Обоснование и анализ применения гибридных динамических моделей для исследования систем подрессоривания кабин зерно- и кормоуборочных комбайнов

source relationships in the ontogeny of plants, their interactions and correlations], Fiziologija fotosinteza, M., Nauka, 1982, 167 p.

14. Lavruhin P.V., Rasshirenie ponjatija tochnosti poseva [The extension of the concept of precision sowin], Vest-nik Rossijskoj akademii sel'skohozjajstvennyh nauk, 2002, No 5, pp. 17-19.

15. Kazakova A.S., Abelencev A.Ju., Grankin A.V., Lavruhin P.V. Vlijanie formy ploshhadi pitanija na soderzhanie hlorofilla v list'jah rastenij podsolnechnika trjoh sortov [The influence of the shape of the area of supply on chlorophyll content in leaves of sunflower plants of three varieties], Sbor-nik statej Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvjashhennoj 126-j godovshhine so dnja rozhdenija aka-demika N.I. Vavilova i 100-letiju Saratovskogo GAU, Saratov, 2013, pp. 111-113.

16. Kazakova A.S., Grankin A.V., P.V. Lavruhin P.V. Nakoplenie i raspredelenie massy rastenijami podsolnechnika v zavisimosti ot formy ploshhadi pitanija [Accumulation and distribution of mass of plants of the sunflower depending on the shape of the area of supply], Sbornik statej Mezhduna-rodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvjashhennoj 126-j godovshhine so dnja rozhdenija akademika N.I. Vavilova i 100-letiju Saratovskogo GAU, Saratov, 2013, pp. 113-114.

17. Kazakova A.S., Lavruhin P.V., Ivanov P.A. Sover-shenstvovanie operacii poseva kak uslovie razvitija sovre-mennyh tehnologij rastenievodstva [Improving the operation of sowing as a condition of development of modern technologies of plant growing], Vestnik APK Stavropolja, 2015, No 4, pp. 29-35.

Сведения об авторе

Лаврухин Павел Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Тракторы и машины», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зерно-граде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: +7-909-410-73-47. E-mail: lavruchin.pavel@yandex.ru.

Information about the author Lavrukhin Pavel Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of theTractors and automobiles department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: +7-909-410-73-47. E-mail: lavruchin.pavel@yandex.ru.

УДК 629.114.2

ОБОСНОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ГИБРИДНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ ПОДРЕССОРИВАНИЯ КАБИН ЗЕРНО- И КОРМОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ

© 2018 г. П.В. Сиротин, И.Ю. Лебединский

В работе отражены обобщающие результаты экспериментальных исследований и литературного анализа, на основе которых представлен новый способ расчета систем подрессоривания кабин самоходных транспортно-технологических машин на примере зерноуборочных комбайнов. Показано, что современные зерно- и кормоуборочные комбайны имеют достаточно высокий уровень вибронагруженности рабочего места оператора. С помощью спектрального анализа колебаний в местах установки кабины выявлены несимметричные динамические нагрузки, определяющие особенности функционирования системы подрессоривания данного класса машин. Полученные результаты достаточно хорошо согласуются с общей теорией гибридных динамических моделей, в рамках которой подрамник кабины может быть представлен как элемент, испытывающий изгибные и крутильные упругие деформации. В связи с этим проведен обзор работ, направленных на изучение упругих свойств несущей системы транспортно-технологических машин различных типов и дано описание колебательного процесса под опорами защищаемых от вибрации объектов. Показано, что учет упругих свойств несущей конструкции в динамических моделях машин позволяет значительно повысить их адекватность. На основе проведенного анализа определен алгоритм учета упругих свойств несущей системы самоходных машин. Такой подход позволит проводить предпроектные расчёты систем подрессоривания кабин с учетом особенностей и мод колебаний несущей системы, а также упруговязких характеристик виброизолирующих опор.

Ключевые слова: подрессоривание кабины, гибридная модель, упругость несущей системы, плавность хода, зерно- и кормоуборочные комбайны, система вторичного подрессоривания.

The paper summarizes the results of experimental studies and literature analysis, on the basis of which a new method for calculating the suspension systems for booths of self-propelled transport-technological machines is presented using the example of combine harvesters. It is shown that modern grain and forage harvesters have a sufficiently high level of vibration loading of the operator's workplace. With the help of spectral analysis of the oscillations in the places of installation of the cabin, asymmetrical dynamic loads that determine the features of the suspension system of this class of machines are revealed. The obtained results are in good agreement with the general theory of hybrid dynamic models, in which the subframe of the cabin can be represented as an element experiencing bending and torsional elastic deformations. In this connection, a review of the

work aimed at studying the elastic properties of the carrier system of transport-technological machines of various types was made and a description of the oscillatory process under the supports, protected from vibration of objects, was given. It is shown that taking into account the elastic properties of the supporting structure in the dynamic models of machines makes it possible to significantly increase their precision. On the basis of the analysis, the algorithm for taking into account the elastic properties of the carrier system of self-propelled machines is determined for the analytical calculation of dynamic models. Such an approach will allow to carry out pre-design calculations of the cab suspension systems taking into account the features and modes of the carrier system oscillations, as well as the visco-elastic characteristics of the vibration isolating supports.

