Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
The solution to the problem of increasing the fuel efficiency and reliability of forest tillage units when perform-ing soil processing operations during reforestation in clearings is an urgent task of forestry. A promising way to increase the efficiency of forest tillage implements is substantiated, consisting in a wider use of advanced recuperative systems in their designs. A promising design of a recuperative mounted system is proposed, which allows reducing fuel con-sumption by the tractor, reducing dynamic loads perceived by the mounted device with disk tools, and increasing the productivity and quality of the soil processed by the tractor. The purpose of the study is to evaluate, based on simula-tion modeling, the efficiency indicators of the recuperative mounted system of the tractor when changing the height of obstacles, the frequency of encounters with obstacles, and the speed of the unit. It was found that when the distance between obstacles with a height of 0.1 m is reduced from 10 to 2.5 m, the recuperated power increases from 1.91 to 13.3 kW. It was found that with an increase in speed from 0.3 to 1 m/s, the recuperated power increases from 1.4 to 11 kW. With an increase in the height of unevenness from 0.3 to 1 m, the recuperated power increases linearly from 0.38 to 2.75 kW. In a wide range of tractor speeds with an implement in the transport position, the recuperative mounted system provides a fairly effective recuperated power: from 0.4 to 4.9 kW when moving at speeds from 0.3 to 1.2 m/s. The results of the study show that the recuperative mounted system provides a 30% reduction in labor costs and fuel consumption of the aggregated tractor. The results can be applied in the design of similar recuperative mounted sys-tems of the tractor.
energy recovery, mounted system, mathematical model, obstacle, soil, tractor, computer program, unevenness, pneu-matic-hydraulic accumulator, simulation modeling, working fluid, disk implement
Введение
В процессе работы на нераскорчеванных вырубках, гарях и других неудобиях наиболее энергозатратными процессами, являются первичная подготовка почвы и многократные уходы за лесными культурами. Это связано с тем, что лесокультурные площади насыщены трудно перерезаемыми корнями, пнями, валунами, порубочными остатками, растительными включениями, выходами скальных пород, валежником, кустарниками. Кроме этого, почва сильно задернелая, а в процессе передвижения лесных почвообрабатывающих агрегатов неизбежны наезды на препятствия [1-3].
Такие условия работы лесных почвообрабатывающих агрегатов приводят к: воздействию на них значительных вынужденных колебаний в широком частотно-амплитудном диапазоне; увеличению расхода топлива; ухудшению условий труда водителя; снижению производительности; низкому качеству обработки почвы; большим энергозатратам на движение лесных почвообрабатывающих агрегатов из-за криволинейности траектории и неровностей поверхностей лесных объектов, а также дополнительных сопротивлений, связанных с преодолением рабочими органами орудий неперерезаемых препятствий. Дополнительно к этому, рабочие органы почвообрабатывающих орудий в этих условиях неизбежно подвергаются интенсивным ударным нагрузкам из-за частых столкновений с препятствиями. Это приводит к ухудшению их надежности и долговечности. Давление рабочей жидкости в гидроцилиндре при транспортировании орудия в навешенном состоянии превышает рабочее в 1,5-2,5 раза. Такая жесткая система способствует развитию усталостных напряжений в деталях и узлах лесных почвообрабатывающих агрегатов, которые ведут к интенсивному износу и поломкам звеньев механизма навески трактора [4-6].
По различным оценкам исследователей расход топлива двигателями агрегатируемых тракторов с лесными почвообрабатывающими орудиями выше на 15-20 %, чем при их работе на лесных объектах с более благоприятными условиями. Установлено также, что значительные непроизводительные затраты энергии, расходуются при колебаниях силового гидроцилиндра навесного механизма трактора в процессе транспортирования массивных дисковых орудий от мест базирования к месту работы и обратно, а также разворотах трактора без выполнения технологических операций, подъема и опускания навесного орудия. Также, значительные потери энергии возникают при перепадах давления и нагреве рабочей жидкости в гидроприводе навесного механизма при обработке почвы орудием [7, 8].
