Підвищення ефективності функціонування мобільного сільськогосподарського агрегату шляхом поліпшення його динамічних параметрів

Размещено на http://www.allbest.ru/

національний аграрний університет Кабінету Міністрів України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення ефективності функціонування мобільного сільськогосподарського агрегату шляхом поліпшення його динамічних параметрів

Хандрос Михайло Якович

05.20.01 - Механізація сільськогосподарського виробництва

УДК 631.372: 631.306

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Філіппов Анатолій Захарович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри тракторів і автомобілів .

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Демидко Михайло Омелянович, Національний аграрний університет, професор кафедри експлуатації МТП;

кандидат технічних наук, доцент Гурченко Олександр Петрович, Інститут механізації та електрифікації сільського господарства, старший науковий співробітник відділу механізації виробництва коренебульбоплодів.

Провідна установа:

Харківський державний технічний університет сільського господарства Міністерства агропромислового комплексу України, кафедра експлуатації МТП, м. Харків.

Захист відбудеться 17 лютого 2000 р. о 16 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 в Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус 3, аудиторія 65.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 11, навчальний корпус 10.

Автореферат розісланий 15 січня 2000 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Войтюк Д.Г.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В умовах сільськогосподарського виробництва рух агрегатів характеризується коливаннями зовнішнього навантаження, їх поступальної швидкості та кутової швидкості двигуна, які викликаються нерівностями поверхні поля, змінними фізико-механічними властивостями ґрунту і рослин та нестабільністю інших факторів. Наслідком коливань навантаження є зниження середніх значень енергетичних показників двигуна порівняно із відповідними даними технічних характеристик та зниження фактичної продуктивності всього агрегату порівняно із розрахунковою.

На енергомістких технологічних операціях зниження потужності сягає 10 15%, а збільшення питомої витрати палива 10%, при несприятливих умовах 30% і 16% відповідно. Необхідність нейтралізації і правильного врахування негативного впливу усталених коливань зовнішнього навантаження визначає актуальність даної роботи.

Мета і задачі дослідження.

Мета підвищення енергетичних показників і продуктивності мобільного сільськогосподарського агрегату при усталених коливаннях зовнішнього навантаження шляхом раціонального вибору його динамічних параметрів.

Задачі:

1. Статистичний аналіз особливостей коливань енергетичних показників мобільних сільськогосподарських агрегатів в усталених динамічних режимах роботи.

2. Розробка математичних моделей функціонування мобільних сільськогосподарських агрегатів при змінному усталеному навантаженні.

3. Визначення раціональних співвідношень між динамічними параметрами, які забезпечують поліпшення енергетичних показників агрегату в експлуатаційних умовах.

4. Розробка методики інженерного розрахунку енергетичних показників агрегату при змінному усталеному навантаженні.

Об'єктом дослідження є тяговий сільськогосподарський агрегат з жорстким або пружним зчепом при виконанні прямолінійних робочих ходів, а предметом дослідження прямолінійний нерівномірний рух агрегату під дією змінного усталеного навантаження.

Об'єктами експериментального дослідження були обрані транспортний агрегат з жорстким та пружним зчепом, орний агрегат з причіпним плугом та силосозбиральний агрегат.

Наукова новизна. Результати досліджень мають такі елементи новизни.

1. Одержані додаткові дані про спектральні щільності та статистичні моментні характеристики коливань енергетичних показників транспортного агрегату з жорстким та пружним зчепами, орного та силосозбирального агрегатів на різних робочих швидкостях. Для спектральних щільностей отримані аналітичні вирази.

2. З рівнянь складових елементів із загально прийнятим рівнем формалізації, застосованих в оригінальній комбінації, отримано нові нелінійні рівняння дизельного двигуна при роботі із змінним усталеним навантаженням, та в'язким демпфером, прямолінійного руху агрегату з жорстким та пружним зчепом.

3. Розроблено новий варіант методу еквівалентної лінеарізації диференційних рівнянь руху, який враховує несиметричний, нелінійний характер статичної швидкісної характеристики агрегату при роботі дизеля на регуляторі та негармонічний і негаусовий характер коливань кутової швидкості останнього на сільськогосподарських операціях.

4. Введено два нових критеріальних динамічних параметри двигуна. Визначено область значень цих параметрів, в межах якої забезпечується відсутність резонансних коливань кутової швидкості дизеля за будь-якої форми спектральної щільності коливань зовнішнього навантаження (зону інваріантності динамічної системи дизеля до резонансів).

5. Здійснено аналіз і оригінальну класифікацію втрат потужності на три якісних складові: втрати, викликані нелінійною формою статичної регуляторної характеристики дизеля, втрати, викликані інерційністю робочого процесу, втрати, обумовлені виникненням паразитної потужності.

6. Виведено оригінальну двопараметрову формулу буксування, яка не має алгебраїчних особливостей і дійсна на всій області можливих значень буксування.

7. Розроблені оригінальна методика інженерного розрахунку енергетичних показників агрегату та його частин. Розрахунок базується на комп'ютерній технології і враховує особливості частотного спектру зовнішнього навантаження, статичних та амплітудно-частотних характеристик агрегату і дизельного двигуна.

Практичне значення. Практичне значення виконаної роботи полягає в тому, що вона розширює межі існуючих уявлень про динаміку мобільного сільськогосподарського агрегату і механізм впливу змінного усталеного навантаження на його енергетичні показники. Розроблені методичні підходи, рівняння та алгоритми мають достатньо універсальний характер і можуть бути використані в наступних дослідженнях динаміки різних типів мобільних сільськогосподарських агрегатів та тракторів.

