Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
The article is devoted to the problems of simulation of the working process of a truck-mounted crane using modern computer-aided design systems and applications for engineering calculations. Currently, analytical methods are mainly used to model the operation of manipulator technology, such as “manual” compilation and solution of Lagrange equations of the second order, or even simpler evaluative calculations based only on basic concepts of theoretical mechanics. However, such objects consist of many parts that are in a complex rotational motion and contact interaction with each other. If such complex systems are modeled by the indicated analytical methods, one has to introduce a number of assumptions that greatly simplify the mathematical model. The level of its adequacy is low. Also recently, numerical methods for modeling mechanisms that are implemented through programming languages by using a detailed description of the process under study are often used abroad. An alternative to these methods is the use of computer-aided design systems in which numerical methods are built-in at the core level of the program and require setting the basic geometric, dynamic and kinematic parameters of the mechanism and the environment, after which they can calculate the functioning parameters of the object under study. The process of creating a simulation model of a truck mounted crane, which is an analogue of an existing laboratory setup, has been considered. To do this, a 3D model of the manipulator in the SolidWorks CAD environment has been developed. The creation technique and the main features of the obtained simulation model have been described
truck mounted crane, simulation, CAD, engineering calculations applications
Введение
В настоящее время для моделирования работы автотракторных кранов-манипуляторов преимущественно используются аналитические методы, такие как «ручное» составление и решение уравнений Лагранжа II рода, либо еще более простые оценочные расчеты, основанные лишь на базовых понятиях теоретической меха-ники. Однако автотракторные агрегаты состоят из множества деталей, находящихся в сложном поступательном и вращательном движении, контактном взаимодействии друг с другом. Если такие сложные системы моделировать указан-ными аналитическими методами, приходится вводить целый ряд допущений, которые сильно упрощают математическую модель, и уровень ее адекватности оказывается крайне низким [1, 2].
В последнее время за рубежом часто используют численные методы моделирования механизмов, которые реализуются через языки программирования, путём детального описания изучаемого процесса. Также применяют совре-менные системы автоматизированного проекти-рования, в которых численные методы встроены на уровне ядра программы и требуют от ученого задания основных геометрических, динамических и кинематических параметров механизма и окру-жающей среды, после чего позволяют рассчитать параметры функционирования исследуемого объекта [2, 3, 4].
Цель исследования
Последовательность создания имитацион-ной модели манипулятора ЛВ-210-02 (рис. 2, а) с применением САПР SolidWorks.
Материал и методы исследования
На первой стадии создаются отдельные элементы конструкции и задаются материалы, из которых они изготовлены. Это позволяет определить массовые характеристики 3D-моделей. Затем полученные детали компонуются в сборочном чертеже посредством задания характера сопряжения отдельных элементов. Полученная 3D-сборка полностью воспроизводит кинематику реального объекта и может использоваться для кинематических исследо-ваний и анимации рабочего процесса (рис. 1).
Вторая стадия – это непосредственное создание имитационной модели. Для этого используются САЕ-приложения, способные не только имитировать движение, но и получать данные о различных кинематических, динами-ческих и силовых характеристиках процесса. Нами была использована программа Motion интегрированная в САПР SolidWorks и обладающая требуемым функционалом.
На рис. 2 представлена имитационная модель манипулятора (б) и стационарная лабора-торная установка (а), предназначенная для проведения лабораторных исследований дистан-ционного управления манипулятором [1].
В общем виде процесс создания имитацион-ной модели включает следующие этапы: создание 3D-модели полностью воспроизводящей кинема-тику и массовые характеристики реального мани-пулятора; приложение к штокам гидроцилиндров линейных двигателей; приложение к механизму поворота колонны углового двигателя; создание на временной шкале ключевых точек, обеспечива-ющих включение и выключение двигателей, изменение их скоростей; установка датчиков, фиксирующих требуемые физические параметры процесса (например, силы, возникающие на приложенных двигателях, потребляемая ими мощность, скорости движения звеньев и т.п.).
На рис. 3 приводится скриншот рабочего окна программы SOLIDWORKS Motion во время моделирования рабочего процесса. Для отслеживания изменений в реальном времени выведены некоторые ключевые характеристики.
Новизна исследования
Новизна предлагаемого подхода к модели-рованию манипуляторных установок заключается в комплексном применении параметрического
3D-моделирования.
Это позволяет создать не только конструкторскую документацию, но и произвести исследования рабочего процесса с применением САЕ-приложений.
Результаты исследования
Рассмотренная имитационная модель дает возможность изучить работу манипулятора при различных рабочих режимах и выбрать оптималь-ные траектории его движения, позволяющие обеспечить максимальную производительность и безопасность рабочего процесса.
Для проверки работоспособности и адекватности предлагаемой имитационной модели был проведен виртуальный эксперимент. В эксперименте моделировалось движение мани-пулятора по сложной траектории, задачей которого был выход в определенную точку. Для этого осуществлялось параллельное включение двига-телей подъема стрелы (0…7,33 с), поворота стрелы (3,65…12 с) и выдвижения стрелы (6…12). Таким образом обеспечивалось совмещение до 3 операций (временной участок 6…7,33 с) (рис. 4).
Как видно из графиков, представленных на рис. 4, использование имитационной модели позволяет в режиме реального времени произ-водить оценку динамической нагруженности манипулятора.
Дальнейшим развитием имитационной моде-ли будет установка манипулятора на различные базовые машины и исследование устойчивости агрегата в разнообразных рабочих режимах (работа без аутригиров, с установленными аутригирами и т.п.), в том числе с учетом свойств опорных поверхностей. Также возможно моделирование процесса перемещения грузов разной простран-ственной конфигурации с использованием различ-ных схем крепления.
Отдельно стоит отметить возможность исследования оптимальных траекторий движения манипулятора на их допустимость с точки зрения динамических нагрузок на элементы конструкции манипулятора, устойчивость агрегата и раскачивание груза.
Заключение
Таким образом, имитационная модель манипулятора способная полностью воспроизводить кинематику реального манипулятора дает возможность исследования как отдельных операций (подъем стрелы, выдвижение стрелы, поворот колонны), так и их различных комбинаций. Также важным преимуществом имитационной модели является возможность визуального контроля в реальном времени и наличие функций создания анимации рабочего процесса. Это позволяет оценить правильность работы имитационной модели и проработать оптимальные траектории движения манипулятора.
1. Posmet'ev, V. I. Povyshenie effektivnosti lesovoznogo avtomobilya s pomosch'yu rekuperativnogo gidroprivoda / V. I. Posmet'ev, V. O Nikonov // Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2017. - № 131. - S. 100-113. - URL: http://ej.kubagro.ru/2017/131/pdf/54.pdf.
2. Optimizaciya parametrov gruzopod'emnyh mehanizmov avtomobil'nyh gidromanipulyatorov / D. N. Rodionov, P. I. Popikov, I. V. Chetverikova, S. S. Venevitina // Al'ternativnye istochniki energii v transportno-tehnologicheskom komplekse: problemy i perspektivy racional'nogo ispol'zovaniya: sb. nauch. trudov po materialam ezhegodnyh konferenciy / otv. red. A. I. Novikov. - Voronezh, 2016. - T. 3, vyp. 2 (5). - S. 278-282.
3. Shelenkov, A. N. Ispol'zovanie 3D modelirovaniya dlya rascheta gidromanipulyatorov / A. N. Shelenkov, P. G. Kolesnikov. // Sovremennye naukoemkie tehnologii. - 2010. - № 3. - S. 56-57.
4. Matematicheskoe modelirovanie processov v sisteme gidroprivoda lesnyh manipulyatorov / P. I. Popikov, P. I. Titov, A. A. Sidorov, S. V. Dolzhenko [i dr.] // Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2011. - № 69. - S. 96-106. - URL: http://ej.kubagro.ru/2011/69/pdf/28.pdf.
5. Kolesnikov, P. G. Primenenie apparata trehmernogo tverdotel'nogo modelirovaniya v SAPR "SolidWorks" pri raschete elementov gidromanipulyatorov / P. G. Kolesnikov, G. D. Moiseev // Novye materialy i tehnologii v mashinostroenii. - 2013. - № 18. - S. 148-150.
6. Posmet'ev, V. I. Komp'yuternoe modelirovanie rekuperativnogo tyagovo-scepnogo ustroystva lesovoznogo avtomobilya s pricepom / V. I. Posmet'ev, V. O. Nikonov, V. V. Posmet'ev // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. - 2019. - № 4 (370). - S. 108-123.
7. Popikov, P. I. Effektivnost' primeneniya rekuperativnogo privoda na lesnyh mashinah / P. I. Popikov, D. V. Oboyancev, K. A. Menyaylov // Lesotehnicheskiy zhurnal. - 2012. - № 3 (7) - S. 95-98.
8. Smirnov, M. Yu. Rezul'taty eksperimental'nyh issledovaniy prodolzhitel'nosti pogruzki i vygruzki lesomaterialov navesnymi gidromanipulyatorami / M. Yu. Smirnov, I. R. Bakulina // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa - Lesnoy vestnik. - 2008. - № 4. - S. 43-47.
9. Ermalickiy, A. A. Matematicheskoe modelirovanie processov pogruzki pachek sortimentov i hlystov kolesnym lesopogruzchikom s gidromanipulyatorom / A. A. Ermalickiy, D. V. Klokov, M. T. Naskovec // Aktual'nye problemy lesnogo kompleksa. - 2005. - № 11. - S. 8-12.
10. Analiz dinamiki teleskopicheskih gidromanipulyatorov lesnyh mashin / V. F. Poletaykin, P. G. Kolesnikov, A. G. Savel'ev, G. D. Moiseev // Mehanizaciya stroitel'stva. - 2016. - T. 77. - № 12. - S. 41-44.
11. Ocenka putey modernizacii lesovoznogo avtopoezda, osnaschennogo gidromanipulyatorom / I. R. Shegel'man, V. I. Skrypnik, A. V. Kuznecov, A. S. Vasil'ev // Fundamental'nye issledovaniya. - 2016. - № 12-4. - S. 789-794.
12. Sergeev, A. A. Primenenie gidromanipulyatora na gruzovom transportnom sredstve / A. A. Sergeev // Nauka, tehnika i obrazovanie. - 2017. - № 1 (31). - S. 55-57.
13. Gol'shteyn, G. Yu. Zavisimost' proizvoditel'nosti gidromanipulyatora LZM ot izmeneniya parametrov gidrosistemy / G. Yu. Gol'shteyn // Aktual'nye problemy lesnogo kompleksa. - 2008. - № 21-3. - S. 188-190.
14. Energy saving of hydraulic drives of machines due to increase of effectiveness of hydraulic cylinders cuffs according to the results of simulation modeling / V. I. Posmetev, I. M. Bartenev, M. A. Malyukova, S. V. Malyukov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering The I International Scientific Practical Conference "Breakthrough Technologies and Communications in Industry". 2019.
