CC BY
45
цепными комплексами без ограничений по ширине захвата для получения Ркртах; тЭт1п /Эор1 - при ограничении ширины захвата навесного орудия для основной обработки по колее и навесоспособности; тЭт1п / Этах - на обработке паров и предпосевной культивации широкозахватными агрегатами.
Литература
1. Селиванов, Н.И. Тягово-сцепные свойства гусеничных тракторов / Н.И. Селиванов, Н.В. Кузьмин
// Вестн. КрасГАУ: науч.-техн. журн. - Вып. 2. - Красноярск, 2007. - С. 212-216.
2. Селиванов, Н.И. Показатели технологических свойств тракторов / Н.И. Селиванов, Н.В. Кузьмин // Вестн. КрасГАУ: науч.-техн. журн. - Вып. 1. - Красноярск, 2007. - С. 142-246.
3. Самсонов, В.А. Оценка эффективности и сравнение тракторов при проектировании и модернизации
/ В.А. Самсонов // Тракторы и с.-х. машины. - 2006. - № 3. - С. 11-16.
4. Селиванов, Н.И. Агрегатируемость гусеничного трактора с почвообрабатывающими машинами / Н.И. Селиванов, Н.В. Кузьмин // Вестн. КрасГАУ: науч.-техн. журн. - Вып. 3. - Красноярск, 2007. -С. 189-193.
--------♦'-----------
УДК 631.89. (631.3) Н.И. Селиванов, Д.А. Санников
СТРУКТУРА СИСТЕМЫ АДАПТАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ МАШИННО-ТРАКТОРНОГО АГРЕГАТА К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА
Представлена научно обоснованная структурная схема преобразования тепловой энергии топлива в механическую работу трактора. Разработаны динамическая модель и методология ресурсосберегающей адаптации трактора и МТА к альтернативному топливу.
Эффективность функционирования сельскохозяйственных тракторов при использовании альтернативных дизельному моторных топлив может быть установлена при сравнительной оценке их потенциальных возможностей, показателями которых являются потенциальная производительность энергетического средства в составе машинно-тракторного агрегата (МТА) и стоимость выполнения технологического процесса.
Производительность МТА пропорциональна тяговой мощность Ыкр и мощности, снимаемой с ВОМ трактора Ывом, которые являются выходными параметрами для характеристики энергетических возможностей трактора. Поэтому выражение
W _ / ( + Nвом ) (1)
характеризует потенциальные возможности мобильного энергетического средства (МЭС) по производитель-
ности (ПВМw).
При сравнительной оценке стоимости технологического процесса в данном случае целесообразно использовать удельные затраты 1уэ, включающие стоимость От израсходованного двигателем топлива на единицу обработанной площади gw:
2уэ _ С • ; (2)
„ _ 103 • 8ен • Neэ (3)
8W _ W ■ (3)
Поэтому удельный расход топлива gw можно принять за показатель оценки потенциальных возможностей МЭС по топливной экономичности (ПвМgw).
Для данного класса трактора потенциальные возможности определяются соответственно эксплуатационной мощностью двигателя Ыеэ и удельным расходом топлива в номинальном режиме ден, которые пре-
ge
ТР min
в кон-
образуются в выходные параметры. Режим работы трактора при (NKPmax+NBOM) и g _
ЛТР max
кретных условиях называются оптимальным, поскольку показатели производительности и экономичности принимают экстремальные значения (Wmax, Qwmin) и определяют его потенциальные возможности.
Эксплуатационная мощность и удельный расход топлива характеризуют потенциальные возможности двигателя (ПВД) в результате преобразования энергии топлива с теплотворной способностью Он и расходом Gth в механическую работу.
Между потенциальными возможностями топлива ПВТ=Он^тн имеются непосредственные связи с потенциальными возможностями двигателя, энергетического модуля и агрегата (ПВА). Этими связями являются соответствующие КПД (рис. 1)
К = QH gth -(п -пЛ
пвд =
ge
(н П Лм )п
(4)
|(ККР + N ВОМ )max QH ' GTh ' (п ' Лм ' Птр }’
ПВМ =
g
ge
пва =
ТР min
W =
max
g
W min
V min
V min
(5)
VtP max
Qh ■ GTh ■ (Vi Лм ■ Птр -^N l
(6)
Qh ' (i ' Лм ' Лтр )max
Из уравнений (4)-(6) следует, что потенциальные возможности МТА зависят прежде всего от качества Он и количества втн сжигаемого топлива в единицу времени, совершенства рабочего цикла в цилиндрах, формирующих совместно с конструкционными параметрами Кдв индикаторные показатели п и механические потери Пм, определяющие энергетические Ыеэ и топливные ден характеристики двигателя.
Для повышения ПВА следует увеличивать расход и улучшать качественные показатели топлива при оптимизации параметров рабочего цикла. Повышение мощности двигателя за счет возрастания расхода топлива позволит кратно увеличить показатель производительности. Повышение эффективного КПД двигателя Це=ЦгЦм в основном скажется на уменьшении удельных энергозатрат 1уэ с одновременным некратным увеличением производительности.
Повышению производительности способствует также увеличение коэффициента использования эффективной мощности двигателя ^ при колебаниях внешней нагрузки. Указанное достигается изменением
цикловой подачи топлива дц в цилиндры для формирования участка постоянной мощности на корректорной ветки скоростной характеристики двигателя.
Обеспечение рациональных нагрузочно-скоростных режимов совместного функционирования тракто-
Лтр
ра и с.-х. машин-орудий из условия
К
max позволит существенно снизить удельные энергозатраты с
некоторым ростом производительности МТА.
В соответствии с поставленной целью исследования эффективности использования альтернативных топлив в дизелях с.-х. тракторов, процессы формирования и оптимизации параметров и режимов работы двигателя, энергетического модуля и агрегата рассматриваются как реакция сложной системы, характеризующей функционирование МТА в реальных природно-производственных условиях Во при изменении входной переменной, определяющей потенциальные возможности топлива (рис. 1).
1
Во
_Окружающаясреда
МТА
Трактор
Двигатель
П
В
Т
Qн
Ст
Gт
Пі -Пм
П
В
Д
М
У1
Nе
Птр
У2
П
В
М
Ккр+Квом
gтр
К
V,
ш
Kv
У3
ПР2
П
В
А
W, Вр
gw(ZУэ), Va
ПР3
Пм
У4
ПР4
Управление
ПР1
g
ен
Рис. 1. Структурная схема преобразования энергии топлива в полезную работу при функционировании системы «ОС - МТА - трактор - двигатель»
Применение научно обоснованных принципов формирования показателей технологических свойств энергетического модуля в составе МТА позволило обосновать основные этапы системы адаптации энергонасыщенных тракторов к эффективному использованию альтернативного топлива.
На первом этапе формируется банк исходной информации для обоснования выбора на альтернативной основе оптимальных вариантов использования новых и перспективных видов топлива. Из всех вариантов выбирается наиболее полно отвечающий требованиям ресурсосбережения, взаимозаменяемости с основным топливом, экологичности и безопасности. При установленных эксплуатационных параметрах базовых энергетических средств и агрегатов управляющие воздействия И1 по выбранным критериям ПВТ Он, и Ст принимаются на основе анализа информации о ПВА и решения ПР1.
На втором этапе устанавливаются оптимальные показатели рабочего цикла в цилиндрах и формируются рациональные параметры внешних скоростных характеристик двигателей выбранных энергомашин для обобщенных в вероятностно-статистическом смысле условий агрегатирования. Модели этого этапа характеризуют процессы преобразования ПВТ в энергетические и топливные показатели двигателя: М21 - оптимизации параметров рабочего цикла; М22 - оценки и оптимизации индикаторных и эффективных показателей двигателя, М23 - оптимизации характеристики топливоподачи. Управляющие воздействия И2 на конструктивно-технологические Км и регулирующие втн, Ь параметры принимаются на основе оценки решения ПР2 по критериям оценки энергетических и топливных показателей двигателя.
Третий этап включает модели формирования рабочего хода и технологических свойств энергетического модуля: М31 - оптимизации тягово-скоростных режимов работы трактора; М32 - оптимизации экстремальных энергетических и топливных показателей с учетом параметров внешней нагрузки. Управление ИЗ рабочим ходом выбором загрузки Кз и передачи ^ принимается на основе оценки ПРЗ экстремальных на*
грузочных Ркр* и скоростных Уор1 режимов работы трактора.
