Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1 Анализ внешних воздействий на машинно-тракторный агрегат 14
1.2 Причины ухудшения реализуемости потенциальных характеристик двигателей МТА 19
1.3 Прогноз взаимосвязей параметров, определяющих энергетические качества МТА 27
1.4 Улучшение энергетических характеристик двигателей мобильных агрегатов в эксплуатации . 44
Выводы из главы 54
1.5 Цель и задачи исследования 56
2. Прогнозирование энергетических характеристик двигателей машинно-тракторных агрегатов
2.1 Системный подход к решению проблемы повышения энергетической эффективности машинно-тракторных агрегатов 58
2.2 Определение оптимального закона управления топливоподачей дизеля МТА при заданном качестве протекания рабочего процесса 60
2.3 Определение функциональных возможностей системы регулирования двигателя МТА при газотурбинном наддуве. 79
2.3.1 Модель расчета показателей дизеля на равновесных режимах. 80
2.3.2 Модель расчета показателей дизеля в переходных режимах. 88
2.3.3 Анализ влияния основных параметров системы регулирования
на динамические характеристики дизеля при газотурбинном наддуве 92
2.4 Моделирование энергетических характеристик машинно-тракторных агрегатов 108
2.5 Оптимальный синтез загрузочных режимов работы двигателя машинно-тракторного агрегата 117
Выводы из главы 122
3. Прогнозирование энергопотребления динамическими системами машинно-тракторных агрегатов
3.1 Обоснование условий эффективной передачи мощности динамическими системами. 124
3.2 Определение энергетических качеств двигателя по мгновенными составляющим мощности 137
3.3 Разработка машинного алгоритма определения составляющих мощности двигателя по кривой разгона 141
3.4 Разработка машинного алгоритма определения составляющих мощности двигателя по измерению скручивания дополнительной податливости в механической цепи МТА 145 Выводы из главы 151
4. Экспериментальные исследования процессов формирования энергетических характеристик двигателей и машинно-тракторных агрегатов
4.1 Программа исследования 152
4.2 Методы стендовых испытаний двигателей МТА 153
4.2.1 Статические испытания двигателей. 153
4.2.2 Динамические стендовые испытания двигателей 154
4.2.2.1 Структура информационного обеспечения испытаний. 156
4.2.2.2 Методика программной обработки информации с первичных преобразователей 168
4.2.2.3 Экспериментальные установки и методы измерения исследуемых параметров 171
4.3 Эксплуатационные испытания машинно-тракторных агрегатов 177
4.3.1 Обоснование объектов исследования 177
4.3.2 Методика измерения и регистрации исследуемых параметров 183
4.4. Результаты исследования энергетических показателей дизеля с наддувом при различных параметрах воздухоподачи 188
4.5 Результаты исследования формирования энергетических показателей тракторного двигателя СМД-62 в условиях имитационных стендовых испытаний. 201
4.6 Результаты исследования закономерностей формирования показателей эксплуатационных качеств двигателя в составе МТА 205
4.7 Амплитудно-частотные характеристики динамических процессов, протекающих при работе в элементах МТА 224
4.8 Результаты исследования закономерности изменения показателей, определяющих качество протекания рабочего процесса дизеля в эксплуатации 228
4.9 Осредненные характеристики динамических процессов формирования энергоэффективности МТА 245
4.10 Определение допускаемых по теплонапряженности загрузочных режимов работы тракторного дизеля с ГТН в эксплуатации 259
Выводы из главы 265
5 Экспериментальные исследования и технико-экономическая оценка средств повышения энергетической эффективности машинно- тракторных агрегатов
5.1 Обоснование параметром и результаты испытаний пневматического ограничения подачи топлива 268
5.2 Однорежимно-всережимное регулирование частоты вращения вала дизеля СМД-62 трактора Т-15 0К 276
5.3 Обоснование параметров основных функциональных элементов и результаты испытаний комплексной системы информации о режиме работы двигателя МТА 284
5.4 Приборное обеспечение средств контроля за расходованием топлива при функционировании машинно-тракторного агрегата 303
5.5 Расчет технико-экономической эффективности от применения разработанных средств повышения энергетических характеристик МТА 307
5.5.1 Общая методика расчета 307
5.5.2 Расчет экономической эффективности от корректирования топливоподачи по давлению наддува 309
5.5.3 Расчет экономической эффективности от модернизации регулятора дизеля СМД-62 трактора Т-15 0К 312
5.5.4 Расчет экономической эффективности от применения комплексной информационной системы контроля режимов работы двигателя и электронного расходомера топлива 313
5.6 Направления совершенствования методов и средств контроля энергопотребления при функционировании динамических систем машинно-тракторных агрегатов 315
Выводы из главы 328
Общие выводы 331
Литература 336
Приложения 367
- Улучшение энергетических характеристик двигателей мобильных агрегатов в эксплуатации
- Определение оптимального закона управления топливоподачей дизеля МТА при заданном качестве протекания рабочего процесса
- Разработка машинного алгоритма определения составляющих мощности двигателя по кривой разгона
- Результаты исследования закономерностей формирования показателей эксплуатационных качеств двигателя в составе МТА
Введение к работе
Обеспечение высокой экономической эффективности сельскохозяйственного производства на основе непрерывного совершенствования использования производительных сил и значительное повышение производительности земледельческого труда остается одной из определяющих задач в области механизации сельского хозяйства. Важность ее еще больше возросла с развитием рыночных отношений в стране, когда деградация машинно-тракторного парка, вздорожание топлива, масел, запасных частей, рост других производственных затрат, вынуждают сельскохозяйственного товаропроизводителя искать рациональные пути значительного улучшения работоспособности машин и повышения эффективности их использования. Практические решения по данным направлениям, связанные с разработкой и внедрением в сельскохозяйственное производство энергонасыщенных машин, оборудованных сложными автоматизированными и дорогостоящими системами управления в реальной эксплуатации приводят часто к увеличению амортизационных отчислений и росту себестоимости производимой продукции. Прирост продукции за счет применения сложной и дорогой техники в сельском хозяйстве пока что еще не компенсирует увеличения затрат на ее эксплуатацию. Используемые же сегодня машинно-тракторные агрегаты (МТА) часто в основном приспособлены к эффективному функционированию лишь в условиях, приближенных к статическим, при идеальной взаимосвязи параметров всех рабочих систем и четко отлаженной системе контроля за их техническим состоянием.
