Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Россия
Россия
Россия
Анализ исследований рабочих процессов манипуляторов технологических машин показали недостаточную надежность металлоконструкций и элементов гидропривода. Одним из способов повышения надежности лесных машин манипуляторного типа является снижение динамических нагрузок за счет применения различных демпфирующих устройств. Целью исследования является снижения динамической нагруженности и повышение надежности механизма подъема стрелы гидроманипулятора лесотранспортной машины. Авторами предлагается новый грузоподъемный механизм стрелы с пневмогидравлическим демпфирующим устройством, включающий пневмогидроаккумулятор и демпфер плунжерного типа, защищенный патентами на изобретение и полезную модель. Разработана математическая модель грузоподъемного механизма лесного манипулятора с пневмогидравлическим демпфирующим устройством, которая включает три уравнения: уравнение вращательного движения стрелы, уравнение расхода рабочей жидкости, включая расход пневмогидроаккумулятора, и уравнение движения плунжера демпфера. Решение задачи найдено при разложении функции в ряд Маклорена. По конечным формулам получены графики давления рабочей жидкости и рассчитаны коэффициенты динамичности без подключения пневмогидроаккумулятора составлякт 1,65, а с подключением 1,35, т.е. снижение динамической нагруженности на 18,5%. Проведены экспериментальные исследования на лабораторном стенде с серийным лесным гидроманипулятором ЛВ-210-01 по методу полнофакторного эксперимента. В результате обработки полученных осциллограмм получены статистические характеристики давления рабочей жидкости в поршневой полости гидроцилиндра привода стрелы для различных вылетов стрелы и диаметров дросселей демпфера без подкючения пневмогидроаккумулятора и с подключением. Установлено, что без подключения пневмогидроаккумулятора средний коэффициент динамичности равен 1,55, а с подключением средний коэффициент динамичности равен 1,32, т.е. снижение по экспериментальным данным происходит на 23 %, расхождение с теоретическими на 4,5%. Расчет зависимости вероятностного коэффициента безопасности 𝛾 от времени эксплуатации лесного гидроманипулятора ЛВ-210-01 показал, что без подключения пневмогидроаккумулятора допускаемое значение коэффициента безопасности (1,5-2,0) достигается через 15 лет, в то время как с подключением пневмогидроаккумулятора в демпфирующее устройство позволяет продлить срок эксплуатации свыше 20 лет. Полученные результаты имеют практическое значение для оценки динамической нагруженности и надежности манипуляторов лесных машин на стадии проектирования и могут быть использованы в проектных организациях лесного машиностроения.
гидроманипулятор, стрела, демпфер, гидропривод, пневмогилроаккумулятор, надежность, динамическая нагруженность
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. Памфилов Е.А., Капустин В.В., Пилюшина Г.А., Шевелева Е.В. Повышение работоспособности рабочих органов и трибосистем технологического оборудования харвестеров // Известия. вузов. Лесной журнал – 2021. – № 6. – C. 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. Евсиков И.Д., Богданов Д.С., Попикова А.В., Конюхов А.В. Влияние податливости гидропривода на динамическую нагруженность механизмов лесного манипулятора // Лесотехнический журнал. – 2023. – Т. 13. – № 3 (51). – С. 131–142. – DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2023.3/10.
4. Посметьев В.И., Никонов В.О., Мануковский А.Ю., Посметьев В.В., Казаков И.В. Моделирование поворотного механизма гидроманипулятора лесовозного автомобиля. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. – 2024. – № 5 (401). – С. 143-158. – DOI: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-5-143-158.
5. Голякевич С.А., Гороновский А.Р. Математическая модель динамики многооперационных лесозаготовительных машин // Труды БГТУ. Сер. 1, Лесное хоз-во, природопользование и перераб. возобновляемых ресурсов. – 2024. – № 1 (276). – С. 132-143. – DOI: https://doi.org/10.52065/2519-402X-2024-276-18.
6. Хиникадзе Т.А., Рыбак А.Т., Попиков П.И. Моделирование гидравлической системы устройства с самоадаптацией по силовым и кинематическим параметрам на рабочем органе / // Advanced Engineering Research. – 2021. – Т. 21, No 1. – С. 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. Селиверстов Г.В., Коломиец К.С., Анцев В.Ю., Анцев Н.В. Взаимосвязь усталостных и коррозионных процессов при оценке ресурса несущих металлоконструкций грузоподъемных машин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2021. – Вып. 3 – С. 132-137. – DOI: https://doi.org/10.24412/2071-6168-2021-3-132-137.
15. Мохирев А.П., Куницкая О.А., Калита Г.А., Вернер Н.Н., Швецова В.В. Оценка надежности лесозаготовительного харвестера // Лесной вестник / Forestry Bulletin. – 2022. – Т. 26. № 5. – С. 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.
