Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
An analysis of current research on the dynamics of hydraulic drives for crane manipulators used in hoisting machines is conducted. It is established that the application of damping devices in crane lifting mechanisms and their mathematical modeling in transient conditions have been insufficiently studied to date. A design scheme for a hydraulic drive for a crane boom lift mechanism with an engaged magnetic damping device, which ensures energy redistribution and suppression of dynamic effects, is proposed. The objective of this study is to evaluate the effectiveness of the proposed magnetic damping device and the developed mathematical model for reducing dynamic loads in the hydraulic drive of a forestry crane boom lift. A mathematical model of the hydraulic drive dynamics has been developed, based on recurrent computational schemes with explicit time discretization. This ensures correct consideration of the nonlinear properties of the system and made it possible to obtain time dependencies of pressure, boom lift angle, and magnetic piston stroke in the damping device. Numerical simulation results showed that the use of a magnetic damping device reduces maximum dynamic pressure in the boom lift hydraulic system by 1.4–1.5 times compared to operating without damping. Pressure stabilizes at approximately 25 MPa, whereas in the control mode without a damper, it fluctuates between 31–39 MPa, accompanied by pronounced oscillations.
manipulator, hydraulic drive, magnetic damping device, boom lifting mechanism, mathematical model, loading and unloading operations, boom lifting angle, working fluid pressure, magnetic piston stroke
Введение
В современной научной литературе вопросам снижения динамических нагрузок манипуляторных систем в лесной технике уделяется значительное внимание. К наиболее перспективным направлениям относятся использование магнитных демпфирующих устройств и совершенствование кинематических и динамических моделей гидроприводов манипуляторов лесных машин.
П.И. Попиков и др. (2023) [1] исследовали динамические режимы подъёма стрелы лесного манипулятора и влияние компоновки гидроцилиндров на динамические нагрузки. Построена математическая модель подъёма стрелы с учётом инерции и податливости гидросистемы. Выявлено, что при уменьшении номинальной подачи насоса угловая скорость механизма стремится к стабилизации, но пиковые давления возрастают с 16 до 40 МПа, что указывает на необходимость согласования параметров
гидросистемы. Установлено оптимальное положение точки крепления штока гидроцилиндра механизма подъема к стреле манипулятора. Повышение податливости гидролиний в два раза снижает динамическое давление, а общая оптимизация конструкции приводит к уменьшению динамических нагрузок на 41%, однако при этом наблюдается увеличение времени затухания колебаний на 32%, что рассматривается как допустимый компромисс ради повышения ресурса машины.
Т. Раин (2023) [2] разработал программный модуль для моделирования кинематики и динамики робота-манипулятора, реализованный в SolidWorks и MATLAB. Модуль включает методы Денавита–Хартенберга, Ньютона–Эйлера, а также адаптивные нечёткие алгоритмы (ANFIS), что обеспечивает возможность моделирования движений, построения траекторий, визуализации и имитационного анализа манипуляторов с пятью степенями свободы. Это подтверждает устойчивую тенденцию перехода инженерных исследований к комплексным цифровым двойникам.
А.А. Волошкин и др. (2022) [3] выполнили создание трёхмерной кинематической модели манипулятора Delta в системе NX с последующим динамическим анализом. Решена обратная задача кинематики, определены центры масс и траектории движения подвижной платформы. Представлена методика расчёта скоростей и ускорений, что позволяет использовать модель для оптимизации параметров привода и проектирования механизмов аналогичного типа.
В работе Guoqiang Zhou и др. (2024) [4] исследовалась гидравлическая вибрационная система с вращательным распределительным клапаном, разработанная для снятия остаточных напряжений материалов. Построены математические модели, проведены CFD-симуляции и эксперименты. Показано, что система обеспечивает близкую к синусоидальной форму колебаний при низких потерях давления. Авторы отмечают, что повышение входного давления и снижение скорости привода увеличивает энергоэффективность вибросистемы, что является перспективным подходом для демпфирования в гидроприводах.
Г.А. Геворкян (2022) [5] развивает обобщённый метод Ньютона–Эйлера для моделирования манипуляторов с упругими звеньями без обращения матрицы масс, что значительно снижает вычислительные затраты. Реализованы алгоритмы решения смешанной задачи динамики, что особенно важно для реального времени и систем активного подавления вибраций.
Моделированию движений харвестера при выборочных рубках посвящена работа
Т.В. Сергеевой и др. (2024) [6]. Созданы математические зависимости для расчёта траектории манипулятора при наличии препятствий в лесном массиве. Показано, что присутствие деревьев нецелевой группы в зоне работы манипулятора увеличивает длительность операций на 15%, что подчёркивает важность планирования траекторий для повышения эффективности и минимизации цикловых нагрузок на гидросистему.
