автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования дизеля машинно-тракторного агрегата совершенствованием управления системой топливоподачи

На правах рукописи

Ш/У

<

ШАМУКАЕВ Сергей Борисович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДИЗЕЛЯ МАШИННО-ТРАКТОРНОГО АГРЕГАТА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2013

005538215

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Габдрафиков Фаниль Закариевич

Официальные оппоненты: Галиуллин Рустам Рифович

доктор технических наук, кафедра «Электроснабжения и применения электрической энергии в сельском хозяйстве» ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, заведующий кафедрой

Костарев Константин Васильевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра «Тракторы и автомобили» ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ заведующий кафедрой

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образо-

вательное учреждение высшего профессионального образования «Самарская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится 29 ноября 2013г. в 1300 ч. на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 в ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ по адресу: 450001, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34, аудитория 259/3, Тел.: (347) 228-91-77.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Автореферат разослан » Ю 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Мударисов С.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях сельскохозяйственного производства машинно-тракторные агрегаты (МТА) работают в широких интервалах нагрузочных и скоростных режимов, причем в условиях постоянно меняющихся нагрузок.

Такие условия эксплуатации обусловливают существенное снижение эффективности функционирования МТА из-за ухудшения работы системы топливоподачи дизеля, в частности равномерности подачи топлива, связанное с большой инертностью регулятора топливного насоса при изменение внешних условий работы.

Задача обеспечения эффективности функционирования техники может успешно решаться при эксплуатации ее с учетом конкретных условий сельскохозяйственного производства.

Одним из возможных путей решения этой задачи для дизелей с системой топливоподачи непосредственного действия с регулятором центробежного типа, уже хорошо доведенного конструктивно и надежного в эксплуатации, может быть совершенствование управления системой топливоподачи.

Исследования направленные на повышение эффективности функционирования МТА электронным регулированием топливоподачи, путем позиционного воздействия являются актуальными.

Работа выполнена в соответствии с научно-исследовательской и опытно-конструкторской программой на 2010 - 2012 гг. «Разработка систем управления дизельными двигателями» (Per. № 01.2010.58514) на кафедре «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» ФГЕОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Степень разработанности. Существующие регуляторы систем топливоподачи дизелей основаны на технологии, направленной на поддержание постоянства угловой скорости коленчатого вала двигателя. В дизелях МТА актуальным является снижение инертности регулятора с дополнительным позиционным воздействием по нагрузке, для осуществления которого в настоящий момент не разработана технология и технические средства реализации этого способа.

Цель работы. Повышение эффективности функционирования дизеля МТА совершенствованием управления системой топливоподачи.

Объект исследований. Процесс взаимодействия системы регулятор-дизельный двигатель с топливной системой непосредственного действия на неустановившихся режимах функционирования дизеля МТА.

Предмет исследований. Параметры процесса взаимодействия дизельного двигателя и регулятора топливного насоса на частичных и неустановившихся режимах работы МТА с целью снижения инертности действия регулятора.

Научная новизна. 1)Разработана математическая модель функционирования системы топливоподачи дизеля МТА с дополнительным позиционным воздействием на орган управления по нагрузке. 2) Установлена зависимость изменения угловой скорости коленчатого вала двигателя от относительного изменения положения органа управления топливоподачей насоса высокого давления с учетом нагрузки на МТА.

Новизна конструктивных решений подтверждена патентами на изобретение «Электронный регулятор частоты вращения дизельного двигателя» № 2363855 от 10.08.2009 г. и №2449148 «Электронный регулятор частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя» от 27 апреля 2012 г.

Вклад автора в проведенное исследование:

- теоретическое обоснование возможности повышения эффективности функционирования МТА на неустановившихся режимах работы с применением дополнительного позиционного воздействия на орган управления по нагрузке;

-разработка технических средств, для реализации предложенного способа регулирования тогошвоподачи в дизельный двигатель;

- стендовые и полевые экспериментальные исследования дизелей МТА на неустановившихся режимах с применением разработанных технических средств.

Практическая ценность работы заключается в усовершенствовании устройств и систем автоматического управления подачей топлива, позволяющих производить перемещение органа управления топливного насоса с высокой скоростью и высокой точностью позиционирования. Система автоматического управления, использующая дополнительное воздействие по нагрузке позволяет корректировать подачу топлива в зависимости от величины нагрузки на МТА и тем самым снизить инертность регулятора обеспечивая улучшение динамических свойств двигателя МТА на неустановившихся режимах.

Методы исследований и достоверность результатов. Теоретические исследования базировались на теории автоматического регулирования двигателей внутреннего сгорания, теории трактора и автомобиля.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждаются применением в экспериментальных исследованиях сертифицированных средств испытания и измерения показателей топливоподачи дизелей, а также удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ» (2007-2013гг.), ФГБОУ ВПО «Челябинский ГАУ» (2008 г.), ФГБОУ ВПО «Ставропольский ГАУ» (2012 г.), ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ» (2012 г.).

Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них три работы в изданиях рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ, две работы без соавторов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 116 наименований и приложения. Диссертация изложена на 117 е., содержит 9 таблиц, 57 рисунков и 9 с. приложения.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Математическая модель функционирования системы топливоподачи дизеля МТА с дополнительным воздействием в регуляторе по нагрузке.

2. Технология регулирования топливоподачи дизеля МТА позиционным воздействием на орган управления подачей топлива.

3. Уточнённая динамическая модель переходного процесса дизельного двигателя МТА.

4. Результаты лабораторно-стендовых и производственных исследований разработанных устройств управления подачей топлива.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и необходимость ее разработки, изложена общая характеристика работы, цель и задачи исследований, научные положения выносимые на защиту.

В нервом разделе «Состояние вопроса, цели и задачи исследования» проведен анализ особенностей изменения внешней нагрузки на двигатели МТА, а также рассмотрены особенности изменения показателей работы двигателя на регуляторной ветви скоростной характеристики и системы автоматического регулирования скоростным режимом в условиях неустановившейся нагрузки.

В процессе эксплуатации дизели МТА из-за влияния неустановившегося режима не обеспечивают запроектированных и полученных на стенде по ГОСТ показателей работы. Среди причин, обуславливающих это явление, наиболее важным оказалось изменение внешней нагрузки на двигатели внутреннего сгорания.

