Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Анализ публикаций по результатам исследований работы дизелей при переменной нагрузке
1.2. Анализ методов и средств исследования влияния колебательных воздействий нагрузки на показатели работы дизеля 2.2.
1.3. Основные задачи исследования 32
2. Теоретические предпосылки к выбору комплекса показателей, характеризующих работу тракторного дизеля при колебательных воздействиях нагрузки 33
3. Разработка экспериментальной установки и методики экспериментальных исследований 48
3.1. Моторный стенд для частотных методов исследования 48 работы тракторного дизеля при колебаниях нагрузки
3.2. Методика проведения и обработки материалов экспериментальных исследований .... 57
3.3. Метод аппроксимации характеристик дизеля эмпирическими зависимостями ...... 71
4. Экспериментальное исследование влияния колебательных воздействий нагрузки на показатели работы тракторного дизеля 85
4.1. Экспериментальное исследование дизеля без наддува 85
4.2. Экспериментальное исследование дизеля с турбонад-дувом ... 93
4.3. Обоснование способов вычисления эффективной мощности дизеля на режимах колебаний нагрузки (01
5. Математическая модель работы тракторного дизеля при колебательных воздействиях нагрузки
5.1. Разработка математической модели для частотных методов исследования работы тракторного дизеля при колебаниях нагрузки
5.2. Оценка адекватности математической модели \Zk
5.3. Расчеты на математической модели показателей работы тракторного дизеля при колебательных воздействиях нагрузки
6. Рекомендации по улучшению показателей работы тракторного дизеля при колебательных воздействиях нагрузки
6.1. Способы улучшения показателей работы тракторного дизеля при колебательных воздействиях нагрузки 116
6.2, Оптимизация регуляторной характеристики топлив ного насоса тракторного дизеля
7. Экономическая эффективность от использования результатов исследования 159
заключение
список использованных источников
- Анализ публикаций по результатам исследований работы дизелей при переменной нагрузке
- Моторный стенд для частотных методов исследования 48 работы тракторного дизеля при колебаниях нагрузки
- Экспериментальное исследование дизеля без наддува
- Разработка математической модели для частотных методов исследования работы тракторного дизеля при колебаниях нагрузки
Введение к работе
6 соответствии с решениями ХХУТ съезда партии в СССР разработана и претворяется в жизнь Продовольственная программа. Одним из направлений ее реализации, принятым майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС, является развитие материально-технической базы аграрно-промышленного комплекса и, в частности, создание энергонасыщенных универсально-пропашных тракторов Создание энергонасыщенных тракторов в свою очередь выдвигает задачу наиболее полного и рационального использования возросших мощностей тракторных двигателей (в том числе за счет наддува) с целью максимального увеличения производительности МТА.
Характерной особенностью эксплуатации тракторных дизелей является непрерывное изменение скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. Так, в частности, на основе экспериментальных исследований установлено, что при выполнении МТА различных операций (сельскохозяйственных, транспортных, строительных и др.) имеют место значительные колебания нагрузки на коленчатом валу дизеля.
По данным эксплуатационных испытаний переменный характер нагрузки является причиной снижения мощности, развиваемой тракторным дизелем, по сравнению с ее номинальным значением. Однако механизм этого явления изучен недостаточно, что связано в первую очередь с трудностью исследования работы двигателя непосредственно в условиях эксплуатации (сложность установки датчиков и измерительных устройств на МТА, высокий уровень помех и, как следствие, большой объем испытаний для получения достоверной информации, сложность идентификации полученных результатов из-за нали чия большого количества одновременно действующих факторов). По этой причине в литературе недостаточно отражены практические рекомендации, направленные на улучшение показателей работы дизелей при колебательных воздействиях нагрузки.
Принимая во внимание общую тенденцию к возрастанию скоростей движения МТА и связанное с этим увеличение амплитуд колебаний момента нагрузки на коленчатом валу двигателя, становится особенно актуальной задача изучения поведения тракторного дизеля при колебательных воздействиях нагрузки и определения на основе полученных результатов способов улучшения его показателей.
