Разработка методов и средств теплового контроля мощностных показателей мобильного сельскохозяйственного агрегата Колпаков Валерий Евгеньевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние проблемы и задачи исследований 16

1.1 Влияние природных условий и климатических факторов на энергетические затраты и эффективность использования мобильного сельскохозяйственного агрегата 16

1.2 Расчетные методы определения оптимальных и допустимых режимов работы мобильного сельскохозяйственного агрегата 20

1.3 Экспериментальные и расчетно-теоретические методы определения энергетических затрат мобильного сельскохозяйственного агрегата в полевых условиях 29

1.4 Анализ рационального комплектования мобильных сельскохозяй ственных агрегатов на предприятиях агропромышленного комплекса Ленинградской области 35

1.5 Анализ методов и средств определения технического состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 38

1.6 Обоснование дифференциальной диагностики силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 48

1.7 Использование информативных поверхностей визуальной доступности при оценке технического состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 53

Выводы 56

2 Математическая модель теплового поля информативных поверхностей визуальной доступности силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 58

2.1 Постановка задачи определения теплового состояния информатив ных поверхностей визуальной доступности силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 58

2.2 Аналитические методы решения задач определения теплового поля информативных поверхностей визуальной доступности. силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 61

2.3 Задание граничных условий для расчета теплового состояния симметричных информативных поверхностей визуальной доступности на примере турбированного дизеля с жидкостным охлаждением 68

2.4 Задание граничных условий для расчета теплового состояния асимметричных информативных поверхностей визуальной доступности на примере дизеля с воздушным охлаждением 721

2.5 Математическая модель теплового поля информативных поверхностей визуальной доступности дизеля с жидкостным охлаждением 73

2.6 Математическая модель теплового поля информативных поверхностей визуальной доступности дизеля с воздушным

охлаждением 76

Выводы 79

3 Программа и методики экспериментальных исследований зависимости эксплуатационных показателей от режимов работы силовой установки мбильного сельскохозяйственного агрегата 8 1

3.1 Программа исследований зависимостей эксплуатационных показателей от режимов работы силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 82

3.1.1 Формирование лабораторных установок, оснащенных турбированным дизелем с жидкостным охлаждением и дизелем с воздушным охлаждением, применяемых в мобильных сельскохозяйственных агрегатах 92

3.1.2 Методика оценки праксеологичности математической модели процесса теплопередачи от отработавших газов к информативным поверхностям визуальной доступности двигателей мобильных сельскохозяйственных агрегатов 97

3.1.3 Методика определения количественных значений диагностических признаков при классификации технического

состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 98

3.2 Методика стендовых исследований влияния режимов работы силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата на температурные показатели к информативных поверхностей визуальной доступности 99

3.3 Методика экспериментальных полевых исследований влияния режимов работы силовой установки трактора сельскохозяйственного назначения на температурные показатели информативных поверхностей визуальной доступности 102

3.4 Методика измерений 106

3.4.1 Измерение температуры информативных поверхностей визуальной доступности с помощью тепловизора и термопар 106

3.4.2 Методика измерения тягово-динамических показателей трактора посредством электронного динамометра 115

3.4.3 Методика определения тепловой нагрузки внешней среды 119

3.4.4 Измерение скорости движения трактора при проведении стендовых испытаний 122

Выводы 123

4 Результаты экспериментальных исследований зависимости тепловых эксплуатационных показателей от режимов работы силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 125

4.1 Результаты лабораторных стендовых исследований влияния скоростных и нагрузочных режимов мобильного сельскохозяйственного агрегата, оснащенного турбированным дизелем с жидкостным охлаждением на температуру отработавших газов 125

4.2 Результаты лабораторных стендовых исследований влияния скоростных и нагрузочных режимов мобильного сельскохозяйственного агрегата, оснащенного турбированным дизелем с жидкостным охлаждением на температуру информативных поверхностей визуальной доступности 138

4.3 Результаты лабораторных стендовых исследований влияния скоростных и нагрузочных режимов мобильного сельскохозяйственного агрегата, оснащенного дизелем с воздушным охлаждением на температуру отработавших газов 163

4.4 Результаты лабораторных стендовых исследований влияния скоростных и нагрузочных режимов мобильного сельскохозяйственного агрегата, оснащенного дизелем с воздушным охлаждением на температуру информативных поверхностей визуальной доступности 175

4.5 Оценка праксеологичности математической модели процесса теплопередачи от отработавших газов к информативным поверхностям визуальной доступности дизелей с жидкостным и воздушным охлажде нием 199

4.6 Экспериментальные исследования влияния тепловой нагрузки внешней среды на температуру информативных поверхностей визуальной доступности 204

4.7 Экспериментальное определение диагностических признаков технического состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 208

4.8 Экспериментальные исследования влияния неисправностей и эксплуатационных регулировок на тепловые показатели ИПВД дизеля с жидкостным охлаждением 211

4.9 Экспериментальные исследования влияния неисправностей и эксплуатационных регулировок на тепловые показатели ИПВД дизеля с воздушным охлаждением 216

4.10 Результаты стендовых натурных исследований изменения теплово го поля информативной поверхности визуальной доступности силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата в зависимости от режимов работы 223

4.11 Результаты полевых эксплуатационных исследований изменения теплового поля информативной поверхности визуальной доступности силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата в зависимости от режимов работы 226

