Повышение эффективности использования машинно-тракторных агрегатов снижением уплотняющего воздействия движителей на почву тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Гайнуллин Ильшат Анварович

• Гайнуллин Ильшат Анварович
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Гайнуллин Ильшат Анварович

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Современное состояние машинно-тракторного парка в агропромышленном комплексе России и Республики Башкортостан

1.2 Анализ моделей определения оптимальных параметров машинно -тракторных агрегатов и критерий их оптимизации

1.3 Анализ существующих критериев оценки воздействия движителей МТА на почву

1.4 Анализ существующих компоновочно-конструктивных решений по созданию инновационных и высокоэффективных МЭС

1.5 Состояние проблемы, основная гипотеза, цель, задачи исследований

2 НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ МТА С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДВИЖИТЕЛЕЙ НА ПОЧВУ

2.1 Обоснование направлений повышения эффективности и снижения уплотняющего воздействия на почву МТА на основе системного подхода

2.2 Математическая модель и моделирование производственных процессов растениеводстве с учетом уплотняющего воздействия МТА на почву

2.3 Математическая модель оптимизации параметров и режимов работы МТА с учетом уплотняющего воздействия их движителей на почву

2.4 Обоснование границ эффективного применения машинно-тракторных агрегатов

2.5 Математическое моделирование оптимизации параметров и режимов работы

машинно-тракторных агрегатов

Выводы по главе

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВИЖИТЕЛЕЙ С ПОЧВОЙ .. 94 3.1 Аналитическая модель взаимодействия полугусеничных и гусеничных движителей с полужесткой подвеской с почвой

3.2 Обоснование геометрии опорной части и горизонтальной координаты центра масс гусеничного трактора с полужесткой подвеской

3.3 Анализ моделей взаимодействия колесных движителей с почвой

3.4 Моделирование взаимодействия колесного движителя с почвой методом

дискретных элементов в программе Rocky Dem

Выводы по главе

4 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ АППАРАТУРЫ

4.1 Программа экспериментальных исследований

4.2 Объекты исследования

4.3 Условия проведения исследований

4.4 Регистрируемые параметры и измерительная аппаратура

4.5 Методика определения максимального давления движителей МТА на песчаное основание и почву на глубине 0,2 м

4.6 Методика оценки воздействия движителей МТА на почву на разных глубинах

4.7 Методика тормозных испытаний двигателей для тяговых испытаний

4.8 Методика сравнительных тяговых испытаний

4.9 Методика энергетической оценки МТА на основе многофакторного эксперимента

4.10 Методика измерения крутящего момента на валу МТА

4.11 Методика определения эксплуатационно-технологических показателей МТА

на основе многофакторного эксперимента

Выводы по главе

5 РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1 Определение осевых нагрузок, линейных и угловых размеров МЭС

5.2 Результаты оценки влияния потенциала использования цифровых решений на производительность МТА

5.3 Результаты тягово-энергетической, эксплуатационно-технологических исследований посевного агрегата ПК 6.1 «Кузбасс»на базе трактора К-735

5.4 Результаты испытаний по определению крутящего момента ротора разбрасывателя органических удобрений ПТВ-256 с трактором Case Puma

5.5 Результаты энергетических, эксплуатационных испытаний гусеничного трактора «Фермер РБ-2103»

5.6 Результаты энергетических, эксплуатационных испытаний трактора Беларус -1221 GT

5.7 Результаты эксплуатационных испытаний МТА

5.8 Результаты исследований воздействия движителей МТА на почву

5.8.1 Исследование воздействия движителей посевного агрегата К-735 с ПК 6.1 «Кузбасс» на почву

5.8.2 Исследование воздействия колесного трактора Case Puma 210 с разбрасывателем органических удобрений ПТВ-256 на почву

5.8.3 Исследование воздействия на почву резиноармированного гусеничного трактора "Фермер РБ -2103"

5.8.4 Исследования воздействия движителей тракторов общего назначения на почву

5.9 Результаты комплексных исследований гусеничного трактора с различной геометрией опорной части

5.9.1 Обоснование геометрии опорной части гусеничного трактора с полужесткой подвеской

5.9.2 Результаты тормозных испытаний дизеля для тяговых испытаний

5.9.3 Результаты сравнительных тяговых испытаний

5.9.4 Сравнительная энергетическая и эксплуатационно-технологическая оценка МТА

5.10 Результаты сравнительных опытов различных технологий возделывания

зерновых культур в степной зоне Республики Башкортостан

Выводы по главе

6 ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

6.1 Предложенная система решения проблем, рекомендации по повышению

эффективности и снижению уплотняющего воздействия движителей на почву

6.2 Обоснование структурного парка МЭС

6.3 Технико-экономическая эффективность разработанных конструкций машин и

рекомендаций

Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности использования машинно-тракторных агрегатов снижением уплотняющего воздействия движителей на почву»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Стратегия научно-технологического развития России выделяет приоритетными направлениями высокоэффективную,

ресурсосберегающую энергетику, высокопродуктивное, устойчивое сельское хозяйство, адаптацию к изменению климата и рациональное использование природных ресурсов. Ставится задача создать отечественные наукоемкие технологии для перехода к высокопродуктивному, экологически чистому агро- и аквахозяйству, а также внедрить передовые технологии проектирования и производства мобильно-энергетических средств (МЭС) и сельхозмашин. Внедрение передовых цифровых, роботизированных технологий, беспилотных средств, а также интеллектуальных производственных цифровых решений и цифровых двойников машин, движителей способствует решению поставленных задач в аграрном производстве.

В связи с укрупнением аграрных предприятий, снижением трудовых ресурсов наблюдается тенденция к применению скоростных широкозахватных почвообрабатывающих машин и почвообрабатывающе-посевных комплексов, агрегатируемых МЭС высоких тяговых классов. Одновременное выполнение нескольких операций на высоких рабочих скоростях (10...13 км/ч) с широким захватом (10.18 м) позволяет повысить производительность, обеспечивает качественное, своевременное выполнение полевых работ, снижая затраты топлива и себестоимость продукции. Вместе с тем энергонасыщенные МЭС менее универсальны, в некоторых видах работ не в полной мере используется заложенный в их конструкцию тягово-энергетический потенциал. Наблюдается рост негативных последствий из-за уплотнения почвы движителями. Повышение производительности труда и продуктивности сельскохозяйственных полей путем снижения уплотняющего воздействия движителей машинно-тракторных агрегатов (МТА) на почву и своевременного выполнения работ с применением современной высокопроизводительной техники, оснащенной электронными цифровыми средствами, является значимым резервом повышения результатов деятельности

сельхозпроизводителей и актуальной задачей перед научным сообществом аграрной отрасли.

Степень разработанности темы. Обоснованию рациональных параметров МТА посвящены научные труды В.П. Горячкина, В.Н. Болтинского, Б.Н. Линтварева, М.П. Сергеева, Г.Д. Веденяпина, Ю.К. Киртбая, В.И. Виноградова, Е.М. Харитончика, С.А. Иофинова, Ф.С. Завалишина, В.В. Кацыгина, В.В. Гуськова, Н.М. Орлова, В.И. Саяпина, А.А. Зангиева, Рифа М. Баширова и других авторов.

Исследования воздействия движителей на изменение характеристик, деформирование почв, распределение напряжений и урожая выполнены Н.А. Качинским, М.Х. Пигулевским, В.И. Агафоновым, И.Б. Ревутом, А.С. Кушнаревым, В.А. Русановым, И.П. Ксеневичем, З.А. Годжаевым, Д. С. Гапичем В.П. Лапиком и др. учеными.

На основе системного обзора и анализа научных работ установлено, что при обосновании параметров и эксплуатационных режимов работы МТА недостаточное внимание уделяется влиянию уплотняющего воздействия движителей на почву. Существующие методы и подходы изучения взаимодействия движителей мобильных машин с почвой требуют дальнейшего совершенствования.

Научная проблема исследования заключается в недостаточном учёте уплотняющего воздействия движителей на почву при выборе параметров и режимов работы МТА в сельском хозяйстве. Существующие теоретические модели взаимодействия движителей с почвой нуждаются в совершенствовании, а также требуется внедрение цифровых технологий, производственных цифровых решений и цифровых двойников машин, движителей в аграрное производство.

Для решения данной проблемы в качестве научной гипотезы выдвинута возможность повышения эффективности МТА путем обоснования и разработки способов и средств снижения воздействия их на почву с использованием методов цифровых двойников, проведения комплексных тяговых, энергетических, эксплуатационных исследований с применением цифровых информационно-

измерительных телеметрических комплексов, определения рационального состава, параметров и режимов работы.

Цель исследований - повышение эффективности использования машинно -тракторных агрегатов путем научного обоснования и оптимизации параметров и режимов их работы, разработки методов и средств снижения уплотняющего воздействия движителей на почву.

Для реализации цели сформулированы задачи исследований:

1. Определить направления повышения эффективности использования МТА, параметров и режимов их работы и существующих компоновочно-конструктивных решений по созданию инновационных и высокоэффективных МЭС, обеспечивающих снижение уплотняющего воздействия движителей на почву.

2. Разработать математическую модель оптимизации параметров и режимов работы МТА с учетом уплотняющего воздействия движителей на почву и обосновать рациональные эксплуатационные параметры и режимы работы выбранного состава парка МЭС.

3. Разработать метод выбора оптимального агрегата для заданных условий выполнения сельскохозяйственных работ с учетом уплотняющего воздействия движителей на почву.

4. Разработать математическую модель распределения давления на почву полугусеничных и гусеничных движителей с полужесткой подвеской.

5. Разработать цифровой двойник взаимодействия колесных движителей с почвой.

6. Разработать цифровой информационно-измерительный телеметрический комплекс для измерения тягового усилия, крутящего момента, скорости, давления движителей на почву с возможностью онлайн-регистрации, управления и передачи данных и создать опытные образцы МТА, оснащенной цифровой телеметрической системой.

7. Разработать программу-методику натурных многофакторных экспериментов и провести комплексные тягово-энергетические, эксплуатационные исследования с оценкой воздействия движителей МТА на почву.

8. Разработать рекомендации по внедрению в производство агрегатов и узлов МЭС, обосновать технико-экономическую эффективность их использования.

Объект исследования - процесс функционирования МТА и его взаимодействие с почвой при выполнении механизированных работ.

Предмет исследования - закономерности влияния на эффективность использования МТА методов и средств снижения уплотняющего воздействия на почву.

