Влияние удельной мощности лесовозного автопоезда на скоростной режим и топливную экономичность

• 1.    Введение

  Сухопутный лесотранспорт играет важную роль не только в освоении лесосырьевой базы лесозаготовительного предприятия, но и внутрирайонных перевозок, успешно служит для выполнения лесохозяйственных, сельскохозяйственных и многих других задач и целей. К основным особенностям сухопутного лесовозного транспорта относятся: собирательный характер работы лесовозных путей; одностороннее направление перевозки лесных грузов; сезонность работы многих участков сети лесовозных дорог; временный характер работы. При проектировании лесовозного автопоезда необходимо рассматривать вопрос о рациональном подборе тягача и прицепа роспуска с расчётом рейсовой нагрузки, отнесённой к мощности двигателя тягача [5]. Объектом исследований являются лесовозные автопоезда типа МАЗ-509 и МАЗ-5434, оборудованные прицепом роспуском типа ГКБ-9362, с учётом многообразия и взаимозависимости факторов, определяющих закономерности изменения средней скорости движения лесовозных автопоездов и расхода топлива в реальных производственных условиях.

• 2.    Материалы и методы

При проектировании лесовозного автопоезда заданного веса необходимо рассматривать вопрос об оптимальном составе автопоезда или оптимальной рейсовой нагрузки [7].

Минимальный удельный расход топлива соответствует работе двигателя с некоторой частичной нагрузкой N_e . Закономерность изменения отношения расхода топлива на тонна-километр к часовой транспортной работе выражается формулой (2) .

Ф Т

q _ q - 7 G - v     270 - N_{e -} ^

°^е ■(——)2 см3/л. с. ч. ■ л. с.

N_e   270 л

Расчёты показывают, что для дизелей минимальное значение фактора расхода топлива соответствует их работе в режиме номинальной мощности.

Движение автомобиля (автопоезда), имеющего бесступенчатую трансмиссию, по горизонтальному участку дороги с постоянной скоростью и при работе двигателя в режиме номинальной (максимальной) мощности N _eH может быть выражено зависимостью

270-^-NeH - G-v-f —-v2

= 0 ,

где K-F — фактор сопротивления воздуха.

Величину удельной мощности, необходимой для движения со скоростью v , можно установить по формуле

Resources and Technology 15 (4): 90-101, 2018 ISSN 2307-0048

N' = — = —^— -(v + KF v3), л. с./кг y     G-f    270-g         13-G-f                  ,

а теоретически максимально возможную при данной удельной мощности скорость движения — по формуле

v = 270-^- ^

¹ G - f

K - F     ₃ км

13 - G - f       ’ час ^.

Расход топлива на тонна-километр при работе двигателя в режиме номинальной мощности может быть определён путём подстановки в формулу (6) значения NeH из уравнения (1):

Q = 0,1 - д ен   7 G - f ■ V ₊ K - F    V³ \ = 0,1 - д ен г г + K - F _{- v} 2 ) л

G      G - V     270 - д    13 270 - д      270 - д         13 - G       ’ 100ткм ^.

Таким образом, с увеличением удельной мощности скорость движения и расход топлива на тонна-километр возрастают, при этом интенсивность роста скорости снижается, а расхода топлива увеличивается.

Удельный фактор расхода топлива определится по формуле

Ф1 = д = 2704* -(f + KF -v) л. час/100ткм км.                   (6)

Очевидно, что чем ниже значение фактора расхода топлива, тем рентабельнее будет эксплуатация автопоезда.

Для упрощения записи при нахождении минимума Ф 1 можно ввести следующие обозначения величин, являющихся постоянными для данного типа двигателя и автопоезда:

0,1-QeH = А; 270-^ = В; HF = с.

Тогда

Ф^ = А (f + с - v).

