Инерционный метод оценки энергетической эффективности гусеничных лесных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

 УДК 681.2

А. В. Егоров

ИНЕРЦИОННЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСНЫХ МАШИН

Предложен и научно обоснован метод оценки энергетической эффективности гусеничных лесных машин. Основу метода составляют прямое измерение расхода топлива и косвенное определение эффективной мощности, развиваемой двигателем внутреннего сгорания. Мощность двигателя определяется по изменению динамики угловых ускорений коленчатого вала при разгоне гусеничной машины с грузом и без груза.

Ключевые слова: инерция, инерционная диагностика, энергоэффективность, гусеничные лесные машины.

Введение. Многие виды технологических операций в процессе заготовки и трелевки древесины осуществляются гусеничными машинами. В условиях прямой конкуренции на российском рынке между отечественными и иностранными производителями лесозаготовительной техники необходим комплексный подход к повышению эффективности лесозаготовительных машин в течение полного жизненного цикла.

Одним из возможных путей повышения эффективности отечественных гусеничных лесных машин является повышение экономической эффективности ее эксплуатации в течение полного жизненного цикла.

Существующий уровень развития методов и средств оценки эффективности преобразования энергии топлива в полезную работу движения гусеничной лесной машины не позволяет осуществлять достоверную оценку в течение полного жизненного цикла, так как средства измерения механической мощности требуют систематического технического обслуживания и калибровки. Кроме того, необходимой становится и поправка на атмосферные условия.

Разработанный автором подход позволяет перейти к решению проблемы развития методов и средств оценки эффективности преобразования энергии топлива в полезную работу движения гусеничной лесной машины, опираясь на инерционный метод и средства, основанные на косвенном методе определения механической мощности двигателя внутреннего сгорания гусеничной лесной машины.

Цель работы – разработка инерционного метода оценки энергетической эффективности гусеничных лесных машин.

Решаемые задачи:

1) разработка теоретических основ инерционного метода оценки энергетической

эффективности гусеничных лесных машин;

2) разработка методики расчета приведенного к оси вращения коленчатого вала

двигателя момента инерции движущихся масс гусеничной лесной машины.

Теоретические основы инерционного метода оценки энергетической

эффективности гусеничной лесной машины. Решение комплексной проблемы повышения энергетической эффективности гусеничных транспортных средств напрямую

© Егоров А.В., 2011.

связано с решением задач разработки новых методов и средств диагностики и контроля эффективности преобразования энергии топлива в полезную работу транспортного средства в течение полного цикла. Одним из возможных вариантов здесь является разработка инерционных методов и средств диагностики и контроля эффективности преобразования энергии топлива в полезную работу транспортного средства в течение полного жизненного цикла.

Рассмотрим кинематическую схему гусеничной лесной машины.

Рис. 1. Кинематическая схема гусеничной машины: 1 — двигатель внутреннего сгорания (ДВС); 2 — сцепление; 3 — коробка перемены передач; 4 — задний мост с главной передачей и дифференциальным механизмом; 5 — бортовой редуктор; 6 — ведущая звездочка; 7 — гусеничная цепь; 8 — каретка; 9 — поддерживающий ролик; 10 — натяжной механизм

ДВС 1 соединен с ведущими звездочками 6 радиусами гвз посредством агрегатов трансмиссии и бортовых редукторов. Передаточное отношение КПП на соответствующей передаче – kEnn, передаточное отношение главной передачи (ГП) – krn, передаточное отношение дифференциала (ДИФ) – kдиփ, передаточное отношение бортового редуктора (БР) – kEP.

Вес гусеничной машины массой Мгм (с учетом массы водителя) воспринимается роликами кареток 8, имеющими радиус грк . Натяжение гусеничной цепи осуществляется колесом натяжного механизма 10, имеющим радиус гкнм, поддержка гусеничной цепи - поддерживающими роликами радиусом гпр . Длина каждой гусеничной цепи -1гц , толщина гусеничной цепи - hгц ,вес одного погонного метра - тгц . Угол обхвата гусеничной цепью ведущей звездочки - авз, угол обхвата гусеничной цепью колеса натяжного механизма - анм.

Из условия неизменности кинетической энергии следует, что для системы вращающихся масс, состоящей из ДВС, сцепления, коробки перемены передач, ведущего моста с главной передачей и дифференциальным механизмом, бортовых редукторов, ведущих звездочек, роликов кареток, поддерживающих роликов, колес натяжных ме-

ханизмов цепи и гусеничных цепей, и полагая пренебрежимо малым действие трения качения, воздушного сопротивления движению, проскальзывания между гусеничными цепями и опорной поверхностью [1]:

2 2 2 2

ОЛ , _ ОЛ „ _ ОЛ о о ®пк

дв _ т дв , т дв , т „2 , т „2 , т рк

յ խ)-*ւ = J^^ О)-^ + J (а)-*. + J О1 + J օճ + J

пр\ / г* двУ / г* трУ / г\ вз вз кнм кнм

2

2

тр

2

Т/՜ 2 h h гО

+ + «вз + ֊ք Кц ֊ +

h h О2

+« (г +—)т (г + ֊)2 кнм +

' ^кнм\гкнм ' 2 /" 1гц\։кнм' ^ ^ 2 ՜

ЪЦ1 h^

+ (lгц ՜ «вз (Гвз +—) - «нк (Гнк +— У)тгц¥гм ,

рк

x + J

а

пр

-У +

(1)

2

2

где (о), ^в(о), Jтр (о), Звз, Зкнм, J рк, – приведенный к оси вращения ко-

ленчатого вала двигателя момент инерции (с учетом приведения к оси вращения коленчатого вала действия сил трения двигателя, агрегатов трансмиссии), момент инерции двигающихся масс двигателя (с учетом приведения к оси вращения коленчатого вала действия сил трения), момент инерции вращающихся масс агрегатов трансмиссии (с учетом приведения к оси вращения коленчатого вала действия сил трения), момент инерции ведущей звездочки, момент инерции колеса натяжного механизма, момент инерции ролика каретки, момент инерции поддерживающего ролика; овз, окнм, ОрК,

оПр – угловые скорости ведущей звездочки, колеса натяжного механизма, ролика каретки, поддерживающего ролика; х, у – количество роликов каретки и поддерживающих роликов, установленных на гусеничную машину.

Угловые скорости колеса натяжного механизма, ролика каретки, поддерживающего ролика связаны с угловой скоростью ведущей звездочки ( овз = G>dej (кКППкГПкДИФкБР))

через линейную скорость гусеничной машины Угм = овзгвз и, соответственно, равны:

о = О

кнм в

Орк = Ов

Опр = О в

г г г

кнм рк пр

(2)

Искомый приведенный момент инерции системы:

2Л. 2J.

Jпр (о) = Jde (о) + Jrnv (о) +

+

тр '

к 2 к 2 к 2 к 2

к КППк ГПк ДИФк БР

+

к2 к~2 1г 2 1г 2 г 2

кКППкГПкДИФ кБР гкнм

+

J

рк

J

к2 7 2 il т_2 г2

к КППк ГПк ДИФк БР грк

x +

пр

т_2 т_2 т_2 т_2 г 2

к КППк ГПк ДИФк БР гпр

У + м

гм к 2 к 2 к 2 т2

кКППкГПк ДИФкБР

+

«взтгц

h

+------—^-----( г + ЛЛ3 +.

к2 к2 к2 к2 V вз 2 եՀ եՀ եՀ եՀ гՀ

1Х‘КПП*ТП*‘ДИФ*‘БР^ П'КППП'ГПП'ДИФП'БР 'кнм

« т

кнм гц

г

h

(г +л± )3 +

кнм 2

+ (1гц - «вз (гез + ~ֆ) - «нк (гнк + ~2г ))тгЦ ,2 ,2,2

Հ* Հ* /V ТГПП>У ГТ7/У

к

2

КПП ГП ДИФ БР

(3)

г

г

г

г

2

2

2

г

г

г

Очевидно, что основной весовой вклад в Jnp (о) делает масса гусеничной машины Мгм.

Расчетное уравнение крутящего момента при разгоне гусеничной машины с водителем при работе двигателя по внешней характеристике (акселератор нажат до упора) [2]:

M(ю) = Jnp (юК(ю) =

Jde (ю) + Jmp (ю) +

2J

■ + ֊

2J.

7 2 ։ 2 ։ 2 յ 2 յ 2 յ 2 ։ 2 ։ 2 2

ККППКГПКДИФКБР ККППКГПКДИФкБР Гкнм

+

J

+

рк

-х + ֊

пр

„ , ---^ V +

k2 k2 k2 k2 Г2 k2 k2 k2 k2 r2 y

п'КП^ТПп'ДИФ'БР 'рк п'КП^'ГПп'ДИФ'БР 'np

+М„

՝ k2 Л2 k2 k2

КПП ГП ДИФ БР

+

Овзтгц

кКППкГПкДИФкБР

Г + \ )3 +

+_____(^кнМтгц_____(r + hгц )3 +

k2 k2 k2 Л2 г2 ^ кнм 2 )

КПП ГП ДИФ БР кнм

Лгц йгц г2

+ (1гц - Овз (re3 + ^Т) - Онк (Гнк + ~Ц ))тгц , 2 /2 ” 2 /2

Ц 2 2 ц kKnnkrnkДИфкБр

а1 (ю), (4)

r

r

где £1(0) – угловое ускорение коленчатого вала двигателя при разгоне гусеничной машины только с водителем.

Расчетное уравнение крутящего момента при разгоне гусеничной машины с водителем и грузом массой Мгр при работе двигателя по внешней характеристике (акселератор нажат до упора):

м(ю) = յպ, (ю)е2(ю) =

JdB(Ю) + 'ктр(Ю) +

2J

k2 k2 k2 k2

Л тПяГПя диф^бр

+

2J

k2 k2 k2 k2 r2

ռ КПП1՝ГП1'-ДИФКБР 'кнм

+

J

+

рк

J

12 т 2 /2 т 2 2

^^КПП^^ГП^^ДИфФ^БР Грк

+ (Мгм + Мрр )

-х+-

пр

1 2 1 2 1 2 1 2 2 ^ПП^П КДИФ 1^БР Гпр

V +

a m

гр k2 k2 k2 k2 Л тПяГПя диф^бр

+

вз гц

k2 k2 k2 k2

Л тПяГПя диф^бр

(Гвз + ֊ )3

+

акнМ

гц

12 12 12 12 2 '^КПП'^ГП'^ДИФ'^БР Гкнм

Г2 К 3

“ (Гкнм + ֊)3 +

Игц Игц

+ (1гц -авз(Гвз +—) -анк(Гнк + ~))тгц Ti

2 2 k

k2 k2 k2

КППЛ Л ДИФКБР

Sշ(Ш), (5)

Г

Г

Г

где £2(0) – угловое ускорение коленчатого вала двигателя при разгоне гусеничной машины с водителем и грузом массой Мгр.

Приравнивая (4) и (5), определяем сумму:

Jde (ш) + Jmp (ш) = Мгр

2J. +

8 2(Ю)

k КПП krn k ДИФ кБР 81(<В) ֊82(Ю)

2J

k2 k 2 k 2 k 2

1''КПП1''т"'ДИФ"'БР

+

k2 k2 k2 k2 r 2

1՝'КПП"'т"'ДИФ"'БР ՛кнм

J

+

J

k2 k2 k2 k2 r2

1՝'КППк'ГПк'ДИФк'БР ՛рк

-x + ֊

k2 k2 k2 k2 r2 '''КПП"'ГП"'ДИФ"'БР ՛пр

y +

+М

гм 7 2 7 2 7 2 |2

k КПП k ГП k ДИФ kБР

+

а взт,ц

J 2 7 2 7 2 l2

kкnn km кдиф кбр

(в +֊r + к

+

а кнмтгц

кнм гц

i2 i2 i2 i2 2

k КППК mk ДИФК БР Гкнм

(Гкнм + ֊Г +

h„n r2

+ (4ц ֊ авз (гвз + ֊Г՜) ֊ анк (гнк + ^-))тгц 2 k2 k 2

A. тргтгтК г^гтК.

k k k2

КПП ГП ДИФ БР

(6)

r

r

r

r

r

r

Подставляя (6) в (4), строим характеристику крутящего момента, создающего тяговое усилие на гусеницах:

М (и) = Мгр

k 2 k 2 k 2 k 2

ռ КППп'ГПп' ДИФп'БР

2

r

81(ш)8 2(ш) 81(ш) ֊82(ш)

(7)

Подставляя (6) в (5), строим характеристику крутящего момента, создающего тяговое усилие на гусеницах:

М (ш) = Мгр

k2 k2 k2 k2

ռ КППп'ГПп' ДИФп'БР

2

r

81(ш)8 2(ш) 81(ш) ֊82(ш)

(8)

Полезная механическая мощность на гусеницах:

N (и) = М (0)0= Мр и Л’ .ЗЩЫШ» (9)

k КПП k ГП k ДИФ k БР 81(ш) 82(ш)

Осуществляя параллельный замер массового расхода топлива Q(о) при измерении £\(ю) или £ղ((օ) (в идеальном случае расходы должны совпадать) и зная теплотворную способность топлива qm, определяем зависимость эффективного коэффициента полезного действия гусеничного транспортного средства:

Л(ш)

N (ш) Q(0)qm

(10)

Выводы. Инерционный метод оценки эффективности преобразования энергии топлива в полезную работу движения гусеничных лесотранспортных машин, основанный на методах теоретической механики, в частности, на методе динамики вращательного движения, может быть использован в исследовательских целях при проведении опытно-конструкторских работ над новыми и находящимися в эксплуатации машинами. На инерционный метод оценки энергетической эффективности преобразования энергии топлива в полезную работу гусеничной лесной машины подана заявка на изобретение Российской Федерации.

Список литературы

1. Неразрушающий контроль и техническая диагностика: тезисы докладов 18-й Всероссийской конференции с международным участием. Нижний Новгород. 29.09. – 03.10.2008 г. – М.: Машиностроение, 2008. – 310 с.

2. Сборник научных трудов по материалам Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э.Баумана / Под редакцией Н.А. Иващенко, В.Н. Костюкова, А.П. Науменко, Л.В. Грехова. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 572 с.

Статья поступила в редакцию 07.12.10.

A. V. Egorov

INERTIAL METHOD OF TRACK-TYPE FOREST VEHICLES ENERGETIC EFFICIENCY ASSESSMENT

A method of track-type forest vehicles energetic efficiency assessment is offered and scientifically grounded. Fuel consumption direct measurement and indirect determination of effective power developed by the explosion engine are the basis of the method. The power of the engine is determined in measurement of the dynamics of center crankshaft angular acceleration in acceleration of a track-type vehicle with or without load.

Key words: inertial, inertial diagnostics, energy efficiency, track-type forest vehicles.

ЕГОРОВ Алексей Васильевич — докторант, кандидат технических наук, доцент кафедры транспортно-технологических машин МарГТУ. Область научных интересов – энергоэффективность и энергосбережение. Автор более 60 публикаций.

E-mail: Egorov@marstu.net