Методология и методы исследований. Методология исследования сформирована на общем системном подходе, основывающемся на анализе процессов эксплуатации МТА. В ходе исследования использовались методы математического анализа и моделирования, методы дифференциального исчисления, интегрирования, теории вероятности, методы контактной задачи теории упругости, методы дискретных элементов и классической механики. В лабораторно-стендовых, тяговых, энергетических и эксплуатационных исследованиях применены стандартные и частные методики. Испытания проводились методом тензометрии и телеметрии с планированием многофакторных экспериментов. Моделирование проводилось в программах C#, Python, MathCAD, Scilab, KОМPAS-3D и Rocky Dem. Экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики в программах Statistica, MathCAD, Microsoft Excel и Zetlab.

Научная концепция - повышение эффективности использования современных МТА путем научного обоснования, разработки и внедрения инновационных методов и технических средств, способствующих снижению уплотняющего воздействия на почву их движителей и увеличению их производительности, основанных на моделировании цифровых двойников, тягово-энергетической, эксплуатационной оценке, оценке воздействия

движителей на почву, применении цифровых телеметрических систем, определении рационального состава, оптимальных параметров и режимов работы.

Научная новизна исследования.

1. Математическая модель оптимизации параметров и режимов работы машинно-тракторного агрегата, учитывающая площадь уплотнения, коэффициент потерь урожая по следу движителей.

2. Метод выбора МТА для конкретных условий выполнения сельскохозяйственных работ на основе определения зон эффективного применения агрегатов по критерию минимальных интегральных затрат при оптимальном объеме работ.

3. Математическая модель распределения давления на почву по опорной поверхности полугусеничного и гусеничного движителей трактора, учитывающая их конструктивно-технологические параметры с использованием экспериментального поправочного коэффициента несоответствия длины пятна контакта и длины движителя.

4. Обоснованная геометрия опорной поверхности полугусеничного и гусеничного движителей трактора с полужесткой подвеской с учетом конструктивно-технологических параметров и упругих свойств основания, обеспечивающих снижение уплотнения почвы.

5. Цифровой двойник взаимодействия колесных движителей с почвой на основе метода дискретных элементов и контактной модели Герца-Миндлина JKR, существенно ускоряющий переход от идеи к конечному прототипу новых конструкций шин.

6. Регрессионные модели определения плотности почвы в пахотных и подпахотных слоях, позволяющие на этапе проектирования прогнозировать физико-механические свойства почвы и урожайность сельскохозяйственных культур.

Достоверность и обоснованность принятых в диссертационной работе решений подтверждается полнотой и обстоятельностью анализа известных

методов выбора и обоснования оптимальных параметров и режимов работы МТА; корректностью применения методов математического моделирования технических систем; обоснованностью выбора исходных допущений и ограничений при оценке воздействия движителей на почву, достаточной адекватностью математических моделей исследуемым объектам; согласованностью теоретических результатов с результатами натурных экспериментальных исследований. Новизна технических и программных решений подтверждена патентами на изобретение № 2388641 С1 РФ (Ходовая часть гусеничного трактора), на полезные модели № 203730 Ш РФ (Прицепное устройство трактора), № 219350 Ш РФ (Бункер посевного комплекса), № 221392 и1 РФ (Посевной агрегат), № 229089 (Машина с выдвижным бульдозерным рабочим оборудованием) и зарегистрированными свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ № 2020617537, № 2022615051, № 2022617886, № 2022619231, № 2022662136, № 2022667140, № 2023617542, № 2023669256, № 2024611455, 2024614708.

Теоретическая значимость исследований.

В результате проведенных исследований обоснованы направления повышения эффективности эксплуатации МТА за счет снижения уплотняющего воздействия движителей на почву, использования цифровых решений в аграрном производстве.

Обоснованы оптимальные параметры и режимы использования МТА с учетом уплотняющего воздействия движителей на почву.

Предложены теоретические зависимости обоснования геометрии опорной части гусеничного и полугусеничного движителей с учетом тягового усилия, массо-габаритных параметров трактора и характеристик почвы, а также координат навесного устройства МЭС.

Разработана цифровая модель взаимодействия колесного движителя с почвой на основе метода дискретных элементов, позволяющая оценить энергетические показатели движителя и уплотнение почвы.

Разработана цифровая измерительно-регистрирующая телеметрическая система, включающая модули для измерения скоростных и силовых показателей, крутящего момента на валу, давления движителей на почву, онлайн регистрации, управления и передачи данных.

Обоснованы конструктивные схемы и параметры гусеничного движителя, навесного устройства, посевного агрегата, разбрасывателя органических удобрений, обеспечивающие снижение уплотнения почвы при их взаимодействии.

Практическая значимость исследований.

Разработанная модель оптимизации параметров и режимов работы МТА позволяет осуществлять выбор наиболее эффективных мобильных машин с учетом уплотняющего воздействия движителей на почву.

Для повышения точности оценки производительности МТА, выполняющего сельскохозяйственные работы в режиме цифрового управления, в формулу расчета его производительности предлагается ввести коэффициент цифровых решений (&циф), который складывается из 3-х коэффициентов: кв =1,008.1,024 - коэффициент использования ширины захвата агрегата в случае применения системы точного вождения; кУ = 1,02.1,038 - коэффициент использования скорости агрегата при ее автоматической поддержке, кт = 1,03.1,086 - коэффициент использования времени смены при наличии системы формирования оптимального маршрута.

Разработанный алгоритм расчета давлений по длине опорной поверхности гусеничного движителя позволяет произвести оценочные расчеты взаимодействия и моделировать их на стадии проектирования трактора. Даны рекомендации по выбору рациональной геометрии опорной части гусеничного движителя, позволяющие на 15.23% снизить уплотнение почвы по следу, повысить условный тяговый КПД трактора до 7,4 % и производительность МТА до 4.5,1%.

Разработан цифровой двойник взаимодействия колесного движителя с почвой, являющийся составной частью системы автоматизированного проектирования колесных движителей.

Созданы опытные образцы МТА, оснащенного цифровой телеметрической системой, включающей модули для измерения скоростных и силовых показателей, крутящего момента на валу, онлайн регистрации, управления и передачи данных.

В ходе исследований получены результаты тяговых, энергетических, эксплуатационных испытаний МТА, а также оценки воздействия на почву десяти марок шин колесных тракторов и четырёх типов гусеничных движителей.

Реализация результатов работы. Результаты исследований одобрены научно-техническим советом Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан и внедрены в ООО «Башсельхозтехника», СПК - колхоз «Герой», в ГУСП МТС «Центральная» РБ, ООО «Башкир-Агроинвест». Разработаны конструкции ходовой части трактора Т-170М1.03-53, навесного устройства для трактора Т-170М1.03-53, прицепного плуга ПП-9-35 и внедрены в ООО «ЧТЗ-Уралтрак». Предложенная по результатам работы конструкция движителя гусеничного трактора внедрена внедрена в ГосНИИ ПТ (ЧФ НАТИ) при оптимизации параметров моторно-трансмиссионных установок и движителей тракторов высоких тяговых классов. Обоснованные в ходе исследований рациональные параметры и режимы работы колесного трактора «Кировец» К-735 с посевным комплексом ПК-1.6 «Кузбасс» внедрены в АО «Петербургский тракторный завод», в ООО ПТЦ «Кировец-Уфа»,. Полученные исследованиями рациональные параметры и режимы работы резиноармированного гусеничного трактора «Беларусь 2103», «Фермер РБ-1993» внедрены в ОАО «Мозырский машиностроительный завод», ООО «Матрикс Универсал». Цифровой двойник колесного движителя используется в ООО «Челябинский компрессорный завод» при разработке почвообрабатывающих-посевных машин ПК-12 и разбрасывателя органических удобрений ПТВ-256. Нормативы технической оснащенности растениеводства используются при совершенствовании структуры машинно-

тракторного парка (МТП) сельскохозяйственных предприятий Республики Башкортостан. Результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Южноуральский ГАУ», ФГБОУ ВО Самарский ГАУ, ФГБОУ ВО «Оренбургский ГАУ», ФГБОУ ВО «Кузбасский ГАУ», ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, ФГБОУ ВО «Красноярский ГАУ», ФГБОУ ВО «Омский ГАУ» и колледжей Республики Башкортостан.

Вклад автора в проведенное исследование состоит в непосредственном планировании, выполнении всех этапов исследований и получении изложенных в работе новых научных положений и практических разработок. Автором разработаны математическая модель оптимизации параметров и режимов работы МТА с учетом уплотняющего воздействия движителей на почву и состава парка мобильных машин, аналитическая модель распределения давления на почву гусеничного движителя, модель взаимодействия колесного движителя с почвой на основе метода дискретных элементов, программы и методики многофакторных экспериментальных исследований, опытные лабораторные установки, обоснованы геометрия опорной части гусеничного движителя с полужесткой подвеской, выбор цифровых датчиков для испытаний, настройки, проведены их тарировка, расчеты технико-экономической эффективности использования МТА. При непосредственном участии автора изготовлены: эллипсный обвод гусеничного трактора Т-170М1.03-53, телеметрическая система для тракторов К-735, Беларус 1221 GT, Фермер РБ 2103, тензо-телеметрический вал для измерения крутящего момента разбрасывателя органических удобрений ПТВ 256, тензометрический палец для измерения тягового сопротивления Horsh Tiger MT и приспособления для крепления индукционных и оптических датчиков.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель оптимизации параметров и режимов работы МТА, учитывающая площадь уплотнения, коэффициент потерь урожая по следу движителей;

- метод выбора МТА для конкретных условий работ на основе определения зон эффективного применения агрегатов по критерию минимальных интегральных затрат при оптимальном объеме работ;

- математическая модель распределения давления полугусеничного и гусеничного движителей трактора с полужесткой подвеской на почву;

- рациональные геометрические размеры опорной поверхности полугусеничного и гусеничного движителей трактора с полужесткой подвеской;

- цифровой двойник взаимодействия колесного движителя с почвой;

- цифровой информационно-измерительный телеметрический комплекс на базе 7Е^АВ с одновременным измерением двенадцати параметров;