Учитывая недостатки эксплуатационных испытаний, исследование работы тракторного дизеля при колебаниях нагрузки целесообразно вести на моторном стенде с имитацией составляющих колебаний нагрузки, выявленных при режимометрировании двигателя в эксплуатационных условиях. Отендовые испытания на основе сравнительно небольшого объема экспериментального материала позволяют определить основные качественные и количественные закономерности работы тракторного дизеля при колебаниях нагрузки.
Результаты исследований на моторном стенде дают возможность перейти к построению математической модели, как к наиболее эффективному средству анализа влияния отдельных факторов и их совокупности на показатели работы дизеля при колебаниях нагрузки. Расчеты на математической модели значительно облегчают и ускоряют процесс доводки двигателя, дают возможность наметить пути его конструктивного совершенствования и позволяют оценить будущие эксплуатационные качества дизеля на стадии разработки.
Результаты экспериментальных и расчетных исследований позволяют перейти к решению задач оптимизации работы тракторного дизеля при колебаниях нагрузки.
Исследование влияния колебательных воздействий нагрузки на показатели работы тракторных дизелей удобно вести частотными методами,
В соответствии с изложенным целью настоящего исследования являлось: установление основных закономерностей влияния колебательных воздействий нагрузки на показатели работы тракторного дизеля, полученных на основе экспериментальных исследований и расчетов на модели; определение способов улучшения этих показателей,
В результате проведенного исследования определены и выносятся на защиту:
- закономерности влияния колебательных воздействий нагрузки на показатели работы тракторных дизелей;
- принципы формирования участков регуляторной характеристики ТН в.д., обеспечивающей максимальное использование мощности
и повышение качества регулирования скорости дизеля при колебательных воздействиях нагрузки;
- система управления электротормозной установкой типа Б S моторного стенда для исследования работы тракторных дизелей частотными методами;
- метод получения уравнений функциональных элементов дизеля с наддувом, используемых в математической модели его работы при колебательных воздействиях нагрузки, по результатам испытаний на установившихся режимах.
Анализ публикаций по результатам исследований работы дизелей при переменной нагрузке
В последние годы уделяется большое внимание исследованию работы тракторного дизеля на режимах, соответствующих условиям эксплуатации МТА. Необходимость подобных исследований вызвана тем, что при проведении эксплуатационных испытаний тракторов наблюдается снижение мощности двигателя по сравнению с данными, полученными на моторном стенде [2.2; 2 4; 2.20].
Снижение мощности связывают прежде всего с переменным характером нагрузок на коленчатом валу двигателя.
При исследовании переменных нагрузочных режимов работы двигателя в составе МТА применяется, как правило, два метода анализа: гармонический [2.4; 2.14; 3.35] и вероятностный [3.19; 3.27; 3.3IJ. Однако, учитывая выводы работ [3.35; 3.4IJ влияние переменной нагрузки, представляющей собой некоторую случайную функцию, на показатели работы двигателя можно свести к анализу влияния гармонических колебаний нагрузки.
По данным, полученным рядом исследователей, при выполнении МГА различных операций имеют место колебания нагрузки частотой от 0,05 Гц до 10... 15 Гц и амплитудой до 40% от среднего значения момента нагрузки на коленчатом валу двигателя [2.2; 2 4; 2.20; 9.і]. Однако благодаря сглаживающим свойствам маховой массы двигателя наиболее существенное влияние на его работу оказывают колебания нагрузки частотой менее 4 Гц [2.2; 3.41; 9.2].
Относительно механизма воздействия колебаний нагрузки на по казатели работы тракторного дизеля единого мнения у исследователей нет Одни считают, что ухудшение выходных показателей вызвано нарушением тепловых процессов из-за уменьшения коэффициентов наполнения, индикаторного, механического КПД и коэффициента избытка воздуха [2.10; 2 25; 3 3; 5.5]. Другие - что имеет место недоиспользование мощности двигателя в зонах нелинейности скоростной характеристики, без заметного ухудшения рабочего процесса [3.1; 3.15; 3.20; З.Зі].
Работа двигателя при колебаниях нагрузки может рассматриваться как совокупность неустановившихся режимов. Отсюда возможное несоответствие между топдивоподачей и воздухоснабжением цилиндров двигателя (особенно при наличии турбонаддува), что приводит к изменению коэффициента избытка воздуха.
