CC BY
10
Научная статья УДК 629.1.04
Б01: 10.37482/0536-1036-2023-3-126-139
Оптимизация конструктивных параметров пневмогидравлического седельно-сцепного устройства лесовозного автопоезда
В.И. Посметьев, д-р техн. наук, проф.; Яв^еагсИвгЮ: 0-1411-2015, ОЯСЮ: https://orcid.org/0000-0001-9878-7451 В.О. Никоновн, канд. техн. наук, доц.; Яа'ваг^вгЮ: N-3510-2019, ОЯСЮ: https://orcid.org/0000-0002-7380-9180
A.Ю. Мануковский, д-р техн. наук, проф.; ЯesearcherID: ЛЛЯ-1976-2020, ОЯСЮ: https://orcid.org/0000-0003-4289-6581
B.В. Посметьев, канд. физ.-мат. наук, доц.; ЯesearcherID: 1-3736-2019, ОЯСЮ: https://orcid.org/0000-0001-6622-5358
А.В. Авдюхин, аспирант; ЯesearcherID: HDM-3130-2022, ОЯСЮ: https://orcid.org/0000-0003-2622-8946
Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, ул. Тимирязева, д. 8, г. Воронеж, Россия, 394087; posmetyev@mail.ru, 8888тке8888@таП.гин, mayu1964@mail.ru, victorvpo@mail.ru, 1988aav@mail.ru
Поступила в редакцию 24.01.22 / Одобрена после рецензирования 28.04.22 /Принята к печати 30.04.22
Аннотация. Рассмотрены преимущества использования в современных условиях вывозки лесоматериалов лесовозных автопоездов, составленных седельными тягачами с полуприцепами. Проанализированы последствия эксплуатации лесовозных автопоездов в сложных дорожных условиях, характеризующихся недостаточным обустройством лесовозных дорог. Описаны перспективные научные направления, позволяющие повысить эффективность работы лесовозных седельных автопоездов. Предложена усовершенствованная конструкция рекуперативного седельно-сцепного устройства, обеспечивающая повышение надежности и сокращение расхода топлива автопоезда, улучшение условий труда водителей, а также снижение динамических нагрузок между звеньями лесовозного автопоезда, возникающих при его движении в неустановившихся режимах. Методика проведения исследования включает в себя использование математического аппарата многофакторной оптимизации. Выведены аналитические формулы для определения показателей эффективности работы рекуперативного се-дельно-сцепного устройства. Выявлено влияние величины хода поршней гидравлического цилиндра рекуперативного седельно-сцепного устройства, массы полуприцепа с лесоматериалами, ускорений при разгоне и торможении лесовозного автопоезда на изменение показателей эффективности работы устройства. Определена оптимальная величина хода поршней гидравлического цилиндра, составившая 200 мм. Она позволяет рекуперировать мощность 6,5 кВт и обеспечивает более благоприятное продольное ускорение полуприцепа - 0,72 м/с2. Установлено, что с ростом ускорения при разгоне и торможении лесовозного автопоезда с 1 до 3 м/с2 возрастает рекуперируемая мощность - с 2,2 до 6,8 м/с2, а также повышается среднее продольное ускорение полуприцепа - с 0,27 до 0,75 м/с2. Изменение загруженности полуприцепа лесоматериалами от 5 до 25 т позволяет увеличить рекуперируемую мощность с 1,6 до 7,9 кВт и снизить продольное ускорение полуприцепа с 2,8 до 0,53 м/с2. Получены графики
© Посметьев В.И., Никонов В.О., Мануковский А.Ю., Посметьев В.В., Авдюхин А.В., 2023
Статья опубликована в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии СС ВУ 4.0
влияния и картограммы оптимизации, отражающие диаметр и величину хода поршней рекуперативного гидроцилиндра седельно-сцепного устройства в зависимости от рекуперируемой мощности и продольного ускорения полуприцепа. Картограммы оптимизации позволили графоаналитическим способом определить среднюю рекуперируемую мощность, равную 6,5 кВт при диаметре рекуперативного гидроцилиндра 110 мм и величине хода поршней гидроцилиндра 200 мм. Ключевые слова: оптимизация, эффективность, седельно-сцепное устройство, рекуперируемая мощность, седельный лесовозный автопоезд, лесовозная дорога, продольное ускорение полуприцепа, торможение полуприцепа
Для цитирования: Посметьев В.И., Никонов В.О., Мануковский А.Ю., Посметьев В.В., Авдюхин А.В. Оптимизация конструктивных параметров пневмогидравлического се-дельно-сцепного устройства лесовозного автопоезда // Изв. вузов. Лесн. журн. 2023. № 3. С. 126-139. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-3-126-139
Original article
Optimization of Structural Parameters by Improvement of Pneumohydraulic Fifth-Wheel Coupling Device at Semitrailer Hauling Rig
Valeryi I. Posmetyev, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: Q-1411-2015, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9878-7451 Vadim O. NikonovH, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: N-3510-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7380-9180 Andrey Yu. Manukovskii, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: AAR-1976-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4289-6581 Viktor V. Posmetyev, Candidate of Physics and Mathematics, Assoc. Prof.; ResearcherID: Z-3736-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6622-5358 Alexander V. Avdyuhin, Postgraduate Student; ResearcherID: HDM-3130-2022, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2622-8946
Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov, ul. Timiryazeva, 8, Voronezh, 394087, Russian Federation; posmetyev@mail.ru, 8888nike8888@mail.ruH, mayu1964@mail.ru, victorvpo@mail.ru, 1988aav@mail.ru
Received on January 24, 2022/Approved after reviewing on April 28, 2022/Accepted on April 30, 2022
Abstract. In this study, the benefits of logging transportation under modern conditions by semitrailer hauling rig are examined, which consists of a truck tractor connected to a semitrailer. Furthermore, an analysis is made of the operational implications of using log road trains in insufficiently arranged road conditions. The article describes the potential scientific directions that can optimize the efficiency of semitrailer trucks. An improved construction of a regenerative fifth-wheel coupling device is proposed. It provides better reliability, reduces fuel consumption for log trucks, and gives better working conditions for drivers, along with reduced dynamic loads between the links of the units that occur during the movement in unsteady modes. The research methodology includes the application of the mathematical framework of multifactorial optimization. The specified analytical formulas are derived to determine the performance efficiency of the regenerative fifth-wheel coupling.
This is an open access article distributed under the CC BY 4.0 license
It is revealed the connections between the hydraulic cylinder piston stroke values of the regenerative fifth-wheel coupling device, the weight of the loaded semitrailer, the vehicle acceleration during speeding up and braking, and the modifications of the performance indicators of the latching mechanism. The optimal value of the stroke of the pistons of the hydraulic cylinder is determined, which is 200 mm. It provides a power recovery of 6.5 kW and better longitudinal acceleration of the semitrailer at 0.72 m/s2. Moreover, it is found that the change in acceleration during the increase in velocity and braking from 1 to 3 m/s2 gives the change in recuperated power from 2.2 to 6.8 m/s2. At the same time, the average longitudinal acceleration of the semitrailer varies from 0.27 to 0.75 m/s2. Changing the load of the semitrailer from 5 to 25 tons allows increasing the recuperated power from 1.6 to 7.9 kW and reducing the longitudinal acceleration of the semitrailer from 2.8 to 0.53 m/s2. The influence graphs and optimization cartograms present the diameter and hydraulic cylinder piston stroke values of the regenerative fifth-wheel coupling device on the regenerated power and longitudinal acceleration of the semitrailer. According to the optimization cartograms, the average regenerative power is determined using a graph-analytical method. It is equal to 6.5 kW with the diameter of a regenerative hydraulic cylinder of 110 mm and a hydraulic cylinder piston stroke of 200 mm.
Keywords: optimization, efficiency, fifth-wheel, regenerated power, logging semitrailer, haulroad, longitudinal acceleration of semitrailer, braking of semitrailer
For citation: Posmetyev V.I., Nikonov V.O., Manukovskii A.Yu., Posmetyev VV., Avdyuhin A.V Optimization of Structural Parameters by Improvement of Pneumohydraulic Fifth-Wheel Coupling Device at Semitrailer Hauling Rig. Lesnoy Zhurnal = Russian Forestry Journal, 2023, no. 3, pp. 126-139. (In Russ.). https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-3-126-139
Введение
Наиболее важной совокупностью отраслей российской экономики, осуществляющих заготовку и переработку лесоматериалов, является лесная промышленность. К крупнейшей отрасли лесной промышленности, деятельность которой связана с заготовкой и вывозкой лесоматериалов, относится лесозаготовительная промышленность. В условиях лесозаготовительного производства ведущее место занимает лесовозный транспорт, обеспечивающий бесперебойную работу всех фаз лесозаготовительного процесса. В настоящее время более 80 % общего объема заготавливаемых лесоматериалов вывозится лесовозными автомобилями, от эффективности использования которых зависит конечная стоимость доставляемых потребителям лесоматериалов, а также функционирование лесозаготовительных предприятий.
Наибольшее распространение при вывозке древесины на лесозаготовительных предприятиях приобрели лесовозные автопоезда - седельные тягачи с полуприцепами. Это связано с их преимуществами перед лесовозными автомобилями с прицепами: лучшая маневренность, устойчивость и безопасность при движении, более высокие скорость движения, грузоподъемность и грузовместимость, меньшие металлоемкость, габаритная длина и негативное воздействие на опорную поверхность дороги [4].