В решении задач эффективного машиноиспользования одной из важнейших является проблема повышения энергоэффективности МТА. Снижение реальных характеристик машинно-тракторных агрегатов происходит по причине переменного характера внешних воздействий, нарушения при этом оптимальных взаимосвязей между отдельными динамическими системами, несовершенства традиционных систем регулирования топливоподачей, средств контроля, ограниченных возможностей оценок функционирования динамических систем и прежде всего двигателя трактора (МЭС) при неустановившихся режимах работы.
Важным фактором повышения энергоэффективности МТА является разработка и совершенствование научно-методических основ прогнозирования закономерностей изменения дискретных и вероятностных эксплуатационных показателей и режимов работы взаимосвязанных агрегатов. Основным источником процесса прогнозирования реализуемости эксплуатационных качеств МТА может служить подробный анализ воздействий на различные его элементы, аналитический расчет эффективности и согласованности работы динамических систем двигателя при различных условиях эксплуатации, моделирование энергопотребления, связанного с функционированием механических систем агрегата. Следует также отметить, что получение зависимостей показателей функционирования МЭС от режима работы МТА и параметров отдельных его систем является исходной базой при разработке средств модернизации и автоматизации МЭС, и выборе оптимальных вариантов МТА на этапе его комплектования.
Проблема улучшения эксплуатационных характеристик двигателей, совершенствования средств контроля за протеканием сложных энергетических процессов в динамических системах особенно остро обозначилась в связи с ростом энергонасыщенности МЭС, сокращением диапазонов варьирования оптимальных режимов работы отдельных его систем по критериям экономичности, тепло напряженности, экологичности и эффективности использования энергии. Все это требует не только дальнейшего развития, но и новых подходов в разработке теоретических основ машиноиспользования. Суть этих подходов состоит в комплексном характере поиска резервов обеспечения высокой реализуемости потенциальных качеств МЭС в составе машинно-тракторных агрегатов.
При выборе оптимальных, допускаемых и предельных режимов использования земледельческих агрегатов следует учитывать, прежде всего, вероятностный характер внешних воздействий. В качестве критериев оптимальности должны использоваться не только экстремумы математических ожиданий и дисперсий энергетических и технико-экономических показателей агрегатов, но и критерии, отражающие качество взаимосвязей совместно функционирующих динамических систем МТА. Последнее обстоятельство требует дальнейшего развития теоретических и экспериментальных методов оценок эффективности функционирования динамических систем МТА по их мгновенным характеристикам.
Применение статистических методов построения математических моделей рабочих процессов двигателя, МЭС и агрегата в целом, включая эмпирические модели, основанные на теории планирования экспериментов, а также модели функционирования динамических систем, основанные на получении мгновенных их характеристик, позволяет повысить степень идентичности при прогнозировании выходных параметров и управления ими в эксплуатационных условиях.
К основным оценочным показателям, характеризующим в эксплуатации энергоэффективность машинно-тракторного агрегата следует прежде всего отнести: коэффициенты полезного действия МЭС и агрегата, эффективную и тяговую мощности, коэффициент использования мощности двигателя, частоту вращения коленчатого вала, скорость движения агрегата, производительность, удельные эксплуатационные затраты.
