CC BY
79
УДК 631.37:631.3.072/.074
ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕННОЙ инерционнои массы ДВИГАТЕЛЯ НА НЕКОТОРЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАЗГОНА МАШИННО-ТРАКТОРНОГО АГРЕГАТА
© 2010 г. В.А. Кравченко
Приведены результаты исследований влияния переменной инерционной массы двигателя на некоторые показатели разгона агрегата на базе трактора класса 1,4. Установлено, что дополнительная инерционная масса способствует улучшению показателей разгона машинно-тракторного агрегата. Применение дополнительного маховика, подключаемого и отключаемого на различных стадиях разгона агрегата, позволяет увеличить производительность машинно-тракторного агрегата.
Ключевые слова: машинно-тракторный агрегат, разгон, время разгона, работа трения муфты сцепления, коэффициент полезного действия муфты сцепления, момент инерции двигателя.
The results of research of variable inertia mass of an engine influence on some results of unit dispersal on the example of class 1,4 tractor are given. It was found out that the supplementary inertia mass helps to improve the results of machine-tractor unit dispersal. Usage of a supplementary flywheel being turned on and off on different stages of unit dispersal helps to increase machine-tractor unit productivity.
Key words: machine-tractor unit, dispersal, dispersal period, work of clutch friction, clutch coefficient of useful activity, engine’s inertia moment.
Разгон - самый распространённый и наиболее напряжённый вид неустановив-шегося движения машинно-тракторного агрегата (МТА) [1].
На первом этапе разгона агрегата происходит основной процесс загрузки двигателя и снижение скорости вращения его коленчатого вала ах, а скорость вращения ведомых частей ф2 быстро нарастает. Ускорение поступательного движения в этой фазе имеет максимальное значение.
Когда муфта сцепления полностью замкнется, начинается совместное плавное возрастание угловых скоростей ®1 и ф2 до установившейся величины ф , соответствующей загрузке двигателя согласно регуляторной характеристике.
В этот период энергия двигателя расходуется на ускорение движения всех приведенных вращательных и поступательных масс агрегата. Ускорение движения имеет сравнительно малое значение, а действительная скорость медленно нарастает до установившегося значения.
При быстром включении муфты сцепления и большой жесткости трансмиссии на зависимости момента трения муфты от времени включения будет четко выражен горизонтальный участок, характеризующий её буксование с постоянным моментом. Окончание первого периода разгона определяется быстрым, по теории мгновенным, снижением крутящего момента, подводимого к первичному валу трансмиссии. Это объясняется тем, что при выравнивании угловых скоростей вала двигателя и первичного вала трансмиссии, когда скорость вала двигателя достигает своего минимума, момент от касательных сил инерции на валу двигателя равен нулю. При медленном включении муфты сцепления и малой жесткости трансмиссии горизонтального участка, характеризующего буксование муфты сцепления при постоянном моменте, может не быть.
Основными показателями МТА при трогании и разгоне являются: работа трения муфты сцепления, угловая скорость коленчатого вала двигателя в конце первой
фазы разгона (трогание), время фаз и общее время разгона и максимальное ускорение при разгоне.
Наиболее напряженной является первая фаза, когда в начале движения МТА тепловая энергия двигателя и кинетическая энергия его маховых масс создают агрегату начальное движение. Суммарная энергия двигателя расходуется на трение дисков муфты сцепления и в результате этого преобразуется в полезную работу.
Приведенные нами испытания показывают, что соотношение работ трения и полезной колеблется в широких пределах (коэффициент полезного действия муфт сцепления колеблется в первой фазе разгона ^=0,28...0,58), зависящих от вида нагрузки, сцепных свойств движителя, величины приведенных масс и других эксплуатационных факторов. Поэтому первая фаза разгона агрегата - трогание (разновидность неустановившегося движения) представля-
ет собой энергоемкое движение со сравнительно малой полезной отдачей. Положительная работа источников энергии, совершаемая за определенный промежуток времени, включает в себя тепловую работу двигателя и кинетическую энергию инерционных масс.
ь = ь + ь .
т ин -
(1)
где Ь, Ьт, Ьин - соответственно, затраченная суммарная, тепловая работа двигателя и работа инерционных масс.
Значение работ Ц можно рассчитать по формуле
*1
Ь =| Мфр О1 , (2)
0
где Мфр - момент фрикциона;
а\,ю2 - угловые скорости коленчатого вала двигателя и силовой передачи трактора.
