автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Снижение энергоемкости тракторной трелевки путем рациональной загрузки двигателя постоянной мощности

САШСГ-ПЕТЕР БУРГСКАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ ВАДИМ ВАСИЛЬЕВИЧ

СШКЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ТРАКТОРНОЙ ТРЕЛЕВКИ ПУТЕМ РАЦИОНАЛЬНОЙ ЗАГРУЗ]® ДВИГАТЕЛЯ

постоянной мсадостк

о;>.И1.01 - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических•наук

С.-Петербург - 1992

Диссертационная работа выполнена в Санкт-Петербургской лесотехнической академии на кафедре лесных гусеничных и колесных машин.

Научный руководитель - кандидат технически:; наук,

доцент Романенко В.И.

Официальные оплонёнты - доктор технических наук,

профессор Андреев В.Н. кандидат технических наук, начальник отдела моторных установок ¡Лоргулис-Якушев В.Ю.

Ведущее предприятие - ПО "Онежский тракторный

завод"

Защита диссертации состоится "22" декабря 1952 г. в "II" часов на заседании специализированного совета Д.063.50.01 в Санкт-Петербургской лесотегнической академии (134018, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией моено ознакомиться в библиотеке Санкт--Петерсургской лесотехнической йкадемии.

Автореферат разослан ноября 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Анисимов Г.М.

!■{'■•. - . -л

ОНДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность теми. Одним из направлений научно-технического прогресса является создание новых видов техники, которая по производительности и надежности превосходила не менее чем в 1,5-2 раза выпускаемую, при одновременном сокращении сроков разработки и освоения в 3-4 раза.

Эффективность лесозаготовительного производства в основном определяется совершенством технологического процесса, техническим уровнем лесозаготовительных машин и эффективностью их использования.

Основной базой лесозаготовительных машин для применяемых и перспективных технологических процессов является трелевочный трактор, технический уровень которого во многом определяет их эксплуатационную эффективность. Анализ технического уровня трелевочных тракторов показал, что их совершенствование велось в основном по пути увеличения энергонасыщенности. Исследования, проводимые коллективами ЦНИИЮ, СЗФ НАТИ, ЛТЛ им.С.М.Кирова и других организаций, показали, что трелевочные тракторы не реализуют потенциал своих эффективных показателей вследствие недогрузки двигателя по мощности, что является причиной снижения производительности и топливной экономичности. Кроме того, двигатель основное машинное время работает на регуляторном участке скоростной характеристики, что отрицательно сказывается на его моторесурсе. В связи с этим возникает необходимость повышения эффективных показателей трелевочных тракторов совершенствованием рабочего процесса дизельного двигателя. Наиболее прогрессивным решением в этом направлении является применение двигателей с высокими значениями коэффициента приспособляемости и постоянной мощностью в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала (ДПМ). Благодаря'этому обеспечивается регулирование тягового усилия и скорости движения трактора при максимальном использовании мощности двигателя и высокой топливной экономичности.

Цель работы. Повышение удельных эффективных показателей трелевочного трактора путем более полного использования энергетического потенциала двигателя с повышенным запасом коэффициента приспособляемости.

Научная новизна. I. Обоснована и разработана математическая модель удельной энергоемкости трелевки в зависимости от энергднасыщенности трактора и приспособляемости дизеля с учетом взаимной корреляции случайных величин ^е и M в , определяемой характером изменения коэффициента сопротивления движению трелевочной системы. 2. Разработана методика расчета удельной энергоемкости трелевки с использованием численных методов сплайн-интерполяции. 3. Разработана аппаратура и методика для измерения текущего значения расхода топлива двигателя трактора. 4. Предложена методика исследований потребления топлива двигателем трелевочного трактора в условиях эксплуатации. 5. Разработаны практические рекомендации по применению ДПМ на трелевочных тракторах.

Практическая ценность работы. Реализация разработанной математической модели в виде готовой программы д.чя ТШ PC AT 286 позволяет исследовать и прогнозировать удельную энергоемкость и другие э©активные показатели трелевочного трактора в зависимости от параметров дизеля, трансмиссии и условий работы. Разработанная аппаратура и методика по измерению расхода топлива может использоваться для исследования производственных процессов (операций), выполняемых лесными машинами, оснащенными ди-ззльными двигателями.

