автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Методика оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения

005011302

ШКЕЛЬ Андрей Сергеевич

МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ И ПАРАМЕТРОВ ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

і (лАР т

Москва, 2012

005011302

Работа выполнена на кафедре «Специальные автомобили и бортовые информационно-управляющие системы» Федерального государственного бюджетного общеобразовательного учреждения Высшего профессионального образования «Московского Государственного Университета Приборостроения и Информатики»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Московкин Виктор Владимирович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Девянин Сергей Николаевич

- кандидат технических наук Савельев Валерий Алексеевич

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Орловский государственный

аграрный университет»

Защита диссертации состоится 19 марта 2012 г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д.220.044.01 при ФГБОУ ВПО МГАУ по адресу: 127550, Москва, Лиственничная аллея, д. 16а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан 15 февраля 2012 г. и размещен на официальном сайте ВАК Минобрнауки России http://vak.ed.gov.ru 6 февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

А.Г. Левшин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современном агропромышленном комплексе вопросы сокращения энергозатрат и повышения рентабельности производства продукции выходят на первое место. Кроме того, вследствие встраивания России в структуру мирового товарооборота возрастают объемы перевозок и грузооборота продукции сельскохозяйственного назначения.

Все это приводит к необходимости увеличения и обновления парка сельскохозяйственных машин. Характерными особенностями применяемых в агропромышленном комплексе транспортных средств являются длительный срок эксплуатации и большие пробеги. В связи с чем разработка методик, позволяющих не только оптимизировать энергозатраты уже находящейся в эксплуатации на предприятиях техники, но и быстро спрогнозировать и оценить влияние применяемых конструктивных решений на вновь проектируемой технике, является актуальной задачей.

Цель работы - разработка методики оценки влияния параметров силовой установки и передаточных чисел трансмиссии на топливную экономичность транспортных средств сельскохозяйственного назначения, позволяющей учитывать все характерные режимы работы.

Задачи исследования.

1. Определить теоретические зависимости топливной экономичности и скоростных свойств автомобиля сельскохозяйственного назначения от параметров силовой установки и передаточных чисел трансмиссии.

2. Исследовать механизм влияния механических потерь двигателя на топливную экономичность транспортного средства.

3. Выбрать критерий экспресс-оценки топливной экономичности транспортных средств сельскохозяйственного назначения на стадии проектирования.

4. Создать методику оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

5. Оценить адекватность разработанной математической модели и достоверность полученных с использованием методики результатов.

Объекты исследования - транспортные средства сельскохозяйствешюго назначения полной массой от 3 до 40 т.

Методы исследования. В основу теоретических исследований положены методы математического моделирования, теоретической механики, численные методы математического анализа. В качестве прикладных средств данных методов использован программный пакет для комплексных исследований транспортных средств - «МВК». Экспериментальные исследования включают методы проведения и обработки дорожных экспериментов.

Научная новизна работы заключается в разработке математической модели зависимости топливной экономичности и скоростных свойств транспортного средства сельскохозяйственного назначения от параметров

силовой установки и передаточных чисел трансмиссии с учетом энергетического баланса на всех режимах движения.

Практическая значимость работы.

1. На основе разработанной математической модели создана методика оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

2. С применением вновь созданной методики оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения на этапе предпроектной подготовки и формирования технического задания возможен обоснованный и оптимальный выбор параметров, таких как рабочий объем и количество цилиндров двигателя, среднее индикаторное давление, передаточные числа трансмиссии и т.д.

3. Методика оптимизации режимов работы с учетом энергетического баланса на всех режимах движения транспортного средства сельскохозяйственного назначения позволяет подобрать транспортное средство из существующего модельного ряда под конкретного потребителя по показателям эффективности и топливной экономичности.

4. На этапе проектирования существенно снижается стоимость и уменьшаются сроки экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы.

Вновь разработанная математическая модель и созданная на ее основе методика оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения используются в работе научно-исследовательской и проектно-учебной лаборатории транспортных средств сельскохозяйственного назначения Инновационного научно-технического комплекса ФГБОУ ВПО МГАУ, что подтверждается соответствующей справкой о внедрении.

Методика оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения в виде компьютерной программы внедрена в практику работы ОАО «Автомобильный завод «Урал», что подтверждается соответствующим актом внедрения.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на:

- Международной научно-практической конференции «Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве», Москва, ФГБОУ ВПО МГАУ, 2011 г.;

- 74-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «Экология и энергетическая эффективность автотранспортных средств», п. Автополигон, Московская обл., НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», 2011 г.;

- III и VII Международных автомобильных научных форумах (МАНФ), Москва, 2005 и 2009 гг.;

- 66-й Международной научно-технической конференции «Автомобиль и окружающая среда», Москва, 2009 г.

- заседаниях кафедры «Специальные автомобили и бортовые информационно-управляющие системы» ФГБОУ ВПО МГУПИ (2009-201 ] гг.)

Все положения, вошедшие в работу, рассматривались на заседаниях НТС МГТУ «МАМИ» и ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ, в их числе 4 статьи в центральных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 97 наименований. Объем диссертационной работы составляет 165 страниц. Основной текст изложен на 135 страницах и содержит 19 рисунков, 28 таблиц и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена суть решаемых в диссертационной работе задач, показана актуальность исследования, охарактеризована научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ существующих методов для исследования и расчета скоростных свойств и топливной экономичности транспортных средств сельскохозяйственного назначения. Рассмотрены характерные особенности экспериментальных и расчетных методов.

В нашей стране имеется богатый опыт создания транспортных средств сельскохозяйственного назначения и вопросам оценки энергоэффективности и другим эксплуатационным характеристикам, как правило, уделялось большое внимание. Данная проблематика нашла отражение в работах следующих авторов: Архангельского В.М., Безбородовой Г.Б., Беленького Ю.Ю., Высоцкого М.С., Гришкевича А.И., Девянина С.Н., Дзоценидзе Т.Д., Дивакова Н.В., Дидманидзе О.Н., Долгошеева A.M., Евтюшенкова Н.Е., Ерохова В.И., Есеновского-Лашкова Ю.К., Зангиева A.A., Зязева В.А., Измайлова А.Ю., Московкина В.В., Токарева A.A., Фаробина Я.Е., Чудакова Е.А., Шатрова Е.В. В этих исследованиях было уделено большое внимание определению отдельных составляющих сопротивлений движению транспортных средств. По отдельности эти проблемы отражены в работах следующих авторов: Евграфова А.Н., Козловской М.А., Орлина A.C., Петрушова В.А., Савельева В.А., Селифонова В.В., Шуклина С.А.

Однако расчетные зависимости, представленные в этих работах, как правило, не учитывают преимущественные режимы движения транспортных средств сельскохозяйственного назначения: неустановившееся движение при частичном использовании мощности двигателя, торможение двигателем и моторным тормозом, движение на уклонах и подъемах и т.п., либо производилась оценка транспортных средств только по агротехническим требованиям.

Наиболее адекватной представляется система методов для исследования и расчета топливной экономичности и скоростных свойств автомобиля,

изложенная в работе «Система методов для исследования и расчета топливной экономичности и скоростных свойств автомобиля» В.В. Московкина, характерной особенностью которой является пропорциональное распределение тепловых потерь по составляющим топливного баланса автомобиля. Однако в упомянутой работе также не рассматривался вопрос об обоснованном выборе критериев оценки перспективности применения силовой установки на транспортных средствах сельскохозяйственного назначения. Кроме того, программный продукт «МВК» требует большого количества входных параметров силовой установки, что затрудняет оперативность создания объектов, особенно при работе с двигателями зарубежных производителей. В результате проведенных исследований были сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Во второй главе рассмотрены теоретические зависимости энергетического и топливного баланса. Также проведены теоретические исследования влияния основных параметров двигателя на топливную экономичность транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

Энергетический баланс транспортного средства имеет следующий вид:

где вт — масса сгоревшего топлива, кг; Ни - низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг; \У. - количество теплоты, преобразованное в механическую работу, кДж; \УП - тепло, потерянное при преобразовании тепловой энергии в механическую работу, кДж.

Произведенная механическая энергия затем преобразуется в работу всех видов механических потерь:

О 1 ;

где Б - путь, м; индикаторная сила, Н (приведенная к колесам

транспортного средства, характеризует сумму всех видов механических потерь, имеющих место при движении транспортных средств сельскохозяйственного назначения).

Применительно к простейшему случаю работы транспортного средства -движению на горизонтальном участке дороги с постоянной скоростью -формула (2) принимает вид:

(3)

Поскольку наиболее часто применяемым критерием оценки энергетического совершенства работы транспортного средства является оценка его топливной экономичности, выражающаяся в расходе топлива л/100 км, то примем путь, равный 100 ООО метров (105 м). Таким образом, энергетический

баланс транспортного средства для данного режима движения можно выразить в виде:

\У + +W , (4)

і м т тр Г IV

или для общего случая

\У +W +W +W +W + \У +W., (5)

і м т тр { \у а .1

где Wм - энергия, затраченная на преодоление механических потерь в двигателе (трение поршней о стенки цилиндров, привод насосов и системы газораспределения и т.п.); - энергия, затраченная на преодоление потерь в приводе вспомогательного оборудования (вентилятор, компрессор, генератор и т.п.); WTp - энергия, затраченная на преодоление потерь в трансмиссии; -энергия, затраченная на преодоление сопротивления качению шин; Ww, -аэродинамического сопротивления; \Уа - энергия, затраченная на преодоление подъемов; Wj энергия, затраченная на преодоление сил инерции.

Для определения путевого расхода топлива используется следующая формула:

где gis - путевой удельный индикаторный расход топлива, г/105Дж или г/Н-100 км.

Численное значение g¡¡¡ равно:

/И-и

-л

(7)

где gis и gis - текущее и минимальное значение путевого удельного

г

Í---Mg и Р, -

\_Н -100 км J 8 s

индикаторного расхода топлива —^- или

коэффициенты, учитывающие изменение gis от р, и со; р„ и С0о — точки

перегиба зависимостей gjs =f{p¡) и gis =f(со); со =-— - угловая скорость

Гк

вращения выходного вала двигателя.

Многопараметровая характеристика gis = f(p¡, ш) имеет простой вид (рисунок 1), кроме того, образующие ее зависимости gis = f(co) и gis = f(p,) располагаются на поле графика с определенной закономерностью, что создает благоприятные условия для математического описания.

Рисунок 1. Многопарамегровая характеристика дизеля с рабочим объемом 17,24 л.

На основе вышеперечисленных зависимостей были проведены теоретические исследования влияния основных параметров двигателя на топливную экономичность транспортных средств сельскохозяйственного назначения. Для этого более подробно рассмотрим структуру энергии, затрачиваемой на преодоление механических потерь двигателя. Учитывая, что величины \УМ (энергия, затраченная на преодоление механических потерь в двигателе - трение поршней о стенки цилиндров, привод насосов и системы газораспределения и т.п.) и \\\ (энергия, затраченная на привод вспомогательного оборудования - вентилятора, компрессора, генератора и т.п.) имеют схожую структуру, представим их в виде одной составляющей - \УМТ. Тогда величина \УМТ имеет вид:

"мт ж

4 7Г

рі+РЇ+Сь.+Ь,)!^.'

(8)

где / - число цилиндров и V/, - рабочий объем одного цилиндра, м3; и,р -передаточное число трансмиссии; г, - радиус качения колеса, м; =Рм +Рт ~ давление механических потерь двигателя и потерь на привод вспомогательного оборудования при скорости, близкой к 0; ЬМТ=ЬМ + ЬТ- коэффициенты, учитывающие интенсивность роста от скорости давления механических потерь двигателя и потерь на привод вспомогательного оборудования.

Параметры Рм, Р*, ^м и К в отличие от р. являются условными величинами, приведенными к рабочему объему двигателя, поскольку не представляют собой давления в прямом смысле этого слова. Однако они широко используются на практике из-за удобства расчетов характеристик двигателей, их анализа и сопоставления с аналогами.

Проиллюстрируем качественную взаимосвязь между мощностью двигателя и расходом топлива. При этом на данном этапе для простоты рассуждений соблюдаются два условия:

1. Изменение одного из параметров, определяющих величину эффективной мощности, не влияет на другие.

2. Потребляемая эффективная мощность при всех изменениях параметров должна оставаться неизменной.

На основе формул (5), (6) и (8) определим способы снижения расхода топлива:

- уменьшение е^: 1) улучшение рабочего процесса в двигателе; 2) рациональное использование полученного тепла. Однако, проведя теоретический расчетный анализ по данному параметру более 1500 дизельных двигателей, по которым имеются статистические данные, было установлено, что gis изменяется в очень незначительных пределах - от 4,025 до 4,485;

- снижение механических потерь в двигателе и потерь на привод

вспомогательного оборудования (р° ,Ь ). Уменьшение данных показателей

мт м г

осуществляют за счет оптимизации геометрических параметров цилиндров, применения специальных антифрикционных покрытий и масел и т.п. Однако анализ литературных источников и расчетные исследования показывают, что резервы по улучшению таким образом характеристик автомобиля почти исчерпаны;

- увеличение рабочего объема двигателя (Vh), давления в его цилиндрах (ре) и угловой скорости вращения коленчатого вала со.

Если при движении по дороге автомобиль с четырехцилиндровым двигателем (i=4) имеет среднее эффективное давление в цилиндрах рс=1, а угловую скорость на первичном валу коробки передач со, то развиваемая его двигателем эффективная мощность:

„ iVh

Ne = —pew (9)

Vh-ю

в условных единицах составляет:-.

71

Используя эти данные, величину механических потерь в двигателе и потерь на привод вспомогательного оборудования определим с помощью (8).

Для возможности количественного сопоставления WMt, рассчитанной для исходного варианта, с другими возможными вариантами установим конкретные

значения величин р° = 0,6 и b Значения величин р° , b выбраны

мт мт 2 мт мт г

и

таким образом, что при работе двигателя на средних частотах вращения соотношения между скоростной и не зависящей от скорости составляющей его механических потерь и потерь на привод вспомогательного оборудования примерно соответствовали их реальным значениям.

На основе приведенных зависимостей показано изменение величины \Утт при увеличении эффективной мощности в 2 раза за счет ре, 1 и со при разных значениях передаточных чисел трансмиссии и неизменном значении запаса тяги. Полученные значения приведены в таблице 1.

Таблица 1

№ варианта Значение параметров (в условных единицах) Значение \УМ, (в условных единицах)

Р* 1 со

исходный 1 4 СО 11 г к

1 2 4 С0 " гк

2 1 8 со 0 7-—•—2.-3 я г к

3 1 4 2ы * гк

Анализ материалов, имеющихся в таблице, показывает, что в двух случаях из трех при увеличении эффективной мощности двигателя за счет увеличения давления в цилиндрах (ре) и рабочего объема (¡VII) величина \УМТ снижается. При этом менее эффективным является вариант 2, поскольку при его реализации величина \УМТ по сравнению с исходной несколько снизилась за счет выражения в круглых скобках (в условных единицах на 30%). При первом варианте Wм.t уменьшилась более чем в 2 раза (в условных единицах по сравнению с исходным вариантом почти в 3 раза). В третьем варианте величина \УМТ по сравнению с исходной не изменилась.

Таким образом, проведена теоретическая оценка влияния различных способов увеличения мощности двигателя на удельный вес механических потерь в топливном балансе транспортного средства, а следовательно, и на его топливную экономичность. Из наших построений видно, что при увеличении мощности двигателя наибольший результат с точки зрения топливной экономичности дает увеличение давления в цилиндрах двигателя, меньший -увеличение его рабочего объема, а величина максимальных оборотов двигателя не влияет на эксплуатационную топливную экономичность транспортного средства. Этими данными следует руководствоваться при выборе параметров транспортного средства.

В связи с этим по величине максимального среднего индикаторного давления в цилиндрах двигателя - рш^ можно судить об удельном весе сопротивления двигателя в топливном балансе транспортного средства, на котором он будет установлен. Здесь соблюдается соотношение: чем больше

и

Рим* > тем .меньше доля сопротивлений двигателя в топливном балансе транспортного средства. На рисунке 2 показана структура расхода топлива используемого в сельскохозяйственном производстве грузового автомобиля КамАЗ 4528-10 (сеновоз, силосовоз) на базе шасси КамАЗ 65115 с одинаковым рабочим объемом двигателя 10,85 литра и разным максимальным средним индикаторным давлением =1,37 МПа и 1,12 МПа соответственно.

а)

б)

Смрость. кн/ч

Рисунок 2 (а, б). Расход топлива на высшей передаче автомобиля КамАЗ 4528-10 с Рппах=1,37 (а) и КамАЗ 4528-10 с р|тах=1,12 (б).

В третьей главе на основе применения математической модели для расчетных исследований транспортных средств «МВК» разработана методика оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения, структурный алгоритм которой представлен на рисунке 3.

Данная методика позволяет на стадии проектирования производить расчеты создаваемых силовых агрегатов автомобиля и выбирать передаточные числа трансмиссии. Особенностью данной методики является возможность поэлементного анализа энергетического и топливного балансов автомобиля, позволяющего производить оценку применяемых мероприятий с точки зрения топливной экономичности; также возможно оценить соответствие выбранной конструкции преимущественным режимам эксплуатации транспортного средства, для чего существует возможность ввода параметров профиля дороги и режимов движения по ней. По результатам анализа возможно синтезировать проектируемый образец, используя лучшие агрегаты (или их характеристики), применяющиеся на аналогах, и добиться лучших показателей топливной экономичности, чем у исходных вариантов, на этапе проектирования.

Определение сопротивлений движению

| Определение Ь!с погребная |

*

Выбор параметров двигателя і, V),, р,, Мі^1.

Выбор передаточных чисел наосноие расчет или серийно выпускаемых узлов

/ Ввод передаточных чисел трансмиссии /

і

/ Ввод характерных режимов движения и I 1 маршрутов І

І

Проведение расчетных исследований режимов ДВЯЖСНПЯ

І

Проведение анализа по Ц, на основе технически«) задания или «о опита эксплуатации

(,\-соогветсгн)ег — Нет

тсхнтіескому тюланию —~~~

Д>

С

Конец

3

Рисунок 3. Краткий алгоритм методики.

В четвертой главе представлены результаты проведенных экспериментальных исследований и анализ данных независимых источников, подтверждающие адекватность математической модели, а также проведен анализ параметров проектируемых автомобилей на основе разработанной методики и даны рекомендации по их изменению.

На рисунке 4 приведен график расхождения в процентах проведенных расчетных исследований с результатами натурных испытаний по параметрам максимальной скорости - Ушох, средней скорости на маршруте - Уср и среднего путевого расхода топлива - СЬ 33 автопоездов полной массой 40 т, взятыми из независимых источников полигонных испытаний грузовых автомобилей.

Рисунок 4. Расхождение в процентах проведенных расчетных исследований с результатами натурных испытаний 33 автопоездов полной массой 40 т.

В таблице 2 представлены результаты поэлементного анализа, из которого ВИДНО, ЧТО автомобиль С большим Рйпах и меньшим суммарным передаточным числом на высшей передаче имеет меньший средний путевой расход топлива и выше среднюю максимальную скорость за участок.

Таблица 2

Характеристики ЭЛИ 95 ХР 61.12.6(483) БАР 95 ХИ 6Ь 12.6(530)

Колесная формула 4x2 4x2

Полная масса автомобиля, кг 40 000 40000

Рабочий объем, л 12,58 12,58

Максимальное среднее индикаторное давление Рт1а\ МПа 2,19 249

Суммарное передаточное отношение на высшей передаче 3,31 2,83

Средний путевой расход топлива за участок (226 км) 0з(р,.л л/100 км 40 39,1

Средняя скорость за участок км/ч 80,4 81,8

Также были проведены исследования выбора передаточных чисел для ходовых макетных образцов автомобилей сельскохозяйственного назначения семейства ГАЗ-ЗЗОХХ, ГАЭ-331ХХ, ГАЭ-332ХХ. В таблице 3 представлены

результаты испытаний ГАЗ-ЗЗОХХ с различными передаточными числами главной передачи.

Таблица 3

Маршруты и параметры по спецдорогам автополигона ФГУП «НАМИ» Передаточное число главной передачи

3,42 ■ 4,56 5,5

Скоростная 28,2 км, допустимая скорость 70 км/ч

Скорость* (км/ч)/ Расход топлива* (л/100 км) 69,5/9,9 69,6/10,0 69,6/10,1

Проселочная дорога 20 км, допустимая скорость 40 км/ч

Скорость* (км/ч)/ Расход топлива* (л/100 км) 39,8/22,4 39,8/22,0 39,8/22,6

Городской маршрут 5,9 км

Скорость* (км/ч)/ Расход топлива* (л/100 км) 28,3/18,1 28,5/18,6 28,6/18,8

* Среднее значение параметров.

Результаты, полученные в ходе расчетных и экспериментальных исследований, подтверждают адекватность математической модели и предложенного критерия экспресс-оценки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В результате проведенных исследований, представленных в данной работе, можно сделать следующие основные выводы.

1. На основе разработанной математической модели зависимости топливной экономичности и скоростных свойств транспортных средств сельскохозяйственного назначения от параметров силовой установки и передаточных чисел трансмиссии с учетом энергетического баланса на всех режимах движения создана методика оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

Рекомендуется применение указанной методики на этапе предпроектной подготовки и формирования технического задания.

2. В результате количественной оценки, проведенной с помощью созданной методики, установлено, что при увеличении эффективной мощности двигателя Ые по количественным параметрам рс (среднее эффективное давление), ¡УЪ (количество цилиндров и рабочий объем одного цилиндра) и ш (угловой скорости коленчатого вала) таким образом, чтобы текущая эффективная мощность и запас тяги оставались неизменными, в конкретном режиме движения \УМТ (энергия, затраченная на преодоление механических потерь двигателя) может снижаться на 65% при увеличении рс, на 30% при увеличении ¡УЬ и оставаться неизменной при росте со.

3. Выбранный критерий экспресс-оценки двигателя - максимальное среднее индикаторное давление в цилиндрах двигателя р1тах, является составной частью показателей эффективности и топливной экономичности, причем чем больше р^зх, тем меньше доля сопротивлений двигателя в топливном балансе автомобиля. На примере используемого в сельскохозяйственном производстве грузового автомобиля КамАЗ 4528-10 (сеновоз, силосовоз) на базе шасси КамАЗ 65115 получено, что при одном и том же двигателе исходной мощностью 176,4 кВт (240 л.с.) при увеличении р|пмх с 1,12 МПа до 1,37 МПа Ке вырастает до 191,1 кВт (260 л.с.). При конкретном режиме движения со скоростью 60 км/ч доля \УМ, в энергетическом балансе автомобиля уменьшается со 147 МДж до 128 МДж, а расход топлива сокращается на 7,7%.

Рекомендуется применять двигатели с р1гаах > 1,3 МПа с точки зрения улучшения топливной экономичности при прочих равных энергетических показателях.

4. Созданная методика оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения позволяет синтезировать проектируемый образец, используя лучшие агрегаты (или их характеристики), применяющиеся на аналогах, и добиться лучших показателей топливной экономичности, чем у исходных вариантов, на этапе проектирования.

5. Проведенный комплекс расчетных и экспериментальных исследований подтвердил адекватность математической модели и методики оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения с расхождением результатов в пределах 5%...8%.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации научных результатов кандидатских диссертаций:

1. Шкель, A.C. Анализ влияния параметров силовой установки на топливную экономичность грузовых автомобилей с дизелем на этапе проектирования [Тенст]/А.С. Шкель//Международный научный журнал. - 2011. -№3. - С. 100-103. (0,49/0,49 пл.).

2. Шкель, A.C. Транспортный налог - враг природы, производства и потребителя АТС [Текст]/В.В. Московкин, Д.Е. Вохминов, A.C. Шкель, Е.А. Галевский, Ф.В. Туровский//Автомобильная промышленность. - 2008. -№12. -С. 6-9. (0,49/0,1 пл.).

3. Шкель, A.C. Новый метод для расчетных исследований АТС [Текст]/ В.В. Московкин, Д.Е. Вохминов, A.C. Шкель // Автомобильная промышленность. - 2007. - №8. - С. 33-35. (0,37/0,12п.л.).

4. Шкель, A.C. Влияние мощности двигателя на топливную экономичность автомобиля [Текст]/В.В. Московкин, В.В. Коновалов, Д.Е. Вохминов, A.C. Шкель,'/Труды НАМИ. - Вып. 236. - М,: Изд. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». - 2006. - С. 44-50. (0, 44/0,11 п.л.).

Научные статьи:

5. Шкель, A.C. Основные резервы повышения топливной экономичности грузовых автомобилей [Текст]/В.В. Московкин, A.C. Шкель, М.Н. Гуров//Вестник МГУПИ. - 2009. - №27. - С. 29-35. (0,49/0,12 пл.).

6. Шкель, A.C. Выбор объективных критериев оценки автомобиля при создании транспортного налога [Текст]/В.В. Московкин, Д.Е. Вохминов, A.C. Шкель, A.B. Меркулов//Вестник МГУПИ. - 2009. - №23. - С. 80-88. (0,49/0,12 пл.).

7. Шкель, A.C. Оценка потенциальных возможностей двигателя по критерию топливной экономичности автомобиля [Текст]/В.В. Московкин, Д.Е. Вохминов, A.C. Шкель//Вестник МГУПИ. - 2008. - №11. - С. 104-110. (0,43/0,14 пл.).