Рис. 1. Зависимость работы трения и коэффициента полезного действия от величины момента инерции двигателя
Для оценки относительной работы трения муфты сцепления и полезной передаваемой ею работы служит коэффициент полезного действия муфты сцепления.
По опытным данным элементов энергетического баланса, полученным нами при исследовании трогания трактора класса 1,4 на различных передачах с полной нагрузкой и
при разных значениях момента инерции маховых масс двигателя, построены графики зависимости работы трения и КПД муфты сцепления (рис. 1) от величины момента инерции двигателя.
По данным теоретических и экспериментальных исследований можно утверждать, что работа трения и коэффициент полезного действия муфты сцепления при трогании зависят в первую очередь от приведенных масс ^, У2, /3 и их соотношения. При увеличении инерционных масс двигателя ^ и агрегата /3 работа трения муфты сцепления возрастает. Это объясняется тем, что при увеличении массы возрастает её кинетическая энергия, которая во время трогания отдается трактору и агрегату. При возрастании массы /3 повышаются общие затраты энергии на раскручивание этих масс.
Существенно влияет темп нарастания момента трения муфты сцепления Мфр,
зависящий от скорости включения. Поэтому различают быстрое и медленное включение муфты. В первом случае момент
М увеличивается быстро и остается постоянным в течение периода трогания, во втором - нарастает постепенно по линейному закону, достигая максимума к концу первой фазы. При быстром включении работа трения уменьшается, полезная работа муфты сцепления возрастает.
Опытные данные подтверждают основные аналитические выводы по элементам энергетического баланса. Так, при трогании МТА на стерне, работа трения муфты сцепления в 1,5...2,0 раза больше аналогичных значений, полученных на бетоне.
С увеличение порядкового номера передачи и момента инерции двигателя работа трения также возрастает (табл. 1).
Коэффициент полезного действия муфты сцепления, характеризующий её работоспособность и способность передавать энергию для стерни, меньше чем для бетона. При снижении момента инерции двигателя и при медленном включении муфты сцепления, в особенности на высших передачах, коэффициент полезного действия также снижается.
Таблица 1
Показатели трогания и разгона МТА на стерне (числитель) и на бетоне (знаменатель)
Пере- дачи * 1, 2 кг-м Показатели
(01, с-1 а» її, с Ї2, С ї, с кДж п муфты
VI 1,5 124 / 110 0,64 / 0,57 1,2 / 1,3 4,4 / 4,7 5,6 / 6,0 42,2 / 21,3 0,38 / 0,40
2,5 141 / 134 0,73 / 0,69 1,2 / 1,4 4,2 / 4,2 5,4 / 5,6 45,1 / 23,1 0,39 / 0,42
3,0 149 / 140 0,77 / 0,72 1,3 / 1,4 4,1 / 4,0 5,4 / 5,4 47,1 / 23,7 0,40 / 0,43
4,3 160 / 151 0,83 / 0,78 1,3 / 1,5 3,8 / 3,5 5,1 / 5,0 48,0 / 25,1 0,43 / 43
VII 1,5 107 / 89 0,55 / 0,46 1,3 / 1,4 6,1 / 6,6 7,4 / 8,0 45,1 / 23,1 0,37 / 0,37
2,5 124 / 117 0,64 / 0,60 1,4 / 1,5 5,8 / 6,1 7,2 / 7,6 48,5 / 25,5 0,39 / 0,37
3,0 132 / 124 0,68 / 0,64 1,4 / 1,5 5,6 / 5,8 7,0 / 7,3 50,0 / 26,7 0,41 / 0,37
4,3 143 / 138 0,74 / 0,71 1,5 / 1,6 5,2 / 5,2 6,7 / 6,8 53,0 / 28,9 0,42 / 0,37
VIII 1,5 84 / 79 0,43 / 0,41 1,4 / 1,5 7,2 / 8,0 8,6 / 9,5 50,0 / 27,7 0,35 / 0,31
2,5 107 / 103 0,55 / 0,53 1,5 / 1,6 6,9 / 7,4 8,4 / 9,0 54,5 / 31,5 0,38 / 0,31
3,0 115 / 112 0,59 / 0,58 1,5 / 1,6 6,7 / 7,1 8,2 / 8,7 56,4 / 33,2 0,38 / 0,31
4,3 128 / 128 0,66 / 0,66 1,6 / 1,7 6,3 / 6,6 7,9 / 8,3 60,3 / 35,7 0,40 / 0,31
Для тракторов класса 1,4 с целью улучшения основных показателей фазы трогания и коэффициента полезного действия муфты сцепления необходимо увеличивать момент инерции двигателя до 4,0-4,5 кг-м2 [2]. Некоторое повышение работы трения муфты на 10-20% не может служить серьезным препятствием, так как по расчетным данным для современных конструкций муфт сцепления это допустимо.