• ¹    В V

Следовательно, йФт   A f   „А

L = --4 + с- .

dv     в v^z В

Откуда

V^Lmin)

=jC=J

13-G-f K-F

Подставив значение v^Lmjn) в уравнение (10), определим удельную мощность, при которой величина фактора расхода топлива будет минимальной:

⁽ 77^)ф™.. = ^J^ .                   (9)

K - F

Полагая, что ддд для всех грузовых автомобилей и автопоездов является величиной постоянной, можно сделать вывод о том, что приведённая удельная мощность, соответствующая минимуму фактора расхода топлива, зависит от величины коэффициента сопротивления качению, при этом

М = ^ Г /Z + С - flZYl = 2'G'f /13^                      (10)

^ен    270 - ^ С f ^С 270 - ^ л] K - F ,

• т. е. мощность, затрачиваемая на преодоление силы сопротивления качению, будет равна мощности, необходимой для преодоления силы сопротивления воздуха. Величину расхода топлива в этом случае получим, подставив в уравнение (11) значение г_Ф ^ из уравнения (8):

  (q) _ф,   = ^^н

  ^Ф Lmin    270 - ^

  
  

  ⁰Д^- 9 ен 270 - ^

  
  

  2‘f

  
  
  
  

Если зависимость коэффициента сопротивления качению от скорости движения

f = f + b-v2 , то получим:

270-^-^eн — G-v-(f + b-v2) ——F-v3 = 0,

q =

⁰ , ^{1 -} Q eH

270 - ^

(f + b-v2 + -^-v2),

13 - G

Ф Т

1 = ^ ( t + b-v + ^v ). V 270 - ^ V            13 - G

Дифференцируя и приравнивая первую производную к нулю, найдём:

(v)

Ф Ттт

=J

13 - G - f

K - F+13 - G - b

1              13 - G - f      ^1/2            K - F       13 - G - f     ^3/2      2 - G - f

⁽ ^ e_H ⁾ o Tm_in = 270 - ^ ^- M^- Lf + 13 - G - b)   ⁺ V^{-b +} "13" )\K - F + 13 - G - b) I = 270 - ^ ^{- (v)} ° Tmm ⁽¹⁶⁾

(q)

Ф Ттт

0ДЯ ен If ₊     13 - G - f     ₊ K - F * 13 -G-f 1 = 0,1 - 1 eH . 2

270 - ^        K - F+13 - G ■ b    13 - G K - F+13 - G ■ b      270 - ^

Практически тот же баланс мощности и расхода топлива наблюдается и при изменении коэффициента сопротивления качению в зависимости от скорости [1], [2] по формуле

f = f + а - (v — 50) .

Расчёты, проведённые по формулам (16), (17) при условии -^ = 0,00125 час2/    ,

13G -                    КМ показывают, что при f = 20 кг/т удельная мощность, соответствующая минимуму Ф^, составляет 24 л-с/т , а скорость движения — 126 км/час ; при f = 40 кг/т удельная мощность и скорость движения соответственно равны 70 л- с/т и 179 км/час.

Однако в реальных условиях эксплуатации, при наличии ступенчатой трансмиссии двигатель только отдельные мгновения работает в режиме номинальной мощности, т. к. сопротивление движению, состояние покрытия и условия безопасности движения постоянно меняются. В практике вместо уравнения (4) чаще всего встречается следующее неравенство:

^р ср

< 270-^-^н- —-р3 .

Gf 13 ^ср

Это объясняется многими причинами. Скорость движения обычно неравномерна. При ускоренном движении (разгоне) часть мощности, развиваемой двигателем, затрачивается на разгон вращающихся масс автопоезда [3], [4]. Энергия, затраченная на разгон вращающихся масс двигателя, в реальных условиях эксплуатации является невозвратимой потерей (за исключением динамического преодоления короткого подъёма на данной передаче). Действительно, при «выбеге» автопоезда двигатель на практике отключается от трансмиссии, а если не отключается, то автопоезд замедляет движение более интенсивно, поскольку происходит торможение двигателем. Энергия, затраченная на разгон автопоезда, на практике в значительной мере поглощается при торможении. Кроме того, в зависимости от мощности, развиваемой двигателем, изменяется доля затрат энергии на привод вспомогательных механизмов (вентилятор, компрессор и др.), а также к. п. д. трансмиссии [9], [10]. Энергия, затраченная на преодоление подъёма автопоездом, на спусках, требующих по условиям безопасности движения подтормаживания, компенсируется полностью. Дополнительные потери при движении по участку «подъём — спуск» вызываются и к. п. д. трансмиссии.

Поскольку средняя скорость движения при прочих равных условиях есть функция удельной мощности, то и доля затрат энергии на преодоление сопротивления воздуха также будет изменяться [5].

Мощностной баланс при эксплуатации автопоезда в реальных условиях можно представить в виде уравнений:

^ _ ^G ' ^v cp ’ Vy c. . ^е 270     ^;

,            1

^у.с. _ - •(/ + ^Т + ю), где фус — условный суммарный коэффициент сопротивления движению; ^Т — коэффициент, характеризующий поглощение мощности при торможении и затраты энергии на разгон вращающихся масс двигателя; ю = Ц^ -рф — коэффициент, характеризующий долю затрат энергии на преодоление сопротивления воздуха.

В соответствии с уравнениями (13) и (17) величина расхода топлива на тонна-километр в зависимости от удельной мощности будет изменяться по формуле

q _

0,1 - Q e - V y.c.

0,1 - Q e

270 - -

(f + ^Т + ю).

Эта формула будет справедлива в том случае, если удельная мощность автопоезда будет изменяться за счёт его веса или если все устанавливаемые на автопоезд определённого веса двигатели имеют одну и ту же многопараметровую характеристику удельного расхода топлива.

На рисунке 1 приведены теоретически максимально возможная скорость движения [по уравнению (3) при ^К^- = 0,00125 ^час²/ и ^ = 0,76] и расход топлива [по уравнению 13 - G                    КМ

• (4) при q_№ = 270 ^см7л.с.ч. и / = 23 ^кг/_т ], а также их значения, экспериментально

полученные при эксплуатации автопоездов на гравийной дороге (двигатель ЯМЗ-238М2).

Среднюю скорость движения автопоезда можно определить из уравнения (18) путём подстановки коэффициента использования мощности K_N :

Рисунок 1. Скорость движения и расход топлива в зависимости от удельной мощности (дорога гравийная): 1 — автомобиль МАЗ-5434; 2 — автомобиль МАЗ509; 3 — теоретически возможные при работе двигателя в режиме номинальной мощности скорость движения (-- -- --) и расход топлива (—)

^ ср

270 - N_e = 270 - N_eH - K_N Л

^G - Vy c.      G - Cf+^ т +м) ,

А удельный фактор расхода топлива составит:

ф , _ q _ О,1 - д ен - С/ +^ t +w]² . G _ 0 1 , /+^ т +^ ) 2 ^q e . J_ ^Т " У ср "      (270 - ^)² - K_w ’^ ен ^_ , "¹ 270 - ^ ^J " K_N " N_y

.

Закономерность изменения фактора расхода топлива в зависимости от веса автопоезда и мощности установленного двигателя может быть выражена уравнением

ф _ -q- ^.Ы^^)2.^е. —

¹     G-У ср            270 - ^ ^J K_N N -н

.

На рисунке 2 приведены зависимости удельного фактора расхода топлива от удельной мощности. Одна из них построена по уравнению (22), а другие получены экспериментально. Как видно из графика, в реальных условиях эксплуатации удельная мощность, соответствующая минимуму Ф Т , имеет значительно меньшую величину.

Рисунок 2. Удельный фактор расхода топлива в зависимости от удельной мощности (дорога гравийная): 1 — автомобиль МАЗ-5434; 2 — автомобиль МАЗ509; 3 — теоретически возможная зависимость при работе двигателя в режиме номинальной мощности

Из уравнения (22) следует, что величина приведённой удельной мощности, соответствующая минимуму ФТ , возрастает с увеличением / , однако, как видно на рисунке 3, в реальных условиях эксплуатации этот минимум соответствует практически N одному и тому же значению — на всех типах дорог.

Приведенная удельная мощность л.с./кг

Рисунок 3. Удельный

фактор расхода топлива автомобиля  МАЗ-5434

в зависимости от приведённой удельной мощности: 1 — дорога смешанного типа;

2 — гравийная дорога с исправным покрытием; 3 — гравийная ухабистая дорога;

4 — грунтовая, слабо накатанная, мало ухабистая дорога; 5 — теоретически возможная зависимость ФТ от ^ен (гравийная дорога с исправным покрытием)

Это объясняется тем, что дороги с более высоким значением f имеют более значительную неровность покрытия [3], [4]. Вследствие этого повышение удельной мощности автопоезда приводит к более интенсивному снижению коэффициента использования мощности и увеличению коэффициента ^Т.