Keywords: cab suspension, hybrid model, carrier system elasticity, smooth running, grain and forage harvesters, secondary suspension system.

Введение. Повышение энерговооруженности и скоростей движения новых поколений зерно- и кормоуборочных комбайнов (ЗУК и КУК) обеспечивает рост их производительности, но вместе с тем отмечается увеличение вибро-нагруженности рабочего места операторов до критических значений, регламентированных отечественными и международными стандартами [1-3]. В современных условиях глобализации экономики и высокой конкуренции на рынке сельскохозяйственных машин такой эксплуатационный параметр, как комфортность рабочего места, является одним из важнейших факторов при выборе ЗУК, что обеспечивает исследования в области виброакустической защиты операторов транспортно-технологических машин (ТТМ) достаточной актуальностью.

4

п

> 3

а

ZH6, м/с*3

WKV

1

, -- , , i-riCgH

в

Обоснование проблемы. По результатам экспериментальных исследований виброакустических нагрузок на рабочем месте серийно выпускаемых ЗУК производства заводов «Рост-сельмаш», «Гомсельмаш», «NewHolland» и др. зафиксированы значительные уровни и особенности действующих виброускорений, что связано не только с наличием внешних возмущений со стороны опорной поверхности и колебаний адаптера, но и влиянием внутренних источников [1-3]. На спектрах действующих виброускорений ЗУК Полесье GS812, РСМ Vector 410, РСМ Acros 585 видно, что колебания в вертикальном направлении под каждой из опор кабины (рисунок 1 а) могут существенно отличаться (рисунок 1 б, в, г).

г

б

Рисунок 1 - Точки замеров

Это особенно проявляется на средних и высоких частотах. Так, в GS-812 вибрации в частотной области 125-250 Гц в точках 1 и 2, расположенных на несущей балке кабины, по величине среднеквадратичных значений (СКЗ) виброускорений превосходят колебания в точках 3 и 4, расположенных на остове комбайна. Колебания в этом же частотном диапазоне на несущем подрамнике кабин Vector 410 и Acros 585 в точках 2 и 4 значительно выше, чем в точках 1 и 3. На всех исследуемых комбайнах максимальные значения виброускорений действуют на частотах свыше 315 Гц. Причем на GS-812 преобладают вибрации в точке 4, а на Vector 410 и Acros 585 - в точке 3 на остове комбайна.

Выявленные особенности вибронагрузок обусловлены не только компоновкой данных машин и наличием внутренних источников вибрации, но и спецификой несущей системы кабины в виде консольно-закрепленной балки (рисунок 1 а), которая в процессе эксплуатации комбайна испытывает упругие деформации в разных направлениях. В связи с этим для создания эффективной системы подрессоривания кабины комбайнов необходимо учитывать не только упругодиссипативные свойства виброопор, но и действующие моды колебаний несущей системы [1]. При этом в существующих методиках, предлагаемых для расчета характеристик элементов систем подрессоривания кабин ТТМ, несущую систему представляют абсолютно жесткой конструкцией, от которой подрессоренная масса воспринимает симметричные возмущения [24-29]. В ряде случаев такой подход является оптимальным и обеспечивает необходимую точность расчета. Однако он применим только в условиях, когда несущая система кабин обладает достаточной жесткостью, что зачастую невозможно обеспечить из-за особенностей компоновки ТТМ и массогабаритных ограничений. В результате применения такого подхода, не учитывающего собственные колебания и ответные реакции подрессоренной массы, конструкторы подбирают виброопоры, которые не в полной мере соответствуют действующим вибровозмущениям. Действующая методика не обеспечивает заданного уровня виброзащитных или виброизолирующих свойств таких элементов ТТМ, как силовая установка, кабина, шасси машины и др., а разработка новой требует детального анализа мирового опыта в области моделирования сложных динамических систем.

Анализ подходов к решению проблемы. Проведенный анализ исследований влияния упругости несущих элементов транспортных средств (ТС) на их динамику позволил определить общие закономерности и систематизировать подходы для аналитического решения подобных задач [4-23]. Так, Д.Я. Антипин в работах [4, 5] методами программно-математического моделирования исследует динамическую нагруженность рамы вагона-платформы при перевозке контейнеров и автопоезда и подтверждает полученные данные экспериментальными измерениями (рисунок 2 а). При моделировании рамы как абсолютно жесткого или упругого тела выявлены существенные различия в действующих динамических нагрузках. Так, при движении вагона-платформы с тремя 20-футовыми контейнерами вертикальные ускорения кузова с жесткой рамой на 28-30%, а горизонтальные на 14% меньше, чем с упругой. В зависимости от жесткости, рамные силы также отличались на 28-30%. Большую точность расчетов можно обеспечить, если учесть упругости колес и подвески перевозимого автопоезда. В целом по работе сделан вывод о важности учета при расчете динамической нагруженности вагона-платформы упругих свойств рамы, что позволит сократить погрешности расчетов на 40%.

