Математическое моделирование расхода топлива лесотранспортной машиной на преодоление пороговых препятствий на волоке

Размещено на http://allbest.ru

Северный (Арктический) федеральный университет им. М. В. Ломоносова

Математическое моделирование расхода топлива лесотранспортной машиной на преодоление пороговых препятствий на волоке

Маковеев Данила Евгеньевич, аспирант

г. Архангельск.

Задача оценки топливной экономичности минифорвардера с учетом преодоления пороговых препятствий представляет собой некоторые трудности, поскольку базируется на исследовании системы «движитель - опорная поверхность» в совокупности с анализом соответствующих топливных характеристик двигателя.

Преодоление лесной машиной барьерных препятствий (далее порог), которыми на участке рубок являются пни, кочки, стволы поваленных деревьев, камни, валуны и другие твердые включения почвы, является наиболее характерным и сложным видом движения, которое сопровождается интенсивным изменением нагрузок в ходовой части автомобиля в значительных пределах [1, 2].

Перечисленные выше препятствия вызывают как снижение скорости, так и застревание машины. Условно препятствия классифицируют по длине: до 0,3 м - импульсные, 0,3 - 0,6 м - выбоины, 6 - 25 м - ухабы. По высоте деление следующее: шероховатости - до 1 см, впадины и выступы - 1 - 30 см, более 30 - препятствия.

Данная классификация применяется к дорожном подвижному составу и внедорожным транспортным средствам, имеющим большой радиус колес, в данной статье автор оставляет за собой право называть выступы препятствиями для движения изучаемой лесотранспортной системы, так как радиус колес составляет 23 см.

По характеру размещения препятствий выделяют периодически чередующиеся, обособленные и случайный микропрофиль [3].

Профиль дороги делится на три составляющие - макропрофиль (длинные плавные неровности с длиной волны от 100 м и более), микропрофиль (длина волны 0,1 - 100 м), шероховатости (длина волны менее 0,1 м) [4]. Микропрофиль вызывает заметные колебания машины и не содержит длительных спусков и подъемов, изменяющих режим работы двигателя.

Исследуемая в диссертации автора на соискание ученой степени кандидата технических наук по теме «Повышение эффективности рубок ухода в парковых хозяйствах Архангельской области» лесотранспортная система имеет конструкцию шарнирно-сочленённого шасси, состоящего из мотоблока и одноосного прицепа, оснащённого грузовой платформой с высокими быстросъемными бортами для транспортировки раскряжеванных стволов деревьев, ветвей, сучьев, хвороста и других грузов в полностью погруженном положении.

Шарнирное устройство рамы обеспечивает 2 степени свободы тягового модуля (мотоблока) относительно прицепа. В вертикальной плоскости вращение происходит за счет оси сцепного устройства, углы поворота достигают ±90 градусов, что позволяет маневрировать и разворочаться в стеснённых пространствах.

Ведущее колесо преодолевает пороговое препятствие лучше, чем ведомое. Это объясняется тем, что ведущее колесо стремится преодолеть вертикальное препятствие, а ведомое только упирается в него [5]. В процессе преодоления препятствия колесом с пневматической шиной её деформация на ребре порога облегчает преодоление препятствия, так как в этом случае ось колеса поднимается над порогом на меньшую высоту. Однако аналитическое исследование этого фактора весьма затруднительно [6].

Способность минифорвардера преодолевать препятствия в значительной степени зависит от развесовки. При движении без груза, как правило, передний мост имеет большую нагрузку, и поэтому расчетным случаем следует считать преодоление пороговой неровности передним мостом негруженого тягача [1].

Предельная величина порога, преодолеваемого машиной, определяется либо тягово-сцепными возможностями, либо геометрическими параметрами машины [7].

Прежде чем перейти непосредственно к рассмотрению вопроса о топливной экономичности машины при движении по волоку с дискретными препятствиями, рассмотрим процесс преодоления препятствия одиночным колесом.

Приняты следующие допущения: движение колеса плоское, деформация препятствия и тангенциальная деформация шины не учитываются; проскальзывание шины на ребре препятствия отсутствует, подвеска колес отсутствует, колесо является эластичным.

Существует следующие вариации переменных факторов, исходя из которых следует производить расчет: колеса - ведущие и ведомые, количество осей - в основном от 2 до 4, лесотранспортная машина - с полезной нагрузкой или без неё, преодоление препятствия может быть с места, то есть статическое или в процессе установившегося движения - то есть динамическое.

Причем кинетическая энергия движения лесотранспортной машины может быть единственным источником толкающей силы или как дополнительный к силе тяги колес.

С точки зрения динамических нагрузок на машину и оператора более приемлемый вариант - это преодолевать препятствие предварительно остановившись перед ним. Однако, как утверждают авторы монографий [3, 6], лесотранспортные машины, работающие на грунтовых поверхностях с малыми значениями коэффициента сцепления колеса с опорной поверхностью (ц=0,35 - 0,40 [7]), должны быть полноприводными, а преодоление препятствий возможно только в динамическом режиме.

Процесс динамического преодоления препятствия двухосной машиной начинается с удара колеса о ребро порога и резким снижением скорости. Кинетическая энергия расходуется на деформирование шины и на подъем машины. На рисунке 1 схематично изображены приложения сил, момента и реакций.

Рис. 1. Схема преодоления колесом порогового препятствия.

Преодоление порога происходит за счет накопленной кинетической энергии, после чего машина останавливается. Данный случай удобно рассматривать для расчета скорости, необходимой для преодоления препятствия, и высоты порога. Практическое удобство имеет величина расхода топлива, приведенная к единице расстояния, например, на один километр. За высоту преодолеваемого препятствия следует принимать среднее значение высоты препятствия, но при условии, что максимальная высота препятствия меньше радиуса колеса. В противном случае, динамическое преодоление такого препятствия невозможно.

, (1)

где q - расход топлива минитрелевщика на переезд препятствий на 1 км пути, кг/км; n - математическое ожидание количества препятствий на 1 км пути; G_к - вес, приходящийся на колесо, Н; V - скорость машины, м/с; h_п - высота препятствия, м; r₀ - статический радиус колеса, м; h_ш - нормальный прогиб шины, м; А_су - работа двигателя, Дж; H_u - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; з_e - эффективный КПД двигателя; з_тр - КПД трансмиссии.

Чтобы определить суммарный расход топлива на транспортную работу на 1 км пути с учетом вышеуказанных рассуждений, следует определить какую часть пути агрегат двигался в режима переезда порога.

(2)

(3)

где L_пер. - горизонтальная проекция пути, пройденного в режиме переезда препятствий, м; L_пр. - математическое ожидание длины препятствия, м; l - расстояние от ребра препятствия до контакта шины с опорной поверхностью, м (см. рисунок 1).

, (4)

где q_У - суммарный расход топлива, кг/км; q_дв - расход топлива на движение по поверхности волока, кг/км.

лесотранспортный топливо динамический нагрузка

Литература

1. Горбачевский В.А. Работа шин на лесотранспорте [Текст] / А.В. Горбачевский. - М.: Лесн. пром-сть, 1970. - 119 с.

2. Шухман С.Б. Расчетное исследование профильной проходимости полноприводного автомобиля [Текст] / С.Б. Шухман, В.И. Соловьев, М.А. Малкин // Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». - М., 2009. С. 343 - 350.

3. Агейкин Я.С. Теория автомобиля [Текст] / Я.С. Агейкин, Н.С. Вольская. - М.: МГИУ, 2008. - 318 с.

4. Хачатуров А.А. Динамика системы дорога - шина - автомобиль - водитель [Текст] / А.А. Хачатуров, В.Л. Афанасьев, В.С.Васильев [ и др.];Под. общ. ред А.А.Хачатурова. - М.: Машиностроение, 1976. - 535 с.

5. Вахламов В.К. Автомобили: Эксплуатационные свойства [Текст] / В.К. Вахламов. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 240 с.

6. Жендаев С.Г. Основы тяговой и общей динамики. Проходимость лесотранспортных машин [Текст] / С.Г. Жендаев. - Ленинград: Ленинградская лесотехническая академия (ЛТА), 1984. - 80 с.

7. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин [Текст] / Г.А. Смирнов; 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Машиностроение, 1990. - 352 с.

Аннотация

Математическое моделирование расхода топлива лесотранспортной машиной на преодоление пороговых препятствий на волоке. Маковеев Данила Евгеньевич, аспирант Северного (Арктического) федерального университета им. М. В. Ломоносова, г. Архангельск.

В данной статье рассмотрен вопрос движения малогабаритной лесотранспортной машины по волоку. Особое внимание уделено препятствиям на волоке, способом их преодоления и влиянию потока дискретных препятствий на топливную экономичность машины.

Ключевые слова: минифорвардер, трелевка порубочных остатков, топливная экономичность, пороговые препятствия.

Размещено на Allbest.ru