Для характеристики неустановившихся и частичных режимов применяются несколько показателей, период изменения момента сопротивления Т, степень неравномерности момента сопротивления 5 и коэффициент возможности увеличения нагрузки и. Однако существующие системы управления и регулирования подачи топлива в двигателе не учитывают изменения этих параметров.

Большой научный вклад в исследование проблем регулирования дизельных двигателей при неустановившейся и частичной нагрузке в области тракторных дизелей внесли: В.Н. Болтинский, Н.С. Ждановский, В.И. Анохин, В.И. Крутов, P.M. Баширов, Д.Д. Багиров, А.Б. Лурье, B.C. Шкрабак, Ю.К. Киртбая, Ф.З. Габдрафиков, А.П. Ин-шаков, О.Б. Леонов, И.И. Габитов, Е.В. Исаев, А.К. Юлдашев, A.M. Гусячкин, М.Ш. Гумеров, Ф.Х. Халиуллин, С.А. Синицкий, В. Г. Патока, В.М. Медведев, Д.А. Вахро-меев и др.

На основе проведенного обзора и анализа состояния проблемы и в соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи исследования:

- выявить технологические особенности повышения динамических свойств дизельного двигателя с учетом его работы на неустановившихся и частичных режимах;

- теоретически изучить закономерности и обосновать параметры взаимодействия момента сопротивления, частоты вращения и величины подачи топлива на неустановившихся и частичных режимах;

- усовершенствовать и обосновать схему устройств обеспечивающих возможность регулирования подачи топлива в зависимости от момента сопротивления на неустановившихся и частичных режимах;

- выполнить экспериментальные исследования с целью проверки результатов теоретических исследований и обоснования конструктивных параметров и режимов работы усовершенствованной автоматической системы управления и регулирования;

- провести экономическое обоснование результатов исследований.

Во втором разделе «Математическое описание работы дизеля МТА с дополнительным воздействием но нагрузке» приведено теоретическое обоснование параметров устройства обеспечивающего регулирование топливоподачи на неустановившихся режимах в зависимости от нагрузки.

Для математического описания регулирования топливоподачи на неустановившихся режимах дизельный двигатель МТА рассматривается как элемент сложной динами-

ческой системы. Динамические характеристики дизеля и топливной аппаратуры должны быть согласованы с характером нагружения. Улучшения процесса топливопо-дачи можно добиться снижением инертности действия регулятора топливной аппаратуры.

Переходной процесс дизельного двигателя на неустановившихся режимах, при рассмотрении малых отклонений параметров, можно смоделировать четырьмя основными воздействиями (рисунок 1, таблица 1).

В случае если переходной процесс возникает в связи с уменьшением момента сопротивления (Мс) до значения в точке 3 (рисунок 1а) происходит резкое увеличение частоты вращения («), при этом избыток крутящего момента (Ме) расходуется на увеличение энергии инерционной массы (£„) двигателя, путем увеличения ее п (в случае машинного агрегата необходимо также учитывать инерционную массу трансмиссии и инерцию машинного агрегата в целом). Крутящий момент Ме снижается до точки 4 из-за снижения подачи топлива обусловленной реакцией регулятора на увеличение п. При выравнивании значений Ме и Мс дальнейшее увеличение угловой скорости (юд) предотвращается. Рабочий процесс двигателя смещается в точку В. В рассмотренном переходном процессе моментом, влияющим на изменение сад, является Ме, увеличивающий запас энергии в инерционной массе двигателя, путем увеличения сод или перемещения рейки (Ьр).

Рисунок I Графическое отображение динамической модели переходных прог^ессов

дизельного двигателя.

Наименование Мс м. (Од ЕЛ, точка

Увеличение М- т т I Ея, расходуется на Мс Б

Уменьшение Мс ■1 I т Ме пополняет Е„ В

Увеличение М, т т т Ме пополняет ЕЛ1 Б

Уменьшение Ме 1 1 I расходуется на Мс В

В случае увеличения Мс до значения в точке 2, произойдет поглощение запаса энергии инерционной массы двигателя нагрузкой и снижение сод вращения. При этом Ме из-за снижения о)д повышается до точки 1. Равновесное состояние устанавливается в точке Б. Влияющим моментом в этом случае является Ме восполняющий нехватку момента сопротивления Мс.

Площади соответствующих треугольников (рисунок 1), например А-1-Б и А-2-Б всегда равны и соответствуют работе действующих сил при переходе из одного рав-

новесного состояния в другое. В результате переходного процесса эти работы вычитаются, так как силы направлены противоположно друг к другу. Колебания Ыд возникают в виду неравновесного изменения действующих моментов во времени.

Основными определяющими параметрами динамической системы влияющими на время переходного процесса являются энергия инерционной массы и скорость ее расходования или восполнения. Повышения динамических свойств системы, представляется только в случаях, когда энергия инерционной массы не используется (используется минимально) либо скорость ее восполнения и расходования очень высока.

Минимального использования энергии £„ возможно добиться использованием системы автоматического регулирования и управления с дополнительным воздействием по моменту сопротивления.

Для исключения вредного воздействия высокочастотных колебаний необходимо задаться степенью нечувствительности регулятора к приложенным моментам б (рисунок 16).

При выходе моментов за пределы нечувствительности регулятора (рисунок 16) двигатель за счет увеличения подачи топлива имеет возможность компенсировать изменение нагрузки. Регулирование происходит за счет использования мощности двигателя, изменяя крутящий момент в противовес моменту сопротивления или наоборот.

Объектом для регулирования является дизель МТА входным параметром которого будет цикловая подача gч, а выходными - сод и Ме (рисунок 2).

Регулятор осуществляет регулирование двигателем через входной параметр о)д и относительное изменение момента ЛМ. Положение рейки топливного насоса Ьр является выходным параметром регулятора. В соответствии с заданным ¡1,, и со„ (угловая скорость кулачкового вала насоса) насос обеспечивает цикловую подачу gц.

I

дм

Е

Рег) лятор Топливный «и две

насос

Мпшинио-тракторпый агрегат

Рисунок 2 Схема функционирования системы тотивоподачи непосредственного

действия дизеля МТА. Рабочий процесс дизельного двигателя МТА в реальных условиях эксплуатации может быть описана уравнением для неустановившихся режимов и имеет следующий вид:

(1Ь.СдД

Ж

- = дм-дм

(1)

где Jд

- изменение момента инерции подвижных частей; ДМе - изменение кру-

тящего момента; ДМС - изменение момента сопротивления. Раскрыв ДМе и ДМС запишем:

J■¡

с!Асо, ОМ

с/Г

дсо

-АсоД +■

дМ.

