Обоснование параметров приводных грейферных механизмов для круглых лесоматериалов

Лесная и деревообрабатывающая промышленность относится к отраслям народного хозяйства страны, в которых осуществляются большие по тоннажу, трудоемкие подъемно-транспортные операции на всех стадиях технологических процессов. Основой этих процессов являются операции по перемещению грузов в пределах участка, цеха, склада, всего предприятия как на этапах изменения формы, вида и состояния изделия, так и на этапах, связанных со складированием (штабелированием), погрузкой и выгрузкой лесопродукции.

Объем погрузочно-разгрузочных работ, с учетом коэффициента повторных перегрузок, равного в среднем 2,5, составляет порядка 200−250 млн. м3.

При таких объемах переместительных работ велики трудозатраты на их выполнение. На этих работах используется ручной труд стропальщиков и подсобных рабочих. Поэтому важнейшей задачей является повышение уровня механизации труда и максимальное сокращение трудоемких ручных работ. Наиболее рациональным решением поставленной задачи может стать использование специальных грузозахватных устройств, в частности грейферных механизмов с дистанционным управлением. Применение грейферных механизмов не только полностью исключает ручной труд на погрузке и разгрузке круглых лесоматериалов, но и позволяет подойти к решению проблемы автоматизации этих работ [44, 45, 46].

За последние годы принцип набора грузов с помощью грейферных захватов лег в основу многих механизмов и машин (лесопогрузчиков, пакетоформиро-вочных машин, манипуляторов и т. д.).

Поэтому весьма важно определить правильные пути при конструировании новых приводов, грузозахватных органов и устройств, а также совершенствование существующих грузоподъемных и погрузо-разгрузочных механизмов и машин.

В настоящее время на погрузочно-разгрузочных и штабелевочных работах в лесной и деревообрабатывающей промышленности, в морских и речных портах получили грейферы радиального типа ВМГ-5А, ЛТ-153А, ЛТ-178 конструкции Московского государственного университета леса (МГУЛ), ЛТ-59, ЛТ-59А, ЛТ-185 конструкции СНПЛО, ГГ-5А, ГГ-5Щ конструкции ЦНИИЛесос-плава, ЦПКБ МРФ. Торцовые грейферы, обеспечивающие совмещение операций погрузки и выравнивания торцов бревен, разработаны ЦНИИМЭ (ГТБ-1М, ЛТ-77). Кроме того, имеется значительное количество винтовых грейферов ГМЛ-4 и электрогрейферов ЗЛК-5, ЗЛК-5М. Однако следует отметить, что существующие грейферные захваты еще недостаточно надежны, долговечны и конструктивно совершенны, поэтому большой процент их выходит из строя преждевременно.

Кроме того, некоторые типы грейферов для лесоматериалов имеют большую собственную массу, достигающую 30−50% от грузоподъемности крана.

Основными причинами преждевременного выхода грейферов из строя, как показала практика эксплуатации, являются:

1) невысокое качество изготовления;

2) низкая культура эксплуатации и обслуживания;

3) недостаточная надежность узлов (механизма замыкания, металлоконструкции, электрооборудования).

Наибольший процент поломок грейферов приходится на механизмы замыкания, которые работают с перегрузками в тяжелом режиме эксплуатации. Кроме того, элементы грейфера к привод испытывают длительные динамические нагрузки, возникающие в процессе набора пачек круглых лесоматериалов, что не всегда учитывается при проектировании.

Таким образом, необходимость в проведении теоретических и экспериментальных исследований работы механизмов замыкания грейферов в режиме длительных динамических нагрузок с целью выявления их влияния на работоспособность, надежность и долговечность является актуальной.

Применение более легких, мощных приводов (электромеханических, электрогидравлических) позволит уменьшить массу грейферных захватов и других аналогичных устройств, улучшит их зачерпывающую способность и увеличит срок службы.

