автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование эксплуатационных показателей лесовозного автопоезда с активным прицепом

БЕЛОРУССКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. С.М.КИРОВА

На правах рукописи БАЖЕНОВ ЕВГЕНИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

УДК 630.3:629.114.3

ОБОСНОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА С АКТИЕНЫМ ПРИЦЕПОМ

05.2Г.0Г - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Минск 15)90

Работа выполнена в Уральском ордена Трудового Красного Знамени лесотехническом институте имени Ленинского комсомола

/

Научный руководитель- заслуженный деятель науки и,

техники РСФСР, доктор техни-. ческах наук, профессор СИЛУКОВ Ю.Д.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор АНИСИМОВ Г.М.

кандидат технических наук, доцент ГЕРМАЦКИЙ A.B.

Ведущая организация - Минский автомобильный завод

(МАЗ)

Защита диссертации состоится " ¿-¿¿Уич^с 1990 ГОда в

час. на заседании специализированного Совета К.056.01.01 в Белорусском технологическом институте имени С.М.Кирова.

Адрес: 220630, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, корпус 4, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского ордена Трудового Красного Знамени технологического института имени С.М.Кирова.

Автореферат разослан " ^ " 1990 года

Учёный секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук

ТРОДШОВ С.И.

[

ггзстл

'АКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работу. Работа автомобильного транспорта на вывозке леса весьма специфична, что обусловливается эксплуатацией лесовозных автопоездов (АП), в основном, на упрощенных временных дорогах, которые составляют около 43$ лесовозных дорог всех типов. При неблагоприятных погодных условиях такие дороги становятся существенным препятствием при транспортировке леса. Это ведёт к сезонности в работе АП, уменьшению рейсовых погрузок, преждевременному износу дорог и, как следствие, к сокращению объёмов вывозки древесины. Из всех эксплуатационных показателей, присущих серийно-выпускаемым лесовозным АП, совершенствованию поддаётся только опорно-сцепная проходи -мость. Применение на лесозаготовках и лесовосстановлении АП с активными прицепами (ААП) даёт возможность облегчить условия эксплуатации на зимних дорогах, грунтовых дорогах в период распутицы, применять на вывозке леса многокомплектные АП.

Таким образом, работы, связанные с совершенствованием эксплуатационных показателей, ведут к повышению эффективности лесовозного подвижного состава и приобретают особую актуальность, а исследования в данном направлении представляются своевременными и необходимыми.

Цель работы - улучшение эксплуатационных показателей лесовозных автопоездов за счёт активизации прицепного состава.

Задачи исследований:

- обосновать использование активных прицепов на лесозаготовках ;

- провести кинематический и динамический анализ работы лесовозного ААП с учётом стохастического характера дорожных условий, кинематического рассогласования и упругого момента

в замкнутом контуре "колёса тягача - колёса прицепа - дорога";

- разработать математическую модель движения лесовозного ААП, на основании которой определить рациональную величину крутящего момента, реализуемого на колёсах активного прицепа, и обооновать оптимальную величину кинематического рассогласования в ьркзоде колёс прицепа-роспуска;

- щ/овгсти экспериментальную проверку результатов теоретических исследований и по результатам пр:изводственниг ио-

лытаний дать технико-экономическую оценку использования МП; ! - разработать рекомендации по практическому использованию результатов работы. .

Научная новизна. Впервые разработана математическая мо- . дель движения лесовозного ААП, учитывающая упругий момент в замкнутом контуре и стохастический подход к определению величины подводимого к колёсам активного прицепа крутящего момента. Получены научные данные, позволяющие выбирать рациональное соотношение параметров привода активного прицела лесовозного ААП.

Практическая ценность работы заключается в том, что предлагаемые параметры привода активного прицепа (кинематическое рассогласование и величина подводимого к колёсам активного прицепа крутящего момента) позволяют улучшить тягово-сцепные качества АП и дают возможность применять на вывозке леса многокомплектные АП. Даны рекомендации, на каких типах грунтов наиболее аффективно включение активного прицепа.

реализация результатов работы. В ВЯЛО Пермлеспром изготовлены два лесовозных ААП. За период эксплуатации экономический эффект составил 1,47 тыс. руб. на один ААП в год. Использование при проектировании и изготовлении ААП рекомендаций, данных в работе, позволило:

- обосновать величину крутящего момента, подводимого к кблёсам прицепа-роспуска;

- исключить вынужденные простои АП из-за плохого состояния лесовозных дорог;

- исключить необходимость использования дополнительной тяговой единицы при перемещении АП по усу; .

