Модели и алгоритм оценки технического уровня трактора при использовании альтернативного топлива Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 629.114.2 Н.И. Селиванов, А.А. Доржеев, В.Н. Запрудский

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ТРАКТОРА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА

Авторами статьи на основе научных исследований разработаны модели и алгоритм сравнительной оценки технического уровня сельскохозяйственных тракторов при использовании альтернативного топлива.

Ключевые слова: трактор, альтернативное топливо, модель, алгоритм.

N.I. Selivanov, A.A. Dorzheev, V.N. Zaprudsky MODELS AND ALGORITHM FORTRACTOR ENGINEERING LEVELESTIMATION IN THE PROCESS OF ALTERNATEFUELUSE

Models and algorithm for comparative estimation of the agricultural tractorengineering level in the process of alternate fueluse are developed by the authors of the articleon the basis of scientific research.

Key words: tractor, alternate fuel, model, algorithm.

Совокупность процессов производства и использования при работе сельскохозяйственных тракторов и других энергетических средств моторного топлива (биотоплива) на основе растительных масел по существу можно разделить на три взаимосвязанные и последовательно выполняемые технологии:

1) производство из семян масличных культур растительного масла-сырца;

2) обработка масла-сырца для использования в качестве моторного топлива;

3) использование (сжигание) моторного топлива в цилиндрах тракторного дизеля при его работе.

Совершенство и эффективность указанных технологий с позиций ресурсосбережения определяют в

конечном итоге энергетический потенциал, экологичность и стоимость моторного топлива, которые формируют потенциальные возможности трактора в составе МТА через показатели производительности и надежности, затрат на выполнение технологического процесса и содержания вредных выбросов в отработавших газах (ОГ). Совокупность указанных показателей определяет технический уровень трактора.

Для сравнительной оценки технического уровня трактора при использовании альтернативного моторного топлива необходимо решить следующие задачи:

1) установить количественные характеристики взаимосвязей показателей эффективности производства и использования моторного топлива с параметрами эксплуатационных свойств трактора;

2) обосновать обобщенный показатель технического уровня трактора для сравнительной оценки эффективности использования альтернативного топлива;

3) разработать алгоритм сравнительной оценки технического уровня трактора при использовании альтернативного топлива.

Для повышения эффективности оценки технического уровня трактора предложена поэтапная система адаптации его эксплуатационных параметров с использованием детерминированно-стохастических составляющих, обоснованных критериев оптимальности и установленных ограничений для соответствующих этапов оптимизации.

Эффективность технологии производства растительного (рапсового) масла характеризуют внутреннее энергосодержание и удельные затраты всех видов энергии на его получение Э. Их соотношение определяет [1] энергетический доход ДЕ и энергетическую эффективность Пээ, показатели которых являются критериями оптимизации технологии:

' ДЕ = е - Э ^ max;

(1)

' цэ = е/Э ^ max.

Параметр оптимизации представляет выход Мі масла и побочных продуктов из семян рапса.

Показателями эффективности технологии обработки рапсового масла, включающей его нейтрализацию и смешивание с дизельным топливом, являются низшая теплотворная способность 0н[2] и стоимость Ст смесевого топлива, которые выступают в качестве параметров оптимизации:

Он (ОнмХм + Ондт ХДт

Ст =(СмХм + СдтХдт ),

(2)

где Хм, Хдт=1-Хм - массовые доли в смесевом топливе рапсового масла и дизельного топлива; См, Сдт

- стоимость нейтрализованного рапсового масла и дизельного топлива с учетом затрат на их смешивание.

Критерий оптимальности может быть представлен удельными приведенными затратами на производство топлива Спр^тіп.

Рабочий процесс поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) характеризуется индикаторными показателями: давлением Рі, мощностью 14, удельным расходом топлива діи КПД п При работе на топливах с различной теплотворной способностью оценка эффективности теплоиспользования возможна только на основе индикаторного КПД.

При определении индикаторных показателей рабочего цикла учитываются реальные условия и особенности протекания действительного цикла. Для двигателей, работающих на жидком топливе, индикаторный КПД определится из выражения

Пі

^ПуркОн ’

(3)

где и - индикаторная работа за цикп^ = п1) - рабочий объем цилиндра диаметром 0 и хо-

11 4

дом поршня Б; 1о - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива, кг/кг; а - коэффициент избытка воздуха; п - коэффициент наполнения; рк - плотность воздушного заряда на впуске в двигатель, кг/м3.