На четвертом этапе рассматриваются модели, описывающие целостную систему (МТА) с учетом взаимосвязи ее подсистем между собой на режиме рабочего хода: М41 - формирование удельного сопротивления машин-орудий Ку; М42 - оценки потенциальных показателей производительности и стоимости тех*
нологического процесса; М43 - обоснование рациональных параметров Вр, Уор1 для ресурсосберегающих агрегатов. Управляющее воздействие И4 на состав Вр и скоростной режим У работы агрегата принимаются
на основе оценки и принятия решения ПР4 по производительности W и прямым эксплуатационным затратам gw ■ CT агрегата.
Анализируемые процессы отдельных подсистем можно разделить на две группы [1]. Процессы первой группы характеризуются заранее известными факторами, и их протекание прогнозируется по детерминированным функциям связи. При этом входные характеристики топлива, наряду с динамическими свойствами самой системы, рассматриваются как вполне определенные с взаимно однозначным соответствием реализацией входных и выходных процессов. Процессы второй группы рассматриваются как случайные в вероятностно-статистическом смысле их реализации.
Для снижения затрат и повышения качества оценки с последующей эффективной адаптацией эксплуатационных параметров составляющих элементов и МТА в целом к использованию выбранного альтернативного топлива, на основе рассмотренной выше схемы преобразования тепловой энергии топлива в механическую работу, предложена структура общей системы поэтапного формирования оценочных показателей режима рабочего хода с установленными критериями ресурсосбережения (рис. 2).
Промежуточные и сопряженные задачи
исследования 1 этап
Ц = f (Ьи , Кдв , В0 )
Ьи о 03
л г л Г
Кд
П ^ тах
8
2 этап
Рг
I орг
8г ^ тгп
3 этап
®1> КМ > Меэ = f (Умс )
8е ^ т1П
N ^ тах
4 этап
Еп =
N •£-
1У еэ
ВР V
и-_)
Ркр = Оз/(Ф-Л
Ркр
орг
орг
%Ркр^ 1
Вр
V,
орг
Р 1 впр орг 1
8ц орг 8ц (П тах )< 8ц < 8ц I а 1
г л г
Экстремальные значения параметра оптимизации
(^ах )< РОр, < Р,\Ъ0Г
= Мк_
дм Ми
Vmin—Vopt—Vmax
(Бр^)орг^тах
5
Рис. 2. Структурная схема системы адаптации МТА к использованию альтернативного топлива
Процедуры вычислений и оценок параметров на каждом этапе устанавливаются соответствующими алгоритмами, программами и доверительными интервалами. Схема передачи информации и сложение эффектов ресурсосбережения предшествующих и последующих этапов показаны стрелками между ними. При этом возможна передача информации как сверху вниз, так и снизу вверх при обходе любого этапа. Каждый этап включает решение промежуточных и сопряженных задач, уточняющих и усиливающих эффект ресурсосбережения.
Параметром оптимизации (выходной величиной) этапа при решении модели типа М21 является среднее индикаторное давление Р{ор(, которое следует выбирать из условия
РА(п. )< РА < РА. (7)
г \ /г тах / г г \ >
I а )
Математическая модель этапа представляет систему уравнений процессов рабочего цикла дизеля.
Входные воздействия системы представлены низшей теплотворной способностью выбранного топлива Он, характеристикой окружающей среды Во и конструктивными параметрами двигателя Кдв.
На первом этапе проводится оценка эффективности теплоиспользования в рабочем цикле двигателя. При работе на различных видах топлива с разными Он подобная оценка возможна только на основе индикаторного КПД (п), максимальное значение которого следует принять в качестве критерия энергосбережения. Сопряженные задачи этапа определяют значения вспомогательных величин, характеризующих в дальнейших расчетах индикаторную работу цикла
Ц = / (йн, Кдв, В0). (8)
На втором этапе проводится оценка топливной экономичности двигателя при изменении цикловой подачи, давления впрыскивания и температуры топлива. Оценка проводится на основании удельного расхода
( ( „А\
топлива, который выступает критерием оптимизации. Отношение
gi
Vgi Jmin V6 е J
ДТ
g е
g
ДТ
отражает измене-
ние экономичности двигателя при переходе на альтернативное топливо.
Сопряженные задачи включают определение взаимосвязи (8г )8е = / (Рвпр, гт, 8Ц).
Параметрами оптимизации являются указанные качественные и количественные характеристики подачи топлива. Экстремальное значение дц о&
Пп )< 8 г < 8 . (9)
I \ /гтах / о цорг о ц _ ' '
g ц
а
Математические модели М22 и М23 на данном этапе представлены уравнениями взаимосвязи индикаторных и эффективных показателей двигателя.
Третий этап предусматривает оценку динамических показателей работы двигателя на альтернативном топливе с учетом проведенной оптимальной адаптации его скоростной характеристики. Критерии опти-
тт — ■ dGT
мизации Ne ^ max и ge ^ min определяются из условия = 0.
Сопряженные задачи включают определение взаимосвязей эксплуатационных показателей и режимов работы двигателя с параметрами vMC внешней нагрузки. Экстремальными значениями параметров оптими-
С,* С,*
зации следует считать д^ ^ max, ^ ^ 1.
Математические модели М31 и М32 характеризуют энергетические, динамические и топливные показатели двигателя при установленных ограничениях.
Четвертый этап предусматривает обоснование режима работы трактора путем выбора основной передачи в трансмиссии при адаптированном уровне мощность Ыеэ и коэффициенте д* ■ Критериями оптимизации следует принять показатели технологических свойств трактора, включающие чистую производительность W (м2/с) и удельные денежные затраты на выполненную работу 1уэ (руб/га). Математическая модель четвертого этапа исследования представляет одномерную систему уравнений тягового баланса трактора.
Пятый этап завершает решение задачи оптимизации эксплуатационных параметров МТА при использовании альтернативного топлива с обоснованием ширины захвата BoPt и рабочей скорости VoPt при максимальном тяговом КПД трактора с последующим выбором сцепки и числа машин Пм в технологическом комплексе. Для трактора с адаптированным двигателем оптимальный режим (Nkp max+NBOM) следует выбирать по передаче, обеспечивающей частоту вращения n, максимально близкой к номинальной. Критерий оптимальности соответствует минимуму удельных эксплуатационных затрат и может быть представлен ко-
эффициентом использования максимального тягового усилия &Ртех^1. На этом же уровне проводится с учетом стоимости топлива технико-экономическая оценка МТА на базе адаптированных тракторов.
Выводы
1. Использование научно обоснованных принципов преобразования тепловой энергии топлива в механическую работу позволило обосновать основные показатели и этапы ресурсосберегающей адаптации с.-х. тракторов к использованию альтернативного топлива.
2. Для достижения цели адаптации тракторов и МТА к альтернативному топливу разработаны динамическая модель и методология с использованием обоснованных критериев и параметров на установленных этапах оптимизации.
Литература
1. Селиванов, Н.И. Рациональное использование в зимних условиях / Н.И. Селиванов; Краснояр. гос. аг-рар. ун-т. - Красноярск, 2006. - 399 с.
УДК 636.085.57 А.П. Селиванов, В.М. Долбаненко
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СУХОЙ ОЧИСТКИ КОРНЕКЛУБНЕПЛОДОВ
В статье предложена улучшенная модель устройства для сухой очистки корнеклубнеплодов, теоретически обоснованы параметры и режимы работы. Приведена математическая модель активизирующего устройства, установлена зависимость величины радиус-вектора от эксцентриситета.
Мы предлагаем улучшенную конструкцию элеватора (рис. 1), имеющего привод полотна элеватора от эксцентриковой ведущей звездочки с переменным эксцентриситетом [1].
Исходные данные: частота вращения вала редуктора ni = 165 об/мин. Скорость цепи Vц = const. Диаметр ведущей звездочки полотна элеватора di = 0,15 м. Радиус эксцентриковой окружности R = 0,075 м. Е - эксцентриситет переменный.
3
4
Рис. 1. Схема расчета активизирующего устройства: 1 - редуктор; 2 - прутковый транспортер; 3 - ведущий вал элеватора; 4 - ведущая звездочка полотна элеватора (эксцентриковая звездочка); 5 - приводные эксцентриковые звездочки элеватора