В работе [6], посвященной исследованию динамической нагруженности кабины средне-размерного грузовика, также учтена не только упругость его рамы, но и вибраций передающихся от двигателя упругодиссипативных характеристик элементов системы первичного и вторичного подрессоривания (рисунок 2 б). Проведен модальный анализ системы, состоящей из упругой рамы грузовика, кабины и двигателя, а также упруговязких связей, соединяющих их, и получены собственные частоты вертикальных вибраций элементов системы. Для снижения влияния вибраций, передающихся от двигателя на кабину через раму, в работе рекомендовано «разнести» собственные частоты их подвесок. Авторы предположили, что смягчение подвески кабины до собственной частоты ниже 6 Гц либо изменение крепления двигателя с перенастройкой его жесткости с учетом упругости рамы может стать решением проблемы. Результаты натурных испытаний модернизированной системы показали высокую сходимость с расчетными данными.

В работе [7] авторами проведено исследование динамики ТС специального назначения методами программно-аналитического моделирования, в котором учтены не только свойства его механической части, но и электрической и гидравлической подсистем (рисунок 2 б). Установлено, что остов транспортного средства в

рассматриваемой модели обладает упругими свойствами. Благодаря этому удалось получить высокое соответствие расчетной спектральной плотности вибраций, действующих на подрессоренную массу, экспериментально полученным значениям.

1 - упругодиссипативный;

2 - упругий конструктивный;

3 - объект подрессоривания; 4 - источник вибровозмущений

Рисунок 2 - Гибридные динамические модели вагона-платформы с установленным автопоездом (а) [5], грузового автомобиля (б) [6], ТС специального назначения (б) [7], тягача с полуприцепом (г) [8] и легкового автомобиля (б) [11] и их основные элементы

д

Исследование [8] направлено на выявление динамических характеристик полуприцепа грузовика с учетом упругости его рамы (рисунок 2 г). Для этого составлены аналитическая методика и алгоритмы выявления жесткостей рамы, которые реализованы в программной модели системы. Авторы показали, что учет в модели ТС упругих свойств рамы путем подбора ко-

эффициентов жесткости и вязкости позволяет получить высокую сходимость аналитически полученных показателей динамических нагрузок реальным данным.

В ряде исследований горизонтально-продольной и поперечной динамики тяжелых грузовых автомобилей с перевозимым грузом показано, что для прогнозирования вибраций

высокой частоты, передающихся от рамы ТС к функциональным механизмам, следует учитывать упругие свойства рамы [9, 10]. При этом исследователи вводят аналитическую переменную «maxRA», выражающую относительную активность действующей моды колебаний рамы, учитывающую скорость движения ТС, угол продольного наклона и массу груза. На основании значений горизонтальных виброускорений груза, полученных с помощью математической модели, выявлено существенное влияние упругих свойств рамы, которое возрастает при увеличении массы груза и угла продольного наклона ТС.

В работе [11] авторами проведен уточненный анализ динамической нагруженности транспортного средства на основе его программно-математической модели (рисунок 2 б). При анализе общей нагруженности раму ТТС рассматривали двумя способами: как жесткое тело и как элемент, обладающий упругими свойствами. На основе полученных данных составлены амплитудно-частотные характеристики системы, отражающие зависимость вертикальных виброперемещений рамы в точке установки сидения оператора от частоты вертикальных вибровозмущений, подающихся на колесо ТС. Сравнение амплитудно-частотных характеристик с жесткой и с упругой рамой позволило зафиксировать различия в спектральном составе действующих вибраций. В результате выявлены существенные отклонения в частотном диапазоне 50-200 Гц, что соответствует экспериментально полученным данным.

Степень адекватности используемых аналитических методов и, как следствие, точность математической модели во многом зависят от физического представления несущей системы, которую рассматривают либо как абсолютно жесткую конструкцию, либо имеющую упругие свойства. В рассмотренных работах описание динамических процессов отличается от известных ранее подходов [24-29], в рамках которых динамические модели представляли как совокупность абсолютно жестких элементов, имеющих упруговязкие связи. Развитие вычислительных средств относительно недавно достигло уровня, при котором стало возможно оценить собственные частоты и формы колебаний несущих элементов и учитывать их при моделировании динамики сложных систем. Такой подход позволяет не только повысить адекватность расчетов, но и на стадии проектирования машин

оптимизировать конструкцию и свойства их элементов.

Результаты исследования. В результате анализа представленных работ выявлена общая закономерность в моделировании динамических процессов и определена обобщающая методика, позволяющая учитывать упругие свойства конструктивных элементов ТТМ. В общем виде алгоритм расчета системы подрессорива-ния кабины ЗУК и КУК отражен на рисунке 3. Алгоритм предполагает, что на первом этапе должна быть разработана полная твердотельная динамическая модель исследуемого объекта с учетом геометрических и массово-инерционных характеристик элементов, соединенных шарнирами и пространственными связями с упруго-диссипативными свойствами. Свойства элементов системы подрессоривания задают в виде соответствующих линейных или нелинейных характеристик. На следующем этапе необходимо проводить решение статических задач, таких как определение напряженно-деформированного состояния несущего элемента, вертикальных смещений и напряжений конструкции, расчет статического прогиба виброопоры, определение положения центра тяжести подрессоренного тела и др. После требуется выполнить ряд динамических расчетов твердотельной модели, среди которых расчет максимальных перемещений объекта, действующих виброускорений, выявление собственных частот и форм колебаний системы, определение частотного отклика системы подрессоривания. Полученные результаты далее сравнивают с экспериментальными значениями. В случае существенных различий в статических и динамических показателях между экспериментом и результатами моделирования можно определить степень адекватности модели реальному прототипу. Недостаточная сходимость результатов возникает из-за неучтенных упругих свойств конструкции несущей системы объекта подрессоривания. На втором этапе разрабатывают упругий конструктивный элемент модели и задают его геометрические, инерционные, структурные параметры, собственные коэффициенты упругости и демпфирования. Далее должно быть проведено решение статических и динамических задач, выявление собственных форм и частот колебаний с учетом приложенных внешних и предопределенных внутренних сил. На третьем этапе необходимо ввести упругий несущий элемент в общую ди-