Как отмечается в работах [2.16; 2.20; 4.3J, одной из основных причин ухудшения воздухоенабжения при неустановившихся режимах является отставание частоты вращения ротора турбокомпрессора от соответствующих значений цикловой подачи. Оказывают влияние на наполнение цилиндров и процессы, происходящие в газовоздушном тракте дизеля, а именно турбулизация потока во впускном коллекторе, инерция столба воздуха, тепловое состояние деталей двигателя, с которыми контактирует воздушный заряд [2.16; 3.22; 4.3J. При неустановившихся режимах работы дизеля имеет место изменение коэффициента наполнения надпдунжерного пространства ТН в .д. за счет дисбаланса расхода топлива ТН в.д. и подкачивающим насосом. Кроме того, при неустановившихся режимах каждый цикл топливоподачи начинается при давлениях в нагнетательной магистрали, являющихся остаточными для предыдущего цикла, что может вызвать изменение цикловой подачии [2.16; 2.20; 3.28J.
Вместе с тем в ряде работ указывается, что при незначительной длине трубопроводов, как это имеет место у тракторных дизе лей, динамическими процессами в топливоподающей аппаратуре можно пренебречь [2 16; 2.20]. Отмечается также, что объемы впускного и выпускного коллекторов мало влияют на динамические качества двигателя с газотурбинным наддувом \_2 1б].
Как следует из материалов исследований [4.3J изменение теплового состояния деталей двигателя за переходный процесс оказывает определенное влияние на показатели его работы Однако учитывая, что постоянная времени переходного процесса теплового состояния двигателя значительно больше характерных для эксплуатации периодов колебаний момента нагрузки, при периодических изменениях момента нагрузки тепловое состояние деталей двигателя можно считать установившимся.
При исследовании работы тракторного дизеля на режимах переменной нагрузки важным является вопрос о допустимости квазистационарного подхода к анализу динамических процессов в системах двигателя. Несмотря на определенную ограниченность подобного подхода ряду исследователей удалось провести интересные в теоретическом и практическом плане работы, не выходя за его рамки. Так в [2.4] приводятся результаты анализа влияния периодически изменяющейся по гармоническому закону нагрузки на работу тракторного дизеля. Рассматривается поведение двигателя при работе на регуляторной и безрегуляторной (корректорной) ветвях скоростной характеристики.
Участки скоростной характеристики аппроксимируются линейными зависимостями. При этом оценивается влияние суммарного момента инерции двигателя и степени нечувствительности регулятора на показатели его работы для регуляторной ветви скоростной характеристики, а также влияние коэффициента приспособляемости и отношения угловой скорости коленчатого вала двигателя, соответствующей максимальному крутящему моменту, к угловой скорости при начале действия регулятора на показатели его работы для корректорной ветви.
Оптимальные значения указанных параметров определяются из соображений обеспечения допустимой амплитуды колебаний угловой скорости коленчатого вала дизеля (в пределах зоны нечувствительности регулятора) на регуляторной ветви характеристики и соображений обеспечения максимальной производительности МТА с учетом переключения передач на безрегуляторной ветви» Динамические качества системы регулирования скорости коленчатого вала двигателя при этом в расчет не принимаются.
Делается вывод о том, что увеличение момента инерции двигателя благоприятно сказывается на его работе в пределах регуляторной ветви, а также о том, что при симметричных колебаниях момента нагрузки среднее значение угловой скорости при работе по регуляторной ветви остается таким же, как и в отсутствие колебаний. В работе приводятся данные, свидетельствующие о том, что увеличение коэффициента приспособляемости приводит к возрастанию производительности МТА за счет увеличения коэффициента загрузки двигателя. Оптимальное значение отношения угловой скорости коленчатого вала двигателя, соответствующее максимальному крутящему моменту, к угловой скорости при начале действия регулятора определено в 0,5...0,6. Предлагается для улучшения работы дизеля на неустановившейся нагрузке формировать корректорный участок скоростной характеристики двумя отрезками различной крутизны.
Моторный стенд для частотных методов исследования 48 работы тракторного дизеля при колебаниях нагрузки
Задачей настоящего исследования является изучение работы тракторного дизеля при периодически изменяющейся нагрузке. Решение этой задачи удобно вести частотными методами.
