Валекжанин александр иванович повышение маневренности шарнирно-соединенных мобильных машин в условиях апк
На правах рукописи
УДК 631.3.023 (043.4) ВАЛЕКЖАНИН АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ МАНЕВРЕННОСТИ ШАРНИРНО-СОЕДИНЕННЫХ МОБИЛЬНЫХ МАШИН В УСЛОВИЯХ АПК Специальность: 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Барнаул – 2009
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор А.С. Павлюк (ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»)
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.С. Красовских (ФГОУ ВПО Алтайский государственный аграрный университет) кандидат технических наук, доцент А.Н. Площаднов (ГОУ ВПО «Рубцовский индустриальный институт», филиал Алтайского технического университета им. И.И. Ползунова) Ведущее предприятие: ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет»
Защита диссертации состоится «24» декабря 2009г. в 9-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.004.02 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, Алтайский кр. г. Барнаул, пр. Ленина – 46, http://www.altstu.ru;
тел/факс (3852) 36-71-29.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью Вашего учреждения просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан: « 23 » ноября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Л.В. Куликова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В число приоритетных национальных проектов России входит развитие агропромышленного комплекса. Одной из целей Государственной программы развития сельского хозяйства является модернизация и техническое переоснащение сельского хозяйства. Внедрение интенсивных технологий в сельскохозяйственное производство предполагает широкое использование многозвенных шарнирно-соединенных мобильных машин (ШСММ), выполняющих за один проход несколько технологических операций, а также оснащение сельского хозяйства современными ШСММ для транспортировки сельскохозяйственной продукции. Применение многозвенных ШСММ позволяет поднять урожайность, повысить производительность труда, сократить расход горюче-смазочных материалов, и.т.д.
Увеличение числа звеньев в составе ШСММ ведет к увеличению их габа ритных размеров, массы, ухудшению технико-эксплуатационных свойств ма невренности, управляемости, устойчивости и др. Ухудшение маневренности ШСММ снижает эффективность их применения, требует более высокой квалификации водителей. Наиболее сложным при движении ШСММ является выполнение маневров с применением движения заднего хода. Наличие шарнирного соединения и отсутствие управляющих связей между звеньями приводит к складыванию звеньев ШСММ при их движении. Такие эксплуата ционные факторы, как низкий коэффициент сцепления, наличие поперечного и продольного уклона дороги и др. могут привести к прогрессирующему скла дыванию и значительному поперечному смещению звеньев ШСММ от направ ления прямолинейного движения при их движении задним ходом.
Одним из путей, способных снизить склонность ШСММ к складыванию и уменьшить поперечное смещение их звеньев является создание момента сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ. Такой момент может быть создан устройством для предотвращения складывания (УДПС). На сегодняшний день недостаточно полно изучен процесс маневрирования ШСММ, влияние УДПС на маневренность ШСММ, отсутствуют простые в изготовлении и эксплуатации УДПС и рекомендации по их применению.
Цель исследования – повышение маневренности шарнирно-соединен ных мобильных машин за счет создания момента сопротивления взаимному по вороту их звеньев.
Объект исследования процесс маневрирования шарнирно-соединен ных мобильных машин.
Предмет исследования изучение влияния момента сопротивления вза имному повороту звеньев ШСММ на процесс маневрирования.
Методы исследования – при выполнении работы применялись методы аналитической механики, математического моделирования, экспериментальные исследования.
Научная новизна заключается в том, что:
математическая модель движения ШСММ, реализованная в Матлаб Симулинк, учитывает создание момента сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ и позволяет исследовать влияние устройств для предотвраще ния складывания на маневренность ШСММ;
получены зависимости поперечной жесткости и коэффициента связи между поперечной и угловой деформацией для шин 260-508R, влияющие на боковой увод, с использованием стенда, конструкция которого защищена авторским свидетельством на изобретение;
исследовано влияние момента сопротивления взаимному повороту звеньев шарнирно-соединенной мобильной машины на ее маневренность, по лучены зависимости изменения угла складывания и поперечного смещения центра масс звеньев шарнирно-соединенной мобильной машины от момента, создаваемого устройством для предотвращения складывания, при выполнении различных маневров.
Практическая ценность состоит в том, что:
математическая модель ШСММ, зарегистрированная в гос. Реестре программ для ЭВМ, может быть использована для сравнительной оценки маневренности вновь создаваемых и модернизируемых ШСММ;
разработан и изготовлен опытный образец устройства для предотвра щения складывания, конструкция которого позволяет создать момент сопро тивления взаимному повороту звеньев ШСММ;
разработана методика и определены координаты центра масс (ц.м.) и моменты инерции звеньев ШСММ относительно осей, проходящих через ц.м., полученные данные могут быть использованы при исследовании эксплуатаци онно-технических свойств, как одиночных, так и ШСММ;
оборудование, разработанное и созданное в процессе выполнения дис сертации, используется при выполнении НИР по теме: Повышение эффектив ности использования автомобильного подвижного состава» и учебном процессе на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» Алтайского государст венного технического университета.