дМг

д8ч ^

дсо.

■АсоД

дМс

•длг.

(2)

где Дсод - изменение угловой скорости; Дд„ - изменение цикловой подачи топлива;

Изменение Д^„ с учетом регулирования дизельного двигателя но нагрузке, на МТА можно выразить через ДН:

О)

6И

Тогда после преобразований получим:

Л

Обозначим:

дМп дМ„

ал^ эту

амг ам.

с™«,

-——-- фактор устойчивости; ЭМ

я '' ' ~ггг - коэффициент влияния Л/е •«—¿V;

алг

дм'

MCN

дЫ

- коэффициент влияния <—Л^;

Тогда: Введем обозначения:

'"¿Г

Д© ЛДГ ,

<?" =-&<,—-> •'л ,

<о„ * К. & О).

■я ®0 г с)<р

= I

— и п

Л

а>п.

После подстановки и преобразований получим:

■ АТУ. (4)

(5)

(6) (V)

(8)

(9) (10) (11) (12)

где г

Решение этого уравнения имеет вид:

а.

■ «динамическое время двигателя по нагрузке»; (13)

«динамический коэффициент (14)

самовыравнивания по нагрузке».

К, г N

<р--

К„

1-е

(15)

Нарушение равновесного состояния может произойти и в результате процессов не связанных с системой топливоподачи, поэтому уравнение (12) рассмотрим совместно с классической математической моделью дизельного двигателя, регулирование которого происходит по угловой скорости:

/ , -й>„

_ о >1

8ц0

динамическое время двигателя; - динамический коэффициент самовыравнивания;

Км.г, ' ?1|0

относительное изменение положения рейки.

&110

®0

■"о

(19)

(20) (21) (22)

(23)

Получим:

После преобразований получим:

Г " с,(р 8 ' Л

Р = Й

+ К,=

где г

1+-

А'„

К"=Р■

V

■ динамическое время двигателя;

(24)

(25)

(26)

(К*

коэффициент самовыравнивания двигателя. (27)

Решение этого уравнения имеет вид:

а:;

1-

Г,"

(28)

и. А ^ ^ □ □СТЕН

□

Зависимость (28) представляет собой изменение угловой скорости коленчатого вала двигателя от относительного изменения положения органа управления топливопо-дачей топливного насоса с учетом нагрузки на МТА.

В соответствии с задачами исследования на кафедре «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» Башкирского ГАУ было разработано электронное устройство позиционного воздействия на органы управления топливоподачей дизельного двигателя с дополнительным импульсом по нагрузке (Н-корректор) применительно к тракторным дизелям Д-144 и Д-243 (патенты на изобретение Российской Федерации №2363855 «Электронный регулятор частоты вращения дизельного двигателя», №2449148 «Электронный регулятор частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя»).

Электронное устройство позиционного воздействия на органы управления топливоподачей дизельного двигателя с дополнительным импульсом по нагрузке (рисунок 3) устанавливается между рейкой топливного насоса высокого давления (ТНВД) и рычагом механического регулятора вместо серийной тяги, что позволяет, в небольшом интервале на всех режимах корректировать положение рейки и соответственно подачу топлива.

Длина выбега А И позиционирующего устройства изменяется за счет электромагнитного привода, с которым он соединен посредством гибкой тросовой связи. Такое технологическое решение позволяет сохранить общую подвижность элементов конструкции механического регулятора обеспечивая всережимное регулирование двигателя по угловой скорости.

Необходимое положение органа управления (рейки) 2 ТНВД 1 определяется блоком управления 3 по сигналам датчиков частоты вращения 4, нагрузки на МТА 5 и положения рычага управления б, а действительное - датчиком 7 положения органа

Рисунок 3 Функциональная схема электронного попщиони-рующего устройства регулятора ТНВД.

управления. Действительное и требуемое положение органа управления сравниваются в блоке управления 3. При их несоответствии на электромагниты 8 и 9, якоря которых жестко связаны друг с другом, позиционирующим устройством (посредством троса) и рейкой ТНВД, подается напряжение II! и для корректирования.

В третьем разделе «Общая программа и методика экспериментальных исследований» изложены общие положения, цели и задачи исследования, описание лабораторных установок и принципа их действия, а также задаваемые и изучаемые парамет-

8,9 / в \ 11

Рисунок 4 Экспериментальный МТА: а -трактор МТЗ-82.1 с культиватором КПС-4ПН; б - блок управления с контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой; в - электронное устройство позиционного воздействия на двигателе Д-243 трактора МТЗ-82.1 с ТНВД 4УТНИ; г - датчик нагрузки на основе тензорези-сторов смонтированный на оси продольных тяг 1 ~ навесного устройства.

Экспериментальные исследования включали следующие этапы:

- сравнительные безмоторные испытания ТНВД с использованием стандартного всережимного регулятора и с электронным устройством позиционного воздействия на рейку ТНВД.

- моторные исследования стационарных характеристик испытываемого двигателя с использованием стандартного всережимного регулятора и с электронным устройством позиционного воздействия на рейку ТНВД.

- моторные исследования динамических характеристик двигателя при использовании всережимного регулятора частоты вращения коленчатого вала двигателя и при использовании разработанного экспериментального устройства позиционирования;

- полевые испытания дизеля МТА с использованием всережимного регулятора и с электронным устройством позиционного воздействия на рейку ТНВД.

В качестве объекта исследований в лабораторных условиях выбран дизельный двигатель Д-144. В условиях аграрного производства этот распространенный двигатель значительную часть рабочего времени эксплуатируется на неустановившихся ре- [ жимах работы.

Объектом исследований в полевых условиях был выбран трактор МТЗ-82.1 с дизельным двигателем Д-243 и топливным насосом 4УТНИ. Регулятор топливного насоса был дополнительно дооборудован электронным устройством позиционного воздействия на рейку ТНВД. Управление осуществлял при помощи блока управления и иер-

г/цикл 0.070.06 0.05

am

0.03 0,02 0.01 О

S

I

мохшическии

/1 / электронные )

к/1

1 ^Г—Т—1

'опального компьютера в зависимости от изменения нагрузки на МТА. Для определе-ия относительного изменения нагрузки на МТА на навесном устройстве трактора ыли установлены датчики на основе тензорезисторов.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследовании и их шалпз» представлены результаты лабораторно-стендовых испытаний топливного наоса 4УТНИ при работе с всережимным регулятором и с разработанным электронным стройством позиционного воздействия.