Учитывая, что широкий первоначальный поиск принципов создания технологий и машин в лесной промышленность в основном пройден, на первый план выдвигаются задачи совершенствования машин и механизмов уже работающих в лесной отрасли. Поэтому проведение теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих усовершенствовать традиционные машины и механизмы, является в настоящее время актуальной задачей.

Цель работы. Целью данной работы является разработка научно обоснованных норм проектирования приводных грейферных механизмов и других аналогичных устройств, работающих с круглыми лесоматериалами, в частности грейферов с волновым приводом механизации замыкания челюстей.

Научная новизна. Научная новизна выполненной диссертационной работы состоит в следующем: впервые была разработана классификация «балок» из контактирующих между собой круглых лесоматериалов, образующихся в зеве грейфера при зачерпываниипредложены новые формулы для определения усилий на формирование пакета (пачки) бревен, рассматриваемого как систему круглых цилиндрических телвпервые определен коэффициент динамической нагрузки при зачерпывании пачки бревенвыявлена физическая сущность процесса создания и разрушения «балок» из контактирующих цилиндрических тел и предложены новые технические решения, улучшающие зачерпывающую способность грейферных механизмов, подтвержденные авторскими свидетельствами на изобретенияразработана новая методика расчета элементов грейфера при динамическом нагруженииразработаны основные требования к приводам грейферных механизмов и предложена уточненная методика расчета волнового привода.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика определения расчетных усилий, приложенных к челюстям грейферного механизма, и коэффициента динамической нагрузки при зачерпывании круглых лесоматериалов.

2. Методика проектирования волнового привода с учетом особенностей работы грейферов с круглыми лесоматериалами.

3. Результаты экспериментальных исследований лебедки с волновой зубчатой передачей и грейфера с волновым приводом механизма замыкания челюстей.

4. Методика проектного расчета грейфера с учетом динамического нагруже-ния.

5. Защищенные авторскими свидетельствами новые технические решения по конструкции грейфера, обеспечивающие снижение смыкающих усилий на челюстях.

Практическая значимость результатов. Разработанная методика проектного расчета волновой зубчатой передачи впервые в грейферостроении была реализована в волновом приводе электромеханического грейфера для зачерпывания круглых лесоматериалов. Применение волнового привода в механизме замыкания грейфера взамен талевого привода позволило уменьшить массу грейфера на 15.20%, его высоту, увеличить срок службы каната и тяговую способность лебедки в несколько раз. Предлагаемая методика проектного расчета грейфера с учетом динамического нагружения дает возможность на стадии проектирования заложить требуемый уровень надежности и долговечности в конкретных условиях эксплуатации. Предложены новые технические решения по улучшению зачерпывающей способности грейфера, на которые получены авторские свидетельства на изобретения.

Реализация работы. Рекомендации, составленные на основе предлагаемых методик расчета и результаты научных исследований, были использованы в изготовленном опытном образце грейфера, который имел меньшую массу и габариты по сравнению с грейферами той же емкости. Это позволило увеличить полезную грузоподъемность крана и высоту подкранового пространства. Опытно-промышленный образец грейфера эксплуатировался на нижнем складе Волоколамского лесокомбината (Московская обл.), Нововятского комбината древесноволокнистых плит (Кировская обл.), Медведевского ЛПХ (Республика Марий Эл).

Грейфером перегружено более 40 тыс. м3 лесоматериалов.

Разработанные методики расчета внедрены в учебный процесс МарГТУ при выполнении курсовых проектов и используются в конструкторском бюро при проектировании грейферных механизмов. Результаты диссертационной работы использованы в монографии Б. А. Таубера «Грейферные механизмы». М.: Машиностроение, 1985. и учебнике Б. А. Таубера «Подъемно-транспортные машины». М.: Экология, 1991. для студентов лесотехнических специальностей.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях Московского лесотехнического института (Мытищи, 1970. 1973, 1983. 1985), Марийского политехнического института им. М. Горького (Йошкар-Ола, 1974. 1982, 1986. 1991, 1998), на 4ой Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам механизации и автоматизации переместительных работ на предприятиях лесного комплекса (Москва, 1984), на Международной научно-практической конференции «Рациональное использование лесных ресурсов» (Йошкар-Ола, 1999).

