Моделирование распределения давления гусеничного трактора на почву с применением языка С#

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование распределения давления гусеничного трактора на почву с применением языка С#

Гайнуллин И.А., Загирова Р.Ю., Нургатина С.О. Уфимский государственный авиационный технический университет

Аннотация

В статье представлены результаты разработки математической модели и программного обеспечения для моделирования распределения давления гусеничного трактора на почву на языке С#. На основе контактной задачи теории упругости разработана модель распределения давлений под опорной части движителя с учетом влияния геометрии и параметров конструкции движителя, расположения центра масс, величины и точки приложения тяговых сопротивлений, действующих на трактор. А также математическая модель учитывает параметры почвы, включает описание граничных условий и поправочный коэффициент. Созданная математическая модель и программа обеспечивают высокую скорость расчета, достоверность и точность результатов, что подтверждается экспериментальными данными.

Ключевые слова: гусеничный трактор, давление, почва, математическая модель, программное обеспечение, язык С#.

Abstract

The paper presents the results of the development of a mathematical model and software for modeling the pressure distribution of a track-type tractor on a soil in C#. Based on the contact problem of the theory of elasticity, the authors developed a pressure distribution model under the support part of a track mover, taking into account the influence of the geometry and design parameters of a track mover, the location of the center of mass, the magnitude and the point of application of draught resistance acting on a tractor. And this mathematical model considers soil parameters, includes the description of boundary conditions and a correction factor. The created mathematical model and program provide a high calculation speed, reliability, and accuracy of the results, which is confirmed by experimental data.

Keywords: track-type tractor, pressure, soil, mathematical model, software, C# programming language.

В настоящее время большое внимание уделяется вопросам повышения технического уровня и проходимости движителей машин, снижения их металлоемкости и уплотняющего воздействия на почву [1], [6]. С учетом результатов углубленного анализа проблемы воздействия движителей на почву разработаны новые методы определения максимальных нормируемых давлений колесных и гусеничных движителей на почву, расчетные методы определения показателей колесного и металлогусеничного движителей, обеспечивающих допустимое воздействие техники на почву, и напряженно-деформированного состояния почвогрунтов [7]. При реализации ресурсосберегающих технологий установлено положительное влияние комбинированной системы обработки почвы и посева, короткоротационных севооборотов на продуктивность сельскохозяйственных культур и снижения уплотнения почвы движителями [8], [9].

При оценке эффективности машинно-тракторных агрегатов (МТА) при выполнении технологических операций значимо соответствие их движителей требованиям обеспечивающих допустимое по воздействию на почву.

Для исследования процессов взаимодействия движителей тракторов с почвой и ее уплотнения используются различные теоретические подходы и экспериментальные методы [10], [11], [12].

Степень уплотнения почвы зависит от массы трактора, типа движителя, типа почвы и технологии производства полевых работ [13]. Одно из основных направлений снижения уплотняющего воздействия на почву является совершенствование движителей МТА [14].

Исследования авторов Sh. Taheri, C. Sandu, S. Taheri, E. Pinto, D. Gorsich охватывает наиболее часто используемые модели взаимодействия колес с деформируемыми грунтами, разработанные для колесных транспортных средств [15]. Авторы Algirdas JanulevicЎius, Vidas Damanauskas, Gediminas Pupinis исследовали влияние давления воздуха в переднем и заднем колесе на коэффициент перекатыванию колесного трактора и расход топлива при возделывании пшеницы [16]. В работе [17] авторами Zeinab El-Sayegh, Moustafa El-Gindy, Inge Johansson, Fredrik Цijer представлена усовершенствованная модель взаимодействия шины с грунтом на основе моделирования FEA-SPH. В исследованиях авторов Payam Farhadi, Abdollah Golmohammadi, Ahmad Sharifi, Gholamhossein Shahgholi разработан метод оценки трехмерного (3D) следа пневматических сельскохозяйственных шин на основе формования следа шины жидкой штукатуркой и преобразования этих форм к трехмерным моделям с помощью 3D сканера [18]. В работе Shamrao, Chandramouli Padmanabhan, Sayan Gupta, Annadurai Mylswamy предложена модель с использованием фильтрации частиц для оценки терромеханических параметров взаимодействия колеса с грунтом [19].

