книги из ГПНТБ / Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотракторного типа

НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ

РЕЖИМЫ

поршневых и газотурбинных двигателей

автотракторного

типа

Л

t

Ленинград «Машиностроение» Ленинградское отделение

1974

Н57 УДК 621.43.001.5

Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотракторного типа. Л., «Машиностроение»

(Ленингр. отд-ние), 1974. 224 с.

В книге излагаются результаты исследований работы кар­ бюраторных, дизельных и газотурбинных двигателей автотрак­ торного типа в неустановившихся режимах. Рассмотрены мето­ дика исследований, применяемая аппаратура, средства автома­ тического управления экспериментом. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния неустановившихся ре­ жимов на показатели рабочего цикла, топливную экономичность, износостойкость и надежность. Изложены теоретические основы и результаты экспериментальных исследований диагностики двигателей в неустановившихся режимах. В книге особое вни­ мание уделено газотурбинным двигателям.

Книга предназначена для научных работников. Она также может быть широко использована инженерно-техническими работ­ никами, занимающимися вопросами расчета, производства и экс­ плуатации тракторных и автомобильных двигателей.

Табл. 19. Ил. 136. Список лит. 67 назв.

Авторы книги: ЖДАНОВСКИЙ Н. С., КОВРИГИН А. И., ШКРАБАК В. С., СОМИНИЧ А. В.

Р е ц е н з е н т канд. техн. наук И. А. Харченко

© Издательство «Машиностроение», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В свете решений XXIV съезда КПСС одной из важнейших задач является повышение эффективности, надежности и долго­ вечности энергетических установок мобильных машин. Ввиду наличия большого автотракторного парка в нашей стране и его значительного роста за девятую пятилетку указанная задача при­ менительно к двигателям тракторов и автомобилей приобретает особую актуальность. Учет своеобразия режимов работы двига­ телей автотракторного типа при конструировании, производстве и эксплуатации позволяет вскрыть дополнительные резервы для повышения их экономической эффективности.

Работа на неустановившихся режимах, сопровождающихся изменением параметров рабочего цикла двигателя, частоты вра­ щения, нагрузки, теплового состояния и других показателей, является наиболее характерной при эксплуатации трактора и автомобиля. В теории и исследованиях весьма глубоко изучены установившиеся режимы. Между тем наиболее актуальные в прак­ тике эксплуатации неустановившиеся режимы недостаточно изу­ чены в экспериментальном, а тем более в теоретическом аспекте.

В книге рассмотрены результаты исследований неустановив­ шихся режимов карбюраторных и дизельных двигателей авто­ тракторного типа. В связи с перспективой применения на мощных тракторах и автомобилях двигателей газотурбинного типа, а также с весьма ограниченным числом исследований, посвященных неустановившимся режимам этих двигателей, в книге значительное внимание уделено неустановившимся режимам ГТД.

Неустановившиеся режимы сопровождаются более высокими напряжениями, чем соответственные установившиеся режимы. Менее благоприятными становятся условия работы вспомогатель­ ных систем, например системы смазки и др. Все это приводит к тому, что износ основных деталей поршневых двигателей суще­ ственно возрастает. Тепловые ударные нагрузки и высокие тем­ пературные градиенты при разгоне ГТД вызывают значительное повышение тепловых напряжений в рабочих лопатках. Все это свидетельствует о необходимости тщательных исследований не­ установившихся режимов.

Г л а в а I

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ

1.Режимы работы тракторных

иавтомобильных двигателей

Тракторные и автомобильные двигатели в реальных условиях эксплуатируются на различных режимах. Последние наряду с дру­ гими факторами определяют долговечность, экономичность и на­ дежность конкретного двигателя. Поэтому учет специфики работы двигателей на соответствующих режимах является важным резер­ вом повышения их эффективности.

