Динамическая модель взаимодействия роторного рабочего органа с древесно-кустарниковой растительностью Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Технологии. Машины и оборудование

Сведения об авторах

Аксенов Алексей Александрович - доцент кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: aaa-aksenov@mail.ru.

Малюков Сергей Владимирович - доцент кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: maljukov-sergejj@rambler.ru.

Information about authors

Aksenov Alexey Aleksandrovich - Associate Professor of Production, Repair and Maintenance of Machinery Department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: aaa-aksenov@mail.ru.

Malyukov Sergey Vladimirovich - Associate Professor Department of Forestry Mechanization and Machine Design, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: maljukov-sergejj@rambler.ru.

DOI: 10.12737/17423 УДК 62-932.2

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РОТОРНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА С ДРЕВЕСНО-КУСТАРНИКОВОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ

кандидат технических наук М. А. Платонова1 доктор технических наук, профессор М. В. Драпалюк2 кандидат технических наук, доцент А. А. Платонов1 1 - ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»,

г. Москва, Российская Федерация

2 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-38-50524 мол_нр.

В настоящее время ОАО «Российские железные дороги» формирует согласованную политику в области обеспечения безопасности и надёжности перевозочного процесса, при этом одной из актуальных является проблема удаления нежелательной древесно-кустарниковой растительности в полосе отвода железных дорог. В соответствии с действующими инструкциями в полосе отвода

Лесотехнический журнал 4/2015 201

Технологии. Машины и оборудование

не допускается разрастание сорной древесно-кустарниковой растительности. Удаление нежелательной поросли в полосе отвода механическим методом может осуществляться рабочим органом (режущей головкой), управляемым манипуляторной установкой. В статье рассматриваются вопросы динамического взаимодействия роторного рабочего органа с нежелательной древеснокустарниковой растительностью. На основе разработанной схемы реальных условий резания поросли, в которых ось вращения ротора и ось поросли перекрещиваются, находясь на некотором расстоянии, приведён целый ряд зависимостей. Результирующая сила резания определена с учётом угла скорости резания и угла подачи, а также отклонения оси поросли под воздействием резца ротора в направлении его вращения. Показано, что высота среза поросли непрерывно уменьшается до некоторого минимального значения, определяемого в соответствии с технологической картой, при этом значение может быть отрицательным в случае взаимодействия ротора с почвой. Для обеспечения эффективного среза поросли без излома (с целью одновременного преобразования её в щепу соответствующим рабочим органом) приведён ряд следующих условий, выполнение которых зависит от физико-механических характеристик удаляемой растительности. Рассмотренная динамическая модель взаимодействия роторного рабочего органа с древесно-кустарниковой растительностью позволяет получить ряд важнейших практических рекомендаций для целой системы машин, обладающих определёнными общими свойствами.

Ключевые слова: железная дорога, безопасность движения, нежелательная растительность, манипулятор, динамические параметры.

DYNAMIC MODEL OF INTERACTION WITH ROTARY THE WORKING BODY

OF TREES AND SHRUBS

PhD in Engineering M. A. Platonova1 DSc in Engineering, Professor M. V. Drapalyuk2 PhD in Engineering, Associate Professor А. A. Platonov1 1 - Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Moscow State University of Railway Engineering», Moscow, Russian Federation 2 - Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation Research has been made with financial support of Russian Foundation for Basic Research within the scientific project № 15-38-50524 mol_nr.

Abstract

At present JSC «Russian Railways» forms a coherent policy on safety and reliability of the transportation process, with one of the most urgent is the problem of removing unwanted trees and shrubs in the right of way of railways. In accordance with the applicable instructions in the right of way is not allowed of weeds overgrowth of trees and shrubs. Removal of unwanted trees and shrubs in the right of way mechanical method can be carried out a working body (the cutting head), controlled by manipulator. The article examines the dynamic interaction between the rotor of the working

