Введение

Для обеспечения эффективной  работы лесозаготовительных предприятий в процессе вывозки лесоматериалов, характеризуемой максимальным объемом вывозимых лесоматериалов в единицу времени с минимальными затратами, требуется наличие у лесозаготовительных предприятий для специфических условий вывозки необходимого количества лесовозных автопоездов заданной компоновки.

Широкое использование лесовозных автопоездов комплектуемых из лесовозных тягачей с полуприцепами объясняется возрастающей потребностью для вывозки при заготовке леса больших объемов лесоматериалов, необходимостью обеспечения требуемых удельных нагрузок на опорную поверхность лесовозной дороги при возрастании грузоподъемности лесовозных тягачей, а также увеличением их скорости движения. Возрастание скоростей движения лесовозных тягачей с полуприцепами, увеличение их парка способствует возникновению вопросов, связанных с безопасностью их движения. Эффективность функционирования лесовозных тягачей с полуприцепами зависит от большого количества факторов, и в большей степени от конструктивного совершенства основных его узлов и агрегатов, в частности седельно-сцепных устройств.

Guang Xia (2020) в своей работе приводит разработанную им стратегию управления полуприцепом автопоезда при его движении задним ходом. Использование этой стратегии, основанной на изменении угла наклона седельно-сцепного устройства автопоезда, позволяет выполнять точное линейное слежение при движении задним ходом полуприцепа за тягачом, одновременно обеспечивая высокую безопасность при движении [1].

В статье Anil K. Madhusudhanan (2021) рассмотрено влияние аэродинамического сопротивления большегрузных тягачей, оснащенных различными по конструкции полуприцепами на расход топлива. На основании имитационного моделирования выявлено, что использование в конструкции автопоезда полуприцепа с более высокими показателями аэродинамических качеств дает возможность существенно снизить расход топлива такого автопоезда при транспортировании им груза на дальние расстояния, и, следовательно сократить количество вредных выбросов в окружающую среду [2].

S. V. Bashegurov (2019) выполнил исследование влияния разработанного устройства, предотвращающего складывание седельного тягача с полуприцепом, на устойчивость такого автопоезда при его эксплуатации в сложных дорожных условиях. Выявлено, что предлагаемое устройство с электронным блоком управления позволяет повысить активную и пассивную безопасность движения автопоезда, а также предотвратить складывание автопоезда [3].

В работе Qing Zhang и Shuo Wei (2020) представлены результаты выполненного исследования условий функционирования седельно-сцепного устройства автопоезда, а также причин возникновения при эксплуатации автопоезда в сложных дорожных условиях отказов основных деталей седельно-сцепного устройства. Используя в своей работе методы математического моделирования, металлографического микроструктурного анализа, а также методы испытания образцов на растяжение, выполнено исследование морфологии трещин и поверхностного излома, обнаруженных на седельно-сцепном устройстве. Установлено, что выход из строя седельно-сцепного устройства связан с коррозионным растрескиванием при высоких нагрузках, воспринимаемых седельно-сцепным устройством [4].

M Zhileykin и G Skotnikov (2020) исследовали в своей работе устойчивость и управляемость тягача с полуприцепом. Ими предложен метод повышения устойчивости полуприцепов относительно тягача при экстренном торможении в процессе движения автопоезда в повороте при выходе из строя тормозной системы полуприцепа. Методами математического моделирования доказано, что применение предложенного метода позволит предотвратить дорожно-транспортное происшествие, а также сохранить траекторию движения полуприцепа относительно тягача в рассматриваемых условиях [5].

Sujatha Chandramohan (2017) в своих исследованиях с целью уменьшения отклонения полуприцепа от дороги в процессе движения автопоезда на повороте, возникающего из-за различия радиусов поворота между передней и задней осями тягача, предложил перспективную конструкцию седельно-сцепного устройства, размещаемую на задней части тягача. Кинематический анализ функционирования такого автопоезда позволил установить снижение отклонения полуприцепа от дороги при повороте автопоезда [6].

В статье Junggun Yang (2017) предложена перспективная система предотвращения дорожно-транспортных происшествий, разработанная применительно для тягачей с полуприцепами, и основанная на изменении угла сцепки между полуприцепом и тягачом. Результаты имитационного моделирования движения автопоезда показали эффективность предлагаемой системы, предотвращающей боковое столкновение, позволяющей удерживать полосу движения автопоезда, а также ограничивающей выезд за нее, как тягача, так и полуприцепа [7].

В работе Ajlth Jogl (2020) выполнено исследование проблемы отклонения от пути следования в процессе движения полуприцепа относительно тягача по причине разницы радиусов поворота между передней и задней осями автопоезда. Выявлено, что использование седельно-сцепного устройства с функцией изменения точки сочленения позволит значительно уменьшить максимальное отклонение тягача относительно полуприцепа, что повысит маневренность автопоезда на более узких участках его маршрута следования [8].

