Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1 Общие сведения об условиях работы тяговых и тягово-приводных агрегатов 8
1.2 Влияние всережимного регулирования на топливную экономичность тракторного двигателя 17
1.3. Особенности применение всережимного регулирования в тягово-приводных агрегатах 22
1.4. Обзор исследований по обоснованию способов контроля загрузки двигателя 27
1.5. Выводы и задачи исследований 34
2. Теоретические исследования по использованию всережимного регулирования в тягово-приводных агрегатах 36
2.1 Обоснование способов поддержания частоты вращения ВОМ в агротехнически допустимых пределах 36
2.2 Обоснование целесообразности применения всережимного регулирования двигателя в ТПА 40
2.2.1 Определение математического ожидания часового расхода топлива на различных скоростных режимах работы двигателя 40
2.2.2 Определение экономии топлива от использования всережимного регулирования при независимом приводе ВОМ 52
2.2.3 Определение экономии топлива от использования всережимного регулирования при синхронном приводе ВОМ 61
2.2.4 Определение экономии топлива на сборочно-распределительиых сел ьхозработах 6 3
2.3 Определение скоростных показателей тягово-приводного агрегата
при использовании всережимного регулирования двигателя 73
2.4. Выводы программа и методика экспериментальных исследований 81
3.1. Программа исследований 81
3.2. Методика проведения лабораторных исследований 83
3.2.1. Выбор метода определения загрузки двигателя 83
3.2.2. Лабораторные исследования. Стенды для испытания. Измерительная аппаратура 86
3.3. Методика проведения полевых испытаний 93
3.3.1. Объект испытаний 93
3.3.2. Измерительная аппаратура и тарировка приборов 95
3.3.3. Определение характеристик синхронного привода ВОМ 97
3.3.4. Определение загрузки двигателя на подборе и прессовании многолетних трав 98
3.3.5. Применение пониженных скоростных режимов на кошении многолетних трав 99
3.3.6. Применение пониженных скоростных режимов на разбрасывании орган ических удобрений 100
3.4 Обработка результатов измерений. Определение погрешностей оценочных показателей 102
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 107
4.1. Стендовые испытания дизеля Д-240 107
4.2. Стендовые испытания опытного указателя загрузки дизеля Д-240 111
4.3. Характеристика синхронного привода ВОМ 115
4.4. Полевые испытания трактора МТЗ-80 с пресс-подборщиком ПРП-1,6 118
4.5. Полевые испытания трактора МТЗ-80 и ротационной косилки КРН-2,1 120
4.6. Полевые испытания трактора МТЗ-80 с разбрасывателем удобрений
РОУ-6 при независимом и синхронном приводе ВОМ 122
4.7. Выводы
5. Экономическая эффективность применения всережимного регулирования дизеля в тягово- приводных агрегатах 126
6. Заключение 130
Список литературы 132
Приложения 146
- Общие сведения об условиях работы тяговых и тягово-приводных агрегатов
- Влияние всережимного регулирования на топливную экономичность тракторного двигателя
- Обоснование способов поддержания частоты вращения ВОМ в агротехнически допустимых пределах
- Стендовые испытания дизеля Д-240
Введение к работе
Повышение производительности труда за счет роста энергонасыщенности тракторов и других энергетических средств, скорости движения и пропускной способности сельскохозяйственных агрегатов при выполнении различных операций выдвинули на первый план задачу не количественного наращивания, а качественного совершенствования сельскохозяйственной техники. Все большее распространение находят тягово-приводные агрегаты с приводом от вала отбора мощности (ВОМ).
Важной характеристикой машинно-тракторного агрегата является топливная экономичность. В последнее время острота и актуальность топливно-энергетической проблемы значительно возросли, так как энергетические ресурсы в мире не безграничны.
Производство сельскохозяйственной продукции в России в 4-5 раз более энергоемко, чем в развитых зарубежных странах, при этом ежегодно энергопотребление возрастает. Более 50% потребляемого топлива и значительная часть его потерь приходится на машинно-тракторные агрегаты (МТА), эффективная и экономичная работа которых возможна только при систематическом снижении удельного расхода топлива.
