Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1. Краткий обзор работ по определению энергетических и технико-экономических показателей МТА 13
1.2. Анализ работ по оптимизации нагрузочных режимов агрегатов 23
1.3. Краткий анализ исследований кинематических характеристик МТА 29
1.4.. Постановка вопроса и задачи исследования- 42
2. Теоретические, предпосылки к определению энергети ческих, технико-экономических и кинематических характеристик колесных.тракторов класса 30 кН на пахоте 44
2.1. Вероятностно-статистические характеристики энергетических параметров трактора класса 30 кН 47
2.1.1. Математические ожидания энергетических . параметров 47
2.1.2. Дисперсии, стандарты и коэффициенты вариации энергетических параметров 60
2.1.3. Обобщенный уровень использования энергетических параметров пахотного агрегата 67
2.2. Вероятностно-статистические характеристики технико-экономических параметров 69
2.2.1. Математические ожидания технико-экономических параметров 69
2.2.2. Дисперсии, стандарты и коэффициенты вариации технико-экономических параметров 74
2.2.3. Обобщенный уровень реализации технико-эконо мических параметров пахотного агрегата . 77
2.3« Определение оптимальных нагрузочных режимов и уровня использования энергетических параметров пахотного агрегата 782.3.1. Массовый расход топлива 78
2.3.2. Эффективная мощность двигателя.СМД-62 82
2.3.3. Удельный расход топлива 84
2.4. Определение оптимальных нагрузочных режимов и уровня реализации технико-экономических параметров пахотного агрегата 87
2.4.1. Производительность агрегата 87
2 1.2. Удельный расход рабочего времени 89
2.4.3. Удельный расход топлива на I га 90
2.5. Определение кинематических характеристик пахот ного агрегата с трактором Т-І50К 93
2.5.1. Выбор рациональных видов поворотов .93
2.5.2. Выбор рациональных способов движения агрегата ..97
3. Методика и аппаратура экспериментальных исследований..103
3.1. Цели и задачи экспериментальных исследований . 103
3.2. Объект и программа экспериментальных исследований..104
3.2.1. Лабораторные испытания двигателя СМД-62 . 106
3.2.2. Полевые испытания пахотного агрегата 106
3.3. Экспериментальная установка 109
3.4. Тарировка преобразователей установки 117
3.5. Методика планирования, подготовки и проведения эксперимента 122
3.6. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 126
3.7. Оценка погрешности результатов экспериментальных исследований 134
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 139
4.1. Вероятностно-статистические оценки энергетических и кинематических параметров пахотного агрегата с трактором T-I50K 139
4.1.1. Законы распределения энергетических параметров 139
а) на рабочем режиме 139
б) на холостом ходу 144
4.1.2. Корреляционно-спектральный анализ энергетических параметров 150
а) на рабочем режиме 150
б) на холостом ходу 150
4.2, Математические ожидания энергетических и технико-экономических параметров 152
4.2.1. Энергетические параметры 152
а) типовая характеристика двигателя СМД-62 152
б) характеристика с прямолинейным участком мощности 157
4.2.2. Технико-экономические параметры трактора T-I50K 159
а) типовая характеристика двигателя СМД-62 159
б) характеристика с прямолинейным учаотком мощности 169
4.2.3. Обобщенный уровень использования энергети ческих параметров пахотного агрегата 173
а) типовая характеристика 173
б) характеристика с прямолинейным участком мощности 177
4.3. Оптимальные нагрузочные режимы и уровень использования энергетических параметров пахотного агрегата 180
а) типовая характеристика двигателя СМД-62 180
б) характеристика с прямолинейным участком
мощности 186
4.4. Оптимальные нагрузочные режимы и уровень использования технико-экономических параметров пахотного агрегата 192
а) типовая характеристика двигателя СМД-62 192
б) характеристика с прямолинейным участком мощности двигателя 196
4.5. Количественные оценки кинематических характе ристик пахотного агрегата с трактором T-I50K 198
4.5.1. Определение и анализ средних значений кинематических параметров 198
4.5.2. Рациональные виды поворотов 205
4.5.3. Рациональные способы движения 210
4.6. Показатели технико-экономической эффективности 212
Общие выводы и рекомендации 214
Список использованных источников 218
- Краткий обзор работ по определению энергетических и технико-экономических показателей МТА
- Вероятностно-статистические характеристики энергетических параметров трактора класса 30 кН
- Полевые испытания пахотного агрегата
- Вероятностно-статистические оценки энергетических и кинематических параметров пахотного агрегата с трактором T-I50K
Краткий обзор работ по определению энергетических и технико-экономических показателей МТА
Показатели работы машинно-тракторных агрегатов при выполнении технологических операций в значительной степени зависят от внешних факторов, которые изменяются непрерывно во времени. Изменения внешних факторов вызывают колебания нагрузочного режима как по крутящему моменту на валу двигателя, так и по тяговому усилию трактора [5,7,11,12,52,68,62,60,61, 64,&іг 105 и др.].
