Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
UDK 629.542.6 Суда для перевозки лесоматериалов, лесовозы
The article presents the consequences of operating timber road trains consisting of timber trucks with trailers with disintegration when moving along poorly equipped timber roads with frequent braking and starting. The direction of research is considered, which allows increasing the efficiency of the timber road train by means of energy recovery of oscillations of the links of the timber road train. Two schemes of recuperative rotary cone devices equipped with a ball support and a damper mechanism are proposed for timber trucks with trailers with disintegration. A description is given of the implementation of energy recovery and load damping by the proposed devices during starting and braking of the timber truck with a trailer with disintegration.
damper mechanism, ball joint, timber truck, energy recovery, split trailer, timber, working fluid, unsteady driving conditions, timber road, fuel consumption, efficiency
Вывозка лесоматериалов (ЛМ) занимает важное место в лесозаготовительном производстве. Для снижения затрат, расходуемых на данный процесс, повышение эффективности производства в лесной промышленности необходимо, чтобы задействованные в процессе вывозки лесоматериалов лесовозные автопоезда (ЛАП) обладали высокими показателями тягово-скоростных свойств, а также топливной экономичностью. Кроме этого, неотъемлемым условием повышения эффективности ЛАП, является минимизация появления возможных колебаний при движении между его звеньями, проводимая на этапах проектирования, доводки, производства и эксплуатации ЛАП. Наиболее конкурентоспособными по энергетическим показателям для вывозки длинномерных ЛМ являются ЛАП в составе лесовозных тягачей (ЛТ) с прицепами-роспусками (ПР). Их использование в сравнении с ЛАП другого компонования дает возможность при отсутствии резких подъемов на лесовозной дороге (ЛД), ограничивающих массу автопоезда, повысить сменную выработку за счет транспортирования ЛМ, массой превышающей в несколько раз грузоподъемность ЛТ [1, 2].
ЛТ с ПР являются сложной динамической системой, состоящей из большого числа масс, связи между которыми весьма разнообразны. Кроме этого, ЛТ с ПР характеризуются многообразием режимов движения, которые зависят от условий региона их эксплуатации, а также от особенностей конструкции ЛАП и специфики вывозимых ЛМ. Основными эксплуатационными показателями работы ЛАП при вывозке ЛМ, являются производительность и себестоимость процесса транспортирования ЛМ. Производительность ЛАП зависит от многих факторов, наиболее важными из которых, являются: время простоя при погрузке и разгрузке ЛМ, скорость движения ЛАП в грузовом и порожнем направлениях, а также грузоподъемность и степень ровности ЛД. Время движения ЛАП по ЛД зависит от скорости движения, которая ограничивается весом ЛАП, наличием крутых поворотов и уклонов. Кроме этого, при наличии ровных ЛД и оптимальном использовании ЛАП его тягово-динамических характеристик, фактором, снижающим скорость движения ЛАП, является его плавность хода. Возникающие колебания подрессоренных и неподрессоренных масс ЛАП при преодолении им неровностей ЛД способствуют появлению динамических нагрузок, а также поперечных и вертикальных ускорений, действие которых ограничивает движение ЛТ с ПР с требуемой скоростью. Интенсивность колебаний ЛТ с ПР во многом определяется ровностью ЛД, которая зависит от качества покрытия и характеризуется параметрами микрорельефа ЛД [3].
