Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Энергетические и технико-экономические показатели мобильных агрегатов в условиях воздействия переменной нагрузки 7
1.2. Влияние амплитуды колебаний нагрузки на мощность дизеля 18
1.3. Пути стабилизации частоты вращения двигателя 22
1.4. Методы моделирования динамических систем 24
1.5. Метод электромеханических аналогий 30
1.6. Цель и задачи исследования 34
ГЛАВА 2. Взаимосвязь энергетических показателей мобильного агрегата с параметрами регулятора и нагрузки 35
2.1. Зависимость мощности дизельного двигателя от амплитуды колебаний переменной нагрузки 35
2.2. Детерминированная модель МТУ трактора с учётом параметров регулятора 36
2.3. Методика расчёта статических характеристик регулятора дизельного двигателя 40
2.4. Влияние частоты переменной нагрузки на энергетические показатели дизеля 46
2.5. Оптимизация энергетических показателей мобильного агрегата 54
2.6. Выводы по главе 57
ГЛАВА 3. Методика экспериментальных исследований 58
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 58
3.2. Оборудование и измерительная аппаратура 58
3.2.1. Технические данные стенда 59
3.2.2. Технические данные исследуемого дизеля 66
3.3. Методика экспериментальных исследований 69
3.3.1. Планирование эксперимента 69
3.3.2. Экспериментальная установка и измерительная аппаратура, используемая при иссл довании энергетических показателей дизеля в условиях воздействия переменной нагрузки 71
3.3.3. Оценка погрешности измерений 75
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 78
4.1. Экспериментальное определение статических характеристик регулятора и расчёт энергетических показателей 78
4.2. Результаты экспериментов 88
4.3. Анализ экспериментальных данных 94
4.4. Выводы по главе 96
ГЛАВА 5. Технико-экономическая оценка результатов исследований 97
5.1. Расчёт экономического эффекта от повышения производительности и экономии топлива при эксплуатации мобильного агрегата с трактором Т-10 99
5.2. Расчёт экономического эффекта от сокращения затрат на подготовку техники к работе 107
5.3. Выводы по главе 111
Основные выводы 113
Литература 115
Приложения 127
- Энергетические и технико-экономические показатели мобильных агрегатов в условиях воздействия переменной нагрузки
- Детерминированная модель МТУ трактора с учётом параметров регулятора
- Технические данные стенда
- Экспериментальное определение статических характеристик регулятора и расчёт энергетических показателей
Введение к работе
Актуальность темы. Характерной особенностью и важнейшей тенденцией развития современного сельскохозяйственного производства является необходимость повышения уровня его технической оснащённости, широкого и быстрого внедрения достижений науки, техники, передового опыта. По мере насыщения сельского хозяйства техникой и другими средствами производства всё большую актуальность приобретают вопросы рационального использования накопленного потенциала, увеличение отдачи от вложения в него средств. Задача экономии нефтепродуктов обуславливает постановку на повестку дня вопросов разработки и создания энергосберегающей техники.
С учётом эксплуатационно-технических свойств энергонасыщенных тракторов и их конструктивных особенностей важно дать оценку влияния вероятностной нагрузки на энергетические, динамические, тяговые и топливно-экономические показатели транспортных и сельскохозяйственных машин. Вероятностно-статистический характер внешних воздействий - существенная особенность функционирования тракторов при выполнении технологических операций - обусловлен многочисленными и разнообразными, изменяющимися непрерывно во времени факторами: неровности поверхности поля, изменение физико-механических свойств почвы и условий внешней среды, нестабильность технологического процесса, колебания скоростного и нагрузочного режимов агрегатируемых машин и т.д.
В эксплуатационных условиях под влиянием вероятностного изменения внешней нагрузки характеристики двигателей внутреннего сгорания (ДВС) отклоняются от зависимостей, полученных при статических нагрузках. Значение этого отклонения зависит от величины нагрузки, амплитуды ее колебаний: чем больше амплитуда колебаний нагрузки, тем хуже энергетические свойства (эффективная мощность, крутящий момент на валу) и топливная экономичность двигателя.
Для того, чтобы определить способы улучшения эксплуатационных свойств тракторов при вероятностной нагрузке, а также привести составы агре-
гатов и комплексов машин к таким тракторам, необходимо учесть влияние динамических свойств двигателя на энергетические свойства мобильного сельскохозяйственного агрегата (МСХА). Для решения этой задачи необходимо построить математическую модель МСХА. Однако в ранее опубликованных работах при построении математической модели такой элемент, как регулятор частоты вращения ДВС учитывался как пропорциональное (безынерционное) звено, т.е. при этом не учитывались динамические свойства системы автоматического регулирования скорости (САРС), что снижает точность результатов расчётов.
Цель работы: Повышение эффективности функционирования мобильного сельскохозяйственного агрегата путём стабилизации работы двигателя. Объект исследования: энергетические процессы в динамической системе мобильного агрегата при воздействии внешней переменной нагрузки. Предмет исследования: закономерности, отражающие динамические характеристики подсистем мобильного агрегата.
Методы исследований: метод функций случайных аргументов, метод электромеханических аналогий, регрессионный анализ результатов экспериментальных исследований, вычислительный эксперимент на ЭВМ. Научная новизна:
Установлена взаимосвязь энергетических показателей дизеля и частоты колебаний скорости вращения дизеля.
Разработана методика оценки энергетических показателей мобильного агрегата на фиксированных частотах колебаний внешнего воздействия.
Получена регрессионная модель зависимости эффективной мощности дизельного двигателя от четырёх факторов: массы грузиков и жёсткости пружины регулятора, амплитуды и частоты внешнего воздействия.
Практическая ценность работы:
1. Даны рекомендации по коррекции параметров регулятора и нагрузки при работе трактора на вспашке, позволяющие снизить потери мощности двигателя на 5% и повысить производительность машинно-тракторного агрегата
6 на 8%.
Обоснована необходимость учёта частотных характеристик динамической системы мобильного агрегата и технологического процесса, позволяющая более точно определить область рационального применения агрегата.
Обоснована необходимость учёта динамических свойств системы при проектировании новых моделей двигателей и тракторов.
Реализация результатов работы: методика и результаты исследований энергетических характеристик дизеля и рекомендации по коррекции параметров регулятора внедрены на Опытном заводе ОАО ЧТЗ.
Апробация работы: Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на ежегодных научных конференциях в ЧГАУ (Челябинск, 1998 - 2003 гг.).
Соискатель выражает особую благодарность научному консультанту, кандидату технических наук, доценту кафедры БЖ ЧГАУ Зайнишеву А.В. за оказанную помощь в выполнении данной работы.
Энергетические и технико-экономические показатели мобильных агрегатов в условиях воздействия переменной нагрузки
Основным энергетическим средством при выполнении сельскохозяйственных работ являются колёсные и гусеничные тракторы. Разнообразие работ, выполняемых ими (пахота, культивация с боронованием, сев, транспортные, строительные и мелиоративные работы) и строгие агротехнические требования диктуют необходимость создания тракторов и агрегатов на их базе, способных обеспечивать высокое качество с максимальной производительностью. Основные требования, предъявляемые к тракторам для обеспечения высококачественного технологического процесса: проходимость тракторов и машин в горизонтальной плоскости; проходимость в вертикальной плоскости; допустимые по условиям качества выполнения технологических операций рабочие скорости движения; необходимые тягово-сцепные характеристики и др.
С другой стороны, определяющее влияние на эффективность использования тракторов оказывают энергетические и технико-экономические характеристики дизеля и машинно-тракторного агрегата (МТА): эффективная мощность дизеля, крутящий момент, частота вращения дизеля, часовой и удельный расход топлива, производительность и удельные затраты на единицу выработки тракторного агрегата. Оценка технического уровня тракторной энергетики - задача сложная и многоплановая. Её наиболее важная часть заключается в определении соответствия технических характеристик тракторов агротехническим требованиям. Поставляемые в настоящее время на восполнение парка тракторы отстают от лучших моделей мирового уровня по таким важнейшим показателям, как расход топлива и масла, условия труда, экологичность, уровень автоматизации, надёжность, применение электронных защитных и информационных устройств, стабильность показателей по мощности и удельному расходу топлива, дизайнерские решения [4]. Не удовлетворяются требования по выбро сам вредных веществ. Следствием отмеченных недостатков является неприспособленность энергетических средств к выполнению ряда технологических операций. Необходимы мобильные энергосредства с параметрами, обеспечивающими высокую степень использования мощности двигателя.
В работах [1, 2] отмечается, что отличительной особенностью функционирования тракторов при выполнении технологических операций является вероятностно-статистический характер внешних воздействий, обусловленный многочисленными переменными факторами, непрерывно изменяющимися во времени. К ним прежде всего относятся неровности поверхности поля, изменения физико-механических свойств почвы и условий внешней среды, нестабильность технологического процесса, колебания скоростного и нагрузочного режимов агрегатируемых машин, а также их износ и нарушение регулировок.
Началом изучения процессов, связанных с работой дизеля в условиях переменной нагрузки, стала работа В. Н. Болтинского "Работа тракторного двигателя при неустановившейся нагрузке" [15]. В историческом плане ее издание было очень своевременным, так как в 50 - 60-х годах в развитии фундаментальных и прикладных наук, направленных на более глубокое и практическое изучение динамических процессов, произошёл всплеск. Тогда были разработаны новые методы, с помощью которых колебания, рассматривавшиеся ранее как досадная помеха при испытаниях трактора, стали изучать с позиций влияния их на его эксплуатационные показатели. Появились новые решения конструкционного и эксплуатационного характера, учитывающие это влияние.
В тот период в науку о тракторе начали внедряться прикладные разделы кибернетики, теория вероятностей и математическая статистика, теории случайных функций и нелинейных процессов, стали применяться ЭВМ [63]. Колебания тягового сопротивления сельхозмашины, трактора и его частей, изменения направления движения трактора стали рассматриваться как случайные функции, а сам он - как динамическая система, состоящая из отдельных звеньев. На основе сочетания теории случайных функций и теории регулирования широкое развитие получили методы математического и электронного модели 9
рования динамических процессов для изучения тяговой динамики, плавности хода трактора и траекторных показателей МТА. В практику исследований вошло тензометрирование, открывшее новые возможности для экспериментального исследования динамических процессов.
Теоретические и экспериментальные исследования тяговой динамики, выполненные на основе положений В. Н. Болтинского, но с использованием новых методов, позволили выявить закономерности влияния колебаний не только на параметры двигателя, но и на тяговые показатели трактора, его энергетический баланс.
Однако, несмотря на очевидные достижения в разработке тяговой динамики трактора, эту работу пока нельзя признать завершённой. Функциональные свойства трактора как составного элемента МТА полностью определяются требованиями технологического процесса. Известны методы оценки работы трактора в составе МТА в зависимости от условий эксплуатации (длины гона, конфигурации участка, и др.), но типы трансмиссий, ходовых систем, уровни автоматизации и оснащения технологическим оборудованием пока не учитываются. Нет общепринятой методики оценки технологической универсальности энергетического средства, приспособленности его к выполнению различных операций (почвообработка, уборка, транспортировка, междурядная обработка) и в составе комбинированных агрегатов.
Если соотнести между собой требования технологического процесса и возможности трактора, то можно сделать вывод о степени его технологичности. Но для этого необходимы соответствующие методы. Отсюда вытекает потребность в создании и развитии новой дисциплины, содержащей методы определения параметров и показателей мобильных энергетических средств, характеризующих соответствие этих машин требованиям с.-х. технологий. Эта дисциплина должна связать теорию трактора с теорией эксплуатации.
Такой раздел в науке о тракторе позволит объективно прогнозировать развитие его конструкции на основе прогнозов развития с.-х. технологий и оценивать соответствие трактора своему технологическому назначению. Решение этих вопросов (а также определение таких главных параметров трактора, как его техническая концепция и компоновочная схема, тип и параметры движителя, энергонасыщенность, характеристика скоростного ряда) станет таким же простым и бесспорным, как расчет и построение теоретической тяговой характеристики трактора. Не подменяя существующие оптимизационные методы расчёта типоразмерного ряда тракторов, эти методы позволят более обоснованно выбирать конструкционные параметры и технические характеристики включенного в типаж трактора в соответствии с его технологическим назначением.
Общим для всех колебаний в тракторе является то, что на их возбуждение и поддержание затрачивается энергия только одного источника - двигателя. Поэтому уровень и интенсивность всех колебаний, сопровождающих работу трактора, влияют на его энергетические показатели, а следовательно, на производительность и топливную экономичность. Неустановившийся характер нагрузки оказывает некоторое влияние на энергетические процессы и в моторно-трансмиссионной установке в целом. Здесь из-за колебаний частоты вращения валов образуются дополнительные потери мощности на трение и буксование в кинематических парах. Природа этих потерь получила достаточно полное толкование в работах [14, 109].
Детерминированная модель МТУ трактора с учётом параметров регулятора
Формализация динамической системы МТУ трактора существенно упрощается за счёт применения метода схем замещения.
С увеличением амплитуды колебаний скорости вращения коленчатого вала дизельного двигателя математическое ожидание эффективной мощности снижается по линейному закону. С увеличением массы грузиков центробежного регулятора увеличивается крутизна регуляторной ветви скоростной характеристики дизеля и снижаются энергетические показатели. 4. С увеличением жёсткости пружины центробежного регулятора снижается крутизна регуляторной ветви скоростной характеристики дизеля и энергетические показатели улучшаются. 5. С изменением частоты колебаний внешней нагрузки изменяются энергетические показатели. Они увеличиваются или уменьшаются в зависимости от того, в каком диапазоне частот изменяются колебания нагрузки - до или после резонанса. Если колебания скорости вращения дизеля изменяются в диапазоне частот до резонанса, то энергетические показатели снижаются, если после резонанса - увеличиваются. 6. Решение оптимизационной задачи на основе уравнения регрессии показало, что оптимуму энергетических показателей соответствуют следующие значения переменных факторов: масса грузиков - 209 г, жёсткость пружины -3392 Н/м, частота колебаний внешней нагрузки - 0,7 Гц, амплитуда колебаний - 6%. Перед проведением экспериментальных исследований были поставлены следующие цели: 1. Оценка достоверности методики расчёта статических характеристик регулятора дизеля. 2. Оценка влияния параметров регулятора и переменной нагрузки на энергетические показатели дизельного двигателя. Для достижения поставленных целей предполагалось решение следующих задач: 1. Получение статических характеристик регулятора при его различных параметрах: различных массах грузов и различных жёсткостях пружины. 2. Осциллографирование скорости вращения дизеля при различных нагрузочных режимах (амплитуда и частота колебания нагрузки) и различных параметрах регулятора (различных массах грузов и различных жёсткостях пружины), а также при десятипроцентном набросе нагрузки. В качестве объекта исследования был выбран дизель Д-180 и его регулятор. Экспериментальные исследования проводились на стационарном испытательном стенде Э-1500.14.01 в рамках договоров о творческом сотрудничестве с ОАО "Челябинский тракторный завод" № 01-1999 от 15.02.99 и № 01-2000 от 11.05.2000. Стенд Э-1500.14.01 (заводской № 48470141) предназначен для проведения доводочных, приемо-сдаточных, периодических кратковременных, периодических длительных и ускоренных испытаний двигателей. Стенд изготовлен в ПО "ЧТЗ имени В.И. Ленина" в 1970 г. В 1988 г. при модернизации стенда установлен балансирный динамометр производства ЧССР [92]. В состав стенда входят: - фундаментная плита, закреплённая анкерными болтами на бетонном монолите массой 32 т; - мотор-генератор с пусковым устройством; - электродинамометр с весовым устройством, шкафом управления, пультом управления и системой вентиляции; - система пуска и регулирования режимов работы электродинамометра; - система автоматического управления режимами работы при ускоренных испытаниях двигателя; - система управления подачей топлива и измерения его расхода; - система водяного охлаждения двигателя; - система смазки и охлаждения масла; -система определения параметров двигателя (контрольно-измерительные приборы); - система автоматической защиты двигателя от аварий; - защитные ограждения; - система вентиляции и удаления отработанных газов; - опорные стойки для установки двигателя; - кран-балка грузоподъёмностью 3,2 т.
Технические данные стенда
В данной работе были проведены экспериментальные исследования энергетических показателей дизеля в пространстве четырёх факторов: жёсткости пружины и массы грузиков регулятора, амплитуды и частоты нагрузки. По результатам данных исследований стало возможным определить, какими должны быть параметры регулятора и технологические режимы работы машинно-тракторного агрегата для максимально эффективного использования мощности дизеля. Экономический эффект ожидается получить за счёт роста производительности машинно-тракторного агрегата вследствие увеличения эффективной мощности дизеля и снижения удельного расхода топлива. Расчёт экономического эффекта производится путём сравнения технико-экономических показателей серийно выпускаемого трактора Т-10 с дизелем Д-180 и усовершенствованного трактора.
Вторая составляющая экономического эффекта - снижение объёма дорогостоящих экспериментальных исследований энергетики дизеля за счёт применения математической модели, полученной по результатам проделанной работы. Как показано в предыдущих разделах работы, можно говорить о необходимости создания методов исследования и прогнозирования тех или иных характеристик сложных систем, в том числе моторно-трансмиссионной установки трактора или сельскохозяйственного агрегата в целом. Очевидно, что можно использовать и экспериментальные, и теоретические методы, а также их комбинации. Рассмотрим экономическую выгоду от развития теоретического подхода, который используется в данной работе, по сравнению с экспериментальным, а также возможный эффект от результатов исследования.
Акцент на экспериментальные подходы означает, что необходимо идти на значительные материальные затраты, так как наблюдается устойчивый рост стоимости исследовательских программ и проектных работ. Кроме того, последние оказываются малоэффективными из-за удлинения сроков разработки, внедрения и промышленного освоения создаваемых машин. Рассмотрим основные затраты при экспериментальном методе исследования: значительные затраты на создание прототипа или модели объекта исследования, затраты на оплату труда высокопрофессионального персонала - научных сотрудников, инженеров, техников и рабочих. Проведение экспериментов требует наличия дорогостоящих испытательных стендов с системами электрического, гидравлического и пневматического привода, с большим количеством средств измерения для контроля параметров объекта исследования. При проведении экспериментов необходимо большое количество различных расходных материалов, инструментов. Кроме того, каждый эксперимент требует затрат горюче-смазочных материалов и электроэнергии. Перечисление только основных затрат показывает все трудности, которые встают перед исследователем-экспериментатором.
На этом фоне теоретические методы выглядят значительно выигрышней. Безусловно, теория в чистом виде не может дать полное описание свойств объекта без экспериментального исследования, однако теоретические методы позволяют значительно снизить совокупные затраты, например, при помощи математического моделирования.
Оно позволяет перейти к широкому применению электронных вычислительных машин (ЭВМ). При этом обеспечивается универсальность теоретических методов, простота, доступность, наглядность исследований. Применение ЭВМ значительно сокращает время, которое затрачивается на разработку машин и механизмов. Именно поэтому математическое моделирование на ЭВМ и системы автоматизированного проектирования (САПР) находят в последнее время широкое применение при научных исследованиях и проектировании машин и механизмов. При этом теоретические методы всё же необходимо применять в совокупности с экспериментальными. Их совместное применение позволяет сократить затраты на научно-исследовательские работы за счёт, во-первых, исключения использования труда высококвалифицированных специалистов на неквалифицированных вычислительных операциях, а во-вторых, за счёт сокращения времени проведения эксперимента. Исследование влияния параметров регулятора на характеристики дизеля и мобильного агрегата в целом, проведённое в данной работе, лежит в рамках теоретического подхода - метода электромеханических аналогий, и служит для уточнения его. Поэтому можно отметить первый экономический эффект от проведённого исследования - снижение затрат при исследовании сложных динамических систем. Эффект достигается частичной заменой дорогостоящих экспериментов формированием адекватной математической модели объекта и дальнейшим расчётом на ЭВМ.
Программа, разработанная в данной работе, позволяет определять оптимальные параметры любого мобильного агрегата и любого трактора, как отечественного, так и зарубежного, причем не только существующих моделей, но и разрабатываемых. Необходимо только иметь требуемые входные величины для расчёта протекающих процессов. В нашей работе использовались величины для сельскохозяйственного агрегата с трактором Т-10, определённые в работах [98, 111].
В расчётах мы пользовались критерием чистых дисконтированных затрат (ЧДЗ). ЧДЗ определяются как сумма текущих затрат за весь расчётный период, приведённая к начальному шагу, что является достаточным условием для решения поставленной задачи - оценки экономической эффективности результатов работы. Экономическая эффективность рассчитывалась по соответствующим методикам [35, 70, 95].
Экспериментальное определение статических характеристик регулятора и расчёт энергетических показателей
На этом фоне теоретические методы выглядят значительно выигрышней. Безусловно, теория в чистом виде не может дать полное описание свойств объекта без экспериментального исследования, однако теоретические методы позволяют значительно снизить совокупные затраты, например, при помощи математического моделирования.
Оно позволяет перейти к широкому применению электронных вычислительных машин (ЭВМ). При этом обеспечивается универсальность теоретических методов, простота, доступность, наглядность исследований. Применение ЭВМ значительно сокращает время, которое затрачивается на разработку машин и механизмов. Именно поэтому математическое моделирование на ЭВМ и системы автоматизированного проектирования (САПР) находят в последнее время широкое применение при научных исследованиях и проектировании машин и механизмов. При этом теоретические методы всё же необходимо применять в совокупности с экспериментальными. Их совместное применение позволяет сократить затраты на научно-исследовательские работы за счёт, во-первых, исключения использования труда высококвалифицированных специалистов на неквалифицированных вычислительных операциях, а во-вторых, за счёт сокращения времени проведения эксперимента. Исследование влияния параметров регулятора на характеристики дизеля и мобильного агрегата в целом, проведённое в данной работе, лежит в рамках теоретического подхода - метода электромеханических аналогий, и служит для уточнения его. Поэтому можно отметить первый экономический эффект от проведённого исследования - снижение затрат при исследовании сложных динамических систем. Эффект достигается частичной заменой дорогостоящих экспериментов формированием адекватной математической модели объекта и дальнейшим расчётом на ЭВМ.
Программа, разработанная в данной работе, позволяет определять оптимальные параметры любого мобильного агрегата и любого трактора, как отечественного, так и зарубежного, причем не только существующих моделей, но и разрабатываемых. Необходимо только иметь требуемые входные величины для расчёта протекающих процессов. В нашей работе использовались величины для сельскохозяйственного агрегата с трактором Т-10, определённые в работах [98, 111].
В расчётах мы пользовались критерием чистых дисконтированных затрат (ЧДЗ). ЧДЗ определяются как сумма текущих затрат за весь расчётный период, приведённая к начальному шагу, что является достаточным условием для решения поставленной задачи - оценки экономической эффективности результатов работы. Экономическая эффективность рассчитывалась по соответствующим методикам [35, 70, 95].
Компьютерно-математическая модель мобильного агрегата, составленная в данной работе, позволила определить оптимальные параметры регулятора двигателя Д-180 серийного трактора Т-10, выпускаемого АО "ЧТЗ". Необходимо отметить, что изменять параметры регулятора предлагается только в случае, когда трактор предполагается использовать для пахотных работ. Изменение па раметров регулятора не носит необратимый характер и в любое время можно вернуться к первоначальному состоянию. Это особенно удобно тем, что один и тот же трактор крайне редко используется весь срок своей эксплуатации на одной и той же операции.
Экономический эффект определяется из сопоставления по приведённым затратам существующего (базового) и усовершенствованного тракторов. Под усовершенствованным будем понимать мобильный агрегат, на котором реализованы разработанные на основе предлагаемых методов рекомендации. В данном случае таковыми являются рекомендации по уменьшению массы грузов регулятора двигателя Д-180 с 0,220 до 0,218 кг и увеличению жёсткости пружины с 3240 до 3370 Н/м. На рис. 5.1. приведены стендовая характеристика двигателя Д-180 и характеристика при переменной нагрузке: со стандартными и усовершенствованными параметрами регулятора мощность двигателя базового трактора при изменении амплитуды нагрузки от 6 до 10% и частоты от 0,3 до 0,7 Гц равна 126,7 кВт, усовершенствованного - 133 кВт. Возрастание эффективной мощности будет составлять 1,05 раза. Для расчёта производительности МТА при известной фактической мощности двигате
