Анализ эксплуатационных показателей и режимов работы тракторных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства

и продовольствия Республики Беларусь

белорусская государственная

сельскохозяйственная академия

Кафедра технологии и организации механизированных

Курсовая работа

Анализ эксплуатационных показателей и режимов работы тракторных двигателей

1. Содержание задания

1. По заданному варианту (приложение 1) стендовых испытаний тракторного двигателя построить скоростную характеристику двигателя в функции угловой скорости (частоты) вращения коленчатого вала и в функции от крутящего момента (рис.1 и 2). Исходные данные для построения представить в виде таблицы 1.

2. На характеристиках отметить следующие режимы: максимального холостого хода двигателя, номинальный, максимального момента; обозначить зоны работы регулятора и корректора.

3. По скоростной характеристике определить числовые значения показателей (n, N_e, M_e, G_т, g_e) на указанных режимах работы двигателя и занести их в табл. 2.

4. Определить значение коэффициентов приспособляемости k_M и снижения частоты вращения k_n на номинальном скоростном режиме и сравнить, насколько расчетные значения этих коэффициентов соответствуют рекомендуемым для дизелей тракторов сельскохозяйственного назначения.

5. Определить запас крутящего момента в корректорной зоне М_е.

6. Произвести статистическую обработку данных из осциллограмм (приложение 2) и определить степень неравномерности момента сил сопротивления сельскохозяйственных орудий, приведенного к валу двигателя _М.

7. По данным статистической обработки построить график плотности распределения приведенного момента сил сопротивления (кривая 1 на рис.2).

8. Вычислить вероятность нахождения момента сопротивления в зоне работы корректора при нагружении двигателя.

9. На основании приведенных в методических указаниях рекомендаций определить расчетные значения среднего момента сил сопротивления по условию безостановочной работы и рациональной загрузки двигателя.

10. В виде плотности распределения показать области возможных значений, рассчитанных по каждому из условий моментов сопротивления (кривые 2 и 3 на рис.2).

11. Определить вероятность работы двигателя на корректорной ветви для случаев: 1 - использования для определения среднего момента сопротивления условия безостановочной работы; 2 - рациональной загрузки двигателя. Сделать вывод об использовании указанных условий для расчета среднего момента сил сопротивления.

12. На скоростной характеристике в функции угловой скорости (частоты) вращения коленчатого вала двигателя (рис.1) построить график изменения показателей n, N_e, M_e, G_т, g_e на пониженном скоростном режиме, определить значение коэффициентов k_M и k_n.

13. Для пониженного скоростного режима определить вероятность работы двигателя на корректорной ветви при фактических и расчетных значениях случайной величины момента сопротивления.

14. Построить график g_e/g_eн=f() изменения относительного удельного расхода топлива в зависимости от загрузки двигателя на номинальном и пониженном скоростных режимах.

15. Проанализировать расчетные величины и сделать выводы по выполненной работе.

16. Ответить на контрольные вопросы.

двигатель вал крутящий корректорный сопротивление

2. Выполнение работы

Основными эксплуатационными показателями работы тракторных двигателей являются: эффективная мощность N_e, крутящий момент M_e, часовой расход топлива G_T, удельный расход топлива g_e и угловая скорость коленчатого вала (частота вращения n_e).

Взаимосвязь между ними может быть представлена графически в виде скоростной характеристики двигателя в функции от угловой скорости (частоты) вращения коленчатого вала двигателя (рис.1) и в функции от крутящего момента (рис. 2). Скоростная характеристика, полученная при положении органа управления регулятором частоты вращения, соответствующем полной подаче топлива, называется внешней скоростной характеристикой.

Для построения графика внешней скоростной характеристики двигателя используют данные, полученные на стендах при различной степени загрузки двигателя (табл.1).