Режим работы двигателя определяется условиями внешней среды и конструктивными параметрами двигателя. Условия внеш­ ней среды (вид работы, рельеф местности, состояние дороги, агро­ физические свойства почвы, требования безопасности движения и др.) определяют величину и характер изменения момента сопро­ тивления и тепловой режим двигателя. Возможности двигателя (в частности, его мощность, скоростной режим, расход топлива, способность к перегрузкам и перестройке режима в соответствии

смоментом сопротивлений и др.) заложены в конструкции. В про­ цессе совершенствования двигателей их параметры увязываются

срежимами работы на основании все более глубокого изучения последних.

Работа двигателей характеризуется совокупностью ряда фак­ торов, основными из которых являются скоростной режим, ха­ рактер нагрузки, тепловое состояние. Специфика эксплуатации и назначение двигателя предопределяют основной режим его работы, который может быть установившимся и неустановившимся.

При установившемся режиме работы основные показатели дви­ гателя не меняются с течением времени. Если основные показа­ тели изменяются во времени (все одновременно или хотя бы один из них), то режим является неустановившимся. Установившиеся

гателе при работе на этих режимах, наиболее изучена. Однако установившиеся режимы не являются характерными для условий рядовой эксплуатации тракторов и автомобилей. Автотракторные двигатели подавляющую часть времени работают на неустановившихся режимах, которые описываются уравнением тягового баланса

5

Из уравнения (1) следует, что автотракторный двигатель на установившемся режиме будут работать только при равномерном движении и постоянных внешних сопротивлениях, чему соответ­ ствует постоянство угловых скоростей юд и сок, приведенного коэффициента сопротивления ф и параметра KFv2.

В реальных условиях работы тракторного двигателя момент сопротивления будет постоянно изменяться. При движении авто­ мобиля изменяются скоростной режим и нагрузка двигателя. Если принять во внимание специфику эксплуатации двигателей тракторов и автомобилей на транспортных работах, в сельско­ хозяйственном производстве, в лесной промышленности и других условиях, то очевидно, что на долю установившихся режимов при­ ходится весьма ограниченный объем работ. Это же относится к условиям эксплуатации автотракторных двигателей и в других отраслях народного хозяйства.

Исследованиями, посвященными эксплуатационным испытаниям группы автомобилей ЗИЛ-130, установлено [23], что в условиях интенсивного городского движения неустановившиеся режимы составляют 97% всего времени движения, на грунтовых дорогах — 92% и на загородных магистралях — 34%. Практически такой же остается картина для других марок автомобилей — как грузовых, так и легковых. Особенностью эксплуатации легковых автомо­ билей, особенно такси, является высокая интенсивность их исполь­ зования в напряженных условиях 'городского движения. Согласно данным работы [48], количество операций по управлению автомо­ билем-такси, приходящихся на 1 км пробега, в среднем составляет 16,3, в том числе число выключений сцепления 6,5; торможе­ ний 4,4 и переключений передач 5,4.

Число включений I, II и III передач, приходящихся на 1 км пути, для автомобиля М-21 Б приведено в табл. 1 [9]. Там же при­ ведено время движения на каждой из трех передач.

Аналогичное положение наблюдается и в эксплуатации трак­ торных агрегатов, выполняющих транспортные работы, доля ко­ торых в общем балансе времени использования тракторов доходит до 40—45% [58]. Анализ статистических данных показывает, что даже для гусеничных тракторов класса 3 тс в центральной не­ черноземной зоне доля транспортных работ составляет 37% вре­ мени.

6

Представление о частоте смены режимов работы тракторного двигателя дает количество включений муфты сцепления и рычага коробки передач. Поданным работы [58] при использовании трак­ торов МТЗ и шасси Ш-101 и Ш-104 на различных видах перевозок и других операциях число включений муфты сцепления в час для условий Московской области и местностей, сходных с ней, составляет: на весенних перевозках 42,9; на летних перевозках 38,8; на сплошной культивации 20,1. Число включений рычага

На режим работы тракторного двигателя оказывает влияние закономерность изменения нагрузки на крюке. По данным ОНИС HATH [39] тяговые усилия на крюке трактора в агрегате с раз­ личными сельскохозфштвенными орудиями изменяются по закону Гаусса—Лапласа и колеблются в весьма широких пределах. На­ пример, частотный спектр тягового сопротивления плуга изме­ няется от 0 до 10 Гц с выраженными максимумами дисперсии в пре­ делах частот 0—0,75 и 2,5—4,0 Гц. В зоне частот 0,75—2,5 Гц дисперсии примерно постоянны, а при частотах больше 4 Гц они уменьшаются..

Для тракторных агрегатов степень неравномерности нагрузки колеблется по данным работы [59] в пределах от 0,12 до 0,35, при этом нагрузка изменяется по амплитуде и частоте [5].

Анализ отечественных [26, 27] и зарубежных [61; 67] ис­ следований газотурбинных двигателей при работе их на автомо­ билях и тракторах показывает, что они по существу эксплуа­ тируются на тех же режимах, что машины с поршневыми

.7

двигателями, поэтому вышеизложенное остается справедливым и для автомобилей и тракторов с газотурбинными двигателями.

Неустановившиеся режимы являются наиболее типичными ре­ жимами работы для всех типов автотракторных двигателей и от­ личаются большим разнообразием. Наиболее часто встречаются при эксплуатации двигателей неустановившиеся режимы, сопро­ вождающиеся одновременным изменением оборотов, нагрузки и теплового состояния. Они имеют наиболее важное практическое и теоретическое значение. Им, и особенно режимам разгона, и будет уделено основное внимание.

2. Характерные загрузки тракторных и автомобильных двигателей в процессе их эксплуатации

Для изучения процессов, протекающих в автотракторных дви­ гателях во время их эксплуатации, важно знать типичные, или характерные, загрузки, скоростной режим и тепловое состояние двигателей при выполнении ими различного вида работ. Кроме того, при исследованиях неустановившихся режимов работы дви­ гателей и, в частности, разгонов важным является определение границ режима по нагрузке, числу оборотов и тепловому состоя­ нию двигателя. Границы р.ежима по нагрузке определяются сте­ пенью загрузки двигателя перед началом разгона (исходная или начальная нагрузка) и в завершающей стадии его (конечная на­ грузка).

Как показывают работы ряда исследователей, тракторные и автомобильные двигатели при использовании их в разнообразных почвенно-климатических и дорожных условиях работают с раз­ личной степенью загрузки, характеризуемой коэффициентом за­ грузки двигателя, который представляет собой отношение теку­ щего значения мощности Ne двигателя к максимальному значе­ нию Л^тах. Степень загрузки предопределяется видом работы, рельефом местности, составом агрегата, агрофизическими свой­ ствами почвы, агротехническими требованиями, квалификацией обслуживающего персонала, безопасностью движения и т. п. Такая многофакторная зависимость приводит к тому, что загрузка автотракторных двигателей колеблется в широких пределах. Од­ нако для отдельных типичных видов работ этот предел сужается

иможно говорить о среднем значении загрузки двигателя. Тракторные двигатели. Рассмотрим загрузку тракторов сель­

скохозяйственного и промышленного назначения.

Загрузку двигателей сельскохозяйственных тракторов про­ анализируем на характерных для всех зон страны видах работ: пахоте, лущении, культивации, бороновании, посеве, прикатывании посевов, междурядной обработке, уборке, транспорти­ ровке и др. Затраты времени и энергии для южно-степной зоны, Северного Казахстана и Алтайского края, для районов, подвер­ женных ветровой эрозии, для центральной черноземной полосы

8

и лесостепи на основании исследований ВИМа приведены

в табл. 2.

Как видно из таблицы, названные виды работ как по затратам энергии, так и по затратам времени охватывают по существу весь цикл сельскохозяйственных работ.

Поэтому анализ загрузки двига­

из этого анализа, могут отражать типичную картину по характерной

89% (рис. 1).

По данным HATH [60 ] степень использования мощности двигате­ лей тракторов класса 1,4 тс на

других работах с использованием обычного набора машин состав­ ляет: на вспашке 88—96%; на бороновании 75%; на лущении 92%; на культивации 75—83%; на работах с грядоделателями 54%; при работе с тракторным прицепом-разбрасывателем 18—■ 20%; с картофелесажалкой 40%,