В этой связи, решение проблемы повышения топливной экономичности и надежности при выполнении операций обработки почвы лесными почвообрабатывающими агрегатами, является актуальным и своевременным. В настоящее время российскими и зарубежными учеными ведется активная работа по повышению эффективности функционирования тракторов, агрегатируемых с навесными почвообрабатывающими орудиями [9-23].
Abbaspour-Giandeh Y. и др. (2020) [9] в своем исследовании изучили влияние изменения тягового усилия культиватора при увеличении глубины обработки почвы, ее влажности, а также скорости движения трактора. Установлено, что с увеличением скорости движения трактора и повышением глубины обработки почвы возрастает тяговое усилие трактора, и ухудшается качество обработки почвы. При увеличении влажности почвы, значение тягового усилия снижается.
В статье Zhou M. и др. (2022) [10] рассмотрена проблема нестабильной глубины обработки почвы культиватором трактора по причине неровностей обрабатываемой поверхности. Процесс управления глубиной обработки почвы с помощью традиционной механической и гидравлической системы сложен. Применение бортового компьютера, контролирующего изменение углов поворота рычагов навесной системы, а также управляющего гидравлической системой изменения положения культиватора, позволяет за счет отслеживания в режиме реального времени геометрических параметров неровностей, имеющихся на поверхности почвы, корректировать скорость и стабильность рабочей глубины обработки почвы, и, таким образом, повышать тяговую эффективность работы трактора.
Luo C. и др. (2022) [11] в своей работе предложили метод дистанционного мониторинга глубины обработки почвы. Для осуществления этого метода использовался трехточечный механизм навески трактора с измерителем положения нижней стяжной тяги, который учитывал влияние корпуса трактора на глубину обработки почвы навесными орудиями, а также влияние рельефа опорной поверхности и значения ее уклона на изменение глубины обработки почвы. Система мониторинга, состоящая из многопозиционных датчиков и компонентов машинного зрения, также включает в себя устройство определения глубины обработки почвы, терминал мониторинга работы и удаленную систему обслуживания.
Sun X. и др. (2022) [12] в своей статье проанализировали тенденции развития электрогидравлической системы навески трактора, включающие в себя совершенствование конструкции навесной системы, улучшение методов регулировки и алгоритмов управления глубиной обработки почвы. Установлено, что снизить трудоемкость процесса, потребление энергии, улучшить комфортность водителя, а также повысить качество обрабатываемой почвы, можно путем использования многопараметрического метода регулировки глубины обработки почвы и внедрения интеллектуального алгоритма управления глубиной обработки почвы.
Liu C. и др. (2023) [13] в своей работе исследовали стратегии активного управления демпфированием между трактором и задними сцепками. Ими установлено, что традиционная гидравлическая система сцепки трактора имеет очень низкое демпфирование, что приводит к нестабильности системы при подъеме сцепки трактора, недостаточному запасу устойчивости трактора, а также значительным колебаниям давления рабочей жидкости в системе. В связи с этим, авторами предложен метод улучшения коэффициента демпфирования гидравлической сцепки трактора с обратной связью по давлению. Применение предлагаемого метода, обладающего высокой надежностью, позволяет снизить затраты на управление демпфированием гидравлической сцепки, повысить плавность движения трактора, безопасность и комфортность для водителя.
Luo Z. и др. (2023) [14] в своей работе предложили метод управления давлением рабочей жидкости в гидравлическом цилиндре электрогидравлической навесной системы электротрактора. Управление давлением рабочей жидкости в гидроцилиндре электрогидравлической системы сцепки осуществлялось контроллером трактора. Он обеспечивал в режиме реального времени регулировку оптимального значения давления рабочей жидкости в гидроцилиндре, в зависимости от создаваемого сопротивления при различной глубине обработки почвы. Использование данного метода позволяет снизить пробуксовку колес на 9 %, увеличить эффективность тяги на 2,7 %, улучшить общую эффективность трактора на 3 % и снизить общие потери энергии электротрактора на 7,5 % при поддержании заданной глубины обработки почвы по сравнению с традиционным методом управления положением навесной системы.
Sun X. и др. (2023) [15] в своей статье с целью сокращения стоимости разработки электрогидравлических систем навески трактора предложили несколько конструкций стендов для исследования гидравлических навесных систем тракторов, позволяющих управлять нагрузкой для изменения глубины обработки почвы. Основными элементами стенда, являлись: стационарный компьютер; электрогидравлическая система управления навесной системой; система датчиков, обеспечивающая сбор, отображение и хранение данных в режиме реального времени.
Gao Y. и др. (2024) [16] в своей работе для улучшения качества обработки почвы выполнили исследование возникающих вибраций в процессе обработки почвы между трактором, трехточечным механизмом навески и роторным культиватором. Установлено, что с увеличением скорости движения агрегата и ухудшением качества почвы, характеристики вибраций, действующих на культиватор, навесной механизм и трактор возрастают. Для уменьшения сопротивления обработки роторным культиватором почвы требуется увеличить амплитуду его вибраций. Для снижения вибраций, действующих на трактор, необходимо оптимизировать скорость движения трактора с глубиной обработки почвы роторным культиватором.
Chukewad, Y. M. и др. (2024) [17] в своей статье представили трехточечную сцепку трактора, в которой нижние рычаги приводятся в действие двумя независимыми гидравлическими цилиндрами. Для синхронного перемещения двух нижних рычагов разработан специализированный контроллер их положения. Установлено, что навешиваемое на трехточечную сцепку трактора орудие может следовать по рельефу, двигаясь вертикально, а также сохраняя нулевой крен вокруг продольной оси трактора.
Khaehanchanpong Y. и др. (2017) [18] в своем исследовании предложили для трактора культиватор, используемый в процессе междурядной обработки, рабочей шириной 80 см, скоростью вращения вала ротора 500 об./мин и общим весом 518 кг. Установлено, что скорость движения трактора не влияет на производительность такого культиватора. Скорость движения была ограничена для тракторов мощностью 25,3 и 37,3 кВт. Расход топлива у трактора мощностью 37,3 кВт был выше, чем у трактора мощностью 25,3 кВт.
Xu J. и др. (2021) [19] в своей статье с целью повышения качества работы и точности управления электрогидравлической системой навески трактора разработали алгоритм нечеткого управления, основанный на комбинированной регулировке силы и положения рабочего органа при изменении глубины обработки почвы. Результаты испытания показали, что предлагаемая система регулировки глубины обработки почвы с использованием разработанного алгоритма имеет высокую скорость реагирования, что повышает надежность работы агрегата и качество обработки почвы.
Kim Y-S. и др. (2020) [20] в своей работе выполнили исследование влияния глубины обработки почвы и выбора силовой передачи на изменение механической нагрузки и топливной экономичности трактора во время движения. Механическая нагрузка во время обработки почвы является показателем общей производительности и ключевым фактором при проектировании силовой передачи трактора. Установлено, что нагрузка на заднюю ось и расход топлива больше всего зависят от сочетания глубины обработки почвы и выбора силовой передачи. С увеличением глубины обработки почвы, нагрузки на двигатель трактора и расход топлива возрастают. Для обеспечения надежности и эффективности работы трактора, необходимо, чтобы информация о глубине обработки почвы и скорости движения соответствовала силовой передаче, используемой трактором при выполнении операции обработки почвы.
Md-Tahir H. и др. (2021) [21] в своей статье сравнили тяговые характеристики, расход топлива и производительность тракторов, оснащенных обычными колесами с шинами и жесткими колесами с грунтозацепами в процессе движения при обработки почвы. Оснащение трактора жесткими колесами с грунтозацепами в сравнении с трактором с обычными колесами, улучшает тяговые характеристики при аналогичном весе оборудования, увеличивает производительность, снижает расход топлива, обеспечивает более низкое сопротивление движению, увеличивает общую эффективность обработки почвы. Кроме этого, использование таких колес, помимо снижения расхода топлива позволяет избежать уплотнения почвы и ухудшения состояния окружающей среды.