В связи с тем, что топливная экономичность дизеля при эксплуатации машин тесно взаимосвязаны с проблемой обеспечения экологической безопасности техники, становится актуальной задача обеспечения оптимальной топливной экономичности и экологической безопасности показателей тракторов в условиях рядовой эксплуатации.
Современное направление в тракторостроении характеризуется непрерывным ростом мощности двигателя при одновременном снижении металлоемкости машин. Однако, рост энергонасыщенности, особенно колесных тракторов, привел к значительному недоиспользованию мощности установленных на них двигателей. Статистические исследования показателей ис- пользования тракторов в сельском хозяйстве свидетельствуют о том, что загрузка по мощности двигателей энергонасыщенных тракторов составляет около 50-65 % [26, 27, 117 ].
Добиться полной загрузки и экономичной работы трактора только методом формирования агрегатов в практике не всегда возможно. Нередки случаи, когда тракторы работают с недостаточной загрузкой и перерасходом топлива. Это часто наблюдается при работе трактора в условиях, когда максимальная рабочая скорость и ширина захвата ограничены требованиями агротехники.
Одним из способов снижения удельного расхода топлива и увеличения загрузки двигателя является перевод его на пониженные скоростные режимы при одновременном включении более высокой передачи трансмиссии, т.е. использование двигателя на различных скоростных режимах (всережимное регулирование). При этом загрузка двигателя по моменту возрастает и он работает в зоне уменьшенного удельного расхода топлива, что снижает погектарный расход топлива.
Проблема повышения топливной экономичности МТА за счет использования всережимного регулирования тракторных дизелей применительно к тягово-приводным агрегатам имеет свои особенности и не получила должного решения.
Цель исследования. Повышение топливной экономичности энергонасыщенных тракторов в тягово-приводных агрегатах при недогрузке их двигателей за счет использования всережимного регулирования двигателя.
Объект исследования. Тягово-пр и водные агрегаты на малоэнергоемких сельскохозяйственных операциях.
Предмет исследования - характеристика удельного расхода топлива и частоты вращения ВОМ от скоростного режима работы двигателя и других факторов.
Научная новизна состоит в следующем: получена с использованием вероятностного метода зависимость топливной экономичности тракторного дизеля от скоростного режима его работы; обоснованы способы определения загрузки дизеля на различных скоростных режимах и обеспечения частоты вращения ВОМ трактора в агротехнически допустимых пределах за счет включения дополнительной ступени в приводе независимого ВОМ и применения синхронного привода ВОМ вместо независимого; по дополнительной ступени в приводе ВОМ получено свидетельство на полезную модель №23832 от 18.10.2001.
Общие сведения об условиях работы тяговых и тягово-приводных агрегатов
Высокие эксплуатационные свойства современных энергонасыщенных сельскохозяйственных агрегатов обеспечены фундаментальными и прикладными исследованиями по обоснованию параметров и характеристик тракторов, а также по их тяговой динамике. Большой вклад в проблему повышения эксплуатационных свойств тракторов, используемых в тяговых и тягово-приводных агрегатах внесли: В.Н. Болтинский [13, 14, 15], В.П. Гребнев [32, 33, 34, 35, 36, 37], В.В. Гуськов [40, 41], И.П. Ксеневич [69, 70, 71, 72, 73], Г.М. Кутьков [80, 81, 82, 83, 84, 85], В.А. Скотников [П8], Д.А. Чудаков [131] и др [9, 39, 51,63, 64, 95, 102, 134, 135, 136, 138].
Работа трактора в сельскохозяйственном производстве характеризуется чрезвычайным разнообразием условий. Наибольшее влияние на режимы работы трактора оказывают почвенно-климатические условия, рациональность комплектования тракторных агрегатов, уровень культуры земледелия, состояние дорог в хозяйствах, обоснованность использования тракторов на тех или иных работах, квалификация водителя и многие другие факторы. При выполнении трактором сельскохозяйственных операций сопротивление движению агрегата и активных рабочих органов непрерывно меняется, нагрузка носит резко переменный, колебательный характер. В сущности она является нестационарной случайной функцией времени. Ее характеристики зависят от состава агрегата, выполняемой работы, неоднородности физических свойств почвы и микрорельефа поверхности поля, неодинаковой густоты посевов или урожайности убираемых культур и т.д.