Таким образом в вопросах применения сельскохозяйственной мобильной техники сегодня возникла проблемная ситуация, которая заключается в следующем: с одной стороны необходимо уменьшить эксплуатационные затраты, в частности за счет экономии топлива и снижения непроизводительных потерь энергии непосредственно при использовании машинных агрегатов, а с другой стороны предпринимаемые заводами-изготовителями меры по решению данных вопросов за счет коренной модернизации машин и внедрения сложных систем управления машинными агрегатами значительно повышают себестоимость механизированных работ. Решение проблемы повышения энергоэффективности мобильных агрегатов в процессе их использования видится:
— в глубоком анализе закономерностей изменения входных воздействий на МТА, приводящих к потере его энергетических возможностей;
— в развитии методов аналитического расчета и прогнозирования закономерностей формирования оценочных показателей эффективности функционирования как в целом МТА, так и его составных элементов;
— в разработке простых и доступных методов, позволяющих в эксплуатации повысить реализуемость эксплуатационных качеств МТА, вести контроль за эффективностью расходования топлива и энергии непосредственно при выполнении МТА технологических операций.
Диссертация представляет собой теоретическое и экспериментальное исследование, направленное на решение важной проблемы повышения энергетической эффективности машинно-тракторных агрегатов, которая имеет важное народнохозяйственное значение.
Целью исследования является разработка и реализация методов с средств повышения энергетической эффективности МТА на основе совершенствования технического уровня составляющих его функциональных элементов.
Объекты исследования - энергетические системы МТА.
Для реализации поставленной цели в работе определены к решению следующие задачи:
— разработка математических моделей повышения энергетической эффективности МТА;
— исследование функциональных возможностей системы регулирования (СР) частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) при газотурбинном наддуве (ГТН) с разработкой алгоритма управления эффективным функционированием топливовоздухоподающих систем;
— усовершенствование метода расчета энергетических показателей ДВС МТА при вероятностной нагрузке; — экспериментальное исследование закономерностей формирования энергетических показателей МТА во время выполнении технологических операций;
— разработка алгоритмической модели и программного комплекса для контроля и прогнозирования мощности ДВС;
— разработка новых средств контроля энергетической эффективности МТА.
Научная новизна. Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов:
— разработана система новых математических моделей анализа и оценки энергетического состояния МТА в условиях их эксплуатации;
— поставлены и решены задачи алгоритмизации энергопотребления в МТА, как динамических системах;
— разработаны новые методы и средства, обеспечивающие повышение энергетической эффективности МТА при выполнении технологических операций.
Практическая ценность результатов исследования состоит в развитии научных основ, методов и средств, с помощью которых можно:
— получать достоверную информацию об энергетическом балансе МТА при выполнении ими различных технологических операций;
— разрабатывать методики и алгоритмы адаптации конструкций МТА, их систем к эффективному функционированию в реальных условиях эксплуатации, а также находить оптимальные условия по модернизации серийно выпускаемых мобильных агрегатов с целью повышения их технико-экономического уровня;
— реализовывать комплексную систему обязательных мер по управлению эффективностью функционирования МТА, включающую выбор оптимальных режимов работы ДВС, контроль качества протекания его рабочего процесса, оценку топливной экономичности и производительности МТА;
— выбирать оптимальные режимы использования МТА на этапе его комплектования путем учета согласованности функционирования механических систем МТА в динамических режимах;
— проводить прогноз энергопотребления МТА как на стадии его проектной разработки, так и в процессе функционирования;
— совершенствовать нормативно-методическую базу испытаний и диагностики ДВС МТА;
— интенсифицировать учебный процесс и лабораторные практикумы по дисциплинам «Тракторы и автомобили», «Эксплуатация машинно-тракторного парка», а также научно-исследовательскую работу со студентами.
Реализация результатов исследований осуществлялась путем:
— применения в учебном процессе МГУ им. Н.П.Огарева математических моделей энергетического состояния МТА, алгоритмов контроля и прогнозирования энергопотребления динамическими системами при изучении дисциплин Государственного образовательного стандарта по направлению подготовки «Агроинженерия»: «информатика», «тракторы и автомобили», «эксплуатация машинно-тракторного парка»;
— использования рекомендаций и методик настоящей работы научными организациями, испытательными центрами и производственными подразделениями, а именно: а) Научно-исследовательским институтом регионоло-гии при Мордовском госуниверситете им. Н.П.Огарева; Министерством сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия (РМ) при разработке республиканских программ технического переоснащения АПК и анализе эффективности его работы - системы математических моделей оценки энергетического состояния МТА; б) Государственным испытательным центром Минсельхоза РФ, г. Солнечногорск; Государственным унитарным предприятием РМ «Центр испытания и внедрения сельскохозяйственной техники и машинных технологий», г. Саранск — методов, моделей, алгоритмов контроля и прогнозирования энергопотребления в МТА как динамических системах, а также разработанных средств (комплексной информацион ной системы контроля энергетических режимов работы ДВС, электронного термостабильного расходомера топлива, энергоресурсоконтролирующей системы МТА);
— разработки и использования ограничителя подачи топлива трактора Т-130М в ОАО «Мордовавтомост», г. Саранск РМ и Старошайговской машинно-технологической станции (МТС) РМ.