Как известно, покрытие ЛД не является идеально ровным. Даже при сдаче ЛД в эксплуатацию на них имеются первоначальные неровности, допускаемые технологией строительства. В процессе эксплуатации под воздействием движения ЛТ с ПР и природных факторов, увеличивается величина и количество неровностей, отрицательно влияющих на технико-эксплуатационные показатели работы ЛАП. Движения ЛТ с ПР по неровным ЛД сопровождается непрерывными вынужденными колебаниями в продольной и поперечной вертикальных плоскостях, которые воздействуя на водителя повышают его утомляемость, а также увеличивают нагруженность узлов и агрегатов ЛАП. Известно, что при эксплуатации ЛТ с ПР по плохо обустроенным ЛД, средняя скорость движения ЛАП уменьшается на 40-50 %, расход топлива возрастает на 50-70 %, а производительность работы ЛАП снижается на 35-40 % по сравнению с соответствующими показателями ЛТ с ПР при движении по ровным ЛД [3]
Практика эксплуатации ЛАП в составе ЛТ с ПР показывает, что сосредоточенная нагрузка на поворотное кониковое устройство (ПКУ) ЛТ оказывает значительное воздействие на несущую систему ЛАП. При таких нагрузках в месте окончания подкониковой рамы ПКУ на верхних лонжеронах рамы ЛТ появляются трещины. При предельном нагружении ПКУ ЛТ фиксируются возникновение прогибов его основания, а также вырывы из гнезд подкониковой рамы шкворней ПКУ [4].
Для сведения к минимуму динамических нагрузок на несущую систему ЛТ от шкворня ПКУ при продольных и поперечных колебаниях звеньев в процессе неустановившихся режимах движения ЛАП, повышения надежности и долговечности несущей системы ЛТ, а также улучшения плавности хода и снижения расхода топлива, представляет интерес разработка и исследование перспективных рекуперативных и демпферных ПКУ для ЛТ с ПР [5-7].
Анализ патентных материалов в области существующих конструкций ПКУ для ЛТ с ПР позволил авторам разработать и предложить перспективные схемы рекуперативных поворотных кониковых устройств (РПКУ) с шаровой опорой (ШО) (рис. 1) и демпферным механизмом (ДМ) (рис. 2).
Работа РПКУ 3 с ШО 5 основана на преобразовании кинетической энергии масс ПР 2 с ЛМ в энергию рабочей жидкости (РЖ) при неустановившихся режимах движения ЛАП в условиях плохо обустроенных ЛД. РПКУ 3 с ШО 5 устанавливается в нижней части рамы 4 ЛТ 1 (рис. 1). В неподвижном состоянии ЛАП ПКУ 3 с ШО 5 находятся в зацепленном состоянии с рекуперативным механизмом, закрепленном на раме 4 ЛТ 1. При торможении ЛАП работа РПКУ 3 с ШО 5 заключается в следующем. ПР 2 с ЛМ перемещается под действием силы инерции своих масс в сторону тормозящего ЛТ 1. В результате этого происходит перемещение влево ШО 5 с соединенными с ней штоками гидроцилиндров (ГЦ) 7-10. Это приводит к сжатию РЖ в соответствующих поршневых и штоковых полостях ГЦ 7, 10 и 8, 9, которая под возросшим давлением поступает по гидромагистралям 17, 18 и через обратный клапан 11 в пневмогидроаккумулятор (ПГА) 15. Накапливаемая в ПГА 15 энергия РЖ далее под возросшим давлением поступает через редукционный клапан 14 к порту 16 подачи РЖ потребителям, или же в случае полной зарядки ПГА 15, сбрасывается через предохранительный клапан 13 в гидробак 19 [7].
Рисунок 1 – Схема рекуперативного поворотного коникового устройства с шаровой опорой
Возвращение ГЦ 7-10 в исходное состояние после торможения ЛАП осуществляется за счет взаимосвязи ГЦ 7-10 с пружинами 6 при трогании ЛТ 1, переключении передач, а также ускорении ЛАП. Пружины 6 возвращают РПКУ 3 с ШО 5 в исходное транспортное положение относительно рамы ЛТ 1. Образующееся при возвращении РПКУ 3 в исходное состояние разряжение в соответствующих поршневых и штоковых полостях ГЦ 8, 9 и 7, 10 приводит к поступлению в них РЖ из гидробака 19 по гидромагистралям 17, 18 и через обратный клапан 12. В процессе трогания ЛАП, рассмотренные выше процессы работы РПКУ 3 с ШО 5 повторяются, только РЖ под давлением поступает из поршневых и штоковых полостей ГЦ 8, 9 и 7, 10. Далее при движении ЛТ 1 с ПР 2 по плохо обустроенным ЛД рабочие циклы РПКУ 3 с ШО 5 чередуются аналогично вышеописанной последовательности. Наличие в РПКУ 3 ШО 5 позволяет в сравнении с традиционным ПКУ ЛАП снизить динамические нагрузки, воспринимаемые им при неустановившихся режимах движения автопоезда, предотвратить блокировку, скручивание и интенсивный износ ПКУ ЛТ [7].