Реализация работы. Результаты проведенных; исследований использованы ГСКБ ПО "ОТЗ" при исследовании эксплуатационных режимов работы трелевочных тракторов. На ПО "ОТо" и на .110 "Кировский завод" внедрена методика и аппаратура по измерению расхода топлива дизельным двигателем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на" семинарах кафедры лесных гусеничных и колесных машин в 1908-1990 годах и на научио-тохнических совещаниях ПО ОТЗ и ПО "Кировский завод" в 1909-1990 годах.-Результаты работы и создашше методики отражены в отчетах по хоздоговорным ПИР J5 1.13.009 за 1988 и IS90 годы, П 1.12.009 за 1990 год кафедры лесных гусеничных и колесных машин.

Публикации. Но тема диссертационной работы опубликованы три печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, основных выводов я рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем работы страниц, из них страниц машинописного текста, рис., 2 & табл., приложения -13 е., список литература содержит 40Ъ на-швновани я

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш исследования, сформулирована цель диссертационной работы и основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ использования ДПМ в различных отраслях народного хозяйства.

Рассмотрены особенности рабочего процесса ДПМ, пути получения требуемых характеристик подачи топлива и воздуха в зависимости от частоты вращения двигателя для получения постоянной мощности в широком диапазоне частот вращения двигателя. Отмечено, что проведенные в течение ряда лет исследования по изучению изменения коэффициента избытка воздуха А* позволили разработать и осуществить наиболее эффективный способ регулирования подачи воздуха, при которой значение ^ практически остается постоянным. Соответствующая коррекция подачи топлива топливным насосом высокого давления (ТНВД) осуществляется по гиперболическому закону путем изменения профиля призмы корректора, применением корректора с конической фасонной пружиной, применением корректора с двумя или более цилиндрическими прукинз-мп. Необходимо, также, обеспечить постоянный тзллоотвод при работе двигателя на режиме внешней характеристики, независимо от. частоты вращения двигателя, применением электромагнитной фрикционной муфта .для поддержания постоянной температуры охлаждающей жидкости или водо-масляниого теплообменника.

Отмечено, что большинство зарубежных фирм создали на базе серийных дизелей модификации ДПМ, отличающихся меаду собой разнообразием показателей. Такие двигатели кашли широкое применение на сельскохозяйственных, промышленных, мелиоративных и .других тракторах, выпускаемых ведущими фирмами. В нашей стране ДШ.1 нашли применение на промышленных гусеничных тракторах, сельскохозяйственных колесных тракторах, бульдозерах, вездеходах про-

мышдепного назначения в качестве опытных образцов.

Проанализированы исследования влияния различных факторов на эксплуатационные показатели трелевочных тракторов. Отмечено, что одним из наиболее тяжелых режимов работы является движение на повороте. Отражены типичные диапазоны коэффициентов загрузки двигателя по мощности, крутящему моменту в зависимости от числа ступеней коробки передач, обоснована эффективность применения ДПМ на трелевочных тракторах.

На основании аналитического обзора сформулированы следующие задачи диссертационной работы:

обосновать и разработать математическую модель удельной энергоемкости трелевки с учетом энергонасыщенности трактора и приспособляемости дизеля;

обосновать ц разработать методику расчета удельной энергоемкости трелевки;

разработать методику экспериментальных исследований с применением современной электроизмерительной аппаратуры;

провести экспериментальные исследования и проверить адекватность математической модели;

разработать рекомендации по использованию ДПМ на трелевочных тракторах.

Во втором разделе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой математической модоли и методики расчета удельной энергоемкости тролевки. Проведен анализ работ, связанных с исследованием удельной энергоемкости трелевки. Выявлены тенденции изменения удельной энергоемкости в зависимости от коэффициента полезного использования веса агрегата , расстояния трелевки Атр , коэффициента^полезного использования времени и др. Рассмотрена структура энергобаланса цикла трелевки и пути снижения удельной энергоемкости. Проведены аналитические исследования удельной энергоемкости для прямолинейного движения трелевочного трактора с постоянным сопротивлением движению. Произведенные расчеты показали, что удельная энергоемкость трелевки ^-э прямо пропорциональна расстоянию трелевки А тр , передаточному отношению заднего моста и коробки передач ¿к/7 , времени работы трактора ~Ь , эффективной мощности, развиваемой двигателем , и обратно пропорциональна объему пачки (Хп .радиусу ведущей звездочки угловой скорости колен-

чатого вала двигателя . с учетом случайного характера изменения коэффициента сопротивления движению трелевочной системы

У т. с , который является стационарным случайным процоссом, удельная энергоемкость $9 есть функция от случайных величин ше , Ькп , ие.