— разработки и применения модернизированного топливного насоса НД-22/6 с однорежимно-всережимным регулятором в Лямбирьском ремонт-но-техническом предприятии (РТП) РМ и опытно-производственном хозяйстве (ОПХ) «Ялга» Октябрьского района РМ;
— разработки и использования информационной системы для контроля энергетических режимов работы ДВС в ОПХ «Ялга» Октябрьского района РМ.
В Институте механики и энергетики МГУ им. Н. П. Огарева при участии автора модернизирован учебно-исследовательский стенд КИ-8927, предназначенный для динамических нагружений ДВС и разработана автоматизированная система для испытаний ДВС МТА, которые используются в учебном процессе на кафедре мобильных энергетических средств по дисциплинам «Тракторы и автомобили», «Эксплуатация машинно-тракторного парка».
Результаты использования основных положений и выводов настоящего исследования подтверждены соответствующими документами, приведенными в приложении в работе.
Апробация. Основные положения работы и результаты исследования доложены и получили положительную оценку в процессе обсуждения на следующих семинарах и конференциях:
— научные конференции профессорско-преподавательского состава ЧИМЭСХ (Челябинск, 1977-1979) и ЧПИ (Челябинск, 1978);
— научно-технических семинарах лаборатории эксплуатационных режимов нагружения тракторов уралнииснати (Чебаркуль, 1978-1979); — научных конференциях профессорско-преподавательского состава
МГУ имени Н.П. Огарева «Огаревские чтения» (Саранск, 1980-2002);
U — республиканском научно-техническом семинаре «Автоматизирован ные тиристорные нагружающие устройства для испытания двигателей внутреннего сгорания» (Саранск, 1988);
— республиканской научно-технической конференции «Обеспечение надежности сельскохозяйственной техники» (Саранск, 1990);
— Всесоюзном научно-техническом семинаре «Разработка и оптимизация динамических характеристик двигателей мобильных сельскохозяйственных комплексов» (Казань, 1991);
— республиканской научно-технической конференции «Применение
Ф прогрессивных технологий, композиционных материалов и покрытий с целью повышения долговечности сборочных единиц при изготовлении и ремонте машин (Саранск, 1994);
— научно-методической конференции кафедр «Тракторы и автомобили» сельскохозяйственных вузов Поволжья и Предуралья (Казань, 1995);
— Всесоюзной научно-технической конференции «Обеспечение надежности машин при эксплуатации и ремонте» (Саранск, 1998);
— региональной научно-практической конференции «Критические технологии в регионах с недостатком природных ресурсов (Саранск, 2000);
— Международной научно-технической конференции «Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных машин» (Саранск, 2001);
— Республиканской научно-практической конференции «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса Республики Мордовия (Саранск, 2001);
— международных научно-практических конференциях «Автомобиль г,ь и техносфера» (Казань, 2001, 2003);
— Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК» (Саранск, 2002).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 научных работ, в том числе 1 монография, 7 учебных пособий для вузов, 43 статьи. Общий объем публикаций 59.67 п.л., из них лично автору принадлежит 48.14 п.л.
На защиту выносятся:
- система математических моделей энергетического состояния МТА в условиях эксплуатации;
методы, модели, алгоритмы контроля и прогнозирования энергопотребления в МТА как динамических системах;
- средства повышения энергетической эффективности МТА.
Улучшение энергетических характеристик двигателей мобильных агрегатов в эксплуатации
В работе [78] на основе расчетно-экспериментальных данных для тракторов типа МТЗ было рекомендовано оптимальное значение коэффициента за грузки двигателя на уровне 0,95. Автором сделана попытка обоснования опти мальной системы загрузки двигателя по примерно максимальной мощности с учетом коэффициента вариации нагрузки. В результате экспериментальных исследований работы тракторов на различных почвенных фонах и с различ ными сельхозмашинами были получены значения оптимальных коэффициен тов загрузки двигателя по моменту в пределах 0,93-1,00 на пахоте и 0,88-0,97 — на культивации. Оптимальную степень загрузки по мощности двигателя ЯМЗ-238НБ трактора К-700 на противоэрозионной обработке почвы, по данным испыта ний, рекомендуется поддерживать в пределах 0,94-0,96 [167, 185, 258]. На основании результатов испытаний трактора Т-150 в работе [181] показано, что оптимальная величина коэффициента загрузки двигателя Кзопт по крутящему моменту при случайном характере нагружения может быть Кз0Пт 1 В трудах [2, 224, 279] отмечается значительная доля времени использования двигателя в эксплуатации на корректорной ветви характеристики. В эксплуатации наблюдаются случаи использования тракторных дизелей на режимах как значительной недогрузки, так и перегрузки, что ведет к снижению производительности МТА, а в ряде случаев является причиной тепло вых перегрузок, повышенных износов и поломок двигателя и трактора, отмечается в работе [294]. Эти явления следует считать результатом недостаточности информации о процессах, протекающих в элементах МЭС непосредственно в эксплуатационных условиях. Резервом повышения топливной экономичности МТА является исполь зование в ряде случаев частичных режимах [1, 78, 158, 198]. Однако реализация этого мероприятия также затруднена в связи с отсутствием у оператора необходимой информации о загрузке ДВС и на частичных режимах. Исследованиями [224, 276] выявлено, что установка указателей загрузки двигателя наиболее эффективна на тракторах, не имеющих трансмиссий с переключением передач без разрыва потока мощности
