Kalnahuz O. Modeling of curvilinear motion of field aggregates with all steerable wheels

Українська версія

Thesis for the degree of Candidate of Sciences (CSc)

State registration number

0426U000031

Thesis Registration Form

0426U000031.pdf

Applicant for

Specialization

  • 05.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

13-02-2026

Specialized Academic Board

Д 23.073.01

Central Ukrainian National Technical University

Essay

The dissertation addresses the issues of curvilinear motion of a power unit and its investigation. The main research is devoted to the study of the kinematics of motion of the power unit’s center of mass. The obtained results can be applied to any type of power unit. The trajectory of curvilinear motion of a machine-tractor aggregate (MTA) differs significantly from straight-line motion. Issues related to the kinematics of power units are considerably more complex and require investigation of many influencing factors affecting stability, reliability, and controllability. Modern power units perform turning maneuvers by rotating the steerable wheels using the so-called kinematic steering method, in which the wheels are oriented parallel to the plane of motion relative to the tractor frame. Four-wheeled tractors and machines with a front steering frame are widely used. Therefore, this dissertation focuses on the investigation of tractors with 4K2 and 4K4 wheel configurations. When studying the motion of a power unit along curvilinear trajectories, it is necessary to obtain analytical equations for the entry into and exit from a turn, as well as for turning with a constant heading angle. The prerequisites for developing trajectory equations for non-steady motion are based on two main factors. The first factor is related to the implementation of automated control of a field aggregate during crop production operations. At present, such attempts are realized by guiding the aggregate along trajectories parallel to the initial straight line of the cultivated field edge. Efforts are also being made to automate turning maneuvers during the execution of working cycles. For full automation of aggregate motion without a tractor operator throughout the entire working process relative to the initial reference line, accurate data on the exact position of the MTA are required. The control trajectory represents a predefined line of precise motion of the power unit, serving as a theoretical representation of curvilinear motion under any conditions of positional change. In comparison with large fields, when agricultural operations are performed on small fields, curvilinear motion (turning maneuvers) constitutes a significant portion of the total amount of work. During field operation of the aggregate, turning maneuvers account for tens of kilometers of travel distance and are classified as non-productive losses, thus requiring thorough investigation. On compacted and deformed field areas, particularly headlands (turning zones), a reduction in soil fertility indicators is observed. The rationalization of curvilinear motion of field aggregates has not been sufficiently investigated in scientific studies; therefore, the analysis of economic efficiency indicators of MTA utilization is becoming increasingly relevant. The way of working cycles and the way during turns with disengaged working implements often have a curvilinear shape. They should be as short and as economical as possible. The choice of the aggregate’s mode of motion during the performance of operations should ensure that work requirements are met, such as: minimizing costs per unit of completed work while achieving maximum productivity, ensuring operator safety; reducing environmental impact. The dissertation presents an analysis of published studies and scientific works devoted to the curvilinear motion of power units. In the works of contemporary researchers, there is an effort to describe curvilinear motion using mathematical equations in the form of velocity projections onto coordinate axes; however, these equations are often presented without being solved. In this study, a method for the analytical solution of differential-form equations describing the curvilinear motion of field aggregates is developed. For the turning sections (entry and exit) with a non-steady steering angle of the center of mass of a power unit equipped with fully steerable wheels, mathematical relationships for determining trajectory parameters are derived. These equations make it possible to analyze performance characteristics during turning of MTA with different configurations in order to reduce operating costs, to model aggregate maneuvers during crop production operations, and to enable automation of control. The developed analytical equations provide a basis for selecting a rational mode of motion of the power unit depending on the composition of the MTA. In addition, analytical equations describing the motion of the power unit along curvilinear trajectories were investigated, and a numerical solution of these equations was implemented using a model power unit with a 4×4 wheel configuration as an example. The trajectories simulated using the developed mathematical model can be applied in the development of automation programs for controlling the motion of field aggregates along curvilinear trajectories.

