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.
