Обґрунтування методики визначення динамічних характеристик грейферних навантажувачів на основі геодезичних даних відеовимірів

VERIFICATION OF THE METHODOLOGY TO DETERMINE DYNAMIC INDICATORS OF GRAB LOADERS BASED ON GEODESIC DATA OF VIDEO MEASURING

The paper provides the methodology to determine dynamic indicators of grab loaders based on data collected from geodesic video measuring of frame movement both in static and dynamic modes. The relation between load and deformations has been identified based on determined stiffness parameters of loader bearing parts - jacks. The modified expression for dynamic coefficient with substitution of external load values for values of frame movement under these loads has been received. The possibility to use modified dynamic coefficient has been proved by analysis of oscillatory processes with the use of introduced calculation scheme, which is influenced by the disturbing force. It is proved that dynamic processes resemble oscillation with its the frequencies of eigen oscillations k= 0.75 Hr and frequency of forced oscillation co= 0.25 Hr. When co<k, oscillatory amplitude approaches static deflection which state can be reproduced only in modelling circumstances. It means synchronizing of stress excursion processes in carrying systems with jack action and frame movement. Methodology to determine dynamic features of grab loaders based on video measurements is aimed to register absolute frame movement, which is reached by its measurement in a static coordinate system with the use of applied geodesy methods. Geodesic method of video measurement is based on digital processing of image of the object by standard video signal. The method uses modern video cameras, which ensure frequency of frame change 50 Hr. Around 500-700 frames will be recorded during one operation cycle of the machine. Precision of measurement is evaluated by quadratic mean error of lineal measurements and doesn't exceed 1mm. The provided scheme of conducted experiment has shown placement of the equipment on the machine and near it. The paper indicates main features of lens cap and CCD sensors of modular cameras. The CCD sensors capture the movement of the machine frame in the pixel coordinate system. The paper shows the procedures of the follow-up processing of the obtained images to determine dynamic indicators of loading machines. The suggested complex of hardware and software for video measurements to determine dynamic features of grab loaders is based on modern achievements in the field of electronics and geodesy and is assembled by the equipment produced by the industry, which decreases cost and terms of its implementation.

Keywords: grab loader; dynamic coefficient; jack; video measuring; modular camera; CCD sensors; pixel coordinate system.

Грейферні навантажувачі циклічної дії набули широкого застосування у багатьох галузях національного господарства. Універсалізація навантажувачів призвела до обладнання їх змінними робочими органами для різноманітних вантажів. Серед них основним є грейфер для роботи із сипкими матеріалами, а також кігті, вила для зв'язних матеріалів, захват для круглих лісоматеріалів, гак для поштучних вантажів. Робочий орган кріпиться до маніпулятора, завдяки якому й здійснюється перенесення вантажів.

Технологічний цикл роботи таких машини полягає у стаціонарному розміщенні навантажувача з використанням опор, а вантажі переносяться завдяки циклічним рухам ланок маніпулятора. Внаслідок цього у технологічному циклі роботи грейферних навантажувачів переважають неусталені процеси: частий розгін і гальмування виконавчих ланок маніпулятора, що призводять до виникнення динамічних сил (Volkov&Tenenbaum, 1977).

Отже, на ланки маніпулятора, окрім статичних зусиль, додатково діють й динамічні сили. Досить часто динамічні сили перевищують рівень статичних у кілька разів. Тому розрахунок несних елементів машини на міцність доцільно проводити за реальним навантаженням, яке визначається сумарною дією як статичних сил, так і динамічних. Так, за часом тривалості технологічного циклу 15-20 с на частку динамічних процесів припадає у середньому 10-25 % часу. Однак, короткочасні динамічні навантаження мають визначальне значення і повинні бути враховані для забезпечення міцності конструкцій.

Динамічним показником вантажопідйомних машин у розрахунках на міцність є коефіцієнт динамічності, який характеризує відношення повного навантаження до статичного (Tauber, 1991). Для вантажопідйомних машин коефіцієнт динамічності становить 1,5-2,5, що свідчить про перевантаження елементів на неусталених режимах роботи. Тому в розрахунках машин на міцність передбачено використання коефіцієнта динамічності.

