Повышение эффективности использования мта с колесным трактором мтз-80л путем оптимизации уровня дефорсирования серийного двигателя до режима двигателя постоянной мощности
На правах рукописи
Попов Александр Юрьевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МТА С КОЛЕСНЫМ ТРАКТОРОМ МТЗ-80Л ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ УРОВНЯ ДЕФОРСИРОВАНИЯ СЕРИЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДО РЕЖИМА ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград 2007 2
Работа выполнена на кафедре «Тракторы, автомобили и теплотехника» в ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия»
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Сергеев Александр Павлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Славуцкий Виктор Михайлович;
кандидат технических наук, доцент Жидков Георгий Иванович
Ведущая организация: ОАО Тракторная компания «ВГТЗ»
Защита состоится 22 октября 2007 года в 1200 часов на заседании диссер тационного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государствен ная сельскохозяйственная академия» по адресу: 400002, г. Волгоград, пр. Уни верситетский 26.
Автореферат разослан 19 сентября 2007 года и размещен на сайте http: // www. vgsha. ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Волго градская государственная сельскохозяйственная академия».
Ученый секретарь диссертационного совета, А.И. Ряднов д.с.-х.н., профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Повышение эффективности использования машин но-тракторных агрегатов является важнейшей задачей в сельскохозяйственном производстве. Один из путей решения этой проблемы – внедрение новейших достижений науки, техники и передовой практики путем развития систем ма шин для сельскохозяйственных работ, повышения их производительности, снижения удельного расхода топлива тракторами и комбайнами.
Выполнение поставленных задач непосредственно связано с разработкой оригинальных технических решений, направленных на совершенствование конструкций тракторов, которые являются основным мобильным энергетиче ским средством в сельском хозяйстве. Колесные тракторы находят более широ кое применение, так как они выполняют практически все операции по возделы ванию сельскохозяйственных культур, а также используются на транспортных работах. Все виды сельскохозяйственных работ характеризуются неравномер ной загрузкой трактора и возникновением больших динамических нагрузок.
Это обусловлено изменением крюковой нагрузки, неровностями поверхности поля, наличием почвозацепов на ведущих колесах и другими факторами.
Решение этих проблем вызвало появление тракторов с моторно трансмиссионными установками постоянной мощности: двигателем с гидро трансформатором (ГТ) и двигателем постоянной мощности (ДПМ).
Применение на тракторах ДПМ со свободным впуском воздуха (без над дува) не требует значительных конструктивных изменений и затрат.
Эффективность трактора при использовании энергетической установки постоянной мощности определяется правильным выбором и согласованием па раметров ДПМ и трансмиссии в зависимости от характера и режимов работы МТА. При этом важным звеном трактора является двигатель, который в конеч ном счете определяет степень эффективности использования МТА и его энер гетических возможностей. Поэтому повышение эффективности использования МТА путем применения на тракторах ДПМ с механической трансмиссией и выбора рациональных режимов их эксплуатации является актуальной.
Цель работы – повышение эффективности работы МТА с колесным сельскохозяйственным трактором класса 1,4 за счет выбора степени дефорси рования двигателя постоянной мощности со свободным впуском воздуха, на правленное на улучшение топливной экономичности и производительности МТА.
Объект исследования – сельскохозяйственные агрегаты с серийным трактором МТЗ-80Л и его модификациями с двигателями постоянной мощно сти, дефорсированными на разные мощности, специально оборудованные для проведения эксперимента.
Предмет исследований – закономерности, характеризующие влияние степени дефорсирования ДПМ на производительность и расход топлива МТА с учетом типа почв и сельскохозяйственных операций.
Научная гипотеза. Изменение степени дефорсирования серийного двигателя до уровня постоянной мощности определяет возможность рацио нального использования трактора при всех сельскохозяйственных операциях и типах почв. Разная степень нестационарности тягового усилия, характеризуе мая коэффициентом вариации, определяет соответствующий уровень дефор сирования двигателя, что обеспечивает двигателю постоянной мощности ус тойчивую работу и оптимальные эксплуатационные показатели.
Научная новизна. Техническими и экономическими показателями обоснована степень дефорсирования серийного двигателя до уровня реализа ции постоянной мощности. Дополнена математическая модель МТА, что по зволяет производить вероятностно-статистическую оценку энергетических и технико-экономических показателей МТА при выполнении различных тех нологических операций. Выявлено влияние режимов нагружения колесного трактора с ДПМ на эффективность работы МТА.
Практическая ценность. Создан ДПМ со свободным впуском воздуха с возможностью оперативного изменения уровня постоянной мощности дви гателя в полевых условиях. Разработанная методика инженерного расчета по казателей ДПМ позволяет оценить влияние различных типов регулировки двигателя на показатели трактора в составе МТА.
Рекомендуются рациональное агрегатирование трактора МТЗ-80Л с ДПМ на различных сельскохозяйственных операциях и оптимальные на стройки регулятора дефорсированного двигателя с учетом времени использо вания трактора.
Методика исследований. Общая методика исследования предусматрива ла теоретический анализ рабочих гипотез, их экспериментальную проверку в по левых условиях и экономическую оценку результатов работы. В теоретических исследованиях использованы положения теоретической механики, сведения о фи зико-механических свойствах почв, методика вероятностно-статистических оценок параметров тяговых агрегатов, разработанная профессором Л.Е. Агее вым, где использованы линейная аппроксимация регуляторной характеристики двигателя и методы математической статистики и моделирования. Эксперимен тальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях с исполь зованием общепринятых и частных методик, разработанных автором. Основные расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием ЭВМ.
