Методика определения топливной экономичности бензомоторных пил Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.931 И.К. Александров, И.В. Григорьев, В.А. Иванов,

Ю.М. Елизаров, Ю.Н. Чуднов

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ БЕНЗОМОТОРНЫХ ПИЛ

В статье предлагается методика определения оптимальной мощности и топливной экономичности бензомоторных пил. Авторы пришли к выводу, что выбор оптимального двигателя внутреннего сгорания бензомоторной пилы, соответствующего расчетным топливно-энергетическим показателям, производится на основании его внешних скоростных характеристик.

Ключевые слова: бензомоторные пилы, топливная экономичность, мощность двигателя внутреннего сгорания.

I.K. Alexandrov, I.V. Grigoryev, V.A. Ivanov, Yu.M. Yelizarov, J.N. Chudnov

TECHNIQUE FOR PETROL SAWS FUEL ECONOMY DETERMINATION

The technique for determination of petrol saws optimum capacity and fuel economy is offered in the article. The authors drew a conclusion that the choice of an optimum internal combustion engine of petrol saw corresponding to the calculated fuel and energy indicators is made on the basis of its external speed characteristics.

Key words: petrol saws, fuel economy, internal combustion engine power.

Известно, что бензомоторные пилы относятся к группе ручных механизированных инструментов, у которых главное рабочее движение осуществляется за счет работы двигателя, а вспомогательные движения и управление выполняются путем воздействия рабочего на инструмент вручную.

В зависимости от мощности двигателя и массы бензомоторные пилы могут быть разделены на следующие группы: легкие; относительно легкие; средние; тяжелые.

Легкие и относительно легкие типы (сухой вес 6,5-8 кг, мощность двигателя до 1,5 кВт) используются на валке мелкого леса, рубках ухода, раскряжевке хлыстов, хозяйственных работах. Пилы среднего класса (сухой вес 9-11 кг, мощность двигателя до 4 кВт) являются основным механизмом на механизированной валке деревьев, тяжелые пилы предназначены для разработки крупномерных древостоев, а также пиления твердых пород. Масса этой группы находится в пределах 12 кг и более, а мощность двигателя 15 кВт и более. На практике эти пилы имеют ограниченное применение.

К конструкции моторных пил предъявляются следующие основные общие требования: возможно меньший вес; достаточная мощность двигателя для обеспечения необходимой производительности работ; удобство в работе и при переноске; простота обслуживания и ремонта; легкость запуска двигателя; надежность и долговечность инструмента; невысокие эксплуатационные затраты; небольшой шум при работе и вибрация на рукоятках пилы (не должны превышать санитарных норм).

В настоящее время существуют рекомендации по выбору основных параметров бензомоторных пил в зависимости от условий эксплуатации. Например, в [1] приведены рекомендации по выбору длины пильной шины и мощности двигателя пил, а в зависимости от района нахождения лесозаготовительного предприятия они даны в табл. 1-2.

Однако, как показал выполненный обзор и анализ работ по совершенствованию конструкции бензомоторных пил, нет научно обоснованной методики определения оптимальной мощности пилы, хотя данная характеристика является одной из важнейших при подборе пил в систему машин для конкретных природнопроизводственных условий.

В настоящее время при проектировании машин и механизмов используется методика расчета КПД механической трансмиссии [2], согласно которой получают его значение перемножением КПД всех элементов кинематической цепи.

КПД трансмиссии, подсчитанный как произведение постоянных коэффициентов, не может отражать влияния на него нагрузочных, скоростных и температурных режимов, вида и состояния смазки и некоторых других условий эксплуатации, что приводит к существенным расхождениям расчетных значений КПД с фактическими [3].

Тенденции развития конструкции бензомоторных пил, сводящиеся к установке все более быстроходных двигателей с пониженным крутящим моментом на валу, еще более снижает точность вычисления КПД.

Использование быстроходных двигателей зачастую бывает оправдано с точки зрения снижения общей металлоемкости и соответственно массы (что чрезвычайно важно с точки зрения ручного моторного инструмента), поскольку масса скоростного двигателя снижется на большую величину, нежели возрастает.

Таблица 1

Величины рабочей длины пильной шины для различных лесоэксплуатационных районов РФ

при выполнении работ на валке леса

Район Рабочая длина шины,см Район Рабочая длина шины, см

Север 44,5 Западная Сибирь 5G,5

Северо-Запад 5G,5 Красноярский край 62,5

Северо-Восток 53,5 Иркутская обл. 63,5

Урал 56,5 Дальний Восток 68,5

Таблица 2

Рекомендуемые мощности двигателя бензомоторных пил для заготовки леса в различных лесоэксплуатационных районах РФ

Лесоэксплуатационный район Преобладающая порода Средний объем хлыста, м3 Рекомендуемая мощность, КВт

Север Ель G,23 2,2—2,6

Северо-Запад Ель G,24 2,2—2,6

Северо-Восток Ель G,37 3,G

Урал Ель G,4G 3,G

Западная Сибирь Сосна G,36 3,G

Восточная Сибирь Лиственница G,68 3,5-4,5

Дальний Восток Сосна, кедр G,8G 3,5-4,5

Последнее условие соблюдается в тех случаях, когда рабочие органы остаются консервативными в отношении увеличения скоростного режима, но сохраняют потребность в больших усилиях при взаимодействии со средой. Отметим, что современные тенденции развития основного режущего инструмента бензомоторных пил - пильных цепей - как раз ведут к уменьшению потребной величины крутящего момента за счет использования мелкозвенных цепей с небольшой подачей на зуб. Такое конструктивное решение еще в большей мере оправдывает применение быстроходных двигателей, так как при наличии быстроходного режущего инструмента не требуется существенного удлинения кинематической цепи.

В идеале следует стремиться к такому конструктивному решению, когда двигатель устанавливается непосредственно на рабочий орган без передаточного механизма. Однако следует учитывать, что при изменении параметров рабочего органа в сторону повышения его быстроходности могут возникнуть условия для снижения его конвертирующей способности. Поэтому для оценки энергетической эффективности рассматриваемых конструктивных решений необходимо проведение сопоставительных экспериментальных исследований.

Согласно методике [3], для определения оптимальности мощностных параметров и топливной экономичности бензомоторных пил может быть предложена следующая последовательность:

1. За основу принимаем зависимости Пчп - f(H) и Суд = f(H) при со = const, где Пчп - производительность чистого пиления (основная технологическая характеристика любого режущего инструмента) (м2/с) (Пчn=НU, где U - скорость подачи (надвигания) пилы, м/с); Gm - удельный расход топлива (весовое

количество израсходованного топлива на единицу времени при заданных скоростных и нагрузочных режимах, г/с); Н - высота пропила (м), которая определяет нагрузочный режим пиления; ю - частота вращения коленчатого вала двигателя; рад/с.

Рис. 1. Графики Пчп - /(Н) и Ощ = /(Н) при постоянной частоте вращения вала двигателя (со = const)

2. Производительность чистого пиления - площадь пропила за фиксированное время Т:

S

П = —, мЧс.

ЧП т ’

Удельный расход топлива равносилен понятию мощности, т.е. количеству энергии, затраченной за единицу времени:

г -9-

Ьуд ™ >

где О - расход топлива за время работы Т, г, Энергоемкость процесса пиления

С

ш =

уущ

Уд

Т

G/T

G

J

г / м2

Пчп S/T

Предварительные исследования позволяют сделать допущение, что экспериментальные точки могут быть аппроксимированы линейными зависимостями в функции от нагрузочного режима пильной цепи, определяемого шириной пропила Н \

пчя=к1-н,

Ощ=К2-Н + ОудХ,

где K , K - константы аппроксимирующих функций; G ^ - удельный расход топлива на холостой ход пилы при заданной частоте вращения со. Причем, согласно определения Пчп, Ki=U (м/с).

GySX: - аналог мощности холостого хода пилы.

G дПОЛ = К2 Н- аналог полезной мощности на приводе пилы.

На основании указанных зависимостей представляем функциональную зависимость Wm = f(H).

w =Ш-щ км

G

удХ

кхн

= K + KJH, г/м2

где К=Ш1, или К=К2Ш.

Очевидно, что 1йп = К

при Н —>оо.

Используем понятие коэффициента С качества рабочих органов, который определяет способность рабочих органов, конвертировать полезную энергию (мощность) в продукцию:

П..=C.-G

удПОЛ

П..=C.-G

удПОЛ

Тогда С = ^ч"—, а, следовательно, К = —, т.е. величина обратная коэффициенту качества ра-

СудПСШ

бочих органов.

Функциональная зависимость ]¥щ = /(Н) является гиперболой, которая при увеличении аргумента асимптотически приближается к величине К (рис. 2).

3. С целью повышения точности определения функциональной зависимости Ощ = /(Н) требуется определить расход топлива на холостой ход пилы в зависимости от частоты вращения двигателя = /О) (Рис' 3).

О

ЬГ#=№

-Нм

Рис. 2. Функциональная зависимость = /(Н)

Рис. 3. Расход топлива на холостой ход пилы в зависимости от частоты вращения двигателя

си- =/0)

4. В целях фиксации расхода топлива за период Т получения данных наработки целесообразнее всего проводить продольное пиление сосновых брусков (досок) не менее 4-х типов по толщине Н. Естественно одной влажности и температуры.

5. Частота вращения двигателя фиксируется путем установки датчика в системе зажигания - счетчик оборотов N за время Т испытания. Единицы измерений частоты вращения:

0 , N г,

со = 2п— , рад/с или п = —, об/с .

6. Следует использовать регулируемый ограничитель положения дросселя. При нажатии гашетки до упора ограничителя и одновременном начале процесса пиления автоматически включается счетчик оборотов, секундомер и начинают отчет расхода топлива.

7. В каждой серии опытов подача (движение пильного аппарата относительно образца) остается неизменной AU - const, мм/с (см/с). Откуда S = Н ■ AU ■ Т.

8. Анализ может быть представлен на основе модернизированной стандартной функции Wm = f(M), где М текущее значение крутящего момент, а Мх момент холостого хода на приводном

валу двигателя М

1

М.,

■) при со = const

* с0+м-м.

Модернизация указанной функции заключается в следующем. Поскольку крутящий момент может быть определен как величина работы, совершенной на единицу круговой частоты вращательного движения

М = NIсо (Н ■ м = Дж),

то вполне приемлемо для сравнительного энергетического анализа представить М и Мх в виде адекватных соотношений

М = Оуд / со и Мх =ОудХ/со.

На основании указанного допущения принимаем в качестве рабочей формулы зависимость

Wy„= K (1 +

Gyd 1 С0 ~ GydX 1 (0

) = К( 1 +

G

удХ

g,.a-g

-) при со = const .

уд

удХ

^ - Щ„}

МудГР

GydX

1\К = (0,05.Д07)К

Gyg.zp/c

Рис. 4. Модернизированная стандартная функция Ww = /(М)

Допустимую погрешность в инженерных расчетах принимают в пределах 5-7%, на основании чего можно установить граничную величину ОудГР , определяющую нагрузочный режим работы двигателя (при

заданной частоте его вращения), при которой удельный расход топлива Ж ^ на единицу площади пиления близок к минимальной величине, равной К.

9. На основании ОудГР с учетом заданной частоты со вращения определяются параметры приводного двигателя. Для этого мы должны располагать внешними характеристиками существующих бензиновых двигателей или задать требования к приводному двигателю на основании существующих прототипов. Очевидно, что максимальный секундный расход приводного двигателя не должен быть меньше граничного значения СсМАХ > ОудГР, при котором обеспечивается нагрузочный режим пиления, соответствующий IV дГР.

Это является главным условием оптимальности двигателя внутреннего сгорания для данного конструктивного вида бензомоторной пилы.

Определив ОсМАХ, обосновываем мощность и режимные параметры двигателя на основе функциональной зависимости Ме = У (Ст.), так как эффективная мощность при работе ДВС по внешней скоростной характеристике определяется из известного соотношения

Ые = СсНТг/Д = Месо, Вт,

где НТ - теплотворная способность топлива, Дж/гр; Цд - КПД ДВС; Ме - эффективный момент двигателя, Н ■ м .

Соответственно имеем желаемую внешнюю механическая характеристика двигателя

1. Бит Ю.А., Григорьев И.В., Кацадзе В.А. Бензомоторные и электромоторные цепные пилы. Устройство. Эксплуатация. Приспособления. - СПб.: Профи-Информ, 2005. - 120 с.

2. Артоболевский И.И. Теория машин и механизмов. - М.: Наука, 1965.

3. Александров И.К. Расчет коэффициента полезного действия механической трансмиссии с учетом нагрузочных режимов. - Вологда, 1992. - 48 с.

со

/V

Вт

О

Ос. г/с

Рис. 5. Зависимость эффективной мощности от секундного расхода топлива

М,

Нм

М=П,о) г”/Втч

о

10, с

1

Рис. 6. Зависимость эффективного момента и удельного эффективного расхода топлива

от частоты вращения двигателя

Литература