Динамічні розрахунки здійснюють шляхом введення коефіцієнта динамічності, який показує максимальне перевищення напружень у динамічному режимі до статичногорівня. Розрахунок несних елементів відбувається спочатку за номінальними напруженнями, а потім вводиться поправка з урахуванням коефіцієнта динамічності. Такі розрахунки називають квазідинамічними, бо вони використовують номінальні напруження зі збільшенням їх значення на коефіцієнт динамічності (Volkov&Tenenbaum, 1977).

Вважають, що його значення можна взяти на основі експериментальних даних за рівнем напружень у несних елементах. Недоліком наявних методик досліджень є те, що вони відривають процес поведінки несних систем від рівня навантаженості, оскільки не передбачають спостережень за періщеннями самих несних елементів. У процесі роботи машини зусилля від різких рухів маніпулятора передаються на раму навантажувача, яка в цей час перебуває на висувних опорних домкратах. Пружні опори деформуються, внаслідок деформації яких рама зазнає як вертикальних, так і горизонтальних переміщень.

З огляду на те, що зміна навантаження має коливний характер (Volkov&Tenenbaum, 1977; Ripetskyi, 2011), то доцільно припустити, що й переміщення рами будуть синхронізовано змінюватися із напруженнями. У такому разі є змога визначати коефіцієнт динамічності не тільки за рівнем напружень, але й за даними переміщень рами, котрі повинні бути виміряні виключно в нерухомій системі координат. Маючи значення статичної та динамічної деформацій опор під часі роботи на неус- талених режимах, можна оцінити коефіцієнт динамічності за показниками переміщень рами.

Реєстрація таких коливань у нерухомій системі координат можлива за допомогою оптичних геодезичних приладів, технічний рівень і можливості яких нетлінно зростають (Baran, 2012). Особливі можливості відкриває нова технологія відеовимірів, в який розв'язана задача реєстрації даних переміщень та їх подальше автоматичне опрацювання з видачею отриманих даних про переміщення в нерухомій системі координат.

Мета роботи - обґрунтувати методику реєстрації статичних, а головне, динамічних процесів вертикальних переміщень рами, з отриманням показників динамічної навантаженості машини з використанням методу геодезичних відеовимірів.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Загальноприйнятим методом визначення динамічних показників вантажопідйомних машин є методи тензометрії за рівнем напружень. Превагою методів є можливість реєстрації сигналів швидкоплинних процесів на спеціальні носії від різноманітних давачів, що змонтовані в різних точках машини. Сучасному методу тензометрії притаманна можливість реєстрації даних безпосередньо на ПК з одночасним їх автоматизованим опрацюванням у спеціальному програмному забезпеченні, що дає змогу відразу переглядати процес на екрані (Rybaketal., 2011).

Водночас методам тензометрії притаманні недоліки. Це необхідність попередньої підготовки машини до експерименту. Вона полягає у розміщенні на конструкціях машини спеціальних тензометричних давачів, підготовці перехідників для підключення до системи гідравліки тензометричних давачів тиску та ін. Після закінчення експерименту необхідно від'єднати давачі від конструкції, а сама машина потребує надання їй попереднього товарного виду.

У цьому аспекті цікавими є методи прикладної геодезії, які дають змогу здійснювати візуальний контроль за допомогою оптичних геодезичних приладів. Такі методи отримали назву неруйнівного контролю, оскільки відпадає потреба змінювати конструкцію (Baran, 2012; Burak, 2000). Методи пропонують стежити за переміщенням за спеціальними мітками, що розміщуються зовні на об'єкті спостереження. Характерною особливістю цих методів є використання оптичних геодезичних приладів, наявність оператора, що стежить за об'єктом, та необхідність у подальшому обробленні отриманих даних.

Геодезичні методи виправдали себе у замірах деформацій будівель та інших інженерних споруд. Встановлено, що середня квадратична похибка при цьому становить 0,03-0,05 мм (Deineka, 2006).

