Forestry Engineering Journal Forestry Engineering Journal Лесотехнический журнал 2222-7962 86785 10.34220/issn.2222-7962/2024.2/8 Технологии. Машины и оборудование TECHNOLOGIES. MACHINERY AND EQUIPMENT Технологии. Машины и оборудование Kinematic and dynamic analysis of the lifting mechanism of a sorting truck manipulator equipped with a hydromechanical damper based on Euler and Runge-Kutta methods Кинематический и динамический анализ механизма подъема манипулятора сортиментовоза, оснащенного гидромеханическим демпфером, на основе методов Эйлера и Рунге-Кутты https://orcid.org/0000-0003-4179-8189 Богданов Дмитрий Сергеевич Bogdanov Dmitriy Sergeevich bogdanov_s69@mail.ru Попикова Алина Викторовна Popikova Alina V. poalinka@mail.ru Евсиков Иван Дмитриевич Evsikov Ivan Dmitrievich evsfan1997@gmail.com

аспирант технических наук;

graduate student of technical sciences;

 Попиков Сергей Константинович Popikov Sergei K. sergpopikov@mail.ru Полумиско Александр Алексеевич Polumisko Aleksandr Alekseevich alex-polumisko@mail.ru Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова Воронеж Россия Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov Voronezh Russian Federation Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова Воронеж Россия Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov Voronezh Russian Federation ООО «ИКПАД» Воронеж Россия Institute of Integrated Highway Design LLC Воронеж Russian Federation Воронежский государственный университет Voronezh State University 30 08 2024 30 08 2024 14 2 127 143 13 05 2024 04 06 2024 http://lestehjournal.ru/en/journal/2024/no-2-54/kinematic-and-dynamic-analysis-lifting-mechanism-sorting-truck-manipulator

Представлен анализ исследований кинематики и динамики рабочих процессов манипуляторов технологических машин. Целью исследования является снижение динамической нагруженности и повышение производительности лесного манипулятора путем кинематического и динамического анализа механизма подъема стрелы, оснащенного гидромеханическим демпфером. Разработаны расчетные схемы для механизма подъема стрелы и демпфера. Основой исследования служит математическая модель, описывающая кинематику и динамику подъема стрелы с учетом действия дополнительного демпфера. Модель включает в себя уравнения, описывающие взаимодействие основных параметров системы, таких как угол подъема стрелы, давление в напорном трубопроводе и ход плунжера демпфера. Решение системы уравнений представлено с использованием приближенного метода Эйлера и разложения в ряд Маклорена, а полученные функции анализируются с точки зрения их зависимости от времени и других ключевых параметров. В статье подробно описан метод расчета коэффициентов и численное решение по методу Рунге-Кутты, включая чувствительность модели к изменениям параметров. Задача решена в системе компьютерной алгебры Maxima. Особое внимание уделено анализу влияния малых параметров на поведение системы, что демонстрируется на графиках зависимостей ключевых переменных от времени. В заключении формулируются основные выводы, подчеркивающие значимость введения дополнительного демпфера для снижения динамической нагруженности и повышения производительности погрузочно-разгрузочных работ лесного манипулятора.

An analysis of research into the kinematics and dynamics of work processes of technological machine manipulators is presented. The aim of the study is to reduce the dynamic load and increase the productivity of the forest manipulator by kinematic and dynamic analysis of the boom lifting mechanism equipped with a hydromechanical damper. Calculation schemes for the boom and damper lifting mechanism have been developed. The research is based on a mathematical model describing the kinematics and dynamics of boom lifting, taking into account the action of an additional damper. The model includes equations describing the interaction of the main system parameters, such as the boom lifting angle, pressure in the pressure line and the stroke of the damper plunger. The solution of the system of equations is presented using the approximate Euler method and Maclaurin series expansion, and the obtained functions are analyzed in terms of their dependence on time and other key parameters. The article describes in detail the method of calculating coefficients and the numerical solution using the Runge-Kutta method, including the sensitivity of the model to changes in parameters. The problem is solved in the Maxima computer algebra system. Special attention is paid to the analysis of the influence of small parameters on the behavior of the system, which is demonstrated on the graphs of the dependencies of key variables on time. In conclusion, the main conclusions are formulated, emphasizing the importance of introducing an additional damper to reduce dynamic loading and increase the productivity of loading and unloading operations of the forest manipulator.