Выводы 232

5 Математическая модель распознавания класса технического состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 237

5.1 Математическая постановка задачи распознавания класса техниче-ского состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 237

5.2 Построение математической модели распознавания класса техниче-ского состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата на основе метода Байеса 240

5.3 Построение математической модели распознавания класса техниче-ского состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата на основе дискриминантного анализа 245

5.4 Построение математической модели распознавания класса техниче-ского состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата на основе нейронных сетей 248

Выводы 267

6 Методология и практическая реализация научных исследований по созданию способа дистанционного теплового контроля мощностных показателей мобильного сельскохозяйственного агрегата 268

6.1 Методологические основы создания способа дистанционного теплового контроля мобильного сельскохозяйственного агрегата 268

6.2 Рекомендации по рациональному структурному комплектованию мобильных сельскохозяйственных агрегатов при выполнении полевых работ 275

6.3 Экономическое обоснование использования теплового контроля мощностных показателей силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата 281

Заключение 285

Список сокращений и условных обозначений 288

Словарь терминов 289

Список литературы

• Экспериментальные и расчетно-теоретические методы определения энергетических затрат мобильного сельскохозяйственного агрегата в полевых условиях
• Аналитические методы решения задач определения теплового поля информативных поверхностей визуальной доступности. силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата
• Формирование лабораторных установок, оснащенных турбированным дизелем с жидкостным охлаждением и дизелем с воздушным охлаждением, применяемых в мобильных сельскохозяйственных агрегатах
• Результаты лабораторных стендовых исследований влияния скоростных и нагрузочных режимов мобильного сельскохозяйственного агрегата, оснащенного турбированным дизелем с жидкостным охлаждением на температуру информативных поверхностей визуальной доступности

Введение к работе

Актуальность темы исследований. Современная государственная аграрная политика Российской Федерации направлена на устойчивое развитие сельского хозяйства и сельских территорий, под которым понимается в том числе и увеличение объема производства сельскохозяйственной продукции, повышение эффективности сельскохозяйственного производства. Основным приоритетом развития механизации сельского хозяйства в современных условиях импортозамещения является наращивание производства качественной сельскохозяйственной продукции при минимальных затратах труда, материалов и средств, обеспечивающее продовольственную безопасность Российской Федерации, повышение конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции.

Проблема повышения эффективности использования техники в сельском хозяйстве неразрывно связана с вопросами структурной и параметрической оптимизации агрегатирования сельскохозяйственных машин. Высокопроизводительное использование техники во многом зависит от правильного комплектования мобильных сельскохозяйственных агрегатов (МСА), правильного выбора режимов работы. При комплектовании решаются следующие вопросы: подбор рабочих органов, машин, сцепок и тракторов, которые в конкретных условиях обеспечат высокое качество работы; определение состава и режима работы агрегата, обеспечивающих наибольшую производительность и экономичность за счет наилучшего использования мощности двигателя; соединение машин, сцепки и трактора в агрегате так, чтобы получить высокие качественные и экономические показатели. Рациональное комплектование невозможно без учета таких факторов, как: вид и характеристика обрабатываемой почвы или растений, размеры и рельеф полей, агротехнические требования к выполняемой работе, аг-ротехнологические свойства машин и тракторов, удельное сопротивление рабочих органов машин, тяговые свойства трактора.

Многообразие исходных данных, обеспечивающих рациональное комплектование, определяет высокую сложность его выполнения и, следовательно, диктует необходимость контроля правильности выбора структуры и параметров МСА, обеспечивающих оптимальную загрузку силовой установки. Однако, применение существующих методов оценки загрузки трактора затруднительно ввиду их высокой трудоемкости и низкой точности. Следствием этого является необходимость создания новых методов, позволяющих в короткое время и с минимальными трудозатратами определить рациональность загрузки силовой установки МСА с учетом видов, типов почв, их состояния применительно к конкретным климатическим условиям.

В полной мере отвечают предъявляемым требованиям дистанционные методы с использованием теплового контроля, основными достоинствами которых являются: высокая информативность, быстродействие, низкие трудозатраты.

Реализация возможностей современных технических средств сдерживается отсутствием исследований тепловых полей распределения температур на информативных поверхностях силовой установки, возникающих при ее работе на различных режимах.

Повышенная тепловая нагрузка на детали двигателя выражается через симптом, представляющий собой более высокую температуру деталей. Температура деталей является параметром состояния, несущего информацию о режиме работы и степени загрузки МСА. Этот параметр состояния в известной степени связан с температурой отработавших газов (ОГ). Таким образом, температура ОГ может служить диагностическим параметром для состояния «тепловая нагрузка».

Дистанционное измерение температуры ОГ при полевых работах МСА технически затруднительно в силу физических свойств газов. В связи с этим о температуре ОГ силовой установки МСА, зависящей от режимов работы, можно косвенно судить по температуре поверхности деталей, узлов и агрегатов. Однако, во-первых, не все поверхности агрегатов несут тепловую информацию, во-вторых, не все поверхности агрегатов и узлов визуально доступны, и не могут быть использованы для считывания информации в инфракрасном спектре при применении приборов дистанционного определения температуры.

В связи с этим научный и практический интерес при дистанционном измерении температуры узлов и деталей силовой установки МСА представляют информативные поверхности визуальной доступности (ИПВД), например, такие, как поверхность выпускного коллектора, поверхность трубы глушителя и др.