Cheol Kim (2016) на основе исследования условий функционирования седельно-сцепных устройств лесовозных тягачей с прицепами, выявил, что все они имеют избыточную металлоемкость. Это позволило Cheol Kim выполнить оптимизацию конструктивных параметров седельно-сцепных устройств на основе изучения воспринимаемых ими нагрузок, а также предложить седельно-сцепное устройство, обладающей уменьшенной на 5 % массой, высокой прочностью и жесткостью [9].

Eric Dahlberg и Johan P Wideberg (2014) выполнили исследование динамической устойчивости тягача с полуприцепом в зависимости от места расположения седельно-сцепного устройства. С помощью разработанной упрощенной модели было выявлено, что при перемещении седельно-сцепного устройства ближе к задней оси тягача, автопоезд теряет устойчивость из-за чрезмерной управляемости [10].

Marcomini J. B. (2016) в своей работе рассмотрел причины отказов шкворня седельно-сцепного устройства тягача с полуприцепом, эксплуатируемого в тяжелых условиях по неровной опорной поверхности грунтовой дороги. Исследование с помощью сканирующей электронной микроскопии отказавшего шкворня показало, что наличие кавитации, способствующей распространению излома не является основной причиной разрушения. В ходе дальнейших исследований выявлено, что основной причиной отказа шкворня явилось сочетание износа, ударной и усталостной перегрузок [11].

Работа Renafa Pidl (2018) посвящена изучению вибрации, оказываемой воздействие при движении тягача с полуприцепом. Представлен аналитический метод расчета вертикальной динамики полуприцепа с общим вязкостным демпфированием и подверженного гармоническому базовому возбуждению. Данный метод позволяет исследовать реакцию системы с различной нагрузкой на полуприцеп в изменяющихся дорожных условиях [12].

Анализ научных работ зарубежных ученых, занимающихся исследованием и разработкой перспективных конструкций седельно-сцепных устройств для автопоездов показал, что в настоящее время еще не создано конструкций седельно-сцепных устройств, позволяющих одновременно повысить: эффективность лесовозного тягача с полуприцепом за счет сокращения его расхода топлива, путем рекуперации непроизводительно рассеиваемой энергии с ее последующим полезным использованием в технологическом процессе погрузки-разгрузки лесоматериалов; надежность и плавность хода при движении лесовозного тягача с полуприцепом по лесовозным дорогам с наличием на них различных неровностей, препятствий и дефектов. Для создания такой конструкции, удовлетворяющей всем необходимым требованиям авторами разработана конструкция рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства, размещенного в передней части рамы полуприцепа лесовозного тягача (рис. 1) [13].

Функционирование такого устройства основано на полезном использовании кинетической энергии, возникающей при воздействии на лесовозный тягач сил инерции массы полуприцепа в процессе торможения, разгона при движении по недостаточно обустроенным лесовозным дорогам. Предлагаемое устройство дает возможность накапливать эту энергию для дальнейшего полезного использования при выполнении погрузочно-разгрузочных работ с использованием гидроманипулятора. Кроме этого эффективность такого рекуперативного седельно-сцепного устройства хорошо приспособлена к воздействию на лесовозный тягач с полуприцепом обустроенности лесовозных дорог, к техническому состоянию лесовозного автопоезда, а также к уровню мастерства водителя.

Рисунок 1. Схема рекуперативного  пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства:

А – рабочая полость гидроцилиндра; l₁ и l₂ – передний и задний зазоры; 1 – рама; 2 и 3 – поперечные брусья рамы; 4 – крышка; 5 – плита опорная; 6 – шкворень;

7 и 8 – продольная и поперечная пластины; 9 – распорка; 10 – ось направляющая; 11, 12, 16, 18  – втулки;

13 – опора; 14 и 17 – пружины; 15 и 19 – фланцы;

20 – цилиндр; 21 и 22 – поршень и шток гидроцилиндра; 23 – канал; 24 – гибкий трубопровод; 25 – гидробак; 26 и 29 – клапаны обратные;  27 и 30 – всасывающий и напорный трубопроводы; 28 – пневмогидравлический аккумулятор; 31 и 32 – предохранительный и

редукционный клапаны; 33 – порт присоединительный

Figure 1. Diagram of a regenerative spring-hydraulic fifth wheel coupling: A – the working cavity of the hydraulic cylinder; l₁ and l₂ – front and rear clearances; 1 – frame;

2 and 3 – transverse beams of the frame; 4 – cover;

5 – support plate; 6 – kingpin; 7 and 8 – longitudinal and transverse plates; 9 – spacer; 10 – guide axis; 11, 12, 16, 18 – bushings; 13 – support; 14 and 17 – springs; 15 and

19 – flanges; 20 – cylinder; 21 and 22 – piston and hydraulic cylinder rod; 23 – channel; 24 – flexible pipeline;

25 – hydraulic tank; 26 and 29 – check valves; 27 and

30 – suction and discharge pipelines; 28 – pneumohydraulic accumulator; 31 and 32 – safety and pressure

reducing valves; 33 – connection port

Источник: собственная схема авторов

Source: authors' own schema

Материалы и методы

Для воспроизведения в модели работы системы рекуперации седельно-сцепного устройства, размещенного в полуприцепе лесовозного автопоезда необходимо в модели создать интенсивное движение полуприцепа относительно лесовозного тягача. Ранее проводились исследования движения лесовозного автопоезда по случайной неровной поверхности, что создавало интенсивное движение полуприцепа относительно лесовозного тягача [14]. В данной статье изучено движение лесовозного автопоезда по ровной лесовозной дороге, но со случайно происходящими ускорениями и замедлениями, которые также приводят к движению полуприцепа относительно лесовозного тягача.

