Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• 1. Аналитическая часть
• 1.1 Общие сведения о катках
• 1.2 Классификация дорожных катков
• 1.3 Особенности эксплуатаций дорожных катков
• 1.4 Актуальность темы дипломной работы
• 2. Технологическая часть
• 2.1 Особенности укладки дорожного полотна
• 2.2 Основы работы катка
• 2.3 Описание выбранного дорожного катка для совершенствования энергетической установки
• 3. Конструкторская часть
• 3.1 Регламент поиска
• 3.2 Описание сущности модернизации энергетической установки
• 3.3 Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя без наддува
• 3.4 Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя с наддувом
• 4. Охрана труда и техника безопасности
• 4.1 Анализ устойчивости работы технических систем при модернизации двигателя
• 4.2 Анализ условий труда в лаборатории по испытанию турбокомпрессоров
• 4.3 Электробезопасность, пожаробезопасность в помещении для испытания турбокомпрессоров
• 4.4 Разработка мероприятий, обеспечивающих безопасность эксплуатации энергетической установки
• 4.5 Вентиляция помещения для испытания турбокомпрессоров
• 4.6 Борьба с шумом при работе двигателя
• 4.7 Охрана окружающей среды. Экологическая безопасность
• 5. Экономическая часть
• 5.1 Технико-экономическое обоснование диплома
• 5.2 Расчет количества машино-часов работы техники в году
• 5.3 Определение годовой эксплуатационной производительности
• 5.4 Расчет годовых текущих издержек потребителя
• 5.5 Расчет цены единицы продукции
• 5.6 Расчет показателей экономической эффективности диплома


1. Аналитическая часть

1.1 Общие сведения о катках

Катки - наиболее распространенные и простые машины, задействованные в технологии строительства и ремонта дорог. Каток предназначен для послойного уплотнения асфальтобетонной смеси с целью придания ей прочности, водонепроницаемости и ровности, оговоренных техническими условиями на автодорожные, аэродромные, асфальтобетонные покрытия. Общим конструктивным признаком всех катков, независимо от назначения, размера и технических характеристик является использование движителя не только по прямому назначению, но одновременно, и для уплотнения опорной поверхности, в принципе, любое ходовое устройство, опираясь на поверхность, уплотняет её. Современные катки должны удовлетворять следующим требованиям:

1) Обеспечивать необходимую плотность и ровность поверхности.

2) Возможность регулирования веса катка.

3) Иметь хорошее и легкое управление и большой обзор при движении как вперед, так и назад.

4) Обладать плавностью хода при повороте, трогании с места и реверсировании движения

5) Иметь одинаковое количество скоростей движения как вперед, так и назад.

1.2 Классификация дорожных катков

Классифицируются катки по способу перемещения, давлению и конструкции вальцов.

а) По конструкции вальцов:

- Гладкие (цилиндрический барабан с гладкой поверхностью).

- Кулачковые (цилиндр, на поверхности которого имеются выступы-кулачки)

- Решетчатые (поверхность вальца имеет вид решетки, выполненной из прутьев стали профильной или сегментов листовой стали)

- Наборные (набранные на ось колеса с шинами пневматическими). Используются для уплотнения битуминозных и асфальтобетонных смесей

- Комбинированные (цилиндр, на поверхности которого наварены кулачки симметричной фрормы) От кулачковых отличаются меньшей шириной и меньшим числом рядов с кулачками

- Специальные (многоугольные диски, комбинированные и прочие)

б) По силе воздействия на материал делятся на:

- Легкие: распределенная нагрузка не более 40 кН/м, мощность двигателя до 20кВт, масса 5 т. Применяются для предварительных покрытий и оснований;

- Средние: нагрузка 40-60 кН/м, мощность двигателя 25-30 кВт, масса 6-10 т. Используются как для промежуточного, так и окончательного уплотнения облегченных покрытий;

- Тяжелые: нагрузка свыше 60кН/т, мощность свыше 30 кВт, масса свыше 10 т. Используются для окончательного уплотнения оснований из гравия и щебня, а также асфальтобетонных покрытий.

в) По количеству вальцов бывают:

- Одновальцовые с поддерживающими колесами или вальцами;

- Двухвальцовые, имеющие один или два ведущих вальца;

- Трехвальцовые (двухосные, оснащенные дополнительным вальцом небольшого диаметра или не имеющие его, а также трехосные с одним или тремя ведущими вальцами).

г) По способу перемещения бывают:

- Прицепные. Дорожный каток прицепной представляет собой металлическую раму, на которой закреплен цилиндрический валец. Агрегат цепляется к трактору, который тянет его по уплотняемой поверхности.

- Самоходные. Дорожный каток самоходный-машина, не требующая дополнительной тяговой силы. Катки этого типа маневренны, отличаются более высокой производительностью, чем прицепные.

д) По способу воздействия на грунт:

- Статические. Катки уплотняют материал за счет силы тяжести.

- Вибрационные. Дорожный каток уплотняет дорожное основание дороги при непрерывном действии вибрационного вальца. Он совершает колебательные движения, за счет чего материал уплотняется с меньшим количеством проходок.

1.3 Особенности эксплуатаций дорожных катков

Рабочим органом катка являются колеса или валец - цилиндр, расположенный вместо колеса или колёс. Вальцы катка выполняют цельнолитыми из чугуна или стали, а также сварными, состоящими из обода, дисков и ступицы. Для снижения расхода материала вальцы изготавливаю т полыми, а увеличение их массы обеспечивается заполнением полости водой или песком. Передний направляющий валец, как правило, выполняют разрезным, состоящим из двух одинаковых частей. Это позволяет при поворотах каждой части вращаться со своей скоростью, что уменьшает сдвиги уплотняемого материала, улучшает ровность его поверхности и уменьшает сопротивлению материала. Подвеска переднего вальца выполнена так, что валец может наклоняться в вертикальной плоскости на угол до 30…35 при наездах одной стороной на препятствия и неровности покрытия.

