автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Подогрев механической коробки передач грузовых автомобилей в условиях низких температур при работе двигателя в режиме холостого хода

На правах рукописи

КУРНОСОВ АНТОН ФЕДОРОВИЧ

ПОДОГРЕВ МЕХАНИЧЕСКОЙ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ

ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР ПРИ РАБОТЕ ДВИГАТЕЛЯ В РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА (на примере автомобиля КАМАЗ)

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

23 OKI 2014

НОВОСИБИРСК-2014

005553533

005553533

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный аграрный университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Долгушин Алексей Александрович

Селиванов Николай Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой тракторов и автомобилей

Сырбаков Андрей Павлович,

кандидат технических наук,

ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт», доцент кафедры эксплуатации и сервиса транспортных средств

Государственное научное учреждение Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится «11» декабря 2014 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.059.01 при Государственном научном учреждении Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии) по адресу: 630039, г. Новосибирск, ул. Добролюбова, 160.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета: 630501, Новосибирская область, Новосибирский район, п. Краснообск, а/я 460, ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии, телефон (факс): (383) 348-12-09; e-mail: sibime@ngs.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии, автореферат размещен на сайте ВАК Минобрнауки России vvww.vak2.ed.gov.ru, автореферат и диссертация размещены на сайте www.sibimc-rashn.ru.

Автореферат разослан «13» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

В.В. Коротких

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основная доля грузооборота в сельскохозяйственном производстве и более 65 % перевозок грузов, осуществляемых на территории России, приходятся на автомобильный транспорт. Стоит отметить, что выполнение данного объема работ происходит в течение всего года, а эксплуатация неподготовленных автомобилей в условиях низких температур, значения которых даже в средней полосе России в зимние месяцы достигают минус 30°С и ниже, сопровождается существенным снижением теплового режима работы трансмиссии, двигателя, ходовой части, механизмов рулевого управления и других агрегатов и систем вследствие интенсивного теплообмена с окружающей средой.

Недостача тепловой энергии влечет за собой изменение физических свойств применяемых в механизмах автомобиля современных технических жидкостей и смазочных материалов, обусловливающих существенный рост непроизводительных затрат энергии.

Наибольшее влияние на снижение технико-экономических показателей работы грузовых автомобилей в условиях низких температур оказывает трансмиссия, особенно коробка передач (КП). Большинство современных трансмиссионных масел обеспечивают необходимую вязкость для работы КП без существенных потерь мощности и износа уже при температуре 273 К (О °С). Исследования показали, что при движении автомобиля в условиях низких температур, когда осуществляется передача крутящего момента через КП, температура масла в ней достигает указанного значения, однако период ее разогрева сопровождается значительными потерями мощности на прокручивание, повышенным износом деталей и, как следствие, числом отказов. При работе двигателя в режиме холостого хода, когда практически исключается износ деталей КП, и температуре окружающей среды 243 К (минус 30 °С), продолжительность ее саморазогрева в значительной степени превышает максимально допустимое время работы двигателя без нагрузки. Сокращение времени прогрева трансмиссионного масла в КП за счет подвода дополнительного количества тепловой энергии во время стоянки автомобиля на открытой местности при работе двигателя в режиме холостого хода позволит решить указанную проблему.

В качестве источника тепловой энергии предлагается использовать теплоту отработавших газов (ОГ), на долю которой приходится до 35 % теплоты сгоревшего в двигателе топлива. При этом, как показал анализ литературы, если кинетическая энергия ОГ находит широкое применение, в частности для улучшения газообмена в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, то тепловая практически не используется.

Принимая во внимание тот факт, что в сельскохозяйственном производстве используется грузовой автомобильный транспорт в основном отечественных марок с механической КП, становится актуальной и практически значимой разработка способа и средства ее подогрева как наиболее энергоемкого агрегата на основе использования теплоты ОГ.

Степень разработанности. При анализе существующих способов и средств подогрева агрегатов трансмиссии прослеживается тенденция к использованию теплоты, преобразованной из энергии внешних источников. Средства подогрева не являются автономными, зачастую малоэффективны. При этом отсутствуют способы и устройства, использующие тепловую энергию отработавших газов двигателя без изменения геометрических параметров выпускного тракта. Для КП более актуальной является возможность применения автономных средств подогрева, которые ускорят процесс нагрева масла в начальный период ее работы независимо от внешних условий, используя тепловую энергию ОГ двигателя.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» в рамках государственной темы № 01201155823 «Энергосберегающее использование транспортных машин в суровых климатических условиях».

Цель работы: сокращение времени нагрева масла механической КП грузовых автомобилей при работе без передачи крутящего момента в условиях низких температур за счет использования теплоты отработавших газов двигателя.

Объект исследования: процессы теплообмена механической КП при работе без передачи крутящего момента, дополнительного источника теплоты и окружающей среды.

Предмет исследования: закономерности изменения теплового режима механической КП при работе без передачи крутящего момента совместно с дополнительным источником теплоты в условиях низких температур.

Методика исследования. Поставленные задачи решены путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В работе использован математический аппарат термодинамики, теплообмена, математической статистики, а также методы компьютерного моделирования с использованием прикладных программ.