Амплитуда колебания рейки насоса с механическим регулятором достигала А=0,51 ш. При установке электронного устройства позиционирования она составила всего =0,12 мм, (на 45% меньше), что способствовало существенному снижению неравномерности топливоподачи. Так межсекционная неравномерность топливоподачи (§) ТНВД при работе с электронным устройством позиционирования в зависимости от частоты вращения коленчатого вала снизилась на 2-7% (рисунок 5).

Переходные процессы (изменение момента сопротивления, частоты вращения коленчатого вала и положения рейки) двигателя Д-144 с всережимным механическим " регулятором характеризуются колебанием всех контролируемых показателей (рисунок 6). Величина фазового отставания положения рейки топливного насоса от начала изменения мо-1ента сопротивления составляет 0,15 с (связанно с задержкой снижения частоты вра-цения из-за накапливания энергии в упругих элементах трансмиссии и расходования нергии маховиком двигателя).

Результаты экспериментальных моторных исследовании приведены таблицах 2иЗ.

Длительность начальной I фазы переходного процесса «наброс нагрузки» состав-яет 0,57 с. Длительность II фазы переходного процесса «выравнивание моментов и табилизацня частоты вращения» составляет 0,35 с. III фаза переходного процесса со-тавляет 2,36 с и характеризуется колебательным процессом, который является след-твием динамического заброса крутящего момента двигателя и высвобождения энер-ии в упругих элементах трансмиссии.

Таблица 2 Результаты экспериментальных исследований на двигателе с 1ентробежным регулятором при частоте вращения п=1500 мин"1, нагрузке Мс = 100

600 700 800 900 1000 1100 а мин

Рисунок 5 Регуляторпая характеристика насоса 4УТНИдля дизеля Д-243 и неравномерность топливоподачи при работе с всережимным механическим и экспери-ментачьным электронным устройством позиционного воздействия на рейку.

Наброс, Н-м Изменение положения рейки Заброс момента Заброс частоты вращения Установившееся значение частоты, мин"1 Время переходного процесса t, с

мм % Н-м % мин"1 %

120 2,78 13,47 128 6,67 1480 -1,33 1495 1,3

140 3,2 30.61 159 13,57 1450 -3,33 1470 2.3

160 3,38 37,96 185 15,63 1410 -6,00 1450 2,8

180 3,83 56,33 218 21,11 1390 -7,33 1430 3,5

Мс, Н»м

200 т

Ьр,мм

3 21 2

Мс,Н»м

200

1500 1100

Ь„,мм

I II III

0 5 15 5 5 1,с

0 0.5 1 2 2.5 3 35 1, с

Г

У

0 5 1 0,576 с 15 7 0,353 с 5 3 35 1, с 2,36 с

0,930 с

3,290 с

Общая длительность переход ного процесса составила до 3, с.

Осциллограммы переход ных процессов двигателя с экс пернментальным регуляторои имеет колебательный характе только по моменту сопротив ления. Фазовое отставание час тоты вращения намного боль ше 0,3 с. Это является следст вием резкого изменения поло жения рейки корректором мо мента сопротивления. Рейк-топливного насоса изменяв свое положение в течении 0,1 и имеет задержку от начала пе реходного процесса 0,05 с Общая длительность переход ного процесса составляет до 2, с (на 37% ниже, чем при регу ляторе центробежного типа) что позволяет существенн снизить инерционность регу лирования.

В первом случае частот-вращения коленчатого вала ме няется по окончании переход ного процесса, а во втором час тота возвращается после не продолжительного колебания исходное значение 1500 мин" (таблица 2, 3).

Исследования показали, чт при использовании электрон ного устройства позициониро вания с регулированием п частоте вращения и нагрузк уменьшается заброс частот вращения, происходит возрас тание мощности двигателя в время переходного процесса. Интенсивность возрастани

крутящего момента позволяет двигателю возникающие перегрузки преодолевать боле эффективно и, как следствие, происходит уменьшение удельного расхода топлива (ри сунок 7).

I II III

0 5 2 1 5 1,с

0 5 15 2 2.5 3 3.5

0 ь 5 ? 0,73 5 Зс 2 2. ОД 23 с 5 3.5 X, с

0,857 с 0,811 с

1,66 8с

Рисунок 6 Осциллограммы переходного прогресса с механическим регулятором (а) и электронным устройством позиционного воздействия (б) при и=1500 мин1, А М=80 Нм (Ю0-*180 Нм).

Таблица 3 Результаты экспериментальных исследований на двигателе с воздействием в регуляторе по моменту сопротивления при частоте вращения п=1500 мин'1, нагрузке Мс = 100 Н-м, положении рейки Ь,, = 2,45 мм. _

Наброс, Н-м Корректировка поло- Заброс Заброс Время

жения рейки момента частоты вращения, переходного

мм % Н-м % мин % процесса, с

120 2,76 12,65 128 6.67 1490 -0,67 0,7

140 3,0 22,45 154 10,00 1460 -2,67 1,1

160 3,29 34,29 183 14,38 1440 -4,00 1,2

180 3,55 44,90 217 20,56 1415 -5,67 1,4

Экспериментальные полевые испытания МТА (трактор МТЗ-82.1 с культиватором КПС-4ПН) проводились в условиях земельных угодий КФХ «Алга», Нуримановского района Республики Башкортостан.

Переходные процессы дизеля МТА в полевых условиях регистрировались с помощью специальной аппаратуры, а затем проводилось обобщение и анализ результатов. При проведении испытаний МТА работал на рекомендованных скоростных режимах.

Зависимости изменения показателей двигателя при набросе и сбросе нагрузки в лабораторных, полевых и теоретических исследованиях (рисунок 8, 9) имеют высокую идентичность. При полевых исследованиях было выявлено увеличение расхода топлива (объясняется наличием сопротивления перекатыванию МТА по полю).

