CC BY
27
УДК:631.372
теоретическое исследование влияния углов бокового увода колёс на поперечное смещение машины при её движении по наклонной опорной поверхности
С.В. ТАРАСОВА, старший преподаватель В.А. ШАХОВ, доктор технических наук, профессор Е.М. АСМАНКИН, доктор технических наук, профессор
В.В. РЕЙМЕР, кандидат технических наук, старший преподаватель
Оренбургский ГАУ E-mail: saria2012mail.ru
Резюме. При движении колёсной машины по склону общее поперечное смещение вниз складывается из смещения, вызванного углами увода трактора при его недостаточной пово-рачиваемости, 1"ва п- и скольжения 1к в связи с разрушением почвенного слоя (/o6w = 'or +1^'"')- Для теоретического обоснования компенсации поперечного смещения машины при движении по склону был рассмотрен ее поворот на плоскости, в процессе которого возникает центробежная сила, создающая углы бокового увода в пневматических шинах. Аналогия этого явления наблюдается при движении машины на склоне, где роль центробежной силы выполняет составляющая силы тяжести при условии реализации поворота по окружности с бесконечно большим радиусом, которой можно считать технологическую траекторию. При конструкционном исполнении ходовой части с излишней поворачиваемостью центр поворота машины располагается выше по склону, что позволяет осуществить поворот вверх, и тем самым компенсировать поперечное смещение вызванное скольжением. В связи с этим рассматривается аналитическое условие стабилизации агрегата на технологической траектории в аспекте равенства смещения от скольжения машины вниз и смещения мобильного средства вверх по склону = I™" вызванного излишней поворачиваемостью, которое формализуется выражением со следующими функциональными составляющими: углы увода шин передних и задних колёс 5t, Ь2; длина продольной базы машины АС и координата точки центра тяжести В. Методика теоретического исследования влияния углов бокового увода колёс на поперечное смещение машины при ее движении по наклонной опорной поверхности может послужить предпосылкой для создания нового типа движения и формирования математической модели траекториальнойустойчивости тягового средства в условиях склонового земледелия. Ключевые слова: угол бокового увода, трактор, колёсная машина, технологический коридор, устойчивость, процесс увода, траектория движение.
Известно, что под действием боковой силы шина колеса деформируется в поперечном направлении. При этом след её отклоняется от продольной плоскости колеса. В результате действия составляющей силы тяжести и появления углов бокового увода происходит смещение тягового средства по нормали от траектории движения, величина которого не должна превосходить ширину защитной зоны технологического коридора [1, 2].
Режим движения технологического агрегата нахо-
тора. Энергетическое средство как ведущий элемент мобильного агрегата обладает шестью степенями свободы. Но при движении поперёк склона оно совершает самопроизвольный поворот вниз по склону. Это объясняется воздействием на машину составляющей силы тяжести, направленной по наклонной поверхности к её основанию при условии недостаточной поворачиваемости серийной конструкции колёсного движителя [1].
В связи с этим цель наших исследований - определение влияния углов бокового увода колёс на поперечное смещение энергетического средства мобильного агрегата вниз при движении по склону.
Условия, материалы и методы. Изучение движения колёсной машины и повышение её курсовой устойчивости возможно только при переводе в режим избыточной поворачиваемости и эксплуатации в условиях ландшафтной специфики свойственной опорным поверхностям со стабильным плоскостным уклоном в приделах от 50 до 200.
Теоретические и эксплуатационные исследования, направленные на изучение вопроса устойчивости мобильного энергетического средства при различных соотношениях углов увода принципиально основаны на использовании эластичных шин с возможностью изменения их упругих свойств, влияющих на параметрическое и функциональное состояние движущего объекта.
В этом случае объективность и логика исследований основывается на использовании методов тригонометрического анализа, классической механики, математики и аналитической геометрии.
результаты и обсуждение. Можно утверждать, что общее линейное смещение складывается из бокового увода колёс и величины скольжения в связи с разрушением почвенного слоя [3] (рис. 1):
I = I + 1невп- (1)
общ 'ск^'ув. ' (|)
где 1общ - общее линейное смещение трактора от заданной траектории; I - смещение, вызванное поперечным скольжением трактора по опорной поверхности; ¡нвдж - смещение, вызванное углами увода трактора при условии его недостаточной поворачиваемости.
Для формализации компенсационного процесса поперечного смещения машины при движении по склону целесообразно проанализировать процесс ее поворота на плоскости, при котором возникает центробежная
дится в непосредственной функциональной связи с ландшафтной спецификой, структурой почвы, скоростью движения и конструктивным исполнением трак-
рис. 1. Схема поперечного общего смещения трактора на технологической траекто-
рии.
