Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
The article studies and simulates of the working process of the hydraulic pulsator used in the manipulators of forestry machines. Manipulator units of these machines play a key role in the performance of technological operations in the preparation of areas for growing forest crops, as well as in their subsequent maintenance. To increase the effi-ciency of operations such as cutting or removing unwanted tree and shrub vegetation, removing stones, boulders and other obstacles, the modernization of manipulators is an actual direction. One of the promising ways to reduce the en-ergy intensity of the working process is the introduction of highly effective vibration effects applied to the working bod-ies of the manipulator. The analysis of modern research in the field of hydraulic pulsators has shown that the devel-opment of new designs of rotary pulsators can significantly improve the performance indicators. In the course of the work, it has been revealed that the operating parameters of the hydraulic pulsator, such as the diameter of the spool shaft and the area of the working fluid overflow hole, depend on the maximum angle of rotation of the spool shaft axis equal to 22°30′. The permissible zones of variation of geometrical parameters of the specified orifice are deter-mined. Researches have shown, that change of area of an aperture for a fluid flow in time has a direct influence on the working fluid flow rate through the rod or piston cavity of the hydraulic cylinder. The greatest time of liquid over-flow (1-1.6 s) is observed at rotational speeds of the spool shaft 10-20 rpm. It is established that for holes with diameter of 5 mm in the zone of small rotational speeds the time of absence of liquid overflow increases by 0.18-0.36 s. For high-pressure hydraulic hoses with internal diameters of 8-16 mm, most often used in forestry machinery, the maxi-mum flow rate of working fluid is 0.00101 m³/s (1.01 l/s). The results are of practical importance for improving the designs of hydraulic pulsators and increasing the efficiency of forest machine manipulators.
manipulator, hydraulic pulsator, spool shaft, hydraulic cylinder, rotation frequency, working fluid, flow rate
Введение
В процессе выполнения работ по подготовке к выращиванию лесных культур, а также их дальнейшему уходу, значительную роль играет применение лесохозяйственной техники, оснащённой манипуляторными установками (Zanchi G., et al., 2021). Такие установки позволяют эффективно выполнять широкий спектр задач, включая расчистку территорий от нежелательной древесной, кустарниковой и травянистой растительности с использованием кусторезов, мульчеров и корчевальных головок, а также удаление остатков растительности, таких как пни, с помощью фрез или корчевателей. Кроме того, манипуляторы с активными рабочими органами применяются для обработки корневых систем и удаления посторонних объектов, таких как камни и валуны.
Развитие и модернизация манипуляторов, которые классифицируются по степени подвижности, конструктивным особенностям, типу управления, назначению и специализации, способствует улучшению технологических операций, связанных с лесохозяйственной деятельностью. Современные требования к качеству выполнения таких операций требуют внедрения инновационных инженерных решений, включая проектирование новых механических конструкций манипуляторов и их интеграцию с гидравлическими, пневматическими и электрическими элементами. Эти разработки позволяют добиваться эффективного использования манипуляторных систем в реальных производственных условиях.
Особое внимание в современной отечественной и мировой технической литературе уделяется разработке высокоэффективных вибрационных воздействий, которые прикладываются к рабочему органу, размещенному на конце стрелы или рукояти манипулятора, либо к самой стреле или рукояти. Вибрационные воздействия позволяют снизить нагрузки на элементы манипуляторной системы в процессе выполнения технологических операций и одновременно увеличить эффективность и качество выполняемых работ.
Создание таких вибрационных воздействий возможно, в частности, за счёт использования гидравлических пульсаторов в гидрокинематической схеме манипулятора. Эти устройства обеспечивают периодическую генерацию импульсов давления на штоке гидроцилиндра манипуляторной системы. Например, в работе M. Krüger (2025) был представлен грейферный захват с гидравлическим вибрационным приводом, который в процессе работы совершает вынужденные колебания. Авторы предложили математические зависимости для анализа колебаний рабочего органа, подвешенного на тросе, и динамического отклика гидравлического привода.