В. Жога и др. (2020) [7] разработали динамическую модель трипод-манипулятора, учитывающую массу исполнительных звеньев и характеристики электроприводов. Получены зависимости управляющих усилий и динамических погрешностей, что позволяет формировать оптимальные управляющие программы для высокоскоростных манипуляторов параллельной структуры.
С.А. Братчиков и др. (2021) [8] представили аналитическое решение обратной задачи кинематики для антропоморфного манипулятора, позволяющее преобразовывать декартовы координаты в обобщённые углы в реальном времени без необходимости решать систему трансцендентных уравнений. Это обеспечивает высокую точность и вычислительную эффективность, что актуально для систем с ограниченной вычислительной мощностью.
Xinyang Tian и др. (2020) [9] предложили аналитический метод ОЗК для 7-звенных манипуляторов с алгоритмом обхода предельных положений суставов. Введён параметр «угол руки» для управления избыточностью, а оптимизация в нулевом пространстве позволяет избегать сингулярностей и ограничений шарниров. Отмечены высокие скорость и точность метода, что подтверждает возможность его применения в реальном времени.
Проблему высоких динамических нагрузок в подъёмных механизмах карьерных экскаваторов, где амплитуда динамических усилий может превышать статическую более чем в два раза, рассматривают И.В. Зырянов и др. (2024) [10]. Авторы отмечают, что такие нагрузки ведут к усталостным повреждениям элементов конструкции и сокращению ресурса машин. Для их снижения предлагается использовать упругодемпфирующие устройства, основанные на принципах обратных задач динамики и структурного математического моделирования. Построена аналитическая связь между желаемой траекторией усилия и параметрами механизма. Моделирование подъёмного механизма экскаватора ЭКГ-5А с оптимально синтезированным демпфером показало уменьшение динамических нагрузок и сокращение времени переходного процесса при типовых режимах работы.
Т.В. Гришанина и др. (2023) [11] применили метод сил для анализа пространственного движения трехзвенного манипулятора с учетом упругости звеньев и приводов. Разработана модель, основанная на принципе Кастильяно, позволяющая определять перемещения и углы поворота звеньев манипулятора. Показано, что учет упругости шарнирных соединений и инерции звеньев существенно влияет на динамические характеристики системы и точность управления.
В исследовании Guocai Yang (2025) [12] предложен новый метод управления манипулятором с гибкими сочленениями и гармоническим приводом. Метод включает каскадную структуру управления: адаптивный регулятор, торковый и моторный контуры. Использован фильтр Калмана и компенсация трения. Экспериментальные испытания показали высокую точность слежения и эффективное подавление вибраций, вызванных эластичностью передачи.
Д.В. Черник и К.Н. Черник (2020) [13] разработали математическую модель комбинированного манипулятора лесной машины. Модель позволяет рассчитывать геометрические параметры стрелы и рукояти в зависимости от грузового момента и максимального вылета стрелы. Даны рекомендации по проектированию конструктивных элементов манипулятора без использования дорогих CAD-систем.
В работе С.А. Нестерова и др. (2022) [14] проанализированы процессы в многополюсном электромеханическом магнитореологическом демпфере. Получены поля магнитной индукции и скоростей течения магнитореологической жидкости, установлена взаимосвязь магнитного и гидродинамического эффектов. Показано, что изменение формы полюсов и направления токов расширяет диапазон регулирования сопротивления демпфера.
С.А. Сомов и др. (2025) [15] экспериментально исследовали демпфер на основе эластомера с ферромагнитным порошком. Выявлено, что магнитные наполнители увеличивают диссипативные свойства материала и снижают амплитуду колебаний на резонансной частоте, расширяя рабочий диапазон демпфирования. Конструкции были выполнены методом 3D-печати и испытаны на вибростенде.
Р.Р. Саттаров и Д.Р. Гарафутдинов (2020) [16] исследовали изменение магнитного момента управляемого магнитоэлектрического демпфера путем механической реконфигурации магнитной цепи. Показано, что использование постоянных магнитов практически исключает потребление энергии и обеспечивает диапазон управления моментом от 5% до 100%.
Д.Р. Гарафутдинов (2021) [17] рассмотрел способы регулирования магнитного потока в магнитоэлектрических устройствах для увеличения эффективности вихретоковых демпферов. Описаны механизмы изменения воздушного зазора и конфигурации магнитной цепи, позволяющие адаптивно управлять демпфирующими свойствами без внешнего питания.
