Эксплуатационные показатели дизеля трактора на операциях почвообработки

В процессе рабочего хода почвообрабатывающие агрегаты испытывают воздействие переменной нагрузки, имеющей вероятностно-статистический характер своих значений, непрерывно и хаотично изменяющихся во времени. Причиной этого являются неровная поверхность поля, неравномерность влажности и состава почвенного слоя, колебания рабочего сопротивления агрегируемых машин-орудий [1; 2].

Значения переменной внешней нагрузки представляют собой детерминированные, случайные величины, которые оказывают влияние на режимы и показатели эксплуатационных свойств трактора, формируя средние в вероятностно-статистическом смысле выходные величины , влияющие на эффективность функционирования агрегата.

Материалы и методы исследований

Объектами исследований являются показатели работы дизелей постоянной мощности современных колесных 4К4 тракторов при выполнении технологических почвообрабатывающих операций.

Обоснование оптимальных параметров и режимов работы двигателя трактора в процессе выполнения агрегатом технологической операции основывается на расчетных значениях вероятностно-статистических оценок энергетических и технико-экономических показателей. Для решения этой задачи желательно применять метод функций случайных аргументов [1–8].

В соответствии с методом средние значения выходных параметров дизеля рассчитываются по следующим формулам.

Для двигателя постоянной мощности (ДПМ) значения энергетических показате- лей находят с помощью следующего выражения [4; 5]:

N e = f ( M k ) = 9550

^0,5 ( a ^Mk + b ^Mk + b ^ M ^{)+ (} a l ^Mk ⁺ b l ^Mk ⁺ b l ^ M Ф ⁽ t „ ) + .^{+ ( a} 2 ^Mk + b 2 ^Mk + b 2 ^ M Ф ⁽ t n ) - ^ M { b l ^ ( t „ ) ^Mk ⁺ b 2 Ф ⁽t n ) ^Mk }.

где Ne – математическое ожидание эффективной мощности, кВт; а, b, a1 , b1 , а2 , b2 – расчетные коэффициенты, определяемые при аппроксимации характеристики двигателя в зависимости от крутящего момента на валу дизеля (табл. 1) [7];

1/ t n t 2/

Ф(tn ) = (2n)-7/2 J е /2 dt - функция Лапласа для Y = f (MK); ф(tn) = (2n )-exp (- 0,51^) - плотность распределения аргумента ; Mк– текущее среднее значение крутящего мо- мента; tn =

M n - M k ;

σ _M

σ _M – среднеквадратическое отклонение крутящего момента, Н∙м;

M Н – номинальное значение крутящего момента, Н∙м; M П – значение предельного крутящего момента на стендовой характеристике дизеля постоянной мощности, Н∙м.

Выражение (1) получено из следующей аппроксимации стендовой характеристи- ки двигателя:

Ne = fW = •

fAM_K3 = CM^X + B_tM‘A при 0x< M-, (X) = C(AnM + B^M^ при M_H< M_K< M-,

lA(X) = c^W + s3X) «р“ мп <мк< м •,

где – крутящий момент, Н∙м; – предельный момент, соответствующий макси- мальной мощности двигателя, Н∙м; – номинальный крутящий момент, Н∙м; – максимальное значение крутящего момента на валу дизеля, Н∙м; C – расчетный коэффициент, С = 9550–1; , , , , , – расчетные величины, определяемые по параметрам стендовой характеристики двигателя (табл. 1) [4; 5].

Таблица 1

Аналитические выражения для расчета коэффициентов аппроксимации стендовой характеристики дизеля

Коэффициент a2 Лз

5І

Да Ba a b bl

Расчетная формула

TL

»1 + [Ң, - n,]]/^ - 1)} Tin + Кпд - Hmin)/^! - !)} — Olx — ПуЗ/Мн j4l + Л3 Л^ — .4Л — Л

D^ T «a

3L — 3— 3-

Примечание.  ,   ,   ,     – частота вращения вала двигателя соответственно: холостого хода, при номинальном моменте, при предельном моменте и при максимальном моменте, ;

;                                     .

Аналогичным путем получены расчетные формулы для определения математических ожиданий часового расхода топлива G _T :

G T = f ( М к ) = 0,5 ( a * + b * М к ) + ( a * + b * M _K ) ф ( t _H ) + ( a * + b ₂ * M k )Ф ( t _n ) - ^- ^ м ^{{ b} 1 ^ ^{( t}H ^{)+ b} * ф ⁽ t n^)} ,

где GT – математическое ожидание часового расхода топлива, кг/ч; a1*,b1*, a2*,b2*, a*,b* – расчетные коэффициенты, определяемые при аппроксимации стендовой характеристи- ки дизеля по расходу топлива.

Математическое ожидание удельного расхода топлива находим по формуле ge

G _T

^, N e

где G _T – математическое ожидание часового расхода топлива, кг/ч; N _e – математическое ожидание эффективной мощности, кВт.

Результаты исследований

Результаты численного эксперимента по оценке влияния колебаний крутящего момента на показатели эффективности дизелей ТМЗ-8481.10, ЯМЗ-53625 и Д-260.1S3A представлены в табл. 2, 3, 4 и на рис. 1, 2, 3.

C p»ieu# іаічткия >е#рг*твч»ских покаіателяі депгятяля TM3-843L10 • иеесимосіп от ко>ффцппгвта аарвішіп гм крутвшяго момявте звіяла

L 5

8

51

p

1

г Й <о

о S

8 •

с 1

о

СО

2? Ө 3

;*

o> r 1

о

*4 co

п FI

4

•; г ^ a u

О г І Г|

о о а

2 п

f %

S 1

5 В ’ W w

8 n

m

о

О 1 г 1

а а

X І* Я

о

g

9

о

О

X я о II j

T X 5 E

1

%

^

'4 •

X II j

JT Й G

■2

5

8 г І

о о

X %4

5 a

a

r" H

ч> 3

V,

<9

Г| V

О

О

о

X К о II з*

7 X X X ^

о

SO SO

о

СО O S

>: Я О *Г II :-:

г й у

У

< SO

СО

°t

H CQ X as*

a

Ю Г 1

5 ■ ।

co ri Г 4

СО ГІ

Г - н »9

о ri

е

SO а

X к NO Os r i и

Г x X X E

1

so SO CO

о V>

О

1

X :г: <е о> Г» II'

г й

•г. О 8

о» trs

43 *о X

ч VI

w

as*”

SO Os a

r •

R

00 со

SO Fl

г »9

so <Г| Г 1

о о<

о ГІ Г •

о

5 a 1

О

о о

3

о

о г 1 • •

8^ fl Һ6 "

о

3

о

о о

Рис. 1 . Результаты вероятностной оценки показателей работы дизеля ТМЗ-8481.10 при различных значениях коэффициента вариации Род крутящего момента

Рис. 2. Средние значения энергетических показателей работы дизеля ЯМЗ-53625 в условиях вероятностной нагрузки

Мн=528          Мп=6Ш М№=660 Мк.Нм

1 - коэффициент вариации крутящего момента v„ =0 2 - коэффициент Вариации крутящего момента v_H =0,05

3 - коэффициент вариации крутящего момента vM =0,1

L - коэффициент Вариации крутящего момента хм =0,15

5 - коэффициент вариации крутящего момента хИ =0,2

Рис. 3 . Результаты вероятностной оценки показателей работы дизеля Д-260.1S3A при различных значениях коэффициента вариации V^r крутящего момента

Результаты расчета математических ожиданий энергетических показателей работы двигателя ТМЗ-8481.10 трактора К-744Р2 в зависимости от значения коэффициента вариации крутящего момента ν м на коленчатом валу дизеля трактора представлены в табл. 2 и на рис. 1.

Энергетические показатели дизеля ТМЗ-8481.10 заметно подвержены негативному воздействию колебаний нагрузки на коленчатом валу.

Потери мощности у двигателя трактора К-744Р2 достаточно существенные – около 18%. Такие потери мощности обусловлены низким значением К п = 1,21. Удельный расход топлива в области номинального режима дизеля ТМЗ-8481.10 по расчетным данным увеличится на 10%. Оптимальные нагрузочные режимы дизеля ТМЗ находятся в области 0,94–0,88 при увеличении коэффициента вариации крутящего момента ν м от 0,05 до 0,2.

Результаты расчета средних значений энергетических параметров дизеля ЯМЗ-53625 представлены в табл. 3 и на рис. 2.

При значениях коэффициента вариации крутящего момента ν м на валу дизеля, учитываемых в диапазоне от 0 до 0,2 (принимаем следующие значения ν м для трех основных групп операций почвообработки: 0,05–0,1 – третья группа, 0,1–0,15 – вторая группа и 0,15–0,2 – первая группа почвообрабатывающих операций), важнейший показатель эффективности работы дизеля мощность N в на участке стендовой характеристики от М к.н до М к.п принимает следующие значения.

В области номинального момента М к.н недоиспользование (снижение) мощности дизеля достигает почти 8%, т.е. от 171 до 158 кВт. Одной из причин такого снижения мощности дизеля является невысокий по современным меркам запас крутящего момента (согласно данным завода-производителя коэффициент К = 1,35). Современные тракторные дизели могут иметь коэффициент К = 1,4–1,6 [9; 10]. Однако такое значение коэффициента приспособляемости позволяет дизелю поддерживать режим постоянной мощности при значениях частоты вращения дизеля n д от 2200 до 1600 мин ^–1 . В области стендовой характеристики, соответствующей М к.п , снижение мощности достигает при коэффициенте ν м = 0,2–7,4%, при этом максимумы значений мощности сдвигаются в сторону номинального значения крутящего момента M к .

С учетом влияния вероятностной нагрузки оптимальные нагрузочные режимы дизеля расположены в области значений M к = 846–885 Н∙м при значениях ν м = 0,2–0, т.е. величина оптимальной степени загрузки дизеля λ м составляет 0,96–0,974. У данного дизеля, как и у большинства многих современных тракторных дизелей, максимум мощности N в = 176 кВт стендовой характеристики находится в области предельного крутящего момента М к.п = 885 Нм.

Удельный расход топлива fl при различных значениях коэффициента вариации s момента практически не меняет своих значений на участке стендовой характеристики от момента Мк.н до области, соответствующей Мк.п. Только в режиме перегрузки (участок характеристики от Мк.п до максимального момента Мmax) значения 9 существенно возрастают.

Анализ оценки воздействия вероятностного характера внешней нагрузки на дизель трактора К-424 при его использовании в составе различных почвообрабатывающих агрегатов показал, что современная система подготовки топливной смеси двигателя, включающая топливную систему Common Rail и турбонагнетатель, при запасе крутящего момента в 35% достаточно эффективно преодолевает негативное воздействие колебаний момента на валу дизеля. Особенно это отражается на расходе топлива 9 .

Результаты вероятностной оценки показателей работы дизеля Д-260.1S3A при различных значениях коэффициента вариации v_Mi крутящего момента представлены в табл. 4 и на рис. 3.

Недоиспользование мощности у двигателя трактора «БЕЛАРУС 1523.4» (в области оптимальной загрузки Я_н = 0,88 - 0,9) в диапазоне коэффициента вариации ν м = 0–0,2 составит 8,6%. В режиме номинальной мощности Я™ потери мощности составят 9,5%. Уровень потерь мощности невысок, это обусловлено значением коэффициента приспособляемости по моменту К п = 1,25, данный дизель можно отнести к двигателям постоянной мощности. Удельный расход топлива в области номинального режима дизеля Д-260.1S3A по расчетным данным практически не увеличивается. Заметное увеличение удельного расхода топлива наблюдается в области предельного крутящего момента M_ti –

3,6% и в области максимального момента ^Мт=х – 5,4%. Оптимальные нагрузочные режимы дизеля находятся в области 0,88–0,9 при увеличении коэффициента вариации крутящего момента ν м от 0,05 до 0,2.

Заключение

Анализ оценки воздействия вероятностного характера внешней нагрузки на двигатели тракторов при их использовании в составе различных почвообрабатывающих агрегатов показал, что современная система подготовки топливной смеси двигателя, включающая топливную систему Common Rail и турбонагнетатель, при запасе крутящего момента в 35% и более достаточно эффективно преодолевает негативное воздействие колебаний момента на валу дизеля. Особенно это отражается на расходе топлива д_в . Двигатели с меньшим значением коэффициента приспособляемости К п менее адаптированы к эффекту снижения (недоиспользования) мощности Ng и повышения удельного расхода топлива 9в в результате воздействия на трактор и его двигатель колебаний нагрузки. Оптимальные с точки зрения максимальных средних значений мощности и расхода топлива режимы расположены в области характеристики дизеля на участке от номинального значения крутящего момента м„ до предельного значения момента ^К_П .

S.Yu. Zhuravlev

Krasnoyarsk State Agricultural University, Krasnoyarsk

Operational parameters of diesel engine tractors for tillage operations

Regularities in the influence of variable load on the operational parameters of motors of modern energy-saturated tractors in crop production technologies are considered. The object of the study was the performance of diesel engines of wheeled 4K4 tractors during the exectution of technical operations of tillage. While analysizing the results of the calculations on the assessment of the impact of variable external effects on diesel engine operation parameters the following regularities were established. Underutilization of power in three diesel engines under study varies and depends on the value of adaptability factor at the moment of K p . The power loss of the tractor K-744R2 was quite significant – about 18%. Such power loss is due to the low value of K p = 1.21. Specific fuel consumption in the area of nominal mode of diesel TMZ-8481.10 according to the calculation data is increased by 10%. The optimal load modes of diesel engine are in the area of 0.94–0.88 with increase of torque variation factor v m from 0.05 to 0.2. Underutilization (reduction) of power of tractor diesel K-424 in the area of nominal moment reaches almost 8%, i.e. from 171 kW to 158 kW. One of the reasons for this reduction in diesel power is the low torque margin by modern standards (according to the data of the manufacturer, the coefficient of K p = 1.35). The value of optimum degree of loading λ m of the diesel YaMZ-53625 is 0.96–0.974. Power underutilization of the tractor engine “BELARUS 1523.4” (in the area of optimal loading λ m = 0.88–0.9) in the range of coefficient of variation v m = 0–0.2 amounts to 8.6%. In the nominal power mode, the Nen power loss amounts to 9.5%. The level of power loss is low, this is due to the value of the adaptability factor at the moment K p = 1.25. A comparison of the data presented indicates a greater adaptation to the variable load effects of diesel engines having a factor K p > 1.25.