намическую модель системы, состоящую из жестких и упругих тел с упругодиссипативными связями между ними. Получившаяся система является гибридной моделью. Для нее также требуется провести решение статических и ди-

намических задач, а также определить собственные формы колебаний. В заключение необходимо провести выборку критериев соответствия реальной системе и оценить сходимость с экспериментом.

Рисунок 3 - Алгоритм моделирования динамики кабины ЗУК и КУК как гибридной динамической системы

В том случае, если результаты, полученные с помощью гибридной динамической модели, позволяют увеличить точность расчета динамических характеристик исследуемого объекта, модель рекомендуют как основу для дальнейших исследований. Если же полученный уровень сходимости экспериментальных и аналитических результатов недостаточен, исследователь должен переопределять коэффициенты жесткости и демпфирования несущего элемента конструкции пока модель не достигнет необходимого уровня адекватности. Далее в нее вво-

дят дополнительные присоединенные массы, либо автоколебательные системы, соединенные с несущей конструкцией упруговязкими связями.

В результате появляется возможность расчетным методом оценить свойства динамической системы с несущим упругим элементом в совокупности с ответными реакциями присоединенного объекта виброзащиты и аналитически подобрать оптимальные характеристики упругодиссипативных элементов. Это позволит эффективно решать задачи динамики для сис-

тем, в которых взаимодействуют объекты, имеющие собственные формы и частоты колебаний. Преимущество расчета с помощью гибридной модели также в многовариантности на этапе оптимизации - при расчете можно учесть габариты, механические свойства, структурные и геометрические особенности подрамника кабины зерно- и кормоуборочных комбайнов. На основе полученных данных появится возможность разработать более эффективную систему виброзащиты кабины и обеспечить на рабочем месте оператора заданный уровень условий труда.

Выводы

1. На основе проведенных экспериментальных замеров доказано, что представление системы подрессоривания кабины комбайна совокупностью абсолютно жестких элементов мало соответствует действительности из-за присутствия изгибных и крутильных упругих деформаций подрамника кабины.

2. В связи с развитием вычислительных возможностей в мировой практике моделирования динамических систем, состоящих из упругих конструктивных тел и упруговязких связей, между ними применяют специализированные программные комплексы, такие как ANSYS, Nastran, Adams, EULER, Универсальный механизм и др., которые обеспечивают наибольшую точность. Подобные динамические модели обладают принципиальными отличиями от применяемых ранее и имеют общепринятое название - «гибридные модели».

3. Ввиду особенностей компоновки и колебаний ЗУК и КУК систему подрессоривания их кабин необходимо рассматривать как сложную динамическую гибридную систему. Такой подход позволит не только провести расчет и определить оптимальные характеристики виброизоляторов кабины, но и оптимизировать конструкцию несущей системы по динамическим параметрам на этапах проектирования новых или модернизации существующих ТТМ.

Литература

1. Сиротин, П.В. Анализ виброакустической нагруженности рабочего места операторов зерноуборочных комбайнов / П.В. Сиротин, И.Ю. Лебединский, В.В. Кравченко // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. - Иваново, 2018. - № 1(53).

2. Предпосылки создания комплексной системы горизонтирования и подрессоривания остова зерноуборочных комбайнов / П.В. Сиротин, М.М. Жилейкин,

А.Г. Сапегин, С.В. Зленко // Тракторы и сельхозмашины. -2017. - № 11. - С. 21-29.

3. Сиротин, П.В. Экспериментальная оценка плавности хода самоходного кормоуборочного комбайна / П.В. Сиротин, А.Г. Сапегин, С.В. Зленко // Труды НАМИ. - 2017. - 4 (271). - С. 67-74.

4. Антипин, Д.Я. Оценка динамических качеств контрейлерного вагона-платформы методами математического моделирования / Д.Я. Антипин, В.В. Кобищанов, М.В. Сударева // Безопасность движения поездов: труды IX науч.-практ. конф. - М.: МИИТ, 2008. - С. 46.

5. Антипин, Д.Я. Анализ динамических характеристик контрейлерной платформы с установленным на ней автопоездом / Д.Я. Антипин, М.В. Сударева, В.В. Кобища-нов // Безопасность движения поездов: труды X науч.-практ. конф. - М.: МИИТ, 2009. - Ч. 1. - С. 3.