- уменьшить отрицательное воздействие движителя на опорную поверхность (уменьшение глубины колеи и "шлифования" опорной поверхности).

На защиту выносятся: динамический анализ работы лесовозного ААП с учётом стохастического характера дорожных условий и кинематического рассогласования в приводе колёс прицепа; математическая модель движения ААП; методика определения рациональной величины реализуемого на колёсах активного прицепа крутящего момента; обоснование оптимальной величины кинематического рассогласования в приводе колёс активного прицепа.

Апробация работы. Результаты работы отражены в отчёте УЛТИ по научно-исследовательской деятельности, включенной в координационный план отрасли (per. Ji 01.83.0083036), докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции в Сибирском автомобильно-дорожном институте (г. Омск).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 3 печатных работы.

Объём работ». Диссертационная работа изложена на 229 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4-х разделов, общих выводов и рекомендаций, библиографии из 58 наименований, 51 страниц приложений. Работа иллюстрирована 24 таблицами и 54 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Введение. Обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель работы и основные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел посвящен изучению состояния вопроса по исследованиям ААП и связанных с ними проблем. Вопросам проходимости, кинематики и динамики движения АП посвящены труды Я.С.Агейкина, А.С.Антонова, Р.Г.Армадерова, П.В.Аксенова, Ю.И.Вагина', А.В.Жукова, Я.Х.Закина, В.А.Петрушова, Ю.Д.Силу-кова, В.М.Семенова и рЛДа других учёных.

•Анализ работ, выполненных этими авторами, показывает, что одним из важнейших резервов повышения эффективности АП и улучшения их эксплуатационных свойств является увеличение проходимости, достигаемое осуществлением привода колёс прицепа-роспуска. Однако, работы, проведённые в этом направлении, представлены малым объёмом исследований и носят, в ос -новном, поисковый характер. На основании анализа теоретических и экспериментальных данных, производственного опыта применения ААП в условиях ВЛПО Пермлеспром и выявленных при этом недостатюь конструкции, формулируются задачи исследований. В этом же разделе приводится обоснование использования активных пршюпов на лесозаготовках по технолсгнческим и эксплуатационным показателям.

Ьтоиой раздэл посвящен разработке математической модели

движения ААЛ. При формализации процесса рассматривается обособленное движение тягача и прицепа. Б основу описания, положены уравнения Раусаучитывающие связи, наложенные со. стороны опорной поверхности на ААП. При выборе расчётной схемы приняты следующие допущения: движение осуществляется по ровной недеформируемой поверхности; негалономные связи движителя и опорной поверхности представлены в виде детерминированных зависимостей сил бокового увода от второй производной перемещения и сил инерции; в процессе движения зазоров в сцепке ААП нет и ударное взаимодействие звеньев отсутствует; при равномерном или равноускоренном движении циклическое взаимодействие звеньев заменяется постоянной силой, знак которой зависит от знака кинематического рассогласования; масса груза приведена к центрам масс тягача и прицепа; в качестве обобщённого показателя тяговых свойств ААП принята свободная сипа тяги на крюке. На рис. I и рис. 2 представлены плоские расчётные схемы тягача и прицепа ААП. При разработке модели применен модульный принцип построения расчётных схем отдельно дум тягача и прицепа с последующей их стыковкой по законам аналитической механики.

Уравнения, описывающие движение ААП, имеют следующий вид

5 2

. плтХь- ттаг Зтг-гп.агЪз г V ^^ ^ Т.. С-Л 5 2

4Ф 1-1 . «

- Хвтта$'щГ+ У6тТаСоЗ'Г+Ца ■+\)х =

m x, - „, ¿ J.W -nn/rJCo-,A=-/t

'ithnW'^A)^;

<-■4 i-1

rnnYrt+ OosoL P,fSin(¿ -f>y

-XAmndSin <¿ * ^'1 Sintl ^

•i- •>

I VUv ^ % -I £ MJty * v.

Б полученной системе уравнений приняты следующие обозначения: тт — масса тягача; 1пп- масса прицепа; X¿>Y¿ -координаты центра вертикальной оси коника тягача; - угол поворота cj -го колеса ААП; - момент инерции ij -го колеса ААП; X - момент инерции тягача; - момент инерции прицепа; X , Ул - координаты центра вертикальной оси коника прицепа; J¡T - момент инерции двигателя тягача; З3„ - момент инерции двигателя прицепа; - момент сопротивления движению ij -го колеса; C¿j - коэффициент, определяющий кинематическую связь двигателя с ij -м колесом. Остальные обозначения ясны из рис. I и рис. 2 и не требуют особых пояснений.

На первом этапе были рассмотрены кинематические и динамические особенности работы ААП, позволяющие устранить неопределённость полученной системы и обеспечить аналитическую связь между параметрами тягача и прицепа.

Для устранения неопределённости полученной системы в нее введены уравнения состояния, описывающие скольжение ij -го колеса и увода / -й оси ААП.

Увод i -й оси . .

¿< - Vi

Скольжение ij -го колеса

килеиа . j

$ - j is^XA^I-HA

Скольжение управляемых колёс , р

V-----'

ч

где £■ - увод с -й оси ААП; <£/ - скольжение // -го колеса;

- расстояние от центра вертикальной оси коника до С -й оси моста тягача или прицепа; <?„ - первая производная от обобщённой угловой координаты тягача или прицепа; л- , Ус первые производные координат I -го моста тягача или прицепа; V- - линейная скорость центра Ь -го моста.

В приведённых выше выражениях индекс С = I,... 5 - номер моста ААП (начиная о переднего моста тягача); индекс П = I соответствует угловой координате тягача - 2 -

прицепа (оС).

В качестве оценочного показателя рекуперативного нагру-жения трансмиссии рассматривается упругий момент, величина которого зависит от кинематического рассогласования, возникающего между тягачём и прицепом. Коэффициент кинематического рассогласования имеет вид

1

= ( I - -jf- ) • 100 %,

где j1 - коэффициент кинематического рассогласования; Па -частота вращения ведущих колёс активного прицепа, мин-''"; Пг- частота вращения ведущих колёс тягача, мин .

Посредством коэффициента кинематического рассогласования выражается параметры прицепа через параметры тягача, что позволяет оценить влияние рассогласования ha тяговые показатели ААП и рассчитать величину упругого момента в трансмиссии.

Для анализа взаимодействия звеньев во время движения ААП составлен ориентированный граф, вершины которого характеризуют состояние All в данный момент времени, а рёбра -переход из состояния в состояние в зависимости от кинематического рассогласования и дорожных условий. На рис. 3 пред-

Рис. I. Схема сил, действующих на тягач ААП

X

Рио. 2. Схема сил, действующих на прицеп ААП

ставлены графы состояний обычного АЛ и ААП.

Второй этап предусматривал численное решение полученной математической модели на основании анализа взаимодействия звеньев ААП и с учётом аналитических зависимостей для скольжения и увода колёс. С этой целью был составлен алгоритм и написана программа в диалоговом режиме на языке Паскаль. Результаты расчёта для дорожных условий, характеризуемых коэффициентом сцепления Ч1 = 0,25 - 0,35 и коэффициентом суммарного сопротивления движению Г = 0,15 - 0,25 представлены на рис. 4. На рисунке буквами а, б, в, г обозначены зависимости при, соответственно, 10, 20, 30 и 40 процентном соотношении тягоеых усилий прицепа и тягача. Римскими цифрами обозначены номер передачи в коробке передач и раздаточной коробке.

Результаты численного решения показывают, что максимальное значение силы тяги на крюке ААП на всех.типах грунта при малом значении силы тяги, реализуемой на колёсах прицепа, лежит в пределах 5-10$ кинематического рассогласования. С увеличением соотношения тяговых усилий тягача и прицепа максимум смещается в отрицательную область и лежит в пределах 10-15$.

На основании теоретических исследований можно рекомендовать:

- на обледенелых и снежных укатанных дорогах - 8-12$ рассогласования и 15-20$ тягового усилия на колёсах прицепа от тягового усилия на колёсах тягача;

- на грунтовых дорогах в распутицу 0 - -10$ рассогласования и 33-37$ соотношения тягового усилия на колёсах прицепа, тягача ;

- указанные соотношения параметров вводятся в привод при изготовлении ААП или привод выполняется регулируемым;

- на дорогах с коэффициентом сцепления больше 0,-1 включение активного прицепа нецелесообразно, так как это ведёт

к значительным рекуперативным потерям в трансмиссии ААП.

Третий раздел посвящен экспериментальным исследованиям лесовозных ААП.

Экспериментальные исследования проводились в три этапа:

- /сслодование натурного образна ААП;

' - исследование лабораторной модели ААП;

- производственные испытания ААП.

Рис. 3. Граф состояний: а - АП; й - ААП /// - скольжение ведущих колёс;

- недостаток тягового усилия ведущих колёс для преодоления внешних сопротивлений Т - тягача, П - прицепа

%

кИ

80 ?0 $0 ВО 40

50 20 IО

л/л

/

А Г „

У Аг/ ее

/ Ч

— J

- го _

лА1

Я* а

4 8о

2 ?0

0 50

-2 Я0

-4 4о

-6 ¿0

20

-1о {0

-4о -20 о ¿О 4о

а

...

/

лМ 4 (й?

гу

и-

и I Ж ► 1

1 ( ? 6 ( >.

¡7 В 1 | /V/

еэ1 Г Г Ч

лМ кН*

1 о

-4--В

-Ю

Чз -¿о О ¿о 4о ?% б

о го 4о Г

Рис. 4. Зависимость свободной силы тяги на кшке и упругого момента в контуре ААП от кинематического рассогласования, где

•'- > -•_и 1-Н. ■____ _ . 11-1, _П-П

. На первом этапе исследования проводились на экспериментальном образце лесовозного ААП, изготовленного на бдзе КрАЗ-255Л ГКБ-9383, в производственных условиях Уральского учебно-опытного лесхоза. Полученные в результате зависимости представлены на рис. 5. На рисунке буквами а, б, в, г обозначены разные типы грунтов.

По результатам натурного эксперимента рассчитаны коэффициенты и построен полином, отражающий зависимость свободной силы тяги на крюке ААП от дорожных условий, вертикальной нагрузки и кинематического рассогласования.

Конструкция привода прицепа экспериментального образца ААП позволила обеспечить диапазон изменения кинематического рассогласования в положительной области от 16 до 50$. На втором этапе, с целью исследования процесса в широком диапазоне изменения кинематического рассогласования, была изготовлена лабораторная модель ААП, позволившая изменять этот параметр от -100 до +100$. Результаты исследований на лабораторной модели представлены на рис. 6, где буквами а, б, в, г обозначены различные дорожные условия. По результатам лабораторных исследований рассчитаны коэффициенты и построен полином, описывающий зависимость свободной силы тяги ААП от кинематического рассогласования, вертикальной нагрузки и дорожных условий. Анализ уравнений регрессии натурного и лабораторного экспериментов показал их адекватность. Сравнение результатов исследований на натурном образце и лабораторной модели ААП с результатами теоретических исследований показало высокую сходимость результатов. Третий этап предусматривал испытания ААП в производственных условиях. Испытания проводились на двух образцах ААП в МП0 Пермлеспрома и показали работоспособность и высокую эффективность конструкций.

Результаты экспериментов показывают, что максимальное значение силы тяги на крюке при 1001» нагрузке и 30-35% соотношении тяговых усилий тягача и прицепа реализуется в диапазоне 0 —10,» кинематического рассогласования, что соответствует результатам теоретических исследований. Включение активного прицепа при принятом кинематическом рассогласовании и под полной нагрузкой повышает тягоше показатели ЛИ:

- ка дороге с V = о »¿¡С - О.ЗЬ • но - 12-',;

- на дороге с ^ - 0,10 - ни <-// -

Р*

км

/3

¿Л

&

о%

1оо%/

>

М ч

]о го 5о 4о f%

а

5У

Зо

25

2.0

3<егя£ 15% < / ¡ОСро

О7о

№ го Зо 4о Б

%

48

16

Ж

а

8 ¿00% Г^ч. 1с??: 357.

Г "Ч, N

Р

ей

33.

30

гь

1оо%

БОТ,

гяу к

¿о го 2о 4о г

Рис. 5. Зависимость свободно]'! сило тягл на крике от кинематического рассогласования (натурный эксперимент)

& аН

2i ¿.о 48

a

42.

io 8

кН

31

32 io

П 2i

Ik ¿Z ¿0

/ ■V «ЗЕ

Л 1 />'}t ш *

шшпшш

✓ Z/ 1 ft £

N ! Л

\

• \

-8o -to О 4o so -f%

*

?5%

V

-So -4 о О 4о Л» /5

iг

го

is

tc

H

42 io

e

-SO о 4o g-o f% б

£

54

32

5 о Л8 2S

M 2.1 го

\ S

ч & V

We' т ч

.4» ш *

/«г %

\

Рис. 6. Ьзьг.галеть свободной силы тяги Hi. крюке от

канеиятичьского рассогласования (лабораторные

¡'СС.'ОДСгЫШЯ )

В четвёртом разделе приводится технико-экономическое обоснование использования ААП. Работа изготовленных образцов ААП в производственных условиях и результаты расчёта экономической эффективности показывают, что экономический эффект от внедрения ААП в производство составил 1,47 тыс. руб. на один однокомплектный и 4,6 тыс. руб. на один двухкомплектный ААП в год, что подтверждается актом внедрения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕК0МЕНДАВД1

1. Перспективы развития лесозаготовительной промышленности связаны с освоением новых сырьевых районов и со значительным развитием временных лесовозных дорог. Приведённые в работе теоретические и экспериментальные исследования показывают, что использование в лесной промышленности АЛЛ ведёт к повышению эффективности лесотранопортннх операций.

2. На лесотранспортных операциях в качестве основного показателя, влияющего на эффективность использования лесо -возных АП, целесообразно рассматривать проходимость. Обобщённым показателем, по которому оценивается способность АП преодолевать труднопроходимые участки, является свободная сила тяги на крюке АП.

' 3. Создана математическая модель движения лесовозного ААП, позволяющая, в отличие от существующих, учитывать кинематическое рассогласование и упругий момент в приводе колёс прицепа. Модель даёт возможность исследовать тяговые пока -затели, нагруженность трансмиссии и взаимодействие звеньев ААП при различных вариантах и траекториях движения.

4. Аналитические зависимости для определения кинематических параметров поворота с учётом увода колос тягача и прицепа позволяют сделать выеоц о возможности эксплуатации лесовозных ААП на существующих дорогах.

5. Ориентированный граф состоянии, иллюстрирующий различные режимы движения, даёт возможность провести динамический анализ работы ААП о учётом различных дорожных условий и кинематического рассогласования в приводе колёс пршхепа-рос-пуска.

6. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что отсутствие конструктивного кинематического рассогласования в приводе колёс прицепа не ведёт к исчезновению упругого момента в замкнутом контуре "колёса тягача - колёса прицепа - дорога". Существование упругого момента ведёт к возникновению на ведущих органах одного из звеньев ААП касательной силы, препятствующей движению. В результате увеличение крутящего момента, подведённого к движителю, ведёт к уменьшению свободной силы тяги ААП.

7. При определении рациональной величины крутящего момента, подведённого к колёсам активного прицепа, используется стохастический подход к оценке проходимости ААП. Результаты имитационного моделирования показывают, что стохастическая оценка даёт около 20$ случаев потери проходимости, в то время как детерминированный расчёт показывает возможность движения душ 100$ случаев. Основываясь на этом, величина крутящего момента, подведённого к колёсам прицепа, должна определяться из соображений минимальной вероятности потери проходимости ААП в конкретных дорожных условиях. При этом

на обледенелой и снежной укатанной дороге минимальная вероятность потери проходимости соответствует 13 - 18$ соотношению тяговых усилий колёс тягача и прицепа. При движении по грунтовым размытым дорогам это соотношение должно быть уже 33 - 36$.

8. Для осуществления максимальной эффективности ААП в привод колёс прицепа при проектировании необходимо вводить конструктивное кинематическое рассогласование, при котором обеспечивается максимальная свободная сила тяги на крюке. Для ААП на базе КрАЗ-255! ГКБ-9383 на обледенелых и снежных укатанных дорогах кинематическое рассогласование должно быть 8 - 12$ в положительном диапазоне. На грунтовых размытых дорогах - 0 - 1052 в отрицательном диапазоне. Таким образом, на выбор величины кинематического рассогласования оказывает влияние величина подведённого к колёсам прицепа крутящего момента а дорожные условия, при которых будет производиться вядшениэ активного прицепа.

9. Необходимое кинематическое рассогласование вводится в привод посредством объёмного регулирования или при проектировании, на основании доминирующих дорожных условии, в ко-

торых будет эксплуатироваться МП.

10. Использование ААП позволяет максимально повысить тяговые возможности лесовозного АП на дорогах с низкими коэффициентами сцепления и применять на вывозке леса много -комплектные АП.

11. Конструкция привода колёс прицепа-роспуска должна отвечать условиям кратковременности включения для преодоления участков дороги, на которых возможна потеря проходимости.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Багин Ю.И., Баженов Е.Е. Пути повышения эффективности лесовозных автопоездов // Эксплуатация лесовозного подвижного состава: Межвуз. сб. науч. тр. - Свердловск, 1984. - С. 3 - 8.

2) Багин Ю.И., Баженов Е.Е. Лесовозный автопоезд с активным прицепом // Эксплуатация лесовозного подвижного состава: Межвуз. сб. науч. тр. - Свердловск, 1984. - С. 8 - 13.

3) Юшков А.И., Баженов Е.Е., Голомидов С.И. Определение мощности привода активной оси прицепов // Эксплуатация лесовозного подвижного состава: Межвуз. сб. науч. тр. -Свердловск, 1985. - С. 72 - 75.

4) Создание лесовозных автопоездов на базе автомобилей КрАЗ и МАЗ с активной ведущей осью у прицепа: отчёт УЛТИ / Руководитель работ Ю.И.Багин. - Шифр 9/78-8; }£ ГР 01.83.0083036. - Свердловск, 1985. - 136 с.