Между эксплуатационными показателями работы существуют следующие основные соотношения:

M_е=9550N_е/n, g_e=G_т·1000/N_е,

G_тхх(0,25...0,30)G_тн; _рн=0,07…0,08; (1)

,

где N_е - эффективная мощность, кВт; М_е - крутящий момент на валу двигателя, Нм; n - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1; G_т - часовой расход топлива, кг/ч; G_тхх , n_хх.max, G_тн и n_н - часовой расход топлива и частота вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу и номинальном режиме соответственно; g_e - удельный расход топлива, г/кВтч, _рн - степень неравномерности регулятора на номинальном режиме (_рн=0,07…0,08).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 1. Показатели работы двигателя при различной степени загрузки

При недостатке отдельных исходных данных для построения внешней скоростной характеристики они могут быть определены по зависимостям (1).

График внешней скоростной характеристики строят в функции угловой скорости (частоты) вращения коленчатого вала двигателя либо крутящего момента на валу, что позволяет проанализировать показатели работы в зоне действия регулятора, зоне перегрузки (работа корректора) и на различных скоростных режимах, устанавливаемых всережимным регулятором. По оси абсцисс графика наносят шкалу значений частоты вращения коленчатого вала двигателя n, а по оси ординат - шкалы значений показателей N_e, M_e, G_т, g_e (рис.1). Перегиб кривых при переходе от регуляторной ветви к корректорной следует выполнять без закруглений. Масштаб по осям ординат подбирается таким образом, чтобы кривые как можно меньше пересекались либо не пересекались вообще. В случае построения графика внешней скоростной характеристики в функции момента по оси абсцисс располагают значения М_е, а по оси ординат значения величин N_e, n, G_т, g_e (рис.2). На графике скоростной характеристики указывают зоны: рабочую, неполной загрузки, перегрузки и режимы: максимального холостого хода двигателя, номинальный, максимального момента и определяют числовые значения показателей для характерных режимов работы двигателя. Результаты заносятся в табл. 2.

Способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки в значительной степени зависит от характера изменения крутящего момента на корректорной ветви. Перегрузочную способность при этом оценивают коэффициентами приспособляемости двигателя по крутящему моменту К_м и по коэффициенту снижения частоты вращения К_n:

К_м = М_е.max / М_ен; К_n = n_н / n _Ме.max . (2)

Для тракторных дизельных двигателей: К_м=1,1...1,2; К_n = 1,6…2.

В пределах регуляторной ветви от n_хх до n_н крутящий момент в любой i-ой точке определяют по линейной зависимости

. (3)

Таблица 2. Показатели работы двигателя на характерных режимах

Аналогичной линейной зависимостью приближенно можно описать и корректорную ветвь от n_Ме.max до n_н:

(4)

Соответствующие мощности на указанных участках характеристики определяют по зависимости N_еi=М_еi n_i/ 9550. (5)

Разность М_е.max - М_ен определяет запас крутящего момента двигателя, который может быть использован для преодоления кратковременных случайных перегрузок, возникающих вследствие непостоянства тягового сопротивления рабочих машин.

Характер нагружения двигателя при выполнении различных сельскохозяйственных работ, особенно полевых, существенно отличается от характера нагружения его на стенде при снятии регуляторной характеристики. Реальные силы сопротивления рабочих машин имеют вероятностный характер изменения (рис.3). Аналогично изменяется и момент сил сопротивления на валу двигателя - по закону распределения, близкому к нормальному. В связи с этим важно определить основные числовые характеристики момента сопротивления как случайной величины. В качестве упрощенной числовой характеристики случайной величины момента сопротивления при эксплуатационных расчетах может применяться степень его неравномерности _М.

Для определения основных числовых характеристик момента сопротивления, как случайной величины, следует произвести статистическую обработку графических данных по соответствующему варианту (приложение 2). Порядок статистической обработки следующий.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Представить графические данные в числовой форме и занести их в табл. 3 (второй столбец).

Таблица 3. Статистическая обработка

2. Определить эмпирическое среднее момента сопротивления и стандартное отклонение по формулам (6) и (7) соответственно.

. (6)

. (7)

3. Определить значение коэффициента вариации _М и степень неравномерности момента сопротивления _М.