Предложенные модели взаимодействия колеса с почвой и результаты исследований авторов Sh. Taheri, C. Sandu, S. Taheri, E. Pinto, D. Gorsich, Algirdas JanulevicЎius, Vidas Damanauskas, Gediminas Pupinis, Zeinab El-Sayegh, Moustafa El-Gindy, Inge Johansson, Fredrik Цijer, Payam Farhadi, Abdollah Golmohammadi, Ahmad Sharifi, Gholamhossein Shahgholi, Shamrao, Chandramouli Padmanabhan, Sayan Gupta, Annadurai Mylswamy, можно использовать для моделирования взаимодействия резиноармированных гусениц с почвой [15], [16], [19].

Беккер М.Г. предложил методы анализа «местность-машина» применительно к оценке проходимости машин по местности [20]. Вонгом Дж рассмотрены основы теории и конструкции колесных и гусеничных транспортных машин, а также аппаратов на воздушной подушке [21]. Congbin Yang, Ligang Cai, Zhifeng Liu, Yang Tian, Caixia Zhang предложили способ расчета тяги гусеничного трака на мягком грунте [22]. В исследованиях Wang M., Wang X., Sun Y., Gu Z. произведена оценка тяговых характеристик морских гусеничных машин на основе лабораторных механических испытаний [23].

В исследованиях Беккера М.Г., Вонга Дж, Congbin Yang, Ligang Cai, Zhifeng Liu, Yang Tian, Caixia Zhang., Wang M., Wang X., Sun Y., Gu Z. рассмотрены взаимодействие металлогусеничного движителя с почвой, неравномерность распределения реакций почвы на опорную поверхность движителя, тяговые характеристики и расчеты. Однако не рассмотрены влияние геометрии опорной части гусеничного трактора на уплотнение почвы и тягово-сцепные показатели.

Установлено, что давление на почву тракторов Т-150К, Т-170М1.03-55, К-701 соответственно в 1,8; 2,6 и 3,5 раза выше, чем у гусеничного трактора Т-150 [1]. Обосновано, что дальнейшее снижение уплотнения почвы и износа гусениц трактора Т-170М1.03-55 возможно за счет оптимизации геометрии опорной части гусеничного движителя [24], [25], [26].

Таким образом, проблема снижения уплотнения почвы требует поиска новых конструктивно-компоновочных схем движителей тракторов, обеспечивающих снижение уплотнения почвы и повышению тягово-сцепных показателей. Разработка и совершенствование движителей требуют наличия сложной экспериментальной аппаратуры. Поэтому применение имитационных моделей, исполненных в среде программного обеспечения, снижают сроки, расчетные и материальные затраты на стадии проектирования.

Цель исследования - разработать математическую модель и программное обеспечение для моделирования распределения давления гусеничного трактора на почву на языке С#.

Материалы и методы исследования

При разработке математической модели и программного обеспечения использовался объектно-ориентированный подход. Для разработки программного обеспечения применялся язык программирования С# [27]. На рис. 1 показан внешний вид окно задания исходных данных. Объектом исследований являлся гусеничный трактор Т-170М1.03-55.

Результаты исследования и их обсуждение

На основе контактной задачи теории упругости получено уравнение геометрии опорной части гусеничного трактора с полужесткой подвеской, обеспечивающей равномерное распределение давления вдоль опорной поверхности [24],[28]:

Рис. 1 - Исходные данные

(1)

где, р_ср- среднее давление трактора на почву, кПа; р_ср= G_э/(2bL); G_э - эксплуатационный вес трактора, Н; L -длина опорной поверхности трактора, м; b - ширина гусеницы; ; Е₁ -модуль упругости почвы, Па; м₁ - коэффициент Пуассона почвы; Е₂ - модуль упругости стали звена гусеницы, Па; м₂ - коэффициент Пуассона стали звена гусеницы; а=L/2- полуширина контакта, м; х - горизонтальная координата точки опорной поверхности, м; В=Р[e+ц_кр(h_крcosг+csinг)+fh_f] ; Р=G_э+Р_крсоsг - нагрузка приходящий на единичный движитель, кН; Р_кр - усилие на крюке, Н; г - угол между усилием на крюке и горизонтальной плоскостью; ц_кр=Р_кр/P - коэффициент использования сцепного веса; е - продольная координата центра тяжести трактора относительно середины опорной длины гусеницы, м; h_кр - высота прицепа относительно опорной поверхности, м; f - коэффициент сопротивления передвижению трактора, f = 0,07…0,15; h_f - смещение продольной составляющей силы перекатывания от реакции почвы, h_f = 0,015…0,029 м; с = -0,027±0,003, м - коэффициент, равный начальный деформации почвы, определялся опытным путем.

