Мехатронная модель колесного трактора для исследования устойчивости движения и управляемости Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Литература

1. Чарыков, В.И. Рекомендации по использованию электромагнитных сепараторов в технологических процессах АПК / В.И. Чарыков. - Курган: Изд-во КГСХА, 2002. - 38 с.

2. Сумцов, В.Ф. Электромагнитные железоотделители / В.Ф. Сумцов. - М.: Машиностроение, 1981. - 212 с.

--------♦-----------

УДК 630. 377. 44 В.И. Поддубный, А.С. Павлюк, A. Warkentin

МЕХАТРОННАЯ МОДЕЛЬ КОЛЕСНОГО ТРАКТОРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ И УПРАВЛЯЕМОСТИ

Математическое моделирование движения позволяет установить оптимальные конструктивные и эксплуатационные параметры колесных машин. Развитие вычислительной техники и современного прикладного объектноориентированного программного обеспечения позволяет произвести разработку модели колесной машины как мехатронной системы, состоящей из отдельных частей. Такие возможности предоставляют специализированные пакеты Matlab-Simulink, Matlab-SimMechanik, CaMEL-View и другие.

Для разработки модели колесного трактора был применен прикладной пакет CaMEL -View, разработанный специалистами фирмы iXtronics GmbH (Германия). Программа использует идеологию визуального объектно-ориентированного программирования и предназначена для создания моделей различных механических систем, их анализа и оптимизации [1]. На рис.1 представлено топологическое отображение мехатронной модели колесного трактора К-701, на рис. 2 изображена 3D - модель трактора К-701 в CaMEL -View.

anregungFahrbahn

AnregungFahibahr

podwes

—-: С-' fMo

PodwesClass

signalGenera

iss

Fi

FoidermassCass

scharnir

-ot> fMo-

ScharnirCass lenkung

LenkungCass

HintenmassCass

SignalGeneratorClass

Рис. 1. Топологическое отображение модели трактора К-701

Трактор состоит из двух шарнирно соединенных частей - передняя часть (fordermass) и задняя часть (hintermass). Передняя и задняя части соединяются шарниром scharnir, обеспечивающим взаимные угловые перемещения относительно продольной и вертикальной осей. Блок Lenkung генерирует внутренний момент, обеспечивающий угол слома рамы по задаваемому закону. Блок AnregungFahrbahn обеспечивает возмущающее воздействие на колеса трактора со стороны рельефа опорной поверхности. Различные формы входных сигналов для Lenkung и AnregungFahrbahn поставляет генератор сигналов signalGenerator. Сочленение Podwes обеспечивает перемещение трактора, как абсолютно твердого тела с шестью степенями свободы, относительно опорной поверхности, представленной блоком osi.

Рис. 2. 3D - модель трактора К-701 в CaMEL-View

Отдельные составные части трактора моделируются, как твердые тела, массово-геометрические характеристики которых задаются в виде тензора инерции. Соединение отдельных частей осуществляется при помощи сочленений (шарниров), позволяющих устанавливать необходимое число степеней свободы. На рис. 3 изображена модель передней части трактора (на рис. 1 блок fordermass). Передняя часть моделируется как твердое тело fordermassa, к которому посредством шарниров radlager и гаЬіадегІ, которые моделируют подшипники правого и левого колес, присоединены правое гad_vг и левое гad_vl колеса. Шарниры допускают одну степень свободы для колеса относительно трактора - вращение относительно его продольной оси.

Рис. 3. Модель передней части трактора

Модель шины является составной частью модели трактора. На рис. 4 изображен механизм взаимодействия модели шины reifenmodell и колеса rad. При моделировании выходные кинематические параметры обода колеса - координаты центра масс pos_Rad, скорость центра масс колеса vel_Rad и угловая скорость omega_Rad в проекциях на оси координат, связанных с землей, трансформационная матрица ori_Rad (матрица направляющих косинусов осей подвижной системы координат, связанной с плоскостью обода относительно инерциальной системы отсчета) подаются на вход шинной модели. Модель шины определяет проекции главного вектора и главного момента сил в контакте колеса с опорой в проекции на неподвижные оси по величинам продольного и бокового скольжения колеса, определяемых по кинематическим параметрам обода колеса. Главный вектор F_Tire и главный момент M_Tire прикладываются к центру колеса.

RadClass

Рис. 4. Взаимодействие модели шины и колеса трактора

На рис. 5 изображена модель регулирования угла слома рамы. Внутренний момент, обеспечивающий необходимое угловое перемещение передней и задней части трактора относительно друг друга, генерирует актуатор 1епкипд_акШаЬг. Величина необходимого момента определяется в блоке апд1е_тютеП по величине рассогласования задаваемого и текущего углов слома и подается на вход актуатора. Текущие значения угла слома рамы определяются актуатором и преобразуются в вектор в блоке апд^_ге1. Задаваемый закон изменения угла слома рамы генерируется в блоке step3, однако может быть подсоединен один из источников сигналов генератора сигналов (соединение с ним осуществляет шлюз модели регулирования ап-gle_steering_soll).

