автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования МТА за счет оптимизации скоростных и нагрузочных режимов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Багаев Эдуард Хасанович

Повышение эффективности функционирования МТА за счет оптимизации скоростных и нагрузочных режимов (на примере тракторов класса 14 кН)

Специальность 05. 20. 03 - Эксплуатация, восстановление и ремонт

сельскохозяйственной техники

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Засл. деят. науки и техники РФ, доктор технически^ наук, профессор Агеев Л.Е.

Научный консультант кандидат технических наук, доцент Уртаев В.А.

Санкт-Петербург-Пушкин 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................ 4

1. Состояние вопроса и задачи исследования............................................ 6

1.1 Анализ исследований по оценке влияния внешних воздействий на энергетические показатели МТА.............................................. 6

1.2 Оптимизация режимов работы................................................. 11

1.3 Постановка вопроса и задачи исследования................................ 15

2 . Анализ и оценка энергетических показателей тракторов при гармоническом

и случайном характере изменении частоты вращения вала двигателя......... 19

2.1 Математические ожидания энергетических показателей тракторов на скоростном режиме работы..................................................... 21

2.2 Математические ожидания энергетических показателей тракторов по параметрам регуляторной характеристики двигателя Д-240.............. 28

2.3 Дисперсии, стандарты м другие оценки показателей тракторов......... 35

2.4 Определение скоростных оптимальных режимов работы МТА.......... 36

2.5 Определение оптимальных нагрузочных режимов работы МТА......... 42

3. Методика экспериментальных исследований...........................................48

3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований........................... 48

3.2 Объект и программа экспериментальных исследований................... 49

3.3 Методика лабораторных испытаний двигателя Д-240 при гармонической нагрузке......................................................... 51

3.4 Методика лабораторно-полевых испытаний трактора МТЗ-80............ 52

3.5 Применяемое оборудование и измерительная аппаратура................. 55

3.6 Тарировка приборов................................................................ 58

3.7 Методика обработки экспериментальных данных...........................62

3.7.1 Обработка результатов лабораторных испытаний.................. 62

3.7.2. Обработка результатов лабораторно-полевых испытаний

трактора МТЗ-80........................................................63

3.7.3 Оценка погрешностей измерений....................................... 69

4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ...................... .72

4.1 Вероятностно-статистические оценки показателей объектов

исследований.......................................................................72

4.1.1 Законы распределения внешней нагрузки и частоты вращения

вала двигателя при лабораторных испытаниях двигателя Д-240.

4.1.2. Законы распределения и вероятностные оценки показателей

агрегата при лабораторно-полевых испытаниях......................75

4.2 Средние значения показателей двигателя Д - 240 при гармоническом

колебаниях частоты вращения и нагрузки.....................................82

4.3. Оптимальные значения энергетических показателей агрегатов при

гармоническом колебании нагрузки и частоты вращения вала

двигателя.............................................................................90

4.3.1. Оптимальные значения энергетических показателей двигателя при гармоническом колебании частоты вращения вала в процессе лабораторных испытаний.....................................90

4.3.2. Оптимальные скоростные режимы работа пахотного агрегата пс энергетическим показателям.............................................93

4.3.3. Оптимальные значения энергетических показателей двигателя при гармоничном нагружении в процессе лабораторных испытаний...................................................................97

4.3.4. Оптимальные нагрузочные режимы работа пахотного агрегата

по энергетическим показателям.........................................99

4.4 Расчет экономической эффективности....................................103

Общие выводы ..............................................................................104

Литература....................................................................................

Приложение....................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности использования машинно-тракторных агрегатов связано с увеличением их производительности, уменьшение расхода топлива, затрат энергии на единицу выполненной работы. Одним из путей разрешения этой задачи является определение и реализация оптимальных нагрузочных и скоростных режимов работы с учетом вероятностного характера внешнего воздействия на машинно-тракторный агрегат. Этому вопросу посвящены множество работ среди которых выделяются работы В.Н Болтинского, Ю.К. Кир-тбая, С.А. Иофинова, В.Д. Шеповалова, Л.Е.Агеева, В.И. Крутова и многих других. Однако по данной проблеме остается еще недостаточно изученные моменты, в частотности оптимизация скоростных режимов работы МТА, которая, как и оптимизация нагрузочного режима обеспечивает эффективную эксплуатацию машинно-тракторного агрегата в целом.

