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 л24 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, ntsc@desert.secna.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: л 23 ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Л.В. Куликова 2

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 габаритных размеров, массы, ухудшению технико-эксплуатационных свойств - маневренности, 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 эксплуатационные факторы, как низкий коэффициент сцепления, наличие поперечного и продольного уклона дороги и др. могут привести к прогрессирующему складыванию и значительному поперечному смещению звеньев ШСММ от направления 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-соединенных мобильных машин за счет создания момента сопротивления взаимному повороту их звеньев.

Объект исследования - процесс маневрирования шарнирно-соединенных мобильных машин.

Предмет исследования - изучение влияния момента сопротивления взаимному 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 МатлабСимулинк, учитывает создание момента сопротивления взаимному повороту звеньев ШСММ и позволяет исследовать влияние устройств для предотвращения 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, получены 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 предотвращения складывания, конструкция которого позволяет создать момент сопротивления 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 эксплуатационно-технических свойств, как одиночных, так и ШСММ;

- оборудование, разработанное и созданное в процессе выполнения диссертации, используется при выполнении НИР по теме: Повышение эффективности использования автомобильного подвижного состава и учебном процессе на кафедре Автомобили и автомобильное хозяйство Алтайского государственного 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 определения моментов инерции и характеристик увода пневматических шин удостоена 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 автомобильное 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 момента сопротивления взаимному повороту ее звеньев, позволяющая исследовать 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 маневренность.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов. Текст диссертации изложен на 143 стр. машинописного текста, включает 64 рисунка, 1 таблицу, 158 наименований 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 шарнирносоединенной мобильной машины;

Вторая глава посвящена разработке математической модели ШСММ.

При разработке математической модели приняты следующие допущения:

1. Звенья ШСММ являются твердыми телами, совершающими плоско-параллельное 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 1 центра масс тягача; и - 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 соответствующей оси; к1Т - колея передней оси тягача; кТ, кP -колея тележки тя гача и полуприцепа, соответственно; aij, bij - линейные размеры элементов тягача и полуприцепа, соответственно.

1L 1L 1L 1L 1L 1L 1L 1L 1L 1L 1L 1L 1 1 1 1 2L L 2L L 2L L 2L L 2L L 2L L 4L L 4L L YT YT YT YT 3L 5L 3L 5L 3L 3L 3L 5L 3L 5L 3L 1P 1P 1P 1P 1P 1P 1P 1P 3L 3L 3L 3L 3L 4L L 4L L 3L 3L 3L 3L 2L 2L 2L 2L 2L 2L 2L 2L 4L 4L 4L 4L 4L 4L 4L 4L XT XT XT XT 5L 5L 5L 3L 1P 5 3L 1P L 5L 3L 1P 5 3L L 1P YP YP YP YP 2P 2P 2P 2P 4L 1P 4 1P L 4L 1P 4 1P L 5L 3P 5L 3P 5L 3P 5L 3P 3P 3P 3P 3P 3P 3P 3P 3P 2P 2P 2P 2P 2P 2P 2P 2P 2P 2P 2P 2P XP XP XP XP 4P 4P 4P 4P P P P P P P P P P 4P P 4P 4P P 4P P 4P 4P 4P 4P 5P 5P 5P 5P 5P 5P 5P 5P 3P 3P 3P 3P 3P 3P 3P 3P 2P 2P 2P 4P 4P 2P 4P 4P 4P 4P 4P 4P 5P 5P 5P 5P 5P 5P 5P 5P 5P 5P 5P 5P Рисунок 1 - Расчетная схема движения мобильной машины Уравнение Лагранжа второго рода для системы тел с неголономными связями имеет вид:

d T T, (1) - = Qi dt qi qi где T - кинетическая энергия системы; qi - обобщенная координата; qi - обобщенная скорость; - обобщенная сила.