Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,682

РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛЕСНОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО АГРЕГАТА С МЕХАНИЗМАМИ РЕКУПЕРАЦИИ И ВИБРАЦИОННЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

Третьяков А.И. 1
1 Воронежская государственная лесотехническая академия
Разработаны имитационные модели движения гусеничного и колесного тракторов в условиях вырубок, позволяющие изучить влияние основных конструктивных и техно-логических параметров на эффективность работы системы рекуперации энергии лес-ного почвообрабатывающего агрегата. Приведены зависимости рекуперируемой мощ-ности от количества, ширины и плотности встречающихся препятствий на контроль-ном участке. Кроме этого, представлены зависимости рекуперируемой мощности от массы колесного и гусеничного тракторов. На основе анализа полученных зависимо-стей, сделаны выводы, что система рекуперации энергии лесного почвообрабатываю-щего агрегата при изменении в широких пределах условий работы и параметров агре-гата, способна аккумулировать достаточно значительные величины мощности, поряд-ка 1,5 … 2 кВт, которая может быть полезно использована для привода вибрационного механизма рабочих органов.
рекуперация.
модель
имитация
Ключевые слова: лесной почвообрабатывающий агрегат
1. Лесной дисковый культиватор с энергосберегающим гидроприводом / В. И. Посметьев, В. А. Зеликов, А. И. Третьяков, В. В. Посметьев // Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка: материалы Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов / СПбГЛТА. - СПб., 2011. - С. 313-318.
2. Посметьев В. И. Методологические основы повышения эффективности почвообрабатывающих орудий с помощью предохранителей: монография / Воронеж: ВГЛТА, 1999. - 196 с.
3. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Имитация движения колесного трактора по лесной вырубке / В. А. Зеликов, В. И. Посметьев, А. И. Третьяков, В. В. Посметьев; правообладатель ВГЛТА. - № 2011612917; заявл. 27.12.2010; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 12.04.2011.
4. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Имитация движения гусеничного трактора по лесной вырубке / В. А. Зеликов, В. И. Посметьев, А. И. Третьяков, В. В. Посметьев; правообладатель ВГЛТА. - № 2011614082; заявл. 01.04.2011; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 25.05.2011.
5. Третьяков А. И. Анализ причин возмущающих воздействий на лесные почвообрабатывающие агрегаты в условиях нераскорчеванных вырубок // Лесотехнический журнал / ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2011. - № 3. - С. 114-119.
 Введение. Одним из направлений повышения экс­плу­а­та­ционных свойств лесных почвообрабатывающих машин является разработка систем рекуперации (СР) энергии [1]. Работа почвообрабатывающих агрегатов на лесных объектах сопряжена со значительными затратами энергии и соответственно топлива, по сравнению, например, с работой сельскохозяйственных машин [2, 5]. Можно выделить три фактора, приводящие к непродуктивным затратам энергии агрегата на лесных объектах:
  • сложный рельеф поверхности, вызывающий колебания корпуса трактора и навесного почвообрабатывающего орудия относительно трактора;
  • наличие большого количества препятствий в виде пней, корней, камней и т.п.;
  • необходимость часто отклоняться от прямолинейного движения агрегата для выбора безопасных или оптимальных траекторий.

Для преобразования большей части непродуктивно расходуемой энергии в энергию, пригодную для текущего использования (например, для вибрационной интенсификации технологического процесса), сотрудниками ВГЛТА разработана энергосберегающая система для лесного почвообрабатывающего агрегата (ЛПА). Данное техническое решение защищено положительным решением по заявке на патент РФ № 2010128888 «Гидропривод почвообрабатывающего агрегата» от 12.07.2010 г.  

Основными источниками рекуперации энергии в ЛПА являются механизмы предохранителя рабочих органов культиватора 1, подвески 2 и навесного устройства трактора 3. Работа всех трех механизмов рекуперации 1, 2 и 3 ЛПА основана на насосном эффекте, возникающем при возвратно-поступательном движении штоков гидроцилиндров 13, 23 и соответствующей работе обратных клапанов 15 ... 19. Безвозвратно теряемая энергия в традиционных ЛПА в данном случае направляется в насосно-аккуму­ля­торный узел 5 и полезно используется при работе вибрационного механизма рабочих органов культиватора 1. Принципиальная гидравлическая схема гидропривода лесного почвообраба­тывающе­го агрегата с меха­низ­мами ре­ку­пе­ра­ции энергии, вибрации и защиты от перегрузок рабочих органов дискового культиватора при поло­же­нии «Нейтральное» гидрораспредели­теля навесного механизма трактора представлена на рисунке 1 [1].

 Принцип работы гидравлического вибрационного механизма заключается в следующем. При движении культиватора на вырубке его рабочие органы надежно удерживаются в почве на заданной глубине обработки благодаря установленному давлению рн в гидроцилиндре 7, передаваемого из напорной магистрали 30 от насосно-аккумуляторного узла гидросистемы агрегатирумого трактора 5. Импульсные изменения величины давления рабочей жидкости (частотой 5 ... 7 Гц) в гидроцилиндре 7 обеспечиваются работой золотника 12 клапана давления 9, который постоянно сбрасывает давление рабочей жидкости в сливную магистраль 31. Пульсация давлений в напорной магистрали приводит к колебаниям поршня со штоком гидроцилиндра 7, и соответственно к возбуждению вибрации на рабочих органах дискового культиватора.

 

1 - механизм вибрации, рекуперации и предохранителя рабочих органов культиватора; 2 и 3 - механизмы рекуперации подвески и навесного механизма трактора; 4 - гидрораспределитель трактора; 5 - насосно-аккумуля­торный узел; 6 - гидроцилиндр предохранителя и вибрационного механизма рабочих ор­ганов культиватора; 7 и 8 - напорные клапаны; 9 - клапан ограничителя расхода рабочей жидкости; 10 ... 12 - соединительные трубопроводы; 13 - гидравлический амортизатор подвески трактора; 14 - дроссель нерегулируемый; 15 ... 21 - клапаны обратные; 22 - гидроцилиндр навесного ме­ха­низ­ма; 23 - муль­ти­п­ли­катор дав­ления; 24 - пнев­­могидроаккумулятор; 25 - мано­метр; 26 - клапан разгрузочный ав­то­матический; 27 - насос; 28 - фильтр; 29 - гидробак; 30 и 31 - напорная и сливная магистрали; 32, 33 - золотники; 34 - плунжер; 35 - проточка в корпусе золотника.

Рисунок 1.  Схемы лесного почвообрабатывающего агрегата: а - гидравлическая; б - принципиальная гидравлическая механизма вибрации, рекуперации и предохранителя рабочих органов

Цель исследования. Результаты исследования. Целью исследования является оценка влияния конструктивных и технологических параметров агрегата при помощи разработанной универсальной модели на эффективность системы энергосбережения агрегата. Для теоретического исследования используется имитационное компьютерное моделирование, которое позволяет еще до создания реального почвообрабатывающего агрегата оценить его эффективность и тем самым существенно уменьшить время и затраты на разработку оптимальной конструкции агрегата. Исследование параметров системы рекуперации энергии производилось по разработанным трехмерным имитационным моделям движения гусеничного и колесного тракторов на вырубке, на которые были получены свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2011612917 и № 2011614082 [3, 4]. Каждая программа позволяет изменять большое количество параметров, описывающих отдельные элементы модели. Наиболее важные параметры можно изменять на интерфейсной форме программы, для чего предусмотрено большое количество окон ввода (рис. 2). Остальные параметры могут быть изменены в коде программы.

Одним из основных параметров вырубки является рельеф опорной поверхности, в частности, количество препятствий Nп, линейная плотность препятствий rL и верхние границы wпр max интервалов, из которых случайным образом выбирается ширина препятствий. Соответственно были проведены четыре серии экспериментов (рис. 3, 4). Количество препятствий изменяли от 0 до 1600 шт./км с шагом 200 шт./км - для колесного трактора и от 0 до 1800 шт./км с шагом 200 шт./км - для гусеничного трактора. Плотность препятствий rL изменяли от 0 до 1800 шт./км с шагом 200 шт./км для обоих типов тракторов. Ширину препятствий wпр max изменяли от 10 до 55 см с шагом 5 см для обоих типов тракторов.

1 - колесный трактор; 2 - гусеничный трактор.

Рисунок 3.  Зависимости рекуперируемой мощности NP от количества препятствий Nп (а) и плотности препятствий rL на контрольном участке длиной 0,5 км (б)

Рисунок 2.  Форма ввода исходных данных для расчета

 

Было установлено, что для колесного трактора с увеличением количества препятствий Nп рекуперируемая мощность линейно возрастает (рис. 3). Для гусеничного трактора рекуперируемая мощность практически не зависит от количества препятствий.

С увеличением плотности препятствий rL увеличивается частота встреч препятствий с катками кареток. Вследствие этого увеличивается частота движений поршня в гидроцилиндрах кареток. Поэтому с увеличением rL эффективность системы рекуперации возрастает, соответственно зависимость NP(rL) является возрастающей (рис. 3), как для колесного, так и для гусеничного тракторов. С увеличением ширины wпр max препятствия становятся менее выраженными, поэтому частота и амплитуда срабатывания гидроцилиндров кареток уменьшаются, вследствие чего зависимость NP(wпр max) для колесного трактора является убывающей (рис. 4). Для гусеничного трактора зависимость NP(wпр max) является возрастающей. Таким образом, СР дает тем больший эффект, чем выше плотность препятствий и чем ярче выражена их форма.

1 - колесный трактор; 2 - гусеничный трактор.

 

Рисунок 4.  Зависимости рекуперируемой мощности NP от ширины препятствий wпр max

1 - колесный трактор; 2 - гусеничный трактор.

Рисунок 5.  Зависимость рекуперируемой мощности Nр от массы трактора Мт

Важным параметром тракторов эксплуатируемых на лесных объектах является их масса. Причем в лесном хозяйстве часто используются не только лесные трактора - ЛХТ-55, ТДТ, но и различные сельскохозяйственные - ДТ-75, Т-150, МТЗ-80, МТЗ-82. Масса данных тракторов существенно разнится, поэтому целью компьютерных экспериментов было выявить влияние массы тракторов на величину рекуперируемой энергии. Для исследования влияния массы трактора были проведены две серии компьютерных экспериментов, в которых  

изменяли массу трактора Мт от 7000 до 11000 кг с шагом 500 кг для колесного трактора и от 4000 до 8500 кг с шагом 500 кг для гусеничного трактора (рис. 5).

Для обоих типов тракторов рекуперируемая мощность возрастает с увеличением массы трактора, однако эти зависимости имеют различный характер. Для колесного трактора при Мт = 7000-9500 кг величина Nр очень слабо зависит от массы, при Мт = 9500 кг наблюдается резкий (приблизительно на 20 %) рост рекуперируемой мощности, и, наконец, при дальнейшем увеличении массы трактора наблюдается медленный рост Nр. Для гусеничного трактора зависимость рекуперируемой мощности от массы трактора является линейной на всем интервале изменения величины Мт.

Выводы. Таким образом, можно заключить, что при изменении параметров опорной поверхности лесных объектов, а также параметров тракторов, в частности, массы трактора, было установлено, что система рекуперации энергии позволяет запасать достаточно существенные значения мощности - 1,5 ... 2 кВт. Это свидетельствует о том, что данной энергии должно быть достаточно для полезного ее использования в качестве привода вибрационного механизма рабочих органов почвообрабатывающего орудия и соответственно интенсификации процесса обработки почвы.    

Рецензенты:

  • Тарасенко А. П., д.т.н. профессор, заведующий кафедрой сельскохозяйственных машин, ФГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», г. Воронеж. 
  • Афоничев Д. Н., д.т.н. профессор, заведующий кафедрой ремонта машин, ФГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»,  г. Воронеж.

Библиографическая ссылка

Третьяков А.И. РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛЕСНОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО АГРЕГАТА С МЕХАНИЗМАМИ РЕКУПЕРАЦИИ И ВИБРАЦИОННЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=5862 (дата обращения: 21.11.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252