Оценка влияния внешней нагрузки на энергетические и технико-экономические показатели машинно-тракторного агрегата осуществляется несколькими методами. Наибольшее применение нашли три метода: - метод аппроксимации внешней нагрузки периодической функцией типа синусоиды с определенным значением амплитуды и периода колебаний; - метод разложения периодической функции в ряд Фурье; - вероятностно-статистический метод. а). По первому методу, предложенному академиком В.Н.Бол-тинским [20], неустановившаяся нагрузка моделируется с использованием периодической функции при фиксированных значениях амплитуды Ам и периода Тм MK[U= Мк+AMunm-b = MK(i-vO,5S,M iaint)? где Дм = 05Мк5м -амплитуда колебаний; Мк= 0,5(MmQX+ МЩІП.)- среднее значение момента сопротивления на валу двигателя Мк ; -ill = 2- t/T» - частота периодического процесса; J = 2,АМ/Мк - степень неравномерности величины
Мк ; Тм — 2, (ft / m - период колебаний величины Мк ; М Q = MKU + 0,58M) "" максимальное значение момента сопротивления на валу двигателя Мк; Rmiin= Мки-0,5бм) - минимальное значение величины М ; Моделирование внешней нагрузки в стендовых условиях и испытания тракторов в эксплуатационных условиях при выполнении технологических операций позволили выявить влияние колебательного характера нагрузки на мощностные и топливные показатели двигателей 120,21,33,53,55,63,82,83,1271.
Так по данным академика В.Н.Болтинского, при изменении степени неравномерности момента сопротивления 8ц от 0 до 0,3, эффективная мощность и топливная экономичность дизеля при работе на регуляторе снижаются примерно на 25$, а при работе с закрепленной рейкой - на 10$ 120].
Изменение сил сопротивления при работе тракторного агрегата в монографии В.Н.Болтинского [20] представлено двумя видами колебаний: - высокочастотные колебания сопротивлений с периодом до двух секунд и относительно небольшой амплитудой; - временные, сравнительно длительные отклонения от среднего уровня (до десятка секунд), обусловленные неоднородностью почвы или обрабатываемой среды.
Первая категория колебаний сил сопротивлений (высокочастотные с периодом TR 2 с ) преодолеваются за счет кинетической энергии агрегата. Низкочастотные колебания (с периодом свыше 2 с) оказывают влияние на энергетические и технико-эко
номические показатели агрегата [20,21,63].
Колебательный характер внешней нагрузки машинно-тракторного агрегата подробно рассматривался в трудах Ю.К.Киртбая, А.А.Юшина, В.Ф.Коновалова, В.Н.Попова, Г.М.Кутькова, И.И.Киселева, В.В.Болотина и многих других авторов.
Особо следует выделить исследования влияния гармонических колебаний на показатели работы газотурбинных двигателей автотракторного типа, выполненные Н.С.Ждановским, В.С.Шкраба-ком, А.В.Соминичем [41,42,1231 . Методологические основы этих исследований тождественны работам В.Н.Болтинского.
Однако в отмеченных работах гармоническое колебание внешней нагрузки Мк(1) считается детерминированной функцией. В эксплуатационных условиях колебания внешней нагрузки тракторного агрегата характеризуется переменными значениями амплитуды Ам, частоты tti и начальной фазы 9 . Этим обусловлено применение при анализе гармонических колебаний нагрузки агрегата методов теории вероятностей.
