Содержание к диссертации
Введение
І.Состояние вопроса 8
1.1 Исследования машинно-тракторных агрегатов на полевых работах 8
1.1.1 Эксплуатационные свойства и показатели МТА 8
1.1.2 Обоснование режимов работы агрегатов 9
1.1.3 Анализ исследований режимов работы машинно-тракторных агрегатов 10
1.1.4 Исследования по обоснованию эксплуатационных показателей агрегатов 12
1.1.5 Оценка качества работы агрегатов 16
1.1.6 Топливная экономичность трактора 19
1.2 Вопросы работы дизельных двигателей тракторов в различных условиях 22
1.3 Цель и задачи исследования 28
II. Теоретические исследования 29
2.1 Теоретические исследования машинно-тракторных агрегатов...29
2.1.1 Оптимизация режимов работы МТА 29
2.1.2 Методика расчета машинно-тракторного агрегата 30
2.1.3 Буксование 31
2.1.4 Механический КПД трансмиссии трактора 33
2.1.5 Скоростные режимы работы агрегатов 35
2.1.6 Тяговая характеристика трактора 37
2.1.7 Тяговое сопротивление рабочих машин 39
2.2 Теоретические исследования двигателей сельскохозяйственных тракторов 42
2.2.1 Тепловой расчет двигателей сельскохозяйственных тракторов .42
2.2.2 Расчет действительного цикла дизельного двигателя 43
2.3 Выводы по главе II 54
Методика экспериментальных и расчетных исследований 55
3.1 Методика расчета показателей дизельных двигателей сельскохозяйственных тракторов 55
3.1.1 Методика расчета процессов сжатия и расширения в цилиндрах двигателей 55
3.1.2 Методика определения параметров двигателя с турбонаддувом 67
3.1.3 Определение давления наддувочного воздуха на частичных режимах работы тракторного двигателя 75
3.1.4 Методика определения коэффициента использования теплоты для расчета внешней скоростной характеристики двигателя.77
3.1.5 Методика определения степени предварительного расширения на частичных режимах работы дизельного двигателя 80
3.1.6 Методика определения коэффициента использования теплоты при расчете нагрузочной характеристики двигателя 81
3.1.7 Методика расчета внешней скоростной характеристики тракторного двигателя при различных режимов работы МТА 86
3.1.8 Методика расчета частичного режима работы тракторного двигателя 93
3.2 Методика расчета эксплуатационных показателей машинно-тракторного агрегата на сельскохозяйственных технологических операциях 100
3.2.1 Влияние на величину буксования силы тяги сельскохозяйст венных тракторов кл. 1,4 100
3.2.2 Методика расчета машинно- тракторного агрегата 102
3.3 Выводы по главе III 108
IV. Результаты и анализ экспериментальных и расчетных исследований эксплуатационых показателей машинно-тракторного агрегата и двигателя 109
4.1 Исследование показателей использования машинно-тракторных агрегатов на пахоте и дисковании 109
4.1.1 Анализ показателей использования машинно-тракторных агрегатов на пахоте 110
4.1.2 Эффективность использования машинно-тракторных агрегатов на пахоте 116
4.1.3 Анализ показателей использования машинно-тракторных агрегатов на дисковании 120
4.1.4 Эффективность использования машинно-тракторных агрегатов на дисковании 125
4.2 Результат расчета показателей тракторного двигателя 130
4.2.1 Результаты расчета тракторного двигателя по внешней скоростной характеристике 130
4.2.2 Результаты расчета нагрузочной характеристики тракторного двигателя 134
4.2.3 Оценки результатов расчетов показателей работы тракторных двигателей 140
4.3 Выводы по главе IV 142
V. Экономическая оценка эффективности использования машинно-тракторных агрегатов на основных операциях в растениеводстве 143
5.1 Экономический эффект от использования в трактором двигателе экспериментального рабочего процесса 143
5.2 Экономический эффект от использования машинно- тракторных агрегатов в сельскохозяйственных производстве 145
5.3 Выводы по главе V 146
Общие выводы 147
Список литературы 149
Приложения 161
- Исследования по обоснованию эксплуатационных показателей агрегатов
- Расчет действительного цикла дизельного двигателя
- Методика определения параметров двигателя с турбонаддувом
- Анализ показателей использования машинно-тракторных агрегатов на дисковании
Введение к работе
На большинстве сельскохозяйственных работ используются тракторы с дизельными двигателями, которые не на всех технологических сельскохозяйственных операций полностью загружены. Особенно актуально это проблема для сельскохозяйственного производства Ирана.
На всех сельскохозяйственных тракторах и самоходных машинах в качестве источника энергии используют дизельные двигатели со всережимными регуляторами.
Выполнение многих сельскохозяйственных работ производиться при условиях ограничения скорости движения МТА (пахота, посев), небольших величинах тягового сопротивления (боронование, культивация и др.). Эти условия не дают возможности использовать всю мощность тракторного двигателя, не позволяют использовать наиболее экономичные режимы его работы.
Чтобы в таких условиях обеспечить улучшение экономичности работы двигателя, трактора и всего МТА, используют частичные режимы работы двигателя.
Основные эксплуатационные показатели таких двигателей характеризуются эффективной мощностью, крутящим моментом, частотой вращения коленчатого вала, часовым и удельным расходами топлива, которые связаны между собой.
Рассмотренные закономерности соответствуют основному режиму работы двигателя при полной подаче топлива. Однако всережимный регулятор позволяет получить и любые другие промежуточные (частичные) режимы работы двигателя.
Необходимость работы на частичных режимах возникает по соображениям экономии топлива при невозможности полной загрузки двигателя на заданной сельскохозяйственной операции.
Энергетическая эффективность машино-тракторного агрегата в значительной мере зависит от уровня загрузки тракторного двигателя, которая для универсально-пропашного трактора класса 1,4 (Nc=74 кВт) изменяется от 45% при выполнении транспортных операций до 87,9 % на почвообработке. Частичное использование мощности двигателя связано с перерасходом топлива на единицу полезной работы. Топливная экономичность двигателя в таких случаях может быт улучшена путем перехода на частичный скоростной режим со сниженным значением частоты вращения вала двигателя и увеличенным средним эффективным давлением.
Одним из возможных путей решения проблемы повышения производительности и снижения расхода топлива машинно-тракторным агрегатом является разработка оптимальной эффективности и экономичности при внешних и частичных режимах работы дизельного двигателя.
Из выше изложенного можно сделать вывод об актуальности работ по созданию метода теплового расчета двигателя, поддерживающего наилучшее, с точки зрения экономичности, удельного расхода топлива на всех режимах работы МТА.
Благодарность
Автор выражает особую признательность за научно-методическую помощь в проведении исследований научному консультанту, доктору технических наук, Сергею Николаевичу Девянину, заведующему кафедрой «Тракторы и автомобили» Московского государственного агроинженерного университета имени В.П. Горячкина
Исследования по обоснованию эксплуатационных показателей агрегатов
Работоспособность сельскохозяйственных машин и орудий зависит во многом от того, насколько их параметры и режимы соответствуют характеру технологического процесса и условиям применения данных машин. Сельскохозяйственные машины, как правило, используются не в отрыве от других машин (энергетических), а в с тесной связи с ними. Поэтому параметры этих машин и режимы их эксплуатации должны быть тесно связаны с энергетическими и тягово-сцепными возможностями тракторов.
Об использовании тракторов и агрегатов, составленных на их базе, можно судить по эксплуатационными показателями, характеризующим качественную сторону работы агрегатов. К числу таких эксплуатационных показателей можно отнести: производительность агрегатов, прямые эксплуатационные затраты на единицу выработки, коэффициент полезного действия агрегата , металлоёмкость, энергонасыщенность и др [56,61,62].
Указанные показатели зависят от многочисленных факторов, включая конструктивные, технологические, природно-климатические, производственно-организационные и т.д. Обоснованию и определению эксплуатационных показателей, наиболее выгодных режимов работы мобильных сельскохозяйственных агрегатов посвящено большое количество работ [12, 56, 97, 101] в которых обычно рассматриваются статические модели процессов без учёта вероятностного характера внешних воздействий , полагая, что мобильный агрегат находится под действием статических сил. На первых этапах развития теории оптимальных параметров такое допущение при решении вопросов эксплуатации и прогнозирования было оправдано. Внедрение комплексной механизации в сельскохозяйственное производство повышает требования к правильному выбору парааметров машин и режимов их эксплуатации. Особое место среди научных проблем, связанных с механизацией полеводства, занимает повышение рабочих скоростей машинно- тракторных агрегатов. С повышением рабочих скоростей в значительной мере изменяется сам технологический процесс взаимодействия рабочих органов с обрабатываемой средой. При этом возникают добавочные, динамические сопротивления, увеличивается затраты энергии, изменяется качество работы, повышаются требования к кинематике агрегата [12,26]. Теория оптимальных параметров устанавливает зависимость между основными показателями внешних условий производства (физико-механические свойства обрабатываемого материала и основания, по которому перемещается агрегат, уклон поверхности и размеры полей) и параметрами агрегата (мощность двигателя, масса трактора, ширина захвата и скорость движения). В последнее время проблеме прогнозирования оптимальных параметров и режимов работы агрегатов заслуженно уделяется всё большее внимание. Применительно к мобильным сельскохозяйственным агрегатам важные данные для прогнозирования и расчёта получены многими исследователями на основе рассмотрения статических условий равновесия [57, 61]. Значительная работа по вопросам экономической эффективности системы машин проведена М.И, Горячкииым [26], который уделил большое внимание природно- производственным условиям применения сельскохозяйственной техники и её экономической оценке. Количественной мерой оценки эффективности этих требований будет экономия общественного труда с учётом максимального повышения его производительности и снижения стоимости продукции. Для соизмерения общественного труда при оценке различных вариантов могли быть приняты показатели в виде человеко-часов конкретного труда с учётом прибавочного. Однако его учёт весьма трудоёмок поэтому при сравнении вариантов в качестве обобщенных показателей эффективности используют стоимостные. В ряде работ Ю.К. Киртбая [62], С.А. Иофинова [56,57], В.В. Кацы-гина [61], Ф.С. Завалишина [47] и других [47, 48, 118] изложены основные методы прогнозирования оптимальных параметров сельскохозяйственных машин и агрегатов, поставлена задача создания оптимальных систем машин и агрегатов по заранее научно- обоснованным параметрам для определённых условий применения. При прогнозировании эксплуатационных свойств агрегатов необходимо учитывать такой параметр, как массу машины и обеспечивать определённое соответствие удельного давления на почву ходовой системы машины и её несущей способности. Не твёрдых почвах допустимая масса трактора, а следовательно, его тяговые свойства - высокие, на мягких - низкие. И если разделить грунты по признаку их несущей способности, то можно соответственно определить в разрезе сельскохозяйственных операций допустимую массу трактора, при которой его тяговые свойства будут наилучшими . При прогнозировании параметров и режимов работы мобильных агрегатов всё большее применение находит методы математического моделирования с использованием ЭВМ. Этими методами решаются задачи двух типов: Первый - задача, в которых критерий оптимальности зависит от выбора конечного числа показателей и второй - задачи, имеющие критерий оптимальности, зависимый от бесконечного числа показателей . Первый тип задач решается с помощью обычных методов дифференциального исчисления, а для задач второго типа используется дополнительный математической аппарат - вариационные методы. К настоящему времени рядом научно-исследовательских организаций и отдельных исследователей разработаны различные методики определения оптимальных параметров машинно-тракторных агрегатов. Наиболее существенные различия этих методик связаны о использованием в них критерия оптимизации. В связи с этим, на наш взгляд, систематизацию этих методик с целью оценки возможности их применения при прогнозировании параметров МТА, целесообразно осуществлять по применяемым критериям оптимизации (целевым функциям).
Расчет действительного цикла дизельного двигателя
В настоящее время исследованию и совершенствованию показателей дизельных двигателей посвящено значительное количество научных работ. В них рассматривались вопросы улучшения основных характеристик, анализировались различные задачи исследований и методические подходы к изучению режимов работы двигателей, исследовались особенности режимов работы двигателей в реальных условиях эксплуатации тракторов, исследовались особенности протекания рабочих процессов двигателей при различных режимах работы и т. д. Большое количество работ посвящено разработке средств и методов повышения эффективности работы двигателей, в том числе и расчетных.
Широкое развитие вычислительной техники дало толчок к применению программных средств при расчете рабочих процессов двигателей, в частности, процессов сжатия и расширения рабочего тела.
Посредством сжатия свежего заряда достигают увеличения температуры рабочего тела, при которой обеспечиваются условия воспламенения и горения топлива. Это позволяет получить стабильные условия воспламенения и сгорания топлива, улучшить эффективность теплоис-пользования в процессах сгорания и расширения и повысить мощность и экономичность работы двигателя.
Процесс сжатия протекает при теплообмене рабочего заряда со стенками цилиндра, причем тепловой поток в процессе меняется как по величине, так и по направлению. В результате текущее значение показателя политропы сжатия пі изменяется для прогретого двигателя следующим образом: в начале сжатия, когда температура стенок выше температуры рабочего заряда в цилиндре и рабочее тело от них нагревается гїі получается больше показателя адиабаты для рабочего заряда к\. В какой-то момент процесса сжатия температуры стенок и заряда выравниваются и ni= ki. Дальнейшее сжатие приводит к росту температуры заряда больше температуры стенок и гіі становится меньше к\.
Представление процесса сжатия в виде политропы со средним постоянным показателем за процесс сжатия пі позволяет существенно упростить расчет текущих значений параметров в цилиндре и применить для расчета известные термодинамические зависимости. Среднее значение политропы сжатия принимается из условия получения таких же параметров конца процесса сжатия, что и при переменном показателе.
Для давления и температуры при степени сжатия заряда є и начальных параметрах сжатия ра и Та соответственно имеем в конце сжатия: давление в цилиндре в конце сжатия, МПа; Та- средняя температура заряда в цилиндре в конце впуска, К; Тс- температура заряда в цилиндре в конце сжатия, К; є- степень сжатия; пр показатель политропы сжатия.
Среднее значение показателя политропы сжатия не постоянно и меняется от режимов работы двигателя, теплового состояния, условий теплоотвода от стенок в систему охлаждения, конструктивных особенностей двигателя и т.д. Анализировать изменение показателя nj удобнее через его сравнение с к], по разнице их значений Ani, которая характеризуется относительным количеством отведенной теплоты от рабочего заряда.
Если в результате происходящих в цилиндре процессов происходит отвод теплоты от заряда (AQ 0), то Апі 0, если происходит подвод теплоты (AQ 0), то Ani 0, и если отсутствует теплообмен рабочего заряда (AQ = 0), то An і = 0.
С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя показатель пі растет, т.к. уменьшается Апі в связи с уменьшением времени теплообмена рабочего заряда со стенками цилиндра, процесс сжатия приближается к адиабатному. Такой же эффект наблюдается при увеличении размеров цилиндра. Это происходит потому, что уменьшается относительная величина поверхности охлаждения цилиндра, приходящейся на единицу массы заряда.
С увеличением нагрузки и при применении наддува увеличивается температура стенок камеры сгорания, доля подводимой теплоты к рабочему заряду увеличивается, Апі становится меньше и показатель П) увеличивается. Конструктивные мероприятия, например введение охлаждения поршня или увеличение интенсивности охлаждения цилиндра, наоборот приводят к снижению среднего показателя г\\.
Методика определения параметров двигателя с турбонаддувом
Процесс расширения рабочего тела в цилиндре двигателя начинается после достижения в рабочем цикле максимального давления от сгорания топлива и как процесс сжатия он происходит при изменении объема рабочего тела. Процесс происходит, как правило, при продолжающемся процессе сгорания топлива, когда выделяется теплота. Меняется химический состав рабочего тела в цилиндре, а значит меняются его теплофизи-ческие свойства.
В процессе расширения температура рабочего тела обычно всегда выше температуры стенок. Расширение происходит при переменных величинах поверхности теплообмена, а также давления и температуры в над поршневом пространстве, сопровождается потерями незначительного количества рабочего тела через кольцевые уплотнения, которыми при расчетах новых двигателей, как правило, пренебрегают.
В начале процесса расширения теплота от сгорания топлива идет в основном на повышение внутренней энергии рабочего тела, поскольку перемещение поршня невелико и совершаемая газами положительная работа существенно меньше подводимой теплоты.
При достижении максимальной температуры Ттах рабочего тела в цилиндре двигателя теплота, подводимая к рабочему телу, будет численно равна совершаемой газами работе, т. е. в момент достижения Ттах расширение становится квазиизотермическим или при рассмотрении данного процесса как политропного, будем иметь показатель политропы расширения в данный момент п г = 1.
При дальнейшем перемещении поршня к НМТ температура газов начинает уменьшаться, хотя в цилиндре еще продолжается догорание. Это объясняется тем, что производимая работа начинает превышать подводимую теплоту. Выделение теплоты сопровождается увеличением энтропии. Постоянно возрастающая поверхность, контактирующая с рабочим телом, вызывает увеличение поверхности теплообмена продуктов сгорания со стенками цилиндра, а уменьшение давления и температуры приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи. В результате этого, тепловые потери в стенки цилиндра при расширении меняются и характер их изменения зависит от скорости догорания, интенсивности расширения и других факторов.
В некоторый момент количество выделяющейся теплоты становится равным потерям теплоты в стенки и текущий показатель политропы п 2 станет равным показателю адиабаты кг. В дальнейшем работа производится за счет внутренней энергии рабочего тела и значения показателя политропы п г будут превышать величину показателя адиабаты кг, а энтропия продуктов сгорания начнет уменьшаться.
Таким образом показатель политропы в процессе расширения из- меняется в достаточно широких пределах, от п 2 1 в начале процесса до п 2 к2 в конце расширения. Для упрощения расчета процесса расширения его рассматривают аналогично процессу сжатия как политропный процесс с постоянным среднем показателем политропы п2, при котором получаются такие же параметры рабочего тела в конце процесса, как и в действительности.
Аналогично процессу сжатия, показатель политропы расширения удобно рассматривать в сравнении с показателем адиабаты для рабочего тела к2, по разнице их значений Ап2, которая характеризуется относительным количеством отведенной теплоты от рабочего тела.
Величина среднего показателя политропы расширения п2 устанавливается по опытным данным в зависимости от ряда факторов. Значение Ап2 уменьшается с увеличением коэффициента использования теплоты к моменту расчетного конца сгорания, что связано с уменьшением количества догорающего топлива на линии расширения. Аналогично Ап2 уменьшается при увеличении отношения хода поршня S к диаметру цилиндра D и интенсивности охлаждения, что связано с большим тепло-отводом от рабочего тела при расширении. С ростом нагрузки и увеличением размеров цилиндра (при S/D=const) средний показатель политропы расширения п2 уменьшается, т.к. уменьшаются тепловые потери в стенки. При увеличении быстроходности двигателя величина п2, как правило, снижается, но не для всех типов двигателей и не на всех скоростных режимах.
Аналогично процессу сжатия, величина показателя адиабаты для рабочего тела к2 может быть рассчитана в зависимости от значений є (или 5), а и Tz. Показатель адиабаты расширения в этом случае определяется в результате совместного решения двух уравнений[64].
Анализ показателей использования машинно-тракторных агрегатов на дисковании
Расчет состава агрегатов, обычно, начинают с определения типажа и количественного состава энергетических средств (в первую очередь тракторов). При этом требуется обеспечить выполнение всех механизированных работ высококачественно, в срок и с, возможно, меньшими затратами труда и средств. Однако в связи со сложностью оценки качественных и стоимостных показателей работы агрегатов обычно ограничиваются определением состава машинно-тракторного парка по показателям производительности и объема работ.
В табл. 4.8, 4.9 и 4.10 приведены результаты расчетного анализа использования МТА (дисковые бороны типа БДН-3 ) на различных режимах работы (передачах трактора МТЗ-82). В табл. 4.8 оптимизируя работу агрегата по критерию min удельного расхода топлива получили: ? наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 5 передаче (Vp=8,3 км/ч при п =1750 мин"1) по сравнению с другими передачами, где отмечена наибольшая производительность (Wp2,5 га/ч) при наименьшем расходе топлива (ge =219 г/кВт.ч). ? наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 4 передаче (Vp=7,l км/ч при п =1750 мин"1), где отмечена наибольшая производительность (Wi=2,l га/ч) при наименьшем расходе топлива (ge =225 г/кВт.ч). ? наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 3 передаче (Vp=5,6 км/ч), где отмечена наибольшая производительность (Wj=l,7 га/ч при п =1700 мин") при наименьшем расходе топлива (ge =235 г/кВт.ч). ? наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 2 передаче (Vp=4,l км/ч при п =2100 мин" ), где отмечена наибольшая производительность (Wi=l,2 га/ч) при наименьшем расходе топлива (ge =298 г/кВт.ч). В табл. 4.9 оптимизируя работу агрегата для дискования стерни по критерию максимума производительности, получили: ? наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 5 передаче (Vp=9,9 км/ч при п =2100 мин"1) по сравнению с другими передачами, где отмечен наименьший расход топлива на единицу обработанной площади (& =233 г/кВт.ч) при наибольшей производительности (3 га/ч). ? наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 4 передаче (Vp=8,8 км/ч при п =2200 мин"1), где отмечен наименьший расход топлива на единицу обработанной площади (ge =248 г/кВт.ч) при наибольшей производительности (2,6 га/ч). ? наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 3 передаче (Vp=7,2 км/ч при п =2200 мин"1), где отмечен наименьший расход топлива на единицу обработанной площади (ge =259 г/кВт.ч) при наибольшей производительности (2,2 га/ч). наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 2 передаче (Vp=4,l км/ч при п =2100 мин 1), где отмечен наименьший расход топлива на единицу обработанной площади (&. =298 г/кВт.ч) при наибольшей производительности (1,2 га/ч). В табл. 4.10 оптимизируя работу агрегата по критерию min расхода топлива на гектар получили: ? наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 5 передаче (Vp=7,6 км/ч при п =1600 мин"1) по сравнению с другими передачами, где отмечена наибольшая производительность (Wi=2,3 га/ч) при наименьшем расходе топлива на гектар (g,a=4,2 кг/ч). ? наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 4 передаче (Vp=6,5 км/ч при п =1600 мин"1), где отмечена наибольшая производительность (Wj=l,9 га/ч) при наименьшем расходе топлива на гектар (gra =4,2 кг/ч). ? наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 3 передаче (Vp=5,3 км/ч при п =1600 мин"1), где отмечена наибольшая производительность (Wj=l,6 га/ч) при наименьшем расходе топлива на гектар (gra=4,3 кг/ч). ? наиболее эффективный режим эксплуатации агрегата (МТЗ-82 + БДН-3) на 2 передаче (Vp=5,5 км/ч при п =1350 мин"1), где отмечена наибольшая производительность (Wj=l,6 га/ч) при наименьшем расходе топлива на гектар (gra=4,3 кг/ч). В табл. 4.11 приведен результаты расчетного анализа использования двигателя Д-240 трактора МТЗ-82 при номинальном режиме работы.