Скребки представляют собой стальные пластины, закрепленные на рычагах, которые пружинами с большим или меньшим усилием а зависимости от их регулирования прижимаются к поверхности вальцов.

Смачивающая система состоит из одного или двух баков, из которых смачивающая жидкость (вода или эмульсия) через краны, трубопроводы и шланги поступает к трубкам с отверстиями, равномерно распределяющими жидкость по рабочим поверхностям вальцов. Управление подачей смачивающей жидкости производится с рабочего места моториста.

Рулевое управление катков выполняю т механическим с ручным приводом или гидравлическим. Выбор привода зависит от сил сопротивления повороту направляющих вальцов. Если эти силы приведенные к рулевому штурвалу или рычагу, превышают 50…80 Н, то привод управления следует механизировать или выполнять гидравлическими.

Механическая трансмиссия катков состоит из муфты сцепления, реверса, коробки передач, тормоза и бортовой передачи. В трехвальцовых двухосных катках в трансмиссию встраивается дифференциал и муфта блокировки. Как правило, муфты сцепления катков-однодисковые сухие постоянно замкнутого типа, поставляемые вместе с двигателем. Компенсационные муфты представляют собой эластичные или цепные муфты, состоящие из двух звездочек (каждая из них жестко прикреплена к своему валу), с надетой на них втулочно-роликовой цепью. Реверсивный механизм является неотъемлемой частью катка. Он служит для быстрого (1…1,5 с) и плавного изменения направления движения катка. Плавность начала движения катка в любом направлении необходима для устранения пробуксовки ведущих вальцов, что необходимо для получения ровной поверхности уплотняемого материала.

В настоящее время на катках применяют в основном реверсивные механизмы с двумя дисковыми фрикционными муфтами с коническими или цилиндрическими шестернями. Реверс может быть установлен как перед коробкой передач, так и после нее. В первом случае муфты реверсивного механизма передают крутящий момент, равный моменту, развиваемому двигателем. В этом случае можно исключить муфты сцепления из кинематики катка. Однако при таком расположении реверса шестерни коробки передач хуже защищены от перегрузок и работают при знакопеременной нагрузке. Управление реверсивным механизмом производится одним рычагом, имеющим три положения: нейтральное, включение правой муфты, включение левой муфты. Реверсивный механизм современных катков обычно размещен в одном картере с коробкой передач. Число ступеней коробки передач в катках с механической трансмиссией составляет две-три. Первые две ступени используют для рабочих движений, а третью - для транспортных перемещений катка.

Дифференциал устанавливают для обеспечения разных скоростей вращения ведущих вальцов при поворотах катка. Дифференциал снабжен муфтой блокировки, которая выключает его, связывая левый и правый валы ведущих вальцов в одно целое. Это необходимо в тех случаях, когда один из ведущих вальцов встречает какое-либо препятствие или чрезмерно "проваливается" в укатываемое покрытие. При этом менее нагруженный валец начинает вращаться с большей скоростью и не может развить необходимого тягового усилия.

Бортовая передача предназначена для передачи крутящего момента непосредственно на ведущие вальцы катка. Наибольшее распространение в катках с задними ведущими вальцами получили передачи с цилиндрическими шестернями. В катках со всеми ведущими вальцами используют цепные и ременные передачи. При конструировании желательно размещать бортовую передачу в соответствии с габаритными размерами рамы катка. При выполнении этого условия возможно уплотнять материалы непосредственно у ограждений, столбов, деревьев, стен зданий и сооружений. Выступающие части бортовой передачи должны защищаться прочными кожухами.

При гидромеханической трансмиссии в систему привода ведущих вальцов катка встраивают гидротрансформатор, наличие которого обеспечивает плавность реверсивного движения, постоянство режима работы двигателя, сокращает число ступеней коробки передач и облегчает управление катком.

При гидромеханическом приводе комплексный нерегулируемый трансформатор располагают между двигателем и механизмом реверса, встроенный в коробку передач. Реверсирование производится при помощи многодисковых фрикционных муфт переднего и заднего хода, установленных на первичном валу коробки передач. Для устранения пробуксовки ведущих вальцов в момент реверсирования катка в гидросистему включения муфт вмонтирован редукционный клапан, совмещённый с рычагом реверса.

В начале реверсирования давление на дисках муфты реверса клапана уменьшается с 0,8 до 0,22 Мпа, что обеспечивает плавность сцепления дисков муфты и увеличивает продолжительность включения. При этом диски муфты могут пробуксовывать. При опускании рычага реверса в конце реверсирования давление на диске муфт возрастает до нормального рабочего 0,8 Мпа и они оказываются полностью включенными.

Гидравлический привод (объемная гидротрансмиссия) позволяет значительно упростить привод ведущих вальцов катка, отказаться от коробки передач, дифференциала, реверса. Изменение направления движения катка и бесступенчатое изменение скорости его движения устанавливается в зависимости от направления потока жидкости в система подачи и гидронасоса.