202 Лесотехнический журнал 4/2015

Технологии. Машины и оборудование

body of unwanted trees and shrubs. On the basis of the actual conditions of the scheme developed by cutting shoots in which the axis of rotation of the rotor axis and are crossed overgrown, is at a distance, is given a number of dependencies. The resultant cutting force is determined taking into account the angle of the cutting speed and the angle of supply and axis deviation shoots under the influence of the tool in the direction of rotor rotation. It is shown that the height of the cut shoots continuously decreases to a certain minimum value determined in accordance with the technological map, and the value can be negative in the case of the interaction of the rotor with the soil. To ensure the effective cutting shoots without a break (to simultaneously transform it into chips the corresponding working body) is given a number of these conditions, the implementation of which depends on the physical and mechanical characteristics of the vegetation removed. Considered a dynamic interaction model rotary working member with trees and shrubs allows you to get a number of important practical recommendations for the whole system of machines having certain common properties.

Keywords: railway, traffic safety, unwanted vegetation, manipulator, dynamic parameters.

В настоящее время для обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте продолжает оставаться актуальной проблема удаления нежелательной древесно-кустарниковой растительности в полосе отвода железных дорог [1, 2].

К актуальной и потенциально возможной вредоносности от растительности на объектах инфраструктуры относится ухудшение видимости сигналов и габаритных огней, угроза падения крон деревьев на путь и контактную сеть, нарушение габарита приближения, вторичный источник облесения смежных сельскохозяйственных угодий от налёта семян нежелательных пород, снижение эстетического восприятия клиентами инфраструктуры железных дорог в целом и т.д. [3].

Удаление нежелательной древеснокустарниковой растительности в полосе отвода механическим методом [4] может осуществляться роторным рабочим органом (режущей головкой), управляемым, например, манипуляторной установкой [5, 6, 7].

Во время процесса резания поросли

Лесотехнический журнал 4/2015 203

нежелательной растительности на роторный рабочий орган, в соответствии с рисунком, действует ряд сил.

Рисунок. Схема взаимодействия роторного рабочего органа с порослью

Окружная сила резания Fr направлена по касательной к поперечному сечению

Технологии. Машины и оборудование

ротора, при этом её вектор ориентирован в сторону вращения ротора.

Сила подачи Fs направлена вдоль поросли, при этом её вектор ориентирован в сторону места произрастания поросли.

Результирующая сила резания Pe является равнодействующей для вышеприведённых сил, по отношению к которым находится под углами J] и /Л (обоснование данных углов приведено ниже).

Результирующая сила резания определится как:

Pe =VF? + Ff + 2 • Fr • Fs • cos(Fr, Fs), Н.(1)

В идеальных условиях резания нежелательной растительности ось вращения ротора и ось поросли пересекаются, при этом сама поросль не отклоняется в стороны и имеет одинаковый диаметр по всей своей длине. В реальных условиях резания ось вращения ротора и ось поросли перекрещиваются, находясь на расстоянии А. Если рассмотреть поросль как консольную балку, жёстко заделанную одним концом, то можно отметить, что под действием внешних сил, расположенных в силовой плоскости, её ось искривляется в той же плоскости. При этом все точки оси также перемещаются (в частности, точка E контакта поросли с резцом отклоняется под воздействием резца ротора в направлении его вращения на расстояние w).

В соответствии с теорией упругости перемещение исследуемой точки E определится как:

w = Fr • l 3/з • E • Ix , мм, (2)

где l - расстояние от точки роста поросли (или точки ответвления от центрального ствола), равное начальной высоте среза hcp поросли, мм;

204

Ix - полярный момент инерции поперечного сечения относительно нейтральной

оси (Ix = Ж • dCp j64 , мм4);

E - модуль упругости материала поросли. При срезании поросли модуль упругости поперёк древесных волокон E = 600-800 МПа.

Высота среза hcp поросли в процессе взаимодействия с ним рабочего органа всё время уменьшается от начального значения hmax до значения hmin, определяемого в соответствии с технологическим процессом общей подачей рабочего органа So:

hcp = hmax _ hmin, мм. (3)

Чаще всего величина hmin, принимается равной нулю (полное удаление нежелательной растительности) или близким к нему (в этом случае образуется пень или часть ветки остаётся). Однако нередки случаи заглубления резцов ротора в почву для удаления корней поросли. В этом случае величина hmin, может приниматься отрицательной.

