UDK 629.3 Наземные средства транспорта (кроме рельсовых)
The relevance of increasing the efficiency of logging road trains by reducing the transport costs spent on the process of hauling timber is substantiated. The analysis of scientific works of foreign authors has been carried out, which made it possible to identify the most important factors influencing the process of the efficiency of timber hauling by timber road trains. A promising design of a two-chamber coupling device for a timber road train is proposed, which provides an increase in the energy efficiency of the timber hauling process. Based on the developed mathematical model and computer program, a preliminary assessment of the efficiency indicators of the proposed road train coupling device was carried out. It has been established that equipping a logging road train with a recuperative two-chamber coupling de-vice will allow generating a recuperated power of about 7.8 kW when the road train moves along an insufficiently equipped logging road. It was revealed that the optimal value of the diameter of the two-chamber hydraulic cylinder of the coupling device is 90 mm, while achieving the maximum value of the recuperated power and the minimum value of the longitudinal acceleration of the trailer with timber relative to the timber vehicle.
TIMBER ROAD TRAIN, TWO-CHAMBER COUPLING DEVICE, FOREST ROAD, RECOVERY, HYDRAULIC ENERGY, PNEUMO-HYDRAULIC ACCUMULATOR, SIMULATION MODELING, REMOVAL OF TIMBER MATERIALS.
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Лесовозный автомобильный транспорт, благодаря своей конкурентоспособности и эффективности с экономической точки зрения играет важную роль в надлежащем функционировании лесозаготовительных предприятий. Вывозка лесоматериалов лесовозными автопоездами является наиболее дорогим этапом лесозаготовительного процесса, на который приходится порядка 50 % всех затрат, расходуемых на лесозаготовку. Лесовозные дороги являются основными объектами транспортной инфраструктуры, обеспечивающими безопасный и эффективный доступ к лесу для осуществления вывозки лесоматериалов лесовозными автопоездами. Сеть лесовозных дорог должна обеспечивать доступность вывозки лесоматериалов, минимальные потребности в обслуживании и строительстве. Затраты, расходуемые на вывозку лесоматериалов лесовозными автопоездами по недостаточно обустроенным лесовозным дорогам значительно выше, чем затраты, расходуемые на вывозку лесоматериалов по обустроенной лесовозной дороге. Сокращение транспортных расходов за счет повышения топливной экономичности лесовозных автопоездов в настоящее время является наиболее актуальной задачей, поскольку задействованные в процессе вывозки лесоматериалов лесовозные автопоезда потребляют большое количество топлива, стоимость которого с каждым годом неуклонно возрастает [1].
Необходимость поиска решения данной актуальной задачи подтверждается результатами исследований, опубликованных в научных работах многих зарубежных ученых, область научных интересов которых связана с повышением эффективности лесовозных автопоездов.
Teijo Palander [2] в своей работе исследовал вопрос сокращения вредных выбросов в окружающую среду за счет повышения максимально разрешенной массы лесовозных автопоездов с 60 до 76 тонн. При замене 60 тонных лесовозных автопоездов 76 тонными можно достичь не только сокращения расхода топлива и вредных выбросов в окружающую среду в интервале от 32 до 41 %, но и значительное снижение транспортных расходов. Кроме этого, увеличение количества осей у большегрузных лесовозных автопоездов способствует достижению меньшего негативного воздействия на опорную поверхность лесовозной дороги за счет более рационального соотношения массы вывозимых лесоматериалов между тягачом и прицепом.
