MACHINES AND MECHANISMS

Methodology of modeling and verification of dynamic processes of articulated special purpose machines

Authors

  • Ilya M. Berdnikov Independent researcher, 110000, Moscow, Northern street 10
  • Vladimir S. Velikanov Ural State Mining University, 620144, Yekaterinburg, Kuibysheva St, 30
  • Stanislav A. Chernukhin Ural State Mining University, 620144, Yekaterinburg, Kuibysheva St, 30
DOI: ДОИ

How to cite

GOST Berdnikov I. M., Velikanov V. S., Chernukhin S. A. Methodology of modeling and verification of dynamic processes of articulated special purpose machines // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2025. Vol. 69. No. 10. P. 87-101. DOI: ДОИ
APA Berdnikov, I. M., Velikanov, V. S. & Chernukhin, S. A. (2025). Methodology of modeling and verification of dynamic processes of articulated special purpose machines. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 69(10), 87-101. https://doi.org/ДОИ

Abstract

The use of articulated frames on road construction, underground, loading and delivery and agricultural machines significantly increases their maneuverability, and as a result, the efficiency of using these machines in various industrial sectors. However, their kinematic and dynamic structure significantly complicate the development of reliable models for stability analysis, control, and modernization, especially during the transition to electric and autonomous power plants. In this paper, a comprehensive simulation platform has been developed that includes a dynamic frame model, a power transmission subsystem, steering, a brush-based tire model, and kinematic articulation constraints. The model developed and proposed in this study is implemented using modern computing tools (MATLAB/Simulink, Adams/View) and adapted to assess stability, maneuverability, and load distribution when moving in confined spaces. Special attention is paid to the relationship between lateral stability, the characteristics of the hydraulic steering drive and the parameters of tire interaction with the bearing surface. The verification of the generated equations based on experimental and calculated data is given, which confirmed the adequacy of the kinematic description, the tire force model and the power transmission. This paper examines the prospects for the use of hybrid and all-electric power plants, the influence of traction motor characteristics on machine dynamics, as well as the requirements for torque control in conditions of small turning radii. Examples of power distribution and engine characteristics are presented, which makes it possible to use the model as a platform for designing autonomous, electric and hybrid vehicles. The research results can be used to develop motion control systems, optimize design parameters, and evaluate maneuverability and stability during operation in underground and confined conditions. The work forms the basis for further improvement of control models, energy efficiency and digital verification of articulated machines.

Keywords

articulated frame loading and delivery machines dynamic modeling brush tire model hydraulic system steering MATLAB

References

Бадар Т., Бэкман Дж., Тарик У., Висала А. Нелинейные 6-степенные динамические модели для машин с центральным шарнирно-сочлененным соединением с комбинированным центром тяжести // Труды 11-го симпозиума МФАК по интеллектуальным автономным транспортным средствам (IAV) (6-8 июля 2022 г., Прага). Вена: IFAC, 2022. № 55. рр. 95-100.

Ван С., Инь Ю., У Ю., Хоу Л. Моделирование и проверка стратегии получения рабочих траекторий и сопротивления колесного погрузчика // Sensors. 2022. № 22. рр. 59-93.

Ван Л. Современное состояние и тенденции развития технологий самопогрузки подземных погрузочно-доставочных машин // Наука и технология о золоте. 2021. № 29. рр. 35-42.

Ван Л., У Ц. Оптимизация параметров управления подземной погрузочно-доставочной машины на основе LQR-QPSO // Наука и технология о золоте. 2021. № 29. рр. 25-34.

Гао Л., Цзинь Ч., Лю Ю., Ма Ф., Фэн Ч. Анализ характеристик рулевого управления подземных шарнирно-сочлененных машин на основе гибридной модели // Прикладные науки. 2019. № 9. рр. 52-74.

Гао Ю., Шен Ю., Сюй Т., Чжан В., Гувенч Л. Управление колебательным движением рыскания для шарнирно-сочлененных машин с гидроусилителем руля с учетом влияния переменного модуля объемной упругости // Транзакции Ieee по технологии систем управления. 2019. № 27. рр. 1284-1292.

Гу Ц., Лю Л., Бай Г., Мэн Ю. Оптимальное планирование траектории поворота ПДМ на основе двумерного поиска // Китайский инженерный журнал. 2021. № 43. рр. 289-298.

Гу Ц., Бай Г., Ван Г., Мэн Ю., Лю Л. Гибридное оптимальное планирование траектории на основе 3D-поиска для автономной ПДМ при маневрах поворота // Ieee transactions on intelligent transportation systems. 2022. № 23. рр. 17704-17716.

