CC BY
28
УДК 629.114.2 В.А. Зеликов
Зеликов Владимир Анатольевич родился в 1974 г., окончил в 1996 г. Воронежскую государственную лесотехническую академию, кандидат технических наук, доцент кафедры организации перевозок и безопасности движения Воронежской государственной лесотехнической академии. Имеет более 35 научных работ в области технических средств и систем защиты машин от перегрузок. E-mail: zeHkov-vm@mail.rn
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО АГРЕГАТА НА ОСНОВЕ ТРАКТОРА ЛХТ-55
Теоретически подтверждена целесообразность оснащения почвообрабатывающего агрегата на базе трактора ЛХТ-55 системой рекуперации энергии, позволяющей извлекать из непродуктивных потерь мощности около 3 кВт полезной; определены оптимальные показатели основных параметров рекуперативных гидроцилиндров.
Ключевые слова: рекуперация, энергосбережение, моделирование, лесной почвообрабатывающий агрегат, трактор ЛХТ-55.
Одним из направлений повышения эксплуатационных свойств лесных почвообрабатывающих машин является разработка систем рекуперации (СР) энергии [6]. Работа почвообрабатывающих агрегатов на лесных объектах сопряжена со значительными затратами энергии (и топлива) по сравнению, например, с работой сельскохозяйственных машин. Можно выделить три фактора, приводящих к нерациональным 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 для выбора безопасных или оптимальных траекторий агрегата.
Для преобразования большей части нерационально расходуемой энергии в энергию, пригодную для текущего использования (например для вибрационной интенсификации технологического процесса), сотрудниками ВГЛТА разработана и внедрена на предприятиях отрасли энергосберегающая система для агрегата сельскохозяйственного трактора ДТ-75 и культиватора КЛБ-1,7 [4]. Однако в лесном хозяйстве в основном используется трактор ЛХТ-55 и его модификации, поэтому в рамках данной работы выполнена теоретическая проверка работоспособности аналогичной системы рекуперации энергии для агрегата на основе трактора ЛХТ-55.
СР гидравлического типа состоит из трех видов рекуперативных элементов, размещаемых в каретках трактора (преобразуют в энергию колебания корпуса трактора), в системе навески (преобразуют в энергию коле-
бания почвообрабатывающего орудия относительно корпуса трактора), в предохранительном механизме рабочих органов почвообрабатывающего орудия (позволяют извлекать энергию при срабатываниях предохранителей при наездах орудия на препятствия) [2].
Для теоретического исследования было использовано имитационное компьютерное моделирование, которое позволяет еще до создания реального почвообрабатывающего агрегата оценить его эффективность и оптимизировать его конструктивные параметры. Это существенно уменьшает время и финансовые затраты на разработку агрегата с оптимальными параметрами [7]. В рамках модели были учтены три группы физических процессов.
К первой группе относятся процессы, происходящие в механической подсистеме агрегата. Они описываются уравнениями классической динамики. Агрегат разбивается на отдельные твердые тела (корпус трактора, балансиры кареток, рама культиватора, стойки с дисковыми батареями), которые могут совершать поступательное и вращательное движения в трехмерном пространстве [2]. Тела связаны между собой несколькими типами связей с помощью осей, тяг и пружин. Движение тел в модели описывается системой дифференциальных уравнений, составленной на базе основных законов поступательного и вращательного движения, известных из классической динамики.
Вторая группа - процессы в гидравлической подсистеме агрегата, в частности в системе навески, гидравлическом предохранительном механизме орудия, СР энергии. Описание данных процессов в модели проводится с использованием набора дифференциальных уравнений для отдельных элементов гидросистемы (гидроцилиндр, клапан, дроссель, трубопровод, тройник, пневмогидравлический аккумулятор) [5]. Указанные дифференциальные уравнения решаются совместно с уравнениями механической подсистемы.
Третья группа - процессы, происходящие при контакте гусениц трактора и рабочих органов орудия с почвой и препятствиями. При моделировании данной группы процессов принято предположение о вязкоупругом взаимодействии контактирующих объектов [1]. Рельеф поверхности и отдельные препятствия (пни) в модели представлены как функция высоты поверхности h(x, y) в горизонтальных декартовых координатах [2, 5].