, (8)

. (9)

4. Определить значение степени неравномерности момента сил сопротивления _М с учетом данных, представленных в столбце 2 табл. 3, выбрав оттуда максимальное и минимальное М_с и воспользовавшись зависимостью

. (10)

Сделать обоснованный вывод о трудоемкости, точности и сопоставимости вычислений для обоих способов определения _М.

В общем случае значение степени неравномерности момента сопротивления зависит от вида сельскохозяйственных работ, ширины захвата и состояния рабочих органов машины, типа и состояния обрабатываемого материала.

Возможные значения момента сопротивления находятся между М_с.min и М_с.max, которые определяются по следующим зависимостям:

M_c.max=M_c.cp+3_M; M_c.min=M_c.cp- 3_M. (11)

При использовании степени неравномерности, формула (9), в качестве характеристики случайной величины момента сопротивления экстремальные значения последней равны

M_c.max =М_с.ср(1+_М/2); M_c.min =М_с.ср(1- _М/2). (12)

На рис.2 момент сил сопротивления представлен в виде графика плотности распределения случайной величины, подчиняющейся нормальному закону распределения (кривая 1).

Кривая 1 строится на основании статистической обработки (табл.3), при этом считается, что значение М_с.ср, определенное по формуле (6) соответствует математическому ожиданию Х_М, а стандартное отклонение _М (формула (7)) - среднеквадратическому отклонению ₀. Построение производится следующим образом.

1. На вспомогательной оси [О₃М_с), параллельной оси [ОМ_е) и имеющий тот же линейный масштаб, откладываются значения М_с.min, M_c.cp и M_c.max.

2. Рассчитываются значения плотности нормального распределения случайной величины М_с в характерных точках по зависимости

, (13)

результаты расчета заносятся в табл. 4.

Таблица 4. Результаты расчета плотности распределения момента сопротивления

3. Выбирается линейный масштаб и по оси ординат откладываются полученные значения плотности распределения в характерных точках, которые соединяются плавной кривой.

4. На графике плотности распределения момента сопротивления показываются регуляторная и корректорная зоны работы двигателя, границей между которыми служит прямая, проходящая через точку на оси [О₃М_е), соответствующую номинальному крутящему моменту М_ен, параллельно оси ординат.

Для определения вероятности работы двигателя в регуляторной (P_p) или корректорной (P_k) зонах следует пользоваться зависимостями:

;

Р_р=1-Р_k, (14)

где и - нормированные функции Лапласса соответствующих аргументов (значения функций приведены в приложении 3).

Пример. Требуется определить вероятность попадания значений М_с (по условию рациональной загрузки двигателя) в корректорную зону (кривая 3, рис.2) для двигателя Д-21 трактора Т-16М при следующих значениях величин:

М_с.min =79 Нм; М_с.ср= 88 Нм; М_с.max = 96,8 Нм; М_ен = 93 Нм; _М=3 Нм.

Искомая вероятность будет равна

При обосновании рабочего режима двигателя трактора, который зависит от величины сил сопротивления сельскохозяйственных машин и соответствующих им приведенных моментов М_с, необходимо установить соотношение между крутящим моментом двигателя М_е и моментом сил сопротивления М_с.

Для этого используют условия безостановочной работы (двигатель не глохнет под нагрузкой)

М_с.max0,97M_e.max (15)

и рациональной загрузки (оптимальный режим работы двигателя)

М_с.max1,05M_eн (16)

С учетом выражений (2) и (12) допустимый средний момент сопротивления на валу двигателя из условия безостановочной работы равен

, (17)

а из условия рациональной загрузки

. (18)

Построение плотностей распределения случайных величин моментов сил сопротивления, средние значения которых определены по зависимостям (17) и (18) производится по алгоритму, описанному выше. При этом величина стандартного отклонения с учетом зависимостей (8) и (9) определяется по формуле

. (19)

Следует отметить, что выбор среднего момента сопротивления из условия безостановочной работы двигателя ведет к тому, что двигатель в более чем половине всех возможных случаев будет работать с перегрузкой, что влечет за собой снижение частоты вращения коленчатого вала, а значит, и рабочей скорости МТА. Поэтому для расчетов эксплуатационных режимов МТА максимальное значение среднего момента сопротивления принимается чаще всего по условию рациональной загрузки двигателя.