Реализации результатов исследований. Результаты исследований се рийного трактора МТЗ-80Л и его модификаций с двигателями постоянной мощности приняты и реализуются в УНПЦ «Горная Поляна» Советского рай она города Волгограда.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях Волгоградской государственной сельскохо зяйственной академии и на межвузовских научно-практических конференциях студентов и молодых ученых (2006…2007г.).
На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:
- конструкторско-технологическая схема создания ДПМ со свободным впус ком воздуха на базе двигателя Д-240Л;
- статистические математические модели серийных двигателей, дефор сированных до разного уровня постоянной мощности и нагруженных момен том с переменным коэффициентом вариации;
- результаты теоретических исследований ДПМ с разным уровнем дефорси рования серийного двигателя;
- результаты сравнительных испытаний серийных и экспериментальных МТА (разной модификации) и их технико-экономическая оценка.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано три работы.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, четырех глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 136 наименований, и приложений. Диссертация изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 84 иллюстрации.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность решаемой проблемы, указана цель, вытекающие из нее задачи исследований, и основные положения, выно симые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» содержится краткий анализ работ, выполненных другими авторами, по созданию ДПМ и их применению на колесных тракторах. Рассмотрены работы отечественных и за рубежных ученых, касающиеся технико-экономических показателей, эффек тивности применения и оптимизации характеристик двигателей и МТА:
Л.Е.Агеева, Е.М.Харитончика, С.И. Дорменева, А.П. Банника, Ю.Б. Моргули са, С.Р. Зоробяна, А.С. Зоробяна, Н.И. Трепененкова, З. А. Годжаева и других.
При работе сельскохозяйственного МТА вследствие колебаний нагрузки снижаются мощностные и экономические показатели двигателя в сравнении с режимом стационарного нагружения.
Одним из перспективных направлений совершенствования тракторных силовых установок является создание двигателей постоянной мощности. Ис пользование на тракторах ДПМ позволяет упростить трансмиссию, снизить ее материалоемкость и стоимость, повысить загрузку двигателя и производитель ность МТА.
Отмечая значимость ранее выполненных работ, следует учесть, что име ется резерв для дальнейшего повышения эффективности работы колесных тракторов, заключающийся в создании модификаций трактора МТЗ-80Л с ДПМ со свободным впуском воздуха при учете эксплуатационной загруженности се рийного трактора.
На основе проведенного обзора выполненных работ сформулированы следующие задачи исследования:
1. При разных нагрузочных режимах МТА теоретически исследовать влияние степени дефорсирования двигателя со свободным впуском в преде лах изменения мощности от номинальной до мощности при максимальном крутящем моменте серийного двигателя.
2. Разработать устройство и методику перенастройки топливного насоса для получения ДПМ с разной степенью дефорсирования.
3. Создать экспериментальную установку для трехуровнего дефорсирова ния серийного двигателя в пределах изменения мощности от максимальной (Nе max) до мощности при максимальном крутящем моменте (NеМк max).
4. Экспериментально исследовать влияние степени дефорсирования се рийного двигателя до уровня постоянной мощности при выполнении основ ных сельскохозяйственных операций.
5. Разработать рекомендации по оптимизации регуляторных характери стик серийных двигателей при перестройке их в ДПМ.
Во второй главе «Теоретическое исследование работы ДПМ со свобод ным впуском воздуха при колебаниях нагрузки» описаны теоретические ис следования влияния степени дефорсирования двигателя со свободным впуском в пределах номинальной и мощности при максимальном крутящем моменте се рийного двигателя при разных нагрузочных режимах работы МТА. Также опи сан способ переналадки дизельного двигателя со свободным впуском воздуха (на примере Д-240Л) в ДПМ путем перерегулировки топливного насоса и вы бора жесткости пружины корректора.
Методика вероятностно-статистических оценок параметров тяговых агре гатов разработана профессором Л.Е. Агеевым, в которой использована линей ная аппроксимация регуляторной характеристики двигателя.
При нормальном законе распределения момента сопротивления М С ма тематическое ожидание частоты вращения вала двигателя определяется по уравнению:
m = 0,5(а + b M C ) [a1 + b1 M C ] (t H ) + b1 (t H ) м, (1) где а, а1, b, b1 – постоянные величины и угловые коэффициенты, определяемые по характе ристике двигателя;
М – стандарт момента сопротивления;
М С момент сопротивления дви гателя;
(t H ) – нормальный закон распределения ошибок.
Математическое ожидание эффективной мощности может быть опреде лено из выражения:
mNe = 0,5(аM C + bM С + b м ) [a1M C + b1M С + b1 м ] (t H ) + b1 (t H ) M C м, (2) 2 2 2 где 2 - дисперсия момента сопротивления;
(t H ) функция Крампа;
t Н аргумент функ М ции Лапласа;
М Н номинальный крутящий момент.
Математическое ожидание расхода топлива определяется уравнением:
mG = 0,5( а + bM С ) [ a1 + b1M С ] (t H ) + b1 (t H ) м, (3) Т где а, а1, b, b1 постоянные величины, определяемые по характеристике тракторного двигателя.