Рис. 2. Схема устойчивого движения трактора по технологической траектории.
сила, создающая углы бокового увода в пневматических шинах. Аналогичную картину можно наблюдать при движении машины на склоне, где роль центробежной силы будет выполнять составляющая силы тяжести при условии реализации бесконечно большого радиуса поворота, чем и является технологическая траектория [2]. При конструктивном исполнении ходовой части с излишней поворачиваемостью центр поворота машины располагается выше по склону, что позволяет осуществить поворот вверх, и тем самым компенсировать поперечное смещение, вызванное скольжением. В этом случаи будет отсутствовать смещение машины с недостаточной поворачиваемостью, вызванное углами увода (рис. 2):
I _ ¡изл.п. ск ~ ' ув. '
(2)
(1»™"У = х2-1-2,
(3)
где L - пройденный путь трактора; х - величина, равная хорде окружности поворота трактора вверх при условии излишней поворачиваемости (рис. 3)
х = 2Я?„
■вш
0 + 5
/„ =
2-Я
■вш
0+5
(5)
Более того, при дальнейшем развитии аналитических процедур необходимо учитывать как координаты центра тяжести машины, так и координаты центра поворота, которые служат составляющими комплекса предпосылок для определения компенсационного
радиуса Якоип (рис. 3) [2].
Компенсационный радиус Яоомпп можно определить в результате анализа движения конфигуративно-параметрической модели в фазовых фиксациях:
Икшп=В0 = ^М02 + ЫВ2. (6)
В соответствии с функциональной тригонометрией технологической маршрутизации мы получили следующие величины: NO=AO ■ NB=NC-BC и NC=CO ■ 5т82.
В результате математических преобразований компенсационный радиус траектории движения тягового средства вверх можно формализовать следующим образом:
где 'у,,. - смещение, вызванное углами увода трактора при условии его излишней поворачивае-мости.
Для стабилизации агрегата на технологической траектории необходимо соблюдение аналитического условия, при котором смещение от скольжения машины вниз теоретически равно ее смещению вверх по склону, вызванному излишней поворачиваемостью, которое выражается как:
, = ВО = ^АО • соей;)2 + (Л/С - ВС)2; = ВО = ^(АО + сс^)2 + (СО • эт52 - ВС)2.
(7)
(8)
Следовательно, величина АО может быть установлена:
АО.
ЛИ ЫС-АС СО • э1п5, -ЛС
в1п51 з1п51
Исходя из условия
э1п51
СО:
Л/О соэ5,
(4)
угол бокового
и принимая во внимание выражение
АС = Л/С -ЫА = N0■ 1ап52 -N0Лап^ ,
можно установить зависимость АС
(9)
(10)
(11)
N0 =
где (9+8)/2 - центральный угол, 8 увода центра тяжести трактора.
Изложенное логическое построение предполагает необходимость определения функции компенсационного радиуса от углов увода колёс переднего и заднего мостов. В этой связи следует отметить, что для компенсации поперечного смещения, вызванного скольжением, необходимо рассматривать пройденный путь машины равным сумме компенсационного радиуса, вызванного поворотом трактора с излишней поворачиваемостью вверх, и геометрического элемента NB (L=R +NB).
' оомп '
Тогда линейное смещение от скольжения возможно определить из выражения:
1ап52-1ап51
Тогда величина СО будет рассматриваться как: АС
(12)
^ (1ап52-1ап51)-со8б2
откуда
ло_ ЛС.(1ап52-1)
(13)
(14)
(1ап52 -1ап51)з1п61
В результате искомый компенсационный радиус можно сформулировать выражением:
АС ■ (1апб2 -1)- ссЛб!4 (1ап82-1ап81)
Д<Мап8,
(1ап82-1ап8,)
-ВС
(15)
Для получения аналитических уравнений, формализующих движение в допустимом технологическом коридоре необходимо иметь в виду, что углы бокового увода передних управляемых и задних ведущих колёс равны по принципу соответствия осевому расположению и изменяются одинаково вследствие регулирования давления в шинах.
из анализа которого видно, что при реализации вычислительных процедур наиболее значима величина cot81. В технологическом аспекте это значительно упрощает проблему использования предлагаемого метода при его технической реализации, поскольку величину угла бокового увода задних колёс можно брать постоянной и желательно наибольшей. То есть внутришинное давление задних колёс должно быть равно наименьшему допустимому значению, соответствующему эксплуатационным требованиям.
В частности, формула для получения углов увода передних и задних колёс [4]:
Мг =
Gsina
~К„
(19)
>1,2
где G - вес трактора.
