Методика оценки энергозатрат при движении форвардера

The methods of estimating power consumption of forest machines. The basis of the method is the definition of energy for the deformation of the soil. Present the results of a comparison with the actual data on the consumption of fuel. It showed small agreement between the calculated and practical fuel costs.

Keyword: forestry machinery, deformation of ground, skidroad.

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Механические потери при трелевке древесины по волокам, по разным оценкам, достигают до 25-30 % от общей выработки энергии двигателем лесной машины [1, 2]. Следовательно, критическим элементом процесса лесозаготовок является трелевка заготовленных лесоматериалов к верхнему складу.

Другая сторона проблемы – производительность форвардера и вообще трелевочной машины. Основным параметром, задающим уровень производительности, при прочих равных условиях является скорость передвижения [3].

Основные затраты энергии при передвижении машины связаны с деформацией грунта [6, 7, 8]. На лесосеках деформация грунтов встречается в широком диапазоне величин, от 20-40 мм (рис. 1а, б) до 600 мм (рис. 2).

Основной путь борьбы с этим явлением – использование лесосечных отходов [9]. Для того чтобы получить методологическую базу для экономической оценки эффективности этого мероприятия, необходимо определить величину деформации и затраты энергии на деформирование поверхности лесного грунта.

Рис. 1 Формирование колеи колесным форвардером: а – один холостой проход; б – один рабочий проход;

Рис. 2 Движение форвардера вблизи погрузочного пункта

МЕТОДИКА

Для оценки энергозатрат предположим, что энергия на мягких грунтах уходит исключительно на деформацию грунта. Подтверждением этому может служить практически мгновенная остановка трелевочной машины на горизонтальном участке, когда воздействие других сопротивлений движению минимально. Кроме того, по данным [4], на мягких грунтах деформации колеса (покрышки) не происходит.

Уравнение баланса энергии при движении лесозаготовительной машины с учетом вышесказанного выглядит следующим образом:

W - W0 = A1 + a 2 + A3 (1)

где W, W0 – начальная и конечная кинетическая энергия, Дж;

А 1 - работа сил тяги, Дж ;

А 2 - работа сил трения, Дж ;

А 3 - работа сил деформирования опоры, Дж.

Работа сил тяги

w LP _ LGk Ah

W =--+ fk—- + — rk^k      rk

А 1 = F T L

а для движения по чистому грунту, рассматривая его как ряд деформируемых цилиндров, используем выражение из [4]:

работа сил трения

A 2 = — ^FTp^L                         (3)

;

работа силы деформирования поверхности

LP , LGk G2Лh

W =---+ fk —- +---

№ Jk г-   2ES

А з = F д h                           (3)

где F_T , F_Tp , F д - соответственно сила тяги, сила трения, сила деформирования поверхности, Н ;

L - длина пути транспортировки, м ;

h - глубина деформации на каждом проходе, м .

Сила тяги составляет:

Ft =

P rk^k

Вместо модуля упругости для расчета движения по грунту используем модуль деформируемости грунта [5].

РАСЧЕТЫ

Условия, в которых проводились расчеты: расстояние трелевки 400 м , мощность двигателя 140 кВт , радиус качения колеса 0,6 м , угловая скорость колеса 1,047 рад^- , вес, приходящийся на одно колесо, 36 кН , жесткость материала поверхности 25 •Ю⁶ Па [5], ширина деформируемой полосы 0,6 м , относительная деформация 0,2, коэффициент трения качения 0,05, глубина деформации на каждом проходе 0,005 м .

сила трения (сопротивления качению):

G k

FTp  fk

rk

;

Глубина деформации определена из натурных измерений и следующих соображений: при проведении измерений в Олонецком леспромхозе было отмечено, что форвардеры начали производить трелевку касаясь защитой картера двигателя грунта (рис. 2).

сила деформирования поверхности (простое сжатие):

Р д =

A h 2

Запас на лесосеке известен (2487 м³ ), на момент измерений стрелевано 44 % древесины, работы производили два форвардера, средняя нагрузка на рейс 9,8 м³ , следовательно, сделано 115 рейсов, клиренс составляет 530 мм , таким образом, в среднем деформация за один проход груженого трактора составляла 4,641 мм (холостые проходы учитываем в грузовых).

где Р - мощность двигателя, Вт ;

r_k - радиус качения колеса, м ;

to k - угловая скорость колеса, рад - ;

G_k - вес, приходящийся на одно колесо, Н ;

• b - ширина деформируемой полосы (колеи, колеса, гусеницы), м ;

• s - длина деформируемого участка, м ;

• е - относительная деформация;

• Я - жесткость материала поверхности, Па ;

• f k - коэффициент трения качения, м .

Предполагая постоянство скорости движения лесозаготовительной машины, а также то, что деформируемый участок в формуле (3) равен расстоянию транспортировки - L , запишем энергетический баланс движения машины по отходам лесозаготовок в виде:

Теплота сгорания дизельного топлива q_dm = 42,7^10⁶ Дж/кг , плотность р_дт = 810 кг/м³ . Расход дизельного топлива на передвижение:

V W * 1000

дт

Р т^

дт дт

.

Результаты моделирования потребления топлива в указанных условиях при различной протяженности трелевки приведены на рисунке 3.

Рис. 3. Затраты топлива по составляющим сопротивления движению

Распределение затрат топлива между указанными величинами составило: на создание силы тяги – 78 %, на преодоление силы трения – 1%, на деформацию поверхности – 21 %.

Полученные результаты, с учетом КПД, согласуются с данными, полученными в ОАО «Лескарел», где по результатам нормирования расхода дизельного топлива для форвардера Tj-1010 был получен результат 1,35 л/м3.

При моделировании затрат топлива во всем диапазоне изменения параметров лесосеки и нагрузок трелевочной машины получим поверхность, показанную на рисунке 4.

Рис. 4. Изменение затрат энергии при различных сочетаниях условий движения без использования основа для экономической оценки мероприятий по укреплению трелевочных волоков.