1.4 Актуальность темы дипломной работы

В данном диплом проекте было рассмотрен вопрос, как усовершенствовать энергетическую установку катка ДУ-50. Данный каток выбран, потому что несмотря на прогресс и время он является довольно востребованным в Казахстане. Современное транспортное строительство включает возведение автомобильных дорог, аэродромов мостов, путепроводов, тоннелей и других инженерных сооружений, значение которых трудно переоценить для жизни цивилизованного общества. Его концепция предусматривает выполнение обширного перечня работ в качестве обязательных составляющих технологического процесса и поэтому, чтобы увеличить объем выполняемой работы за более короткий промежуток времени необходима модернизация двигателя. Увеличение мощности и крутящего момента двигателя была актуальна во все времена. Увеличить рабочий объем-это есть самое простое решение, потому что чем больше сгорает топлива, тем выше мощность. Основной минус этого является то, что увеличиваются габариты и масса конструкции. Другой способ повысить мощность двигателя без увеличения объема цилиндров в ряде конструкций дизельных двигателей применяют наддув воздуха с соотвествующим увеличением количества впрыскиваемого топлива. Для обеспечения наддува используют турбокомпрессоры, нагнетающие на входе цилиндр воздух под далением 0,15…0,17 Мпа.

Рисунок 1.4.1 Конструктивная схема турбокомпрессора

При помощи турбокомпрессора в двигатель поступает на 50% больше воздуха. Следовательно, можно рассчитывать на увеличение мощности двигателя на 50%. Однако, эта технология не идеальна, поэтому мощность увеличивается на 30 - 40%. Одна причина недостаточной эффективности состоит в том, что энергия, которая вращает турбину, не является свободной. Турбина, установленная в потоке выхлопных газов, создает препятствие для выхода газов. Это означает, что во время такта выпуска двигатель должен преодолеть высокое противодавление. В связи с этим происходит расход энергии работающих цилиндров. Турбокомпрессор крепится к выпускному коллектору двигателя при помощи болтового соединения. Выхлопы из цилиндра вращают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель. Турбина при помощи вала соединяется с компрессором, который установлен между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор сжимает воздух, поступающий в цилиндры. Отработанные газы от цилиндра проходят через лопатки турбины, вызывая ее вращение. Чем больше выхлопных газов проходит через лопатки, тем быстрее происходит вращение. С другой стороны вала, который установлен на турбине, компрессор вводит воздух в цилиндры. Компрессор представляет собой своего рода центробежный насос. Он втягивает воздух в центр лопаток и выпускает его под давлением во время вращения. Для того, чтобы выдержать скорость вращения до 150.000 об/мин, вал турбины должен иметь надежную опору. Большинство подшипников не выдержит такую скорость и взорвется гидростатические подшипники. Такой тип подшипников поддерживает вал на тонком слое масла, которое непрерывно подается. Это обусловлено двумя причинами: Масло охлаждает вал и некоторые другие детали турбокомпрессора и позволяет валу вращаться, снижая трения. Одна из основных проблем турбокомпрессоров состоит в том, что они не обеспечивают мгновенный форсированный наддув по нажатию на педаль газа. Турбине требуется несколько секунд для того, чтобы набрать скорость вращения, необходимую для наддува. В результате возникает задержка между временем нажатия на педаль газа и временем начала ускорения автомобиля при срабатывании турбины. Одним из способов устранения задержки является снижение инерции вращающихся деталей, благодаря снижению их массы. Это способствует более быстрому набору скорости вращения турбины и компрессора и раннему началу наддува. Одним из наиболее надежных способов снижения инерции турбины и компрессора является уменьшение их размеров. Небольшой турбокомпрессор быстрее начнет наддув при низкой скорости работы двигателя, однако он не сможет обеспечить достаточный наддув при больших скоростях двигателя, когда в цилиндры поступает значительные объемы воздуха. Также существует риск слишком быстрого вращения на высоких скоростях двигателя, т.к. при этом через турбину проходит значительный объем выхлопа. В некоторых турбокомпрессорах используются шариковые подшипники вместо гидростатических подшипников для поддержки вала. Но это не обычные шариковые подшипники - это особые подшипники, изготовленные из специального материала, которые могут выдержать скорости и температуры турбокомпрессора. Они снижают трение вала турбины при вращении, как и гидростатические подшипники. Они также позволяют использовать меньший и облегченный вал. Благодаря этому происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что, в свою очередь, снижает задержку. Керамические лопатки турбины легче стальных лопаток, которые используются в большинстве турбокомпрессоров. Благодаря этому опять же происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что снижает задержку. Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее. Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя. Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм 2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм 2 (0,5 бар), который является более плотним и содержит больше молекул, чет теплый воздух. Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать. Помимо всего сказанного имеются еще достоинства установки турбонаддува на двигатель:

1) Турбонаддув в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем.

2) Двигатель с турбонаддувом имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов.

3) Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД.

4) На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги.

5) Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.



2. Технологическая часть

2.1 Особенности укладки дорожного полотна

При возведении насыпей грунт отсыпают слоями толщиной 1 - 1,5 м с последовательным уплотнением. При уплотнении частицы грунта сближаются, воздушные пространства, находящиеся между ними, ликвидируются, а лишняя вода выжимается. Наилучшее уплотнение достигается в тех случаях, когда удельное давление на поверхности контакта с рабочими органами уплотняющих машин равно (0,9-1)апч. Уплотнение грунтов производят укаткой, трамбованием, вибрированием и вибротрамбованием.

Уплотнение укаткой происходит в результате давления, создаваемого вальцами или колесами, перекатывающимися по поверхности грунта. По этому принципу работают прицепные катки различных типов: гладкие, решетчатные и кулачковые, на пневматических шинах. Катки, составляющие эту группу, относятся к машинам статического действия.

