CC BY
68
S. A. Golyakevich, A. R.Goronovsky, S. P. Mokhov
Belarusian State Technological University
УДК 339.9:658:630
С. А. Голякевич, A. P. Гороновский, С. П. Мохов
Белорусский государственный технологический университет
РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ФОРВАРДЕРА В MATLAB / SIMULINK / SIMSCAPE
В статье приводятся результаты анализа работы манипулятора Kesla Forestry 600-1, установленного на форвардер Амкодор 2661-01. При проведении исследований была использована имитационная модель манипулятора и его привода. Модель предварительно разработана в среде MatLab/Simulink/Simscape. Детально проанализарованы режимы работы манипулятора, возникающие в процессе работы давления, расходы гидравлической жидкости, перемещения исполнительных элементов. В статье отмечены недостатки отсутствия регулирования гидравлического привода, а также особенности регулирования привода системой управления Load Sensing. Данные, приведенные в статье, соответствуют выполнению операции погрузки сортиментов при совместном движении гидроцилиндра стрелы и телескопического звена. Подробно изложены исходные данные моделирования, рассмотрена работа привода на режиме холостого хода двигателя, при номинальной частоте вращения коленчатого вала и при ее промежуточных значениях. Моделирование выполнено с учетом динамики открытия предохранительных клапанов гидросистемы, гидрораспределителей, инерционности движения звеньев манипулятора и их демпфирующих свойств. В заключении статьи приводятся рекомендации по использованию способов регулирования гидропривода манипулятора.
Ключевые слова: форвардер, модель, режим, операция, манипулятор, привод, управление.
RESULTS OF IMITATION MODELING HYDRAULIC SYSTEM FOR FORWARDER IN MATLAB / SIMULINK / SIMSCAPE
The article presents the results of the analysis of the operation of the Kesla Forestry 600-1 manipulator installed on the forwarder Amkodor 2661-01. When conducting research, a simulation model of a manipulator and its drive was used. The model was previously developed in the MatLab / Simulink / Simscape environment. The operation modes of the manipulator arising in the course of pressure operation, the flow of hydraulic fluid, and the movement of actuators are analyzed in detail. The article points out the shortcomings of the lack of regulation of a hydraulic drive, as well as features of drive control by the Load Sensing control system. The data given in the article correspond to the execution of the loading operation of the assortment with the joint movement of the hydraulic cylinder of the boom and the telescopic link. The basic simulation data is described in detail, the drive is considered to operate at idle mode of the engine, at the nominal crankshaft speed and at its intermediate values. The modeling was performed taking into account the dynamics of opening of safety valves of the hydraulic system, hydraulic distributors, inertia of movement of the links of the manipulator and their damping properties. The article concludes with recommendations on the use of methods for regulating the manipulator hydraulic drive.
Key words: forwarder, model, mode, operation, manipulator, drive, control.
Введение. Моделирование работы многооперационных лесозаготовительных машин является неотъемлемой частью процесса их проектирования [1-8]. Современные программные комплексы автоматизации инженерных расчетов (САЕ-системы) позволяют моделировать кинематику, статику и динамику работы, оценивать прочность и усталостную долговечность конструкций технологического оборудования, элементов шасси и машин в целом. Внедрение в конструкцию машин современных систем автоматизированного управления привело к не-
обходимости моделирования не только отдельных конструкций машин, но и элементов управления их приводом [9-12].
Решить такую задачу можно только путем междисциплинарного моделирования. Для реализации компьютерных имитационных моделей механизмов и их приводов известно множество прикладных программ. Наиболее используемые среди них MathCAD, MSC Software Easy5; MatLab с пакетом приложений Simulink/ Simscape и многие др. Данные программные пакеты значительно отличаются подходами к
моделированию. Так, моделирование в пакете MathCAD осуществляется путем непосредственной записи математических выражений, описывающих гидравлическую схему. Пакет отличается возможностью высокой детализации привода, однако требует существенных затрат времени на моделирование.
Принцип моделирования гидропривода, отличный от рассмотренного выше, предлагается в среде MatLab с пакетом приложений Simu-link / Simscape. Моделирование в нем осуществляется путем создания блок-схем. Отдельные блоки представляют собой элементы гидросистем: гидронасосы, распределители, гидромоторы, клапаны, золотники, дроссели и другие, а также элементы управления ими. Каждый блок строго параметризован и предлагает указать соответствующие данные для компонентов. Математическое описание имитационной модели в Simulink / Simscape остается доступным только на языке MatLab (близок к C++). Внедрение собственных компонентов можно осуществлять в Simulink или непосредственно через MatLab Script.