В ряде публикаций частотным методом исследования работы дизелей и их узлов при непрерывно действующих возмущениях уделено значительное внимание [ 2.2; 2.16; 3.4IJ. При этом частотные характеристики двигателей при гармонически изменяющейся нагрузке определялись, как правило, расчетным путем без глубокой экспериментальной проверки полученных результатов.
Экспериментальное получение частотных характеристик двигателей связано с разработкой специальных моторных стендов, обеспечивающих высокое быстродействие и линейность отслеживания входного сигнала и измерения момента нагрузки.
До настоящего времени у нас в стране не были созданы моторные стенды,в полной мере отвечающие этим требованиям, хотя попытки их создания были предприняты рядом организаций.
Так, на Машинно-испытательной станции Министерства автомобильных дорог Казахской ССР электрический стенд КП-І2І8А был оборудован имитирующим устройством механического типа [9.2]. Принцип действия устройства заключается в следующем. Сила тока в обмотке возбуждения генератора, а следовательно, и нагрузка двигателя, зависят от степени погружения нагрузочных ножей жидкостного реостата в раствор. Управление возбуждением осуществляется кулачковой шайбой и уровнем раствора.
Примерно аналогичным образом осуществляется управление нагрузкой в стенде, описанном в работе [5.5 ]. в этом варианте ток в цепи возбуждения регулируется перемещением движка потенциометра в соответствии с командами программного устройства, представляющего собой кулачковую шайбу.
Коломенским тепловозостроительным заводом разработан и создан электрический стенд АВДА-І, в котором нагрузка регулируется током возбуждения электротормоза, а положение рейки ТН в.д. - электромагнитами. Время набора полной нагрузки на генератор от 7 С и выше. Программа изменения крутящего момента или частоты вращения коленчатого вала двигателя вводится в задающее устройство стенда в виде перфокарт или магнитной ленты [9.2].
В МАДЙ создан электрический стенд, регулирование тормозного момента в котором осуществляется изменением тока возбуждения индукторного тормоза через электромашинный усилитель. С помощью аналоговой электронно-вычислительной машины моделируются условия работы двигателя [3.4J.
В МВЯУ создан стенд для исследования неустановившихся режимов. Регулирование скорости и нагрузки осуществляется с пульта управления изменением сопротивления нагрузочных реостатов и величины тока балансирной машины. Система обеспечивает подачу управляющего сигнала лишь при поступлении сигнала готовности от датчиков всех параметров. Это необходимо ввиду того, что вследст-вии кратковременности исследуемых режимов, нестабильность начальных условий может оказать весьма существенное влияние на выходные показатели [9.2].
В МИМЭСХ была создана установка, моделирующая периодические изменения нагрузки. Тормозная часть установки состоит из двух тормозов, гидравлического и механического, создающих соответственно постоянную и переменную составляющие момента сопротивления [9.2].
В моделирующей установке, смонтированной в ЛТВД, торможение осуществляется электрической машиной постоянного тока, обмотка возбуждения которой питается от электромашинного усилителя, имеющего четыре независимых обмотки управления. Одна из них питается постоянной составляющей момента сопротивления. На остальные может подаваться периодически изменяющееся напряжение, которое вызывает соответствующее изменение нагрузки двигателя. В зависимости от формы и частоты этого напряжения могут быть моделированы: основная гармоника, составляющие более высоких порядков, временные перегрузки двигателя. Переменное напряжение, необходимое для питания обмоток управления, снимается с одного или нескольких профильных потенциометров, ползунки которых приводятся в движение от синхронного электродвигателя [9.2].
В последнее время за рубежом появилось значительное количество сообщений об исследовании двигателей на стендах, имитирующих переменные нагрузки. Так в работе [9.2] сообщается о ресурсных испытаниях двигателя бульдозера "Катерпиллер", с имитацией характерной для двигателя этой машины нагрузки.
В статье [3.49] приводятся данные по моторному стенду с управлением скоростным и нагрузочным режимом по заданной программе. В качестве исполнительного элемента для перемещения рейки топливного насоса использован электродвигатель с дисковым ротором, редуктором и транзисторным управлением. Для изменения положения золотника гидротормоза применен электродвигатель постоянного тока с тиристорним управлением и редуктором.