При работе трактора с различными сельскохозяйственными машинами коэффициент вариации момента сопротивления двигателя изменяется в широ ких пределах. Так, например, для колесного МТА класса 1,4 коэффициент ва риации момента сопротивления изменяется от 10% до 30%.
На основании многочисленных работ с использованием трактора МТЗ 80Л с двигателем Д-240Л мы условно разбили возможный диапазон коэффици ента вариации момента сопротивления двигателя на четыре области: Мс1 = 10%;
Мс 2 = 15%;
Мс3 = 20%;
Мс 4 = 30%.
Используя метод вероятностно-статистических оценок выходных пара метров тяговых агрегатов, описанный выше, принимаем только три уровня де форсирования двигателя (рис. 1), так как при Мс4 = 30% дефорсирование двига теля уменьшает максимальный крутящий момент, поэтому приняты следующие коэффициенты вариации: Мс1 = 10%;
Мс 2 = 15%;
Мс3 = 20%.
60 кВт Ne, Ne (СД) Ne (ДПМ) Mс, Н м 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 Рис. 1. Изменение эффективной мощности двигателей Ne в зависимости от момента сопротивления Mс и коэффициента вариации VMс серийного двигателя: 1 - м = 10%;
2 - м = 15%;
3 - м = 20%;
4 - м = 30%.
Принято три уровеня дефорсирования двигателя: NН = 46 кВт ДПМ46, NН = 50 кВт ДПМ50, NН = 54 кВт ДПМ54. Это позволит увеличить реализуе мую мощность ДПМ при изменении динамической нагруженности МТА (коле баний момента сопротивления), что повысит производительность и экономич ность МТА на различных сельскохозяйственных работах.
Характеристики СД и ДПМ представлены на рисунке 2, где использованы следующие обозначения: Ммах максимальный момент;
Мн номинальный момент;
Мр рабочий момент (для ДПМ соответствует середине ветви посто янной мощности);
Мр мах максимальный момент ветви постоянной мощности.
ДПМ54 и ДПМ50 (двигатели с дефорсированием до мощности 54 кВт и 50 кВт) кроме рабочей ветви постоянной мощности имеют запас момента в диапазоне от Мр мах до Ммах.
Для двигателей с дефорсированием Мр не равен Мн, поэтому коэффици ент приспособляемости Кп можно считать от двух моментов Мр и Мн (Ммах = 293 кВт для всех двигателей). Выполненные расчёты представлены в таблице 1.
В последующих расчетах (таблица 2) использованы данные для описания корректорной ветви регуляторных характеристик дефорсированных двигателей Д-240Л.
Таблица Коэффициенты приспособляемости двигателей Параметры Мн Кп(н) Мр Кп(р) Двигатель СД 254 1,15 254 1, ДПМ46 200 1,47 246,5 1, ДПМ50 217 1,35 255 1, ДПМ54 234 1,25 263,5 1, Таблица Параметры корректорных ветвей регуляторных характеристик двигателей Д-240Л с разной степенью дефорсирования СД ДПМ46 ДПМ50 ДПМ а 950,748 630,975 642,917 643, а1 464,848 145,075 157,017 157, b -1,929 -0,851 -0,839 -0, B1 -1,830 -0,725 -0,724 -0, b/ 32,624 15,082 15,552 20, / b1 24,624 7,082 7,552 12, / b -0,017 0,041 0,041 0, / b1 -0,097 -0,035 -0,035 -0, Расчеты показали, что падение мощности при vм = 10% и Мр не наблюда ется для всех ДПМ, для СД составляет 5 кВт. При vм = 20% падение мощности составляет для ДПМ46 0,7 кВт, для ДПМ50 1,8 кВт, для ДПМ54 2кВт, для СД 12 кВт. Соответственно при vм = 30% падение мощности наибольшее. При малых колебаниях нагрузки характеристики ДПМ по сравнению со стационар ными практически не меняются, но при возрастании колебаний также следует ожидать падения параметров, но в значительно меньшей степени, чем у СД.
Это связано с особенностью работы любого ДПМ, работающего только на линейном корректорном участке регуляторной характеристики, по отношению к серийному двигателю, имеющему излом на номинальном режиме.
Такая картина наблюдается и при изучении изменений частоты вращения вала и изменении расхода топлива двигателя при работе ДПМ. Чем больше де форсирование, тем меньше падение параметров.
Для удобства теоретического анализа изменения названных параметров представлены в зависимости от момента сопротивления и его коэффициента вариации на рисунках 3 и 4. Вертикальными штриховыми линиями выделены зоны постоянной мощности для соответствующих двигателей.
При vм = 10% наиболее эффективны по реализуемой мощности СД и ДПМ54. Причем до МС =245Нм эффективен СД, а при больших значениях МС ДПМ54. При vм = 20% СД проигрывает ДПМ46 при нагрузках свыше 263Нм, а ДПМ50 свыше 240Нм. При vм = 30% СД имеет преимущества только перед ДПМ46 при нагрузках до 232Нм. Схожая картина наблюдается и при изучении скоростного режима двигателей. Результаты исследования изменений расхода топлива показывают, что наиболее экономичен ДПМ54 на всех режимах, ДПМ сравним с СД при vм = 20%, а ДПМ46 при vм = 30%. Причем для ДПМ46 и ДПМ выигрыш по расходу топлива наблюдается при моментах до 245Нм и 254Нм.
Динамика изменения расхода топлива в целом по характеру зависимостей не отличается от динамики изменения реализуемой мощности и частоты вращения в зависимости от коэффициента вариации момента сопротивления, однако ин тенсивность изменения показателей несколько ниже.
Таким образом, величина дефорсирования должна определяться степенью динамичности режимов нагружения трактора: чем динамичнее режим нагруже ния, тем больше следует дефорсировать двигатель.
В основу создания двигателя постоянной мощности на базе дизеля Д-240Л колёсного трактора МТЗ-80Л (теоретические основы более подробно изложены в работе Р.А. Косульникова) были положены результаты работы, вы полненной на кафедре «Тракторы, автомобили и теплотехника» ВГСХА при испытаниях тракторов ДТ-175С и МТЗ-80Л без наддува.
Постоянная мощность двигателем ДПМ46 обеспечивается в пределах час тот вращения 1500…2200 мин-1, двигателем ДПМ50 – в пределах 1700…2200 мин-1 и двигателем ДПМ54 – в пределах 1950…2200 мин-1.
Переналадка серийного двигателя состояла в перерегулировке регулятора топливного насоса. Винтом номинальной подачи топлива при частоте вращения, соответствующей максимальной мощности серийного двигателя nNe - max = 2200 мин (рис. 2), уменьшена цикловая подача топлива на величину ge qц = ( N e max N n ) (4) n 30 n Ne max для получения мощности при различных уровнях дефорсирования.
Постоянная мощность в диапазоне от nNemax до nМрмах получена при увели чении цикловой подачи топлива по закону, близкому к гиперболическому. Это достигалось путем изменения жесткости пружины корректора. Перерегулиров ка на различные уровни дефорсирования обеспечивалась винтом номинальной подачи топлива при следующих моментах: для ДПМ46 МН=293Нм, для ДПМ МН=284Нм, для ДПМ54 МН=270Нм. При этом изменялось предварительное сжатие пружины корректора, составляющее для ДПМ46 80Н, для ДПМ 87Н, для ДПМ54 95Н.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» пред ставлена методика проведения полевых экспериментальных исследований сельскохозяйственного МТА на базе колесного трактора класса 1.4.
Целью экспериментальных исследований являлось изучение влияния сте пени дефорсирования двигателя Д-240Л трактора МТЗ-80Л на динамические, энергетические и экономические показатели при выполнении различных сель скохозяйственных операций.
Рис. 2. Регуляторные характеристики Д-240Л и полученные на их основе ДПМ:
- - - - - - - серийная настройка;
_ экспериментальные настройки.
а) б) в) Рис 3. Закономерности изменения отклонения эффективной мощности Ne различных двигателей от стационарной характеристики СД в зависимости от момента сопротивления Мс при коэффициентах вариации м = 10% (а);
м = 20% (б);
м = 30% (в): СД;
ДПМ46;
ДПМ50;
ДПМ а) б) в) Рис 4. Закономерности изменения отклонения расхода топлива Gt различных двига телей от стационарной характеристики СД в зависимости от момента сопротивления Мс при коэффициентах вариации: м = 10% (а);
м = 20% (б);
м = 30% (в): СД;
ДПМ46;
ДПМ50;
ДПМ Стендовые испытания проводились с топливным насосом УТН-5 на безмо торном стенде СДТА-2 в лаборатории Волгоградской государственной сель скохозяйственной академии. Опыты проводились с различными параметрами пружины и при разных ходах корректора при одинаковом количестве циклов.
Эксперименты проводились на полях УНПЦ «Горная Поляна» на типич ных светло-каштановых почвах в период с мая по сентябрь 2006 года. Во время полевых испытаний с помощью регистрационной аппаратуры фиксировались следующие параметры: тяговое сопротивление сельскохозяйственной машины, частота вращения коленчатого вала двигателя, вертикальные и горизонтальные нагрузки на задний мост трактора, крутящий момент на полуосях ведущих ко лес, расход топлива, действительная скорость трактора.
Исследования проводились с четырьмя сельхозмашинами: плугом ПЛН 3-35, культиватором КРН-4,2, сеялкой СЗ-3,6, прицепом 2ПТС-4.
Для проведения экспериментов в соответствии с программой исследования на тракторе МТЗ-80Л был установлен измерительный комплекс, состоящий из компьютера типа NoteBook, аналого-цифрового преобразователя Е-440 и со единительной платы.
В четвертой главе «Анализ работы трактора МТЗ-80Л с ДПМ» пред ставлены результаты исследования двигателей ДПМ46, ДПМ50, ДПМ54 и СД на тракторе МТЗ-80Л в составе МТА на разных сельскохозяйственных операциях.
Приводится также технико-экономическое обоснование эффективности приме нения экспериментального агрегата.
В таблице 3 представлены характеристики динамических процессов и эксплуатационные показатели тракторов для различных сельскохозяйственных работ, полученные посредством теоретических расчетов и опытным путем.
Сравнение расчетных и экспериментальных данных показывает их хорошую сходимость. Расхождение экспериментальных показателей и теоретических, в данном случае, составляет не более 5%. Приведенные данные относятся к сле дующим работам: вспашка 2 залежных полях, а вспашка 1 – старопахотных.
Транспортные работы проводились на участке протяженностью 5 км при массе груза 2,5 т.
