книги из ГПНТБ / Барский И.Б. Динамика трактора

ляется только снижением среднего значения частоты вращения его коленчатого вала.

Недоиспользование мощности начинается тогда, когда вслед­ ствие колебаний крутящий момент двигателя превышает номи­ нальное значение, т. е. двигатель периодически работает на кор­ ректорном участке характеристики. Нетрудно проследить, что при неизменной амплитуде колебаний нагрузки и при приближе­ нии среднего уровня загрузки двигателя к номинальному недо­ использование мощности двигателя увеличивается. С увеличени­ ем амплитуды колебаний нагрузки при постоянной средней за­ грузке двигателя недоиспользование его мощности также увели­ чивается. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим следующие два примера.

П р и м е р 1. Предположим, что амплитуда колебаний кру­ тящего момента двигателя составляет 3,75 кгс-м и сохраняется неизменной при различных средних уровнях загрузки (рис. 2). Зададим следующие уровни загрузки: 36,25; 37,50; 38,75; 40,00; 41,25; 42,50; 43,75 кгс-м. Каждой из этих точек соответствует средняя частота вращения коленчатого вала: 1760, 1730 (вместо

испытаниях. Во-вторых, этой мощности соответствует более чем на 200 об/мин меньшая частота вращения по сравнению с часто­ той вращения, соответствующей максимальной мощности при тормозных испытаниях. В данном случае нельзя говорить только о недоиспользовании мощности, так как качественно изменяется протекание кривой, что создает ложное представление о дейст­ вительном режиме работы двигателя.

10

П р и м е р 2. Предположим, что средний уровень загрузки двигателя по крутящему моменту соответствует точке а (рис. 3). Зададим последовательно четыре режима синусоидальных коле­

рые позволяют в процессе опыта непрерывно умножать мгновен­ ные частоты вращения коленчатого вала и крутящие моменты двигателя и получать в некотором масштабе кривую мгновенной эффективной мощности двигателя. В этом случае отпадает не­ обходимость пользоваться формулой (1) для расчета среднего

нейности средняя мощность всегда ниже исходной, вокруг кото­ рой совершаются колебания, и не может принять максимального значения, что было показано Б. Б. Чагаром.

Коэффициент загрузки двигателя. Загрузка двигателя при испытаниях и в условиях эксплуатации оценивается коэффици­ ентом загрузки k3 и частотой вращения коленчатого вала двига­ теля. По коэффициенту загрузки определяется средняя за какойто период степень загрузки двигателя. По показаниям тахометра

11

загрузка двигателя контролируется трактористом периодически, непосредственно во время работы.

По ГОСТу 7057—54 коэффициент загрузки

Иногда коэффициент k3 определяют как отношение среднего часового расхода топлива к часовому расходу топлива, соответ­

колебаниях часового расхода топлива вокруг некоторого исход­ ного положения на нелинейном участке характеристики средний часовой расход не может быть равен часовому расходу в этом исходном положении, он всегда ниже. Это значит, что мощность Nn будет также ниже исходной, а коэффициент k3 — ниже дей­ ствительного.

Если в качестве исходного взять номинальный режим работы двигателя, то средний часовой расход получится ниже макси­ мального. Следовательно, используя в качестве критерия часо­ вой расход топлива, нельзя получить коэффициент загрузки, равный единице (при условии правильного учета расхода топли-

12

ва во время опыта и сохранения стабильной регулировки топ­ ливного насоса).

Полученный во время опыта средний часовой расход топлива может быть отнесен либо к восходящей, либо к нисходящей вет­ ви кривой часового расхода, первая из которых соответствует работе двигателя с недогрузкой, а вторая — с перегрузкой. Так как испытатель не располагает какими-то дополнительными объективными критериями определения загрузки, то он вправе выбрать любой из этих режимов. Руководствуясь тем, что трак­ торист не может длительно держать двигатель на режиме пере­ грузки, обычно принимают, что двигатель работал на восходя­ щей ветви характеристики. При этом может быть допущена ошибка, и загрузка двигателя, работавшего на корректорной ветви характеристики, будет оценена коэффициентом загрузки, меньшим единицы.

С применением газотурбинного наддува вероятность такой ошибки возросла, так как двигатели с турбокомпрессором прак­ тически не проявляют внешних признаков работы на корректоре. Турбокомпрессор обеспечивает работу двигателя на перегрузке без заметного повышения дымления, а эффективные глушители шума выпуска не позволяют распознать на слух падение часто­ ты вращения.

Определение коэффициента загрузки через Ncp также не дает правильного представления о режиме работы двигателя. Так, в примере 1 (см. рис. 2) номинальной загрузке по крутящему моменту соответствует коэффициент загрузки по мощности, рав­ ный 0,91. Таким образом, при колебаниях момента в пределах 7,5 кгс-м (18,7% от номинальной величины) искажение действи­ тельной загрузки двигателя составляет 9%. При большей ампли­ туде это искажение будет больше, и наоборот, при той же ампли­ туде колебаний, но при ином характере протекания корректорной ветви характеристики величина ошибки будет иной.

В точке Ь' характеристики (см. рис. 2), где мощность с уче­ том колебаний нагрузки достигает максимальной величины, коэф­ фициент загрузки по мощности равен 0,96, а по крутящему моменту — 1,09, т. е. при работе двигателя в режиме перегрузки коэффициент загрузки меньше единицы. При определении за­ грузки этим методом, так же как и при определении загрузки по расходу топлива, коэффициент загрузки никогда не может быть равен единице или быть больше нее, хотя при испытаниях и в ря­ довой эксплуатации двигатель может работать как на номиналь­ ном режиме, так и на режиме перегрузки.

Таким образом, оценивая загрузку двигателя по мощности

данные по загрузке одного и того же двигателя в разных усло­ виях или разных двигателей (с различными кривыми момента) в одних и тех же условиях при оценке по мощности несопостави-

13

мы, так как в обоих этих случаях разница между действительной загрузкой по моменту и загрузкой по мощности будет различной.

Например, при одном и том же уровне загрузки двигателя по крутящему моменту на пахоте и на дисковании колебания на­ грузки будут разными. Поскольку на пахоте амплитуда колеба­ ний нагрузки больше, падение частоты вращения двигателя будет более значительным, а значения Nn и k3 будут меньшими, чем при работе с дисковой бороной, т. е. одинаковая по среднему моменту сопротивления загрузка двигателя будет оцениваться различными значениями коэффициента загрузки.

Проверим достоверность определения загрузки двигателя по частоте вращения коленчатого вала. Для измерения средней частоты вращения на тракторах применяется тахометр. Как было показано ранее, средняя частота вращения при ее колебаниях на нелинейном участке характеристики всегда ниже частоты вра­ щения, соответствующей исходному положению, вокруг которого

то при оценке загрузки двигателя только по частоте вращения представление о действительном режиме работы двигателя бу­ дет неверным.

Ввиду того, что в условиях эксплуатации колебания момента сопротивления носят случайный характер, определить ошибку показаний тахометра заранее, чтобы скорректировать ее, прак­ тически невозможно. Поэтому тахометр не может быть рекомен­ дован в качестве указателя загрузки для тех тракторов, для ко­ торых режим работы двигателя, близкий к номинальному, является основным.

Таким образом, принятые методы оценки загрузки двигателя по мощности и по частоте вращения коленчатого вала вносят существенную погрешность. Это приводит при испытаниях к ошибочному представлению о возможностях загрузки двига­ теля на сельскохозяйственных операциях, для которых предназ­ начен трактор, сказывается при определении производительности и топливной экономичности, не позволяет получить действитель­ ную картину нагруженное™ деталей и узлов трактора и двига­ теля, в связи с чем вносится погрешность в оценку надежности машины.

Параметром, который непосредственно определяет загрузку двигателя, является момент сопротивления или крутящий мо­ мент двигателя. Крутящий момент двигателя пропорционален среднему эффективному давлению рабочего цикла и не зависит

14

от нелинейности регуляторной характеристики. Определение за­ грузки двигателя по моменту лишено всех недостатков, которые отмечены выше. Прибор для измерения крутящего момента мо­ жет быть механическим, электрическим, гидравлическим и т. д.

К. п. д. трактора и тяговые показатели. К. п. д. трактора, как и любой другой машины, является показателем степени ее совершенства. Рассмотрим существующий метод определения к. п. д.

'•max

щения коленчатого вала двигателя. Так как скорость поступа­ тельного движения трактора определяется (при всех прочих равных условиях) частотой вращения коленчатого вала двигате­

теристике, представляет собой полную величину. Поэтому существующая практика расчета к. п. д. по эффективной мощно­ сти двигателя, полученной при тормозных испытаниях, и загрузке постоянным моментом сопротивления приводит к тому, что к. п. д. трактора получается заниженным. При этом занижение к. п. д. трактора, имеющего «жесткую» трансмиссию, в одних и тех же условиях испытаний будет всегда большим по сравнению с за­ нижением к. п. д. трактора, имеющего трансмиссию с демпфером или другим устройством, снижающим амплитуду колебаний частоты вращения двигателя.

Колебания нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя на нелинейном участке характеристики являются ос­ новной причиной большого разброса точек средних показателей на тяговой характеристике в зоне номинальной нагрузки. На рис. 3 показано, что одному и тому же среднему моменту может соответствовать практически бесконечное количество средних частот вращения п с р коленчатого вала, каждое из которых опре­ деляется амплитудой колебаний. Так как при тяговых испытани­ ях нагрузка и частота вращения колеблются по случайному зако­ ну, то даже близким средним моментам и мощностям будут соответствовать существенно различные значения пср. Если же

15

учесть, что средняя частота вращения зависит также и от момен­

найти, используя теорию нелинейных систем при случайном воз­ действии на них).

Разброс точек тяговой характеристики приводит к тому, что результаты сравнительных тяговых испытаний, проведенных в сопоставимых условиях, иногда получаются спорными.

tie,n.C.

Рис. 5. Влияние нелинейности регуляторной харак­ теристики двигателя на кривые Ne и пД тяговой характеристики

При снятии тяговых характеристик неизбежно отмечается смещение максимума крюковой мощности относительно номи­ нальной частоты вращения коленчатого вала двигателя. Это сме­ щение настолько заметно, что его нельзя отнести к числу случай­ ных ошибок, в то же время исчерпывающего объяснения этому эффекту также нет.

Если принять, что буксование движителей отсутствует, а по­ тери, определяющие к. п. д. трактора, не зависят от скорости движения трактора и тягового усилия на крюке, то зависимости, изображенные на рис. 2 и перестроенные в других координатах (рис. 5), представляют собой тяговую характеристику в неко­ тором масштабе. Из рис. 5 видно, что принятая методика тяго­ вых испытаний и обработки их результатов не только снижает максимальную крюковую мощность, но и раздвигает на графике тяговой характеристики (штриховые линии) номинальную (точ­ ка а) частоту вращения двигателя и максимальное значение (точка с') Л/кр в противоположные стороны по оси абсцисс, т. е. максимальное значение Ыщ, смещается в сторону больших тяго-

16

где ftCp — полученная при тягово-динамических испытаниях сред­ няя частота вращения коленчатого вала, соответству­

Коэффициент kv определяется по отношению частот вращения двигателя или трансмиссии, а не по отношению скоростей движе­ ния трактора, чтобы при оценке тягово-динамических качеств трактора исключить влияние его тягового-сцепных свойств и не­ которых других параметров, учитываемых соответствующими составляющими энергетического баланса.

Коэффициент снижения скорости движения трактора являет­ ся основным параметром его технической характеристики, опре­ деляющим такие важные эксплуатационные показатели, как оптимальный коэффициент загрузки, с одной стороны, и недоис­ пользование мощности двигателя (при данном коэффициенте за­ грузки) — с другой стороны.

В качестве номинального значения kv целесообразно принять величину при номинальном крутящем моменте двигателя (см. п. 1) и работе трактора на основных фонах. Эта условность со­ гласуется с определением основных показателей двигателя и трактора.

Используя коэффициент kv, можно определить выходную мощность двигателя:

Nv = k0Ne,

откуда вытекает, что этот коэффициент численно равен коэффи­ циенту использования мощности двигателя при данном коэффи­ циенте загрузки.

можно найти к. п. д. трактора, не прибегая к загрузочным устрой­ ствам со стабилизацией момента сопротивления. Использование коэффициента снижения скорости поступательного движения трактора позволяет получить его к. п. д. и полную тяговую ха­ рактеристику на данном фоне также по результатам тягово-ди­ намических испытаний.

Произведение (1—kv )PK V vv , приведенное к валу двигателя, представляет мощность Nv двигателя, которая не используется из-за нелинейности регуляторной характеристики и колебаний

18

момента сопротивления. Показатели kv и Nv тягово-динамических свойств открывают новые возможности при исследовании трак­ тора и отдельных составляющих его энергетического баланса.

Сопоставляя величину Nv с потерями в гасителях колебаний различного типа, включая и гидротрансформатор, можно на ос­ новании оценки тягово-динамических показателей определить целесообразность их применения (по этому признаку) или выб­ рать лучший из них.

При одной и той же амплитуде колебаний крюкового усилия амплитуда колебаний момента на валу муфты сцепления будет разной при различном передаточном числе трансмиссии тракто­ ра. С повышением скорости трактора и при сохранении частоты вращения двигателя передаточное число трансмиссии понижает­ ся, а амплитуда колебаний момента на валу муфты сцепления увеличивается при всех прочих равных условиях. В этом случае двигатель «раскачивается» сильнее, а величина kv снижается. Как известно из тяговой характеристики, частота вращения ко­ ленчатого Вала ПрИ МаКСИМаЛЬНОЙ КрЮКОВОЙ МОЩНОСТИ Л^ртах последовательно уменьшается с повышением передачи. Напри­

Величина Nv входит в составляющую потерь мощности на буксование при его определении через среднюю скорость тракто­ ра. При использовании коэффициента kv можно определить бук­ сование трактора без потерь скорости, вызванных нелинейно­ стью регуляторной характеристики.

Разработка конструкции трактора без количественной оцен­ ки его тягово-динамических качеств может привести к повыше­ нию величины Nv и связанному с этим некоторому снижению производительности трактора по сравнению с ожидаемой. Суще­ ствующие методы исследований могут лишь фиксировать повы­ шение потерь, но не позволяют вскрыть причину их возникнове­ ния и объяснить ее, если эти потери вызваны снижением тяговодинамических качеств трактора.

Ввиду того, что величина kv зависит прямо пропорционально от величины пср [выражение (4)], в качестве критерия оценки тягово-динамических качеств трактора при работе с установив­ шейся нагрузкой можно использовать амплитуду колебаний час­ тоты вращения коленчатого вала двигателя. Коэффициент ис­ пользования мощности двигателя и амплитуду колебаний угло­ вой скорости коленчатого вала можно определить по результатам натурных испытаний или же по результатам опытов на электрон­ ной модели.