МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АКТИВИРОВАННОГО ТОПЛИВА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

4

,,„ „„„,„,„,„„,„„. Jj Ставрополья

научно-практическии журнал

УДК 665.75:629.4.01 6.2 Дата поступления статьи в редакцию:

DOI: 10.31279/2222-9345-2021-10-41-4-9 02.03.2021 г.

А. Г. Арженовский, К. В. Коршенко, И. Н. Краснов

Arzhenovskii A. G., Korshenko K. V., Krasnov I. N.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АКТИВИРОВАННОГО ТОПЛИВА

METHODOLOGY FOR CALCULATING THE PERFORMANCE INDICATORS OF MACHINE-TRACTOR UNITS WHEN USING ACTIVATED FUEL

В настоящее время двигатели тракторов в составе машинно-тракторных агрегатов (МТА) сжигают в среднем до 75 % дизельного топлива, остальные же 25 % топлива, а также продукты неполного его сгорания выбрасываются в атмосферу, загрязняя её. Это вызывает необходимость повышения производительности машинно-тракторного агрегата и преодоления возникающих перегрузок улучшением мощностных и экономических показателей работы тракторов. Предложен способ и устройство для электромагнитной обработки дизельного топлива непосредственно перед подачей в цилиндры двигателя, обеспечивающие активацию его и улучшение сгорания, что оказывает положительное влияние как на повышение эффективной мощности энергетического средства (ЭС), увеличение производительности МТА, снижение удельного расхода топлива на выполнение сельхозра-бот, так и на повышение экологической безопасности выбросов продуктов сгорания топлива. В работе на основе предыдущих всесторонних исследований физических и химических свойств активированного топлива и процесса работы пахотного и посевного агрегатов в хозяйственных условиях с использованием такого дизельного топлива приведена последовательность расчёта параметров омагничивающего устройства и показателей эффективности эксплуатации МТА, оборудованных такими устройствами. Даны расчётные зависимости для определения магнитной проницаемости дизельного топлива, магнитной индукции, параметров провода и намотки его на корпус соленоида в составе топливопровода системы питания двигателя трактора как энергетического средства машинно-тракторного агрегата, скорости топлива в соленоиде и параметров электромагнитного воздействия на него при активации. Всё это послужило основой для дальнейшего определения в предлагаемой методике скорости движения, производительности МТА и удельного расхода топлива. Показана возможность существенного повышения показателей работы МТА в условиях использования активированного топлива.

Ключевые слова: машинно-тракторный агрегат, производительность, расход топлива, энергетические показатели, электромагнитная обработка, удельные показатели, экология.

Currently, tractor engines as part of machine-tractor units (MTA) burn up to 75 % of diesel fuel on average, while the remaining 25 % of fuel, as well as the products of its incomplete combustion, is released into the atmosphere, polluting it. This makes it necessary to increase the productivity of the machine-tractor unit and overcome the resulting overloads by improving the power and economic performance of tractors. A method and device for electromagnetic treatment of diesel fuel immediately before being fed into the engine cylinders is proposed, which ensures its activation and improvement of combustion, which has a positive effect on both increasing the effective power of the energy vehicle( ES), increasing the productivity of the MTA, reducing the specific fuel consumption for agricultural work, and improving the environmental safety of emissions of fuel combustion products. In this paper, based on previous comprehensive studies of the physical and chemical properties of activated fuel and the process of operation of arable and sowing units in economic conditions using such diesel fuel, the sequence of calculation of the parameters of the magnetizing device and the performance indicators of the operation of MTA equipped with such devices is given. Calculated dependences are given for determining the magnetic permeability of diesel fuel, magnetic induction, parameters of the wire and its winding on the solenoid body as part of the fuel line of the tractor engine power system as an energy means of the machine-tractor unit, the fuel speed in the solenoid and the parameters of the electromagnetic effect on it when activated. All this served as the basis for further determination in the proposed methodology of the speed of movement, the performance of the MTA and the specific fuel consumption. The possibility of a significant increase in the performance of the MTA in the conditions of using activated fuel is shown.

Key words: machine and tractor unit, productivity, fuel consumption, energy indicators, electromagnetic processing, specific indicators, ecology.

Арженовский Алексей Григорьевич -

доктор технических наук, профессор кафедры технологии и технических средств механизации АПК Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» г. Зерноград

РИНЦ SPIN-код: 5549-4841 Тел.: 8-905-458-34-69 E-mail: argenowski@mail.ru

Коршенко Константин Викторович -

старший преподаватель кафедры тракторов и автомобилей ГОУ ВО Луганской Народной Республики «Луганский государственный аграрный университет»

Arzhenovskii Alexey Grigoryevich -

Doctor of Technical Sciences, Professor

of the Department of Technology and Technical means

of Mechanization of the Agro-Industrial Complex

of the Azov-Black Sea Engineering Institute

FSBEI HE «Don State Agrarian University»

Zernograd

RSCI SPIN-rade: 5549-4841 Tel.: 8-905-458-34-69 E-mail: argenowski@mail.ru

Korshenko Konstantin Viktorovich -

Senior Lecturer of the Department of Tractors and Automobiles SEI of HE of the Luhansk People's Republic «Luhansk State Agrarian University»

г. Луганск

Тел.: 8-918-028-44-56 E-mail: korshenko@i.ua

Краснов Иван Николаевич -

доктор технических наук, профессор кафедры технологии и технических средств механизации АПК Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» г. Зерноград

РИНЦ SPIN-код: 7334-5089 Тел.: 8-928-137-98-08 E-mail: Krasnov1310@rambler.ru

Luhansk

Tel.: 8-918-028-44-56 E-mail: korshenko@i.ua

Krasnov Ivan Nikolaevich -

Doctor of Technical Sciences, Professor

of the Department of Technology and Technical Means

of Mechanization of the Agro-Industrial Complex

of the Azov-Black Sea Engineering Institute

FSBEI HE «Don State Agrarian University»

Zernograd

RSCI SPIN-rade: 7334-5089 Tel.: 8-928-137-98-08 E-mail: Krasnov1310@rambler.ru

Определяя эксплуатационные параметры машинно-тракторных агрегатов [1] при проектировании машин и сельскохозяйственных орудий, обычно предусматривают уменьшение сопротивления их рабочих органов, а в двигателях внутреннего сжигания (ДВС) - увеличение развиваемой ими мощности [2]. При этом не всегда удаётся достичь максимальной производительности агрегата с одновременным сокращением удельного расхода дизельного топлива и обеспечением хорошей адаптации к изменчивости внешней нагрузки от сельхозорудий агрегата [3].

Один из путей разрешения этих противоречий, по нашим данным, - активизация топлива путём его обработки импульсным электромагнитным полем в системе питания двигателя [4]. Это даёт возможность повысить эффективную мощность двигателя внутреннего сгорания и уменьшить при сгорании топлива выбросы вредных веществ в окружающую среду. Предложенное устройство для активации дизельного топлива подвергнуто всесторонним исследованиям с целью оптимизации его параметров в лабораторных и производственных условиях в ГОУ ЛНР ЛНАУ (г. Луганск), что учтено в разработках предлагаемой методики расчёта [5].

В методических расчётах показателей работы МТА [6] использованы не только результаты предыдущих наших экспериментов эффектив-

ности использования МТА на активированном топливе, но и нормы технического проектирования машиностроения, эксплуатационные требования к работе двигателей внутреннего сгорания и их топливных систем, инженерные требования к данным системам [7]. В основе методики установка на форсунки ДВС устройств для активации дизельного топлива по рисунку 1.

Предусмотрена комплектация машинно-тракторного агрегата для производства посева зерновых культур и пахоты по рисунку 2.

Рисунок 1 - Фрагмент монтажа устройств для магнитной обработки топлива на форсунки двигателя Д-240 трактора МТЗ-80

Рисунок 2 - Общий вид МТА в составе: а - трактора МТЗ-80 и сеялки; б - трактора МТЗ-80 и плуга ПЛН-3-35

Особенность методических подходов за- линдрах двигателя МТА могут быть обеспечены ключалась в том, что результаты использова- только с учетом совокупности влияния почвен-ния активатора топлива перед сгоранием в ци- ных, климатических и агротехнических факто-

6

Ежеквартальный

научно-практический

журнал

В

ров в производственной обстановке [8]. В активаторе топлива перед сгоранием использован электромагнит в виде катушки из диамагнитного материала, которая является частью топливопровода системы питания двигателя. Катушка электромагнита выполнена многорядной и имела одну секцию. Это устройство обеспечивало эффективную активацию топлива за счет действия электромагнитных полей повышенной напряженности.

Среди операций инженерного расчета показателей работы МТА при использовании активированного топлива сначала определяются электрические и магнитные параметры, которыми должен обладать соленоид для качественной обработки топлива в зависимости от свойств магнитопроводящей среды (топлива).

Одной из главных величин, характеризующих магнитные свойства топлива, является его магнитная восприимчивость (МВ). При этом существуют удельная МВ, равная отношению МВ к плотности вещества, объёмная и молярная МВ, отнесенные соответственно к объему и количеству вещества.

Представлять МВ можно в том случае, когда речь идёт о связи напряжённости (Н) и намагниченности (х), а при изучении связи индукции (В) и напряжённости магнитного поля (Н) объективнее вести речь о магнитной проницаемости (МП). По сути это одна величина, которую дают в двух названиях, употребляя наиболее удобное.

Магнитная проницаемость вакуума равна 1^=1,25664-10-6 Г/м.

Математическая зависимость между МВ и МП дизельного топлива находится по формуле Ц = (1)

где %„ - объёмная или относительная МВ (безразмерная величина).

Согласно положению: если удельная (МВ) равна отношению объёмной (МВ) к плотности вещества, то

Ъ- —, м3/кг, (2)

где %„ - удельная МВ, м3/кг;

р - плотность топлива, кг/м3.

Отсюда объёмная МВ определяется по формуле

Х„=ХгР. (3)

Молярная (химическая) магнитная восприимчивость определяется по выражению

Хм = Х М м3/моль, (4)

где М - молекулярный вес топлива (масса), кг/моль.

Отсюда удельная МВ его равна

Хм

Х„= Т7. (5)

А так как ц = %v + 1, то

M '

— ХмР

Магнитная индукция может быть определена по формуле

В = ц0цН, Тл, (7)

где ц - магнитная проницаемость дизельного

топлива, Н/А2, или по формуле

В=Ц0МН = ^0

M

M

+1

Щ %dp\

где

\ /

ро - удельное сопротивление материала проводника, Ом-м;

Н =

Щ .

Tidp 1

Далее, учитывая усреднённые физико-химические характеристики дизельного топлива, необходимо определить геометрические параметры и требуемое количество материалов для изготовления электромагнитного устройства активации топлива перед его сгоранием (рис. 3).

Рисунок 3 - Схема устройства для электромагнитной обработки топлива: 1 - сердцевина, 2 - катушка соленоида

При определении геометрических параметров соленоида использованы априорные данные, представленные учёными Инженерного центра Московского государственного горного университета, по обработке дизельного топлива импульсным электромагнитным полем напряженностью 8-106-2-106 А/м с частотой импульсов 700-800 Гц и длительностью 0,009-0,02 с.

Исходя из зависимости магнитной индукции от количества витков N длины I (м) соленоида и силы тока I (А) определяется необходимое число витков в соленоиде применительно к указанным режимам обработки топлива:

М = (8)

Тогда толщина слоя должна быть N =—, м,

слоя ^ ' '

где - диаметр провода,"м, а количество Ь таких слоев будет равным

M

(6)

Ъ-

N

N

(9)

(10)

Толщина намотки находится по формуле

. N<1 Ш1 п =

Я

кс1

, Ом,

где

I - длина провода в катушке, м;

пр ВС слоя

где I - длина соленоида, м.

Масса этого провода будет

я2 (£-Я2)1 т = рСи-, кг,

(11)

N I

слоя

При этом радиус соленоида составит

Я2 = Я1 + И, м. (12)

Следующим этапом расчёта определяются параметры питания соленоида.

По закону Ома при использовании тонкого провода находится его сопротивление: 4р /

~ о пр

Следовательно, расход топлива через соленоид можно определить по формуле

б = у, м3/с,

(16)

(13)

где X - необходимая длительность магнитной обработки топлива на длине соленоида, ориентировочно X = 0,0018 с.

Длительность впрыска топлива форсункой практически мгновенна. Основная активация топлива осуществляется в пределах времени двух оборотов коленчатого вала четырёхтактного двигателя, которое определяется формулой

120

обр

ро - удельное его сопротивление, Омм.

Длину спиральной намотки (рис. 4) найдём по формуле

_ й , "

п

, с,

Рисунок 4 - Схема к определению спиральной намотки соленоида

Поэтому длина провода может быть определена по выражению

м,

а2 (14)

(15)

где рСи - плотность материала провода (для меди рСи = 896,0 кг/м3). Максимальная мощность соленоида составит Р = Щ Вт. (16)

Если Р>1 кВт на 1 соленоид, то необходим дополнительно его тепловой расчет.

Объём внутренней полости соленоида, в которой происходит активирование топлива, составляет

т. тиЛ ,

Г = 5"/г =-к, (15)

с 4 с

где - площадь сечения проточной части соленоида (является частью топливопровода), м2; С - диаметр этого сечения, м; Ис - длина проточной части, м.

и в пределах частот п от 1800 до 2300 оборотов в минуту составляет не ниже 0,06 с, что удовлетворяет требованию минимально допустимой продолжительности магнитной обработки дизельного топлива непосредственно перед подачей в цилиндр двигателя.

Необходимый объём подлежащего обработке топлива в расчёте на один впрыск в один цилиндр двигателя можно определить исходя из показателей его часового расхода: Ю

^ = —г/2 оборота, р пг

где От - часовой расход топлива при п оборотах коленвала двигателя, г/ч; г - количество цилиндров в двигателе.

В принципе он должен быть равным объёму внутренней полости соленоида V и даёт возможность определения её диаметра С при принятой длине Ис проточной части. Так, для подачи 2,3 г топлива в одну форсунку двигателя Д-240 при 2230 оборотах коленвала и эффективной мощности 50 кВт требуется соленоид с диаметром внутренней полости 7,6 мм и её длиной порядка 5 см. При этом плотность топлива за время обработки снизится с р = 872,74 кг/м3 до р = 871,52 кг/м3 после активизации, из-за чего расход его уменьшится на 0,14 %. Это подтверждает зависимость расхода топлива от его плотности, а следовательно, от магнитной восприимчивости и молярной массы компонентов, входящих в состав используемого топлива.

В завершение определяются параметры, характеризующие эксплуатационные показатели работы машинно-тракторного агрегата [9]. Производительность его рассчитывается по формуле

W = С Нут, га/ч,

(17)

где Вр - рабочая ширина захвата, например плуга;

ур - скорость движения МТА;

т - коэффициент использования времени

смены;

С - коэффициент, зависящий от единиц измерения скорости движения у: если в км/ч - = 0,1, если в м/с - = 0,36.

Повысить производительность агрегата -значит увеличить одну из трёх её составля-

8

,,„ „„„,„,„,„„,„„. Jj Ставрополья

научно-практическии журнал

ющих Вр, ур и т. В настоящей работе для этого предложено использовать возможность улучшить качество сгорания топлива, не меняя состав агрегата.

Рабочая скорость агрегата определяется по выражению

V, = (1-5) . к , км/ч, (18)

^ тр

гк - радиус качения ведущих колёс, м; п - число оборотов коленвала двигателя, об/мин;

¡тр - передаточное число трансмиссии; 5 - коэффициент буксования, по данным проф. И. И. Трепененкова [6]: 0,246Ф,

о:

где

кр

1-3,06ф

кр

где

выражению

N

M = 9550^,

тогда получим:

9550Ni л

р __е тр 1тр

П Г

е к

Р/ - сила сопротивления качению трактора:

Р/ = /Ят, Н,

где т - эксплуатационная масса трактора; / - коэффициент сопротивления качению.

Для скорости можно получить также выражение, исходя из формулы для мощности трактора на крюке:

N кВт;

кр

V=

3600

3600N

кр

, км/ч.

(20)

кр

Мощность трактора на крюке определяется по выражению для удельного расхода топлива:

103С„

-, г/кВтч;

q =-

кр N

кр

, _ 10 3GT

N =-T-, кВт.

«f q

±кр

(21)

Фкр - отношение тягового усилия колесного трактора к его сцепному весу Р

}

<щ

У колесных тракторов колесной формулы 4х2 сцепной вес определяется по формуле

С =2/т + \^-¿1лЕ_, н, (19)

4 /з5 ь

где Ь - база трактора, м;

Икр - высота прицепа, м а тяговое усилие трактора:

Ркр = Рк - Р/, Н,

где Рк - касательная сила тяги, связанная с крутящим моментом двигателя зависимостью

М л г|

р _ д тр 'тр н

к г , ,

к

где Мд - момент двигателя (Нм), находится по

Тогда формула для расчёта скорости МТА примет следующий вид:

у = :

1000-3600 (L

1000-3600 GL

q {Р

4 к

-pf)

/9550ЛГ i т| 4 -етр тр -mgf

п г

е к

(22)

а для производительности МТА: 0,15 1000-3600 •

w= "

GT т

9550JV i т| '

qj-emp[mp-mgf)

v nr

e к

По расчётам с использованием предложенной методики и полученных формул производительность пахотного агрегата в приведенном на рисунке 2б составе на основе трактора МТЗ-80 составит: при работе на обычном дизельном топливе 1,55 га/ч; на активированном магнитной обработкой топливе - 1,67 га/ч, или на 7,7 % выше базового варианта.

Последовательность расчёта показателей работы машинно-тракторных агрегатов характеризует тесную зависимость его часовой производительности от основных параметров МТА: часового и удельного расхода топлива, мощности двигателя, числа оборотов коленва-ла двигателя, передаточного отношения и КПД трансмиссии, массы трактора и коэффициента сопротивления качению.

Результаты расчёта показывают существенное влияние электромагнитной обработки топлива с помощью устройства для его активации на работу МТА, увеличивая производительность агрегата [10].

Н

Литература

1. Кравченко В. А., Кравченко Л. В. Улучшение разгонных характеристик сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов : монография. Зерноград : АЧИИ, 2018. 189 с.

2. Кравченко В. А. Повышение динамических и эксплуатационных показателей сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов : монография / ВГОУ ВПО АЧ-ГАА. Зерноград : АЧГАА, 2010. 224 с.

References

1. Kravchenko V. A., Kravchenko L. V. Improving the acceleration characteristics of agricultural machine-tractor units : monograph. Zernograd : Azov-Black Sea Engineering Institute, 2018.189 p.

2. Kravchenko V. A. Improving the dynamic and operational performance of agricultural machinery and tractor units: monograph / HSEI HPE Azov-Black Sea State Agroengineering

3. Арженовский А. Г., Асатурян С. В. Совершенствование методики и средств определения энергетических и топливно-экономических показателей двигателей тракторов : монография / ФГБОУ ВПО АЧ-ГАА. Зерноград : АЧГАА, 2013. 120 с.

4. Алушкин Т. Е., Зубрицкий А. В., Ахме-тов В. А. Технология технического обслуживания топливной аппаратуры при работе на модифицированном топливе // Вестник НГАУ. 2014. № 2. С. 132-138.

5. Брюховецкий А. Н., Коршенко К. В. Метод повышения топливной эффективности работы энергосиловых установок в агро-биотехноценозах // Кадастровое и эколо-го-ландшафтное обеспечение землеустройства в современных условиях : материалы международной научно-практической конференции факультета землеустройства и кадастров ВГАУ / ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ. Воронеж, 2018. С. 38-45.

6. Кравченко В. А., Стулинь В. А. Математическая модель машинно-тракторного агрегата на базе трактора с гидростатической трансмиссией // Вестник аграрной науки Дона. 2016. № 4 (36). С. 44-54.

7. Арженовский А. Г., Казаков Д. В. Методика и средства определения энергетических и топливно-экономических показателей тракторов в эксплуатационных условиях : монография / АЧИИ ФГБОУ ВО Донской ГАУ. Зерноград : АЧИИ, 2018. 171 с.

8. Использование машин в механизированных технологических процессах растениеводства : методическое пособие / В. А. Колесников, В. Е. Кириченко, С. М. Соболев,

B. А. Изюмский, А. В. Левин. Луганск : ЛНАУ, 2013. 138 с.

9. Кравченко В. А., Оберемок В. А., Яровой В. Г. Повышение эксплуатационных показателей движителей сельскохозяйственных колёсных тракторов : монография. Зерноград : АЧИИ, 2013. 213 с.

10. Брюховецкий А. Н., Коршенко К. В., Су-даркин В. Н. Некоторые результаты полевых испытаний устройства для электромагнитной обработки дизельного топлива перед сгоранием // Научный вестник ГОУ ЛНР «Луганский национальный аграрный университет». Луганск, 2019. № 8 (3).

C. 33-41.

Academy. Zernograd : Azov-Black Sea State Agroengineering Academy, 2010. 224 p.

3. Arzhenovsky A. G., Asaturyan S. V. Improving the methods and means of determining the energy and fuel-economic indicators of tractor engines : monograph / HSEI HPE Azov-Black Sea State Agroengineering Academy. Zernograd : Azov-Black Sea State Agroengineering Academy, 2013. 120 p.

4. Alushkin T. E., Zubritskii A. V., Akhme-tov V. A. Technology of maintenance of the fuel equipment when working on a modified fuel // Bulletin of Novosibirsk State Agrarian University. 2014. № 2. P. 132-138.

5. Bryukhovetskii A. N., Korshenko K. V. Method of improving the fuel efficiency of the power plants in agrobiotechnology // Cadastral and environmental-landscape providing land management in modern conditions : materials of the international scientific and practical conference of the Faculty of Land Management and Cadastre of the Voronezh State Agrarian University / Voronezh State Agrarian University. Voronezh, 2018. P. 38-45.

6. Kravchenko V. A., Stulin' V. A. Mathematical model of a machine-tractor unit based on a tractor with a hydrostatic transmission // Bulletin of Agrarian Science of the Don. 2016. № 4 (36). P. 44-54.

7. Arzhenovskii A. G., Kazakov D. V. Methods and means of determining the energy and fuel-economic indicators of tractors in operational conditions : monograph / Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEI HE Don State Agrarian University. Zernograd : Azov-Black Sea Engineering Institute, 2018. 171 p.

8. The use of machines in mechanized technological processes of crop production : methodological guide / V. A. Kole-snikov, V. E. Kirichenko, S. M. Sobolev, V. A. Izyumskii, A.V. Levin. Luhansk : Lu-hansk State Agrarian University, 2013. 138 p.

9. Kravchenko V. A., Oberemok V. A., Yaro-voy V. G. Improving the operational performance of agricultural wheel tractor engines : monograph. Zernograd : Azov-Black Sea Engineering Institute, 2013. 213 p.

10. Bryukhovetskii A. N., Korshenko K. V., Su-darkin V. N. Some results of field tests of a device for electromagnetic treatment of diesel fuel before combustion // Scientific Bulletin of the State Educational Institution of the Luhansk People's Republic «Luhansk National Agrarian University». Luhansk, 2019. № 8(3). P. 33-41.