В модели упрощенно воспроизводятся реальные дорожные ситуации, приводящие к ускорениям и замедлениям лесовозного автопоезда. Возможны три режима движения с ускорением:

– режим R = 0 – разгон до целевой скорости (v_с = 80 км/ч) с ускорением, пропорциональным разности между целевой v_ц и текущей v скоростями:

a = k_р (v_с – v),                            (1)

где k_р – коэффициент управления разгоном;

– режим R = 1 – плановое торможение до сниженной скорости (v_т = 40 км/ч) с ускорением, пропорциональным разности между необходимой v_т и текущей v скоростями:

a = k_т (v_т – v),                            (2)

где k_т – коэффициент управления торможением;

– режим R = 2 – экстренное торможение до малой скорости (v_eb = 20 км/ч) с ускорением, пропорциональным разности между необходимой v_eb и текущей v скоростями:

a = k_eb (v_eb – v),                          (3)

где k_eb – коэффициент управления экстренным торможением.

Рисунок 2. Схема алгоритма формирования

кинематических условий движения

лесовозного автопоезда

Figure 2. Diagram of the algorithm for the

formation of kinematic conditions for the

movement of a timber road train

Источник: собственная схема авторов

Source: authors' own schema

Составление кинематического плана движения лесовозного автопоезда является задачей алго-

ритмического типа (рис. 2). Движение начинается в режиме разгона R = 0 со скорости 50 км/ч. В случайные моменты времени режим движения изменяется на режим торможения R = 1 или экстренного торможения R = 2. Для этого на каждом шаге интегрирования по времени τ производится проверка значения случайной величины F, равномерно распределенной в интервале 0 ... 1, и в случае F < 0,0002 (значения приведены для шага интегрирования 0,003 с) для торможения или F < 0,0001 для экстренного торможения производится изменение режима движения. Также, случайно генерируется длительность планового торможения от 5 до 15 с, длительность экстренного торможения от 4 до 7 секунд. Разработанный алгоритм позволяет воспроизвести характерное поведение водителя при управлении лесовозным автопоездом.

Рисунок 3. Зависимость от времени t

координаты x_Т (а), скорости v_Т (б) и ускорения а_Т (в) лесовозного тягача автопоезда в процессе

компьютерного эксперимента при его

движении по лесовозной дороге

Figure 3. Time dependence of the coordinate

x_Т (a), speed v_Т (b) and acceleration а_Т (c) of a timber

 tractor of a road train in the process of a computer

experiment when it moves along a timber road

Источник: собственные вычисления авторов

Source: authors' own calculations

Результатом работы алгоритма является зависимость ускорения, скорости и координаты тягача автопоезда (рис. 3). «Модельный водитель» лесовозного автопоезда старается разогнаться до скорости 80 км/ч и выдерживать данную скорость (рис. 3, б). Однако в случайные моменты времени «модельный водитель» совершает плановые торможения до скорости 50 км/ч или экстренные торможения до скоро-

сти 20 км/ч. Из-за резких разнонаправленных ускорений (рис. 2, в) полуприцеп совершает значительные движения по отношению к лесовозному тягачу, что является основой для оценки эффективности системы рекуперации [15-17].

В данной статье выполнено исследование рекуперации энергии колебаний в пружинно-гидравлическом седельно-сцепном устройстве, размещенном в передней части рамы полуприцепа лесовозного тягача. Поэтому определение рекуперируемой мощности производится в модели на основе движения относительно друг друга пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства на лесовозном тягаче и полуприцепе. Седельно-сцепное устройство в модели представлено в виде двух одинаковых и одновременно работающих гидроцилиндров с возвращающими пружинами, которые в модели заменяются одной эффективной пружиной (рис. 4).

Рисунок 4. Представление в модели пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства и его основные геометрические параметры

Figure 4. Representation in the model of a spring-hydraulic fifth-wheel coupling and its main geometric parameters

Источник: собственная композиция авторов

Source: author’s composition

Силы со стороны гидравлических полостей и эффективной пружины осуществляют в модели связь лесовозного тягача и полуприцепа в продольном направлении. Движение поршней в гидроцилиндрах приводит к заполнению полости рабочей жидкостью из магистрали низкого давления и последующему вытеснению жидкости в пневмогидравлический аккумулятор (рис. 5). Оснащение седельно-сцепного устройства системой рекуперации в зависимости от ее параметров может, как улучшить, так и ухудшить демпфирующие свойства се-дельно-сцепного устройства, которые можно оцени- вать по характеру продольных ускорений полуприцепа лесовозного тягача. Поэтому при анализе результатов моделирования наряду с величиной рекуперируемой мощностью выполняется оценка среднего ускорения полуприцепа в продольном направлении.