б). По второму методу, основанному на использовании тригонометрического полинома, периодическая функция jf (М с периодом Т0 , удовлетворяющая условиям Дирихле, аппроксимируется выражением [67]: f(i)= А0+ 2(AKcosXo)0i + BKUrtKo)0b) , (1.2) к=і где А о - постоянное слагаемое (среднее значение функции); Ак» В к. - коэффициенты тригонометрического ряда Фурье; 600 = 23L/TO- круговая частота основной гармоники; Т0 - период основной гармоники (К = 0,1,2,3,...). Коэффициенты тригонометрического ряда (1.2) вычисляются по формулам Эйлера [5]:
Вероятностно-статистические характеристики энергетических параметров трактора класса 30 кН
Стандарт бэ и коэффициент вариации &т массового расхода топлива рассчитываются по формулам: ба - [а їв,)]Чг, )ь,- SG, / M(6t), (2-20) где ЯК&т) - дисперсия массового расхода топлива, устанавливаемая в зависимости от аппроксимации регу-ляторной характеристики двигателя СМД-62 по выражениям (2.19)-(2.196); MIGT) - математическое ожидание массового расхода топлива, вычисляемое по формулам (2.11)-(2.Нб). 4. Удельный расход топлива. При определении дисперсии удельного расхода топлива двигателя СМД-62 применяется следующее выражение [5]: где ЗНОтт) - дисперсия массового расхода топлива, рассчи тываемая по одной из формул (2Д9)-(2.19б); ФСЯе) - дисперсия эффективной мощности, вычисляемая в зависимости от аппроксимации характеристики двигателя по выражению (2.17)-(2.176). Для нахождения числовых значений стандарта б де и коэффициента вариации де удельного расхода топлива используются формулы [51: «J. « 3G„ б„е е= Б?е / И 19е) , (2.22) где G т Ле стандарты соответственно массового расхода топлива, эффективной мощности и удельного расхода топлива; M(Qe) математическое ожидание удельного расхода топлива, представленное выражениями (2.13)-(2.136), выбор которых зависит от применяемой аппроксимации характеристик двигателя; ое - коэффициент вариации удельного расхода топлива, выраженный в долях единицы.
Обобщенный уровень использования энергетических параметров пахотного агрегата
При оценке уровня использования энергетических параметров агрегата с учетом вероятностоного характера внешней нагрузки целесообразно применять как частные, так и обобщенный индекс (или комплексный показатель), выраженный либо в процентах, либо в долях единицы.
Без учета весомости (или значимости) единичных показателей в общей оценке использования энергетических параметров агрегата, обобщенный индекс можно представить выражением [51: 1-І где Л-у(.= М (Уі) / 1ц - частный индекс; МСУО Ун " соответственно математическое ожидание и базовое значение і -го параметра агрегата; ft- - число индексов (единичных показателей). Б качестве базового уровня энергетических параметров применяются номинальные значения соответственно частоты вращения tt-н вала двигателя СМД-62, эффективной мощности Хен и удельного расхода топлива 9ен- В этом случае обобщенный уровень использования энергетических параметров агрегата при случайном характере внешней нагрузки равен:
Аналогично определяется величина Mlh.T) для других характеристик, используя соответствующие выражения производительности агрегата M(MVq) .
3, Удельный расход топлива на I га. На рабочем режиме пахотного агрегата удельный расход топлива будет зависеть как от G т , так и от W ч . Вероятностный характер внеш ней нагрузки оказывает влияние в большей степени на величину Wq , поэтому математическое ожидание расхода топлива на I га М(0/ГА) увеличивается с увеличением бм и " м [5]: М( ГА) 3,6M(GT) / M(W4) (2.26) где Мір/ГА) - математическое ожидание удельного расхода топлива, кг/га; M(GT) - математическое ожидание массового расхода топлива, г/с; MlWq) - производительность агрегата, вычисляемая по формулам (2.24)-(2.246), га/ч. Так, для параболической характеристики двигателя СМД-62 (рис.2.2,в) из выражений (2.116),(2.246) и (2.26) находим: ссДА;й, + в;(Мкг+(5Мг47 где A i , А 1 В , 6а } В1 - коэффициенты. Подобным образом определяется величина M(arA) для других характеристик двигателя.
4. Удельные затраты средств на I га. При вероятностном характере внешней нагрузки удельные затраты денежных средств, приходящиеся на единицу выработки пахотного агрегата, вычисляются по формуле І3.6І: NUCrx) « М(СЧ)/ MlW4) , (2.27) где М(Сц) - А0 + 3,6В0М(.6т) - математическое ожидание удельных затрат средств, руб./ч; МРй/ч)- математическое ожидание производительности пахотного агрегата, устанавливаемое в зависимости от характеристики по формулам (2.24)-(2.246), га/ч; /У а р + Р + Р Ло k Rio з - затраты средств на амортизацию, текущий ремонт, техническое обслуживание и оплату труда, руб./ч; В0 - комплексная цена I кг топлива, руб. Из выражений (2.246) и (2,27) для параболической характеристики двигателя СМД-62 получаем следующее:
Полевые испытания пахотного агрегата
Полевые испытания пахотного агрегата (Т-І50К + ПКСП-6--35Г и Т-І50К + ПКГ-5-40) проводились на полях опытного хозяйства Северо-Западной МИС в 1976-1978 годах в соответствии с типовой операционной технологией и правилами производства механизированных работ с соблюдением установленных агротехнических требований. В процессе проведения опытов определялась влажность и плотность почвы, глубина вспашки, ширина захвата плуга, скорость движения агрегата и другие показатели по ГОСТ 7057-73.