Современные исследования также направлены на совершенствование конструкций манипуляторов, в том числе их гидроприводов. В частности, работа В.И. Посметьева и соавторов (2024) посвящена анализу механизмов рекуперации энергии при повороте колонны гидроманипулятора лесных машин с оптимизацией геометрических параметров кривошипно-поворотного механизма. С.Е. Анисимов и соавторы (2024) разработали и исследовали конструкцию многозвенного комбинированного манипулятора с гидравлическим приводом, обеспечивающим выдвижение рабочего органа на расстояние до 18 м. В свою очередь, G. Yang и соавторы (2020) предложили метод управления манипулятором, позволяющий достигать высокой точности управления в условиях неопределённости динамики и изменчивости состояния системы.
Методы оптимизации работы манипуляторов также направлены на улучшение их траектории. Так, в работе I. Saoud и соавторов (2024) использован модифицированный профиль синусоидального рывка, минимизирующий время выполнения траектории манипулятора и обеспечивающий плавность его движения.
Настоящая работа направлена на моделирование и изучение рабочего процесса гидравлического пульсатора, используемого в манипуляторных системах лесных машин. Такое исследование имеет целью улучшение эксплуатационных характеристик манипуляторов и качества выполняемых лесохозяйственных операций за счёт внедрения инновационных технических решений.
Современные исследования, направленные на совершенствование рабочих процессов манипуляторов лесных машин, уделяют особое внимание моделированию их динамических характеристик, исследованию гидроприводов и развитию конструкций, обеспечивающих повышение эффективности операций.
Так, в работе И.Д. Евсикова и др. (2023) была представлена математическая модель поворота стрелы манипулятора лесной машины с учетом расхода рабочей жидкости, включая анализ динамики системы гидропривода и давления в гидравлической магистрали при реализации рабочего процесса. Особое внимание уделено влиянию этих параметров на общее поведение манипулятора.
Коллективом авторов под руководством проф. О.Р. Дорняка (2024) предложена математическая модель, позволяющая исследовать динамическое нагружение элементов гидросистемы манипулятора. В центре их работы находились пульсации давления, вызывающие высокочастотные колебания элементов гидроагрегатов с большой амплитудой, что оказывает влияние на эксплуатационную надежность механизмов.
Метод управления движением гидравлических манипуляторов был предложен R. Ding и соавторами (2023). Их высокоточный алгоритм основан на принципах управления виртуальной декомпозицией. Полученные результаты демонстрируют минимальную погрешность в позиционировании манипулятора (менее 50 мм), что подчеркивает перспективность применения подобного метода для повышения точности управления.
Методологические подходы к моделированию динамических характеристик манипуляторов были также рассмотрены в исследованиях Z. Liu и др. (2022) 12 и P. Rao и др. (2023). Проведенные ими расчёты на основе метода конечных элементов подтверждают возможность переноса полученных результатов на другие модели манипуляторов, а также интеграции данных исследований в виртуальной среде для упрощения сложных вычислений.
Работа P. Pietruś и P. Gierlak (2023) направлена на анализ частотных характеристик манипуляторов. С помощью численного моделирования был определён спектр вибраций звеньев манипулятора, проведены испытания различных конфигураций, что позволило сформировать карту резонансных частот для оптимизации конструктивных параметров.
Особое внимание уделяется совершенствованию конструкций гидравлических пульсаторов, являющихся ключевыми элементами системы создания импульсов давления. Так, в исследовании N. Tuong и соавторов (2024) с использованием программного обеспечения Matlab Simulink и инструмента Simscape Hydraulic была создана гидравлическая схема пульсатора, которая позволила выполнить проверку расчетных характеристик системы. Расчёты рамы манипулятора выполнялись методом конечных элементов с использованием Altair Simlab, что позволило определить наиболее оптимальные конструктивные решения.
Методика проектного расчета конструкции гидроимпульсного пульсатора была предложена R. Obertyukh и др. (2024). Разработанная модель с клапанным генератором импульсов давления параметрического типа позволила определить энергетические и мощностные характеристики пульсатора. Однако исследователи отмечают отсутствие общепринятой методики проектирования гидроимпульсных пульсаторов, что подтверждает необходимость проведения дальнейших оригинальных исследований в данной области.
Также в работе L. Zaripova и соавторов (2024) был исследован вибрационный пульсатор с гидромеханическим принципом действия, в конструкции которого применён подпружиненный поворотный клапан. Определены параметры устойчивой работы пульсатора, среди которых расход жидкости (0,012 м³/с), амплитуда колебаний корпуса пульсатора (300 мкм), амплитуда колебаний давления рабочей жидкости (1,8 МПа) при частоте 8 Гц.
Таким образом, анализ современных исследований демонстрирует широкий спектр направлений, связанных с математическим моделированием, оптимизацией конструкций и совершенствованием методов управления манипуляторами и их элементами. Полученные результаты служат основой для разработки более эффективных и надежных конструкций манипуляторов лесных машин.
В исследовании N. Mikheev (2017) представлен подход к созданию и управлению синусоидальным пульсирующим течением в канале с использованием пульсатора, оснащённого профилированным вращающимся клапаном. Данный конструктивный элемент обеспечивал изменение площади поперечного сечения канала в соответствии с гармоническим законом. На основе решения нестационарного уравнения Бернулли и численных расчётов, основанных на уравнениях URANS, была проведена оценка влияния инерционных сил на зависимость изменения средней скорости потока от фазы пульсаций в рабочей области экспериментального пульсатора.
Аналогичная концепция была рассмотрена в работе A. Goltsman и соавторов (2019), где создана экспериментальная система, включающая пульсатор с профилированной вращающейся заслонкой, изменяющей площадь проходного сечения канала пульсатора в соответствии с гармоническим законом. Подчёркнуто, что конструкция пульсатора должна позволять реализовывать широкий спектр пульсационных режимов течения, что повышает её универсальность.
Ключевым направлением исследования вибрационных систем управляемого воздействия представляется работа Q. Ren и др. (2021), посвящённая разработке и параметрическому анализу вибрационной системы с гидравлическим ударным роторным вибратором. Авторами предложена оригинальная гидравлическая система возбуждения колебаний, управляемая роторным ударным вибратором. Кроме того, была смоделирована система с учётом влияния трубопровода, результаты которой сравнивались с моделью, пренебрегающей такими эффектами.
Исследование G. Zhou и др. (2024) было сосредоточено на изучении характеристик вибрационной системы, управляемой поворотным клапаном рабочего органа. В ходе анализа рассматривались эффекты влияния нескольких параметров: входного давления рабочей жидкости, скорости приводного двигателя, а также объёма насоса подачи масла. Авторами было установлено, что оптимизация таких параметров, как увеличение входного давления и снижение скорости приводного двигателя, позволяет улучшить вибрационные характеристики системы, что демонстрирует практическую применимость предложенных решений.
Для гидрокинематических систем манипуляторов, использующих несколько (в частности, два) параллельно работающих гидроцилиндра, коллективом авторов, представленным в работе Li J.et al., разработана новая гидравлическая схема, обеспечивающая надежную и устойчивую синхронизацию работы пульсаторов. Математическая модель, созданная для анализа точности синхронизации, учитывает такие аспекты, как дисбаланс масс пульсаторов, их эксцентриситеты и коэффициенты вязкого затухания.
Проведённый анализ литературных источников и современных исследований показал, что перспективным направлением является разработка новых конструктивных решений роторных гидравлических пульсаторов с использованием методов математического моделирования. Эти подходы должны учитывать факторы, влияющие на эффективность функционирования пульсаторов, включая параметры площади поперечного сечения каналов для перетекания рабочей жидкости.
Моделирование позволит определить оптимальные энергетические, мощностные и геометрические параметры пульсаторов, включая амплитуду колебаний рабочего органа, расход жидкости и перемещения штока гидроцилиндра. Также важным является учет характеристик трубопроводов, обеспечивающих подачу и отвод рабочей жидкости.
Целью настоящего исследования является повышение эффективности технологических операций при подготовке к выращиванию лесных культур и их последующему уходу за счёт обоснования оптимальных параметров функционирования гидравлического пульсатора, используемого в конструкции манипуляторов лесохозяйственных машин. Решение данной задачи осуществляется посредством разработки математической и имитационной моделей рабочего процесса пульсатора, что позволит определить наиболее эффективные параметры его работы.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели проводится разработка математической модели, учитывающей следующие аспекты:
- конструктивные особенности гидравлического пульсатора, включая геометрию каналов и параметры движущихся элементов;
- характеристики гидравлического цилиндра, в конструкции которого применяются пульсаторные системы;
- свойства и параметры гидравлических рукавов высокого давления, обеспечивающих подачу и отвод рабочей жидкости;
- технологические режимы функционирования системы, включая учет динамических процессов перетекания рабочей жидкости, влияющих на её энергоёмкость.
Разрабатываемая математическая модель позволяет моделировать и анализировать влияние указанных факторов на ключевые гидрокинематические характеристики рабочего процесса гидравлического пульсатора, таких как частота и амплитуда создаваемых колебаний, расход жидкости, а также энергоэффективность системы. Это обеспечивает возможность выбора оптимальных конструктивных и технологических параметров, минимизирующих потери рабочей жидкости и повышающих производительность механизма.
Таким образом, данное исследование ориентировано на совершенствование рабочих процессов манипуляторов лесной техники, что имеет прямое прикладное значение для повышения эффективности лесохозяйственных операций.
1. Zanchi G., Lucander K., Kronnäs V. [et al] Modelling the effects of forest management intensification on base cation concentrations in soil water and on tree growth in spruce forests. European Journal of Forest Research. 2021; 140(6): 182. DOI:https://doi.org/10.1007/s10342-021-01408-6.
2. Krüger M., Vogel-Heuser B., Waterman D. [et al] Inferring Cable-Suspended End-Effector Oscillations From Hydraulic Actuators’ Responses in Diaphragm Wall Hydraulic Grabs. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 2025; 99: 1-16. DOIhttps://doi.org/10.1109/TASE.2024.3521599
3. Popikov P.I., Derepasko I.V., Khomenko K.G. [et al] Analysis of studies of work processes of energy-saving hydraulic drives and devices of highly loaded technological machines and equipment. E3s web of conferences: International Scientific Conference «Fundamental and Applied Scientific Research in the Development of Agriculture in the Far East» (AFE-2023): EDP Sciences, 2023; 01039. DOIhttps://doi.org/10.1051/e3sconf/202346201039.
4. Popikov P.I., Chetverikova I.V., Evsikov I.D. [et al.] Research and justification of the layout and parameters of the hydraulic drive of the lifting mechanism of a forestry manipulator. Resources and Technology. 2023; 20(3): 76-93. (In Russ.). DOIhttps://doi.org/10.15393/j2.art.2023.7063.
5. Posmetyev V.I., Nikonov V.O., Manukovsky A.Yu. Modeling the rotary mechanism of a timber truck hydraulic manipulator. News of higher educational institutions. Forest Journal. 2024; 5(401): 143-158. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-5-143-158
6. Anisimov S.E., Tsarev E.M., Rukomoynikov K.P. Multi-link combined manipulator for forest thinning. News of the St. Petersburg Forest Engineering Academy. 2024; 250: 238-251. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.21266/2079-4304.2024.250.238-251
7. Yang G., Liu Y., Mingh J. A new control method of flexible-joint manipulator with harmonic drive. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2020; 234(9): 095440. DOI:https://doi.org/10.1177/0954406219899697
8. Saoud I., Hatim I.J., Asaad C. [et al] Design optimization and trajectory planning of a strawberry harvesting manipulator. Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2024; 13: 3948-3959. DOI:https://doi.org/10.11591/eei. v13i6.7957.
9. Evsikov I.D., Bogdanov D.S., Popikova A.V., Konyukhov A.V. Influence of hydraulic drive compliance on the dynamic loading of forestry manipulator mechanisms. Forestry Engineering Journal. 2023. 3(51): 131-142. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2023.3/10
10. Dornyak O.R., Markova L.V., Tanchuk P.V., Popikov S.K. Dynamic loading of elements of the hydraulic system of a timber truck manipulator when leveling the frame of the rotary device. Forestry Engineering Journal. 2024; 14: 168-187. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2024.2/10
11. Ding R., Liu Z., Li G. [et al] High-Precision and Modular Decomposition Control for Large Hydraulic Manipulators. Actuators. 2023; 12(11): 405. DOI:https://doi.org/10.3390/act12110405
12. Liu Z., Yang S., Cheng C. [et al] Study on modeling and dynamic performance of a planar flexible parallel manipulator based on finite element method. Mathematical Biosciences and Engineering. 2022; 20(1): 807-836. DOI:https://doi.org/10.3934/mbe.2023037
13. Rao P., Roy D., Chakraverty S. Vibration Analysis of Single-Link Flexible Manipulator in an Uncertain Environment. Journal of Vibration Engineering & Technologies. 2023; 12: 231-258. DOI:https://doi.org/10.1007/s42417-023-01007-2.
14. Pietruś P., Gierlak P. Influence of the Manipulator Configuration on Vibration Effects. Acta Mechanica et Automatica. 2023; 17(4): 515-522. DOI:https://doi.org/10.2478/ama-2023-0060
15. Tuong N., Truong T., Khanh P. [et al] Structure and Hydraulic Analysis of a 5-Ton Hydraulic Press by Simulation. Advances in Transdisciplinary Engineering. 2024; 58: 8-15. DOIhttps://doi.org/10.3233/ATDE240597
16. Obertyukh R., Slabkyi A., Petrov O. [et al] Substantiation of the methodology for calculating the design of a small-sized hydraulic pulse vibrator. Vibroengineering Procedia. 2024; 56: 22-28. DOI:https://doi.org/10.21595/vp.2024.24512
17. Zaripova L., Shaydakov V. Hydromechanical vibrator-pulsator for restoring the injectivity of injection wells. E3S Web of Conferences. 2024; 524(9): 03029. DOI:https://doi.org/10.1051/e3sconf/202452403029
18. Mikheev N., Goltsman A., Paereliy A. [et al] Experimental setup for generation and control of sinusoidal pulsatile channel flow. Journal of Physics: Conference Series. 2017; 891: 012064. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012064
19. Goltsman A., Saushin I., Mikheev N. [et al] Generation of sinusoidal pulsating flows in the channels of experimental setups. Flow Measurement and Instrumentation. 2019; 66: 60-66. DOI:https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2019.02.006
20. Ren Q., Kou Z., Wu J. [et al] Development and Parametric Analysis of Vibration System Controlled by Hydraulic Shock Rotary Vibrator. Shock and Vibration. 2021; 1: 1-21. DOI:https://doi.org/10.1155/2021/1082963
21. Zhou G., Zhao G., Wang H. Characterization of rotary valve control vibration system for vibration stress relief applications. Scientific Reports. 2024; 14(1): 9434. DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-024-59970-z
22. Li J., Wang Y., Kong L. Synchronization characteristics of two vibrators in a novel hydraulic coupling system. Alexandria Engineering Journal. 2022; 61(12): 11663-11676. DOI:https://doi.org/10.1016/j.aej.2022.05.040