Для расчета удельной энергоемкости были рассчита-

ны средние значения каждой из случайных величин, т.е. их математические ожидания Е ( ), Е ( ), Е (М^).. Аналогом коэффициента сопротивления движению трелевочной системы Уг-С. является крутящий момент на карданном вале. В общем виде выражения для определения В С ^е ), Е ( Ькп ) будут иметь вид-

г рк.

Ц **4

£ р(М) ¿ц ' (1)

где Ькп - передаточное число передачи; К - количество передач;

(Ие) - зависимость угловой скорости коленчатого вала двигателя от крутящего момента на валу;

- плотность распределения вероятностей крутящего момента на карданном вале;

- вероятность использования ¿»передачи.

Дс-Г' Р(М)4М, (2)

где. №С) максимальные значения крутящего момента на каждой передаче, Н-М. Математическое ожидание угловой скорости вращения будет иметь вид

Е Гил 1к),

(3)

К'4

Среднее значение эффективной мощности, развиваемой двигателем, описывается выражением

• <4>

Преобразовав формулу для расчета удельной энергоемкости

0У,8ГО" с „Л

<Г '* ЕИп) ' !И

1Ьлу,ш - е/ль)

Математическая модель разработана на известном представлении крутящего момента на карданном вале Мк в как случайной величины, имеющей непрерывные реализации, т.е. выборочные функции, которые являются интегрирующими функциями времени. Последовательность величин М ка во времени образует стационарный случайный процесс Л/ (-¿) , который имеет непрерывные реализации. Мощность двигателя //е и скорость движения трактора К* образуют также стационарные случайные процессы

и "2^/й) . Следовательно, следует перейти к анализу средней удельной энергоемкости по всем возможным реа-

лизациям

с

При разработке математической модели приняты следующие допущения:

параметры закона М /"/") постояшш;

двигатель работает на режиме внешней скоростной характеристики;

время, затрачиваемое на переключение передач, равно нулю;

расстояние трелевки I* гр и объем пачки С? п неизменны;

транспортная работа А тр остается постоянной.

Преобразовав (6), с учетом допущений получим

э-т (0)

где - общие затраты энергии, кВт:ч;

Т_- среднее время трелевки, ч.

Т находится из интегрального уравнения путем представления в виде двух случайных величин и по правилам вычисления среднего случайной функции с учетом стационарности

и условия

(9)

7"

-Vх с.р

Окончательное выражение для определения уэ будет иметь вид

Ж- ■ (Ю)

<3п- г^ср

Далее определены условия перехода с одной передачи на другую для серийного дизеля и ДПМ и выбрана расчетная схема (рисЛ). Рассчитаны функции распределения И^д (М) , в общем виде описываемы выражениями

<п>

где

Мс - значения М<в , при котором происходит нероклю-

Мг*

чение передач. Г А/у = Мм йу

= ' (12)

С учетом математических выкладок, на основа зависимости скорости движения трактора от ¿кл и получена зависи-

мость , .

г[м]- "к* (У) . и (М} '¿и, (М) К '

Рассчитаны теоретические значения удельной энергоемкости при использовании двигателей различной приспособляемости на I Ш РС АТ 286 с использованием методов сплайн-интерполяции. Проведен сравнительный анализ "Эз по результатам расчетов. Математическая модель и методика расчета позволяют определить средние значения ^Jt , , 7~ , , /Су . Результаты расчетов даны в табл.1.

Таблица I

Теоретические значения эксплуатационных показателей тракторов

ЛЦк8г Кн ' ЦкЬг

75 1Л5 64,65 0,862 4,77 0,71 112,7

75 1,40 73,71 0,983 5,43 0,63 100,0

шн «4. Щс*

Рве .Г Расчешая схеыа определения н Р(0/)

Третий раздел посвящен методике, аппаратуре, объекту и условиям исследовательских испытаний. Обоснован калориметрический диффереициалыщй способ измерения массового часового расхода топлива с учетом особенностей построения и работы системы питания .дизельных двигателей. Анализ и исследование мостовых схем измерений позволил получить расчетную шкалу расходомера. Разработан алгоритм расчета расхода топлива, реализованный с помощью аналогового вычислительного устройства. Отмечено, что использование аппаратуры для измерения расхода топлива определяет специфику методики градуировки расходомера.

