Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
An analysis of the work processes of manipulators of technological machines has shown insufficient reliability of metal structures and hydraulic drive elements. One of the ways to increase the reliability of manipulator-type forest machines is to reduce dynamic loads through the use of various damping devices. The aim of the study is to reduce the dynamic load and increase the reliability of the boom lifting mechanism of the hydraulic manipulator of the timber transport machine. The authors propose a new boom lifting mechanism with a pneumohydraulic damping device, including a pneumohydroaccumulator and a plunger-type damper, protected by patents for invention and utility model. A mathematical model of the lifting mechanism of a forest manipulator with a pneumohydraulic damping device has been developed, which includes three equations: the equation of rotational motion of the boom, the equation of the flow rate of the working fluid, including the flow rate of the pneumatic accumulator, and the equation of motion of the damper plunger. The solution to the problem is found by decomposing the function into a Maclaurin series. Using the final formulas, pressure graphs of the working fluid were obtained and the dynamic coefficients were calculated without connecting the pneumatic accumulator to 1.65, and with 1.35 connection, i.e. a decrease in dynamic load by 18.5%. Experimental studies were carried out on a laboratory stand with a serial LV-210-01 forest hydraulic manipulator using the method of a full-factor experiment. As a result of processing the obtained waveforms, statistical characteristics of the pressure of the working fluid in the piston cavity of the boom drive hydraulic cylinder for various boom spans and damper choke diameters were obtained without inflating the pneumatic accumulator and with connection. It was found that without the connection of a pneumatic accumulator, the average coefficient of dynamism is 1.55, and with the connection, the average coefficient of dynamism is 1.32, i.e., according to experimental data, a decrease occurs by 23%, a discrepancy with theoretical by 4.5%. The calculation of the dependence of the probabilistic safety coefficient 𝛾 on the operating time of the LV-210-01 forest hydraulic manipulator showed that without connecting a pneumatic hydraulic accumulator, the permissible value of the safety coefficient (1.5-2.0) is reached in 15 years, while with the connection of a pneumatic hydraulic accumulator in a damping device, it allows extending the service life over 20 years. The results obtained are of practical importance for assessing the dynamic load and reliability of manipulators of forest machines at the design stage and can be used in design organizations of the forestry engineering.
hydraulic manipulator, boom, damper, hydraulic drive, pneumatic-hydraulic accumulator, reliability, dynamic loading
Введение
Для повышения технико-экономической эффективности рабочих процессов лесных машин при сортиментной лесозаготовке необходимо повышать показатели эксплуатационной надежности, т.к. лесосечные машины работают в труднодоступных местах вдали от ремонтных и сервисных подразделений, и любая поломка приводит к значительным экономическим потерям. Самый большой недостаток существующих гидроприводов манипуляторов - гидроудар, возникающий в момент смены режимов подъема. Именно в момент гидроудара повышается динамическая нагруженность гидропривода и снижается надежность грузоподъемного механизма. Поэтому исследование вопросов снижения динамической нагруженности и повышения надежности грузоподъемного механизма машин манипуляторного типа, способов гашения всплесков давления, является актуальной задачей проводимых исследований в целях увеличения срока службы манипуляторов и повышения их технического уровня.
Опыт эксплуатации лесных машин показывает, что все отказы в основном происходят из-за ошибок при проектировании, изготовлении и эксплуатации и их можно подразделить на отказы гидросистем и отказы металлоконструкций. Наименее надежными элементами гидропривода являются рукава высокого давления (65 % от общего количества отказов по гидроприводу). Отказы металлоконструкции подразделяются на несколько видов: остаточная деформация, вязкий, усталостный и хрупкий изломы, которые вызваны динамическими и циклическими нагрузками. Выход из строя рукавов высокого давления и дорогостоящих металлоконструкций технологического оборудования приводят к аварийным ситуациям с человеческими жертвами, загрязнению окружающей среды при потере рабочей жидкости и к лесным пожарам.