Таким образом, методы и средства теплового контроля мощностных показателей могут обеспечить возможность рационального комплектования и правильный выбор режимов работы МСА, существенно снизив затраты на производство продукции растениеводства.

Степень разработанности темы исследования. Фундаментальные основы в области эксплуатации машинно-тракторного парка, оптимизации работы машинно-тракторных агрегатов были заложены в трудах Иофинова С.А., Лыш-ко Г.П., Агеева Л.Е., Зангиева А.А., Коцаря Ю.А., Лебедева А.Т. и других ученых. Влияние нагрузки на показатели износа деталей и узлов силовой установки и ее ресурсные показатели установлено исследователями Мишиным И.А., Григорьевым М.А., Пономаревым Н.Н. и др. Вопросы неразрушающего (теплового) контроля техники в народном хозяйстве исследованы и систематизирова-4

ны Вавиловым В.П. и др. Систематизации, выбору и разработке средств технического диагностирования двигателей большое внимание уделено исследователями Иншаковым А.П., Денисовым А.С., Дороховым А.С. и др.

При разработке методов и средств теплового контроля мощностных показателей мобильного сельскохозяйственного агрегата использованы достижения многочисленных ученых таких организаций, как ФГБНУ ФНАИЦ ВИМ, ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ, ФГБОУ ВО Саратовский ГТУ имени Гагарина Ю.А.», ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», ФГБОУ ВО Ставропольский ГАУ др.

Однако, исследователями недостаточно изучен вопрос рационального агрегатирования, учитывающий виды почв и их физико-механические свойства, которые существенно влияют на энергозатраты и ресурс силовой установки МСА при выполнении полевых работ. Это связано, в том числе, и с ограниченностью методов и средств контроля мощностных показателей.

Стремительное развитие инфракрасного приборостроения в последние годы существенно расширило возможности неразрушающего контроля и обеспечило возможность создания новых экспресс-методов, позволяющих дистанционно контролировать фактическую загрузку мобильных сельскохозяйственных агрегатов.

В настоящее время проблема загрузки трактора становится более значимой в связи с проведением НИОКР по анализу динамических характеристик почвообрабатывающих машин блочно-модульной структуры.

Решение проблемы рационального агрегатирования возможно как рас-четно-теоретическим, так и экспериментальным путем. Точность определения загрузки машинно-тракторных агрегатов в большой степени зависит от многочисленных факторов, связанных как с особенностями агрегатируемых машин, так и с физико-механическими и технологическими свойствами почв, что существенно усложняет расчеты, снижая практическую значимость полученных результатов. В связи с этим перспективным направлением повышения эффективности использования силовой установки МСА является использование рационального агрегатирования и определение режимов работы на основе дистанционного теплового контроля, позволяющего определить фактическую загрузку.

Работа выполнена по плану НИР ФГБОУ ВО Санкт-Петербургского ГАУ 2012-2016 г., тема № 3 «Разработка типовых проектов оптимального построения и функционирования предприятий инженерно-технической инфраструктуры сельского хозяйства, технологий эффективного использования, повышения надежности и работоспособности машин и оборудования отрасли».

Цель исследований – разработка методов и средств теплового контроля мощностных показателей мобильного сельскохозяйственного агрегата, обеспечивающих снижение трудоемкости диагностирования при определении тяговой нагрузки агрегата и повышение эффективности его использования.

Задачи исследований:

1. Разработать математическую модель теплового поля и обосновать эталонные значения температур информативных поверхностей визуальной доступности силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата.

2. Разработать программу и методику экспериментальных исследований, оценить зависимость температуры информативных поверхностей визуальной доступности от режимов работы силовой установки и от эксплуатационных регулировок и неисправностей двигателя силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата.

3. Теоретически обосновать и разработать метод теплового контроля мощност-ных показателей силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата.

4. Разработать математическую модель распознавания классов технического состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата

5. Разработать методологию повышения эффективности использования мо
бильного сельскохозяйственного агрегата.

6. Разработать рекомендации по применению методов и средств теплового кон
троля мобильного сельскохозяйственного агрегата при выполнении полевых
работ.

Объект исследований – процесс функционирования мобильных сельскохозяйственных агрегатов при изменении тяговой нагрузки.

Предмет исследований – мощностные показатели мобильного сельскохозяйственного агрегата при диагностировании дизеля по тепловым параметрам.

Научной концепцией является разработка методологии повышения эффективности использования мобильных сельскохозяйственных агрегатов при выполнении полевых работ на основе дистанционного контроля тепловых показателей силовой установки.

Научная новизна работы:

- теоретическое обоснование использования теплового дистанционного способа
измерения тяговых усилий трактора;

- математическая модель теплового поля информативных поверхностей ви
зуальной доступности силовой установки мобильного сельскохозяйственного
агрегата;

математическая модель распознавания класса технического состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата на основе дискри-минантного анализа и нейронных сетей;

методология повышения эффективности использования мобильного сельскохозяйственного агрегата (МСА).

Практическую значимость работы представляют:

методика составления математической модели распознавания класса технического состояния силовой установки на основе дискриминантного анализа и многослойной нейронной сети;

метод дистанционного теплового контроля мощностных показателей силовой установки МСА, включающий способ диагностики двигателя силовой установки и способ измерения тягового усилия трактора;

номограммы определения степени загрузки мобильного сельскохозяйственного агрегата;

рекомендации по применению методов и средств теплового контроля мобильного сельскохозяйственного агрегата, позволяющие повысить эффективность его функционирования.