Научная новизна диссертации:

1. Математическая модель процесса теплообмена механической КП при работе без передачи крутящего момента, дополнительного источника теплоты и окружающей среды, позволяющая определить температуру трансмиссионного масла в зависимости от условий окружающей среды и количества введенной тепловой энергии.

2. Уравнение связи рекуперированной и переданной теплоты системой теплоснабжения с учетом потерь.

3. Аналитическое выражение, описывающее совокупные процессы теплообмена механической КП, системы теплоснабжения и окружающей среды.

На защиту выносятся:

1. Аналитическое выражение, описывающее совокупные процессы теплообмена механической КП, системы теплоснабжения и окружающей среды.

2. Уравнение связи рекуперированной и переданной теплоты системой теплоснабжения с учетом потерь.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивных и режимных параметров системы теплоснабжения, позво-

ляющей ускорить процесс нагрева трансмиссионного масла механической КП в условиях низких температур за счет использования теплоты ОГ.

Практическая значимость работы:

1. Способ и средство подогрева механической КП грузовых автомобилей, техническая новизна которого защищена двумя патентами Российской Федерации (RU № 119086 U1;RU№ 130058 Ш).

2. Разработаны рекомендации по проектированию системы теплоснабжения механической КП грузовых автомобилей за счет использования теплоты ОГ.

3. Сокращение времени нагрева масла в КП с 243 (минус 30 °С) до 273 К (0 °С) на 20 минут и более и снижение расхода топлива двигателем до 5 %.

Достоверность исследований подтверждается:

— корректностью применения апробированного математического аппарата термодинамики и теплообмена;

— количеством экспериментов, проведенных с использованием поверенных приборов и оборудования по признанной методике;

— согласованностью результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в автомобильных парках ООО «Новосибирскпрофстрой» г. Новосибирска и ЗАО имени Ленина Ку-пинского района Новосибирской области, а также используются в учебном и научно-исследовательском процессах ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на региональной конференции «Студенческая наука - взгляд в будущее», проходившей в КрасГАУ (г. Красноярск) в 2010 г.; на региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов «Состояние и инновации технического сервиса машин и оборудования», проходившей в НГАУ (г. Новосибирск) в 2012 и 2013 году.; на научно-техническом совете Министерства сельского хозяйства Новосибирской области, проходившем в ГНУ СибИМЭ (г. Новосибирск) в 2012 г.; на Всероссийском молодежном научном форуме «Наука, инновации и бизнес в АПК», проходившем в НГАУ в 2013 г.; на III этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов России, проходившем в Саратовском ГАУ (г. Саратов) в 2013 в 2014 году.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента РФ на полезную модель.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии из 123 наименований, в том числе 7 на иностранном языке, 9 приложений. Она изложена на 144 страницах машинописного текста, включает 8 таблиц, 38 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулированы цель, объект h предмет диссертационного исследования, научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены особенности использования грузовых автомобилей в зимний период, влияние условий окружающей среды на тепловой режим и температуры масла на эксплуатационные характеристики и интенсивность изнашивания механической трансмиссии, представлен подробный анализ существующих способов и состояния технических систем подогрева агрегатов трансмиссии, систем использования тепловой энергии отработавших газов, показано, что для подогрева агрегатов трансмиссии целесообразно использовать тепловую энергию ОГ двигателя, а также сформулированы задачи исследований.

Повышению эффективности работы мобильных энергетических установок посвящены работы Г.А. Акопяна, Н.Г. Бережнова, Ю.С. Бугакова, Р.В. Буравкина, А.И. Госмана, А.К. Кисленко, Г.М. Крохты, В.В. Москвина, М.М. Разяпова, Л.Г. Резника, Н.И. Селиванова, В.В. Соколова, А.И. Сырбакова, В.И. Пантилеенко и других ученых.

Анализ литературных источников показал, что работа агрегатов трансмиссии машин, в частности грузовых автомобилей, сопровождается потерями эффективной мощности двигателя на прокручивание, увеличением интенсивности изнашивания деталей и, как следствие, повышением числа отказов, особенно в первые минуты работы при открытом способе хранения в условиях низких температур, на что влияют вязкостно-температурные характеристики применяемых масел. Самым энергоемким агрегатом трансмиссии является коробка передач, исследование тепловых процессов которой логично вести по определяющей характеристике - температуре масла.

Анализ способов и средств тепловой подготовки и снижения потерь мощности в агрегатах трансмиссии в условиях эксплуатации, при котором рассмотрены работы Л.Г. Аниськина, В.В. Виноградова, П.М. Карпова, Я.И. Кувшинова, Ю.И. Пусто-зерова, B.C. Обрубова, А.И. Соловьева, С.А. Чернова, Л.В. Чешуина и других авторов, показал, что большинство из них не нашли широкого применения по причине низкой эффективности, высокой трудоемкости или потребности во внешнем источнике энергии. Наиболее перспективным направлением развития способов снижения потерь мощности в агрегатах трансмиссии является их подогрев за счет использования теплоты ОГ двигателя.

Теоретические исследования, направленные на ускорение процесса прогрева КП за счет использования теплоты ОГ на основе закономерностей теплообмена, дают основание выдвинуть рабочую гипотезу: повышения температуры масла .механической коробки передач можно достичь за счет использования теплоты отработавших газов двигателя.

