Повышение топливо-экономических показателей трелевочного трактора путем оптимизации параметров трансмиссии

УДК 549.25/28

Ву Хай Куан, ВД. Валяжонков, О.А. Михайлов

ПОВЫШЕНИЕ ТОПЛИВО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРЕЛЕВОЧНОГО ТРАКТОРА ПУТЕМ

ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСМИССИИ

В статье рассматривается методика оптимизации параметров рабочих передаточных чисел трансмиссии отечественного трелевочного трактора. За основной критерий оптимизации принята максимальная производительность, а в качестве вспомогательного критерия используется минимальный удельный расход топлива на 1 м3 стрелеванной древесины.

Ключевые слова: трелевочный трактор, максимальная производительность, расход топлива, древесина.

INCREASING OF THE SKIDDING TRACTOR FUEL AND ECONOMIC INDICES BY OPTIMIZING

THE TRANSMISSION PARAMETERS

The methodology of parameter optimizing for the transmission working gear ratios of the domestic skidding tractor is considered in the article. The maximum efficiency is taken as the main optimization criterion, and the minimum specific fuel consumption per 1 cubic meter of skidded wood is used as the auxiliary criterion.

Key words: skidding tractor, maximum efficiency, fuel consumption, wood.

Введение. Трелевочный трактор до сих пор является одним из самых распространенных типов лесопромышленных тракторов на лесозаготовках. Объём древесины, заготавливаемой гусеничными трелевочными тракторами в России, достигает 80 %, а в США и Канаде доходит примерно до 40 %. Цикл работы трелевочного трактора состоит из четырех основных элементов: набор пачки, грузовой ход (трелевка), сброс пачки, холостой ход. Самым нагруженным и энергоемким процессом является грузовой ход, эффективность выполнения которого требует максимальной реализации тягово-мощностных показателей машины. Обеспечение этого условия связано с оптимальным выбором передаточных чисел трансмиссии.

Цель исследований. Изучение влияния величины и количества передаточных чисел коробки передач трелевочного трактора на производительность и топливную экономичность в процессе грузового хода.

Материалы и методы исследований. В опубликованных работах [1,2] данная проблема рассматривалась авторами, однако до конца она не изучена. Так, например, в качестве критерия в названных работах используется максимальная средняя мощность на крюке при выполнении грузового хода, а с нашей точки зрения, этого критерия недостаточно, поскольку он не полностью гарантирует обеспечение максимальной производительности и топливной экономичности. В качестве критериев, более полно отражающих особенности работы трелевочных тракторов, можно назвать максимальную производительность (Пмак) и минимальный расход топлива на 1 м3 стрелеванной древесины (удельный расход) - (вп).

Производительность трактора в общем виде можно записать по формуле:

Wu Hay Chuen, V.D. Valyazhonkov, O.A. Mikhaylov

где 0 - объем трелюемой пачки, м3;

t - время выполнения грузового хода, с. Время определяем по формуле:

где Б - расстояние трелевки, м;

V - скорость движения трактора при грузовом ходе, км/ч. Удельный расход топлива определяем по формуле:

£„=^5

где б/т - часовой расход топлива, кг/ч;

П - производительность трактора при грузовом ходе, м3/ч.

Скорость определяем по формуле:

У = ^,“

ме 4

где 1\1к - мощность на ведущем колесе, кВт;

Рк - касательная сила тяги, кН.

Многочисленные исследования [2, 3, 4, 7, 8] показали, что распределения крутящего момента на карданном валу (на колесе) подчиняются нормальному закону распределения, поскольку тяговые усилия на ведущем колесе пропорциональны крутящему моменту. Можно вполне реально допустить, что распределения тяговых сил тоже подчиняются нормальному закону распределения, поэтому величины этих критериев должны определяться с учетом нормального закона распределения тяговых усилий, параметры которых будут определяться природно-производственными условиями (ППУ) и объемами трелюемых пачек деревьев.

Значения средней мощности и средней силы тяги определяются с учетом закона нормального распределения касательной силы тяги.

Р

_ 1 /стах

\к,

\о,

Р

Р

Р .

к Ш1П

где N (Рк) - функциональная зависимость касательной мощности и касательной силы тяги; Vд (Рк) - функциональная зависимость действительной скорости движения трелевочного трактора и касательной силы тяги; вт (Рк) - функциональная зависимость часового расхода топлива и касательного тягового усилия; / (Рк) -плотность распределения вероятностей касательной силы тяги.

/ Рк =

,уі2ж

ехр<

Ґ - л2 р-р.

сг

Для определения пределов интегрирования и подинтегральных функций необходимо произвести расчет тяговых характеристик [3] для ряда передач, которые удовлетворяют следующему условию:

^Рсопр — Рк <'-^<р

Условие (9) показывает, что возможность работы (движения) трелевочного трактора ограничивается силой тяги по двигателю Рк и ограничением по сцеплению Рф. При этом передаточное число трансмиссии должно обеспечить изменение касательной силы тяги Рк во всем диапазоне изменения сил сопротивления

движению ^Рсопр, иначе двигатель трактора может заглохнуть, но при этом касательная сила Рк не должна превышать максимальную силу тяги по сцеплению Рф, в противном случае, трактор будет буксовать на месте. Таким образом, условие (9) можно представить в следующем виде:

М -і3 л

р ^ шах тр і тр

Ь сшр- к >1000

р < 11ША тр тр нп\

СОП1) — о’ ' /

зв

где М мах - максимальный крутящий момент двигателя, Нм; 1} - общее передаточное число трансмиссии на

7-й передаче; г]тр - общий КПД трансмиссии (в т.ч. КПД гусеничного движителя); Нзв - радиус ведущей звездочки, м.

В общем виде сумма сопротивлений движению трактора определяется по выражению:

XРсопР=РГ±Р1+РкР

Составляющие данного выражения рассчитываются по известным формулам [3].

Сила тяги по сцеплению Рф может быть определена по формуле:

^сц * Ф

^ = <?в+а>.

где £тсц - сцепной вес трактора, кН;

ф - максимальный коэффициент сцепления.

Пределы интегрирования Рк тт = Рг и Рктах, где и Рк мах рассчитаны для конкретных ППУ. Величины и Ркмах зависят от коэффициентов самопередвижения \, сцепления (р и объёма трелюёмой пачки 0. Результаты исследований и их обсуждение. В качестве примера проведем исследования влияния величины передаточного числа на эти показатели для трелевочного трактора «0нежец-300».

Исходные данные по трактору:

- двигатель Д-245-2Э2, № = 90 кВт при 2200 мин-1 (внешняя скоростная характеристика двигателя приведена на рис. 1);

- радиус ведущей звездочки Рзв = 0,385 м;

- вес машины с тросочокерным оборудованием ва = 121 кН.

Рис. 1. Характеристика двигателя Д-245.2s2 по мощности и часовому расходу топлива

Расчеты приведены для ряда исходных параметров ППУ, коэффициентов самопередвижения и объёмов трелюёмой пачки, которые перечислены в табл. 1. Угол подъёма а =100, коэффициент сопротивления волочения пачки !в =0,9.

Таблица 1

Исходные данные для расчетов при различных вариантах ППУ

Q=12 м3 1=0,11Ф=018 f=0,2, Ф=0,7 -

Q=10 м3 1=0,11Ф=018 f=0,2, Ф=0,7 -

Q=8 м3 f=0,1^=0i8 f=0,2, Ф=0,7 f=0,25, Ф=0,55

Q=6 м3 f=0,1^=0i8 f=0,2, Ф=0,7 f=0,25, Ф=0,55

Для каждых вариантов ППУ, приведенных в табл. 1, передаточные числа выбираются в следующем диапазоне.

У*10°° р *д *1000

J—i сопр зв_______^ ^ шах зв

М * 7) раб М * п

шах / тр шах < тр

Рассчитываем и строим тяговые характеристики для выбранных передач [5]. На основе полученных тяговых характеристик и с учетом закона нормального распределения касательной силы тяги (3,5) находим значения максимальной производительности и удельного расхода топлива по формулам (1), (3).

Расчеты сделаны для нескольких вариантов ППУ при различной рейсовой нагрузке (см. табл. 1). В качестве иллюстрации результаты расчетов представлены в виде графиков на рис. 2.

П (м3/ч) 600

500

400

300

200

100

0

П (м3/ч) 350

300

250

200

150

100

50

О

87

101

О = 12

92 С>= 10( f=0,2; ф =0,7) 97

Оп (кг/м3) 0,07

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0

Оп (кг/м3) 0,072

0,07

0,068

0,066

0,064

0,062

0,06

0,058

П

300

250

200

150

100

50

0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1

/ 1 1 т'т 1 1 1 1

1 1 I ^ 1

1 1 1

1 1 .-г—* 1 1 1 х^00000^ 1 \ П 1 1 I

1 ' ^000^^ ' ' '1 1 1 1

^ 1 1 1

1 1 1 1 1 1

64 65 66 67 68 69

О = 6

70

71

Оп (кг/м3) 0,094

0,093

0,092

0,091

0,09

0,089

0,088

0,087

0,086

721

Рис. 2. Влияние передаточных чисел трансмисии на производительность (Пмак) и удельный расход топлива (вп) для различных условий эксплуатации

Из рисунка 2 видно, что для каждого фиксированного ППУ существует одно оптимальное передаточное число для определенного объема трелюемой пачки, которое обеспечивает максимальную производи-

тельность и минимальный удельный расход топлива. Если трактор работает только с этими оптимальными передачами и объёмами, то в этом случае будут получаться максимальная производительность и минимальный удельный расход топлива. Произведя подобные исследования для всех вариантов ППУ и разных пачек, мы получили оптимальные передаточные ряды для трелевочного трактора «0женец-300» (см. табл. 2).

Для сравнения такие же расчеты на основе этой методики были проведены для передаточных чисел коробки передач серийных машин (см. табл. 2).

Таблица 2

Полученные оптимальные рабочие передаточные числа для каждого фиксированного ППУ

с различными рейсовыми нагрузками

Вариант Расчетные передачи Серийные передачи

——Объем пачки Условия работы —— 0=12 0=10 0=8 0=6 0=12 0=10 0=8 0=6

Ї=0,1,Ф=0,8 ^Показатепь^^^ 81 72 65 87,15 87,15 68

Ыор, кВт 54,164 55,533 56,268 - 53,274 52,623 55,343 -

Пор, м3/ч 439,5 417,6 371,7 - 406,27 336,799 352,013 -

Сор, кг/ч 16,772 17,065 17,168 - 16,691 16,549 17,017 -

0п, кг/м3 0,0382 0,041 0,046 - 0,041 0,0491 0,0483 -

Ї=0,2,Ф=0,7 'Показатель'^^^_ 87 77 68 87,15 87,15 68

1\1ср, кВт - 55,864 57,655 60,202 - 55,804 54,327 60,202

Пср, м3/ч - 313,2 286,9 249,6 - 312,44 246,40 249,5

Сср, кг/ч - 18,692 18,903 19,516 - 18,76 18,468 19,516

Сп, кг/м3 - 0,0597 0,066 0,078 - 0,06 0,075 0,078

Т=0,25,Ф=0,55 'показатель'^^^ 64 68

1\1ср, кВт - - - 59,813 - - - 56,411

Пср, м3/ч - - - 241,4 - - - 218,63

Сср, кг/ч - - - 20,902 - - - 20,398

Сп, кг/м3 - - - 0,087 - - - 0,093

Таблица 3

Результаты сравнения трёх оптимальных передаточных чисел с оптимальными пачками

Суммарная величина Расчетные передачи

Суммарная производительность ХП, м3/ч 994,1 937,34

Минимальный удельный расход топлива вп, кг/м3 0,0567 0,0596

Сравнивая результаты расчетов, которые приведены в табл. 3, можно сказать, что если бы на тракторе использовались три "оптимальные” передачи, то производительность была бы выше на 6 %, а удельный расход топлива ниже на 5 %.

Таблица 4

Результаты сравнения для всех передаточных чисел с различными рейсовыми нагрузками

Суммарная величина Расчетные передачи

Суммарная производительность ХП, м3/ч 2228,88 2122,152

Минимальный расход топлива вп, кг/м3 0,0576 0,06

В процессе эксплуатации трактор не всегда может работать только с "оптимальной” пачкой, поэтому были проведены расчеты для всех вариантов грунтов с разными объемами трелюемых пачек. Мы получили всего семь вариантов передач для всех типов ППУ, которые приведены в табл. 2. Очевидно, что использовать семь рабочих передач маловероятно в реальных условиях. Если мы принимаем три наши расчетные "оптимальные” передачи и три серийные передачи во всем диапозоне ППУ и для всех вариантов пачек деревьев, то получим результаты, которые представлены в табл. 4.

Из данных табл. 4 следует, что три наши расчетные "оптимальные” передачи обеспечивают повышение производительности на 5 % и снижение удельного расхода топлива на 4 % по сравнению с серийными передаточными числами.

Выводы

Проведены аналитические исследования влияния передаточных чисел трансмиссии трелевочного трактора на производительность и топливную экономичность в процессе грузового хода. В ходе исследований были учтены реальные характеристики моторно-трансмиссионной установки, свойства грунта и рейсовая нагрузка.

Полученные результаты показали, что при оптимизации параметров трансмиссии трелевочного трактора для каждого фиксированного ППУ существует одно передаточное число, которое обеспечивает максимальную производительность и минимальный расход топлива на 1 м3 стрелеванной древесины. Диапазон передаточных чисел должен определяться соотношением максимальной касательной силы тяги трактора и нагрузкой, определяемой суммарной силой сопротивления движению трактора по приведенной формуле (13).

В качестве примера были определены оптимальные передаточные числа для широкого спектра ППУ работы трелевочного трактора «0нежец-300», что позволило создать методику оптимизации параметров трансмиссии с целью повышения топливо-экономических показателей трелевочных тракторов. Апробация этой методики показала ее эффективность. Применение на отечественном тракторе оптимальных передаточных чисел, полученных с помощью данной методики, сможет обеспечить повышение производительности на 5-6 % и снижение удельного расхода топлива на 4-5 % по сравнению с серийными передаточными числами.

Литература

1. Методика выбора рабочих передач трелевочного трактора / С.А. Шуткин, В.Л. Довжик, Ву Хай Куан [и др.] // Изв. Санкт-Петербурской лесотехн. акад. - СПб.: СПб ГЛТУ, 2012. - 280 с.

2. Тракторы. Теория: учебник / В.В. Гуськов, Н.Н. Велев, Ю.Е. Атаманов [и др.]; под общ. ред. В.В. Гусь-кова. - М.: Машиностроение, 1988. - 376 с.

3. Тракторы. Проектирование, конструирование расчет: учебник / И.П. Ксеневич, В.В. Гуськов, Н.Ф. Бочаров [и др.]; под общ. ред. И.П. Ксеневича. - М.: Машиностроение, 1991. - 544 с.

4. Гинсбург Ю.В., Швед А.И., Парфенов А.П. Промышленные тракторы. - М.: Машиностроение, 1986. -296 с.

5. Парфенов А.П., Щетинин Ю.С. Тяговый расчет гусеничной транспортно-тяговой машины: метод. указания. - М.: МГТУ «МАМИ», 2002. - 75 с.

6. Анисимов Г.М., Перельман А.Я., Михайлов О.А. Прогнозирование времени движения трелевочных систем на отдельных передачах // Лесн. журн. - 1986. - № 5. - С. 30-33.

7. Тяговый расчет трелевочных тракторов / Б.Г. Мартынов [и др.]. - СПб.: СПбЛТА, 2008. - 64 с.

8. Анисимов Г.М. Условия эксплуатации и нагруженность трансмиссии трелевочного трактора. - М.: Лесн. пром-сть, 1975. - 165 с.

9. Григорьев И.В., Валяжонков В.Д. Современные машины и технологические процессы лесосечных работ: учеб. пособие. - СПб.: СПбЛТА, 2009. - 287 с.