Рисунок 5. Состояние пружинно-гидравлического

седельно-сцепного устройства в различных

режимах разгона и торможения: а – нейтральное состояние; б – заполнение цилиндров рабочей

жидкостью в процессе ускорения лесовозного

автопоезда; в – вытеснение рабочей жидкости из цилиндров в процессе замедления

лесовозного автопоезда

Figure 5. Condition of the spring-hydraulic fifth wheel

coupling in various acceleration and deceleration modes:

a – neutral state; b – filling the cylinders of the working

liquid in the process of accelerating the timber road trains;

c – displacement of the working fluid from the cylinders during deceleration timber road train

Источник: собственная композиция авторов

Source: author’s composition

Согласно принципу работы предложенное пружинно-гидравлическое седельно-сцепное устройство может находиться в трех основных положениях. В нейтральном положении (рис. 5, а) поршни находятся в среднем положении в гидроцилиндрах, полости гидроцилиндров заполнены рабочей жидкостью. В случае отдаления лесовозного тягача и полуприцепа (при разгоне) увеличиваются длины полостей гидроцилиндра, что приводит к забору рабочей жидкости в полости из магистрали низкого давления (рис. 5, б). В случае сближения лесовозного тягача и полуприцепа (при торможении) уменьшаются длины полостей гидроцилиндров, что приводит к вытеснению рабочей жидкости из полости в магистраль высокого давления и в пневмогидравлический аккумулятор (рис. 5, в).

Эффективность функционирования рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства, размещенного в передней части рамы полуприцепа лесовозного тягача, определяемая в процессе моделирования должна одновременно оценивать и полезный эффект при рекуперации гидравлической энергии, и негативное воздействие от использования такого седельно-сцепного устройства. На основании этого в качестве показателей для оценки эффективности процесса рекуперации были приняты два показателя, первый – рекуперируемая мощность N_р, второй – ускорений полуприцепа лесовозного тягача a_s.

В процессе выполнения каждого шага численного интегрирования в результате изменения расстояния между пружинно-гидравлическим седельно-сцепным устройством и лесовозным тягачом осуществлялся расчет мгновенного значения рекуперируемой мощности N_р:

  (4)

где d₀ – коэффициент демпфирования гидроцилиндров пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства, Н·с·м^–1; D_c0 – базовый диаметр гидроцилиндров пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства (в расчетах базовое значение принималось 50 мм), м; D_c – диаметр гидроцилиндров пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства, м; x_A и x_B – продольная координата точки пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства лесовозного тягача и полуприцепа соответственно, м; индексы в формуле (4) τ и τ – 1 обозначают текущий и предыдущий шаги интегрирования по времени дифференциальных уравнений движения, безразмерные; Δt – шаг по времени интегрирования дифференциальных уравнений, с.

Оснащение седельно-сцепного устройства системой рекуперации может ухудшить демпфирующие свойства пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства и привести к неблагоприятным колебаниям полуприцепа относительно лесовозного тягача. Поэтому в разработанной модели также выполняется оценка ускорения полуприцепа в продольном направлении.

В процессе выполнения каждого шага численного интегрирования τ значение мгновенное продольное ускорение полуприцепа а_s определялось следующим образом:

                 (5)

где x_s^τ – координата центра тяжести полуприцепа вдоль продольной декартовой оси OX на текущем шаге интегрирования по времени дифференциальных уравнений, x_s^τ–1 и x_s^τ+1 соответственно на предыдущем и последующем шагах интегрирования.

Далее после определения мгновенных значений рекуперируемой мощности N_р и продольного ускорения полуприцепа а_s выполнялся расчет усредненных показателей N_рс и a_sс:

,                  (6)

,                  (7)

где τ_e – начальный шаг интегрирования по времени; τ_к – соответственно конечный шаг интегрирования. Усредненные показатели рекуперируемой мощности N_рс и ускорения a_sс, ниже используются в качестве показателей эффективности системы рекуперации.

Для дальнейших теоретических исследований полученной математической модели разработана компьютерная программа «Программа для моделирования работы пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства, размещенного в передней части рамы полуприцепа лесовозного тягача», позволяющая оценить с помощью серий компьютерных экспериментов эффективность предложенной конструкции рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства, размещенного в передней части рамы полуприцепа лесовозного тягача, а также выполнить оптимизация основных конструктивных параметров этого устройства.

Разработанная программа позволяет в процессе компьютерного эксперимента изменять как конструктивные параметры предлагаемого седельно-сцепного устройства, так и геометрические, кинематические и динамические параметры лесовозного тягача с полуприцепом. Кроме этого в процессе выполнения компьютерного эксперимента на интерфейсную форму выводится проекция сбоку движущегося по лесовозной дороге лесовозного тягача с полуприцепом, состояние гидроцилиндров рекуперативного седельно-сцепного устройства, а также зависимости скорости лесовозного тягача с полуприцепом, его ускорения и положения поршней гидроцилиндров рекуперативного седельно-сцепного устройства (рис. 6).

Рисунок 6. Интерфейсная форма вывода

результатов компьютерного эксперимента

Figure 6. Interface form for displaying the

results of a computer experiment

Источник: собственная композиция авторов

Source: author’s composition

Разработанная математическая модель обладает высокой физической и геометрической адекватностью, поэтому позволяет задавать около 40 физических и геометрических параметров пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства, лесовозного тягача, полуприцепа, а также режимов его движения по лесовозной дороге. Наиболее важные входные и выходные переменные компьютерной программы показаны схематично на рисунке 7.

Рисунок 7. Входные параметры и выходные

показатели математической модели

Figure 7. Input parameters and

outputs of the mathematical model

Источник: собственная схема авторов

Source: authors' own schema

Входными параметрами исследуемого пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства являются внутренний диаметр D_c гидроцилиндров и суммарный коэффициент жесткости c_s пружин этого устройства. Входными параметрами, характеризующими условия движения лесовозного тягача с полуприцепом являются целевая скорость v_r – движения автопоезда (максимальная скорость, до которой разгоняется автопоезд) в продольном направлении ОХ и масса полуприцепа m_s. Входными параметрами ускоренного и замедленного движения лесовозного тягача с полуприцепом являются p_т и p_eb – вероятности начала торможения и экстренного торможения соответственно; v_т и v_eb – скорости, до которых производится плановое и экстренное торможение соответственно; k_р – коэффициент управления разгоном; k_т – коэффициент управления плановым торможением; k_eb – коэффициент управления экстренным торможением.

Эффективность функционирования предлагаемого рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства, размещенного в передней части рамы полуприцепа лесовозного тягача, оценивается усредненными значениями рекуперируемой мощности N_рс и продольного ускорения полуприцепа a_sс. При этом эффективность разработанного седельно-сцепного устройство будет повышаться с возрастанием среднего значения рекуперируемой мощности в процессе движения лесовозного тягача с полуприцепом, а также с уменьшением значения неблагоприятного среднего ускорения.

В процессе теоретического исследования необходимо установить влияние параметров рекуперативного седельно-сцепного устройства, условий движения лесовозного автопоезда и параметров случайного ускоренно-замедленного движения на средние рекуперируемую мощность N_рс и ускорение полуприцепа a_sс.

Результаты и обсуждения

Дальнейшее теоретическое исследование основано на многократном выполнении запланированных компьютерных экспериментов, имитирующих движение по лесовозной дороге модельного лесовозного автопоезда, оснащенного предлагаемым рекуперативным седельно-сцепным устройством. В каждом компьютерном эксперименте лесовозный автопоезд двигался в течение 200 с, преодолевая за это время дистанцию около 4 км. Программа управления кинематическими параметрами соответствовала графикам рисунка 8 и была одинаковой для всех компьютерных экспериментов. В процессе компьютерного эксперимента определялось перемещение поршней гидроцилиндров рекуперативного седельно-сцепного устройства (рис. 8). В процессе интенсивных разгонов поршни перемещались на 0,15 м в одном направлении, а в процессе экстренных торможений поршни перемещались на 0,25 мм в противоположном направлении.

На основе полученной зависимости x_p(t) определялись показатели эффективности: средняя рекуперируемая мощность N_рс и среднее ускорение полуприцепа a_sс. Результаты проведенных компьютерных экспериментов с типичными входными параметрами показали, что показатели эффективности составили N_рс = 4,82 кВт, a_sс = 0,62 м/с². Таким образом, рекуперативное пружинно-гидравлическое седельно-сцепное устройство, размещенное в передней части рамы полуприцепа лесовозного тягача  при движении с типичными случайно происходящими ускорениями и замедлениями по ровной лесовозной дороге позволяет рекуперировать мощность в среднем около 4,8 кВт при значении среднем продольном ускорении порядка 0,62 м/с².

Рисунок 8. Зависимость от времени t положения поршня x_p гидроцилиндра x_Т в процессе

компьютерного эксперимента по случайно-ускоренному движению лесовозного

автопоезда по лесовозной дороге

Figure 8. Time t dependence of the position

of the piston x_p of the hydraulic cylinder

 x_T in the process of a computer experiment

on the randomly accelerated movement of

a timber road train along a timber road

Источник: собственные вычисления авторов

Source: authors' own calculations

Изменение внутреннего диаметра гидроцилиндров D_c рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства способствует изменению потока рабочей жидкости при движении поршней, а также сопротивлению движения поршней. Для исследования закономерности влияния диаметра гидроцилиндров D_c выполнили шесть компьютерных экспериментов, в процессе которых с шагом 10 мм увеличивали значение диаметра гидроцилиндра D_c в интервале 30-80 мм (рис. 9).

Обнаружено, что при малых диаметрах 30 ... 40 мм гидроцилиндров рекуперируемая мощность мала (3,2 ... 4,2 кВт), так как даже при существенные перемещения полуприцепа относительно лесовозного тягача объем жидкости, находящейся в гидроцилиндрах   сравнительно   мал, и невелик по ток в гидросистему для накопления или использования энергии рабочей жидкости (рис. 9, а). При этом сравнительно велико продольное ускорение полуприцепа (0,64 ... 0,73 м/с²), так как гидроцилиндры малого диаметра не оказывают эффективного демпфирующего действия (рис. 9, б). При слишком больших диаметрах 70 ... 80 мм гидроцилиндры оказывают слишком большое сопротивление взаимному перемещению лесовозного тягача и полуприцепа, поэтому также оказывается малым поток рабочей жидкости, поступающей в систему накопления и использования энергии рабочей жидкости (рис. 9, а). Также жесткая связь между лесовозным тягачом и полуприцепом является причиной того, что полуприцеп движется по модельной лесовозной дороге с существенным продольным ускорением 6,8 ... 7,5 м/с² (рис. 9, б).-

Рисунок 9. Зависимости изменения средних

значений рекуперируемой мощности N_рс и среднего продольного ускорения полуприцепа a_sс от

внутреннего диаметра гидроцилиндров D_c

рекуперативного пружинно-гидравлического

седельно-сцепного устройства

Figure 9. Dependences of the change in the average values of the recovered power N_рс and the average

longitudinal acceleration of the semitrailer asс on the inner diameter of the hydraulic cylinders D_c of the

recuperative spring-hydraulic fifth wheel coupling

Источник: собственные вычисления авторов

Source: authors' own calculations

Оптимальным является диаметр гидроцилиндров 50 ... 60 мм, при котором наблюдается максимум рекуперируемой мощности около 4,8 кВт и минимум среднего продольного ускорения полуприцепа около 0,62 м/с².

Масса полуприцепа влияет на силы, приложенные к гидроцилиндру, поэтому должна влиять на эффективность рекуперации. Для исследования влияния на показателей эффективности изменения массы полуприцепа m_s выполнено пять компьютерных экспериментов, в которых входные параметры массы полуприцепа увеличивали с шагом 10 т в интервале 10-50 т. Как и следовало ожидать, с увеличением массы полуприцепа рекуперируемая мощность увеличивается приблизительно по линейному закону от 1,7 кВт для пустого полуприцепа до 5,9 кВт для полностью загруженного полуприцепа (рис. 10, а).  

Рисунок 10. Влияние массы полуприцепа m_s на

средние значения рекуперируемой мощности N_рс

и продольного ускорения полуприцепа a_sс

Figure 10. Influence of the semitrailer mass m_s on the average values of the recovered power N_рс and the

longitudinal acceleration of the semitrailer asс

Источник: собственные вычисления авторов

Source: authors' own calculations

С увеличением  массы  полуприцепа с 10 до 50 т уменьшается среднее продольное ускорение полуприцепа с 1,2 до 0,6 м/с² (рис. 10, б). Таким образом, система рекуперации тем эффективнее, чем больше загрузка полуприцепа. С увеличением массы полуприцепа с 10 до 50 т рекуперируемая мощность повышается от 1,7 до 5,9 кВт, среднее продольное ускорение полуприцепа снижается с 1,2 до 0,6 м/с².

Рисунок 11. Влияние количества торможений

лесовозного тягача с полуприцепом на изменение его скорости v_Т во времени t: а – 0,5 км^–1, б – 1,5 км^–1, в – 2,5 км^–1

Figure 11. Influence of the number of brakes

timber tractor with a semitrailer to change its speed v_Т in time t: a – 0.5 km^–1, b – 1.5 km^–11, c - 2.5 km^–1

Источник: собственные вычисления авторов

Source: authors' own calculations

Ускорения и замедления лесовозного автопоезда наряду с неровностями опорной поверхности лесовозной дороги являются важной причиной интенсив-

ного относительного движения лесовозного тягача и полуприцепа, за счет сглаживания которого рекуперативное пружинно-гидравлическое седельно-сцепное устройство выделяет свободную мощность. С целью изучения влияния ускорений и замедлений на эффективность рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства проведена серия из шести компьютерных экспериментов, в которой изменяли количество n_т торможений (и соответственно последующих разгонов) на 1 км пути от 0,5 до 3,0 км^–1 с шагом 0,5 км^–1. Примеры зависимостей скорости лесовозного автопоезда от времени приведены на рисунке 11. При малом n_т = 0,5 км^–1 за время компьютерного эксперимента 200 с происходило 2-3 торможения (рис. 11, а), в то время как при большом n_т = 2,5 км^–1 за 200 с происходило более 10 торможений, накладывающихся друг на друга (рис. 11, в).

Обнаружено, что с повышением частоты торможений и разгонов рекуперируемая мощность увеличивается сначала по линейному закону с 0,5 до 1.5 км^–1, плавно переходя в участок насыщения (рис. 12).

Рисунок 12. Влияние частоты торможений и разгонов n_т лесовозного автопоезда на средние значения

рекуперируемой мощности N_рс и продольного ускорения полуприцепа a_sс

Figure 12. Influence of the frequency of braking and acceleration n_т of a timber road train on the average values of the recuperated power N_рс and longitudinal acceleration of the semitrailer a_sс

Источник: собственные вычисления авторов

Source: authors' own calculations

Смена линейной зависимости более слабой зависимостью объясняется тем, что при больших n_т происходит наложение последовательных торможений и ускорений, поэтому уменьшается вклад отдельных торможений и ускорений.

Аналогичный вид имеет зависимость среднего продольного ускорения полуприцепа от n_т (рис. 12, б). Естественно ожидать, что с увеличением частоты ускорений и торможений среднее ускорение будет расти сначала по линейному закону, затем по степен-ному, когда n_т достаточно велико, чтобы сказывался эффект перекрытия периодов ускорения и торможения. Таким образом, с увеличением от 0,5 до 3,0 км^–1 частоты торможений и разгонов (например, с увеличением насыщенности лесовозной дороги транспортными средствами) увеличивается рекуперируемая мощность с 1,1 до 5,2 кВт, и в то же время увеличивается неблагоприятное продольное ускорение полуприцепа с 0,16 до 0,68 м/с².

Выводы

Выполнен анализ научных работ зарубежных ученых, занимающихся исследованием влияния работы седельно-сцепных устройств на эффективность лесовозных автопоездов. Предложена перспективная схема рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства, размещенного в передней части рамы полуприцепа лесовозного тягача, обладающая существенными преимуществами в сравнении с другими аналогичными устройствами.

Разработана математическая модель функционирования лесовозного седельного тягача, оснащенного рекуперативным пружинно-гидравлическим седельно-сцепным устройством в передней части рамы полуприцепа, со случайными ускорениями и торможениями по ровной опорной поверхности лесовозной дороги. Модель позволяет оценить возможность рекуперации энергии в различных режимах движения и изучить влияние параметров предложенной конструкции седельно-сцепного устройства на его эффективность. Для дальнейших теоретических исследований полученной математической модели разработана компьютерная программа «Программа для моделирования работы пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства, размещенного в передней части рамы полуприцепа лесовозного тягача», позволяющая за счет выполнения серий компьютерных экспериментов оценить эффективность работы предложенной конструкции седельно-сцепного устройства, а также оптимизации его основных конструктивных параметров.

На основе компьютерного моделирования установлено, что рекуперативное пружинно-гидравлическое седельно-сцепное устройство лесовозного тягача с полуприцепом при движении с типичными случайно происходящими ускорениями и замедлениями по ровной лесовозной дороге позволяет рекуперировать мощность в среднем около 4,8 кВт при значении среднего продольного ускорения – 0,62 м/с². Оптимальное значение диаметра гидроцилиндров рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства может составлять 50-60 мм. Такое значение позволяет достигать максимума рекуперируемой мощности около 4,8 кВт и минимума среднего продольного ускорения полуприцепа около 0,62 м/с².

Система рекуперации тем эффективнее, чем больше загрузка полуприцепа. С увеличением массы полуприцепа с 10 до 50 т рекуперируемая мощность повышается от 1,7 до 5,9 кВт, среднее продольное ускорение полуприцепа снижается с 1,2 до 0,6 м/с². С увеличением от 0,5 до 3,0 км^–1 частоты торможений и разгонов (например, с увеличением количества транспортных средств на лесовозной дороге происходит возрастание рекуперируемой мощности с 1,1 до 5,2 кВт, а также наблюдается рост негативного продольного ускорения полуприцепа относительно лесовозного тягача с 0,16 до 0,68 м/с². Практическое использование предлагаемого седельно-сцепного устройства позволяет в зависимости от условий движения лесовозного автопоезда по недостаточно обустроенным лесовозным дорогам снизить его расход топлива от 5 до 8 %

1. Guang Xia Linear reversing control of semi-trailer trains based on hitch angle stable and feasible domain / Guang Xia, Mingzhuo Zhao, Xiwen Tang, Shaojie Wang, Linfeng Zhao // Control Engineering Practice 104 (2020) 104625. - 16 p. Bibliogr.: 16 p. (20 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1016/j.conengprac.2020.104625.

2. Anil K. Madhusudhanan Effects of semi-trailer modifications on HGV fuel consumption / Anil K. Madhusudhanan, Daniel Ainalis, Xiaoxiang Na, Isabel Vallina Garcia, Michael Sutcliffe, David Cebon // Transportation Research Part D92 (2021) 102717. - 12 p. Bibliogr.: pp. 11-12 (24 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1016/j.trd.2021.102717.

3. S V Bashegurov Ensuring the safety of operation of the truck with the semi-trailer / S V Bashegurov, F F Nasybullin, R H Khusainov, Z R Faskhieva // IOP Conf. Series : Materials Science and Engineering 632 (2019). - 6 p. Bibliogr.: pp. 5-6 (13 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/632/1/012017.

4. Qing Zhang Failure analysis of the fifth wheel couplings utilized in heavy semi-trailer tractors / Qing Zhang, Shuo Wei, Youming Chen // Engineering Failure Analysis 109 (2020) 104352. - 12 p. Bibliogr.: 12 p. (16 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.104352.

5. M Zhileykin The method of increasing the stability of trailer-trucks incase of emergency braking in a turn and emergency failure of the trailer brake system / M Zhileykin, G Skotnikov // IOP Conf. Series : Materials Science and Engineering 820 (2020) 012017. - 9 p. Bibliogr.: pp. 7-8 (23 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/820/1/012017.

6. Ajith Jogi Kinematic analysis of tractor-semitrailer with split fifth wheel coupling during low speed turning maneuvers / Ajith Jogi, Sujatha Chandramohan // SAE Int. J. Commer. Veh. Volume 10, Issue 2, 2017. - pp. 582-588. Bibliogr.: 587 p. (9 titles). - DOIhttps://doi.org/10.4271/2017-01-1554.

7. Junggun Yang Development of a unified lane-keeping and collision avoidance system for semi-trailer truck / Junggun Yang, Seunki Kim, Kunsoo Hun // IEEE Access, Volume : 8, 2020. - 13 p. Bibliogr.: pp. 12-13 (18 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3016497.

8. Ajlth Jogl Zero-speed off-tracking analysis of tractor-semitrailer with split fifth wheel coupling for 900 and 1800 turning man oeuvres / Ajlth Jogl, Sujatha Chandramohan // Advances in Mechanical Engineering, Lecture Notes in Mechanical Engineering, 2020. - pp. 1567-1578. Bibliogr.: 1578 p. (7 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1007/978-981-15-0124_137.

9. Cheol Kim New weight-reduction design of the fifth wheel coupler with a trailer by using topology optimization and durability tests / Cheol Kim, Seung-Yoon Lee, Yong-Cheen Lee // Transactions of KSAE, 2016. - Vol. 24. - № 2. - pp. 137-143. Bibliogr.: p. 143 (5 titles). - DOIhttps://doi.org/10.7467/KSAE.2016.24.2.137.

10. Eric Dahlberg Influence of the fifth-wheel location on heavy articulated vehicle handling / Eric Dahlberg, Joham P Wideberg // Proceedings Produced by : Document Transformation Technologies, 2016. - 11 p. Bibliogr.: 11 p. (9 titles).

11. Marcomini J. B. Failure analysis of a hot forget SAE 4140 steel kingpin / J. B. Marcomini, C.A.R.P. Baptista, J. P. Pascon, R. L. Teixeira, P. C. Medina // International Journal of Engineering Research Science, 2016. - Vol. 2, Issue 6. - 9 p. Bibliogr.: pp. 7-8 (17 titles).

12. Renata Pidl. Analytical approach to determine vertical dynamics of a semi-trailer truck from the point of view of goods protection / Pidl. Renata // AIP Conference Proceedings 1922, 1200033 (2018). - 16 p. Bibliogr.: 16 p. (20 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1063/1.5019118.

13. Patent № 2729006 Rossiyskaya Federaciya, MPK B62V 53/08. Rekuperativnoe pruzhinno-gidravlicheskoe sedel'no-scepnoe ustroystvo avtopoezda : № 2019144220 : zayavl. 24.12.2019 ; opubl. 03.08.2020 / V. I. Posmet'ev, V. O. Nikonov, V. V. Posmet'ev ; zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VO VGLTU imeni G. F. Morozova.

14. Posmet'ev, V. I. Imitacionnoe modelirovanie rekuperativnogo pruzhinno-gidravlicheskogo se-del'no-scepnogo ustroystva lesovoznogo tyagacha s polupricepom / V. I. Posmet'ev, V. O. Nikonov, V. V. Po-smet'ev, A. V. Avdyuhin // Lesotehnicheskiy zhurnal. - 2020. - № 4 - S. 227-242. - Bibliogr.: s. 239-240 (20 nazv.). - DOIhttps://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2020.4/19.

15. Grebennikova, I. V. Metody matematicheskoy obrabotki eksperimental'nyh dannyh : uchebno-metodicheskoe posobie / I. V. Grebennikova. - Ekaterinburg : Izd-vo Ural. un-ta, 2015. - 124 s. - Bibliogr.: s. 117.

16. Bochkarev, S. V. Planirovanie i obrabotka rezul'tatov eksperimenta : uchebnik / S. V. Bochkarev, T. V. Vasil'eva, A. L. Galinovskiy, D. A. Dadenkov, V. I. Kolpakov, A. M. Kostygov. - Staryy Oskol : TNT, 2020. - 508 s. - Bibliogr.: s. 506-507.

17. Morgunov, A. P. Planirovanie i analiz rezul'tatov eksperimenta : uchebnoe posobie / A. P. Morgunov, I. V. Revina ; Minobrnauki Rossii, Omskie gos. tehn. un-t. - Omsk : Izdatel'stvo OmGTU, 2014. - 347 s. - Bibliogr.: s. 334-336.