о

В соответствии с поставленной целью исследования и состоянием изученности вопроса необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель процесса теплообмена механической КП при работе без передачи крутящего момента, дополнительного источника теплоты и окружающей среды;

- разработать способ и обосновать параметры средства подогрева механической КП на основе использования теплоты ОГ двигателя;

- провести сравнительные испытания и дать экономическую оценку результатов исследования.

Во второй главе «Теоретический анализ теплового состояния механической коробки передач грузовых автомобилей при работе без передачи крутящего момента» проведен теоретический анализ изменения температуры трансмиссионного масла механической КП при работе без передачи крутящего момента совместно с дополнительным источником теплоты, в основу которого положены первое и второе начала термодинамики. В результате получены теоретические зависимости и обоснована целесообразность использования в тепловой энергии ОГ двигателя.

Тепловой баланс механической КП (рисунок 1) при работе без передачи крутящего момента на неустановившемся режиме выглядит следующим образом:

где X! ЦШ - суммарные потери теп-¡=1

лоты, связанные с изменением внутренней тепловой энергии коробки передач, Дж;

0(кп

в - количество теплоты, выделившееся в КП в результате преодоления сил сопротивлений прокручиванию, Дж;

0КП

пов— количество теплоты, отведенное с поверхности коробки передач, Дж;

Q¡x - количество теплоты, подведенное к коробке передач дополнительным источником, Дж.

Для анализа составляющих теплового баланса механической КП сделаем ряд допущений:

1) влажность воздуха не оказыва-

О*" ЛУЧ от ^ к -Л е'Г

Рисунок 1 - Схема потоков теплоты КП при работе без передачи крутящего момента совместно с дополнительным источником теплоты

ет влияния на потери теплоты в окружающую среду;

2) потери с поверхности представлены конвективным теплообменом;

3) корпус КП представлен в виде трубы квадратного сечения;

4) среднединамическая температура поверхности корпуса КП равна среднеди-

намической температуре масла;

5) среднединамическая температура поверхности системы теплоснабжения равна среднединамической температуре промежуточного теплоносителя.

Суммарные потери теплоты, связанные с изменением внутренней тепловой энергии коробки передач, описываются выражением:

ЕД™ =™мсм(Тм-Твп) + т™с™(Гм -Твп), (2)

¡=1

где тм и от™ - масса масла и 1-й детали КП соответственно, участвующих в теплообмене, кг;

см и <чц" _ удельные теплоемкости масла и ¡-й детали КП соответственно,

участвующих в теплообмене, Дж/(кг-К); Ты - среднединамическая температура масла в КП, К; Гвп - среднединамическая температура обдувающего ветрового потока, К. Количество теплоты, выделившейся в КП в результате преодоления сил сопротивлений прокручиванию определялось по выражению:

0К1,=ЛГкпт, (3)

где Л^кп - мощность, теряемая в КП, Вт; т — время работы КП, с.

В выражении (1) величина бпоп представлялась в виде:

= К - аГ ■ Св■ г - & -Твп), (4)

где К3 - коэффициент ослабления конвективного потока из-за загрязнения поверхности теплоотдачи; а™ - средний по поверхности коэффициент конвективной теплоотдачи, Дж/(м2-К-с);

^тов _ площадь поверхности КП, участвующей в теплоотдаче, м2.

Решая совместно выражения (1)-(4), получаем уравнение теплообмена КП при

работе без передачи крутящего момента, источника теплоты и окружающей среды,

позволяющее определить среднединамическую температуру масла:

- - Qa+Nш■т ... т -Т +_—--(5)

К з ак ^ПОВ Т + тмсм ^ "Лд С1Д

В выражении (5) величина Qл представляет собой рекуперированную системой теплоснабжения (СТ) теплоту ОГ с учетом всех потерь согласно тепловому балансу (см. рисунок 1):

ед = в1-Х0Г-б пов, (6)

1=1

где <2'г - рекуперированная теплота ОГ, Дж ( 0'г = (¿у -0(гкт);

/^СТ

Упов ~ количество теплоты, отведенное с поверхности системы теплоснабжения, Дж;

п

~ суммарные потери теплоты, связанные с изменением внутренней

тепловой энергии системы теплоснабжения, Дж. В выражении (6) слагаемые определялись следующим образом:

- рекуперированная теплота ОГ:

(Уг = 2я£?тсткх(Тг — , (7)

где ,т — математическая константа;

¿Р — длина поверхности рекуператора, м; гСТ - время работы системы теплоснабжения, с ( гст = г); к^ - суммарный коэффициент теплопередачи на единицу длины рекуператора, Дж/(мКс); Тг - среднединамическая температура ОГ двигателя, К;

Гпт- среднединамическая температура промежуточного теплоносителя системы теплоснабжения, К.

- внутренние потери теплоты и потери теплоты с поверхности системы теплоснабжения аналогично выражениям (2) и (4):

±0,ст =ттст(Тт-Твп)+т%с%(Тт -Тви), (8)

1 = 1

СТ

где тт и /и]Д - масса промежуточного теплоносителя и 1-й детали системы теплоснабжения соответственно, участвующих в теплообмене, кг; спт и с1дТ ~~ удельные теплоемкости промежуточного теплоносителя и ¡-й

детали системы теплоснабжения соответственно, участвующих в теплообмене, Дж/(кг-К).