А.Н. Болотов и О.О. Новикова (2023) [18] экспериментально изучили поведение наноструктурированной магнитной жидкости в сильном магнитном поле. Установлено наличие "стоп-эффекта" – высокого предельного напряжения текучести, вызванного структурированием частиц. Работа определяет влияние температуры, времени и напряжённости поля на разрушение наноструктуры и трение, что важно для проектирования магнитожидкостных подшипников и уплотнений.
З.В. Морина (2025) [19] исследовала динамику углового движения наноспутника с жидкостным и магнитным демпферами. Проведено моделирование стабилизации CubeSat с учетом гравитационных и магнитных моментов. Установлено, что сочетание магнитного и жидкостного демпфирования ускоряет переход в устойчивое положение, а эффективность зависит от параметров орбиты.
В работе И.М. Ячикова и В.И. Ширяева (2020) [20] представлено теоретическое и экспериментальное исследование удержания постоянного магнитa в импульсном магнитном поле. Разработана математическая модель одномерного движения магнитного поршня, учитывающая гравитационные и электромагнитные силы. Установлено, что увеличение частоты пульсаций тока в катушке стабилизирует положение магнитного поршня и уменьшает амплитуду его колебаний, в то время как масса магнитного поршня и величина напряжения влияют на устойчивость удержания и потребляемую мощность.
Таким образом, анализ современных исследований по динамике гидроприводов механизмов подъема манипуляторов технологических машин показал, что вопросы применения демпфирующих устройств в подъёмных механизмах манипуляторов и их математическое моделирование в переходных режимах до настоящего времени изучены недостаточно.
Целью представленного исследования является оценка эффективности предложенного магнитного демпфирующего устройства и разработанной математической модели для снижения динамических нагрузок в гидроприводе подъема стрелы лесного манипулятора.
1. Research and justification of the layout and parameters of the hydraulic drive of the lifting mechanism of a forestry manipulator / P. I. Popikov, I. V. Chetverikova, I. D. Evsikov [et al.] // Resources and Technology. - 2023. - Vol. 20, No. 3. - P. 76-93. - DOIhttps://doi.org/10.15393/j2.art.2023.7063. - EDN QBUIMY.
2. Rain, T. Description of the software package for modeling a robotic manipulator / T. Rain // Bulletin of Russian Universities. Mathematics. - 2023. - Vol. 28, No. 141. - P. 90-96. - DOIhttps://doi.org/10.20310/2686-9667-2023-28-141-90-96. - EDN CDGJPQ.
3. Creation of a three-dimensional kinematic model of the Delta manipulator using the NX computer-aided design system / A. A. Voloshkin, L. A. Rybak, V. M. Skitova [et al.] // Robotics and technical cybernetics. - 2023. - Vol. 11, No. 1. - P. 20-29. - DOIhttps://doi.org/10.31776/RTCJ.11103. - EDN KMVEGF.
4. 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. – EDN: https://elibrary.ru/GQDEKY.
5. Gevorkyan, G. A. Modeling of manipulators with elastic links without inverting their mass matrices / G. A. Gevorkyan // Journal of Computational Mathematics and Mathematical Physics. - 2022. - Vol. 62, No. 3. - P. 521-528. - DOIhttps://doi.org/10.31857/S0044466922030061. - EDN PFQGKU.
6. Modeling of harvester movements during selective logging / T. V. Sergeeva, K. P. Rukomoynikov, E. M. Tsarev [et al.] // Agrarian scientific journal. - 2024. - No. 6. - P. 134-142. - DOIhttps://doi.org/10.28983/asj.y2024i6pp134-142. - EDN KTWDNS.
7. Modeling dynamic of tripod manipulator considering mass of actuating links / V. Zhoga, V. Dyashkin-Titov, I. Nesmiyanov [et al.] // 2020 International Conference Nonlinearity, Information and Robotics, NIR 2020, Innopolis, 03–06 dekabrya 2020 goda. – Innopolis, 2020. – P. 9290240. – DOIhttps://doi.org/10.1109/NIR50484.2020.9290240. – EDN JCGXIP.
8. Bratchikov, S. A. Solution of the inverse problem of manipulator kinematics / S. A. Bratchikov, E. A. Abramova, Yu. V. Fedosov // Bulletin of Tomsk State University. Management, Computing and Informatics. - 2021. - No. 56. - P. 4-11. - DOIhttps://doi.org/10.17223/19988605/56/1. - EDN JHCZQD.
9. Tian, X. An analytical inverse kinematics solution with joint limits avoidance of 7-DOF anthropomorphic manipulators without offset / X. Tian, Q. Xu, Q. Zhan // Journal of the Franklin Institute. – 2021. – Vol. 358, No. 2. – P. 1252-1272. – DOIhttps://doi.org/10.1016/j.jfranklin.2020.11.020. – EDN INNJDU.
10. Parametricheskiy sintez uprugodempfiruyushchikh ustroystv v kopayushchikh mekhanizmakh karyernykh ekskavatorov / I. V. Zyryanov, A. A. Iov, I. A. Iov, V. A. Khramovskikh // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal). – 2024. – № 4. – S. 121-133. – DOIhttps://doi.org/10.25018/0236_1493_2024_4_0_121. – EDN ZIAEII.
11. Grishanina, T. V. Application of the force method to calculate the spatial motion of a manipulator with a massive rigid body taking into account the elasticity of links and rotary drives / T. V. Grishanina, S. V. Russkikh, F. N. Shklyarchuk // News of higher educational institutions. Mechanical engineering. - 2023. - No. 11 (764). - P. 92-103. - DOIhttps://doi.org/10.18698/0536-1044-2023-11-92-103. - EDN MBZNIO.
12. 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. – EDN: https://elibrary.ru/GGXGDK.
13. Chernik, D. V. Mathematical model of a combined manipulator of a forest machine / D. V. Chernik, K. N. Chernik // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Krasnoyarsk, Russia, 31 iyulya 2020 goda / Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations. Vol. 919. – Krasnoyarsk, Russia: Institute of Physics and IOP Publishing Limited, 2020. – P. 52037. – DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/919/5/052037. – EDN GXJUJR.
14. Nesterov, S. A. Calculation and analysis of processes in a multi-pole electromechanical magnetorheological damper / S. A. Nesterov, Yu. B. Kazakov, V. A. Filippov // Electronics and electrical equipment of transport. - 2022. - No. 1. - P. 18-22. - EDN QMGIRR.
15. Dynamic tests of a damper based on an elastomer with a ferromagnetic powder filler / S. A. Somov, M. A. Koskov, A. S. Ivanov, G. V. Stepanov // Bulletin of the South-West State University. Series: Engineering and Technology. - 2025. - Vol. 15, No. 2. - Pp. 76-88. - DOIhttps://doi.org/10.21869/2223-1528-2025-15-2-76-88. - EDN YJWRWL.
16. Sattarov, R. R. Study of the electromagnetic field of a controlled magnetoelectric damper / R. R. Sattarov, D. R. Garafutdinov // Electrical and information complexes and systems. - 2020. - Vol. 16, No. 3. - P. 28-35. - DOIhttps://doi.org/10.17122/1999-5458-2020-16-3-28-35. - EDN LUNNGB.
17. Garafutdinov, D. R. Regulation of magnetic flux in magnetoelectric devices / D. R. Garafutdinov // Mavlyutov readings: Proceedings of the XVI All-Russian youth scientific conference. In 6 volumes, Ufa, October 25–27, 2022. Volume 3. – Ufa: Ufa State Aviation Technical University, 2022. – P. 349–354. – EDN KGIJFJ.
18. Bolotov, A. N. Experimental study of the fluidity of a nanostructured magnetic fluid in a strong magnetic field / A. N. Bolotov, O. O. Novikova // Physicochemical aspects of the study of clusters, nanostructures and nanomaterials. - 2023. - No. 15. - P. 692-700. - DOIhttps://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.692. - EDN FLAPPJ.
19. Morina, Z. V. Dynamics of angular motion of spacecraft with a dissipative damper / Z. V. Morina // Proceedings of MAI. - 2025. - No. 142. - EDN HHDCCA.
20. Yachikov, I. M. Determination of dynamic parameters of a permanent magnet when it is held in a pulsed magnetic field / I. M. Yachikov, V. I. Shiryaev // Bulletin of the South Ural State University. Series: Computer technologies, control, radio electronics. - 2020. - Vol. 20, No. 3. - P. 111-122. - DOIhttps://doi.org/10.14529/ctcr200312. - EDN QLNCPT.
21. Kinematic and dynamic analysis of the lifting mechanism of a timber truck manipulator equipped with a hydromechanical damper based on the Euler and Runge-Kutta methods / D. S. Bogdanov, A. V. Popikova, I. D. Evsikov [et al.] // Forestry journal. - 2024. - Vol. 14, No. 2 (54). - P. 127-143. - DOIhttps://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2024.2/8. - EDN FHIJJX.
22. Utility Model Patent No. 230802 U1 Russian Federation, IPC B66C 13/42. Hydraulic drive for a timber crane boom lifting mechanism with a magnetic damping device: No. 2024127518: declared 18.09.2024: published 19.12.2024 / A. A. Sidorov, P. I. Popikov, E. V. Pozdnyakov [et al.]; applicant Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Voronezh State Forest Engineering University named after G.F. Morozov". – EDN YKCBDY.