Наличие ДМ в РПКУ ЛАП (рис. 2) дает возможность снизить пиковые нагрузки, воздействующие на ПКУ 3 при неустановившихся режимах движения ЛТ 1 с ПР 2, а также повысить долговечность ГЦ 5 за счет увеличения диапазона поглощения ударов. При торможении, ПР 2 и ПКУ с ШО 7 за счет механизма перемещения 4 ПКУ сдвигаются под действием сил инерции своих масс по
Рисунок 2 – Схема рекуперативного поворотного коникового устройства c демпферным
механизмом: 1 – лесовозный тягач; 2 – прицеп-роспуск; 3 – поворотный коник; 4 – механизм
перемещения поворотного коникового устройства; 5 – гидроцилиндр; 6 – продольные лонжероны рамы; 7 – шаровая опора; 8 – шток; 9 – поршень; 10 – поршень газовой полости; 11, 12 – штоковая и поршневая полости; 13 – газовая полость; 14-17 – обратные клапаны; 18 – гидробак;
19 – пневмогидроаккумулятор; 20 – редукционный клапан; 21 – предохранительный клапан;
22 – порт подачи рабочей жидкости потребителю; 23 – всасывающий трубопровод;
24 – напорный трубопровод; 25, 26 – гибкие трубопроводы
продольным лонжеронам рамы 6 ЛТ 1 в сторону тормозящего ЛАП. В результате этого, РЖ из поршневой 12 полости ГЦ 5 по гибкому 26 трубопроводу, через обратный 14 клапан и напорный 24 трубопровод поступает в ПГА 19. При этом штоковая 11 полость ГЦ 5 за счет разряжения заполняется РЖ из гидробака 18 через всасывающий 23 трубопровод, обратный 17 клапан и гибкий 25 трубопровод.
Таким образом, практическое применение предлагаемых РПКУ с ШО и с ДМ позволит при неустановившихся режимах движения ЛТ с ПР в условиях плохо обустроенных ЛД: сократить расход топлива ЛТ за счет рекуперации энергии РЖ и ее последующее полезное использование при работе гидравлического технологического оборудования; снизить воздействие динамических нагрузок на шкворень и подкониковую раму ПКУ; повысить надежность автопоезда, а также улучшить плавность хода при движении ЛТ с ПР в сложных дорожных условиях.
Вывозка лесоматериалов (ЛМ) занимает важное место в лесозаготовительном производстве. Для снижения затрат, расходуемых на данный процесс, повышение эффективности производства в лесной промышленности необходимо, чтобы задействованные в процессе вывозки лесоматериалов лесовозные автопоезда (ЛАП) обладали высокими показателями тягово-скоростных свойств, а также топливной экономичностью. Кроме этого, неотъемлемым условием повышения эффективности ЛАП, является минимизация появления возможных колебаний при движении между его звеньями, проводимая на этапах проектирования, доводки, производства и эксплуатации ЛАП. Наиболее конкурентоспособными по энергетическим показателям для вывозки длинномерных ЛМ являются ЛАП в составе лесовозных тягачей (ЛТ) с прицепами-роспусками (ПР). Их использование в сравнении с ЛАП другого компонования дает возможность при отсутствии резких подъемов на лесовозной дороге (ЛД), ограничивающих массу автопоезда, повысить сменную выработку за счет транспортирования ЛМ, массой превышающей в несколько раз грузоподъемность ЛТ [1, 2].