Данные таблицы свидетельствуют о том, что наблюдается некоторое уве личение тяговых сопротивлений (Ркр) у тракторов с ДПМ относительно серий ного двигателя, за исключением трактора с ДПМ46 на вспашке, культивации и посеве. Значения коэффициента буксования зависят от тяговой нагрузки и ко лебаний скорости и потому имеет такую же тенденцию изменения, как и тяго вое усилие.
Средние значения преодолеваемого момента сопротивления оказываются более высокими у МТА с ДПМ, поскольку он имеет возможность реализовать в рассматриваемых условиях большую мощность, тогда, как у СД наблюдается значительное снижение мощности по сравнению со стационарной регуляторной характеристики по мощности. Для агрегата с ДПМ46 эти значения момента практически одинаковы с серийным МТА.
Среднее значение частоты вращения вала двигателя определяется его на груженностью и закономерностью изменения момента двигателя от частоты вращения вала, а поэтому не является каким-либо ограничивающим фактором.
Ее значение определяет скорость движения агрегата, а следовательно, предо пределяет его производительность.
Следует отметить, что наилучшие значения показателей эффективной ра боты с ДПМ получены при рабочей частоте вращения коленчатого вала двига теля р, что свидетельствует о правильном комплектовании экспериментальных машинно-тракторных агрегатов (в соответствии с принципами математического моделирования корректорной ветви регуляторной характеристики).
Падение мощности двигателя Nе неодинаково для различных двигателей и зависит от сельскохозяйственных операций и степени дифорсирования. Наи меньшее падение мощности относительно стационарных характеристик наблю дается у ДПМ46, наибольшее – у СД.
По регуляторной характеристике среднее значение и изменение часового расхода топлива Gт у ДПМ меньше СД, поэтому для агрегатов с опытными дви гателями удельный расход топлива также меньше.
Удельный расход топлива gе наибольший у серийного МТА. При приме нении ДПМ наименьший удельный расход топлива у ДПМ50 за исключением транспортных работ, где выигрыш у ДПМ54. Удельный расход для ДПМ50 и ДПМ46 практически одинаков.
Результаты испытаний трактора МТЗ-80Л с ДПМ показывают, что наи более высокая эффективность достигнута при его работе на одних и тех же пе редачах с серийным трактором. При этом максимальные тяговые мощности Nкр немного выше у трактора с ДПМ. Исключение составляет наименее нагружен ная операция посев для ДПМ46 и ДПМ50. ДПМ54 на посеве имеет большую тяговую мощность Nкр, так как менее других ДПМ дефорсирован, и данная опе рация наименее нагруженная.
Тяговые к.п.д. (т) тракторов при данных крюковых мощностях изменя ются приблизительно одинаково для всех типов МТА (см. табл. 3). Варьирова ние к.п.д. в пределах 5,6%.
Наиболее производителен МТА с ДПМ54 на старопахотных землях, но при работе на залежных землях наиболее выгодно дефорсирование двигателя до ДПМ50.
При вспашке, культивации и посеве двигатель, дефорсированный до ДПМ50, имеет наименьший расход топлива, а при работе трактора на транс портных работах наибольший экономический эффект был достигнут с двигате лем ДПМ54.
С падением нагрузки на МТА происходит падение выигрыша погектар ного расхода. На вспашке 2 (фон – залежное поле) наименьший расход имеет ДПМ46.
Анализ результатов испытаний МТА с колесными тракторами с различ ными регулировками двигателей позволил ранжировать их по эффективности так, как показано в таблице 4.
Таблица Ранжирование МТА по эффективности Эффективность МТА по экологич- по тя- по относи- по динамичности по рас- по про Конструкция ности (коэф- говому тельному изменения пара- ходу изводи МТА фициенту бук- к.п.д., тяговому метров топлива, тельно т к.п.д., т отн Ркр Мс сования ) сти, W gга 1. Трактор с 1 2 1 2 2 4 2 3, ДПМ 2. Трактор с 3 1 2 3 3 2 1 ДПМ 3. Трактор с 4 1 3 4 4 1 3 ДПМ 4. Трактор с 2 1 4 1 1 3 4 3, СД В этой таблице 1, 2, 3, 4 – места, занимаемые агрегатами, начиная с луч ших (с 1 места), где сами места являются усредненными по всем операциям.
Следует заметить, что данные неоднозначны на разных операциях.
Указанный в таблице тяговый КПД подсчитывается как:
т = Nкр/Nе, (5) где Nкр – крюковая мощность, Nе – реализуемая двигателем мощность при переменном крю ковом усилии.
Данный КПД некорректно оценивает эксплутационные возможности дви гателя. Снижение реализуемой мощности уже является ухудшением эксплута ционных качеств двигателя.
Более представительной оценкой может стать относительный тяговый КПД (т отн), относительный в том смысле, что он отнесен к уровню мощности стационарной регуляторной характеристики по установленным регулировкам.
Для серийного двигателя названный уровень мощности будет Nен, а для двига телей постоянной мощности с разным уровнем дефорсирования соответственно 46, 50, 54 кВт.
Этот относительный тяговый КПД подсчитывается так:
т отн = Nкр/Nе стац, (6) где Nе стац – уровень мощности двигателя, установленный перерегулировкой.