Реализация результатов исследований

Разработанные метод и средства теплового контроля мощностных показателей МСА апробированы в процессе полевых испытаний на базе учебно-опытного хозяйства СПбГАУ и Северо-Западной МИС. Разработанные рекомендации по повышению эффективности функционирования МСА внедрены в ЗАО «Урожай Агро», СПК «Детскосельский», ФГУП Северо-Западная МИС, Учебно-опытном хозяйстве СПбГАУ; по определению технического состояния силовой установки МСА – в ООО «Урожай», СТО «Рингмотор»; по использованию метода конечных элементов для расчета теплового состояния деталей двигателей и по определению неисправностей по тепловым параметрам – в учебный процесс кафедры «Автомобили, тракторы и технический сервис» СПбГАУ. Теоретические разработки с использованием нейронных сетей внедрены в Международной Академии Прикладных Исследований.

Методология и методы исследований. Методология исследований предусматривает теоретические исследования в сочетании с лабораторными, стендовыми и полевыми испытаниями. Исследования проведены как на основе использования классических методов измерений, так и на основе неразрушаю-щего контроля с применением современных средств тепловидения в инфракрасном спектре электромагнитных полей. Методы исследования предусматривают математическое моделирование на основе использования теории распознавания образов (метод Байеса, дискриминантный анализ и нейронные сети).

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

математическая модель теплового поля информативных поверхностей визуальной доступности мобильного сельскохозяйственного агрегата;

метод дистанционного теплового контроля мощностных показателей силовой установки МСА;

математическая модель распознавания класса технического состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата на основе дискри-минантного анализа и нейронных сетей;

методология повышения эффективности использования МСА;

рекомендации по применению методов и средств теплового контроля мобильного сельскохозяйственного агрегата.

Степень достоверности и апробация результатов исследований.

Достоверность результатов исследований подтверждается теоретическими и экспериментальными данными; применением кластера современных информативных и объективных методов исследований, соответствующих государственным стандартам; использованием современной измерительной аппаратуры, подтверждением теоретических результатов экспериментальными данными лабораторных, стендовых и полевых экспериментов, а так же сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей.

Материалы диссертационных исследований апробированы на международной научно-практической конференции по перспективным технологиям и техническим средствам в сельском хозяйстве в Белорусском аграрном техническом университете (Минск 2013г.); на международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей» (Санкт-Петербург 2013 - 2015 гг.); научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (Санкт-Петербург 2011 – 2016гг.).

Публикации. По результатам диссертации опубликованы 24 научные статьи, из них 14 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 авторских свидетельства на изобретение, 2 патента на изобретение и патент на полезную модель. Общий объём публикаций 6,2 п.л, из них автору принадлежит 5,1 п.л.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка сокращений условных обозначений, словаря терминов, списка литературы, содержащего 268 наименований и приложений на 22 с. Общий объем диссертации – 338 с., содержит 141 рис. и 96 табл.

Экспериментальные и расчетно-теоретические методы определения энергетических затрат мобильного сельскохозяйственного агрегата в полевых условиях

С целью оценки механизированных технологий в растениеводстве, формирования и рационального использования машинно-тракторного парка на предприятиях агропромышленного комплекса применяются различные методики определения технико-эксплуатационных параметров мобильных сельскохозяйственных агрегатов (МСА). В последнее время обновление номенклатуры тракторов и сельскохозяйственных машин производится, в основном, за счет продукции зарубежных производителей. При этом зачастую отсутствует информация об оптимальных режимах работы силовой установки, что затрудняет достижения наивысшей эффективности при эксплуатации МСА. С другой стороны, относительно высокая стоимость импортных сельскохозяйственных машин и тракторов выдвигает более высокие требования к их ресурсосбережению.

При увеличении степени загрузки силовой установки до предельный значений резко снижается ее ресурс, что, в свою очередь, приводит к существенному подорожанию себестоимости конечного продукта. Кроме того выбор рационального режима осложняется неравномерностью изменения внешней нагрузки. В связи с этим применяют различные критерии оптимизации для выбора наиболее выгодного режима работы двигателя: производительность агрегата, расход топлива, приведенные затраты, энергоемкость процесса, стоимость единицы продукции и другие показатели [6, 73, 114, 165, 220].

Исследования ряда ученых [6, 74] показали, что критерии эффективности (или оптимизации), зависящие от непрерывно изменяющихся факторов, при выполнении технологических операций оказывают существенное влияние на оптимум показателя [6]. Результаты исследований профессора Б.А. Линтварева показывают, что уменьшение или увеличение нагрузки относительно оптимальных значений приводит к снижению производительности агрегата и его технико-экономических показателей. К примеру, при изменении степени загрузки двигателя на 12% (с 0,91 до 0,8) повышается себестоимость использования трактора на 16%. При изменении же степени загрузки двигателя на 23% (с 0,91 до 0,7) - себестоимость повышается на 35%. При выборе загрузки двигателя предлагается учитывать то, что при изменении момента сопротивления она не должна выйти за пределы регуляторной ветви его характеристики. Академик В.Н. Болтинский предложил следующую формулу для определения степени загрузки двигателя f3 [18] & = 1 - (VK - Q, где vK - коэффициент возможной перегрузки двигателя; fA - коэффициент допустимой перегрузки двигателя. При пахоте для различных тракторов установлены следующие значения коэффициентов: vK =1,2-1,49; д =1,022-1,04; f3= 0,732-1,04. Киселев И.И. предложил определять рациональную степень загрузки по формуле [128] = (1+У (1+), где - запас крутящего момента двигателя; - степень неравномерности тягового сцепления агрегата. Профессором Ю.К. Киртбая [126] предложена следующая формула для определения степени оптимальной загрузки двигателя трактора fAonT по наибольшей производительности и наименьшему расходу топлива: fд.опт = к где Кд - коэффициент допустимой перегрузки двигателя из условия безостановочной работы; ог - неравномерность тягового сопротивления

Исследователи Попов В.Н. и Гусятников В.А.[ 201 ] предлагают определять оптимальную нагрузку двигателя по формуле: 6v ср где Ne - средневзвешенная в данный момент времени мощность двигателя; N fj. - средневзвешенное значение номинальной мощности двигателя. Причем, значение iVecJ. рекомендуется определять в точке перегиба нагрузочной характеристики двигателя. В.Ф. Скробач рекомендует для двигателей Д-50Л и Д-37Е определять оптимальную нагрузку по максимуму расхода топлива по формулам: f„=l- 0,011 o-M, їм= 1- 0,06 67М, где ам среднеквадратическое отклонение моментов сопротивления. Исследователи Яковенко А., Дорошенко Л. и Плизга К. [267] предлагают проводить оптимизацию работы машинно-тракторных агрегатов по критерию вычисления реальной работы, так как по их мнению, в современных условиях повсеместного ведения на Украине фермерского сельскохозяйственного производства вопросы производительности и экономичности больше всего интересуют владельцев техники, “чтобы каждый кВт мощности двигателя приносил больше выгоды”. Таким образом, в качестве критерия оптимизации предлагаются минимальные удельные энергозатраты (Еур), определяемые по формуле:

Еуд = Nn/(Bp Vp) - min, где Nn- номинальная мощность двигателя трактора; Вр- реальная ширина захвата машинно-тракторного агрегата, Vp - рабочая скорость МТА.

Выдающиеся ученые Иофинов С.А. и Агеев Л.Е. [6, 114] в качестве критериев эффективности при выборе оптимальной нагрузки использовали производительность агрегата, топливную экономичность двигателя и удельную энергоемкость сельскохозяйственных работ. Так, профессор Иофинов С.А. предложил следующую формулу для оптимальной нагрузки двигателя : 1 \пн 1-(К2 \К ) І Птіпл(к2 К -1) = пх д А) пх д д ЪМ опт 3[2-(1-0.55) где пн ,пх, птіп - соответственно частоты вращения коленчатого вала двигателя номинальная, холостого хода и минимальная.

Оценочные или выходные параметры агрегата можно разделить на технико-экономические и энергетические [6]. Технико-экономические параметры - производительность, трудоемкость, расход топлива на единицу выработки, удельные затраты труда и денежных средств. Энергетические - коэффициент полезного действия трактора и агрегата, тяговая и эффективная мощность, массовый и удельный расход топлива, частота вращения коленчатого вала двигателя, скорость движения агрегата и др. В работе [6] из числа входных параметров особо выделяются: тяговое сопротивление агрегата Ra, момент сопротивления на коленчатом валу двигателя Мс, тяговый момент сопротивления М ст, которые используются автором в качестве основных факторов внешней нагрузки (рисунок 1.3). 1, 2 - аппроксимированные характеристики трактора и двигателя; 3, 4 - зависимость тягового сопротивления R и момента сопротивления Мсот времени; aR , ам -степени неравномерности; m - частота колебаний нагрузки; t - время. Агеев Л.Е. предлагает определять оптимальную загрузку силового агрегата как: А м = 1 — t# ом Мц1, Рисунок 1.3 – Вероятностный характер тягового сопротивления агрегата (а) и момента сопротивления (б) на валу двигателя Гм = 1 - [z V i2 + 11 мнг, где t# ,z - оптимальные значения функции Лапласа, соответствующие минимальным значениям расхода топлива и удельным эксплуатационным затратам соответственно; Мн - крутящий момент двигателя при номинальной мощности.

Аналитические методы решения задач определения теплового поля информативных поверхностей визуальной доступности. силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата

Последние технические разработки в области инфракрасного приборостроения существенно расширили горизонты его применения, обеспечив возможность диагностики сложной техники. Это может позволить не только определять ее техническое состояние, энергетические показатели, но и прогнозировать надежность на основе информативных параметров динамической теплопередачи.

С другой стороны, недостаточная изученность связи процессов работы машины с результирующим температурным рельефом на ее поверхности сдерживают внедрение этого метода в практику.

Реализация возможностей современных технических средств определения температурных параметров не может быть осуществлена без оценки характеристик тепловых полей и соответствующих им полей распределения температур на поверхности узлов машины, возникающих при ее работе на различных режимах.

В связи с тем, что температурный режим работы двигателя определяется цикловой подачей топлива, полнотой его сгорания и количеством теплоты отводимой вместе с отработавшими газами, исследование изменения энергии может дать информацию о техническом состоянии двигателя. С этой точки зрения наиболее информативным параметром, характеризующим состояние ДВС, является температура отработавших газов, а доступным узлом для измерения температуры – ИПВД системы газовыпуска.

Основные теплонапряженные детали, образующие систему газовыпуска современных автотракторных двигателей, имеют как правило сложные геометри 59 ческие формы, отличающиеся в зависимости от конструкции двигателя. Составляющие их отдельные элементы, образуют отдельные конструкции, находящиеся в тепловом взаимодействии. Характер теплообмена на поверхностях деталей системы газовыпуска чрезвычайно сложен [87, 94, 96, 245], и даже приближенное его описание предполагает использование практически всех видов граничных (краевых условий), включая нелинейные. При такой достаточно общей постановке задачи температуру отдельных точек деталей в текущие моменты времени описывает уравнение нестационарной теплопроводности[238]: div(gradT) + Q = (cT), (2.1) где и с - коэффициенты теплопроводности и теплоемкости соответственно; Т– температура точек детали; t - время; Q - количество тепла, выделяющегося в единице объема внутренними источниками тепла в единицу времени.

Для решения уравнений нестационарной теплопроводности добавляют начальное и граничные условия. В качестве начального задают распределение температуры в начальный момент времени t = 0; 4H = T(x,y,z,0). (2.2) Эксперименты, проводимые исследователями по определению температурного состояния отдельных деталей двигателей внутреннего сгорания самых различных типов и назначений показали, что для большей части деталей, в том числе и компонентов системы газовыпуска, тепловое состояние при установившихся режимах работы практически не меняется. Изменение температуры, имеющее колебательный характер, распространяется лишь на поверхностные слои материала деталей. Амплитуды колебаний невелики, в автотракторных двигателях не превышают 10-20 С, а часто ниже. При этом во всех случаях колебания температуры быстро затухают при удалении от тепловоспринимающей поверхности [238].

С учетом вышеизложенного, при определении температуры базовых деталей системы газовыпуска, их температурные поля при установившихся режимах можно считать стационарными. Следуя общему методическому подходу к решению задачи, действительные условия нестационарно - периодического теплообмена целесообразно заменять некоторыми стационарными условиями.

Параметры, характеризующие стационарные условия определяем в этом случае исходя из равенства осредненных по времени нестационарных локальных тепловых потоков. в условном стационарном процессе.

Распределение температур в базовых деталях системы газовыпуска можно описать дифференциальным уравнением [238]: div(gradT) + Q = 0. (2.3)

Для решения уравнений теплопроводности необходимо выбрать граничные условия, описывающие тепловое взаимодействие поверхностей деталей и окружающей среды. В качестве основных граничных условий теплообмена можно выбрать следующие: - распределение температуры по поверхности детали (граничные условия первого рода) T(x,y,z) = f(x,y,z\ (2.4) где f - заданная функция; - плотность теплового потока через тело детали (граничные условия второго рода) q(x,y,z) = -/T( ny,z) , (2.5) где п - внешняя нормаль к поверхности тела в точке с координатами x,y,z; - температура окружающей среды Гср и закон теплообмена между средой и по верхностью детали (граничные условия третьего рода) -/T( ny z) = (Т- Тср) , (2.6) где - коэффициент теплоотдачи от поверхности детали.

В случае, когда теплопередача происходит в окружающую воздушную среду, параметры микроклимата которой характеризуются не только значением температуры, но и скоростью движения воздуха, относительной влажностью и солнечной нагрузкой, предлагаю использовать интегральный показатель микрокли 61 мата - индекс тепловой нагрузки среды WBGT (ТНС), приняв для упрощения его обозначение Г , тогда выражение 2.6 примет вид : 4 = (Т-Г ), (2.7) Т = 0,7ТВЛ+0,1ТС+0,2ТШ , (2.8) где Твл, Тс- температуры влажного и сухого термометра соответственно по аспи-рационному психрометру; Тш- температура внутри зачерненного шара с коэффициентом поглощения не менее 0,95. При отсутствии солнечной нагрузки (например, в помещении лаборатории): т = 0;7ТВЛ+0,ЗТС Трудности, возникающие при решении пространственных задач, делают более целесообразным создание новых и совершенствование существующих методик в одномерной и двумерной постановке, тем более, что во многих практических случаях такая постановка задачи соответствует в достаточной степени реальным условиям деталей системы газовыпуска ДВС или их отдельных элементов и может обеспечить приемлемую в точность в расчетах.

Формирование лабораторных установок, оснащенных турбированным дизелем с жидкостным охлаждением и дизелем с воздушным охлаждением, применяемых в мобильных сельскохозяйственных агрегатах

Программа экспериментальных исследований предусматривает системный подход и предполагает проведение как лабораторных и натурных, так и полевых эксплуатационных испытаний.