Нами проведен детальный анализ исследований по основным направлениям снижения динамической нагруженности и повышения надежности технологических машин манипуляторного типа.
А) Анализ исследований, посвященных динамике гидропривода лесных манипуляторов
Е.А. Памфилов и др. 2021 [1] отмечают необходимость повышения эффективности заготовки древесины с помощью машин манипуляторного типа. В настоящее время лесопромышленные предприятия вынуждены закупать зарубежные харвестеры и форвардеры, стоимость которых значительно превышает стоимость отечественных лесозаготовительных машин. Поэтому необходимо разрабатывать рекомендации для производства отечественной лесозаготовительной техники, которая должна быть конкурентноспособной. В настоящее время в РФ на машиностроительных заводах ОАО «Майкопский машиностроительный завод», Великолукский машиностроительный завод ООО «Велмаш-С» выпускаются серийные гидроманипуляторы, которые устанавливаются на грузовые автомобили КамАЗ, Урал, МАЗ, КрАЗ и автомобили других производителей. Гидроманипулятор МАЙМАН-100S (ММ-100) представлен на рисунке 1 с грузовым моментом 100 кН∙м и максимальным вылетом 7,8 м. Гидросистема оснащена демпфером механизма поворота колонны, уменьшающим динамические нагрузки при повороте и остановке колонны в промежуточных положениях, двухреечным механизмом поворота гидроманипулятора для увеличения момента поворота с грузом. Для изготовления металлоконструкций гидроманипуляторов применяется высокопрочная сталь S500 с пределом текучести, в 1,4 раза превышающим аналогичный показатель для стали 09Г2С, что дает возможность увеличить прочность и снизить массу металлоконструкции на 400-500 кг. металлоконструкции на 400–500 кг.
1. Pamfilov E.A., Kapustin V.V., Pilyushina G.A., Sheveleva E.V. Povishenie rabotosposobnosti rabochikh organov i tribosistem tekhnologicheskogo oborudovaniya kharvesterov [Improving the efficiency of the working organs and tribosystems of harvester technological equipment] Izvestiya vuzov. Lesnoi zhurnal, 2021; 6: 135-149. – DOI: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-6-135-149.
2. Rybak A., Popikov, P., Bogdanov, D., Konyukhov, A. Investigation of the energy-saving hydraulic drive dynamics of the arrow lifting mechanism of the forestry manipulator. Networked control systems for connected and automated vehicles. 2022; 2:1995-2003. – DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-11051-1_205.
3. Yevsikov I.D., Bogdanov D.S., Popikova A.V., Konyukhov A.V. Vliyanie podatlivosti gidroprivoda na dinamicheskuyu nagruzhennost mekhanizmov lesnogo manipulyatora [The effect of hydraulic drive compliance on the dynamic loading of forest manipulator mechanisms]. Lesotekhnicheskii zhurnal, 2023; 13(3): 131–142. – DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2023.3/10.
4. Posmetev V.I., Nikonov V.O., Manukovskii A.Yu., Posmetev V.V., Kazakov I.V. Modelirovanie povorotnogo mekhanizma gidromanipulyatora lesovoznogo avtomobilya. [Simulation of the rotary mechanism of the hydraulic manipulator of a logging vehicle]. Izvestiya visshikh uchebnikh zavedenii. Lesnoi zhurnal, 2024; 5: 143-158. – DOI: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-5-143-158.
5. Golyakevich S.A., Goronovskii A.R. Matematicheskaya model dinamiki mnogooperatsionnikh lesozagotovitelnikh mashin. [Mathematical model of dynamics of multi-operational logging machines]. Lesnoe khoz-vo, prirodopolzovanie i pererab. vozobnovlyaemikh resursov, 2024; 1: 132-143. – DOI: https://doi.org/10.52065/2519-402X-2024-276-18.