Для удобства исследования модели составлена программа на языке Object Pascal в среде визуального программирования Borland Delphi 7.0 (в настоящее время находится в стадии регистрации). Моделирование заключается в многократном проведении компьютерного эксперимента, во время которого агрегат проходит расстояние 100 м по модельному лесному участку. При этом фиксируется большое количество выходных характеристик, в частности мощность, извлекаемая СР. В программе предусмотрена возможность изменения основных конструктивных и технологических параметров, для чего перед началом ее работы появляется ряд форм с окнами для ввода параметров.
Оснащение агрегата СР эквивалентно введению дополнительных демпферов в колебательные системы агрегата. Чтобы проверить, как дополнительное демпфирование сказывается на динамических характеристиках
агрегата, были проведены компьютерные эксперименты: с отключенной и включенной СР. Анализу подвергались амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) колебаний, которые представляют собой спектры колебаний корпуса трактора Л/ и Л/ (где / - частота колебаний), рассчитанные Фурье-преобразованием временных зависимостей продольной горизонтальной х(0 и вертикальной z(t) координат центра тяжести трактора (рис. 1). Согласно физическому смыслу АЧХ, наличие на графике пика при некоторой частоте означает, что колебания корпуса трактора с данной частотой являются более выраженными, чем с другими частотами. Например, основная частота горизонтальных колебаний корпуса составляет около 0,35 Гц, т.е. примерно одно колебание в 3 с. Кроме того, ярко выражены колебания в частотном интервале 1,1 ... 1,6 Гц. Вертикальные колебания корпуса происходят в диапазонах 0 ... 0,7 и 1,5 ... 1,9 Гц.
При оснащении агрегата СР наблюдается некоторое изменение АЧХ горизонтальных колебаний в диапазоне частот 0,7 ... 1,3 Гц, а также вертикальных колебаний в диапазоне 1,7 ... 3,4 Гц (рис. 1). И горизонтальная, и вертикальная АЧХ в указанных частотных диапазонах понижаются. Это свидетельствует о том, что оснащение агрегата СР приводит к уменьшению динамических нагрузок его на узлы и улучшению условий работы водителя трактора. Причина улучшения спектров, объясняется именно тем, что СР оказывает на механическую систему дополнительный демпфирующий эффект. В среднем эффективное улучшение спектра составляет около 5 %.
Для исследования влияния скорости движения агрегата уаг на рекуперируемую мощность N проведена серия компьютерных экспериментов, в пределах которых уаг изменяли от 0,25 до 1,75 м/с с шагом 0,25 м/с. Зависимость ^р(уаг) имеет возрастающий
Рис. 1. Амплитудно-частотные характеристики горизонтальных Лх(/ (а) и вертикальных Л/ (б) колебаний корпуса трак-
тппя Яр-! РГГ/Ьдг-РГП^
характер, близкий к линейному (рис. 2). Увеличение N при увеличении уаг происходит из-за того, что с ростом скорости механизм подвески трактора подвергается большим динамическим нагрузкам. Вследствие этого возрастают амплитуды перемещения поршней рекуперативных
3000
2000
0,5
1,5 Уа,., м/с
гидроцилиндров, установленных в механизме подвески, что приводит к увеличению насосного эффекта и рекуперируемой мощности.
Основными параметрами СР, позволяющими существенно повысить эффективность рекуперации без переделки важнейших узлов агрегата, являются геометрические параметры рекуперативных цилиндров, установленных в каретках: диаметр штока гидроцилиндра ^шг.к и длина хода штока Ьгк.
250
230
сжения о сис-
:тьЛГп
¿г к, ММ
Решена задача оптимизации указанных параметров СР.
Рис. 3. Поверхность отклика ^р(Дш.г.к., к оптимизации основных параметров рекуперативного гидроцилиндра (а) и благоприятная область (б) факторного пространства (заштрихована) на поверхности отклика, представленной линиями уровня
При оптимизации проводился поиск максимума функции ^р(^шг.к, £г.к) путем согласованного подбора факторов ^ш г.к и ^г.к. В процессе оптимизации фактор ^ш.г.к варьировали от 45 до 65 мм с шагом 5 мм, фактор Ьтж - от 230 до 310 мм с шагом 20 мм. Таким образом, чтобы перебрать все точки двухфакторного пространства (Ош.г.к, £г.к) и рассчитать в них критерий оптимизации, было выполнено 25 компьютерных экспериментов.
Важное преимущество двухфакторной оптимизации - возможность графически изобразить поверхность отклика и визуально ее проанализировать (рис. 3). Поверхность отклика ориентирована на углы, обеспечивающие ее наилучшее визуальное восприятие. Анализируя поверхность отклика, факторное пространство можно условно разделить (рис. 3, б) на две области:
благоприятную, в которой критерий Np принимает искомые максимальные значения, и неблагоприятную [3]. Анализ конфигурации благоприятной области позволяет считать, что оптимальные значения параметров Дп.гк и Ьтж заключены в приблизительно прямоугольной области: 45 мм < Дп.гк < 60 мм; 230 мм < Ьтж < 245 мм.
Тот факт, что оптимальная область занимает значительную площадь факторного пространства, является важным положительным качеством предлагаемой СР. С одной стороны, это оставляет конструктору широкую свободу выбора параметров, в первую очередь ^ш.гк и ^ш.гм (где ^шгм - диаметр штока гидроцилиндра-мультипликатора давления), позволяет учесть какие-либо дополнительные требования, с другой - косвенно свидетельствует о малой чувствительности основных характеристик ТМ к внешним возмущающим воздействиям, что гарантирует устойчивую работу ТМ при эксплуатации агрегата.
Таким образом, теоретический анализ СР энергии почвообрабатывающего агрегата на базе трактора ЛХТ-55 показал, что СР оказывает благоприятное влияние на динамическое поведение агрегата. При изменение в широких пределах условий работы агрегата (в частности скорости) СР остается работоспособной и позволяет получать высокую мощность (2,5 ... 3,5 кВт). Определены оптимальные значения параметров рекуперативных гидроцилиндров ходовой части: 45 мм < Дп.г.к < 60 мм; 230 мм < Ьгк < 245 мм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бахтин А.А. Моделирование на ЭВМ процесса взаимодействия дискового ротационного окучника с почвой // Совершенствование технологических процессов и рабочих органов в растениеводстве и животноводстве: Сб. науч. тр. / СПб. -СПб, 1993. - С. 9-14.
2. Исследование с помощью математической модели динамики почвообрабатывающего агрегата, оснащенного системой рекуперации энергии / В.И. Посме-тьев [и др.] // Вестник ВГЛТУ. - 2006. - Т.2, вып. 8. - С. 44-47.
3. Мельников С.В., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Колос, 1980. - 168 с.
4. Посметьев В.И., Тарасов Е.А. Результаты экспериментальной проверки эффективности рекуперативного гидропривода для лесного почвообрабатывающего агрегата // Вестник МГУЛ. Лесной вестник. - 2006. - Препринт № 106. - С. 3-7.
5. Посметьев В.И., Тарасов Е.А., Снятков Е.В. Математическое моделирование почвообрабатывающего агрегата с рекуперативным гидроприводом // Технические науки. Северо-Кавказский регион. - 2006. - Прил. 5. - С. 82-84. - (Изв. высш. учеб. заведений).
6. Свиридов Л.Т., Зеликов В.А., Лиференко А.В. Повышение эксплуатационных свойств лесных почвообрабатывающих орудий на основе компьютерного моделирования // Изв. СПбГЛТА. - СПб.: СПбГЛТА, 2009. - Вып. 186. - С. 92-100.
7. Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике. - М.: Наука, 1990. - 176 с.
V.A. Zelikov
Simulation Results of Energy Saving System for Forest Soil-cultivating Aggregate on LHT-55 Tractor Base
The suitability of equipping the soil cultivating aggregate on the LHT-55 tractor base with the recuperation system is theoretically acknowledged. The system allows producing about 3 kW of operating power from nonproductive power losses. The optimal factors for basic parameters recuperation hydrocylinders are set.
Keywords: recuperation, energy saving, simulation, forest soil-cultivating aggregate, LHT-55 tractor