Розвиток прикладної геодезії привів до появи автоматизованих процесів оброблення даних. Це дало змогу стежити за інженерними об'єктами в режимі реального часу. Завдяки цьому прикладна геодезія дала змогу моніторити процеси крену висотних споруд, деформацій стінок конструкцій промислових об'єктів та ін. (Baran, 2012; Burak, 2000; Deineka, 2006).

Водночас зазначимо, що геодезичні методи дають змогу стежити не тільки за осадкою будинків та споруд, але й мають практичне застосування до вантажопідйомних машин, однак тільки у статичних режимах експлуатації (Naugolnikov&Volkov, 2006). Оскільки зміна статичних процесів відбувається повільно, то це давало змогу досліджувати їх традиційними методами.

Динамічні процеси у вантажопідйомних машин характеризуються швидкоплинністю участі і відбуваються з частотою 0,1-0,5 Гц (Volkov&Tenenbaum, 1977; Tauber, 1991). Вирішувати поставлені задачі традиційним геодезичними методами було неможливо, оскільки це не відповідало вимогам швидкодії та автоматизованому обробленню отриманих даних з видачею результатів у режимі реального часу.

Прикладна геодезія завдяки розвитку приладів розширює сфери своєї діяльності. Появилися нові засоби реєстрації даних за допомогою відеовимірів (Buiukian, 2013). Геодезичний метод відеовимірів ґрунтується на комп'ютерному обробленні зображення об'єкта спостереження за стандартним відеосигналом. Цей метод дає змогу опрацювати дані зіставних зі швидкістю зйомки. Сучасні камери забезпечують частоту зміни відеокадру у 50 Гц. Точність вимірювання оцінюється середньою квадратичною похибкою лінійних вимірів і не перевищує 1 мм. Наведені параметри за частотою реєстрації процесів і точності їх вимірів є достатнім для реєстрації динамічних процесів грейферних навантажувачів.

Для вимірювання переміщень рами потрібно розробити методику геодезичних відеовимірів, яка дасть змогу визначати переміщення в абсолютних координатах, автоматизовано опрацювати дані з їх фіксацією на ПК. За отриманими даними можуть бути розраховані динамічні показники грейферних навантажувачів під час роботи із різними робочими органами. Окрім цього, можлива комплексна діагностика машин шляхом поєднання геодезичних вимірів з методами тензометрії.

Виклад основного матеріалу дослідження. Істотна особливість роботи грейферних навантажувачів полягає як у наявності кількох гармонік коливного процесу, так і в характері самих деформацій пружних домкратів навантажувача (Ripetskyi, 2011; Ripetskyi & Ripetskyi, 2005 р.). Як вже було зазначено (рис. 1), маніпулятором 1 здійснюється перенесення вантажу із грейфером 2, одночасно відбуваються й перерозподіл реакцій між правим 3 та лівим 4 домкратами. Рух робочих ланок маніпулятора 1 та розгойдування грейфера 2 виступають збурювальними фактором, який виводить систему з її статичного стану. Наявність пружних елементів домкратах 3, 4 надає перехідним процесам коливного характеру.

Отже, збурювальна сила навантажує як несні елементи металоконструкції, так і домкрати машини. Насамперед виникає згинальний момент М_зг, який зумовлює напруження в металоконструкції несних елементів, у другому - реакції опор R. Цим самим останній фактор зумовлює деформацію опор, яку можна спостерігати за переміщеннями рами Z навантажувача.

Сучасні методи розрахунку грейферних навантажувачів визначають коефіцієнт динамічності за рівнем напружень у металоконструкції від згинаючого моменту М_зг.Визначати динамічні показники за деформаціями опор та переміщенням рами Z можливо у тому випадку, якщо дві величини М_зг та R будуть синхронізовані за зміною в динамічному процесі. Це дасть змогу записати модифіковану формулу для визначення коефіцієнта динамічності грейферних навантажувачів у такому вигляді

Отже, у модифікованій формулі (1) для визначення коефіцієнта динамічності здійснено перехід від внутрішніх силових факторів згинальних моментів М_д і М_ст до вертикальних переміщень рами Z_д і Z_ст відповідно у динамічному та статичному режимах.