Особое внимание представляет возможность использования вышеотмеченных программных пакетов в комплексе с программными пакетами трехмерного моделирования и конечно-элементного анализа. Такой подход позволяет создать не только привод в отдельности а совместить его с механической моделью оборудования. В рамках данной статьи рассмотрим модель привода стрелы манипулятора форвардера Амкодор 2661-01 с учетом режимов работы ДВС, реализованную в Simscape (рис. 1).
Основная часть. На форвардере установлен манипулятор Kesla Foresteri 600-1 c техническими характеристиками, приведенными в таблице.
Технические характеристики манипулятора Kesla Foresteri 600-1
Манипулятор оборудован гидроцилиндром подъема стрелы с рабочим диаметром гильзы 110 мм, диаметром штока 70 мм и ходом поршня 688 мм. Гидроцилиндр привода телескопического звена имеет следующие технические характеристики: диаметр гильзы - 50 мм, диаметр штока - 30 мм и ход поршня - 2050 мм. Рабочее давление в гидросистеме создается аксиально поршневым регулируемым насосом Sauer Danfoss FRL-074B с объемной подачей 74 см3/об, номинальным и максимальным рабочим давлением 31 МПа и 40 МПа. Привод оборудован 6-секционным гидрораспределителем Sauer Danfoss PVG32 с EHPC type1. Минимальная, номинальная и максимальная частоты вращения входного вала гидронасоса составляют соответственно 500 об/мин, 2400 об/мин и 2800 об/мин.
Гидравлический насос технологического оборудования приводится в действие от редуктора отбора мощности с передаточным отношением 1,14, подключенного к двигателю Д-260.1 номинальной мощностью 114 кВт, достигаемой при номинальной частоте вращения коленчатого вала (2100 об/мин).
Для проведения последующего энергетического анализа была смоделирована операция погрузки сортиментов манипулятором. Начальное и конечное положения манипулятора приведены на рис. 1. Базовая система координат расположена в точке крепления опоры колонны манипулятора к площадке технологической полурамы на ее центральной вертикальной оси.
При моделировании рассматривался способ перемещения рабочего органа из положения а в положение б (рис.1) путем совместного одновременного начала перемещения стрелы и телескопа. В качестве допущения в модели пре-небрегалось инерционной составляющей вращательного движения сортимента. Его масса вместе с массой ротатора и грейферного захвата сосредоточена в точке подвеса ротатора к телескопическому звену рукояти.
Траектория движения рабочего органа манипулятора при осуществлении данного движения приведена на рис. 1, в. В первом случае не рассматривалось регулирование гидравлического насоса подсистемой LS (Load sensing) [13-18], а открытие подающих клапанов гидрораспределителя ограничивалось величиной проходного сечения золотников 4 • 10-6м2. Частота вращения входного вала гидронасоса составляла 2394 об/мин, что соответствовало частоте вращения коленчатого вала двигателя 2100 об/мин. Масса поднимаемого сортимента составляла 740 кг, что соответствует сосновому сортименту длиной 6 м, диаметром 44 см.
Характеристика Величина
Вылет стрелы, м 8,2
Грузоподъемность на максималь- 540
ном вылете, кг
Грузовой момент, кН-м 80
Угол поворота манипулятора, град. 380
Масса манипулятора без масла, 1425
захвата и ротатора, кг
Масса ротатора 56
Масса захвата, кг 168
Диаметр охвата, мм 75-600
Площадь охвата, м2 0,28
3,8
4 0 4 2 4,4
Координата по оси ОХ, м
4,6
Рис. 1. Моделируемая операция манипулятора: а - конечное положение; б - начальное положение; в - траектория движения
30
25-
20-
и 15
Ч 10-
5-
1 1 1 1 1 ! 1 1
V
___и \ 3 ---------
1
1 2
/
V-
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Время, с
8
3
Л
з 6
0
& 4
3
л
1
^ о 8 2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Время, с
3 2,5
и
о &
' 2,0
о
& 1,5 -
и
§ 1,0 н
Э 0,5
о
Я
§
&0>0 с
1 1 1 1 , | , | , 1 1
4 1
2
/
0 2 4 6
14 -г
12-
* 10-
ч,-
о 8-
X
Н 6-
>п
я
1-4 4-
2-
0-
8 10 12 14 16 18 20
Время, с
1 1 1 ■ 1 1 1 1 ■ 1 1
3
1+2
—■— —■—1—■— —'—1—'— —■— —■— —■—\—■—
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Время, с
Рис. 2. Выходные характеристики работы гидроцилиндров и гидропривода: а - давление; б - реализуемая мощность; в - перемещение штоков; г - выполненная работа; 1 - гидроцилиндр телескопического звена; 2 - гидроцилиндр стрелы; 3 - подающая магистраль гидросистемы
Режим выполнения операции рассмотрен для номинальной подачи гидравлического насоса (регулирование насоса исключено). Время
выполнения операции на данном режиме 12,4 с. При этом реализуется полная мощность привода - 61 кВт, а непосредственно гидроцилинд-
0
0
рами стрелы и телескопа суммарно до 10 кВт. Требуемый крутящий момент на входном валу гидронасоса составил 243 Н-м, что в 2,14 раза меньше номинального момента по внешней скоростной характеристике (ВСХ) двигателя.