Реализация работы. Методика определения координат ц.м и моментов инерции крупногабаритных машин и МТА, конструкторская документация стенда для определения координат ц.м. и моментов инерции крупногабаритных машин и МТА принята к внедрению НПО НАТИ. Конструкция стендов для оп ределения моментов инерции и характеристик увода пневматических шин удо стоена диплома I степени ВДНХ Алтайского края. Оборудование, созданное при выполнении диссертационной работы, используется в учебном процессе и при выполнении научных исследований на кафедре «Автомобили и автомо бильное хозяйство» АлтГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях в Омске СибАДИ, Челябинске ЧПИ, Барнауле АлтГТУ, на международных конференциях в Красноярске КПИ, Пензе ПГУАС.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе статьи в журналах по перечню ВАК, получено 3 авторских свидетельства, свидетельства о гос. регистрации программ для ЭВМ.
Основные положения, выносимые на защиту:
математическая модель движения ШСММ, учитывающая создание мо мента сопротивления взаимному повороту ее звеньев, позволяющая исследо вать маневренность ШСММ;
методика и результаты определения массово-геометрических характеристик звеньев ШСММ;
результаты определения упругих характеристик пневматических шин 260-508R, влияющих на боковой увод;
результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния момента сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ на маневрен ность.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, че тырех глав, основных результатов и выводов. Текст диссертации изложен на 143 стр. машинописного текста, включает 64 рисунка, 1 таблицу, 158 наимено ваний использованной литературы, приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследований, определен объект и предмет исследования.
Первая глава посвящена анализу состояния исследуемой проблемы.
В сельскохозяйственном производстве применяются ШСММ в составе машинно-тракторных агрегатов и автотракторных поездов. Вопросы разработки требований и оценочных показателей работы ШСММ, применяемых в сельскохозяйственном производстве, рассмотрены в работах А.А. Зангиева, Н.В. Краснощекова, Г.П. Лышко, А.В. Рославцева, Р.Н. Саакяна, А.Н. Скороходова, и других ученых. Одно из основных требований – это прецизионный режим выполнения технологических операций. Возможность выполнения данного требования обеспечивается большой группой эксплуатационно-технических свойств, присущих ШСММ и проявляющихся при их движении. В число таких свойств входит маневренность.
Одним из недостатков увеличения числа звеньев ШСММ является ухудшение их маневренности по сравнению с одиночными мобильными машинами. Изучению маневренности, как одиночных мобильных машин, так ШСММ посвящены работы П.В. Аксенова, В.В. Аюпова, А.Н. Беляева, М.С.
Высоцкого, ЛЛ. Гинцбурга, И.В. Жилина, А.В. Жукова, Я.Х Закина, А.А.
Зангиева, Л.Г. Зисмана, А.С. Литвинова, В.П. Могутнова, В.Т. Надытко, А.С.
Павлюка, В.А. Павлова, О.И. Поливаева, Е.М.Попова, Я.Е. Фаробина, В.А.
Хвостова, Ш.И. Чалаганидзе, А.А. Юшина, S. Gray, H.S. Fanchr и др. ученых.
На современном этапе развития теории движения мобильных машин достаточно хорошо изучены вопросы их маневрирования при движении передним ходом. Разработаны критерии и оценочные показатели для сравнения маневренных свойств, как одиночных, так и ШСММ. Проблеме низкой маневренности мобильных машин при движении задним ходом уделяется недостаточно внимания. Практически отсутствуют теоретические исследования кинематики и динамики движения задним ходом, недостаточно полно проработаны вопросы повышения маневренности при движении задним ходом.
В литературных источниках отсутствуют данные по численным значениям моментов инерции, некоторым координатам ц.м. и упругим характеристикам пневматических шин.
На основании обзора выполненных работ по теме диссертации сформулированы следующие задачи исследований:
1. Разработать математическую модель, позволяющую исследовать маневренность ШСММ.
2. Выполнить определение упругих характеристик пневматических шин, влияющих на боковой увод;
3. Разработать методику и определить координаты центра масс и моменты инерции звеньев исследуемой ШСММ;
4. Разработать конструкцию УДПС звеньев ШСММ, позволяющего создать момент сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ;
5. Провести экспериментальные исследования маневренности ШСММ, оснащенной УДПС;
6. Выполнить математическое моделирование движения шарнирно соединенной мобильной машины;
Вторая глава посвящена разработке математической модели ШСММ.
При разработке математической модели приняты следующие допущения:
1. Звенья ШСММ являются твердыми телами, совершающими плоско-па раллельное движение в горизонтальной плоскости.
2. Отсутствует разделение масс на подрессоренные и неподрессоренные.
3. Силы тяги приложены к ведущим колесам тягача и являются разностью между движущими силами и силами сопротивления движению.
4. Гироскопические моменты вращающихся масс, кориолисовы силы инерции и аэродинамические силы, действующие на ШСММ не учитываются.
5. Сцепное устройство обеспечивает беззазорное соединение ведущего и ведомого звена.
6. ШСММ движется по твердому, недеформируемому основанию.