Условия работы МТА характеризуются непрерывным случайным изменением во времени внешних воздействий, что существенно сказывается на эффективности их работы [1, 2, 3, И, 14, 15, 18, 21, 56. 57, 62, 88, 89, 125, 127, 128, 136], особенно с повышением их энергонасыщенности и скорости движения, а также с применением комбинированных и тягово-приводных агрегатов.
Работа МТА на различных сельскохозяйственных операциях в подавляющем большинстве случаев связана с неустановившейся нагрузкой, изменяющейся по амплитуде и частоте.
Впервые влияние колебаний нагрузки на мощностные и экономические показатели двигателя при использовании МТА рассмотрено академиком В.Н. Болтинским [13, 14, 15]. Установлено, что вследствие колебаний нагрузки топливно-мощностные показатели двигателя трактора снижаются в сравнении с показателями при загрузке постоянным моментом. В.Н. Болтинский ввел понятие коэффициента использования мощности двигателя, определяемого как отношение средней мощности, полученной при работе двигателя с переменной нагрузкой, к максимальной мощности, полученной при стандартных тормозных испытаниях.
В.Н. Болтинский определил два способа снижения влияния динамических нагрузок на эффективные параметры двигателя.
Первый способ - эксплуатационный. Он заключается в том, что в процессе эксплуатации трактор агрегатируют таким образом, чтобы загрузка двигателя не превышала некоторого установленного значения. Эта недогрузка двигателя введена в нормативные документы расчета выработки и представляет планомерное снижение производительности трактора из-за несовершенства его тягово-динамических свойств. На пахотных работах наименьшее снижение нагрузки тракторов составляет 9 %, а на пропашных - 7%.
Второй способ — это изменение конструкции отдельных механизмов трактора или двигателя для снижения влияния колебаний нагрузки на показатели МТА.
В.Н. Болтинский предложил следующее выражение для определения мощности, развиваемой двигателем при неустановившейся нагрузке [13]:
Это говорит о том, что для эксплуатационных условий характерны вероятностные нафузки, при которых даже у абсолютно исправного двигателя мощность при номинальном режиме N,H оказывается значительно меньшей, чем мощность Ne„, определяемая согласно стандарту при детерминированном (стендовом) нафужении.
С понижением же скоростного режима работы двигателя, при использовании всережимного регулирования, амплитуда колебаний частоты вращения коленчатого вала будет увеличиваться. Получена [13, 14] теоретическая зависимость между колебаниями угловой скорости коленчатого вала, параметрами неустановившегося режима, приведенным моментом инерции машинно-тракторного агрегата и основными показателями работы регулятора:
Влияние всережимного регулирования на топливную экономичность тракторного двигателя
Режим работы трактора задается передаточным числом трансмиссии и положением органа, регулирующего подачу топлива. Однако в условиях эксплуатации не всегда удается обеспечить полную загрузку двигателя. При недогрузке для улучшения топливной экономичности трактора целесообразно включать повышенную передачу, а скорость ограничивать, снижая частоту вращения вала двигателя путем перехода с внешней на частичную скоростную характеристику [133].
Влияние всережимного регулирования на топливную экономичность дизеля отмечено в работах В.П. Гребнева, В.А. Родичева, А.Г. Соловейчика, Г.А. Сабанцева, В.И. Кирюхина и др. [12, 21, 25, 32, 33, 34, 36, 38, 43, 45, 65, 68, 76, 77, 78, 79, 87, 107, 108, 109, 119, 121, 132].
Передачу и скоростной режим двигателя определяют из условия минимизации погектарного расхода топлива, соответствующего чистому времени работы, при соблюдении ограничений где Км, Kvviax — коэффициенты загрузки двигателя по моменту на выбранном режиме и максимально допустимый по условию стабильности его работы; пл, Пдмах частоты вращения вала двигателя на выбранном режиме и минимально допустимая по условию надежности работы механизмов и систем трактора, мин"1.
В качестве характеристики скоростного режима двигателя, определяемого положением органа, регулирующего подачу топлива, используют коэффициент снижения скоростного режима, равный отношению частот вращения двигателя на максимальном и пониженном скоростном режиме.