Экспериментальное исследование дизеля без наддува
На рис.4,І, в качестве примера, представлены осциллограммы работы дизеля Д-240 при переменной нагрузке для различных участков скоростной характеристики: в пределах регуляторной ветви, в области номинального режима работы, в пределах корректорной ветви. Положение рычага настройки регулятора скорости соответствует полной подаче топлива; дополнительная пружина выключена, винт регулировки проходного сечения катаракта в положении "закрыто".
Анализ осциллограмм показывает, что при синусоидальном изменении момента нагрузки колебания угловой скорости коленчатого вала дизеля и рейки ТН в.д. при работе по регуляторной и корректорной ветвям скоростной характеристики также близки синусоидальным.
При работе в области номинального режима работы колебания рейки ТН в.д. существенно отличаются от синусоидальных. На графике просматриваются: регуляторный участок скоростной характеристики, предкорректорная площадка и корректорный участок. Наблюдается фазовый сдвиг между колебаниями момента нагрузки, угловой скорости коленчатого вала двигателя и положением рейки ТН в.д. Несимметричные колебания рейки в области номинального режима приводят к несимметричным колебаниям угловой скорости коленчатого вала и, как следствие, к уменьшению среднего за период колебаний значения угловой скорости по сравнению с соответствующим установившимся - режимом.
На рис.4.2 представлены частотные характеристики дизеля Д-240 при работе на различных участках скоростной характеристики при положении рычага настройки регулятора, соответствующем полной подаче топлива (I). Из графиков видно, что уменьшение средних за период колебаний значений угловой скорости коленчатого вала двигателя, мощности, расхода топлива при переменной нагрузке по сравнению с установившимися режимами наблюдается только в области номинального режима работы. Если учесть, что область номинального режима характеризуется существенной нелинейностью характеристики регулятора, то можно сделать вывод о том, что недоиспользование мощности двигателя при работе на переменной нагрузке связано в первую очередь с подобными нелинейностями.
При работе двигателя в пределах регуляторной или корректорной ветвей скоростной характеристики заметного изменения угловой скорости, мощности и расхода топлива при колебаниях нагрузки по сравнению с установившимся режимом не наблюдается.
Степень изменения средних значений угловой скорости коленчатого вала двигателя, мощности, расхода топлива по сравнению с установившимся режимом зависит от частоты колебаний момента нагрузки, уменьшаясь с повышением частоты. Начиная с частоты 4 Гц и выше средние значения угловой скорости коленчатого вала двигателя, мощности и расхода топлива практически совпадают со значениями этих показателей на соответствующем установившемся режиме.
Общественного влияния изменения величины степени неравномерности регулятора в диапазоне 2...6% и коэффициента вязкого трения в диапазоне 0,8...1 на показатели работы дизеля при переменной нагрузке в области номинального режима работы не обнаружено.
Зависимость размаха колебаний угловой скорости коленчатого вала дизеля и рейки ТН в.д. от частоты изменения момента нагруз- . ки различна для регуляторной и корректорной ветвей скоростной ха рактеристики. Так, при работе в пределах регуляторной ветви частотные характеристики дизеля имеют область резонанса в зоне I Гц (для степеней неравномерности регулятора менее 4%). При работе на корректорной ветви характеристики (с большой степенью неравномерности) резонанса не наблюдается, размах колебаний угловой скорости коленчатого вала двигателя и рейки ТН в.д. с увеличением частоты колебаний момента нагрузки монотонно падает. Наибольший размах колебаний рейки ТН в.д. и угловой скорости коленчатого вала имеет место при работе дизеля в области номинального режима. Начиная с 3...4 Гц для области номинального режима и корректорной ветви и с 5 Гц для регуляторной ветви скоростной характеристики колебания угловой скорости коленчатого вала дизеля практически сглажены за счет маховой массы дизеля. Графики раз-махов колебаний угловой скорости коленчатого вала дизеля для областей номинального режима работы и корректорной ветви, начиная с частоты колебаний момента нагрузки I Гц и выше, практически полностью совпадают с частотной характеристикой стенда при заторможенной рейке. Начиная с этой же частоты для указанных областей практически не наблюдаются колебания рейки ТН в.д.