ЛТ с ПР являются сложной динамической системой, состоящей из большого числа масс, связи между которыми весьма разнообразны. Кроме этого, ЛТ с ПР характеризуются многообразием режимов движения, которые зависят от условий региона их эксплуатации, а также от особенностей конструкции ЛАП и специфики вывозимых ЛМ. Основными эксплуатационными показателями работы ЛАП при вывозке ЛМ, являются производительность и себестоимость процесса транспортирования ЛМ. Производительность ЛАП зависит от многих факторов, наиболее важными из которых, являются: время простоя при погрузке и разгрузке ЛМ, скорость движения ЛАП в грузовом и порожнем направлениях, а также грузоподъемность и степень ровности ЛД. Время движения ЛАП по ЛД зависит от скорости движения, которая ограничивается весом ЛАП, наличием крутых поворотов и уклонов. Кроме этого, при наличии ровных ЛД и оптимальном использовании ЛАП его тягово-динамических характеристик, фактором, снижающим скорость движения ЛАП, является его плавность хода. Возникающие колебания подрессоренных и неподрессоренных масс ЛАП при преодолении им неровностей ЛД способствуют появлению динамических нагрузок, а также поперечных и вертикальных ускорений, действие которых ограничивает движение ЛТ с ПР с требуемой скоростью. Интенсивность колебаний ЛТ с ПР во многом определяется ровностью ЛД, которая зависит от качества покрытия и характеризуется параметрами микрорельефа ЛД [3].
Как известно, покрытие ЛД не является идеально ровным. Даже при сдаче ЛД в эксплуатацию на них имеются первоначальные неровности, допускаемые технологией строительства. В процессе эксплуатации под воздействием движения ЛТ с ПР и природных факторов, увеличивается величина и количество неровностей, отрицательно влияющих на технико-эксплуатационные показатели работы ЛАП. Движения ЛТ с ПР по неровным ЛД сопровождается непрерывными вынужденными колебаниями в продольной и поперечной вертикальных плоскостях, которые воздействуя на водителя повышают его утомляемость, а также увеличивают нагруженность узлов и агрегатов ЛАП. Известно, что при эксплуатации ЛТ с ПР по плохо обустроенным ЛД, средняя скорость движения ЛАП уменьшается на 40-50 %, расход топлива возрастает на 50-70 %, а производительность работы ЛАП снижается на 35-40 % по сравнению с соответствующими показателями ЛТ с ПР при движении по ровным ЛД [3]
Практика эксплуатации ЛАП в составе ЛТ с ПР показывает, что сосредоточенная нагрузка на поворотное кониковое устройство (ПКУ) ЛТ оказывает значительное воздействие на несущую систему ЛАП. При таких нагрузках в месте окончания подкониковой рамы ПКУ на верхних лонжеронах рамы ЛТ появляются трещины. При предельном нагружении ПКУ ЛТ фиксируются возникновение прогибов его основания, а также вырывы из гнезд подкониковой рамы шкворней ПКУ [4].
Для сведения к минимуму динамических нагрузок на несущую систему ЛТ от шкворня ПКУ при продольных и поперечных колебаниях звеньев в процессе неустановившихся режимах движения ЛАП, повышения надежности и долговечности несущей системы ЛТ, а также улучшения плавности хода и снижения расхода топлива, представляет интерес разработка и исследование перспективных рекуперативных и демпферных ПКУ для ЛТ с ПР [5-7].
Анализ патентных материалов в области существующих конструкций ПКУ для ЛТ с ПР позволил авторам разработать и предложить перспективные схемы рекуперативных поворотных кониковых устройств (РПКУ) с шаровой опорой (ШО) (рис. 1) и демпферным механизмом (ДМ) (рис. 2).
Работа РПКУ 3 с ШО 5 основана на преобразовании кинетической энергии масс ПР 2 с ЛМ в энергию рабочей жидкости (РЖ) при неустановившихся режимах движения ЛАП в условиях плохо обустроенных ЛД. РПКУ 3 с ШО 5 устанавливается в нижней части рамы 4 ЛТ 1 (рис. 1). В неподвижном состоянии ЛАП ПКУ 3 с ШО 5 находятся в зацепленном состоянии с рекуперативным механизмом, закрепленном на раме 4 ЛТ 1. При торможении ЛАП работа РПКУ 3 с ШО 5 заключается в следующем. ПР 2 с ЛМ перемещается под действием силы инерции своих масс в сторону тормозящего ЛТ 1. В результате этого происходит перемещение влево ШО 5 с соединенными с ней штоками гидроцилиндров (ГЦ) 7-10. Это приводит к сжатию РЖ в соответствующих поршневых и штоковых полостях ГЦ 7, 10 и 8, 9, которая под возросшим давлением поступает по гидромагистралям 17, 18 и через обратный клапан 11 в пневмогидроаккумулятор (ПГА) 15. Накапливаемая в ПГА 15 энергия РЖ далее под возросшим давлением поступает через редукционный клапан 14 к порту 16 подачи РЖ потребителям, или же в случае полной зарядки ПГА 15, сбрасывается через предохранительный клапан 13 в гидробак 19 [7].
Рисунок 1 – Схема рекуперативного поворотного коникового устройства с шаровой опорой
Возвращение ГЦ 7-10 в исходное состояние после торможения ЛАП осуществляется за счет взаимосвязи ГЦ 7-10 с пружинами 6 при трогании ЛТ 1, переключении передач, а также ускорении ЛАП. Пружины 6 возвращают РПКУ 3 с ШО 5 в исходное транспортное положение относительно рамы ЛТ 1. Образующееся при возвращении РПКУ 3 в исходное состояние разряжение в соответствующих поршневых и штоковых полостях ГЦ 8, 9 и 7, 10 приводит к поступлению в них РЖ из гидробака 19 по гидромагистралям 17, 18 и через обратный клапан 12. В процессе трогания ЛАП, рассмотренные выше процессы работы РПКУ 3 с ШО 5 повторяются, только РЖ под давлением поступает из поршневых и штоковых полостей ГЦ 8, 9 и 7, 10. Далее при движении ЛТ 1 с ПР 2 по плохо обустроенным ЛД рабочие циклы РПКУ 3 с ШО 5 чередуются аналогично вышеописанной последовательности. Наличие в РПКУ 3 ШО 5 позволяет в сравнении с традиционным ПКУ ЛАП снизить динамические нагрузки, воспринимаемые им при неустановившихся режимах движения автопоезда, предотвратить блокировку, скручивание и интенсивный износ ПКУ ЛТ [7].
Наличие ДМ в РПКУ ЛАП (рис. 2) дает возможность снизить пиковые нагрузки, воздействующие на ПКУ 3 при неустановившихся режимах движения ЛТ 1 с ПР 2, а также повысить долговечность ГЦ 5 за счет увеличения диапазона поглощения ударов. При торможении, ПР 2 и ПКУ с ШО 7 за счет механизма перемещения 4 ПКУ сдвигаются под действием сил инерции своих масс по
Рисунок 2 – Схема рекуперативного поворотного коникового устройства c демпферным
механизмом: 1 – лесовозный тягач; 2 – прицеп-роспуск; 3 – поворотный коник; 4 – механизм
перемещения поворотного коникового устройства; 5 – гидроцилиндр; 6 – продольные лонжероны рамы; 7 – шаровая опора; 8 – шток; 9 – поршень; 10 – поршень газовой полости; 11, 12 – штоковая и поршневая полости; 13 – газовая полость; 14-17 – обратные клапаны; 18 – гидробак;
19 – пневмогидроаккумулятор; 20 – редукционный клапан; 21 – предохранительный клапан;
22 – порт подачи рабочей жидкости потребителю; 23 – всасывающий трубопровод;
24 – напорный трубопровод; 25, 26 – гибкие трубопроводы
продольным лонжеронам рамы 6 ЛТ 1 в сторону тормозящего ЛАП. В результате этого, РЖ из поршневой 12 полости ГЦ 5 по гибкому 26 трубопроводу, через обратный 14 клапан и напорный 24 трубопровод поступает в ПГА 19. При этом штоковая 11 полость ГЦ 5 за счет разряжения заполняется РЖ из гидробака 18 через всасывающий 23 трубопровод, обратный 17 клапан и гибкий 25 трубопровод.
