Сравнительная оценка эффективности рекуперативных систем лесного почвообрабатывающего агрегата

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

тормозных механизмов на передней оси наблюдается большой занос задней тележки при незаблокированном переднем колесе. Наиболее опасный уход в сторону автомобиля (Zra&) наблюдается при бортовой неравномерности действия тормозных механизмов.

При анализе результатов экспериментальных исследований можно было отметить больший разброс экспериментальных данных при одних и тех же начальных условиях торможения вследствие движения автомобиля при случайном профиле дороги.

Однако законы изменения ST Z б и в носили практически одинаковый качественный характер, какой наблюдался при торможении автомобиля на ровной поверхности.

Законы изменения ST в зависимости от начальной скорости торможения при одних и тех же неравномерностях действия тормозных механизмов носят параболический характер. Однако следует отметить, что наличие неровностей дороги сокращает длину тормозного пути вследствие дополнительных затрат кинетической энергии движения за счет перекатывания автомобиля через неровности.

Величина ST также значительно возрастает при бортовой неравномерности действия тор-

мозных механизмов и неравномерности действия тормозных механизмов на задней тележке вследствие уменьшения общей суммарной тормозной силы Е Р .

тор

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования на базе автомобиля КамАЗ-5320 позволили оценить физическую картину тормозной динамики автомобилей и выявить влияние на показатель эффективности ST и устойчивости Zra(_ торможения уклонов дороги радиусов ее поворота и микропрофиля, а также начальной скорости движения и0 и величины неравномерности действия тормозных механизмов автомобиля.

Проведение теоретических и экспериментальных исследований обычными методами однофакторного эксперимента, когда варьируется один фактор, а другие остаются постоянными, весьма трудоемко и подчас неточно описывает физическую картину процесса, так как не позволяет одновременно выявить количественную сторону влияния того или иного фактора. С целью резкого уменьшения объема теоретических и экспериментальных исследований в данной работе применялась прогрессивная методика построения математической теории планированного многофакторного эксперимента.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАТИВНЫХ СИСТЕМ ЛЕСНОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО АГРЕГАТА

Е.А. ТАРАСОВ, ассистент каф. производства, ремонта и эксплуатации машин ВГЛТА, канд. техн. наук

В связи с резким ростом цен на энергоресурсы одним из основных путей повышения эффективности лесных почвообрабатывающих агрегатов (ЛПА) стала экономия топлива. Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является использование в гидроприводах ЛПА совершенных рекуперативных систем (РС) (рис. 1) [1].

В результате многолетних исследований на кафедре производства, ремонта и эксплуатации машин Воронежской государственной лесотехнической академии были разработаны три работающие независимо друг от друга РС энергии: гидравлического предохранителя рабочих органов почвообрабатывающего орудия, ходовой части и навесного механизма трактора.

Принцип работы всех РС основан на насосном эффекте, проявляющемся при функционировании их гидроцилиндров с помощью сис-

темы дросселей и обратных клапанов. Первая из перечисленных РС рекуперирует энергию при движении ЛПА на лесных объектах, когда агрегат неизбежно испытывает значительные вертикальные нагрузки и перемещения. При этом последние поглощаются упругой системой ходовой части трактора и, в частности, его амортизаторами. В этом случае аккумулирование рабочей жидкости в пневмогидравлическом аккумуляторе (ПГА) осуществляется с помощью амортизаторов, дросселей и обратных нормально закрытых клапанов (рис. 2, а).

Вторая РС обеспечивает возвращение энергии в ПГА при демпфировании гидропривода навесного механизма в периоды, когда гидрораспределитель устанавливается в положения «Нейтральное» или «Опускание». Здесь роль насосного узла выполняет подпружиненный мультипликатор давления (рис. 2, б).

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007

107

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

ш ш ш ш шип ЛУ ))) Ш ))\)))

16 12 19 13 17 18 11

а

Ц) WW иг n't т UKlIl'yi Nj ш

8 10 9

7TNH /// Ш

6

б

Рис. 1. Устройство (а) и общий вид (б) экспериментального образца лесного почвообрабатывающего агрегата с рекуперативным гидроприводом: 1 - трактор; 2 - лесной дисковый культиватор с гидравлическим предохранителем; 3 - рама культиватора; 4 - рамка секции дисковой батареи; 5 - поворотная стойка дисковой батареи; 6 - дисковая батарея; 7 - гидроцилиндр предохранителя культиватора; 8 - гидроцилиндр навесного механизма; 9 - звенья механизма навески трактора; 10 - подпружиненный мультипликатор давления навесного механизма трактора; 11 - мультипликатор давления РС каретки; 12 и 13 - внешний и внутренний балансиры каретки; 14 - ПГА; 15 - кронштейн крепления ПГА; 16 - опорный каток; 17 и 18 - оси качания внутреннего и внешнего балансиров каретки; 19 - пружина каретки; 20 - автоматическая сцепка.

Третья РС аккумулирует энергию, затрачиваемую трактором на преодоление рабочими органами почвообрабатывающего орудия неперерезаемых препятствий (пней, валунов, крупных корней и т.п.). При этом стойка с рабочими органами отклоняется вверх относительно рамы орудия, а поршень гидроцилиндра предохранительного механизма вытесняет рабочую жидкость в ПГА. После преодоления рабочими органами препятствия поршень гидроцилиндра возвращается в исходное состояние под воздействием ранее запа-

сенной энергии в ПГА, причем эта вытесненная рабочая жидкость компенсируется в гидроцилиндре предохранительного механизма с помощью насоса агрегатируемого трактора (рис. 2, в).

ЛПА с энергосберегающей системой исследовался в полевых условиях методом электротен-зометрирования с помощью тензооборудования, смонтированного в кабине трактора испытываемого агрегата. Основу комплекта тензолаборато-рии составляют устройства серии ADAM, которые представляют собой набор интеллектуальных мо-

108

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

дулей, обеспечивающих интерфейс компьютера и содержащих встроенные микроконтроллеры. Модули дистанционно управляются с помощью простого набора команд, выдаваемых в ASCII формате и передаваемых по коммуникационному протоколу RS-485. Модули обеспечивают выполнение согласования сигналов, их изоляцию, преобразования диапазонов, аналого-цифрового (A/D) и цифро-аналогового (D/A) преобразования, сравнение данных и их цифровую передачу. Для обеспечения управления реле и другими подобными устройствами в состав некоторых модулей включены каналы цифрового ввода/вывода. Каждому модулю соответствует свой собственный набор, включающий примерно десять команд.

Соединение с сетью по интерфейсу RS-485 обеспечивает возможность снижения помех при снятии сигналов с датчиков, поскольку модули могут быть установлены максимально близко к объекту. В многоточечную сеть с интерфейсом RS-485 может быть подключено до 256 модулей, что реализуется с помощью повторителя ADAM RS-485, позволяющего увеличить максимальное расстояние передачи до 1200 метров. Подключение в сеть системного компьютера выполняется через один из его СОМ-портов с помощью интерфейсного преобразователя ADAM-4520 [2].

Эксперименты в полевых условиях на участках с препятствиями проводились в Новоу-сманском лесхозе Воронежского лесхоза. Рельеф участков равнинно-волнистый с уклонами не более 5°, почва лесная супесчаная с растительными включениями в виде веток и сучьев диаметром 4-8 см, и крупных корней диаметром 12 см и выше. Имелись участки суглинистой почвы с развитой травяной растительностью, а также участки с сильным задернением [3].

Выполненные эксперименты на лесных объектах ЛПА с предложенными РС в целом подтвердили их работоспособность и эффективность. Так, было установлено, что мощность, потребляемая насосом при среднем рабочем давлении 10 МПа, составляет 9,79 кВт. Мощность двигателя трактора ДТ-75М - 45,63 кВт. Соотношение возвращенной энергии РС к затраченной ЛПА составляет 70,7 %, т.е. на эту величину сокращается время работы насоса. Расчеты показывают, что потребная мощность насоса сократится примерно на 7,36 кВт и в пересчете на экономию топлива ЛПА ориентировочно составит 16,13 % [4]. Эта величина по РС распределяется следующим об-

разом: ходовая часть трактора - 70 %, навесной механизм трактора - 19 %, предохранительный механизм почвообрабатывающего орудия - 11 % (рис. 3).

Рис. 2. Гидравлические схемы РС: а - ходовой части трактора, на примере каретки подвески; б - механизма навески трактора; в - предохранителя почвообрабатывающего орудия. 1 - система рекуперации ходовой части трактора, на примере каретки подвески; 2 - система рекуперации механизма навески трактора; 3 - система рекуперации предохранителя почвообрабатывающего орудия; 4 - гидрораспределитель; 5 - насосноаккумуляторный узел; 6, 7 и 8 - клапаны обратные; 9 - гидроцилиндр навесного механизма стенда; 10 - пневмогидроаккумулятор; 11 - насос; 12 - фильтр; 13 - гидробак; 14 - манометр; 15 - амортизатор; 16 - дроссель нерегулируемый; 17 - мультипликатор давления; 18 - гидроцилиндр предохранителя рабочих органов навесного орудия; 19 - дроссель регулируемый; 20 - клапан разгрузочный автоматический

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007

109

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Р, МПа 7

6

5

4

3

2

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 t, с

4

—

V-  3 / . i

/ 2 /

. 1 . L1. ii.J 1, /

L L in I LI. k

ж i  I' 1 1 / I

41* =4= —r~

Рис. 3. Фрагменты осциллограмм экспериментальной проверки ЛПА с рекуперативным гидроприводом. Кривые замеряемых параметров: 1 - давление в гидроцилиндре РС предохранителя лесного дискового культиватора; 2 - давление в мультипликаторе РС механизма навески трактора; 3 - давление в мультипликаторе РС ходовой части, на примере каретки подвески трактора; 4 - давление в ПГА

Анализ результатов опытно-производственной проверки почвообрабатывающего агрегата показал также, что использование всех трех предлагаемых РС позволяет снизить расход топлива двигателем агрегатируемого трактора, в зависимости от числа препятствий, их высоты, скорости движения ЛПА и других факторов [5]. Увеличение количества препятствий оказывает влияние на топливную экономичность, в связи с возрастающей цикличностью работы гидроцилиндров соответствующих РС и увеличением объема жидкости накопленного в ПГА. Следовательно, при поддержании гидроцилиндрами РС давления в ПГА не менее 6 МПа (минимальное достаточное давление для удовлетворительной работы механизма навески трактора) гидропривод осуществляет свою работу только от этой энергии. Кроме того, ПГА хорошо защищает навесной механизм трактора от динамических воздействий и выполняет роль демпфера.

К недостаткам рекуперативного гидропривода можно отнести малую энергоемкость использованного ПГА, который частично удалось устранить за счет увеличения числа ПГА, установленных на ЛПА.

Анализ результатов экспериментов для ЛПА с энергосберегающим гидроприводом позволил сделать следующие основные выводы:

- результаты в целом подтвердили правильность предпосылок, заложенных при обосновании конструкции ЛПА с энергосберегающим гидроприводом;

- использование всех трех предлагаемых РС позволяет снизить расход топлива двигателем

агрегатируемого трактора на 20-30 %, в зависимости от числа препятствий, их высоты, скорости движения ЛПА и других факторов;

- предлагаемые РС способны практически полностью выполнять функции гидронасоса, что позволяет отказаться от последнего в перспективных гидроприводах для ЛПА;

- дальнейшее совершенствование энергосберегающего гидропривода для ЛПА связано в основном с увеличением энергоемкости ПГА.

Библиографический список

1. Посметьев, В.И. Перспективные рекуперативные системы для гидроприводов лесных почвообрабатывающих агрегатов / В.И. Посметьев, Е.А. Тарасов,

B. С. Кухарев // Наука и образование на службе лесного комплекса. Т. 2: сб. науч. тр. - Воронеж: ВГЛТА, 2005.

- С. 132-136.

2. Посметьев, В.И. Математическое моделирование почвообрабатывающего агрегата с рекуперативным гидроприводом / В.И. Посметьев, Е.А. Тарасов, Е.В. Снятков // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2006. - Прил. 5. -

C. 82-84.

3. Тарасов, Е.А. Обоснование целесообразности использования рекуперативной системы в лесном почвообрабатывающем агрегате / Е.А. Тарасов. - Воронеж: ВГЛТА, 2006. - 38 с.

4. Посметьев, В.И. Результаты экспериментальной проверки эффективности рекуперативного гидропривода для лесного почвообрабатывающего агрегата / В.И. Посметьев, Е.А. Тарасов // Вестн. Моск. гос. унта леса - Лесной вестник. - 2006. - Препринт № 106.

- С. 3-7.

5. Посметьев, В.И. Исследование с помощью математической модели динамики почвообрабатывающего агрегата, оснащенного системой рекуперации энергии / В.И. Посметьев, Е.А. Тарасов, Е.В. Снятков, В.В. Посметьев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2006. - Т. 2. - Вып. 8. - С. 44-47.

110

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007