Исследовательские испытания проводились в июне-июле 1991 года па лесном полигоне-волоке испытательной станции ПО "ОТЗ" в Нелгомозерском лесопункте Шуйско-Впдансдого леспромхоза 1САССР. Объектом испытаний являлся трелевочный трактор ТБ-1МП, с двигателями различной приспособляемости. Целью исследовательских испытаний являлось получение достоверной информации об энергетических показателях трелевочных тракторов в условиях эксплуатации. В процессе испытаний решались следующие задачи: проверка адекватности разработанной математической модели реальным процессом; исследование влияния энергонасыщенности трактора и приспособляемости дизеля на величину удельной энергоемкости трелевки. Обоснованы минимальная длина волока [л и необходимое количество рейсов Чр . Разработана методика проведения испытаний. В процессе испытаний измерялись и регистрировались следующие параметры: время поступательного движения трактора "Ь , крутящий момент на карданном валу //кз , частота вращения карданного вала 1(са • угловая скорость вращения калепчатого вала двигателя , текущее значение часового расхода топлива

суммарное значение израсходованного топлива . Измерение перечисленных параметров осуществлялось при помощи созданного комплекта электроизмерительной аппаратуры для исследования эксплуатационных режимов работы трелевочных тракторов. Гогистрация процессов осуществлялась светолучевим осциллографом КИспытания проводились на одном тракторе, объем пачки леса оставался постоянным, на тракторе работал одни тракторист высокой квалификации. Это определялось равенством .транспортных работ и одинаковым количеством затраченной энергии. Изменение мощности и приспособляемости двигателя осуществлялось перерегулировкой Т1ПЗД с целью исключения влияния пграгетров цилнццро-норшневоп группы

двигателя, ходовой системы и трансмиссии трактора на результаты исследовательских испытаний.

При обработке результатов исследовательских испытаний использован метод случайных ординат.

В четвертом разделе изложены результаты исследовательских испытаний тракторов с двигателями различной мощности и приспособляемости. Получены результаты транспортной производительности трелевочного трактора в зависимости от величины коэффициента приспособляемости дизеля. При повышении коэффициента приспособляемости дизеля с 1,23 до 1,38 транспортная производительность увеличилась на 11%. Транспортная производительность трактора, имеющего большую номинальную мощность (Л^н = 87 кВт, Кщ = 1,15) иа 1% выше транспортной производительности трактора с №1 ( Ыт = 75 кВт, Кад = 1,38). Расчеты, проведешше на ЭВМ, показали, что при повышении коэффициента приспособляемости дизеля с 1,15 до 1,40 при неизменном значении максимальной мощности, транспортная производительность увеличивается на 14/». Приведены средние скорости движения тракторов на участках с затяжными подъемами и малыми радиусами поворотов. Средняя скорость движения трактора с ДК.1 выше на 16...28$ средней скорости трактора-аналога той же мощности. Средняя скорость движения трактора с ДШ.1 ( Жн = 75 кВт, Ку =1,38) на 1...3% ниже средней скорости трактора-аналога с двигателем большей мощности (Мн = = 87 кВт, = 1,15). Плотности распределения вероятностей угловых скоростей колончатого вала двигателя по экспериментальным кривым распределения крутящего момента, проведенные по (I) и (3) .для различных двигателей, показаны на рис.2. Из графиков видно, что теоретические и экспериментальные зависимости имеют значения параметров ВС^е) ; (иц, , отличающихся друг от друга не более чем на 10$. Увеличение приспособляемости дизеля приводит к более равномерному распределению использования угловых скоростей. Расчеты показали, что среднее значение для ДШ.1. на 4-6$ гашз среднего значения для серийного дизеля. Средние значения и/« для ДПМ с различными коэффициентами приспособляемости различаются менее чем на 1%. Получены средние значения мощности, развиваемой двигателем, с использованием зависимости (4). Гасчеты показали, что среднее значение коэффициента загрузки двигателя по мощности для серийного дизеля находит-

Рис. 2. Распределение вероятностей для 3-х двигателей'.

--теоретическое •

—---—экспериментальное.

ся в пределах 0,83...0,84, дая ДПМ - 0,96...0,97. Сравнительные расчеты общего количества израсходованного за рейс топлива, проведенные на ЭВМ, по значению текущего значения часового расхода с действительным значением израсходованного топлива, опре-делешюго методом прямого взвешивания, показали, что максимальная относительная погрешность измерений не превышает 6,5%. Величина удельного расхода топлива на единицу транспортной работы у ДД1'Л на 7...25% шоке, чем у серийного дизеля в зависимости от условий работы. Отмечено, что среднее значение коэффициента использования максимального часового расхода топлива К&г у серийного дизеля на 7% ниже, чем у ДПМ. Расчеты удельной энергоемкости, проведенные по (6) и (8) с использованием материально-экспериментальных исследований показали, что среднее значение удельной энергоемкости при использовании ДПМ снижается на 4...11% по сравнению с использованием серийного дизеля той же мощности. Значения эксплуатационных показателей приведены в табл.2.

В пятом разделе дается экономическое обоснование эффективности применения ДПМ на трелевочных тракторах. Расчеты показали, что за счет увеличения транспортной производительности и повышения топливной экономичности экономический эффект составляет 248 руб. па один трактор. Расчеты проводились по среднему уровню цеп на 01.10.91.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Применение ДПМ на трелевочных тракторах целесообразно с точки зрения наиболее полного использования энергетического потенциала.

2. Предложенную математическую модель удельной энергоемкости можно рекомендовать для оценки,затрат энергии различными лесосечными машинами с учетом их энергонасыщенности, приспособляемости дизеля и условий эксплуатации.

3. Комплект аппаратуры по измерению расхода топлива может использоваться .для сравнительных испытаний машин лесного комплекса с целью выявления резервов экономии топлива.

Таблица 2

Экспериментальные значения, эксплуатационных показателей тракторов

К&Т N> V * tíJ 10- г \ ' X % % Йг Птр, rfm ï&TZ Ч м^ Ь*, кЫ мЧм % ьь % ч э, г О/ 0 / Ч „ Я^Г 'о ^ ! кг

74 1,23 71,7 0,S7 5,47 11,5 0,62 35,68 0,870 2,09 385 104,0 100,0 0,45 73251 3,80

75 1,38 73,7 0,98 6,07 15,0 0,79 39,47 0,862 2,08 392 100,0 102,0 0,47 73243 3,69

87 1,15 74,1 0,85 6,17 15,6 0,74 40,10 0,880 2,1 459 100,4 119,0 0,38 73541 4,26

4. Транспортная производительность трелевочного трактора, оснащенного Д11|.1, на 9...13/о выше транспортной производительности трактора с обычным .двигателем той ;;со мощности.

5. Средняя скорость движения по поросечешюй местности с большими значениями коэффициента сопротивления движению у трактора с Д1Ш в среднем на 18% выше, чем у трактора-аналога.

G. Среднее значение удельного расхода топлива на единицу транспортной работы у трактора с ДШЛ па 7...1Л% ниже, чем у трактора-аналога.

7. Среднее значение удельной энергоемкости тролсшш трактора с №.1 на 4...1СЙ ниже, чем у трактора-аналога.

8. Технико-экономические расчеты показали, что годовой экономический эффект от внедрения JJJIU иа тролоючпих тракторах составляет 248 руб. па один трактор.

Материалы диссертации опубликованы в слоцуклцц/. работах:

1. Кузнецов В.В. "Исследование энергоемкости т|»кторн'>й трелевки в зависимости от коэффицтента приспособляемости дизеля". Деп. 24.02.92, 2826 - лб.92, 1.1., НИНИТИ, IUOii, С, стр.61.

2. Кузьмин Л.Д., Кузнецов В.Б., Камаев Ю.И., Золенко Т.Г. Расчет шкалы расходомера дизельного топлива // Обоснование параметров машин и механизмов .для лесозаготовок и лесного хозяйства: Цешзуз.сб.научн.трудов. - Ji.: JITA, 1990. - С. G0-GI. Просим приели'] ь Вии отзыв на ^вториферат в двух экземплярах по' адресу: 1У4 018, Сгжкт-Петербург, Институтский пер.,5,ЛТА, Ученый совет " эйзеренннши подписями.

Поаписино в печать-с ооигиныл-макета 5.11.У2г. Формат 60x90 1/1

Бумага оберточняя. Кзд.Ю9..Уч.-изц. л.1р0.

Печать .офсетная Печ. л. 1о0. Тираж 100 -кз. Зак. 120. С.39.

Редакционно-издатегьский отдел

Подразделение оперативной полиграфии. JITA. 194 Old, Санкт-Петербург, Институтский пер. , 3.