Дорожные условия эксплуатации лесовозных тягачей с полуприцепами значительно отличаются от условий эксплуатации аналогичных автопоездов общего назначения. Особенностью таких условий является недостаточная обустроенность лесовозных дорог, при движении по которым в процессе вывозки лесоматериалов лесовозным автопоездам приходится совершать боль-
шое количество троганий с места, торможений и поворотов. Это приводит к возникновению ударных нагрузок между звеньями лесовозного автопоезда, воздействующих на элементы седельно-сцепного устройства и вызывающих неоправданно быстрое изнашивание его деталей, снижение надежности автопоезда, скорости его движения, производительности, а также увеличение расхода топлива.
В связи с этим особое значение приобретают вопросы достижения более эффективного функционирования таких лесовозных автопоездов путем: обоснованного выбора оптимального маршрута вывозки; повышения надежности и ресурса автопоезда; увеличения его эксплуатационной скорости и грузоподъемности; улучшения устойчивости, управляемости и безопасности движения; снижения негативного воздействия на лесовозную дорогу и окружающую среду; сведения к минимуму времени в пути, простоев при погрузочно-разгрузочных работах и при выполнении технического обслуживания и ремонта; повышения уровня квалификации водителей и др. [7-20].
Выполненные авторами исследования выявили негативные последствия влияния традиционных конструкций седельно-сцепных устройств на эксплуатационные свойства лесовозных автопоездов. Это позволило предложить перспективную схему рекуперативного пневмогидравлического седельно-сцеп-ного устройства, которое является эффективным средством существенного снижения динамических нагрузок, возникающих между звеньями лесовозного автопоезда в продольном направлении при его неустановившемся движении по недостаточно обустроенным лесовозным дорогам (рис. 1). Данное сцепное устройство обеспечивает снижение расхода топлива лесовозным автопоездом: при различных переходных режимах движения лесовозного автопоезда за счет преобразования кинетической энергии от силы инерции полуприцепа с лесоматериалами в гидравлическую энергию рабочей жидкости, которая накапливается в пневмогидравлическом аккумуляторе для последующего полезного использования в технологическом процессе погрузки и разгрузки лесоматериалов. Использование такого сцепного устройства, кроме того, позволяет повысить надежность лесовозного автопоезда, в том числе за счет адаптации устройства к дорожным условиям эксплуатации, техническому состоянию автопоезда, а также к квалификации водителя [5].
Для определения геометрических параметров предлагаемого рекуперативного седельно-сцепного устройства, обеспечивающих необходимые показатели эффективности его работы, требуется на основании ранее разработанных математических моделей выполнить теоретическую многофакторную оптимизацию.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования является седельный тягач с полуприцепом, предметом - рекуперативное пневмогидравлическое седель-но-сцепное устройство. Для предварительной оценки эффективности предлагаемого сцепного устройства авторами ранее были разработаны математические модели и компьютерные программы [1-3]. Движение лесовозного седельного тягача с полуприцепом в модели описывалось на основании системы дифференциальных уравнений, составленных с использованием законов динамики поступательного и вращательного движения [6].
Рис. 1. Расчетная схема для моделирования гидравлических и механических процессов при функционировании рекуперативного пневмогидравлического седельно-сцепного устройства: 1 - гидроцилиндр; 2 - рекуперативный гидропривод; 3 - гидробак; 4, 5 -предохранительный и редукционный клапаны; 6 - пневмогидрав-лический аккумулятор; 7 - нормально закрытый двухпозиционный двухлинейный гидрораспределитель; 8, 10—13 - трубопроводы; 9 - обратный клапан; VJ...V5 - рабочие полости гидроцилиндра; PJ...P5 - давление рабочей жидкости в полостях; В - ширина поршня; D - диаметр гидравлического цилиндра; Ьк1 и Ьк2 - величины хода поршней; хц, ху х1, х2, ху2 - координаты расположения поршней гидроцилиндра относительно неподвижной системы координат
Fig. 1. Calculation scheme for modeling hydraulic and mechanical processes during the operation of a recuperative pneumohydraulic fifth-wheel coupling: 1 - hydraulic cylinder; 2 - recuperative hydraulic drive; 3 - hydraulic tank; 4, 5 - safety and pressure reducing valves; 6 - pneumohydraulic accumulator; 7 - normally closed two-position two-line hydraulic valve; 8, 10-13 - pipelines; 9 - unidirectional valve; VJ.V5 - working cavities of the hydraulic cylinder; PJ.P5 - pressure values of the working fluid in the cavities; B - piston width; D - diameter of the hydraulic cylinder; Ьк1 and Ьк2 - piston strokes; хц, ху х1, х2, ху2 -coordinates of the location of the hydraulic cylinder pistons relative to the fixed coordinate system
Для описания контакта колес лесовозного автопоезда с опорной поверхностью лесовозной дороги применялась упруго-вязкая упрощенная модель пружинно-демпферной системы, характеризуемая коэффициентами жесткости и
демпфирования рассматриваемой системы. Основными показателями эффективности функционирования предлагаемого сцепного устройства являлись мгновенная и средняя рекуперируемая мощность и ускорения полуприцепа.
Для определения оптимальных геометрических параметров предлагаемого рекуперативного седельно-сцепного устройства использован математический аппарат многофакторной оптимизации. Варьируя одновременно двумя или более параметрами сцепного устройства, при одних и тех же условиях эксплуатации можно добиться высокой рекуперируемой мощности N и низких ускорений полуприцепа аПс. В качестве оптимизируемых геометрических параметров рекуперативного устройства выбраны: D -внутренний диаметр устройства (диаметр гидроцилиндра); Ьк - величина хода поршней устройства. В качестве критериев оптимизации взяты показатели: N - средняя рекуперируемая мощность; aПс - среднее абсолютное продольное ускорение полуприцепа.
Расчет средних значений показателей эффективности работы рекуперативного устройства осуществлялся на шагах интегрирования тн и тк по следующим зависимостям:
NPс =—£ Np (т);
Т -тн г=тн
1 к
«По =- X «п (т)|.
Тк -Тн г=Хн
Для определения оптимальных параметров рекуперативного седель-но-сцепного устройства проведена серия из 9 компьютерных экспериментов с 9 различными наборами параметров D и Ьк (см. таблицу). В каждом рассматриваемом случае с точки зрения теории планирования эксперимента был осуществлен полный 2-факторный эксперимент.
Результаты серии компьютерных экспериментов по оптимизации геометрических параметров рекуперативного устройства
Results from a set of digital tests for optimizing geometric parameters of the regenerative device
Эксперимент Внутренний диаметр гидроцилиндра Величина хода поршней Средняя рекуперируемая мощность, кВт Среднее продольное ускорение полуприцепа, м/с2
мм
1 100 3,7 0,91
2 100 200 6,4 0,74
3 300 7,9 0,66
4 120 100 4,0 0,90
5 200 6,5 0,72
6 300 7,5 0,60
7 140 100 3,9 0,93
8 200 6,0 0,74
9 300 7,1 0,64
^ DonT, Ь°пт,
Рассматриваемую задачу 2-факторной оптимизации можно записать аналитически следующим образом:
ГNpo (D, bK) ^ max;
[«По (D, Ьк ) ^ min;
где D°m и Ькопт - искомые оптимальные значения соответствующих геометрических параметров рекуперативного пневмогидравлического седельно-сцепного устройства.
В процессе решения задачи оптимизации осуществляется поиск определенной области изменения внутреннего диаметра гидроцилиндра и величины хода поршней, одновременно обеспечивающих максимальное значение критерия N и минимальное - критерия аПс.
Из данных таблицы выведены аналитические зависимости для функций Npc (D, Ьк) и аПс (D, Ьк). В целях сглаживания и экстраполяции результатов эксперимента функции были аппроксимировны полиномами 2-го порядка:
K(D, bK) = k1D2 + k2bK2 + k3DbK + k4D + k5bK + k6,
где К - критерий оптимизации, характеризующий показатели эффективности устройства (N или аПс); к1...к6 - параметры полинома.
Определение параметров полиномов было осуществлено методом наименьших квадратов:
XN19 (Каналит (D, bK ) - KK3 (Di, bK ))2 ^ min,
где NK3 - количество выполненных оптимизационных компьютерных экспериментов; Каналит - полиномиальная зависимость критерия K от заданных факторов D и Ьк; i - порядковый номер оптимизационного компьютерного эксперимента; ККЭ - значение критерия К, рассчитанное при выполнении i-го оптимизационного компьютерного эксперимента с заданными параметрами Di и bкi.
В результате аппроксимации методом наименьших квадратов определены аналитические зависимости для показателей эффективности рекуперативного седельно-сцепного устройства N и аПс:
Nnn (D, Ьк) = -4,167^10-4D2 - 6,167405 Ьк2 - 1,250-10"4Dbк +
рс ^ 7 к' 7 7 к 7 к
+ 0,117 D + 0,058 Ьк - 7,689; (1)
аПс(D, Ьк) = 7,540~5 D2 + 4,00-Ю"6Ьк2 - 5,00-Ю-6Dbк -
- 0,017 D - 2,4040-3 Ьк + 2,113. (2)
Полученные формулы могут использоваться в конструкторской практике для быстрой оценки (без выполнения моделирования) N и аПс эффективности рекуперируемого устройства по заданным геометрическим параметрам D и Ьк.
Результаты исследования и их обсуждение
Интенсивность разгонов и торможений лесовозного автопоезда может существенно воздействовать на мощность, рекуперируемую седельно-сцепным устройством. В целях исследования влияния ускорений при разгоне и торможении ам лесовозного автопоезда на показатели эффективности предлагаемого устройства осуществлена серия компьютерных экспериментов, при которых
значения ускорений при разгоне и торможении варьировали от 0 до 6 м/с2 с шагом 1 м/с2. При этом для повышения эффективности сравнительного анализа использовали один и тот же набор событий, генерируемых алгоритмом разгонов и торможений лесовозного автопоезда в модели. Вследствие этого графики ускорения аТ(/) и скорости ут(7) при различных ам имеют сходный вид, различаясь преимущественно амплитудой пиков (рис. 2).
Рис. 2. Зависимости от времени t ускорения аТ (а, в) и скорости vT (б, г) тягача лесовозного автопоезда при различной максимальной величине ускорения ам при разгоне и торможении: а, б - 1 м/с2; в, г - 4 м/с2
Fig. 2. Dependences on time t of acceleration aT (а, в) and speed vT (б, г) of a logging truck tractor at different maximum values of acceleration ам during increase of velocity and deceleration: а, б - 1 m/s2; в, г - 4 m/s2
Одним из наиболее важных геометрических параметров разработанного рекуперативного седельно-сцепного устройства является величина хода поршней. Учитывая, что в устройстве 2 типа поршней и, соответственно, возможны 2 различных параметра величины хода поршня Ьк1 и Ьк2, в дальнейшем для упрощения будем считать, что величины хода поршня одинаковы: Ьк = Ьк1 = Ьк2. Для исследования влияния величины хода поршня гидравлического цилиндра на показатели эффективности седельно-сцепного устройства осуществлена серия компьютерных экспериментов, при которых значения Ьк варьировали от 50 до 500 мм с шагом 50 мм. Обнаружено, что величина хода поршня существенно влияет на показатели эффективности, особенно при малых значениях Ьк. С увеличением Ьк от 50 до 200 мм средняя рекуперируемая мощность возрастает с 2,0 до 6,5 кВт (рис. 3, а), а среднее продольное ускорение полуприцепа понижается с 0,97 до 0,72 м/с2 (рис. 3, б). Дальнейшее увеличение хода поршня с 200 до 500 мм существенно повышает габаритные размеры рекуперативного устройства и неопределенность положения полуприцепа по отношению к тягачу при сравнительно небольшом улучшении показателей эффективности: росте средней рекуперируемой
мощности с 6,5 до 8,4 кВт и уменьшении среднего ускорения полуприцепа с 0,72 до 0,49 м/с2. При этом оптимальная величина хода поршней гидравлического цилиндра рекуперативного седельно-сцепного устройства, составившая 200 мм, обеспечивает рекуперируемую мощность 6,5 кВт и продольное ускорение полуприцепа 0,72 м/с2.
Рис. 3. Зависимость изменения средней рекуперируемой мощности и продольного ускорения полуприцепа: от величины хода поршней рекуперативного гидроцилиндра сцепного устройства (а, б); от максимального ускорения при разгоне и торможении ам (в, г); от массы полуприцепа тП (д, е)
Fig. 3. Dependences of the change in the average values of the recuperated power and the longitudinal acceleration of the semitrailer on the stroke of the pistons of the recuperative hydraulic cylinder of the coupling device (а, б), on the maximum acceleration during acceleration and deceleration ам (в, г), the mass of the semitrailer
mn (д, е)
Выявлено, что средняя рекуперируемая мощность с увеличением ам растет по достаточно резкой зависимости, которую приближенно можно описать степенным законом с показателем, незначительно превосходящим единицу (рис. 3, в). При этом среднее ускорение полуприцепа увеличивается практически линейно с ростом ам, это в данном случае, по-видимому,
является тривиальной закономерностью (рис. 3, г). Чем с большим ускорением происходят разгоны и торможения, тем большую мощность позволит рекуперировать разработанное седельно-сцепное устройство. Для движения седельных тягачей с полуприцепами на лесовозных дорогах с ускорением при разгоне и торможении от 1 до 3 м/с2 средняя рекуперируемая мощность изменяется от 2,2 до 6,8 кВт, среднее продольное ускорение полуприцепа составляет 0,27...0,75 м/с2.
Инерционные свойства полуприцепа при движении с ускорением при разгоне и торможении определяют силы, действующие в седельно-сцепном устройстве, поэтому должны оказывать существенное влияние и на показатели эффективности рекуперативного устройства. Для изучения влияния массы полуприцепа тП на Nрс и аПс выполнена серия компьютерных экспериментов, в которых массу полуприцепа тП варьировали от 5 до 30 т с шагом 5 т (рис. 3, г, д). Обнаружено, что средняя рекуперируемая мощность практически пропорциональна массе полуприцепа (рис. 3, г). Это обусловлено тем, что переносная сила инерции при ускоренном движении пропорциональна массе связанного с тягачом тела. Неблагоприятное среднее продольное ускорение полуприцепа по отношению к тягачу снижается с увеличением массы полуприцепа по приблизительно обратно пропорциональному закону (рис. 3, д), что также объяснимо в рамках 2-го закона Ньютона. При эксплуатации лесовозного автопоезда чаще всего возможны 2 режима. В режиме пустого полуприцепа (масса около 5 т) рекуперируемая мощность достигала 1,6 кВт, а продольное ускорение полуприцепа - 2,8 м/с2. При загрузке полуприцепа лесоматериалами до массы 25 т рекуперируемая мощность составила 7,9 кВт, а продольное ускорение - 0,53 м/с2. Разработанное рекуперативное седельно-сцепное устройство сохраняет эффективность при движении как порожнего, так и полностью загруженного полуприцепа, обеспечивая изменение рекуперируемой мощности в пределах от 1,6 до 7,9 кВт и продольного ускорения полуприцепа - от 0,53 до 2,8 м/с2.
Для последующего анализа зависимостей (1) и (2) выполнено построение графиков (рис. 4) и картограмм (рис. 5).
Рис. 4. Влияние диаметра и величины хода поршней рекуперативного седельно-сцепного устройства на показатели его эффективности
^ (а) и апс (б)
Fig. 4. Graphs of the influence of diameter and piston stroke of a regenerative fifth-wheel coupling device on the efficiency indicators of the device
Nc (a) and аш (b)
250-
200
110 120 130
Лрс(Д Ьк), кВт
а
110 120 130
аПс(А Ьк), м/с2
'б
110 120 ПОД мм
Npc(D, Ьк) П aUc(D, bK)
в
Рис. 5. Картограммы оптимизации диаметра и величины хода поршней рекуперативного седельно-сцепного устройства: по средней рекуперируемой мощности (а); по среднему продольному ускорению полуприцепа (б); по максимальному N и минимальному
аПс (в)
Fig. 5. Cartograms for optimizing the diameter and the piston stroke of a recuperative fifth-wheel coupling: by the average value of the recuperated power (а); according to the average value of the longitudinal acceleration of the semi-trailer (б); by the maximum value of N^ and
the minimum value of аПс (в)
Графики позволяют визуально оценить основные закономерности влияния геометрических параметров предлагаемого седельно-сцепного устройства на показатели его эффективности. В частности, из конфигурации поверхностей отклика можно заключить, что величина хода поршня оказывает большее влияние на показатели эффективности, чем диаметр рекуперативного седель-но-сцепного устройства. Картограммы оптимизации дают возможность графоаналитическим способом определить средние рекуперируемую мощность и продольное ускорение полуприцепа. Например, при диаметре рекуперативного устройства 110 мм (точка А на рис. 5, а) и величине хода поршней устройства 200 мм (точка В), проводя перпендикулярные прямые, получаем точку их пересечения С, расположенную вблизи линии уровня N = 6,5 кВт. Поэтому искомая средняя рекуперируемая мощность составляет около 6,5 кВт. Аналогичным образом можно определить среднее продольное ускорение полуприцепа по картограмме аПс (D, Ьк) (рис. 5, б).
На каждой из 2 картограмм можно выделить благоприятную область факторного пространства, обеспечивающую наилучшие (наибольшее или наименьшее) значения соответствующего критерия. Так, на картограмме Nvc (D, Ьк) линия уровня N = 6 кВт разделяет рассматриваемое факторное пространство приблизительно пополам: на благоприятную и неблагоприятную области (рис. 5, а). Конфигурация благоприятной области позволяет сделать вывод, что рекуперируемой мощности более 6 кВт можно добиться при величине хода поршня более 180 мм. Диаметр рекуперативного гидроцилиндра слабо влияет на рекуперируемую мощность, однако, судя по положению точки минимума на разграничивающей линии уровня Nvc = 6 кВт, оптимальный диаметр составляет около 115 мм. Для картограммы аПс (D, Ьк) в качестве критического продольного ускорения полуприцепа принято значение 0,7 м/с2, позволяющее также приблизительно пополам разделить рассматриваемую область факторного пространства (рис. 5, б).
Пересечение благоприятных областей 2 картограмм (рис. 5, в) дает возможность найти общую оптимальную область, в которой и критерий рекуперируемой мощности, и критерий неблагоприятных ускорений полуприцепа имеют одновременно искомые максимальное и минимальное значения соответственно. В данном случае благоприятная область картограммы N (D, Ьк) включает в себя благоприятную область картограммы аПс (D, Ьк). Из месторасположения на картограмме оптимальной области в факторном пространстве следует, что оптимальный внутренний диаметр рекуперативного седельно-сцепного устройства составляет 120 мм, оптимальная величина хода поршней - 210 мм. В этом случае средняя рекуперируемая мощность - 6,55 кВт, среднее продольное ускорение полуприцепа - 0,7 м/с2.
Выводы
Результаты исследования влияния геометрических параметров предлагаемой конструкции седельно-сцепного устройства на показатели эффективности его работы в процессе движения седельного автопоезда, а также определения оптимальных значений этих параметров на основе многофакторной оптимизации позволяют сделать следующие выводы.
1. При изменении значений хода поршня гидроцилиндра предлагаемого сцепного устройства в диапазоне от 50 до 500 мм происходят возрастание рекуперируемой мощности с 2 до 8,4 кВт и снижение продольного ускорения полуприцепа с 0,97 до 0,49 м/с2. Оптимальное значение хода поршня гидроцилиндра составляет 200 мм. При превышении данного значения существенно увеличиваются габаритные размеры гидравлического цилиндра предлагаемого рекуперативного седельно-сцепного устройства.
2. С повышением ускорения при разгоне и торможении лесовозного автопоезда с 1 до 3 м/с2 возрастают рекуперируемая мощность - с 2,2 до 6,8 м/с2 и продольное ускорение полуприцепа - с 0,27 до 0,75 м/с2. При изменении массы полуприцепа в процессе загрузки лесоматериалами с 5 до 25 т происходят увеличение рекуперируемой мощности - с 1,6 до 7,9 кВт и уменьшение продольного ускорения полуприцепа - с 2,8 до 0,53 м/с2. Рекуперируемой мощности, превышающей 6 кВт, можно достичь при значении хода поршня более 180 мм и диаметре гидроцилиндра 120 мм.
3. Практическое применение предлагаемого рекуперативного седель-но-сцепного устройства в конструкции лесовозного тягача с полуприцепом позволит при движении автопоезда в сложных дорожных условиях лесовозных дорог снизить воздействующие на детали седельно-сцепного устройства динамические нагрузки благодаря демпфирующим свойствам его гидравлической системы, сократить расход топлива автопоезда за счет рекуперации гидравлической энергии, а также повысить надежность автопоезда и улучшить условия труда водителя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ / REFERENCES
1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 279 с.
Adler Yu.P., Markova E.V., Granovskiy Yu.V Experiment Planning in Search for Optimal Conditions. Moscow, Nauka Publ., 1976. 279 p. (In Russ.).
2. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. 288 с.
Granovskiy V A., Siraya T.N. Methods for Processing Experimental Data in Measurements. Leningrad, Energoatomizdat Publ., 1990. 288 p. (In Russ.).
3. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: Раско, 1991. 272 с.
Mudrov A.E. Numerical Methods for PC in Basic, Fortran and Pascal. Tomsk, RASKO Publ., 1991. 272 p. (In Russ.).
4. Никонов В.О. Современное состояние, проблемы и пути повышения эффективности лесовозного автомобильного транспорта. Воронеж: ВГЛТУУ 2021. 203 с.
Nikonov V.O. Current State, Problems and Ways to Improve the Efficiency of Timber Road Transport: Monograph. Voronezh, VSUFT Publ., 2021. 203 p. (In Russ.).
5. Посметьев В.И., Никонов В.О., Авдюхин А.В. Оценка актуальности использования в конструкции лесовозного тягача с полуприцепом рекуперативного пневмогидравлического седельно-сцепного устройства // Воронеж. науч.-техн. вестн. 2021. Т. 3, № 3(37). C. 76-94.
Posmetyev V.I., Nikonov V.O., Avdyuhin A.V. Assessment of the Relevance of Use in the Construction of a Forest Tractor with a Semi-Trailer of a Recuperative Pneumatic Hydraulic Saddle Device. Voronezhskij nauchno-tehnicheskij vestnik = Voronezh Scientific and Technical Bulletin, 2021, vol. 3, no. 3(37), pp. 76-94. (In Russ.). https://doi.org/10.34220/2311-8873-2022-76-94
6. Посметьев В.И., Никонов В.О., Посметьев В.В., Авдюхин А.В. Имитационное моделирование рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства лесовозного тягача с полуприцепом // Лесотехн. журн. 2020. Т. 10, № 4(40). С. 227-242.
Posmetyev V.I., Nikonov V.O., Posmetyev V.V., Avdyuhin A.V. Simulation Modeling of Recuperative Spring-Hydraulic Fifth-Wheel Coupling of Forest Tractor with Saddle Trailer. Forestry Engineering Journal, 2020, vol. 10, no. 4(40), pp. 227-242. (In Russ.). https:// doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2020.4/19
7. Acuna M., Sosa A. Automated Volumetric Measurements of Truckloads Through Multi-View Photogrammetry and 3D Reconstruction Software. Croatian Journal of Forest Engineering, 2019, vol. 40, no. 1, pp. 151-162.
8. Akay A.E., Serin H., Sessions J., Bilici E., Pak M. Evaluating the Effects of Improving Forest Road Standards on Economic Value of Forest Products. Croatian Journal of Forest Engineering, 2021, vol. 42, no. 2, pp. 245-258. https://doi.org/10.5552/crojte.2021.851
9. Bako S., Ige B., Nasir A., Nicholas A., Musa N.A. Stability Analysis of a Semi-Trailer Articulated Vehicle: A Review. International Journal of Automotive Science and Technology, 2021, vol. 5, iss. 2, pp. 131-140. https://doi.org/10.30939/ijastech.855733
10. Brown M.W. Evaluation of the Impact of Timber Truck Configuration and Tare Weight on Payload Efficiency: An Australian Case Study. Forests, 2021, vol. 12, no. 7, p. 855. https://doi.org/10.3390/f12070855
11. Ghaffariyan M.R., Barrier C., Brown M., Kuehmaier M., Acuna M. A Short Review of Timber Truck Fuel Consumption Studies. Australian Forests Operations Research Alliance (AFORA). Industry Bulletin, 2018, vol. 21, pp. 1-6.
12. Johannes E., Ekman P., Huge-Brodin M., Karlsson M. Sustainable Timber Transport - Economic Aspects of Aerodynamic Reconfiguration. Sustainability, 2018, vol. 10, no. 6, pp. 1-18. https://doi.org/10.3390/su10061965
13. Kogler C., Stenitzer A., Rouch P. Simulation Combined Self-Loading Truck and Semitrailer Truck Transport in the Wood Supply Chain. Forests, 2020, vol. 11, no. 12, pp. 1-15. https://doi.org/10.3390/f11121245
14. Korpinen O.-J., Aalto M., Venalainon P., Ranta T. Impacts of a High-Capacity Truck Transportation System on the Economy and Traffic Intensity of Pulpwood Supply in Southeast Finland. Croatian Journal of Forest Engineering, 2019, vol. 40, iss. 1, pp. 89-105.
15. Lachini E., Fiedler N., Silva G., Pinheiro C., Carmo F. Operational Analysis of Forestry Transportation Using Self-Loading Trucks in a Mountainous Region. Floreste e Ambiente, 2018, vol. 25, no. 4, pp. 1-7. https://doi.org/10.1590/2179-8087.006015
16. Mitrofanovs I., Cekule M. Effective Collaboration Research Project on IT Solution for Automatic Measurement of Timber Assortment. Systemics, Cybernetics and Informatics, 2019, vol. 17, pp. 78-83.
17. Monti C.A.U., Gomide L.R., Oliveira R.M., Franca L.C.J. Optimization of Wood Supply: The Forestry Routing Optimization Model. Anais Da Academia Brasileira de Ciencias, 2020, vol. 92, no. 3, pp. 1-17. https://doi.org/10.1590/0001-3765202020200263
18. Palander T., Karha K. Improving Energy Efficiency in a Synchronized Road -Transportation System by Using a TFMC (Transportation Fleet - Management Control) in Finland. Energies, 2019, vol. 12, no. 4, pp. 1-15. https://doi.org/10.3390/en12040670
19. Schettino S., Minette L.J., Schettino C.F., Reboleto I.D. Feasibility Analysis of the Use of Light and Medium Trucks in Timber Transport in Rural Properties. Revista Arvore, 2018, vol. 42, no. 6, pp. 1-9. https://doi.org/10.1590/1806-908820118000600008
20. Vaatainen K., Anttila P., Elisson L., Enstrom J., Laitila J., Prinz R., Routa J. Round-wood and Biomass Logistics in Finland and Sweden. Croatian Journal of Forest Engineering, 2021, vol. 42, no. 1, pp. 39-61. https://doi.org/10.5552/crojfe.2021.803
Конфликт интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов Conflict of interest: The authors declare that there is no conflict of interest
Вклад авторов: Все авторы в равной доле участвовали в написании статьи Authors' Contribution: All authors contributed equally to the writing of the article