Уплотнение трамбованием осуществляют ударом по грунту свободно падающих тел с определенной высоты. В качестве рабочих органов в этих машинах могут быть плиты или грузы. По этому принципу работают трамбовочные плиты, подвешиваемые на экскаваторах или тракторах (см. рис. 156, г), прицепные катки с падающими грузами, специальные прицепные и самоходные трамбующие машины, и дизель-трамбовки.

Уплотнение вибрированием и вибротрамбованием осуществляют передачей малосвязным грунтам колебаний, в результате которых при встряхивании они приобретают-свойства жидкости, частицы их интенсивно перемещаются относительно друг друга и уплотняются. По этому принципу устроена работа прицепных вибрационных катков и самопередвигающихся вибрационных плит.



2.2 Основы работы катка

При установившемся движении материал (рисунок 2)в зоне его контакта с ведомым вальцом катка действует вертикальная сила ,равная вертикальной нагрузке , и горизонтальная сила , равная толкающей горизонтальной силе . От их действия возникают составляющие реакции материала и .

Вертикальная сила уплотняет материал, а горизонтальная сила сдвигает его вперед в направлении движении катка. При рыхлом материале, когда сопротивлению его сдвигу мало, перед ведомым вальцом валик уплотняемого материала до тех пор пока сопротивление его сдвигу не будет равным сдвигающему усилию . В этот момент произойдет перекатывание вальца через образовавшийся валик, и процесс сдвига материала начнется вновь.

Рисунок 2.2.1 Схема сил, действующих на металлические вальцы статического катка

Таким образом, ведомые вальцы катков при движении по рыхлому материалу образуют волнистую поверхность.

На уплотняемый материал в зоне его контакта с ведущим вальцом действует вертикальная сила , равная вертикальной нагрузке , и горизонтальная сила , равная реакции рамы катка . Валец приводится в движение крутящим моментом М. Реакция материала также может быть разложена на составляющие . Вертикальная сила уплотняет материал, а горизонтальная сдвигает его в сторону, противоположную движению катка, т.е. в сторону уплотненного и сопротивляющегося сдвигу материала. Кроме того, сдвигаемые частицы материала попадают вблизи вертикальной оси вальца в зону высоких давлений, хорошо уплотняются и не сдвигаются за ось вальца. Поэтому волнообразования при работе ведущего вальца практически не происходит, уплотняемая поверхность получается ровной. Ввиду этого в настоящее время имеется тенденция исключить из конструкции катков ведомые вальцы.

На ровность уплотняемой поверхности влияет число вальцов, их диаметр, расстояние между вальцами и распределение силы тяжести катка между ними. Самая ровная поверхность получается при укатке трехвальцовыми трехосными катками со всеми ведущими вальцами. Если имеются ведомые вальцы, то для повышения ровности вертикальной нагрузки на них должны быть меньше, чем нагрузки ведущих.

Для уменьшения волнообразования целесообразно первые проходы по рыхлому материалу выполнять по рыхлому материалу выполнять на малой скорости (2,0 … 2,5 км/ч), а последние для повышения производительности 4-12.

Неровность поверхности может получиться при изменении направлении движении катка, когда он некоторое время стоит на месте. Поэтому реверсивные механизмы должны обеспечивать плавное, но быстрое изменения направления движения катка, особенно при уплотнении асфальтобетонных смесей. Уменьшение количества реверсирований можно добиться увеличением длины обрабатываемого участка, однако это увеличение участка связано с общей технологией строительства основания или покрытия, поэтому не всегда возможно.

Увеличение модуля деформации уплотняемого материала от прохода к проходу обуславливает уменьшение сопротивления перекатыванию и приводит к тому, что после некоторого числа проходов катка определенной массы значения осадки уплотняемого материала, сила тяги и коэффициент сопротивления перекатыванию не будет изменяться. Это свидетельствует об окончании процесса уплотнения данным катком.

2.3 Описание выбранного дорожного катка для совершенствования энергетической установки

Каток ДУ-50 имеет механическую трансмиссию, которая объединяет в одном блоке реверсивный механизм, коробку передач, дифференциал с блокирующим устройством и тормозное устройство. Передний валец-ведомый, для облегчения поворота катка разделен на две одинаковые секции, вращающиеся независимо на общей оси. Задние вальцы ведущие, вращаются на общей оси; каждый валец имеет собственный привод. Вальцы литые чугунные. Управление поворотом переднего вальца осуществляется гидравлическим приводом.

Вращение коленчатого вала двигателя через муфту сцепления и компенсационную муфту передается на ведущую коническую шестерню блока трансмиссии, которая соединяется с ведомыми коническими шестернями реверса. На реверсивном валу, несущим на себе фрикционные муфты, неподвижно закреплена цилиндрическая шестерня, находящаяся в зацеплении с шестерней ведомого вала коробки передач, на котором имеются еще две неподвижно посаженные шестерни. Они соответствуют двум скоростям движения катка.

На промежуточном валу коробки передач на шлицах передвигаются блок-шестерня, входящие в зацепление с другими шестернями. Через цилиндрическую шестерню, сидящую на промежуточном валу, вращение передается находящейся в постоянном в зацеплении с ней венцовой шестерне дифференциала. На полуосях дифференциала расположены цилиндрические шестерни бортовой передачи, которые передают вращение цилиндрическим шестерням задних вальцов. На выходных концах промежуточного вала насажены тормозные шкивы. Установлен двигатель марки Д-243.



