Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Россия
УДК 629.542.6 Суда для перевозки лесоматериалов, лесовозы
Приведены последствия эксплуатации лесовозных автопоездов, состоящих из лесовозных тягачей с прицепами роспусками при движении по плохо обустроенным лесовозным дорогам с частыми торможениями и троганиями. Рассмотрено направление исследования, позволяющее за счет рекуперации энергии колебаний масс звеньев лесовозного автопоезда, повысить эффективности его работы. Для лесовозных тягачей с прицепами-роспусками предложены две схемы рекуперативных поворотных кониковых устройств, оснащенные шаровой опорой и демпферным механизмом. Представлено описание осуществления предложенными устройствами рекуперации энергии и демпфирования нагрузок при троганиях и торможениях лесовозного тягача с прицепом-роспуском.
демпферный механизм, шаровая опора, лесовозный тягач, рекуперация энергии, прицеп-роспуск, лесоматериалы, рабочая жидкость, неустановившиеся режимы движения, лесовозная дорога, расход топлива, эффективность
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. Волобуев, Е. Ф. Моделирование типизированных режимов движения лесовозного автопоезда / Е. Ф. Волобуев, Л. Ф. Доронин, Я. И. Остриков // Труды БГТУ. № 2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность, 1996. – С. 7-10.
2. Основные принципы и подходы при разработке математической модели лесовозного автопоезда / Н. П. Вырко, В. А. Симанович, С. В. Ярмолик, И. И. Тумашик // Труды БГТУ. № 2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность, 2006. – С. 62-65.
3. Жуков, А. В. Резервы повышения производительности вывозки леса автопоездами / А. В. Жуков, К. Б. Абрамович, С. М. Кашуба // Механизация лесоразработок и транспорт леса : республиканский межведомственный сборник / Белорусский технологический институт им. С. М. Кирова. – Минск : Вышэйшая школа, 1975. – Вып. 5. – С. 137-146.
4. Приходько, В. И. Совершенствование конструкции лесовозных автопоездов КРАЗ на основе выполнения комплекса расчетных и экспериментально – конструкторских работ: специальность 05.06.02 «Машины и механизмы лесозаготовок, лесного хозяйства и деревообрабатывающих производств»: дис. … канд. техн. наук / В. И. Приходько ; Кременчугское объединение по производству большегрузных автомобилей «АвтоКрАЗ». – Кременчуг, 1984. – 303 с.
5. Никонов, В. О. Современное состояние, проблемы и пути повышения эффективности лесовозного автомобильного транспорта / В. О. Никонов. – Воронеж : Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г. Ф. Морозова, 2021. – 203 с.
6. Посметьев, В. И. Повышение эффективности лесовозных автопоездов с помощью рекуперативных седельно-сцепных и поворотных кониковых устройств / В. И. Посметьев, В. О. Никонов, В. В. Посметьев ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2024. – 283 с.
7. Совершенствование системы рекуперации энергии лесовозного тягача с прицепом-роспуском / В. И. Посметьев, В. О. Никонов, В. В. Посметьев, А. Е. Матяшов // Лесотехнический журнал. – 2021. – Т. 11, № 2(42). – С. 149-165. – DOIhttps://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2021.2/14.