Практичне значення роботи також випливає з можливості використання отриманих експериментальних результатів, рівнянь та комп'ютерних програм при тягових розрахунках мобільних агрегатів, а також при проектуванні тракторів і дизелів сільськогосподарського призначення. Деякі з розроблених в даній дисертації комп'ютерних програм до цього часу вже були використані багатьма іншими дослідниками при динамічних розрахунках та обробці експериментальних даних. Практичне застосування дисертації полегшується великою кількістю таблиць статичних та динамічних параметрів агрегатів, коефіцієнтів формули буксування на різних фонах та ін.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертації автором отримані самостійно. При формулюванні задач дослідження використані ідеї к. т. н. А.П. Тєрєхова та д. т. н. В.Г. Євтенка.

Апробація результатів. Основні результати роботи доповідалися і були схвалені на таких семінарах, засіданнях та конференціях:

- Республіканська конференція “Математические методы прогнозирования производства” (Київ, 1970);

- Республіканська конференція “Технический прогрес и перспективы развития комплексной механизации сельского хозяйства” (Київ, 1970);

- Засідання конструкторської секції науково-технічного товариства ХТЗ (Математичне моделювання мобільних сільскогосподарських агрегатів на ЕЦОМ. Харків, 1971);

- Всесоюзная научно-техническая конференция “Инженерные проблемы кибернетики в сельском хозяйстве” (Ленінград, 1974);

- Науково-технічні конференції професорсько-викладацького складу факультету механізації сільського господарства НАУ (Київ, 1996 ... 1999 роки);

- Другий науково-технічний семінар з поліпшення показників теплових двигунів та ресурсозбереженню. (Мелітополь, 1996).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені в 12 друкованих роботах, зокрема в 4-х брошурах та 8-х наукових статтях.

Крім цього опубліковані тези трьох доповідей з цього питання. З інших питань опубліковані дві брошури, три наукових статті та два авторських свідоцтва.

Обсяг та структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і рекомендацій, списку використаної літератури, який містить 222 найменування. Налічує 313 сторінок, 34 рисунки, 37 таблиць, 311 нумерованих формул.

1. Зміст роботи

сільськогосподарський агрегат динамічний параметр

1. Стан питання і програма досліджень. У цій главі уточнена існуюча термінологія визначена база для порівняння показників роботи агрегату в статичних та динамічних режимах проведено огляд і критичний аналіз сучасного стану досліджень усталених динамічних режимів функціонування мобільних сільськогосподарських агрегатів здійснено вибір напрямків власних досліджень для розв'язання поставлених задач

Усталеним динамічним режимом роботи агрегату вважається такий коли зовнішнє навантаження кутова швидкість двигуна та інші показники є стаціонарними функціями часу тобто за певний період роботи мають сталі середнє значення та дисперсію Статичним режимом вважається такий коли зазначені показники на певному відрізку часу підтримуються сталими Характеристики двигуна отримані в лабораторних умовах, вважаються статичними Для кутової швидкості та крутного моменту двигуна поняття сталості відноситься до їх середніх значень за цикл В експлуатаційних умовах режим роботи мобільного сільськогосподарського агрегату є динамічним

В даній роботі за базу для порівняння статичних і динамічних режимів прийнято середнє значення змінного усталеного навантаження Порівнюються показники таких динамічного та статичного режимів для яких середнє значення змінного навантаження і певне значення сталого навантаження збігаються Погіршення показників мобільного сільськогосподарського агрегату в експлуатаційних умовах оцінюється в порівнянні з відповідним статичним режимом

В главі проаналізовано внесок в проблему погіршення показників двигуна та агрегату в цілому таких вчених як ВН Болтінський, АК Юлдашев, АБ Свірщевський, ВГ Євтенко, ОА Гольверк, ГМ Кутьков, СА Агеєв, АМ Лисов та ін. Особливості змінного усталеного навантаження сільськогосподарських агрегатів вивчалися ВН Болтінським, ВМ Василенко, ЮК Кіртбая, ВП Росляковим, АБ Лурє, ОО Юшиним, ВГ Євтенко, АА Болотіним

2. Статистичний аналіз динамічних режимів агрегату. Аналіз змінних усталених динамічних показників здійснювався з допомогою математичного апарату випадкових стаціонарних процесів. Експериментальні осцилограми для тягового зусилля, крутильного моменту на ведучих колесах, крутильного моменту та кутової швидкості фіксувалися через проміжки часу 0.05 с або 0.1 с і у вигляді дискретних числових послідовностей вводилися в комп'ютер. За цими послідовностями визначалися середнє значення, дисперсія, коефіцієнт варіації, асиметрія, ексцес та спектральна щільність. Асиметрія та ексцес слугували критеріями нормальності розподілу досліджуваних параметрів.

Спектральна щільність показника визначалась за формулою:

, (1)

де a_k і b_k коефіцієнти Фур'є для частоти _k, визначені для функції, зафіксованої через дискретні проміжки часу за формулами Бесселя;

крок за кутовою частотою, що залежить від довжини осцилограми в с,

= 2/T.

Взаємна спектральна щільність крутильного моменту та кутової швидкості через коефіцієнти Фур'є цих показників визначалася за формулою:

 (2)

Оскільки в літературі при тлумаченні спектральної щільності часто зустрічаються неточності, виникла необхідність уточнити її фізичний зміст в механічних системах. Спектральна щільність швидкості це розподіл змінної кінетичної енергії мас агрегату за частотами. Спектральна щільність крутильного моменту це розподіл потенційної енергії деформації валів за частотами. Дійсна частина взаємної спектральної щільності крутильного моменту та кутової швидкості це розподіл змінної потужності по частотах.

При коливанні навантаження для забезпечення усталеного руху, порівняно із статичним режимом в динамічній системі агрегату, повинні бути запасені додаткові порції кінетичної і поступальної енергії:

, , (3)

де дисперсії кутової швидкості та крутильного моменту;

I, I_p динамічний і геометричний моменти інерції валу;

l, G довжина і модуль пружності валу.

Ця додаткова енергія витрачається на подолання тягового опору робочої машини. Середня потужність, що споживається тяговим навантаженням при лінійній залежності тягового опору від швидкості, дається формулою:

, (4)

де ₀, ₁ коефіцієнти лінійної залежності;

V₀, середнє значення і дисперсія швидкості.

Витрати потужності на виконання технологічної операції при коливаннях більше на величину ₁, , ніж при статичному режимі. Збільшення витрат потужності має місце не тільки на робочих органах, а й в трансмісії та двигуні всюди, де механічні втрати залежать від швидкості.

Оскільки в досліджуваному інтервалі частот коливань зовнішнього навантаження (0 ... 20 с^-1) спектральні щільності змінних показників мають один істотний пік, то для їх аналітичного подання використовувався вираз:

, (5)

де b₀, b₁, b₂ сталі коефіцієнти,

b₁ і b₂ мають розмірність частоти, а b₀ досліджуваного показника.

Коефіцієнти підбираються таким чином, щоб у аналітичного виразу (5) та обчисленої за експериментальною осцилограмою спектральної щільності збігалися дисперсія D_x та головний максимум S_max на частоті _max. Алгебраїчно задача пошуку коефіцієнтів зводиться до розв'язання кубічного рівняння відносно величини b₂. Завдяки використанню аналітичного виразу для спектральної щільності вдається досягти значного ступеня згортання та концентрації експериментальної інформації. Замість кількасот ординат спектральної щільності для аналізу достатньо зберігати три коефіцієнти.

3. Математична модель агрегату в усталеному русі. В цій главі мобільний сільськогосподарський агрегат (МСА) розглядається як динамічна система, характер руху якої визначається взаємодією двигуна, трансмісії, ходової частини та робочих органів, мас між собою та із зовнішнім середовищем.

Отримані на стенді статичні швидкісні характеристики двигуна описувалися такими виразами:

 , (6)

де ₀, ₁, ₀, ₁, ₂ сталі коефіцієнти;

кутова швидкість.

Коефіцієнти з формули (6) визначалися методом обраних точок або методом найменших квадратів. Обиралися точки, що відповідають максимальному моменту, номінальному моменту та холостому ходу. Обчислені коефіцієнти для 25 марок дизелів, результати цих обчислень зведені в таблицю, з якої видно, що жорсткість регуляторної гілки статичної характеристики для тракторних дизелів змінюється у межах від 6.19 (Д-21А) до 124.23 (дизель Д-130), двигун Д-240 має , СМД-62 34.94.

Статичні регуляторні характеристики дизелів істотно нелінійні. Врахування цієї нелінійності дозволяє пояснити значну частину втрат потужності і зниження швидкості агрегату, але одночасно обтяжує розрахунки. Тому цю нелінійність необхідно лінеаризувати, але таким чином, щоб збереглися основні досліджувані ефекти. Оскільки стандартні методи лінеаризації в даному випадку виявилися непридатними, було розроблено нову модифікацію методу еквівалентної лінеаризації, який застосовують в теорії нелінійних коливань. У відповідності з цим методом нелінійну залежність F() заступає лінійна L()=q₀ + q₁, яка на певному інтервалі зміни кутової швидкості має однакові з F() середній крутильний момент і середню жорсткість. За таких умов коефіцієнти q₀ та q₁ визначаються формулами:

 (7)

, (8)

де середнє значення та середня амплітуда коливань кутової швидкості двигуна,

A = 1.7 (для гармонічних коливань A = 1.41, для коливань з нормальним розподілом ординат A = 1.25).

Виходячи з відомих рівнянь руху колінчастого валу двигуна як твердого ротора, залежності між статичним та динамічним моментом двигуна при коливаннях навантаження та рівняння відцентрового регулятора, як складових елементів, було отримане нове рівняння двигуна при роботі зі змінним усталеним навантаженням. Це рівняння має вигляд:

, (9)

де I зведений момент інерції рухомих мас двигуна;

, сталі часу (інерційності) регулятора і робочого процесу;

M_c навантаження на валу двигуна.

На основі аналізу та математичної обробки даних літературних джерел була складена таблиця значень параметрів I, , для 13-ти марок тракторних дизелів. Згідно даних таблиці момент інерції двигуна коливається в межах від 1.2 (Д-37 Е) до 5.2 кгм² (ЯМЗ-238 НБ), величини у межах 0.031 (СМД-60) 0.111 c (Д-65 А), у межах 0.094 (Д-240) 0.148 с (Д-35).

Заміна нелінійної функціональної залежності F() еквівалентною лінійною L() дозволяє замість нелінійного диференційного рівняння (9) отримати відповідне лінійне. За лінійним диференційним рівнянням визначається квадрат модуля частотної характеристики двигуна:

(10)

Після алгебраїчних перетворень раціональна функція (10) набуває вигляду:

,

, (11)

де ,

.

Тут _n власна частота двигуна;

f безрозмірна частота коливань;

(f) коефіцієнт динамічності двигуна;

₁ і ₂ безрозмірні параметри динамічного режиму.

Для існуючих дизелів ₁ = 0.5 1.8, ₂ = 0.9 3.1 і при цьому обов'язково ₂ > ₁.

Дисперсія кутової швидкості двигуна визначається за формулою:

, (12)

де S_M() спектральна щільність зовнішнього навантаження;

_m межа робочого діапазону частот.

Для мобільних с.-г. агрегатів величина _m не перевищує 30 с^-1.

Середнє квадратичне відхилення кутової швидкості є динамічним критерієм роботи агрегату і його двигуна при змінному усталеному навантаженні. Чим менша ця величина, тим краще за однакових інших умов працює динамічна система. Формула (12) дає підхід до вибору динамічних параметрів агрегату. Оскільки функція S_M() в умовах даної задачі є відомою, то для визначення динамічних параметрів використовувалася умова:

,

(13)

Виконання умови (13) для двигунів 1 і 2 у всьому робочому діапазоні частот гарантує, що , тобто ця умова є достатньою.

Аналіз динамічного коефіцієнта показав, що графіки функцій (f) в залежності від співвідношення параметрів ₁ і ₂ можуть бути 3-х типів:

- монотонно спадаюча функція, що має максимум, рівний 1, в точці f = 0;

функція, що має мінімум, рівний 1, у точці f = 0 і максимум на частоті f = 0.4 ... 1.0;

- функція, що має мінімум (0) = 1, а далі послідовно мінімум і максимум в інтервалі частот 0.8 ... 2.4.

Коефіцієнти динамічності сучасних тракторних дизелів сільськогосподарського призначення відносяться до другого типу; в зоні частот 0.2 ... 1.4 динамічний коефіцієнт для них в кілька разів більший 1, що викликає збільшення середньої амплітуди коливань кутової швидкості. Для зменшення втрат потужності в експлуатаційних умовах, динамічні параметри ₁ та ₂ треба вибирати так, щоб криві (f) відносилися до першого або третього типу, причому другий максимум кривої третього типу повинен бути меншим 1.

У відповідності з формулою (11) і розробленим комп'ютерним алгоритмом була визначена область значень параметрів ₁ і ₂, в якій величина ² 1. Оскільки незалежних динамічних параметрів I, , , q чотири, а критеріальних безрозмірних параметрів тільки два, то умови вибору раціональних динамічних режимів роботи дизеля накладають обмеження не на самі значення параметрів, а тільки на співвідношення між ними.

Ефективним корегуючим засобом, який нейтралізує коливання зовнішнього навантаження, є в'язкий демпфер. Принцип дії демпфера ґрунтується на взаємодії колінчастого вала з додатковим маховиком через шар в'язкої рідини у відповідності з диференційним рівнянням:

, (14)

де _d, I_d, ₁ кутова швидкість, момент інерції та зведена в'язкість демпфера.

Це рівняння аналізувалося спільно з рівняннями (9) і (11), в результаті чого були отримані диференційне рівняння та частотна характеристика двигуна з демпфером. Частотна характеристика двигуна з демпфером визначається 6-ма динамічними параметрами , , ₁, q, I, I_d.

Відомі методики розрахунку демпфера ґрунтуються на тому, що останній повинен гасити коливання певної частоти. Специфічна робота сільськогосподарських агрегатів полягає в тому, що цей демпфер повинен гасити усі коливання в робочому діапазоні частот. Аналіз частотної характеристики двигуна з демпфером показав, що за розрахункову частоту можна прийняти власну частоту двигуна. При цьому умова (13) виконується на всьому робочому діапазоні частот. Динамічні параметри демпфера визначаються за формулами:

,

, (15)

де j параметр частотної характеристики двигуна з демпфером (обирається рівним 30 Hмс).

Конструктивні параметри демпфера зв'язані з динамічними співвідношеннями:

,

, (16)

де , динамічна в'язкість рідини демпфера [Hc м^-2] та густина матеріалу маховика [кгм^-3];

L, R₁, R₂ ширина та радіуси зовнішньої і внутрішньої циліндричних поверхонь маховика [м];

h зазор між маховиком та корпусом [м].

При змінному навантаженні в балансі потужностей двигуна порівняно із статичним режимом з'являються додаткові складові. Середня ефективна потужність, розвинута двигуном:

, (17)

де N₀ статична потужність;

N втрата потужності в зв'язку з нелінійністю статичної регуляторної характеристики;

N_M втрати потужності в зв'язку із запізненням зростання динамічного моменту при збільшенні циклової подачі палива;

N_p паразитна потужність.

Зменшення динамічного моменту двигуна порівняно із статичним в зв'язку із запізненням визначаються формулою:

, (18)

де значення спектральної щільності на частоті _k;

M₀ статичний момент двигуна.

Величина визначається шляхом інтегрування функції:

(19)

Паразитна потужність виникає із-за неузгодженості по фазі коливань навантаження та кутової швидкості, вона генерується двигуном але не може бути використана на корисну роботу. Величина її на частоті визначається формулою:

 (20)

Середнє значення паразитної потужності по всіх частотах величина від'ємна. Із-за перевитрати палива на створення середнього крутильного моменту та живлення паразитної потужності питома витрата палива в експлуатаційних умовах порівняно із статичними режимами збільшується.

Для динамічних розрахунків в роботі застосовується оригінальна формула буксування:

, (21)

де r₁, r₂ коефіцієнти, що визначаються за експериментальними даними;

= P_k/G_c; P_k рушійна сила трактора;

G_c зчіпна вага.

Ця формула не має алгебраїчних особливостей і справедлива на всій області можливих значень буксування. Параметри r₁ і r₂ близькі між собою за величиною, але завжди r₂ > r₁. Величина r₁ змінюється у межах 0.24 ... 2.61, а r₂ у межах 0.24 ... 2.67. Із збільшенням щільності ґрунтового фону та зчіпної ваги r₁ та r₂ зменшуються, для гусеничних тракторів вони менше за абсолютною величиною, ніж для колісних. В роботі наведена таблиця коефіцієнтів r₁ і r₂ для тракторів Т-25, Т-40АН, МТЗ-50, МТЗ-80, Т-150К, Т-150, К-700 та ін. на різних агротехнічних фонах.

На основі рівнянь (6), (7), (9), (21) у відповідності з розрахунковою схемою (рис.1) було отримано диференційні рівняння усталеного руху трактора та агрегату:



, (22)

, (23)

, , , (24)

,

, (25)

де m₁, m₂ поступальні маси трактора та робочих машин;

m_t зведена маса трактора;

коефіцієнт зведення обертальних мас трансмісії та рушіїв до остова трактора;

P, P_f тягове зусилля та опір перекочуванню трактора;

V поступальна швидкість;

Q₀, Q₁ коефіцієнти статичної швидкісної характеристики трактора;

буксування рушіїв трактора;

r_k радіус ведучих коліс або початкового кола ведучoї зірочки;

i_m, _m передаточне число та коефіцієнт корисної дії трансмісії;

R тяговий опір робочих машин.

У відхиленнях змінних V і P від своїх середніх значень рівняння трактора має такий вигляд:

, (26)

де ₁, ₂ - безрозмірні динамічні параметри трактора;

r безрозмірний час;

_n власна частота, Q = -Q₁.

В діапазоні досліджуваних робочих частот трансмісія агрегату вважалася жорсткою. Така гіпотеза відповідає дійсності, оскільки крутильні коливання валів відбуваються в більш високому діапазоні частот. Тому для вибору динамічних параметрів трактора та агрегату можна застосувати той же самий метод, що і для окремого двигуна.

Для полегшення наступних динамічних розрахунків агрегатів в даній роботі були складені таблиці динамічних параметрів для 10-ти марок тракторів з експлуатаційними масами від 1.23 до 12 т, на п'яти робочих передачах. З таблиць видно, що зведена маса тракторів змінюється від 2.6 т (Т-25 А) до 867 т (К-700). Основну частину зведеної маси гусеничних тракторів складає маса рухомих деталей двигуна. На передачах, де реалізується тяговий клас трактора, ця доля складає 80% ... 90%, а на транспортних передачах не менше 55%. Для колісних тракторів на низьких передачах доля двигуна 80 ... 85% загальної маси, але на високих транспортних передачах головну роль відіграє поступальна маса, питома вага якої сягає 80%. Жорсткість швидкісної характеристики тракторів в робочому діапазоні передач змінюється у межах від 7.4 до 650 Нс/м.

Жорсткість швидкісної характеристики тракторів в робочому діапазоні передач змінюється у межах від 6.4 до 1400 Нс/м, власні частоти тракторів лежать в межах від 1.4 до 10.1 с^-1, динамічний коефіцієнт ₁ змінюється в межах від 0.007 до 0.56, ₂ від 0.16 до 1.53. В багатьох випадках, не зважаючи на те, що стійкість роботи агрегату забезпечується, пари значень (₁, ₂) виходять за межі допустимої області (рис. 2), і виникає небезпека зменшення потужності і перевитрати палива. Щоб позбутися цього негативного явища, треба збільшувати момент інерції двигуна, зменшувати інерційність регулятора або застосовувати в'язкий низькочастотний демпфер.

В роботі також вивчався вплив на ефективність роботи мобільного агрегату такого корегуючого пристрою як пружний зчеп. Визначалися умови, коли при змінному усталеному навантаженні пружний зчеп дає гарантований позитивний ефект. Робота пружного зчепу вивчалася з допомогою диференційного рівняння:

, (27)

В цьому рівнянні V₁, R відхилення середньої швидкості трактора та тягового опору машин від своїх середніх значень,

C жорсткість пружного зчепу [Н/м],

H коефіцієнт демпфірування [Нс/м].

Агрегат з пружним зчепом має сім незалежних динамічних параметрів m_t, m₂, C, , , H, Q.

Параметри пружного зчепу повинні бути підібрані так щоб виконувалася умова доцільності, коли на всьому робочому діапазоні частот зовнішнього навантаження модуль частотної характеристики агрегату з пружним зчепом менше відповідного модуля агрегату з жорстким зчепом , або відношення цих модулів менше 1.

Процедура визначення параметрів пружного зчепу полягала в тому, що для кожного набору параметрів m_t, , , Q, які характеризують певний трактор, на комп'ютері підбиралися значення m₂, C і H, які б забезпечили виконання зазначеної умови або якесь прийнятне наближення до неї. На жаль, в загальному випадку отримати таку комбінацію не вдалося, хоч і було переглянуто десятки тисяч можливих варіантів параметрів. Була знайдена область значень параметрів, в якій умова виконується приблизно. В цій області відношення m₂/m_t величина мала, Q/m_t достатньо велика, а жорсткість Q значно більша C і демпфірування H.

При такому співвідношенні динамічних параметрів вплив пружного зчепу визначається критеріальними параметрами ₀, та безрозмірною частотою f:

(28)

Параметри пружного зчепу повинні бути підібрані так, щоб = 2.5, а власна частота зчепу ₀ була в 1.5 ... 2 рази менше від власної частоти трактора _n на найнижчій робочій передачі. Зменшення інерційності регулятора та робочого процесу двигуна дозволить розширити границі доцільності використання пружного зчепу.

4. Експериментальні дослідження. В главі подана програма та методика експериментальних досліджень, методика динамічних розрахунків та їх комп'ютерне забезпечення, наведені результати експериментальних досліджень, виконано аналіз впливу динамічних показників двигуна на ефективність роботи агрегату.

Щоб дослідити вплив різних можливих типів зовнішнього навантаження, були використані такі експериментальні об'єкти: транспортний агрегат у складі трактора МТЗ-50ПЛ з двома причепами 2-ПТС-4, орний агрегат у складі трактора Т-74 з плугом П-5-35 “Труженик”, трактор Т-150К з силосозбиральним комбайном КС-2.6А, а також спеціально виготовлений пружний зчеп для транспортного агрегату.

Під час досліджень транспортного агрегату змінними керованими факторами були маса вантажу в причепах і передаточні числа трансмісії; для орного агрегату передаточні числа трансмісії та робоча ширина захвату (кількість корпусів); для силосозбирального агрегату передаточні числа. В процесі досліджень транспортного агрегату на осцилограмах фіксувалися тягове зусилля та крутильні моменти на ведучих колесах трактора, орного тягове зусилля, крутильний момент і кутова швидкість двигуна, силосозбирального крутильні моменти на валу відбору потужності та ведучих колесах, які приводилися до валу двигуна.

Результати експериментів представлені у вигляді таблиць. У таблицях містяться номер досліду, кількість точок (замірів), знятих з осцилограми, середнє значення показника, асиметрія, ексцес, числові значення критеріїв нормальності. Крім того, в таблицях наводяться дисперсія, параметри піка спектральної щільності, швидкості руху з пружним та жорстким зчепом, ефективна потужність, годинна витрата палива та ін.

Експерименти показали, що в більшості випадків розподіл значень тягового зусилля, крутильних моментів на колесах та кутової швидкості двигуна не може вважатися нормальним (гаусовим). На транспортних роботах частоти, на які припали максимуми спектральних щільностей тягового опору, змінюються в межах 0.1 ... 23 с^-1, із збільшенням швидкості руху агрегату спектри помітно зміщуються у бік більш високих частот. Найбільше падіння потужності порівняно із статичним режимом складало 30%. В динамічних режимах середня кутова швидкість двигуна Д-48ПЛ, була на 20 ... 35 с^-1 нижча за статичну, тобто при змінному усталеному навантаженні має місце те саме явище, яке помітив В.Н. Болтінський при розгоні дизеля Д-35, коли навантаження теж змінне, але неусталене. Випробування пружного зчепу показали, що в більшості випадків він дає невеличке збільшення швидкісті руху на 2 ... 5%. В окремих випадках, незважаючи на те, що загальна дисперсія тягового зусилля зменшується в кілька разів, все ж таки має місце невелике падіння швидкості руху. Це відбувається тоді, коли максимум спектральної щільності навантаження за частотою близький до максимуму амплітудно-частотної характеристики агрегату.

На оранці динамічні режими тривають в нижчому діапазоні частот, ніж на транспорті; частота піку спектральної щільності крутильного моменту не перевищувала 3.3 с^-1, а кутової швидкості 5.12 с^-1. Втрати потужності порівняно із статичним режимом складають в середньому 4%. Незначне падіння потужності пояснюється тим, що середня величина коефіцієнта варіації складала лише 14% і ефект падіння потужності із-за нелінійності регуляторної характеристики був малим. Синхронний запис крутильного моменту та кутової швидкості дозволив виявити експериментально паразитну потужність. Вона була завжди від'ємна, невелика за абсолютною величиною, але присутня у всіх семи проведених дослідах.

Для двигуна силосозбирального агрегату частоти піку спектральної щільності крутильного моменту змінювалися у межах 1.5 ... 3.2 с^-1, істотні коливання відбувалися в діапазоні 0 ... 12 с^-1, найбільше падіння потужності становила 11%. Експериментальний двигун СМД-62 в зоні номіналу мав сходинку сталої потужності, що певним чином відбилося на результатах.

Для перевірки правильності і універсальності запропонованої методики визначення енергетичних показників двигуна при змінному навантаженні були обчислені падіння частоти обертання та ефективної потужності двигуна Д-35 відповідно до експериментів В.Н. Болтінського. Точність розрахунків була вища за ту, яку дають розрахунки, зроблені за спеціально підібраними для цього двигуна емпіричними формулами.

Висновки

З одержаних результатів роботи випливають такі висновки.

1. Підтверджено, що в експлуатаційних умовах втрати ефективної потужності дизеля порівняно із відповідним статичним режимом складають 10 ... 15%, а при несприятливому збігові діючих факторів до 30%. В розрахунках продуктивності агрегатів і технічній документації на двигуни ці втрати необхідно враховувати.

2. В рівняннях руху агрегату враховується шість динамічних параметрів, які при аналізі можуть бути замінені двома комплексними безрозмірними параметрами ₁ та ₂. Ці параметри для нейтралізації негативного впливу коливань навантаження повинні знаходитись у таких межах: ₁ від 0 до 0.17, ₂ від 0 до 0.5. При цьому обов'язково ₂ > ₁.

3. Розроблено універсальний метод інженерного розрахунку енергетичних показників агрегату та вибору його динамічних параметрів. Розрахунки, виконані у відповідності з цим методом показали, що для моменту інерції двигуна I = 2 кгм², за інших однакових умов, зменшення інерційності регулятора у три рази забезпечує зниження втрат потужності на 30 ... 40%. За малих значень моменту інерції вплив інерційності регулятора істотніший, ніж за великих. Збільшення моменту інерції у п'ять разів призводить до зниження втрат у 3 4 рази.

4. Якісно зниження корисної потужності і збільшення питомої витрати палива двигуном в експлуатаційних умовах пояснюється нелінійним характером швидкісної характеристики, зменшенням середнього значення динамічного моменту порівняно із статичним та виникненням паразитної потужності, що за своєю природою близька до реактивної потужності в електричних колах змінного струму.

5. Ефективність роботи мобільного сільськогосподарського агрегату може бути підвищена шляхом встановлення на двигун в'язкого демпфера і застосування пружного зчепу. Розрахунковою частотою для визначення моменту інерції і зведеної в'язкості демпфера повинна служити власна частота двигуна в низькочастотному діапазоні. Ефективність пружного зчепу залежить від спектральної щільності навантаження. За будь-яких експлуатаційних умов пружний зчеп дає гарантований позитивний ефект, якщо зведена маса трактора щонайменше в 20 разів більше маси робочих машин і жорсткість швидкісної характеристики трактора істотно більша за жорсткість пружного зчепу.

6. Для об'єктивної оцінки енергетичних показників двигунів і тракторів, призначених для роботи в умовах сільськогосподарського виробництва, випробувальні стенди та динамометричні лабораторії бажано обладнати імітаторами коливань навантаження в діапазоні 2 ... 12 с^-1.

Основні положення дисертації опубліковані в таких працях

1. Методика математического планирования экспериментов в исследованиях процессов сельскохозяйственного производства / Терехов А.П., Нагорная Е.И., Хелемская Ж.В., Басун С.Р., Хандрос М.Я. К.: Минсельхоз УССР, 1968. с. 86. (Розроблена математична модель для визначення оптимальних співвідношень між швидкістю і шириною захвату тракторних сільськогосподарських агрегатів).

2. Хандрос М.Я. Методы статистической обработки результатов исследований в сельском хозяйстве. // Применение математических методов в исследованиях процессов сельскохозяйственного производства. К.: УНИИМЭСХ, 1970. с. 8 56.

3. Хандрос М.Я., Філіппов А.З., Войтюк С.Д. Дослідження впливу динамічних параметрів на потужність тракторного двигуна при змінному усталеному навантаженні // Науковий вісник Національного аграрного університету. К.: 1998. Вип. 9. с. 322 330. (Виведене диференційне рівняння усталених коливань кутової швидкості тракторного двигуна під впливом змінного зовнішнього навантаження).

4. Терехов А.П., Хандрос М.Я. Математическое моделирование динамических режимов машинно-тракторных агрегатов. // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1969. № 5. с. 45 49. (Розроблена математична модель двигуна та стаціонарних динамічних навантажень агрегату).

5. Хандрос М.Я. Дослідження динаміки машинно-тракторного агрегату методом спектрального аналізу // Застосування математичних методів у дослідженнях складних процесів сільськогосподарського виробництва. К.: Урожай, 1972. с. 17 25.

6. Хандрос М.Я. Аналітичне дослідження впливу змінного зовнішнього навантаження на показники роботи агрегату // Механізація і електрифікація сільського господарства, № 29. К. Урожай 1974. Вип. 27. с. 48 54.

7. Кудинов П.А., Хандрос М.Я. Планирование экспериментов в исследованиях мобильных сельскохозяйственных агрегатов // Научные труды УСХА / К.: УСХА, 1975. Вып. 87. Т. II. с. 11 16. (Визначено аналітичні залежності продуктивності та тягового к.к.д. трактора Т-150К від тягового опору та поступальної швидкості).

8. Хандрос М.Я. Выбор жесткости упругого сцепа сельскохозяйственных агрегатов // Механизация и електрификация сельского хозяйства, № 38. К. Урожай 1977. с. 83 87.

9. Инструкция: Обработка результатов многофакторных экспериментов и определение оптимальных значений факторов на ЭВМ ЕС-1020 / Хандрос М.Я., Козицкий И.М., Костина Т.Б., Жерновой И.П., Филиппова Р.Н. К.: ВНИИживмаш, 1979. с. 13. (Розроблена математична модель для визначення оптимальних значень факторів в експериментальних дослідженнях с.-г. машин і агрегатів).

10. Жерновой И.П., Хандрос М.Я. Алгоритм и программа оптимизации конструктивных параметров сельскохозяйственных машин // Исследование и конструирование машин и оборудования для животноводства. Труды НПО ВНИИживмаш, К.: 1989. Вып. 14. с. 126 130. (Алгоритм оптимізації конструктивних параметрів сільськогосподарських машин).

11. Хандрос М.Я. Вплив демпфірування на показники дизеля при коливаннях навантаження // Материалы второго республиканского научно-технического семинара по улучшению показателей тепловых двигателей и ресурсозбережению. Мелитополь: ТГТА, 1996. с. 21 22.

12. Хандрос М.Я. К вопросу статистического прогнозирования энергетических характеристик сельскохозяйственных агрегатов // Математические методы прогнозирования сельскохозяйственного производства. К.: УкрНИИНТИ, 1970. Вып. 3. с. 84 87.

13. Хандрос М.Я. Метод моделирования мобильных сельскохозяйственных агрегатов на ЭЦВМ // Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции “Технический прогресс и перспективы развития комплексной механизации сельского хозяйства”. К.: УНИИМЕСХ, 1970. с. 40.

14. Хандрос М.Я. Нелинейная динамическая модель движения мобильного с. х. агрегата // Всесоюзная научно-техническая конференция “Инженерные проблемы кибернетики в сельском хозяйстве”. Л.: ЛСХИ, 1974. с. 127.

Анотація

Хандрос М.Я. Підвищення ефективності функціювання мобільного сільськогосподарського агрегату шляхом поліпшення його динамічних параметрів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.20.01 Механізація сільськогосподарського виробництва. Національний аграрний університет, Київ, 1999.

Досліджується негативний вплив усталених коливань зовнішнього завантаження на енергетичні показники та продуктивність мобільного сільськогосподарського агрегату. Одержано додаткові дані про спектральні щільності та статичні моменти коливань енергетичних показників транспортного, орного та силозбирального агрегатів. Розроблено оригінальні рівняння прямолінійного нерівномірного усталеного руху агрегату та його складових частин. В рівняннях враховані такі динамічні параметри: інерційності робочого процесу та регулятора і зведений момент інерції двигуна, поступальні маси трактора та робочих машин, жорсткість швидкісної характеристики та жорсткість пружного зчепу, момент інерції в'язкого демпфера та ін.

Підвищення ефективності функціонування агрегату в таких умовах досягається шляхом раціонального вибору допустимих співвідношень між динамічними параметрами, завдяки чому втрати порівняно із статичними режимами руху зменшуються у 2 ... 4 рази.

Ключові слова: мобільний сільськогосподарський агрегат, коливання навантаження, зниження енергетичних показників, динамічні параметри.

Аннотация

Хандрос М.Я. Повышение эффективности функционирования мобильного сельскохозяйственного агрегата путем улучшения его динамических параметров. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.20.01 Механизация сельскохозяйственного производства. Национальный Аграрный университет, Киев, 1999.

В эксплуатационных условиях движение мобильного сельскохозяйственного агрегата характеризуется колебаниями внешней нагрузки, поступательной скорости и других показателей. Из-за этих колебаний происходит снижение средних значений энергетических показателей двигателя по сравнению с данными технических характеристик и соответствующее снижение фактической производительности всего агрегата. На энергоемких технологических операциях имеет место снижение эффективной и тяговой мощности на 10-15%, а увеличение расхода топлива на 10%, при неблагоприятных условиях снижение доходит до 30% и 16% соответственно. Необходимость нейтрализации и правильного учёта отрицательного влияния установившихся колебаний внешней нагрузки на энергетические показатели и производительность сельскохозяйственного агрегата определяет актуальность данной работы.

Объектом исследования в теоретическом плане являлся тяговый сельскохозяйственный агрегат с жёстким или упругим сцепом, движение которого в процессе выполнения рабочих ходов является прямолинейным, неравномерным, установившимся.

Объектами экспериментального исследования служили транспортный агрегат в составе трактора МТЗ-50 ПЛ с двумя прицепами 2-ПС-4, пахотный агрегат в составе трактора Т-74 с плугом П-5-35 “Труженик”, трактор Т-150К с силосоуборочным комбайном КС-2.6 А, а также специально изготовленный экспериментальный упругий сцеп для транспортного агрегата.

В работе получены дополнительные данные о спектральных плотностях и статистических моментных характеристиках экспериментальных агрегатов на различных рабочих скоростях.

По уравнениям соответствующих элементов с общепринятым уровнем формализации получены новые нелинейные уравнения дизельного двигателя и агрегатов с жёстким и упругим сцепом. Уравнения учитывают специфику движения мобильного сельскохозяйственного агрегата при переменной установившейся нагрузке. Для облегчения использования частотных методов анализа работы динамической системы агрегата разработан новый вариант метода эквивалентной линеаризации дифференциальных уравнений движения, который учитывает несимметричный, нелинейный характер статической скоростной характеристики агрегата при работе дизеля на регуляторе, а также негармонический и негаусов характер колебаний угловой скорости последнего на сельскохозяйственных операциях.

Введено два новых критериальных динамических параметра двигателя и агрегата. Определена область допустимых значений этих параметров. Осуществлён анализ и оригинальная классификация потерь мощности: потери из-за нелинейности статической характеристики, потери из-за инерционности рабочего процесса, потери, обусловленные возникновением паразитной мощности.

Практическое значение выполненной работы состоит в том, что она в определённой мере расширяет границы существующих представлений о динамике мобильного сельскохозяйственного агрегата и механизме влияния установившейся переменной нагрузки на его энергетические показатели. Разработанные методические подходы, уравнения и алгоритмы имеют достаточно универсальный характер и могут быть использованы в последующих исследованиях и тяговых расчётах различных типов мобильных сельскохозяйственных агрегатов.

Ключевые слова: мобильный сельскохозяйственный агрегат, колебания нагрузки, снижение энергетических показателей, динамические параметры.

Annotation

Handros M.J. Increasing of efficiency work of the mobile farm machine by the improving it's dynamic parameters. Typescript.

Thesis on competition of the scientific degree of the candidate of engineering scienees on a speciality 05.20.01. Farm mechanization. National agricultural university of Ukrain, Kiev, 1999.

At thе dissertation there are researched dynamic phenomenons, which is in the mobile farm machine and it's engine under the influence of the variable outward` steady loading and make worse the energetical indexes, one of them losses of power within 10 15% on an averege, to 30% maximum.

Increasing of efficiency work of a aggregate in such conditions attain by the rule choice of dynamic parameters and using of the viscous damper and elastic hitch. Thanles to these actions dynamic losses may be decrease 3 4 times.

Key words: mobile farm machine, tractor diesel, engine, variable outward steady loading, computer calculation.

Размещено на Allbest.ru

...