Для анализа работы двигателя на пониженном скоростном режиме на график скоростной характеристики в функции частоты вращения наносятся пунктирные линии (рис.1), показывающие изменение эффективной мощности, крутящего момента, временного и удельного расхода топлива при пониженном скоростном режиме.

Номинальную частоту вращения коленчатого вала двигателя на пониженном скоростном режиме следует принимать соответствующей точке минимума удельного расхода топлива (n_нп0,775 n_н).

Частота вращения коленчатого вала на холостом ходу пониженного скоростного режима определяется по формуле

, (20)

где _рп - степень неравномерности регулятора, характеризующая диапазон изменения частоты вращения коленчатого вала в пределах от холостого хода двигателя до полной нагрузки на регуляторной ветви пониженного скоростного режима.

Величина _р на номинальном режиме работы двигателя определяется по зависимости

, (21)

где n_ср=0,5(n_xx+n_н) - средняя частота вращения коленчатого вала двигателя на режиме регулятора.

Для всережимных регуляторов новых тракторных двигателей степень неравномерности при номинальном режиме равна 0,07...0,08. По мере снижения скоростного режима, устанавливаемого регулятором, значение степени неравномерности увеличивается, и в области минимальных частот составляет 0,4...0,45, при этом зависимость _р от частоты вращения коленчатого вала двигателя имеет вид, близкий к линейному.

С учетом сказанного, степень неравномерности регулятора на номинальном пониженном скоростном режиме можно представить в следующем виде:

, (22)

где n_min - минимальная устойчивая частота вращения коленчатого вала двигателя, с допустимой точностью определяемая по зависимости

n_min=(0,38...0,42)n_н. (23)

Значение часового топлива на холостом ходу пониженного скоростного режима G_тхп определяется по уравнению

. (24)

Восстановив перпендикуляр из n_нп до пересечения с кривыми N_е, M_e, G_т и g_e, следует достроить скоростную характеристику на пониженном скоростном режиме, т.е. при неполной подаче топлива, и числовые значения показателей занести в табл.2а, составленную по форме табл. 2.

Переход двигателя на пониженные скоростные режимы при работе МТА рационален в следующих случаях:

1) для уменьшения скорости движения агрегата без потерь времени на переключение передач (при поворотах в конце гона, при переездах через препятствия и т. д.), когда требуется понизить скорость для технологического обслуживания;

2) во время прицепки или навески сельскохозяйственных машин, когда требуется плавное движение трактора с небольшой скоростью;

3) при невозможности рационально загрузить двигатель на рабочей передаче, при ограничении рабочей скорости агротехническими требованиями.

Для оценки экономичности работы двигателя необходимо учитывать характер изменения удельного расхода топлива в зависимости от загрузки двигателя в зоне работы регулятора.

Для построения графика (рис.4) зависимости изменения отношения удельного расхода топлива при меняющейся загрузке двигателя к удельному расходу на номинальном режиме от степени загрузки g_е=f() на режиме регулятора следует составить вспомогательную таблицу (табл.5). Номинальную мощность двигателя и соответствующий ей удельный расход топлива принимается за 100%.

Аналогичные расчеты и построения выполняются для пониженного скоростного режима.

По данному графику можно произвести сравнительную оценку экономичности двигателя. Чем в более меньших пределах в диапазоне от 60 до 100% загрузки двигателя изменяется удельный расход топлива g_е, либо его отношение к g_ен, тем экономичнее двигатель в эксплуатации.

Таблица 5. Исходные данные для построения графика зависимости удельного расхода топлива от загрузки двигателя

Литература

Иофно в С.А., Лышко Г.П. Эксплуатация машинно-тракторного парка. - М.: Колос, 1984. - С.18...20, 25...30, 105...107

Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. - М.: Наука, 1969. - С.133...135, 142...145, 466...467.

Ляхтов А.П., Новиков А.В., Будько Ю.В. и др. Эксплуатация машинно-тракторного парка. - Мн.: Колос,1990.

Размещено на Allbest.ru