С целью расширения кинематических и динамических возможностей манипуляторов с поворотной стрелой и расширенной зоной обслуживания предлагается управление исполнительными приводами задавать по определенным программным движениям.

Для этого рассмотрим один приводной контур стрелы для определения аналогов угловых скоростей и ускорений воспользовавшись уравнением векторного контура (рис.1).

Рисунок 1 – Расчетная схема к определению аналогов скоростей и ускорений

 (1)

 (2)

Из уравнения (2) получаем

(3)

Подставляя выражение (3) в уравнение (2) получим

(4)

Возведём обе части равенства (4) в квадрат, имеем:

 (5)

откуда

                                       (6).

Зависимости угла поворота стрелы от действия одного гидроцилиндра представлена на рис.2, полученная в MathCad 14.

Аналог угловой скорости

(7)

Рисунок 2 – Зависимость угла поворота колонны от удлинения гидроцилиндра

Аналог углового ускорения

(8)

В том же математическом процессоре MathCad дифференцированием выражения (6) получены аналитические выражения (7) и (8) аналогов угловых скорости и ускорения соответственно.

Перейдем от аналогов угловых скоростей и угловых ускорений к зависимостям угловых скорости и ускорения от времени.

Рассмотрим сначала линейный закон перемещения штоков гидроцилиндров, приняв следующий закон перемещения (рис. 3):

где     t – текущее время движения, с;

Т – конечное время движения, T=2S/V_max, с;

T_ш=2,2 с, Т_п=1,42 с.

 Рисунок 3 – Линейный закон программного движения штока гидроцилиндра

Тогда угол поворота рычага колонны

(9)

Закон изменения этого угла представлен на рис.4. Продифференцировав выражение (9) по времени получим зависимости угловой скорости от времени ω(t), и дифференцируя второй раз получим ε(t).

 Рисунок 4 – Зависимость угла поворота колонны от времени при линейном законе программного перемещения.

Однако, как видно из графика (рис.5) в момент трогания гидродвигателя, скорость его штока уже должна иметь некоторое значение, отличное от нуля, что на практике не возможно реализовать. Следовательно необходимо задавать другой закон движения, при котором начальные значения скорости и ускорения равнялись бы нулю.

 Рисунок 5 – Зависимость угловых скорости и ускорения колонны от времени при линейном законе программного перемещения.

Зададим закон движения штоков исполнительных цилиндров исходя из условия «мягкого касания» [3], при котором скорость и ускорение в начальный и конечный моменты  времени равны нулю.

Такому требованию удовлетворяет синусоидальный закон программного движения звена (рис. 6)

(10)

где     t – текущее время движения, с;

Т – конечное время движения, с.

 Рисунок 11 – Зависимость угла поворота колонны от времени при синусоидальном законе перемещении штока.

 Рисунок 12 – Зависимость угловой скорости колонны от времени при синусоидальном законе перемещении штока.

Графические зависимости угловых перемещений, скорости и ускорения стрелы манипулятора при синусоидальном законе движения штока, полученные в MathCad и представлены на рис. 11, 12 и 13 соответственно.

Рисунок 13 – Зависимость углового ускорения колонны от времени при синусоидальном законе перемещении штока.

Для удобства реализации различных законов движения штоков гидроцилиндров удобнее использовать выражения, где скорость штока задана в явном виде:

угловая скорость колонны

(11).

угловое ускорение

(12).

Как видно из графиков (рис. 12 и 13) при синусоидальном законе движения штока исполнительного цилиндра угловые скорость и ускорения плавно увеличивается от нуля, а затем плавно уменьшается к моменту остановки. Такой режим работы обеспечивает минимальные инерционные нагрузки. Следовательно, синусоидальный закон перемещения штока обеспечивает наименее динамичные режимы работы. Основная сложность реализации такого закона перемещения заключается в необходимости программного управления законом движения, которое возможно реализовать только с применением микропроцессорной техники.

Погрузочно-разгрузочные работы в сельском хозяйстве приходится выполнять на открытых площадках и в закрытых помещениях, а значительную часть – в поле, в связи с этим целесообразно повысить эффективность использования транспорта и транспортных агрегатов в сельскохозяйственном производстве, а именно совершенствовать технологии перевозок урожая с полей.

Можно разделить на два основных вида технологию перевозок грузов

непосредственно с поля:

- безперевалочную технологию, при которой перевозка груза от места его погрузки в поле до места разгрузки осуществляется на одном и том же транспортном средстве без перегрузки в другие;

- перевалочную технологию, при которой такая перевозка происходит последовательно в двух или нескольких транспортных средствах с соответствующей перегрузкой.

В последнее время все чаще стали применяться контейнерные перевозки. Они получили свое распространение в связи с возможностью автоматизировать процесс транспортных и погрузочно-разгрузочных работ, сокращением простоев транспортных агрегатов и транспорта, снижения потерь грузов во время движения по маршруту в точку погрузки-разгрузки и т.п.

Хочется отметить, что с увеличением расстояния эффективность прямых перевозок, падает в связи с невозможностью осуществить синхронную работу транспортных средств и обслуживаемых уборочных агрегатов, что приводит к возникновению простоев [1, 2]. Для устранения недостатков организации перевозок применяются различные типы мобильных компенсаторов-накопителей.

В качестве таких накопителей могут быть использованы либо специальные емкости, либо транспортные средства, прежде всего, большегрузные, например, тракторные прицепы типа ПТС. Мобильные компенсаторы-накопители позволяют более оперативно обслуживать уборочные машины, места уборки урожая.

Во многих хозяйствах перевозка плодоовощной продукции производится тракторными прицепами. Например, в учебно-научном производственном центре «Горная поляна» Волгоградского ГАУ тракторными прицепами перевозятся картофель, томаты в ящиках, виноград и другие овощи.

Рассмотрим оптимизационную задачу о кратчайшем расстоянии перевозок плодоовощной продукции с полей до пунктов хранения (ПХ) на основе карт полей. Все расстояния от полей до конечных пунктов назначения, включая промежуточные, представим в виде матрицы весовых коэффициентов.

Рисунок 1 – Матрица весовых коэффициентов.

На основании матрицы построим граф

Рисунок 2 – Граф возможных перевозок

В соответствии с графом возможны несколько вариантов перевозок овощей:

• С поля 1 на ПХ1;
• С поля 2 на ПХ1;
• С поля 3 на ПХ1;
• С поля 1 на ПХ2;
• С поля 2 на ПХ2;
• С поля 3 на ПХ2.

Рассмотрим вариант, когда на поле 1 и на поле 2 одинаково высокое качество картофеля, а на поле 3 выращивают томаты. Для создания запасов продукции, хозяйству нужно перевозить картофель с поля 1 или с поля 2, а также ящики томатов с поля 3. Требуется найти оптимальный вариант перевозок с наименьшими затратами, а соответственно с кратчайшим путем перевозок.

Составим математическую модель и решим ее в MathCad.

Таким образом оптимальный маршрут для перевозки картофеля с поля 2 будет по дорогам №4, №6 и №9. Аналогичным образом планируются все остальные маршруты как для перевозки картофеля, так и для перевозки томатов.

Одним из вариантов совершенствования транспортировки и повышения уровня механизации погрузочно – разгрузочных работ при уборке плодоовощной продукции является использование транспортных средств со сменными кузовами [3]. В автомобилях такая технология мультилифтов нашла применение в строительстве и коммунальном хозяйстве, например, при организации вывоза твердых бытовых отходов. Несмотря на недостатки, транспортные средства со сменными кузовами конкурируют с традиционными самосвальными прицепами автомобилями. Однако до настоящего времени технологии уборки и транспортировки плодоовощной продукции с использованием контейнерных уборочно-транспортных систем все еще недостаточно изучены и мало реализованы. Поэтому исследование указанной технологии, обеспечивающей повышение уровня механизации работ в плодоовощеводстве является актуальным.

Предлагается на основе прицепа серии ПТС разработать устройство, аналогичное системе автомобильного мультилифта таким образом, чтобы можно было производить смену кузовов– контейнеров, тем самым уменьшая простои агрегатирующего прицеп трактора и соответственно повышая производительность при уборке плодоовощной продукции. Причем для погрузочно-транспортных операций различных овощей предусмотрены различные варианты их выгрузки [4]. Рассмотрим технологический процесс погрузочно-разгрузочных работ (рис. 3).

Рисунок 3 – Технологический процесс погрузочно-разгрузочных работ.

При уборке картофеля трактор с пустым кузовом приезжает на поле, сбрасывает кузов и забирает уже загруженный и отправляется на выгрузку продукции. Разгрузка может производиться подъемом кузова за счет гидроцилиндра. В том случае, если идет уборка томатов в ящики и последующей укладкой их в прицеп, то технологический процесс повторяется, как и в случае с картофелем, но разгрузка производится путем снятия кузова с платформы и плоскопараллельным переносом в место выгрузки.

Рисунок 4 – Внешний вид тракторного прицепа с мультилифтом

На основе проведенного анализа грузопереработки плодоовощной продукции предложена новая перевалочная технология и решена оптимизационная транспортная задача грузоперевозок плодоовощной продукции тракторными прицепами с мультилифтом.

Обоснована и разработана конструкция портального механизма для повышения универсальности тракторного прицепа и использования его как для транспортировки насыпной (картофель), так и затаренной плодоовощной продукции (томаты в ящиках).