автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной эффективности гусеничного сочлененного сортиментовоза путем обоснования мощности двигателя

- ' ч г

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАдЕШЯ

На правах рукописи

ЛИСОЙ Виктор Валентинович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГУСЕНИЧНОГО СОЧЛЕНЕННОГО С0РТИМЕНТ0В03А ПУТЕМ ОБОСНОВАНИЯ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ

Сб.21.01 - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

диссертационная работа выполнена на кафедре лесных гусеничных и колесных машин Санкт-Петербургской лесотехнической академии.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор АНИСИМОБ Г.М.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ¡«ШИШКОВ В.Н.

- кандидат технических наук МАЛЫШЕВ Б.Г.

Ведущее предприятие - ПО "Онежский тракторный завод"

Защита диссертации состоится " 24 " ноября 1992 г.

в " _ " часов на заседании специализированного совета

д.063.50.01 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии /194018, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академик

Автореферат разослан " 15 " октября 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Г.М.Анисимов

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для разновозрастных древостоев, занимающих значительную площадь лесов России, наиболее целесообразно применение выборочных рубок с заготовкой сортиментов на леоосеке. Выборочные рубки обеспечивают непрерывное сохранение почвозащитных, водорегулирующих и других полезных функций леса, а также непрерывное его воспроизводство и повышение общей продуктивности древостоев на 19-35$. Наметившийся в последние годы рост объемов сортиментнои заготовки сдерживается из-за отсутствия надекных дешевых сортимектово-зов. В связи с этим весьма актуальны вопросы, связанные с повышением эксплуатационной эффективности гусеничного сочлененного сортиментовоза /ГСС/, разрабатываемого ПО "ОТЗ" на базе лесопромышленного трактора ТБ-1МБ.

Наблюдающаяся тенденция увеличения мощности двигателя трелевочной системы не всегда приводит к значительному повышению ее производительности, а расход топлива на единицу выполненной работы при этом чаще всего увеличивается. В одних условиях трелевочная система показывает низкую эффективность из-за недостаточного уровня энергонасыщенности, а в других условиях у трелевочной система большой энергонасыщенности отсутствуют возможности для набора пачки, позволяющей загрузить двигатель при встречающемся сопротивлении движению. Следовательно, повышать энергонасыщенность трелевочной системы рационально до определенного предела, зависящего от условий эксплуатации.

Цель -работы. Повышение эффективности работы ГСС путем обоснования рациональной мощности двигателя и режимов работы для различных условий эксплуатации.

Научная новизна. Разработана и исследована па ЭВМ математическая модель поворота ГСС, отражающая влияние кривизны поворота на суммарный коэффициент сопротивления движению ГСС. Предложены методики: определения смешанного закона распределения суммарного коэффициента сопротивления движению; оптимизации мощности двигателя е зависимости от предполагаемых условий эксплуатации; прогнозирования технологической произ-

водительности трелевочной системы. Исследованы зависимости законов распределения показателя эксплуатационной эффективности ГСС от мощности двигателя, рейсовой нагрузки и суммарного коэффициента сопротивления движению.

Практическая значимость. Предложенные в диссертационной работе методики в виде алгоритмов и реализующие их программы, разработанные для ПЭВМ IBM PC, позволяют на стадии проектирования выбирать рациональную мощность двигателя, прогнозировать технологическую производительность и режимы нагрукен-ности моторно-трансмиссионной установки для конкретных условий эксплуатации.

Использование полученных результатов при проектировании сортиментовозов сочлененного типа позволяет повысить их эксплуатационную эффективность и уменьшить трудоемкость научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований использованы ГСКБ ПО "ОТЗ" ими создании опытных образцов гусеничных и гусенично-колесных сортиментовозов.

Апообамя работы. Основные положения .диссертационной работы докладывались и обсукдались на научно-технических кон-фервпциях в лесотехнической академии в 1990-1992 гг., на научно-техническом совете ГСКБ ПО "ОТЗ" в 1991 г. Результаты исследований и разработанные на их основе рекомендации отражены в отчетах по хоздоговорной НИР 1.12.009 JS ГР 01860054376 за 1990 г. и 1.12.37 № ГР 01310052776 за 1991 г.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем работы 164 страницы, из них 112 страниц машинописного текста, 32 рисунка, приложения - 20 страниц. Список литературы содержит 86 наименований.

