CC BY
19
УДК 630.36/.37
Хвойные бореальной зоны. 2021. Т. XXXIX, № 2. С. 128-135
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НА ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЯ ЛЕСОТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ
В. С. Байделюк, Я. С. Гончарова
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: baydelyuk@bk.ru
Представлены результаты исследовательской работы, цель которой - исследовать влияние неустановившихся нагрузочных режимов на динамические характеристики дизельного автотракторного двигателя лесо-транспортной машины. В статье предлагается методика полунатурных испытаний дизельного двигателя и лабораторная экспериментальная установка для исследования влияния неустановившихся режимов работы двигателя на его выходные параметры (Меф, oj(f), h(f), Рм, tвг); приведены результаты исследования влияния неустановившихся нагрузочных и скоростных режимов работы двигателя на выходные параметры; установлено, что для двигателя ЯМЗ-238НБ существует диапазон частот (f = 0,7... 0,9 Гц) изменения момента сопротивления Мс на коленчатом валу, в котором возможно максимальное отклонение основных параметров от средних значений их на сопоставимы установившихся режимах; на основании анализа амплитудно-частотных характеристик колебаний рейки топливного насоса установлено, что в данном диапазоне частот (f = 0,7.0,9 Гц) изменения Мс наблюдается совпадение частот вынужденных колебаний с собственной частотой чувствительного органа регулятора, что приводит систему «двигатель-регулятор» в резонансное состояние.
Ключевые слова: дизельный автотракторный двигатель, неустановившийся режим работы, выходные параметры двигателя.
Conifers of the boreal area. 2021, Vol. XXXIX, No. 2, P. 128-135
STUDIES OF THE INFLUENCE OF TRANSIENT OPERATING MODES ON THE OUTPUT PARAMETERS OF THE ENGINE OF A FOREST TRANSPORT MACHINE
V. S. Baidelyuk, Ya. S. Goncharova
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: baydelyuk@bk.ru
The article presents the results of a research work aimed at investigating the effect of unsteady load conditions on the dynamic characteristics of a diesel tractor engine of a forest transport vehicle. The article offers a method of semi-natural tests of a diesel engine and a laboratory experimental setup for studying the influence of unsteady engine operation modes on its output parameters (Me(f), a>(f), h(f), RM, TVG). The results of the study of the influence of unsteady load and speed modes of the engine on the output parameters are presented; it is established that for the YAMZ-238NB engine, there is a frequency range (f = 0.7...0.9 Hz) of changes in the moment of resistance MS on the crankshaft, in which the maximum deviation of the main parameters from their average values is possible in comparable steady-state modes; based on the analysis of the amplitude-frequency characteristics of the fuel pump rail vibrations, it was found that in this frequency range (f = 0.7... 0.9 Hz) of the MS change, the frequency of forced oscillations coincides with the natural frequency of the regulator's sensitive organ, which leads the engine-regulator system to a resonant state.
Keywords: diesel tractor engine, unsteady operation mode, output parameters of the engine.
ВВЕДЕНИЕ
Россия обладает самыми большими в мире запасами ленных ресурсов (22 % от мировых запасов). В составе лесов России хвойные древесные породы занимают более 80 % (лиственница 39 %, сосна 17 %, ель 11 %, кедр 6 %), основные запасы которой находятся северных и восточных регионах России, характеризующихся сложными климатическими условиями, рельефом и составом почв. Для промышленного
использования лесных ресурсов в настоящее время все больше используется лесозаготовительная техника, оснащенная мощными дизельными двигателями общего назначения, которые проектировались без учета особенностей работы в условиях освоения лесных ресурсов.
Лесотранспортные и технологических машины, работающие в лесной промышленности, следует рассматривать как самостоятельный класс машин,
имеющих свою специфику использования и свои условия работы, характеризующиеся местностью, климатом, временем года, состоянием дороги или волока, влажностью грунта, технологией использования машин и др. [2; 3; 7]. Эксплуатация машин в этих условиях отличается повышенной интенсивностью изменения скоростных и нагрузочных режимов в широком диапазоне амплитуд и частот. Быстро изменяющиеся во времени силы сопротивления перемещению машины по волоку или лесосеке оказывают значительное влияние на работу двигателя, его загрузку, вызывают неустановившиеся режимы работы двигателя, что сказывается на его надежности, экономичности и долговечности.
Наиболее достоверная оценка надежности дизельного двигателя может быть произведена в реальных условиях эксплуатации. Но эксплуатационные испытания требуют значительного количества времени и средств, а полученные результаты имеют большой разброс, что требует одновременного проведения ряда испытаний. Кроме того при эксплуатационных испытаниях трудно, а часто и невозможно, определить влияние на износ двигателя отдельных факторов. Поэтому стендовые лабораторные испытания двигателей на надежность приобрели широкое распространение. Они позволяют значительно сократить сроки и материальные затраты на испытания, а также повысить идентичность результатов исследований. Однако стендовые испытания двигателей по ГОСТ 18509-88 не обеспечивают ряда факторов, влияющих на долговечность двигателей в условиях эксплуатации, а в паспорте двигателя технические характеристики двигателя не включаются его динамические характеристики, важные для двигателя, работающего в условиях неустановившихся режимов.
Особые трудности возникают при исследовании влияния неустановившихся режимов на износ основных деталей двигателя. Это обусловлено тем, что се-рийно-выпускаемые испытательные стенды не позволяют в лабораторных условиях моделировать эксплуатационные режимы работы двигателя, отсутствуют стандартные требования к методикам таких испытаний, а также нет единого мнения о понятии «неустановившийся режим работы двигателя». Такое положение вынуждает исследователей самостоятельно разрабатывать методики и оборудование для испытания двигателей на неустановившихся режимах работы, вводить критерии неустановившихся режимов. Анализ применяемых методик и установок для исследования двигателей на неустановившихся режимах работы показал, что в большинстве своем они не позволяют моделировать широкий спектр эксплуатационных нагрузок.
Так, разработанные Канарчуком В. Е. [5] и Хруш-ковым П. П. [12] методики и установки позволяют вести исследования неустановившихся режимов и влияние их на износостойкость автотракторных двигателей. Неустановившийся режим рассматривается как совокупность переходных процессов скоростного режима, длительность и последовательность которых определяется дисбалансами моментов двигателя и потребителя мощности, возникающими в условиях эксплуатации.
Однако источники [5; 12], с целью определения влияния отдельных параметров неустановившихся режимов на интенсивность изнашивания двигателя искусственно поддерживали один из них (скорость или нагрузку) постоянными, что не отражает эксплуатационных условий, где одновременно происходит изменение нагрузки на двигатель и угловой скорости его вала.
Оригинальный способ устранения последнего недостатка, присущего перечисленным выше методикам, предложен В. П. Антипиным [1]. При помощи электротормозного стенда СТЕУ-28-1000, в цепь статора которого включен 3-х фазный магнитный усилитель, управляемый низкочастотным генератором периодических колебаний, на коленчатом валу испытуемого двигателя создавалась нагрузка, изменяющая по гармоническому закону в диапазоне (0,01.. .2.0) Гц. Недостатком предложенного способа воспроизведения переменных нагрузок на валу испытуемого двигателя является то, что с увеличением мощности тормозного устройства свыше 100 кВт растет постоянная времени установки, т. е. тормозное устройство не позволяет воспроизводить нагрузки, изменяющиеся с частотой более 1,5 Гц.
Из анализа существующих методик исследования неустановившихся режимов работы автотракторных двигателей следует, что они не позволяют решать поставленные выше задачи исследования характеристик автотракторных двигателей мощностью более 100 кВт. Это обстоятельство потребовало разработки специальной установки и методики исследования амплитудно-фазовых частотных характеристик двигателя и методики исследования влияния неустановившихся режимов на износ дизельного двигателя мощностью более 100 кВт. Разработка методики велась в соответствии с требованиями ГОСТ 18509-88 на основании анализа условий эксплуатации лесотранс-портных машин.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Разработать методику моделирования эксплуатационных нагрузочных режимов работы для исследования динамических характеристик дизельного двигателя.
2. Создать экспериментальную лабораторную установку для проведения исследований влияния неустановившихся режимов работы на выходные параметры (динамические характеристики) дизельного тракторного двигателя и исследования влияния неустановившихся режимов работы на износ двигателя
3. Исследовать влияние амплитуды и частоты изменения нагрузки на динамические характеристики двигателя ЯМЗ 238НБ.
МЕТОДИКА И УСТАНОВКА
ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ
Исследования эксплуатационных режимов трелевочных тракторов [2; 3; 8] показали, что в любой момент времени текущее значение сил сопротивления определяется двумя составляющими: постоянной, равной (0,75-0,85) Мн, и переменной, равной 0,15 Мн -номинального момента двигателя.
Частотный спектр изменения сил сопротивления можно разделить на две зоны [7]: первая зона характеризует медленное протекание процесса с периодом изменения (Т) более 10 сек < 0,1 Гц. Изменение сил в этом диапазоне доступно для регулирования регулятору двигателя и человеку. Они определяются изменением макроусловий и учитываются уравнением тягового баланса. Достаточно полной характеристикой их является математическое ожидание (цх) или среднее значение и дисперсия (Бх), так как постоянная времени двигателя (Тд) значительно меньше периода изменения этих сил и реакция двигателя на их воздействие заранее известна.
Вторая зона частот характеризует быстропроте-кающие процессы с периодом менее 10 сек (0,1 Гц), которые доступны для регулирования лишь регулятору двигателя. Эти силы уравнением тягового баланса не учитываются и могут быть охарактеризованы спектральной плотностью случайного процесса, описывающей микроусловия, в которых работает машина.
В связи с отсутствием единого мнения о физической сущности неустановившегося режима работы двигателя целесообразно принять в качестве основного элемента, определяющего его, процесс перехода от одного скоростного режима к другому [11] под воздействием изменения момента сопротивления Мс, как наиболее полно характеризующего работу тракторного двигателя в условиях эксплуатации.
В условиях эксплуатации машин на лесозаготовках неустановившиеся режимы работы двигателей машин носят случайный характер как по частоте, так и по амплитуде. Воспроизвести весь спектр нагрузок в полном объеме в лабораторных условиях крайне сложно, поэтому при разработке установки для исследования износа двигателя было предложено загрузку двигателя вести по гармоническому закону, что согласно первой теореме В. А. Котельникова [9] любую функцию (в том числе и описывающую случайный процесс), имеющую спектр частот от нуля до максимума, можно разложить в ряд по горизонтали, причем с увеличением номера гармоники ее частота возрастает, а амплитуда уменьшается, что наблюдается в природе.
Метод гармонического загружения двигателя не противоречит исследованиям академика В. Н. Болтин -ского [10], где указывается, что в эксплуатационных условиях момент сопротивления на валу двигателя изменяется по квазигармоническому закону.
На основании выше изложенного была разработана методика [4] полунатурных испытаний дизельного двигателя и лабораторная экспериментальная установка для исследования влияния неустановившихся режимов работы двигателя на его выходные параметры. В качестве объекта исследований был выбран двигатель ЯМЗ-238НБ, используемый на тракторах К-700, К-703, К-744 и автомобиле КрАЗ-255Л широко используемых в лесной промышленности.
Испытаниям подвергался новый двигатель ЯМЗ-238НБ серийного производства, прошедший обкатку на стенде в течение 60 часов по режимам рекомендованным заводом-изготовителем, после чего двигатель был оснащен дополнительными датчиками
контроля основных параметров работы двигателя и выполнены все работы, связанные с подготовкой двигателя к испытаниям. Был снят ограничитель мощности и дополнительно двигатель отработал в течение 16 часов на режиме Ме = 80 кГм (800 Нм), п = 1500 об/мин, Ыг = 170 л. с. (125 кВт), с целью дополнительной обкатки и отработки методики испытаний.
Перед началом проведения исследований двигателя ЯМЗ-238НБ на тормозном стенде, согласно ГОСТ18509-88, определялись номинальные и максимальные значения эффективной мощности и крутящего момента, часового и удельного расхода топлива по внешней скоростной характеристике на частотах вращения коленчатого вала, соответствующих этим значениям. Одновременно производились измерения: угловой скорости коленчатого вала ю, тормозного момента Мс, эффективного крутящего момента Ме, положения рейки топливного насоса к, давления масла в системе смазки Рм, температуры выхлопных газов /вг, индикаторных показателей двигателя Рг. Все перечисленные показатели записывались на осциллограмму.
Экспериментальная установка для исследования неустановившихся режимов работы двигателя ЯМЗ-238НБ состоит из нагрузочного устройства, рамы для установки испытуемого двигателя, программного устройства, системы контрольно-измерительных приборов и регистрирующей аппаратуры (рис. 1).
В качестве нагрузочного устройства используется серийно выпускаемый испытательный стенд КИ-598Б (асинхронная балансирная машина АКБ-92-8, мощностью 55 кВт) и нагрузочный порошковый тормоз ПТ-250 М, мощностью 50 кВт. Общая тормозная мощность нагрузочного устройства составляет 160 кВт (220 л. с.).
Испытуемый двигатель устанавливается на раме (передняя полурама трактора К-700) и соединяется с нагрузочным устройством посредством карданного вала.
Программным устройством установки служит низкочастотный генератор периодических колебаний НГПК-3, который задает закон изменения нагрузки в виде синусоиды, треугольных, пилообразных или прямоугольных импульсов в диапазоне 0,06-100 герц. Погрешность установки частоты в диапазоне 0,1-100 Гц составляет - 3%; стабильность амплитуды - - 0,1 %.
Установка работает следующим образом (рис. 2): низкочастотный генератор НГПК-3 генерирует периодические или синусоидальные сигналы, которые усиливаются усилителем У и поступают на обмотку возбуждения порошкового тормоза ПТ, тормозной момент которого изменяется по закону тока возбуждения. Таким образом, порошковый тормоз воспроизводит переменную составляющую момента сопротивления, которая суммируется с постоянной составляющей, воспроизводимой испытательным стендом КИ, и приходит на вал испытуемого двигателя.
Величина постоянной составляющей момента сопротивления устанавливается тормозным стендом КИ путем изменения величины нагрузочных сопротивлений Я в цепи ротора балансирной машины.
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки:
1 - двигатель ЯМЗ-238НБ; 2 - стенд КИ-598Б; 3 - порошковый тормоз ПТ-250М
В таком режиме установка работает на частотах изменения момента сопротивления более 1,5 герц. В диапазоне частот менее 1,5 Гц тормозной стенд КИ-598Б не обеспечивает прямолинейной зависимости постоянной составляющей момента сопротивления, поэтому в диапазоне частот (0,1-1,5)Гц переменная составляющая момента сопротивления моделируется тормозом КИ, а постоянная составляющая - порошковым тормозом ПТ. В этом случае программное устройство, с помощью переключателя Пк, отключается от обмотки возбуждения порошкового тормоза и подключается к управляющей обмотке магнитного усилителя МУ в цепи питания тормоза КИ. Магнитный усилитель обеспечивает изменение тока в цепи статора тормоза КИ, а следовательно, и тормозного момента по закону, заданному программным устройством. Постоянная составляющую момента сопротивления в этом случае обеспечивается порошковым тормозом ПТ, обмотка возбуждения которого подключается к источнику постоянного тока. В силу особенностей конструкции и характеристик порошкового тормоза, тормозной момент Мс не изменяется при колебании частоты вращения вала до 200 об/мин.
Исследование влияния переменных нагрузок на выходные параметры двигателя
Двигатель лесотранспортной машины, являясь активным динамическим объектом, по-разному реагирует на внешние воздействия изменяющиеся в широком диапазоне частот и амплитуд. Исследования влияния динамических свойств двигателя на технико-экономические показатели при быстроменяющейся во времени нагрузке на коленчатом валу сводится к на-
хождению, прежде всего, динамических характеристик выходных параметров (угловой скорости коленчатого вала ю и момента Ме) как определяющих показателей его надежность и ресурс.
Из теории автоматического регулирования [13] известно, что одна и та же динамическая система по разному реагирует на различные входные воздействия. В качестве динамических характеристик двигателя были приняты амплитудно-частотные (АЧХ) и фа-зо-частотные (ФЧХ) характеристики, отражающие реакцию двигателя на внешние воздействия. АЧХ двигателя определялись: по моменту двигателя - как отношение момента двигателя к моменту сопротивления Ме(/)/ Мс(/); по угловой скорости - как отношение угловой скорости коленчатого вала к моменту сопротивления ю(/)/ Мс(/). Амплитудные значения момента двигателя Ме, угловой скорости коленчатого вала ю, а также положение рейки топливного насоса И, определялись по осциллограмме как отклонения их от средних установившихся значений.
Фазо-частотные характеристики определялись по осциллограммам как сдвиг по фазе между входным /Мс(/)/ и выходными /Ме(/), ю(/), И(/)/ параметрами.
Частотные характеристики двигателя ЯМЗ-238НБ определялись на экспериментальной установке при синусоидальном изменении момента сопротивления в диапазоне частот, наиболее характерных для работы двигателя в эксплуатационных условиях (/ = 0,05-5,0 Гц), в регуляторной области скоростной характеристики. На рис. 3 приведен образец осциллограммы изменения выходных показателей двигателя /Ме(/), ю(Д И(/), Рм, 4г/ при нагрузке Мс = 745Нм, ю = 136 1/с, 5 = 0,20, / = 0,8 Гц. Записи осциллограмм
показывают, что выходные параметры двигателя, также как и момент сопротивления имеют синусоидальный характер, но с некоторым запаздыванием по фазе.
По экспериментальным данным, полученным при расшифровке осциллограмм, построены графики амплитудно-частотных характеристик (рис. 4).
Из анализа графиков АЧХ и ФЧХ угловой скорости коленчатого вала следует, что увеличение частоты изменения входного момента сопротивления от 0,05 до 0,15 Гц не сопровождается заметными изменениями в отклонениях угловой скорости от установившихся колебаний. Однако, начиная с частоты от 0,2 Гц до 0,8 Гц амплитуда отклонений угловой скорости коленчатого вала резко возрастает, достигая своего максимума на частоте 0,8 Гц, что неблагоприятно сказывается на организации рабочих циклов двигателя, являясь причиной увеличения динамических нагрузок на его детали, а следовательно, способствует интенсификации износа на этих частотах. Дальнейшее увеличение частоты изменения входного момента сопротивления от 0,8 до 1,25 Гц сопровождается затуханием амплитуды колебаний угловой скорости от максимального значения 11 1/с (на частоте 0,8 Гц), до 6,0 1/с (на частоте 1,25 Гц). Изменение частоты от 1,25 Гц до 3,0 Гц и выше сопровождается экспоненциальным затуханием амплитуды угловой скорости до 0,4 1/с,
что не вызывает заметных колебаний рейки топливного насоса, а следовательно, и нарушений в организации рабочего цикла двигателя.
Влияние переменных нагрузок на давление масла в системе смазки и угловые ускорения коленчатого вала двигателя
При работе двигателя на неустановившихся режимах в регуляторной области скоростной характеристики практический интерес представляет изменение угловых ускорений коленчатого вала и давления в системе смазки в зависимости от частоты изменения момента сопротивления как параметров, влияющих на интенсивность изнашивания основных деталей двигателя.
Угловое ускорение вала подсчитывалось по формуле
£ = / ск (1/с2),
где й?ю - приращение угловой скорости коленчатого вала за время А =Дт.
На частотах выше 3 Гц угловые ускорения коленчатого вала не превышают 0,5 1/с2, т. е. эти частоты двигатель фильтрует и режим работы его можно считать установившимся. Низкочастотные составляющие амплитуды колебаний давления масла в системе смазки фильтруются на частотах более 2 Гц. Изучение данных расшифровки осциллограмм представлены графиком на рис. 5.
Рис. 3. Осциллограмма испытания двигателя на частоте / = 0,8 Гц:
Мк (ме) - крутящий момент; ВМТ - отметка верхней мертвой точки поршня 1-го цилиндра; п _ частота вращения коленчатого вала; к _ колебания рейки топливного насоса; ¿ог _ температура отработанных газов в выпускном коллекторе; Мн - переменная составляющая нагрузки; Р\ - давление газов в камере сгорания 1-го цилиндра
ММ
/Мс
Ме/Мс2
20- 1
0,8
16 "
0,6
12 "
0,4
8 0,2
4 J
0
M(c.cp)=74 5 hm
w» W/ ti t
\íi)
/i
ül/Mc 1/(с+нм) 10
6 4
0,4 0,8 1,2 1,6
2,4 2,8 3,2 3,6
f- Гц
Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики двигателя ЯМЗ-238НБ
Из графика видно, что с увеличением частоты изменения момента сопротивления Мс, ускорения вала е и амплитуда колебаний давления Арм в системе смазки растут, достигая своих максимальных значений
Арм
(е = 54 1/с2; Арм = 4-104 Н/м2) на частоте 0,8 Гц. Даль-
нейшее увеличение частоты изменения Мс ведет к снижению угловых ускорений коленчатого вала и амплитуды колебаний давления масла.
Влияние переменных нагрузок на динамические показатели рабочего цикла двигателя
Выше отмечалось, что в течение периода изменения нагрузки наблюдаются фазовые отставания выходных параметров двигателя, которые имеют самые неблагоприятные сочетания на частоте 0,8 Гц и отрицательно влияют на показатели рабочего цикла. Рис. 6 иллюстрирует характер изменения основных показателей двигателя (Ме; ю; е; И; Р; ДР/Дф) за период изменения момента сопротивления на частоте 0,8 Гц в регуляторной области характеристики при Мсср = 745 Нм, ю = 1361/с, 5к = 0,20. Такой режим работы двигателя является наиболее характерным для условий эксплуатации трелевочных тракторов [2; 3; 7].
На рис. 6 и 7 видно, что все выходные параметры двигателя отстают по фазе от момента сопротивления Мс: Ме - на 1/4 Т, ю - на 1/2 Т, И - 1/8Т, Рг - на 3/8Т, (ДР/Дф)ср - на 3/8Т. На этой частоте имеет место превышение амплитуды колебаний момента двигателя над моментом сопротивления на 11 %. Момент двигателя достигает максимума при сбросе нагрузки в мо-
мент 0,75Т, когда Мс = Мсср, что ведет к значительному росту угловой скорости ю и ускорения е.
При сбросе нагрузки в первой четверти периода изменения ее (0...0,25 Т) наблюдается снижение максимального давления цикла Р2 и среднего нарастания давления (ДР/Дф)ср за счет уменьшения момента двигателя Ме (максимальная цикловая подача топлива за период). Во второй четверти периода изменения нагрузки момент двигателя растет (рост £ц), что ведет к увеличению динамических показателей (Рг, ДР/Дф), которые достигают своего максимального значения [Рг = 9,0 мН/м2(92 кг/см2); (ДР/Дф)ср = 29,6 МН/м2-рад (5,28 кг/см2-град)] к середине последней четверти периода (0,85 Т) изменения момента сопротивления Мс. Минимальных значений динамические показатели цикла [Рг = 7,4 мН/м2 (75 кг/см2); (ДР/Дф)ср = 19,7
кг/см -град)]
ср
достигают
при
МН/м2-рад (3,52 (0,25...0,30)Т.
Следует отметить, что, несмотря на симметричный характер колебаний рейки топливного насоса, относительное ее положение при установившемся режиме, динамические показатели цикла такой симметрии не сохраняют (рис. 7). Максимальное значение Рг, на 12,5 % больше при 0,875Т, а наименьшее значение Р, на 8 % меньше, чем Рг, на соответствующем установившемся режиме. Еще больше отклонение от установившегося режима имеет среднее нарастание давления: ДР/Дф)ср на 32 % больше при 0,875Т и на 10 % меньше при 0,30Т (рис. 7).
60
1/сА
40
30
20
10
Мс. С1з = 745 нм , = 136 1/с £
ч е
0.4
0,8
1.2
1,6
2,4
2,8
3.2
О)
3,6
£2л
Рис. 5. Зависимость ускорений коленчатого вала ё и амплитуды колебаний давления масла арм в системе смазки двигателя ЯМЗ-238НБ от частоты изменения момента сопротивления мс
Рис. 6. Изменение выходных показателей ме, ю, £ двигателя ЯМЗ-238НБ за период изменения нагрузки на частоте 0,8Гц
к. Рг, р-2 ДР/Ду
О 0.25 0.5 0 75 1,0 1.25 1,5 Т
Рис. 7. Изменение выходных и динамических показателей к, Рг, ДР/Дф, Рм(б) двигателя ЯМЗ-238НБ за период изменения нагрузки на частоте 0,8Гц
Значительное увеличение динамических показателей во втором полупериоде изменение момента сопротивления (сброс нагрузки) объясняется ростом момента двигателя и угловых ускорений коленчатого вала за счет увеличения цикловой подачи топлива (при 0,875Т - £ц достигает максимума). Изменение момента двигателя Ме и углового ускорения коленчатого вала е совпадают по фазе. Рост ускорений увеличивает период задержки воспламенения и продолжительность третьей фазы впрыска топлива (впрыск топлива после посадки нагнетательного клапана, вследствие расширения топлива, находящегося между клапаном и распылителем форсунки), что ведет к повышению «жесткости» рабочего процесса двигателя.
Из приведенного анализа влияния переменных нагрузок на показатели двигателя следует, что на неустановившихся режимах работы двигателя имеет место значительное увеличение динамических показателей рабочего цикла (Рг - на 12,5 %; ДР/Дф)ср - на 32 %), по сравнению с сопоставимыми установившимися режимами. Увеличение динамических показателей цикла («жесткости» рабочего процесса) ведет к увеличению удельных динамических нагрузок на сопряжения, а следовательно, и к повышению интенсивности износа основных деталей двигателя при работе на неустановившихся режимах.
ВЫВОДЫ
1. Предложенная методика исследования автотракторных двигателей на неустановившихся режимах работы позволяет оценивать их динамические свойства, исследовать влияние этих режимов на показатели рабочего цикла двигателей внутреннего сгорания, в условиях, максимально приближающихся к эксплуатационным.
2. Разработана и создана экспериментальная лабораторная установка, позволяющая создавать на валу испытуемого двигателя постоянные с различным уровнем нагрузки, а также переменные синусоидальные, импульсные и стохастические с диапазоном 60 Дб.
Предложенная методика и разработанная установка могут быть использованы для проведения ускорен-
ных износных испытаний автотракторных двигателей по заданной программе, не прибегая к натурным эксплуатационным испытаниям.
3. Экспериментально установлено, что для двигателя ЯМЗ-238НБ существует диапазон частот изменения момента сопротивления на коленчатом валу (/" = 0,7...0,9 Гц), в котором возможно максимальное отклонение основных параметров от средних значений их на сопоставимы установившихся режимах.
На основании анализа амплитудно-частотных характеристик рейки топливного насоса установлено, что в данном диапазоне частот (/= 0,7.0,9 Гц) изменения Мс наблюдается совпадение частот вынужденных колебаний с собственной частотой чувствительного органа регулятора, что приводит систему «двигатель-регулятор» в резонансное состояние.
4. Экспериментальными исследованиями установлено, что выходные параметры двигателя при синусоидальном изменении момента сопротивления в ре-гуляторной области характеристик так же изменяются по синусоидальному закону той же частоты, но с некоторым запаздыванием по фазе. Максимальное отклонение по амплитуде от средних установившихся значений все параметры достигают на частоте переменной составляющей, равной 0,81 Гц. В этих условиях наблюдается запаздывание по фазе угловой скорости на 1/2 Т, момента двигателя - на 1/4 Т, рейки топливного насоса - на 1/8 Т.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Антипин В. П., Сущевский М. Я., Табаков Е. П. Стенд для испытания двигателей внутреннего сгорания и трансмиссий. А.с. № 353169; опубл. 29.09.72. Бюл. № 29, 1972.
2. Анисимов Г. М., Галямичев В. А., Гольдберг А. М. Исследование эксплуатационных режимов трактора ТДТ-55 // Известия вузов. Лесной журнал. 1968. № 2. С. 57-73.
3. Лысоченко А. А. Анализ работы трелевочного трактора. М. : Тракторы и сельхозмашины, 1962. № 1. С. 19-20.
4. Байделюк В. С. Исследование влияния неустановившихся нагрузочных режимов на износ двигате-
лей лесотранспортных машин : дис. ...канд. техн. наук. Л., 1974. 136 с.
5. Канарчук В.Е. Влияние неустановившихся режимов работы на износ двигателя ЗИЛ-130. М. : Автомобильная промышленность, 1966. № 11. С. 1-3.
6. Галямичев В. А. Исследование эксплуатационных режимов работы трелевочного трактора ТДТ-55 на лесозаготовках : дис. ... канд. техн. наук. Л., 1969. 161 с.
7. Васильев К. В. Исследование загрузки двигателя трелевочного трактора ТДТ-40 : дис. .канд. техн. наук. Л., 1962. 128 с.
8. Эгипти А. Э., Прохоров В. Б., Романенко В. И Исследование эксплуатационных режимов работы колесного трактора К-703 в условиях северо-западной зоны. Реферативная информация о законченных НИР в вузах лесотехнического профиля. Машины и механизмы лесной промышленности. Л. : РИО ЛТА. 1974. С. 107-109.
9. Котельников В. А. Теория потенциальной помехоустойчивости. М., Госэнергоиздат, 1966.-306 с.
10. Болтинский В. Н. Мощность тракторного двигателя при работе с неустановившейся нагрузкой и ее определение. Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1959. № 2. С. 3-8; № 4. С. 13- 16.
11. Леонов О. Б. Неустановившийся режим двигателя // Известия вузов. Машиностроение. 1968. № 8. С. 114-118.
12. Хрушков П. П. Исследование рабочих процессов износостойкости тракторного двигателя в условиях неустановившихся эксплуатационных режимов : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л., 1972. 14 с.
13. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М., 1972. 768 с.
REFERENCES
1. Antipin V. P., Sushchevsky M. Ya., Tabakov E. P. Stand for testing internal combustion engines and transmissions. A. S. No. 353169; publ. 29.09.72. Byul. No. 29, 1972.
2. Anisimov G. M., Galyamichev V. A., Goldberg a.m. Research of operating modes of the TDT-55 tractor // Izvestiya vuzov. Lesnoy Zhurnal, 1968, No. 2, Р. 57-73.
3. Lysochenko A. A. Analysis of the skidding tractor. Moscow, Tractors and agricultural machines. 1962, No. 1, P. 19-20.
4. Baidelyuk V. S. Investigation of the influence of unsteady load conditions on the wear of engines of forest transport vehicles : dis. ... kand. techn. sciences. Leningrad, 1974, 136 p.
5. Kanarchuk V. E. Influence of unsteady operating modes on wear of the ZIL-130 engine. Moscow, Automobile industry. 1966, No. 11, P. 1-3.
6. Galyamichev V. A. Research of operational modes of operation of the TDT-55 skidding tractor on logging operations : dis. ... kand. techn. sciences. Leningrad, 1969, 161 p.
7. Vasiliev K. V. Study of engine loading of the TDT-40 skidder tractor : dis. ... kand. techn. sciences. Leningrad, 1962, 128 p.
8. Egipti A. E., Prokhorov V. B., Romanenko V. and Research of operating modes of the K-703 wheeled tractor in the conditions of the North-West zone. Abstract information about completed research in higher education institutions of forest engineering profile. Machines and mechanisms of the forest industry. Leningrad, RIO LTA. 1974, P. 107-109.
9. Kotelnikov V. A. Theory of potential noise immunity. Moscow, Gosenergoizdat, 1966, 306 p.
10. Boltinsky V. N. power of a tractor engine when working with an unsteady load and its definition // Mechanization and electrification of socialist agriculture. 1959, No. 2, P. 3-8; No. 4, P. 13-16.
11. Leonov O. B. Unsteady engine mode. News of universities // Mechanical engineering. 1968, No. 8, P. 114-118.
12. Hrushkov P. P. Study of working processes of wear resistance of a tractor engine in conditions of unsteady operating conditions : abstract of the dis. ... kand. techn. Sciences. Leningrad, 1972, 14 p.
13. Besekersky V. A., Popov E. P. Theory of automatic control systems. Moscow, 1972, 768 p.
© Байделюк В. С., Гончарова Я. С., 2021
Поступила в редакцию 15.05.2020 Принята к печати 19.03.2021
