CC BY
28
МЕХАНИЗАЦИЯ
D
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10921
УДК 629.014.7
МЕТОДОЛОГИЯ ОБОСНОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАБОТЫ АГРЕГАТОВ АВТОМОБИЛЕЙ
А. А. ДОЛГУШИН, кандидат технических наук, зав. кафедрой (e-mail: dolgushin07@rambler.ru)
Д. М. ВОРОНИН, доктор технических наук, профессор
О.В. МАМОНОВ, старший преподаватель
Новосибирский государственный аграрный университет, ул. Добролюбова, 160, Новосибирск, 630039, Российская Федерация
Резюме. В условиях сельскохозяйственного производства Сибири доля грузов, перевозимых автомобильным транспортом при низких температурах, достигает 20 %. Один из основных факторов, определяющих эффективность эксплуатации грузовых автомобилей, - вязкостно-температурные характеристики рабочих жидкостей, в первую очередь смазочных масел. Снижение их температуры в условиях эксплуатации приводит к увеличению момента сопротивления и нарушению режимов смазывания деталей агрегатов автомобилей. Следовательно, эксплуатация серийных автомобилей в условиях холодного климата сопровождается ухудшением эффективности ввиду повышенного расхода материальных ресурсов. Вопросы тепловой подготовки для агрегатов автомобиля подверженных значительному влиянию окружающей среды в производственном и научном плане рассмотрены недостаточно. В качестве критерия, определяющего оптимальный тепловой режим агрегата или автомобиля в целом предлагается комплексный показатель, учитывающий затраты ресурсов на обеспечение теплового режима агрегата Sn и затраты ресурсов на преодоление момента трения в агрегате SMT в заданных условиях. Целевой функцией оптимизации теплового режима отдельного агрегата будет минимизация суммарных затрат ресурсов на функционирование агрегата, то есть Sn+SMT ^ min. Затраты ресурсов на прогрев агрегата будем определять как произведение удельных затраты ресурсов на подогрев S и разницы температур окружающей среды и рабочей жидкости АТ, то есть Sn=Sya-AT. Затраты ресурсов на преодоление момента трения SMT определяются как произведение затрат ресурсов при максимально допустимой температуре агрегата S0 на е-ц(АТ) где ц - коэффициент снижения момента трения. Для системы агрегатов определение теплового режима усложняется наличием взаимовлияния. Следовательно, для автомобиля в целом обоснование оптимального теплового режима сводится к определению минимума функции затрат ресурсов для всей системы. Расчет критериев оптимальности необходимо проводить в диапазоне температур смазочного масла ТМ от минимального до максимального уровня температуры конструкционных и эксплуатационных материалов автомобиля.
Ключевые слова: зимняя эксплуатация, тепловой режим, ресурсосбережение, критерии оптимизации, модель оптимизации.
Для цитирования: Долгушин А. А., Воронин Д. М., Мамонов О. В. Методология обоснования оптимального теплового режима работы агрегатов автомобилей // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 9. С. 89-92. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10921.
Перевозка сельскохозяйственных грузов в условиях Сибири в зимний период осложняется суровыми климатическими и эксплуатационными условиями работы автомобилей. По данным Измайлова А.Ю. с ноября по март в сельском хозяйстве Сибири перевозят до 20 % грузов [1]. Сложные условия работы транспортных средств выдвигают весьма высокие требования к надежности и работоспособности всех агрегатов, к качеству горюче-смазочных материалов и других ресурсов.
Основной вид транспорта в сельском хозяйстве -грузовые автомобили КАМАЗ, ГАЗ и ЗИЛ различных модификаций [2]. По данным [3], на долю автомобильного транспорта приходилось до 73 % объема перевозок сельскохозяйственных грузов, тогда как на тракторный транспорт - только 27 %.
Отрицательные температуры воздуха вызывают изменения физических свойств конструкционных (металлы, резина, пластмассы, лакокрасочные покрытия и др.) и эксплуатационных (топливо, смазочные материалы, жидкости для гидравлических приводов и тормозных систем, электролиты и др.) материалов, снижению надежности и долговечности работы деталей и узлов машин, а также ухудшению технико-эксплуатационных и экономических показателей. В частности, нарушение теплового режима двигателя приводит к значительному перерасходу моторного топлива [4]. Так, по данным [4], установившаяся температура масла в редукторах главной передачи и амортизаторах автомобиля КАМАЗ 55111 при эксплуатации в зимних условиях г. Новосибирска в большинстве случаев отрицательная.
Для снижения негативных последствий при эксплуатации автомобилей температуру конструкционных и эксплуатационных материалов следует выдерживать на определённых уровнях. Это условие можно представить выражением:
7"^Тм<Т2, (1)
где Тм - температура материала, К; Т1 и Т2 - минимальный и максимальный уровень температуры конструкционных и эксплуатационных материалов автомобиля, К.
На практике в большинстве случаев температура эксплуатационного материала определяет температуру конструкционного.
Совокупное влияние внешних и внутренних факторов на автомобиль может приводить к нарушению режимов работы агрегатов и систем в случае, если его конструкция не приспособлена или плохо приспособлена к эксплуатации в заданных условиях.
В качестве показателя количественной оценки приспособленности некоторые исследователи предлагают использовать коэффициент, который демонстрирует, во сколько раз величина показателя эффективности в тех или иных условиях отличается от номинального значения [6, 7]:
А у •
(2)
где У и УН - соответственно фактическая и номинальная величина показателя эффективности использования автомобиля.
Показателями эффективности использования автомобилей могут служить расход топлива, тепловой режим агрегатов, токсичность отработавших газов двигателя и др.
Величина КА = 1 означает, что заявленные характеристики автомобиля полностью соответствует характеристикам в условиях реальной эксплуатации. В
таком случае автомобиль полностью приспособлен к эксплуатации в заданных условиях по исследуемому параметру. При значениях КА < 1 автомобиль хуже приспособлен к условиям, в которых его эксплуатируют, в связи с чем потенциальные возможности техники используют не полностью, что приводит к нерациональному расходу ресурсов.
Большой объем экспериментальных исследований, проведенных в Тюменском нефтегазовом университете, показал, что серийные автомобили плохо приспособлены к низкотемпературным условиям. Так, в работах Эртмана С. А. [6] показано, что автомобили ЗИЛ-130 и ГАЗ-53 характеризуются низким коэффициентом приспособленности по температурному режиму двигателя. В работах Тюлькина В. А. [7] установлено, что коэффициент приспособленности по темпу охлаждения двигателя для автомобиля ЗИЛ-130 равен КА=0,67, а для автомобиля КАМАЗ-5320 - КА=0,6 что соответствует среднему уровню приспособленности среди исследуемых грузовых автомобилей.
В работе [8] предложено определение эффективности потребления ресурсов при перевозках сельскохозяйственных грузов с помощью целевой функции:
п т а
(3)
боты отдельных агрегатов и автомобиля в целом при эксплуатации в условиях низких температур.
Для ее достижения решали следующие задачи: разработать комплексный критерий обоснования оптимального теплового режима работы автомобилей в условиях низких температур;
обосновать граничные условия применения комплексного критерия оптимальности;
разработать методики обоснования оптимального теплового режима отдельного агрегата автомобиля и автомобиля в целом.
Условия, материалы и методы. С точки зрения ресурсосбережения, оптимальный тепловой режим агрегата или автомобиля в целом необходимо рассматривать как комплексный показатель, учитывающий затраты ресурсов на обеспечение теплового режима агрегата и затраты ресурсов на преодоление момента трения в агрегате в заданных условиях. Формализация задачи определения оптимального теплового режима агрегата должна сводиться к определению суммарных затрат ресурсов на функционирование агрегата и их минимизации. Минимальным затратам соответствует оптимальный тепловой режим.
Затраты различных видов ресурсов (тепловая энергия, труд водителя) на обеспечения теплового режима агрегата можно представить в виде:
8П=АГ
(4)
где афу - фактический объем потребления ресурсов при эксплуатации транспортных машин (по данным предприятий, исследователей, экспертов); а- заявленный объем потребления ресурсов (по данным предприятия изготовителя машины); Ь-значимость у-го вида ресурса в общем объеме потребления ресурсов (доля затрат на ресурс в общих затратах на ресурсы); / - тип транспортной машины; у - вид потребляемого ресурса; п - количество типов транспортных машин, шт.; т - количество видов потребляемых ресурсов, шт. (единицы измерения объема потребления ресурсов устанавливают в принятых системах учета ресурсов, таких как Дж, руб., кг и др.).
Определяющий фактор эффективности функционирования большинства агрегатов и узлов - вязкостно-температурные характеристики применяемых рабочих жидкостей и смазок. В связи с тем, что характеристики практически всех рабочих жидкостей, используемых в автомобилях, меняются при изменении температуры, обеспечение эффективности работы основных агрегатов должно сводиться к поддержанию определенного диапазона температур масел, охлаждающих жидкостей и, в конечном итоге, теплового состояния самих агрегатов. В технической литературе диапазон рабочих температур агрегатов, обеспечивающих максимальную эффективность работы, обозначают термином оптимальный тепловой режим.
По данным ряда исследователей, оптимальная температура охлаждающей жидкости и моторных масел большинства автомобильных двигателей лежит в интервале 85...90 °С [9, 10]. Оптимальные значения тепловых режимов остальных агрегатов автомобиля в научных работах и нормативной документации встречаются реже или совсем отсутствуют.
Поэтому цель нашего исследования - разработка методологии обоснования оптимальных режимов ра-
где А - коэффициент интенсивности изменения теплового режима агрегата, Дж/ч; ? - время прогрева агрегата, ч; т - коэффициент, определяющий характер изменения теплового режима агрегата.
Затраты ресурсов на преодоление момента трения в агрегате можно определить по формуле:
о =§_
МТ ^п '
(5)
где В - коэффициент интенсивности изменения момента трения в агрегате, Дж/ч; п - коэффициент, определяющий характер изменения момента трения в агрегате.
Таким образом, целью оптимизации теплового режима агрегата будет минимизация затрат на ресурсы:
Зп+Зщ-
• тт.
(6)
Математически выражение (6) можно представить в виде:
(7)
Производные затрат ресурсов ЭП и ЭМТ можно выразить следующими формулами:
(/Чт)=А-т-Г-\
В] _ Вп
Г
(8)
(9)
Подставив выражения (8) и (9) в формулу (7) и выразив получим выражение для определения оптимального теплового режима работы заданного агрегата:
^ОПТ — 1
или
^ОПТ _
Вп Ат'
Вп Ат
(т+п)"1
(10)
(11)
МтР=М0-е
(14)
^мт -
М
(15)
где Э0 - затраты ресурсов при максимально допустимой температуре агрегата (Дж, руб., кг).
Рассматривая задачу для отдельного агрегата, мы приходим к следующей модели его функционирования и оптимизации затрат:
^П + ^МТ
тт.
При условии,что
ср)^м ср)
(16) (17)
где Тср - температура окружающей среды, К. Найдём производную суммы ЭП+5МТ по температуре смазочного материала ТМ:
СудРМ "Тср
(18)
Из этого уравнения находим оптимальную температуру смазочного материала ТМ*:
7М
УД
(19)
Графически решение задачи определения оптимального теплового режима работы агрегата заключается в поиску экстремального значения целевой функции:
п + БМТ. (12)
где - суммарные затраты ресурсов на функционирование агрегата.
Обеспечение заданного уровня теплового режима работы агрегата требует определенных затрат ресурсов, в первую очередь энергетических и трудовых. И чем сложнее условия эксплуатации агрегата, тем больше ресурсов на это расходуется. Потребность в ресурсах, обеспечивающих тепловой режим отдельно взятого агрегата с учетом ограничений (1), можно представить в виде:
П уд-ДТ". (13)
где Эуд - удельные затраты ресурсов на обеспечение теплового режима агрегата, руб./К; ДТ - разница между средневзвешенными температурами окружающей среды и рабочей жидкости, К.
Чем ниже температура окружающей среды и чем выше температуры рабочей жидкости, которую необходимо обеспечить, тем больше ресурсов необходимо израсходовать.
Момент трения в агрегате зависит от вязкостно-температурных характеристик смазочных материалов, и изменяется в экспоненциальной зависимости от них. Чем выше температуры смазочного материала, тем ниже его вязкость и момент трения:
М -Т"™.)
Если ТМ*< Т1, то оптимальной будет температура Т1. Если же ТМ*> Т2, то оптимальной будет температура Т2.
Результаты и обсуждение. Зависимость затрат ресурсов на обеспечение теплового режима агрегата БП и на преодоление момента трения в агрегате БМТ в связи с температурой смазочного масла определяется выражениями (4) и (5). Анализ этих закономерностей показывает, что оптимальный тепловой режим работы агрегата соответствует минимуму суммарных затрат ресурсов (см. рисунок). Таким образом, решение задачи по определению минимума целевой функции (6) и оптимального теплового режима агрегата можно проводить графически или аналитически. В том случае, когда известны зависимости (6) и (7), возможно аналитическое решение задачи оптимизации. В противном случае необходимо графическое решение на основе экспериментальных данных.
где МО - момент трения при максимальной допустимой температуре эксплуатации агрегата, Нм; ц - коэффициент снижения момента трения; ТМ -температура смазочного материала, для которой определяется момент трения, К; Ттах - максимально допустимая температура смазочного материала, К.
Тогда затраты ресурсов на преодоление момента трения ЭМТ можно определить по формуле:
Рисунок. Схема определения оптимального теплового режима агрегата.
С учетом назначения и особенностей функционирования каждый отдельно взятый агрегат имеет свой оптимальный тепловой режим. Однако он представляет собой локальный оптимум, который не отражает реальное функционирование агрегата в комплексе с другими агрегатами. Поэтому с научной и практической точки зрения представляет интерес определение рационального теплового режима совокупности агрегатов автомобиля и его дальнейшее обеспечение.
Для системы агрегатов определение теплового режима усложняется наличием их взаимовлияния. С одной стороны, это сокращает затраты на поддержание температуры конструкционных и эксплуатационных материалов, с другой, тепловые режимы одних агрегатов воздействуют на тепловые режимы других агрегатов и сдвигают их температурные характеристики.
В таких случаях систему разбивают на подсистемы, в которых влияние тепловых режимов предполагается только на агрегаты подсистемы. Саму подсистему в температурном режиме можно рассматривать автономно.
Если предположить, что взаимное влияние тепловых режимов не существенно, то задача для системы агрегатов сводится к определению минимума функции затрат ресурсов для всей системы:
5 = 5(х1;х2;...х^=81(х1;х2;...х^+52(х1;х2;...х„)+
+ ... + 5к(х1;х2;...хп), (20)
где х1, х2, ..., хп - показатели температурного режима; Б1(х1;х2;...;хп) - функции различных видов затрат ресурсов; у=1, 2, ..., к - виды ресурсов, расходуемых на обеспечение теплового режима.
Для уравнения (20) установим следующую систему ограничений:
(21)
ге)<г(2)(х1:х2;...х„)<7Д (22)
(23)
где Т(,) (х1; х2; ... ; хп) - температурные режимы агрегатов, =1, 2, ..., п; Т1(') и Т2() - минимальные и максимальные значения температур в тепловых режимах, = 1, 2, ..., т.
Выводы. Резерв повышения эффективности использования автомобилей в условиях низких температур заключается в обосновании и обеспечении оптимальных тепловых режимов основных агрегатов и автомобиля в целом.
Обоснование оптимальных тепловых режимов работы отдельных агрегатов должно осуществляться на основе комплексного критерия, базирующегося на затратах ресурсов на обеспечение теплового режима агрегата и ресурсов на преодоление момента трения в агрегате в заданных условиях. Минимум затрат ресурсов соответствует оптимальному тепловому режиму агрегата.
Критерии оптимальности необходимо рассчитывать в диапазоне температур смазочного масла от минимального до максимального уровня температуры конструкционных и эксплуатационных материалов автомобиля.
Оптимальный тепловой режима автомобиля в целом определяется как минимум функции затрат ресурсов для всей системы агрегатов.
Литература.
1. Повышение эффективности эксплуатации автотранспорта и мобильной сельскохозяйственной техники при внутрихозяйственных перевозках/ Н. В. Бышов, С. Н. Борычев, И. А. Успенский и др. // Научный журнал КубГАУ. 2013. № 88 (04). С. 519-529.
2. Долгушин А. А. Анализ структуры парка грузовых автомобилей // Научно-техническое обеспечение процессов и производств АПК: материалы научно-практической конференции с международным участием, посвященной 70-летию образования Инженерного института (Новосибирск, 28 октября 2014 г.). Новосибирск: ИЦ «Золотой колос», 2014. С. 35-39.
3. Измайлов А. Ю. Технологии и технические решения по повышению эффективности транспортных систем АПК. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. 200 с.
4. Fuel economy in light vehicles in winter by optimizing the warm-up mode /N. S. Zakharov, I. M. Titla, A. V. Maniashin, etc. // IJAER-RIP International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Vol. 10. No. 20. Pp. 41129-41135.
5. Исследование теплового режима работы агрегатов трансмиссии и подвески автомобиля в зимних условиях / А. А. Долгушин, А. Ф. Курносов, М. В. Вакуленко и др. // Достижения науки и техники АПК. 2015. № 7. С. 82-84.
6. Эртман С. А., Приспособленность автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателя: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Тюмень, 2004. 22 с.
7. Тюлькин В. А. Оценка приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по темпу охлаждения двигателей: автореф. дис. . канд. техн. наук. Тюмень, 2000. 18 с.
8. Долгушин А. А., Воронин Д. М. К вопросу о ресурсосберегающей эксплуатации автомобилей в условиях Сибири // Архитектурно-строительный и дорожно-траспортный комплексы: проблемы, перспективы, инновации: сборник трудов конференции. Омск: СибАДИ, 2017. С. 71-75.
9. Trunov V. V., Filatov M. I., Frolova E. V. Car hood space temperature condition management// Procedia Engineering. 2016. Vol. 684. Pp. 1270-1275.
10. Assessment of adaptability of natural gas vehicles by the constructive analogy method/1. Anisimov, А. Ivanov, Е. Chikishev, etc. // International Journal of Sustainable Development and Planning. 2017. Vol. 12. No. 6. Pp. 1006-1017.
METHODOLOGY OF SUBSTANTIATION OF THE OPTIMUM THERMAL CONDITIONS
OF VEHICLE UNITS
A. A. Dolgushin, D. M. Voronin, O. V. Mamonov
Novosibirsk State Agrarian University, ul. Dobrolyubova, 160, Novosibirsk, 630039, Russian Federation
Abstract. Under conditions of agricultural production in Siberia, the share of the loads transported by the motor transport at low temperatures reaches 20%. One of the major factors defining efficiency of operation of trucks are viscous and temperature characteristics of working fluids, and first of all lubricating oils. The decrease in temperature of lubricating oils under operating conditions leads to the increase in drag torque and violation of the greasing modes of details in units of vehicles. Therefore, production vehicle operation in frigid climate is followed by a considerable decrease in efficiency in view of the raised expense of material resources. Questions of thermal preparation for vehicle units subject to significant influence of the environment are considered insufficiently from the production and scientific standpoint. A complex indicator is proposed as a criterion defining the optimum thermal conditions of a unit or a vehicle in general. It considers costs of resources for providing the thermal mode of a unit S(P) and costs of resources to overcome the moment of friction in the unit S(MT) under the specified conditions. The target function of optimization of the thermal conditions of the separate unit is the minimization of total costs of resources for the functioning of the unit, i.e. (S(P) + S(MT)) aims to the minimum. We will define costs of resources for warming up of the unit as the product of specific costs of resources to heat S(ud) and difference of ambient temperatures and the temperature of working fluid delta(T), i.e. S(P) = S(ud) x delta(T). Costs of resources to overcome the moment of friction S(MT) is defined as the product of resource expenses at the most admissible temperature of the unit S0 and e sup(-m*delta(T)), where m is a coefficient of a decrease in frictional torque. For a system of units the definition of the thermal mode is complicated by the presence of mutual influence. Therefore for the vehicle in general, the justification of the optimum thermal mode comes down to the definition of a function minimum of resource expenses for the whole system. Calculation of optimality criterions needs to be made in the range of temperatures of lubricating oil T(M) from the minimum to the maximum level of temperature of constructional and operational materials.
Keywords: winter operation; thermal regime; resource-saving; optimization criteria; optimization model.
Author Details: A. A. Dolgushin, Cand. Sc. (Tech.), head of department (e-mail: dolgushin07@rambler.ru); D. M. Voronin, D. Sc. (Tech.), prof.; O. V. Mamonov, senior lecturer.
For citation: Dolgushin A. A., Voronin D. M., Mamonov O. V. Methodology of Substantiation of the Optimum Thermal Conditions of Vehicle Units. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2018. Vol. 32. No. 9. Pp. 89-92 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-24512018-10921.