3. Конструкторская часть

3.1 Регламент поиска

Был проведен патентный поиск с целью совершенствования энергетической установки катка ДУ-50. Результаты поиска приведены в таблице 3.1.1

Информация о поиске материала приведена в таблице 3.1.2

Патентная документация, отобранная для последующего анализа приведена в таблице 3.1.3

В результате проведения патентных исследований для модернизации было выбрано техническое решение, защищенное авторским свидетельством РФ №2131981, кл. F02B37/22, 1999.[ ]

Целью модернизации является то, что, в корпусе турбокомпрессора размещены воздухонапорная полость компрессора и газоподводящая улитка турбины, в которой установлены рабочее колесо центростремительной турбины и заслонка, расположенная на входе газов в улитку турбины. Технический результат заключается в повышении эффективности в работе.

Таблица 3.1.1 Результаты поиска

Предмет поиска (тема объекта, его составные части)	Цель поиска информации (для решения поиска технических систем)	Страна поиска	Классификационные индексы (УДК, МПК, МПИ, МКПО, НКИ)	Ретроспективность поиска	Наименование источников информации
Каток ДУ-50	Анализ технических решений с целью выбора оптимального варианта для модернизации машины	РФ	F02B37/22 2131981 F02D33/02, F02D23/02, F02B37/12 2029123 F04D29/60 2140578	5 - 30 лет	Описания к изобретениям и патентам, реферативн. журналы, научно-техническ. литература

Таблица 3.1.2 Справка о поиске

Предмет поиска (тема, объект, его составные части)	Страна поиска	Классификационные индексы (УДК, МПК, МПИ, МКПО, НКИ)	По фонду какой организации проводится поиск	Источник информации
				Научно техническая документация наименование дата опубликования (от и до). информации	Патентная документация наименование патентного бюллетеня и дата их публикации
1	2	3	4	5	6
Каток ДУ - 50	РФ	F02B37/22 2131981 F02D33/02, F02D23/02, F02B37/12 2029123 F04D29/60 2140578	Патентный фонд областной научной библиотеки, библиотека БГТУ им. В.Г. Шухова, интернет РосПатент	Строительные машины и основы автоматизации - 2001. Строительные машины и средства малой механизации - 2002. Технические основы создания машин - 2008.	Описание изобретения к авторскому свидетельству №2029123 опубликовано 20.02.95. Описание изобретения к авторскому свидетельству №2140578 Опубликовано 27.10.99. Описание изобретения к авторскому свидетельству №2131981 Опубликовано 20.06.99.

Таблица 3.1.3 Патентная документация

Предмет поиска	Страна выдачи, вид, № охранного док-та, классификационного индекса	Сущность заявленного технического решения и цели его создания, формула изобретения	Заявитель, страна, № заявки, дата приоритета, публикации	Сведения о действии охранного док-та или причина его аннулирования
1	2	3	4	5
Каток ДУ-50	РФ, описание изобретения к авторскому свидетельству № 2131981 F02B37/22	Изобретение относится к агрегатам наддува двигателей внутреннего сгорания. В корпусе турбокомпрессора размещены воздухонапорная полость компрессора и газоподводящая улитка турбины, в которой установлены рабочее колесо центростремительной турбины и заслонка, расположенная на входе газов в улитку турбины. Регулирующий механизм выполнен в виде подпружиненной мембраны, штока, связанного с мембраной, и канала подвода наддувочного воздуха в подмембранную полость. В канале выполнена дополнительная полость. В штоке образован клапан, закрывающий дополнительную полость. В корпусе турбокомпрессора выполнено отверстие, в котором установлен передаточный вал, жестко соединенный с заслонкой, регулирующий механизм расположен с наружной стороны корпуса турбокомпрессора и снабжен рычагом, жестко связанным с передаточным валом и шарнирно соединенным с штоком. Технический результат заключается в повышении эффективности в работе.	Р.Ф. Мазгумьянов Заявка: 97117840/06, 23.10.1997 Опубликовано: 20.06.1999	Недействующий
Каток ДУ-50	РФ, описание изобретения к авторскому свидетельству № 2140578 F04D29/60	Изобретение относится к компрессоростроению. Турбокомпрессор содержит имеющий упорный уступ корпус, вставляемый в него, состоящий из роторной и статорной частей пакет и закрывающую корпус с одной стороны крышку. Турбокомпрессор снабжен также несущим роторную часть валом, выступающие из корпуса вправо и влево цапфы, которого установлены в подшипниковых кронштейнах. Использование изобретения позволит обеспечить точное центрирование роторной части в статорной, что повышает эксплуатационную надежность турбокомпрессора	Маннесманн Заявка: 97117603/06, 28.10.1997 Опубликовано: 27.10.1999	Действующий

3.2 Описание сущности модернизации энергетической установки

каток асфальтобетонный турбокомпрессор

Для увеличения работоспособности катка предложено установить на двигатель турбокомпрессор (рисунок 3.1.6). Данный агрегат способствует повышению эффективной мощности двигателя.

Рисунок 3.1.6 Регулируемый наддув.

Давление поступающего в цилиндры воздуха зависит в основном от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя. При малой нагрузке двигателя поток отработавших газов невелик, поэтому необходимо, чтобы весь поток вращал рабочие колеса турбины и компрессора. При росте нагрузки двигателя увеличивается поток отработавших газов. Скорость вращения рабочих колес турбины и компрессора при этом возрастает, что приводит к подаче в цилиндры большего количества воздуха.

При дальнейшем повышении нагрузки двигателя объем отработавших газов превышает значение, необходимое для того, чтобы компрессор подавал в цилиндры требуемое количество воздуха. При высоких нагрузках необходимо ограничить количество отработавших газов, проходящих через турбину. Это достигается за счет использования клапана перепуска отработавших газов, открывающего отводящий канал, выполненный параллельно турбине. Лишнее количество отработавших газов направляется в этот канал. Клапан перепуска отработавших газов представляет собой обратный клапан, который открывает и закрывает перепускной канал, расположенный рядом с турбиной. Клапан управляется штоком пневмопривода, установленным на корпусе компрессора. Клапан закрывается под действием пружины в корпусе пневмопривода и открывается под давлением диафрагмы пневмопривода.

3.3 Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя без наддува

Как отмечал А.И. Колчин и В.П. Демидов [ ] тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также проверить степень совершенства действительного цикла реально работающего двигателя.

Исходные данные

Произвести расчет четырехтактного дизеля Д-243, предназначенного для дорожного катка ДУ-50. Дизель четырехцилиндровый (i=4) с неразделенными камерами сгорания, объемным смесеобразованием, частотой вращения коленчатого вала при максимальной мощности и степенью сжатия , рабочим объемом-4,75 литра, диаметр цилиндра -110 мм. Расчет выполнить для дизеля без наддува, с эффективной мощностью Ne=92 кВт. Коэффициент избытка воздуха б=1,6.Степень повышения давления в дизеле л=1,4.Коэффициент использования теплоты о=0,8

Топливо. В соответствии с ГОСТ 305-82 для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях - марки Л и для работы в зимних условиях - марки З). Цетановое число топлива - не менее 45.

Средний элементный состав дизельного топлива

С=0,870; Н = 0,126; О=0,004.

Низшая теплота сгорания топлива, Н_u, кДж/кг, определяется по формуле,

(1)

где: С,Н,О - средний элементный состав дизельного топлива, приведенный выше

.

Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

(2)

где 1/0,28 коэффициент избытка воздуха.

(3)

Коэффициент избытка воздуха. Уменьшение коэффициента избытка воздуха б до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно, повышает литровую мощность дизеля, но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряженность двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность выпускных газов. Лучшие образцы современных дизелей без наддува со струйным смесеобразованием устойчиво работают на номинальном режиме без существенного перегрева при б=1,4--1,5 а с наддувом при б=1,6 - 1,8.

Количество свежего заряда б, св.зар/кг топл, определяется по формуле:

(4)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания

(5)

(6)

При

б=1,5

(7)

(8)

Общее количество продуктов сгорания, определяется по формуле

(9)

При

б=1,5

Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия

Давление окружающей среды для дизелей:

без наддува

Температура окружающей среды для дизелей:

без наддува

Температура и давление остаточных газов. Достаточно высокое

значение дизеля без наддува снижает температуру и давление

остаточных газов, а повышенная частота вращения коленчатого

вала несколько увеличивает значения При наддуве тем-

пературный режим двигателя повышается и увеличивает значения

. Поэтому можно принять для дизелей без наддува

Процесс впуска. Температура подогрева свежего заряда. Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда. Однако естественный подогрев заряда в дизеле без наддува может достигать ? 15 - 20 °С, а при наддуве за счет уменьшения температурного перепада между деталями двигателя и температурой наддувочного воздуха величина подогрева сокращается. Поэтому принимаем для дизелей: без наддува AT-20 °С.

Плотность заряда на впуске с_к, кг/м ³, определяется по формуле

(10)

где:p_к - давление окружающей среды для дизелей, МПа;

R_в - температурный перепад, с ⁰;

T_к - температура окружающей среды для дизелей, К

Потери давления на впуске в двигателе:

где: и приняты в соответствии со скоростным режимом двигателей и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе дизеля с наддувом и без наддува.

Давление в конце впуска

(11)

где p_к - давление окружающей среды для дизелей, МПа;

- потери давления, МПа

Коэффициент остаточных газов

(12)

где: - температура окружающей среды, К;

- разность температур, К;

- давление остаточных газов, МПа;

- температура остаточных газов, К;

- степень сжатия;

- давление в конце впуска, МПа

Температура в конце впуска

(13)

где: - коэффициент остаточных газов, приведенный выше

Коэффициент наполнения



(14)

Процесс сжатия. Средние показатели адиабаты и политропы сжатия. При работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты:

для дизеля без наддува при

Давление и температура в конце сжатия

(15)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту.

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) воздуха (16)

где:

б) остаточных газов;

при б= 1,6 и

в) рабочей смеси

(17)



Процесс сгорания. Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси в дизелях, определяется по формуле:

(18)

где: - общее количество продуктов сгорания, кмоль/кг;

- количество свежего заряда, кмоль/кг.

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в дизелях:

(19)

Параметры входящие в формулу приведены выше по тексту

Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях , кДж/кмоль, определяется по формуле:

(20)

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания в дизелях:

(21)

(22)



Коэффициент использования теплоты для современных дизелей с неразделенными камерами сгорания и хорошо организованным струйным смесеобразованием можно принять для двигателей без наддува .

Степень повышения давления в дизеле в основном зависит от величины цикловой подачи топлива. С целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма целесообразно иметь максимальное давление сгорания не выше 11 - 12 МПа. В связи с этим целесообразно принять для дизеля без наддува

Температура в конце видимого процесса сгорания

(23)

откуда

Максимальное давление сгорания для дизелей , МПа, определяется по формуле:

(20)

где: - степень повышения давления;

- давление в конце сжатия

Степень предварительного расширения для дизелей:

(21)

Процесс расширения. Степень последующего расширения для дизелей:

(22)

где - степень сжатия;

- давление

Средние показатели адиабаты и политропы расширения для дизелей выбираются следующим образом. На номинальном режиме можно принять показатель политропы расширения с учетом достаточно больших размеров цилиндра, несколько меньше показателя адиабаты расширения, который определяется по номограмме. Для дизелей:

при

Давление и температура в конце расширения для дизелей , МПа, определяется по формуле:

(23)