-5-

СОДЕРЖАКИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее цель, дана краткая аннотация прозеденных исследований и приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

Б первом разделе проведен анализ литературных источников по рассматриваемой тематике. Показаны перспективы применения сортиментной технологии лесозаготовок, целесообразность выборочных рубок для разновозрастных древостоев. Освещены основные вопросы взаимодействия трелевочных систем с волоком, в том числе особенности криволинейного движения гусеничных машин. Рассмотрены различные эксплуатационные показатели в плане их использования в качестве критериев эксплуатационной эффективности трелевочных систем.

На основе выводов из аналитического обзора сформулированы следующие основные задачи диссертационной работы:

разработать и исследовать на ЭВМ математическую моцель поворота ГСС, отражающую влияние кривизны поворота на суммарный коэффициент сопротивления движению сортииентовоза;

определить смешанный закон распределения суммарного коэффициента сопротивления движению;

предложить методику обоснования рациональной мощности двигателя для различных условий эксплуатации;

разработать методику прогнозирования технологической производительности ГСС;

провести экспериментальные исследования и проверить адекватность математических моделей.

Во втором разделе разработана математическая модель поворота ГСС и определен смешанный закон распределения суммарного коэффициента сопротивления движению.

Условия эксплуатации трелевочной системы в первую очередь определяются свойствами волока и структурой пачки. Сопротивление волока движению трелевочной системы обычно оценивают коэффициентом сопротивления движению У, который можно представить как композицию трех случайных величин: коэффициента сопротивления качению ^, сопротивления подъему во-

лока I и кривизны поворота / /отношения колеи Б к радиусу поворота Л /. Для определения зависимости суммарного коэфи-циента сопротивления движению V от /, I и 4. была разработана математическая модель поворота ГСС.

Для определения цродольной , поперечной У/ и нормальной 11 составляющих силы, приложенной на крюке тягача от полуприцепа, был рассмотрен обособленный поворот полуприцепа /рис.1/

у &тг + 0**)Вк*11Мег] и * +0*г)Вк * 4 Мег 7

11швгг-Нг> /3/

где Вк - промежуточная переменная,

Вк - + /V

Ра - сила сопротивления качению полуприцепа,

Рь2 = 4Н2, /5/

Мег - момент сопротивления повороту полуприцепа,

- продольное смещение полюса поворота полуприцепа,

в*2,&гг_ продольная и нормальная составляющие веса полуприцепа.

Нормальная реакция грунта на полуприцеп определена из выражения

» = IЪг(*г-4)+6гг(*г-Пг.) /8/

Рис.1. Схема сил, действующих на сортиментовоз при повороте

а приведенный коэффициент сопротивления повороту полуприцепа по формуле А.О.Никитина

= --- , /9/

0,325/5

где /г - кривизна поворота полуприцепа,

/г - 4 &/Вк, /10/

^лл*- максимальный приведенный коэффициент сопротивления повороту, ¿/ям = 0,5-0,9 в зависимости от грунтовых условий.

Рассматривая равномерный поворот тягача изолированно от полуприцепа /рис.1/, но учитывая действующие со стороны последнего силы, получаем возможность определить суммарный коэффициент сопротивления ГСС как

^-¡гЬ- ' М

8г<+вг г

где Л - коэффициент учета силы тяги отставдей гусеницы тягача,

•fi:

при Ро <0, ^ /12/ Рв/Рг лри Ро >0,

где Ро, Рз - силы тяги на отстающей и забегающей гусеницах тягача. Из уравнений моментов сил относительно точек Ез и Ео /рис.1/

Ро = 0,5 (h + ffxt) + Pic - ii^L y/ _ Oil.}

® /13/

Ръ =VtS(X4+Bu) + Psi + i^ii to-h-УУ-.

в &

Момент сопротивления повороту тягача был получен из выражения

Не/ = (1+011- + I /14/

где - приведенный коэффициент сопротивления повороту тя-

-9-

гача, аналогично формуле /9/

Л ' - , /15/

0,9256* а к

XI - продольное смещение центра давления грунта относительно середины гусеницу тягача,

у* т /16/

// - продольное смещение полюса поворота тягача,

1} при $

Жк^ при £+0, д7/

и=

А.

Таким образом, математическая модель поворота ГСС позволяет определять конкретное значение "У пра подстановке конкретных значений /, / и i . Для того, чтобы учесть вероятностный характер этих величин и определить смешанный закон распределения Т в зависимости от законов распределения /, С и & , был использован численный метод Монте-Карло. Плотности распределения входных случайных величин / , I и / описывались рядами Грама-Шарлье типа А на основании таких числовых характеристик этих величин, как математическое ожидание /Л, среднеквадратическое отклонение € , асимметрия <1 и эксцесс р . Затем эти функции плотности преобразовывались в дискретные интегральные функции распределения, которые кусочно аппроксимировались. Это позволило преобразовывать псевдослучайные числа с равномерным законом распределения в интервале /0,1/ в числа с заданным рядом Грама-Шарлье законом распределения. Накопив в результате статистического моделирования достаточную выборку значений случайной величины V*, описываем плотность ее вероятности также рядом Грама-Шарлье.