На рис.4.3 представлены частотные характеристики двигателя Д-240 при положении рычага настройки регулятора, соответствующем полной и частичным подачам топлива. Характеристики позволяют вскрыть влияние предкорректорной площадки на показатели работы дизеля при переменной нагрузке. Из графиков видно, что предкор-ректорная площадка усиливает эффект снижения средних за период колебаний значений угловой скорости, мощности, расхода топлива по сравнению с установившимся режимом
Разработка математической модели для частотных методов исследования работы тракторного дизеля при колебаниях нагрузки
Рассчитанные с помощью уравнений математической модели показатели работы тракторных дизелей при колебания нагрузки являются лишь определенной степенью приближения к действительным их значениям.
В основе имеющих место погрешностей расчета лежат различного рода допущения, принятые при построении математической модели, и неточности численного метода интегрирования системы дифференциальных уравнений, включающих нелинейные функции. К допущениям можно отнести, например, отсутствие ускорения коленчатого вала в качестве аргумента уравнений функциональных элементов двигателей, отсутствие учета эффекта от взаимодействия параметров в этих уравнениях, использование условных моментов (индикаторного,развиваемого турбиной и потребляемого компрессором) вместо действительных, использование значений коэффициента вязкого трения в регуляторе, не зависящих от частоты колебаний момента нагрузки и т.п.
Учет поррешностей, вносимых каждым из принятых допущений, сложен, трудоемок и не входит в круг задач проводимого исследования. Поэтому была проведена комплексная оценка адекватности математической модели сравнением результатов экспериментальных исследований на моторном стенде и расчетов.
На рис.5,3 представленП)Сциллограмма работы дизеля Д-240Т при переменной нагрузке, полученная при проведении испытаний на моторном стенде, и графики изменения параметров работы дизеля за пятый период колебаний, полученные расчетным путем. Сравнение представленных зависимостей свидетельствует о хорошей сходимости результатов расчета и эксперимента, оцениваемой индексами корреляции: Rh = 0,98, RGC)CJ= 0,99, R(A3mK= 0,95.
Как уже отмечалось, ряд уравнений математической модели был получен эмпирическим путем обработкой результатов испытаний двигателей на установившихся режимах. Оценим достоверность рассчитанных по эмпирическим зависимостям значений условного индикаторного момента и цикловой подачи топлива для двигателя Д-240 при работе в режиме колебаний момента нагрузки. В этом случае, учитывая постоянство средних за период колебаний момента нагрузки значений М и &цт вытекающее из условия равенства нулю суммарного за период колебаний момента от сил инерции, можно произвести замер расхода топлива frcyM и количества оборотов коленчатого вала двигателя ZCUM за любое число периодов колебаний момента нагрузки, которым соответствует определенное время і замера 1-зам Эти данные позволяет экспериментально определить и &цт .
Средний за период колебаний момента нагрузки условный индикаторный момент рассчитывается по следующей зависимости:
Учитывая, что момент сопротивления прокручиванию коленчатого вала линейно зависит от угловой скорости коленчатого вала, определяется средней за период колебаний момента нагрузки угловой скоростью коленчатого вала двигателя COcj . Средняя за период колебаний момента нагрузки угловая скорость коленчатого вала двигателя определяется по результатам испытаний:
По мгновенным значениям параметров двигателя, найденным обработкой осциллограмм работы дизеля при переменной нагрузке, на основании эмпирических зависимостей (5.19) и (5.22 определяются мгновенные значения М \ и (хцт , а уже по ним і и &цт . Сравнение средних за период колебаний значений условного индикаторного момента и цикловой подачи топлива, полученных расчетным путем, с экспериментальными данными позволяет оценить их достоверность.
Кроме того, по графику изменения угловой скорости коленчатого вала двигателя можно определить мгновенное ускорение коленчатого вала, что в свою очередь позволяет найти величину сил инерции по формуле (3.2), и, следовательно, мгновенное значение условного индикаторного момента по формуле (2.9), которое сравнивается с рассчитанным по эмпирической зависимости.
На рис.5.4 представлены диаграммы изменения параметров дизеля Д-240 за период колебаний момента нагрузки. Анализ диаграмм показывает, что мгновенные значения условного индикаторного момента, рассчитанные по формулам (2.9) и (5.19), имеют незначи-тельные расхождения. Теснота указанных функциональных зависимостей оценивалась индексом корреляции:
