CC BY
72
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. Тангенциальная составляющая общей реакции представляет качественную характеристику взаимодействующих поверхностей.
Суммарную реакцию К, возникающую при формировании опорной поверхности движения после определения п и т можно представить в виде:
4рх{ - Ь + р) + х + 4х{ - Ь{ - Ь + р) + х)^
К =
^Хг+р2
т[ХХ2+ { - Ь 2
I +
+
4х2( - Ь + р) 4х2{ - Ь + р)-г + Ь
1
х2 + р 2
л/х2 + { - Ь)2
(15)
к,
Модуль реакции опорной поверхности равен:
К =
1
32х2 {г - Ь + р)2 + 2 +
+ 2 { - Ь + р)216х4 - р( - Ь) 6х2 {г - Ь + р) +1] +1
д/х2 + р2 Vх2 +( - Ь))
= 42
I
16 х2 {г - Ь + р )2 + {г - Ь + р)216х4 - р{г - Ь)[16х2 {г - Ь + р)2 +1] +1 ^х2 + р 2у1 х2 +{г - Ь)2
(16)
Разработанные математическая модель и метод представления характеристик контактирующих поверхностей [уравнение (10)] позволяет моделировать формирование опорных поверхностей движения практически для любых движителей транспортных средств.
Полученные выражения нормальной (11), (12), тангенциальной (13), (14), а также полной реакции связи (опорной поверхности) (15), (16) позволяет решать задачи, связанные с проектированием и расчетом колесных движителей разного конструктивного исполнения с определением их качественных и количественных характеристик при движении по разным поверхностям.
Литература
1. Сергеев А.И., Шарипов В.М. Транспортное средство. Патент РФ №2245259. Опубл. 27.01.2005. Бюл.№3.
2. Сергеев А. И. Определение общей характеристики формирования опорной поверхности движения и обоснование конструктивного исполнения движителя перекатывающегося типа. Межвузовский сборник научных трудов МГТУ" МАМИ", Вып.1, 2004.с.334.
3. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. М:. Наука, 1968. 479с.
Согласование показателей дизелей и трансмиссий тракторов
Титов А. И. "Промтрактор" г. Чебоксары. В настоящее время рабочие скорости тракторов по зарубежным литературным источникам составляют от 4 до 12 км/час. У нас узаконенных значений нет, ряд авторов называют эти скорости от 9 до 15км/час или другие значения.
Рабочие скорости должны обеспечивать работу трактора с имеющимся набором сельскохозяйственных машин при условии загрузки дизеля до номинальной мощности без перегрузки трактора больше максимальной силы тяги. С учётом реально существующих у отечественных серийных тракторов скоростей весь скоростной ряд обычно рассматривают со-
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. стоящим из трёх диапазонов: первый - технологический до 4 км/час, в котором дизель не может быть загружен до номинальной мощности из-за ограниченных тягово-сцепных свойств тракторов; второй диапазон - рабочий со скоростным ограничением 5-15 км/час и третий - транспортный со скоростями, превышающими приведенные значения.
Таким образом, общий диапазон рабочих скоростей за рубежом и реально реализованных в наших конструкциях одинаков и равен 3.
Известны самые разные подходы к выбору числа и отношению смежных скоростей между собой. В частности, ряд скоростей, назначенных исходя из наибольшей вероятности применения тех или иных сельскохозяйственных машин с учётом продолжительности их работы в составе машино-тракторных агрегатов (МТА). Даже без учёта других внешних условий возможно полагать, что подобная логика применима скорее для определения режимов нагружения деталей КП и КД, чем для формирования рядов скоростей.
Один из научно обоснованных подходов к формированию скоростей содержится в теории трактора [1], в соответствии с ним ряд рабочих скоростей должен представлять собой геометрическую прогрессию с коэффициентом ряда, зависящим от числа передач и диапазона скоростей.
ч =к -13,
где: ч - коэффициент геометрического ряда рабочих скоростей,
к - число ступеней(скоростей) в рабочем диапазоне.
Необходимо подчеркнуть, что данный теоретический посыл более всего относится именно к скоростям рабочего диапазона.
Исходя из рабочего диапазона, равного 3, как это записано в приведенной формуле, а количество ступеней по имеющемуся опыту приняв от 6 до 12,получим коэффициенты геометрического ряда, равные приведенным в таблице 1 значениям.
_Таблица 1
Число ступеней 6 7 8 9 10 11 12
Коэффициент прогрессии 1.25 1.2 1.17 1.15 1.13 1.12 1.11
Формирование скоростей технологического и транспортного диапазонов должно выполняться, строго говоря, по другим теоретическим условиям. В частности, для равенства кинетических энергий при переключении скоростей транспортного диапазона целесообразен не геометрический, а арифметический ряд, но ввиду близости значений скоростей двух рядов в интервале 20-50 км/час различиями целесообразно пренебречь и считать, что геометрический ряд практически отвечает требованиям транспортного диапазона трактора.
Другой очень важной предпосылкой формирования рабочих скоростей является характеристика дизеля.
Обычно внешняя скоростная характеристика тракторного дизеля состоит из двух участков: корректорного и регуляторного. Номинальным режимом принято считать точку пересечения корректорной и регуляторной кривых характеристик. Считается также, что работа трактора должна соответствовать номинальному режиму без учёта изменения в процессе работы силы тяги.
В действительности сила тяги изменяется в зависимости от ряда причин, таких, например, как изменение рельефа поля или неоднородность структуры почвы и др., оказывая при этом заметное влияние на показатели двигателя.
Изучению неравномерности тяги и её влиянию на дизель посвящены труды акад. Бол-тинского В.Н.[2], д.т.н. проф. Кутькова Г.М. [3] и др., в которых отмечены принципиальные взаимосвязи скоростных характеристик дизелей и некоторых показателей скоростей тракторов.
В частности, проф. Кутьков Г.М. указывает на то, что малый запас крутящего момента дизеля снижает производительность трактора из-за потерь времени на остановки для переключения передач, а также в связи с часто встречающейся необходимостью работы на более низкой скорости в течение длительного времени на гоне.
По данным Свирщевского А.Б., увеличение запаса крутящего момента с 1 до 23% может повысить производительность на пахоте на 7,5%. Опытным путём З.Н. Эминбейли установил, что при небольшом запасе крутящего момента 4-6%, характеристика дизеля ухудшается до такой степени, что трактор не в состоянии пахать, так как при возникающих колебаниях нагрузки уменьшается частота вращения коленчатого вала до заглушения двигателя.
Таким образом, коэффициент запаса крутящего момента К дизеля (в дальнейшем коэффициент момента) существенно влияет на отношение смежных рабочих скоростей, т.е. на их коэффициент геометрического ряда. Соотношение между большей и меньшей смежной скоростью в рабочем диапазоне не должно быть больше коэффициента момента.
Приведенные сведения относятся к 60-70м годам, когда только начали появляться двигатели постоянной мощности (ДИМ). Созданию и совершенствованию ДПМ до современного уровня, главным образом, способствовали успешные работы по турбонаддуву, электронному впрыску топлива дизелей и др.
В результате в наши дни по сравнению с прошлым имеется существенный прогресс, который отражен в характеристиках ДИМ, в первую очередь в коэффициенте момента, который составляет 1,4-1,7 и более. Несмотря на это, особенности ДИМ недостаточно отражены ещё в теории трактора, что требует уделения большего внимания данному вопросу.
С целью упрощения изложения некоторых положений по формировании рабочих скоростей тракторов реальные скоростные характеристики тракторных дизелей заменены теоретическими графиками (рис. 1), где линия мощности N параллельна оси абсцисс, а линия крутящего момента M представляет собой гиперболу в соответствии с зависимостью:
N = M • n = const,
где: N - мощность ДИМ,
М - крутящий момент ДИМ, n - частота вращения коленчатого вала.
Графики располагаются в пределах частот вращения коленчатого вала от соответствующего максимальному крутящему моменту пмтах до номинального пн. Кроме того на рис. 1 видна регуляторная ветвь характеристики в виде наклонных прямых линий. В идеальном случае работа трактора должна происходить в точке d, т.е. в номинальном режиме. Для этого сила тяги, прежде всего, должна быть постоянной, что нереально в силу отмеченных причин. Иоэтому при увеличении тяги в результате колебаний дизель будет переходить на корректурную ветвь, а при уменьшении сваливаться на регуляторную ветвь характеристики.
Работа на регуляторной ветви представляется вынужденной мерой, т.к. мощность и крутящий момент дизеля при этом линейно уменьшаются, а удельный расход топлива увеличивается, но прибегают к этому для сокращения переключений передач в течение продолжительной смены и уменьшению тем самым утомляемости тракториста.
ДИМ позволяет организовать работу дизеля более рационально, для чего необходимо отказаться от использования регуляторной ветви характеристики в качестве рабочей и сохранить за ней функцию защиты от режима разноса. Таким путём можно будет реализовать некоторое повышение производительности труда и уменьшение удельного расхода топлива.
С указанной целью оптимальная загрузка дизеля (рис. 1) должна быть переориентирована с номинального режима на режим точки С, чтобы участок корректорной характеристики с-d был бы достаточен для поглощения колебаний силы тяги в сторону уменьшения и препятствовал бы переходу на регуляторную ветвь. При этом важно, чтобы работа в точке С обеспечивалась настройкой подачи топлива по частоте вращения этого режима(скажем по тахометру), а не установкой всережимного регулятора на данный частичный режим.
И
а
N
I
М
О
п> 7ь п
ПНтах
рис.1. Теоретическая скоростная характеристика ДПМ трактора.
Для сохранения способности дизеля преодолевать перегрузки целесообразно выделить ещё один участок а-Ь, который включает точку максимального крутящего момента и может выполнять функции защиты дизеля от заглушения. На этом участке дизель развивает наиболее высокое среднее индикаторное давление, что не очень хорошо влияет на его долговечность.
Граница данного участка в точке Ь , как и в упомянутой точке С, также должна обеспечиваться исключительно настройкой подачи топлива по частоте вращения этого режима.
Таким образом, участок Ь-с корректорной ветви скоростной характеристики дизеля представляется той рабочей областью, которая способна непосредственно влиять на необходимый коэффициент геометрического ряда рабочих скоростей.
Если режимы нагружения трактора таковы, что дизель работает в рассматриваемой области, то никакого воздействия на органы управления трактором не требуется, т.к. эта область соответствует оптимальным условиям, даже при определённых колебаниях силы тяги, которые способны быть локализованы на участках слева и справа от неё.
Если же работа дизеля происходит в точке на правом участке, то трактористу необходимо включить более высокую передачу, а если на левом - то более низкую.
Следовательно, коэффициент геометрического ряда рабочих скоростей трактора не должен превышать отношения частот вращения коленвала дизеля между точками С и Ь , из чего по таблице 1 определяется необходимое количество рабочих скоростей. В случае автоматизации процесса переключения скоростей следует ввести две зоны нечувствительности в точках Ь и С для исключения возможности возникновения колебаний, как показано на рис. 1 заштрихованными участками. При этом коэффициент геометрического ряда рабочих скоростей уменьшится ещё больше, соответственно чему количество скоростей должно увеличиться.
Для попадания в узкую рабочую область характеристики необходимо иметь достаточно большое число рабочих скоростей, что подтверждается зарубежной практикой.
В таблице 2 приведены некоторые сведения по скоростям и перепадам между смежными скоростями тракторов с трансмиссиями с переключением всех передач на ходу (ПНХ) ряда ведущих тракторостроительных компаний.
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.
Таблица 2
Скорости и перепады между смежными скоростям-1 некоторых зарубежных тракторов.
John deere Caterpillar New Hollarid AGCO White Case IH
№ п/п 85207 "ери я 300 [1 бпередач) Серии 600 0 8 передач) TJ 430 Т904 RT1 45 J 779 DT 225 8810 MX 285 MX 270 MX 255
V Щ V ч V V Ч V Ч V Ч V Ч V 4
1 1,55 2,69 2,19 2,4 4,1 2,31 2,24 3,15
1 ,34 1 ,23 1,29 1 .2 1 .3 1 ,29 1 ,15
2 2,08 3.43 2,83 3,09 4,94 3 2,89 3,61
1 ,33 1 ,26 1,29 1,21 1 ,29 1 ,29 1 ,15
3 2,77 4.31 3.65 4 5,96 3,86 3.74 4,16
1 .34 1 ,27 1,14 1 .2 1,14 1 .14 1 .15
4 3,71 5,48 4,17 4,56 7,18 4,39 4,26 4,77
1 ,12 1 ,19 1,13 1,15 1,14 1 ,13 1 ,15
5 4,16 6.54~1 4,7 5,15 8,25 4,99 4,02 5,48
1 ,15 1 .13 1,14 1 .1 1,14 1 ,14 1 ,15
15 4,8 7.37 5.36 5, ЗГ 9.06 5.68 5,49 6,28
1 ,16 1 ,13 1,14 1 .1 1,13 1 ,13 1 ,17
7 5,57 8,31 6.03 6,67 9,93 6,42 6.23 7,33
1 ,15 1 ,12 1,14 1 .1 1,14 1 ,14 1 ,15
8 6,42 9.34 6,94 7,6 1 0,91 7,32 7.1 8,41
1 ,16 1 ,13 1,13 1 .1 1,13 1 ,13 1 ,15
9 7,42 10,51 7,85 8,55 12 3,3 8,03 9,69
1 ,15 1 ,12 1,14 1 .1 1,14 1 ,14 1 ,15
10 8.55 11 ,82 8,95 9,79 1 3.18 9,47 9,15 11.12
1 ,16 1 ,13 1.14 1 ,1 1.13 1 ,14 1 ,15
11 9.94 13,34 10,16 11 ,12 1 4,45 10,73 10,39 12.75
1 ,15 1 .13 1,14 1 .1 1,14 1 ,14 1 ,15
12 11,46 15,02 11 ,58 12.6S 1 5,88 12,23 11,84 14,63
1 ,18 1 ,19 1,13 1,15 1,13 1 ,13 1 .25
13 13,5 17,87 13,09 14,32 1 8,23 13,34 13,39 18.23
1 ,34 1 ,27 1 .14 1 ,2 1.14 1 ,14 1 ,15
14 18,09 22,71 14,91 16,31 21 ,95 15,8 15,25 20.91
1 ,33 1 ,27 1,14 1,211 1,13 1 .14 1 .15
15 24.08 28,75 16.S4 18.53 26,53 17,86 17,32 24,11
1 ,28 1 ,39 1,29 1 .2 1 .3 1 ,29 1 .15
16 30.78 40 21 ,82 23,36 31 ,93 23,13 22,31 27,66
1,29 1,29 1 ,34 1 ,15
17 23,23 3O.S0 29.84 29,37 31.73
1.29 1.29 1 .24 1 ,15
18 36,37 39,77 38.57 37,1 8 36,39
Из таблицы видно, что общее число скоростей в среднем колеблется от 16 до 18. Перепады смежных скоростей в рабочих диапазонах от 1,1 до 1,15. Сравнительно редко встречается число передач равное 36 и больше. Ведущие же тракторные компании, как правило, ориентируются на 16-18, имея кроме того варианты моделей с бесступенчатыми трансмиссиями, например типа CVT (constant variable transmission).
Реальные скоростные характеристики дизелей значительно отличаются от теоретических. Анализ большого числа реальных скоростных характеристик [4] современных отечественных и зарубежных ДПМ показывает, что кроме коэффициента момента, напомним, находящегося в пределах 1,4-1,7 и более, пределы частот вращения коленвалов при максимальном моменте составляют ориентировочно 1200-1400 об/мин, а в номинальном режиме 21002300 об/мин.
Наиболее существенный вывод из анализа реальных характеристик состоит в том, что скоростные характеристики ДПМ включают в себя два важных режима работы: режим максимальной мощности и максимальной экономичности, которые смещены друг от друга по частоте вращения коленвала в среднем ориентировочно на 20%. С учётом изложенного рабочую зону ДПМ целесообразно ориентировать на область между этими режимами аналогично тому, как прежде [1] рекомендовалось поступать при выборе номинального режима обычного двигателя.
Поскольку реальные характеристики в ряде случаев сильно отличаются от теоретической, то целесообразно пользоваться наряду с коэффициентом момента К также коэффициентом частоты вращения коленвала Кп:
К = Mmax/Кп = Пн /nmin-
Отношения частот вращения 1,6-1,8.
Условность состоит в том, что в промежутке между частотами вращения при максимальном и номинальном моменте, реальная мощность непостоянна, а имеет, как отмечалось, выраженный максимум, что существенно для выбора перепада между смежными передачами скоростей в трансмиссии трактора. Подобная взаимосвязанность требует обоснованного согласования показателей ДПМ и трансмиссии.
На рис. 2 показаны две скоростные характеристики, одна принадлежит дизелям Cummins QSМ 11, которые применяются на ряде моделей тракторов Чебоксарского завода промышленных тракторов, другая - дизелю Д-4601-11 № 53 Алтайского моторного завода, установленному на опытном тракторе НАТИ 04.
Мощность первого составляет 250 кВт при рабочем объёме 10,8 л.; второго 192,25 кВт при рабочем объёме 11,15 л. Максимальные крутящие моменты развиваются при достаточно близких частотах вращения коленвалов 1200-1400 об/мин. Номинальные частоты вращения: соответственно равны 2100 и 1800 об/мин. Характеристика дизеля Cummins приведена как пример реальной реализации весьма близкой к теоретической. С другой стороны, характеристика дизеля 4601 не позволяет считать его ДПМ, притом что он обладает потенциалом совершенствования в случае использования в первую очередь электронного впрыска топлива.
Скоростные характеристики ДВС QSM 11 и Д4601-111
1600
1400
1200
1000
800
600
600
М / r-^f
/
f <М
N / /
/
квт
г/квт-час
1000
1400 об/мин
1800
2200
Рис. 2.
Необходимо подчеркнуть, что практически все зарубежные модели тракторных дизелей являются ДПМ, в то время как у нас они отсутствуют.
Большое количество скоростей у зарубежных тракторов позволяет эффективно использовать их не только путём полной загрузки дизелей, но также и в случаях их неполной за-
грузки.
В материалах лаборатории испытаний Университета штата Небраска (США), публикуемых в интернете [4],приводятся данные о частичных 75 и 50-процентных загрузках тракторов по силе тяги. Такого рода испытания проводятся лабораторией двумя методами. В одном случае на штатной передаче и полной подаче топлива, во втором - на более высокой передаче и частичной подаче, т.е. на меньшей частоте дизеля. При этом передача и подача топлива подбираются таким образом, чтобы силы тяги и скорости трактора были, возможно, близки и соответствовали бы заданным частичным загрузкам трактора. Результаты подобных испытаний трактора ГО 8520Т приведены в таблице 3.
______Таблица 3.
N(kw) Pk(kN) У(км/час) п(об/мин) о(%) g(^kw час)
9 передача, 75%силы тяги п ри максимальной мощности.
128,37 61,6 7,5 2264 1,87 315
9 передача, 50%силы тяги п ри максимальной мощности.
86,72 41,03 7,61 2276 1,01 362
11 передача, 75%силы тяги при максимальной мощности.
128,96 61,66 7,53 1697 1,87 264
11 передача, 50%силы тяги при максимальной мощности.
87,4 41,06 7,63 1705 0,93 288
Результаты испытаний показывают, что при недогрузке по силе тяги трактора с многоступенчатой трансмиссией ПНХ всех скоростей можно за счёт включения более высокой скорости получить 20-26% экономии топлива.
В заключение следует также подчеркнуть, что применение ДПМ способствует работам, направленным на создание трансмиссий, позволяющих осуществлять бесступенчатое регулирование скорости трактора при использовании ступенчатых КП и КД .
Выводы
1. На современных сельскохозяйственных тракторах широко применяются дизели с коэффициентом запаса момента 1,4-1,7, условно называемые ДПМ, максимальная мощность и минимальный удельный расход топлива, которых располагаются на характеристике между номинальной частотой вращения и частотой соответствующей максимальному крутящему моменту.
2. Основной рабочий (крейсерский) режим дизеля целесообразно размещать между номинальной частотой вращения и частотой соответствующей максимальному крутящему моменту, для чего следует применять многоскоростные коробки передач и согласовывать показатели дизеля и трансмиссии.
3. Наиболее употребимое число скоростей 16-18 при отношении смежных рабочих скоростей не более 1,15.
4. При достаточно большом числе передач в трансмиссии и при условии недогрузки трактора силой тяги можно экономить до 26% топлива путём включения более высоких передач и соответствующего уменьшения частоты вращения коленвала.
Литература
1. Львов Е.Д. Теория трактора. Машгиз, М., 1960.
2. Болтинский В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. М., 1962.
3. Барский И.Б. и др. Динамика трактора. М., 1973.
4. (Интернет) http://NE Nractor test publications.