Read more

Research papers

1. Dovzhik M., Kalnaguz A., Sirenko Yu. Curvilinear movement of a four-wheel machine using a satellite navigation system. Scientific Horizons. 2020, (07), рр.126-136. ISSN 2663-2144. https://doi.org/10.33249/2663-2144-2020-92-7-126-135

2. Довжик М.Я., Соларьов О.О., Калнагуз О.М., Таценко О.В. (2019). Спосіб врахування відводу коліс при визначенні траєкторії криволінійного руху трактора. Вісник Сумського національного аграрного університету. Серія: Механізація та автоматизація виробничих процесів, (1-2(35-36), 25-29.. https://doi.org/10.32845/msnau.2019.1-2.5

3. Довжик М.Я., Сіренко Ю.В. & Калнагуз О.М. (2022). Аналіз кінематики руху польових агрегатів зі всіма керованими колесами. Вісник Сумського національного аграрного університету. Серія: Механізація та автоматизація виробничих процесів, 2(48), 14-20. https://doi.org/10.32845/msnau.2022.2.3.

4. Зубко В.М., Сіренко Ю.В., & Калнагуз О.М. (2023). Використання алгоритмів під час моделювання маневрів польовими агрегатами. Вісник Сумського національного аграрного університету. Серія: Механізація та автоматизація виробничих процесів, (3 (53), 32-39. https://doi.org/10.32782/msnau.2023.3.6.

5. Калнагуз О.М., Довжик М.Я., Сіренко Ю.В. Визначення координат центру колової траєкторії грушоподібного розвороту МТА // Збірник тез VІ Всеукраїнської науково-практичної конференції. Перспективи і тенденції розвитку конструкцій та технічного сервісу с.-г. машин і знарядь. (2–3 квітня 2020 року).– Житомир, 2020.–с. 310. (с. 95–98).

6. Калнагуз О.М., Сіренко Ю.В. Отримання траєкторії повороту експериментальним шляхом. Технічне забезпечення інноваційних технологій в АПК: матеріали І Міжнар. наук.-практ. конференції молодих учених (Мелітополь, 01-26 лютого 2021 р.) / ТДАТУ: ред. кол. В.М. Кюрчев, В.Т. Надикто, [та ін.]. - Мелітополь: ТДАТУ, 2021. - 229 с. (с. 213).

7. Калнагуз О.М., Сіренко Ю.В. Системи автоматичного керування рухом польових агрегатів. Сучасні проблеми землеробської механіки: матеріали ХXІІ Міжнародної наукової конференції, присвяченої 121-й річниці з дня народження академіка П. М. Василенка, 16-18 жовтня, 2021 р., м. Ніжин/ Міністерство освіти і науки України. – Київ: НУБіП, 2021. – 370 с. (с. 90-94)

8. Калнагуз О.М., Сіренко Ю.В. Раціональний поворот – один із шляхів підвищення продуктивності роботи МТА. Збірник тез доповідей XІІІ Міжнародної науково-практичної конференції «Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки» (10-12 листопада 2021 р.), - Кропивницький: ЦНТУ, 2021.- с. 205, (с. 123–124).

9. Калнагуз О.М., Сіренко Ю.В., Соларьов О.О., Мартинюк А.В., Марченко М.В. Траєкторія криволінійного руху трактора. Технології ХХІ сторіччя: Збірник тез за матеріалами 27-ої міжнародної науково-практичної конференції (24-26 листопада 2021 р.). Ч.1. – Суми-Одеса: СНАУ, 2021 - 235 с. – С. 39-40.

10. Калнагуз О.М., Сіренко Ю.В., Горовий М.В. Вивчення криволінійного руху агрегату. Технічне забезпечення інноваційних технологій в агропромисловому комплексі: матеріали ІІІ Міжнар. наук.-практ. Інтернет-конференції (Мелітополь, 01-26 листопада 2021 р.) / ТДАТУ: ред.кол. В.М. Кюрчев, В.Т. Надикто [та ін.]. - Мелітополь: ТДАТУ, 2021. - 657 с. (С.351-353).

11. Калнагуз О.М., Довжик М.Я., Соларьов О.О., Сіренко Ю.В. Сучасні системи автоматичного керування агрегатами Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції «Сучасна інженерія агропромислових і харчових виробництв» (25–26 листопада 2021 року). – Харків: ДБТУ, 2021. – 263 с. (с.123-125).

12. Калнагуз О.М., Довжик М.Я., Сіренко Ю.В. Продуктивність машинних агрегатів. Матеріали міжнародної науково-практичної конференції «Сучасна інженерія агропромислових і харчових виробництв» (25–26 листопада 2021 року). – Харків: ДБТУ, 2021. – 263 с. (с.125-128).

13. Калнагуз О.М., Зубко В.М., Довжик М.Я., Баличев Є.В. Огляд теоретичних досліджень криволінійного руху агрегату // Збірник тез доповідей XІІІ Міжнародної науково-практичної конференції «Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки» (10-12 листопада 2021 р.), – Кропивницький: ЦНТУ, 2021.- с. 205, (с. 40–42).