6. Costa Neto A. A study of vibrational behavior of a medium sized truck considering frame flexibility with the use of ADAMS // International ADAMS User Conference, 1998.

7. Guang, Liu. Dynamic Virtual Prototyping Modeling and Simulation of Special Vehicle // Applied Mathematics and Information Science. - 2015(9). - Р. 627-636.

8. Warwas K., Adamiec-Wojcik I. Modelling Articulated Vehicles with a Flexible Semi-Trailer // The Archive of Mechanical Engineering. - 2013(3). - Р. 389-407.

9. Rideout, G. Flexible Truck Modelling and Investigation of Coupling between Rigid and Flexible Dynamics // Proc. International Conf. on Bond Graph Modeling, 2010.

10. Rideout, G. Simulating coupled longitudinal, pitch and Bounce Dynamics of Trucks with Flexible Frames // Modern Mechanical Engineering. - 2012 (2). - Р. 176-189.

11. Pisino E., Guglielmetto L. Experimental Vibration Analysis to Adams Integration: Flexible Chassis Full Vehicle Simulation // International ADAMS User Conference, 1998.

12. Kiviniemi T., Holopainen T. Modelling of flexible members for simulation of vehicle dynamics // Report VALB-424. Manufacturing Technology, 1999. - Р. 1-37.

13. Ficherra G., Lacagnina M. Modelling of torsion beam rear suspension by using multibody method // Multibo-dy System Dynamics 12, 2004. - Р. 303-316.

14. Vrana T., Bradac J., Kovanda J. Elasto-kinematic model of suspension with flexible supporting elements / Acta-Polytechnica, 56(2), 2016. - Р. 147-155.

15. Дзюбан, О.Л. Исследование динамических характеристик вагона дизель-поезда в программном комплексе «Универсальный механизм» с использованием конечно-элементной модели кузова / О.Л. Дзюбан и др. // Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ: 3-й научно-технический семинар: сб. тез. - Брянск: БГТУ, 2016. - С. 24-26.

16. Михеев, Г.В. Некоторые результаты исследований гибридных моделей механических систем, построенных методом подсистем с учетом упругости элементов конструкции / Г.В. Михеев // Динамика и прочность транспортных машин: сб. тр. под ред. В.И. Сакало. - Брянск: БГТУ, 2000. - С. 28-34.

17. Михеев, Г.В. Некоторые моменты технологии построения и примеры практического применения гибридных математических моделей для исследования динамики железнодорожных транспортных средств / Г.В. Михеев // Безопасность движения поездов: труды

научно-практической конференции. - М.: МИИТ, 2003. -С. IV62.

18. Погорелов, Д.Ю. Методы моделирования динамики железнодорожных колесных пар с учетом упругости в программном комплексе «Универсальный механизм» / Д.Ю. Погорелов и др. // Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ: 3-й научно-технический семинар: сб. тез. -Брянск: БГТУ, 2016. - С. 57-59.

19. Goncalves J., Ambrosio J. Optimization of Vehicle Suspension Systems for Improved Comfort of Road Vehicles Using Flexible Multibody Dynamics // Nonlinear Dynamics 34, 2003. - Р. 113-131.

20. Anurag, Lai S.B. Design and Analysis of Chassis Frame // International Journal of Research in Engineering, 2016(4). - Р. 31-34.

21. Abu Bakar M., MdSah J. Dynamic Response Analysis for Development of Flexible Lightweight Vehicle Chassis Using CAE Tools // International Journal of Mechanical Engineering, 2018(7). - Р. 9-20.

22. Chang H., Rushbrook M. Vehicle Ride Study with Flexible Bodies in Adams // International ADAMS User Conference, 1998.

23. Бойков, В.Г. Моделирование движения механической системы, состоящей из деформируемых упругих тел, путем интеграции двух пакетов: EULER и FIDESYS /

B.Г. Бойков и др. // Чебышевский сборник. - 2017(3). -

C. 131-153.

24. Черненко, А.Б. Пневматические системы вторичного подрессоривания кабин многоосных автомобилей: монография / А.Б. Черненко, Б.Г. Гасанов; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012. - 156 с.

25. Корчагин, П.А. Снижение динамических воздействий на оператора автогрейдера в транспортном режиме: монография / П.А. Корчагин, Е.А. Корчагина, И.А. Чакурин. - Омск: СибАДИ, 2009. - 195 с.

26. Ляшенко, М.В. Оптимизация упруго-диссипа-тивной характеристики подвески тягово-транспортных средств / М.В. Ляшенко, А.В. Победин // Материалы международной научно-технической конференции «MOTAUTO'97». - Болгария, София, октябрь 1997. -С. 176-178.

27. Ляшенко, М.В. Оптимизация виброизоляции кабины транспортной машины / А.В. Победин, С.В. Ре-унов // Материалы VII международной научно-технической конференции AUTOPROGRES'99, Польша, Рыня. - Варшава, декабрь 1999. - С. 345-348.

28. Шеховцов, В.В. Экспериментальное определение характеристики виброизоляторов кабины трактора / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко // Research Journal of International Studies: международный научно-исследовательский журнал. - 2013. - № 7-2. - С. 118-122.