Для четырехтактных дизелей среднее индикаторное давление действительного цикла РрЬМ с учетом насосных потерь в процессе выпуска (ф)и впуска выразится как [2]:

фР £ П1 Хр

Р = - [Х(р - 1) + —^(1 -

1

£-1

1

8Г

,-1 )'

1

(1-

5

1

П-т)]-

(4)

Тогда выражение индикаторного КПД с учетом (3) примет вид: а1

Пі

фРя £Г1 Хр

(V£ [Х(р -1) + —(1-

п2 -1

5Г

,-1) ■

п1 -1

(1-^)]}-

(5)

По выражению (5) можно оценить влияние характеристики углеводородного топлива на эффективность теплоиспользования в рабочем цикле дизеля с установленными конструкционными параметрами и определить условия достижения наивысших показателей эффективности и топливной экономичности. Критерием эффективности теплоиспользования является максимум отношения (п/а)тах, которое характеризует режим максимальной работы цикла. Он позволяет обосновать и соизмерить значения параметра оптимизации Р| на режимах номинальном и максимального крутящего момента по регуляторной характеристике дизеля.

Моделирование параметров расчетного рабочего цикла производится по ГОСТ 18509-88 - для стандартных условий окружающей среды (То, Ро) и сгорания 1 кг топлива.

Параметр оптимизации на данном этапе представляет среднее индикаторное давление, которое характеризует удельную работу цикла и индикаторную мощность:

Рі =

ПуркОн Пі аЬ

(6)

п

2

1

1

Из уравнения (6) следует, что величина Р, при п=сопв1 и г|у, Рк, Qн/lо“idemна различных топливах определяется в основном соотношением п,/а. Предельно допустимое значение апр соответствует (г|,/а)тах и Р,тах при работе дизеля на любом углеводородном топливе. Однако при этом ухудшается топливная экономичность, увеличиваются тепловая напряженность деталей и дымность отработавших газов. Поэтому номинальное значение Р,н выбирается предварительно из условия Р,н=0,85+01,90(п,*г|/а)тах между режимом минимального удельного расхода топлива д™, соответствующего п,тах, и режимом максимальной мощности при п/а=тах.

Выражения для индикаторной 14 и эффективной Ие мощностей двигателя с учетом значения Р, в уравнении (6) и механического КПД г|м запишутся в виде:

N. =

0„пг1^ніркгі^

а1о30т

М„=^ли.

Связь расхода топлива с индикаторной мощностью определится из выражения:

3,6К1

(7)

ОнПі

(8)

Для получения наивысшей приспособляемости дизеля к перегрузкам величину Рі на режиме максимального крутящего момента следует выбирать из условия, близкого к (п2/а)тах.

Цикловая подача топлива, соответствующая индикаторному давлению Рі на режимах номинальном Яцн и максимального крутящего момента дцм!

о цн

О- цм

РнУп.

Он Пін ’ Р V

і тах п 0 н Пім

(9)

Основными показателями эффективности для тракторов являются потенциальная производительность и удельные энергетические затраты на основной обработке почвы. Их определение производится по потенциальной тяговой характеристике на режиме предельно допустимого буксования или максимального тягового КПД в условиях вероятностной нагрузки с учетом следующих ограничений:

1) взаимосвязь буксования 5 и тягового усилия Ркр=фкртэд для однотипных по движителю тракторов в рабочем диапазоне нагрузок аппроксимируется функцией 5=афкр/(Ь-фкр);

2) предельно допустимое буксование движителей тракторов 5д на стерне при максимальном тяговом усилии Ркртах составляет 15 % колесных 4к4 и 5 % - гусеничных.

Уравнение энергетического баланса трактора в установившемся режиме прямолинейного движения на горизонтальной поверхности с учетом принятых допущений запишется в виде:

С*ЛэПтр% - (1 + Мт )Тута§^ = КаВУ- (10)

Первое выражение левой части уравнения (10) представляет номинальную эксплуатационную мощность двигателя Иеэ, приведенную к ведущим колесам трактора при установленных значениях коэффициента

ее использования с,^, КПД трансмиссии птр и КПД буксования п = (1- 5).