Учитывая, что при срезе поросли её отклонения от вертикали могут быть очень малы, угол v, определяющий перемещение точки Е поросли, найдётся как:

V = arctgw/hcp ). (4)

С учётом вышесказанного, можно сделать вывод, что при резании резцы ротора и поросль одновременно перемещаются относительно друг друга. Эти движения, являющиеся рабочими в рассматриваемом процессе, состоят из движений главного, подачи, касательного и результирующего [8, 9].

Результирующее (суммарное) движение резания De является следствием нескольких одновременно осуществляемых движений и включает главное движение, движение

Лесотехнический журнал 4/2015

Технологии. Машины и оборудование

подачи и касательное движение. Скорость рассматриваемой точки режущей кромки в результирующем движении резания является скоростью результирующего движения Ve:

Ve=Vr+Vs+VK, (5)

где Vr - скорость рассматриваемой точки Е режущей кромки резца в главном движении резания, м/с;

Vs - скорость движения подачи, м/с;

Vk - скорость касательного движения, м/с.

Вышеприведённые скорости расположены по отношению друг к другу под следующими углами [10]. Углом скорости резания Л является угол в рабочей плоскости между направлениями скоростей результирующего движения резания Ve и главного движения резания Vr (рис.). Углом подачи [Л является угол в рабочей плоскости между направлениями скоростей движения подачи Vs и результирующего движения резания Ve.

В реальных условиях резания отклонения срезаемого ствола от вертикали под действием резцов ротора невелико. Поэтому начальный угол скорости резания Лн опреде-

ляем в точке, соответствующей вертикальному положению поросли в начале её взаимодействия с резцом:

Лн = arctg

С V \ v s

f

arctg

S

\

r

V n' Dr J

(6)

V V j

где Sr - величина линейной подачи на один оборот ротора, мм;

Dr - рабочий диаметр ротора, мм.

С учётом реального отклонения поросли от вертикального положения на угол v принимаем величину угла скорости резания Л как:

Л = arctg{Sr fn- Dr ) + v. (7)

Таким образом, угол между главной силой резания Fr и силой подачи Fs определится суммой углов скорости резания Л и

подачи /Л:

Z(Fr, Fs) = Л + Л. (8)

Для определения сил, действующих на рассматриваемую точку поросли, рассмотрим скорости при резании нежелательной поросли.

Скорость главного движения резания Vr определится как:

Vr = n - Dr • nrj1000, м/мин, (9)

где nr - частота вращения ротора, об/мин.

Скорость подачи при резании нежелательной поросли рассчитывается по формуле: Vs = Sr/1000, м/мин. (10)

Величина линейной подачи Sr на один оборот ротора определится как:

Sr = Sz - z - Пг , мм/мин, (11)

где Sz - подача на один резец ротора, мм/резец;

z - число резцов ротора.

С учётом вышеприведённых зависимостей подача на один резец ротора Sz будет равна:

Sz = 1000-Vs/z-nr , мм. (12)

Таким образом, время среза единичного экземпляра нежелательной поросли определится как:

Tr = hcp jSr , мин. (13)

Окружная сила Fr определится с учётом удельной силы резания:

(

k +

V

др • pл

dcp J

• an

- а

w ’

Н/мм2, (14)

Лесотехнический журнал 4/2015

205

Технологии. Машины и оборудование

где к - касательное давление срезаемого слоя на переднюю поверхность резца, Н/мм2; p - фиктивная сила резания, Н/мм; dcp - средний диаметр срезаемого слоя растительности, мм;

ар - коэффициент затупления резца; ап - коэффициент учёта породы растительности;

aw - коэффициент влажности древесины.

Касательное давление к можно определить с учётом угла резания ё и скорости резания:

к = 0,029 • 8 + С-V'-5.9, (15)

где коэффициент C = 0,059 при ё< 550 и C = 0,069 при ё > 550;

V’ - скорость резания (при Vr < 50 м/с величина V’= 90 - Vr), м/с.