В третьем раздела рассмотрены вопросы обоснования опти-

мальной мощности двигателя и прогнозирования технологической производительности ГСС.

На основании данных экспериментальных исследований доказано статистическое подобие низкочастотных составляющих колебаний крутящего момента в трансмиссиях ГСС и трелевочного трактора с аналогичной трансмиссией. Следовательно, режимы нагруженности этих трелевочных систем статистически подобны и допустимо взятие за основу теоретических положений, разработанных для трелевочных тракторов: методики прогнозирования вероятности использования передач по времени; данных о коэффициентах загрузки двигателя по мощности на передачах; эффективного показателя трелевочной системы в качестве критерия эффективности процесса трелевки.

Различие эксплуатационных условии влияет в основной: не на загрузку двигателя крутящим моментом на отдельных передачах, а на вероятность использования передач по времени, которую, вследствие этого, можно считать обобщенным показателем, характеризующим условия эксплуатации трелевочной системы. Относительную частоту использования I передачи определяем по формуле

■ИГ

А /18/

■цриЯ

где /к* (V) - плотность распределения случайной скорости движения системы на I передаче,

лгпии лгта*

п ;н - соответственно минимальная и максимальная скорости движения системы на I передаче. Скорость движения ГСС определена как

1Г= Ми /19/

V

где Кч - коэффициент загрузки двигателя по мощности, А - неслучайная величина,

А - ¿6 Иен Чтр , /20/

где Пен - номинальная мощность двигателя,

Ътр ,1г - соответственно к.п.д. трансмиссии и гусениц, О- - соответственно вес сортиментовоза и пачки. Из /19/ видим, что случайная скорость движения V является функцией от двух независимых случайных величин: суммарного коэффициента сопротивления движению V и коэффициента загрузки двигателя по мощности К# . Плотность распределения случайной величины V была получена во 2 разделе диссертации. Случайная величина Кн имеет различные законы распределения на отдельных передачах. Плотность распределения {х1(Кн) случайной величины Км на I передаче описывалась рядом Граыа-Шарлье на основе числовых характеристик Кн , полученных в результате статистической обработки большого числа опытьых рейсов. Плотность распределения скорости движения V

определена по законам распределения случайных величин V и Км

ао

= т? Ы^-) М^к«' /21/

о

Переход к вероятностям использования передач по времени осуществлялся по формуле

Л .. 07 Л V -/

, /22/

где - максимальное число используемыхпередач.

Максимальную эффективность работы ГСС- можно получить при соответствии энергонасыщенности сортиментовоза к рейсовой нагрузки конкретным свойствам трелевочного волска. Как недостаточная, так и избыточная энергонасыщенности ГСС приводят к снижению эффективности его использования. Эффективность использования номинальной мощности двигателя для выполнения рабочих функций можно оценить с помощью эффективного показателя, предложенного проф. Г.М.Анисимовым для трелевочного трактора

Чет = — = /23/

Ней 3,6 Иен '

где - мощность, затрачиваемая на транспортировку пачки.

Мя повышения точности прогнозирования эффективного показателя рассмотрим его с учетом вероятностного представления и потерь в трансмиссии и на буксование гусениц

Чег^СКк,

С _ #„ J- /24/

где If - коэффициент сцепления гусениц с грунтом. В выражении /24/ величины Кн и У, а следовательно и Чет , имеют случайный характер. Пренебрегая случайным характером величины Y, которая используется в /24/ только дня учета буксования гусениц, определяем плотность вероятности эффективного показателя ГСС как

/s»/

что позволяет вычислить математическое ожидание Н>СТ

ïtrJïzâPifai^ïi/ttT. /26/

) С 14 у с О

Исследование на ПЭВМ зависимостей ïer от рейсовой нагрузки S , математического ожидания суммарного коэффициента сопротивления движению ftiv и мощности двигателя Мен /рис.2/ показало, что при фиксированных й и М* наблюдается экстремум-максимум 1er в зависимости от Ней . Следовательно, возможна оптимизация мощности двигателя по критерию "эффективный показатель ГСС". В качестве алгоритма поиска оптимальной Neri использовался метод золотого сечения. Целевой функцией в данном случае являлась функция

1er - /(<?, ttJf, 6ч>, ctv, ß*, Шн). /27/

Ь качестве областных ограничений были приняты неравенства 20 £ Мен 4. 150. Результаты расчетов оптимальных мощностей ГСС для различных сочетаний рейсовой нагрузки и свойств во-

Рис.2. Влияние сопротивления движению, рейсовой нагрузки и мощности двигателя на эффективный показатель ГСС:

а) т* = 0,18; ¿у = 0,09;

б) йп = 100 кН; = 0,09

лока приведены в табл.