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что на составляющие энергетического баланса существенно влияют такие факторы, как вид нагрузки и значение приведенных моментов инерции масс агрегата, включая и маховые массы двигателя, темп включения муфты сцепления, сцепные свойства движителя и передача трактора.
При трогании на низших передачах работа трения муфты сцепления уменьшается, а её коэффициент полезного действия возрастает. При разгоне агрегата от низшей к высшей передаче энергетический баланс улучшается, а коэффициент полезного действия муфты сцепления повышается. Поэтому этот способ можно считать из наиболее эффективных средств, улучшающих динамику разгона скоростных машинно-тракторных агрегатов.
В трудах академика В.Н. Болтинского указывается, что критерием оценки динамических качеств МТА при работе с не-установившейся нагрузкой служит амплитуда колебаний угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя. Этот параметр влияет на эффективные показатели двигателя. Для объективной оценки степени снижения угловой скорости двигателя при трогании МТА служит коэффициент изменения угловой скорости двигателя
аш=-
1мин
(3)
где <у1жн - минимальная угловая скорость
коленчатого вала двигателя в конце первой фазы; сох - угловая скорость холостого хода вала двигателя.
Коэффициент изменения угловой скорости двигателя аш уменьшается на повышенных передачах и определяется, главным образом, значением приведенных масс агрегата ^ и /2. При уменьшении ^ на высших передачах аш снижается, а время первой фазы tl увеличивается, что может привести к чрезмерной перегрузке двигателя и увеличению продолжительности первой фазы. Такое же действие оказывает и повышенное значение /3.
Существенное влияние на аш и tl оказывает коэффициент полезного действия движителя по буксованию. При отсутствии буксования трактора во время трогания а
имеет наименьшее, а tl - наибольше значение и первая фаза протекает весьма напряжено. В действительности наблюдается большое буксование ведущих колес трактора и этим можно объяснить характер протекания опытных зависимостей аш ( ^ )
и t1, которые располагаются в области расчетных характеристик. На низших передачах буксование движителей меньше (д =22.80%), чем на высших передачах (буксование д доходит до 100%). Такой характер буксования объясняется тем, что на высших передачах темп нарастания момента двигателя более высокий, чем на низких передачах.
Первая фаза также характеризуется ускорением при трогании и значением поступательной скорости в конце её. Здесь за короткий промежуток времени tl происходит основное нарастание действительной скорости МТА за счет повышенного ускорения. Анализ осциллограмм показывает, что ускорение быстро нарастает в этой фазе, достигая максимального значения в конце её. На низших передачах ускорение больше, чем на высших передачах пропорционально передаточному числу трансмиссии. Степень возрастания действительной скорости в первой фазе прямо пропорциональна коэффициенту аю а следовательно,
зависит от величины приведенного момента инерции двигателя (табл. 2).
Таблица 2
Значения действительной скорости МТА в конце первой фазы разгона (км/ч)
Передачи Моменты инерции двигателя, кг-м
1,5 2,5 3,0 4,3
VI 4,9 5,2 5,8 6,1
VII 5,3 6,2 7,6 8,3
VIII 5,4 6,4 7,8 8,5
Основными показателями второй фазы разгона являются время t2 и ускорение движения. Время второй фазы прямо пропорционально приведенной маховой массе агрегата, т.е. оно зависит от передачи и инерционности нагрузки. Время t2 всегда увеличивается на высших передачах и в большей мере для инерционных агрегатов. Оно также определяется конечным показателем первой фазы аш, т.е. при увеличении
аш время t2 уменьшается и разгон протекает более интенсивно. Уменьшение времени и снижение напряженности разгона возможно при увеличении коэффициента приспособляемости двигателя и уменьшении степени его загрузки. Ускорение агрегата при разгоне во второй фазе обратно пропорционально его приведенной массе.
Как уже отмечалось, при трогании агрегата инерционные массы двигателя отдают кинетическую энергию агрегату и способствуют разгону его первой фазе. Во второй фазе разгона скорость всех инерционных масс агрегата, в том числе и инерционных масс двигателя, возрастает, на что затрачивается значительная часть энергии, необходимой для разгона агрегата. В этой фазе источником движения является двигатель, а инерционные массы его и всего агрегата, наравне с поступательными массами, поглощают энергию двигателя. Если инерционную массу двигателя сначала увеличить, а потом, во второй фазе разгона, уменьшить, (отключить часть инерционной массы), то энергия двигателя при разгоне МТА будет использоваться более полно. Поставленная задача осуществляется за счет установки дополнительного маховика с необходимым моментом инерции.
В первой фазе разгона дополнительный маховик соединяется с коленчатым валом двигателя, а во второй - отсоединяется от него. При установившемся движении агрегата, после разгона, дополнительный маховик плавно подключается к валу двигателя и остается включенным при дальнейшем движении МТА.
В таблице 3 приведены значения минимальной угловой скорости двигателя в конце первой фазы разгона (01мин, время
фаз tl и t2, а также суммарного времени разгона t при различных моментах инерции двигателя ^. Данные получены расчетным (числитель) и опытным путем (знаменатель) без отключения дополнительной инерционной массы и с ее отключением.
Из данных таблицы 3 следует, что при увеличении момента инерции масс двигателя ^, его угловая скорость меньше снижается в конце первой фазы, что приводит к уменьшению перегрузки двигателя и напряженности его работы при разгоне. При этом время первой фазы незначительно возрастает, а время второй фазы снижается значительно. Общее время разгона уменьшается.
Существенное уменьшение времени разгона будет при отключении части инерционной массы двигателя во второй фазе, время этой фазы сокращается на 30-50%, соответственно уменьшается и общее время разгона.
После разгона агрегата дополнительный маховик должен быть подключен к основному. Если он подключается сразу по окончании разгона, когда у него достаточная кинетическая энергия, то снижение угловой скорости вала двигателя незначительно.
Таблица 3
Основные показатели разгона МТА с трактором класса 1,4 (пахота, 8 передача)
JІ, 2 кгм J Показатели разгона
2 кгм ®І мин , 1/с Т2, сек Ті, сек
сек без откл. с откл. без откл. С откл.
1,50 0 83,7 84,6 1,3 1,5 8,5 8,2 8,5 8,2 9,8 9,7 9,8 9,7
1,95 0,45 95,5 1,3 8,2 7,3 9,5 8,6
96,3 1,5 8,0 6,9 9,5 8,4
2,35 0,85 105,7 1,4 7,8 6,8 9,2 8,2
106,2 1,6 7,6 6,4 9,2 8,0
3,00 1,5 117,2 1,5 7,5 5,4 9,0 6,9
118,3 1,6 7,3 5,1 8,9 6,7
4,30 2,8 132,9 1,6 7,0 4,0 8,6 5,6
134,5 1,7 6,8 3,8 8,5 5,5
Примечание: J
- дополнительная инерционная масса, отключаемая во второй фазе разгона. (Ох=194 1/с; Жн =21 кгм; $ =1,8; ^=0,85; К=1,05.
Даже при полной остановке дополнительного маховика последующее его подключение, согласно результатам испытаний, дало снижение угловой скорости вала двигателя на 20 рад/с. При этом, если подключение производится плавно, то двигатель не выходит на корректорную ветвь характеристики, а снижение действительной скорости движения агрегата, по срав-
нению с теоретически возможной, не превышает 5-6%.
Применение дополнительной инерционной массы увеличивает минимальную угловую скорость коленчатого вала двигателя, значительно сокращает время разгона и, вместе с тем, увеличивает загрузку двигателя. Следовательно, производительность агрегата будет выше.
Литература
1. Кутьков, Г.М. Тяговая динамика трактора / Г.М. Кутьков. - Москва: Машиностроение, 1980. - 215 с.
2. Кравченко, В.А. Влияние переменной инерционной массы двигателя на выходные показатели МТА с трактором класса 1,4 / В.А. Кравченко, Н.Н. Мелешик // Совершенствование технологических процессов, машин и аппаратов в инженерной сфере АПК: сборник научных трудов / Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологи-ческий институт механизации сельского хозяйства.- Зерноград, 1996. - С. 217— 221.
Сведения об авторах Кравченко Владимир Алексеевич - канд. техн. наук, профессор кафедры «Тракторы и автомобили» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 34-4-51, факс 8(86359) 43-3-80.
Information about the authors Kravchenko Vladimir Alexeevich - Candidate of Technical Sciences, professor of the department of tractors and automobiles, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 34-4-51, fax 8 (86359) 43-3-80.