 манипулятор гидропривод демпфер механизм подъёма стрелы математическая модель расчетные схемы погрузочно-разгрузочные работы угол подъема стрелы давление в напорном трубопроводе ход плунжера демпфера. manipulator hydraulic drive damper boom lifting mechanism mathematical model calculation schemes loading and unloading operations boom lifting angle pressure in the pressure pipeline damper plunger stroke manipulator operation optimization

Голякевич С. А. Имитационное моделирование технологического оборудования форвардера как мехатронной системы. Труды БГТУ. Серия 1: лесное хозяйство, природопользование и переработка возобновляемых ресурсов. 2019. № 2 (222). С. 174-180. URL: https://elib.belstu.by/handle/123456789/30280. Golyakevich S. A. Imitacionnoe modelirovanie tehnologicheskogo oborudovaniya forvardera kak mehatronnoy sistemy. Trudy BGTU. Seriya 1: lesnoe hozyaystvo, prirodopol'zovanie i pererabotka vozobnovlyaemyh resursov. 2019. № 2 (222). S. 174-180. URL: https://elib.belstu.by/handle/123456789/30280. Голякевич С. А., Гороновский А. Р. Математическая модель динамики манипуляторов многооперационных лесозаготовительных машин. Труды БГТУ. Серия 1: лесное хозяйство, природопользование и переработка возобновляемых ресурсов. 2024. № 1 (276). С. 132-143. URL: https://elib.belstu.by/handle/123456789/62730. Golyakevich S. A., Goronovskiy A. R. Matematicheskaya model' dinamiki manipulyatorov mnogooperacionnyh lesozagotovitel'nyh mashin. Trudy BGTU. Seriya 1: lesnoe hozyaystvo, prirodopol'zovanie i pererabotka vozobnovlyaemyh resursov. 2024. № 1 (276). S. 132-143. URL: https://elib.belstu.by/handle/123456789/62730. Тарбеев А. А. Обеспечение надежности гидроприводов лесных машин совершенствованием методов и средств их диагностирования: автореф. канд. техн. наук. Йошкар-Ола, 2019. Tarbeev A. A. Obespechenie nadezhnosti gidroprivodov lesnyh mashin sovershenstvovaniem metodov i sredstv ih diagnostirovaniya: avtoref. kand. tehn. nauk. Yoshkar-Ola, 2019. Авдеева Е. В., Полетайкин В. Ф. Исследование нагрузок на гидроцилиндры манипулятора. Хвойные бореальной зоны. 2020; 28 (5-6). С. 305–309. URL: https://elibrary.ru/vknnjg. Avdeeva E. V., Poletaykin V. F. Issledovanie nagruzok na gidrocilindry manipulyatora. Hvoynye boreal'noy zony. 2020; 28 (5-6). S. 305–309. URL: https://elibrary.ru/vknnjg. Лагерев, А. В., Лагерев И. А. Современная теория манипуляционных систем мобильных многоцелевых транспортно-технологических машин и комплексов : Моделирование рабочих процессов и проектирование элементов гидропривода. Брянск, 2019. 201 с. ISBN 978-5-9734-0319-5. URL: https://elibrary.ru/vleqjy. Lagerev, A. V., Lagerev I. A. Sovremennaya teoriya manipulyacionnyh sistem mobil'nyh mnogocelevyh transportno-tehnologicheskih mashin i kompleksov : Modelirovanie rabochih processov i proektirovanie elementov gidroprivoda. Bryansk, 2019. 201 s. ISBN 978-5-9734-0319-5. URL: https://elibrary.ru/vleqjy. Лагерев И. А., Лагерев А. В. Моделирование рабочих процессов в гидроприводе кранов-манипуляторов. Инновационное развитие подъемно-транспортной техники. материалы всероссийской научно-практической конференции. 2019. С. 74-77. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=qwxevm&ysclid=lur3ln1yyx185211858. Lagerev I. A., Lagerev A. V. Modelirovanie rabochih processov v gidroprivode kranov-manipulyatorov. Innovacionnoe razvitie pod'emno-transportnoy tehniki. materialy vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii. 2019. S. 74-77. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=qwxevm&ysclid=lur3ln1yyx185211858. Лагерев А. В., Лагерев И. А. Моделирование рабочих процессов в дроссельно-регулируемом гидроприводе манипуляционных систем мобильных машин при совместном движении звеньев. Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2019. № 1. С. 59-82. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37289352&ysclid=lur3nj5m7g876441504. Lagerev A. V., Lagerev I. A. Modelirovanie rabochih processov v drossel'no-reguliruemom gidroprivode manipulyacionnyh sistem mobil'nyh mashin pri sovmestnom dvizhenii zven'ev. Nauchno-tehnicheskiy vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta. 2019. № 1. S. 59-82. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37289352&ysclid=lur3nj5m7g876441504. Власов Е. Н., Сергеевичев А. В., Добрынин Ю. А., Сергеевичев В. В. Анализ работы гидравлического манипулятора лесной машины с цикловой системой управления. Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2022. № 238. С. 99-112. DOI: https://doi.org/10.21266/2079-4304.2022.238.99-112. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=48186417. Vlasov E. N., Sergeevichev A. V., Dobrynin Yu. A., Sergeevichev V. V. Analiz raboty gidravlicheskogo manipulyatora lesnoy mashiny s ciklovoy sistemoy upravleniya. Izvestiya Sankt-Peterburgskoy lesotehnicheskoy akademii. 2022. № 238. S. 99-112. DOI: https://doi.org/10.21266/2079-4304.2022.238.99-112. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=48186417. Попиков П. И., Зеликов В. А., Яковлев К. А. [и др.] Имитационная модель автомобильного манипулятора, реализованная в среде САПР. Лесотехнический журнал. 2019. Т. 9, № 4 (36). С. 142–150. DOI: 10.34220/issn.2222-7962/2019.4/16. URL: https://elibrary.ru/qwhvkf. Popikov P. I., Zelikov V. A., Yakovlev K. A. [i dr.] Imitacionnaya model' avtomobil'nogo manipulyatora, realizovannaya v srede SAPR. Lesotehnicheskiy zhurnal. 2019. T. 9, № 4 (36). S. 142–150. DOI: 10.34220/issn.2222-7962/2019.4/16. URL: https://elibrary.ru/qwhvkf. Макаров А. А., Худякова С. Е. Разработка динамической модели робота типа scara с избирательной податливостью руки // Сборник научных трудов кафедры автоматики и промышленной электроники. Москва, 2021. С. 31-34. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=45772913&ysclid=lw08szlmz0747036875. Makarov A. A., Hudyakova S. E. Razrabotka dinamicheskoy modeli robota tipa scara s izbiratel'noy podatlivost'yu ruki // Sbornik nauchnyh trudov kafedry avtomatiki i promyshlennoy elektroniki. Moskva, 2021. S. 31-34. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=45772913&ysclid=lw08szlmz0747036875. Богданов Д. Р., Даринцев О. В. Динамика (кинематика) звена манипулятора с управляемым изгибом. // XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Сборник трудов. В 4-х томах. 2019. С. 528-530. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=21162642. Bogdanov D. R., Darincev O. V. Dinamika (kinematika) zvena manipulyatora s upravlyaemym izgibom. // XII Vserossiyskiy s'ezd po fundamental'nym problemam teoreticheskoy i prikladnoy mehaniki. Sbornik trudov. V 4-h tomah. 2019. S. 528-530. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=21162642. Крамарь В. А., Альчаков В. В., Крамарь О. А. Терминальный подход к построению управления антропоморфным манипулятором. Автоматизация и измерения в машино- приборостроении. 2019. № 4 (8). С. 49-56. URL: https://elibrary.ru/vsxsrq. Kramar' V. A., Al'chakov V. V., Kramar' O. A. Terminal'nyy podhod k postroeniyu upravleniya antropomorfnym manipulyatorom. Avtomatizaciya i izmereniya v mashino- priborostroenii. 2019. № 4 (8). S. 49-56. URL: https://elibrary.ru/vsxsrq. Шевелева Т. А. Программные и инструментальные средства для компьютерного моделирования кинематики механизмов. Прикладная математика и фундаментальная информатика. 2020. Т. 7, № 2. С. 36-47. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=45747127. Sheveleva T. A. Programmnye i instrumental'nye sredstva dlya komp'yuternogo modelirovaniya kinematiki mehanizmov. Prikladnaya matematika i fundamental'naya informatika. 2020. T. 7, № 2. S. 36-47. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=45747127. Кузьмина М. В., Казначеева А. А. Кинематический и динамический анализ движения робота манипуляционного типа. // Инновационное развитие техники и технологий в промышленности. Сборник материалов Всероссийской научной конференции молодых исследователей с международным участием. Москва, 2023. С. 182-187. URL: https://elibrary.ru/ceaumw. Kuz'mina M. V., Kaznacheeva A. A. Kinematicheskiy i dinamicheskiy analiz dvizheniya robota manipulyacionnogo tipa. // Innovacionnoe razvitie tehniki i tehnologiy v promyshlennosti. Sbornik materialov Vserossiyskoy nauchnoy konferencii molodyh issledovateley s mezhdunarodnym uchastiem. Moskva, 2023. S. 182-187. URL: https://elibrary.ru/ceaumw. Телегин А. И. Аналитическое решение первой задачи динамики манипуляторов. Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2022. Т. 22, № 1. С. 28–52. DOI: 10.14529/ctcr220103. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=48408894. Telegin A. I. Analiticheskoe reshenie pervoy zadachi dinamiki manipulyatorov. Vestnik YuUrGU. Seriya «Komp'yuternye tehnologii, upravlenie, radioelektronika». 2022. T. 22, № 1. S. 28–52. DOI: 10.14529/ctcr220103. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=48408894. Nosikov M. V., Telegin A. I. A New Type of the Manipulator Dynamics Equations for the Synthesis of Adaptive Pid Controller for Program Gripping. Journal of Computational and Engineering Mathematics. 2022. Vol. 9, No. 4. P. 26-33. DOI 10.14529/jcem220403. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=50198249. Nosikov M. V., Telegin A. I. A New Type of the Manipulator Dynamics Equations for the Synthesis of Adaptive Pid Controller for Program Gripping. Journal of Computational and Engineering Mathematics. 2022. Vol. 9, No. 4. P. 26-33. DOI 10.14529/jcem220403. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=50198249. Михайлов М. И., Шевченко А. В. Оптимизация траектории робота RA605 в составе роботизированного технологического комплекса для обработки дисков. Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2022. № 4 (91). С. 23-32. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-traektorii-robota-ra605-v-sostave-robotizirovannogo-tehnologicheskogo-kompleksa-dlya-obrabotki-diskov. Mihaylov M. I., Shevchenko A. V. Optimizaciya traektorii robota RA605 v sostave robotizirovannogo tehnologicheskogo kompleksa dlya obrabotki diskov. Vestnik Gomel'skogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. P.O. Suhogo. 2022. № 4 (91). S. 23-32. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-traektorii-robota-ra605-v-sostave-robotizirovannogo-tehnologicheskogo-kompleksa-dlya-obrabotki-diskov. Ситник С. М., Ту Р. Эффективная методология сбора данных для обучения обратной динамической модели манипулятора на основе аналитического метода. I. Челябинский физико-математический журнал. 2023. Т. 8, Вып. 1. С. 140-145. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=50415905. Sitnik S. M., Tu R. Effektivnaya metodologiya sbora dannyh dlya obucheniya obratnoy dinamicheskoy modeli manipulyatora na osnove analiticheskogo metoda. I. Chelyabinskiy fiziko-matematicheskiy zhurnal. 2023. T. 8, Vyp. 1. S. 140-145. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=50415905. Нелюбова А. В Исследование и анализ математической модели трехзвенного манипулятора. В книге: Конкурс научно-исследовательских работ студентов Волгоградского государственного технического университета. Волгоград, 2022. С. 414-415. URL: https://elibrary.ru/rctqps. Nelyubova A. V Issledovanie i analiz matematicheskoy modeli trehzvennogo manipulyatora. V knige: Konkurs nauchno-issledovatel'skih rabot studentov Volgogradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Volgograd, 2022. S. 414-415. URL: https://elibrary.ru/rctqps. Долматов А. В., Исмагулов М. Е. Разработка интеллектуальных мехатронных модулей SCARA-манипулятора четвертого поколения на базе микроконтроллера ESP8266. Высокопроизводительные вычислительные системы и технологии. 2022. Т. 6. № 1. С. 131-136. Режим доступа: https://elibrary.ru/gzwdwe. Dolmatov A. V., Ismagulov M. E. Razrabotka intellektual'nyh mehatronnyh moduley SCARA-manipulyatora chetvertogo pokoleniya na baze mikrokontrollera ESP8266. Vysokoproizvoditel'nye vychislitel'nye sistemy i tehnologii. 2022. T. 6. № 1. S. 131-136. Rezhim dostupa: https://elibrary.ru/gzwdwe. Vasilyev S. A., Mishin S. A., Limonov S. E., Nadezhdina O. A. Mechatronic module design of the control system of the braking mechanism and the clutch for transport and technological vehicles. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 981(3). P. 032007. DOI: 10.1088/1755-1315/981/3/032007. Vasilyev S. A., Mishin S. A., Limonov S. E., Nadezhdina O. A. Mechatronic module design of the control system of the braking mechanism and the clutch for transport and technological vehicles. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 981(3). P. 032007. DOI: 10.1088/1755-1315/981/3/032007. Дорняк О. Р., Маркова Л. В., Попиков С. К., Танчук П. В. Статическое нагружение силового гидропривода звеньев манипулятора лесотранспортной машины в критическом режиме. Лесотехнический журнал. 2023. Т. 13, № 2(50). С. 87–104. DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2023.2/5. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=54525084. Dornyak O. R., Markova L. V., Popikov S. K., Tanchuk P. V. Staticheskoe nagruzhenie silovogo gidroprivoda zven'ev manipulyatora lesotransportnoy mashiny v kriticheskom rezhime. Lesotehnicheskiy zhurnal. 2023. T. 13, № 2(50). S. 87–104. DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2023.2/5. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=54525084. Волошкин А. А., Рыбак Л. А., Скитова В. М., Ноздрачева А. В., Гапоненко Е. В. Создание трехмерной кинематической модели манипулятора Delta при помощи системы автоматизированного проектирования в NX. Робототехника и техническая кибернетика. Т. 11, № 1. Санкт-Петербург ЦНИИ РТК. 2023. С. 20-29. DOI: 10.31776/RTCJ.11103. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=50439476. Voloshkin A. A., Rybak L. A., Skitova V. M., Nozdracheva A. V., Gaponenko E. V. Sozdanie trehmernoy kinematicheskoy modeli manipulyatora Delta pri pomoschi sistemy avtomatizirovannogo proektirovaniya v NX. Robototehnika i tehnicheskaya kibernetika. T. 11, № 1. Sankt-Peterburg CNII RTK. 2023. S. 20-29. DOI: 10.31776/RTCJ.11103. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=50439476. Попиков П. И., Черных А. С., Богданов Д. С., Попиков С. К., Поздняков Е. В., Попикова А. В. Патент № 2789167 C1 Российская Федерация, МПК B66C 13/42. Гидропривод грузоподъемного механизма лесного манипулятора : № 2022119768 : заявл. 19.07.2022 : опубл. 30.01.2023 / заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова". URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=50267016. Popikov P. I., Chernyh A. S., Bogdanov D. S., Popikov S. K., Pozdnyakov E. V., Popikova A. V. Patent № 2789167 C1 Rossiyskaya Federaciya, MPK B66C 13/42. Gidroprivod gruzopod'emnogo mehanizma lesnogo manipulyatora : № 2022119768 : zayavl. 19.07.2022 : opubl. 30.01.2023 / zayavitel' Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya "Voronezhskiy gosudarstvennyy lesotehnicheskiy universitet imeni G.F. Morozova". URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=50267016.