Наявність коливних процесів у грейферному навантажувачі не заперечує застосування формули (1) для визначення коефіцієнта динамічності.

Обґрунтування такої можливості можна здійснити розглянувши коливні процеси грейферного навантажувача за допомогою розрахункової схеми (рис. 2).

Рама навантажувача 1 опирається з одного боку на шарнірну опоруА, а з другого - на пружні домкрати В із жорсткістю с_д. На відстані Ь від опориВ в точці С розміщена колона маніпулятора CD. У цю точку приведена маса навантажувача М. Маніпулятор навантажувача подано у вигляді жорсткої конструкції 2 зі зосередженою масою робочого органу т. Імітація зміни положення робочого органу у просторі задається відносною координатою х під дією збурювальної сили Р з частотою ю. Сила Р створюється гідроциліндром, тому стосовно до системи є внутрішньою і замикається на механізмі приводу маніпулятора.

Перехідні процеси відбуваються так. Під дією збурювальної сили Р робочий орган масою т змінює своє положення х, що спричиняє зміщення центру мас системи. Це створює додатковий згинальний момент Мзг = mgx, який навантажує елемент АВ металоконструкції рами. Одночасно динамічне навантаження передається домкрату, що зумовлює відповідну зміну реакції опори R. Отже, розрахункова схема ілюструє коливний процес системи із власною частотою k під дією збурювальної сили з частотою ю.

Значення частоти збурювальної сили ю встановлено методами відеозйомки за переміщенням робочого органу відносно шарніру кріпленням до маніпулятора. За кадрами відеозйомки визначено період одного коливання робочого органа, що дало змогу встановити частоту вимушених коливань, яка становила ю = 0,25 Гц. Частота власних коливань системи становила k = 0,75 Гц.

Отже, для коливної системи за ю<k справедливе твердження, що амплітуда коливань наближена до рівня статичного відхилення (ВШегтап, 1980), стан який може бути відтворений тільки в мовах моделювання. А це означає синхронізацію процесів зміни напружень у металоконструкції із реакціями домкратів. Очевидний зв'язок між реакціями і вертикальними переміщеннями у вигляді R = с_д^ дає змогу стверджувати, що методика визначення динамічних показників грейферних навантажувачів за показником просідання рами Z здатна надати достовірні дані про динамічні характеристики навантажувача. Внаслідок того, що домкрати навантажувача 3 та 4 (див. рис. 1) деформуються неоднаково, а з різним ступенем, то це призводить до того, що рама 5 на пружних опорах, окрім вертикальних та горизонтальних переміщень від нерівномірності деформацій домкратів, зазнає ще й нахил (крен). Тому методика повинна бути узгоджена зі ступенем вільності рами, що може бути досягнуто за умови одночасного виміру переміщень у двох її точках - правою Z_п та лівою Z_л, опорами.

Переміщення осі рами та її крен можна визначати за формулами:

Методика відеовимірів переміщень рами навантажувача на основі відеовимірювальної системи виглядатиме так. Основним пристроєм методики відеовиміру є модульна відеокамера з координатно-чутливим матричним фотоприймачем на основі ПЗЗ-матриці (Neumeikin&Diachenko, 2010). Цей модуль виконує функції відеодавача ВД, характеризується незначними габаритами і масою, живленням від джерела струму (12В). Інформація по каналах зв'язку передається для опрацювання на комп'ютер ПК. За один технологічний цикл роботи машини буде записано 500-750 кадрів.

Дві візирні мітки ВМ₁ та ВМ₂ закріплюються на рамі навантажувача в районі кріплення домкратів з правого та лівого боків машини на відстані І_поп. Для фіксації кожної мітки ВМ₁ та ВМ₂ у кадрі передбачено два відеодавачі ВД₁ та ВД₂, що встановлюються поруч навантажувача так, щоб кожна візирна мітка перебувала у полі зору свого відеодавача (рис. 3).

