книги из ГПНТБ / Барский И.Б. Динамика трактора

туды колебаний момента сопротивления, момента инерции, фак­

нагрузки. Для достижения удовлетворительных тягово-динами­ ческих свойств перспективных тракторов может стать неизбеж-

*1

W

U

0,8

OA

Рис. 51. Зависимость амплитуды колебаний частоты вра­ щения вала двигателя от момента инерции маховика (буквой ф обозначена частота колебаний нагрузки,

АМС — const)

иым применение гасителей колебаний, потому что определившей­ ся в последние годы тенденцией технического прогресса в тракторостроении является повышение тягового класса и энер­ гонасыщенности тракторов. Так, за последнее время внедрен трактор К-700 класса 5,0 тс. Новые модели тракторов в классе

•90

0,9 тс (Т-80), 1,4 тс (МТЗ с двигателем 110—120 л. с ) , 3,0 т (Т-150, ДТ-75 С) по номинальному тяговому усилию значительно превосходят своих предшественников и имеют большие скорости движения, а повышение скорости и тягового усилия, как было показано в п. 3 гл. I , приво­

дит к увеличению колебаний нагрузки.

для продолжительности включения муфты сцепления 1,5 с. Из графика видно, что с увеличением момента инерции коэффици­ ент | перегрузки трансмиссии увеличивается, а коэффициент х уменьшается. Оптимальным моментом инерции из условий раз­ гона для исследуемого трактора является 0,4—0,5кгс-м-с2 .

При трогании с пониженной частоты вращения холостого хо­ да продолжительность разгона увеличивается с повышением момента инерции, а при трогании с частоты вращения, близкой к максимальной, продолжительность разгона с ростом момента инерции уменьшается.

Таким образом, увеличение момента инерции маховика улуч­ шает тягово-динамические качества трактора при работе с уста­ новившейся нагрузкой, а из условий разгона чрезмерное увели­ чение момента инерции приводит к неоправданному росту нагру­ зок в трансмиссии. Следовательно, тягово-динамические качества трактора можно повысить за счет дальнейшего повышения нагруженности трансмиссии при разгоне. Однако вопрос о степени перегрузки трансмиссии и повышения за счет этого тягово-дина- мических качеств трактора в каждом отдельном случае должен

91

2. Регулятор

«Идеальный» регулятор. Все регуляторы, в том числе и при­ меняемые на тракторных дизелях, являющиеся регуляторами прямого действия, не могут точно выдержать заданного значе­ ния регулируемой величины, так как они вступают в работу только после того, как процесс нарушился. Чем меньше запаз­ дывание, тем меньше пределы изменения регулируемой величины.

Учитывая сказанное, на электронной модели исследована ра­ бота системы с регулятором, у которого приведенные массы равны нулю и отсутствует гидравлическое и сухое трение. Этот регулятор иногда называют идеальным. Его уравнение имеет вид

Fpz = Вхг.

В результате сравнительных опытов, проведенных при слу­ чайном воздействии и коэффициенте загрузки, равном 0,93, уста­ новлено, что разница в значениях х 1 с р двигателя с «идеальным» регулятором и двигателя с серийным регулятором находится в пределах ошибки опыта.

Для объяснения полученных результатов сняты амплитудночастотные характеристики двигателя без регулятора, двигателя с регулятором и фазо-частотная характеристика регулятора на линейном участке. Характеристики снимали на электронной мо­ дели.

Графики амплитудно-частотной и фазо-частотной характерис­

няется постоянным, близким к единице, а фазовый сдвиг состав­ ляет небольшую величину. Резонасный всплеск начинается с частоты 6—8 Гц.

92

Сопоставляя характеристику регулятора с амплитудно-частот­ ной характеристикой двигателя (см. рис. 33), можно отметить, что амплитуды в диапазоне частот свыше 5 Гц двигателем су­ щественно гасятся, на регулятор почти не пропускаются и поэто­ му практически не оказывают влияния на систему в целом. Час­ тоты же ниже 3—5 Гц достаточно хорошо отрабатываются регулятором.

Этот пример является примером удачного взаимного выбора характеристик двигателя и регулятора. Регулятор работает толь­ ко на том участке характеристики, на котором его можно считать

Ли

3,0

гр

1,0

0,8 Ofi

о,"

0,3

0,2

идеальным, что подтверждается плавным протеканием ампли­ тудно-частотной характеристики двигателя с регулятором (рис. 53). Следовательно, возможности повышения тягово-дина­ мических качеств трактора при работе с установившейся нагруз­ кой за счет применения безынерционного регулятора практически исчерпаны.

Корректирующее устройство. Корректирующее устройство определяет два параметра, влияющих на динамические свойства трактора,— запас крутящего момента и крутизну корректорного участка регуляторной характеристики.

Исследованиями, а также длительной практикой эксплуата­ ции установлено, что запас крутящего момента двигателя на тракторах общего назначения должен составлять 15—20%. Эта величина регламентируется амплитудой колебаний момента сопротивления, возникающих при выполнении сельскохозяйст­ венных операций.

93

Малый запас крутящего момента ведет к снижению произво­ дительности, во-первых, из-за большой потери времени на оста­ новки трактора для переключения передач, так как необходи­

шаются настолько, что трактором невозможно выполнять пахо­ ту, так как при временных перегрузках двигатель резко снижает частоту вращения и останавливается (глохнет) раньше, чем трак­ торист успевает выключить муфту сцепления.

Коэффициент запаса крутящего момента является тем кри­ терием, который ограничивает максимальный перепад между смежными скоростями в рабочем диапазоне скоростей ; . Соотно­ шение между расчетными скоростями движения трактора на выс­ шей и низшей смежных передачах в рабочем диапазоне должно быть таким, чтобы прирост скорости, выраженный в процентах, был меньше, чем коэффициент запаса крутящего момента, либо равен ему. Если перепад между скоростями будет больше, чем запас крутящего момента, то это приведет к неоправданной по­ тере производительности, так как не будет использована потен­ циальная возможность работы на более высокой скорости (поми­ мо этого, плотный ряд скоростей позволяет более полно исполь­ зовать мощность двигателя).

В табл. 9 приведены запасы крутящего момента и перепады между скоростями для наиболее распространенных отечествен­ ных тракторов. Как видно из таблицы, не все отечественные тракторы удовлетворяют требованиям по динамическим качест­ вам: либо они имеют малый запас крутящего момента, либо пе­ репад между скоростями больше запаса крутящего момента, Характерно, что модернизация и создание новых тракторов также не всегда проводятся с учетом этих требований, вследст­ вие чего в ряде случаев более поздние модели тракторов уступа­ ют по динамическим качествам предшествующим моделям. На­

В последнее время в литературе появились сведения о дви­ гателях постоянной мощности. Это двигатели, обладающие повы­

к трактору, в соответствии с которыми он создается.

94

Таблица 9

Запас крутящего момента двигателя и перепад скоростей на смежных передачах отечественных тракторов

Столь высокое значение k может быть достигнуто двумя пу­ тями — дефорсированием двигателя по номинальному режиму, либо форсированием по максимальному режиму, например при­ менением турбонаддува. Второй способ получения желаемой ха­ рактеристики предпочтителен, так как при этом не снижается энергонасыщенность двигателя, а его форсирование получается «щадящим», потому что повышение предельного значения ре происходит при малых частотах вращения.

Основным режимом двигателя постоянной мощности являет­ ся работа на корректорном участке, потому что корректирующее устройство регулятора подбирается так, чтобы на участке be ха­ рактеристики (см. рис. 1) мощность двигателя сохранялась при­ мерно постоянной (однако такая настройка двигателя повышает амплитуду колебаний скорости поступательного движения трак­ тора от неравномерной нагрузки).

При соблюдении этих условий корректорный участок регуля­ торной характеристики обеспечивает пологую зависимость крю­ ковой мощности Л^кр от тягового усилия Р к р , что позволяет при небольшом количестве передач в трансмиссии перекрыть весь диапазон тяговых усилий. Как видно из рис. 54, рабочий диапа­

Разница в крюковой мощности на тяговой характеристике объ­ ясняется разной мощностью двигателя с постоянной мощностью и двигателя с общепринятой регулировкой.

95

Сочетание двигателя постоянной мощности с автоматически переключаемой без остановки трактора коробкой передач поз­

Эксплуатационные и тягово-динамические показатели трак­ торов с двигателями постоянной мощности пока недостаточно изучены, однако перспектива получить характеристику трактора, близкую к потенциальной при ступенчатой трансмиссии, пред­ ставляется заманчивой. Техническую осуществимость этой пер­ спективы на данном этапе развития тракторостроения следует признать вполне реальной, так как современные модели тракто­ ров оснащают коробками передач с переключением без останов­ ки трактора и двигателями, у которых практически не ограничи­ вается продолжительность работы на корректорном участке характеристики. Эти две конструктивные особенности и состав­ ляют основу решения вопроса. Разработка и установка автомата переключения передач является простой задачей.

Исследование влияния характеристики корректирующего устройства регулятора на тягово-динамические свойства трак­ тора при работе с установившейся нагрузкой проводилось на электронной модели для семи вариантов корректирующих уст­ ройств, охватывающих диапазон изменения угла наклона кор­ ректорной ветви 0,37—4,90 (0,37; 0,80; 1,50; 2,00; 3,00; 4,00; 4,90). Коэффициент Ь2 = 4,90 соответствует варианту, когда коррек­ торная ветвь характеристики продолжает без излома регуляторную ветвь, т. е. корректирующее устройство отсутствует. Такую регулировку двигателя называют иногда регулировкой по запа­ су мощности в отличие от принятой регулировки по запасу

96

момента. Во всех вариантах ограничение хода рейки, определя­ ющее запас крутящего момента, постоянно (у — 1,8 мм). Иссле­ дования проводились для двигателей с газотурбинным наддувом и со свободным впуском.

Исследование разгона проводилось только для двигателя со свободным впуском. Варианты /—4 характеристик корректиру­

тизны характеристики означает, что одному и тому же прира­

коленчатого вала) соответствует большее приращение хода рей­ ки топливного насоса, а следовательно, и цикловой подачи топ­ лива. Таким образом, более крутая характеристика корректора означает более глубокую обратную связь и более устойчивую работу двигателя при всех прочих равных условиях.

По результатам исследований 3. Н. Эминбейли, более крутая корректорная ветвь регуляторной характеристики повышает производительность трактора, а наилучшей является настройка двигателя по запасу мощности. Однако такую настройку можно применять только на тракторах с автоматизированными систе­

тается верной рекомендация В. Н. Болтинского, которая заклю­

Корректорная ветвь, выполненная в соответствии с этой ре­ комендацией, в сочетании с большим запасом крутящего момен­ та двигателя (свыше 15—17%), создает благоприятные условия для длительной работы двигателя в этом режиме, что означает работу при высоких средних эффективных давлениях ре, а сле­ довательно, с повышенной тепловой и механической напряжен­ ностью основных деталей двигателя. Как уже отмечалось ранее, современные двигатели, оборудованные турбокомпрессором и глушителями, обеспечивают бесконтрольную, поэтому сколь угодно длительную работу в этом режиме, так как обычные внешние признаки работы двигателя на корректоре (повышен­ ное дымление и специфический шум выпуска на пониженных оборотах) на этих двигателях выражены слабо. Эксплуатация

чего можно избежать установкой на тракторе прибора, указы­ вающего загрузку двигателя по крутящему моменту, либо авто­ матических устройств, изменяющих передаточное число транс­ миссии трактора.

Исследования разгона показали (рис. 56, б), что наилучшим вариантом (кривая 4) из четырех вариантов характеристики кор­ ректора (кривые / — 4), как и при работе с установившейся на­ грузкой, является регулировка двигателя по запасу мощности. Характеристика корректирующего устройства сказывается боль­ ше на тягово-динамических качествах трактора при работе с установившейся нагрузкой, чем при разгоне.

3. Турбокомпрессор

Влияние турбонаддува. Моделирование влияния газотурбин­ ного наддува на тягово-динамические качества трактора при работе с установившейся нагрузкой проводили при сохранении всех прочих характеристик двигателей с наддувом и со свобод­ ным впуском одинаковыми. Этого достигали отключением группы блоков / / / (см. рис. 26) при сохранении неизменными всех ос­ тальных постоянных коэффициентов модели. При выключении

98

турбонаддува модель двигателя со свободным впуском станови­ лась абсолютно идентичной по своим параметрам и характерис­ тикам модели двигателя с турбонаддувом. Так как во всех опы­ тах задавалось одно и то же возмущение, то условия также оставались неизменными. Таким образом было проведено срав­ нение динамических качеств (xicv) двух эквивалентных по всем показателям двигателей—с турбонаддувом и со свободным впуском.

Результаты опытов показали (см. рис. 56, а), что применение турбонаддува снижает амплитуду колебаний угловой скорости коленчатого вала на 2—4%. Повышение динамических качеств двигателя с турбонаддувом объясняется тем, что турбокомпрес­ сор накладывает на двигатель обратную связь (см. рис. И ) . При соответствующей настройке турбокомпрессора эта связь на ре­ гуляторной и корректорном участках характеристики двигателя может быть отрицательной. Тогда при снижении частоты враще­ ния коленчатого вала двигателя вследствие повышения нагрузки частота вращения ротора турбокомпрессора, а также плотность воздуха в коллекторе повышаются, что способствует на модели (в соответствии со структурной схемой) восстановлению частоты вращения вала двигателя. При снижении нагрузки имеет место обратная картина.

В действительности повышение плотности воздуха во впуск­ ном коллекторе означает повышение общей массы воздуха, по­ ступающего в цилиндр. Так как это происходит одновременно с увеличением цикловой подачи топлива, то создаются более благоприятные условия для протекания рабочего процесса.

На исследуемом двигателе максимум к. п. д. турбины соот­ ветствовал максимальному крутящему моменту двигателя по регуляторной характеристике.

Влияние газотурбинного наддува на разгон трактора иссле­ довали на электронных моделях и путем проведения натурных экспериментов. Идентичность характеристик двигателей со сво­ бодным впуском и с турбонаддувом обеспечивали, как и при исследовании работы трактора с установившейся нагрузкой, пу­ тем отключения на модели блока турбокомпрессора. Чтобы вы­ явить максимальное ухудшение разгонных качеств, исследования проводили при условии, что на протяжении всего трогания й разгона ротор турбокомпрессора сохранял угловую скорость, соответствующую холостому ходу, а плотность воздуха в коллек­ торе была также неизменной, равной 1,12 кг/м3 (под нагрузкой р = 1,40 кг/см3 ). В практике эксплуатации такие условия не мо­ гут иметь места при исправных двигателе и турбокомпрессоре.

Опыты показали, что разгон агрегата осуществляется без остановки двигателя как при газотурбинном наддуве, так и при свободном впуске. Минимальная угловая скорость коленчатого вала двигателя со свободным впуском примерно на 10% выше, чем скорость двигателя с турбонаддувом. Осциллограммы раз-