CC BY
38
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: [email protected].
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: [email protected].
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: [email protected].
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: [email protected].
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
Технологии. Машины и оборудование
отвода механическим методом может осуществляться рабочим органом (режущей головкой), управляемым, например, манипуляторной установкой. При этом отмечается, что манипулятор, предназначенный для перемещения рабочего органа согласно заданному технологическому процессу, может устанавливаться в соответствии с целым рядом кинематических схем, целесообразность использования которых обуславливается типом базового транспортного средства, видом нежелательной растительности и особенностями её произрастания, рельефом местности и т.д. В статье рассматриваются вопросы выбора и обоснования системы отсчёта и обобщённых координат для разработанной кинематической схемы малозвенного манипулятора с учётом данных факторов. Абсолютная (инерциальная) система координат связывается с центром опорного элемента (например, поворотной платформой), присоединяющего манипулятор к базовой машине, а последующие системы координат образуются в соответствии с принятыми правилами. В целом, для описания положения системы исследуемого малозвенного манипулятора в пространстве необходимо четыре обобщённые координаты и пять правых ортогональных систем координат.
Ключевые слова: железная дорога, безопасность движения, нежелательная растительность, манипулятор, кинематическая схема.
JUSTIFICATION OF KINEMATIC SCHEME SMALL OF THE MANIPULATOR
FORESTRY 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
At present JSC "Russian Railways" forms a coherent policy on safety and reliability of the transpcr-tation 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 the right of way is not allowed of weeds overgrowth of trees and shrubs. 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. Removal of unwanted trees and shrubs in the the right of way mechanical method can be carried out a working body (the cutting head), eg controlled by manipulator. It is noted that the manipulator for moving the operating element according to a given process technology can be installed in accordance with a number of kinematic schemes, the usefulness of which is conditioned by the type of the base vehicle, the type of unwanted vegetation and features of its habitat, area relief, etc. This article
Лесотехнический журнал 3/2015
235
Технологии. Машины и оборудование
discusses the the selection and justification of the reference system and of the generalized coordinates for the kinematic scheme developed by of the manipulator taking into account these factors. The absolute (inertial) coordinate system associated with the center of the support member (eg turntable), joins the arm to the base machine and the subsequent coordinate system formed in accordance with the rules. On the whole, to describe the position of the investigated little detail of the manipulator in the space of generalized coordinates must be four and five right-hand orthogonal coordinate systems.
Keywords: railway, traffic safety, unwanted vegetation, manipulator, kinematic scheme.
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].
В целом, к полосе отвода относятся земляное полотно с путями, станции со станционными путями, пассажирские вокзалы, искусственные сооружения, линии, здания и сооружения сигнализации и связи, а также иные здания и сооружения, обеспечивающие деятельность железнодорожного транспорта [2].
В соответствии с Приказом Министерства путей сообщения РФ № 26Ц в полосе отвода в местах прилегания к сельскохозяйственным угодьям не допускается разрастание сорной травянистой и древесно-кустарниковой растительности. При этом к актуальной и потенциально возможной вредоносности от растительности на объектах инфраструктуры железных дорог относится [3] создание основным, вспомогательным и сопутствующим породам жёсткой конкуренции; «врастание» в ряды, междурядья, разрывы и интервалы с последующим нарушением схем смешения и размещения культурных пород и аэродинамических свойств насаждений; снижение производительности труда при проведении рубок ухода и ухода за почвой; по-
вышение уровня захламлённости и пожарной опасности, в том числе на прилегающих территориях (рис. 1).
Удаление нежелательной древеснокустарниковой растительности в полосе отвода механическим методом может осуществляться рабочим органом (режущей головкой), управляемым например мани-пуляторной установкой [4, 5].
В целом, манипулятор, предназначенный для перемещения рабочего органа согласно заданному технологическому процессу, может устанавливаться в соответствии с рядом кинематических схем, целесообразность использования которых обуславлива-
Рис. 1. Нежелательная древеснокустарниковая растительность а) нарушение габарита приближений;
б) помехи для работы щебнеочиститель-
ных машин
в) падение дерева на воздушные высоко-
вольтные провода связи
236
Лесотехнический журнал 3/2015
Технологии. Машины и оборудование
ется такими факторами, как тип базового транспортного средства [6], вид НДКР и особенности её произрастания, рельеф местности (в плане и профиле полосы отвода железных дорог) и т.д. При этом для корректного описания движения рабочего органа в соответствии с [7, 8] необходимо разработать математическую модель движения звеньев манипулятора и самого рабочего органа.
Произведём для этого выбор и обоснование системы отсчёта и обобщённых координат для кинематической схемы малозвенного манипулятора, представленного на рис. 2.
Рис. 2. Кинематическая схема манипулятора
Свяжем абсолютную (инерциальную) систему координат O0 х0y0 z0 с центром
опорного элемента (например, поворотной платформы), присоединяющего манипулятор к базовой машине, при этом координатная ось ^0 совпадает с направлением движения базовой машины, а координатная ось У0 направлена перпендикулярно движению, образуя правую декартову систему координат.
Первая (а также последующие) локальные системы координат (СК) не совпадают с инерциальной. В системе координат Oxxxyxzx задаются координаты опорного
элемента поворотной колонны, при этом ось ух является осью вращения данной колонны.
С системой координат O2x2y2 z2 связан поворотный телескопический корпус, при этом ось ^2 является осью вращения данного корпуса. Перемещение телескопической рукояти задаётся в СК Оъx2y3 z3. В связанной с рабочим оборудованием СК O4Х4У4Z4 задаются координаты характерных точек рабочего оборудования манипулятора, при этом делается допущение, что точка O4 манипулятора
совпадает с осью симметрии объекта манипулирования.
Обобщённые координаты 0 , принятые для данной пространственной динамической системы, приведены в таблице. Поскольку связи между звеньями системы голономные, т.е. геометрические, то число степеней свободы системы данного манипулятора равно числу обобщённых координат [9, 10].
Таким образом, проведённые выбор и обоснование системы отсчёта и обобщённых
Таблица
Обобщённые координаты 0
№ пп Характеристика координаты в локальной системе координат звена Обоб- щённая коор- дината
1 Поворот поворотной платформы вокруг оси Z0 01
2 Поворот поворотной колонны вокруг оси У1 02
3 Поворот телескопического корпуса вокруг оси х 2 03
4 Перемещение телескопической рукояти вдоль оси х3 04
Лесотехнический журнал 3/2015
237
Технологии. Машины и оборудование
координат показали, что для математического описания малозвенного манипулятора лесных машин для удаления нежелательной растительности необходимо использовать пять правых ортогональных систем координат, связанных с рельефом местности, базовой машиной, поворотной платформой, поворотной колонной, поворотным телескопическим корпусом, телескопической руко-
ятью, рабочим оборудованием. При этом начало инерциальной СК O0 x0y0 z0 целесообразно выбирать так, чтобы в исходном равновесном состоянии системы исследуемого манипулятора оно совпадало с центром масс базовой машины. В целом, для описания положения системы исследуемого манипулятора в пространстве необходимо четыре обобщённые координаты.
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. Крейнис, З.Л. Техническое обслуживание и ремонт железнодорожного пути [Текст] /
З.Л. Крейнис, Н Е. Селезнева. - М.: УМЦ ЖДТ, 2012. - 568 с.
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. 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.
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. Платонова, М.А. Инновационные колёсные машины для обслуживания железнодорожного пути [Текст] / М.А. Платонова, А.А. Платонов // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 2. - С. 198.
7. Матюхин, В.И. Стабилизация движений манипулятора вдоль заданной поверхности [Текст] / В.И. Матюхин // Автоматика и телемеханика. - 2011. - № 4. - С. 71-85.
8. Барахов, В.М. Управление многозвенным манипулятором с распределенными параметрами [Текст] / В.М. Барахов, Ю.Н. Санкин // Автоматика и телемеханика. - 2007. - № 8. - С. 57-67.
9. 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.
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.
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. Krejnis Z.L. Tehnicheskoe obsluzhivanie i remont zheleznodorozhnogo puti [Maintenance
238
Лесотехнический журнал 3/2015
Технологии. Машины и оборудование
and repair of railway track]. Moscow, 2012, 568 p. (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. 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.
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. Platonova M.A., Platonov A.A. Innovacionnye koljosnye mashiny dlja obsluzhivanija zheleznodo-rozhnogo puti [The innovative wheeled machine for servicing of railway track]. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija [Contemporary problems of science and education]. 2013, no. 2, pp. 198. (In Russian).
7. 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).
8. 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).
9. 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.
10. Szkodny T. Modelling of Kinematics of the IRB-6 Manipulator. Computers & Mathematics with Applications, 1995, Vol. 29, no. 9, pp. 77-94.
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: [email protected].
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: [email protected].
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: [email protected].
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: [email protected].
Drapalyuk Mikhail Valentinovich - Head of Forestry Mechanization and Machine Design department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State Univer-
Лесотехнический журнал 3/2015
239
Технологии. Машины и оборудование
sity of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
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: [email protected].
DOI: 10.12737/14171 УДК 631.0.33: 634.958
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ВЫКОПОЧНОЙ МАШИНЫ МВС-2,5 ДЛЯ КРУПНОМЕРНЫХ САЖЕНЦЕВ С ГИДРОПУЛЬСАЦИОННЫМ ПРИВОДОМ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
доктор технических наук, профессор П. И. Попиков1 кандидат технических наук Р. В. Юдин1 А. В. Бакаев1
1 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация
Выкопка саженцев производится весной и осенью. Крупные деревья могут выкапываться и пересаживаться зимой. Следует избегать разрушения почвенного кома при извлечении, погрузке и транспортировке дерева. Для этого ком почвы плотно обвязывают тканью, сеткой рабица, или ком запаковывают в ящик, который сооружают на месте выкопки. Если дерево выкапывается не в питомнике, а из природы, то предпочтение следует отдавать дереву, растущему на более твердой почве, поскольку в такой почве корневая система не так далеко распространяется и меньше корней пострадает при пересаживании. Для усовершенствования рабочего процесса предлагается применить гидропульсационный привод с применением гидропульсатора золотникового типа с приводом от гидромотора. Разработанная имитационная модель позволяет исследовать различные аспекты процесса выкопки саженцев и исследовать влияние большого количества параметров механической и гидравлической подсистем, а также корневой системы и почвы, на производительность, качество и энергозатраты процесса. Для изучения закономерностей влияния параметров и параметрической оптимизации целесообразно использовать планирование компьютерных экспериментов, чтобы за разумное количество компьютерных экспериментов получить наибольший объем полезной информации о механизме. Компьютерный эксперимент с разработанной имитационной моделью проводился следующим образом. В течении первых 0,7 с модельного времени производилось формирование корневой системы: 3500 элементов древесины случайно появлялись и выдерживались внутри геометрической фигуры, представляющей корневую систему. По истечении 0,7 с корневая система представляла собой случайную плотную упаковку взаимодействующих между собой элементов древесины и могла двигаться в пространстве как единое тело, допускающее деформацию и фрагментацию.
Ключевые слова: рабочие процессы, компьютерный эксперимент, гидропривод, выко-пачная машина, гидроаккумулятор, гидропульсатор, имитационная модель.
240
Лесотехнический журнал 3/2015