Полученные зависимости изменения показателей дизеля Д-243 трактора МТЗ-82.1 (рисунок 8), свидетельствуют о значительном влиянии неустановившейся нагрузки на эффективность функционирования дизеля МТА. Так в режиме наброса нагрузки на дизель, за счет дополнительного воздействия в регуляторе ТНВД, подается в двигатель дополнительная порция топлива. Начало увеличения цикловой подачи топлива gц практически совпадает с началом изменения нагрузки на крюке Ркр. Частота вращения коленчатого вала двигателя остается практически неизменной. Начало переходного процесса характеризуется увеличением удельного расхода топлива ge до 830 г/кВт-ч, что связанно с затратами топлива на преодоление нагрузки. Среднее значение часового расхода топлива Стт за весь переходной процесс составляет 13,99 кг/ч и составляет в среднем 14,56 кг/ч в конце переходного процесса.

Рисунок 8 Результаты полевых испытаний дизеля Д-243 в неустановившихся режимах - наброс нагрузки

Рк Я

шю-

шю-

е, п А

\ / / / / . /V ч -2-1

' / / ' / / '/ / >1 /

А -—

Ке \й

Рк

\ /

-32$ ■320 ■Л

■за ■за зх

0,5 / и г г! 3 35 ( 1.1 ! I. ся

Рисунок 9 Результаты полевых испытаний дизеля Д-243 в неустановившихся режимах - сброс нагрузки.

В режиме сброса нагрузки снижение подачи топлива происходит одновременно со снижением нагрузки (за счет дополнительного воздействия процесс изменения gц заканчивается на 0,7 с раньше). В начальный момент времени, в режиме при п=2240 мин"1, происходит снижение ge до 186 г/кВтч обусловленное принудительным перемещением рейки ТНВД устройством позиционирования. Средний часовой расход топлива за переходной процесс составляет 8,56 кг/ч.

Результаты полевых испытаний МТА с электронной системой корректировки подачи топлива по нагрузке показали, повышение эффективности функционирования дизеля. Так расход топлива уменьшился на 4...5%, потери мощности двигателя снизились на 3.. .4% при работе в режимах неустановившихся нагрузок.

В пятом разделе «Технико-экономическое обоснование» Использование электронного устройства позиционного воздействия на органы управления топливопода-чей в неустановившихся режимах работы дизельного двигателя Д-243 трактора МТЗ-82.1 позволяет при годовой загрузке МТА 1300 часов сэкономить 1,538 т. дизельного топлива. При средней цене дизельного топлива 27,4 руб. за килограмм годовой экономический эффект составит 42141 рублей на один МТА.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана модель функционирования топливоподающей системы непосредственного действия дизеля МТА в динамических режимах, представляющая собой совокупность дизельного двигателя, топливного насоса, регулятора и машинно-тракторного агрегата.

2. Разработана математическая модель работы дизельного двигателя МТА, в динамических режимах. Установлена зависимость относительного изменения угловой скорости коленчатого вала от относительного изменения положения рейки ТНВД с учетом нагрузки на МТА. Так при относительном изменении нагрузки на 80% происходит относительное перемещении рейки ТНВД на 1,1 мм и уменьшение угловой скорости коленчатого вала на 6%.

3. Предложено устройство позиционного воздействия на органы управления топ-ливоподачей дизельного двигателя, позволяющее регулировать положение рейки ТНВД в зависимости от нагрузочного режима на МТА (патенты на изобретение №2363855 «Электронный регулятор частоты вращения дизельного двигателя» и №2449148 «Электронный регулятор частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя»),

4. Установлено на основании моторных и полевых испытаний на неустановившихся режимах работы потребность изменения цикловой подачи топлива при изменении момента сопротивления дизеля МТА. При значении степени неравномерности момента сопротивления 0,80 позиционное воздействие на органы управления топливопода-чей позволит уменьшить заброс частоты вращения на 1,66%, сократить время переходного процесса на 2,1 с. Расход топлива уменьшился на 4...5%, потери мощности двигателя снизились на 3...4% при работе с неустановившейся нагрузкой.

5. По результатам расчетов технико-экономических показателей дизельного двигателя Д-243 при неустановившейся нагрузке с учетом улучшения динамических характеристик и годовой загрузке 1300 часов позволит сэкономить 1,538 т дизельного топлива, что по ценам на 20.06.2013 г. составит 41526 рублей.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах: в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Шамукаев С.Б. Повышение качества топливоподачи в дизелях [Текст] / Ф.З. Габдрафиков, М.А. Аб-раров // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2010. - №3. - С.5,6.

2. Шамукаев С.Б. Динамическая модель переходного процесса работы дизельного двигателя [Текст] / Ф.З. Габдрафиков // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2010. - №9. - С.22 - 24.

3. Шамукаев С.Б. Возможные направления повышения технико-экономических показателей тракторных дизелей [Текст] / С.Б. Шамукаев, Ф. 3. Габдрафиков [и др.] // Тракторы и с. - х. машины - 2011 - № 2. - С. 23-27

в авторских свидетельствах и патентах

1. Электронный регулятор частоты вращения дизельного двигателя [Текст]: пат. 2363855 Рос. Федерация: МПК F02D1/08, Габдрафиков Ф.З., Шамукаев С.Б., Мехоношин Е.П.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ». -№ 2007145795/06; заявл. 10.12.2007; опубл. 10 08 2009 Бюл № 22. '

2. Электронный регулятор частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя [Текст]: пат. 2449148 Рос. Федерация: МПК7 F02D1/08, Габдрафиков Ф.З., Шамукаев С.Б., Абраров М.А., Абраров И.А..; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ». - № 2010111991/06- заявл 29.03.2010; опубл. 10.10.2011, Бюл. № 12.

в сборниках научных трудов и материачах конференций 1. Шамукаев С.Б. Технологические приёмы улучшения равномерности топливоподачи дизелей [Текст] / Шамукаев С.Б., Габдрафиков Ф.З., Галиуллин И.З. // Материалы Всероссийской научно-практической

конференции: «Проблемы и перспективы развитая инновационной деятельности в агропромышленном комплексе». - Уфа: Башкирский ГАУ, 2007. - Ч. 3. - С. 35-38

2. Шамукаев С.Б. Исследование влияния характеристики пружины форсунки на неравномерность топ-ливоподачи дизелей [Текст] / Шамукаев С.Б., Габдрафиков Ф.З. и др. // Материалы Всероссийской научно-практической конференции: «Проблемы и перспективы развития инновационной деятельности в агропромышленном комплексе». - Уфа: Башкирский ГАУ, 2007. - Ч. 3. - С.32-34

3. Шамукаев С.Б. Управление топливоподачей в дизелях МТА посредством электронного регулятора [Текст] / Шамукаев С.Б. // XLVII международная научно-техническая конференция «Достижения науки -агропромышленному производству». - Челябинск: ЧГАУ, 2008. - С. 54-55.