29. Разработка модели и расчётные исследования подвески кабины транспортного средства / В.В. Шеховцов, А.В. Победин, М.В. Ляшенко, К.В. Шеховцов // Проектирование колёсных машин: материалы всерос. науч.-техн. конф., посвященной 100-летию начала подготовки инженеров по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана, 25-26 дек. 2009 г. / ГОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана». - М., 2010. - С. 184-188.

References

1. Sirotin P.V., Lebedinskij I.Ju., Kravchenko V.V. Analiz vibroakusticheskoj nagruzhennosti rabochego mesta operatorov zernouborochnyh kombajnov [Analysis of vibroac-oustic loading of the workplace of operators of combine harvesters], Sovremennye naukoemkie tehnologii. Region-al'noe prilozhenie, Ivanovo, 2018, No 1(53).

2. Sirotin P.V., Zhilejkin M.M., Sapegin A.G., Zlen-ko S.V. Predposylki sozdanija kompleksnoj sistemy gorizonti-rovanij ai podressorivanija ostova zernouborochnyh kombaj-nov [Prerequisites for the creation of an integrated system for leveling and podzorovaniya skeleton of combine harvesters], Traktory i sel'hozmashiny, 2017, No 11, pp. 21-29.

3. Sirotin P.V., Sapegin A.G., Zlenko S.V. Jeksperi-mental'naja ocenka plavnosti hoda samohodnogo kormoubo-rochnogo kombajna [Experimental evaluation of the smoothness of the self-propelled forage harvester], Trudy NAMI, 2017, No 4 (271), pp. 67-74.

4. Antipin D.Ja. Kobishhanov V.V., Sudareva M.V. Ocenka dinamicheskih kachestv kontrejlernogo vagona-platformy metodami matematicheskogo modelirovanija [Evaluation of the dynamic qualities of a piggyback platform car by mathematical modeling methods], Bezopasnost' dvizhenija poezdov: trudy IXnauch.-prakt. konf, M., MIIT, 2008, pp. 46.

5. Antipin D.Ja., Sudareva M.V., Kobishhanov V.V. Analiz dinamicheskih harakteristik kontrejlernoj platformy s ustanovlennym na nej avtopoezdom [Analysis of the dynamic characteristics of the piggyback platform with a road train mounted on it], Bezopasnost' dvizhenija poezdov: trudy X nauch.-prakt. konf., M., MIIT, 2009, Ch. 1, p.3.

6. Costa Neto A. A study of vibrational behavior of a medium sized truck considering frame flexibility with the use of ADAMS, International ADAMS User Conference, 1998.

7. Guang Liu. Dynamic Virtual Prototyping Modeling and Simulation of Special Vehicle, Applied Mathematics and Information Science, 2015(9), pp. 627-636.

8. Warwas K., Adamiec-Wojcik I. Modelling Articulated Vehicles with a Flexible Semi-Trailer, The Archive of Mechanical Engineering, 2013(3), pp. 389-407.

9. Rideout G. Flexible Truck Modelling and Investigation of Coupling Between Rigid and Flexible Dynamics, Proc. International Conf. on Bond Graph Modeling, 2010.

10. Rideout G. Simulating coupled longitudinal, pitch and Bounce Dynamics of Trucks with Flexible Frames, Modern Mechanical Engineering, 2012 (2), pp. 176-189.

11. Pisino E., Guglielmetto L. Experimental Vibration Analysis to Adams Integration: Flexible Chassis Full Vehicle Simulation, International ADAMS User Conference, 1998.

12. Kiviniemi T., Holopainen T. Modelling of flexible members for simulation of vehicle dynamics, Report VALB-424, Manufacturing Technology, 1999, pp. 1-37.

13. Ficherra G., Lacagnina M. Modelling of torsion beam rear suspension by using multibody method, Multibody System Dynamics 12, 2004, pp. 303-316.

14. Vrana T., Bradac J., Kovanda J. Elasto-kinematic model of suspension with flexible supporting elements, Acta-Polytechnica, 2016, 56(2), pp. 147-155.

15. Dzjuban O.L. i dr. Issledovanie dinamicheskih ha-rakteristik vagona dizel'-poezda v programmnom komplekse «Universal'nyj mehanizm» s ispol'zovaniem konechno-jelementnoj modeli kuzova [Research of dynamic characteristics of the diesel train car in the «Universal Mechanism» soft-

ware package using the finite element model of the body], Komp'juternoe modelirovanie v zheleznodorozhnom transports: dinamika, prochnost', iznos: 3-j nauchno-tehnicheskij seminar: sb. tez., Brjansk, BGTU, 2016, pp. 24-26.

16. Miheev G.V. Nekotorye rezul'taty issledovanij gi-bridnyh modelej mehanicheskih sistem, postroennyh meto-dom podsistem s uchetom uprugostij elementov konstrukcii [Some results of studies of hybrid models of mechanical systems constructed by the method of subsystems taking into account the elasticity of structural elements], Dinamika i prochnost' transportnyh mashin: sb. tr. pod red. V.I. Sakalo, Brjansk, BGTU, 2000, pp. 28-34.

17. Miheev G.V. Nekotorye momenty tehnologii post-roenija i primery prakticheskogo primenenija gibridnyh mate-maticheskih modelej dlja issledovanija dinamiki zheleznodo-rozhnyh transportnyh sredstv [Some moments of the technology of construction and examples of practical application of hybrid mathematical models for the study of the dynamics of railway vehicles], Bezopasnost dvizhenija poezdov: trudy nauchno-prakticheskoj konferencii, M., MIIT, 2003, p. 62.

18. Pogorelov D.Ju. i dr. Metody modelirovanija di-namiki zheleznodorozhnyh kolesnyh par s uchetom uprugosti v programmnom komplekse «Universal'nyj mehanizm» [Methods for modeling the dynamics of railway wheel sets with allowance for elasticity in the software package «Universal Mechanism»], Komp'juternoe modelirovanie v zheleznodorozh-nom transporte: dinamika, prochnost', iznos: 3-j nauchno-tehnicheskij seminar: sb. tez., Brjansk, BGTU, 2016, pp. 57-59.

19. Goncalves J., Ambrosio J. Optimization of Vehicle Suspension Systems for Improved Comfort of Road Vehicles Using Flexible Multibody Dynamics, Nonlinear Dynamics, 2003(34), pp. 113-131.

20. Anurag, Lai S.B. Design and Analysis of Chassis Frame, International Journal of Research in Engineering, 2016(4), pp. 31-34.

21. Abu Bakar M., MdSah J. Dynamic Response Analysis for Development of Flexible Lightweight Vehicle Chassis Using CAE Tools, International Journal of Mechanical Engineering, 2018(7), pp. 9-20.

22. Shang H., Rushbrook M. Vehicle Ride Study with Flexible Bodies in Adams, International ADAMS: User Conference, 1998.

23. Bojkov V.G. i dr. Modelirovanie dvizhenija meha-nicheskoj sistemy, sostoja shhejiz deformiruemyh uprugih tel, putem integracii dvuh paketov: EULER i FIDESYS [Modeling the motion of a mechanical system consisting of deformable elastic bodies by integrating two packages: EULER and FIDESYS], Chebyshevskijsbornik, 2017(3), pp. 131-153.

24. Chernenko A.B., Gasanov B.G. Pnevmaticheskie sistemy vtorichnogo podressorivanija kabin mnogoosnyh avtomobilej: monografija [Pneumatic systems for secondary suspension of multi-axle vehicles: monograph], Juzh.-Ros. Gos.Tehn. Un-t (NPI), Novocherkassk, JuRGTU (NPI), 2012, 156 p.

25. Korchagin P.A., Korchagina E.A., Chakurin I.A. Snizhenie dinamicheskih vozdejstvij na operatora avtogrejde-ra v transportnom rezhime: monografija [Reduction of dynamic impacts on the operator of the motor grader in transport mode: monograph], Omsk, SibADI, 2009, 195 p.

26. Ljashenko M.V., Pobedin A.V. Optimizacija upru-go-dissipativnoj harakteristiki pod veski tjagovo-transportnyh sredstv [Optimization of the elastic-dissipative characteristic of suspension of traction-transport means]: materialy mezhdu-narodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii «MOTAUTO'97», Bolgarija, Sofija, oktjabr' 1997, pp. 176-178.

27. Ljashenko M.V., Reunov S.V. Optimizacija vibroi-zoljacii kabiny transportnoj mashiny [Optimization of vibration isolation of the transport vehicle cab], Materialy VII mezhdu-narodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii AUTOPROG-RES'99, Pol'sha, Rynja, Varshava, dekabr' 1999, pp. 345-348.

28. Shehovcov V.V., Ljashenko M.V. Jeksperimen-tal'noe opredelenie haraktertstik vibroizoljatorov kabiny trakto-ra [Experimental determination of the characteristics of the vibration isolators of the tractor cab], Research Journal of International Studies: mezhdunarodnyj nauchno-issledo-vatel'skij zhurnal, 2013, No 7-2, pp. 118-122.

29. Shehovcov V.V., Pobedin A.V., Ljashenko M.V., Shehovcov K.V. Razrabotka modeli i raschjotnye issledova-nija podveski kabiny transportnogo sredstva [Model development and design studies of vehicle cab suspension], Proektiro-vanie koljosnyh mashin: mater. vseros. nauch.-tehn. konf., posvjashh. 100-letiju nachala podgot. inzh. po avtomobil'noj special'nosti v MGTU im. N.Je. Baumana, 25-26 dek. 2009 g., GOU VPO «MGTU im. N.Je. Baumana», M., 2010, pp. 184188.

Сведения об авторах

Сиротин Павел Владимирович - кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Автомобили и транспорт-но-технологические комплексы», ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова» (НПИ - Новочеркасский политехнический институт) (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: +7-952-604-05-64. E-mail: spv_61@mail.ru.

Лебединский Илья Юрьевич - аспирант кафедры «Автомобили и транспортно-технологические комплексы» ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова» (НПИ - Новочеркасский политехнический институт) (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: +7-928-154-48-30. E-mail: ilialebedinski@gmail.com

Information about authors

Sirotin Pavel Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, Head of the Automobiles and transport-technological complexes department, FSBEI HE «Platov South-Russian State Polytechnic University» (NPI - Novocherkassk, Rostov Region, Russian Federation). Phone: +7-952-604-05-64. E-mail: spv_61@mail.ru.

Lebedinsky Ilya Yurievich - post-graduate student of the Head of the Automobiles and transport-technological complexes department, FSBEI HE Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI - Novocherkassk, Rostov Region, Russian Federation). Phone: +7-928-154-48-30. E-mail: ilialebedinski@gmail.com.

УДК 662.767

ОЧИСТКА БИОТОПЛИВА УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ © 2018 г. С.А. Нагорнов, А.Г. Мещеряков, Ю.В. Мещерякова

Использование углекислотной промывки позволит сократить время реакции. Рассмотрены возможности улучшения качества синтезируемого биотоплива из растительной биомассы. Биодизельное топливо получали по реакции пере-этерификации в присутствии щелочного катализатора, остатки которого необходимо удалять, так как возможна коррозия топливной системы дизельного двигателя. Представлена классификация основных способов очистки, которые разделили на три группы: мокрый, сухой, ферментный. Наиболее перспективным представляется очистка мокрым способом с использованием кислот. Целью исследований является проверка возможности очистки биодизельного топлива от щелочного катализатора различными кислотами: ортофосфорной кислотой и углекислотой. Установлено, что эффективным способом очистки является использование углекислого газа, который не требует дополнительной промывки водой, по сравнению с классической промывкой биотоплива ортофосфорной кислотой. Для этого синтезируемое биотопливо промывали водой и его качество оценивали по показателю рН водной вытяжки. В результате исследований установлены значения рН водных вытяжек неочищенного (10,2), очищенного биотоплива углекислым газом (6,8) и ортофосфорной кислотой (2,5). При использовании неочищенного топлива требуется наибольшее количество промывок водой, при этом рН водной вытяжки снижается до 8,2; при использовании биотоплива, очищенного ортофосфорной кислотой, количество промывок снижается и рН повышается до 6,8; при использовании биотоплива, очищенного углекислотой, рН достигает значения 6,8 уже после первой промывки. Таким образом, эффективным способом очистки является использование углекислого газа, который не требует дополнительной промывки водой, по сравнению с классической промывкой биотоплива ортофосфорной кислотой, кроме того, позволит сократить время реакции.

Ключевые слова: биотопливо, катализатор, очистка, углекислый газ, фосфорная кислота, углекислоты, рН водной вытяжки, нейтрализация.

The ways of improving the quality of synthesized biofuels from plant biomass are considered. Biodiesel fuel was produced by the transesterification reaction in the presence of an alkaline catalyst, the remains of which must be removed, since corrosion of the fuel system of the diesel engine is possible. The classification of the main cleaning methods is presented, which were divided into three groups: wet, dry, enzyme. The most promising is cleaning with a wet method using acids. It has been established that the effective method of cleaning is the use of carbon dioxide, which does not require additional washing with water, in comparison with the traditional washing of biofuels, with orthophosphoric acid. Using carbon dioxide washing will shorten the reaction time. The purpose of the research is to test the possibility of cleaning biodiesel from an alkaline catalyst, various acids: orthophosphoric acid and carbon dioxide. To this end, the biofuels synthesized were washed with water and its quality was evaluated by the pH of the aqueous extract. As a result of the studies, the pH values of the aqueous extracts of crude (10,2), purified biofuels with carbon dioxide (6,8) and orthophosphoric acid (2,5) were established. When using unrefined fuel, the greatest amount of washing with water is required, while the pH of the aqueous extract is reduced to 8,2; When using biofuel purified by orthophosphoric acid, the amount of washes is reduced, and the pH rises to 6.8; When using carbon dioxide-purified biofuels, pH makes 6,8 after the first wash. Thus, an effective method of cleaning is the use of carbon dioxide, which does not require additional washing with water, in comparison with the traditional washing of biofuels, orthophosphoric acid, in addition, will shorten the reaction time.

Keywords: biofuel, catalyst, cleaning, carbondioxide, phosphoricacid, carbonicacid, pH of aqueous extract, neutralizing.

Введение. Технология получения биотоплива из растительной биомассы была разработана еще в XX веке и до сих практически не изменилась. Биотопливо получают по традиционной технологии, многореакторной непрерывной технологии, технологии, разработанной ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии. Совершенствование технологического процесса получения биотоплива привело к возможности непрерывного его получения, увеличению выхода метиловых эфиров растительного масла, сокращению времени реакции [1-4].

Весь процесс получения биотоплива можно разделить на несколько стадий: 1) приготовление алкоголята;

2) смешивание алгкоголята с маслом;

3) очистка биотоплива от глицерина и катализатора.

Заключительным и важным этапом в производстве биотоплива является его очистка от катализатора (нейтрализация), так как оставшийся катализатор может вызвать коррозию топливной системы дизельного двигателя [5]. Существует несколько способов очистки топлива от катализатора: сухой, мокрый и ферментный (рисунок 1).

В сухом способе используются силикаты (Magnesol или Т^уГ), ионообменные смолы, целлюлоза, активированная глина, активированный уголь, активированные волокна и т.д.