Дэн З.В., Чжао Ю.К., Ван Б.Х., Гао В., Конг С. Модель водителя с предварительным просмотром на основе скользящего режима и нечеткого управления для сочлененных тяжелых транспортных средств // Механика. 2022. № 57. рр. 1853-1878.

Лей Т., Ван Ц., Яо Ч. Моделирование и анализ устойчивости шарнирно-сочлененных транспортных средств // Applied sciences. 2021. № 11. рр. 36-63.

Ло В., Лю Л., Мэн Ю., Гу Ц., Ли К. Современное состояние и прогресс в управлении следования по пути горных шарнирно-сочлененных машин // Китайский инженерный журнал. 2021. № 43. рр. 193-204.

Малиновский Е.Ю., Гайцгори М.М. Динамика самоходных машин с шарнирной рамой: (Колебания и устойчивость движения). М.: Машиностроение, 1974. 175 с.

Роудару С., Кумар Н., Сингх В.П. Определение точек крепления рулевого привода погрузочно-доставочной машины для оптимальной производительности // Машины, механизмы и робототехника: мат. 4-й Межд. и 19-й Национ. биеннальной конф. по машинам и механизмам (iNaCoMM) (5-7 декабря 2019 г., Манди). Под ред. Р. Кумара, В.С. Чаухана, М. Тальхи, Х. Патхака. Сингапур: Springer, 2022. рр. 711-723.

Судзуки Т., Оно К., Кодзима С., Миямото Н., Судзуки Т., Комацу Т., Сибата Ю., Асано К., Нагатани К. Оценка сочлененного угла в шестиколесных самосвалах с использованием множества приемников ГНСС для автономного вождения // Передовая робототехника. 2021. № 35. рр. 1376-1387.

Сунь Ц., Чжан Д., Ли Ч., Ши Ю., Ван Н. Оптимальное проектирование и анализ проходимости сочлененного колесно-шагающего лесного шасси // Журнал механического проектирования. 2022. № 144. Art. 13301.

Сюй С., Гу Ю., Лю Г. Исследование колесной электрической системы привода с вентильным реактивным двигателем для погрузчика // Energies. 2022. № 15. рр. 37-81.

Сяо В., Лю М., Чэнь С. Состояние исследований и тенденции развития подземных интеллектуальных погрузочно-доставочных машин – всесторонний обзор // Прикладные науки. 2022. № 12. pp. 90-92.

Тампьер К., Маскаро М., Руис-Дель-Солар Х. Автономная система погрузки для погрузочно-доставочных машин (ПДМ), используемых в подземной добыче полезных ископаемых // Прикладные науки. 2021. № 11. Art. 8718.

Ур Рехман А., Авуа-Оффеи К. Влияние геометрии ковша, параметров машины и размера фрагментов на производительность колесных погрузчиков // Добыча полезных ископаемых, металлургия и геологоразведка. 2022. № 39. рр. 111-127.

Халим А., Лоу Дж., Йоханссон Й., Густафссон Й., ван Вагеннинген А., Кочиш К. Улучшение условий труда и мнения горняков при использовании аккумуляторных электромобилей вместо дизельных машин – результаты полевых испытаний на руднике Киттила, Финляндия // Добыча полезных ископаемых, металлургия и геологоразведка. 2022. № 39. рр. 203-219.

Хе Ю., Хаджепур А., Макфи Дж., Ван Х. Динамическое моделирование и анализ устойчивости машин с шарнирно-сочлененной рамой // Международный журнал по системам тяжелых транспортных средств. 2005. № 12. рр. 28-59.

Чжан Ц., Ван Ф., Чэн М., Сюй Б. Повышение энергоэффективности колесного погрузчика с аккумуляторным питанием за счет электрогидростатической гибридной силовой установки // Труды института инженеров-механиков. Ч. D: журнал автомобильной инженерии. 2023. № 237. рр. 75-88.

Чэнь Ю., Цзян Х., Ши Г., Чжэн Т. Исследование траектории и эксплуатационных характеристик автоматического зачерпывания колесного погрузчика // Прикладные науки. 2022. № 12. Art. 12919.

Эспиноса Х.П., Маскаро М., Моралес Н., Руис Дель Соляр Х. Повышение производительности при блочно-панельном обрушении за счет динамического ограничения полуавтономных погрузочно-доставочных машин // Международный журнал по горному делу, мелиорации и охране окружающей среды. 2022. № 36. рр. 552-573.

Яхник Б., Коперска В., Скочиляс А. Локализация машин ПДМ в подземных условиях с использованием датчиков ИНС и алгоритма ДВП (DTW) // Прикладные науки. 2021. № 11. Art. 6751.

Issue

Section

MACHINES AND MECHANISMS

Metrics

277 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 5 6 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.