Безаварийное движение тракторов
Текст: Мун Кён Чан, Сон Джун Ким, Бом Су Шин, Чжу Сок Нам (все — факультет биосистемной инженерии Национального университета Кангвон, Южная Корея) [1]
Аварии тракторов, вызванные боковым опрокидыванием и опрокидыванием назад во время сельскохозяйственных работ и общего вождения, являются распространенным явлением. Ученые проанализировали различные случаи, чтобы определить факторы, влияющие на подобные инциденты.
Мировой рынок сельхозтехники в 2024 году, по некоторым оценкам, достигнет 160,3 млрд долларов США при среднегодовом темпе роста более 3,9%. Однако из-за широкого использования тракторов растет число несчастных случаев. В связи с этим в ряде стран были проведены исследования их аварийности. По имеющимся данным, более половины смертей, связанных с тракторами, вызваны авариями с опрокидыванием.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
Для снижения количества аварий с участием тракторов было предложено устанавливать ROPS — механическую конструкцию, предназначенную для смягчения воздействия на водителя во время аварий. Система ROPS была разработана в Швеции и Новой Зеландии в 1950-х годах. В 1959–1978 годах многие страны, включая Норвегию, Финляндию, Новую Зеландию и США, ввели правила, обязывающие устанавливать ROPS, что привело к значительному снижению риска опрокидывания трактора.
Кодекс испытаний Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) был разработан в 1959 году для оценки характеристик и безопасности тракторов: они должны пройти статические и динамические испытания на безопасность в соответствии с рекомендациями ОЭСР. Испытания обычно проводятся для оценки мощности двигателя, расхода топлива и ROPS. Центр тяжести и угол опрокидывания являются наиболее важными факторами при оценке безопасности трактора.
Например, Канг и другие измерили статический угол бокового падения при увеличении ширины колеи трехколесного трактора для определения статического угла бокового падения. При сравнении углов опрокидывания оказалось, что безопасность при опрокидывании на правую сторону низкая, поскольку центр тяжести (масляный насос и топливный бак) расположен с правой стороны. Также было обнаружено, что безопасность при опрокидывании назад снижается по мере увеличения угла подъема передних колес.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Безопасность тракторов в основном оценивается путем проведения разрешенных испытаний, которые требуют много времени и средств. Оценка безопасности с помощью моделирования также занимает много времени, стоит дорого и не очень надежна из-за ввода неточных характеристик.
Спенсер проанализировал условия, в которых шесть различных тракторов на склоне теряют безопасность, когда они оснащены навесными орудиями и используются для буксировки. Были разработаны математические модели, учитывающие силу реакции и импульс тракторов, оснащенных орудиями, которые были проверены путем проведения экспериментов на реальных тракторах и масштабных моделях. Было установлено, что безопасность полноприводных тракторов превышает безопасность двухприводных, при этом наблюдалось значительное снижение безопасности, когда тракторы, движущиеся по контурным линиям, поворачивали в сторону спуска.
Коч и другие представили метод мониторинга безопасности трактора, находящегося на боковом склоне, с помощью приложения для смартфона. Они создали масштабные модели тракторов с помощью набора LEGO Mindstorms и провели испытания, в ходе которых во время движения происходило опрокидывание. Использовали данные о размерах, ускорении и угловой скорости тракторов для прогнозирования ситуаций опрокидывания. На основе полученных данных они рассчитали индекс безопасности, разработали и проверили систему, которая может отправлять экстренные сообщения, рассчитывая изменение индекса.
СИМУЛЯТОРЫ
Поскольку испытания безопасности с использованием тракторов не только требуют много времени и затрат, но и создают риск несчастных случаев, в качестве альтернативы привлекают внимание симуляторы. Технология моделирования для оценки безопасности тракторов была внедрена в 1960-х годах, и она ускорила исследования безопасности бокового опрокидывания и опрокидывания назад для сельскохозяйственных тракторов. В отличие от реальных экспериментов, моделирование облегчило исследования по реализации различных ситуаций, и активно проводились исследования по выведению и анализу различных факторов и определению показателей. В случае моделирования испытания могут быть проведены быстрее и безопаснее по сравнению с испытаниями на реальных тракторах. По сравнению с испытаниями на масштабных моделях оно имеет то преимущество, что его легче реализовать с учетом внешних факторов. Однако при моделировании необходимо соблюдать осторожность, поскольку из-за неправильного ввода свойств могут быть получены неверные результаты.
С помощью двумерного моделирования Ахмади проанализировал влияние скорости трактора, уклона грунта и коэффициента трения между колесом и грунтом на безопасность бокового опрокидывания трактора при нарушении его положения. Кроме того, были составлены уравнения для бокового опрокидывания и скольжения для трактора Mitsubishi, а также разработаны показатели, определяющие индекс устойчивости. Безопасность снижалась по мере увеличения скорости трактора и уклона местности, и на нее больше влияло скольжение трактора, чем боковое опрокидывание. Поэтому для трактора Mitsubishi необходимо учитывать явление скольжения. Кроме того, Ахмади разработал математическую модель для определения продольной безопасности трактора, оснащенного плугом, при выполнении сельскохозяйственных работ на склоне. Чтобы поднять плуг для вспашки и транспортировки, было определено влияние силы и крутящего момента, передаваемых на трактор от плуга, на индекс продольной безопасности трактора. Не наблюдалось значительной разницы в продольной безопасности, когда плуг проникал в почву; однако продольная безопасность значительно снизилась, что привело к риску опрокидывания назад, когда плуг поднимали для транспортировки.
Демшар и другие разработали математическую модель для анализа безопасности при боковом опрокидывании на основе центра тяжести, ширины колеи, колесной базы и высоты навески передней оси трактора, расположенного на склоне. Они обнаружили, что безопасность при боковом опрокидывании и опрокидывании назад увеличивается по мере уменьшения высоты центра тяжести. Они также обнаружили, что безопасность при опрокидывании назад повышается с увеличением колесной базы, а безопасность при боковом опрокидывании повышается с увеличением ширины колеи. Однако они отметили, что при увеличении ширины колеи радиус поворота увеличивается, а управление становится относительно сложным.
Ли и другие разработали математическую модель для анализа бокового опрокидывания при проезде трактора через препятствие на склоне. Момент прохождения передних и задних колес трактора над препятствием был разделен на четыре части: сначала от момента контакта передней шины с препятствием до момента прохождения над препятствием. Потом от момента прохождения переднего колеса над препятствием до момента контакта заднего колеса с препятствием. Потом от момента контакта заднего колеса с препятствием до момента прохождения над препятствием и, наконец, момент после прохождения заднего колеса над препятствием. Весь процесс был проанализирован с помощью математической модели. При прохождении заднего колеса над препятствием по сравнению с передним центр тяжести переместился в неустойчивое положение. Кроме того, увеличение уклона местности оказывало значительное влияние на направление движения трактора.
3D
Хуанг и другие использовали программу динамического моделирования (Recurdyn) и проанализировали безопасность трактора, выполнив анализ удара шин, когда трактор проезжал над цилиндрическим препятствием и двигался вверх и вниз по склону (20° и 44°). Они обнаружили, что максимальный удар переднего колеса увеличивался при увеличении уклона подъема и уменьшался при увеличении уклона спуска. Когда трактор переезжал через цилиндрическое препятствие, удар переднего колеса уменьшался по мере снижения скорости движения трактора.
Чоудхури и другие исследовали безопасность бокового опрокидывания трактора, оснащенного сборщиком редиса. Они определили центр тяжести трактора с помощью математических расчетов и получили угол опрокидывания в зависимости от условий нагрузки и положения сборщика. Результаты моделирования показали, что средние углы опрокидывания влево и вправо уменьшились примерно на 15° при приложении нагрузки к коллектору редиса по сравнению с отсутствием нагрузки, при этом не наблюдалось существенной разницы в углах опрокидывания в зависимости от сложенного положения коллектора.
Хванг и другие определили критические скорости движения трактора, вызывающие боковое опрокидывание и опрокидывание назад, на основе внутреннего угла поворота и угла подъема переднего колеса. При сравнении с результатами, полученными с помощью теоретических уравнений, было установлено, что погрешность между ними составляет менее 5%. Критические скорости движения трактора для опрокидывания уменьшаются по мере увеличения внутреннего угла поворота и угла подъема переднего колеса.
Джанг и другие определили тенденции тракторов к боковому опрокидыванию и опрокидыванию назад в зависимости от уклона грунта и геометрии и высоты препятствий. Результаты моделирования показали, что критическая скорость снижается по мере увеличения уклона грунта и высоты препятствий. Опрокидывание назад происходило при низком уклоне грунта, а боковое опрокидывание — при высоком.
Лисич проанализировал статический угол бокового падения трактора, оснащенного передним и задним навесными орудиями, с помощью моделирования динамики нескольких тел. При навешивании заднего орудия статический угол бокового падения уменьшался по мере увеличения массы орудия. При навешивании переднего и заднего орудия статический угол бокового падения увеличивался. В последующем исследовании, когда трактор, оснащенный передним и задним орудием, двигался по земле с различными видами препятствий, были получены данные о высоте подъема центра колес, смещении центра тяжести и линейной скорости трактора. Одиночное линейное препятствие не повлияло на безопасность трактора. Безопасность может быть полностью нарушена и может произойти авария из-за вибраций, когда трактор проходит через групповые последовательные препятствия.
[1] Источник: Журнал Agriculture, опубликовано в сети Интернет 20.02.2024 г. Текст печатается с сокращениями по лицензии Creative Commons.