впов = вкТ = К" -^пов <Тт -Тва), (9)

где Л"зст - коэффициент ослабления конвективного потока из-за загрязнения поверхности теплоотдачи системы теплоснабжения;

а" - средний по поверхности коэффициент конвективной теплоотдачи системы теплоснабжения, Дж/(м2-К-с); ^ов - площадь поверхности системы теплоснабжения, участвующей в теплоотдаче, м2. Подставив (7)-(9) в (6), получаем:

чптснт (^пт

—ст

■оск

— /Иг

■тс ■ (Тит Таи) -Тип)

(10)

Количество теплоты, МДж 4

О. пов., кДж

150

112.

■37.5

40

Время, мин.

'¡д V-1 ГТТ 1 ВЦ.

Согласно формуле (10), количество теплоты, переданной системой теплоснабжения маслу КП, достигнет значения в 1150 кДж (для установленного минимально необходимого дополнительного нагрева) за 17 минут (см. рисунок 2) при площади соприкосновения рекуператора со стенкой выпускной системы 0,12 м2, при этом за 40 минут количество переданной теплоты составит около 2200 кДж, что повысит температуру масла в КП на 10... 13 К. Тепловой поток, переданный трансмиссионному маслу за

Рисунок 2 — Расчетные зависимости составляющих теплового баланса системы теплоснабжения (Ув = 12м/с, Гвп =243К)

рассматриваемый промежуток времени, составит в среднем 870...920 Вт. Подставив полученное значение <2Л в (5), получаем:

2л£1'к2(Тг -Тш)

Тм — Тъп +

у яг™

о * 1 ппи

+-

Ы™.т-(Тт-Тъп)-(К.

•ст -ст "■к

*ПОВ '

+ тшсш +

ст ст

4- тшст +

(п)

)

К

■а™

-Л1®

1 рКП "■к ' ^ПОВ '

С использованием формулы (11) получены теоретические зависимости, отражающие повышение температуры трансмиссионного масла КП при работе без передачи крутящего момента совместно с системой теплоснабжения (см. рисунок 3).

Анализ полученных зависимостей позволил оценить влияние условий окружающей среды на тепловое состояние агрегата при работе совместно с системой теплоснабжения. Так, понижение температуры окружающего воздуха при нулевой скорости с 265 (минус 8 °С) до 243 К (минус 30 °С) сопровождается снижением температуры масла в КП после 40 минут работы с 295 (22 °С) до 282 К (9 °С). Изменение скорости обдувающего потока воздуха оказывает заметное влияние на температуру масла только после 10 минут работы агрегата. После 40 минут разница

температуры масла при обдуве воздухом постоянной температуры со скоростью 0 и 12 м/с составляет 6...8 К.

Достижение температуры масла значения 273 К происходит за 25...33 минуты при температуре окружающей среды 243 К и различной скорости обдувающего потока воздуха. Повышение температуры воздуха до 265 К при аналогичном изменении его скорости приводит к сокращению времени прогрева на 18...26 минут.

Полученные результаты позволяют производить расчет изменения температуры масла КП при работе без передачи крутящего момента с учетом используемой теплоты ОГ и различных условий окружающей среды и обосновывает возможность использования теплоты ОГ в целях ускорения процесса прогрева КП. Данный алгоритм положен в основу обоснования рациональных параметров системы теплоснабжения.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследовании» изложена методика экспериментальных исследований, в процессе которых предстояло решить следующие вопросы: проверить правомерность принятых допущений в теоретической модели, собрать данные для расчета изменения температуры масла КП, найти уравнение связи между выбранными факторами и температурой масла; приведено описание измерительной аппаратуры, экспериментальных установок, принятых способов обработки экспериментальных данных.

В качестве объекта экспериментального исследования была взята коробка передач модели 142 автомобиля КАМАЗ, серийно выпускаемая промышленностью и наиболее распространенная в сельскохозяйственном производстве среди грузовых автомобилей. Для решения поставленных вопросов на кафедре эксплуатации машинно-тракторного парка Инженерного института ФГБОУ ВПО Новосибирского государственного аграрного университета была создана экспериментальная установка №1, состоящая из коробки передач модели 142 автомобиля КАМАЗ, асинхронного электродвигателя 5АМХ13254УЭ (ГОСТ Р 51689-2000) для вращения первичного вала с частотой 550...600 мин"1, осевого вентилятора В06-300 №4 (ГОСТ 11442-90) для создания обдувающего потока воздуха и комплекта контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры. Снятие необходимых характери-

Температура Температура

масла в КП, К масла в КП, °С

1 - 265К, 0 м/с; 2 - 265К, 12 м/с; Время, мин. 3 - 243К, 0 м/с; 4 - 243К, 12 м/с

Рисунок 3 — Теоретические зависимости изменения температуры масла в механической КП при работе совместно с системой теплоснабжения

стик и обработка статистических данных, полученных в результате испытаний, проводилась по стандартным методикам и соответствующим ГОСТам.

Экспериментальная проверка адекватности разработанной аналитической модели, а также исследование влияния значимых факторов на диагностический параметр и сравнительные испытания проводились на экспериментальной установке №2. Данная установка состоит из автомобиля КАМАЗ с коробкой передач модели 142, системы теплоснабжения, контрольно-измерительного блока и блока ЭВМ (см. рисунок 4).

