CC BY
60
Технологии. Машины и оборудование
Information about authors
Kazakov Vladimir Ivanovich - Chief Researcher at the Department of reforestation and seed production of FBI «All-Russian Research Institute for Silviculture and Mechanization of Forestry», DSc in Agriculture, Pushkino, Russian Federation; e-mail: kazakov@vniilm.ru.
Kazakov Igor Vladimirovich - Chief specialist of FBI «Avialesookhrana», PhD in Engineering, Pushkino, Russian Federation; e-mail: inqm@yandex.ru.
DOI: 10.12737/14651 УДК 625.144.6
КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ МАНИПУЛЯТОРОВ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ НЕЖЕЛАТЕЛЬНОЙ ДРЕВЕСНО-КУСТАРНИКОВОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ В ПЛАНЕ ПОЛОСЫ ОТВОДА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
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. Среди существующих методов управления ростом нежелательной растительности старейшим является механический метод, при этом основным направлением является раздельное удаление надземной и корневой частей растений. Для повышения производительности труда и качества очистки полосы отвода применяются кусторезы и мульчеры, которые агрегатируются с самыми различными транспортными средствами, снабжёнными манипуляторными установками. В статье рассматриваются вопросы компоновки манипуляторов, предназначенных для перемещения рабочего органа согласно заданному технологическому процессу, с учётом целесообразности их использования, которая обуславливается типом базового транспортного средства, видом нежелательной растительности и особенностью её произрастания, рельефом местности в плане и профиле полосы отвода железных дорог. Указываются достоинства и недостатки манипуляторов, которые могут быть размещены вместе с кабиной управления транспортным средством и органами управления манипулятором на поворотной платформе; вместе с кабиной управления манипулятором на поворотной платформе при от-
228
Лесотехнический журнал 3/2015
Технологии. Машины и оборудование
дельно расположенной кабине управления транспортным средством; сзади кабины управления транспортным средством с расположением поворотной опоры по оси симметрии платформы транспортного средства и при смещённой поворотной опоре; вне габаритов базового транспортного средства сзади кабины его управления и сбоку от транспортного средства. Рассматривается вопрос компоновки манипулятора для обеспечения возможности перемещения базового транспортного средства как по дорогам общего пользования, так и по сети железных дорог с учётом установленных ограничений по габаритам передвижения.
Ключевые слова: железная дорога, безопасность движения, нежелательная растительность, манипулятор, кинематическая схема.
KINEMATIC SCHEME OF MANIPULATOR FOR THE REMOVAL OF UNWANTED TREES AND SHRUBS IN PLAN OF THE ROW OF RAILWAYS
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. Among the existing methods for controlling the growth of unwanted vegetation is the oldest mechanical method, with the main focus is the separate removal of aboveground plant parts and root. To improve productivity and quality of cleaning strip of tap apply hedge trimmers and mowers, which are aggregated with the very different vehicles, equipped with a manipulator. This article discusses the layout of manipulators designed to move the working body according to a given process technology, taking into account the appropriateness of their use, which is caused by the type of the base vehicle, the type of unwanted vegetation and especially its growth, in terms of terrain and profile strip of tap railways. Include pros and cons of manipulators that can be placed together with cab driving and controls the manipulator on the turntable; with cabin control arm on the turntable at separately located cabin vehicle control; Rear cab driving arrangement with the swivel bearing axis of symmetry of the platform of the vehicle and ectopic swivel bearing; It is the size of the base of the vehicle behind the cab of his administration and the side of the vehicle. The question of the layout of the manipulator to allow movement of the base vehicle both on public roads and railway network, taking into account the established restrictions on the dimensions of movement.
Keywords: railway, traffic safety, unwanted vegetation, manipulator, kinematic scheme.
Лесотехнический журнал 3/2015
229
Технологии. Машины и оборудование
В настоящее время на основе Стратегии обеспечения безопасности движения, принятой распоряжением № 197 от
28.01.2013 г. [1], ОАО «РЖД» формирует и проводит согласованную политику холдинга в области обеспечения безопасности и надёжности перевозочного процесса. Одной из задач, решаемых структурными подразделениями ОАО «РЖД» для повышения безопасности перевозочного процесса, является защита железнодорожного пути от нежелательной древеснокустарниковой растительности (НДКР) [2].
К настоящему времени разработано несколько методов управления ростом НДКР [3]. Для повышения производительности труда и качества очистки полосы отвода удаление надземной части НДКР производится в настоящее время механическим методом с использованием кусторезов и мульчеров [4], которые агрегати-руются с самими различными транспортными средствами, снабжёнными манипу-ляторными установками [5, 6].
Манипулятор, предназначенный для перемещения рабочего органа согласно заданному технологическому процессу [7, 8], может устанавливаться в соответствии с рядом кинематических схем [9]. Примеры кинематических схем манипуляторов, используемых при удалении НДКР в полосе отвода железных дорог, с учётом их полно-поворотности в плане, приведены на рис. 1.
Так, манипулятор может быть размещён вместе с кабиной управления транспортным средством и органами управления манипулятором на поворотной платформе (рис. 1, а); вместе с кабиной управления манипулятором на поворотной
Рис. 1. Кинематические схемы манипуляторов с учётом их полноповоротности в плане
платформе при отдельно расположенной кабине управления транспортным средством (рис. 1, б); сзади кабины управления транспортным средством с расположением поворотной опоры по оси симметрии платформы транспортного средства (рис. 1, в) и при смещённой поворотной опоре (рис. 1, е); вне габаритов базового транспортного средства сзади кабины его управления (рис. 1, г) и сбоку от транспортного средства (рис. 1, д). Переднее размещение манипулятора вне габаритов базовой машины представляется не перспективным ввиду проблем при перемещении по дорогам общего пользования и по сети железных дорог из-за ограничений по габаритам подвижного состава.
В целом кинематическая схема манипулятора определяет так называемую зону его действия [10]. Рассматривая возможные зоны действия манипуляторов можно отметить, что достоинством компоновки манипулятора по рис. 2, а является отсутствие ограничения на поворотливость вокруг вертикальной оси («полноповоротность») [11]. Манипулятор в этом случае может обслуживать рабочую зо-
230
Лесотехнический журнал 3/2015
Технологии. Машины и оборудование
ну в телесном угле 360°, т.е. обеспечивается «круговая» зона удаления НДКР. Недостатком компоновки по рис. 2, а является неудобство эксплуатации подобных транспортных средств на дорогах общего пользования ввиду недостаточной видимости.
Достоинством компоновки манипулятора по рис. 2, б и в является теоретическая «полноповоротность» вокруг вертикальной оси на телесный угол 360°. На практике рабочие зоны «преимущественной» работы по удалению НДКР (2 х 120°) располагаются по боковым сторонам транспортного средства, а во «второстепенной» зоне (~ 60°) работы по удалению НДКР практически не осуществляются ввиду ограничения видимости при управлении транспортным средством задним ходом. Недостатком компоновки по рис. 2, б и 2, в является то, что перед транспортным средством из-за его кабины работы по удалению НДКР практически не проводятся. Размещение манипулятора сбоку или сзади по отношению к кабине значительно проще в конструктивном отношении, меньше получается и общая масса машины. Однако эти преимущества обеспечиваются ценой утраты «полноповоротливости» вокруг вертикальной оси. Так, размещение манипулятора по рис. 2, г позволяет производить удаление НДКР в «преимущественных» рабочих зонах, величиной всего лишь около 2 х 60°, при этом величина «второстепенной» зоны сравнима с «преимущественными» (~ 120°). Достоинством такой компоновочной схемы является возможность удаления НДКР с обеих сторон транспортного средства.
Размещение манипулятора по рис. 2, д или 2,е обеспечивает «преимущественную» рабочую зону по удалению НДКР в телес-
операций по удалению НДКР
ном угле 60°, а «второстепенные» зоны сравнимы с «преимущественной» (2 х 30°). Однако общая рабочая зона составляет величину всего лишь ~ 120°, что является минимальным значением для рассмотренных кинематических схем манипуляторов и обуславливает наименьшую их универсальность при удалении нежелательной растительности с полосы отвода.
Однако есть у данных компоновочных схем и достоинства. Так, при размещении манипулятора по схеме на рис. 2, д существует возможность удаления нежелательной растительности на полосе отвода одновременно с двух её сторон за один проход при установке одновременно двух манипуляторов. При размещении манипулятора по схеме на рис. 2, е обеспечивается наилучшая компактность, позволяющая производить удаление НДКР при помощи небольших транспортных средств (например, пикапов-
Лесотехнический журнал 3/2015
231
Технологии. Машины и оборудование
внедорожников и лёгких грузовиков), а сам манипулятор и его привод компактно размещаются на платформе, не выходя за габаритные размеры транспортного средства.
С учётом вышесказанного можно сделать следующий вывод. Применение манипуляторов для удаления нежелательной растительности с полосы отвода железных дорог
обуславливается такими факторами, как тип базового транспортного средства, вид нежелательной растительности и особенности её произрастания, рельеф местности (в плане и профиле) и т.д. При этом целесообразно стремиться к использованию полноповоротных компактных манипуляторов, базируемых на небольших машинах.
Библиографический список
1. Распоряжение ОАО «РЖД» № 197р [Текст] «Стратегия обеспечения гарантированной безопасности и надёжности перевозочного процесса» от 28.01.2013.
2. Приказ Министерства путей сообщения РФ № 26Ц «Об утверждении Положения о порядке использования земель федерального железнодорожного транспорта в пределах полосы отвода железных дорог» от 15.05.1999 [Текст]. - Зарегистрирован Минюст РФ от 27 июля 1999 г. № 1848.
3. 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.
4. 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.
5. Cheah, C.C. Stability of Hybrid Position and Force Control for Robotic Manipulator with Kinematics and Dynamics Uncertainties [Text] / C.C. Cheah, S. Kawamura, S. Arimoto // Automa-tica. - 2003. - Vol. 39. - № 5. - С. 847-855.
6. Boudreau, R. Parallel Manipulator Kinematics Learning Using Holographic Neural Network Models [Text] / R. Boudreau, G. Levesque, S. Darenfed // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. - 1998. - Vol. 14. - № 1. - С. 37-44.
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. Матюхин, В.И. Стабилизация движений манипулятора вдоль заданной поверхности [Текст] / В.И. Матюхин // Автоматика и телемеханика. - 2011. - № 4. - С. 71-85.
9. Крейнис, З.Л. Техническое обслуживание и ремонт железнодорожного пути [Текст] /
З.Л. Крейнис, Н.Е. Селезнева. - Москва: УМЦ ЖДТ, 2012. - 568 с.
10. Szkodny, T. Modelling of Kinematics of the IRB-6 Manipulator [Text] / T. Szkodny // Computers & Mathematics with Applications. - 1995. - Vol. 29. - № 9. - С. 77-94.
11. Palpacelli, M.-C. A Redundantly Actuated 2-Degrees-Of-Freedom Mini Pointing Device [Text] / M.-C. Palpacelli, G. Palmieri, M. Callegari // Journal of Mechanisms and Robotics. - 2012. - Vol. 4. - № 3.
References
1. Rasporjazhenie OAO «RZhD» № 197r «Strategija obespechenija garantirovannoj bezopasnosti i nadjozhnostiperevozochnogo processa» ot 28.01.2013 [The order JSC «Russian Railways» № 19р «Strate-
232
Лесотехнический журнал 3/2015
Технологии. Машины и оборудование
gy to ensure guaranteed safety and reliability ofthe transportation process» 28.01.2013]. (In Russian).
2. Prikaz Ministerstva putej soobshhenija RF № 26C «Ob utverzhdenii Polozhenija o por-jadke ispol'zovanija zemel' federal'nogo zheleznodorozhnogo transporta v predelah polosy otvoda zheleznyh dorog» ot 15.05.1999. [The order of Ministry of Railways of the Russian Federation № 26TS «On Approval of the Procedure of land use federal railway transport within the railway strip of tap» from 05.15.1999].- Zaregistrirovan Minjust RF ot 27 ijulja 1999 g. № 1848 [Joined the Ministry of Justice of the Russian Federation of July 27, 1999 № 1848.]. (In Russian).
3. Antipov B.V. Nauchnye osnovy razrabotki sistemy zashhity ot rastitel'nosti zheleznodorozhnogo 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).
4. 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).
5. Cheah C.C., Kawamura S., Arimoto S. Stability of Hybrid Position and Force Control for Robotic Manipulator with Kinematics and Dynamics Uncertainties. Automatica, 2003, Vol. 39, no. 5, pp. 847-855.
6. Boudreau R., Levesque G., Darenfed S. Parallel Manipulator Kinematics Learning Using Holographic Neural Network Models. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 1998, Vol. 14, no. 1, pp. 37-44.
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. Matyuhin V.I. Stabilizacija dvizhenij manipuljatora vdol' zadannoj poverhnosti [Stability of the manipulator along a predetermined surface]. Avtomatika i telemehanika [Automation and Remote Control]. 2011, no. 4, pp. 71-85. (In Russian).
9. Krejnis Z.L. Tehnicheskoe obsluzhivanie i remont zheleznodorozhnogo puti [Maintenance and repair of railway track]. Moscow, 2012, 568 p. (In Russian).
10. Szkodny T. Modelling of Kinematics of the IRB-6 Manipulator. Computers & Mathematics with Applications, 1995, Vol. 29, no. 9, pp. 77-94.
11. Palpacelli M.-C., Palmieri G., Callegari M. A Redundantly Actuated 2-Degrees-Of-Freedom Mini Pointing Device. Journal of Mechanisms and Robotics, 2012, Vol. 4, no. 3.
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; email: michael1@yandex.ru.
Лесотехнический журнал 3/2015
233
Технологии. Машины и оборудование
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», 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 Engineering», Moscow, Russian Federation; e-mail: paa5@rambler.ru.
DOI: 10.12737/14652 УДК 625.144.6
ОБОСНОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ МАЛОЗВЕННОГО МАНИПУЛЯТОРА 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 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 не допускается разрастание сорной древесно-кустарниковой растительности. Среди существующих методов управления ростом нежелательной растительности старейшим является механический метод, при этом основным направлением является раздельное удаление надземной и корневой частей растений. Удаление нежелательной древесно-кустарниковой растительности в полосе
234
Лесотехнический журнал 3/2015