В качестве объекта исследований был избран пахотный агрегат, состоящий из трактора МТЗ-80 и плуга ПЛН- 3-35, специально подготовленный для испытаний. Основные научные положения, выносимые на защиту:

- усовершенствованная методика вероятностно-статистической оценки энергетических показателей МТА по параметрам скоростной и регуля-торной характеристикам двигателя;

- методика оптимизации скоростных и нагрузочных режимов МТА по компромиссному критерию минимуму удельного расхода топлива при вероятностно-статистических внешних воздействиях;

- расчетные формулы, позволяющие определить вероятностно-статистические оценки и оптимальные значения энергетических показателей МТА;

- закономерности изменения энергетических показателей агрегатов и оптимальные значения скоростных и нагрузочных режимов МТА

Диссертационная работа является продолжением тех исследований, которые проводились по этой проблеме. Работа выполнена в соответствии с проблемой 0.51.13 (раздел 3) и плана НИР СПГАУ (тема 7.1, раздел 1)

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Анализ исследований по оценке влияния внешних воздействий на

энергетические показатели МТА

Сельскохозяйственным тракторам в процессе эксплуатации приходится работать в различных условиях с различными сельскохозяйственными машинами. Поэтому изучение и обоснование режимов работы тракторов необходимо, так как в конечном итоге это определяет качество выполняемых агрегатом работы.

При рассмотрении работы следует отметить, в первую очередь, вероятностный характер внешних воздействий.

Непрерывный и случайный характер изменений внешних воздействий является причиной колебаний нагрузочного режима.

Эти колебания нагрузки режимов работы МТА приводит к ухудшению его энергетических, технико-экономических, а также агротехнических показателей [ 2...11, 13, 37...44, 47...49,57,58, 64 ].

Причины, вызывающие эти колебания режимов различны и многочисленны. Они обусловлены конструктивными, технологическими и эксплуатационными факторами. Оценка влияния внешней нагрузки на мощностные и топ-ливно-экономические показатели ДВС тракторов производится двумя путями: гармоническим анализом и вероятностно- статической оценкой.

Влияние неустановившегося характера внешней нагрузки на эксплуатационные показатели двигателя трактора одним из первых рассмотрел академик Болтинский В.Н.[16]. Он первый изложил и теоретически обобщил влияние неустановившейся нагрузки на эксплуатационные параметры двигателя. На основании теории приближенных вычислений, он предложил определять момент сопротивления как периодическую функцию типа синусоиды с определенными значениями периода и амплитуды:

Мс (0 = Мс + А 8т тг= Мс (1 + — бш т()

2

(1.1)

где: Ам = 0,5(Мтах- Мтт) = 0.58 М с ; мс - амплитуда колебаний момента сопротивления на валу двигателя;

Мс = 0,5( Мтах+ Мтт )- среднее значение момента сопротивления на валу двигателя;

т = 2ж/Т ~ частота колебаний;

8 = 2Ам/Мс- степень неравномерности момента сопротивления;

Мпах 5 Мшп — максимальное и минимальное значения момента сопротивления

на валу двигателя.

В своих исследованиях В. Н. Болтинский установил, что на показатели работы двигателя оказывают влияние, в основном, низкочастотные колебания с периодом Т > 1...2 сек, высокочастотные же колебания нагрузки преодолеваются силой инерции агрегата.

Академиком В.Н.Болтинским также установлены значительные изменения показателей работы двигателей тракторов при периодических колебаниях. Так он установил, что при работе на регуляторной ветви со степенью неравномерности внешнего момента сопротивления 8 = 0,3 эффективная мощность снижается на 25 %, а расход топлива на 23 %. Ученый отметил, что причиной ухудшения показателей работы двигателя является нарушение рабочего процесса в результате воздействия на него вероятностной внешней нагрузки. Снижаются коэффициенты наполнения, избытка воздуха, индикаторный и механический КПД. Большое влияние на динамику и топливную экономию при работе двигателя на регуляторной ветви оказывает и степень нечувствительности регулятора.