Antti Lajunen [3] в своей работе анализирует различные способы повышения эффективности лесовозных автопоездов, задействованных в процессе вывозки лесоматериалов. Среди этих способов, он выделяет: использование с целью снижения расхода топлива большегрузных автопоездов, либо же альтернативных видов топлива; сокращение потерь тепла в двигателе; применение гибридных технологий в работе силовых агрегатов лесовозных автопоездов, позволяющих рекуперировать энергию торможения при преодолении автопоездами затяжных спусков. На основе имитационного моделирования было выполнено сравнение расхода топлива автопоездами в зависимости от используемой гибридной конфигурации силового агрегата и их рабочего цикла. Установлено, что в сравнении с традиционным автопоездом у конфигурации лесовозного автопоезда с гибридным приводом удельный расход топлива между рабочими циклами меньше на 3 %. Наибольшее количество энергии автопоездом генерируется в режимах торможения на спусках. Накопленная в аккумуляторе электрическая энергия позволяет снизить максимальную мощность двигателя на 410 кВт. Повышение топливной экономичности гибридной конфигурации лесовозного автопоезда можно также достичь за счет оптимизации работы его гибридной системы, а также использования более рациональных стратегий управления и прогнозирования маршрутов вывозки лесоматериалов.
Ger J. Delvin и др. [4] в своей работе на основе анализа установили, что для сведения к минимуму затрат, расходуемых на содержание лесовозных дорог, вывозка лесоматериалов лесовозными автопоездами не обязательно должна осуществляться по оптимальному маршруту, приоритетом будет являться вывозка лесоматериалов по обустроенным лесовозным дорогам более высокого класса. Результаты исследования показывают, что транспортные расходы при вывозке лесоматериалов лесовозными автопоездами по обустроенным лесовозным дорогам в сравнении с оптимальным маршрутом, включающим движение по необустроенным лесовозным дорогам, будут значительно ниже, так как при этом сократятся затраты на топливо, уменьшится износ лесовозных автопоездов.
Christoph Kogler и др. [5] в своей работе установили, что эффективность самозагружающихся лесовозных автопоездов может быть повышена за счет: использования их только на короткие расстояния от лесных складов до близлежащих терминалов; оптимальной конфигурации автопарка по количеству самозагружающихся автопоездов; максимально допустимой загрузки лесовозного автопоезда. Выявлено, что увеличение количества тягачей и полуприцепов при фиксированном количестве самозагружающихся лесовозных автопоездов приводит к неуклонному увеличению объема вывозимых лесоматериалов до тех пор, пока не будет достигнута максимально возможная перевалочная способность. Дальнейшее повышение количества тягачей с прицепами приводит к росту времени ожидания в очереди, а также к росту транспортных расходов, так как отсутствует возможность перегрузить дополнительный объем лесоматериалов. Увеличение количества самозагружающихся лесовозных автопоездов способствует росту пропускной способности перевалки лесоматериалов до момента достижения максимальной пропускной способности терминала, количество самозагружающихся автопоездов на котором не превышает 13 единиц. Увеличение разрешенной полной массы лесовозных автопоездов до 50 т способствует снижению на 40 % количества задействованных на терминале самозагружающихся лесовозных автопоездов. Кроме этого, меньшее количество прибывающих на терминал самозагружающихся лесовозных автопоездов способствует сокращению времени ожидания в очереди и сокращению транспортных расходов. Повышение разрешенной полной массы самозагружающихся лесовозных автопоездов способствует снижению вредных выбросов в окружающую среду.
Grzegorz Trzcinsk, Tadeusz Moskalik, Rafal Wojtan [6] в своей работе установили, что: поддерживая одинаковый вес загрузки лесоматериалов в лесовозных автопоездах можно достичь экономии транспортных расходов в диапазоне от 4 до 14 %; увеличение предельного веса лесовозных автопоездов за счет изменения количества осей дает возможность получить в долгосрочной перспективе, как экономические, так и экологические выгоды; обоснованный выбор конфигурации лесовозных автопоездов, их полезной загруженности, а также плотности и влажности лесоматериалов с учетом их изменчивости в разные периоды года позволяет повысить эффективность процесса вывозки.
Mark Brown и Mohammad Reza Ghaffariyan [7] в своей работе установили, что на эффективность вывозки лесоматериалов лесовозными автопоездами оказывают влияние: полезная нагрузка, время в пути, расход топлива, влажности и плотность вывозимых лесоматериалов. Загрузка лесовозных автопоездов максимально разрешенной массой позволяет не только сократить транспортные расходы, но и повысить спрос на лесоматериалы. Недогрузка лесовозных автопоездов лесоматериалами приводит к росту стоимости вывозки, снижению прибыли лесозаготовительных предприятий, а также к увеличению количества задействованных в процессе лесовозных автопоездов. Кроме этого перегрузка лесовозных автопоездов может привести к штрафам, а также возникновению опасных дорожных ситуаций.
Pawel Kozakiewicz и др. [8] в своей работе уделили особое внимание параметрам влажности древесины, оказывающей влияние на изменение плотности и массы вывозимых лесовозными автопоездами лесоматериалов. Установлено, что знание фактического веса вывозимых лесоматериалов в соотношении с их изменяющейся в разные сезоны года влажностью позволяет предотвратить перегрузку лесовозных автопоездов.
Amanda Sosa и др. [9] в своей работе установили, что перегрузка лесовозных автопоездов в процессе вывозки лесоматериалов сопровождается снижением работоспособности лесовозных дорог, а также увеличением расхода топлива автопоездов. Выявлено, что при снижении веса лесоматериалов в лесовозном автопоезде на 10 %, его расход топлива снижается на 5-10 %. Установлено, что чем тяжелее собственный вес лесовозного автопоезда, тем меньше его полезная нагрузка. Предложено с целью снижения собственного веса автопоезда использовать имеющий меньший по массе современный гидроманипулятор, а также элементы конструкции в прицепах и полуприцепах, изготовленных из современных более легких материалов.
1. Nikonov V. O. Sovremennoe sostoyanie, problemi i puti povisheniya effektivnosti lesovoznogo avtomobilnogo transporta [Current state, problems and ways to improve the efficiency of timber road transport]. Ministry of Education and Science of the Russian Federation, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "VGLTU". - Voronezh, 2021. - 202 p. (In Russ.).
2. Teijo Palander The environmental emission efficiency of larger and heavier vehicles - A case study of road transportation in Finnish forest industry. Journal of Cleaner Production 155 (2017) 57-62 : doi :https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.09.095.
3. Antti Lajunen Fuel economy analysis of conventional and hybrid heavy vehicle combinations over real-world operating routes. Transportation Research Part D 31 (2014) 70-84 : doi :https://doi.org/10.1016/j.trd.2014.05.023.
4. Ger. J. Devlin, Kevin McDonnel, Shane Ward Timber haulage routing in Ireland : an analysis using GIS and GPS. Journal of Transport Geography 16 (2008) 63-72 : doi :https://doi.org/10.1016/j.jtrange.2007.01.008.
5. Christoph Kogler, Alexander Stenitzer, Peter Rauch Simulating Combined Self-Loading Truck and Semitrailer Truck Transport in the Wood Supply Chain. Forests 2020, 11, 1245 15 p. : doi :https://doi.org/10.3390/f11121245.
6. Grzegorz Trzcinski, Tadeusz Moskalik, Rafal Wojtan Total Weight and Axle Loads of Truck Units in the Transport of Timber Depending on the Timber Cargo. Forests 2018 9 164 12 p. : doi :https://doi.org/10.3390/f9040164.
7. Mark Brown, Mohammad Reza Ghaffariyan Timber track payload management with different in-forest weighing strategies in Australia. Croat. j. for. eng. 37 (2016) 1 pp. 131-138.
8. Pawel Kozakiewicz, Lukasz Tymendorf, Grzegorz Trzcinski Importance of the Moisture Content of Large-Sized Scots Pine (Pinus Sylvestris L.) Round wood in its Road Transport. Forests 2021, 12, 879 13 p. : doi :https://doi.org/10.3390/f122070879.
9. Amanda Sosa, Radomir Klvac, Enda Coates, Tom Kent, Ger Devlin Improving log loading efficiency for Improved sustainable transport within the Irish forest and Biomass Sectors. Sustainability 2015 7 3017-3030 : doi :https://doi.org/10.3390/su7033017.
10. Abdullah E. Akay, Hasan Serin, John Sessions, Ebru Bilici, Mehmet Pak Evaluating the Effects of Improving Forest Road Standards on Economic Value of Forest Products. Croat. j. for. eng. 42 (2021) 2 pp. 245-258 : doi :https://doi.org/10.5552/crojfe.2021.851.
11. Cloes Lofroth, Lena Larsson, Johanna Enstrom, Lennart Cider, Gunnar Svenson, John Aurell, Alfred Johansson, Thomas Asp Ett - a modular system for forest transport. HVTT12 : 12th International Symposium on Heavy Vehicle Transport Technology, 2012. - 18 p.
12. Marko Zoric, Marijan Susnjar, Zdravko Pandur, Kristijan Mihaljevic Potroshja goriva I emisija staklenickih plinova pri kamionskom prijevozu drva u hrvatskom sumarstvu. Nova meh. sumar. 35 (2014) pp. 89-97.
13. R. Mousavi, R. Naghdi Time consumption and productivity analysis of timber trucking using two kinds of trucks in northern Iran. Journal of Forest science 59 2013 (5) 211-221.
14. Zdravko Pandur, Hrvoje Neveceral, Marijan Susnjar, Marin Bacic, Kruno Lepoglavec Energy Efficiency of Timber Transport by Trucks on Milly and Mountainous Forest Roads. Forestist 2021 : doi :https://doi.org/10.5152/forestist.2021.21012.
15. Jukka Malinen, Ville Nousiaunen, Kari Palojarvi, Teijo Palander Prospects and Challenges of Timber Trucking in a Changing Operational Environment in Finland. Croat. j. for. eng. 35 (2014) 1 pp. 91-100.
16. Kari Vaatainen, Perttu Anttila, Lars Elisson, Johanna Routa Roundwood and Biomass Logistics in Finland and. Croat. j. for. eng. 42 (2021) 1 pp. 39-61 : doi :https://doi.org/10.5552/crojfc.2021.803.
17. V I Posmetev, V O Nikonov and V V Posmetev Computer Simulation of the Recuperative Towing Coupler of a Forest Truck with a Trailer // Lesnoy Zhurnal (Russian forestry journal), 2019, № 4. - pp. 108-123 : doi :https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.4.108.
18. Nikonov V. O., Posmetev V. I., Yakovlev K. A. Rekuperaciya gidravlicheskoi energii v tyagovo_scepnom ustroistve lesovoznogo avtomobilya s pricepom [Recovery of hydraulic energy in the towing hitch of a timber truck with a trailer]. Forestry journal. - 2018. - № 4. - P. 230-239 : doi: 10.12737 / article_5c1a323b1d0433.96668845. (In Russ.).
19. Posmetev V. I., Nikonov V. O., Posmetev V. V., Sizmin I. V. Imitacionnaya model ocenki effektivnosti lesovoznogo avtopoezda, osnaschennogo rekuperativnim pnevmogidravlicheskim tyagovo-scepnim ustroistvom [Simulation model for evaluating the efficiency of a timber road train equipped with a recuperative pneumohydraulic towing device]. Forestry journal. - 2020. - T. 10. - №. 4 (40). - S. 181-196 : doi : 10.34220 / issn.2222-7962 / 2020.4 / 15. (In Russ.).
20. Posmetev V. I., Nikonov V. O, Sizmin I. V. Povishenie effektivnosti lesovoznogo avtopoezda putem ispolzovaniya rekuperativnogo pnevmogidravlicheskogo scepnogo ustroistva [Increasing the efficiency of a timber road train by using a recuperative pneumohydraulic coupling device]. Voronezh Scientific and Technical Bulletin. - 2021. - T. 4, №. 4 (38). - S. 70-85 : doi :https://doi.org/10.34220/2311-8873-2022-70-85.https://doi.org/10.34220/2311-8873-2022-70-85.