Первичной информацией для определения количественных ха-- рактеристик параметров и оценки работы пахотных агрегатов являлись осциллограммы и хронометражные листы. Скорость протяжки осциллограмм выбиралась так, чтобы длина осциллограммы одной повторности была не менее 0,8-1,0 м.
Энергетические, технико-экономические и кинематические характеристики пахотных агрегатов (трактор T-I50K с плугами ПКСП-6-35Г и ПКГ-5-40) определялись на различных скоростных и нагрузочных режимах Срис.3.3).
Хронометражные наблюдения проводились с целью определения технико-экономических характеристик пахотных агрегатов и рациональных способов движения их на загоне.
В ходе лабораторных и лабораторно-полевых испытаний пахотных агрегатов регистрировались текущие значения следующих параметров: - момента сопротивления на валу двигателя - Мк - частоты вращения вала двигателя - д - крутящих моментов на полуосях - М-к ц - частоты вращения колес трактора - ак - времени опыта - ton - угла относительного поворота полурам - d Скп - секундного расхода топлива - &т - длины пути - In - длины поворота - $СП - ширины поворотной полосы - Е - ширины поворота - &п - ширины захвата агрегата - Бр - глубины обработки почвы - К - задросселированного давления - Р3 - вертикальных нагрузок на колесах - Уі-ц - усилий в центральной, левой и правой тягах - г и,, Рл і Vp - вертикального и горизонтального углов наклона тяг навесного механизма - о(. /
Для выявления функциональных связей между несколькими переменными запись параметров осуществлялась синхронно на ленте трех осциллографов K-I2-2I (рис.3.4).
Экспериментальная установка была создана на базе испытуемого трактора T-I50K. Принципиальная схема тензометричес-кой установки представлена на рис.3.4. Она состоит из следующих основных частей: схем преобразователей электрических сигналов 1,11,III,1У,У,У1; усилительной аппаратуры 7,8; регистрирующей аппаратуры 1,2,3; системы питания 5,6,9,10 и стабилизатора напряжения (рис.3.5) LI5].
Благодаря ряду своих достоинств: высокой чувствительности, возможности дистанционного управления, малой инерционности измерительного устройства, при исследованиях агрегатов был выбран электрический метод измерения неэлектрических величин [81,125,128].
Для этих целей применялись тензометрические преобразователи [81,90,93]: фольговые, проволочные, полупроводниковые, обладающие высокой чувствительностью, точностью измерений и стабильностью показаний и позволяющие записывать колебательные процессы в широком диапазоне частот, которые имеют место при работе агрегатов в условиях эксплуатации.
В качестве первичных преобразователей измеряемых деформаций в электрические сигналы использовались тензометрические преобразователи сопротивления 2ПКБ-20-200ГА, которые представ ляют собой решетку из тонкой константановой проволоки с большим омическим сопротивлением, наклеенной на бумажную основу.
Тензометрические преобразователи собирались в соответствующие схемы (рис.3.4: ІІІ-У) и наклеивались на деформируемую поверхность (полуось, тензозвено) бутанолформалъдегидным клеем БФ-2 В соответствии с существующей технологией [27,81, 90,93 и др.].
В качестве герметизирующего покрытия для защиты тензо-преобразователей от действия влаги, пыли применялась эпоксидная смола.
Измерение проволочными тензометрическими преобразователями основано на свойстве проводника изменять электрическое сопротивление одновременно с деформацией испытуемой детали. При этом деформация пропорциональна приложенной силе. Вследствие деформации появлялся разбаланс моста, в одно из плеч которого подключался тензопреобразователь, и полученный сигнал подавался для усиления на соответствующий канал усилителя 8АНЧ-7М, т.к. величина выходного сигнала недостаточна для работы гальванометра осциллографа.
Наряду с тензометрическим методом измерений, в процессе исследований пахотных агрегатов использовались также потен-циометрические (УІ) и индукционные преобразователи (1,11) измеряемых величин.
Потенциометрические преобразователи являлись основой измерения величины момента сопротивления двигателя NW , угла относительного поворота полурам оС окл » вертикального J$ и горизонтального углов отклонения нижних тяг навесного механизма трактора.