с, *

Коэффициент использования мощности ^ характеризует экстремальный нагрузочно-скоростной режим работы двигателя при вероятностной нагрузке. Он представляет произведение коэффициентов

о, * о, * о, *

= ^N^N^5 (11)

учитывающих потенциальное использование мощности из-за недогрузки и недобор (недоиспользование)

“ с*

мощности из-за снижения средней частоты вращения коленчатого вала с^

Коэффициент зависит от загрузки двигателя по крутящему моменту «М = Мк / МН и скоростному режиму = Од / Он = П д / П н

= «М«со • (12)

Для установленных значений коэффициентов приспособляемости двигателя по крутящему моменту Км=Мтах/Мн и по скоростному режиму Кю = пм / пн оптимальный коэффициент использования мощности [3]:

- при работе на регуляторной ветви характеристики («м = Км /(1 + Зимс) <1):

г* _Км[Пххтах ~ «М(Пххтах ~ Пн)] .

(1 + Зимс К ’ ( )

- при использовании двигателя постоянной мощности (ДПМ) на корректорной ветви («М ^ 1)

* Км(аі~Ьі«М ~С1«М)

«“1= (1 + Зимс) ’ (14)

где а1, Ьі, с1 - коэффициенты аппроксимации корректорной ветви регуляторной характеристики дизеля:

а1 = 1 ~ Ь1 + С1;

Ь1 = [1 - Кю + С1(1- КМ)]/(1- Км); (15)

С1=(1- Кю )/(1- Км )2.

Коэффициент , учитывающий недоиспользование мощности двигателя из-за снижения скоростного режима при колебаниях нагрузки [3]:

^ = [0,80-0,642^ +0,167Км ] + К^(1-^). (16)

Это выражение при Кк = (0,70+ 2,2 5имс — 0,5 8КМ) справедливо для =1,15-1,50

иг) =0-0,17.

Второе выражение определяет потери мощности двигателя на качение трактора [¥* с учетом потерь в шинах (гусеницах) и подвеске при колебаниях остовам ~ (0,05-0,10):.

Тогда при коэффициенте сопротивления качению

: = (1 + + с(У-У0 ),

^=:Гтэ§У. (17)

Выражение в правой части уравнения (10) характеризует затраты мощности двигателя Икр на перемещение рабочей машины с удельным тяговым сопротивлением Ка и шириной захвата В со средней скоростьюУ. Выразив Ка через удельное сопротивление К0 при Уо=1,4 м/с и его приращение от скорости ДК, получим

= Ко[1 + ДК(У2-у2)]ВУ. (18)

Значение средней скорости движения трактора с установленными массоэнергетическими параметрами определится из выражения [3]:

у* = Меэ^лр (_Л^) (19)

тэЕ (фкр + :)тах ( '

Произведение ВУ = W представляет чистую производительность агрегата в условиях вероятностной тяговой нагрузки. Тогда

* ^еэПтрПб -ТтэВУ

W =------------р-----=---=— • (20)

к0[1+дк(у2 - у2)] ( )

Потери мощности на качение трактора в формуле (20) можно выразить через КПД сопротивления качению п значение которого при известных коэффициентах сцепления и и использование сцепного веса трактора фкр определится как

фкр (ф :)

%= — = "----------"• (21)

Ф ф

Тогда чистая производительность агрегата на режиме предельно допустимого буксования

СNNеэnтрn8д (фтах - ^)

™ =---------—--------------, (22)

КоМкфтах

где М к =1 + ДК(У2-Уо2).

Удельные (на единицу обрабатываемой площади) энергетические Еп (кДж/м2) и топливные яш(кг/га) затраты при этом выразятся как:

Еп = 4Чэ / W = КоМк / Пт.д = КоЕк; (23)

162

~ 2,77ЯенЕп,

(24)

где цт д = ПтрППд - тяговый КПД трактора на режиме допустимого буксования.

