2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.31897/pmi.2018.4.413 pmi-12308 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/12308 Электромеханика и машиностроение Electromechanics and mechanical engineering Optimal synthesis of drive swing connections of mobile cranes hydraulic manipulating systems Оптимальный синтез приводных шарнирных соединений гидравлических манипуляционных систем мобильных кранов Lagerev A. V. Лагерев А. В. Lagerev A. V. avl-bstu@yandex.ru 0000-0003-0380-5456 Брянский государственный университет имени академика И.Г.Петровского (Брянск, Россия) Bryansk State University named after Academician I.G.Petrovskiy (Bryansk, Russia) Lagerev I. A. Лагерев И. А. Lagerev I. A. lagerev-bgu@yandex.ru 0000-0002-0921-6831 Брянский государственный университет имени академика И.Г.Петровского (Брянск, Россия) Bryansk State University named after Academician I.G.Petrovskiy (Bryansk, Russia) 24 08 2018 2018 232 413 420 04 03 2018 24 05 2018 24 08 2018 © 2018 А. В. Лагерев, И. А. Лагерев © 2018 A. V. Lagerev, I. A. Lagerev 2018 А. В. Лагерев, И. А. Лагерев A. V. Lagerev, I. A. Lagerev Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0) https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/12308

Рассмотрены конструкция, особенности работы и методика оптимального проектирования приводного шарнирного соединения, предложенного в качестве альтернативного конструктивного варианта шарнирного соединения смежных звеньев гидравлических манипуляционных систем мобильных стреловых кранов-манипуляторов. Конструкция устройства позволяет совместить две функции: обеспечить постоянную неразрывную кинематическую связь между смежными звеньями манипуляционной системы путем создания цилиндрического шарнира для выполнения возвратно-поворотного относительного движения смежных звеньев и сформировать встроенный поворотный гидродвигатель шиберного типа. Разработана математическая модель, сформулирована и решена задача оптимального синтеза приводного шарнирного соединения на основе минимизации массы устройства при соблюдении нелинейной системы конструкторских, монтажных, силовых, прочностных и кинематических ограничений. Анализ результатов выполненных оптимизационных расчетов показал, что масса оптимального варианта устройства возрастает с ростом преодолеваемого момента от перемещаемого груза и снижается с увеличением числа камер шарнирного соединения. Рабочее давление гидросистемы не оказывает практического влияния на оптимальную массу, что позволяет использовать для обеспечения движения звеньев манипуляционной системы насосный агрегат меньшей мощности. Оптимальные значения основных конструктивных размеров приводного шарнирного соединения определяются как величиной эксплуатационной нагрузки, так и условиями монтажа устройства с учетом размеров поперечных сечений смежных звеньев манипуляционной системы. При проектировании манипуляционных систем приводные шарнирные соединения позволяют отказаться от выносных силовых гидродвигателей, исключить эксплуатационные отказы вследствие изнашивания и усталостного разрушения элементов шарниров, а также повысить энергоэффективность кранов-манипуляторов путем перевода гидросистемы на более низкие уровни рабочего давления при сохранении требуемых грузо-высотных характеристик.

The design, operation features and the optimal design method for the drive swing connections are considered. These are proposed as an alternative design variant of the articulation of adjacent links of hydraulic manipulation systems of mobile boom cranes are considered. The design of the device allows to combine two functions: to ensure a continuous, uninterrupted kinematic connection between adjacent links of the manipulation system by creating a cylindrical hinge for performing the reciprocating relative motion of adjacent links and to form an integrated rotary hydraulic gate type hydraulic motor. A mathematical model is developed, the problem of the optimal synthesis of the drive joint on the basis of minimization of the device mass is formulated and solved, while observing the nonlinear system of design, installation, power, strength and kinematic constraints. Analysis of the results of the performed optimization calculations showed that the mass of the optimal version of the device increases with the growth of the overcome moment from the moved cargo and decreases with the increase in the number of chambers. The operating pressure of the hydraulic system does not have a practical effect on the optimum mass, which allows the pump unit of lower power to be used to provide the movement of the links of the manipulation system. Optimum values of the main design dimensions of the drive articulation are determined both by the value of the operational load and by the installation conditions of the device taking into account the dimensions of the cross sections of adjacent links of the manipulation system. When designing manipulation systems, the swing joints allow to abandon remote power hydromotors, eliminate operational failures due to wear and fatigue failure of hinge elements, and also increase the energy efficiency of loader cranes by transferring the hydraulic system to lower operating pressure levels while maintaining the required load-altitude characteristics.

