CC BY
53
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
Технологии. Машины и оборудование
кустарниковой растительности в полосе отвода железных дорог. Для повышения эффективности удаления нежелательной поросли, а также веток и пней, уменьшения доли ручного труда и облегчения условий работы персонала авторами статьи в 2015 году были исследованы ресурсосберегающие малозвенные компактные средства механизации, позволяющие применять их в труднодоступных местах. Указанные средства механизации рассматривались в совмещении с современными транспортными средствами, которые могут обеспечить их необходимой энергией, как на самом железнодорожном пути, так и в отдалении от него. Были составлены расчётные схемы манипуляторов для математического описания движения их звеньев в плане и профиле железной дороги, приведена схема динамического взаимодействия роторного рабочего органа с древесно-кустарниковой растительностью и пнями, а на основании полученных формул и аргументированных значений входных параметров был построен ряд графических зависимостей. В статье приведены основные выводы и рекомендации по результатам исследований кинематики и динамики малозвенных механизмов лесных машин. Был сделан вывод о ряде перспективных кинематических схем, связанных с поворотом телескопической корпусной части манипуляторов машин, обоснованы возможные рабочие зоны действия манипуляторов в зависимости от схемы их расположения на базовой машине, определён диапазон углов поворота рабочего оборудования вокруг оси его крепления, рассмотрены вопросы влияния отклонения тонкомерной нежелательной поросли от вертикали на силы резания.
Ключевые слова: железная дорога, безопасность движения, нежелательная растительность, манипулятор, результаты исследований.
BASIC RESULTS OF RESEARCH OF KINEMATICS AND DYNAMICS LITTLE LINKS OF THE MECHANISM OF FOREST MACHINES
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
Currently, the traffic safety on the railways remains a topical problem of removing unwanted trees and shrubs in the right of way of railways. To improve the efficiency removal of unwanted shoots and branches and stumps, reducing the share of manual labor and facilitation of staff by the authors in 2015 were investigated little links resources saving compact means of mechanization, allowing their use in hard to reach places. These means of mechanization considered in combination with modern the vehicles,
Лесотехнический журнал 4/2015
209
Технологии. Машины и оборудование
which can provide them with the necessary energy, both on the railroad track, and away from it. The design scheme drawn up manipulators for mathematical description of the motion of their units in the plan and profile of the railway, shows a diagram of the dynamic interaction between the rotary operating element with tree and shrub vegetation and stumps, and on the basis of these formulas and reasoned input parameter values it was built a number of plots. The article presents the main findings and recommendations of the study of kinematics and dynamics little links of the mechanism of forest machines. It was concluded that a number of promising kinematic schemes associated with the rotation of the body part telescopic of manipulators machines, substantiated possible working range of the of manipulators according to the scheme of their location on the machine base, a certain range of angles of rotation around the axis of the working equipment of its fastening, the issues of the impact of deviations small diameter unwanted shoots from the vertical cutting force.
Keywords: railway, traffic safety, unwanted vegetation, manipulator, results of research.
В настоящее время повышение безопасности перевозочного процесса по сети железных дорог России [1, 2] немыслимо без активной защиты железнодорожного пути и других объектов производственной инфраструктуры [3, 4] от нежелательной древеснокустарниковой растительности.
Удаление нежелательной поросли, а также веток и пней в полосе отвода железных дорог, может осуществляться механическим методом [5, 6] с использованием ресурсосберегающих малозвенных компактных средств механизации, включающих в себя манипуля-торную установку [7, 8].
В 2015 г. в Воронежском государственном лесотехническом университете имени Г.Ф. Морозова при финансовой поддержке РФФИ проводились исследования кинематики и динамики малозвенных механизмов лесных машин [9, 10]. По окончании исследования были сформулированы следующие основные выводы и рекомендации.
1. Для повышения эффективности удаления нежелательной древесной и кустарниковой растительности, уменьшения доли ручного труда и облегчения условий работы
210
персонала целесообразно использовать ресурсосберегающие малозвенные компактные средства механизации, позволяющие применять их в труднодоступных местах.
2. Анализом кинематических схем манипуляторов машин по удалению нежелательной растительности установлено, что к перспективным относятся схемы, связанные с поворотом корпуса телескопической части манипулятора вокруг осей, не перпендикулярных поверхности опоры машины.
3. Выявлено, что применение «полноповоротных» машин, позволяющих обслуживать рабочую зону в телесном угле 3600, нецелесообразно ввиду неудобства их эксплуатации как на дорогах общего пользования, так и на сети железных дорог.
4. Перспективным представляется размещение манипулятора рабочего органа сзади кабины управления транспортным средством при смещённой поворотной опоре, что позволяет обеспечить наилучшую компактность.
5. Установлено, что для математического описания рабочей зоны манипулятора лесных машин необходимо использовать ортогональные системы координат, связанные с рельефом
Лесотехнический журнал 4/2015
Технологии. Машины и оборудование
местности, базовой машиной, поворотной платформой, поворотной колонной, поворотным телескопическим корпусом, телескопической рукоятью, рабочим оборудованием.
6. Выявлено, что для описания рабочей зоны малозвенного манипулятора в пространстве необходимы две обобщённые координаты, связанные с поворотом манипулятора вокруг вертикальной оси и поворотом рабочего оборудования вокруг оси его крепления.
7. Исследованиями установлено, что для описания положения системы малозвенного манипулятора в пространстве необходимо четыре обобщённые координаты, связанные с поворотами опорной платформы, поворотной колонны и телескопического корпуса вокруг соответствующих осей, а также перемещения выдвижной телескопической рукояти вдоль продольной оси.
8. Кинематическим анализом рабочей зоны малозвенного манипулятора лесных машин по удалению нежелательной растительности выявлено, что максимальный и минимальный радиусы рабочей зоны являются функциями пяти переменных: угла поворота манипулятора, угла поворота рабочего органа, длины выдвижной телескопической рукояти манипулятора, ширины рабочего оборудования и глубины рабочего оборудования.
9. Показано, что моделирование рабочей зоны малозвенного манипулятора целесообразно проводить при значении угла поворота рабочего оборудования вокруг оси его крепления от -300 до 2100 (всего 2400), что обусловлено кинематическими особенностями современного сменного оборудования многофункциональных машин.
10. Определено, что увеличение ширины рабочего органа до максимальных значе-
ний (2...2,4 м) позволяет увеличить максимальный (соответственно, уменьшить минимальный) радиусы рабочей зоны при углах поворота манипулятора 10°...40° (соответственно, -10°.. .-40°).
11. Выявлено, что уменьшение ширины рабочего органа до минимальных значений (0,1.0,2 м) уменьшает радиусы рабочей зоны при поворотах манипулятора на углы -50°.-70°.
12. Установлено, что при средней наиболее характерной ширине рабочего органа
1,2.1,4 м достижение максимального (минимального) радиуса рабочей зоны манипулятора происходит в диапазоне угла поворота манипулятора -30°.. .30°
13. Исследованиями определено, что при углах поворота манипулятора -5 .5 величина максимального (минимального) радиуса рабочей зоны практически не зависит от глубины рабочего органа.
14. Выявлено, что наибольший (наименьший) радиусы рабочей зоны манипулятора достигаются при полностью выдвинутой (втянутой) телескопической рукояти и при углах поворота манипулятора - 30 .0 (соответственно, 300.600).
15. Установлено, что в зонах преимущественного положения рабочего оборудования увеличение углов поворота манипулятора до
300...600 при одновременном расположении рабочего органа в пределах -200.200 позволяет увеличить максимальный (уменьшить минимальный) радиусы рабочей зоны.
16. Показано, что момент инерции рабочего оборудования вместе с манипулятором зависит от массы выдвинутой телескопической части и меняется при вращении корпусной части манипулятора вокруг про-
211
Лесотехнический журнал 4/2015
Технологии. Машины и оборудование
дольной оси.
17. Установлено, что при проведении имитационного моделирования выбранные расчётные условия срезания нежелательной поросли соответствуют действительным условиям перекрещивания оси вращения рабочего органа и оси поросли.
18. Исследованиями определено, что возрастание контакта режущей кромки ротора с порослью, соответствующей взаимодействию рабочего органа преимущественно с ветками нежелательной растительности, приводит к резкому увеличению отклонения тонкомерной поросли от вертикали (на
25.. .35 мм и более), что, в свою очередь, оказывает влияние на качество среза с возможностью излома порослевин.
19. Выявлено, что при срезе поросли наименьшее её отклонение от вертикали при повышении высоты среза наблюдается для мягких лиственных пород, что позволяет при необходимости увеличивать ширину взаимодействия режущей кромки ротора с порослью.
20. Установлено, что при динамическом взаимодействии роторного рабочего органа с тонкомерной порослью ширина такого взаимодействия по режущей кромке может быть в 100.120 раз меньше ширины рабочего органа. Предложено использовать понятие «ширина резания», определяемого с учётом диаметра ствола поросли и наибольшего размера проекции её кроны на режущую кромку рабочего органа.
21. Показано, что с увеличением подачи на один резец ротора окружная сила резания линейно возрастает, при этом наибольшая окружная сила наблюдается для твёрдых лиственных пород.
22. Выявлено, что увеличение глубины
реза приводит к значительному возрастанию окружной силы, особенно в области больших значений ширины резания. Для уменьшения окружной силы (и, как следствие, чрезмерного отклонения поросли от вертикали) целесообразно проводить удаление поросли при глубине резания 3.5 мм.
23. Исследованиями определено, что при малых значениях частоты вращения ротора (500.700 об/мин) сила резания практически не зависит от диаметра ротора, увеличиваясь лишь незначительно.
24. При проведении виртуального моделирования положения малозвенного манипулятора в профиле и в плане решается задача определения оптимальных параметров положения характерных точек рабочего оборудования. При проведении виртуального моделирования динамического взаимодействия рабочего органа с лесными средами (порослью и её ветвями, пнями и др.) определяются оптимальные режимы резания с учётом реального отклонения тонкомерной поросли от вертикали, что существенно повышает адекватность полученной математической модели.
Основным преимуществом проведённых аналитических исследований малозвенного манипулятора лесных машин является то, что они позволяют получить ряд важнейших практических рекомендаций более общего характера, имеющего силу не только для данного проектируемого манипулятора, но и для целой системы машин, обладающих определёнными общими свойствами. Полученная математическая модель эффективно описывает процесс удаления нежелательной древесно-кустарниковой растительности и пригодна как для поросли, так и для веток, а также пней и почвы.
Лесотехнический журнал 4/2015
212
Технологии. Машины и оборудование
Библиографический список
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Yu, K.H. Position Control of an Underactuated Manipulator Using Joint Friction [Text] / K.H. Yu, Y. Shito, H. Inooka // International Journal of Non-Linear Mechanics. - 1998. - Vol. 33.
- no. 4. - pp. 607-614.
5. Барахов, В.М. Управление многозвенным манипулятором с распределенными параметрами [Текст] / В.М. Барахов, Ю.Н. Санкин // Автоматика и телемеханика. - 2007. - № 8. - С. 57-67.
6. Матюхин, В.И. Стабилизация движений манипулятора вдоль заданной поверхности [Текст] / В.И. Матюхин // Автоматика и телемеханика. - 2011. - № 4. - С. 71-85.
7. 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.
8. 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.
9. Глебов, И.Т. Расчет режимов резания древесины [Текст] : монография / И.Т. Глебов.
- Екатеринбург: 2005. - 155 с.
10. Платонова, М.А. О совершенствовании методологической базы моделирования машин по удалению нежелательной древесно-кустарниковой растительности [Текст] / М.А. Платонова // Транспортный комплекс в регионах: опыт и перспективы организации движения: Материалы Международной научно - практической конференции (Воронеж, 28 мая 2015
г) / Под ред. А.А. Платонова. - Воронеж: Руна, 2015. - №1. - с. 202-207.
References
1. 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).
2. 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 antivegetation railway tracks and other industrial infrastructure. Author. Doctor. tehn. Sciences Diss.]. Moscow, 2014, 48 p. (In Russian).
3. 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.
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. Barahov V.M., Sankin Ju.N. Upravlenie mnogozvennym manipuljatorom s raspredelenny-miparametrami [Managing multi-link the manipulator with the distributed parameters]. Avtomatika
Лесотехнический журнал 4/2015 213
Технологии. Машины и оборудование
i telemehanika [Automation and Remote Control]. 2007, no. 8, pp. 57-67. (In Russian).
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. 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.
8. 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.
9. Glebov I.T. Raschet rezhimov rezanija drevesiny [The calculation of timber of cutting conditions]. Ekaterinburg, 2005, 155 р.
10. Platonova M.A. O sovershenstvovanii metodologicheskoj bazy modelirovanija mashinpo uda-leniju nezhelatel'noj drevesno-kustarnikovoj rastitel'nosti [On improving the methodological basis of modeling machines to remove unwanted trees and shrubs]. Transportnyj kompleks v regionah: opyt i perspektivy organizacii dvizhenija: Materialy Mezhdunarodnoj nauchno - prakticheskoj konferencii (Voronezh, 28 maja 2015 g) /Pod red. A.A. Platonova. [The transport complex in the region: experience and prospects for traffic management: Proceedings of the International scientific - practical conference (Voronezh, May 28 2015) / Ed. A.A. Platonov.]. Voronezh, 2015, no. 1, pр. 202-207. (In Russian).
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 имени Г.Ф. Морозова», 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 Engineering»), PhD in Engineering, Associate Professor, Moscow, Russian Federation; e-mail: paa5@rambler.ru.
214
Лесотехнический журнал 4/2015