Вероятностно-статистические оценки энергетических и кинематических параметров пахотного агрегата с трактором T-I50K
Обработка опытных данных, полученных в процессе лабораторных и лабораторно-полевых испытаний трактора T-I50K с плугами ПКСП-6-35Г и ПКГ-5-40, а также хронометражных наблюдений за его работой, осуществлялась с использованием ЭВМ "Наири-2" и "Минск-14".
Обработке подвергались: тяговое сопротивление; крутящие моменты, реализуемые на полуосях колес; частота вращения вала двигателя, частота вращения колес, глубина вспашки, ширина захвата и другие показатели пахотного агрегата.
В процессе обработки опытных данных устанавливались законы распределения исследуемых величин и их вероятностно-статистические оценки: математические ожидания, средние квадрати-ческие отклонения, дисперсии, коэффициенты вариации, корреляционные функции и спектральные плотности.
Вероятностно-статистические оценки определялись по реализациям случайных процессов. Выполнялось осреднение оценок как по множеству реализаций, так и по времени. Вероятность согласия РС 2") находилась в пределах от 0,10 до 0,85. В качестве теоретического закона распределения был принят закон Гаусса.
а) на рабочем режиме
Испытания пахотных агрегатов на рабочем режиме показали, что с увеличением рабочей скорости движения в диапазоне от 1,42 до 3,03 м/с наблюдались существенные изменения математических ожиданий, стандартов, дисперсий и коэффициентов вариации крутящих моментов на полуосях колес (табл.1 приложения I).
Общей закономерностью с увеличением скоростного режима работы пахотного агрегата является уменьшение математического ожидания, увеличение стандарта, дисперсии и коэффициента вариации крутящего момента на полуосях. Например, математическое ожидание крутящего момента переднего левого колеса трактора T-I50K с плугом ПКСП-6-35Г (рис .4.1) в указанном диапазоне рабочих скоростей уменьшается от 8,3 до 6,4 кН«м, т.е. на 22,8 , а стандарт увеличивается от 0,77 до 0,97 кН.м, т.е. примерно на 26,0/и. Коэффициент вариации увеличивается от 9,3 до 15,2%. Аналогичным образом изменялись параметры распределения крутящих моментов для всех полуосей колес трактора T-I50K с плугами ПКСП-6-35Г и ПКГ-5-40 как при вспашке стерни, так и при вспашке старопахотного поля.
Распределение эмпирических частот крутящего момента, реализованного на полуосях колес трактора T-I50K, в отмеченном диапазоне рабочей скорости движения (рис.4.1,4.2) согласуется с законом Гаусса. Вероятность согласия РІД1) находилась в пределах 0,36-0,79.
При построении кривых на рис.4.1 и рис.4.2 применялись опытные данные и расчетная формула (Мк)= G j sP ("tj , где УС-) _ табулированная функция [92,102]; им - стандарт; L (M -MJ/GM -параметр функции, равный = 0,2,3.
Вероятностно-статистические оценки основных энергетических параметров пахотного агрегата (Т-І50К+ПКСП-6-35Г), представленные в табл.4.1, с изменением скоростного режима изменялись в определенных пределах. При обработке опытных данных использовалась интерполяционная формула Лагранжа.
С повышением рабочей скорости движения пахотного агрегата происходит увеличение меры рассеяния энергетических параметров. Например, среднее квадратическое отклонение тягового усилия пахотного агрегата Т-І50К+ПКСП-6-35Г в диапазоне рабочей скорости от 1,4 до 2,9 м/с увеличилось от 2,0 до 3,9 кН, а коэффициент вариации - от 4,9 до 15,5$, при этом математическое ожидание снизилось от 40,9 до 25,1 кН.
Среднее значение эффективной мощности двигателя в указанном скоростном режиме при вспашке поля из-под многолетних трав увеличилось от 119,5 кВт (при PKp-mo : ) до 124,7 кВт (при «N p moic ), а среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации соответственно от 1,4 до 4,3 кВт и от 1,2 до 3,5%.
Плотности распределения вероятностей тягового усилия и эффективной мощности двигателя при различных скоростных режимах показаны на рис.4.3,а и рис.4.3,6. Выравнивание эмпирических кривых проведено по закону Гаусса.
Расчетные зависимости энергетических параметров пахотных агрегатов Т-І50К+ПКСП-6-35Г и Т-І50К+ПКГ-5-40 при различных скоростных режимах, полученные с использованием формулы Лагранжа, приведены в табл.4.2-4.3 и табл.2-3 приложения I. Эти данные свидетельствуют о влиянии скоростного режима на вероятностно-статистические оценки энергетических параметров агрегатов.