14. Калнагуз О.М., Семерня О.В., Сіренко Ю.В. Дослідження руху криволінійного руху машинно-тракторного агрегату // Збірник тез доповідей XХІІІ Міжнародної наукової конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки" (16–18 жовтня 2022 року). МОН України, НУБіП України, Житомирський агротехнічний фаховий коледж. Київ. Житомир. 2022. 289 с. (c. 24-27).

15. Калнагуз О.М., Сіренко Ю.В., Горовий М.В., Семерня О.В., Сілюченко В.М. Дослідження кінематики машино-тракторних агрегатів // Збірник тез доповідей Міжнародної. наук.-практ. конференції (Запоріжжя, 01-25 листопада 2022 р.) / ТДАТУ: ред. кол. С. В. Кюрчев, В. М. Кюрчев, В. Т. Надикто, О. Г. Скляр [та ін.]. – Запоріжжя: ТДАТУ, 2022. 239 с. (c. 56-59).

16. Калнагуз О.М., Сілюченко В.М. Поворот енергетичного засобу та способи його виконання // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції «Автомобільний транспорт в аграрному секторі: проектування, дизайн та технологічна експлуатація». – (1-2 грудня 2022 року) Харків: ДБТУ, 2022. – 189 с. (c. 159-160).

17. Калнагуз О.М., Довжик М.Я. Дослідження та удосконалення енергетичних засобів. Збірник праць учасників міжнародної науково-практичної конференції «100-річчя Поліського національного університету: здобутки, реалії, перспективи». – (1 листопада 2022 р.) Житомир: Поліський національний університет, 2022. 680 с. (с. 671-674).

18. Калнагуз О.М. Траєкторія руху агрегату по полю/ Калнагуз О.М., Сіренко Ю.В. // Збірник тез доповідей XХІV Міжнародної наукової конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки" (17–19 жовтня 2023 року). МОН України, Національний університет біоресурсів і природокористування України. Київ. 2023. 450 с (c. 315-317).

19. Калнагуз О.М. Кінематика руху складного агрегату / О.М. Калнагуз, Ю.В. Сіренко // Збірник тез ІX Міжнародної науково-практичної конференції.«Перспективи і тенденції розвитку конструкцій та технічного сервісу с.-г. машин і знарядь». (5 квітня 2023 року).– Житомир, 2023. 336 с. (С.73-74).

20. Калнагуз О.М. Рух енергетичного засобу по полю та способи його повороту/ О.М. Калнагуз // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції «Експлуатаційна та сервісна інженерія» «AutoTRAK-2023» . (4-5 травня 2023 року).– Київ: НУБіП України, 2023. – 193 с. (С.30-32).

21. Калнагуз О.М. Супутникові технології у сільському господарстві / Груць О.А., Сіренко Ю.В., Горовий М.В., Калнагуз О.М.// Матеріали Міжнародної наукової конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки" (17–19 жовтня 2024 року) / МОН України, НУБіП України. Київ. 2024. 527с. – (с. 220–223).

22. Калнагуз О.М. Системи авторозвороту / Пилипенко І.І., Сіренко Ю.В., Горовий М.В., Калнагуз О.М. // Матеріали Міжнародної наукової конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки" (17–19 жовтня 2024 року) / МОН України, НУБіП України. Київ. 2024. 527с. – (с. 230–233).

23. Калнагуз О.М. Аналіз систем розумного землеробства / Харченко Ф.М., Калнагуз О.М., Пилипенко І.І. // Матеріали Міжнародної наукової конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки" (17–19 жовтня 2024 року) / МОН України, НУБіП України. Київ. 2024. 527с. – (с. 233–236).

Read more

Similar theses

0525U000221

Vitalii M. Yaropud

Mechanical and technological bases of the processes of ensuring the microclimate of piggery premises

0525U000081

Maria Pankiv

Mechanical and technological modeling of the work processes of combined cleaning systems of root-harvesting machines

0424U000319

Nykyforov Anton O.

Substantiating the design and mode parameters of the vibro-friction separator of small-seeded materials

0424U000302

Petro I. Vitrukh

Justification of the parameters and modes of operation of the transport-technological machine for applying solid mineral fertilizers

0524U000070

Vadym V. Bredykhin

Scientific basis of the processes of vibropneumatic separation of seed materials by seed density