Рисунок 4 - Структурная схема экспериментальной установки № 2:

1 - выпускная труба; 2 - рекуператор; 3,7- электромагнитные клапаны; 4, 9 - датчики температуры; 5 - расширительный бак; 6 - жидкостный насос; 8 - теплопотребитель.

Система теплоснабжения передает теплоту ОГ через рекуператор 2 и теплопотребитель 8 трансмиссионному маслу посредством промежуточного теплоносителя, движение которого осуществляется жидкостным насосом 6. Температурный режим в системе и КП контролируется при помощи датчиков температуры 4 и 9 соответственно и регулируется электромагнитными клапанами 3 и 7, которые при необходимости изменяют поток промежуточного теплоносителя с в-а-агв\ на 6-а-агби заполняя рекуператор воздухом из верхней части расширительного бака 5, тем самым предотвращая теплоноситель и масло от перегрева. При следующем цикле нагрева масла рекуператор наполняется промежуточным теплоносителем по направлению бгага-б. Стоит отметить, что теплопотребитель заполняется промежуточным теплоносителем после монтажа системы и не опустошается при ее эксплуатации. Управление электрическими элементами системы теплоснабжения осуществляется электронным блоком управления (ЭБУ). Рекуператор 2 выполнен в виде двух накладных теплообменников и устанавливается на участке трубы выпускной системы 1 двигателя без изменения ее конструкции, теплопотребитель 8 -на внутренней стороне правой стенки КП с использованием имеющихся технологических отверстий при условии обеспечения безопасности ее работы.

Термопара ' ТП.ХК(П-11 |

Терчосопротивление; |Термосолротивленке ДТС 034 - 50 М | | ДТС 044 - 50 М

Измерительный блок экспериментальной установки включает в себя комплект датчиков, соединительные кабели, измерительное и преобразовательное устройства. Служит для измерения текущих значений температуры отработавших газов, промежуточного теплоносителя системы теплоснабжения и масла в коробке передач, аналого-цифровой обработки полученных сигналов, преобразования и вывода их значения в блок ЭВМ.

Компьютерный блок установки служит для регистрации всех измеряемых параметров, их обработки и анализа, а также хранения полученной информации.

В результате изучения систем использования теплоты ОГ и анализа литературы были определены основные факторы, влияющие на изменение температуры масла в КП при работе без передачи крутящего момента совместно с системой теплоснабжения, априорно и на основании поисковых экспериментов выделены наиболее значимые.

Исходные уровни и интервал варьирования влияющих факторов окружающей среды устанавливались на основе анализа метеорологических отчетов за последние 10 лет, времени работы - на основе теоретических и поисковых исследований повышения температуры масла в КП.

Исходя из числа существующих факторов и рекомендаций по выбору планов эксперимента выбран композиционный симметричный трехуровневый план № 34, основой для выбора которого явились наилучшие совместные характеристики. Матрица планирования эксперимента содержала 14 опытов.

Обработка опытных данных, полученных в результате эксперимента, проводилась путем регрессионного анализа. Адекватность полученной модели проверялась по критерию Фишера.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты эксперимен-

Температура Температура масла в КПП. К _масла в КПП, °С

283

100 120 Время, мин

Рисунок 5 — Изменение температуры масла в КП в зависимости от температуры окружающего воздуха и времени работы (Упп = 5 м/с)

тальных исследовании, проверена адекватность используемой теоре-тнческой модели в отношении точности расчета температуры масла в КП.

Эксперименты проводили в 3 этапа. Целью первого этапа являлась оценка теплового состояния механической коробки передач при работе без передачи крутящего момента и определение степени влияния на него условий окружающей среды.

Анализ результатов исследований, представленных на рисунке 5, показал, что температура окружающего воздуха оказывает значи-

тельное влияние как на интенсивность изменения температуры, так и на продолжительность нагрева масла до 273 К.

Так, во время прокручивания коробки передач при температуре окружающей среды 243 К и постоянной скоростью обдувающего потока воздуха 5 м/с было установлено, что температура масла в КП повышается лишь до 278 К (5 °С), при этом время стабилизации температуры масла наступает после 110...120 минут работы КП. При повышении температуры окружающей среды до 253 (минус 20°С) и 265 К (минус 8°С) температура масла достигает значений 280 К (7 °С) и 284 К (11°С), время стабилизации температуры снижается до 100...110 и 90...100 минут соответственно.

Повышение температуры окружающего воздуха с 243 до 265 К также способствует сокращению времени нагрева масла до 273 К с 50 до 23 минут.

По результатам экспериментов по влиянию скорости обдувающего потока воздуха на температуру масла в КП был построен соответствующий график (см. рисунок 6). Характер зависимостей показывает, что скорость обдувающего потока воздуха оказывает ощутимое влияние после 10 минут работы агрегата. Так, при отсутствии ветра температура масла за 120 минут работы КП при холостом прокручивании составила 281 К (8°С), при скорости обдувающего потока 15 м/с за равный промежуток времени температура масла составила лишь 269 К (минус 4°С). Причем наибольший рост температуры происходил в период нагрева от 0 до 60 минут.

Время нагрева масла агрегата до температуры 273 К увеличивается с 42 до 71 минуты при повышении скорости обдувающего потока воздуха с 0 до 10 м/с соответственно. При скорости потока воздуха 15 м/с температура масла за 120 минут работы агрегата не достигла указанной величины.

Таким образом, на первом этапе экспериментальных исследований установлено значительное влияние условий окружающей среды на тепловой режим работы КП без передачи крутящего момента, который, в свою очередь, оказывает влияние на эксплуатационные характеристики ее работы.

Второй этап исследований посвящен изучению теплового состояния системы теплоснабжения при работе двигателя в режиме холостого хода, а также сбору необходимых данных для расчета математической модели с целью разработки рекомендаций по проектированию предлагаемой системы теплоснабжения.

Температура Температура

масла в КП, К масла в КП, °С

Рисунок 6 - Изменение температуры масла в КП в зависимости от скорости обдувающего потока воздуха и времени работы ( Гвп = 245 К)

Разность температур 9 теплоносителей, град.

0,05 Площадь 15 теплообменника,

Анализ полученных

данных показал (см. рисунок 7), что необходимой эффективности теплопередачи теплопотребителя можно достичь как за счет площади его поверхности, так и за счет средней разности температур промежуточного теплоносителя и масла. При этом в комплексе независимые переменные оказывают

нелинейное воздействие на функции. В с приведенными

значение соответствии

Рисунок 7 - Тепловой поток, переданный трансмиссионному маслу в зависимости от разности температур теплоносителей и площади

поверхности теплопотребителя

результатами исследовании и

геометрическими параметрами КП для передачи установленного теплового потока

870...920 Вт (заштрихованная область) трансмиссионному маслу от промежуточного

теплоносителя необходимо изготовить теплообменник площадью поверхности не

менее 0,15 м2 при средней разности температур теплоносителей 6 К. Стоит отметить,

что для выполнения указанных условий массовый расход промежуточного

теплоносителя должен составлять не менее 4,5 кг/мин.

Заключительный этап

1 емпература Температура

масла в КП, °С

масла в КП, К 293

283

273 -263

253

243

0 7 10 20 24 30 40

Теоретические значения Экспериментальные данные

1 - 265К, 0 м/с 3 -243К. Ом 'с —265К, 0 м/с —«— 243К. О и/с

2 - 265К, 12 м/с 4 - 243К, 12 м/с — 265К, 12 м'с —в— 243К, 12 м/с

Рисунок 8 — Влияние условий окружающей среды и времени работы на температуру масла в КП при работе совместно с системой теплоснабжения

был посвящен исследованию теплового режима КП при работе двигателя с

минимальной частотой

вращения коленчатого вала в режиме холостого хода (600 мин"') совместно с системой теплоснабжения, в результате которых необходимо было проверить выдвинутую ранее рабочую гипотезу, а также сравнительным испытаниям.

В процессе обработки данных (см. рисунок 8) было установлено, что при снижении температуры

окружающей среды с 265 до 243 К и нулевой скорости обдувающего потока воздуха температура масла после 40

минут работы снизилась с 292 (19 °С) до 279 К (6°С), а время его нагрева до 273 К увеличилось с 7 до 24 минут соответственно.

Повышение скорости обдувающего потока воздуха с 0 до 12 м/с при температуре окружающей среды 265 и 243 К приводит к снижению температуры масла после 40 минут работы на 3 и 4 К и увеличению продолжительности прогрева масла до 273 К на 2 и 7 минут соответственно.

Для проверки адекватности полученной аналитической модели на рисунок 8 были помещены теоретические зависимости изменения температуры масла КП.

Совмещение теоретических и экспериментальных зависимостей показало, что максимальное расхождение относительно диапазона изменения температуры не превышает 12% в конце прогрева при температуре окружающего воздуха 265 и 243 К, что свидетельствует об удовлетворительной адекватности полученной аналитической ¿модели.

Для оценки влияния условий окружающей среды на изменение температуры масла в КП при работе совместно с системой теплоснабжения был реализован композиционный симметричный трехуровневый план для трех факторов. В результате было получено уравнение регрессии в раскодированном виде:

Ти = 0,420476- Vm + 4,743736- Гвп + 4,196571 • г - 0,03406- - (12)

- 0,029262- т2 - 0,00777 • Увп ■ т - 0,00875 • Тъа ■ т - 462,295,

где V ~ скорость обдувающего потока воздуха, м/с; вп

Тъп — температура ветрового потока, К;

т - время работы КП совместно с системой теплоснабжения, мин.

В приведенной зависимости по значимости факторов выделяются температура ветрового потока и время работы КП совместно с системой теплоснабжения. Оставшийся фактор, а также его взаимодействие с некоторым допущением можно признать незначительным.

С использованием уравнения (12) был произведен расчет значений температуры масла в КП для различной температуры окружающего воздуха и времени работы, в рамках которого модель является адекватной. Значение скорости обдувающего потока воздуха не изменялось и оставалось равным 0 м/с. Результаты расчетов в графической форме представлены на рисунке 9.