Публикация. По материалам диссертации опубликовано 8 статей и получено 2 авторских свидетельства на изобретение.

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Применяемые на погрузочно-разгрузочных работах в лесной и деревообрабатывающей промышленности грейферные механизмы различных систем (ГМЛ, ЗЛК, МЛТИ, ЦНИИМЭ и др.) недостаточно совершенны в кинематическом и конструктивном отношении, имеют большую массу и габариты, малую долговечность и невысокую надежность.

Основной причиной поломки грейферов является выход из строя механизма замыкания.

2. В процессе работы элементы грейфера испытывают интенсивные динамические нагрузки, связанные с разрушением «балок» из контактирующих бревен при зачерпывании, что отрицательно сказывается на работоспособности и надежности грейферного механизма (срок службы уменьшается примерно в 2 раза). Подтверждена гипотеза Б. А. Таубера о формировании и разрушении «балочных систем» в процессе зачерпывания.

3. Из анализа работы приводов электромеханических грейферов различных систем выявлены их основные недостатки и разработаны требования, которым должен отвечать современный привод. Дана оценка методик расчета волновых зубчатых передач.

4. Используя достоинства волновых и планетарных передач, был спроектирован механизм замыкания грейфера, состоящий из планетарно-волновой лебедки и полиспаста малой кратности, отвечающий требованиям к современному приводу, и разработаны рекомендации по конструированию подобных механизмов. Создана работоспособная конструкция лебедки с планетарно-волновым приводом, большей тяговой способности и меньшей массы, чем применяемые электротали, что подтверждено заводскими и производственными испытаниями.

5. Проведенные теоретические исследования позволили определить усилия на челюстях грейфера при формировании пакета из контактирующих бревен, и определить коэффициент динамической нагрузки, который следует учитывать при расчете на усталостную прочность как деталей привода, так и металлоконструкции грейфера.

6. Создание опытно-промышленного образца грейфера с волновым приводом механизма замыкания взамен талевого позволило: а) уменьшение число блоков с 12 до 3 и длину каната примерно в 4 разаб) увеличить в несколько раз долговечность каната за счет уменьшения скорости наматывания на барабан, уменьшения числа перегибов и увеличения диаметра блоковв) улучшить раскрытие грейфера и увеличить его устойчивость на штабеле за счет крепления лебедки на нижней траверсег) уменьшить массу грейфера на 20% по сравнению с грейфером той же емкости, но с талевым приводом.

7. В результате проведенных экспериментальных исследований вновь сконструированного грейфера выявлены следующие особенности: а) хорошая зачерпывающая способность при работе с сортиментами различной длиныб) механизм замыкания и грейфер работоспособны, удобны в обслуживании и ремонте, просты в управлениив) долговечность волнового механизма составила около 1600 часов непрерывной работы или 11,5 -Ю7 циклов нагружения, что обеспечивает срок его службы до первого капитального ремонта грейфера.

8. Величина смыкающего усилия, приложенного к челюстям грейфера, полученная экспериментальным путем, отличается от теоретического значения менее 6%, а величина коэффициента динамической нагрузки отличается от теоретического значения менее 8%. •.

9. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики проектного расчета волновых механизмов и приводных грейферов, которые можно рекомендовать при проектировании новых грейферных механизмов и совершенствовании существующих моделей.

10. Полученный коэффициент динамической нагрузки должен учитываться при расчете любых грейферов, работающих с круглыми лесоматериалами, а также грейферных захватов погрузчиков, манипуляторов, трелевочных машин и т. д.

11. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили с целью снижения смыкающих усилий предложить новые технические решения по конструкции грейфера, которые защищены двумя авторскими свидетельствами.

12. В процессе экспериментальных исследований и эксплуатации в производственных условиях грейфером перегружено сорок тысяч кубометров (40 тыс. м3) лесоматериалов.