На виході з відеодавачів (ВД₁, ВД₂), кожен з яких складається із об'єктива ОБ та модуля відеокамери з ПЗЗ-матрицею, формуються відеосигнали ВС₁ та ВС₂, які по своїх каналах зв'язку передаються через відеопроцесор ВП. Відеопроцесор перетворює відеосигнали з аналогової форми у цифрову та передає отриманий масив цифрових даних на ПК, де опрацьовується прикладною програмою ^іе^іе& Ко^к 2011).

Під час виконання відеовимірів обчислюються координати центру візирної мітки в координатній системі відеокадру, що надається в умовних дискретних одиницях - пікселях. Після чого, з урахуванням масштабних коефіцієнтів за напрямками осей координат, отримуємо істині координати візирної мітки.

У результаті координатна система із площини об'єкта спостереження оптичним шляхом переводиться в координатну систему відеодавача ВД (ПЗЗ-матриці) і електричним шляхом - у координатну систему відеокадра. При цьому кожній точці у координатній системі відеокадра відповідає точка з абсолютними координатами у плоскій системі об'єкта спостереження, що є основою відеовимірів.

Запропонована відеовимірювальна система комплектується типовими вузлами: візирні мітки, об'єктив, модуль відеокамери з координатно-чутливим матричним фотоприймачем (ПЗЗ-матрицею), блок живлення, комп'ютер. У функції візирної мітки використовуються напівпровідниковий світлодіод, живлення якого здійснюється від постійного струму.

Для відеодавача перевагу варто надати об'єктивам типів LM3NC1Mз фокусною відстанню f= 3,5 мм. Такий об'єктив забезпечує роздільну здатність в центрі 120 ліній/мм. Як фотоприймач задіяно модуль відеокамери, з ПЗЗ-матрицею 1/3-1/2 дюйма. Такі ПЗЗ-матриці використовують у модульних відеокамерах LMB- 210HBта WAT-902HB2/25 (Buiukian, 2013; Neumeikin&Diachenko, 2010).

Опрацювання даних передбачено здійснювати у спеціальній програмі (Giergie&Kohut, 2011). Під час перетворення сигналу програма дає змогу виділити місце розміщення візирної мітки у кадрі та розмістити її у піксельній системі координат. Її розміщення визначається за точкою центру світлового пучка автоматизованими методами. Для отримання абсолютних координат необхідно виконати перерахунки з використанням перехідних коефіцієнтів. Останні можуть бути визначенні під час тарування відеодавача.

Отримані в такий спосіб переміщення рами як у статичному, так і в динамічному режимах з урахуванням (1) і (2) дають змогу оцінити динамічні показники грейферного навантажувача під час роботи з різними робочими органами, а також визначити дію з боку маніпулятора на раму навантажувача, на основі переміщення його осі.

Отже, запропонований програмно-апаратний комплекс відеовимірів ґрунтується на сучасних досягненнях у галузі електроніки та геодезії і комплектується обладнанням, яка випускається промисловістю, що знижує вартість його впровадження.

Запропоновано методику визначення динамічних показників грейферних навантажувачів на основі геодезичних даних відеовимірів переміщень рами внаслідок деформації пружних опор як у статичному, так і в динамічному режимах. У модифікованому виразі коефіцієнта динамічності здійснено перехід від величин зовнішніх навантажень до величин переміщень рами під дією цих навантажень. Можливість використання модифікованого коефіцієнта динамічності підтверджено аналізом коливних процесів за допомогою запропонованої розрахункової схеми, що перебуває під дією збурювальної сили. Перебіг динамічних процесів має коливний характер із власною частотою k= 0,75 Гц і частотою вимушених коливань ю = 0,25 Гц. За ю<kвідбувається синхронізація процесів зміни напружень у несних елементах з реакціями домкратівта переміщенням рами.

Використання системи відеовимірів переміщень рами навантажувача ґрунтуються на реєстрації аналогового сигналу візирної мітки. Процедури опрацювання даних полягають у виділенні об'єкта спостереження у процесі переходу до цифрової форми зображення, розміщенням його у піксельній системі координат та в автоматичному опрацьовуванні складних динамічних процесів переміщень рами, які характерні для грейферних навантажувачів, із визначенням показників їх динамічності.

Запропонований програмно-апаратний комплекс відеовимірів визначення динамічних показників грейферних навантажувачів ґрунтується на сучасних досягненнях у галузі електроніки та геодезії і комплектується обладнанням, яке випускається промисловістю, що знижує вартість та терміни його впровадження.

грейферний навантажувач деформація геодезичний

Перелік використаних джерел

1. Baran, P. I. (2012).Inzhenerna heodeziia: monohrafiia. Kyiv: Vyd-vo PAT "VIPOL". 618 p. [In Ukrainian].

2. Biderman, V. L. (1980). Teoriia mekhanicheskikh kolebanii.Ucheb- nik dlia vuzov. Moscow: Vysshaia shkola. 408 p. [In Russian].

3. Buiukian, S. P. (2013). Videokontrolnoe ustroistvo.Izv.vuzov. Ge- odeziia i aerofotosemka, 3.13-16. Moscow.[In Russian].

4. Burak, K. O. (2000). Z dosvidu heodezychnoho monitorynhu eksplua- tatsiinoi nadiinosti tekhnolohichnoho obladnannia AES.Rozrobka i rozvidka naftovykh i hazovykh rodovyshch. Seriya: Tekhnohenna bezpeka. 37, 107-109. [In Ukrainian].

5. Deineka, Yu. (2006). Vyznachennia krenu dymaria v promyslovykh umovakh.Suchasni dosiahnennia heodezychnoi nauky ta vyrobnytstva.Zbirnyk naukovykh prats Zakhidnoho heodezychnoho tovarystva UTHK,ДП), 74-80. Lviv: Vyd-vo NU "Lvivska poli- tekhnika". [In Ukrainian].

6. Giergie, M., & Kohut, P. (2011). Analysis of Dynamics of Vibratory Machines Applaying Vision Based Measurements. Mechanics and Mechanical Engineering Technical University of Lodz,15(4), 4351. Lodz. [In Poland].

7. Naugolnikov, V. A., & Volkov, A. V. (2006).Issledovanie sistemy "kran-podkranovoe sooruzhenie". Mashinostroenie i tekhnosfera

8. XX veka.Sbornik trudov XIII mezhdunarodnoi nauchno-tekhnic- heskoi konferentcii,3, 98-102. Donetsk. [In Ukrainian].

9. Neumeikin, O. S., & Diachenko, S. M. (2010).PZZ-matrytsi.Visnyk KPI. Seriia radiotekhnika.Radioaparaturobudwvarmia, 41, 182190.Kyiv.[In Ukrainian].

10. Ripetskyi, Ye.Y. (2011).Zastosuvannia heodezychnykh vymiriv v eksperymentalnykh doslidzhenniakh peremishchen ramy navantaz- huvacha.Scientific Bulletin of UNFU: collection of scientific and technical labours,21(17), 128-132. [In Ukrainian].

11. Ripetskyi, Ye.Y., & Ripetskyi, R. Y. (2015). Metody opratsiuvannia eksperymentalnykh danykh ekspluatatsiinoho navantazhennia chas- totnoi struktury pry otsintsi dovhovichnosti. Visnyk KhNTUSH "Tekhnichnyi servis mashyn dlia roslynnytstva", 159, 12-18. Kharkiv.[In Ukrainian].

12. Rybak, T. I., Pidhurskyi, M. I., Ripetskyi, Ye.Y., Stashkiv, M. Ia., & Palamarchuk, P. V. (2011).Metrolohichne zabezpechennia eksperymentalnykh doslidzhen dynamiky hreifernykh navantazhu- vachiv.Visnyk LNAU. Inzhenerni doslidzhennia, 15, 151-158. Lviv: AGRO. [In Ukrainian].

13. Tauber, B. A. (1991). Podemno-transportnye mashiny: uchebnik dlia vuzov. Moscow: Ekologiia. 528 p. [In Russian].

14. Volkov, P. M., & Tenenbaum, M. M. (1977).Osnovy teorii i rascheta selskokhoziaistvennykh mashin na prochnost i nadezhnost. Moscow: Mashinostroenie. 310 p. [In Russian].

Размещено на Allbest.ru