Используя полученное автором [4] выражение коэффициента сопротивления боковому уводу:
Ку1,2 =С1+С2Х (20)
хРи1,2 б сова
где С1,С2 - коэффициенты аппроксимации характеристик бокового увода
шин; p
' ' w
- давление в шине
переднего и заднего колеса, можно установить искомую зависимость для углов 81 и 82 посредством уравнения:
Рис. 3. Схема компенсации смещения трактора от скольжения при конструктивном исполнении ходовой части с излишней поворачиваемостью: Якомп - компенсационный радиус; В - центр тяжести машины; О - центр поворота машины; 8, 81, 82 - углы увода соответственно центра тяжести машины, передних и задних колёс; х - величина, равная хорде окружности поворота трактора вверх при условии излишней поворачиваемости; 1ск - смещение, вызванное поперечным скольжением трактора по опорной поверхности.
м2 =
(21)
Gsina
С,+С2
, G cosa
Это позволяет варьировать величины углов бокового увода передних колёс в предельно широком диапазоне.
Однако знания функции компенционного радиуса при различных углах увода колёс недостаточно для определения поперечного смещения тягового средства. С этой целью необходимо формализовать оптимизационные процедуры угла увода центра тяжести машины (рис. 3).
Для этого предлагается рассмотреть систему равенств:
АВ + ВС = АС]
• A/0-tan82-A/0tan8 = ВС (16)
Л/О ■ tan 8 - NO ■ tan 8t = AB,
в результате преобразований которых можно окончательно провести формализацию величины угла бокового увода центра тяжести машины по следующему выражению:
tan 8 =
/Ш tan82 +ВС tan 8!
(17)
ВС + АВ
Проведенные исследования показали целесообразность введения в формулу коэффициента к = ВС/АВ, учитывающего координаты центра тяжести машины, что необходимо для методического варьирования при параметрическом анализе различных моделей тяговых систем:
tan 8
(18)
_ АВ-^ап^ + к-Ш^) АС '
где АС=АВ+ВС - продольная база машины.
Для дальнейших исследований необходимы функции углов увода шин передних и задних колёс для различных технологических условий. В этой связи особую ценность представляет научно-методический подход В.П. Бойкова, направленный на изучение вопросов, связанных с характеристиками увода тракторных шин.
представляющего возможность алгоритмировать необходимые вычислительные процедуры без дополнительных экспериментальных исследований конкретных типов шин, основываясь только на значениях коэффициентов аппроксимации характеристик их бокового увода.
Используя склоны в интервале 5°...20° допустимо проведение исследований колёсной машины укомплектованной шинами 11,2-2° модели Ф-35-1 и 15^38 модели Ф-2А, соответственно для передних и задних колёс. В результате проведенного параметрического анализа установлено, что значения углов бокового увода колёс на склонах 5°,10°,15° и 20° при условии технологического варирования давления воздуха в шинах для переднего моста составляют 2,4°, 4,8°, 7,4° и 1°°; для заднего - 3,5°, 6,8°, 1°,7°, 14,6°.
Выводы. Смещение от скольжения тягового средства при движении по определенной наклонной поверхности можно компенсировать смещением вверх по склону, вызванным избыточной поворачиваемостью колёсного трактора. В связи с тем, что согласно условию избыточной поворачиваемости необходимая величина углов увода шин задних колёс должна иметь допустимо наибольшее значение, установлена эффективность постоянного поддержания в этих шинах минимально допустимого давления. Значения углов увода колёс легли в основу определения углов увода центра тяжести машины на различных склонах. Поэтому в случае анализа траекториальной устойчивости других видов колесных машин можно реализовать проведённую формализацию в её прикладном аспекте.
В результате математического анализа установлены функциональные связи и зависимости углов увода колёс от внутришинного давления, угла склона, коэффициентов аппроксимации характеристик бокового увода шин, что дает возможность для создания режима движения колёсной машины в рамках технологического коридора с полной компенсацией поперечного смещения вниз по склону не зависимо от природы его проявления.
Литература.
1. Шахов В.А., Тарасова С.В., АсманкинА.Е. Обоснование способа теоретического исследования траекториальной устойчивости мобильных энергетических средств в условиях склонного земледелия //Известие ОГАУ. 2013. №5. С. 81-83.
2. Чудаков, Д. А. Основы теории и расчета трактора и автомобиля.Изд.2-е, перераб. и доп. М.: Колос, 1972. 384 с.
3. Рославцев, А.В. Теория движения тягово-транспортных средств. М.: УМЦ «Триада», 2003. 172 с.