Таблица

Оптимальные мощности двигателя ГСС = 0,09/

Коэффициент сопротивления движению bec пачки , кН

40 60 80 100 120

0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 57 62 6? 72 78 84 62 68 74 80 86 93 69 75 81 88 S5 102 75 82 89 95 103 110 81 88 95 104 112 120

На основании прогнозирования эффективного показателя ГСС возможно прогнозирование технологической производительности сортиментовоза Пт в зависимости от определенного сочетания энергонасыщенности сортиментовоза, рейсовой нагрузки и свойств волока, для итого формула /23/ преобразована к виду

_ Чет Neu , .

Пт = T^FV ■ /28/

Плотность распределения ^п(Пт) технологической производительности Пт найдена по законам распределения случайных величин У и 1?7

о

Математическое ожидание и дисперсия Пт вычислялись на основании /29/ по известным формулам математической статистики.

Таким образом, свойства волока, рейсовая нагрузка и мощность двигателя служат основой для прогнозирования вероятностей использования передач, что, в свои очередь, позволяет прогнозировать показатель эксплуатационной эффективности ГСС и его технологическую производительность. Использование показателя эксплуатационной эффективности ГСС в качестве кри-

терия оптимальности дает возможность определять оптимальные мощности двигателя для конкретных условий эксплуатации.

В четвертом разделе работы рассмотрены объект, аппаратура, методика и условия исследовательских испытаний.

В качестве объекта испытаний был использован макетный образец ГСС, изготовленный ПО "ОТЗ" на базе лесопромышленного трактора ТБ-1МБ. Исследовательские испытания проводились в сентябре 1990 года в условиях испытательной станции ПО "ОТЗ" в Нелгомозерском ЛП Кондопожского ЛИХ. Кареллеспрома.

В процессе испытаний решались следующие задачи: проверка адекватности математических моделей и гипотезы о статистическом подобии режимов нагруженности трансмиссий ГСС и трелевочного трактора; оценка технико-эксплуатационных показателей сортиментовоза. Для решения поставленных задач при испытания измерялись и регистрировались следующие параметры: крутящий момент на карданном валу; количество оборотов карданного вала; частота вращения коленчатого вала двигателя; угол складывания продольных осей тягача и полуприцепа; моменты включения и выключения бортовых фрикционов; время протекания процессов; расход топлива. Измерение перечисленных параметров осуществлялось при помощи комплекса электроизмерительной аппаратуры, созданной на кафедре лесных машин ITA и усовершенствованной автором. Регистрация процессов производилась светолучевым осциллографом К12-22.

Минимальная длина волока и необходимое число рейсов обоснованы методами математической статистики. Методикой испытаний предусматривалось выполнение опытных рейсов по волоку со сложным рельефом и почвенно-грунтовыми условиями, переувлажненному суглинистому каналу и верховому болоту с низкой несущей способностью. Для этих же грунтовых условий были проведены опыты по определению коэффициента сцепления V .

В пятом разделе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, подтверждена адекватность математических моделей.

Обработка результатов исследовательских испытаний осуществлялась на ПЭВМ методом случайных ординат. Испытания показали, что коэффициент сопротивления движению ГСС на 22-25%

ниже, чем у трелевочных тракторов за счет замены сопротивления волочению пачки по волоку на сопротивление качению полуприцепа. Это обеспечивазт сортиментовозу увеличение производительности на 153-167$ и уменьшение удельного расхода топлива на 52-55% по сравнению-с аналогичными показателями трелевочных тракторов.

Исследование математической модели поворота ГСС на ПЭВМ позволило получить теоретические зависимости коэффициента сопротивления движению V от кривизны поворота & при различных значениях коэффициента сопротивления качению /. Также был исследован вид кривых распределения эффективного показателя и технологической производительности Пт в зависимости от свойств волока, рейсовой нагрузки и мощности двигателя.