8. Шкель, A.C. Практика применения методики выбора оптимальных тягово-скоростных свойств и топливной экономичности грузовых автомобилей и автопоездов в учебном процессе на базе электронно-моделирующей системы [Текст]/ Д.Е. Вохминов, A.C. Шкель//УШ Международная научно-практическая конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Сб. науч. тр. Кн. «Информатика». - М.: МГАПИ, 2005. - С. 207-215. (0,57/0,28 пл.).

Подп. в печать 06.02.2012. № 170 Формат 60x84 Бум офсетная. _Гарнитура «Тайме». Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Изд. ООО ВІШПР. 127644, Москва, Клязьминская ул., дом 15. (495) 486-80-76 Москва, 2012

61 12-6/241

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики

На правах рукописи

ШКЕЛЬ Андрей Сергеевич

МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ И ПАРАМЕТРОВ ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. проф. Московкин В.В.

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ Введение

Глава 1. Обзор выполненных работ. Цель и постановка 9

задач исследования.

1.1. Исследование проблемы транспортного обеспечения 9 в АПК.

1.2. Анализ теоретических методов для расчета 11 скоростных свойств и топливной экономичности транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

46

1.3. Результаты анализа и краткие выводы.

Глава 2. Основные теоретические зависимости методики оценки влияния параметров силовой установки и передаточных чисел трансмиссии на топливную экономичность транспортных средств

сельскохозяйственного назначения.

2.1. Энергетический и топливный балансы транспортного средства.

2.2. Анализ применения эффективных и индикаторных показателей для моделирования движения транспортных

средств.

2.3. Оценка влияния конструкции двигателя на долю 61 механических потерь в топливном балансе транспортных

48

48

57

средств.

2.4. Краткие выводы.

Глава 3. Методика оптимизации режимов работы силовой 71

установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

3.1 Обоснование и алгоритм методики. 71

3.2. Определение величин силового баланса на основе 74 методики выбора.

3.3. Выбор основных параметров двигателя. 85

3.4. Проведение корректировки математической модели. 100

3.5. Краткие выводы. ЮЗ

Глава 4. Проведение экспериментальных и расчетных 104 исследований.

4.1. Проверка адекватности математической модели на 104 основе натурных экспериментов.

4.2 Выбор параметров и проведение лабораторно- 107

дорожных испытаний автомобиля сельскохозяйственного назначения Урал 432091.

4.3 Выбор параметров и проведение лабораторно-дорожных испытаний семейства автомобилей сельскохозяйственного назначения по проекту ГАЗ ЗЗХХХ.

4.4. Краткие выводы 122

Основные выводы и рекомендации. 123

Литература. 125

Приложение 1 136

Приложение 2 154

Приложение 3 163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В современном агропромышленном комплексе вопросы сокращения энергозатрат и повышения рентабельности производства продукции выходят на первое место. Кроме того, вследствие встраивания России в структуру мирового товарооборота возрастают объемы перевозок и грузооборота продукции сельскохозяйственного назначения.

Все это приводит к необходимости увеличения и обновления парка сельскохозяйственных машин. Характерными особенностями применяемых в агропромышленном комплексе транспортных средств являются длительный срок эксплуатации и большие пробеги. В связи с чем разработка методик, позволяющих не только оптимизировать энергозатраты уже находящейся в эксплуатации на предприятиях техники, но и быстро спрогнозировать и оценить влияние применяемых конструктивных решений на вновь проектируемой технике, является актуальной задачей.

Цель работы - разработка методики оценки влияния параметров силовой установки и передаточных чисел трансмиссии на топливную экономичность транспортных средств сельскохозяйственного назначения, позволяющей учитывать все характерные режимы работы.

Задачи исследования.

1. Определить теоретические зависимости топливной экономичности и скоростных свойств автомобиля сельскохозяйственного назначения от параметров силовой установки и передаточных чисел трансмиссии.

2. Исследовать механизм влияния механических потерь двигателя на топливную экономичность транспортного средства.

3. Выбрать критерий экспресс-оценки топливной экономичности транспортных средств сельскохозяйственного назначения на стадии проектирования.

4. Создать методику оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

5. Оценить адекватность разработанной математической модели и достоверности полученных с использованием методики результатов.

Объекты исследования - транспортные средства

сельскохозяйственного назначения полной массой от 3 до 40 т.

Методы исследования. В основу теоретических исследований положены методы математического моделирования, теоретической механики, численные методы математического анализа. В качестве прикладных средств данных методов использован программный пакет для комплексных исследований транспортных средств - «МВК». Экспериментальные исследования включают методы проведения и обработки дорожных экспериментов.

Научная новизна работы заключается в разработке математической модели зависимости топливной экономичности и скоростных свойств транспортного средства сельскохозяйственного назначения от параметров силовой установки и передаточных чисел трансмиссии с учетом энергетического баланса на всех режимах движения.

Практическая значимость работы.

1. На основе разработанной математической модели создана методика оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

2. С применением вновь созданной методики оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения на этапе предпроектной подготовки и формирования технического задания возможен обоснованный и оптимальный выбор параметров, таких как рабочий объем и количество цилиндров двигателя, среднее индикаторное давление, передаточные числа

трансмиссии и т.д.

3. Методика оптимизации режимов работы с учетом энергетического баланса на всех режимах движения транспортного средства сельскохозяйственного назначения позволяет подобрать транспортное

средство из существующего модельного ряда под конкретного потребителя по показателям эффективности и топливной экономичности.

4. На этапе проектирования существенно снижается стоимость и уменьшаются сроки экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы.

Вновь разработанная математическая модель и созданная на ее основе методика оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения используются в работе научно-исследовательской и проектно-учебной лаборатории транспортных средств сельскохозяйственного назначения Инновационного научно-технического комплекса ФГБОУ ВПО МГАУ, что подтверждается соответствующей справкой о внедрении.

Методика оптимизации режимов работы силовой установки и параметров трансмиссии транспортных средств сельскохозяйственного назначения в виде компьютерной программы внедрена в практику работы ОАО «Автомобильный завод «Урал», что подтверждается соответствующим актом внедрения.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены,

обсуждены и одобрены на:

- Международной научно-практической конференции «Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве», Москва, ФГБОУ ВПО МГАУ, 2011 г.;

- 74-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «Экология и энергетическая эффективность автотранспортных средств», п. Автополигон, Московская обл., НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», 2011 г.;

- III и VII Международных автомобильных научных форумах (МАНФ),

Москва, 2005 и 2009 гг.;

- 66-й Международной научно-технической конференции

«Автомобиль и окружающая среда», Москва, 2009 г.

- заседаниях кафедры «Специальные автомобили и бортовые информационно-управляющие системы» ФГБОУ ВПО МГУПИ (2009-2011 гг.)

Все положения, вошедшие в работу, рассматривались на заседаниях НТС МГТУ «МАМИ» и ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ, в их числе 4 статьи в центральных

журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 97 наименований. Объем диссертационной работы составляет 165 страниц. Основной текст изложен на 135 страницах и содержит 19 рисунков, 28

таблиц и 3 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, старшему научному сотруднику Тенгизи Джемалиевичу Дзоценидзе за оказанную в процессе работы помощь.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ. ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Исследование проблемы транспортного обеспечения в АПК.

Одной из ключевых задач национальной стратегии России является подъем до современного уровня сельского хозяйства, как важнейшей составляющей экономики, от состояния которой зависит продовольственная безопасность страны.

Аграрный сектор России обладает огромными потенциальными возможностями (в частности, в нашей стране находится 10% мировой пашни) и сохраняет большие перспективы развития. Россия, несмотря на суровые климатические условия, может не только обеспечивать себя высококачественной сельхозпродукцией, но и поставлять ее на мировой рынок. Но при устойчивой тенденции сокращения доли сельского хозяйства в бюджете страны (с 19,5% в 1991 году до 0,6% в 2005 году) эту важную для России проблему можно решить только на основе внедрения новейших агротехнических технологий и одновременного переоснащения агропромышленного комплекса (АПК) новой высокоэкономичной и производительной техникой.

Проблема обеспечения современной сельскохозяйственной техникой предприятий АПК в настоящее время является достаточно сложной. Сельское хозяйство относится к числу отраслей, имеющих значительную номенклатуру грузов. Только растениеводство и животноводство дают более 45 наименований грузов в виде основной и побочной продукции. Кроме того, 30... 35 видов наименований грузов перевозятся для обеспечения производственных процессов в указанных отраслях. В целом же в сельском хозяйстве перевозится до 250 видов грузов.

В общих затратах труда на производство сельскохозяйственной продукции на долю транспортных работ приходится до 40 %. От общих затрат

9

по агропромышленному комплексу (АПК) на транспорт приходится до 14 %. В 2005 г. объем перевозок в сельском хозяйстве составил 4,8 млрд. т в том числе автотранспортом 3,7 млрд.т и тракторным транспортом 1,1 млрд.т. В 2010 году прогнозируется перевезти 7,2 млрд. т грузов, в том числе, автотранспортом 5,8 млрд.т и тракторным транспортом 1,4 млрд.т.

Приоритетное развитие автотранспорта по сравнению с тракторным можно объяснить значительным средним радиусом перевозок грузов (24 км), а также более низкой себестоимостью автоперевозок по дорогам общего пользования. Современное состояние сельскохозяйственного транспорта характеризуется низким техническим уровнем, сильной изношенностью подвижного состава и погрузочных средств, неудовлетворительным состоянием производственной базы. Более 30 % транспортных и погрузочных средств эксплуатируются за пределами нормативного срока службы. Транспортному обеспечению сельскохозяйственных перевозок всегда уделяли внимание. В работах JI.JI. Афанасьева, A.B. Богатырева, М.Д. Брегадзе, Д.П. Великанова, В.А. Гобермана, Т.Д. Дзоценидзе, О.Н. Дидманидзе, С.Н. Девянина, A.M. Долгошеева, Ю.К. Есеновского-Дашкова, Н.Е. Евтюшенкова, A.A. Зангиева, В.А. Зязева, А.Ю. Измайлова и др. [2, 5, 6, 8, 16, 19, 21-22, 24-25, 34-35, 37] особое внимание уделено обоснованию параметров транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

Предполагается [19, 25, 37], что структура парка автомобильного транспорта будет формироваться таким образом (таблица. 1.1.), что к 2011 г. доля автомобилей-самосвалов снизится лишь на 4%, бортовых автомобилей -наполовину, специализированных транспортных средств возрастет более чем вдвое. Вместе с тем, возрастет примерно в три раза и доля автомобилей грузоподъемностью до 2 т для перевозки мелкопартионных грузов в различных типах хозяйств, от крупных до индивидуальных.