>К = f fou,t)«

<]У = д fou,t).

angleZ_Rel

^Az

>Х = f (X, U, t)

у = g u. t'l

AzRelClass

Angle_momentClass

lenkung_actuator

► ^ і >

w"~i I ч 1 n

step3

£>_

>x = f font)

= g font)

Step3Class

angle_steering_soll

fordermasse

Lenkung_actuatorClass

hintermasse

Рис. 5. Модель регулирования угла слома рамы трактора

Экспериментальные замеры угла поворота управляющих колес при смене полосы движения, проведенные в АлтГТУ [2], и последующая аппроксимация полученной кривой показали, что наиболее соответствует истине закон изменения угла поворота, представленный на рис. 6. В начале и конце маневра (интервал времени от 6 до 8 и от 12 до 13 с) зависимость угла поворота от времени лучшим образом описывается нелинейной (кубической) зависимостью вида:

fi := fi0 + A*delta*delta*(3—2*delta),

где fi0 - значение угла поворота в начале рассматриваемого интервала;

A - амплитуда изменения угла поворота на интервале;

delta - отношение текущего значения времени на интервале, отсчитываемое условно от 0 к времени рассматриваемого интервала; delta := (t-t0)/(t1-t0); t - текущее модельное время; t0 и t1 - начальное и конечное время интервала.

В среднем временном интервале (8-12 с ) угол поворота изменяется по закону синуса.

Рис. 6. Угол слома рамы трактора во время маневра

Время, с

Рис. 7. Боковые координаты центра масс передней части трактора при смене полосы движения

Время, с

Рис. 8. Боковые координаты центра масс задней части трактора при смене полосы движения

На рис. 7-8 изображены законы изменения боковых координат центров масс передней и задней частей трактора при смене полосы движения при задаваемых скоростях движения 0,5 и 2 м/с. Следует отметить, что скорость движения оказывает влияние как на величины боковых перемещений центров масс, так и на закон их изменений.

Большим достоинством представленной модели является то, что она позволяет определить как кинематические характеристики отдельных частей трактора, так и величины сил взаимодействия сил между ними. Это позволяет оценить нагруженности отдельных узлов трактора при различных видах работ и производить при необходимости конструктивные изменения. Выходные кинематические параметры модели позволяют проводить анализ устойчивости и управляемости трактора при движении его с различными скоростями по разным поверхностям.

Литература

1. Hahn, M. Ein Objektmodell fur den Mechatronikentwurf / M. Hahn. - Dusseldorf, 1999.

2. Павлюк, А.С. Моделирование управляемого движения автомобиля: учеб. пособие / А.С. Павлюк. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006. - 142 с.

--------♦-----------

УДК 631.89. (631.3) Н.И. Селиванов, Д.А. Санников, А.А. Доржеев

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДИЗЕЛЯ НА РАЗЛИЧНЫХ ТОПЛИВАХ

В статье рассмотрены вопросы формирования индикаторных показателей рабочего цикла дизельных двигателей при использовании альтернативных топлив. Получены математические модели для их прогнозирования и оптимизации. Обоснованы принципы форсирования дизелей, обеспечивающие наиболее эффективную их адаптацию к использованию альтернативного топлива.

Рабочий процесс поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) характеризуется индикаторными показателями: давлением р, мощностью N, удельным расходом топлива gi и КПД п. При работе на

топливах с различной теплотворной способностью оценка эффективности теплоиспользования возможна только на основе индикаторного КПД, который, в отличие от термического, учитывает, наряду с отводом теплоты холодному источнику, смену рабочего тела и полноту его сгорания.

При определении индикаторных показателей рабочего цикла учитываются реальные условия и особенности протекания действительного цикла. Для двигателей, работающих на жидком топливе, индикаторный КПД определится из выражения:

а- 1о

П = 7—^-----------------------------------------------------V" ’ (1)

УН -Пу'Рк - йш

где и - индикаторная работа за цикл; ж - О2

Ун = —^— £ - рабочий объем цилиндра диаметром D и ходом поршня §

1о - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива, кг/кг; а - коэффициент избытка воздуха;

Пи - коэффициент наполнения;

Рк - плотность воздушного заряда на впуске в двигатель, кг/м3.

Для четырехтактных дизелей среднее индикаторное давление действительного цикла р = ЩУк с учетом скругления расчетной индикаторной диаграммы ф и насосных потерь в процессе выпуска и впуска Ар. = Р - Р выразится как [1]: