Оценка приспособленности автомобилей к массе перевозимого груза по расходу топлива с учётом суровости транспортных условий Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

цилиндре двигателя. Значения этих параметров могут быть определены в результате моделирования рабочего процесса дизеля для заданной позиции контроллера машиниста с использованием комбинации методов Гринивецкого-Мазинга и И.И.Вибе [4]. На первом этапе расчета выполняется моделирование основных термодинамических параметров рабочего процесса дизеля по методу Гриневецкого-Мазинга, на втором этапе производится уточнение параметров процесса выгорания топлива с использованием метода И.И.Вибе.

Отдельные результаты моделирования эксплуатационных экологических характеристик дизеля 1А-5Д49 тепловоза 2ТЭ116 представлены на рис. 2.

Оценка адекватности разработанной математической модели расчета экологических характеристик выполнена посредством сравнения результатов моделирования с данными экспериментальных исследований и расчетными значениями, представленными в практической технической литературе и нормативных документах. Сравнение показало, что, несмотря на имеющиеся относительные отклонения, результаты расчета количества продуктов сгорания для всех контролируемых элементов во всем диапазоне нагрузочных режимов дизеля находятся в пределах средне-

эксплуатационных минимальных и максимальных значений.

Представленные аналитические методы и реализующие их математические модели могут использоваться не только для оценки тяговых, экономических и экологических характеристик тепловозов, но и для исследования влияния на эти характеристики различных эксплуатационных и конструктивных факторов.

Библиографический список

1. Володин А.И. Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов. М.: ООО «Желдориздат», 2007. 264 с.

2. Филонов С.П. Тепловоз 2ТЭ116. М.: Транспорт, 1996. 334 с.

3. Сковородников Е.И. Методы оценки и пути снижения экологического воздействия тепловозных дизелей на окружающую среду. Омск: РИО ОмГАПС, 1995. 104 с.

4. Сковородников Е.И., Анисимов А.С., Шабалин А.Ю. Влияние угла опережения подачи топлива на экологические характеристики дизеля 10Д100 // Надежность и экономичность дизельного подвижного состава: межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омская гос. акад. путей сообщения. Омск, 1997. 80 с.

УДК 629.113

ОЦЕНКА ПРИСПОСОБЛЕННОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ К МАССЕ ПЕРЕВОЗИМОГО ГРУЗА ПО РАСХОДУ ТОПЛИВА С УЧЁТОМ СУРОВОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ УСЛОВИЙ

Л.Г.Резник1, Д.А.Чайников2

Тюменский государственный нефтегазовый университет, 625027, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Рассмотрен способ повышения эффективности автомобилей с использованием объективной оценки суровости условий, в которых они эксплуатируются. Обоснована необходимость введения свойства приспособленность при оценке качества и эффективности автомобилей. Определены интервалы суровости массы перевозимого груза. Ил. 3. Табл. 4. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: суровость; масса груза; норма; эффективность; приспособленность.

THE ESTIMATION OF VEHICLES' SUITABILITY TO THE MASS OF THE FREIGHT BEING TRANSPORTED ACCORDING TO THE FUEL CONSUMPTION TAKING INTO ACCOUNT THE SEVERITY OF TRANSPORT CONDITIONS

L.G.Reznik, D.A. Chainikov

Tyumenskii state oil-gas university 72 Melnikaite St. , Tyumen, 625027

The authors consider the method to increase the efficiency of vehicles with the use of the objective estimation of the severity of the conditions of their operation. They substantiate the necessity to introduce the property suitability when estimating the quality and efficiency of vehicles. The authors determined mass severity intervals of carried freight. 3 figures. 4 tables. 6 sources.

Key words: severity; freight mass; norm; efficiency; suitability.

1 Резник Леонид Григорьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой эксплуатации автомобильного транспорта, тел.: (3452)209302, e-mail: [email protected]

Reznik Leonid Grigorjevich, a doctor of technical sciences, a professor, the head of the Chair of Exploitation of Automobile Transport, tel.: (3452)209302, e-mail: [email protected]

2Чайников Денис Анатольевич, аспирант, ассистент кафедры эксплуатации автомобильного транспорта, тел.: (3452)209302, e-mail: [email protected]

Chainikov Denis Anatoljevich, a postgraduate, an assistant of the Chair of Exploitation of Automobile Transport, tel.: (3452)209302, e-mail: [email protected]

Грузовые автомобили и автопоезда в нашей стране перевозят около 80% грузов, перемещаемых транспортной системой страны. Перевозка грузов и пассажиров - основной производственный процесс на автомобильном транспорте. Поэтому значительная часть топлива, потребляемая грузовым автомобилем, расходуется на перемещение груза.

Для любого предприятия, использующего грузовые автомобили, возникает необходимость в назначении нормы расхода топлива на перевозку груза при эксплуатации в любых условиях. В настоящее время эта задача выполняется в соответствии с действующей методикой нормирования расхода топлива, приведённой в методических рекомендациях "Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте"[4]. Она регламентирует постоянную и одинаковую для автомобилей разных классов (по полной массе) норму расхода топлива на перевозку груза. Вместе с тем, результаты ранее проведённых исследований и опыт эксплуатации показывают, что автомобили с различными весовыми параметрами по-разному расходуют топливо при перевозке груза одинаковой массы. Таким образом, можно говорить о различной приспособленности автомобилей к массе груза по расходу топлива. Как следствие в целях объективного нормирования появляется потребность в дифференциации норм расхода горючего автомобилей в зависимости от их приспособленности к массе перевозимого груза.

Отсутствие объективного, научно обоснованного норматива не позволяет достичь реальной экономии за счёт снижения фактического расхода топлива автомобилем. Даже применение специализированного оборудования - средств инструментального контроля фактического расход топлива не позволяет достичь высокой топливной экономичности без объективно установленного лимита потребления топлива. К тому же применение средств инструментального контроля расхода топлива в настоящее время сталкивается с рядом проблем, основными из которых являются дороговизна оборудования, необходимость контроля и анализа данных. После точного и объективного определения нормативного расход топлива для автомобилей разных марок и моделей можно добиваться высокой топливной экономичности путём снижения фактического расхода топлива. Это позволит устранить основные причины перерасхода: плохое техническое состояние, неквалифицированное вождение, хищение, неоправданные потери топлива при его транспортировке, хранении, заправке и т.д.

В настоящее время преобладает такой подход к изменению качества автомобилей, когда оно зависит от надёжности автомобиля и происходит во времени. Современный уровень развития науки позволяет с уверенностью говорить о том, что время и пространство тесно переплетены между собой. То, что совершается в пространстве, одновременно совершается и во времени, а то, что происходит во времени, находится в пространстве. Следовательно, ни один процесс не может проходить только в одном измерении. Основываясь на вышеизложенном, применительно к

автомобильному транспорту можно утверждать, что процесс изменения качества не может происходить только во времени, - он осуществляется также и в пространстве.

Таким образом, необходимо дать характеристику изменения эксплуатационных свойств автомобиля не только во времени, но и в пространстве. Для решения данной проблемы Л.Г.Резником предложен пространственно-временной подход, основой которого является то, что для автомобилей, использующихся в суровых условиях, вводится свойство приспособленность. Приспособленность, наряду с надёжностью, предложено считать одним из важнейших свойств при формировании качества и эффективности автомобилей. На рис. 1 приведен частный случай использования философских категорий пространства и времени применительно к автомобильному транспорту (пространственно-временной подход).

Рис. 1. Пространственно-временной подход

Автомобили эксплуатируются в различных условиях. При этом номинальные значения показателей качества автомобили имеют лишь в узком диапазоне условий, называемых стандартными. Всё остальное пространство условий, в которых автомобиль эксплуатируется большую часть времени, называют суровостью. Т.е. суровость - это особенность условий эксплуатации, заключающаяся в их отличии от стандартных для данного автомобиля. Необходимость объективной оценки этих условий обусловлена, прежде всего, повышением эффективности использования автомобилей в суровых условиях, которое в свою очередь зависит от назначения различных норм и нормативов.

Условия, в которых эксплуатируется автомобиль, характеризуются совокупностью факторов, оказывающих влияние на его выходные параметры. При этом разные факторы оказывают различное влияние на автомобиль вследствие их различной природы. Принимая во внимание основную функцию автомобиля - перевозка грузов и пассажиров, можно сделать вывод, что при совершении любой работы в любых условиях на автомобиль действует фактор массы груза. Особая значимость этого фактора заключается в том, что он действует в любое время года, в любой местности, на всех дорожных покрытиях, при перевозке разных грузов.

Для того чтобы оценить суровость массы груза, прежде всего необходимо определить стандартные условия, отличие от которых приведёт к увеличению выходного параметра автомобиля, в частности, расхода топлива. С точки зрения действующей в настоящее время методики нормирования, стандартные условия, при которых определяются топливная экономичность и конкретно расход топлива, разные для разных типов автомобилей. Разница заключается в основном в величине массы перевозимого груза и особенностях маршрута. В соответствии с методическими рекомендациями "Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте" [4] расход топлива, полученный при стандартных для данного автомобиля условиях, именуется базовой нормой расхода топлива И8. Причем качественная и количественная характеристики стандартных условий, при которых была получена эта норма, отсутствуют. В документе указано, что базовая норма расхода топлива зависит от конструкции автомобиля и его агрегатов, категории, типа и назначения автомобильного подвижного состава (легковые, автобусы, грузовые и т.д.), от вида используемого топлива и учитывает снаряженное состояние автомобиля, типизированный маршрут и режим движения в эксплуатации.

Исходя из того, что в нашей стране для грузовых бортовых автомобилей учет транспортной работы по перемещению груза ведется через применение дополнительной нормы И„, можно сделать вывод о том, что базовая норма И3 определена для порожних автомобилей. Следовательно, в данном случае базовая норма И3 определена при стандартных условиях, которые в частности характеризуются отсутствием груза в кузове.

Таким образом, в качестве показателя суровости условий эксплуатации при перевозке грузов необходимо рассмотреть массу груза. Суровость транспортных условий, обусловленную перевозкой грузов, удобно выразить через хорошо известный из теории автомобиля статический коэффициент использования грузоподъемности Y, который для конкретного автомобиля зависит только от массы груза:

у = .

Чи

где Мгр - масса груза, т; дн - номинальная грузоподъёмность автомобиля, т.

При использовании прицепов в знаменателе коэффициента Y учитывается грузоподъёмность как автомобиля, так и прицепа. Таким образом, значение данного коэффициента использования грузоподъемности автопоезда не будет превышать 1 при использовании подвижного состава без перегрузки. Однако с точки зрения расходования энергии, автомобиль перемещает не только груз в кузове прицепа, но и сам прицеп. Поэтому рядом исследователей [3] при оценке влияния массы груза и прицепа на расход топлива было предложено относить массу прицепа к массе груза при расчёте коэффициента Y. Таким образом, величина коэффициента может превышать 1.

Масса перевозимого груза влияет на изменение большинства эксплуатационных свойств автомобиля. Применительно к эффективности использования автомобилей наибольший практический интерес вызывает рассмотрение свойства топливной экономичности.

Увеличение расхода топлива, вызванное возрастанием массы груза, обусловлено изменением сил сопротивления движению. Сила сопротивления движению гружёного автомобиля (Рр) определится по формуле

Р = Р + Р

гр п и '

где Р„ - сила сопротивления движению порожнего автомобиля, Н; Ри - сила сопротивления, вызванная увеличением массы перевозимого груза, Н.

Именно сила Ри определяет суровость фактора массы перевозимого груза, она сказывается практически на трёх силах сопротивления движению: Р = Р + Р + Р

и У ' V '

где Рц - сила сопротивления дороги, Н; Р, - сила сопротивления инерции, Н; Р№ - сила сопротивления воздуха, Н.

Сила суммарного сопротивления дороги действует при движении автомобиля всегда. Сила сопротивления инерции равна нулю при равномерном движении, которое, в частности, встречается при загородном режиме движения. Сопротивление воздушной среды нужно учитывать лишь в отдельных случаях, когда груз выходит за пределы габаритов автомобиля или когда используется прицеп. Увеличение сопротивления воздуха при применении прицепов вызвано, прежде всего, вихреобразованием в воздушных потоках и приращением поверхности трения. По данным И.С.Туревского прицеп увеличивает коэффициент обтекаемости автопоезда на 25% [6].

Из определения суровости следует, что при отсутствии груза в кузове бортовых автомобилей или при коэффициенте использования грузоподъёмности равном нулю, фактор массы груза имеет минимальную суровость, т.е. 1"уп = 0 Р.

Максимальным значением суровости является наибольшее отклонение показателя фактора от стандартного значения Итах = 12 Р. Наибольшая масса, которую может перевезти одиночный автомобиль, соответствует максимальному значению суровости и равна его грузоподъёмности. В случае применения прицепов максимальная масса, которую может транспортировать автомобиль, равна сумме массы груза в кузове транспортного средства и прицепа, а также массы прицепа.

Величина наибольшего значения коэффициента использования грузоподъемности разная для разных автомобилей и прицепов. В соответствии с Инструкцией по перевозке крупногабаритных и тяжеловесных грузов автомобильным транспортом по дорогам Российской Федерации, предельные полные массы транспортных средств ограничены 38 тоннами. В соответствии с Соглашением стран СНГ максимально допустимая масса автогрузового транспорта при осу-

ществлении перевозок по дорогам общего пользования не должна превышать 44 тонн. Аналогичный предел определён Директивой ЕС 96/53/ЕС для автомобилей, осуществляющих международные перевозки в пределах Европы. Анализ технических характеристик автомобилей и прицепов, подходящих под данные ограничения, показал, что максимальное значение коэффициента Y находится в пределах 2,4...2,6. Например, для автомобиля КамАЗ-5320 и прицепа ГКБ-8350 коэффициент Y равен 2,44. На практике иногда значения Y достигают 3, но в данном случае и автомобиль, и прицеп эксплуатируются в условиях, на которые их конструкция не рассчитана. Такое использование подвижного состава отрицательно сказывается на безопасности движения и ведет к повышенному износу агрегатов. Поэтому наибольшее возможное значение Y для автомобилей общего назначения следует принять равным 2,5. Этому значению соответствует максимальное значение показателя суровости Ьтах.

Для простоты практического использования индекса суровости И шкала его значений может быть разбита на интервалы. В данном случае удобно использовать четыре интервала, названия которых будут соответствовать наименованиям интервалов, предложенных Л.Г.Резником [5]. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Интервалы суровости по коэффициенту ис-

Наименование интервала Интервал значений коэффициента у Среднее значение у в интервале Интервал суровости Р Обозначение интервала

Умеренный 0.0,63 0,32 0.3 Р1

Умеренно-суровый 0,63.1,25 0,94 3.6

Суровый 1,25.1,88 1,57 6.9 Р3

Очень суровый 1,88.2,5 2,19 9.12 Р4

Следуя табл. 1, можно без особого труда определить, к какому интервалу суровости относится перевозка данной массы груза конкретным автомобилем с известной грузоподъемностью.

Ранее в [2] был получен показатель, отражающий влияние массы перевозимого груза на расход топлива автомобилей с различной снаряженной массой:

Кр =

Ч о • Сгр У н

(1)

где - удельный индикаторный расход топлива двигателя, л/100Нкм; вгр - вес груза, Н; у- коэффициент сопротивления дороги; И8 - базовая норма расхода топлива, л/100км.

Удельный индикаторный расход топлива определяется по формуле [3]:

= 1 = 10-рТ ПгН. ' где рТ - средняя плотность топлива, кг/л; Ни - низшая теплотворная способность топлива, МДж/кг; п - инди-

каторный КПД двигателя порожнего автомобиля.

Для порожних автомобилей с бензиновыми двигателями значение д80 приблизительно равно 11,810-3 л/100 Нкм, с дизельными - 6-10"3 л/100 Нкм. Формулу (1) можно представить в виде

■(Гф-ГМ )• Ч н '9,8 У

к =

р

н

где Yф- фактическое значение коэффициента использования грузоподъемности; Yм- минимальное значение коэффициента использования грузоподъемности; цн- номинальная грузоподъёмность автомобиля, т.

Минимальное значение коэффициента использования грузоподъемности Yм зависит от условий, которые приняты за стандартные, в нашем случае Yм=0.

Значения коэффициента Кр для различных интервалов суровости (см. табл. 1) приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения коэффициента Кр для автомобилей с бензиновым и дизельным двигателями

Обозначение интервала Среднее значение у Тип двигателя

бензиновый дизельный

0,32 6,8 -10-1 ■чн н, 3,46 10-1 • ч н н»

0,94 19,97-10-1 -чн н, 10,15 ■ 10-1 -чн н»

Р3 1,57 33,35 • 10-1 -чн н 16,96 10-1 -чн н,

Р4 2,19 46,52-10-1 •чн н» 23,65-10-1 •чн н»

При этом за фактическое использование грузоподъёмности автомобиля принято среднее значение Y из соответствующего интервала суровости. Коэффициент сопротивления дороги у для асфальтобетонной магистральной дороги принят равным ~ 0,018.

На рис. 2 представлен график изменения коэффициента, вычисленного по данным табл. 2.

0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

0,2

0,7

1,2

1,7

2,2

Рис. 2. Зависимость коэффициента Кр от степени использования грузоподъёмности для автомобилей с дизельным (КамАЗ-5320) и бензиновым (ЗИЛ-431510) двигателями

Используя коэффициент Кр, можно определить расход топлива автомобиля на перевозку полезного груза:

п (КР + 1) • п н

Q гр =--Hs , (2)

Пгр

где пгр- индикаторный КПД двигателя загруженного автомобиля; п- индикаторный КПД двигателя порожнего автомобиля.

Индикаторные КПД изменяются по-разному для разных двигателей. Диапазон значений для дизельного двигателя 0,45 ... 0,51, для бензинового - 0,27 ... 0,35. При этом, индикаторный КПД зависит в основном от степени использования мощности двигателя. Изменения степени использования мощности двигателя от количества перевозимого груза и скорости движения приведены в табл. 3 (по данным Н.Я.Говорущенко [1]).

Таблица 3

Значения степени использования мощности для случая движения с разными скоростями и

^а, км/ч Загрузка автомобиля

без груза с грузом с прицепом

N■1, % N•1, % %

40 10,8 22,5 36,6

60 23,3 39,16 61,6

80 42,5 64,16 78,3

численностью населения. Поэтому в данной работе рассмотрена эксплуатация автомобилей в условиях загородного движения.

С учетом данных табл. 1 и 3 для каждого интервала суровости определены степень использования мощности двигателя и соответствующий ей индикаторный КПД различных двигателей (табл. 4). Каждому интервалу суровости соответствует конкретное значение индикаторного КПД, что очень удобно в применении на практике при проведении расчетов по формуле (2).

На рис. 3 изображена зависимость расхода топлива от массы перевозимого груза, построенная по расчётным данным.

л/100км

18 20 Ощд

Рис. 3. Зависимость расхода топлива автомобиля МАЗ-7313 от массы перевозимого груза

Из табл. 3 следует, что с увеличением скорости автомобиля и массы перевозимого груза увеличивается степень использования мощности двигателя. В загородных условиях при движении автомобиля с грузом и без груза при скорости 60.80 км/ч процент использования мощности двигателя изменяется в пределах 25.80% от максимального.

Таблица 4

Значения степени использования мощности и индикаторных КПД п, различных двигателей в

разных интервалах суровости

Обозна- Степень ис- Значение индикаторного КПД

чение пользования П двигателей

интервала мощности, % бензинового дизельного

^ 20 0,28 0,47

40 0,31 0,51

Р3 60 0,33 0,48

Р4 80 0,35 0,46

Эксплуатация автомобиля в городе отличается от эксплуатации в загородных условиях в основном неустановившимся режимом движения. Частые разгоны, торможения и работа двигателя на холостом ходу обусловлены в первую очередь высокой интенсивностью и плотностью движения, а также наличием регулируемых и нерегулируемых перекрестков. В методических рекомендациях [4] определены соответствующие надбавки (городские) на движение в городах с различной

Таким образом, произведена оценка суровости массы перевозимого груза, которую можно использовать для совместного учёта влияния суровости различных факторов, имеющих одинаковую размерность (безразмерный балл суровости). Данная объективная оценка обеспечивает повышение эффективности использования автомобилей в основном за счёт возможности установления более точной нормы на выполнение транспортной работы.

Библиографический список

1. Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте. М.: Транспорт, 1990. 135 с.

2. Евтин П.В., Чайников Д. А. Оценка влияния массы полезного груза на расход топлива автомобилей различной снаряжённой массы. Мат-лы 4-ой регион. научно-практ. конф. «Проблемы эксплуатации систем транспорта». - Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. С. 70-74.

3. Копотилов В.И. Автомобили: теоретические основы. Тюмень: ТюмГНГУ, 1999. 403 с.

4. Методические рекомендации "Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте". Распоряжение Минтранса РФ от 14 марта 2008 г. N АМ-23-р.

5. Резник Л.Г. Индекс суровости условий эксплуатации машин // Нефть и газ. Тюмень: ТюмГНГУ, 2000. №1. С.112-116.

6. Туревский И.С. Теория автомобиля: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 2005. 240 с.