автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Совершенствование процесса передачи мощности трансмиссией дорожно-строительных машин в условиях холодного климата

На правах рукописи

Буравкин Руслан Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ ТРАНСМИССИЕЙ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА (НА ПРИМЕРЕ АВТОГРЕЙДЕРА ДЗ-98)

05.05.04 —Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 МАЙ 2011

Омск-2011

4847210

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)», ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет (ОмГТУ)».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Корнеев Сергей Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сыркин Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор Каргапольцев Сергей Константинович

Ведущая организация -

ФГУП «Конструкторское бюро транспортного машиностроения», г. Омск

Защита состоится 26 мая 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ВАК Д 212.250.02, действующего при Государственном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу:

644080, г. Омск, проспект Мира, 5, зал заседаний.

Телефон для справок: (3812) 65-01-45, факс (3812) 65-03-23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу диссертационного совета.

Автореферат разослан « 25 » апреля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

В.Н. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Значительная часть территории России находится в зоне холодного климата, когда среднесуточные температуры окружающего воздуха в зимнее время опускаются до -45 °С и ниже. Эффективность эксплуатации дорожных и строительных машин (ДСМ) в таких условиях значительно снижается, что связано с увеличением эксплуатационных затрат за счет повышения расхода горюче-смазочных материалов, повышения трудоемкости работ технического обслуживания и ремонта в результате снижения надежности техники.

Одной из причин снижения эффективности эксплуатации техники в суровых климатических условиях является изменение свойств эксплуатационных жидкостей и смазок, в частности трансмиссионного масла.

Низкие температуры окружающего воздуха приводят к повышению вязкости трансмиссионного масла, что увеличивает внутренние потери в агрегатах трансмиссии и снижает общий КПД трансмиссии машины. Кроме того, повышение вязкости нарушает режим смазывания деталей агрегата, так как загустевшее масло не поступает в зоны контакта, что снижает надежность агрегатов.

В сложившейся систеие эксплуатации техники в суровых климатических условиях основное внимание уделяется двигателю машины: разработаны комплексы мероприятий и рекомендаций по запуску двигателя в экстремальных климатических условиях, машины оборудуются системами предпусковой подготовки двигателей и т.д. Однако вопросам предпусковой подготовки агрегатов трансмиссии не уделяется должного внимания. Обычно решение указанной проблемы ограничивается использованием всесезонных трансмиссионных масел, рекомендованных заводом-изготовителем, без учета особенностей эксплуатации техники. При этом не уделяется внимания вопросу энергоэффективности агрегатов трансмиссии машин.

Таким образом, несмотря на существующие методы подбора трансмиссионных масел, остается не достаточно изученным влияние вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии ДСМ, что особенно актуально для землеройно-транспортных машин (ЗТМ), поскольку энергоэффективность трансмиссии таких машин напрямую влияет на их производительность.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности, эксплуатации ДСМ в условиях холодного климата путем снижения энергозатрат в агрегатах трансмиссии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать факторы, влияющие на потери в агрегатах трансмиссии ДСМ (ЗТМ).

2. Выявить и обосновать критерий для оценки энергоэффективности агрегата трансмиссии.

3. Разработать математическую модель влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на величину потерь в агрегатах трансмиссии.

4. Дать экспериментальную оценку полученным теоретическим зависимостям.

5. Разработать методику выбора трансмиссионного масла с учетом влияния вязкостно-температурных характеристик на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

Объект исследования: процесс передачи мощности от двигателя ЗТМ к рабочему органу машины.

Предмет исследования: закономерности влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на распределение энергозатрат в агрегатах трансмиссии ЗТМ.

Методика исследований представляет собой комплекс эмпирических и теоретических методов исследования. Решение задач базируется на экспериментальных данных и известных теоретических положениях гидродинамических и трибологических исследований, методах обработки данных с помощью ЭВМ.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

2. Получены новые эмпирические зависимости КПД агрегата трансмиссии от вязкости трансмиссионного масла.

3. Получены новые экспериментальные данные влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на температурное состояние агрегатов трансмиссии при эксплуатации автогрейдера ДЗ-98 в условиях отрицательных температур.

Практическая иенность заключается в разработанной методике выбора вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла для повышения энергоэффективности трансмиссии ДСМ при эксплуатации в условиях холодного климата.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на энергоэффективность трансмиссии автогрейдера ДЗ-98.

2. Результаты теоретического исследования влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на КПД агрегатов трансмиссии.

3. Результаты экспериментального исследования влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на температурное состояние агрегатов трансмиссии автогрейдера ДЗ-98.

4. Результаты экспериментального исследования влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на изменение сопротивления движению и топливную экономичность автогрейдера ДЗ-98.

5. Методика выбора трансмиссионного масла с учетом влияния вязкостно-температурных характеристик на энергоэффективность агрегатов трансмиссии ДСМ.

Достоверность исследований подтверждается:

— корректностью применения апробированного математического аппарата термодинамики и математической статистики;

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

— согласованностью результатов теоретических расчетов с полученными экспериментальными данными.

Внедрение и результаты работы. Результаты работы внедрены в производство на заводах -ЗАО «Челябинские строительно-дорожные машины», «Брянский арсенал» в виде рекомендаций в инструкциях по эксплуатации; на предприятиях ОАО «Сургутнефтегаз», ООО «Дорожно-строительный трест №1», транспортной компанией «Спецнефтетранс», а также используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Сибирская государственна автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» и ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет (ОмГТУ)».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях Ассоциации автомобильных инженеров РФ в 2005, 2007 и 2008 гг., на Международной науч.-практ. конф. «Безопасность регионов - основа устойчивого развития», 19-21 сентября 2007г., Иркутск, на Международной науч.-техн. конф. «Трибология - машиностроению», 1-2 октября 2008, ИМАШ им. A.A. Благонравова РАН РФ, на научно-технических конференциях Сибирской автомобильно-дорожной академии 2007 — 2009 гг., на кафедрах

«Теплотехника и тепловые двигатели» СибАДИ и «Химическая технология органических веществ» ОмГТУ.

Публикации. Результаты работы опубликованы в 10 статьях, из них 6 из списка рекомендованного ВАК РФ для опубликования результатов научных исследований. -

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Общий объем диссертации составляет 152 страницы и содержит 41 рисунок, 12 таблиц, список литературы из 154 наименований и 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, объект и предмет диссертационного исследования, изложена методика исследований и перечислены основные положения, которые выносятся на защиту, указаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведен анализ состояния исследуемого вопроса.

Рассмотрены основные направления развития ДСМ, факторы, влияющие на эффективность их использования в условиях холодного климата. На основе проведенного анализа сделан вывод о низкой эффективности использования ДСМ в условиях холодного климата, что связано с потерями мощности машин в агрегатах трансмиссии.

Проведен аналитический обзор результатов ранее проведенных исследований отечественных и зарубежных авторов (В.А. Зорин, П.И. Кох, И.Г. Фукс, А.П. Смолин, Е.П. Серегин, JI.C. Васильева, C.B. Корнеев, Н.В. Дорошенко, К.С. Рамайя и другие) в области рационального выбора свойств и использования топливосмазочных материалов.

Анализ характерных особенностей эксплуатации ДСМ в условиях холодного климата позволил выдвинуть рабочую гипотезу: основной причиной снижения эффективности эксплуатации ДСМ является применение трансмиссионных масел, которые применяются без учета влияния их вязкостно-температурных Характеристик на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

В конце первой главы определены цель и основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена общей методике исследований. Здесь же представлена общая структура диссертационной работы.

Третья'глава диссертации посвящена теоретическому исследованию энергоэффективности трансмиссии ДСМ, рассмотрены основные факторы,

влияющие на КПД агрегатов, определены основные статьи распределения мощности в агрегатах.

В результате анализа мощностного баланса модели ДСМ показана возможность повышения эффективности эксплуатации землеройно-транспортных машин (ЗТМ) в условиях холодного климата за счет снижения потерь в агрегатах трансмиссии. Поэтому дальнейшее исследование было направлено на выявление структуры энергозатрат в трансмиссии.

Рассмотрение велось на примере автогрейдера ДЗ-98. Выбор данной модели определен конструктивными особенностями машины — для смазки всех узлов трансмиссии (кроме карданных передач) используется трансмиссионное масло. В качестве оценочного параметра эффективности передачи мощности узлами и агрегатами трансмиссии принят общий КПД агрегата.

При передаче мощности от двигателя автогрейдера к ведущим колесам часть энергии теряется в узлах агрегатов (зубчатые передачи, муфты, подшипниковые узлы) и на преодоление гидравлических потерь, возникающих при перемешивании трансмиссионного масла (барботаж). Исследование влияния вязкости трансмиссионного масла на величину потерь в узлах агрегата позволило выявить закономерности, представленные на рис. 1 и 2.

Так повышение динамической вязкости трансмиссионного масла снижает потери в трущихся деталях зубчатой передачи механизма, что объясняется уменьшением потерь на трение, но увеличением гидравлических потерь и затрат энергии на перемешивание и разбрызгивание вязкого масла.

/

0,97

0,98

ту—.

а» -

0,93

0,92

О 20 Ш 60 ВО 100 Ш ПО 160 динамическая бшоащ траюжааышга масщ Па*с

клй цшшдртескай передача

клйтшческай передачи

Рис. 1. Влияние вязкости трансмиссионного масла на КПД зубчатой передачи ведущего моста

Зитшчеаач й/тюпь щшошионнаго тела. Па'с -кл.д. щжЩричеоой передачи — —тд. конической передачи

Рис. 2. Влияние вязкости трансмиссионного масла на гидравлические потери (барботаж) в ведущем мосту

Таким образом, установлено влияние изменения вязкости трансмиссионного масла на общий КПД агрегата.

При эксплуатации ЗТМ в условиях холодного климата вязкость трансмиссионного масла, изменяется в широких пределах. Нижняя граница вязкости, с учетом вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла, определяется температурой окружающего воздуха, верхняя граница вязкости определяется тепловым состоянием агрегата.

Для нахождения закономерностей изменения температуры трансмиссионного масла в условиях эксплуатации проведен анализ теплового баланса агрегата трансмиссии. В результате этого были получены зависимости изменения температуры трансмиссионного масла в агрегате, в зависимости от продолжительности его работы (рис. 3).

фвэд работы агрегата, ш —«— пасло 1 —0— тела 2

Рис. 3. Влияние вязкости трансмиссионного масла на изменение

температурного состояния ведущего моста: масло 1 - 8АЕ 80Ш85 («Экойл-Т» по ТУ 0253-003-39968232-98); масло 2 - 8АЕ 75W80 (ТСЗп-8 по ТУ 38.1011280-89 изм. 1-6)

Полученные зависимости:

1. учитывают вязкостно-температурные характеристики трансмиссионного масла путем изменения величины потерь в агрегате, при изменении его теплового состояния.

2. показывают, что температура трансмиссионного масла в процессе работы агрегата повышается и достигает постоянного значения.

Дальнейшего повышения температуры не происходит из-за наступления равновесного состояния между теплотой, выделившейся в результате потерь в агрегате, и теплотой, отведенной от агрегата в окружающую среду. Величина равновесной температуры определяется величиной потерь в агрегате, что позволяет принять ее в качестве критерия энергоэффектавности агрегата трансмиссии.

Выявленные закономерности влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегата трансмиссии позволили разработать математическую модель распределения теплоты в агрегате трансмиссии (рис. 4).

Полученная модель позволяет оценивать влияние вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

Суммарные потери мощности л агрегате трансмиссии

- потерн в лбчатом чанеп-тснин

<л ■-(■-'/.) V „ у; —О-'/) .

!({' , ' , * <.М"10 ] (Ч)^ "" И""*'

•П^Г, ¡/» 'У-

- птерн на ийришаж ¡ранемнссжжжяо

О пюд ч сплоти в

ОК(>\ ЖНКМ11\ К1

среду (конвекция)

О) £ X

Рис. 4. Математическая модель распределения теплоты в агрегате трансмиссии ЗТМ

В четвертой главе представлена методика проведения экспериментального исследования влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегатов трансмиссии, приведены результаты экспериментальных исследований.

Для оценки влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегатов трансмиссии были выбраны два образца товарных масел «Экойл-Т» (БАЕ 80\У85) по ТУ 0253-00339968232-98 и ТСЗп-8 (БАЕ 75\У80) по ТУ 38.1011280-89 изм. 1-6. При выборе трансмиссионных масел учитывались рекомендации завода-изготовителя автогрейдера ДЗ-98, а также значения динамической и кинематической вязкости указанных масел при температурах, характерных для условий эксплуатации авто грейдера в зимнее время. На основе паспортных данных масел были получены зависимости вязкости от температуры:

Для оценки температурного состояния агрегатов трансмиссии в процессе эксплуатационных испытаний автогрейдер был дооснащен необходимым измерительным оборудованием. На агрегаты устанавливались термопары, подключенные через устройство компенсации к многоканальному измерителю температур.

Испытания проводились с учетом требований ГОСТ 11030-93 и ГОСТ 20306-90. Во время проведения испытаний моделировались два режима, характерных для условий эксплуатации автогрейдера: тяговый и транспортный.

В результате обработки полученных экспериментальных данных были получены зависимости, представленные на рис. 5 и 6.

Полученные зависимости подтверждают, что снижение вязкости трансмиссионного масла существенно влияет на температурное состояние агрегатов трансмиссии. Использование трансмиссионного масла класса вязкости по БАЕ 75W80 вместо масла класса вязкости по БАЕ 80\У85 приводит к снижению равновесной температуры агрегатов трансмиссии. При этом величина снижения равновесной температуры пропорциональна величине передаваемой агрегатом мощности.

- для масла «Экойл-Т» (БАЕ 80\У85) по ТУ 0253-003-39968232-98

- для масла ТСЗп-8 (БАЕ 75АУ80) по ТУ 38.1011280-89 изм. 1-6

и

!

№ № Ой #2?'036 Щ5 № 103 Ш 121 Щ 139 И8 157 206 2Б 221 233 2*2 261 31»

Ирепя районы агрегат на уст1&б1Ст1ся ргхт?,

Рис. 5. Влияние вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние КПП и переднего моста автогрейдера ДЗ-98: □ — трансмиссионное масло по БАЕ 80\У85; О - трансмиссионное масло по БАЕ 75W80

Рис. 6. Влияние вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние бортового редуктора автогрейдера ДЗ-98: □ -трансмиссионное масло по ЭАЕ 8(^85; О - трансмиссионное масло по БАЕ 75\¥80

В пятой главе представлены рекомендации по практическому примене нию результатов исследования, разработана методика выбора трансмиссион ного масла с учетом снижения энергоэффективности трансмиссии при экс плуатации техники в условиях отрицательных температур. В результате экс

периментального исследования было выявлено снижение расхода топлива (рис. 7), которое обуславливается снижением потерь в агрегатах трансмиссии.

'¡I

ссиу^'.ё с 0.27 - -

т" ~ Г:

/ Г. «ч * - — . Г 1 :

■ -л »0

. .. ... . .. .. . ..

-.'Г -X ■

-2?-5 -ь -х -2 -ь -г -5 -I ;

/дагззигчя: тзг

Рис. 7. Экспериментальные данные влияния температуры масла класса вязкости 8АЕ 75W85 на изменение расхода топлива автогрейдером ДЗ-98

-О- ТСЗп-в ■

•ТАп-158 ■

т&лдящ/ра ¡жружащега Сагйри грЫЗС Кп-1$к -О— ТСа-Ю

Рис. 8. Расчетные зависимости влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионных масел на общий КПД трансмиссии автогрейдера ДЗ-98

В основу методики выбора трансмиссионного масла были положены результаты решения разработанной математической модели для различных

температур окружающего воздуха с учетом вязкостно-температурных характеристик трансмиссионных масел по ГОСТ 23653-79, с использованием которой определены значения общего КПД трансмиссии автогрейдера ДЗ-98 (рис.8).

Методика выбора трансмиссионного масла представлена в виде алгоритма на рис. 9.

На основе результатов экспериментального исследования рассчитан экономический эффект от сокращения расхода топлива при переходе с трансмиссионного масла класса вязкости по 8АЕ 8(^85 на трансмиссионное масло класса вязкости по 8АЕ 75W80 применительно к условиям ОАО «Сургутнефтегаз».

Иеходвые дааые:

Техника: карта смазки; условия эксплуатации (температурный диапазон применения техники); тех состояние. Масла: ТУ. допуски, классификации, сертификаты, ВТХ

1

Предварительный выбор с исаользованвеи существующих класеяфкацяй

I

- минимальная температура максим

динамической вязкости;

- динамическая вязкость масла при

ОБРАЗЕЦ МАСЛА Характеристики:

- индекс вязкости

НЕТ

Анализ ВТХ по номограмме

Определение изменения к.п.д. агрегата

НЕТ

Рацаоиалвзадня срокок замены

I

^ Конец Л

Рис. 9. Алгоритм методики выбора вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла

Выводы

В результате теоретических исследований выявлено:

1)эффективность передачи мощности агрегатами трансмиссии определяется в основном двумя факторами: потерями на трение в узлах и деталях, а также на барботаж трансмиссионного масла. В условиях эксплуатации распределение энергии на трение и барботаж зависит от вязкостно-температурных свойств используемого трансмиссионного масла. Суммарные потери на трение в агрегате находятся в пределах 10-25 % (в зависимости от числа ступеней передачи крутящего момента), при этом потери на барботаж снижают КПД агрегата с 0,92 до 0,53 и более при повышении вязкости трансмиссионного масла;

2) потери энергии в агрегате трансмиссии вызывают изменение его температурного состояния, которое определяется условием теплового равновесия между теплотой, выделившейся в агрегате, и теплотой, отведенной в окружающую среду в процессе теплообмена. Установившиеся тепловое состояние агрегата прямо пропорционально величине передаваемой мощности и КПД и определяется величиной равновесной температуры;

3) на основе проведенных исследований была получена математическая модель влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на величину потерь в агрегатах трансмиссии. Использование разработанной математической модели позволяет определить оптимальные вязкостно-температурные свойства трансмиссионного масла так, чтобы обеспечить высокую энергоэффективность трансмиссии при эксплуатации в условиях холодного климата.

В результате проведенных эксплуатационных испытаний установлено:

1) при установившемся движении автогрейдера ДЗ-98 изменение температуры трансмиссионного масла в агрегатах трансмиссии носит экспоненциальный характер, при этом установившаяся величина температуры трансмиссионного масла — равновесная температура — зависит от вязкостно-температурных свойств применяемого масла;

2) использование трансмиссионного масла класса вязкости по БАЕ 75W80 в агрегатах трансмиссии позволяет снизить сопротивление страгива-нию автогрейдера ДЗ-98 при эксплуатации в условиях отрицательных температур до 40 % в зависимости от температуры трансмиссионного масла и добиться сокращения расхода топлива От 2,8 до.5,2 % в зависимости от режима эксплуатации;

3) экономическая оценка внедрения результатов исследования показала, что использование трансмиссионного масла ТСЗп-8 класса вязкости по SAE 75W80 приводит к значительному сокращению расхода топлива и возможности эксплуатации техники при особо низких температурах. Экономический эффект от внедрения составляет 57 034,41 руб. на одну единицу техники в год в условиях ОАО «Сургутнефтегаз».

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Корнеев C.B. Изменение противоизносных свойств обводнённых трансмиссионных масел группы ТМ-5 при использовании в условиях низких температур / C.B. Корнеев, Р.В. Буравкин // «Безопасность регионов — основа устойчивого развития»: Материалы науч.-практ. конф., 19-21 сентября 2007г. - Иркутск, 2007. - т. 2. - С. 142-143

2. Влияние климатических факторов на поток отказов мобильной техники / C.B. Корнеев, Р.В. Буравкин, Н.В. Дорошенко и др.// «Безопасность регионов — основа устойчивого развития»: Материалы науч.-практ. конф., 19-21 сентября 2007г.-Иркутск, 2007. - т. 2.-С. 135-141

3. Выбор трансмиссионных масел для использования в условиях холодного климата / Корнеев C.B., Буравкин Р.В. // Строительные и дорожные машины, 2008. - № 10. - С.29-31

4. Особенности эксплуатации техники в условиях низких температур / C.B. Корнеев, Ж.М. Иванкив, Р.В. Буравкин и др.// «Трибология-машиностроению»: Сборник аннотаций докладов науч.-технич. конф. 1-2 октября 2008 г., ИМАШ им. A.A. Благонравого РАН, 2008.-С.44

5. Выбор материалов для работы узлов трения в условиях холодного климата / C.B. Корнеев, Ж.М. Иванкив, Р.В. Буравкин и др. // Омский научный вестник, Серия Приборы, машины и технологии. - №1(77), -Омск: ОмГТУ, 2009. - С. 96-99

6. Влияние низких температур на свойства материалов и поток отказов мобильной техники / C.B. Корнеев, Ж.М. Иванкив, Р.В. Буравкин и др. // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. - №1(77), - Омск: ОмГТУ, 2009.-С. 99-103

7. Особенности эксплуатации наземной мобильной техники в условиях низких температур / C.B. Корнеев, Ж.М. Иванкив, Р.В. Буравкин и др. // Трение и смазка в машинах и механизмах - № 11. - 2009. — С. 3336.

8. Корнеев C.B. Выбор трансмиссионных масел для применения в условиях холодного климата / C.B. Корнеев, Р.В. Буравкин, Иванкив Ж.М. и др. // Трение и смазка в машинах и механизмах. - № 12. - 2009. - С 26-29.

9. Эксплуатация наземной мобильной техники в условиях низких температур / C.B. Корнеев, Ж.М. Иванкив, Р.В. Буравкин // Вестник машиностроения. - № 12. - 2009. - С. 90-92.

10.Буравкин Р.В. Исследование надёжности агрегатов трансмиссии при эксплуатации дорожных и строительных машин в условиях холодного климата /Буравкин Р.В., Дорошенко Н.В., Кавыев А.М.// «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования»: Материалы 4 Всерос. на-уч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных, 20-21 мая 2009г.- Омск: СибАДИ, 2009. - Кн. 1,- С. 273-277.

Подписано к печати 22.04.2011. Формат 60x90 1/16. Бумага писчая Оперативный способ печати Гарнитура Times New Roman Усл. п. л. 1,13, уч.-изд. л. 0,86. Тираж 100 экз. Заказ № 99 Цена договорная

Отпечатано в полиграфическом отделе УМУ СибАДИ 644080, г. Омск, пр. Мира, 5.

Введение.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Эффективность эксплуатации ДСМ в условиях холодного климата.

1.2. Особенности эксплуатации автогрейдеров в зимний период.

1.3. Основы энергоэффективного использования ДСМ путем подбора трансмиссионных масел.

1.4. Результаты анализа и рабочая гипотеза.

1.5. Цель и задачи исследования.

2. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И СТРУКТУРА РАБОТЫ.!.

2.1. Общая методика исследований.

2.2. Структура работы.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТРАНСМИССИИ ЗТМ.

3.1. Цель и задачи теоретических исследований.

3.2. Мощностной баланс ЗТМ.

3.3. Энергоэффективность трансмиссии ЗТМ.

3.4. Потери энергии в трансмиссии на трение в узлах и барботаж.

3.5. Тепловой баланс агрегата трансмиссии.

3.6. Математическая модель распределения теплоты в агрегате трансмиссии ДСМ.

3.7. Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТРАНСМИССИИ ДСМ (ЫуЧ. ПРИМЕРЕ АВТОГРЕЙДЕРА ДЗ-98).

4.1. Цели и задачи экспериментального исследования.

4.2. Методика проведения эксплуатационных испытаний.

4.3. Проведение экспериментальных исследований.

4.4. Обработка экспериментальных данных.

4.5. Результаты экспериментального исследования.Ю

4.6. Выводы.

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Методика выбора ВТХ трансмиссионных масел, применяемых в агрегатах трансмиссии ДСМ в условиях холодного климата.

5.2. Оценка экономической эффективности применения маловязкого трансмиссионного масла в условиях холодного климата.

Актуальность работы.

Значительная часть территории России находится в зоне холодного климата, когда среднесуточные температуры окружающего воздуха в зимнее время опускаются до -45 °С и ниже. Эффективность эксплуатации дорожных и строительных машин в таких условиях значительно снижается, что связано с увеличением эксплуатационных затрат за счет повышения расхода горючесмазочных материалов, повышения трудоемкости работ технического обслуживания и ремонта в результате снижения надежности техники.

Одной из причин снижения эффективности эксплуатации техники в суровых климатических условиях является изменение свойств эксплуатационных жидкостей и смазок, в частности трансмиссионного масла.

Низкие температуры окружающего воздуха приводят к повышению вязкости трансмиссионного масла, что повышает внутренние потери в-агрегатах трансмиссии и снижает общий к.п.д. трансмиссии машины. Кроме того, повышение вязкости нарушает режим смазывания деталей агрегата, так как загустевшее масло не поступает в зоны контакта, что снижает надежность агрегатов.

В сложившихся условиях при эксплуатации техники в суровых условиях основное внимание уделяется двигателю машины: разработаны комплексы мероприятий и рекомендаций по запуску двигателя в экстремальных климатических условиях, машины оборудуются системами предпусковой подготовки двигателей и т.д. Однако вопросам предпусковой подготовки агрегатов трансмиссии не уделяется должного внимания. Обычно решение указанной проблемы ограничивается использованием всесезонных трансмиссионных масел, рекомендованных заводом-изготовителем, без учета особенностей эксплуатации техники. При этом не уделяется внимания вопросу энергоэффективности агрегатов трансмиссии машин.

Таким образом, несмотря на существующие методы подбора трансмиссионных масел, остается не достаточно изученным влияние вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии ДСМ, что особенно актуально для землеройно-траспортных машин (ЗТМ), поскольку энергоэффективность трансмиссии таких машин напрямую влияет на их производительность.

Первая глава посвящена обзору и анализу исследований в области эффективного применения трансмиссионных масел в строительной и дорожной технике при эксплуатации в условиях холодного климата, приведен анализ состояния исследуемого вопроса.

Рассмотрены основные направления развития ДСМ, факторы, влияющие на эффективность их использования в условиях холодного климата. На основе проведенного анализа сделан вывод о-низкой эффективности использования ДСМ в условиях холодного климата, что связано с потерями мощности машин в агрегатах трансмиссии.

Проведен аналитический обзор результатов ранее проведенных исследований отечественных и зарубежных авторов (В.А. Зорин, П.И. Кох, И.Г. Фукс, А.П. Смолин, Е.П. Серегин, J1.C. Васильева, C.B. Корнеев, Н.В. Дорошенко, К.С. Рамайя и другие) в области рационального подбора свойств и использования топливо-смазочных материалов.

Анализ характерных особенностей эксплуатации в условиях холодного климата, позволил выдвинуть рабочую гипотезу: основной причиной низкой эффективности является применение трансмиссионных масел без учета влияния вязкостно-температурных характеристик на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

В конце первой главы определены цель и основные задачи исследования.

Во второй главе представлена общая методика исследований. Здесь же представлена общая структура диссертационной работы.

В третьей главе диссертации приводится теоретическое исследование энергоэффективности трансмиссии ДСМ, рассмотрены основные факторы;, влияющие на к.п.д. агрегатов, определены основные статьи, распределения мощности.

В результате анализа мощностного баланса модели ДСМ показана возможность повышения* эффективности эксплуатации землеройно-транспортных машин (ЗТМ) в условиях холодного климата за счет снижения потерь в агрегатах трансмиссии. Поэтому дальнейшее исследование было направлено на выявление структуры энергозатрат в трансмиссии. Рассмотрение велось на примере автогрейдера ДЗ-98. Выбор данной модели определен конструктивными особенностями машины - для смазки всех узлов трансмиссии (кроме карданных передач) используется трансмиссионное масло. В качестве оценочного параметра эффективности передачи мощности узлами? и агрегатами трансмиссии принят общий к.п.д: агрегата.

Пршпередаче мощности от двигателя автогрейдера к ведущим колесам часть энергии-теряется в узлах агрегатов (зубчатые передачи, муфты, подшипниковые узлы) и на преодоление гидравлических потерь, возникающих при: перемешивании трансмиссионного масла (барботаж). Исследование влияния вязкости трансмиссионного масла на величину потерь в узлах агрегата позволило выявить закономерности изменения к.п.д. при повышении вязкости трансмиссионного масла.

Так повышение динамической вязкости трансмиссионного масла снижает потери в трущихся деталях зубчатой передачи механизма, что объясняется уменьшением коэффициента трения, но сопровождается увеличением гидравлических потерь и затрат энергии на перемешивание и разбрызгивание вязкого трансмиссионного масла. Таким образом, установлено влияние вязкости трансмиссионного масла на общий к.п.д. агрегата.

При эксплуатации ЗТМ в условиях холодного климата вязкость трансмиссионного масла изменяется в широких пределах. Нижняя граница вязкости, с учетом вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла, 6 определяется температурой окружающего воздуха, верхняя,граница вязкости определяется тепловым состоянием агрегата.

Для определения закономерностей изменения температуры трансмиссионного масла в условиях эксплуатации проведен анализ теплового баланса агрегата трансмиссии. В результате проведенного анализа бы л ипо лучены, зависимости изменения температуры трансмиссионного масла в агрегате в зависимости от продолжительности его работы. Полученные зависимости учитывают вязкостно-температурные характеристики трансмиссионного масла путем изменения величины потерь в агрегате, при изменении его теплового состояния.

Полученные зависимости показывают, что температура трансмиссионного масла в процессе работы агрегата повышается и достигает некоторого постоянного значения. Дальнейшего повышения температуры не происходит из-за наступления равновесного состояния между теплотой, выделившейся в результате потерь в агрегате, и теплотой, отведенной от агрегата в окружающую среду, т.е. процесс теплообмена становится стационарным. Величина равновесной температуры в этом случае определяется величиной потерь в агрегате, что позволяет принять ее в качестве критерия энергоэффективности агрегата трансмиссии.

Выявленные закономерности влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегата трансмиссии, позволили разработать математическую модель теплообмена агрегата трансмиссии.

Полученная модель позволяет оценивать влияние вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

В четвертой главе диссертации представлены сведения о проведённых экспериментальных исследованиях, представлена методика проведения экспериментального исследования влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегатов трансмиссии, приведены результаты экспериментальных исследований.

Для оценки влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегатов трансмиссии были выбраны два образца товарных масел «Экойл-Т» (БАЕ 80"№85) по ТУ 0253-00339968232-98 и ТСЗп-8 (8АЕ 75W80) по ТУ 38.1011280-89 изм. 1-6. При выборе трансмиссионных масел учитывались рекомендации завода-изготовителя автогрейдера ДЗ-98, а также значения динамической и кинематической вязкости указанных масел при температурах, характерных для условий эксплуатации автогрейдера в зимнее время. На основе паспортных данных масел были получены вязкостно-температурные характеристики.

Для оценки температурного состояния агрегатов трансмиссии в процессе эксплуатационных испытаний, автогрейдер был дооснащен необходимым измерительным, оборудованием. На агрегаты были установлены термопары, подключенные через устройство компенсации к многоканальному измерителю температур.

Испытания проводились с учетом требований ГОСТ 11030-93 и ГОСТ 20306-90. Во время проведения испытаний моделировались два режима, характерных для условий эксплуатации автогрейдера: тяговый и транспортный.

В результате обработки полученных экспериментальных данных были получены зависимости, подтверждающие, что снижение вязкости трансмиссионного масла существенно влияет на температурное состояние агрегатов трансмиссии. Использование трансмиссионного масла класса вязкости по БАЕ 75"\¥80 вместо масла класса вязкости по БАЕ 80W85 приводит к снижению равновесной температуры агрегатов трансмиссии. При этом величина снижения равновесной температуры пропорциональна величине передаваемой агрегатом мощности.

Таким образом, результаты эксплуатационных испытаний и полученные на их основе закономерности подтверждают правильность выдвинутых предположений.

В пятой главе представлены рекомендации по практическому применению результатов исследования, разработана методика подбора трансмиссионного масла с учетом снижения энергоэффективности трансмиссии при эксплуатации техники в условиях отрицательных температур:

На основе результатов экспериментального исследования рассчитан экономический эффект от сокращения расходам топлива при» переходе с трансмиссионного масла класса вязкости по БАЕ 80\У85 на трансмиссионное масло класса вязкости по БАЕ 75\¥80;

Общий годовой эффект от использования автогрейдера ДЗ-98 после проведенных мероприятий за счет повышения энергоэффективности трансмиссии составил 57 034,41 рублей на одну единицу техники в год.

На основе результатов проведенных исследований представлен комплекс мероприятий по повышению эффективности эксплуатации ДСМ в условиях холодного климата.

Заключение резюмирует результаты проделанной работы и содержит рекомендации и выводы.

На защиту выносится:

1. Математическая модель влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

2. Результаты теоретического исследования влияния вязкостно-температурной характеристики трансмиссионного масла на к.п.д. агрегатов трансмиссии.

3. Результаты экспериментального исследования влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на температурное состояние агрегатов трансмиссии автогрейдера ДЗ-98.

4. Результаты экспериментального исследования влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на изменение сопротивления движению и топливную экономичность автогрейдера ДЗ-98.

5. Методика выбора трансмиссионного масла с учетом влияния вязкостно-температурных характеристик на энергоэффективность агрегатов трансмиссии ДСМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. разработана математическая модель влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

2. получены новые эмпирические зависимости к.п.д. агрегата трансмиссии от вязкости трансмиссионного масла.

3. Получены новые экспериментальные данные влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на температурное состояние агрегата трансмиссии при эксплуатации автогрейдера ДЗ-98 в условиях отрицательных температур.

Практическая ценность заключается в разработанной методике выбора вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла для повышения энергоэффективности трансмиссии ДСМ при эксплуатации в условиях холодного климата.

Работа включает 152 страницы, 12 таблиц, 41 рисунок и 2 приложения, список использованной литературы из 154 источников.

Основные положения работы опубликованы в 10 статьях, из них 6 из списка рекомендованного ВАК РФ для опубликования результатов научных исследований.

Автор выражает сердечную благодарность научному руководителю д. т. н. проф. Корнееву C.B. за искреннюю помощь и поддержку в написании этой работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, РЕКОМЕНДАЦИИ И ВЫВОДЫ

В результате теоретических исследований выявлено:

1. эффективность передачи мощности агрегатами трансмиссии определяется в основном1 двумя факторами: потерями на трение в узлах и деталях, а также на барботаж трансмиссионного масла. В- условиях эксплуатации распределение энергии на трение и барботаж зависит от вязкостно-температурных свойств используемого трансмиссионного масла. Суммарные потери на трение в агрегате находятся в пределах 10-25% (в зависимости от числа ступеней передачи крутящего момента), при этом, потери на барботаж снижают к.п.д. агрегата с 0,92 до 0,53 при повышении вязкости трансмиссионного масла;

2. потери энергии в агрегате трансмиссии вызывают изменение его температурного состояния, которое определяется4условием теплового равновесия между теплотой, выделившейся в агрегате, и теплотой, отведенной в окружающую среду в процессе теплообмена. Равновесное тепловое состояния агрегата прямо пропорционально величине передаваемой мощности, и к.п.д., и определяется*величиной равновесной температуры;

3. на основе проведенных исследований была получена математическая модель влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на величину потерь в агрегатах трансмиссии. Использование разработанной математической модели, позволяет определить оптимальные вязкостно-температурные свойства трансмиссионного масла, так, чтобы обеспечить высокую энергоэффективность трансмиссии при эксплуатации в условиях холодного климата.

В результате проведенных эксплуатационных испытаний установлено:

4. при установившемся движении автогрейдера ДЗ-98 изменение температуры трансмиссионного масла в агрегатах трансмиссии носит экспоненциальных характер, при этом, установившаяся величина температуры трансмиссионного масла - равновесная температура - зависит от вязкостно-температурных свойств применяемого масла;

5. применение трансмиссионного масла класса вязкости по БАЕ 75\\^80 в агрегатах трансмиссии позволяет снизить сопротивление страгиванию автогрейдера ДЗ-98 при эксплуатации в условиях отрицательных температур до 40% в зависимости от температуры трансмиссионного масла, и добиться сокращения расхода топлива от 2,8 до 5,2 % в зависимости от режима эксплуатации; Это нужно расписывать, это главные выводы.

6. экономическая оценка внедрения результатов исследования показала, что использование трансмиссионного масла ТСЗп-8 класса вязкости по 8АЕ 75,\УБ0 приводит к значительному сокращению расхода топлива и возможности эксплуатации техники при особо низких температурах. Экономический эффект от внедрения составляет 57 034,41 руб. на одну единицу техники в год.