Анализ приведенной таблицы показывает, что по экологическим показа телям (по отсутствию истирания почвы), а также по динамичности силовых факторов (Ркр и Мс) лучшим оказывается СД, на втором месте с незначитель ным отставанием идет ДПМ46, третьем – ДПМ50, четвертым – ДПМ54. Но, учи тывая уменьшение вредных выбросов по причине увеличения коэффициента избытка воздуха при снижении подачи топлива у ДПМ, наилучшим будет ДПМ46, вторым – СД. То есть СД и ДПМ46 наиболее экологичны. Проведя ана лиз по эффективности МТА (производительности и расхода топлива) можно сделать вывод, что на первом месте находится ДПМ50 с небольшим отставани ем идет ДПМ54, далее идет ДПМ46 и СД.
Из представленного материала можно сделать вывод, что снижение пока зателей серийного двигателя проявляется на более нагруженных операциях. Та ким образом, эффективность работы трактора с ДПМ обеспечивается способ ностью самого двигателя приспосабливаться автоматически к изменению внешней нагрузки в рассматриваемых диапазонах. Соответственно количество передач можно уменьшить за счет большего коэффициента приспособляемости двигателя, а технологические (пониженные) скорости движения могут быть по лучены при работе ДПМ на частичных регуляторных ветвях характеристики.
Предположительно, за счет снижения цикловой подачи топлива у эксперимен тального двигателя будет менее нагруженный тепловой режим и больший мо торесурс.
У трактора с ДПМ по сравнению с серийным трактором отмечается:
1) увеличение производительности W, вызванное повышением скорости движения из-за большего коэффициента приспособляемости и работой на измененной корректорной ветви регуляторной характеристики;
2) снижение расхода топлива gга, обусловленное большей стабильностью характеристик ДПМ при переменной нагрузке на крюке;
3) зависимость выигрыша по производительности от типа выполняемой сельскохозяйственной операции: при более высоких нагрузках выигрыш выше.
Объяснением приведенным выводам может послужить спектральный анализ параметров нагружения МТА с различными типами двигателя по рас пределению среднеквадратичного отклонения по частотным полосам S.
Полученные спектральные плотности тяговых сопротивлений SРкр при работе МТА имеют три ярко выраженных максимума (рис. 5а). Первая составляющая формируется за счет взаимодействия рабочих органов сельско хозяйственной машины с почвой, неоднородностью ее физико-механических свойств и макрорельефа. Вторая и третья составляющая вызвана продольно угловыми колебаниями трактора, с незначительным смещением в область более высоких частот при переходе от вспашки к культивации и посеву. Данный эф фект объясняется повышением рабочей скорости МТА.
Агрегаты с ДПМ имеют в основном большую первую составляющую за счет более пологой характеристики двигателя.
Спектральные плотности и среднеквадратические отклонения момента сопротивления вала двигателя, вид которых представлен на рис. 5б, характери зует его динамическую нагруженность и были получены расчетным путем ис ходя из Ркр, проверены, что подтверждает адекватность математической мо дели. Основной диапазон спектральных плотностей момента сопротивления Мс S находится в той же области, что и тяговое сопротивление.
Как видно из приведенных данных, применение ДПМ позволяет снизить колебания частоты вращения энергетической установки на наиболее динамиче ских операциях, что приводит к более эффективной и надежной работе МТА (рис. 5в). В основном максимальный пик у ДПМ тем выше, чем больше степень дефорсирования.
а) б) в) Рис 5 Спектральная плотность тягового усилия (а), момента сопротивления (б), часто ты вращения вала (в) двигателя при работе трактора с плугом ПЛН-3-35 (вспашка 2):
ДПМ46;
ДПМ50;
ДПМ54;
СД Динамичность изменения параметров тягового усилия Ркр и момента со противления Мс (см. табл. 3) меньше у СД, на втором месте по этому признаку находится ДПМ46, на третьем – ДПМ50 и на четвертом – ДПМ54. Однако дина мичность изменения частоты вращения имеет другой вид. Наименьшей она оказывается у ДПМ54, далее следует ДПМ50, а потом СД и ДПМ46.
Двигатель постоянной мощности работает на корректорной ветви харак теристики, поэтому необходима загрузка серийного двигателя по моменту со противления, сопоставимая с ними, что и объясняет его работу на корректорной ветви (режим перегрузки). Этим объясняется выбор одинаковых передач для всех видов МТА на представленных операциях.
Как видно из таблицы 3, наблюдается увеличение Ркр и Ркр у тракторов с ДПМ относительно СД, хотя ДПМ46 и СД примерно одинаковы. Также видно, что коэффициент вариации тягового усилия Ркр не имеет прямой зависимости от среднего значения. Это объясняется как видом сельскохозяйственной рабо ты, так и типом почвы (вспашка 1 – старопахотные земли, вспашка 2 – залеж ные земли).
Коэффициент вариации момента сопротивления Мс, в значительной сте пени зависит от передаточного отношения трансмиссии и практически не зави сит от типа двигателя.
Среднее значение оборотов имеет зависимость не столько от нагружен ности, сколько от динамичности процессов. Чем она больше, тем больше паде ние оборотов у СД, но в меньшей степени это наблюдается у ДПМ.
При этом чем выше Мс, тем больше значение относительно других ДПМ. Так при наименее динамичной операции – посеве (Мс 16 %) коэффици ент вариации частоты вращения вала двигателя у СД минимален относи тельно всех ДПМ. Однако на транспортных работах он наибольший, а на вспашке 2 сравним с ДПМ46. Такая же зависимость от Мс наблюдается и для средних значений оборотов двигателя.