6. Khinikadze T.A., Ribak A.T., Popikov P.I. Modelirovanie gidravlicheskoi sistemi ustroistva s samoadaptatsiei po silovim i kinematicheskim parametram na rabochem organe [Simulation of the hydraulic system of a device with self-adaptation according to power and kinematic parameters on a working body]. Advanced Engineering Research, 2021; 21(1): 55-61. – DOI: https://doi.org/10.23947/2687-1653-2021-21-1-55-61.
7. Li L., Lin Z., Jiang Y., Yu C., Yao J. Valve deadzone / backlash compensation for lifting motion control of hydraulic manipulators. Machines. 2021; 9(3): 57. – DOI: https://doi.org/10.3390/machines9030057.
8. Jensen K.J., Ebbesen M. K., Hansen M. R. Novel concept for electro-hydrostatic actuators for motion control of hydraulic manipulators. Energies. 2021; 14(20): 6566. – DOI: https://doi.org/10.3390/en14206566.
9. Petrovic G. R., Mattila J. Mathematical modelling and virtual decomposition control of heavy-duty parallel-serial hydraulic manipulators. Mechanism and Machine Theory. 2022; 170: 104680. – DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2108.05322.
10. 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; 10(3): 214. – DOI: https://doi.org/10.3390/machines10030214.
11. Han J., Wang F., Sun C. Trajectory tracking control of a manipulator based on an adaptive neuro-fuzzy inference system. Applied Sciences. 2023; 13(2):1046. – DOI: https://doi.org/10.3390/app13021046.
12. 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; 9: 153371 - 153381 vol. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3127502.
13. 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; 15(15): 5596. – DOI: https://doi.org/10.3390/en15155596.
14. Seliverstov G.V., Kolomiets K.S., Antsev V.Yu., Antsev N.V. Vzaimosvyaz ustalostnikh i korrozionnikh protsessov pri otsenke resursa nesushchikh metallokonstruktsii gruzopodemnikh mashin [The relationship between fatigue and corrosion processes in assessing the life of load-bearing metal structures of lifting machines]. Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2021; 3: 132-137. – DOI: https://doi.org/10.24412/2071-6168-2021-3-132-137.
15. Mokhirev A.P., Kunitskaya O.A., Kalita G.A., Verner N.N., Shvetsova V.V. Otsenka nadezhnosti lesozagotovitelnogo kharvestera [Assessment of the reliability of the logging harvester]. Lesnoi vestnik / Forestry Bulletin. 2022; 26(5): 93-101. – DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2022-5-93-101.
16. Brian C. Delaney, Q. Jane Wang, Vedant Aggarwal, Wei Chen, Ryan D. Evans. A contemporary review and data-driven evaluation of Archard-type wear laws, Appl. Mech. Rev. March 2025; 77(2): 022101. – DOI: https://doi.org/10.1115/1.4068297.
17. Erişir E., Ararat Ö. & Bilir O.G. Enhancing Wear Resistance of 100Cr6 Bearing Steels by New Heat Treatment Method. Metall Mater Trans A. 2022; 53: 850–860. – DOI: https://doi.org/10.1007/s11661-021-06556-3.
18. Zhang M., Ga, J., Han R. et al. Tribological Properties of AISI 52100 Bearing Steel under Different Sliding Distance and Normal Force Conditions. J. of Materi Eng and Perform. 2025; 34: 5081–5093. – DOI: https://doi.org/10.1007/s11665-024-09512-5.
19. Dolzhenko A., Pydrin A., Gaidar S., Kaibyshev R., Belyakov A. Microstructure and Strengthening Mechanisms in an HSLA Steel Subjected to Tempforming. Metals. 2022; 12: 48. – DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.3390/met12010048.
20. Salvini M., Grill N., Demir E., He S., Martin T., Flewitt P., Mostafavi M., Truman C., Knowles D. Effect of grain boundary misorientation and carbide precipitation on damage initiation: A coupled crystal plasticity and phase field damage study. International Journal of Plasticity. 2024; 172: 103854. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103854.