На рис.1 приведена расчетная схема ШСММ. В состав ШСММ входит тягач и полуприцеп. ШСММ имеет четыре степени свободы. В качестве обобщенных координат выбраны: X и Y – продольная и поперечная координата центра масс тягача;
1 и 2 – угол поворота продольной оси тягача и полуприцепа в неподвижной системе координат XOY, соответственно. Для расчетной схемы введены следующие обозначения: SiL, SiP – силы сопротивления движению на левом и правом колесах соответствующей оси: TiL, TiP – поперечные силы на левом и правом колесах соответствующей оси;
F2L, F2P, F3L, F3P – движущие силы на ведущих колесах осей тягача;
PYT, PXT, PYP, PXP проекции сил тяжести тягача и полуприцепа на поперечную и продольную оси Y и X;
MP момент, создающий сопротивление взаимному повороту звеньев ШСММ;
ViL, ViP линейная скорость левого и правого колеса со ответствующей оси;
к1Т колея передней оси тягача;
кТ, кP колея тележки тя гача и полуприцепа, соответственно;
aij, bij линейные размеры элементов тя гача и полуприцепа, соответственно.
1L Y1 1L 1 X V2L S1L Y V1L Y2 2L F2L f 4L PYT 1P 5L 3L F3L 3L 2L V4L 4L 5L V1P PXT X2 O1 S S5L V3L PYP O2 F2P 1P V5L S4L 1P 3P 2P V2P V3P PXP 4P f 2 V4P P P 5P F3P 3P 2P S5P V5P S4P 4P b 5P b b O X Рисунок 1 Расчетная схема движения мобильной машины Уравнение Лагранжа второго рода для системы тел с неголономными связями имеет вид:
d T T =Q, (1) dt q q i i i где T – кинетическая энергия системы;
qi – обобщенная координата;
qi – обобщенная скорость;
Qi – обобщенная сила.
После подстановки в уравнение (1) частных производных кинетической энергии по обобщенным координатам и обобщенным скоростям и ряда преоб разований получим систему дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами c11 + c12 + c131 + c14 2 = Qx + Qx x y x c21 + c22 + c231 + c24 2 = Qy + Qy, y (2) c31 x + c32 + c331 + c34 2 = Q1 + Q y x c41 + c42 + c431 + c44 2 = Q2 + Q y где c11 = ( mT + mP ), c12 = 0, c13 = amP sin 1, c14 = bmP sin 2, Qx = amP 1 cos 1 bmP 2 cos 2 c21 = 0, c22 = ( mT + mP ), c23 = amP cos 1, c24 = bmP cos 2, Qy = amP 1 sin 1 bmP 2 sin 2 ( ) c31 = amP sin 1, c32 = amP cos 1, c33 = J zP + a 2 mP, c34 = abmP cos ( 1 2 ), Q1 = amP x1 cos 1 + (3) + abmP 2 ( 1 2 ) sin ( 1 2 ) amP y1 sin 1 + + amP 1 x cos 1 b2 sin ( 1 2 ) + y sin c41 = bmP sin 2, c42 = bmP cos 2, c43 = abmP cos ( 1 2 ), ( ) c44 = J zP + b2 mP, Q2 = bmP x2 cos 2 + abmP 1 * ( 1 2 ) * * sin ( 1 2 ) bmP y2 sin 2 + bmP 2 * * ycos 2 + a1 sin ( 1 2 ) + y sin Обобщенные силы Qi, действующие на звенья ШСММ на возможных перемещениях по обобщенным координатам, определяются по формулам (4) – (7) Qx = S1P cos ( + 1P ) cos 1 + S1P sin ( + 1P ) sin S1L cos ( + 1L ) cos 1 + S1L sin ( + 1L ) sin T1L cos sin 1 T1L sin cos 1 T1P cos sin T1P sin cos 1 + F2 P cos ( 1 + 2 P ) + F2 L cos ( 1 + 2 L ) + + (T2 L + T2 P ) sin 1 + F3 P cos ( 1 + 3P ) + F3 L cos ( 1 + 3 L ) +, (4) + (T3 L + T3 P ) sin 1 + (T4 L + T4 P ) sin 2 S 4 L cos ( 2 + 4 L ) S4 P cos ( 2 + 4 P ) (T5 L + T5 P ) sin 2 S5 L cos ( 2 + 5 L ) S5 P cos ( 2 + 5 P ) + PxT + PyT Qy = S1P sin ( + 1P + 1 ) S1L sin ( + 1L + 1 ) + +T1L cos cos 1 T1L sin sin 1 + T1P cos cos 1 T1P sin sin (T2 L + T2 P ) cos 1 + F2 P sin ( 1 + 2 P ) + F2 L sin ( 1 + 2 L ) (T3 L + T3 P ) cos 1 + F3 P sin ( 1 + 3 P ) + F3 L sin ( 1 + 3 L ), (5) (T4 L + T4 P + T5 L + T5 P ) cos 2 S 4 L sin ( 2 + 4 L ) S4 P sin ( 2 + 4 P ) S5 L sin ( 2 + 5 L ) S5 P sin ( 2 + 5 P ) + + PyT + PyP Q1 = (T1L + T1P ) a11 cos + (T1L T1P ) 0,51T sin S1P sin ( + 1P ) a11 + + S1P cos ( + 1P ) 0,51T S1L sin ( + 1L ) a11 S1L cos ( + 1L ) 0,51T + + (T2 L + T2 P ) a12 F2 P a12 sin 2 P F2 P 0,5T cos 2 P F2 L a12 sin 2 L + + F2 L 0,5T cos 2 L + (T3 L + T3 P ) a13 F3P a13 sin 3 P F3P 0,5T cos3 P F3L a13 sin 3L + F3L 0,5T cos3 L + (T4 L + T4 P ) b24 + a cos ( 1 2 ) + + S4 L cos 4 L 0,5 P a sin ( 1 2 ) + S4 L sin 4 L * * b24 + a cos ( 1 2 ) + S4 P sin 4 P b24 + a cos ( 1 2 ) S4 P cos 4 P 0,5 P + a sin ( 1 2 ) (T5 L + T5 P ) * * b25 + a cos ( 1 2 ) + S5 L cos ( 5 L ) 0,5 P a sin ( 1 2 ) S5 L sin ( 5 L ) b25 + a cos ( 1 2 ) S5 P cos ( 5 P ) * * 0,5 P + a sin ( 1 2 ) S5 P sin ( 5 P ) b25 + a cos ( 1 2 ), (6) PyT ( bcos 2 + a cos 1 ) + PxT ( b sin 2 + a sin 1 ) Q2 = (T4 L + T4 P ) b24 + S4 L 0,5 P cos 4 L + S4 L b24 sin 4 L S4 P 0,5 P cos 4 P + S4 P b24 sin 4 P (T5 L + T5 P ) b. (7) S5 P 0,5 P cos ( 5 P ) S5 P b25 sin ( 5 L ) + S5 L 0,5 P cos ( 5 L ) S5 L b25 sin ( 5 L ) PyT bcos 2 + PxT b sin 2 M T В левые и правые части полученных уравнений Лагранжа (2) входят не известные величины: моменты инерции тягача и полуприцепа J zT, J zP ;
силы Sij, Tij, Fij, PxT, PyT, PxP, PyP ;
полные и деформационные углы увода ij, ij, координаты центра масс тягача и полуприцепа.
Силы сопротивления качению вычисляются по формуле Sij = N ij f k, (8) где N ij – нормальная реакция;
f k – коэффициент сопротивления каче нию.
Поперечные силы Tij, действующие на колеса, определяются по формуле Tij = cij ij, (9) где cij – поперечная жесткость шины соответствующего колеса;
ij – поперечная деформация шины соответствующего колеса.
Деформационный угол бокового увода шины определяется по формуле ij = kij ij, (10) где kij – коэффициент пропорциональности между угловой и поперечной деформации для шины соответствующего колеса.
Проекции сил тяжести тягача и полуприцепа на оси неподвижной системы координат определяются по формулам PxT = 9,81mT sin, PxP = 9,81mP sin, (11) PyT = 9,81mT sin PyP = 9,81mP sin где и – угол продольного и поперечного наклона дороги, соответст венно.
Полный угол бокового увода для управляемых колес можно выразить через проекции скоростей колес по формулам (12), а для неуправляемых колес по формулам (13) x sin 1 + y cos 1 + a 1L = + arctg xcos 1 + y sin 1 0,5k1T 1, (12) = + arctg x sin 1 + y cos 1 + a xcos 1 + y sin 1 + 0,5k1T 1P x sin 1 + y cos 1 a12 2 L = arctg x cos + y sin 0,5k T 1 x sin 1 + y cos 1 a12 2 P = arctg x cos + y sin + 0,5k T 1 x sin 1 + y cos 1 a 3 L = arctg x cos 1 + y sin 1 0,5kT x sin 1 + y cos 1 a 3 P = arctg x cos 1 + y sin 1 + 0,5kT x sin 2 + y cos 2 a1 cos ( 1 2 ) b24 4 L = arctg x cos 2 + y sin 2 + a1 sin ( 1 2 ) 0,5k P = arctg x sin 2 + y cos 2 a1 cos ( 1 2 ) b24 x cos 2 + y sin 2 + a1 sin ( 1 2 ) + 0,5k P 4P x sin 2 + y cos 2 a1 cos ( 1 2 ) b25 5 P = arctg x cos 2 + y sin 2 + a1 sin ( 1 2 ) + 0,5k P. (13).
x sin 2 + y cos 2 a1 cos ( 1 2 ) b25 5 L = arctg x cos 2 + y sin 2 + a1 sin ( 1 2 ) 0,5k P Для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений с по стоянными коэффициентами (2) использован пакет программ для инженерных и научных расчетов Матлаб-Симулинк. Топологическая схема математической модели движения ШСММ представлена на рис. 2.6. Для удобства работы модель разбита на ряд функциональных подсистем В подсистеме «Natschalnye uslowija» задаются начальные значения обоб щенных координат и скоростей движения звеньев шарнирно-соединенной мобильной машины.
Подсистема «Manewry» предназначена для выбора выполняемого маневра. Подсистема обеспечивает моделирование при выполнении маневров ay schenie system DU».
eps eps ax VX Y In VX0 tjagatsch m/s tjagatsch In2 Out X In3 In1 VY Out1 X0 tjagatsch m VX tjagatsch Regulator skorosti In2 Out2 VX tjagatscha VY dwigenija In3 Out1 In1 Out VY0 tjagatsch m/s Upr signal In4 Out4 X tjagatsch alfa amplituda Y Out MomP X tjagatscha t manewra Y0 tjagatsch m Parametry Reshenie VY delcub t0 tjagatsch modeli sistemyDU VY tjagatscha 0 X Xt Y Yt Y prizep 0 tjagatsch rad/s t nats c hal a manew r a Y tjagatscha Traektorija Embedded 8 k- tjagatscha Matlab Function1 wr em j a per e s taw k i i l i prizep 0 tjagatsch grad tjagatscha, rad/s powor o ta r ul j a a -k 5 a XPR X pricepa X b «переставка», «движение по кругу», движение задним ходом.
b шарнирно-соединенной мобильной машины 0 prizep rad/s tjagatsch fi tjagatscha, grad ampl i tud, gr ad. f f 1 f2 k- 20 VX Traektorija f2 tjagatsch X YP R upr awl j au s c hi s i gnal 0 prizep grad pricepa prizepa, rad/s X Ga i n Y 0 -k Y Рисунок 2 Топологическая схема математической модели Y pri c epa fi prizepa, grad V z adnego x oda m/s m oment s edl e Определение коэффициентов системы дифференциальных уравнений (2) и вторых производных обобщенных координат происходит в подсистеме «Re Подсистема «Integratory» выполняет двойное интегрирование вторых производных, полученных подсистемой «Reschenie system DU», и вычисляет текущие значения обобщенных координат и скоростей движения звеньев ШСММ. Интегрирование системы дифференциальных уравнений производится методом Рунге-Кутта.
Подсистема «Regulator skorosti dwigenija» обеспечивает постепенное достижение заданной скорости выполнения маневра и постоянство ее значения в процессе движения ШСММ.
Подсистема «Parametry modeli» обеспечивает возможность ввода численных параметров ШСММ: массово-геометрических характеристик тягача и полуприцепа, характеристик пневматических шин, коэффициентов сцепления и сопротивления качению, углов продольного и поперечного уклона дороги, нормальных реакций, действующие на каждое колесо ШСММ.
Для обеспечения взаимосвязей между подсистемами и промежуточных расчетов составлены вспомогательные подпрограммы в Матлаб-Симулинк.
В процессе моделирования обеспечивается вывод на экран дисплея траектории движения ц.м. каждого звена ШСММ. По окончании расчета каждого варианта моделирования имеется возможность просмотреть характер управляющего воздействия, изменение угла увода для каждого колеса ШСММ, характер микрорельефа опорной поверхности, выполнить построение необходимых графиков.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям. Для по лучения достоверных результатов математического моделирования необходимо знание координат ц.м., моментов инерции звеньев ШСММ и упругих характеристик пневматических шин, влияющих на боковой увод.
Автором разработана методика и конструкция стенда для определения ко ординат ц.м. и моментов инерции звеньев мобильных машин. Определение ко ординат ц.м. мобильных машин основано на известной в аналитической меха нике теории геометрии масс системы материальных точек. Определение мо ментов инерции мобильных машин основано на методе малых колебаний плат формы, выведенной из состояния равновесия и совершающей колебания под воздействием восстанавливающих сил упругих элементов. Стенд состоит из платформы, которая может быть установлена на опоры двух типов шарнирно неподвижную и опору типа «подпятник», механизма уравновешивания, упру гих элементов и аппарелей. Методика определения положения центра масс и моментов инерции приведена на примере тягача КамАЗ-5410. Для определения положения центра масс тягача на продольной оси необходимо установить платформу стенда в горизонтальное положение на вал шарнирно-неподвижной опоры таким образом, чтобы вал был перпендикулярен продольной оси платформы (рис.4). Под платформой, в точке А, необходимо установить динамометр сжатия, вывернуть опорные винты платформы и измерить верти кальную реакцию в точке А. Составить уравнение равновесия n m ( Fi ) = Rc d + Pc cc = 0, (14) B i = где Rc – реакция связи в точке А, численно равная силе, действующей, на динамометр, Н;
P – вес системы «тягач платформа», Н;
d – расстояние от динамометра до оси качания, м;
– кратчайшее расстояние от центра масс системы до плоскости ZOY, проходящей через ось качания, м.
Из уравнения (14) определить продольную координату ц.м. системы R c = d. Выполнить опыт с неза- z P груженной платформой и, анало Pc P гичным образом, определить про дольную координату ц.м. плат Rc формы P R R c = d. Определить продоль B P A x c ную координату ц.м. тягача по a b формуле c P P c c= Для удобства.
d PA дальнейшей работы произведем привязку продольной координаты к Рисунок 4 Определение продольной передней оси тягача координаты ц.м.
b=d a c. (15) Для определения высоты ц.м. измерение реакций в точке А выполняется при наклоне платформы стенда на угол. Высота ц.м. системы, платформы и тягача вычисляется по формулам (16, 17, 18), соответственно R (l cos + sin ) Pc cc cos h = c, (16) Pc sin R (l cos + sin ) P c cos h =, (17) P sin h ( PA + P ) h P h= t, (18) PA где l, k и t – расстояние между динамометром и осью опоры, расстояние от центра оси опоры до платформы, толщина платформы, соответственно, м;
– угол наклона платформы, град.
Для определения момента инерции относительно оси Z, проходящей через ц.м. тягача необходимо установить платформу стенда на опору типа «подпятник», закрепить тягач на платформе растяжками и, выведя платформу из состояния равновесия, записать процесс свободных затухающих колебаний на ленту осциллографа. Определить по диаграммной ленте период одного колебания и вычислить момент инерции системы тягач платформа относительно оси качания по формуле T 2 cl AO J= c, (19) 4 z c где J z1 – момент инерции системы тягач платформа относительно оси качания z1, кгм2;
Т – период одного колебания, с, l AO1 - расстояние между пружинами и осью качания, м;
– жесткость эквивалентной пружины, Н/м.
Выполнив опыт с ненагруженной платформой, вычислить момент инерции платформы и определить момент инерции тягача относительно оси качания J z1 = J zc1 J z1. (20) Зная координаты ц.м. тягача, вычислить момент инерции тягача относи тельно оси z, проходящей через его ц.м.
J z = J z1 mA r32, (21) где J z – момент инерции тягача относительно оси z, проходящей через его ц.м., кгм2;
m A – масса тягача, кг;
r3 – расстояние между осью качания z1 и осью z, проходящей через ц.м. тягача.
Результаты определения массово-геометрических характеристик звеньев ШСММ, приведены в табл.1.
Определение упругих характеристик пневматических шин проведено на специальном стенде с плоской опорной поверхностью. Испытываемое колесо под заданным углом увода прокатывалось по опорной поверхности, при этом варьировалось внутреннее давление воздуха в шине, радиальная нагрузка на шину, угол увода. В процессе эксперимента записывалось изменение поперечной и радиальной деформации шины, путь, поперечная сила, действующая в пятне контакта шины с опорной поверхностью. Результаты испытания пневматических шин 260-508R представлены в виде графических зависимостей и приведены на рис. 5 и рис. 6.
Таблица 1 Массово-геометрические характеристики Наименование показателя ОдАЗ-9370 КамАЗ- Расстояние от центра задней тележки до 2,209 1, центра масс, м;
Высота центра масса, м;
1,034 0, Момент инерции относительно 38906 2.
вертикальной оси z, кгм Для создания момента, препятствующего свободному повороту звеньев ШСММ, разработано устройство для предотвращения складывания (рис.7).
Поперечная жесткость шины Рв=20 кН Рв=15 кН с, кН/м Рв=10 кН 0,45 0, 0,65 0,75 0, Давление воздуха в шине, Рш, МПа Рисунок 5 Зависимость поперечной жесткости шины 260-508R от давления 4, Коэффициент к, рад/м 3, 3,0 Рш=0,73М Па 2,5 Рш=0, МПа 2,0 Рш=0, М Па 1,5 Рш=0, М Па 1, 10 12 14 16 18 20 Радиальная нагрузка, кН Рисунок 6 Зависимость коэффициента k для шины260-508R от нагрузки Все элементы устройства монтируются на полуприцепе. Устройство состоит из звездочки 1, установленной на шкворне полуприцепа, звездочки 2, установленной на оси тормозного устройства 3. Тормозное устройство 3, пневматического типа, закреплено между лонжеронами рамы полуприцепа.
Звездочки 1 и 2 соединены цепью 4. От осевого перемещения звездочка удерживается конической гайкой 5. На звездочке 1 закреплен конусный фиксатор 7, конусность которого равна конусности направляющих седла тягача. Перед звездочкой 1 установлена наклонная плита 8. Толщина задней части наклонной плиты 8 равна толщине звездочки 1. Питание тормозного устройства 3 сжатым воздухом обеспечивается от пневматического баллона тормозной системы полуприцепа. Включение тормозного устройства обеспечивается ножным выключателем с рабочего места водителя, при этом создается момент, препятствующий взаимному повороту тягача и полуприцепа.
Конструкция устройства позволяет производить сцепку тягача и полуприцепа по стандартной схеме.
6 7 1 8 А а А 8 5 6 б а – общая компоновка УДПС, б – размещение элементов УДПС на шкворне полуприцепа, 1 7 Седло тягача в – взаиморасположение элементов УПДС и седла тягача после сцепки в Рисунок 7 Устройство для предотвращения складывания ШСММ Для исследования влияния УДПС на маневренность ШСММ был изготовлен и смонтирован опытный образец УДПС (рис.8).
Рисунок 8 Опытный образец устройства для предотвращения складывания Проведены сравнительные испытания ШСММ. В процессе испытаний при помощи разработанного комплекта аппаратуры записывался угол поворота управляемых колес, угол складывания и время выполнения маневра. Резуль таты испытаний движения задним ходом представлены в виде графических за висимостей (рис. 9).
Угол поворота управляемых Угол складывания, град.
Устройство откключено Устройство включено колес, град.
- Устройство отключено - -5 Устройство включено - - 0 5 10 15 0 5 10 15 Время выполнения маневра, с Время выполнения маневра, с а б Рисунок 9 Зависимость изменения угла складывания (а) и угла поворота управляемых колес (б) от времени выполнения маневра В четвертой главе приведены результаты математического моделирова ния. В процессе моделирования варьировались следующие параметры: момент, создаваемый УДПС, коэффициент сцепления, загрузка ШСММ и начальный угол складывания тягача и полуприцепа. Зависимость поперечного смещения ц.м полуприцепа и угла складывания звеньев порожней ШСММ от пройден ного задним ходом пути при начальном угле складывания 2 град. и коэффици енте сцепления 0,2 приведена на рис.10.
30 М= Угол складывания, град.