 Ключевые слова манипуляционная система мобильный кран приводное шарнирное соединение гидравлический привод оптимизация синтез масса Keywords manipulation system mobile crane drive swing connection hydraulic drive optimization synthesis weight Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 17-79-10274). The study was carried out with the support of the Russian Science Foundation (project No. 17-79-10274). Александров М.П. Грузоподъемные машины. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 552 с. Aleksandrov M.P. Hoisting machines. Moscow: MGTU im. N.E.Baumana, 2000, p. 552 (in Russian). Бандурин Р.А. Рынок кранов-манипуляторов в России // Проблемы современной экономики. 2015. № 26. С. 138-142. Bandurin R.A. Market of cranes-manipulators in Russia. Problemy sovremennoi ekonomiki. 2015. N 26, p. 138-142 (in Russian). Вайнсон А.А. Подъемно-транспортные машины строительной промышленности: Атлас конструкций. М.: Машиностроение, 1976. 152 с. Vainson A.A. Hoisting-and-conveying machines for the construction industry: Atlas of constructions. Moscow: Mashinostroenie, 1976, p. 152 (in Russian). Галдин Н.С. Гидравлические схемы мобильных машин / Н.С.Галдин, И.А.Семенова. Омск: СибАДИ, 2013. 203 с. Galdin N.S., Semenova I.A. Hydraulic schemes of mobile machines. Omsk: SibADI, 2013, p. 203 (in Russian). Иосилевич Г.Б. Детали машин. М.: Машиностроение, 1988. 368 с. Iosilevich G.B. Machinery. Moscow: Mashinostroenie, 1988, p. 368 (in Russian). Лагерев И.А. Проектирование поворотных гидродвигателей для манипуляционных систем мобильных машин на основе многокритериальной оптимизации / И.А.Лагерев, Е.А.Шатунова // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2016. № 4. С. 34-51. DOI: 10.22281/2413-9920-2016-02-04-34-51 Lagerev I.A., Shatunova E.A. Design of rotary hydraulic motors for manipulation systems of mobile machines based on multicriteria optimization. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta. 2016. N 4, p. 34-51. DOI: 10.22281/2413-9920-2016-02-04-34-51 (in Russian). Лагерев И.А. Моделирование рабочих процессов манипуляционных систем мобильных многоцелевых транспортно-технологических машин и комплексов / Брянский государственный университет. Брянск, 2016. 371 с. Lagerev I.A. Modeling of working processes of manipulating systems of mobile multipurpose transport-technological machines and complexes. Bryanskii gosudarstvennyi universitet. Bryansk, 2016, p. 371 (in Russian). Максаров В.В. Применение полимерных композитных материалов в узлах трения скважинных нефтяных насосов / В.В.Максаров, Ю.Ю.Ольт, В.А.Красный // Записки Горного института. 2015. Т. 211. С. 71-79. Maksarov V.V., Krasnyy V.A. The use of polymeric composite materials in the friction nodes of borehole oil pumps. Zapiski Gornogo instituta. 2015. Vol. 211, p. 71-79 (in Russian). Максаров В.В. Повышение точности изготовления силовых гидроцилиндров механизированных крепей на основе виброустойчивой инструментальной системы / В.В.Максаров, Ю.Ю.Ольт // Записки Горного института. 2015. Т. 214. С. 71-84. Maksarov V.V., Olt Yu.Yu. Increase of accuracy of manufacturing of power hydraulic cylinders of mechanized supports based on a vibration-proof instrumental system. Zapiski Gornogo instituta. 2015. Vol. 214, p. 71-84 (in Russian). Патент № 176269 РФ. Трехзвенный гидравлический кран-манипулятор / А.В.Лагерев, И.А.Лагерев. Опубл. 15.01.2018. Бюл. № 2. Lagerev A.V., Lagerev I.A. Patent N 176269 RF. Three-link hydraulic truck mounted crane. Opubl. 15.01.2018. Byul. N 2 (in Russian). Серебрянский А.И. Силовой анализ работы шарнира манипулятора / А.И.Серебрянский, М.А.Мижевич // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 3. С. 238-241. DOI: 10.12737/4237 Serebryanskii A.I., Mizhevich M.A. Power analysis of the manipulator hinge. Aktual'nye napravleniya nauchnykh issledovanii XXI veka: teoriya i praktika. 2014. Vol. 2. N 3, p. 238-241. DOI: 10.12737/4237 (in Russian). Повышение эксплуатационной надежности и расширение технологических возможностей перегрузочных машин морских портов / В.