4. Шамукаев С.Б. Электронное регулирование подачи топлива в дизельных двигателях на неустановившихся режимах работы [Текст] / Шамукаев С.Б., Габдрафиков Ф.З., Абраров М.А. // Научное обеспечение устойчивого функционирования и развития АПК: материалы всерос. науч.-практ. конф. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2009. - Ч. 1. - С. 44-46.

5. Шамукаев С.Б. Регулирование подачи топлива в дизельных двигателях на неустановившихся режимах работы [Текст] / Ф. 3. Габдрафиков, С. Б. Шамукаев // Научное обеспечение устойчивого функционирования и развития АПК: материалы всерос. науч.-практ. конф. - Уфа, 2009. - Ч. 1. - С. 40-43.

6. Шамукаев С.Б. Исследование инерционности исполнительного механизма электронного регулятора на примере топливного насоса 4УТНМ [Текст] / Ф. 3. Габдрафиков, С. Б. Шамукаев // Научное обеспечение устойчивого функционирования и развития АПК: материалы всерос. науч.-практ. конф. - Уфа, 2009. -Ч. 1,-С. 37-39.

7. Шамукаев С.Б. Совершенствование регулятора ТНВД дизеля при работе на установившихся и частичных режимах [Текст] / Ф. 3. Габдрафиков, С. Б. Шамукаев // Научное обеспечение инновационного развития АПК : материалы Всерос. науч.-практ. конф. в рамках XX Юбилейной специализированной выставки "Агрокомплекс-2010" (2-4 марта 2010 г.). - Уфа : Башкирский ГАУ, 2010. - Ч. 3. - С. 38-41

8. Шамукаев С.Б. Повышение качества процесса дизелей позиционным воздействием топливоподачи на органы управления [Текст] / С. Б. Шамукаев // Особенности развития агропромышленного комплекса на современном этапе : материалы всерос. науч.-практ. конф. в рамках XXI Междунар. специализированной выставки "АгроКомплекс-2011", 16-17 марта 2011 г. - Уфа, 2011. - Ч. 2. - С. 97-102.

9. Шамукаев С.Б. Улучшение эксплуатационных показателей дизеля электронным управлением топливоподачи на частичных и неустановившихся режимах работы [Текст] / Ф. 3. Габдрафиков, С. Б. Шамукаев // Инновационно-промышленный салон: Ремонт. Восстановление. Реновация : материалы II всерос. науч.-практ. конф., 9-11 февраля 2011 г. / Башкирский ГАУ. - Уфа, 2011. - С. 25-27.

10. Шамукаев С.Б. Совершенствование топливоподачи в дизелях машинно-тракторных агрегатов на неустановившихся режимах работа [Текст] / Шамукаев С.Б., Габдрафиков Ф.З. // Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию Казанского государственного аграрного университета / Казанский ГАУ, ИМиТС. - Казань: Казанский ГАУ, 2012. - С. 68-73.

11. Шамукаев С.Б. Исследование дизеля МТА регулируемого по нагрузке [Текст] / С.Б. Шамукаев, Ф.З. Габдрафиков // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК: материалы VII Международной научно-практической конференции в рамках XIX Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал - 2012»/ Ставропольский ГАУ. - Ставрополь: Ставропольский ГАУ, 2012. - С. 52-57.

12. Шамукаев С.Б. Улучшение динамических и технико-экономических показателей дизелей МТА при работе на неустановившихся режимах [Текст] / С. Б. Шамукаев // Роль науки в инновационном развитии АПК: материалы Всероссийской науч.- практ. конф., посвяш. 80-летию со дня рождения известного ученого, профессора А. П. Иофинова (13-14 декабря 2012 г.) / Башкирский ГАУ. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2012.-С. 147-151

Подписано в печать 28.10.2013 г. Формат бумаги 60*84'/16. Усл. печ. л. 0,93 Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Заказ 531. Тираж 100 экз.

РИО ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34

ФГБОУ ВПО Башкирский государственный аграрный университет

ШАМУКАЕВ Сергей Борисович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДИЗЕЛЯ МАШИННО-ТРАКТОРНОГО АГРЕГАТА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ

ТОПЛИВОПОДАЧИ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Габдрафиков Фаниль Закариевич

Уфа-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7

1.1 Состояние вопроса 7

1.2 Условия работы дизелей МТА и их особенности 12

1.3 Взаимосвязь условий эксплуатации дизеля МТА с его технико-экономическими показателями 18

1.4 Технологические приемы повышения качества процесса

подачи топлива в дизелях МТА 21

1.5 Регулирование дизелей МТА двухимпульсными регуляторами 28

1.6 Цели и задачи исследований 34

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ МТА

С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПО НАГРУЗКЕ 3 5

2.1 Динамическая модель функционирования дизельного двигателя на неустановившихся и частичных режимах 35

2.2 Математическое описание дизеля как объекта автоматического регулирования и управления двухимпульсной системой (по отклонению и возмущению) 41

2.3 Оценка качества переходного процесса двигателя МТА 46

2.4 Разработка технических средств позиционного воздействия на органы управления топливоподачей

дизельного двигателя 48

2.5 Требования предъявляемые к двухимпульсной САР с

входным воздействием по частоте вращения и нагрузке на МТА 57

3 ОБЩАЯ ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 58

3.1 Программа экспериментальных исследований 58

3.2 Общая методика исследований 60

3.3 Стенд для проведения безмоторных исследований 61

3.4 Стенд для проведения моторных испытаний 62

3.5 Полевые испытания дизельного двигателя

машинно-тракторного агрегата 65

3.6 Аппаратура измерения и регистрации параметров 67

3.7 Оценка погрешностей измерений и обработка экспериментальных данных 73

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИХ АНАЛИЗ 76

4.1 Исследование системы топливоподачи дизелей Д-144 и

Д-243на стационарных режимах 76

4.2 Моторные исследования дизелей Д-144 и Д-243 в стационарных режимах 78

4.3 Динамические исследования дизелей МТА в лабораторных и полевых условиях 82

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 95 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 97 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 98 ПРИЛОЖЕНИЕ 110

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В условиях сельскохозяйственного производства машинно-тракторные агрегаты (МТА) работают в широких интервалах нагрузочных и скоростных режимов, причем в условиях постоянно меняющихся нагрузок.

Такие условия эксплуатации обусловливают существенное снижение эффективности функционирования МТА из-за ухудшения работы системы топливо-подачи дизеля, в частности равномерности подачи топлива, связанное с большой инертностью регулятора топливного насоса при изменение внешних условий работы.

Задача обеспечения эффективности функционирования техники может успешно решаться при эксплуатации ее с учетом конкретных условий сельскохозяйственного производства.

Одним из возможных путей решения этой задачи для дизелей с системой топливоподачи непосредственного действия с регулятором центробежного типа, уже хорошо доведенного конструктивно и надежного в эксплуатации, может быть совершенствование управления системой топливоподачи.

Исследования направленные на повышение эффективности функционирования МТА электронным регулированием топливоподачи, путем позиционного воздействия являются актуальными.

Работа выполнена в соответствии с научно-исследовательской и опытно-конструкторской программой на 2010 - 2012 гг. «Разработка систем управления дизельными двигателями» (Per. № 01.2010.58514) на кафедре «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Степень разработанности. Существующие регуляторы систем топливоподачи дизелей основаны на технологии, направленной на поддержание постоянства угловой скорости коленчатого вала двигателя. В дизелях МТА актуальным явля-

ствием по нагрузке, для осуществления которого в настоящий момент не разработана технология и технические средства реализации этого способа.

Цель работы. Повышение эффективности функционирования дизеля МТА совершенствованием управления системой топливоподачи.

Научная новизна. 1)Разработана математическая модель функционирования системы топливоподачи дизеля МТА с дополнительным позиционным воздействием на орган управления по нагрузке. 2) Установлена зависимость изменения угловой скорости коленчатого вала двигателя от относительного изменения положения органа управления топливоподачей насоса высокого давления с учетом нагрузки на МТА.

Новизна конструктивных решений подтверждена патентами на изобретение «Электронный регулятор частоты вращения дизельного двигателя» № 2363855 от 10.08.2009 г. и №2449148 «Электронный регулятор частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя» от 27 апреля 2012 г.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в усовершенствовании устройств и систем автоматического управления подачей топлива, позволяющих производить перемещение органа управления топливного насоса с высокой скоростью и высокой точностью позиционирования. Система автоматического управления, использующая дополнительное воздействие по нагрузке позволяет корректировать подачу топлива в зависимости от величины нагрузки на МТА и тем самым снизить инертность регулятора обеспечивая улучшение динамических свойств двигателя МТА на неустановившихся режимах.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования базировались на теории автоматического регулирования двигателей внутреннего сгорания, теории трактора и автомобиля.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Математическая модель .функционирования системы топливоподачи дизеля МТА с дополнительным воздействием в регуляторе по нагрузке.

2. Технология регулирования топливоподачи дизеля МТА позиционным воздействием на орган управления подачей топлива.

3. Уточнённая динамическая модель переходного процесса дизельного двигателя МТА.

4. Результаты лабораторно-стендовых и производственных исследований разработанных устройств управления подачей топлива.

Степень достоверности и апробация результатов.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается применением в экспериментальных исследованиях сертифицированных средств проведения испытаний и измерения показателей топливоподачи дизелей, а также удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных.

По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них три работы в изданиях рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ, две работы без соавторов. Основные результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ» (2007-2013гг.), ФГБОУ ВПО «Челябинский ГАУ» (2008 г.), ФГБОУ ВПО «Ставропольский ГАУ» (2012 г.), ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ» (2012 г.).

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Состояние вопроса

Дальнейшее развитие сельскохозяйственного производства в условиях рыночных отношений сопровождается обострением проблемы эффективности использования машин.

В машинно-тракторных агрегатах (МТА) основной энергетической установкой является дизельный двигатель.

В процессе эксплуатации двигатели и машины из-за влияния неустановившегося режима работы не обеспечивают запроектированных и полученных на стенде по ГОСТ показателей работы. Среди причин, обуславливающих это явление, наиболее ощутимым оказалось изменение внешней нагрузки на двигатели внутреннего сгорания.

В условиях сельскохозяйственного производства двигатели МТА в основном эксплуатируются на неустановившихся режимах. Под неустановившимися режимами работы двигателей следует понимать режимы, которые сопровождаются одновременным изменением или изменением в различных сочетаниях числа оборотов (частоты вращения) коленчатого вала, нагрузки и теплового состояния двигателя.

В дизелях МТА по мере снижения частоты вращения, нагрузок и переходе на неустановившиеся режимы работы ухудшаются показатели работы из-за того, что при ныне применяемых центробежных регуляторах колебания нагрузок вызывают соответствующие колебания частоты вращения коленчатого вала и как следствие, последовательно кулачкового вала насоса, вала регулятора и рейки насоса высокого давления, вызывая, в конечном счете высокую неравномерность топливоподачи.

Исследование особенностей работы двигателей показало, что двигатели в реальных условиях эксплуатации имеют к тому же значительно меньший (до

сурс. [19,20, 22-27]

Очевидна необходимость изучения эксплуатационных пределов и характера изменения нагрузки, влияния ее на показатели двигателя с целью совершенствования его динамических качеств.

Одним из наиболее ранних и полных трудов, освещающих общие вопросы возникновения и характеристики неустановившейся нагрузки, является работа академика Болтинского В.Н. [13,14].

Внешняя нагрузка Мс на валу двигателя при прямолинейном движении агрегата рассматривается в виде суммы:

Мс = Щ + Мкр + Ма + М7 + Мт, (1.1)

где М^ - момент сопротивления перекатыванию;

Мкр - момент сопротивления на крюке (прицепа);

Ма - момент сопротивления при преодолении подъемов;

Му - момент сопротивления от сил инерции;

Мт - момент сопротивления от сил трения.

В условиях эксплуатации вследствие непрерывного изменения всех слагаемых, суммарный момент сопротивления Мс также непрерывно меняется по величине и имеет вероятностный характер.

Анализ экспериментальных данных, полученных в условиях эксплуатации сельскохозяйственных тракторов показал, что этот колебательный процесс характеризуется большей или меньшей периодичностью. Поэтому диаграмма изменения момента сопротивления, как всякая периодическая функция, может быть выложена с помощью ряда Фурье или преобразования Эйлера.

При этом на основании теории приближенных вычислений, Болтинский В.Н. предложил рассматривать вместо сложной близкую к ней функцию, имеющую более простую зависимость

Мс = Мсср(1 + ^5£пй)сс), (1.2)

где Мс ср - среднее за цикл нагрузки значение момента сопротивления

м _ MCWQX+M 1Асср ~ 2

с min

Sc - степень неравномерности изменения внешней нагрузки:

g _ Мс max Мс min

С ~~ мсср

(1.3)

(1.4)

Мс тах> Мс min - соответственно максимальное и минимальное значения моментов сопротивления за цикл;

сос - круговая частота изменения нагрузки.

(Or =

2п

(1.5)

где Т - период изменения нагрузки.

Графически это представлено на рисунке 1.1, из которого видно, что

Мстах№стт = Мсср ± АМС. (1.6)

Таким образом, как показывает Болтинский В.Н., диаграмму момента сопротивления можно с достаточной точностью представить в виде цепи непрерывно следующих друг за другом синусоид с различными значениями ДМС и периодами Т.

Рисунок 1.1 Изменение момента сопротивления на валу двигателя. Это предположение актуально для сельскохозяйственных и других операций, при выполнении которых средний момент сопротивления остается относи-

тельно постоянным. Как показывают результаты работы [32], средний момент сопротивления, в общем случае, меняется от цикла к циклу нагрузки и даже в течении цикла. А значения периода (частоты) изменяются непрерывно и в процессе одновременно имеются колебания разных частот. Поэтому в общем случае диаграмму изменения момента сопротивления можно с достаточной точностью представить как наложение гармоник разных частот и амплитуд, непрерывно следующих друг за другом с различными значениями фазового отставания.

Академик Болтинский В.Н. отмечает, что наряду с периодическими колебаниями момента сопротивления, характеризуемыми значениями 8С и Т, наблюдаются временные, иногда продолжительные (измеряемые десятками секунд и даже минутами), отклонениями момента от имеющегося до этого среднего значения. Величину возможных отклонений внешней нагрузки от ее среднего значения он рекомендует оценивать отношением

уу =Мссршах (1.7)

Мч /

с ср длит

где \У - коэффициент возможной перегрузки при выполнении данной рабочей операции;

Мс ср тах - среднее значение временно возросшего сопротивления двигателя; Мс ср длит - среднее длительно наблюдаемое значение момента сопротивления. Колебание момента сопротивления перекатыванию в первом приближении может быть охарактеризовано изменением степени неравномерности в пределах 0,1 - 0,2 и периода 0,08 - 0,15 сек.

Болтинский В.Н. отмечает, что моментами от сил инерции, появляющихся при замедлении и ускорении машинного агрегата и моментами от сил трения можно пренебречь.

При движении трактора на подъем или под уклон момент сопротивления будет периодически возрастать и уменьшаться на величину

±Стр5та (1.8)

где вхр - вес трактора;

Анализируя характер изменения внешней нагрузки сельскохозяйственных машин - орудий, Болтинский В.Н. [12] отмечает, что из всех сельскохозяйственных работ: боронования, посева, культивации, молотьбы, работы комбайна, пахоты, последняя является наиболее тяжелой, создающей наихудшие условия для работы двигателя.

На неравномерность тягового сопротивления трактора при выполнении пахотных работ значительное влияние оказывает различие физических свойств почвы, обусловленное неоднородностью механического состава, структуры, наличия влаги, органических веществ, влияния предыдущей вспашки и т. п.

Тяговое сопротивление машин и орудий изменяется в значительных пределах и зависит от сложного комплекса факторов.

Изменение влажности в пределах одного поля доходит до 10%, в свою очередь уменьшение влажности на 10% может повышать плотность почв до 45%.

Значительное влияние на неравномерность изменения тягового сопротивления оказывает микрорельеф почвы. Вследствие колебания микрорельефа происходит непрерывное изменение глубины обработки и ширины захвата около их среднего значения. Неравномерность глубины пахоты, обусловленная микрорельефом почв, может достичь 15% и более.

Некоторое влияние на неравномерность тягового сопротивления оказывает число корпусов плуга - с увеличением количества корпусов неравномерность уменьшается.

Неравномерность тягового сопротивления зависит также от скорости движения - с увеличением скорости движения агрегата неравномерность увеличивается.

Болтинский В.Н. указывает, что в зависимости от отмеченных выше причин период изменения силы сопротивления плуга варьирует в широких пределах от 0,2 до 2 сек, а степень неравномерности изменения внешней нагрузки может достигать 0,3.

Изучение литературы и исследования показывают, что изменение нагрузки

роятностно-статическом смысле, хотя не для всех машин, двигателей, операций и случаев он достаточно изучен.

Качественное и количественное влияние различных факторов на закон изменения нагрузки изучено еще не полностью.

Установлено, что можно с определенной степенью точности отобразить закон изменения нагрузки разложением его гармоник в ряды Фурье.

1.2 Условия работы дизелей МТА и их особенности

В сельскохозяйственном производстве МТА работает в широких интервалах нагрузочных и скоростных режимов.

Дизельные двигатели в составе МТА могут работать в условиях:

- пуска;

- минимальных оборотов холостого хода;

- номинальный режим холостого хода;

- частичной загрузки (при выполнении транспортных работ и др.);

- близких к номинальной и номинальной загрузке (пахота, культивация и

т.д.);

- режимах перегрузки (моменты трогания с места машинно-тракторных агрегатов, преодоления препятствий и др.)

Дизели МТА в процессе реальной эксплуатации могут испытывать различные сочетания изменения нагрузки и частот вращения. Связанно это в первую очередь с тем, что трактора в основном проектируются и используются для выполнения разнородных технологических операций отличающихся как энергоемкостью так и скоростью движения МТА в целом или отдельных его агрегатов. Это позволяет оптимизировать парк техники в хозяйствах и сократить номенклатуру запасных частей. [52, 53,54,55,56,57,58,64,65].

Реальные условия эксплуатации определяют полноту загрузки и скоростные режимы работы двигателей МТА.

Наиболее широко известны исследования НАТИ по эксплуатации 2581 трактора класса 1,4 и 2575- класса 3, на основных сельскохозяйственных операциях. [18, 19, 65]

Трактора класса 1,4 (рисунок 1.2) в основном используются на малоэнергоемких и транспортных работах, средневзвешенная доля этих работ составляет 48%. Средневзвешенная доля использования тракторов этого класса в сеноуборке составляет 10,1%. Остальные виды работ, такие как уборка на силос, обработка междурядная, сев, культивация, внесение удобрений не превышают 7% порога и суммарно составл