Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Россия
Проведен анализ современных исследований по динамике гидроприводов манипуляторов грузоподъемных машин. Установлено, что вопросы применения демпфирующих устройств в подъёмных механизмах манипуляторов и их математическое моделирование в переходных режимах до настоящего времени изучены недостаточно. Предложена конструктивная схема гидропривода механизма подъёма стрелы манипулятора с включённым магнитным демпфирующим устройством, обеспечивающим перераспределение энергии и подавление динамических воздействий. Целью представленного исследования является оценка эффективности предложенного магнитного демпфирующего устройства и разработанной математической модели для снижения динамических нагрузок в гидроприводе подъема стрелы лесного манипулятора. Разработана математическая модель динамики гидропривода, основанная на рекуррентных вычислительных схемах с явной дискретизацией по времени, что обеспечило корректный учет нелинейных свойств системы и позволило получить временные зависимости давления, угла подъёма стрелы и хода магнитного поршня в демпфирующем устройстве. Результаты численного моделирования показали, что применение магнитного демпфирующего устройства обеспечивает снижение максимальных динамических значений давления в гидросистеме подъёма стрелы в 1.4–1.5 раза по сравнению с режимом работы без демпфирования. Давление стабилизируется на уровне около 25 МПа, тогда как в контрольном режиме без демпфера колеблется в диапазоне 31–39 МПа, что сопровождается выраженными колебательными процессами.
манипулятор, гидропривод, магнитное демпфирующее устройство, механизм подъёма стрелы, математическая модель, погрузочно-разгрузочные работы, угол подъема стрелы, давление рабочей жидкости, ход магнитного поршня
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. Исследование и обоснование компоновки и параметров гидропривода механизма подъёма лесного манипулятора / П. И. Попиков, И. В. Четверикова, И. Д. Евсиков [и др.] // Resources and Technology. – 2023. – Т. 20, № 3. – С. 76-93. – DOIhttps://doi.org/10.15393/j2.art.2023.7063. – EDN QBUIMY.
2. Раин, Т. Описание программного комплекса для моделирования робота-манипулятора / Т. Раин // Вестник российских университетов. Математика. – 2023. – Т. 28, № 141. – С. 90-96. – DOIhttps://doi.org/10.20310/2686-9667-2023-28-141-90-96. – EDN CDGJPQ.
3. Создание трехмерной кинематической модели манипулятора Delta при помощи системы автоматизированного проектирования в NX / А. А. Волошкин, Л. А. Рыбак, В. М. Скитова [и др.] // Робототехника и техническая кибернетика. – 2023. – Т. 11, № 1. – С. 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. Геворкян, Г. А. Моделирование манипуляторов с упругими звеньями без обращения их матриц масс / Г. А. Геворкян // Журнал вычислительной математики и математической физики. – 2022. – Т. 62, № 3. – С. 521-528. – DOIhttps://doi.org/10.31857/S0044466922030061. – EDN PFQGKU.
6. Моделирование движений харвестера при выборочных рубках леса / Т. В. Сергеева, К. П. Рукомойников, Е. М. Царев [и др.] // Аграрный научный журнал. – 2024. – № 6. – С. 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 декабря 2020 года. – Innopolis, 2020. – P. 9290240. – DOIhttps://doi.org/10.1109/NIR50484.2020.9290240. – EDN JCGXIP.
8. Братчиков, С. А. Решение обратной задачи кинематики манипулятора / С. А. Братчиков, Е. А. Абрамова, Ю. В. Федосов // Вестник Томского государственного университета. Управление, вычислительная техника и информатика. – 2021. – № 56. – С. 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. Параметрический синтез упругодемпфирующих устройств в копающих механизмах карьерных экскаваторов / И. В. Зырянов, А. А. Иов, И. А. Иов, В. А. Храмовских // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2024. – № 4. – С. 121-133. – DOIhttps://doi.org/10.25018/0236_1493_2024_4_0_121. – EDN ZIAEII.
11. Гришанина, Т. В. Применение метода сил для расчета пространственного движения манипулятора с массивным твердым телом с учетом упругости звеньев и поворотных приводов / Т. В. Гришанина, С. В. Русских, Ф. Н. Шклярчук // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2023. – № 11(764). – С. 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 июля 2020 года / 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. Нестеров, С. А. Расчет и анализ процессов в многополюсном электромеханическом магнитореологическом демпфере / С. А. Нестеров, Ю. Б. Казаков, В. А. Филиппов // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2022. – № 1. – С. 18-22. – EDN QMGIRR.
15. Динамические испытания демпфера на основе эластомера с ферромагнитным порошковым наполнителем / С. А. Сомов, М. А. Косков, А. С. Иванов, Г. В. Степанов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. – 2025. – Т. 15, № 2. – С. 76-88. – DOIhttps://doi.org/10.21869/2223-1528-2025-15-2-76-88. – EDN YJWRWL.
16. Саттаров, Р. Р. Исследование электромагнитного поля управляемого магнитоэлектрического демпфера / Р. Р. Саттаров, Д. Р. Гарафутдинов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2020. – Т. 16, № 3. – С. 28-35. – DOIhttps://doi.org/10.17122/1999-5458-2020-16-3-28-35. – EDN LUNNGB.
17. Гарафутдинов, Д. Р. Регулирование магнитного потока в магнитоэлектрических устройствах / Д. Р. Гарафутдинов // Мавлютовские чтения : Материалы XVI Всероссийской молодежной научной конференции. В 6-ти томах, Уфа, 25–27 октября 2022 года. Том 3. – Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2022. – С. 349-354. – EDN KGIJFJ.
18. Болотов, А. Н. Экспериментальное изучение текучести наноструктурированной магнитной жидкости в сильном магнитном поле / А. Н. Болотов, О. О. Новикова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – № 15. – С. 692-700. – DOIhttps://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.692. – EDN FLAPPJ.
19. Морина, З. В. Динамика углового движения космических аппаратов с диссипативным демпфером / З. В. Морина // Труды МАИ. – 2025. – № 142. – EDN HHDCCA.
20. Ячиков, И. М. Определение динамических параметров постоянного магнита при его удержании в импульсном магнитном поле / И. М. Ячиков, В. И. Ширяев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. – 2020. – Т. 20, № 3. – С. 111-122. – DOIhttps://doi.org/10.14529/ctcr200312. – EDN QLNCPT.
21. Кинематический и динамический анализ механизма подъема манипулятора сортиментовоза, оснащенного гидромеханическим демпфером, на основе методов Эйлера и Рунге-Кутты / Д. С. Богданов, А. В. Попикова, И. Д. Евсиков [и др.] // Лесотехнический журнал. – 2024. – Т. 14, № 2(54). – С. 127-143. – DOIhttps://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2024.2/8. – EDN FHIJJX.
22. Патент на полезную модель № 230802 U1 Российская Федерация, МПК B66C 13/42. Гидропривод механизма подъема стрелы лесного манипулятора с магнитным демпфирующим устройством: № 2024127518: заявл. 18.09.2024: опубл. 19.12.2024 / А. А. Сидоров, П. И. Попиков, Е. В. Поздняков [и др.]; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова". – EDN YKCBDY.