Уравнения распределения давления р(х) при плоской (2) и эллипсной (3) геометрии опорной части вдоль линии контакта определены следующими зависимостями:

(2)

(3)

Построение кривой распределения давлений по уравнениям 2, 3 осуществлялось на основе предположения о несоответствии длины пятна контакта и длины самого контактируемого тела: b= k·a, где b - полудлина пятна контакта, b =1,5 м; а - половина длины тела (опорной части движителя), а =1,44 м, k - поправочный коэффициент, k=1,041.

Расчетные данные распределения давления, найденные с помощью уравнения (2) и экспериментальные данные представлены на рис. 2. Данные расчета в модели в созданной программе совпали с экспериментальными данными в пределах допустимой погрешности.

При геометрии опорной части, в продольном сечении описываемой уравнением (1), характер распределения давления вдоль опорной поверхности изменяется (рис. 3), но не превышает максимальных давлений, чем при плоской опорной части трактора (рис.2).

Рис. 2 - Распределение давления плоской опорной частью трактора Т-170М1.03-55

Рис. 3 - Распределение давления эллипсной опорной частью трактора Т-170М1.03-55

Основные достоинства созданного ПО: достоверность, точность и функциональные возможности, достаточные для выполнения текущих и перспективных опытно конструкторских работ.

Таким образом, разработана математическая модель и программное обеспечение на языке С#, которые позволяют производить моделирование распределения давления движителей на почву с различными входными показателями. Была проверена адекватность модели и программы моделирования, внесен поправочный коэффициент в модель. Проверка адекватности модели и программы показала сходимость расчетных и экспериментальных данных.

движитель давление трактор математический

Список литературы

1. Гайнуллин И.А. Влияние конструктивных параметров движителей и нагрузочных режимов тракторов на почву / И.А. Гайнуллин, А.Р. Зайнуллин // Фундаментальные исследования. - 2017. - № 2. - С. 31-36.

2. Mudarisov S. Soil compaction management: reduce soil compaction using a chain-track tractor / S. Mudarisov, I. Gainullin, I. Gabitov and others // Journal of Terramechanics. 2020. - V. 89. - Р. 1-12.

3. Гайнуллин И.А. Экспериментальное исследование влияния скорости движения гусеничного трактора на уплотнение почвы / И.А. Гайнуллин // Международный научно-исследовательский журнал. -2017. - № 3(57). - С. 29-31.

4. Hamza M.A. Soil compaction in cropping systems A review of the nature, causes and possible solutions / M.A. Hamza, W.K. Anderson // Soil & Tillage Research. - 82 (2005), Р. 121-145.

5. Holtkemeyer V. Messung der Reifenverformung bei verschiedenen Radlasten und Luftdrucken / Holtkemeyer // Landtechnik. - 2005. - Jg. 60. - № 2. - S. 76-79.

6. Ксеневич И.П. Наземные тягово-транспортные системы / И.П. Ксеневич, В.А. Гоберман, Л.А. Гоберман. - М., 2003 - 743 с.

7. Ксеневич И.П. Проблема воздействия на почву: некоторые результаты исследований / И.П. Ксеневич, В.А. Русанов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2000. - № 1. - С. 15-20.

8. Гайнуллин, И.А. Эффективность работы посевных комбинированных агрегатов / И.А. Гайнуллин, Р.Р. Хисаметдинов, А.В. Ефимов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. - № 3. - С. 10-12.

9. Халиуллин К.З. Ресурсосберегающие технологии возделывания зерновых культур в степных агроландшафтах Республики Башкортостан / К.З. Халиуллин, Т.И. Киекбаев, С.А. Лукъянов, И.А. Гайнуллин //Достижения науки и техники АПК. - 2010.- № 1.- С. 34-35.

10. Omar Gonzalez Cueto. Modelling in FEM the soil pressures distribution caused by a type on a Rhodic Ferralsol soil. / Gonzalez Cueto Omar, E. Iglesias Coronel Ciro, Lopes Bravo Elvis and others //Journal of Terramechanics. - 2016. - V. 63. - P. 61-67.

11. Ian W.P. Paulson. Development of a dynamic simulation model of a towed seeding implement / W.P. Paulson Ian, T. Dolovich Allan, D. Noble Scott. // Journal of Terramechanics. - 2018. - V. 75. - P. 25-35.