Shrivastava P. и др. (2024) [22] в своем исследовании предложили визуальный интерфейс, позволяющий измерять в режиме реального времени, отображать и хранить следующие параметры производительности трактора с навесным орудием: параметры геопозиции, глубины обработки почвы, скорости движения, пробуксовки, расхода топлива, тяги, крутящего момента отбора мощности. Разработанная система состоит из: глобальной системы позиционирования, поворотного потенциометра, датчиков нагрузки, тензодатчиков, микроконтроллера для обработки данных, интеллектуального сенсорного экрана. Использование данной системы позволяет снизить потери мощности трактора, повысить эффективность его работы, снизить эксплуатационные затраты при выполнении обработки почвы.
Koo Y. M. и др. (2021) [23] в своей работе выполнили оценку тяговой мощности и потребления топлива трактором, оснащенным комбинированным навесным орудием. Использование такого орудия упрощает процесс обработки почвы, повышает производительность процесса, а также снижает эксплуатационные расходы. Выявлено, что расход топлива трактором возрастает при использовании комбинированного навесного орудия, однако удельный объемный расход топлива уменьшается по мере увеличения скорости вращения вала отбора мощности и скорости движения трактора в прямом направлении.
Анализ научных работ, приведенных выше, показал, что повысить эффективность тракторов, агрегатируемых навесным технологическим оборудованием можно за счет использования: оптимального соотношения глубины обработки почвы и скорости движения трактора в зависимости от влажности почвы; интеллектуальных систем дистанционного мониторинга, отслеживающих в режиме реального времени параметры неровностей на поверхности обрабатываемой почвы, и принимающих на этой основе решения об изменении углов поворота рычагов навесной системы, корректирующих за счет управления гидравлической системой глубину обработки почвы; многопараметрического метода регулировки и интеллектуального алгоритма управления глубиной обработки почвы; активного управления демпфированием между трактором и гидравлическими задними сцепками; метода управления давлением рабочей жидкости в гидроцилиндре навесной системы трактора в зависимости от глубины обработки почвы; усовершенствованных конструкций трехточечных сцепок; трактора с жесткими колесами, оснащенными грунтозацепами; комбинированного навесного орудия.
Установлено, что традиционные гидросистемы лесных почвообрабатывающих агрегатов не предусматривают аккумулирование и полезное использование безвозвратно теряемой энергии. В этой связи, одним из перспективных путей повышения эффективности лесных почвообрабатывающих машин, является более широкое использование в их конструкциях совершенных рекуперативных систем.
Многолетний опыт работы авторов в области разработки и исследования рекуперативных систем и устройств для транспортно-технологических и лесных машин, позволил разработать перспективную конструкцию рекуперативной навесной системы трактора (рис. 1). Использование такой навесной системы, позволяет: снизить расход топлива трактором за счет преобразования потенциальной энергии массы дискового орудия в энергию рабочей жидкости с последующим ее накоплением в пневмогидроаккумуляторе и полезном использовании в рабочем процессе; повысить производительность обработки почвы трактором; снизить динамические нагрузки, воспринимаемые навесным устройством и дисковыми орудиями; дистанционно изменять и удерживать рабочие органы дисковых орудий на заданной глубине обработки почвы, и, тем самым, повысить качество ее обработки.
Целью работы, является оценка показателей эффективности рекуперативной навесной системы трактора при изменении высоты препятствий, частоты встречи с препятствиями, скорости движения агрегата.
Цель работы достигается за счет разработки математической модели и на ее основе компьютерной программы, описывающей движение трактора, взаимодействие дисковых рабочих органов орудия с почвой и рекуперацию энергии рабочей жидкости навесной системой при встрече дискового орудия с препятствиями.
1. Bartenev I. M., Drapalyuk M. V. Sovershenstvovanie tehnologii lesovosstanovleniya na vyrubkah s primeneniem energonasyschennyh traktorov. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. – 2021. – № 5 (383). – S. 117-133. DOI: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-5-117-133.
2. Myasischev D. G., Shostenko D. N., Serebrennikov A. V. Potreblenie topliva portal'nym lesohozyaystvennym traktorom s uchetom stohasticheskih faktorov. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. – 2020. – № 5 (377). – S. 145-154. DOI: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2020-5-145-154.
3. Posmet'ev V. I., Nikonov V. O., Savinkov M. A., Snyatkov E. V. Perspektivy razrabotki rekuperativnogo navesnogo mehanizma traktora s prisposobleniem dlya agregatirovaniya ego s lesnymi diskovymi orudiyami. Problemy ekspluatacii i perspektivy razvitiya avtomobil'nogo transporta : Materialy vserossiyskoy nauchno-tehnicheskoy konferencii, Voronezh, 05-06 oktyabrya 2023 goda / Otv. redaktor V. O. Nikonov. – Voronezh : Voronezhskiy gosudarstvennyy lesotehnicheskiy universitet im. G. F. Morozova, 2023. – S. 101-111. DOI: https://doi.org/10.58168/OPPRTD_101-111.
4. Posmet'ev V. I., Nikonov V. O., Posmet'ev V. V., Zelikov V. A., Kolodiy P. V. Komp'yuternoe modelirovanie rekuperativnogo krivoshipnogo mehanizma povorota kolonny manipulyatora lesovoznogo avtopoezda. Lesotehnicheskiy zhurnal. – 2023. – T. 13, № 2(50). – S. 158-178. DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2023.2/9.
5. Posmet'ev V. I., Nikonov V. O., Posmet'ev V. V., Zelikov V. A., Popikov P. I., Kolodiy P. V., Mihaylov A. A. Obosnovanie perspektivnoy shemy krivoshipnogo gidromotora dlya gidroprivoda oporno-povorotnogo ustroystva manipulyatora lesovoznogo avtopoezda. Lesotehnicheskiy zhurnal. – 2023. – T. 13, № 3(51). – S. 180-199. DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2023.3/13.
6. Pobedinskiy V. V., Iovlev G. A., Lyahov S. V., Goldina I. I. Neyro-nechetkaya set' dlya ocenki ostatochnogo resursa traktornyh dvigateley. Lesnoy vestnik. Forestry Bulletin. – 2022. – T. 26, № 2. – S. 120-130. DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2022-2-120-130.
7. Terinov N. N., Gerc E. F., Mehrencev A. V., Zalesov S. V., Terehov G. G., Tolkach O. V. Tehnologicheskie shemy ispol'zovaniya mini-traktorov na rubkah uhoda za lesom. Resources and Technology. – 2023. – T. 20, № 4. – S. 1-27. DOI: https://doi.org/10.15393/j2.art.2023.7263.
8. Belyaev A. N., Trishina T. V., Afonichev D. N. Analiz bokovyh reakciy pochvy na kolesah traktora pri povorote. Resources and Technology. – 2022. – T. 19, № 3. – S. 44-56. DOI: https://doi.org/10.15393/j2.art.2022.6363.
9. Abbaspour-Gilandeh Y., Fazeli M., Roshanianfard A., Hernandez-Hernandez J. L., Penna A. F., Herrera-Miranda I. Effect of Different Working and Tool Parameters on Performance of Several Types of Cultivators. Agriculture 2020, 10, 145. DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture10050145.
10. Zhou M., Xia J., Zhang S., Hu M., Liu Z., Liu G. Development of a Depth Control System Based on Variable-Gain Single-Neuron PID for Rotary Burying of Stubbles. Agriculture 2022, 12, 30. DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture12010030.
11. Luo C., Chen J., Guo S., An X., Xin Y., Wen C., Liu H., Meng Z., Zhao C. Development and Application of a Remote Monitoring System for Agricultural Machinery Operation in Conservation Tillage. Agriculture 2022, 12, 1460. DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture12091460.
12. Sun X., Lu Z., Song Y., Cheng Z., Jiang C., Qian J., Lu Y. Development Status and Research Progress of a Tractor Electro-Hydraulic Hitch System. Agriculture 2022, 12, 1547. DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture12101547.
13. Liu C., Gu J., Du X., Yang L., Mao E. A Vibration Reduction control Method for Tractor Rear Hydraulic Hitch Based on Pressure Feedback. Agriculture 2023, 13, 1546. DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture13081546.
14. Luo Z., Wang J., Wu J., Zhang S., Chen Z., Xie B. Research on a Hydraulic Cylinder Pressure Control Method for Efficient Traction Operation in Electro-Hydraulic Hitch System of Electric Tractors. Agriculture 2023, 13, 1555. DOI: https://doi.org/10.3390/agricuture13081555.
15. Sun X., Song Y., Wang Y., Qian J., Lu Z., Wang T. Design and Test of a Tractor Electro-Hydraulic-Suspension Tillage-Depth and Loading-Control System Test Bench. Agriculture 2023, 13, 1884. DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture13101884.
16. Gao Y., Yang Y., Fu S., Feng K., Han X., Hu Y., Zhu Q., Wei X. Analysis of Vibration Characteristics of Tractor-Rotary Cultivator Combination Based on Time Domain and Frequency Domain. Agriculture 2024, 14, 1139. DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture14071139.
17. Chukewad Y. M., Chadha S., Jagdale K. S., Elkunchwar N., Rosa U. A. Tractor Three-Point Hitch Control for an Independent Lower Arms System. AgriEngineering 2024, 6, 1725-1746. DOI: https://doi.org/10.3390/agriengineering6020100.
18. Khaehanchanpong Y., Ahamed T., Takigawa T. Design, Fabrication and Performance Evaluation of an Inter-Row Cultivator for Sugarcane Fields. Inventions 2017, 2, 25. DOI: https://doi.org/10.3390/inventions2030025.
19. Xu J., Li R., Li Y., Zhang Y., Sun H., Ding X., Ma Y. Research on Variable-Universe Fuzzy Control Technology of an Electro-Hydraulic Hitch System. Processes 2021, 9, 1920. DOI: https://doi.org/10.3390/pr9111920.
20. Kim Y-S, Kim W-S., Baek S-Y., Baek S-M., Kim Y-J., Lee S-D., Kim Y-J. Analysis of Tillage Depth and Gear Selection for Mechanical Load and Fuel Efficiency of an Agricultural Tractor Using an Agricultural Field Measuring System. Sensors 2020, 20, 2450. DOI: https://doi.org/10.3390/s20092450.
21. Md-Tahir H., Zhang J., Xia J., Zhou Y., Zhou H., Du J., Sultan M., Mamona H. Experimental Investigation of Traction Power Transfer Indices of Farm-Tractors for Efficient Energy Utilization in Soil Tillage and Cultivation Operations. Agronomy 2021, 11, 168. DOI: https://doi.org/10.3390/agronomy11010168.
22. Shrivastava P., Tewari V. K., Gupta C., Chouriya A. HMI‐assisted visual interface‐cum‐embedded system for measurement of tractor-implement performance parameters. J Field Robotics. 2024 ; 41 : 2147-2168. DOI: https://doi.org/0.1002/rob.22221.
23. Koo Y. M., Kang Y. Characteristics of Power and Fuel Use of a Tractor Mounted Integrated Implement for Round Ridge Preparation. Journal of Biosystems Engineering (2021) 46 : 496-507. DOI: https://doi.org/10.1007/s42853-021-00122-w.