Для сравнительной оценки тракторов необходимо учитывать коэффициент использования времени смены т=Тр/Тсм[4]:

т =

(Ъ№ ~ awW)

(1+к^)-

(25)

Тогда техническая производительность агрегата П (га/ч) в функции от W определится из выражения:

(26)

(Ь№ ~ аи^)

П = 0,36 Wт = 0,36^—W,

(1 + KwW)

где Иш, аш, Кш - коэффициенты, характеризующие природно-производственные условия. Удельные энергозатраты (кВтч/га) и топливные (кг/га) затраты при этом

Еп = Еп /0,36т;

qw,= qw/ т.

(27)

Относительный показатель технической производительности для сравнительной оценки трактора при работе на альтернативном топливе выразится как

или

Хп = П / По = = Х«_Х“ Х„ Х„ Х„ Хт / Х.,

п о w т “еэ Лтр П П т цк

Хп = Х«_ Х“ Х„ Хт / Хц .

п «N “еэ пт т цк

(28)

(29)

где По - техническая производительность агрегата при работе трактора на дизельном топливе. Относительные показатели энергетических и топливных затрат с учетом выражения (27)

ХЕ' ХНк /ХПт Хт;

Х =Х Х /Х Х

qw яен цк' Пт т

(30)

Для оценки экологических показателей трактора можно принять соотношение коэффициентов дымности отработавших газов (ОГ) на основном нагрузочно-скоростном режиме работы дизеля при использовании альтернативного Кат и дизельного Ко топлив:

Аэ=1-Кат/К°.

(31)

Коэффициент готовности трактора Кг и наработка на отказ То могут быть приняты в качестве показателей надежности топливной системы и двигателя в целом при использовании альтернативного топлива:

Кг=То/(То+Тв),

(32)

где Тв - среднее время восстановления работоспособности узла или агрегата топливной системы (двигателя).

Для сравнительной оценки изменения надежности целесообразно использовать относительный показатель

а.„=(КДо )"/(КДо)ДТ. (33)

Относительный показатель удельных денежных затрат с учетом изменения стоимости альтернативного топлива Ас =Сат/СТ0 и цены трактора Ац=Цат/Ц0 при его модернизации выразится как

А^с =^,™Ас АцАМ / А™ Ат. (34)

С«- Ст ц Мк пт т ' '

Комплексный показатель технического уровня трактора при использовании альтернативного топлива определится как функция обобщенных относительных показателей производительности Ап, стоимости Ло, экологичности Лэ и надежности Лн

Aпт=f(Aп,Acw,Aэ,Aн). (35)

Общая методология определения относительного комплексного показателя технического уровня трактора базируется на методе парных сравнений, потому что основу его составляет набор независимых показателей. Метод парных сравнений позволяет установить сравнительную степень влияния каждого из приведенных единичных показателей на обобщенный показатель.

Значение показателей Л в выражении (35) известны. Их получают по результатам моделирования и сравнительных экспериментальных исследований. Однако вид функции их связи с Лпт предстоит установить.

При этом следует иметь в виду, что на величину Лпт влияют не только значения Л,, но и разброс их значений,

который носит случайный характер. Учитывая это, необходимо найти ее математическое ожидание Ап и

дисперсию.

Теория регрессивного анализа рекомендует в большинстве случаев принимать функцию линейной, далее в процессе анализа проверять ее по соответствующим критериям и уточнять [4]. При этом необходимо выполнять следующие условия:

1) комплексный показатель технического уровня трактора при использовании разных топлив является функцией большого числа переменных;

2) переменные А не имеют статистической зависимости между собой;

3) величины переменных А являются постоянными в момент их определения.

Положительный эффект от единого показателя эксплуатационных свойств на обобщенный показатель технического уровня трактора достигается при Лп^1, Лс^1,Лэ^1 и Лн>1.

Тогда линейная модель зависимости Ап = Т (А ) имеет вид:

АПт = ао + аЛп + а2^С„ + аЗ^Э + а4^н ■ (36)

Для вычисления коэффициентов весомости а, строят квадратную матрицу (табл. 1). В строках располагают единичные относительные показатели в порядке убывания их значимости, в данном случае определенной группой экспертов из 12 человек. В таблице 1 указаны те же относительные показатели, что и в строках, только расположенные слева направо в порядке убывания их значимости.