Тогда главная (окружная) сила резания будет равна:

где be

Fvd • be • te • Vs

F = yd e e s , h, (16)

r 60 • V,

ширина резания, мм. Минимальное

значение be равно диаметру срезаемой поросли, максимальное - ширине захвата рабочего органа Враб;

te - глубина срезания поросли, мм.

Для обеспечения эффективного среза поросли без излома (с целью одновременного преобразования её в щепу соответствующим рабочим органом) необходимо выполнение следующих условий:

Fr <

п • (!Ср • \оизг ]

32 • h

Ср

F<

п - dcp ' \®изг]

32 • w

, Н

(17)

где [аизг] - предельно допустимые напряжения на изгиб для материала поросли.

В целом, рассмотренная динамическая модель взаимодействия роторного рабочего органа с древесно-кустарниковой растительностью позволяет получить ряд важнейших практических рекомендаций для целой системы машин, обладающих определёнными общими свойствами.

Библиографический список

1. Антипов, Б.В. Научные основы разработки системы защиты от растительности железнодорожного пути и других объектов производственной инфраструктуры [Текст] : авто-реф. дисс. ... докт. техн. наук: 05.22.06 / Б.В. Антипов. - М.: 2014. - 48 с.

2. Платонов, А.А. Особенности эксплуатации специального самоходного подвижного состава на комбинированном ходу [Текст] / А.А. Платонов, М.А. Платонова // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2013. - № 1. - С. 152-155.

3. Антипов, Б.В. Мульчерные технологии в полосе отвода железных дорог [Текст] / Б.В. Антипов, С.Ю. Маркелов, М.Т. Хайдаров. Под ред. Б.В. Антипова. - М.: 2013. - 115 с.

4. Yu, K.H. Position Control of an Underactuated Manipulator Using Joint Friction [Text] / K.H. Yu, Y. Shito, H. Inooka // International Journal ofNon-Linear Mechanics. - 1998. - Vol. 33. - no. 4. - pp. 607-614.

5. Rao, S.S. Probabilistic Approach to Manipulator Kinematics and Dynamics [Text] / S.S. Rao, P.K. Bhatti // Reliability Engineering & System Safety. - 2001. - Vol. 72. - no. 1. - pp. 47-58.

6. Матюхин, В.И. Стабилизация движений манипулятора вдоль заданной поверхности

206

Лесотехнический журнал 4/2015

Технологии. Машины и оборудование

[Текст] / В.И. Матюхин // Автоматика и телемеханика. - 2011. - № 4. - С. 71-85.

7. Барахов, В.М. Управление многозвенным манипулятором с распределенными параметрами [Текст] / В.М. Барахов, Ю.Н. Санкин // Автоматика и телемеханика. - 2007. - № 8. - С. 57-67.

8. Theodoridis, D.C. A New Adaptive Neuro-Fuzzy Controller for Trajectory Tracking of Robot Manipulators [Text] / D.C. Theodoridis, Y.S. Boutalis, M.A. Christodoulou // International Journal of Robotics and Automation. - 2011. - Vol. 26. - no. 1. - pp. 64-75.

9. Dwivedy, S.K. Dynamic Analysis of Flexible Manipulators, a Literature Review [Text] / S.K. Dwivedy, P. Eberhard // Mechanism and Machine Theory. - 2006. - Vol. 41. - no. 7. - pp. 749-777.

10. Глебов, И.Т. Расчет режимов резания древесины [Текст] : монография / И.Т. Глебов. - Екатеринбург: 2005. - 155 с.

References

1. Antipov B.V. Nauchnye osnovy razrabotki sistemy zashhity ot rastitel'nosti zhe-leznodorozhnogo puti i drugih obektov proizvodstvennoj infrastruktury avtoref. diss. dokt. tehn. nauk [The scientific basis for the development of anti-vegetation railway tracks and other industrial infrastructure. Author. Doctor. tehn. Sciences Diss.]. Moscow, 2014, 48 p. (In Russian).

2. Platonov A.A., Platonova M.A. Osobennosti jekspluatacii special'nogo samohodnogo podvizhnogo sostava na kombinirovannom hodu [Features of operation of special self-propelled rolling stock on the combined course] Aktual'nye napravlenija nauchnyh issledovanij 21 veka: teorija i praktika [Actual directions of scientific investigations of the 21 century: Theory and Practice]. 2013, no. 1, pр. 152-155 (In Russian).

3. Antipov B.V., Markelov S.Ju. Mul'chernye tehnologii v polose otvoda zheleznyh dorog [Shredders of technology on the ROW railways]. Moscow, 2013, 115 p. (In Russian).

4. Yu K.H., Shito Y., Inooka H. Position Control of an Underactuated Manipulator Using Joint Friction. International Journal of Non-Linear Mechanics, 1998, Vol. 33, no. 4, pp. 607-614.

5. Rao S.S., Bhatti P.K. Probabilistic Approach to Manipulator Kinematics and Dynamics. Reliability Engineering & System Safety, 2001, Vol. 72, no. 1, pp. 47-58.

6. Matjuhin V.I. Stabilizacija dvizhenij manipuljatora vdol' zadannojpoverhnosti [Stability of the manipulator along a predetermined surface]. Avtomatika i telemehanika [Automation and Remote Control]. 2011, no. 4, p. 71-85. (In Russian).

7. Barahov V.M., Sankin Ju.N. Upravlenie mnogozvennym manipuljatorom s raspredelenny-miparametrami [Managing multi-link the manipulator with the distributed parameters]. Avtomatika i telemehanika [Automation and Remote Control]. 2007, no. 8, pp. 57-67. (In Russian).

8. Theodoridis D.C., Boutalis Y.S., Christodoulou M.A. A New Adaptive Neuro-Fuzzy Controller for Trajectory Tracking of Robot Manipulators. International Journal of Robotics and Automation, 2011, Vol. 26, no. 1, pp. 64-75.

9. Dwivedy S.K., Eberhard P. Dynamic Analysis of Flexible Manipulators, a Literature Review. Mechanism and Machine Theory, 2006, Vol. 41, no. 7, pp. 749-777.

10. Glebov I.T. Raschet rezhimov rezanija drevesiny [The calculation of timber of cutting conditions]. Ekaterinburg, 2005, 155 р.

Лесотехнический журнал 4/2015

207

Технологии. Машины и оборудование

Сведения об авторах

Платонова Марина Алексеевна - старший преподаватель кафедры эксплуатации железных дорог, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения», кандидат технических наук, г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Marischka8306@yandex.ru.

Драпалюк Михаил Валентинович - заведующий кафедрой механизации лесного хозяйства и проектирования машин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет», доктор технических наук, профессор, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: michael1@yandex.ru.

Платонов Алексей Александрович - доцент кафедры тягового подвижного состава, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения», кандидат технических наук, доцент, г. Москва, Российская Федерация; e-mail: paa5@rambler.ru.

Information about authors

Platonova Marina Alekseevna - Senior lecturer of the Department exploiting railways, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Moscow State University of Railway Engineering», PhD in Engineering, Moscow, Russian Federation; e-mail: Marischka8306@yandex.ru.

Drapalyuk Mikhail Valentinovich - Head of Forestry Mechanization and Machine Design department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: michael1@yandex.ru.

Platonov Aleksey Aleksandrovich - Associate Professor of the Department traction rolling stock, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Moscow State University of Railway En-gineering», PhD in Engineering, Associate Professor, Moscow, Russian Federation; e-mail: paa5@rambler.ru.

DOI: 10.12737/17424 УДК 62-932.2

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИКИ И ДИНАМИКИ МАЛОЗВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ ЛЕСНЫХ МАШИН

кандидат технических наук М. А. Платонова1 доктор технических наук, профессор М. В. Драпалюк2 кандидат технических наук, доцент А. А. Платонов1 1 - ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»,

г. Москва, Российская Федерация

2 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного

проекта № 15-38-50524 мол_нр.

В настоящее время для обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте продолжает оставаться актуальной проблема удаления нежелательной древесно-

208

Лесотехнический журнал 4/2015