CC BY
11
Исследование работы двигателя трактора класса 1,4 в программе
Simulink
2
112 М.В. Сидоров , С.В. Тумарев , В.Н. Сидоров
1 Калужский филиал, «Российский государственный аграрный университет -МСХА им. А.К. Тимирязева», Калуга Калужский филиал, «Московский государственный технический университет им.
Н.Э. Баумана», Калуга
2
Аннотация: Многочисленные исследования работы тракторного двигателя в условиях выполнения трактором технологических операций показали, что в результате колебаний момента сопротивления на входе в двигатель его показатели ухудшаются. Появление имитационных методов моделирования позволяет провести всесторонние исследования динамических процессов тракторных двигателей. Построение моделей в среде Simulink выполняется пока только узкими специалистами, однако имеет большой потенциал для исследования средств механизации сельского хозяйства.
В статье приводится методика и результаты моделирования динамических процессов на примере двигателя трактора класса 1,4 в среде Simulink. Тракторный двигатель представлен в виде многоуровневой блок-схемы, в которой каждая подсистема имеет свои подсистемы или функциональные зависимости. С использованием среды Simulink, получены графики изменения момента сопротивления на входе в двигатель, угловой скорости коленчатого вала и хода рейки топливного насоса. Моделирование работы двигателя проводилось на трех режимах: номинальном, регуляторном и корректорном участках при синусоидальном моменте сопротивления на входе в двигатель. Применение программной среды Simulink позволяет получить визуализацию результатов моделирования.
Ключевые слова: имитационное моделирование, тракторный двигатель, момент сопротивления, ход рейки, угловая скорость.
Введение. Многочисленные исследования работы тракторного двигателя в условиях выполнения трактором технологических операций показали, что в результате колебаний момента сопротивления на входе в двигатель его показатели отличаются от работы в статических условиях в сторону их ухудшения [1-3] и при нагрузке в виде гармонических колебаний объясняются нелинейностью регуляторной характеристики двигателя [4].
Появление имитационных методов моделирования позволяет провести глубокие и всесторонние исследования динамических процессов тракторных двигателей, однако эта возможность остается пока только у узких специалистов [5-7].
и
Цель работы: проверка влияния нелинейности регуляторной характеристики дизеля трактора класса 1,4 на изменение траектории хода рейки с использованием среды Simulink.
Методы. Исследования проводились посредством имитационного моделирования с использованием прикладной программы Simulink [8]. Блок-схема двигателя трактора класса 1,4, оснащенного регулятором, была представлена двумя подсистемами: "Двигатель" и "Регулятор" (рис.1.). Подсистема "Двигатель" в свою очередь состоит из двух подсистем: "Движение коленчатого вала" и "Крутящий момент двигателя", отражающих механизм преобразования входных координат в выходные [4, 9].
Рис. 1. - Блок-схема математической модели двигателя
В подсистеме "Движение коленчатого вала" (при отсутствии буксования муфты) использована известная зависимость [4]:
Jд (<ю 1/ <г) = Мд - Мс
где Мд - момент двигателя; Мс - входной момент; Ю! - угловая скорость
двигателя; Jl - суммарный момент инерции двигателя и муфты сцепления.
Подсистема "Крутящий момент двигателя" использована полиномом второго порядка регрессии вида [9, 10]:
и
Мд = ад0 + ад1щ + ад2щ + ad3h + ад4щк + ad5h
д
д4шГ
2
где Н - положения рейки подачи топлива.
В подсистеме "Регулятор" применены дифференциальное уравнение и функциональные зависимости [4, 9]:
где m - масса движущихся частей топливного насоса и регулятора; шр - угловая
скорость валика регулятора; N - коэффициент жидкостного трения; Au -инерционный коэффициент; E - восстанавливающая сила пружины регулятора; Е и Ек - коэффициенты, учитывающие начальные значения
восстанавливающей силы пружин регулятора и корректора; ср и ск -
коэффициенты жесткости пружин регулятора и корректора; са - коэффициент,
инерционности; Аио - начальное значение инерционного коэффициента.
В соответствии с блок-схемой (рис. 1), в прикладной программе Simulink была составлена структурная схема (рис. 2) в которой отдельные подсистемы представлены двумя блоками Subsystem [8].
В среде Simulink подсистема "Движение коленчатого вала" (рис. 3) представлена сумматором моментов, делителя и интегратора. В результате на выходе подсистемы "Движение коленчатого вала" получаем текущее значение угловой скорости коленчатого вала.
Подсистема "Крутящий момент двигателя" (рис. 4) описывает зависимость крутящего момента двигателя от угловой скорости двигателя и хода рейки топливного насоса в виде полинома второй степени.
2 .
'р '
Е = Ерег = Ер + Cph при h > h Е = Екор = Ек + CKh при h ^ h A=Auo+Cah,
ном 5
и
Рис. 2. - Структурная схема двигателя в прикладной программе БтиНпк
Рисунок 3 - Построение подсистемы "Движение коленчатого вала"
в программе БтиНпк
Рис. 4. - Структурная схема подсистемы "Крутящий момент двигателя"
Подсистема "Регулятор" состоит в свою очередь из трех подсистем, структурные схемы которых представлены на рис. 5.
Рис. 5. - Структурная схема подсистемы "Регулятор"
Моделирование работы двигателя проводилось на трех режимах работы двигателя: номинальном режиме, регуляторном и корректорном участках при синусоидальном моменте сопротивления на входе в двигатель. Для этого задавались три средних значения момента сопротивления на входе двигателя с одинаковой амплитудой колебания, равной 50 Н*м с помощью блока Sine Wave.
Результаты. Анализ полученных графиков позволяет отметить (рис. 6), что при работе двигателя отдельно на корректорном (а) и регуляторных (с) участках угловая скорость коленчатого вала двигателя и ход реки топливного насоса сохраняют синусоидальный характер изменения во времени при синусоидальном характере момента сопротивления на входе в двигатель.
М Инженерный вестник Дона, №3 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2021/6893
с
Рис. 6. - Результаты моделирования: а - работа двигателя на корректорном участке; б - работа двигателя одновременно на корректорном и регуляторном участках и с - работа двигателя на регуляторном участке
Колебания угловой скорости на корректорном участке в три раза больше чем на регуляторном участке, в то же время колебания хода реки топливного насоса снижаются примерно во столько же раз. При работе двигателя одновременно на корректорном и регуляторном участках (б)
траектория изменения во времени угловой скорости коленчатого вала двигателя и хода реки топливного насоса значительно искажаются, носят периодический, но не синусоидальный и не симметричный характер. На графиках изменения во времени угловой скорости коленчатого вала двигателя и хода реки ярко выражены участки работы двигателя на корректорном и регуляторном участках.
Заключение
Использование имитационного моделирования в среде Simulink позволяет получить наглядное представление об изменении показателей двигателя во времени при различных характерах момента сопротивления на входе в двигатель.
Наличие нелинейности регуляторной характеристики дизеля приводит к искажению вида траектории изменения угловой скорости коленчатого вала двигателя и хода реки топливного насоса при работе двигателя вблизи номинального значения нагрузки при ее синусоидальном воздействии.
Литература
1. Болтинский В.Н. Работа тракторного двигателя при неустановившейся нагрузке. М.: Сельхозгиз, 1949. 216 с.
2. Иофинов С.А. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Колос, 1974. 480 с.
3. Агеев Л.Е. Основы расчета оптимальных и допустимых режимов работы машинно-тракторных агрегатов. Л.: Колос, Ленингр. отд-ние, 1978. 296 с.
4. Кутьков Г.М. Тяговая динамика трактора. М.: Машиностроение, 1980. 215 с.
5. Сидорова А.В., Степин П.И., Сидоров В.Н. Имитационное моделирование колебаний центра масс колесной машины с помощью
программы Simulink // Инженерный вестник Дона, 2020. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2020/6395/ (дата обращения: 23.03.2021).
6. Сидоров М.В., Сидорин Р.В. Обоснование массы пикапа-тягача из условия сцепления с дорогой при изменении угла подъема // Международный технико-экономический журнал, 2020. № 6. С. 50 - 55.
7. Заруцкий С.А., Власенко Е.А. Автоматизация анализа данных экспериментальных исследований // Инженерный вестник Дона. 2019. № 8. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2018/4753.
8. Жилейкин М.М., Котиев Г.О., Сарач Е.Б. Математические модели систем транспортных средств: методические указания. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 100 с. // Лань: электронно-библиотечная система. — URL: e.lanbook.com/book/103321.
9. Сидоров М.В. Повышение эффективности использования машинно-тракторного агрегата за счет применения технологического модуля с ведущими колесами для трактора тягового класса 1,4: дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2016. 153 с.
10. Ксеневич И.П., Гуськов В.В., Бачеров И.Ф. и др. Тракторы: Проектирование, конструирование и расчет. Учебник. М.: Машиностроение, 1991. 554 с.
References
1. Boltinskij V.N. Rabota traktornogo dvigatelya pri neustanovivshejsya nagruzke. [Tractor engine operation at unsteady load]. M.: Selxozgiz, 1949. 216 p.
2. Iofinov S.A. Ekspluataciya mashinno-traktornogo parka. [Operation of the machine and tractor fleet].M: Kolos, 1974. 480 p.
3. Ageev L.E. Osnovy' rascheta optimaTnyx i dopustimyx rezhimov raboty' mashinno-traktornyx agregatov. [Basics for calculating the optimal and permissible operating modes of machine and tractor units]. L.: Kolos, Leningr. otd-nie, 1978. 296 p.
4. Kut'kov G.M. Tyagovaya dinamika traktora. [Traction dynamics of the tractor], M.: Mashinostroenie, 1980. 215 p.
5. Sidorova A.V., Stepin P.I., Sidorov V.N. Inzhenernyj vestnik Dona. 2020. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2020/6395.
6. Sidorov M.V., Sidorin R.V. Mezhdunarodnyj tehniko-jekonomicheskij zhurnal, 2020. № 6. pp. 50 - 55.
7. Zaruckij S.A., Vlasenko E.A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2019. № 8. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1 y2018/4753.
8. ZHilejkin M.M., Kotiev G.O., Sarach E.B. Matematicheskie modeli sistem transportnykh sredstv: metodicheskie ukazaniya. [Mathematical models of vehicle systems: guidelines]. M.: MGTU im. N.EH. Baumana, 2018. 100 p. Lan': ehlektronno-bibliotechnaya sistema. URL: e.lanbook.com/book/103321.
9. Sidorov M.V. Povy'shenie effektivnosti ispolzovaniya mashinno-traktornogo agregata za schet primeneniya texnologicheskogo modulya s vedushhimi kolesami dlya traktora tyagovogo klassa 1, 4 [Increasing the efficiency of using the machine-tractor unit due to the use of a technological module with driving wheels for a tractor of traction class 1.4] : dis. ... kand. texn. nauk. Voronezh, 2016. 153 p.
10. Ksenevich I.P., Gus'kov V.V., Bacherov I.F. i dr. Traktory: Proektirovanie, konstruirovanie i raschet. Uchebnik. [Tractors: Design, construction and calculation. Textbook]. M.: Mashinostroenie, 1991. 554 p.
