Математическое моделирование динамических процессов сельскохозяйственного мобильного энергетического средства на электроприводе

В статье рассмотрены вопросы моделирования процессов работы сельскохозяйственного мобильного энергетического средства (МЭС) с электроприводом (ЭП). Исследования выполнены в период 2022-2023 гг. Проведен обзор современной литературы по рассматриваемой проблеме, включая вопросы по моделированию функциональных свойств мобильных машин и улучшению показателей качества работы МЭС. Представлены математическая модель движения МЭС с электродвигателем, а также описание применяемого метода и последовательность действий для проведения исследований. Выполнены предварительные теоретические исследования движения при разных режимах работы. Предлагаемая модель удобна для реализации и расчёта в любом из прикладных программных продуктов, поддерживающих моделирование динамических систем с электромеханическим приводом. Предложенная модель, решение которой выполнено на основе методов численного интегрирования систем в программной среде Matlab Simulink, позволила смоделировать динамические процессы в электромеханической силовой передаче МЭС при выполнении различных сельскохозяйственных операций. С помощью представленной модели был проведен анализ электромеханических процессов в переходных и установившихся режимах работы, а также динамических процессов в силовой передаче. Получены графики изменения исследуемых параметров силовой передачи МЭС и определены упругие моменты в соединениях пятимассовой расчетной схемы. Применение модели позволяет отследить изменение характеристик, при отклонении условий опыта. Модель показала свою работоспособность при выполнении имитации сельскохозяйственных операций (внесение удобрений, культивация, посев) и ее можно использовать на стадии проектирования для исследования характеристик динамических процессов силовых передач МЭС малого класса тяги с электромеханическим приводом. При разных параметрах модели наблюдали изменения математического ожидания угловой скорости ЭД с 147,89 до 156,87 рад/с и скорости движения МЭС от 4,51 до 4,79 м/с.

1. Годжаев З. А., Сенькевич С. Е., Кузьмин В. А. Перспективные проекты по созданию роботизированных мобильных энергетических средств сельскохозяйственного назначения. Материалы XII мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2019): мат-лы XII мультиконференции. В четырех томах. Дивноморское, Геленджик: Изд-во Южного федерального университета, 2019. Т. 2. С. 127–129. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41848052 EDN: YXYDVI

2. Senkevich S., Duryagina V., Kravchenko V., Gamolina I., Pavkin D. Improvement of the Numerical Simulation of the Machine-Tractor Unit Functioning with an Elastic-Damping Mechanism in the Tractor Transmission of a Small Class of Traction (14 kN). International Conference on Intelligent Computing & Optimization. 2020;1072:204–213. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-33585-4_20

3. Franceschetti B., Lenain R., Rondelli V. Comparison between a rollover tractor dynamic model and actual lateral tests. Biosystems Engineering, 2014;127:79–91. DOI: https://doi.org/10.1016/J.BIOSYSTEMSENG.2014.08.010

4. Qin J., Zhu Zh., Ji H., Zhu Zhong., Li Zh., Du Yu., Song Zh., Mao E. Simulation of active steering control for the prevention of tractor dynamic rollover on random road surfaces. Biosystems Engineering. 2019;185:135–149. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2019.02.006

5. Li B., Yuan H. Research on dynamic characteristics and reliability of a new heavy duty tractor. Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing. 2019;13(1):JAMDSM0010. DOI: https://doi.org/10.1299/jamdsm.2019jamdsm0010

6. Hou X., Yue M., Zhao J., Zhang X. An ESO-based integrated trajectory tracking control for tractor–trailer vehicles with various constraints and physical limitations. International Journal of Systems Science. 2018;49(15):3202–3215. DOI: https://doi.org/10.1080/00207721.2018.1535100

7. Ahmadi I. Dynamics of tractor lateral overturn on slopes under the influence of position disturbances (model development). Journal of Terramechanics. 2011;48(5):339–346. DOI: https://doi.org/10.1016/J.JTERRA.2011.07.001

8. Melo R. R., Antunes F. L. M., Daher S., Vogt H. H., Albiero D., Tofoli F. L. Novel conception of an electric propulsion system for a 9-kW electric tractor suitable to family farming. IET Electric Power Applications. 2019;13(12):1993–2004. DOI: https://doi.org/10.1049/iet-epa.2019.0353

9. Baek S.-Y., Kim Y.-S., Kim W.-S., Baek S.-M., Kim Y.-J. Development and Verification of a Simulation Model for 120 kW Class Electric AWD (All-Wheel-Drive) Tractor during Driving Operation. Energies. 2020;13(10):2422. DOI: https://doi.org/10.3390/en13102422

10. Chen Y., Xie B., Mao E. Electric Tractor Motor Drive Control Based on FPGA. IFAC-PapersOnLine. 2016;49(16):271–276. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.10.050

11. Jaiswal S., Korkealaakso P., Aman R., Sopanen J., Mikkola A. Deformable Terrain Model for the Real-Time Multibody Simulation of a Tractor With a Hydraulically Driven Front-Loader. IEEE Access. 2019;7:172694–172708. DOI: https://doi.org/10.1109/access.2019.2956164

12. Osinenko P., Geißler M., Herlitzius T. Fuzzy-logic assisted power management for electrified mobile machinery. Neurocomputing. 2015;170:439–447. DOI: https://doi.org/10.1016/j.neucom.2015.04.095

13. Godzhaev Z., Senkevich S., Kuzmin V., Melikov I. Use of the Neural Network Controller of Sprung Mass to Reduce Vibrations From Road Irregularities. Research Advancements in Smart Technology, Optimization, and Renewable Energy. IGI Global, 2021. pp. 423–463. DOI: https://doi.org/10.4018/978-1-7998-3970-5.ch005

14. Godzhaev Z., Senkevich S., Kuzmin V., Ilchenko E., Chaplygin M., Alekseev I., Prilukov A. Simulation of the dynamic processes of a low-capacity combine harvester movement. Topical Problems of Green Architecture, Civil and Environmental Engineering 2019 (TPACEE 2019). 2020;164:06009. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202016406009

15. Пустоветов М. Ю., Солтус К. П., Синявский И. В. Компьютерное моделирование асинхронных двигателей и трансформаторов. Примеры взаимодействия с силовыми электронными преобразователями: монография. Германия, Saarbrucken: LAP LAMBERT, 2013. 209 с. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20797893 EDN: RNDDDP

16. Динамика системы дорога-шина-автомобиль-водитель. Под ред. А. А. Хачатурова. М.: Машиностроение, 1976. 535 c.

17. Cremer L., Heckl M. Structure-borne sound: structural vibrations and sound radiation at audio frequencies. Springer Science & Business Media, 2013. 573 p.

18. Adams V., Askenazi A. Building better products with finite element analysis. Cengage Learning, 1999. 587 p.