Экономичность работы агрегата при прочих равных условиях, определяющих тяговый КПД трактора и удельное сопротивление сельскохозяйственной машины, зависит от среднего эффективного давления Ре, развиваемого двигателем [68, 94],
При снижении эффективного давления ниже оптимального значения экономичность ухудшается вследствие возрастания механических потерь. В случае повышения среднего эффективного давления сверх верхней границы этого диапазона экономичность снижается из-за ухудшения процесса сгорания топлива при низких значениях коэффициента избытка воздуха.
Для тягового агрегата среднее эффективное давление вычисляют по формуле [109]: Pe=rK(PKp-fGTp)/0.795 УЛрЛтр, (1.6) где rK - радиус ведущего колеса; Ркр - тяговое усилие на крюке трактора; f -коэффициент сопротивления перекатыванию трактора; G эксплуатационный вес трактора; 0,795 - коэффициент для четырехтактного двигателя; V,, - литраж двигателя; ітр - передаточное число трансмиссии; тм -механический КПД трансмиссии.
Используя пониженный скоростной режим при данном тяговом сопротивлении сельскохозяйственных машин, двигатель переводится на режим работы с большим значением крутящего момента или среднего эффективного давления, что позволяет повысить экономичность работы двигателя по сравнению с работой при перегрузках на номинальном скоростном режиме.
При постоянной ширине захвата агрегата скорость и производительность можно сохранить примерно одинаковыми в сравнении с работой агрегата на номинальном скоростном режиме двигателя.
Скорость движения с учетом буксования У=0,377плДгк(1-о)/ігР, (1.7) где пД!1 - частота вращения вала двигателя на номинальном скоростном режиме; Я. - коэффициент снижения частоты вращения вала в сравнении с номинальной частотой; 5 - коэффициент буксования. Тогда Pe=V(PKp+fGrpy0,377n V Tp, (1.8) Х= У(Ркр+ЮтрУ0 377пД11РсУдЛтр, (1 -9)
Одновременное изменение показателей Рс и Пд обеспечивает получение различной топливной экономичности [94, 108, 109].
В зависимости от условий работы агрегата, рабочей скорости V и тягового сопротивления (PKp+fGTp) можно рассчитать рациональное значение коэффициента снижения частоты вращения вала X при минимальном удельном расходе топлива в случае недогрузки двигателя.
Часовая производительность агрегата зависит от используемой мощности двигателя Ne и ряда эксплуатационных факторов [35]: W-CwIC N rT , (1-Ю) где Cw - коэффициент размерности; Кмаш - удельное сопротивление сельхозмашины; г}тяг - тяговый кпд трактора; т - коэффициент использования технологического времени; „ - коэффициент использования ширины захвата машины.
Если принять, что при переходе на пониженный скоростной режим и соответственно на более высокую передачу в трансмиссии, скорость движения и производительность не изменяются, то при сохранении примерно неизменными величин Км, лтяг, т, в и 5 сохранится прежней мощность Nc как и при работе двигателя на максимальном скоростном режиме.
Обоснование способов поддержания частоты вращения ВОМ в агротехнически допустимых пределах
Вопрос поддержания частоты вращения ВОМ в агротехнических допусках может быть решен одним из следующих способов: 1) установкой дополнительной ступени в приводе ВОМ; 2) использованием синхронного привода ВОМ вместо независимого. Задача установки дополнительной ступени в приводе ВОМ технически может быть решена как разработкой непосредственно ступени в приводе, так и использованием дополнительного повышающего редуктора. Редуктор крепится к хвостовку ВОМ и используется только при работе с малоэнергоемкими сельскохозяйственными машинами.
Примем, что наиболее рационально иметь частоту вращения на дополнительной ступени как среднюю между применяемыми двумя стандартными ступенями с частотой вращения пвом1 и пВ0М2.
Передаточное число дополнительной ступени привода ВОМ можно найти исходя из реализации промежуточной (средней) частоты вращения хвостовика.
Максимальная и максимальная допустимая частота вращения на стандартных ступенях Отсюда частота вращения хвостовика ВОМ на дополнительной ступени при минимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя пвомі 1 + а)+пвом2(1-а) 540(1+0,1)+1000(1-0,1) „.„ _i пвом3= = = /4/мин Таким образом, для получения дополнительной частоты вращения необходимо уменьшить передаточное число привода ВОМ примерно в 747 = 1,38 раза. У тракторов «Беларусь» (МТЗ-80 и др.) это можно осущест 540 вить блокировкой планетарного редуктора ВОМ, передаточное число которого равно 1,47. Нами предложен способ получения из двухскорсетного привода ВОМ на примере тракторов «Беларусь» в четырехскоростной и получено свидетельство на полезную модель [115].
Отличие этой конструкции от серийной состоит в том, что для увеличения числа ступеней привода ВОМ с двух до четырех планетарный редуктор снабжается зубчатой муфтой, соединяющей солнечную шестерню и выходной вал, связанный с водилом, этим блокируется планетарный редуктор.
На рисунке 1 представлена кинематическая схема привода ВОМ с блокируемым планетарным редуктором.
Механизм привода вала отбора мощности содержит двухступенчатый редуктор 1, приводной вал 2, коронную шестерню 3, сателлиты 4, водило 5, выходной вал 6, тормозной барабан солнечной шестерни 7, тормозные ленты 8, тормозной барабан водила и выходного вала 9, рычаг переключения тормоза 10, зубчатую муфту 11, рычаг переключения зубчатой муфты 12. Механизм привода вала отбора мощности работает следующим образом. Для получения двух стандартных частот вращения вала отбора мощности с помощью рычага 9 включают планетарный редуктор, зубчатая муфта при этом отключена, т. е. не блокирует планетарный редуктор. Для получения дополни тельных ступеней рычаг 9 ставят в промежуточное положение, тем самым отключаются оба тормоза. С помощью рычага 11 перемещают зубчатую муфту, соединяя солнечную шестерню и выходной вал. При этом планетарный редуктор блокируется и вращается как единое целое, чем и обеспечивается две дополнительные ступени.
С учетом передаточного числа планетарного редуктора хвостовик вала отбора мощности будет иметь четыре частоты вращения (540, 790, 1000, 1470 мин" при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя), таким образом передаточные числа ВОМ составляют 4,07; 2,78; 2,2; 1,5.
Наличие дополнительных частот вращения пвом=790 и 1470 мин"1 позволит осуществлять привод сельскохозяйственных машин с малой загрузкой двигателя по мощности, используя пониженный скоростной режим работы тракторного двигателя Д-240 вместо максимального при частоте вращения 2200 _] его коленчатого вала = 1500 мин , в этом случае п(ЮМ будет равно 540 и 1000 мин1.
При работе МТА с использованием дополнительной ступени привода ВОМ, кроме блокирования планетарного редуктора необходимо включить более высокую передачу, чем на максимальном скоростном режиме двигателя, для сохранения заданной скорости движения агрегата.
Имеющийся на тракторах МТЗ-80/82 синхронный ВОМ, с частотой вращения 3.5 оборота на 1 м пути [70], используется с очень малым количеством сельскохозяйственных машин. Обоснуем возможность применения синхронного ВОМ вместо независимого. Для того, чтобы обеспечить стандартную частоту вращения ВОМ (540 мин" ), необходимо агрегату двигаться со скоростью
Частота вращения BOM 540 мин"1 с отклонением ±10%, будет получена при движении со скоростью 8,3-10,1 км/ч, а для получения 1000 мин" с отклонением ±10% скорость составит 15,3-18,7 км/ч.
Таким образом, для снижения расхода топлива при работе трактора с малоэнергоемкими тягово-про водными сельскохозяйственными машинами путем применения всережимного регулирования двигателя необходима установка дополнительной ступени в приводе ВОМ или использование синхронного привода вместо независимого в определенном диапазоне изменения скорости движения ТПА.
По характеру изменения момента сопротивления на валу двигателя в процессе работы тягово-приводные агрегаты можно разделить на следующие типы:
1) момент сопротивления колеблется в процессе работы относительно средней неизменяемой величины (жатки, косилки и др.)