В.Суглобов, В.А.Михеев, И.А.Нефедов, П.В.Шиков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2009. № 2. С. 253-259. Suglobov V.V., Mikheev V.A., Nefedov I.A., Shikov P.V. Increase of operational reliability and expansion of technological capabilities of cargo handling machines of seaports. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2009. N 2, p. 253-259 (in Russian). Hydraulic drive systems / Non-linear control based on physical models. Lecture Notes in Control and Information Sciences. London: Springer, 2001. Vol. 260. P. 121-162. DOI: 10.1007/BFb0110344 Hydraulic drive systems. Non-linear control based on physical models. Lecture Notes in Control and Information Sciences. London: Springer, 2001. Vol. 260, p. 121-162. DOI: 10.1007/BFb0110344 Krasnyy V.A. Improving fretting resistance of heavily loaded friction machine parts using a modified polymer composition / V.A.Krasnyy, V.V.Maksarov, J.J.Olt // Agronomy Research. 2016. Vol. 14. № 1. P. 1023-1033. Krasnyy V.A., Maksarov V.V., Olt Yu.Yu. Improving fretting resistance of heavily loaded friction machine parts using a modified polymer composition. Agronomy Research. 2016. Vol. 14. N 1, p. 1023-1033. Krasnyy V.A. Increase of wear and fretting resistance of mining machinery parts with regular roughness patterns / V.A.Krasnyy, V.V.Maksarov, J.J.Olt // Annals of DAAAM and Proceedings of the International DAAAM Symposium 27. 2016. P. 151-156. Krasnyy V.A., Maksarov V.V., Olt Yu.Yu. Increase of wear and fretting resistance of mining machinery parts with regular roughness patterns. Annals of DAAAM and Proceedings of the International DAAAM Symposium 27. 2016, p. 151-156. Lagerev A.V. Tool for Preliminary Dynamics and Stress Analysis of Articulating Cranes / A.V.Lagerev, I.A.Lagerev, A.A.Milto // International Rewiev on Modelling and Simulations. 2014. Vol. 7. № 4. P. 644-652. DOI: 10.15866/iremos.v7i4.2045 Lagerev A.V., Lagerev I.A., Milto A.A. Tool for Preliminary Dynamics and Stress Analysis of Articulating Cranes. International Rewiev on Modelling and Simulations. 2014. Vol. 7. N 4, p. 644-652. DOI: 10.15866/iremos.v7i4.2045 Lagerev A.V. Preliminary Dynamics and Stress Analysis of Articulating Non-Telescoping Boom Cranes Using Finite Element Method / A.V.Lagerev, I.A.Lagerev, A.A.Milto // International Rewiev on Modelling and Simulations. 2015. Vol. 8. № 2. P. 223-227. DOI: 10.15866/iremos.v8i2.5713 Lagerev A.V., Lagerev I.A., Milto A.A. Preliminary Dynamics and Stress Analysis of Articulating Non-Telescoping Boom Cranes Using Finite Element Method. International Rewiev on Modelling and Simulations. 2015. Vol. 8. N 2, p. 223-227. DOI: 10.15866/iremos.v8i2.5713 Maksarov V.V. Improving the accuracy of manufacturing of hydraulic power cylinders using vibration-proof cutting tool // Agronomy Research. 2015. Vol. 13. № 3. P. 671-679. Maksarov V.V. Improving the accuracy of manufacturing of hydraulic power cylinders using vibration-proof cutting tool. Agronomy Research. 2015. Vol. 13. N 3, p. 671-679. Peterson R.E. Stress concentration factors. N.Y.: John Wiley and Sons, 1974. 178 p. Peterson R.E. Stress concentration factors. N.Y.: John Wiley and Sons, 1974, p. 178. Ravani B. Kinematics and Mechanisms. The Engineering Handbook. Boca Raton: CRC Press LLC, 2000. 324 p. Ravani B. Kinematics and Mechanisms. The Engineering Handbook. Boca Raton: CRC Press LLC, 2000, p. 324. Shoham M. Hydraulic Drive Systems / A Textbook of Robotics 2: Structure, Control and Operation. Boston: Springer, 1984. P. 125-146. DOI: 10.1007/978-1-4615-9888-6_5 Shoham M. Hydraulic Drive Systems. A Textbook of Robotics 2: Structure, Control and Operation. Boston: Springer, 1984, p. 125-146. DOI: 10.1007/978-1-4615-9888-6_5 Singer D.B. The potential of structural mechanics research in crane boom design // SAE Technical Paper 600328, 1960. P. 9. Singer D.B. The potential of structural mechanics research in crane boom design. SAE Technical Paper 600328, 1960, p. 9.