При увеличении динамичности процессов становится оправданым глубо кое дефорсирование, то есть при Мс 16 % (посеве) наблюдается проигрыш в оборотах у ДПМ46, а ДПМ50 сравним с СД. Уже при Мс 22 % (вспашка 1) ДПМ50 имеет большее обороты а ДПМ46 сравним с СД. На других операциях при Мс 28 % (культивация) Мс 30 % (транспортные) Мс 37 % (вспашка 2) наблюдается выигрыш любого ДПМ относительно СД по оборотам, и чем он выше тем больше разница. Та же картина наблюдается по скоростям и произ водительности, и как следствие – расходу топлива.
Проигрыш СД перед ДПМ объясняется в большей степени зависимостью от динамических показателей МТА (чем нагруженности), в частности от Мс.
Представив данные таблицы 3 в виде зависимости падения мощности двигателя относительно стационарной характеристики СД, для различных типов МТА (рис. 6), можно определить требуемую степень дефорсирования в зависимости от динамичности показателей. При Мс 16 % (посев) необходима номинальная мощность двигателя Nн = 55 кВт;
при Мс 22 % (вспашка 1) Nн = 53,5 кВт;
при Мс 28 % (культивация) Nн = 53 кВт;
при Мс 39 % (вспашка 2) Nн = 51 кВт.
Единственным отличием являются транспортные работы, для которых согласно выше перечисленному ряду соответствует Nн = 53 …53,5 кВт.
Рис. 6 Закономерности изменения мощности двигателя, относительно серийного двигателя, уровня дефорсирования и вида сельскохозяйственных операций: Посев ( 16 %);
Вспашка 1 ( 22 %);
Культивация ( 28 %);
Транспортная ( 30 %);
Вспашка 2 ( 39 %) Полученные заключения по анализу результатов обработки опытных данных свидетельствует о том, что они подтверждают теоретические разработ ки по изучению возможности использования дефорсирования серийного двига теля сельскохозяйственного трактора для повышения его эксплутационной эф фективности. Оптимальная степень дефорсирования определяется, как правило, не видом выполняемой сельскохозяйственной операции (нагруженностью МТА), а величиной неравномерности нагрузки на МТА, формирующейся взаи модействием рабочих органов с обрабатываемым материалом. При этом основ ным показателем являются колебания момента сопротивления двигателя.
Приведенные разноречивые выводы о влиянии динамичности сельскохо зяйственных операций при проведении разных работ свидетельствуют о невоз можности выбора одного частного критерия для оптимизации степени дефор сирования двигателя до ДПМ универсального колесного трактора.
Основными частными критериями являются два объективных критерия:
производительность МТА W (производственный) и погектарный расход топли ва gга (экономический).
Для составления интегрального критерия предлагается выбрать субъек тивный критерий, формально объединяющий названные. Таким критерием мо жет быть обобщенный аддитивный критерий. Учитывая различную направлен ность оптимальности частных критериев W и gга (оптимизация W связана с ростом его, а gга – с уменьшением), запишем его для одной операции в виде:
Wn g fi (N ) = + min, (7) Wmax gn где Wn – максимальная производительность при рассматриваемом коэффициенте вариации момента сопротивления;
Wmax – наибольшее значение из максимальных производительно стей, полученная в проводимой серии опытов;
gn – минимальный погектарный расход топли ва при рассматриваемом коэффициенте вариации момента сопротивления;
gmin – наимень ший из минимальных погектарных расходов топлива всей серии опытов.
С учетом нормативов годовой загрузки трактора в часах эксплутацион ного времени на используемых сельскохозяйственных операциях, взятые в до лях от общей годовой загрузки для вспашки с1 = 0,11, культивации – с2 = 0,16, посева – с3 = 0,07, транспортной операции – с4 = 0,65, суммарный аддитивный критерий (оптимизация по максимуму его) выражается зависимостью:
W 5 g F ( N ) = сi f i ( N ) = сi n + min. (8) W gn max i =1 i = Полученные данные приведены в таблице 5, где ранжирование агрегатов начинается с лучших (с первого места).
Таблица Значения аддитивного критерия оптимизации и его ранжирование для различных МТА С/х операция Вспашка, куль- Вспашка, культивация, Транспортная Тип двигателя тивация, посев посев, транспортная ДПМ46 3 3 ДПМ50 2 1 ДПМ54 1 2 СД 4 4 Аддитивный критерий показывает, что распределение сельскохозяйст венных работ колесного трактора класса 1,4 с учетом годовой загрузки, отдает предпочтение трактору с ДПМ мощностью 52…53 кВт.
Исходя из экономической эффективности использования наилучшим яв ляется ДПМ с мощностью 54 кВт, а на втором месте ДПМ50.
Поэтому наиболее целесообразно принять степень дефорсирования дви гателя 53 кВт.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Дефорсирование серийного двигателя со свободным впуском является эф фективным способом создания ДПМ, не требующим значительных материальных затрат. Работа ДПМ в пределах корректорного участка скоростной характеристики при большом коэффициенте приспособляемости обеспечивает увеличение произво дительности МТА и снижение расхода топлива в сравнении с серийным двигателем.