Постановка на современных тракторах тахометров для контроля скоро стного режима не решает полностью задачи выбора и контроля оператором загрузки двигателя в эксплуатации [80, 169, 183]. При выполнении трактором непрерывных технологических операций диапазон изменения частоты вращения вала двигателя может составлять 200-300 об/мин, а период - 5-Ю с. В таких условиях по шкале тахометра оператору довольно трудно судить о действительной загрузке двигателя. Невозможность приемлемого контроля загрузки по тахометру объясняется также значительной деформацией скоростной характеристики дизеля в эксплуатации. Для обеспечения оператора более полной информацией о степени загрузки ДВС нужны сведения не только о скорост ном, но и о загрузочном режимах, приходят к выводу ученые [1, 183, 203]. Известны сигнализаторы загрузки тракторных двигателей, содержащие световые индикаторы и электроконтактные датчики положения рейки топливного насоса [15, 16, 17, 18]. В дальнейшем усовершенствование средств контроля режимов работы в основном велось в направлении повышения точности определения степени загрузки двигателя (например, за счет контроля частоты вращения, либо оптимизации загрузки двигателя с учетом ограничений накладываемых технологией процесса на скорость движения агрегата). По данным исследований Судника Ю.А. применение сигнализаторов загрузки двигателей позволяет повысить производительность МТА на 5-10% при снижении погектарного расхода топлива на 7-18% [19,20, 21, 22, 260]. Факторы использования потенциальных возможностей МТА на стадии их конструирования получили достаточно полное обоснование в работах Ксе-невича И.П., Чухчина Н.Ф., Старикова В.М. [268,286]. Новым этапом совершенствования эксплуатационных качеств мобильных машин, повышения их энергоэффективности МТА, явились работы уче ных Бородина И.Ф., Тарасика В.П., Вантюсова Ю.А., Судника Ю.А., Добролюбова И.П., томатизации, алгоритмизации методов расчета и оптимального управления динамическими процессами, протекающими в машинно-тракторных агрегатах [42, 85, 235, 236, 237, 260, 263]. Однако применение средств автоматизирован ного управления требует необходимости получения и обработки достоверной информации о реальных процессах, протекающих в составных элементах МТА, и в первую очередь - двигателе, наличия надежного методического и элементного обеспечения алгоритмов функционирования. Это важно учитывать как при проектировании перспективных мобильных машин, так и при модернизации тракторов, находящихся в эксплуатации.
Для практической реализации методик оценки энергопотребления машинными технологиями исследователи всегда большое значение придавали совершенствованию методов инструментального контроля расходования топ лива (энергии) мобильными энергосредствами. В работах [12, 146] сделана попытка классификации приборных методов измерения мощности МЭС по различным признакам (табл. 1.2).
Наибольшее применение в практике испытаний находят торсионные приборы, в которых измерение крутящего момента сгодится к определению деформации упругого элемента, расположенного в цепи передачи момента. В зависимости от способа измерения деформации торсионные приборы разделяются на два подкласса - тензометрические, в которых производится местное измерение деформации на ограниченном участке упругого элемента, и кру тильные торсионометры, в которых измеряется угол закручивания упругого элемента между двумя выбранными его сечениями [61, 62, 63, 64].
По типу используемых преобразователей для измерения угла закручивания крутильные торсиометры разделяют на электрические, оптические, механические и гидравлические. Чаще используют электрические преобразователи крутящего момента [44, 45,46, 190, 257].
Определение оптимального закона управления топливоподачей дизеля МТА при заданном качестве протекания рабочего процесса
Из графиков видно, что увеличение АР на всех скоростных режимах ведет к ухудшению рабочих показателей двигателя. Так, на скоростном режиме 1250 об/мин изменение сопротивления воздухоочистителя от 400 до 1100 мм вод.ст. на каждые 100 мм вод.ст. приводит к изменению: Nc на 1,06-1,08%; gc — на 1,16-1,18%; qm- на 0,98-1,0%; Рк - на 1,08-1,1%; а - на 1,77-1,8%, Кт - на 0,48-0,5%. При этом в указанном диапазоне АР ни на одном скоростном режиме Кт не достигает предельного значения.
Исходя из условия сохранения топливной экономичности и минимума снижения эффективной мощности при увеличении сопротивления воздухоочистителя, рабочий процесс двигателя наиболее рационально может быть организован при oc=l,3=const для пд=950 об/мин; a=l,45=const для пд=1100 об/мин; a=l,55=const для пд=1250 об/мин.
На рис. 2.5 представлено графическое изображение показателей двигателя в зависимости от технического состояния турбокомпрессора, которое в данном случае характеризуется его адиабатическим к.п.д. гад. Анализ графических зависимостей показывает, что предельное снижение гад по условиям допустимой тепловой напряженности двигателя для различных скоростных режимов составляет: для пд=1250 об/мин - гадПр=0,56; для пд=1100 об/мин - гад пР=0,47.
На скоростном режиме 950 об/мин снижение гіад от 0,7 до 0,4 приводит к росту Кт от 5,7 до 6,0, что меньше Кт пр на 2,3%. Ухудшение воздухоснабже-ния из-за роста механических потерь в нагнетателе сопровождается также снижением мощностных и экономических показателей двигателя. Так, в рассматриваемом диапазоне изменения г\ы на номинальном скоростном режиме эффективная мощность снизилась от 117 до 84 кВт (на 19,6%), а ge возрос от 249 до 297 г/кВт-ч (на 19,6%). Аналогичные закономерности изменения Ne и ge в зависимости от Гад наблюдаются и на скоростных режимах 950 и 1100 об/мин.
Обобщая выше изложенное, можно отметить, что эксплуатация дизелей с ГТН при фиксированных регулировках топливного насоса (неизменной цикловой подаче топлива) и при варьировании параметров воздухоснабжения может сопровождаться не только снижением энергетических показателей двигателя (падением мощности и топливной экономичности), но и недопустимым ростом его теплонапряженности. Соответствующим изменением цикловых подач топлива в условиях по ниженной плотности наддувочного воздуха можно добиться сохранения топ ;} ливной экономичности, приемлемого снижения эффективной мощности и ог раничения теплонапряженности двигателя. Для тракторного дизеля Д-160 эти условия могут быть выполнены при соблюдении следующих ограничений по коэффициенту избытка воздуха на внешней ветви скоростной характеристики: а 1,3 для пд = 950 об/мин; а 1,45 для пд = 1100 об/мин; а 1,55 для пд = 1250 об/мин.
Поддержание требуемого качественного состава топливовоздушной смеси целесообразно проводить либо перерегулировкой топливного насоса, либо путем автоматического регулирования топливоподачи по давлению наддува.
Эффективность функционирования двигателя МТА на неустановившихся режимах во многом определяется потенциальными возможностями применяемых систем регулирования (СР). Как показал анализ состояния вопроса, типовые СР МТА, работающие в большинстве своем на принципе измерения и выработке регулирующего воздействия на топливоподачу только по одному параметру со без дополнитель-ных корректирующих устройств, в эксплуатации при неустановившихся режимах малоэффективны. Наиболее неоднозначными до сих пор являются оценки эффективности функционирования СР тракторных дизелей, оборудованных газотурбинным наддувом [171]. Возможность повышения эффективности функционирования СР можно установить теоретически, произведя ее динамический расчет и сравнительный анализ динамических характеристик двигателя при различных входных воз- мущениях. С этой целью исследуем кривые переходных процессов на наиболее тяжелых режимах работы (сброс, наброс нагрузки, разгон на холостом ходу и под нагрузкой), на примере дизеля СМД-62 трактора Т-150К. Исходя из фундаментальных положений классических работ в области автоматического регулирования [97, 172], за основу математической модели СР тракторного дизеля принимаем систему обыкновенных линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами и динамический расчет СР производим в следующей последовательности: - определение значений параметров работы двигателя и его агрегатов топливовоздухоснабжения на выбранных исходных (равновесных) режимах; расчет коэффициентов дифференциальных уравнений всех звеньев математической модели СР на исходных режимах; расчет коэффициентов полиномов общих передаточных функций САР по принятым возмущающим воздействиям и выходным параметрам для рассматриваемых режимов; расчет и анализ кривых переходных процессов при мгновенном сбросе и набросе 100% нагрузки; - расчет и анализ кривых переходных процессов при мгновенном из менении настройки регулятора.
Разработка машинного алгоритма определения составляющих мощности двигателя по кривой разгона
Весь объем экспериментальных исследований, согласно решаемых задач, разделен на три этапа. Целью первого цикла опытов являлось уточнение потенциальных характеристик двигателей, определение закономерностей изменения энергетических показателей в зависимости от параметров воздухопо-дачи на различных скоростных и нагрузочных режимах. По результатам данных исследований определялись коэффициенты регрессионных уравнений соответствующих показателей, находились предельно-допустимые по теплона-пряженности и качеству протекания рабочего процесса режимы работы двигателя и цикловые топливоподачи, основные характеристики турбокомпрессора и регулятора. Характер изменения коэффициента избытка воздуха при этом был взят за основу при разработке энергосберегающего способа регулирования топливоподачи.
На втором этапе исследовались закономерности реализации энергетических качеств тракторного двигателя в условиях неустановившегося режима. Целью данных исследований было получение предварительных оценок приспособленности двигателей и их систем к эффективному функционированию в условиях переменного напряжения, установление влияния амплитудно-частотного состава нагружения на средние и мгновенные значения показателей двигателя по мощности и топливной экономичности. Результаты исследований данного этапа были использованы при разработке методики прогноза реализуемости энергетических показателей двигателей в условиях неустановившихся режимов, а также проверки работоспособности алгоритма контроля энергопотребления динамическими системами МТА.
На третьем этапе проводились эксплуатационные испытания машинно-тракторных агрегатов. Целью исследований было получение вероятностно статистической информации о реальных процессах формирования показателей эксплуатационных качеств дизелей при функционировании МТА. Для оценки эффективности разработанных рекомендаций и новых способов повышения энергоэффективности МТА, проводились их сравнительные и эксплуатационные испытания как в серийном, так и опытном вариантах.
При стендовых испытаниях устанавливались зависимости показателей работы двигателя от параметров наддувочного воздуха, степени засоренности воздухоочистителя и начальной частоты вращения ротора ТКР на различных скоростных и нагрузочных режимах. В качестве объектов исследования были выбраны: одноцилиндровый дизельный отсек ОД-738, а также полноразмерные тракторные двигатели Д-160 и СМД-62.
Испытания двигателей проводились по стандартным и разработанным методикам, отраженным в работах [58, 69, 71, 101, 103, 106, 115]. В первом цикле опытов в качестве варьируемых факторов выбирались: температура наддувочного воздуха, tK; избыточное давление наддува, АРК; цикловая подача топлива, q ; частота вращения двигателя, пд. В табл. 4.1 приведены интервалы и уровни варьируемых факторов. Для реализации всевозможных сочетаний уровней факторов был использован полный факторный эксперимент типа 24. Испытания проводились на серийно выпускаемых стендах, модернизированных для целей исследования неустановившихся режимов работы двигателей. Загрузка двигателя СМД-62 производилась путем торможения ведущих колес трактора на стенде с беговыми барабанами КИ-8948 ГОСНИТИ. С целью создания переменного характера нагружения штатное нагружающее устройство (НУ) стенда было переоборудовано на терристорное — производства Саранского завода ОАО «Электровыпрямитель». При испытании дизеля Д-240 использовался переоборудованный обка-точно-тормозной стенд типа КИ-5543 ГОСНИТИ. Переменное нагружение создавалось специально разработанным механическим имитатором [115]. Методика имитационных динамических исследований эксплуатационных качеств двигателей МЭС в стендовых условиях была реализована в автоматизированной системе обеспечения испытаний (АСОИ). При этом к решению были определены следующие задачи: - получение осредненных динамических характеристик двигателей при различных амплитудах и частотах гармонического нагружения; - реализация алгоритма определения составляющих мощности при гармоническом нагружении; - реализация алгоритма экспресс-анализа мощности дизеля в переходном режиме свободного разгона; - реализация алгоритма определения составляющих мощности фазо-метрического метода на дополнительной податливости в механической цепи " мобильного энергосредства; - экспериментальное определение параметров механической цепи ди зельного двигателя; При разработке системы информационного обеспечения испытаний использовалась древовидная модель [264], согласно которой каждый уровень дерева функции получается в результате декомпозиции функций предыдущего уровня. На промежуточном і-уровне декомпозиции функции Fp является макрофункцией М Fi по отношению к функции i+1 уровня и одновременно может рассматриваться как микрофункция М Fi по отношения к функциям і+l уровня. Степень декомпозиции макрофункции и соответственно число уровней древовидной модели определяется функциональными возможностями элементов, используемых при создании системы и обычно не должно превышать 5-7 [211]. С учетом рекомендаций [211, 264], декомпозиционная структура информационного обеспечения испытаний представляется в виде следующих основных элементов:
Результаты исследования закономерностей формирования показателей эксплуатационных качеств двигателя в составе МТА
Непрерывные изменения Мс и пд в эксплуатации оказывают соответствующее влияние на формирование переходных процессов в агрегатах топли-вовоздухоснабжения двигателя. Из рис. 4.53, 4.54, 4.55 можно заметить, что изменение параметров топливово- и воздухоподачи (q , qUB) происходит с раз-личной степенью интенсивности. Так, например, на бульдозерных работах цикловая подача топлива достигает максимального значения 0,224 г/ц за 1,5-1,6 с. в то время как цикловой расход воздуха наибольшей величины (4,2-4,22 г/ц) достигает за 2,5-2,6 с. При плоскорезной обработке почвы и разгоне МТА данные параметра соответственно составили: в 1-ом случае qUT max= 0,226-0,228 г/ц, t = 2,2-2,4 с, qUB max = 4,0-4,03 г/ц, t = 4,8-5 с; во 2-ом случае - q max= 0,227-0,228 г/ц, t = 0,6 с, qUB max = 3,96-3,98 г/ц, t = 2,4-2,5 с.
Различие во времени достижения q и qUB максимальных значений свидетельствует о том, что формирование показателей воздухоподачи при неус-тановившемся режиме двигателя происходит со значительным запаздыванием по отношению к показателям топливоподачи, что подтверждают выводы, сделанные по результатам динамики СР во 2-й главе. Цикловой расход воздуха, согласно зависимости (2.36), при rv = const однозначно определяется плотностью наддувочного воздуха, которая в экс плуатации является функцией tK и АРК. Если за время переходного процесса влиянием подогрева воздуха на рк пренебречь, то плотность наддувочного воздуха в основном будет определяться давлением наддува, а, следовательно, также будет однозначно зависеть от АРК. В свою очередь, давление наддува Численные значения цикловых подач топлива в экстремальных (минимальных по Пд) точках кривых переходных процессов (на непрерывных технологических операциях) превышают их соответствующие величины, получаемые при стендовых испытаниях. Эти несоответствия объясняются инерцион 231 ными забросами рейки топливного насоса в сторону больших подач топлива при резком падении частоты вращения коленчатого вала. При работе бульдозера с коэффициентом загрузки двигателя, равном 1,01, на минимальной частоте вращения вала 975 об/мин величина цикловой подачи топлива в полевых условиях равнялась стендовой, так как двигатель работал в режиме максимальной перегрузки и рейка ТН находилась на упоре (максимальная подача) Аналогичная закономерность изменения показателей работы ДВС наблюдалась при наборе грунта скреперным агрегатом, при трогании МТА для основной обработки почвы, резком возрастании тягового сопротивления рабочей машины (внезапное препятствие, рис.4.53), при подворотах трактора. Как уже отмечалось ранее, следствием несоответствия цикловых подач топлива цикловым расходам воздуха в переходных режимах является ухудше-ние процесса смесеобразования и сгорания в двигателе. Снижение мгновенных значений коэффициента избытка воздуха по отношению к соответствующим статическим условиям в некоторые моменты переходного процесса при выполнении сельскохозяйственных технологических операций может достигать 14-19%. Об ухудшении условий протекания рабочего процесса двигателя при случайном характере изменения внешней нагрузки свидетельствуют также кратковременные повышения температуры выпускных газов перед турбиной tp, до 650-690С (рис. 4.53 и 4.54). В подобных статических условиях tnx не превышает 600-630С. Повышение температуры выпускных газов свидетельствует о нарастании тепловой напряженности двигателя. При этом, как следует из проведенного анализа, вероятность работы тракторного двигателя с температурой выпускных газов, предельно допускаемой для данной конструкции (650С), с увеличением степени загрузки двигателя повышается. Время работы двигателя с температурой выпускных газов перед турбиной 650С составляет около 38% на бульдозерных операциях при коэффициенте загрузки двигателя 1,01 и 20% на безотвальной обработке почвы (К3 = 0,92) от общего времени переходных процессов. На среднее значение эксплуатационной мощности двигателя в переходном процессе существенно влияет вид технологической операции и степень загрузки ДВС. Так, при работе бульдозера с коэффициентом загрузки К3 = 0,89 среднее значение эффективной мощности двигателя равнялось 77,1 кВт, а при К3 = 1,01-68,6 кВт. Уменьшение эксплуатационной мощности во втором случае произошло в основном из-за значительного снижения частоты вращения вала ДВС в переходном процессе. При безотвальной обработке почвы значение в переходном процессе равнялось 104,4 кВт. Результатом ухудшения качества протекания рабочего процесса и несоответствия цикловой подачи топлива реализуемой двигателем мощности в эксплуатации является значительное снижение топливной экономичности дизеля. Так, средний удельный эффективный расход топлива qe за время переходных процессов составил 359,9 г/кВт-ч (К3 = 0,89) и 383,7 г/кВт-ч (К3 = 1,01) при бульдозировании и 285-296,3 г/кВт-ч на пахотных операциях, что, соответственно, на 44-52% и 14-18% выше значений qe получаемых на номинальном режиме работы дизеля в стендовых условиях. Оценивая изменение показателей работы двигателя в переходных процессах по скорости отработки [dx/dt] возмущения Mc(t) в бульдозерном режиме и на безотвальной обработки почвы можно заметить, что нарастание интенсивности изменения момента сопротивления при увеличении степени загрузки двигателя (в бульдозерном агрегате) не приводит практически к увеличению скорости изменения основных показателей (кроме частоты вращения двигателя). Отмеченное объясняется инерционностью и проявляется в дополнительном нарушении взаимодействий в работе систем двигателя. В табл. 4.7 приведены максимальные скорости изменения некоторых показателей двигателя в период наброса нагрузки при эксплуатации МТА.
Оценивая в целом работу трактора в переходном режиме, отметим значительное кратковременное (2-3 с) буксование его движителей. Так, например, при коэффициенте загрузки двигателя 1,01 на второй секунде переходного процесса коэффициент буксования 8 достигает38-39% (рис.4.56). Повышенное буксование движителей ведет к снижению тягового к.п.д. трактора и, соответственно, производительности МТА.