Анализ рисунка показал, что по мере прогрева КП влияние температуры окружающего воздуха становится не столь значительным. Так, если на 10-й минуте работы КП совместно с системой теплоснабжения понижение температуры окружающего воздуха с 265 до 243 К вызывает снижение температуры масла с 273 до 256 К (минус 17 °С), то уже после 30 минут работы аналогичное снижение температуры воздуха уменьшает температуру масла с 287 (14 °С) до 274 К (1 °С), что практически не влияет на изменение эксплуатационных характеристик работы исследуемого агрегата. При понижении температуры окружающего воздуха с 265 К (минус 8 °С) до 243 К (минус 30 °С) время нагрева масла в КП до значения 273 К увеличится с 11 до 27 минут.

Температура масла в КГ1, К

295, 285]

1255 Время, мин 22 Температура

30 ^ окружающего воздуха, К

Рисунок 9 — Изменение температуры масла в КП

в зависимости от температуры окружающего воздуха и времени работы совместно с системой теплоснабжения

Сравнительные испытания теплового состояния коробки передач при работе как с системой теплоснабжения, так и без нее, представленные на рисунке 10 показали, что количество переданной системой теплоснабжения теплоты влияет как на скорость изменения температуры, так и на время нагрева масла до 273 К.

Если после 60 минут работы КП без подогрева при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя с 600 до 1500 мин"1 установившаяся температура масла достигла значений от 269 (мш.уе 4 °С) до 286 К( 13 °С) соответственно, то при

аналогичных условиях работы с системой теплоснабжения установившаяся температура масла достигла значений от 278 (5 °С) до 297 К (24 °С) соответственно.

Время нагрева масла до 273 К при использовании системы теплоснабжения сокращается на 7...20 минут при ча-

Температура масла в КП, °С

Температура масла в КП, К

30 40 50 60

■ 1500 мин'' . 900 мин"

■ 1200 мин'1 о 600 мин"'

0 Ю 20

-с подогревом

-без подогрева

Рисунок 10 — Динамика температуры масла в

коробке передач при различной частоте вращения первичного вала без передачи крутящего момента (Увп = 5 м/с, Тт1 = 243 К)

стоте вращения коленчатого вала двигателя 1500...900 мин"1 соответственно. Как видно из рисунка, температура масла достигает указанного значения при работе совместно с системой теплоснабжения за 30 минут даже с частотой вращения коленчатого вала 600 мин"1.

С учетом того, что агрегаты механической трансмиссии имеют физическое, геометрическое и тепловое подобие, полученные результаты могл г быть распространены на агрегаты других марок.

В пятой главе «Оценка экономической эффективности результатов исследования» приведен расчет экономической эффективности от внедрения

предлагаемой системы теплоснабжения. Оценка экономического эффекта проводилась в сравнении с базовым. В качестве базового выбран способ саморазогрева масла. Годовая экономия от снижения расхода топлива, сокращения затрат на ремонт КП и времени простоя автомобиля составила 26111 руб. на один автомобиль при работе в климатических условиях Новосибирской области.

Рекомендации производству

Система теплоснабжения рекомендуется для дополнительного подогрева масла в КП перед началом движения автомобиля при работе двигателя в режиме холостого хода.

В условиях эксплуатации рекомендуются следующие параметры: площадь соприкосновения рекуператора с трубой выпускной системы отработавших газов двигателя Рр>0,12 м2, массовый расход промежуточного теплоносителя Мпт>4,5 кг/мин, площадь теплопотребителя Гтп>0,15 м2, частота вращения коленчатого вала двигателя 1200...1500 мин"1. При температуре 243 К и скорости обдувающего потока воздуха 12 м/с время нагрева масла в КП до значения 273 К составит 13... 16 мин.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Температура масла в механической КП при работе без передачи крутящего момента напрямую зависит от условий окружающей среды, при этом необходимость подогрева масла возникает при температуре окружающего воздуха 265...243 К (минус 8...30 °С), что характеризует так называемые условия низких температур.

2. В результате анализа теплового состояния механической КП при работе без передачи крутящего момента установлено, что температура и скорость обдувающего потока воздуха оказывают значительное влияние как на интенсивность изменения, так и на значение установившейся температуры масла. При температуре 245 К (минус 28 °С) и скорости обдувающего потока воздуха 15 м/с установившаяся температура масла составила лишь 269 К (минус 4 °С).

3. Предложен способ подогрева масла в механической КП на основе использования теплоты отработавших газов двигателя, содержащий рекуператор, тепловую сеть и потребитель теплоты, отличающийся тем, что рекуператор выполнен в виде двух накладных теплообменников, устанавливаемых на трубу выпускного тракта двигателя, а теплопередача от отработавших газов двигателя к трансмиссионному маслу происходит при помощи промежуточного жидкостного теплоносителя.

4. Разработана математическая модель процесса теплообмена механической КП при работе без передачи крутящего момента, дополнительного источника теплоты и окружающей среды, позволяющая определить температуру трансмиссионного масла в диапазоне температур окружающего воздуха от 265 К (минус 8 °С) до

243 К (минус 30 °С), скорости обдувающего потока воздуха от 0 до 12 м/с и времени работы от 0 до 30 минут.

5. Обоснованы параметры системы теплоснабжения: площадь соприкосновения рекуператора с трубой выпускной системы отработавших газов двигателя Fp>0,12 м2, массовый расход промежуточного теплоносителя Мпт>4,5 кг/мин, площадь поверхности теплопотребителя FTn>0,15 м2. Тепловой поток, переданный трансмиссионному маслу, составит 870...920 Вт при работе двигателя в режиме холостого хода.

6. На основе регрессионного анализа изменения температуры масла в КП установлено минимально необходимое время его нагрева при работе двигателя в режиме холостого хода с частотой вращения коленчатого вала 600 мин"1 совместно с системой теплоснабжения. При снижении температуры с 265 К (минус 8 °С) до 243 К (минус 30 °С) и минимальном значении скорости обдувающего потока воздуха, время нагрева масла в КП до значения 273 К увеличится с 11 до 27 минут.

7. Сравнительные испытания показали, что при температуре 243 К и скорости обдувающего потока воздуха 5 м/с использование системы теплоснабжения сокращает время нагрева масла в КП на 7...20 минут при частоте вращения коленчатого вала двигателя 1500...900 мин"1 соответственно.

8. Экономический эффект от внедрения разработанной системы теплоснабжения, получаемый за счет экономии дизельного топлива на прокручивание КП, сокращения затрат на ремонт КП и времени простоя автомобиля составит 26111 руб. в год на один автомобиль.

Основное содержание диссертации отражено

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Долгушин A.A. Выбор трансмиссионных масел для зимней эксплуатации автомобилей / A.A. Долгушин, А.Ф. Курносов, С.П. Шведов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - № 11. - С. 10-12.

2. Долгушин A.A. Подогрев транспортных средств / A.A. Долгушин, А.Ф. Курносов // Сельский механизатор. - 2013. - №2. - С. 38-39.

3. Долгушин A.A. Анализ теплового режима работы механической коробки перемены передач грузовых автомобилей в зимних условиях / A.A. Долгушин, А.Ф. Курносов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2014. — №1. — С.23-24.

4. Долгушин A.A. Методика теплового расчета системы подогрева транспортных средств / A.A. Долгушин, А.Ф. Курносов // Достижения науки и техники АПК. -2014.-№3.-С. 78-80.

Патенты и свидетельства:

5. Пат. № 119086 РФ, МПК F 28 D 15/00. Система подогрева механической трансмиссии и подвески транспортного средства / A.A. Долгушин, А.Ф. Курносов, С.П. Шведов -№ 2012101908; заявл. 19.01.2012, опубл. 10.08.2012 г. Бюл. № 22.

6. Пат. № 130058 РФ, МПК F 28 D 15/00. Система обеспечения теплового режима редукторов механической трансмиссии транспортного средства / A.A. Дол-

гушин, А.Ф. Курносов - № 2013109900; заявл. 05.03.2013, опубл. 10.07.2013. Бюл. № 19.

Другие издания:

7. Долгушин A.A. Влияние сорта трансмиссионного масла на эффективность эксплуатации автомобилей в зимних условиях / A.A. Долгушин, А.Ф. Курносов, С.П. Шведов // Студенческая наука — взгляд в будущее: материалы Всерос. студ. науч. конф. 4.4 / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2010 - С. 340-343.

8. Долгушин A.A. Исследование вязкостно-температурных характеристик трансмиссионных масел / A.A. Долгушин, А.Ф. Курносов, С.П. Шведов // Материалы ежегод. науч.-практ. конф. студентов и аспирантов Инженер, ин-та (Новосибирск, 9 апреля 2010 г.) / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер, ин-т. - Новосибирск, 2011.-С. 43-48.

9. Долгушин A.A. Обеспечение теплового режима агрегатов трансмиссий и элементов подвески транспортных средств в зимних условиях / A.A. Долгушин, А.Ф. Курносов // Материалы регион, науч.-практ. конф. студентов и аспирантов / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер, ин-т. — Новосибирск, 2012. — С. 11-17.

10. Долгушин A.A. Использование вторичного тепла ДВС для оптимизации температурного режима агрегатов трансмиссии транспортных средств / A.A. Долгушин, А.Ф. Курносов // Материалы ежегод. науч.-практ. конф. студентов и аспирантов Инженер, ин-та (Новосибирск, 12 апреля 2012 г.): в 2 ч. / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер, ин-т. - Новосибирск, 2012 - 41. - С. 19-22.

11. Долгушин A.A. Анализ теплового режима работы механической КПП грузовых автомобилей в зимних условиях / A.A. Долгушин, А.Ф. Курносов // Материалы регион, науч.-практ. конф. студентов и аспирантов. / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер, ин-т. - Новосибирск, 2013. - С. 15-21.

12. Долгушин A.A. Система обеспечения теплового режима агрегатов трансмиссии и элементов подвески транспортных средств / A.A. Долгушин, А.Ф. Курносов // Молодежь в аграрной науке и образовании - инновационный потенциал будущего: материалы Всерос. науч.-практ. конф. / Новосиб. гос. аграр. ун-т. — Новосибирск: Изд-во НГАУ, 2013. - С. 71-73.

Подписано в печать 23.04.2014 г. Формат 60.84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Times New Roman». Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №193. Отпечатано в ООО «Издательский центр Агро-Сибирь» 630039, г. Новосибирск, ул. Никитина, 155. Тел: (383) 267-19-90.