2) момент сопротивления колеблется относительно среднего уровня, но этот уровень изменяется во времени (разбрасыватели, опрыскиватели и т.д.).
К первому типу относятся агрегаты, в которых момент сопротивления носит случайный характер и зависит от таких же случайных величин, например, от физико-химических свойств убираемой культуры, урожайности, рельефа поверхности поля. При работе таких агрегатов рациональный скоростной режим двигателя и передачи трактора выбирается в начале работы и изменяется только в случае значительного отклонения момента сопротивления от среднего значения (подъем, спуск).
Стендовые испытания дизеля Д-240
В результате стендовых испытаний двигателя получены его регулятор-ные характеристики Д-240 и показания прибора для определения загрузки двигателя.
Регуляторные характеристики на максимальном и пониженных скоростных режимах были сняты при следующем значении частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу двигателя: 2350, 1950, 1700, 1500 мин"1- Полученные данные представлены в таблице БЛ. Результаты обработки этих данных представлены в таблице Б.2 и на графике (рисунок 4Л ).
Кривые изменения удельного расхода топлива различных скоростных режимов показывают, что при одинаковой мощности снижение скоростного режима приводит к уменьшению удельного расхода топлива. С понижением скоростного режима минимальное значение удельного расхода gemjn также уменьшается и, кроме того, точки gem;n смещаются в сторону более высокой загрузки двигателя.
Максимальная мощность на максимальном скоростном режиме составила 54.8 кВт при 2200 мин" , при этом удельный расход топлива =260,9 г/кВт-ч. Коэффициент запаса крутящего момента составляет К=1 Л.
По мере уменьшения загрузки на максимальном скоростном режиме удельный расход топлива увеличивается. Так, при мощности Nc=35 кВт удельный расход топлива ge=297.4 г/кВт-ч, а при мощности Ne=23.5 кВт ge=363.7 г/кВт-ч, т.е. недогрузка двигателя приводит к снижению топливной экономичности. Причины этого получим из формулы: где gi - индикаторный расход топлива, г/кВтч; г\м - механический КПД двигателя.
При работе двигателя с недогрузкой индикаторный расход топлива уменьшается, т.к. уменьшается эффективность использования теплоты сгорания топлива и снижается механический КПД из-за возрастания доли механических потерь по отношению к полезной работе. Перевод двигателя на пониженные скоростные режимы обеспечивает, при работе с недогрузкой, уменьшение удельного расхода топлива. Чем ниже загрузка на максимальном скоростном режиме, тем для повышения топливной экономичности двигателя надо устанавливать ниже его скоростной режим в пределах его устойчивой работы.
Предел снижения частоты вращения при всережимном регулировании принят, исходя из следующих условий: значение крутящего момента Мл при максимальной мощности на регуляторнои ветви характеристики не должно быть меньше максимального значения Млтах на б ее корректорной ветви характеристики; давление масла в магистрали двигателя трактора должно быть достаточным в соответствии с инструкцией завода-изготовителя.
Проанализируем количественно зависимости удельного расхода топлива от загрузки дизеля на разных режимах. Загрузка дизеля определялась по коэффициенту загрузки KN=Nci/NclB (4.2) где Nej - текущее значение мощности двигателя, кВт; NC11 - значение номинальной мощности дизеля Д-240, кВт.
На рисунке 4.2 представлены зависимости удельного расхода топлива от загрузки двигателя. Кривые характеризуют два основных режима работы двигателя: максимальный скоростной режим (geMax) и линия оптимальных скоростных режимов (geMin), то есть режимы с минимальным удельным расходом топлива для данной загрузки двигателя.
Экономия топлива от перехода на оптимальные скоростные режимы 3=(geMaxi-gemin/geMaxi) 1 00%, (4.3) где gCM:Lxi - удельный расход топлива на максимальном скоростном режиме при данной загрузке, г/кВтч; gemini - удельный расход топлива на оптимальном пониженном скоростном режиме, г/кВтч.
Результаты этих расчетов представлены на рисунке 4.3 в виде зависимости экономии топлива от загрузки двигателя на номинальном режиме. Кривая показывает снижение расхода топлива при переходе на оптимальный скоростной режим с минимальным удельным расходом топлива.