где: - давление в начале расширения, МПа;

- степень расширения



Проверка ранее принятой температуры остаточных газов для дизелей:

(24)

Индикаторные параметры рабочего цикла. Теоретическое среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление для дизелей:

где коэффициент полноты диаграммы принят

Индикаторный КПД для дизелей

(25)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту

Индикаторный удельный расход топлива для дизелей:



Эффективные показатели двигателя. Среднее давление механических потерь

(26)

где, средняя скорость поршня предварительно принята

Среднее эффективное давление и механический КПД для дизелей, определяются по формулам:

(27)

где - среднее индикаторное давление, МПа;

- среднее давление механических потерь, МПа

(28)

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива для дизелей:

без наддува

Основные параметры цилиндра и двигателя. Литраж двигателя , л, определяется по следующей формуле:

(29)



где: - тактность двигателя;

- эффективная мощность, кВт

Рабочий объем цилиндра, , л, определяется по формуле:

(30)

где: - количество цилиндров двигателя

Диаметр и ход поршня дизеля, как правило, выполняются с отношением хода поршня к диаметру цилиндра . Однако уменьшение для дизеля, так же как и для карбюраторного двигателя, снижает скорость поршня и повышает .В связи с этим целесообразно принять :

Окончательно принимаем D=S= 114 мм.

По окончательно принятым значениям D и S определяются основные параметры и показатели двигателя:

что достаточно близко (ошибка <2%) к ранее принятому значению



Построение индикаторной диаграммы дизеля без наддува

Масштаб хода поршня - М_s = 2 мм в мм; масштаб давлений - M_p = 0,04 МПа в мм.

Приведенные величины рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания соответственно:

Максимальная высота диаграммы (точки z ¹ и z) и положение точки z по оси абсцисс

Ординаты характерных точек:

Построение политроп сжатия и расширения проводится графическим методом (см. рисунок 1):

а) для луча ОС принимаем угол б = 15^о;



б)

в) используя лучи OD и ОС, строим политропу сжатия, начиная с точки с;

г)

д) используя лучи ОЕ и ОС, строим политропу расширения, начиная с точки z.

Теоретическое среднее индикаторное давление

что очень близко к величине , полученной в тепловом расчете ( - площадь диаграммы acz'zbа).

Скругление индикаторной диаграммы. Учитывая достаточную быстроходность рассчитываемого дизеля и величину наддува, ориентировочно устанавливаются следующие фазы газораспределения:

впуск - начало (точка r¹) за 25° до в.м.т. и окончание (точка а") - 60° после н.м.т.;

впуск - начало (точка b') за 60° до н.м.т. и окончание (точка а') - 25° после в.м.т.

С учетом быстроходности дизеля принимается угол опережения впрыска 20° (точка с¹) и продолжительность периода задержки воспламенения (точка f)

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения впрыска определяется положение точек b', r ', a', a", c' и f по формуле для перемещения поршня:

где л - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Выбор величины л производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы ориентировочно устанавливаем л =0,270.

Результаты расчета ординат точек b', r ', а', а", с' и f приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты расчета

Обозначение точек	Положение точек			Расстояние AX точек от в.м.т., мм
b' r ' a' a" с' f	60о до н.м.т. 25о до в.м.т. 25о после в.м.т. 60о после н.м.т. 20о до в.м.т. (20-8о) до в.м.т.	120 25 25 120 20 12	1,601 0,122 0,122 1,601 0,076 0,038	66 5 5 66 3,1 1,5

Положение точек с" определяют из выражения

Точка лежит на линии ориентировочно вблизи точки z.

Нарастание давления от точки с" до составляет 11,307 - 8,669 = 2,638 МПа или 2,638/10=0,264 МПа/град п.к.в., где 10 - положение точки по оси абсцисс, град.

Соединяя плавными кривыми точки r с а', с' с f и с" и далее с и кривой расширения b' с b" (точка b" располагается между точками b и а) и далее с r ' и r, получаем скругленную индикаторную диаграмму r а' a c' f c" b' b'' r.

Тепловой баланс. Общее количество теплоты,,Дж/с, введенной в двигатель с топливом для дизелей, определяется по формуле:

(31)

Параметры, входящие в формулу, определены выше по тексту

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с, для дизелей:

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, для дизелей:

где: С - коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей С = 0,45 ч 0,53); i - число цилиндров; D - диаметр цилиндра, см; m - показатель степени (для четырехтактных двигателей m = 0,6 ч 0,7); n - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1.

Теплота, унесенная с отработавшими газами (в дизеле с наддувом часть теплоты отработавших газов используется в газовой турбине),

где:;



- определено по таблице методом интерполяции при б = 1,6 и

;

- определено по таблице (графа "Воздух") при .

Неучтенные потери теплоты

(32)

Параметры, входящие в формулу, приведены выше по тексту

Составляющие теплового баланса представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Составляющие теплового баланса

Составляющие теплового баланса	Дизель без наддува
	Q, Дж/с	q, %
Теплота, эквивалентная эффективной работе	85200	20,1
Теплота, передаваемая охлаждающей среде	52856	19
Теплота, унесенная с отработавшими газами	285866	27,1
Неучтенные потери теплоты	220030	33,8
Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом	643952	100

Расчет внешней скоростной характеристики дизеля

На основании теплового расчета, проведенного для режима номинальной мощности, получены следующие параметры, необходимые для расчета и построения внешней скоростной характеристики дизеля:

Эффективная мощность Ne = 92 кВт; частота вращения коленчатого вала при максимальной мощности n_N = 2200 мин^-1, тактность двигателя ф = 4; литраж V_л = 4,75 л; ход поршня S = 114 мм; теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива = 14,452 кг возд/кг топл.; плотность заряда на впуске = 1,641 кг/м ³; коэффициент избытка воздуха a_N = 1,6; удельный эффективный расход топлива .