12. Edwin P. Soft soil track interaction modeling in single rigid body tracked vehicle models / P. Edwin, K. Shankar, K. Kannan. //Journal of Terramechanics. - 2018. - V. 77. - P. 1-14.

13. Гайнуллин И.А. Снижение уплотняющего воздействия гусеничного трактора на почву: дис. … канд. техн. наук: 05.20.01: защищена 19.04.02: утв. 06.09.02 / Гайнуллин Ильшат Анварович. - Челябинск, 2002. - 159 с.

14. Исследование влияния расположения опорных катков гусеничной тележки (эллипсный обвод) на тягово-динамические показатели трактора Б 10.01.01.7В (Т-170М1.03-53) : отчет о НИР: 148 / рук. И.А. Гайнуллин; исп. И.А. Гайнуллин [и др.].- Челябинск, 2001. - 63 с.

15. Taheri. A technical survey on Terramechanics models for tire-terrain interaction used in modeling and simulation of wheeled vehicles / Sh. Taheri, C. Sandu, S. Taheri and others // Journal of Terramechanics. 2015- V. 57 - Р. 1-22.

16. Algirdas JanulevicЎius. Effect of variations in front wheels driving lead on performance of a farm tractor with mechanical front-wheel-drive / Algirdas JanulevicЎius, Vidas Damanauskas, Gediminas Pupinis // Journal of Terramechanics. - 2018 - V. 77 - Р. 23-30.

17. Zeinab El-Sayegh. Improved tire-soil interaction model using FEA-SPH simulation / Zeinab El-Sayegh, Moustafa El-Gindy, Inge Johansson and others // Journal of Terramechanics. - 2018 - V. 78. - Р. 53-62.

18. Payam Farhadi. Potential of three-dimensional footprint mold in investigating the effect of tractor tire contact volume changes on rolling resistance / Payam Farhadi, Abdollah Golmohammadi, Ahmad Sharifi, Gholamhossein Shahgholi. //Journal of Terramechanics. - 2018. - V. 78. - Р. 63-72.

19. Estimation of terramechanics parameters of wheel-soil interaction model using particle filtering / Shamrao, Chandramouli Padmanabhan, Sayan Gupta and others // Journal of Terramechanics. - 2018. - V. 79. - Р. 79-95.

20. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность-машина. / М.Г. Беккер. пер. с анг - М.: Машиностроение, 1973 - 520 с.

21. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств. / Вонг. Дж. Пер. с анг. - М.: Машиностроение, 1982. - 284 с.

22. Congbin Yang. A calculation method of track shoe thrust on soft ground for splayed grouser / Congbin Yang, Ligang Cai, Zhifeng Liu and others // Journal of Terramechanics.- 2016. - V. 65. - Р. 38-48.

23. Wang M. Tractive performance evaluation of seafloor tracked trencher based on laboratory mechanical measurements. / Wang, M., Wang, X., Sun and others // Int. J. Nav. Archit. Ocean. - 2016. - Eng. 8 (2). - Р. 177-187.

24. Гайнуллин И.А. Улучшение энергетических и экологических показателей гусеничного движителя трактора Т-170М1.03-55 / И.А. Гайнуллин, А.Р. Зайнуллин // Достижения науки и техники АПК. - 2017. - Т. 31. - № 2. - С. 69-72.

25. Гайнуллин И.А. Методы оценки распределения давления и показателей эффективности снижения уплотняющего воздействия движителей МТА на почву / И.А. Гайнуллин // Вестник ЧГАУ. - Челябинск, 2004. - Т. 43. - С. 31-38.

26. Гайнуллин И.А. Влияние условий эксплуатации на интенсивность износа гусеницы трактора Т-170М1.03-53 / И.А. Гайнуллин // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. - Уфа, 2019. - № 1(49) - С. 121-126.

27. Шилдт, Герберт. C# 4.0: полное руководство./ Шилдт, Герберт: Пер. с англ. -- М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2011. -- 1056 с.

28. Гайнуллин И.А. Обоснование геометрии опорной поверхности гусеничного движителя и центра тяжести трактора с полужесткой подвеской / И.А. Гайнуллин // Вестник ЧГАУ. - Челябинск, 2001. - Т. 34. - С. 42-47.

Размещено на Allbest.ru