Лабораторные экспериментальные исследования проводились в два этапа. Первый этап – исследование тепловых показателей турбированного дизеля с водяным охлаждением. Второй этап – исследование тепловых показателей дизеля с воздушным охлаждением. Лабораторные исследования решали следующие задачи: 1.Определение соответствия теоретических расчетов параметров теплового состояния выпускного коллектора их фактическим значениям. Оценка праксеоло-гичности математической модели и точности проведенных расчетов. 2. Экспериментальное определение температуры отработавших газов в зависимо сти от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя. 3. Экспериментальное определение количественных значений диагностических признаков для дальнейшего использования в моделях распознавания образов тех нического состоянии объектов исследований. Подготовка дизеля к лабораторным экспериментальным исследованиям проводится согласно ГОСТ 18509-88 [71]. Двигатель перед экспериментальными исследованиями должен пройти обкатку не менее 55 часов. Давление в месте присоединения выпускной системы дизеля стендового устройства не превышает атмосферное более чем на 740 Па. Давление в месте присоединения к впускной системе дизеля устройства для подвода воздуха не должно отличаться от атмосферного более чем на 1500 Па. Марка топлива и масла и вид охлаждающей жидкости, применяемых во время испытаний, должны соответствовать требованиям технических условий на испытуемый двигатель. Плотность топлива должна составлять (0,83±0,01) т/м3.

Температура охлаждающей жидкости на выходе из дизеля должна поддерживаться в пределах (90±5)С. Температура в контрольных точках дизеля воздушного охлаждения должна находиться в пределах, ограниченных максимально допустимой и менее максимально допустимой на 20С. Расположение контрольных точек и максимально допустимая температура в них должны быть указаны в технических условиях на испытуемый дизель. При отсутствии таких указаний температура в контрольных точках не ограничивается.

Температура масла в поддоне или на выходе из дизеля или перед масляным радиатором должна поддерживаться в пределах, указанных в технических условиях на испытуемый дизель, а при отсутствии таких указаний – (90±5) С. Температура топлива на входе в фильтр грубой очистки должна поддерживаться в пределах от 20 до 25С.

Атмосферное давление, температура и влажность окружающего воздуха в помещении, в котором находится измерительный стенд, должны соответствовать нормальным значениям факторов внешней среды.

Допускается, чтобы атмосферное давление, температура и влажность воздуха во время испытаний находилась в пределах, указанных в технических условиях на испытуемый дизель.

При экспериментальных исследованиях значения погрешностей параметров следует определять исходя из таблицы 3.1.

При испытаниях по определению мощности нетто погрешность средств измерений атмосферного давления по абсолютному значению допускается не более 0,007 кПа и средств измерений давления воздуха во впускном коллекторе дизеля без наддува, воздуха перед компрессором дизеля с наддувом и давления отработавших газов в выпускной системе в месте присоединения устройства стенда для отработавших газов – не более 0,025 кПа. Таблица 3.1 – Измеряемые параметры, единицы измерений и погрешности средств измерений

Температуру воздуха перед вентилятором (радиатором) измеряем по оси вентилятора на расстоянии 400-450 мм от вентилятора или фронтальной поверхности радиатора.

Температуру цилиндров и головок цилиндров, поверхности выпускного коллектора измеряем на расстоянии не более 2 мм от нагреваемых поверхностей цилиндра (за исключением измерений с помощью тепловизора).

Метод торможения работающего дизеля применяем при лабораторных испытаниях для определения зависимости температуры отработавших газов от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, а также для определения адекватности математической модели теплопередачи. Бестормозной метод испытаний применяем для лабораторных исследований влияния эксплуатационных регулировок и возможных неисправностей на тепловые показатели дизеля.

Дизель с жидкостным охлаждением при исследованиях должен проработать перед началом измерений на каждом заданном режиме не менее 5 мин. Частота вращения не должна отличаться во время испытаний от заданных более чем на 1%. Измерения при определении каждой характеристики проводим не менее чем на восьми режимах. Измерения на каждом режиме проводим не менее двух раз, при этом результаты измерений не должны отличаться более чем на 2%.

Исследуемые значения параметров определяем путем последовательного увеличения нагрузки от нулевой до полной при частоте вращения при максимальном крутящем моменте и путем дальнейшего снижения нагрузки до достижения частоты вращения, составляющей не более 85 % частоты вращения при максимальном крутящем моменте. При исследованиях тепловых параметров в режиме максимальной мощности органы управления устанавливаем в соответствии с максимальной подачей топлива.

При лабораторных исследованиях в режиме холостого хода температуры определяем при работе дизеля без нагрузки от максимальной частоты вращения холостого хода до минимально устойчивой. Минимальную устойчивую частоту вращения холостого хода определяем последовательным уменьшением подачи топлива до появления колебаний частоты вращения, составляющих ±5% среднего значения измеренных на данном скоростном режиме. Установочный угол опережения впрыска топлива следует изменять в указанных пределах; изменение его следует ограничить возможностями конструкции.

Результаты лабораторных стендовых исследований влияния скоростных и нагрузочных режимов мобильного сельскохозяйственного агрегата, оснащенного турбированным дизелем с жидкостным охлаждением на температуру информативных поверхностей визуальной доступности

Методика экспериментальных лабораторных исследований предусматривает определение температур и температурных полей деталей системы газовыпуска посредством измерения инфракрасного излучения с помощью тепловизора Testo и сравнение значений температуры ОГ, полученных по показаниям термопар. Кроме того, предусмотрена оценка адекватности разработанной математической модели процесса теплопередачи от выпускных газов к поверхности выпускного коллектора. Тепловое изображение, полученное посредством тепловизора обработано с помощью прилагаемого пакета компьютерных программ. Таким образом, анализ инфракрасного изображения проведен с помощью программы “Testo IR Soft”.

Представленные на рисунке 4.4 и в последующих изображениях анализа тепловых полей графические материалы включают в себя следующие фрагменты: – инфракрасное изображение объекта (участок системы газовыпуска), размещенное слева наверху; – таблица температур точек коллектора (справа снизу); – температурная шкала (сверху в центре); – фотоизображение объекта (участок системы газовыпуска), размещенное по центру внизу; – гистограмма распределения температур по выделенной площади анализа (сверху слева); – температурный профиль по направлению выделенной лини (снизу слева).

Инфракрасное изображение объекта представляет собой тепловое поле, температура в каждой точке которого может быть определена с помощью наведенного курсора. Программа Testo IR Soft позволяет автоматически находить наименьшее и наибольшее значение температуры на предварительно выделенной поверхности объекта. Таблица температур точек объекта позволяет записать значения температуры выделенных областей для последующей статистической обработки. Рисунок 4.4 – Комплексная карта анализа, полученного инфракрасного изображения ИПВД дизеля СМД-21 в установившемся режиме; минимальная частота вращения холостого хода 600 мин-1

Температурная шкала показывает соответствие значений температур выделенному цвету. Кроме того, имеется возможность установки граничных значений температур и выделение областей температура которых соответствует установленным значениям.

Фотоизображение изображение объекта позволяет увидеть реальный вид объекта и помогает ориентироваться в поле инфракрасного изображения. Гистограмма распределения температур по выделенной поверхности (прямоугольник на поверхности коллектора) позволяет определить процентное соотношение различных температур от минимума до максимума значений в выделенной площади, что позволяет определить характер распределения температур в тепловом поле.

Температурный профиль представляющий собой зависимость распределения температуры поверхности объекта по длине выделенной линии позволяет судить о градиентах температурного поля и выявлять на сколько симметрично тепловое поле.

Тепловое поле выпускного коллектора исправного дизеля , работающего в режиме холостого хода при частоте вращения, соответствующей минимальным значениям, представленного на рисунке 4.4, имеет ярко выраженный симметричный характер распределения температур. Неравномерность нагрева поверхности, обусловленная увеличением температурного градиента в сторону оси симметрии связана прежде всего с конструктивными особенностями коллектора, определяющего распределение тепловых потоков в системе газовыпуска. Характер распределения температур по поверхности в полной мере подтверждает теоретические расчеты. Инфракрасное изображение деталей системы газовыпуска дизеля СМД-21, работающего в установившемся безнагрузочном режиме при минимальной частоте вращения, соответствующей 600 мин-1 позволяет определить значения температур в точках, обозначенных на схеме (рисунок 4.1) и в дальнейшем сравнить их с расчетными значениями на основании разработанной модели теплопередачи.

Температурная гистограмма рисунок 4.4 (наверху слева) показывает, что на выделенном участке выпускного коллектора наибольшее количество точек – 10% имеют температуру около 70С, а около 6% имеют температуру свыше 70С.

Температурный профиль имеет некоторую асимметричность в районе четвертого цилиндра, что можно объяснить неравномерностью цикловой подачи, допускаемой заводом изготовителем до 20% на минимальных частотах вращения. Результаты расчета погрешности измерений сведены в таблицу 4.16.

Инфракрасное изображение деталей системы газовыпуска дизеля СМД-21, работающего в установившемся безнагрузочном режиме при частоте вращения, соответствующей 800 мин-1 позволяет определить значения температур в иссле 141 дуемых точках, и в дальнейшем сравнить их с расчетными значениями на основании разработанной модели теплопередачи.

Температурная гистограмма на рисунке 4.5 (наверху слева) показывает, что на выделенном участке выпускного коллектора наибольшее количество точек – 9,5% имеют температуру около 70С, а около 6% имеют температуру свыше 78С. Температурный профиль имеет асимметричность в районе четвертого цилиндра, что можно объяснить неравномерностью цикловой подачи, допускаемой заводом изготовителем до 20% на минимальных частотах вращения. Результаты расчета погрешности измерений сведены в таблицу 4.17.

Следует отметить, что имеет место некоторое сглаживание асимметричности по сравнению с температурным профилем, соответствующем частоте 600об/мин. Инфракрасное изображение деталей системы газовыпуска дизеля СМД-21, работающего в установившемся безнагрузочном режиме при частоте вращения, соответствующей 1000 мин-1 позволяет определить значения температур в исследуемых точках, и в дальнейшем сравнить их с расчетными значениями на основании разработанной модели теплопередачи.

Температурная гистограмма рисунок 4.6 (наверху слева) показывает, что на выделенном участке выпускного коллектора наибольшее количество точек -10,5% имеют температуру около 82С, а около 4% имеют температуру свыше 90С.

Температурный профиль имеет некоторую асимметричность в районе четвертого цилиндра, что можно объяснить неравномерностью цикловой подачи, допускаемой заводом изготовителем до 20% на минимальных частотах вращения. Можно отметить, что имеет место продолжение тенденции сглаживания асимметричности по сравнению с температурным профилем, соответствующем частоте 600 мин-1. Результаты расчета погрешности измерений сведены в таблицу 4.18.

Инфракрасное изображение деталей ИПВД системы газовыпуска дизеля СМД-21, работающего в установившемся безнагрузочном режиме при частоте вращения, соответствующей 1200 мин-1 позволяет определить значения температур в исследуемых точках, и в дальнейшем сравнить их с расчетными значениями на основании разработанной модели теплопередачи.