modelowanie i badanie stabilności ruchu maszyn rolniczych na

modelowanie i badanie stabilności ruchu maszyn rolniczych na

XLVI Sympozjon „Modelowanie w mechanice”
Jan SZCZEPANIAK, PIMR
MODELOWANIE I BADANIE STABILNOŚCI RUCHU MASZYN
ROLNICZYCH NA PRZYKŁADZIE AGREGATU CIĄGNIK SADZARKA DO ZIEMNIAKÓW
Z danych statystycznych wynika, że przejazdy maszyn rolniczych na miejsce pracy oraz
ich przemieszczanie się podczas pracy są źródłem wielu poważnych wypadków.
Najgroźniejsze w skutkach okazują się wypadki podczas prac transportowych oraz
związanych z manewrowaniem ciągnikami i maszynami (prawie 30% wszystkich wypadków
śmiertelnych). Niebezpieczeństwo zwiększane jest jeszcze przez rosnące prędkości robocze
maszyn rolniczych i ciągników. Można przypuszczać, że przynajmniej część z tych
wypadków została spowodowana pośrednio cechami konstrukcyjnymi maszyn rolniczych
niekorzystnie wpływającymi na ich własności trakcyjne i powodującymi nieoczekiwaną
utratę stabilności ruchu maszyn lub ich zestawów. Prace dotyczące komputerowej symulacji
kierowalności i stateczności pojazdów w ruchu prowadzone są już od dawna. Rzadko
natomiast wyniki te były przenoszone na maszyny rolnicze. Wymaga to bowiem z jednej
strony uwzględnienia specyfiki budowy maszyn rolniczych i ich agregacji z ciągnikiem, a z
drugiej analizy zachowania maszyny na różnorodnym podłożu (drogi polne, pola) o
złożonych i zmiennych właściwościach. Długofalowym celem prac, których początek jest
tutaj przedstawiany, jest dostarczenie konstruktorom maszyn rolniczych narzędzi
(odpowiednich modeli) umożliwiających symulacje ruchu po różnorodnym podłożu (pole,
droga gruntowa) już na stosunkowo wczesnym etapie projektowania, przed budową
prototypu. Pozwoli to uwzględnić wpływ cech konstrukcyjnych na sposób poruszania się
maszyny rolniczej, ze szczególnym uwzględnieniem stateczności ruchu. Jako model
wyjściowy wybrano płaski model, który jest rozwinięciem znanego w literaturze
dwukołowego modelu (tzw. bicycle model), do którego wprowadzono istotne zmiany,
wynikające z występowania trzeciego koła reprezentującego oś maszyny zagregowanej z
ciągnikiem. Obliczenia testowe wykazały, że zaproponowany model w dostatecznym stopniu
uzależnia parametry ruchu agregatu od jego parametrów geometrycznych i masowych oraz
od oddziaływań opona - gleba - reaguje właściwie na zmiany parametrów i dostarcza wyniki
zgodne z oczekiwaniami. Model zapisano w postaci układu równań różniczkowych. Dzięki
temu badanie wpływu poszczególnych parametrów na stabilności modelu w sensie
Lapunowa jest wystarczająco opisane matematycznie. Jako kryterium stabilności
zastosowano bezpośrednie obliczanie wartości własnych macierzy współczynników układu
równań opisujących model. Symulację i badania przeprowadzono na przykładzie agregatu
ciągnik - automatyczna sadzarka do ziemniaków. Półzawieszana sadzarka połączona jest z
ciągnikiem za pomocą dolnych cięgien TUZ. W celu przeprowadzenia identyfikacji
parametrów modelu i umożliwiania jego rozwoju przeprowadzono pomiary zachowania się
agregatu ciągnik - sadzarka w czasie transportu oraz podczas prac polowych. Podczas
pomiarów stosowano się do zaleceń ISO. Do badań wykorzystano specjalnie opracowany
zestaw nowoczesnej aparatury zawierający m.in. urządzenie do pomiaru położenia koła
kierowanego, bezstykowe czujniki do pomiaru prędkości. Mierzono także pełne obciążenia
(momenty i siły) działające na koła ciągnika oraz ich prędkość kątową. Zdaniem autora w
wyniku prowadzonych prac, w związku z uszczegółowieniem modelu i identyfikacja
parametrów na podstawie badań eksperymentalnych, możliwe będzie rozwinięcie teorii
XLVI Sympozjon „Modelowanie w mechanice”
projektowania maszyn rolniczych, służącej do przyśpieszonego konstruowania maszyn
rolniczych tańszych i bardziej bezpiecznych.
MODELLING AND TESTING OF AGRICULTURE MACHINE
STABILITY BY WAY OF EXAMPLE TRACTOR - POTATO
PLANTER COMBINATION
It is evident from statistical data that many serious accidents take place during the transfer
of agricultural machines to the working site and during their movement while working. The
most serious effects occur in accidents during transport and those related to manoeuvring
with tractors and machines (nearly 30% of all fatal accidents). The danger is additionally
increased by the growing working speeds of agricultural machines and tractors. One may
assume that at least some of these accidents are caused indirectly by the design features of
agricultural machines which unfavourably influence their traction properties and cause
unexpected loss of machine or its combination stability. Research concerned vehicles
steerability and stability simulation were conducted for a long time. However the results were
rarely transferred into the agricultural machine field. It demands taking into consideration
specificity of agricultural machine construction and its combination with tractor on the one
hand. On the other hand it demands analysis of machine behavior on diverse grounds (field
ways, fields) possesses complex and changeable properties. Our long-term goal is providing
agricultural machine constructors with tools (adequate models) making possible machine
traffic on the diverse ground simulation on the relatively early stage of designing, before
prototype construction. It will allow taking into consideration construction properties
influence on agricultural machine way of motion, particularly on motion stability. Flat model
which is developed from known two-wheeled, so called bicycle model that are often referred
to in the literature has been selected as the initial model. Essential changes resulted from third
wheel application were introduced into the model. Third wheel represents axle of machine
joined to tractor. Testing calculation showed that the model makes traffic parameters
dependent on his geometrical and mass properties and on tyre - soil interaction in satisfactory
degree. The model is written down as a system of differential equation. Therefore testing of
individual parameter influence on model stability in Lapunov sense well described in
mathematics. Direct calculation of eigenvalues of matrix coefficient of equation system
describing model is used as stability criterion. Simulation and testing has been applied to a
tractor - potato planter combination. A semi-mounted planter is connected with the tractor by
means of three-point linkage bottom pull rods. The measurements of behavior tractor - potato
planter combination during traffic and field works were conducted to model parameters
identification and making possible model development. During the measurements ISO
recommendations were applied. The modern, specially worked out apparatus kit was using
during test. It contains among other things sensor for simultaneous measurement of wheel
position and orientation and microwave sensors for speed and distance measurement. All
loads (forces and moments) acting on tractor wheels and its angle velocity were measured
too. In author’s opinion, development of agricultural machine designing theory will be
possible as the results of conducted theoretical and experimental works in connection with
making model more accurate and parameters identification. The theory will be useful to
designing cheaper and safer agricultural machines.