободных колебаний манипулятора и последующей их обработке по осциллограммам. По полученным осциллограммам оценивали динамические характеристики затухающих колебаний в сравниваемых системах по одному из критериев оценки логарифмическому декременту затухания колебаний.

Логарифмический декремент затухания колебаний определяется:

, (13)

где а– начальная амплитуда (максимальное отклонение, замеряемое с осциллограммы), м; а1 – последующее отклонение, мм (определяется по осциллограмме); Т= период затухающих колебаний, с (определяется по осциллограмме); h коэффициент затухания, Гц.

Основные результаты экспериментальных исследований четвертой главы.

Как упоминалось ранее, при использовании силовых элементов на базе материалов с ЭПФ такой демпфер как гидросистема отсутствует, следовательно, демпфирующий элемент (рессора) должен быть эффективной альтернативой ей.

По результатам экспериментальных зависимостей (рисунки 10 и 11) видно, что с учетом идентичности жесткостей демпфирующих элементов при сравнении системы 1 и системы 2 характер изменения логарифмического декремента затухания от нагрузки и жесткости демпферов различный. При увеличении жесткости в системе 1 за счет изменения количества листов рессоры n от 4 до 7 листов, 1 возрастает на 54%…62% (рисунок 10). В системе 2 с увеличением жесткости логарифмический декремент затухания 2 уменьшается на 47%…60% (рисунок 11).

Рисунок 10 – Логарифмический декремент затухания колебаний 1 от нагрузки на манипулятор P с демпфирующим элементом рессорой (система 1)

Рисунок 11 –Логарифмический декремент затухания колебаний 2 от нагрузки на манипулятор Р с применением гидравлики (система 2)

На рисунке 12 приведено отношение К, т.е. эффективность гашения колебаний систем 1 и 2.

Рисунок 12 Эффективность гашения колебаний К для сравниваемых

систем 1 и 2

Таким образом, система 1 (рессора и гидроцилиндр на базе материалов с ЭПФ) эффективней с более жесткой рессорой на 17%...41% (n 6), т.е. при К >1, а система 2 (гидроцилиндр и резиновый шланг) эффективней при условии К <1. Отсюда следует, что демпфирующий элемент в системе 1 эффективней системы 2 в процессе гашения колебаний при увеличении жесткости рессоры и снижении нагрузки Р.

Сравнительный анализ процессов затухания колебаний манипулятора по логарифмическому декременту затухания колебаний и по критерию К= позволяет определить степень эффективности гашения колебаний систем 1 и 2. В процессе демпфирования затухающих колебаний манипулятора особое влияние оказывает жесткость демпфера. Поэтому для выполнения требуемого условия К >1 необходима управляемая корректировка жесткости пакета рессор, особенно при увеличении нагрузки на манипулятор, т.к. в реальных условиях эксплуатации манипулятора изменение числа листов рессоры не представляется возможным. Исходя из выше сказанного, предлагается способ изменения жесткости рессоры в процессе функционирования технологического оборудования.

Общие выводы и рекомендации

1 Проведено экспериментальное исследование сплава с ЭПФ ТН-1 и упругого контртела. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы при проектировании в различных силовых исполнительных механизмах с рабочим телом из металлов с ЭПФ и позволяют разработать методы расчета их основных рабочих параметров.

2 Предложен метод расчета реактивных напряжений, осевых деформаций и усилий, генерируемых в системе, функционирующей при обратимых мартенситных переходах, состоящей из трубки с ЭПФ и упругого контртела, выполненного в виде витой пружины. Метод отличается минимизацией необходимых расчетных параметров.

3 Разработан метод расчета реактивных напряжений, сдвиговых деформаций и усилий, генерируемых в витых пружинах при мартенситных переходах и функционирующих в условиях действия упругого контртела. Предложенный метод весьма прост в математическом плане, что позволяет надеяться на его широкое применение в разнообразных технических приложениях.

4 Рассмотрено несколько конструктивных решений по исполнительным механизмам на базе материалов с ЭПФ, таких как силовые гидроцилиндры одностороннего действия и устройство экологической защиты. Данные разработки могут быть применены в силовом приводе технологического оборудования, таких ЛЗМ как ТБ-1 М 15, ТБ-1 М 16, МЛ-119 А, ЛТ-171, МЛ-136 и т.д.

5 – Разработаны методы расчета основных рабочих параметров силовых гидроцилиндров на базе материалов с ЭПФ для различных конструкций. Данные методы позволят подобрать оптимальные параметры силового привода лесозаготовительной техники в зависимости от эксплуатационных условий.

6 Экспериментальные исследования на модели манипулятора типа ТБ-1 показывают, что применение системы силового привода на базе материалов с ЭПФ c демпфером-рессорой (при оптимальном подборе рабочих параметров и с учетом нагрузок предельного уровня) способствует гашению свободных колебаний технологического оборудования в процессе эксплуатации на 17%...41%, что позволяет увеличить сопротивляемость конструкции гидроманипулятора (стрела, рукоять) усталостным разрушениям за счет снижения количества циклов знакопеременным нагрузкам в колебательном процессе. Результаты исследований внедрены в виде рекомендаций на ОАО «Ремонтник».

7 – Предложена принципиальная схема регулирования жесткости рессоры, позволяющая осуществить автоматический режим корректировки жесткости всей упругой структуры манипулятора в зависимости от вылета манипулятора и изменения нагрузки на рабочий орган рукояти в процессе эксплуатации. В итоге образуется единая (вместе с гидроцилиндром на базе материалов с ЭПФ) оптимальная эргономическая система электроуправления манипулятором.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Андронов И.Н. Расчет реактивных усилий и напряжений в витых пружинах из материалов с ЭПФ [Текст] / И. Н. Андронов, Г. П. Дроздовский, М. Н. Коновалов // Сборник научных трудов LX Международного семинара «Актуальные проблемы прочности», Великий Новгород, 30 сентября – 4 октября 2002. – Великий Новгород, 2002. С. 8-11.

2. Андронов И. Н. Расчет контактных усилий и напряжений в системе состоящей из трубки с ЭПФ и упругого контртела [Текст] / И. Н. Андронов, Г. П. Дроздовский, М. Н. Коновалов // XV Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов», 30 сентября 3 октября 2003 г. :тезисы доклада. – Тольятти, 2003. – С. 2.

3. Андронов И.Н. Методика расчета реактивных усилий и напряжений в системе, состоящей из трубки с эффектом памяти формы и упругого контртела [Текст] / И. Н. Андронов, М. Н. Коновалов // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии: сборник научных трудов / СПбГЛТА. – Санкт-Петербург, 2005. – Вып. 4. – С. 4-10.

4. Дроздовский Г. П. Применение материалов с эффектом памяти формы в приводе технологического оборудования грузоподъемных машин [Текст] / Г. П. Дроздовский, И. Н. Андронов, М. Н. Коновалов // Сборник научных трудов к научно-технической конференции, Ухта, 15 – 17 апреля 2003 / УГТУ; под ред. акад. РАЕН Н. Д. Цхадая. – Ухта, 2004. С. 90-91.

5. Дроздовский Г.П. Использование материалов с эффектом памяти формы в гидроцилиндрах системы гидропривода лесных машин [Текст] / Г. П. Дроздовский, И. Н. Андронов, М. Н. Коновалов // Обоснование технических решений и параметров лесосечных машин. Поддержание и восстановление их потенциальных свойств: сборник научных трудов / СПбГЛТА имени С. М. Кирова. – Санкт-Петербург, 2003. – С. 42-47.

6. Дроздовский Г. П. Исследование влияния жесткостей манипулятора на его динамическую нагруженность [Текст] / Г. П. Дроздовский, А. Я. Демянчик, М. Н. Коновалов // Сборник научных трудов к научно-технической конференции, Ухта, 19 22 апреля 2005 / УГТУ; под ред. акад. РАЕН Под ред. Н. Д. Цхадая. Ухта, 2005. Ч. 1. – С. 301-304.

7. Коновалов М. Н. Экспериментальная установка и методика исследования динамического нагружения манипулятора ТБ-1 с применением силовых элементов на базе материалов с эффектом памяти формы [Текст] / М. Н. Коновалов // Актуальные проблемы лесного комплекса: сборник научных трудов по итогам Международной научно-технической конференции / БГИТА. – Брянск, 2005. – Вып. 11 – С. 78-82.

8. Коновалов М. Н. Повышение эксплуатационной надежности гидропривода лесопромышленного оборудования на базе применения материалов с эффектом памяти формы [Текст] / М. Н. Коновалов // Межрегиональная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2003», 19 – 21 марта 2003 г.: материалы конференции. Ухта: УГТУ 2003. С. 221.

9. Коновалов М. Н. Анализ влияния жесткости климата на работоспособность гидропривода лесозаготовительного оборудования [Текст] / М. Н. Коновалов // Сборник научных трудов к научно-технической конференции, Ухта, 20 – 23 апреля 2004 / УГТУ. Ухта, 2004. Ч. 2. – С. 34-38.

10. Коновалов М. Н. Исследование влияния факторов жесткости климата на режим функционирования гидросистемы управления лесозаготовительного оборудования [Текст] / М. Н. Коновалов // Межрегиональная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2004», 17 – 19 марта 2004 г.: материалы конференции. Ухта, УГТУ 2005. С. 274-277.

11. Коновалов М. Н. Исследование влияния жесткости демпфирующих элементов стрелового манипулятора [Текст] / М. Н. Коновалов, И. Н. Андронов, Г. П. Дроздовский // Новые материалы и технологии в машиностроении: сборник научных трудов по итогам Международной научно-технической конференции / БГИТА. – Брянск, 2005 – Вып. 4. – С. 81-85.

12. Коновалов М. Н. Расчет реактивных усилий и напряжений в системе состоящей из трубки с ЭПФ и упругого контртела [Текст] / М. Н. Коновалов, Г. П. Дроздовский // Вестник Самарского государственного технического университета: сборник научных трудов, Самара, 2004. – Вып. 27. – Самара, 2004. С. 134-137.

13. Коновалов М. Н. Влияние изменения жесткости демпфирующих элементов в системе манипулятор и силовой привод на базе металлов с эффектом памяти формы [Текст] / М. Н. Коновалов, Г. П. Дроздовский // Актуальные проблемы лесного комплекса: сборник научных трудов по итогам Международной научно-технической конференции / БГИТА. Брянск, 2005. Вып. 12. – С. 142-144.

14. Коновалов М. Н. Аварийное устройство экологической защиты системы гидропривода лесозаготовительных машин [Текст] / М. Н. Коновалов, Г. П. Дроздовский, И. Н. Андронов // Актуальные проблемы лесного комплекса: сборник научных трудов по итогам Международной научно-технической конференции / БГИТА. Брянск, 2004. – Вып. 9 С. 197-200.

15. Андронов И.Н., Овчинников С.К., Коновалов М. Н. Способ обработки полуфабрикатов из сплавов с термоупругими мартенситными превращениями // Приоритет РФ; заявка №2005124798/17(027882) от 03.08.2005 г.

Отпечатано в Ухтинском государственном техническом университете.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д.13.

Гигиенический сертификат № 11.РЦ.09.953.П.00810.10.03 от 27.10.03 г.

Подписано в печать 20.04.2006. Формат 60841/16.

Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 202.