Таблица 1.1

Виды машин и структура парка по грузоподъемности, %.

Машины Состояние на 2002 г. По расчету ВИМ, на 2005 г. Прогноз ВИМ на 2011 г.

Виды машин

Самосвалы 39 38,5 35

Бортовые 42 24,2 20

Специализированные 19 37,3 45

В том числе:

Фургоны всех типов 4 9,3 20

Цистерны 12,9 12 13

Прочие 2,1 16 12

Структура парка по грузоподъемности

До 2 т 5,9 13 16

От 2,1 до 5 т 65,6 43,4 37

От 5,1 до 8 т 20,7 30,4 32

Более 8 т 7,8 13,2 15

Поэтому разработка методов, позволяющих оптимизировать энергозатраты как уже находящейся в эксплуатации на предприятиях техники, так и быстро спрогнозировать, рассчитать и проверить, применяемые конструктивные решения на вновь проектируемой технике, является актуальной задачей.

1.2. Анализ теоретических методов для расчета скоростных свойств и топливной экономичности транспортных средств сельскохозяйственного назначения

Стоимость испытаний на топливную экономичность достаточно высока. Так, по данным журнала «Ingéneurs de L'automobile» и фирмы «Рено» [9] 1 км пробега 38 тонного автопоезда оценивается в 30-40 евро. Это во многом связано с наличием случайных факторов, искажающих результаты экспериментов: нестабильность погодных и дорожных условий, неодинаковый износ и степень приработки механизмов, различие в их регулировках, неодинаковое физическое и психическое состояние водителей, манеры их управления автомобилем и т.п. Для снижения отрицательного влияния случайных факторов испытатели идут на увеличение числа однотипных объектов и их пробега.

Достаточно взглянуть на результаты испытаний, регулярно публикуемых в журналах: «MOT», «Autocar», «L'auto Journal», «Quattroruote» и др., чтобы увидеть даже при простейших замерах расходов топлива (при постоянной скорости) разброс показателей у одной модели нередко превышает 10 %.

Из-за этого экспериментальным путем сложно определить даже качественное влияние на расход топлива автомобиля многих мероприятий: установки аэродинамических устройств на городских фургонах, применения дисков из легких сплавов колес вместо стальных, влияния числа ступеней в коробке передач и диапазона между ними и т.п.

При расчетных же исследованиях полностью отсутствуют случайные факторы. Проведем анализ энергетических, тяговых, силовых и топливных балансов, на которых базируются данные методы.

Касаясь вопросов тягового расчета, основатель советской автомобильной школы Е.А.Чудаков отмечает: "Задачей тягового расчета

автомобилей является такой расчет его основных механизмов, который обеспечил бы автомобилю заданную скорость движения по дороге заданного качества" [78]. Исходя из этого принципа Е.А. Чудаков разработал методику, в которой максимальная мощность двигателя определяется по значению максимальной скорости движения автомобиля Уатах на горизонтальной дороге с усовершенствованным покрытием, или на дороге с предварительно заданным дорожным сопротивлением. Поскольку, при максимальной скорости ускорение автомобиля равно нулю, необходимая мощность двигателя Реу (кВт), при движении автомобиля заданной массы та(т), со скоростью Уатах (км/ч) определяется по выражению:

_та*ё*ц/¥*Уатах |Кв*Ав*Уашах

3,6*пТ з ,6*Г|Т (11)

где:

2 "2

Кв- коэффициент обтекаемости; Ав -лобовая площадь,м ; g=9,81мc

Ч'у задаваемый коэффициент суммарного дорожного сопротивления движению автомобиля на дороге при максимальной скорости; г|т - к.п.д. трансмиссии автомобиля. Для определения максимальной мощности двигателя применяется формула

Р =Р ¡а*Л + Ь*Л2+с*Л3Г

± е шах сп' I. *

(1.2)

где:

п

1 _ е шах

Я- отношение максимальной частоты вращения коленчатого вала

пр

двигателя петах к частоте вращения при максимальной мощности пр Х- для карбюраторных двигателей легковых автомобилей имеет пределы:

1,0—1,15; для карбюраторных двигателей грузовых автомобилей X

1,0...1,1, для дизелей А,-1; а,Ь,с - коэффициенты аппроксимаций мощностей характеристики двигателя

Значения Ч'у принимают: для легковых автомобилей в зависимости от класса = 0,025.. .0,04, автобусов - 0,018.. .0,03, грузовых автомобилей -0,015...0,025, автопоездов - 0,01...0,015.

Как видно, по этой методике определяется значение мощности в одной из точек внешней характеристики двигателя для заданного значения дорожного сопротивления. Однако, при движении в реальных условиях дорожное сопротивление меняется в широких пределах, а двигатель в большинстве случае работает на частичных и переменных нагрузочных режимах. Значения Ту как для легковых, так и для грузовых автомобилей имеют значительный разброс и нет какого-либо критерия, по которому можно было бы задавать его конкретное значение. Исходя из всего вышеизложенного, выбор мощности автомобильного двигателя по зад