Моделирование поворотного механизма гидроманипулятора лесовозного автомобиля. С. 143–158

УДК

621.225:69.002.51

DOI:

10.37482/0536-1036-2024-5-143-158

Аннотация

Рассмотрена значимость погрузочно-разгрузочных работ в технологическом процессе вывозки лесоматериалов лесовозными автомобилями, а также необходимость совершенствования конструкций гидроманипуляторов. Приведены наиболее рациональные пути повышения эффективности их функционирования. Представлены недостатки традиционных конструкций поворотных механизмов гидроманипуляторов, выполненных на основе реечных передач. Предложена усовершенствованная конструкция кривошипного поворотного механизма колонны гидроманипулятора от 6 гидроцилиндров. Методика исследования базируется на использовании математического моделирования. Выявлено, что накопленная энергия за 1 цикл торможения при перемещении груза составляет порядка 1442 Дж. Учитывая, что погрузка лесоматериалов осуществляется на высоте около 2 м, система рекуперации позволяет направлять около 12 % энергии поворота на операцию подъема груза. Установлено, что во всем диапазоне изменения угла окончания поворота рекуперируемая энергия изменяется всего на 7,1 % – от 1340 до 1442 Дж, а амплитуда раскачивания груза – на 1,2 % – от 0,336 до 0,340 м. С увеличением длины направляющей незначительно снижаются рекуперируемая энергия – с 1564 до 1428 Дж (на 8,7 %) – и амплитуда раскачивания груза – с 0,344 до 0,339 м (на 1,5 %). Обнаружено, что во всем угловом диапазоне рекуперируемая энергия изменяется от 1399 до 1442 Дж (на 3 %), а амплитуда раскачивания груза – от 0,3380 до 0,3393 м (на 0,4 %). Угловая неравномерность показателей эффективности рекуперации составляет не более 3 %. Для изучения влияния параметров кривошипного поворотного механизма колонны гидроманипулятора на эффективность рекуперации энергии решена задача многофакторной оптимизации. Установлено, что оптимальное расстояние от оси кривошипа до подвижных осей гидроцилиндров поворотного механизма колонны гидроманипулятора составляет 0,23–0,25 м, оптимальное смещение оси кривошипа относительно оси колонны манипулятора – 0,17–0,18 м. При этом рекуперируемая энергия за 1 цикл перемещения груза – не менее 1500 Дж, а амплитуда его раскачивания – не более 0,35 м.

Сведения об авторах

В.И. Посметьев¹, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: Q-1411-2015, ОRCID: https://orcid.org/0000-0001-9878-7451
В.О. Никонов¹*, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: N-3510-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7380-9180
А.Ю. Мануковский¹, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: AAR-1976-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4289-6581
В.В. Посметьев¹, канд. физ.-мат. наук, доц.; ResearcherID: Z-3736-2019, ОRCID: https://orcid.org/0000-0001-6622-5358
И.В. Казаков², д-р техн. наук, вед. науч. сотр.; ResearcherID: AAD-8084-2020, ОRCID: https://orcid.org/0009-0001-2719-375X
¹Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, ул. Тимирязева, д. 8, г. Воронеж, Россия, 394087; posmetyev@mail.ru, 8888nike8888@mail.ru*, mayu1964@mail.ru, victorvpo@mail.ru
²Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства, ул. Институтская, д. 15, г. Пушкино, Московская обл., Россия, 141202; igor.kazakov2015@bk.ru

Ключевые слова

кривошипный поворотный механизм колонны, лесовозный автомобиль, гидроманипулятор, гидроцилиндры, рекуперация энергии, лесоматериалы, погрузочно-разгрузочные работы, показатели эффективности, пневмогидравлический аккумулятор

Для цитирования

Посметьев В.И., Никонов В.О., Мануковский А.Ю., Посметьев В.В., Казаков И.В. Моделирование поворотного механизма гидроманипулятора лесовозного автомобиля // Изв. вузов. Лесн. журн. 2024. № 5. С. 143–158. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-5-143-158

Литература

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1976. 279 с. 

2. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. 288 с. 

3. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: Раско, 1991. 270 с. 

4. Никонов В.О. Современное состояние, проблемы и пути повышения эффективности лесовозного автомобильного транспорта. Воронеж: ВГЛТУ, 2021. 203 с. 

5. Посметьев В.И., Никонов В.О. О влиянии традиционных конструкций гидроманипуляторов на эффективность лесовозного автомобильного транспорта // Проблемы эксплуатации автомобильного транспорта и пути их решения на основе перспективных технологий и научно-технических решений: материалы Всерос. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова, 2022. С. 24–31. https://doi.org/10.58168/PRTOW2022_24-31

6. Cheng M., Luo S., Ding R., Xu B., Zhang J. Dynamic Impact of Hydraulic Systems Using Pressure Feedback for Active Damping. Applied Mathematical Modelling, 2021, vol. 89, part 1, pp. 454–469. https://doi.org/10.1016/j.apm.2020.07.043

7. Han J., Wang F., Sun C. Trajectory Tracking Control of a Manipulator Based on an Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System. Applied Sciences, 2023, vol. 13, no. 2, art. no. 1046. https://doi.org/10.3390/app13021046

8. Kim M., Lee S.-U., Kim S.-S. Real-Time Simulator of a Six Degree-of-Freedom Hydraulic Manipulator for Pipe-Cutting Applications. IEEE Access, 2021, vol. 9, pp. 153371– 153381. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3127502

9. Li L., Lin Z., Jiang Y., Yu C., Yao J. Valve Deadzone / Backlash Compensation for Lifting Motion Control of Hydraulic Manipulators. Machines, 2021, vol. 9, no. 3, art. no. 57. https://doi.org/10.3390/machines9030057

10. Li P., Li Y. Research on the Electro-Hydraulic Servo System of Picking Manipulator. AIP Advances, 2023, vol. 13, iss. 1, art. no. 015312. https://doi.org/10.1063/5.0130344

11. Łopatka M.J., Krogul P., Rubiec A., Przybysz M. Preliminary Experimental Research on the Influence of Counterbalance Valves on the Operation of a Heavy Hydraulic Manipulator during Long-Range Straight-Line Movement. Energies, 2022, vol. 15, no. 15, art. no. 5596. https://doi.org/10.3390/en15155596

12. Posmetev V.I., Nikonov V.O., Posmetev V.V. Imitating Modeling Results of a Recuperative Hydraulic Subsystem of the Timber Truck Manipulator. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, vol. 392, art. no. 012038. https://doi.org/10.1088/1755-1315/392/1/012038

13. Renner A., Wind H., Sawodny O. Online Payload Estimation for Hydraulically Actuated Manipulators. Mechatronics, 2020, vol. 66, art. no. 102322. https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2020.102322

14. Truong H.V.A., Trinh H.A., Ahn K.K. Truong Safety Operation of n-DOF Serial Hydraulic Manipulator in Constrained Motion with Consideration of Contact-Loss Fault. Applied Sciences, 2020, vol. 10, no. 22, art. no. 8107. https://doi.org/10.3390/app10228107

15. Wei X., Ye J., Xu J., Tang Z. Adaptive Dynamic Programming-Based Cross-Scale Control of a Hydraulic-Driven Flexible Robotic Manipulator. Applied Sciences, 2023, vol. 13, no. 5, art. no. 2890. https://doi.org/10.3390/app13052890

16. Xia Y., Nie Y., Chen Z., Lyu L., Hu P. Motion Control of a Hydraulic Manipulator with Adaptive Nonlinear Model Compensation and Comparative Experiments. Machines, 2022, vol. 10, no. 3, art. no. 214. https://doi.org/10.3390/machines10030214

17. Yang X., Deng W., Yao J. Neural Adaptive Dynamic Surface Asymptotic Tracking Control of Hydraulic Manipulators with Guaranteed Transient Performance. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, 2023, vol. 34, no. 10, pp. 7339– 7349. https://doi.org/10.1109/TNNLS.2022.3141463

18. Zhang X., Shi G. Dual Extended State Observer-Based Adaptive Dynamic Surface Control for a Hydraulic Manipulator with Actuator Dynamics. Mechanism and Machine Theory, 2022, vol. 169, art. no. 104647. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2021.104647

19. Zheng S., Ding R., Zhang J., Xu B. Global Energy Efficiency Improvement of Redundant Hydraulic Manipulator with Dynamic Programming. Energy Conversion and Management, 2021, vol. 230, art. no. 113762. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113762

20. Zhou S., Shen C., Zhu S., Li W., Nie Y., Chen Z. A Teleoperation Framework Based on Heterogeneous Matching for Hydraulic Manipulator. Machines, 2022, vol. 10, no. 7, art. no. 536. https://doi.org/10.3390/machines10070536