Динамічний аналіз та методи поліпшення плавності ходу колісного трактора при транспортуванні рідких вантажів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.22.02 "Автомобілі та трактори" (13 Механічна інженерія та 27 Транспорт). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2021. Дисертацію присвячено розв’язанню науково-прикладної проблеми поліпшення динамічних властивостей руху колісних тракторів при транспортуванні рідини в цистернах сільськогосподарського призначення за рахунок визначення раціональних схем та параметрів конструкції машинно-тракторного агрегату для зменшення негативного впливу низькочастотних коливань поверхневого шару рідини у цистерні на показники плавності ходу трактора. Аналізуючи існуючі дослідження, які пов’язані з використанням колісних тракторів на транспортних роботах, було встановлено, що виробники тракторної техніки для аграріїв постійно збільшують її продуктивність – це зумовлює до збільшення вантажопідйомність транспортованих агрегатів та підвищення транспортних швидкостей. Така тенденція негативним чином впливає на динамічні властивості руху тракторних цистерн при їх частковому заповненні, яке відбувається в умовах коливального руху багатотонних мас рідини вздовж її вільної поверхні. Не вивченою залишається можливість розповсюдження коливання рідини з цистерни через зчіпний пристрій на підресорену частину трактора. Недостатньо висвітлено питання виникнення автоколивань при при прямолінійному русі колісного трактора з цистерною. Сформульована загальна методика математичного моделювання коливань рідини у тракторній цистерні, яка має вільну поверхню. На основі використання рівняння Нав’є-Стокса для ізотермічного руху ньютонівської в'язкої нестисливої рідини, а також формули Лапласа для сили поверхневого натягу, формалізовано фізичну модель збудження низькочастотних поверхневих коливань рідини і аналітичні вирази для визначення частот вільних коливань. Запропоновано обчислювати коливальний процес рідини в тракторній цистерні шляхом введення умовних (парціальних) осциляторів, які мають конкретні вагові, інерційні, пружні та дисипативні характеристики. Експериментально доведено доцільність використання математичних алгоритмів, які визначають частоти вільних коливань рідини в ємності, шляхом порівняння теоретичних та експериментальних значень періодів коливань для рідини різної в’язкості. Визначено величини декрементів загасання коливань рідини різної в’язкості задля його використання при подальших розрахунках нелінійної моделі руху рідини в цистерні. Наведена концепція визначення вільних коливань колісного трактора з цистернами на транспортних роботах. Представлено лінеарізовану модель пов’язаних поздовжніх коливань колісного трактора з причіпною та напівпричіпною цистернами. Модель дозволяє знайти спектр наявних частот вільних механічних коливань у низькочастотному діапазоні, а також проаналізувати форми взаємопов’язаних рухів елементів, амплітуди яких нормовані за їх вкладом до загальної кінетичної енергії коливань. За допомогою проведеного динамічного аналізу помічено виникнення динамічної нестійкості (галопуючого резонансу причіпної цистерни). Відкриті нові спектральні ефекти, що дозволяють розвинути класичну теорію коливань та підняти ефективність її прикладних методів за рахунок швидкого визначення небезпечних та найбільш напружених режимів роботи агрегату. За результатами аналізу частот вільних коливань виконане структурне укрупнення математичної моделі машинно-тракторного агрегату. Сформовано нелінійну математичну модель пов’язаних коливань колісного трактора з причіпною та напівпричіпною цистернами. Модель дозволяє досліджувати вплив перерозподілу мас рідини на техніко- експлуатаційні показники колісного трактора при виконанні транспортної роботи з перевезення рідкого вантажу. Запропоновано для математичного тестування динамічних якостей транспортного засобу описувати нерівності дорожнього покриття двома гармоніками, які мають, відповідно, велику (у діапазоні декількох сотень метрів) та малу (у діапазоні декількох метрів) довжину хвилі. Розроблено метод визначення довжини хвилі дорожнього покриття, яка призводить до резонансного збільшення амплітуди коливань рідини у цистерні, що впливає на динамічні властивості колісного трактора. Проведено експериментальне дослідження з метою підтвердження теоретичних залежностей, які описують динаміку поздовжньо-кутового та вертикального руху колісного трактора з причіпною та напівпричіпною цистернами при виконанні транспортної роботи. Виконано дослідження рівнів прискорень на сидінні оператора-водія колісного трактора при перевезенні рідких вантажів з різним рівнем наповнення цистерн, на основі яких встановлено передумови до повного аналізу низькочастотних коливань шляхом дослідження плавності ходу колісного трактора з цистерною. Встановлено взаємозв’язок між рівнем наповнюваності цистерни та показником плавності ходу колісного трактора. А саме, при малих рівнях рідини вертикальні прискорення на сидінні оператора-водія в резонансній зоні напівпричіпного агрегату змінюються за ступеневою функцією до моменту вирівнювання мас між трактором та цистерною. При співпаданні мас агрегату та трактора резонансна зона напівпричіпного агрегату входить в резонансну зону остова трактора. Значний вплив на показник плавності ходу колісного трактора при транспортуванні цистерни здійснюють шини трактора і напівпричіпного агрегату. При зниженні тиску в шинах трактора досягається зменшення вертикальних прискорень в резонансних зонах переднього моста та остова трактора. А при зниженні тиску в шинах напівпричіпного агрегату відповідне зменшення вертикальних прискорень спостерігається в усіх резонансних зонах машинно-тракторного агрегату.The thesis for the degree of doctor of technical sciences, specialty 05.22.02 "Cars and tractors" (13 Mechanical Engineering and 27 Transport). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2020. The dissertation is devoted to the solution of the scientific and applied problem of improving the dynamic properties of the movement of tractors when transporting liquid in agricultural tanks by determining rational schemes and design parameters of the machine-tractor unit to reduce the negative effect of lowfrequency oscillations of the surface layer of the liquid in the tank on the indicators of the smoothness of the tractor. Analyzing the existing research related to the use of tractors in transport operations, it was found that manufacturers of tractor equipment for farmers are constantly increasing its productivity - this leads to an increase in the carrying capacity of the transported units and an increase in transport speeds. This trend negatively affects the dynamic properties of the movement of tractor tanks when they are partially filled, which occurs under conditions of oscillatory movement of multi-ton masses of liquid along its free surface. The possibility of the propagation of the oscillation of the liquid from the tank through the coupling device to the sprung part of the tractor remains unexplored. The issues of the occurrence of selfoscillations during the rectilinear movement of a wheeled tractor with a tank are not sufficiently covered. A general method of mathematical modeling of fluid oscillations in a tractor tank, which has a free surface, is formulated. Based on the use of the Navier- Stokes equation for the isothermal motion of a Newtonian viscous incompressible fluid, as well as the Laplace formula for the surface tension force, a physical model of the excitation of low-frequency surface oscillations of a fluid and analytical expressions for determining the frequencies of free oscillations are formalized. It is proposed to calculate the oscillatory process of a liquid in a tractor tank by introducing conditional (partial) oscillators, which have specific weight, inertial, elastic and dissipative characteristics. The expediency of using mathematical algorithms that determine the frequencies of free oscillations of a liquid in a container by comparing the theoretical and experimental values of the periods of oscillations for a liquid of different viscosity has been experimentally proved. The values of damping decrements of fluid oscillations of different viscosity are determined for its use in further calculations of a nonlinear model of fluid movement in a tank. The given concept of determining the free vibrations of a wheeled tractor with tanks during transport operations. Linearized model of coupled longitudinal vibrations of a wheeled tractor with trailed and semi-trailed tanks is presented. The model makes it possible to find the spectrum of available frequencies of free vibrations in the low-frequency range, as well as to analyze the forms of interrelated movements of elements, the amplitudes of which are normalized by their contribution to the total kinetic energy of vibrations. With the help of the performed dynamic analysis, the appearance of dynamic instability (galloping resonance of a trailed tank car) was noticed. New spectral effects have been discovered that make it possible to develop the classical theory of oscillations and increase the efficiency of its applied methods by quickly identifying the most dangerous and most stressful operating modes of the unit. Based on the results of the analysis of the frequencies of free vibrations, the structural enlargement of the mathematical model of the machine-tractor unit was carried out. A nonlinear mathematical model of coupled oscillations of a wheeled tractor with trailed and semi-trailed tanks has been formed. The model makes it possible to study the effect of the redistribution of liquid masses on the technical and operational indicators of a wheeled tractor when performing transport work for the transportation of liquid cargo. It is proposed for mathematical testing of the dynamic properties of a vehicle to describe the irregularities of the road surface by two harmonics, which have, respectively, large (in the range of several hundred meters) and small (in the range of several meters) wavelength. A method has been developed for determining the wavelength of the road surface, which leads to a resonant increase in the amplitude of fluid oscillations in the tank, which affects the dynamic properties of a wheeled tractor. An experimental study was carried out to confirm the theoretical relationships describing the dynamics of the longitudinal-angular and vertical movement of a wheeled tractor with trailed and semi-trailed tanks when performing transport work. Studies of the levels of acceleration on the driver's seat of a wheeled tractor during the transportation of liquid cargo with different levels of filling of tanks were carried out, on the basis of which the prerequisites for a complete analysis of low-frequency oscillations were established by studying the smoothness of the wheel tractor with a tank. The relationship between the level of filling of the tank and the indicator of the smoothness of the wheel tractor is established. In particular, at low liquid levels, the vertical accelerations on the driver's seat in the resonance zone of the semitrailer unit change according to a power function until the masses are equalized between tractor and tank. When the masses of the unit and the tractor coincide, the resonance zone of the semitrailer unit enters the resonance zone of the tractor frame. A significant influence on the indicator of the smoothness of the wheel tractor during the transportation of the tank is carried out by the tires of the tractor and the semitrailer unit. With a decrease in the pressure in the tires of the tractor, a decrease in vertical accelerations in the resonance zones of the front axle and the tractor frame is achieved. And with a decrease in the pressure in the tires of the semitrailer unit, a corresponding decrease in vertical acceleration is observed in all resonance zones of the machine-tractor unit.