Использование полученных в результате исследовательских испытаний числовых характеристик /, I и У? в качестве исходных данных для моделирования на ЭВМ позволило получить моделируемую выборку значений Y дм модельного волока. Проверка гипотезы о тождественности законов распределения выборок Y, полученных в результате статистического моделирования и исследовательских испытаний, осуществлена с использованием критерия согласия Пирсона P{t*) . Результаты проверки подтвердили как адекватность математической модели поворота ГСС реальному процессу поворота, так и правильность методики определения смешанного закона распределения V* и разработанного на ее основе программного обеспечения.

Сравнение теоретических и экспериментальных данных по вероятностям использования передач ICC показало, что расхождения между ними незначительны. Следовательно, методика прогнозирования вероятностей использования передач ГСС адекватно отражает действительный характер зависимости вероятностей использования передач сортиментовоза от свойств волока и рейсовой нагрузки.

ОСНОВНЫЕ вывода И РЕКОМЕНДЩИИ

1. Математическая модель поворота ГСС позволяет однов-

ременно учитывать влияние наиболее существенных показателей, характеризующих свойства трелевочного волока, на суммарный коэффициент сопротивления движению сортиментовоза.

2. Определение смешанного закона распределения суммарного коэффициента сопротивления движению методом статистического моделирования дает возможность избежать ограничений относительно Еида законов распределения показателей, характеризующих свойства волока.

3. Аналитический переход от плотностей распределения суммарного коэффициента сопротивления движению и коэффициента загрузки двигателя но мощности к плотности распределения случайной скорости движения позволяет прогнозировать вероятности использования передач по времени.

4. Закон распределения эффективного показателя ГСС можно определить на основе использования данных о вероятностях использования передач по времени и законов распределения суммарного коэффициента сопротивления дзккению и коэффициента загрузки двигателя по мощности.

5. Исследование зависимостей математического ожидания эффективного показателя ГСС показало, что достичь его максимальных значений можно только при определенном соотношении уровня энергонасыщенности трелевочной системы, рейсовой нагрузки и свойств волока.

6. Использование математического ожидания эффективного показателя ГСС в качестве критерия оптимальности позволило получить оптимальные мощности двигателя ГСС для различных сочетаний свойств волока и рейсовой нагрузки.

7. Методики определения законов распределения суммарного коэффициента сопротивления движению и эффективного показателя ГСС использованы для прогнозирования закона распределения технологической производительности ГСС.

8. На основе проведенных теоретических исследований разработаны программы для ПЭВМ IBM PC, позволяющие: строить кривые распределения и вычислять числовые характеристики суммарного коэффициента сопротивления движению, эффективного показателя ГСС, технологической производительности ГСС; определять вероятности использования передач по времени, оптималь-

ные мощности двигателя ГСС в зависимости от вводимых пользователем свойств волока и рейсовой нагрузки.

9. Исследовательские испытания показали, что у ГСС коэффициент сопротивления движения на 22-25$, а удельный технологический расход топлива на 52-55$ ниже по сравнениюсс аналогичными показателями трелевочных тракторов.

10. Предлагаемые методики и программное обеспечение рекомендуется применять в конструкторской работе при: прогнозировании раглмов и&труженности ноторно-трансмиссионной установки сортпментовозов сочлененного типа; определении оптимальной мощности двигателя и прогнозировашш технологической производительности трелевочной системы для различных условий эксплуатации.

11. Результаты исследований в виде разработанных методик и программного обеспечения приняты к внедрен™ в ПО "ОТЗ", что позволило повысить качество проектных решений и уменьшить трудоемкость и время проектирования ГСС.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Прогнозирование суммарного коэффициента сопротивления движению сочлененного гусеничного сортиментовоза.- Лесотехн. акад.- СШ, 1992.- 10 с. Деп. во ВНИПИЗИлеспром 16.03.92,

№ 2833-Л692.

2. Влияние кривизны поворота на коэффициент сопротивления движению сочлененного гусеничного сортиментовоза,- Лесотехн. акад.- СПб, 1992.- 6 с. Деп. во ВНИПИЗИлеспром 16.04.92, № 2839-лб92.

3. Режимы работы гусеничного сочлененного сортиментовоза.- Лесотехн. акад.- СПб, 1992.- 5 е.. Деп. во ВНИПИЗИлеспром 16.04.92., й 2840-лб92 /в соавторстве/.

4. Датчик угла складывания продольных осей сочлененной трелевочной системы.- Информационный листок № 226-92, СПб, ЦНГИ, 1932.- 3 с. /в соавторстве/.