автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение производительности машинно-тракторных агрегатов за счет рациональной загрузки двигателя

Алтайский государственный аграрный университет

На правах рукописи Екшибаров Владимир Николаевич

УДК 631.372.004.17(043.3)

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ ЗА СЧЕТ РАЦИОНАЛЬНОЙ ЗАГРУЗКИ ДВИГАТЕЛЯ (на примере пахотного агрегата с трактором Т-250)

Специальность: 05.20.03 - эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Красовских B.C. кандидат технических наук, доцент Соколов В.В.

Барнаул -1999

Содержание

Введение............................................................................................ 5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ нагрузок, действующих на почвообрабатывающий агрегат.......................................................................................... 10

1.2. Анализ методов определения энергетических и технико-экономических показателей работы почвообрабатывающих агрегатов....................................................................................... 14

1.3. Анализ методов и средств контроля загрузки тракторного двигателя....................................................................................... 22

1.4. Постановка вопроса и задачи исследований............................... 32

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО АГРЕГАТА

2.1. Математическая модель почвообрабатывающего агрегата....... 34

2.1.1. Регуляторная характеристика двигателя и тяговая характеристика трактора при постоянной нагрузке............. 40

2.1.2. Учет зависимости тягового сопротивления агрегата

от скорости движения............................................................. 43

2.1.3. Максимально допустимое математическое ожидание тягового сопротивления почвообрабатывающего агрегата...................................................................................... 48

2.2. Определение эксплуатационных показателей работы почвообрабатывающего агрегата......................................................... 53

2.2.1. Определение эксплуатационных показателей трактора

I и двигателя............................................................................. 53

2.2.2. Эксплуатационные и технико-экономические показатели работы почвообрабатывающего агрегата........................... 60

2.3. Рабочий диапазон тяговых усилий трактора на отдельной передаче.......................................................................................... 66

>

2.4. Рабочий диапазон загрузки двигателя трактора на отдельной передаче.......................................................................................... 70

2.5. Теоретические предпосылки к оценке загрузки двигателя

в условиях эксплуатации................................................................ 75

2.6. Теоретические предпосылки к определению рационального диапазона загрузки тракторного двигателя.................................. 79

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАБОТКИ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований......................... 86

3.2. Измерительные приборы и оборудование, применяемые в экспериментальных исследованиях................................................ 87

3.3. Тарировка приборов....................................................................... 91

3.4. Методика лабораторных испытаний двигателя............................ 94

3.5. Методика лабораторно-полевых испытаний трактора.................94

3.5.1. Методика проведения тормозных испытаний двигателя

и тяговых испытаний трактора..............................................97

3.5.2. Методика определения зависимости тягового сопротивления агрегата от скорости движения...................................100

3.5.3. Методика оценки влияния условий эксплуатации на степень загрузки тракторного двигателя..............................101

3.6. Оценка ошибок измерений и точности результатов эксперимента................................................................................................102

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

I 4.1. Тормозные испытания двигателя и тяговые испытания трактора при постоянной нагрузке............................................................106

4.2. Влияние скорости движения на тяговое сопротивление

почвообрабатывающего агрегата................................................. 109

4.3. Рабочий диапазон крутящих моментов двигателя на отдельных

I

передачах трактора......................................................................... 115

4.4. Обоснование рационального диапазона загрузки тракторного двигателя.................................................................................... 120

4.5. Оценка эффективности результатов исследований....................... 126

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.................................... 133

Список использованной литературы............................................... 136

Приложение...................................................................................... 153

ВВЕДЕНИЕ

Одним из решающих требований предъявляемых к сельскохозяйственной технике является повышение производительности почвообрабатывающих машинно-тракторных агрегатов (МТА), уменьшение расхода топлива на единицу работы, снижение приведенных затрат средств при качественном выполнении работ. Показатели эффективности использования почвообрабатывающего МТА могут быть значительно улучшены за счет рациональной загрузки тракторного двигателя.

Существующие методики расчета и оптимизации загрузки двигателя, а также отсутствие совершенных приборов ее контроля при эксплуатации агрегата не позволяет рационально использовать потенциальные возможности двигателя, трактора и агрегата в целом, даже на такой энергоемкой операции как пахота; в Алтайском крае основная отвальная обработка почвы производится на 25-30% пашни [148].При повышении энергонасыщенности тракторов актуальность этих вопросов возрастает.

Опыт эксплуатации агрегатов свидетельствует о том, что загрузка тракторного двигателя оценивается механизатором субъективно и в большинстве случаев тракторы работают со значительной недогрузкой. Правильно выбрать рабочую передачу обычными методами: на слух по работе двигателя, по дымности выхлопных газов и другими удается лишь одному-двум механизаторам из десяти. Между тем при ошибке всего на одну передачу на 10...15% снижается производительность и на 8...10% перерасходуется топливо на 1 га [112].

Применение специальных приборов контроля загрузки двигателя проблемы не решает, так как они отслеживают текущие значения внешней нагрузки. В связи с высокой напряженностью труда воспринимать эту информацию, а тем более адекватно оценить по ней степень загрузки двигателя механизатор не в состоянии [139].

Разработка некоторых приборов контроля загрузки ведется с использованием математических моделей в которых закон распределения входного параметра (нагрузки) принимается нормальным [11, 43, 60, 63, 86, 87, 102, 112, 141, 145]; в некоторых случаях выходные показатели агрегата (двигателя, трактора) оцениваются по типовым характеристикам, т.е. при постоянной нагрузке [11,139].

Установлено, что нагрузка действующая на почвообрабатывающий агрегат имеет случайный характер и оценку показателей его работы следует производить на основе математического аппарата теории вероятностей и случайных функций [3-6,58-64,82,105,117,172]. В условиях эксплуатации на распределение внешней нагрузки (тягового сопротивления агрегата, момента сопротивления на валу двигателя) значительное влияние оказывает переменный характер скорости движения почвообрабатывающего агрегата. Происходит деформирование (асимметрия) закона распределения нагрузки, а потому выходные показатели работы агрегата будут существенно отличаться от значений этих показателей при нормальном распределении тягового сопротивления агрегата(момента сопротивления на валу двигателя) [94, 154].

На основании проведенного анализа выполненных к настоящему рремени исследований можно сделать вывод, что эффективность использования агрегатов при выполнении технологических операций может быть значительно повышена за счет рациональной загрузки тракторного двигателя. Для этого необходимо дальнейшее совершенствование методов расчета эксплуатационных показателей работы агрегатов, разработка научно-обоснованных рекомендаций по выбору рациональных диапазонов загрузки тракторного двигателя, а также применение приборов, позволяющих оценивать среднюю загрузку двигателя и контролировать ее уровень в процессе работы агрегата.

Целью исследования является повышение производительности почвообрабатывающих машинно-тракторных агрегатов за счет рациональной загрузки двигателя.

Предмет исследования: Процесс взаимодействия двигателя, трактора и почвообрабатывающего МТА в условиях случайного (вероятностного) характера внешней нагрузки (тягового сопротивления агрегата).

Объект исследования: Пахотный почвообрабатывающий МТА на базе перспективного гусеничного трактора Т-250 (класс 5) с полунавесным плугом ПТК-9-35, специально оборудованный для проведения эксперимента.

Научная новизна состоит в совершенствовании методов определения и оценки эксплуатационных показателей, параметров и режимов работы почвообрабатывающих агрегатов при вероятностном характере нагрузки как на отдельном поле, так и на группе полей введением учета влияния скорости движения на тяговое сопротивление агрегата и максимально допустимой загрузки двигателя на выходные энергетические и технико-экономические показатели.

Усовершенствованы математическая модель и алгоритмы определения и оценки эксплуатационных показателей, параметров и режимов работы агрегатов, составлены программы для реализации их на ЭВМ.

Практическая значимость работы. Усовершенствованная математическая модель функционирования почвообрабатывающего МТА, как системы "почва-орудие-трактор-двигатель" может использоваться при:

- определении показателей работы агрегатов при вероятностной нагрузке, оценке влияния элементов системы на параметры и режимы работы МТА в процессе моделирования условий эксплуатации и испытаний на ЭВМ;

- определении рациональной загрузки тракторного двигателя как существующих, так и перспективных, находящихся на стадии разработки и испытаний тракторов;

- разработке эксплуатационных требований к приборам, позволяющим оценивать величину загрузки тракторного двигателя.

Личный вклад соискателя: Проанализировано состояние вопроса по методам и средствам контроля загрузки тракторного двигателя.

Теоретически обоснованы границы рационального диапазона загрузки двигателя перспективного трактора Т-250 на пахоте.

Проведены лабораторно-полевые испытания трактора Т-250 в агрегате с полунавесным плугом ПТК-9-35.

Выполнена технико-экономическая оценка эффективности внедрения результатов исследования.

Реализация результатов: Результаты исследований переданы в виде научно-технических отчетов на заводы ОАО"Алтайдизель"(г.Барнаул) и ОАО"Алттрак" (г.Рубцовск) и используются в работах по совершенствованию выпускаемых дизелей и тракторов, а также при проведении научных исследований и в учебном процессе кафедр "Тракторы и автомобили" и "Эксплуатация машинно-тракторного парка" Алтайского ГАУ.

Аяробация: Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного аграрного университета (1992-1997г.г.), Алтайского государственного технического университета (1999г.).

Публикации: Основные положения и результаты работы опубликованы в 5 печатных работах и научно-технических отчетах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 178 наименований.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- методика расчета эксплуатационных (технико-экономических) показателей, определения оптимальных и рациональных параметров и ре-

жимов работы почвообрабатывающих агрегатов на отдельной передаче и совокупности рабочих передач в поле и на группе полей ( с учетом влияния скорости движения на тяговое сопротивление машин-орудий и максимально допустимой загрузки двигателя);

- алгоритмы и программы расчета и оценки эксплуатационных показателей, параметров и режимов работы почвообрабатывающих агрегатов на ЭВМ;

- установленные закономерности изменения количественных характеристик эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов с трактором класса 5, параметры и режимы (рациональный диапазон загрузки двигателя), соответствующие эффективному их использованию на основной обработке почвы в условиях степных районов Алтайского края.

Тема диссертационной работы утверждена советом факультета механизации Алтайского государственного аграрного университета, соответствует научно-технической проблеме 0.сх.108 (раздел - 03, подраздел -03) и плану НИР Алтайского ГАУ (тема 46).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ нагрузок, действующих на почвообрабатывающий агрегат

Внешняя нагрузка, действующая на машинно-тракторный агрегат, а следовательно, и на двигатель сельскохозяйственного трактора, при выполнении технологических операций определяется преимущественно силами сопротивления движению сельскохозяйственных машин и тракторов [3-6,13-15,21,49-51,58-64 и др.], имеющими вероятностный характер.

Неустановившийся (или установившийся в вероятностно-статистическом смысле) характер сил сопротивления движению имеет место в связи с неоднородностью физико-механических свойств почвы, технологического процесса ее деформации и разрушения, особенностями микрорельфа поля, изменением сил инерции агрегата. Колебательный характер внешней нагрузки оказывает влияние на мощностные и топливно-экономические показатели работы почвообрабатывающих агрегатов [38,13-15, 49-51,58-64,79,105 и др.]. Первоначально исследования в этой области основывались на детерминистических методах, без учета вероятностного характера внешних нагрузок.

Впервые влиянию неустановившегося характера нагрузки на двигатель сельскохозяйственного трактора рассматривалось в трудах академика В.Н.Болтинского[14-16]. Неустановившаяся нагрузка по В.Н.Болтинскому моделируется периодической функцией с определенными значениями периода и амплитуды [15]:

М = М + Ам8т пЦ; = М(1 + 0,5 5М Эт пи), (1.1)

где М = 0,5(Ммакс + Ммин) - среднее значение крутящего момента на валу

двигателя;

ММакС; Ммин - соответственно максимальное и минимальное значение

крутящего момента на валу двигателя;

Ам = 0,5(Ммакс + Ммин) = 0,5М5м - амплитуда колебаний;

5м = Ам / М - степень неравномерности величины М;

ш = 2 тс/Т - частота периодического процесса;

Т - период колебаний крутящего момента М на валу двигателя.

По данным В.Н.Болтинского, при изменении степени неравномерности момента сопротивления 5М от 0 до 0,3 эффективная мощность и топливная экономичность дизеля при работе на регуляторе снижается примерно на 25% [15] в сравнении с постоянной нагрузкой.

К настоящему времени проведено большое количество исследований посвященных более широкому изучению этого вопроса. Такие исследования проводили А.Б.Свирщевский [147], А.А.Болотин [13], З.Н.Эминбейли [176], Б.Б.Чагар [169], Н.С.Ждановский [49-51], Ю.К.Киртбая[73-78], И.И.Киселев [79], В.Н.Попов [135], Г.М.Кутьков [101], А.А.Юшин [177] и другие ученые.

Закономерности изменения тяговых сопротивлений при работе сельскохозяйственных машин и орудий установил проф.Ю.К.Киртбая в работе [73]. Он сделал вывод, что тяговое сопротивление сельскохозяйственных машин и орудий подвержено непрерывным изменениям под влиянием ряда эксплуатационных факторов и является периодической функцией по пути или, с учетом скорости движения, по времени. Закон изменения тягового сопротивления Ю.К.Киртбая представил в виде тригонометрического бинома:

= Я + ДБ/Сов^тт/Т) АТ +ДБГ СО8(2Л;ТЛ2) АТ, (1.2)

где Я - среднее значение тягового сопротивления;

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

ДЯ", г - соответственно амплитуда и период высокочастотной составляющей;

AT - интервал времени, кратный периоду колебаний Т .

Анализируя колебания тягового сопротивления на горизонтальных участках, автор выделяет два вида колебаний: колебания более высокой частоты - микроколебания вызываются характерными особенностями технологического процесса, выполняемого орудием (машиной), или состоянием поверхности основания, по которому происходит передвижение; колебания с большим периодом - мезоколебания связаны с периодическими изменениями физико-механических свойств обрабатываемой среды [73].

Более подробно механизм возникновения неустановившейся нагрузки, действующей на сельскохозяйственный трактор изучил А.А.Болотин [13]. Он установил, что сила тяги на крюке, крутящие моменты ведущих звездочек и коленчатого вала двигателя представляют собой сложные кривые, состоящие из нескольких составляющих, имеющих периодический характер и отличающихся друг от друга величинами своих периодов или частот [13]. Так на валу двигателя автор выделил пять составляющих, которые он характеризовал определенными значениями амплитуды и частоты. При оценке тягового сопротивления машин А.А.Болотин применяет разложение периодической функции в ряд Фурье типа [13]:

00

f(t) = Е Cn Cos