Калинин Е.И.
Харьковский
национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко
Уравнение движения навесного пахотного агрегата
Для составления уравнений движения
навесного агрегата наиболее целесообразно использовать уравнение Лагранжа
второго рода в форме
,
где и
– кинетическая и потенциальная энергия агрегата;
– функция
сопротивления;
– обобщенная
координата;
– обобщенная сила, соответствующая координате
.
Кинетическая энергия навесного агрегата
складывается из кинетической энергии трактора
и кинетических энергий
навесных машин в
агрегате, т. е.
.
Для трактора в общем случае имеем
,
где – масса трактора;
– абсолютная скорость центра масс трактора;
,
,
– моменты инерции массы трактора относительно осей подвижной
системы координат
.
Так как
,
то по выражению кинетической энергии можно определить
кинетическую энергию трактора в функции его обобщенных координат. Кинетическая энергия каждой навесной
машины определяется как сумма кинетических энергий
отдельных ее частей,
т. е.
,
причем
для каждой части машины
где – абсолютная скорость центра масс каждой части машины.
Скорость нетрудно выразить
через обобщенные координаты агрегата. Практически скорости
определяются из
планов скоростей механизма навески основной части машины на трактор и
механизмов связи дополнительных частей с основной [1, 2].
Определение потенциальной энергии агрегата является несколько
более сложной задачей. К силам, имеющим потенциал, относятся веса трактора и
навесной машины, а также силы упругости при учете эластичности пневматических
шин и подрессоренности некоторых масс агрегата.
В расчетной схеме, как уже отмечалось,
остов трактора рассматривается как твердое тело, опирающееся на четыре упругих
опоры с жесткостями и
, причем эластичность опор в продольном и поперечном
направлениях не учитывается.
У навесной машины отдельные ее части могут
быть снабжены пружинами (система защиты корпуса от поломки) и другими
устройствами, в которых при работе возникают силы упругости. Поэтому
потенциальная энергия навесного агрегата будет складываться в общем случае из
потенциальной энергии сил тяжести трактора
и отдельных частей навесной машины и потенциальной энергии сил
упругости, т. е.
,
причем
и
где – потенциальная энергия
силы тяжести і-ой части агрегата;
– потенциальная
энергия j-ой силы упругости.
Если
обозначить полную деформацию
-ой упругой опоры трактора, то при ее жесткости
будем иметь
и
для всех четырех колес трактора
Величина деформации складывается из
статического сжатия
в равновесном
положении и изменения координаты
при движении по
неровностям поверхности поля.
Если обозначить через координату точки
поверхности поля под соответствующей опорой (колесом) трактора, то в возмущенном
положении
.
При этом
или
Значение в функции обобщенных
координат:
(
).
Применительно к обозначения на рис. 1, будем иметь
;
;
Рис. 1. Схема пахотного машинно-тракторного агрегата в
продольно-вертикальной плоскости.
Что касается значения , то при поперечной базе трактора
(верхний знак для точек контакта левых колес, а нижний
— для точек контакта правых колес трактора с почвой). С учетом значений ,
и
выражение для всех
четырех колес после ряда преобразований приводится к следующему виду:
где
Коэффициенты ,
,
и
входящие в выражение
для
можно, очевидно,
рассматривать как обобщенные показатели жесткости трактора.
В последних соотношениях величины и
характеризуют профиль поверхности поля под задними колесами, а
и
– под передними колесами трактора (отсчет по оси
неизменного
направления). Расчетной характеристикой профиля поверхности поля в продольном
движении трактора будут значения
и
, характеризующие профиль
поверхности под задней и передней осями трактора (рис. 1), причем
;
Что касается постоянных величин ,
и
, то они представляют собой равнодействующую (
) вертикальных статических реакций почвы на колеса трактора и
моменты ее относительно осей
и
:
Функцию сопротивления для навесных
агрегатов достаточно ограничить
силами сопротивления, пропорциональными первой степени скорости (силы вязкого трения).
В частности, для колесного трактора
функцию сопротивления можно записать в следующем виде:
где – скорость деформации k-ой опоры;
– коэффициент сопротивления.
Так
как
,
то
Учитывая,
что
получим
,
где
причем и
– коэффициенты сопротивления для задних и передних колес
трактора.
Что касается обобщенных сил , то их вычисление производится известным методом, по
отдельным вариациям обобщенных координат системы. Из совокупности виртуальных перемещений выделяется только то
перемещение, в котором варьируется рассматриваемая обобщенная координата, а все
остальные сохраняют неизменные значения. Тогда элементарная работа
приложенных сил и моментов
при вариации координаты
будет равна
В продольном движении навесной пахотный
агрегат можно рассматривать как систему с тремя степенями свободы. Обобщенными
координатами агрегата в этом движении будут линейные вертикальные перемещения и продольно-угловые
колебания
трактора, а также
угол поворота
нижних тяг навески
вокруг поперечной оси, проходящей через центры присоединительных шарниров
(рис. 1).
Для составления уравнений продольного
движения пахотного агрегата целесообразно рассматривать расчетную схему с приведенной
к оси подвеса массой плуга
.
Приведенную к оси подвеса массу плуга можно
определить из равенства кинетических энергий масс:
, откуда
Здесь и
– скорости соответственно
центра масс плуга и точки приведения
на оси подвеса. Так
как значение
зависит от положений
механизма навески, будем в дальнейшем считать
, понимая под этим некоторое среднее ее значение в пределах
заданного рабочего хода нижних тяг навески. Если воспользоваться обобщенными
координатами
,
и
, то получим следующую систему уравнений, описывающих
продольное движение пахотного агрегата [1]:
где – масса агрегата, состоящая из приведенной массы трактора
и приведенной массы
плуга
;
– вес трактора;
– приведенный момент инерции
агрегата относительно поперечной оси, проходящей через центр масс
трактора;
– проекция звена
механизма навески на
ось
неизменного
направления;
– проекции главного вектора
внешних сил, получаемого
приведением сил, действующих на плуг с центром приведения в точке на оси
подвески (на рис. 1 – совпадает с точкой
);
– проекция главного момента внешних сил (в точке на оси
подвески – точка
на рис. 1), действующих на плуг;
– момент внешних сил, действующих на трактор относительно оси
неизменного направления. Обозначения остальных величин в
системе даны выше и на рис. 1.
Литература:
1.
Лурье А.Б. Об уравнениях
движения навесных сельскохозяйственных агрегатов. Записки ЛСХИ. Т. 93, 1963
2.
Лурье А.Б., Баженов А.Б.
Уравнения движения навесного посевного агрегата. Записки ЛСХИ. Т.96, 1963