- регрессионные модели определения физико-механических свойств почвы в пахотных и подпахотных слоях.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в сборнике материалов, доложены, обсуждены на более 50-ти международных, национальных и всероссийских научно-технических конференциях Южно-Уральского ГАУ (Челябинск, 1998-2024 гг.), Башкирского ГАУ (Уфа, 2008-2024 гг.), 75-летию НАТИ (Москва, 2001), МАДИ (Москва, 2001), Челябинского военного автомобильного института (Челябинск, 2001), БашГУ (Уфа, 2002-2006), ВИМ (Москва, 2005), Днепровского ГАЭУ (Днепропетровск, 2005), Академии наук Республики Башкортостан (Уфа, 2007), Российского ГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева (Москва, 2007, 2009, 2024, Калуга, 2023), Рязанского ГАУ имени П.А. Костычева» (Рязань, 2022, 2023), Казанского ГАУ (Казань, 2022, 2023), Пермского ГАТУ (Пермь, 2023); Дальневосточного ГАУ (Благовещенск, 2023), Калмыцкого ГУ имени Б.Б. Городовикова (Элиста, 2023), Иркутского ГАУ им. А.А. Ежевского (Иркутская обл., 2023), Новосибирского ГАУ (Новосибирск, 2023), Бурятского ГСА имени В.Р. Филиппова (Улан-Удэ, 2023), Омский ГАУ им. П.А. Столыпина (Омск, 2023), Федерального аграрного НЦ Республики Дагестан (Махачкала, 2023), Ульяновского ГАУ им. П.А. Столыпина (Ульяновск, 2023), Кыргызского НАУ им. К.И. Скрябина (Бишкек, 2023); Алтайского ГАУ (Барнаул, 2024), Санкт-

Петербургского ГАУ (Санкт-Петербург, 2024), Удмуртского ГАУ (Ижевск, 2024), Уральского ГАУ (Екатеринбург, 2024) и других, а также на расширенных научно-технических советах ЧФ НАТИ, ГСКБ ОАО "ЧТЗ", ЮрГУ, ЮрГАУ (Челябинск 1997-2002); выездном заседании Президиума Россельхозакадемии (Челябинск, 1998 г.); УралНИИС НАТИ (2002), Челябинский НИИСХ (2002), Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан (2006 - 2008), Министерства образования и науки Республики Башкортостан (2009,2010), БНИИСХ УФИЦ РАН (Уфа, 2009, 2010), ООО ПТЦ «Кировец-Уфа» (2022, 2023); на зональных семинарах Республики Башкортостан. Основные разработки представлены в Москве на XI, XV Российских агропромышленных выставках «Золотая осень» и удостоены медалей в 2009, 2013 гг. Работа выполнена в рамках тематических заданий на выполнение НИР по заказу Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан и в соответствии договорами НИОКР с ОАО «ЧТЗ-Уралтрак», ОАО «Алттрак», ООО ПТС «Кировец-Уфа», ООО «Челябинский компрессорный завод».

Публикации. Научные положения диссертационной работы отражены в 117 публикациях, в том числе опубликованы 24 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 статья в журнале Terramechanics, рецензируемом Web of Science, 2 статьи в изданиях, рецензируемых Scopus, опубликованы монография и два учебных пособия, получены 1 патент на изобретение, 4 патента на полезную модель и 10 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ. Общий объем публикаций составляет 73,25 п.л., из них авторских - 36,62 п.л.

Структура и объем работ. Диссертационная работа изложена на 318 страницах компьютерного текста, включая 182 рисунка, 66 таблиц, содержит введение, шесть глав, основные выводы и рекомендации, список литературы - 386 наименований, из которых 80 - на иностранных языках, и 9 приложений.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1 Современное состояние машинно-тракторного парка в агропромышленном комплексе России и Республики Башкортостан

Повышение производительности сельскохозяйственного труда на современном уровне развития производства непосредственно связано с увеличением производительности машинно-тракторных агрегатов. Машинно-тракторные агрегаты составляют энергетическую и технологическую основу механизированных процессов в растениеводстве и от их технико-технологического состояния, определяющего фактические показатели тягово-энергетических, эксплуатационных свойств МТА, зависит эффективность механизированных процессов.

Эксплуатационные свойства МЭС и МТА оценивают главным образом по производительности [270], трудоемкости выполнения технологической операции [298], по удельной металлоемкости агрегатов [286], по расходу топлива на единицу выполненной операции [146], в зависимости от объемов работ с учетом фактора времени, оцениваемого возможными потерями урожая [254], степени воздействия движителей на почву и урожай [185, 252]. Производительность машинно-тракторного агрегата является показателем, определяющим эксплуатационные свойства и эффективность применения агрегатов в производстве.

В.П. Горячкин обосновал принципы производительного использования МТА, рассматривая МЭС, рабочие машины и технологический процесс как единую систему для повышения эффективности. Это фундаментальное положение легло в основу работ Б.А.Линтварева [194], Б.С.Свирщевского [270], М.П.Сергеева [254], В.И.Виноградова [37], В.В.Гускова [143], Ю.К.Киртбая [172], Н.Э. Фере [286], В.Н.Болтинского [21], С.А.Иофинова [164], А.Б.Лурье [197], И.П. Ксеневича [184] В.В.Бледных [15], В.Д.Саклакова [253], Г.А. Окунева [9], Б.Д. Докина [149], Г.М. Кутькова [189] Зангиева А.А. [160], В.Н.Кычева [191], Р.С.Рахимова [247], И.И Габитова [43], С.Г. Мударисова [219], З.А. Годжаева [121], В.А. Русанова [252], Donnell Hunt [324] и других исследователей.

Сегодня российский рынок сельскохозяйственных тракторов характеризуется широким спектром разнообразной и многомарочной техники отечественного и зарубежного производства. В настоящее время в качестве основных производителей гаммы стандартных сельскохозяйственных тракторов (далее - тракторов) разных тяговых классов (0,6; 0,9; 1,4; 2; 3; 5; 6; 8) и мощностей, от 25 до 400 л.с. и выше, всех известных компоновочных схем в России выступают традиционно российские и новые производители отечественных тракторов и производители, осуществляющие сборку преимущественно тракторов Беларусь на территории России, а также предприятия, выпускающие тракторы иностранных марок, тоже расположенные в России. Эти предприятия и сегодня выпускают номенклатуру тракторов всех известных компоновочных схем, в том числе: классические колесные с задним ведущим мостом и большими задними колесами (4К2), классические полноприводные колесные (4К4а), интегральные колесные с одинаковыми по размеру ведущими колесами и центральной кабиной (4К4б), колесные шарнирно-сочлененные с одинаковыми ведущими колесами (4К4б), а также гусеничные трактора тяговых классов 3 и 4 мощностью 80 .200 л.с.

Традиционными производителями отечественных тракторов остаются известные предприятия ОАО «Владимирский моторо-тракторный завод» (ОАО «ВМТЗ», Концерн «Тракторные заводы»), ОАО «Липецкий трактор», ЗАО «Агротехмаш», ОАО «ТК «Волгоградский тракторный завод», ОАО «Уралвагонзавод», ЗАО «Петербургский тракторный завод» и другие.

В настоящее время на территории Российской Федерации классификация тракторов определяется по ГОСТ 27021-86. Настоящий стандарт выделяет 10 тяговых классов - от 0,2 до 8.

В международной практике используется классификация тракторов по максимальной тяговой мощности (ИСО 730/1-77, /12-79,/3-82). Сравнение и соответствие параметров отечественной и зарубежной классификации приведено в таблице 1.1. Тяговый класс сельскохозяйственного трактора определяется, в значительной степени, типом его движителя и эксплуатационной массой, которые

влияют на тягово-динамические показатели и степень уплотнения почвы (таблица 1.2, 1.3; рисунок 1.1). Динамика изменения количества сельскохозяйственных тракторов Республики Башкортостан по годам представлена на рисунке 1.2.

Таблица 1.1 - Соответствие параметров отечественной и зарубежной _классификации тракторов_

Категория мощности 1 2 3 4

по ИСО

Значение тяговой мощности, кВт 35 30...70 70.135 135.300

Тяговый класс по ГОСТ 27021-86 0,6 0,9 0,9 1,4 2 2 3 4 5 6 8

Схема 4К4

Тракторы

По тяговому классу

Тяговые классы от 0,2 до 8

Гусеничные

Рисунок 1.1 - Классификация сельскохозяйственных тракторов

Таблица 1.2 - Сельскохозяйственные колесные тракторы

Общего назначения Универсально -пропашные Универс альные

тяговый класс

8 6 5 4 3 2 1,4 0,9 0,6

масса эксплуатационная, кг

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Гайнуллин Ильшат Анварович, 2025 год

/ / / /

,5 -С 1.9 -0,3 0,3 0,9 х,

м

Рисунок 3.12 - Зависимость давления контакта от удельного тягового усилия МЭС

Плотность по следу движителей МЭС определяется:

Рсл = Ро И [H-h]-1, (3.22)

где рсл, ро - плотность почвы соответственно после уплотнения и перед ним, г/см3; Н - глубина распространения деформации Н = 0,30 м; h- глубина следа (осадка почвы), м.

Глубину следа h определяли по выражению [185]:

h = Mpmax( 1 - v2)(1 + xlgN)]/Ео , (3.23)

где и и Е0 - соответственно коэффициент бокового расширения и модуль объемного расширения; œ- коэффициент, зависящий от размеров и формы опорной поверхности движителя: œ=(0,92+0,3L/b)2/3; для гусеничного движителя при L/b<7, при L/b>7 œ=2,15, для трактора Т-170М1.03-55 отношение L/b=2,88/0,51 = 5,65 отсюда следует œ =(0,92+0,3-5,65)2/3=1,9; b - ширина движителя, м; L - длина опорной поверхности трактора, м; ртах- максимальное давление на почву, кПа; х -коэффициент интенсивности накопления необратимой деформации при повторных нагружениях; его определяют по зависимости: % = tgР(\/(р1 - р0)), где в - угол наклона линейной функции р = f (lg N ) ; р1- плотность почвы после однократного ее нагружения; обычно 0,2< х >2,5, если значение х не определено, в ориентировочных расчетах рекомендуется принимать х =l,0; N - количество повторных нагружений

движителем (соответствует количеству участков с возрастанием давления по эпюре давления движителя).

С целью учета неравномерности давления по площади контакта глубину следа (3.23) представили, как сумму величин углубления следа после каждого движителя проходящих последовательно след в след:

Н=к1+к2+...+к1 (3.24)

где Ни кг величина углубления следа после прохода 1-го, /- го движителя, м. После преобразования уравнения (3.22) с учетом (3.22) и (3.23) получили:

рсл = —ш-ь-(1-р2)Н--Ро - для плоской опорной поверхности (3.25)

н----•(р1+х^р2Лд2)

рсл = —ш ь (^2)--Р0 - для эллипсной опорной поверхности (3.26)

я--■цЦ—(р1)

где р1, р1+1 - максимальное давление 1 - го и последующего движителя, Па.

Сравнительные расчеты плотности почвы формулами (3.25, 3.26) по следу и экспериментальные исследования трактора Т-170М1.03-55 с эллипсным обводом для различных типов почв показали, что при равномерном распределении давления ее значение снижаются на 15...23%. Изменение плотности почвы по следу трактора Т-170М1.03-55 в зависимости от (ркр (при условиях и=0,3; Ео= 16 МПа; ро =0,95

г/см3; Н= 0,30м) имеет следующий вид (рисунок 3.13).

о ОЛ 0 2 (13 0.4 0.95 ч-----

1.25

Рисунок 3.13 - Зависимость плотности почвы по колеи движителя от удельного

тягового усилия МЭС

3.3 Анализ моделей взаимодействия колесных движителей с почвой

На протяжении многих лет было разработано множество моделей для моделирования взаимодействия колесного движителя с почвой. Степень сложности этих моделей основана на применении, точности и стоимости вычисления. Модели можно сгруппировать в три основные категории: эмпирические модели, полуэмпирические модели и физические модели.

Эмпирические модели обычно используются для простой оценки МЭС. Эти модели основаны исключительно на данных лабораторных или полевых испытаний. Наиболее важные зарубежные исследования, которые были проведены на основе чисто эмпирических методов: Модель WES VCI, Численная модель мобильности WES, Модели технического центра Deere & company, STIREMOD.

Модель VCI была предложена экспериментальной станцией водных путей инженерного корпуса армии США (WES) [367] в 1971 году. В этой модели ряд типичных внедорожников был испытан на неорганических мелкозернистых и грубозернистых почвах. Численная модель мобильности WES, разработанная в работе [368] основан на размерном анализе данных лабораторных испытаний для прямолинейного движения шины на глине и сухом песке.

Модели технического центра Deere & company. Подобный подход к WES был предложен Wismer и Luth [382] в 1973 году. Согласно теореме Бекингема Пи, авторы рассмотрели семь безразмерных соотношений, чтобы полностью сформулировать модель прогнозирования характеристик колесо-почва.

Эмпирические модели шин являются эффективным инструментом для оценки характеристик колесных транспортных средств в условиях, схожих с тестовыми, и при использовании шин с аналогичными характеристиками. Для моделирования используются физические модели, такие как модель взаимодействия МЭС с рельефом опорного основания (VTIM), метод дискретных элементов (DEM) и метод конечных элементов (FEM).

Физические модели включают физические принципы и аналитические методы взаимодействия с опорным основанием. Степень сложности варьируется

от простых моделей, в которых шина рассматривается как жесткое кольцо, а рельеф местности - как система пружинного демпфера, до очень подробных моделей, в которых используется метод конечных элементов как для шины, так и для местности. Следует отметить, что большинство основанных на физических моделях, особенно те, которые используют методы FEM и DEM, предъявляют высокие требования к времени вычислений.

Модель взаимодействия транспортного средства с рельефом местности VTIM. Эта модель была предложена Мадсеном и Сейделом [345] в 2012 году как трехмерная модель взаимодействия транспортного средства с рельефом, которая учитывает деформацию как шины, так и рельефа местности. Акцент делается на возможности модели в реальном времени, чтобы включить модель в симулятор динамики автомобиля в реальном времени. Взаимодействие шины с рельефом развязано при рассмотрении отдельных моделей почвы и шины. Процедура моделирования шин аналогична той, которая была предложена Негрутом и Фриманом [355] для недеформируемых поверхностей. Сначала окружность шины делится на множество сосредоточенных масс, которые соединены друг с другом и с ободом с помощью набора пружин и амортизаторов в тангенциальном и боковом направлениях. Кроме того, сосредоточенные массы соединены с центром обода с помощью радиальных пружинно-демпфирующих элементов. В целях упрощения динамическое поведение шины исключено из этой модели. Модель шины показана на рисунке 3.14.

Ландшафт представляется как совокупность отдельных грунтовых столбов, деформация которых под действием вертикальной нагрузки описывается вязко -упругопластическими зависимостями сжимаемости.

Для расчета распределения вертикальных напряжений в почве под воздействием нормальной нагрузки на шину используется модифицированное уравнение Буссинеска-Серутти [312]. Это уравнение определяет напряжение (oZ) на глубине z в однородной изотропной упругой почве, вызванное точечной нагрузкой, приложенной к поверхности почвы на расстоянии r от точки измерения.

Рисунок 3.14 - Модель шины в VTIM, основанная на системе радиальных

пружинных демпферов

Методы дискретных элементов (DEM). Методы дискретных элементов основаны на представлении почвы как системы отдельных частиц и моделировании их механического взаимодействия друг с другом, с почвой в целом и с колесом. В ряде исследований разработана математическая база для изучения поведения сыпучих материалов и, в частности, взаимодействия почвы и машины. [373], [320].

Элементы, которые находятся в контакте с колесом (гусеницей), получают силы контакта от колеса (гусеницы) в дополнение к силам от их соседних элементов. Результирующие силы взаимодействия в этом методе рассчитываются с использованием силовых элементов. Базовая форма матрицы высот предполагает жесткость и демпфирующую силу элементов в нормальном и тангенциальном направлениях между контактирующими частицами взаимодействия, как показано на рисунок 3.15. Кроме того, существует элемент силы трения в тангенциальном направлении, который создает силы трения в виде умножения коэффициента трения и нормальной контактной нагрузки. Тот же метод применяется для расчета сил контакта между частицами ландшафта и шиной (дорожкой).

( Элемент - Элемент )

( Элемент . Стена )

О

«р

Соединение напряжения

Вез

!>Р

О-

77777

(Нормальное напряжение) ( Тангенциальное напряжение) (Нормальное напряжение) ( Тангенциальное напряжение)

Рисунок 3.15 - Силовые элементы между элементами Следует отметить, что демпфирование вязкости, показанное на рисунок 3.13, подходит для сухих гранулированных материалов. В некоторых исследованиях, чтобы учесть эффект потери внутреннего гистерезиса из-за деформации, этот тип демпфирования заменяется кулоновским демпфированием как в нормальном, так и в тангенциальном направлениях. Кроме того, чтобы представить сцепление грунта и силы сцепления между частицами и шиной (дорожкой), элементы сцепления вводятся Асафом [311], как показано на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16 - Представление матрицы высот Модель контакта строится на основе поиска потенциально взаимодействующих элементов. Контакт определяется количеством элементов, пересекающих друг друга, представляемых кругами в 2D и сферами в 3D. Контактные силы между элементами моделируются как восстанавливающая и демпфирующая силы, прямо пропорциональные относительному перемещению и скорости соответственно. Некоторые исследователи внедрили метод конечных элементов для моделирования влияния пятна контакта шины и деформации резины

шины на силовые характеристики: модель Х. Накашима и А. Оида Модель FE -DE, модель Ф. Вакуи и Ю. Терумичи, модель У. Смит и Х. Пэн.

Одна из фундаментальных проблем метода дискретных элементов заключается в высоких вычислительных затратах из-за большого количества шагов обнаружения контактов, а также малых приращений времени, необходимых для адекватного захвата динамики системы. С другой стороны, методы конечных элементов не способны справиться с разрывными граничными условиями, такими как случаи, когда наконечник выступа шины работает как точка концентрации напряжений во время взаимодействия шины с грунтом. В 2004 году Накашима и Оида [351] внедрили двумерную комбинированную структуру FEM и DEM для решения упомянутых выше трудностей. В своем исследовании они смоделировали шину и нижний слой почвы, используя FEM, и верхний слой почвы, который взаимодействует с колесом, используя DEM. Их математическая структура DEM основана на работе, которая была выполнена Oida [358], [352]. Конечно-элементная часть их модели возникла из предыдущих исследований Накашимы по моделированию трехмерных взаимодействий шины с грунтом [354]. Они показали качественную точность своей модели, используя простое квазистатическое моделирование погружения, которое показано на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17 - FE-моделирование погружения шин в комбинированный слой почвы FE-DE с деформацией, показанной после 15 500 временных шагов

Для упрощения, большинство моделей механики грунтов, использующих метод дискретных элементов, представляют шину как жесткое кольцо на двумерной грунтовой поверхности. В 2010 году Вакуи и Терумичи [379], [380] предложили трехмерную модель взаимодействия шины с грунтом, в которой для системы шин используется система сосредоточенных масс -пружин и матрица высот с жесткими частицами мягкого грунта. Их модель шин состоит из жесткого обода цилиндра, который соединен с несколькими сосредоточенными массами, расположенными по окружности шины. Соединения выполнены с использованием пружин и демпферов в радиальном, боковом и тангенциальном направлениях, как показано на рисунке 3.18.

Для моделирования мягкого грунта используется численный подход, подобный предложенному Кэндаллом [320], но с модификацией, учитывающей несферическую форму частиц почвы. Многогранная форма частиц ограничивает их вращение из-за эффектов сцепления в точках контакта. Ограничение скорости вращения частиц почвы моделирует их замедленное движение. Эта настройка заставляет взаимодействующие частицы вести себя как скопление круглых зерен, что, в свою очередь, помогает уменьшить вычислительные затраты времени на моделирование.

Л

л

1.4

Вид сбоку

С® Вид спереди

• масса шины •точка сцепки

Рисунок 3.18 - Схематичное изображение модели шины с использованием подхода со сосредоточенными массами

С использованием модели мягкого грунта проведены трёхмерные тематические исследования, включающие моделирование падения колеса, а также поступательного и вращательного движения шины. Характеристики шин в продольном, поперечном и комбинированном продольно -поперечном направлениях при различных коэффициентах скольжения качественно сопоставлены с результатами предыдущих исследований. Кроме того, в более позднем исследовании тех же авторов [379] было исследовано влияние формы зерен почвы и упруго-пластических свойств местности на ходовые качества шин. Упруго-пластический эффект рельефа местности в многопроходном случае реализуется с помощью набора параллельных нелинейных пружин и линейных амортизаторов, которые соединяют нижние массы грунта верхнего уровня мягкого грунта с основанием, как показано на рисунке 3.19.

Зерна почЬы

Верхний мягкий грунт

•••••••••••••••«••••••••••••••••••••••в«

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

ппппппппппг

Нижняя граница Мягкий грцнт нижней границы

Рисунок 3.19 - Комбинированная модель DE и масса-пружина с мягким

грунтом

Нелинейные пружины следуют модифицированным уравнениям давления Беккера, предложенным Вонгом [384]. Для изучения небольших беспилотных наземных транспортных средств (SUGV) на пересеченной местности Смит и Пэн [371] представили эту модель. Поскольку реализация теории Беккера может привести к большим ошибкам, этот метод считается хорошим вариантом для оценки характеристик легких SUGV. Алгоритм DE был запрограммирован в LIGGGHTS, который является открытым программным обеспечением CFD -DEM [336].

Уравнения DEM, которые определяют силы между частицами и между частицами и стенкой, разлагаются на два трёхмерных вектора, включающие силу трения Герца и силы сцепления. Силы Герца применяются в нормальном и

тангенциальном направлениях к плоскости контакта, где тангенциальные силы ограничены максимальным кулоновским трением. Для сил сцепления используется упрощённый метод Джонсона-Кендалла-Робертса, который включает сцепление грунта, а также силы сцепления между шиной и частицами грунта. Принимая во внимание тот факт, что используются сферические частицы грунта, модель постоянного направленного крутящего момента применяется для имитации взаимодействий между частицами [307]. Шероховатость поверхности включена в модель; её амплитуда и частота влияют на распределение напряжений в пятне контакта шины. Колёса моделируются как совокупность сферических частиц, предварительно соединённых для имитации гладкой поверхности шины. Колеса моделируются как совокупность сферических частиц, предварительно соединенных для имитации гладкой поверхности шины. Свойства колеса определены на основе экспериментов, проведенных Харбинским технологическим институтом и Корнельским университетом на двух наборах колес, названных Ding и MER, соответственно [330], [337], [322]. Для моделирования стационарного состояния сравниваются тяговое усилие колес, тяга и крутящий момент при постоянной продольной скорости при различных коэффициентах скольжения. Для моделирования переходных процессов значения осадки и крутящего момента колеса при испытаниях на врезание оцениваются по экспериментальным результатам, как показано на рисунке 3.20.

Рисунок 3.20 - Имитация врезания шины в грунтовом слое DE

Методы конечных элементов (FEM). Модель жестких колес разработана в работах Вонга и Риса [383]. Затем модель шины была распространена на гибкую шину, в которой использовалось гибкое кольцо на упругом основании, (рисунок 3.21) для обеспечения связи между аналитическим моделированием и экспериментальными характеристиками взаимодействия шины и мягкого грунта.

Как было упомянуто ранее, эта модель шин для бездорожья может предсказать взаимосвязь давления и осадки, напряжение сдвига вдоль пятна контакта шины, тяговое усилие, крутящий момент и поперечное усилие, которое учитывает эффекты бульдозера и многопроходности. Чтобы оценить нормальное распределение напряжений вдоль пятна контакта, необходимо соотношение давления и осадки. Отношение давление-осадка может быть выражено полуэмпирической формулой, первоначально введенной Беккером, а затем модифицированной Рисом, которая известна как уравнение Беккера-Риса [363]. Диаграмма того, как рассчитывается соотношение давления и погружения, представлена на рисунке 3.22.

Чтобы оценить нормальное распределение напряжений вдоль пятна контакта, необходимо соотношение давления и падения.

Рисунок 3.21 - Модель структуры шины с использованием гибкого кольца

Отношение давление-спад может быть выражено полуэмпирической формулой, первоначально введенной Беккером, а затем модифицированной Рисом, которая известна как уравнение Беккера-Риса [363]. Диаграмма того, как

Гибкое кольцо 6 напряжении

Равномерно распределенная собместимая опора

рассчитывается соотношение давления и погружения представлена на рисунке 3.22.

Рисунок 3.22 - Схема расчета соотношения давления и погружения

Напряжение сдвига вдоль пятна контакта выражается в виде эмпирического уравнения, впервые введенного Яноши и Ханамото [334].

Модель контакта с почвой (SCM) - это трехмерная полуэмпирическая модель Terramechanics, разработанная на основе теории Беккера [338], [339]. Эта модель оптимизирована с точки зрения вычислений для использования в качестве модуля в многотельных динамических системах (MBS). Шина рассматривается как сплошной объект, а её геометрия описывается с помощью трёхмерной полигональной сетки, широко используемой в компьютерной графике и САПР. Грунт дискретизируется на равномерно расположенные колонны, высота которых соответствует высоте грунта, как показано на рисунке 3.23. Алгоритм обнаружения контактов использует методы пространственного биннинга (Spatial Binning) и Z-буферизации (Z-Buffering), чтобы отобразить вершины модели шины на сетку грунта и найти дискретное пятно контакта шины.

Рисунок 3.23 - Определение геометрии контактирующих поверхностей

Силы и моменты контакта между шиной и грунтом рассчитываются как функции параметров контакта (площадь пятна контакта, градиент поверхности и осадка) и относительной кинематики (скорость проникновения и скорость скольжения). Затем расчет пластической деформации грунта проводится в три этапа. На первом этапе смещения грунта в горизонтальном и вертикальном направлениях рассчитываются на основе локальной глубины следа и скорости контакта. Второй этап проводится путем первоначального накопления смещенного грунта на границе зоны охвата на основе поля потока грунта в этой области. На третьем этапе применяется итерационный алгоритм эрозии в конусе, чтобы сгладить грунт вокруг пятна контакта. Для проверки результаты по силе-погружению SCM сравниваются с моделью Беккера.

Таким образом, рассмотрены имитационные модели Terramechanics, в которых исследовались характеристики колесных транспортных средств на деформируемой местности. Модели сгруппированы в три категории, а именно: эмпирические методы шин, физические методы шин и полуэмпирические методы. Определение способов радикального снижения уплотнения почвы МТА возможно на основе углубленного изучения взаимодействия движителей с почвой, в результате которого можно разработать математические модели процессов и рекомендации для решения поставленных задач.

При теоретическом обосновании параметров движителей тракторов и сельскохозяйственной техники используются различные методы моделирования, которые можно классифицировать по методам численной реализации и применяемых компьютерных программ.

Программа Rocky DEM для моделирования динамики сыпучих сред со сложной геометрией частиц методом дискретных элементов (DEM). Rocky DEM отличается аналогичных программных продуктов следующими функциями: несферические формы частиц, мульти-GPU вычисления, расчет разрушения частиц без потери массы или объема и визуализация поверхностного износа. В результате интеграции Rocky DEM и Ansys Workbench расчет и моделирование

взаимодействия частиц можно выполнять с учетом аспектов механики деформируемого твердого тела, вычислительной гидрогазодинамики и теплообмена. Также при использовании Ansys Workbench можно выполнять многофазные эксперименты.

В зависимости от методов численной реализации моделей взаимодействия движителей с почвой их можно подразделить на три основных вида: модели с использованием метода вычислительной гидродинамики (CFD-метод), модели с использованием метода конечных элементов (FEM-метод) и модели с использованием метода дискретных элементов (DEM-МДЭ).

В настоящее время перспективным для моделирования взаимодействия движителей с почвой является метод дискретных элементов. МДЭ - это численный метод, предназначенный для расчёта движения большого количества частиц, таких как молекулы, песчинки, гравий, галька и прочих гранулированных сред. Метод был первоначально применён Cundall в 1971 году для решения задач механики горных пород [319]. В МДЭ используются модели гистерезисной линейной пружины, жидкого моста, контактной жесткости, скольжения, склеивания, демпфированные упругие модели, линейная (Cundall) контактная модель, контактна модель Герца-Миндлина и Дересевича и ее вариантов, а также различные сочетание данных моделей (рисунок 3.22) [377,378,332,372,323].

В МДЭ дискретный материал образуется из отдельных N упругих частиц сферической формы радиусом Ri. Движение каждой i-го элемента (частицы) определяется координатами центра его тяжести xi и углом поворота 6i вокруг центра тяжести как целого элемента [294].

Движение отдельных частиц под действием контактных сил моделируется с помощью интегрирования уравнений Ньютона для поступательного и

вращательного движения:

d.2 d.2 Щ = Fi + mi9 и Ii — <pt = Tt + Mr, (3.27)

где, t - время, с; mi - масса частицы, кг; Ii - момент инерции сферической частицы, кг м2; ri - положение центра масс частицы, м, Fi - контактная сила, Н; g -ускорение свободного падения, м/с2 ; tyi - угол вращения частицы, рад; Ti -

крутящий момент от тангенциальной составляющей контактной силы, Нм; Мг -момент сопротивления качению, Нм.

Вектор К определяются как сумма сил, действующих на контактах 1-й и )-й

частиц (включая силу тяжести):

+ , Н (3.28)

М1 = Ни*] Мц = Ии^Чъ - , Нм (3.29)

Вектор М возникает как момент сил К. относительно центра 1-й частицы:

I I)

Поверхностные силы К состоят из сил трения К .. и отталкивания К ... Для их

У п,у ^

определения используются различные контактные модели соударения. Сила отталкивания возникает между частицами при условии 8у > 0 (рисунок 3.25, а) и направлена по нормали щ в направлении центра 1-й частицы (рисунок 3.25, б). Для ее определения выберем вязкоупругою модель соударения [340]:

Р-пл] = Рп,1] + Р-пл], (3.30)

где ц - упругая составляющая, Н; РЩ^ - вязкая составляющая, Н. Упругая часть силы в соответствии Дж. Герцу [279]

^. = 1 , (3.31)

где VI - коэффициент Пуассона, Е - модуль упругости частицы, Па, 8у -величина перекрытия частиц, м.

Вязкая составляющая силы отталкивания определяется:

РЦц = УпЩ^пХ ь (3.32)

где Му - приведенная масса частиц, кг; пп^ - проекция относительной скорости точки соударения на ось пу, м/с; уп - коэффициент демпфирования, оказывающий основное влияние на коэффициент восстановления скорости после удара.

Линейной пружины (LSP - Linear spring-dashpot

Модель контакта нормальной силы

1 =

Гистерезисной линейной пружины (HLS Hys-

teretic linear spring model)

Герца (HSD - Hertzian springdashpot mo de J)

Рисунок 3.24 - Сочитания контактных моделей в программе Rocky DEM

а б

Рисунок 3.25 - Показатели контактного взаимодействия частиц: а) -нормальная Бп и тангенциальная Б! составляющие контактной силы; б) - контакт

двух частиц с перекрытием 5у

Сила трения Кг,у направлена против движения 1-й частицы относительно )-й, а ее величина определяется:

Рц} = - (3 33)

где Щу - проекция скорости точки контакта С относительно скорости точки С) на ось м/с; - угол контактного трения между частицами, рад.

Следовательно, система дифференциальных уравнений второго порядка (3.27) относительно неизвестных хг-, ) полностью определяют (3.28)-(3.33) движение и соударение совокупности моделируемых частиц.

На основе анализа существующих моделей контакта дискретных элементов, мы пришли к выводу, что для моделирования почвенной среды как вязко-упруго-пластического деформируемого тела наиболее подходящими являются модели контакта Герца-Миндлина. Схематичное изображение модели контакта Герца-Миндлина представлена на рисунке 3.26. В современных компьютерных программах, реализующих данный метод, хотя и заложены необходимый математический аппарат и алгоритм построения и реализации моделей, однако исследователю для получения объективных и адекватных результатов необходимо правильно подобрать основные геометрические параметры частиц и физико-механические параметры, входящие в математические уравнения используемой модели.

При использовании контактной модели Герца-Миндлина основными физико-механическими параметрами, описывающими реологическое поведение моделируемой среды, являются коэффициент Пуассона, коэффициенты статического и динамического трения, модуля Юнга, поверхностная энергия, диаметр и форма моделируемых дискретных элементов (рисунок 3.27).

Демпфирование

Рисунок 3.26 - Схематичное изображение модели контакта Герца-Миндлина Однако до сих пор не существует стандартизированной методологии для определения подходящих входных параметров для конкретного материала или процесса. Это происходит из-за того, что математические характеристики контактных моделей и входных данных моделирования различаются в зависимости от кода матрицы высот. В дополнение к этому в любом случае модель почвенной среды на основе DEM является лишь приближением реальной почвы, как и в случае со всеми типами моделей сред. К тому же почва отличается от многих исследуемых материалов анизотропностью физико-механических свойств, тем более эти свойства изменяются как по времени, так и в пространстве. Поэтому с вычислительной точки зрения просто невозможно создать модель полностью соответствующий реальному объекту. Из-за этих ограничений входные данные для моделирования DEM необходимо откалибровать по реальным, физическим данным испытаний, чтобы получить реальный результат. Параметры моделей контакта для

нормальных, тангенциальных сил и сил сцепления приняты из работ Фархутдинова И.М. используемых в почвообработке [284]. Калибровка параметров моделей контакта на первоначальном этапе производилась по срезу на сдвиговом приборе, по углу естественному откоса. В последующем, перешли к сопоставлению результатов моделирования и экспериментов.

3.4 Моделирование взаимодействия колесного движителя с почвой методом дискретных элементов в программе Rocky Dem

Нами разработана модель взаимодействия колесных движителей с почвой на основе метода дискретных элементов. Численная реализация разработанной модели почвенной среды производилась в лицензионной компьютерной программе Rocky DEM. Поэтапная реализация компьютерной модели включает в себя следующие шаги (рисунок 3.28):

- проектирование трехмерных твердотельных моделей колеса тракторов и сельскохозяйственной техники и почвенного канала в системе проектирования КОМПАС 3D;

- импорт геометрий трехмерных твердотельных моделей, настройка группы частиц и определение связи между частицами и границами;

- процедура расчета при которой для каждой частицы определяются все связей между частицами и границами, вычисляются все силы и моменты, действующие на частицы;

- процесс вычисления при котором на основе текущего положения и скорости частицы, определяется скорость и положение на следующем временном шаге;

- окончание расчета и анализ полученных результатов.

В результате моделирования можно получить действительную картину взаимодействия движителей с почвой, провести агротехническую и энергетическую оценку по силовым характеристикам процесса взаимодействия, по перемещению и перемешиванию почвенных частиц и уплотнению почвы.

Необходимо отметить, что расчет технологических процессов при помощи метода DEM подразумевает моделирование большого количества частиц, часто от

миллиона и более, что безусловно требует соответствующей производительности вычислительных ресурсов.

Рисунок 3.27 - Реализация модели взаимодействия колеса с почвой в

программе Rocky DEM

При моделировании процесса взаимодействия колеса с почвенной средой из несферических многогранных частиц на канале размерами 4х2х0,5 м, который заполняется 1.1,5 миллионом частиц. Объектом исследований является колесо с шиной 23,1 Я26 колесного трактора Б-150К (рисунок 3.29), тип почвы - суглинок. В таблицах 3.1, 3.2 представлены параметры почвенной среды и основные параметры шины. Для шины принята упрощенная модель твердого тела с упругими свойствами резины.

Рисунок 3.28 - 3Б модель колеса в системе проектирования КОМПАС 3Б

Таблица 3.1 - Параметры почвенной среды

№ п/п Показатели значение

1 Модуль Юнга, Па 1,1 106

2 Коэффициент Пуассона 0,3

3 Коэффициент статического трения 0,45

4 Коэффициент динамического трения 0,35

5 Коэффициент реституции 0,3

6 Равновесная плотность почвы, кг/м3 1200

7 Диаметр частиц, м 0,01

Таблица 3.2 - Основные параметры шины

п/п Показатели значение

1 Модуль Юнга, Па 3,5106

2 Коэффициент Пуассона 0,48

3 Коэффициент статического трения 0,6

4 Коэффициент динамического трения 0,6

5 Ширина, мм 540

6 Диаметр шины, мм 1500

7 Средняя высота грунтозацепов 7г, мм 50

8 Средняя ширина грунтозацепов Ь, мм 60

9 Угол наклона грунтозацепа к продольной оси симметрии протектора, град 40

10 Шаг грунтозацепа, мм 255

На рисунке 3.29 показаны результаты процесса взаимодействия шина-грунт, где наглядно видны процессы уплотнения почвы и образования колеи после прохода колеса, а также прилипание почвенных комков.

Рисунок 3.29 - Цифровой двойник колеса (23,1 Я26) трактора тягового класса 3

На рисунке 3.30 показан фрагмент графика изменения силы сопротивления качению колеса и в таблице 3.3 представлены результаты вычислений следующих показателей: силы сопротивления качению колеса, мощности потребляемой колесом и плотности почвы по центру колеи колеса на глубине 18 см.

Расчеты численного моделирования показали, что сила сопротивления качению колеса (рисунок 3.29) при движении изменялась в интервале 2,45.11,41 кН со средним значением 4,17 кН. Пиковая нормальная реакция в начале движения колеса вызвана усилием страгивания с состояния покоя. Изменение мощности, потребляемая колесом, при работе с нагрузкой находится в пределах от 7,76 до 18,77 кВт со среднем значением 16,18 кВт. Максимальное значение плотности почвы по следу на глубине 18 см увеличилось до 1502,7 кг/м3. Среднее значение плотности составило 1372 кг/м3, что привело к ее увеличению по следу колеса на 14% по сравнению с равновесной плотностью, равной 1200 кг/м3. Оценка

сопротивления качению и плотности почвы по следу движителей по критерию Фишера показала адекватность модели.

Рисунок 3.30 - Изменение силы сопротивления качению колеса

На основе результатов исследования следует, что в дальнейших исследованиях необходимо провести обоснование выбора моделей контакта в зависимости от типа почвы, а также параметров моделируемой дискретной почвенной среды - коэффициента Пуассона, коэффициента статического и динамического трения, модуля Юнга, адгезионных и когезионных свойств и др. и сопоставить эти параметры с физико-механическими свойствами различных типов почв в зависимости от их влажности и плотности.

Таким образом, почвенные частицы обладают когезионными и адгезионными свойствами и почва является упруго-вязко-пластичной средой для моделирования взаимодействия движителей с почвой наиболее подходящим является модель контакта Герца-Миндлина. В последующем модель почвенной среды на основе метода дискретных элементов должна учитывать неровности рельефа поля, анизотропность свойств почвы и динамический характер рабочих процессов и показывать процессы буксования и уплотнения.

Таблица 3.3 - Результаты расчета основных показателей

№ п/п Время, с Сила сопротивлению качению колеса, Н Мощность колеса, Вт Плотность почвы, кг/м3 (на глубине 18 см)

1 0 0 0 1368,34

2 0,1 6000,88 7758,64 1409,88

3 0,2 11408,05 12576,73 1389,11

4 0,3 9832,54 13716,76 1395,22

5 0,4 8113,58 13700,87 1412,32

6 0,5 5632,28 14187,69 1406,21

7 0,6 4976,78 14349,54 1407,43

8 0,7 4767,92 15096,13 1412,32

9 0,8 3497,44 15092,68 1412,32

10 0,9 4247,98 15326,45 1403,77

11 1 3425,05 15549,24 1409,88

12 1,1 3965,34 15632,02 1419,65

13 1,2 3100,70 16155,43 1422,09

14 1,3 3567,51 16087,41 1408,66

15 1,4 3417,82 16576,85 1412,32

16 1,5 3752,70 16787,90 1406,21

17 1,6 4107,30 17206,51 1411,1

18 1,7 2726,24 16905,98 1413,54

19 1,8 3993,31 17141,49 1413,54

10 1,9 2458,30 17145,23 1412,32

11 2 3833,36 17382,00 1406,21

12 2,1 3514,55 17762,99 1419,65

13 2,2 3720,97 17626,59 1442,86

14 2,3 4017,70 17936,52 1499,06

15 2,4 2714,99 17830,82 1502,73

16 2,5 4372,45 18250,89 1383,0

17 2,6 2570,32 18099,73 1270,6

18 2,7 4242,54 18167,96 1213,18

19 2,8 2969,24 18234,80 1111,77

20 2,9 3570,93 18246,09 1070,24

21 3,0 3732,09 18768,83 1062,91

Среднее 4408,36 16176,69 1372,0

129

Выводы по главе 3

1. Разработана математическая модель распределения давления полугусеничного и гусеничного движителей трактора с полужесткой подвеской на почву в зависимости от тягового усилия, центра тяжести трактора, высоты навесного устройства, параметров агрофона и прикладная программа ее вычисления, отличающаяся уточнением результатов расчета за счет применения экспериментально полученного поправочного коэффициента, учитывающего несоответствие длины пятна контакта и длины движителя.

2. Обоснованы рациональные геометрические размеры опорной поверхности полугусеничного и гусеничного движителей трактора с полужесткой подвеской с учетом конструктивно-технологических параметров и упругих свойств почв (свидетельства о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2020617537, № 2022615051). Установлено, что рациональное расположение опорных катков гусеничного движителя трактора с полужесткой подвеской (3 и 4-й катки - на 8.11 мм ниже, 2 и 5-й - на 4.5 мм) обеспечивает снижение уплотнения почвы на 15.23%, повышение условного тягового КПД до 10,4%, увеличение тягового усилия на 8% и уменьшение удельного расхода топлива на 7.10% (патенты на изобретение № 2388641 С1 РФ и полезную модель № 203730 Ш РФ).

3. Разработан цифровой двойник взаимодействия колесного движителя с почвой, основанный на методе дискретных элементов и использующий модель контакта Герца для нормальных сил, модель Миндлина - для тангенциальных и упрощенную модель JKR для сил сцепления, учитывающую влажность почвы и взаимодействие шины с частицами почвы, способствующий в отличие от традиционных подходов оперативному получению технико -эксплуатационных параметров проектируемого движителя с минимальными трудовыми и материальными затратами. В частности, компьютерные эксперименты с шиной 23,1 Я26 на тракторе Б-150К показали среднюю плотность почвы 1372 кг/м3 по следу колеса, что на 14% выше равновесной плотности. Модель объективно

отражает взаимодействие колесного движителя с почвой при ее влажности от 15,5% до 31,1%.

4. Цифровой двойник взаимодействия колеса с почвой на основе МДЭ визуализирует взаимодействие колесного движителя с почвой, позволяет оценить уплотнение почвы и энергетические показатели движителя, которые обеспечивают наиболее полную реализацию тяговых показателей МЭС с сельхозмашиной, и обеспечивает повышение эффективности их использования. Цифровой двойник взаимодействия колесного движителя с почвой, интегрированный в систему автоматизированного проектирования, повышает эффективность разработки движителей для МЭС и сельхозмашин. Применение цифрового двойника существенно ускоряет переход от идеи к конечному прототипу и сокращает время постановки на серийное производство новых конструкций шин с улучшенными эксплуатационными показателями.

4 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ АППАРАТУРЫ

Для проверки теоретических расчетов, накопления фактического экспериментального материала, выявления закономерностей работы МТА, воздействия движителей на почву была разработана программа-методика экспериментальных исследований, проведены эксперименты и получены необходимые данные.

4.1 Программа экспериментальных исследований

Программой экспериментальных исследований предусматривались лабораторные и стендовые испытания, сравнительные тяговые испытания тракторов, энергетические и эксплуатационно-технологические испытания МТА, а также изучение воздействия движителей на почву. Структурная модель комплексных исследований представлена на рисунке 4.1.

Программа и методика исследований разработаны с учетом требований ГОСТ 25836-83 [130], ГОСТ 7057-2001 [138], ГОСТ 18509-88 [127], ГОСТ 209152011 [128], ГОСТ 7463-89 [139], ГОСТ 8.513-84 [140]. Тяговые, энергетические и эксплуатационные испытания проведены в соответствии с ГОСТ 30745 -2001 [133], ГОСТ 34631-2019 [135], ГОСТ 24055-2016 [129], а воздействие движителей на почву - ГОСТ 58656-2019 [137], ГОСТ 26954-2019 [131]. Опыты проводились планированием и обработки экспериментальных данных.

При исследованиях применялось цифровая измерительно--региструющая аппаратура (рисунок 4.2). Созданы опытные образцы МТА на базе тракторов Case Puma, К-735, Фермер РБ 2103 и МТЗ 1221, оснащенные с цифровой телеметрической системой. Цифровая телеметрическая система для измерения и регистрации данных состоит из четырёх цифровых модулей: измерения крутящего момента (Мкр, Нм) и силовых нагрузок (нагрузки на левом и правом раскосах навески, Qi, Q2, Н), измерения частоты вращения и скоростных параметров (частота вращения дизеля,, юда, с-1; частоты вращения правой и левой задних колес

трактора, Юпк, Юлк, с-1; частота вращения путеизмерительного колеса, Юпк, с-1), измерения давления движителей на почву, а также модуля управления,

регистрации и передачи данных.

Рисунок 4.1 - Структурная схема комплексных экспериментальных исследований

В модуле измерения крутящего момента и силовых нагрузок используется тензодатчики для преобразования механических воздействий (Qi, Q2, Мкр) в пропорциональные напряжения измеряемой величины. Эти напряжения оцифровываются измерительным модулем ZET 7111, преобразуются в измеряемые значения и передаются в цифровой форме по интерфейсу CAN в систему ZET 7172.

/ if

Крутящий момент

Тяговое усилие

Нагрузка на левом раскосе навески

Усилие на правом раскосе

навески

Zet 7111

7111

7111

2е1 7111

II

Частота вращения левого колеса (звездочки)

г

Частота вращения правого колеса (звездочки)

N.

Частота вращения «пятого» колеса

Zet 7180-V

Zet 7180-V

Zet 7180-V

Zet 7180-V

J*

Zet 7173

Zet7172-S

IV

Zet 7172-M

Zet 7176

Датчик давления в

почве Zet 7010 SP

Датчик давления в

почве Zet 7010 БР

-т-

Датчик давления в

почве Zet 7010 SP

Датчик давления в

почве Zet 7010 SP

Принтер

\ ч_

Ч

Notebook Интрефейс

I

I - цифровой модуль измерения силовых показателей и крутящего момента; II - цифровой модуль измерения скоростных показателей; III - цифровой модуль измерения давления в почве; IV - цифровой модуль онлайн регистрации, управления и передачи экспериментальных данных Рисунок 4.2 - Структурная модель цифровой измерительно-регистрирующей

аппаратуры телеметрической системы

В цифровом модуле измерения частоты вращения двигателя и скоростных параметров трактора оптические датчики 7ЕТ 402 и индуктивные датчики преобразуют частоту вращения в импульсные сигналы, частота которых

пропорциональна частоте прохождения тахометрической метки. Метки установлены на шкиве дизеля, а также на болтах или гайках дисков колеса (ведущей звездочки) и путеизмерительного колеса. Сигналы от датчиков поступают в цифровые модули ZET 7180-V, которые оцифровывают их и передают полученные значения скорости в телеметрическую систему ZET 7172 по интерфейсу CAN 2.0.

В цифровом модуле измерения давления движителей на почву датчики давления измеряют давление (р(х), Па), преобразуя его в электрический сигнал, который затем оцифровывается. Полученные цифровые данные передаются по интерфейсу RS-485 (Modbus) в преобразователь интерфейса 7070. Этот преобразователь собирает информацию с четырёх датчиков давления в почве и отправляет её на компьютер по интерфейсу CAN.

Цифровой модуль сбора, управления и передачи данных состоит из цифровых датчиков (CAN-интерфейс), телеметрической системы ZET 7172 (модули ZET 7172-M и ZET 7172-S), и преобразователя интерфейса ZET 7176. Модуль ZET 7172-S передает данные с датчиков по радиоканалу на модуль ZET 7172-M, который, в свою очередь, преобразует сигнал обратно в CAN для передачи в ZET 7176. Преобразователь ZET 7176 передает данные на компьютер по Ethernet или Wi-Fi. Для автономной записи данных используется регистратор ZET 7173. Обработка, визуализация, спектральный анализ, генерация, запись и отображение данных в режиме реального времени осуществляются программным обеспечением ZETLAB.

4.2 Объекты исследования

В качестве объекта исследования рассматривался процесс функционирования машинно-тракторных агрегата на базе тракторов Беларус 82.1, Беларус 1221.2 GT, , Фермер РБ 2103, Т-150К, Т-150, ДТ-75М, Т-170М1.01, К-700, Case IH Quadtrac 500, Challenger МТ-845В, ZOOMLION PL2304, К-735 (рисунок 4.3).

4.3 Условия проведения исследований

Участок по размеру подбирали таким образом, чтобы обеспечить на нем

выполнение работ, предусмотренных планом и программой испытаний. Длина

учетной делянки не 50 м. Повторность опытов - не менее четырех кратная: два в прямом и два в обратном направлении. Условия испытаний представлены в таблицах, которые определены для каждого вида испытаний.

Рисунок 4.3 - Расположение цифровой измерительно-регистрирующей телеметрической системы, цифровых датчиков и приборов на объекте испытаний (на тракторе «Кировец» К-735): 1, 2, 3 - преобразователь интерфейса; измерительные модули; путеизмерительное колесо

4.4 Регистрируемые параметры и измерительная аппаратура

Регистрируемые параметры и измерительная аппаратура приведены в таблице 4.1 и на рисунке 4.3 (на примере объекта испытаний - трактора К-735).

Таблица 4.1 - Перечень регистрируемых параметров и средств измерения

№ п/п Параметр Средство измерения Диапазон Погрешность

1 Крутящий момент на валу двигателя, Нм ВКМ-185, Э-1500-04 0.1500 ±5

ПКФ, цифровой модуль Zet 7111 телеметрическая система ZET 7172, преобразователь ZET 7176 0.2000 ±5

2 Частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1 тахометр ТЭСА, ГОСТ 15150 500.1500 ±1

индукционный датчик, оптический датчик ZET 402, цифровой модуль Zet 7180-V, телеметрическая система ZET 7172, преобразователь ZET 7176 500.2200 ±7,5

3 Тяговое усилие, кН тензозвено 50, 75, 150 кН, цифровой модуль Zet 7111, телеметрическая система ZET 7172, преобразователь ZET 7176 1.150 ±0,75

4 Частота вращения ведущих колес, мин-1 контактные датчики индукционные датчики, цифровой модуль Zet 7180-V, телеметрическая система ZET 7172, преобразователь ZET 7176 10.60 ±0,02

5 Частота вращения путеизмерительного колеса, мин-1 контактные датчики ДВ-2, индукционный датчик, цифровой модуль Zet 7180-V, телеметрическая система ZET 7172, преобразователь ZET 7176 35.180 ±0,02

6 Время опыта, с секундомер - ±0,1

7 Расход топлива, л/ч расходомер АИР-50 0.35 ±0,15

расходомер KVZ-100 3.35 ±0,02

8 Давление движителя на почву, МПа датчики давления на почву С-20, ГОСТ 15077-71, датчик давления Zet 7010 SP, преобразователь 7070 0.2 ±0,006

9 Линейные размеры, м рулетка РЛ-20, линейка 0.20 ±0,001

10 Угловые размеры, град. квадрант К0-30 0.+120 ±0,5

11 Влажность, % Бюксы, сушильный шкаф, весы - -

12 Плотность почвы Бюксы, сушильный шкаф, весы - -

13 Твердость почвы Твердомер Ревякина - -

4.5 Методика определения максимального давления движителей МТА на песчаное основание и почву на глубине 0,2 м.

Давление движителей тракторов на почву замерялось с помощью цифровых датчиков давления 7010БР, а также силоизмерительных датчиков С 20. Датчик

давления 7ЕТ 7010 SP предназначен для измерения давления в почве в и его распределения по площади основания. Технические характеристики цифрового датчика давления в почве 7ЕТ 7010 SP представлены на таблице 4.2. Цифровой датчик давления в почве 7ЕТ 7010 SP состоит из измерительного блока и чувствительного элемента на базе тензорезисторного моста (рисунок 4.4).

• . -'»г /ОЮ-ЭР

ш

Рисунок 4.4 - Внешний вид цифрового датчика давления в почве 7ЕТ 7010 SP и

тензорезисторного моста

Таблица 4.2 - Характеристики цифрового датчика давления в почве 2ЕТ 7010 SP

№ Наименование Величина

1 Верхний предел диапазона измерений давления (ВПИ) 3 МПа

2 Влияние температуры на чувствительность на 10 °С (от диапазона измерения) 2 %

3 Частота обновления данных 1 Гц

4 Интерфейс передачи данных ЯБ-485

5 4800, 9600, 14400, 19200,

Скорость обмена 38400, 57600, 115200 бит/с

6 Протокол обмена МоёЪш яти

7 Габаритные размеры 0 120x17 мм

8 Масса, не более 1,3 кг

9 Материал корпуса сталь

10 Питание устройства от 9 до 24 В

11 Мощность потребления 0,5 Вт

12 Защита от переполюсовки есть

13 Температурный диапазон эксплуатации от -40 до +100 °С

14 Атмосферное давление, мм. рт. ст. 495-800

Давление, воспринимаемое корпусом датчика, передаётся на чувствительный элемент, который преобразует давление в электрически сигнал. Данный сигнал оцифровывается измерительным модулем и передаётся в цифровом виде по интерфейсу RS-485 (по протоколу Modbus). Цифровые датчики давления в почве 7БТ 7010 БР имеют встроенный кабель. Датчики давления 7ЕТ 7010 SP

соединяются последовательно, образуя измерительную цепь, которая подключается к ноутбуку через интерфейсный преобразователь. Измерительная сеть, построенная на четырех датчиков давления в почве ZET 7010 SP, представлена рисунке 4.5.

RS-485 __тт_ ,---

S-jri^a

щШШш ZET 7070 ПК

ZET 7010 SP

Рисунок 4.5 - Схема подключения цифровых датчиков давления ZET 7010 SP для измерения максимального давления движителей МЭС на почву

Измерительная сеть подключается к системам ZETLAB и ZETVIEW через интерфейсные преобразователи ZET 7070 (USB ^ RS-485) или ZET 7076 (Ethernet ^ RS-485). Преобразователь ZET 7070 поддерживает до 4 датчиков с внутренним питанием и до 60 датчиков с внешним.

Для измерения вертикальной нагрузки датчики давления в почве устанавливаются горизонтально. Однако возможно измерение нагрузки и в других направлениях - датчик реагирует на силу, перпендикулярную его поверхности. Типовые варианты установки: горизонтальное, вертикальное или под углом 45° (рисунок 4.6). На выбранном участке отрывали траншею. На дно траншеи по ее продольной оси четыре датчики устанавливали на глубину 0,2 м при расстоянии между датчиками 1 м. Траншею с заложенными датчиками засыпали песком (рисунок 4.7) или почвой (рисунок 4.8). Кабели, прокладываемые в засыпке, рекомендуется защищать слоем песка или другого подходящего материала. Между кабелями должно быть не менее 12 мм, а от края защищенной песком зоны — не менее 150 мм.

Рисунок 4.6 - Общая схема возможной закладки датчика давления в почве Линию установки датчиков трассировали контрастным гибким шнуром. Начало замеров производилось на расстоянии 3 м от оси переднего колеса (звёздочки) тракторов до первого датчика. Окончание замеров, когда заднее колесо (звёздочки) тракторов удалился от четвёртого датчика на расстояние 5 м.

/V 1 У песок цифровые датчики давления ЪоХ 701ОЭР

3-5 м 1 м 1 м 1 м 3-5 м

Рисунок 4.7 - Установка цифровых датчиков давления 7010 БР для измерения давления движителей в песчаном опорном основании на глубине 0,2 м Скорость движения тракторов над датчиками осуществлялся на рабочих

передачах. На каждом режиме воздействий проводились не менее трех зачетных

опытов.

л г '* 2 • ■ -■. - ' * 1 ■ почва "а 4* '• , "

I *4 ' " * ' 4 4 , , ' * ' * • * датчик давления. Я . • Ч'

•. К : /пиесок4 ч^^/^песокГч ^х^песок15^^ -^/песок^ V ' - ..• •

\ • ' '.4

/ 3-5 м / 1 м 1 м 1 м 3-5 м

Рисунок 4.8 - Установка цифровых датчиков давления ЪеХ 7010 БР для измерения давления движителей на почву на глубине 0,2 м

4.6 Методика оценки воздействия движителей МТА на почву на разных

глубинах

На выбранном участке отрывали траншею. На дно траншеи по ее продольной оси один из датчиков устанавливался с шириной не менее 1,0 м на глубину 0,2 м, второй - на глубину 0,5 м и третий - на глубину 0,8, четвертый - 1,1 м при расстоянии между датчиками 1 м. Установка датчика требует подготовки ступенчатого основания с индивидуальными карманами для каждого датчика (рисунок 4.9, 4.10). Размеры каждого кармана должна более втрое превышать размеры датчика (рисунок 4.9).

Рисунок 4.9 - Размеры кармана при установке датчика давления в почве.

После установки датчиков восстановлена однородность почвенного слоя. Линию установки датчиков трассировали контрастным гибким шнуром. Начало замеров производилось на расстоянии 3.5 м от оси первого опорного катка или переднего колеса тракторов до первого датчика. Окончание замеров - после того как последний опорный каток или заднее колесо тракторов удалится от четвертого

датчика на расстояние 3.5 м. Скорость движения тракторов над датчиками в течение опытов составила 1 м/с. Гусеничные тракторы Т-170М1.03-55, Б -150 нагружались тяговым усилием 80, 30 кН, колесные тракторы К-701 - 50 кН, Б -150К - 30 кН. На каждом режиме воздействий проводилось не менее трех зачетных опытов (рисунок 4.11). Влажность почвы была в пределах 12...24%.

Рисунок 4.10 - Схема установки цифровых датчиков давления 7010 SP для измерения давления движителей на почву на различной глубине

Настройка цифровых датчиков осуществляется в программе «Диспетчер устройств» (меню «Сервисные», панель ZETLAB) (рисунок 4.12). В левой части окна показана иерархическая структура подключенных устройств: на верхнем уровне - интерфейсные преобразователи и устройства, напрямую подключенные к компьютеру; на втором уровне - датчики, подключенные к выбранному преобразователю. Для бесперебойной работы измерительной цепи в поле «Адрес (node)» (вкладка «Информация») каждого датчика должен быть установлен уникальный адрес (от 3 до 63).

Рисунок 4.11 - Установка цифровых датчиков давления 7010 БР и аппаратуры в полевых условиях для измерения давления движителей на почву на разных глубинах

Для регистрации, анализа и обработки эксперементальных данных использованы следующие инструменты ПО 2ЕТЬАВ:1. «Вольтметр постоянного тока» (панель 7Е^АВ, раздел «Измерение»); 2. «Многоканальный осциллограф» (панель 7Е^АВ, раздел «Отображение»); 3. «Запись сигналов» (панель 7Е^АВ, раздел «Регистрация»); 4. «Просмотр трендов» (панель 7Е^АВ, раздел «Регистрация»); 5. «Многоканальный самописец» (панель 7Е^АВ, раздел «Регистрация»).

Рисунок 4.12 - Панели программного обеспечения 7Е^АВ

При примнение силоизмерительных датчиков для измерения давления в почве производится тарировка датчиков. На рисунек 4.13 показана калибровка датчиков давления с помощью динамометром ДОСМ-3, установленными между датчиком и сверлильным станком. Имитация нагружения при измерении давления (рисунок 4.14) на почву производилась с СДЛ 30 (рисунок 4.16).

Рисунок 4.1 4 - Установка датчиков давления на песок

Рисунок 4.15 - Замеры максимальных давлений на почву с имитацией нагружения

МЭС

Уровни варьирования параметра эллипсности, высоты навесного устройства и тягового усилия представлены в таблице 4.3 [211,199], план эксперимента для определения максимального давления на почву представлена в таблице 4.4.

Таблица 4.3 - Уровни и интервалы варьирования факторов при исследование _водействия движителей на почву_

Наименование факторов Обозначения Уровни варьирования Интервал

именн. кодир. -1 0 +1

1 Параметр эллипсности, м 1(х)= И Х1 0 0,01 0,02 0,01

2 Высота навесного устройства, м Икр Х2 220 635 1050 415

3 Тяговое усилие, кН Ркр Хз 0 40 80 40

После проведения всех опытов и обработки данных, определяются коэффициенты регрессии второго порядка [199]:

3 3

У = ьо+Е ъл + Е ъих1У]+Е ъ

I =1 у=\

1)х1

(4.1)

где У - переменная, характеризующая объект исследования; XI - 1-й фактор; Ьо, Ь1, Ьу, Ьц - коэффициенты регрессии; j - номер фактора, отличный от г Таблица 4.4 - План эксперимента для оценки воздействия движителя на почву и

N Факторы в кодированном виде

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

XI 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 0 0 0 0 0 0 0

Х2 1 -1 -1 1 0 0 0 0 1 -1 -1 1 0 0 0

Хз 0 0 0 0 1 1 -1 1 1 -1 -1 1 0 0 0

Результаты обрабатывались методами математической статистики в программной системе Statistica, а также с помощью программ, разработанных автором диссертации.

4.7 Методика тормозных испытаний двигателей для тяговых испытаний

Тормозные испытания дизелей проводятся на стенде для торможения двигателей через вал отбора мощности на шасси тракторов. Стенд обеспечивает торможение двигателей мощностью от 50 до 300 кВт с максимальным моментом 1793 Нм при частоте вращения от 300 до 3000 мин-1.

Стенд является стационарной установкой, для торможения двигателя трактора. Составными частями стенда являются: нагружающее устройство (тормозное), система питания ДВС топливом и система регистрации (замера) параметров двигателя. Тормозное устройство представляет собой

балансирную машину постоянного тока ББ 1146-4 к/У в соответствии с рисунком

4.16.