2. Проведенный теоретический анализ работы колесного трактора в со ставе сельскохозяйственного МТА, оснащенного дефорсированным серийным двигателем до ДПМ, показал, что:
наиболее эффективны в зависимости от момента сопротивления (МС) и коэффициента вариации момента сопротивления ( Мс ) ДПМ54 при Мс = 10%, ДПМ50 – Мс = 20%, ДПМ46 – Мс = 30% ;
применение ДПМ при переменной нагрузке на крюке способствует ста билизации мощности в пределах рабочих частот вращения коленчатого вала двигателя.
2. Доработана математическая модель МТА вероятностно-статистической об работки выходных параметров для различных типов двигателей с целью проверки теоретических исследований, позволяющая анализировать вопросы использования дефорсированных двигателей до ДПМ в условиях эксплуатации.
4. Разработан экспериментальный двигатель с возможностью изменения степени дефорсирования в полевых условиях на различные уровни мощности.
5. Экспериментальными исследованиями показано:
применение ДПМ с мощностью 50 и 54 кВт повышает энергетический уровень колебательных процессов на крюке трактора и момент сопро тивления двигателя, сдвигая максимумы всплесков спектральной плотности в область более высоких частот вынужденных колебаний;
при этом максимумы спектров момента сопротивления расположены от 0,34 до 2,68 Н2·м2·Гц, крюкового усилия - 0,32…2,70 кг2·Гц;
применение ДПМ50 и ДПМ54 снижает колебания частоты вращения ва ла энергетической установки, обеспечивая более равномерное движе ние трактора;
использование агрегата с ДПМ повышает экологическую безопасность проведения работ, уменьшая токсичные выбросы двигателя из-за уве личения коэффициента избытка воздуха, снижает погектарный расход топлива в сравнении с серийным агрегатом. Наиболее эффективен (в смысле возможности преодоления динамического сопротивления на крюке) во всем диапазоне изменения коэффициента вариации крюко вого усилия (vРкр = 0,10 – 0,30) в эксплутационных условиях двигатель, дефорсированный до мощности 46 кВт;
по сравнению с серийным МТА применение агрегатов с ДПМ54 повы шает производительность при посеве на 1,8%, культивации – 12,6%, транспортных работах – 20%, вспашке – 7,6…10,6% (в зависимости от почвенного фона). Применение ДПМ50 повышает производительность при культивации на 9,5%, вспашке – 2,7…14,9%, транспортной опера ции – 13,2%;
по расходу топлива наиболее эффективен ДПМ50: при посеве расход топлива уменьшается на 7,1%, при культивации – 9,7%, при вспашке – 8,3…13,6% (в зависимости от почвенного фона). На транспортных ра ботах ДПМ50 сравним с ДПМ54, уменьшение расхода топлива состав ляет 11,6%;
при коэффициенте вариации до vм = 14% целесообразно дефорсирова ние двигателя до мощности Nе = 54 кВт, до vм = 18% – Nе = 50 кВт, до vм = 28% – Nе = 46 кВт.
оптимальная степень дефорсирования двигателя до уровня реализации постоянной мощности с учетом аддитивного критерия составляет 52…53 кВт;
аддитивный критерий представляет собой сумму частных критериев по производительности и погектарного расхода топлива для различных сельскохозяйственных операций с учетом их веса в годо вом объёме эксплутационного времени;
повышение эффективности работы МТА с ДПМ тем больше, чем бо лее тяжелая, нагруженная и динамичная по изменению параметров операция.
6. Технико-экономическое обоснование эффективности применения экс периментального агрегата показало, что использование трактора с ДПМ в со ставе МТА при выполнении различных сельскохозяйственных операций по зволяет снизить приведенные затраты относительно серийного двигателя в за висимости от вида работ при использовании ДПМ46 до 9,9%, ДПМ50 – 0,9…11,6%, ДПМ54 – 2,3…14,5%.
7. На основании полученных результатов анализа можно рекомендовать:
– с учетом аддитивного критерия для годового объема сельскохозяйст венных работ трактора МТЗ-80Л дефорсировать двигатель Д-240Л до мощности 53 кBт;
– перерегулировку двигателей на характеристику, обеспечивающую на званное дефорсирование без острых перегибов на рабочем (корректор ном) участке характеристики;
– применение устройств, позволяющих дефорсировать двигатель в зави симости от момента сопротивления, как в ручную, так и автоматически при настройке МТА.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Сергеев, А.П. О степени дефорсирования дизельного двигателя до ДПМ с целью повышения эксплутационных показателей МТА. / А.П. Сергеев, П.В.
Коновалов, А.Ю. Попов.// Современные проблемы развития АПК: материа лы научо-практической конференции. 1-3 февраля 2006 г. / ВГСХА. – Волго град, 2006. – С. 127-131.
2. Коновалов, П.В. Повышение эффективности работы трактора класса 1,4 за счет применения ДПМ / П.В. Коновалов, А.Ю. Попов.// Известия Нижне волжского агроуниверситетского комплекса / ВГСХА. – Волгоград, 2007 №1(5).– С. 90-95.
3. Кузнецов, Н.Г. Оптимальное дефорсирование серийного двигателя трактора класса 1,4 до режима ДПМ / Н.Г. Кузнецов, А.П. Сергеев, П.В. Коновалов, А.Ю. Попов. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007 №6. – С. 22-24.
Подписано к печати _ 09.07.
Формат 60x84 1/16.
Уч.-изд. л. 1,0. Тир. 100. Заказ Издательско-полиграфический комплекс ВГСХА «Нива» 400002, г. Волгоград, Университетский пр-т, 26.