Таким образом, практическое применение предлагаемых РПКУ с ШО и с ДМ позволит при неустановившихся режимах движения ЛТ с ПР в условиях плохо обустроенных ЛД: сократить расход топлива ЛТ за счет рекуперации энергии РЖ и ее последующее полезное использование при работе гидравлического технологического оборудования; снизить воздействие динамических нагрузок на шкворень и подкониковую раму ПКУ; повысить надежность автопоезда, а также улучшить плавность хода при движении ЛТ с ПР в сложных дорожных условиях.
1. Volobuev, E. F. Modelirovanie tipizirovannyh rezhimov dvizheniya lesovoznogo avtopoezda / E. F. Volobuev, L. F. Doronin, Ya. I. Ostrikov // Trudy BGTU. № 2. Lesnaya i derevoobrabatyvayuschaya promyshlennost', 1996. – S. 7-10.
2. Osnovnye principy i podhody pri razrabotke matematicheskoy modeli lesovoznogo avtopoezda / N. P. Vyrko, V. A. Simanovich, S. V. Yarmolik, I. I. Tumashik // Trudy BGTU. № 2. Lesnaya i derevoobrabatyvayuschaya promyshlennost', 2006. – S. 62-65.
3. Zhukov, A. V. Rezervy povysheniya proizvoditel'nosti vyvozki lesa avtopoezdami / A. V. Zhukov, K. B. Abramovich, S. M. Kashuba // Mehanizaciya lesorazrabotok i transport lesa : respublikanskiy mezhvedomstvennyy sbornik / Belorusskiy tehnologicheskiy institut im. S. M. Kirova. – Minsk : Vysheyshaya shkola, 1975. – Vyp. 5. – S. 137-146.
4. Prihod'ko, V. I. Sovershenstvovanie konstrukcii lesovoznyh avtopoezdov KRAZ na osnove vypolneniya kompleksa raschetnyh i eksperimental'no – konstruktorskih rabot: special'nost' 05.06.02 «Mashiny i mehanizmy lesozagotovok, lesnogo hozyaystva i derevoobrabatyvayuschih proizvodstv»: dis. … kand. tehn. nauk / V. I. Prihod'ko ; Kremenchugskoe ob'edinenie po proizvodstvu bol'shegruznyh avtomobiley «AvtoKrAZ». – Kremenchug, 1984. – 303 s.
5. Nikonov, V. O. Sovremennoe sostoyanie, problemy i puti povysheniya effektivnosti lesovoznogo avtomobil'nogo transporta / V. O. Nikonov. – Voronezh : Voronezhskiy gosudarstvennyy lesotehnicheskiy universitet im. G. F. Morozova, 2021. – 203 s.
6. Posmet'ev, V. I. Povyshenie effektivnosti lesovoznyh avtopoezdov s pomosch'yu rekuperativnyh sedel'no-scepnyh i povorotnyh konikovyh ustroystv / V. I. Posmet'ev, V. O. Nikonov, V. V. Posmet'ev ; M-vo obrazovaniya i nauki RF, FGBOU VO «VGLTU». – Voronezh, 2024. – 283 s.
7. Sovershenstvovanie sistemy rekuperacii energii lesovoznogo tyagacha s pricepom-rospuskom / V. I. Posmet'ev, V. O. Nikonov, V. V. Posmet'ev, A. E. Matyashov // Lesotehnicheskiy zhurnal. – 2021. – T. 11, № 2(42). – S. 149-165. – DOIhttps://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2021.2/14.