Выполненная гидронасосом полная работа и суммарная работа гидроцилиндров составляют 757,9 кДж и 85,6 кДж соответственно, т. е. отличаются в 8,85 раза. Полезная работа по поднятию сортимента манипулятором составляет 37,9 кДж. Это означает, что «кинематический» КПД манипулятора 0,44. Регулирование привода по принципу позволяет несколько снизить полную работу, выполняемую гидронасосом. В данном случае полная работа привода за 12,4 с составляет 629,1 кДж, что в 1,2 раза ниже нерегулируемого привода, однако в 7,34 раза больше работы, суммарно реализованной гидроцилиндрами.
Причиной низкой эффективности регулирования привода при данном режиме выполнения операции является существенная разница в возникающих в гидроцилиндрах стрелы и телескопа давлениях и близость первого из них (около 22,5 МПа) к номинальной величине давления в гидросистеме (26 МПа).
Более эффективным в данном случае является регулирование за счет снижения частоты вращения коленчатого вала (ЧВКВ) двигателя. Так, при частоте 1600 об/мин полная работа гидросистемы снижается до 531 кДж, а с учетом управления - до 432,6 кДж. При этом время выполнения операции остается неизменным, а, согласно ВСХ двигателя, удельный расход топлива достигает своих минимальных значений (около 210 гр-кВт/ч). Указанная операция может быть выполнена при более низкой ЧВКВ. Так, при ЧВКВ, равной 1100 об/мин, полная работа гидросистемы 303,5 кДж, а с управлением - 242 кДж. При подключении управления время выполнения операций незначительно возрастает до 12,6 с. Снижение ЧВКВ до величины холостого хода также обес-
печивает выполнение рассматриваемой операции. Величины выполняемых работ соответственно равны (221 кДж без управления и 186,2 кДж с управлением Ь8). Однако время выполнения операции возрастает до 13,1 си 14 с соответственно.
Эффективность использовании режимов регулирования с учетом возрастания времени выполнения операций должна дополнительно обосновываться на основе критерия максимальной реализации энергетического потенциала машины [7, 9, 11]. Так, величина удельного энергетического потенциала производительности машины в последнем из рассмотренных случаев минимальна и равна 68,78 с. Для сравнения, в том же случае без регулирования
- 76,38 с, а при ЧВКВ 1600 об/мин с регулированием - 80,75, а без - 99,29 с.
Заключение. На основе изложенного можно сделать следующие заключения. При совместной работе нескольких гидравлических исполнительных механизмов эффективность регулирования их привода по нагрузке (Ь8) тем ниже, чем больше разница в давлениях в этих механизмах и меньше разница в номинальном давлении в гидросистеме и давлении на наиболее нагруженном исполнительном механизме.
В этой связи обособленное управление гидросистемой по нагрузке (Ь8) на многооперационных лесных машинах, способных выполнять операции над предметом труда не последовательно, а параллельно, совмещая одновременно работу двух и более исполнительных механизмов, следует считать не достаточно эффективным. Более эффективным нужно признать совместное регулирование работы двигателя и гидравлической системы либо иное, не зависящее от нагрузки распределение потока гидравлической жидкости.
Окончательное решение о режимах работы привода должно приниматься на основе анализа реализации энергетического потенциала машины.
Литература
1. Анализ тенденций развития конструкций многооперационных лесозаготовительных машин / С. П. Мохов [и др.] // Труды БГТУ. 2012. № 2: Лесная и деревообраб. пром-сть. С. 18-20.
2. Голякевич С. А. Повышение надежности несущих конструкций многооперационных лесных машин выбором режимов работы на основе энергетического потенциала: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.21.01. Минск, 2013. 27 с.
3. Golyakevich S., Goronovsky A. Workload estimation of harvesters during the operations of work cycle // Transport. 2013. Issue 28 (3). P. 323-330.
4. Голякевич С. А. Анализ эксплуатационных режимов работы многооперационных лесозаготовительных машин // Труды БГТУ. 2013. № 2: Лесная и деревообраб. пром-сть. С. 72-78.
5. Gellerstedt S. Operation of the Single-Grip Harvester: Motor-Sensory and Cognitive Work // Journal. of Forest Engineering. 2002. Vol. 13, no. 2. P. 45-47.
6. Гинзбург Ю. В., Швед А. И., Парфенов А. П. Промышленные тракторы. М.: Машиностроение, 1986. 296 с.
7. Голякевич С. А., Гороиовский А. Р. Эффективность работы многооперационных лесозаготовительных машин с учетом ограничивающих факторов // Труды БГТУ. 2012. № 2: Лесная и деревообраб. пром-сть. С. 8-11.
8. Жуков А. В. Теоретические основы выбора технических параметров и улучшения эксплуатационных свойств специальных лесных машин: автореф. дис. ... докт. техн. наук: 05.21.01. Л., 1987. 315 с.
9. Голякевич С. А. Комплексная техническая оценка потребительских качеств лесных машин // Труды БГТУ. 2015. № 2: Лесная и деревообраб. пром-сть. С. 67-71.
10. Golyakevich S. A., Goronovsky A. R. Evaluation of Loading Dynamics of Fatigue Life for a Forwarder Half-Frame Articulation // Journal of Machinery Manufacture and Reability. New York, 2017, no. 5. P. 463-471.
11. Голякевич С. А., Гороновский A. P., Мохов С. П. Методика оценки технических характеристик форвардеров на стадии проектирования // Труды БГТУ. 2016. № 2 (184): Лесная и деревообраб. пром-сть. С. 15-19.
12. Drive and Control Systems for Forestry Machines. From the Gear Pump to Electronic Harvester Management [Electronic resource]. Boschrexroth. Mode of access: http://www.boschrexroth.com/country_ units/america/united_states/sub_websites/brus_brh_m/en/Documentation_and_Resources/9_brochures_ and_ catalogs/a_downloads/re98057.pdf. Date of access:14.05.2012.
13. Heinze, A. Modelling, simulation and control of a hydraulic crane: submitted for the Degree of Master of Science in Automotive Mechatronics. Vaxjo, 2007. 135 p.
14. Logren B. Kinematic Control of Redundant Knuckle Booms with Automatic Path Fllowing Functions. Deportament of Machine Design Royal Institute of Technology. 2009 [Electronic resource]. Mode of access: http://kth.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid= diva2:277303. Date of access: 18.05.2012.
15. An Interactive Simulation System for Modeling Stands, Harvests, and Machines / J. Wang [et al.] / Journal of Forest Engineering. 1999. Vol. 10, no. 1. P. 81-99.
16. Hesse K. Components and systems for tractor, stacker and combine // Bosch Rexroth Mobile Training. Elchingen. February 2003. S. 18-20.
17. Drive and Control Systems for Combine Harvesters and Forage Harvesters. Bosch Rexroth AG. 2001. RE 98071.
18. Load Sensing Systems. Principle of Operation. Eaton Corporation, no. 03-206, November 1992.28 p.
References
1. Mokhov S. P., Golyakevich S. A., Pishchov S. N., Ariko S. Ye. Analysis of trends in the development of multioperational forest machines. Trudy BGTU [Proceedings of BSTU], 2012, no. 2: Forest and Woodworking Industry, pp. 18-20 (In Russian).
2. Golyakevich S. A. Povysheniye nadezhnosti nesushchikh konstruktsiy mnogooperatsionnykh lesnykh mashin vyborom rezhimov raboty na osnove energeticheskogo potentsiala. Avtoref. dis. kand. tekhn. nauk [Increasing the reliability of load-bearing structures of multi-operation forest machines by selecting operating modes based on the energy potential. Abstract of thesis cand. techn. sci.]. Minsk, 2013. 27 p.
3. Golyakevich S., Goronovsky A. Workload estimation of harvesters during the operations of work cycle. Transport, 2013, issue 28 (3), pp. 323-330.
4. Golyakevich S. A. Analysis of operational modes of operation of multi-operative logging machines. Trudy BGTU [Proceedings of BSTU], 2013, no. 2: Forest and Woodworking Industry, pp. 72-78 (In Russian).
5. Gellerstedt S. Operation of the Single-Grip Harvester: Motor-Sensory and Cognitive Work. Journal of Forest Engineering, 2002, vol. 13, no. 2, pp. 45-47.
6. Ginzburg Yu. V., Shved A. I., Parfenov A. P. Promyshlennyye traktory [Industrial trakors]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1986. 296 p.
7. Golyakevich S. A., Goronovskiy A. R. Efficiency of multi-operation logging machines taking into account limiting factors. Trudy BGTU [Proceedings of BSTU], 2012, no. 2: Forest and Woodworking Industry, pp. 8-11 (In Russian).
8. Zhukov A. V. Teoreticheskiye osnovy vybora tekhnicheskikh parametrov i uluchsheniya ekspluatatsionnykh svoystv spetsial 'nykh lesnykh mashin. Avtoref. dis. dokt. tekhn. nauk [Theoretical bases of a choice of technical parameters and improvement of operational properties of special forest machines. Abstract of thesis doct. techn. sci.]. Leningrad, 1987. 315 p.
9. Golyakevich S. A. Comprehensive technical assessment of consumer qualities of forest machines. Trudy BGTU [Proceedings of BSTU], 2015. no. 2: Forest and Woodworking Industry, pp. 67-71 (In Russian).
10. Golyakevich S. A., Goronovsky A. R. Evaluation of Loading Dynamics of Fatigue Life for a Forwarder Half-Frame Articulation. Journal of Machinery Manufacture and Reability. New York, 2017, no. 5, pp.463-471.
11. Golyakevich S. A., Goronovsky A. R., Mokhov S. P. Methodology for assessing the technical characteristics of forwarders at the design stage. Trudy BGTU [Proceedings of BSTU], 2016, no. 2 (184): Forest and Woodworking Industry, pp. 15-19 (In Russian).
12. Drive and Control Systems for Forestry Machines. From the Gear Pump to Electronic Harvester Management [Electronic resource]. Boschrexroth. Available at: http://www.boschrexroth.com/country_ units/america/united_states/sub_websites/brus_brh_m/en/Documentation_and_Resources/9_brochures_and_ catalogs/a_downloads/re98057.pdf. (accessed 14.05.2012).
13. Heinze A. Modelling, simulation and control of a hydraulic crane: submitted for the Degree of Master of Science in Automotive Mechatronics. Växjö, 2007. 135 p.
14. Lögren B. Kinematic Control of Redundant Knuckle Booms with Automatic Path Fllowing Functions. Deportament of Machine Design Royal Institute of Technology. 2009 [Electronic resource]. Available at: http://kth.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid= diva2:277303 (accessed 18.05.2012.
15. Wang J. An Interactive Simulation System for Modeling Stands, Harvests, and Machines. Journale of Forest Engineering. 1999, vol. 10, no. 1, pp. 81-99.
16. Hesse K. Components and systems for tractor, stacker and combine. Bosch Rexroth Mobile Training. Elchingen. February 2003. S. 18-20.
17. Drive and Control Systems for Combine Harvesters and Forage Harvesters. Bosch Rexroth AG. 2001. RE 98071.
18. Load Sensing Systems. Principle of Operation. Eaton Corporation, no. 03-206, November 1992. 28 p.
Информация об авторах
Голякевич Сергей Александрович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры лесных машин, дорог и технологий лесопромышленного производства. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: gsa@belstu.by
Гороновский Андрей Романович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры лесных машин, дорог и технологий лесопромышленного производства, проректор по воспитательной работе. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: arg@belstu.by
Мохов Сергей Петрович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой лесных машин, дорог и технологий лесопромышленного производства. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: lmitlz@belstu.by
Information about the authors
Golyakevich Sergey Aleksandrovich - PhD (Engineering), Associate Professor, Assistant Professor, the Department of Logging Machinery, Forest Roads and Timber Production Technology. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: gsa@belstu.by
Goronovsky Andrey Romanovich - PhD (Engineering), Associate Professor, Assistant Professor, the Department of Logging Machinery, Forest Roads and Timber Production Technology, Vice-Rector for Educational Work. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: arg@belstu.by
Mokhov Sergey Petrovich - PhD (Engineering), Associate Professor, Head of the Departments of Logging Machinery, Forest Roads and Timber Production Technology. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: lmitlz@belstu.by
Поступила 20.10.2018