Таблица 1

Матрица приоритетов Р| для определения коэффициентов относительных показателей Л|

технического уровня трактора

Показатель оценки 1 2 3 4 т і Рі І=1 Зу

Ап '///////; 0,6 0,9 0,8 2,3 0,383

Асш 0,4 /у//////, 0,9 0,7 2,0 0,333

Аэ 0,1 0,1 '///////у 0,4 0,6 0,10

Ан 0,2 0,3 0,6 ////////, ////////, 1,1 0,183

Каждую строку эксперты сравнивали с каждым столбцом и определяли соотношение их значимости при условии, что сумма приоритетов равна единице.

По данным матрицы определены коэффициенты весомости для каждого параметра по выражению

т

Бу = 2І Р / т(т -1), (37)

І=1

где т - число параметров оценки.

Наибольшей весомостью (0,383 и 0,333) обладают показатели производительности и стоимости. Показатели надежности и экологичности имеют коэффициенты весомости 0,183 и 0,10 соответственно.

Использование при регрессионном анализе модели (36) позволило получить зависимость комплексного относительного показателя технического уровня трактора по четырем относительным показателям:

ХПт = 0,030+0,3 83ХП + 0,322^ + 0,09ХЭ + 0,175ХН. (38)

Коэффициент уравнения регрессии ао=0,030 характеризует влияние неучтенных параметров на комплексный показатель. Достоверность и значимость коэффициентов подтверждена величиной коэффициента детерминации 0,86 при доверительной вероятности 0,9.

В таблице 2 приведены исходные данные для расчета показателей эффективности тракторов, полученные по результатам анализа экспериментальных исследований и технических характеристик серийных и перспективных колесных и гусеничных тракторов [2].

Таблица 2

Исходные данные для расчета показателей тракторов

Показатель Тип трактора

4к4а 4к4б Гусеничный

Одинарные колеса Сдвоенные колеса Одинарные колеса Сдвоенные колеса

а 0,163 0,163 0,110 0,110 0,010

Ь 0,919 0,919 0,773 0,773 0,785

Го 0,09-0,10 0,06-0,08 0,09-0,10 0,06-0,08 0,07-0,08

Птв 0,90-0,92 0,90-0,92 0,86-0,88 0,86-0,88 0,88-0,90

Ч (Чда) 0,85 0,85 0,85 0,85 (0,97)

фкртах (фкрорО 0,440 0,460 0,440 0,460 (0,580-0,585)

Порядок расчета показателей эффективности и сравнительной оценки трактора на разных топливах при использовании исходных данных (табл. 2) и установленных значениях имс, Ко, ДК: Он и Ст по формулам системы (2); г|і по формуле (3); Р, по (6); 1\1,и вт по зависимостям (7) и (8); дц по (9); Иеэ по (7) или по результа-

там стендовых испытаний; Км и Кы - по технической характеристике и результатам сравнительных стендовых испытаний дизеля; ^ по (11); V по (19); !=(1+^)Ю+0,01( V -Уо); Птр из табл. 2;

Мк=1+ДК( У2-Уо2) ; фmax=(фкрmax+f), Форі=(фкрорі+Г); W по (22); Еп по (23); т по (25); П по (26); Ап по (29); ХЕ^ и X^ по (30); Аэ по (31); Ан по (33); Ас™ по (34); Апт по (38).

Выводы

1. Сформированы математические модели, устанавливающие взаимосвязи показателей эффективности производства и использования альтернативного топлива с параметрами технического уровня сельскохозяйственного трактора.

2. Получено выражение обобщенного показателя технического уровня трактора для сравнительной оценки эффективности использования альтернативного топлива.

3. Разработан алгоритм сравнительной оценки технического уровня трактора при использовании альтернативного топлива.

Литература

1. Селиванов Н.И., Доржеев А.А. Технологические энергозатраты производства биотоплива на основе рапсового масла // Ресурсосберегающие технологии механизации сельского хозяйства: прил. к «Вестн. КрасГАУ» / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2009. - Вып. 5. - С. 30-31.

2. Селиванов Н.И., Санников Д.А., Доржеев А.А. Оценка эффективности рабочего цикла дизеля на различных топливах // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2008. - № 2.

3. Селиванов Н.И., Запрудский В.Н., Кузьмин Н.В. Сравнительная оценка эффективности тракторов // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2010. - № 5. - С. 119-126.

4. Кутьков Г.М. Тракторы и автомобили. Теория и технологические свойства. - М.: КолосС, 2004. - 504 с.