Поперечная координата 25 М= ц.м. полуприцепа, м М=1000 Нм 1.5 М=1000 Нм М=4000 Нм 20 М=4000 Нм М=6000 Нм М=6000 Нм 15 0. 0 -5 -10 -15 - 0 -5 -10 -15 - Путь ц.м. тягача,м Координата ц.м. тягача, м а б Рисунок 10 Зависимость изменения угла складывания звеньев ШСММ (а) и поперечного смещения ц.м. полуприцепа (б) от пройденного пути Изменение поперечного смещения ц.м. и угла складывания звеньев ШСММ описывается полиномами третьей степени Y = A1x 3 + B1x 2 + C1x + D, (22) Y = A2 x + B 2 x + C 2 x + D 3 U = A3 x + B3 x + C 3 x + D 3 где Y, Y поперечная координата ц.м. тягача и полуприцепа, соответственно;
U угол складывания звеньев ШСММ;
Ai, Bi, Ci, Di коэффициенты пропорциональности и свободные члены.
На рис. 11 и рис. 12 представлены графические зависимости изменения конечного значения поперечного смещения ц.м порожнего полуприцепа и угла складывания звеньев ШСММ на момент окончания выполнения маневра движения задним ходом от начального угла складывания.
4, Угол складывания, град.
М=0 М= Поперечное смещение ц.м.
М=1000 Нм М=1000 Нм 3,5 М=4000 Нм полуприцепа, м М=4000 Нм 3 М=600 Нм М=6000 Нм 2, 2 1,5 1 0,5 0 2 4 6 8 0 2 4 6 Начальный угол складывания, град. Начальный угол складывания, град.
Рисунок 11 Изменение конечного значения поперечного смещения ц.м.
порожнего полуприцепа и угла складывания звеньев ШСММ при движении задним ходом на дороге с коэффициентом сцепления fсц=0, Поперечное смещение ц.м.
5,5 Угол складывания, град.
М= М= полуприцепа, м 4,5 80 М=1000 Нм М=1000 Нм М=4000 Нм М=4000 Нм 3,5 М=6000 Нм М=6000 Нм 2,5 1,5 0,5 0 2 4 6 8 0 2 4 6 Начальный угол складывания, град. Начальный угол складывания, град.
Рисунок 12 Изменение конечного значения поперечного смещения ц.м.
порожнего полуприцепа и угла складывания звеньев ШСММ при движении задним ходом на дороге с коэффициентом сцепления fсц=0, Анализ результатов экспериментальных исследований и результатов ма тематического моделирования показал, что создание момента сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ повышает маневренность ШСММ.
Создание момента сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ при управляемом движении задним ходом более чем в 2 раза увеличивает время движения ШСММ до момента возникновения угла складывания, а количество управляющих воздействий уменьшается на 40 %.
Создание момента сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ, равного 6000 Нм, при неуправляемом движении задним ходом по опорной поверхности с коэффициентом сцепления fсц=0,6 и начальным углом складывания 2 град. в конце мерного участка 20 м снижает поперечное смещение ц.м порожнего полуприцепа на 8 %, а угол складывания уменьшается более чем в 9 раз.
Снижение коэффициента сцепления увеличивает эффективность влияния момента сопротивления повороту звеньев ШСММ на поперечное смещение ц.м. полуприцепа и угол складывания звеньев ШСММ.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана математическая модель движения шарнирно-соединенной мобильной машины, позволяющая исследовать влияние момента сопротивле ния взаимному повороту звеньев ШСММ на маневренность ШСММ.
2. Выполнено экспериментальное определение упругих характеристик пневматических шин 260-508R, влияющих на боковой увод.
3. Разработана методика и определены координаты ц.м. и моменты инерции звеньев исследуемой ШСММ. Полученные результаты использованы в качестве исходных данных при математическом моделировании движения ШСММ.
4. Разработана конструкция устройства для предотвращения складывания звеньев ШСММ, позволяющая создавать момент сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ.
5. Исследовано влияние момента сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ на ее маневренность, получены зависимости изменения угла складывания и поперечного смещения центров масс звеньев ШСММ.
6. Результаты экспериментальных исследований показали, что создание момента сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ при управляемом движении задним ходом более чем в 2 раза увеличивает время движения ШСММ до момента возникновения угла складывания, а количество управляющих воздействий уменьшается на 40 %.
7. Результаты математического моделирования показали, что:
создание момента сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ, равного 6000 Нм, при неуправляемом движении задним ходом по опорной поверхности с коэффициентом сцепления fсц=0,6 и начальным углом складывания 2 град. в конце мерного участка 20 м снижает поперечное смещение ц.м. порожнего полуприцепа на 8 %, а угол складывания уменьшается более чем в 9 раз;
снижение коэффициента сцепления увеличивает эффективность влияния момента сопротивления повороту звеньев ШСММ на поперечное смещение ц.м. полуприцепа и угол складывания звеньев ШСММ.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
В изданиях по перечню ВАК 1. Валекжанин А.И. Повышение маневренности движения мобильных ма шин [Текст] / Валекжанин А.И., Поддубный В.И., Павлюк А.С // Вестник АГАУ. Технологии и средства механизации сельского хозяйства. – 2009. – № (51). – С. 52 –55.
2. Валекжанин А.И. Определение массово-геометрических характеристик звеньев мобильных машин [Текст] / А.И. Валекжанин // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2009. № 4. С.110 113.