4. Бойков В.П., Белковский В.Н. Шины для тракторов и с.-х. машин. М.:Агропромиздат,1988. 240 с.
methods of theoretical STuDiES on THE iNFLuENcE oF wHEELS SiDE sup angles on the transverse displacement of the vehicle moving on an inclined support surface
S.V. Tarasova, V.A. Shakhov, Ye. M. Asmankin, V.V. Reime
Summary. When a wheel car is driven downhill its total transverse slope displacement is formed of the down shift caused by slip angles of the tractor because of its inadequate turnability IHedn- and slip magnitude lck which is connected with soil layer destruction = 1^ + lH"anl . To substantiate theoretically the compensation ' of the transverse slope displacement of the vehicle, its turnability on the plane, in the process of which there develops a centrifugal force creating the side slip angles in pneumatic tires, has been considered. The similar phenomenon is being observed when driving the car on a slope, where the role of the centrifugal force is performed by the gravity force component, under the condition that the turn is being realized around the circumference of an infinitely large radius, which actually is the technological trajectory. When due to specific design the running part of the vehicle is of excess turnability, the center of its turn is located above the slope and as result an upward turn is performed which contributes to the compensation for the transverse displacement being due to the slip. In this connection the analytical condition for stabilization of the tractor unit on the technological trajectory is being considered from the viewpoint of equality of the machine offset being the result of sliding down and the offset of the vehicle in the upslope direction caused ■ by excessive turnability, which is formulated by the expression of functional components: slip
angles of front tires and rear wheels 81; 82; longitudinal machine base AC and the coordinate of the gravity center B. The above approach is considered to be the basis of developing an algorithm of the proposed methods of theoretical study on the influence of the angles of wheels side slip on the transverse displacement of the machine as it moves along an inclined support surface. It is a prerequisite for a new type of movement and for development of a mathematical model of trajectorial stability of a traction vehicle under the conditions of hillside farming.
Keywords: side slip angle, tractor, wheeled vehicle, technological corridor, stability, the slip process, movement trajectory.
УДК 631.171
сохранение качества молока инженерными
методами
Ю.А. УШАКОВ, доктор технических наук, профессор
О.Н. ТЕРЕХОВ, доктор технических наук, профессор,
Г.П. ВАСИЛЕВСКИЙ, инженер Н.Г. ДАНИЛОВА, аспирант Оренбургский ГАУ E-mail: [email protected]
Резюме. Параметры гидродинамических потоков в молоко-проводе в режиме доения и промывки должны быть разными. В режиме промывки участки с большей интенсивностью образования отложений необходимо подвергать большему механическому воздействию. В существующих доильных установках это не выполняется. Цель наших исследований - поиск и демонстрация резервов повышения эффективности промывки молокопровода для сохранения качества молока на примере крепления патрубка к молокопроводу. Расчет динамики образования и удаления загрязнений осуществляли методом контрольного объема при решении уравнений двухфазной гидродинамики в областях сложной формы (уравнения Навье-Стокса) в свободном программном продукте Open FOAM (Open Field Operation and Manipulation). Константы k - s модели турбулентности, согласно рекомендациям исследователей и результатам собственных экспериментов: Сц = 0,09, Сг1 = 1,44, Cs2 = 1,92, ak = 1,0, as = 1,3. Угол отклонения оси патрубка от нормали к оси молокопровода принимал два значения - 300 и 00. Диаметр трубы - 40 мм. Диаметр входного патрубка - 16 мм. Ширина сетки - 0,56 м. Высота сетки - 0,08 м. Шаг сетки по вертикали - 0,008 м. Скорость потока - 0,8 м/с. Необхо-
димое число итераций для схождения процесса численного моделирования - 140. Плотность размещения точек на ребрах геометрии расчетной области - 1 мм. В области крепления патрубка о молокопроводу интенсивность взаимодействия потока со стенками в диаметрально противоположных точках может отличаться более чем в 50 раз. Максимальная разность интенсивностей взаимодействия превышает 7 Па. Созданы предпосылки для выработки критериев формирования форм поверхностей проточных частей доильных установок по согласованию параметров потоков молоковоздушной смеси и моющего раствора. Их использование дает возможность усовершенствовать систему промывки и контроля чистоты деталей доильных установок, проектировать новые формы деталей доильных установок, взаимодействующих с молоком и моющим раствором.
Ключевые слова: доильная установка, молокопровод, промывка, форма поверхности, молочные загрязнения, качество молока.
Производство молока на малых и крупных фермах связано с большим расходом электроэнергии, труда и средств. Доильное оборудование необходимо мыть и дезинфицировать после каждого использования, поэтому очень важно сократить время проведения таких операций, сохранив их эффективность, снизив расход электроэнергии, воды и моющих средств. Экономически целесообразно использовать современные моющедезинфицирующие средства, установив обоснованные режимы санитарной обработки доильного