Колебания нагрузки при выполнении технологических операций не одинаковы и зависят от энергоемкости работ. Так, например, при пахоте отклоне-

ние внешнего момента сопротивления на валу тракторного двигателя достигает 35- 40 %.

Метод академика В.Н. Болтинского нашел дальнейшее развитие. Ученый В.Ф. Коновалов предложил определять нагрузку агрегата по формуле[57]:

00 2я 2л

f+^sin—0, (1.2)

где щ, bo - случайные величины.

Теория академика В.Н Болтинского получила развитие в трудах другого ученого, Ю.К. Киртбая. Он пришел к выводу, что тяговые процессы можно считать периодической функцией пути или времени [50].

Внешнее воздействие Ю.К. Киртбая предложил определять по формуле:

RM =Rcp +№'cos(2nAyT) + AR',cos(2%AyT)у (1.3)

Rcp - среднее значение тягового сопротивления;

AR', Т - соответственно амплитуда и период колебаний низкочастотной составляющей;

AR",T- соответственно амплитуда и период колебаний низкочастотной составляющей;

АТ - интервал времени, кратный периоду колебаний.

Для описания закона, по которому колеблется внешняя нагрузка, используется разложение периодической функции в бесконечный ряд Фурье[58]:

/(t)= А0 Ancos cot +Bnsinriú)t ^ (i 4)

где f(t) - периодическая функция, удовлетворяющая условиям Дирихле;

Ао - среднее значение величины;

А п, В п - коэффициенты Фурье.

Коэффициенты А0 ,Ап, В п определяются по формулам Эйлера :

Т0/2

A0=T0-J \ f(t)dt; (1.5)

-Т0/2

Т0/2

Ап=2Т~1 \f(t)cosnm0tdt; (1.6)

-т0/2

То/2

Вп J f(t) sin no)0tdt, (1.7)

-Т0/2

где То - период основной гармоники, 2 je

щ = — - круговая частота основной гармоники.

о

Другой ученый А.Б. Лурье [69] отмечал необходимость определения динамических характеристик МТА, ввел понятие передаточной функции. Оценка показателей работы агрегатов с использованием гармонического анализа проводилась также такими учеными как Б.С. Свирщевским [82], Н.С. Ждановский, A.A. Юшиным[97] и другими. При моделировании гармонически колеблющейся нагрузки, изменяющейся по закону арксинуса при фиксированной амплитуде, установлена зависимость между Ne и амплитудой колебаний Ам нагрузки (при Тм = 0,5...2с)[64,79]. Исследователи заметили снижение мощности, причину которой объяснили изменениями(деформацией) рабочего процесса.

При гармоническом нагружении двигателя А.К. Юлдашевым [96] была установлена зависимость часового расхода топлива от амплитуды колебаний.

Авторы некоторых работ[85,89] предлагают метод и моделирование случайной нагрузки при испытаниях тракторных двигателей путем создания на коленчатом валу момента сопротивления, изменяющегося по закону арксинуса.

Было установлено [5,16, 33, 39 - 45, 60, 67], что эксплуатационные показатели агрегатов при различных операциях не совпадают с показателями, при испытании на стенде с колебанием нагрузки. Эта разница учитывается соответствующими поправочными коэффициентами: временным Л , динамическим Лд и вероятностным Лу.

Временной коэффициент Л, учитывающий снижение мощности из-за износа, разрегулировки и старение машин определяется по формуле:

. N — Nj

О-«)

где Ne, Nei - мощность в начале и конце сезонной выработки.

Для определения динамического коэффициента, учитывающего снижение мощностных показателей двигателей тракторов в условиях неустановившейся нагрузки академик В.Н. Болтинский[16] предложил использовать следующую формулу:

N

=

р

с неуст

. (1-9)

где Ые - мощность на установившейся нагрузке;

Аенеуст - мощность на неустановившейся нагрузке. Значения Х,{ в зависимости от изменения Мс на валу двигателя колеблется в пределах 0,95...1.0[40]. Вероятностный коэффициент Ху представляет собой отношение математического ожидания М(у) эксплуатационного показателя к его значению У при детерминированной зависимости у=/(х) [40].

А^ = М(У)/ У=1+Ау/у , (1,9а)

где А у - величина на которую М(у) отличается от значения У определенного по зависимости/(х).

В реальных условиях эксплуатации МТА внешняя нагрузка имеет случайный и непрерывный характер в вероятностно - статистическом смысле[2... 11]. Закон распределения его низкочастотной части близок к закону

Гаусса. Поэтому для оценки влияния внешнего воздействия на выходные параметры МТА удобно использовать методику, разработанную в трудах С.А. Иофинова и Л.Е. Агеева [5,6,11,39,40]. Этот метод основан на теории функций случайных аргументов[18]. В работах [5,6,11,39,40] подробно рассмотрены вопросы оценки показателей МТА при помощи аналитических зависимостей по детерминированным характеристикам двигателя.

МТА рассматривается как одномерная модель типа «вход-выход». Входные и выходные величины взаимосвязаны детерминированной зависимостью у /(х) при законе распределения (р(х^. Зависимость /(х) устанавливается по типовой стендовой характеристике двигателя. Исследования Л.Е.Агеева показали, что пд, Ые, От, и gв под воздействием переменной нагрузки ( колебания Мкр на валу двигателя) отклоняются от своих значений в случае статистической нагрузки. Отклонение, как показали исследования, зависит от уровня нагрузки Лм и коэффициента вариации ум . Чем больше коэффициент ум, тем больше отклонение того или иного параметра от исходного. Наибольшие отклонения выходных параметров получены при номинальном режиме.

Математические модели, разработанные на основе метода случайного аргумента, позволяют с высокой точностью описать влияние переменной нагрузки на энергетику МТА.

1.2 Оптимизация режимов работы

Из-за неравномерности изменения внешней нагрузки невозможно выбрать номинальную нагрузку в качестве рабочего режима двигателя, чтобы его энергетические возможности использовались максимально эффективно.

Поэтому применяют различные критерии оптимизации для выбора наиболее выгодного режима работы двигателя: производительность агрегата, расход топлива, приведенные затраты, энергоемкость процесса, стоимость единицы продукции и другие показатели [3...8,16,31,40...46,60,66,83,84].

Выбор критерия эффективности при обосновании оптимальных показателей и режимов работы МТА очень важно, так как от выбора зависят результаты работы агрегата, эффективность эксплуатации.

Исследования ряда ученых [5, 83] показали, что критерии эффективности ( или оптимизации), зависящие от непрерывно изменяющихся факторов, при выполнении технологических операций оказывают существенное влияние на оптимум показателя. Поэтому в условиях эксплуатации требуется применение автоматической оптимизации режимов работы. [5].

Результаты исследований профессора Б.А. Линтварева [67] показывают, что отклонение нагрузки двигателя влево или вправо от оптимальной приводит к снижению производительности агрегата и его технико-экономических показателей. К примеру, при изменении степени загрузки двигателя на 1,2 % (с 0,91 до 0,8) повышается себестоимость использования трактора на 16 %. При изменение же степени загрузки двигателя на 23 % (с 0,91 до 0,7) - себестоимость повышается на 35 %.

При выборе загрузки двигателя надо учитывать то, что при изменении момента сопротивления она не должна выйти за пределы регуляторной ветви его характеристики. Академик В.Н. Болтинский предложил следующую формулу для определения степени загрузки двигателя [16]:

(1.10)

где ук - коэффициент возможной перегрузки двигателя;

- коэффициент допустимой перегрузки двигателя. При пахоте для различных тракторов установлены следующие значения коэффициентов , И ¿,д.

ук = 1,2... 1,49; 4Д= 1,02... 1,04;

= 73... 0,94.

Другой ученый И.И. Киселев предложил определить рациональную степень загрузки по формуле [53]:

Л=(1+н)/(1+а) , (1-11)

где /и - запас крутящего момента двигателя;

а - степень неравномерности тягового сопротивления агрегата.

Профессор Ю.К. Киртбая предлагает формулу для определения оптимальной загрузки двигателя трактора по наибольшей производительности и экономичности агрегата по расходу топлива:

д'°Пт > (1Л2>

где К д - коэффициент допустимой перегрузки двигателя из условия безостановочной работы;

5ц - неравномерность тягового сопротивлен