3. Поддубный В.И. Моделирование движения шарнирно-соединенной ма шины в Матлаб-Симулинк [Текст] / Поддубный В.И., Валекжанин А.И., Пав люк А.С // Вестник АГАУ. Технологии и средства механизации сельского хо зяйства. – 2008. – № 8 (46). – С. 66 – 71.
В патентах и авторских свидетельствах:
4. А.с. 1100520 СССР, МКИ3 G 01 M 17/02. Стенд для испытания пневматических шин /Л.В. Гячев, А.С. Павлюк, А.В. Величко, А.И.
Валекжанин, В.И. Поддубный (СССР),№ 3574726/2711 ;
заявл. 07.04.83;
[не подлежит опубликованию в открытой печати] 7 с. : ил.
5. А.с. 1348255 СССР, МКИ3 В 62 D 53/00. Устройство для предотвращения складывания седельного автопоезда / А.С. Павлюк, А.И.
Валекжанин, Р.Л. Венгрженовский, А.К. Патронников (СССР), № 4010129/3111 ;
заявл. 04.12.86 ;
опубл. 30.10.87, Бюл. №40. 3 с. : ил.
6. А.с. 1539119 СССР, МКИ3 В 62 D 53/00. Устройство для повышения ус тойчивости движения автопоезда / А.И. Валекжанин, А.С. Павлюк, П.В. Гу зенко (СССР), № 4426991/ 3111 ;
заявл. 16.05.88 ;
опубл. 30.01.90, Бюл. № 4.
3 с. : ил.
В свидетельствах о гос. регистрации программ для ЭВМ:
7. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № Российская Федерация. Механико-математическая модель шарнирно-соединен ной колесной машины (МШСКМ) [Текст] / Поддубный В.И., Валекжанин А.И., Павлюк А.С. ;
заявитель и правообладатель Алтайский гос. тех. ун-т. – № 2008611708 ;
заявл. 21.04.08. зарег. в Реестре программ для ЭВМ 17.06.08. – с.
8. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № Российская Федерация. Механико-математическая модель одиночной колесной машины (МОКМ) [Текст] / Поддубный В.И., Валекжанин А.И., Павлюк А.С. ;
заявитель и правообладатель Алтайский гос. тех. ун-т. – № 2008612343 ;
заявл.
27.05.08. зарег. в Реестре программ для ЭВМ 22.07.08. – 18 с.
В других изданиях:
9. Валекжанин А.И. Экспериментальное определение массово геометрических характеристик звеньев автопоезда [Текст] / А.И. Валекжанин, А.С. Павлюк ;
М-во автомобильной промышленности СССР. М., 1986. 33 с.
Деп. в НИИНавтопром 28.02. 86, № 1320-ап.
10. Валекжанин А.И. Характеристики увода пневматических шин [Текст] / А.И. Валекжанин, А.С. Павлюк, А.И. Поддубный ;
М-во автомобильной про мышленности СССР. М., 1989. 6 с. Деп. в ЦНИИТЭИавтопром 30.01.89, № 1821-ап89.
11. Валекжанин А.И. Повышение устойчивости движения седельного автопоезда [Текст] / А.И. Валекжанин, А.С. Павлюк // Транспортные средства Сибири: материалы межвузовской научно-практической конференции с международным участием. Красноярск: КПИ, 1995. С. 88 92.
12. Валекжанин А.И. Математическая модель шарнирно-соединенной мобильной машины [Текст] / А.И. Валекжанин, В.А. Назаров // 52-я научно-тех ническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподаватель ского состава техн. ун-та. Сб. докладов, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул:
Изд-во АлтГТУ, 1998. – С. 29.
13. Валекжанин А.И. Кинематика маневрирования мобильных машин при движении задним ходом [Текст] / А.И. Валекжанин // Совершенствование систем автомобилей тракторов и агрегатов: Сб статей / Под ред. к.т.н., доцента С.А.Коростелева / Российская Академия Транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползу нова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006. – С. 76 – 81.
14. Валекжанин А.И. Влияние момента трения в седельно-сцепном устройстве на маневренность шарнирно-соединенной мобильной машины [Текст] / А.И. Валекжанин // 67-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава техн. ун-та. Сб.
докладов, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2009. – Ч. 1С.
29 – 35.
15. Величко А.В. Стенд для испытания пневматических шин [Текст] / А.В. Величко, А.И. Валекжанин // Совершенствование рабочих органов сельскохозяйственных машин: Межвуз. сб. / Под ред. д.т.н., проф. В.Ф Семенова / АлтПИ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтПИ, 1985. – С. – 118.
16. Поддубный В.И. Математическая модель шарнирно-соединенной мо бильной машины в Матлаб-Симулинк [Текст] / В.И. Поддубный, А.И. Валек жанин, А.С. Павлюк // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России:
материалы V междунар. науч.-техн. конф. 21–23 мая 2008 г., Пенза / [в 2 ч.
/редкол.: Э.Р. Домке (отв. ред.) и др.]. – Пенза: ПГУАС, 2008. – Ч.1. – С. 123– 127.
Подписано в печать 16.11.2009. Формат 6084 1/16.
Печать - ризография. Усл.п.л. 1,32. Тираж 100 экз. Заказ 166/2009.
Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656038, г. Барнаул пр-т Ленина, 46.