Расчетные точки скоростной характеристики. Принимаем: n_min = 500 мин^-1; n_x1 = 1200 мин^-1; далее через каждые 500 мин^-1 и n_N = 2200 мин^-1.

Все расчетные данные заносятся в таблицу 3.

Таблица 3 - Расчетные данные

Частота вращения коленчатого вала, мин-1	Параметры внешней скоростной характеристики
600 1200 1700 2200	89,1 181,4 302,7 386,3	1330 1465 1529 1522	0,395 0,435 0,454 0,452	3,5 7 10,5 14	0,130 0,172 0,213 0,254	0,525 0,607 0,667 0,706	1768 2044 2246 2378	554 481 430 404	54 103,3 144,5 180,2	1,40 1,44 1,49 1,52	1,035 1,018 0,983 0,938

Мощность в расчетных точках, кВт:

Эффективный крутящий момент, Н·м

Среднее эффективное давление, МПа



Средняя скорость поршня, м/с

Среднее давление механических потерь, МПа

Среднее индикаторное давление, МПа

Индикаторный крутящий момент, Н·м

Удельный эффективный расход топлива для дизелей, г/(кВт·ч)

Часовой расход топлива, кг/ч

Коэффициент избытка воздуха. Принимаем для дизелей:



Соединяя точки и прямой линией, получим значения для всех расчетных точек дизелей без наддува.

Коэффициент наполнения

По расчетным данным, приведенным в таблице 3, строим внешнюю скоростную характеристику дизелей без наддува.

Коэффициент приспособляемости для дизелей:

где определены по скоростным характеристикам.

3.4 Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя с наддувом

Топливо. В соответствии с ГОСТ 305-82 для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях - марки Л и для работы в зимних условиях - марки З). Цетановое число топлива - не менее 45.

Средний элементный состав дизельного топлива

С=0,870; Н = 0,126; О=0,004.

Низшая теплота сгорания топлива, Н_u, кДж/кг, определяется по формуле,

(1)

где: С,Н,О - средний элементный состав дизельного топлива, приведенный выше

.

Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

(2)

где: 1/0,28 коэффициент избытка воздуха.

(3)

(4)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания

(5)

(6)

При б=1,8

(7)

(8)

Общее количество продуктов сгорания, определяется по формуле

(9)



При

б=1,8

Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия

Давление окружающей среды для дизелей:

Температура окружающей среды для дизелей, К, определяется по формуле:

, (36)

где: n_k-показатель политропы сжатия (для центробежного нагнетателя с охлаждаемым корпусом принят n_k=1,65);

- давление окружающей среды, МПа

,

Температура и давление остаточных газов. Достаточно высокое значение дизеля без наддува снижает температуру и давление остаточных газов, а повышенная частота вращения коленчатого вала несколько увеличивает значения При наддуве температурный режим двигателя повышается и увеличивает значения . Поэтому можно принять для дизелей:

Процесс впуска. Температура подогрева свежего заряда. Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда. Однако естественный подогрев заряда в дизеле без наддува может достигать ? 15 - 20 °С, а при наддуве за счет уменьшения температурного перепада между деталями двигателя и температурой наддувочного воздуха величина подогрева сокращается. Поэтому принимаем для дизелей: с наддувом T-10 °С.

Плотность заряда на впуске , кг/м ³, определяется по формуле:

(37)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Потери давления на впуске в двигателе:

где: и приняты в соответствии со скоростным режимом двигателей и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе дизеля с наддувом и без наддува.

Давление в конце впуска

(38)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Коэффициент остаточных газов

(39)



Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Температура в конце впуска

(40)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Коэффициент наполнения

(41)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Процесс сжатия. Средние показатели адиабаты и политропы сжатия. При работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты, который определяется по номограмме:

для дизеля с наддувом при

Давление и температура в конце сжатия

(42)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) воздуха

где:

б) остаточных газов

при б= 1,7 и

в) рабочей смеси

Процесс сгорания. Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси в дизелях, определяется по формуле:

(43)

где: - общее количество продуктов сгорания, кмоль/кг;

- количество свежего заряда, кмоль/кг

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в дизелях:



Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях:

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания в дизелях:

Коэффициент использования теплоты для современных дизелей с неразделенными камерами сгорания и хорошо организованным струйным смесеобразованием можно принять для двигателей с наддувом .

Степень повышения давления в дизеле в основном зависит от величины цикловой подачи топлива. С целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма целесообразно иметь максимальное давление сгорания не выше 11 - 12 МПа. В связи с этим целесообразно принять для дизеля с наддувом

Температура в конце видимого процесса сгорания



откуда

Максимальное давление сгорания для дизелей:

(44)

где: - степень повышения давления;

- давление в конце сжатия, МПа

Степень предварительного расширения для дизелей:

(45)

Параметры, входящие в формулу приведены, выше по тексту в расчете без наддува.

Процесс расширения. Степень последующего расширения для дизелей:

(46)



Параметры, входящие в формулу приведены, выше по тексту в расчете без наддува.

с наддувом

Средние показатели адиабаты и политропы расширения для дизелей выбираются следующим образом. На номинальном режиме можно принять показатель политропы расширения с учетом достаточно больших размеров цилиндра, несколько меньше показателя адиабаты расширения, который определяется по номограмме. Для дизелей:

при а принимаем равным 1,26

Давление и температура в конце расширения для дизелей: