The design of a magnetic damping device for a forestry manipulator hydraulic drive is presented. Working drawings were used to specify the housing dimensions, connection threads, and fastening holes. A detachable layout with two sleeves and covers was adopted. The design is intended for prototype manufacture and subsequent verification of the calculation model.
forestry manipulator, hydraulic drive, magnetic damping, design layout, magnetic piston, prototype
Введение
Гидропривод механизма подъёма стрелы лесного манипулятора работает в повторно-кратковременном режиме. Разгон и торможение стреловой системы, изменение вылета и массы перемещаемого груза вызывают переходные процессы, при которых давление и скорость движения звеньев кратковременно отклоняются от установившихся значений. Для снижения динамической нагруженности требуется согласованный выбор параметров привода и демпфирующих элементов [1, 3].
В патентной схеме магнитное демпфирующее устройство 24 подключено между гидролиниями 6 и 7 гидроцилиндра подъёма стрелы через регулируемые дроссели 22 и 23 (рис. 1). Устройство включает корпус с крышками 25 и 26, два подвижных магнитных поршня 27 и 28 и неподвижную магнитную перегородку 29 с дроссельным отверстием 30. При всплеске давления рабочая жидкость поступает в соответствующую полость устройства и перемещает один из поршней в направлении перегородки. Сближение одноимённых магнитных полюсов вызывает увеличение силы отталкивания, противодействующей перемещению поршня, а перетекание рабочей жидкости через дроссельное отверстие создаёт дополнительное гидравлическое сопротивление. Совместное действие магнитной силы и дросселирования обеспечивает снижение интенсивности колебаний давления [2].
Рисунок 1 – Схема гидропривода механизма подъёма стрелы лесного
манипулятора с магнитным демпфирующим устройством [2]
Ранее выполненный авторами численный эксперимент показал, что подключение такого устройства может снизить максимальные динамические значения давления примерно в 1,4…1,5 раза: после переходной стадии давление стабилизировалось около 25 МПа, тогда как в расчётном режиме без демпфирования сохранялись колебания в диапазоне 31…39 МПа [1]. Для перехода от расчётной схемы к стендовому исследованию потребовалось уточнить геометрию корпуса, способ соединения его частей и параметры деталей, доступных для изготовления.
Цель работы заключается в разработке конструктивной компоновки магнитного демпфирующего устройства гидропривода лесного манипулятора и определении основных геометрических параметров его корпусных деталей для последующего изготовления экспериментального образца.
Материалы и методы
При конструкторской проработке использованы результаты расчётной модели: диаметр магнитного поршня в модели принимался равным 50 мм, конструктивно допустимая координата поршня составляла 60 мм, а его фактическое перемещение в рассмотренном переходном процессе – около 5 мм [1]. Эти значения характеризуют расчётную схему и не заменяют размеры посадочных поверхностей опытного образца. Размеры на рабочих чертежах интерпретированы по правилам ЕСКД и системе допусков и посадок [4, 5].
Трёхмерные модели и рабочие чертежи выполнялись средствами автоматизированного проектирования. Последовательность включала построение общей цилиндрической компоновки, разбиение корпуса на технологически самостоятельные детали, назначение резьбовых и крепёжных элементов, после чего проверялись соосность рабочих поверхностей и сборочные габариты.
Корпус принят разъёмным и образован двумя гильзами с торцевыми крышками. Такое решение обеспечивает доступ к внутренним элементам магнитной системы и позволяет изменять их положение при стендовой отработке. Рабочие чертежи относятся к корпусным деталям; окончательная конструкция магнитных поршней, неподвижной перегородки, уплотнений и присоединительных штуцеров должна быть оформлена отдельными чертежами перед изготовлением опытного образца. Разработанное конструктивное соединение двух гильз показано на рис. 2.
Рисунок 2 – Продольный вид соединения корпусных деталей
магнитного демпфирующего устройства
Результаты и обсуждение
Размерная цепь сборки включает осевое перекрытие гильз и посадку крышек. Каждая гильза имеет длину 125 мм; длина сопрягаемого участка гильз равна 32 мм. Крышка имеет осевую толщину 15 мм, при этом её ступенчатый участок входит в гильзу на 5 мм, поэтому наружу выступает 10 мм. Полная длина устройства составляет 125 + 125 − 32 + 2×(15 − 5) = 238 мм, что соответствует сборочному чертежу. Наружный диаметр корпуса равен 64 мм. Соединение гильз выполнено резьбой М56×2. В основной цилиндрической зоне расчётная толщина стенки для диаметра 64 мм и отверстия 50 мм составляет 7 мм; для гильзы 2 при отверстии Ø50+0,16 минимальное значение составляет 6,92 мм.
В обеих гильзах предусмотрены восемь резьбовых отверстий М5: глубина резьбы 17 мм, глубина сверления 20 мм, фаска 1×45°; отверстия расположены на диаметре 57 мм с угловым шагом 45°. Крышка имеет наружный диаметр 64 мм и толщину 15 мм. В ней выполнены восемь проходных отверстий Ø5,5 мм на диаметре 50 мм с шагом 45° и центральное резьбовое отверстие М12. Следовательно, отверстия Ø5,5 мм следует рассматривать как крепёжные проходные отверстия крышки, а М5 – как резьбовые отверстия в гильзах.
Таблица 1 – Основные параметры разработанной компоновки
|
Параметр |
Значение по чертежам |
|
Длина устройства в сборе |
238 мм |
|
Наружный диаметр корпуса |
Ø64 мм |
|
Длина гильзы 1 / гильзы 2 |
125 / 125 мм |
|
Внутреннее отверстие гильзы 1 |
Ø50 мм |
|
Внутреннее отверстие гильзы 2 |
Ø50+0,16 мм |
|
Соединение гильз |
резьба М56×2 |
|
Крышка |
Ø64×15 мм; центральная резьба М12 |
|
Отверстия в крышке |
8×Ø5,5 мм на Ø50; шаг 45° |
|
Отверстия в гильзах |
8×М5, глубина резьбы 17 мм; на Ø57; шаг 45° |
|
Размерная цепь длины сборки |
125 + 125 − 32 + 2×(15 − 5) = 238 мм |
Конструктивное исполнение гильз и торцевой крышки представлено на рис. 3. Гильза 1 имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность Ø50; на чертеже гильзы 2 указан размер Ø50+0,16. Эти размеры относятся к корпусным отверстиям. Крышка выполнена толщиной 15 мм с посадочным ступенчатым участком 5 мм. Указанные размеры не подтверждают фактический диаметр подвижного магнитного поршня, который должен быть назначен с учётом выбранного зазора, направляющих и уплотнений.
а – гильза 1; б – гильза 2; в – крышка
Рисунок 3 – Основные корпусные детали
Принятая компоновка согласуется с расчётной схемой устройства, однако рабочий чертёж экспериментального образца требует дальнейшей детализации. До изготовления необходимо назначить фактический диаметр подвижного узла, радиальный зазор, материал корпуса, шероховатость направляющих поверхностей, тип уплотнения и прочностные параметры резьбового и болтовых соединений. Такое разделение расчётных и конструкторских параметров исключает отождествление диаметра поршня модели с диаметром отверстия корпуса.
Практическая ценность разработанной конструктивной компоновки состоит в возможности изготовить модульный корпус и использовать его как основу испытательного устройства. Разъёмная схема позволяет последовательно менять магнитные элементы, их начальный зазор, массу подвижного узла и параметры дросселирования, сохраняя одинаковые внешние габариты. При таком подходе сравнение режимов будет отражать влияние исследуемого параметра, а не изменение всей конструкции.
На следующем этапе требуется выполнить прочностной расчёт корпуса и крепёжных элементов для максимального давления, проверить герметичность соединений, изготовить детали и определить реальные потери на трение. После сборки экспериментальный образец может быть установлен в гидравлический стенд для регистрации давления, перемещения и скорости магнитного поршня. Сопоставление измеренных переходных процессов с расчётными зависимостями позволит уточнить коэффициенты модели и определить рациональный диапазон конструктивных параметров.
Выводы
1. На основе расчётной схемы магнитного демпфирующего устройства разработана разъёмная конструкция корпуса, включающая две гильзы и торцевые крышки.
2. По рабочим чертежам уточнена размерная цепь сборки: две гильзы длиной по 125 мм соединяются с осевым перекрытием 32 мм, а крышки толщиной 15 мм имеют посадочный участок 5 мм. Это обеспечивает общую длину устройства 238 мм при наружном диаметре 64 мм.
3. Установлено различие между крепёжными элементами: крышка имеет восемь проходных отверстий Ø5,5 мм, а в гильзах выполнены восемь резьбовых отверстий М5; это обеспечивает корректное назначение болтового соединения.
4. До изготовления образца необходимо назначить рабочие зазоры и уплотнения, выбрать материал, выполнить расчёт прочности и сформировать программу стендовых испытаний.
1. Issledovanie dinamiki gidroprivoda mehanizma pod'ema strely lesnogo manipulyatora s magnitnym dempfiruyuschim ustroystvom / A.A. Polumisko, P.I. Popikov, N.S. Kamalova [i dr.] // Lesotehnicheskiy zhurnal. – 2026. – T. 16, № 1(61). – S. 174-190. – DOI:https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2026.1/12. EDN: https://elibrary.ru/AHCISI
2. Patent na poleznuyu model' № 230802 U1 Rossiyskaya Federaciya, MPK B66C 13/42. Gidroprivod mehanizma pod'ema strely lesnogo manipulyatora s magnitnym dempfiruyuschim ustroystvom: № 2024127518: zayavl. 18.09.2024 : opubl. 19.12.2024 / A.A. Sidorov, P.I. Popikov, E.V. Pozdnyakov [i dr.] ; zayavitel' Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Voronezhskiy gosudarstvennyy lesotehnicheskiy universitet imeni G.F. Morozova».
3. Kinematicheskie i dinamicheskie harakteristiki mehanizma pod'ema manipulyatora sortimentovoza s gidromehanicheskim dempferom / D.S. Bogdanov, I.D. Evsikov, A.V. Popikova [i dr.] // Fizicheskie osnovy naukoemkih tehnologiy: Materialy Vserossiyskoy nauchno-metodicheskoy konferencii, Voronezh, 17 aprelya 2024 goda. – Voronezh: Voronezhskiy gosudarstvennyy lesotehnicheskiy universitet im. G.F. Morozova, 2024. – S. 109-113. – DOIhttps://doi.org/10.58168/PBST_109-113. EDN: https://elibrary.ru/CHTWTG
4. GOST 2.307–2011. Edinaya sistema konstruktorskoy dokumentacii. Nanesenie razmerov i predel'nyh otkloneniy. – Vved. 2012–09–01. – M: Standartinform, 2012. – 23 s.
5. GOST 25346–2013 (ISO 286-1:2010). Osnovnye normy vzaimozamenyaemosti. Edinaya sistema dopuskov i posadok. Obschie dopuski, polya dopuskov i predel'nye otkloneniya. – Vved. 2015–01–01. – M: Standartinform, 2014. – 36 s.
