Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1 Особенности использования тракторов в условиях АПК .10
1.1.1 Характеристика Западносибирской климатической зоны 10
1.1.2 Физические свойства воздуха, топлива и масла 12
1.1.3 Индикаторные и эффективные показатели .16
1.1.4 Характер нагрузочных режимов 20
1.2 Повышение эффективности работы МТА на основных нагрузочных режимах .24
1.3 Способы и устройства повышения эффективности газотурбинного наддува тракторных двигателей 28
1.4 Цель и задачи исследования .31
1.5 Выводы по главе 32
2 Аналитическая оценка возможности совершенствования режимов работы тракторных двигателей 33
2.1 Методика оценки эффективности полезного использования теплоты сгоревшего в двигателе топлива 33
2.2 Методика эксергетической оценки эффективности газотурбинного наддува 35
2.3 Основные аналитические зависимости работы ДПМ в составе МТУ трактора на различных нагрузочных режимах .48
2.4 Выводы по главе 58
3 Программа и методика экспериментальных исследований 59
3.1 Программа 59
3.2 Экспериментальная установка, оборудование и аппаратура 63
3.2.1 Методика измерения расхода топлива 63
3.2.2 Методика измерения расхода воздуха .66
3.2.3 Методика измерения частоты вращения .68
3.2.4 Устройство для перепуска газов 69
3.3 Планирование факторного эксперимента 71
3.3.1 Выбор отклика, основных факторов и вида модели 71
3.3.2 Моделирование и построение матрицы планирования .76
3.3.3 Методика статистической обработки полученных результатов 81
3.4 Выводы по главе .83
4 Результаты экспериментальных исследований .84
4.1 Показатели эффективности газотурбинного наддува двигателя 4 ЧН 13,0/14,0 (Д-440) .84
4.1.1 Коэффициент полезного использования эксергии выпускных газов в турбокомпрессоре 85
4.1.2 Зависимость эффективности газотурбинного наддува от температуры окружающей среды 90
4.1.3 Зависимость степени повышения давления наддува от температуры окружающей среды 94
4.2 Эффективные показатели двигателя 4 ЧН 13,0/14,0 (Д-440) с двумя уровнями номинальной мощности 97
4.3 Разработка технических средств обеспечения режимов ДПМ на двух уровнях номинальной мощности 103
4.3.1 Функциональная схема управления 103
4.3.2 Устройство и работа газораспределительной вставки 105
4.3.3 Устройство и работа корректора подачи топлива 108
4.3.4 Устройство и работа гидрораспределителя 110
4.3.5 Датчики системы управления 111
4.3.6 Скоростная характеристика подачи топлива модернизированным топливным насосом высокого давления 4ТНМ12.88 .112
4.3.7 Особенности регулировки модернизированного топливного насоса высокого давления 4ТНМ12.88 .114
4.4 Результаты статистической обработки экспериментальных данных .115
4.5 Результаты полевых испытаний .119
4.6 Выводы по главе 124
5 Экономическая оценка полученных результатов 126
Заключение 130
Список сокращений и условных обозначений .132
Словарь терминов 138
Библиографический список .139
Приложения 152
- Характер нагрузочных режимов
- Основные аналитические зависимости работы ДПМ в составе МТУ трактора на различных нагрузочных режимах
- Коэффициент полезного использования эксергии выпускных газов в турбокомпрессоре
- Результаты полевых испытаний
Характер нагрузочных режимов
Производительность и экономичность машинно-тракторного агрегата (МТА) во зависит от множества факторов, но главным образом, от энергоёмкости выполняемой работы [3]. В сельскохозяйственном производстве существует три основных вида, сельскохозяйственных операций, характеризуемых разной степенью загрузки двигателя. Энергоемкие операции, у которых степень загрузки соответствует 90...95%, среднеэнергоемкие - 70...85% и малоэнергоемкие -50...65% [58]. Доля энергоемких операций в среднегодовом объеме не превышает 30...35% [4, 53, 62]. Средняя загрузка двигателя определяется временем года, в течение которого выполняется та или иная работа, климатическими условиями, видом работ, составом МТА и агротехническими требованиями. Анализ проведенных исследований показал, что среднегодовая загрузка двигателя трактора тягового класса 3,0 составляет около 74% от Nm [79].
Для каждого из этих видов характерна своя загрузка двигателя, однако, даже когда выполняются самые энергоёмкие операции (например, вспашка), при рабочем ходе МТА двигатель по мощности не может быть загружен на 100% [58, 79]. Основной причиной этого являются колебания тягового сопротивления из-за неоднородности макро- и микрорельефа обрабатываемого участка, колебаний плотности и влажности грунта.
Суммарное количество энергоёмких операций в годовом объёме механизированных сельскохозяйственных работ не превышает 30...35% [4, 53, 62]. При выполнении других операций, например, транспортных, показатель загрузки двигателя ещё ниже и доходит до 40...50%. Доля таких работ может достигать 31 % [52, 53, 62, 79]. Загрузка двигателей тракторов различных тяговых классов для основных сельскохозяйственных операций приведена в таблице 1.2 [79].
На рисунке 1.2 представлен марочный и количественный состав машинно-тракторного парка, находящегося на балансе хозяйств Новосибирской области. Из диаграммы видно, что 53,4% от общего количества приходится на тракторы от 1,4 до 3 класса включительно. Сюда же входит 4% зерновых комбайнов «Енисей», которые оснащены двигателем Д-440. Эти машины имеют аналогичную степень загрузки двигателя по мощности и используются, как правило, для выполнения одних и тех же сельскохозяйственных операций. Поэтому мы полагаем, что полученные результаты исследований можно распространить на все машины выше названных классов, которые оснащены системами газотурбинного наддува.
Кроме того, следует отметить, что тракторы более высоких тяговых классов тоже сложно загрузить по мощности на 100%. Однако, их общее количество в 7,1 раза меньше по сравнению с приведенными на рисунке 1.2 (б). Очевидно, что наибольший негативный экономический эффект следует ожидать от недостаточной загрузки двигателей машин, относящихся к рассматриваемой группе.
Известно, что на рабочие ходы МТА затрачивается в среднем около 60 % времени смены. Остальное время тратится на простои и холостые переезды [15]. При агрегатировании тракторов с широкозахватными орудиями баланс использования рабочего времени ещё сильнее смещается в сторону увеличения непроизводительной работы. Так, было установлено, что для целого ряда широкозахватных МТА (шириной 10,8...21 м.) затраты времени на переезды с участка на участок могут достигать 88% времени смены. При этом, затраты на повороты, развороты и заезды в пределах одного участка доходят до 20 % из-за сложности маневрирования [86, 103]. Следует отметить, увеличение ширины захвата, вопреки распространенному мнению, уменьшает экономичность МТА и способствует переуплотнению почвенного слоя [76]. Результаты экспериментов по режимометрированию трактора ДТ-75М, показали, что при выполнении основных сельскохозяйственных операций его двигатель подавляющую часть времени работает либо на холостом ходу, либо при нагрузке от 50 до 70% Nm [39].
Тенденцией современного сельскохозяйственного машиностроения является постепенное повышение мощности двигателей самоходных машин с целью увеличения их рабочих скоростей [14, 30, 51, 125]. Например, показатель удельной мощности универсально-пропашного трактора МТЗ-82 тягового класса 1,4 составляет 15,4 кВт/т. Аналогичный показатель более современного трактора МТЗ-922 такого же класса составляет 16,3 кВт/т. Исследованиями [20, 109] было установлено, что с ростом энергонасыщенности и номенклатуры агрегатируемых с трактором машин, происходит падение среднегодовой степени использования его двигателя по мощности. Это объясняется, отчасти, некоторым изменением структуры выполняемых операций, но основной причиной является снижение использования мощности при выполнении малоэнергоёмких операций (транспорт, внесение удобрений и т.д.)
Известно, что рабочий ход МТА сопровождается колебаниями тягового сопротивления, причина которых - неоднородность структуры обрабатываемой почвы, параметров макро и микрорельефа обрабатываемого участка или дороги, по которой осуществляется транспортировка. Динамике тягового сопротивления различных сельскохозяйственных машин и её влиянию на показатели двигателей посвящено большое количество работ, выполненных в ЛСХИ, АГАУ, Новосибирском СХИ (НГАУ), МГАУ им. Горячкина, НАТИ и в других организациях.
Частота колебаний тягового сопротивления для плуга находится в пределах от 0 до 10 Гц [1, 38, 97], при этом, их можно разделить на два вида: микроколебания и мезоколебания. Микроколебания - это колебания более высокой частоты, вызываемые крошением поверхности почвы, состоянием поверхности обрабатываемого участка и т.д. Как правило, амплитуда данных колебаний не превышает предела нечувствительности регулятора ТНВД, а повышение нагрузки, вызванное ими, преодолевается за счёт сил инерции вращающихся и поступательно движущихся масс МТА [13, 48] и фактически не влияет на технико-экономические показатели трактора [89].
Мезоколебания имеют меньшую частоту и связаны, прежде всего, с неоднородностью обрабатываемой почвы и неровностями макрорельефа участка. Мезоколебания при меньшей частоте имеют гораздо большую амплитуду, величина которой зависит как от параметров обрабатываемого участка, так и от вида обработки. Например, экспериментами [48] установлено, что при пахоте суглинистого чернозема пятикорпусным плугом наибольшая плотность распределения амплитуд мезоколебаний тяговых сопротивлений приходится на величину амплитуды 0,74 кН.
Очевидно, что этот вид колебаний оказывает серьёзное воздействие на эффективность работы трактора [97]. Кроме того, данное явление при комплектовании МТА вынуждает резервировать часть развиваемой двигателем мощности (до 20...25 %) на преодоление возникающих в процессе движения сопротивлений и для преодоления инерции при разгоне, что ещё сильнее увеличивает недоиспользование мощности силовой установки трактора [42, 100, 101].
Таким образом, существует проблема значительного недоиспользования мощности двигателей тракторов в условиях эксплуатации.
Основные аналитические зависимости работы ДПМ в составе МТУ трактора на различных нагрузочных режимах
Эксплуатационные качества сельскохозяйственных самоходных машин можно улучшить, увеличив регулирующие свойства МТУ. Это достигается повышением крутящего момента, уровень которого оценивается коэффициентом приспособляемости по моменту (Км) [23, 71]. С целью расширения регулирующих свойств двигателя, наряду с силовым регулированием, применяется скоростное регулирование, что выражается коэффициентом приспособляемости по частоте вращения коленчатого вала (Кп).
Совместное силовое и скоростное регулирование придают двигателю те или иные эксплуатационные свойства, косвенно оцениваемые коэффициентом приспособляемости (Кп):
Номинальным режимом считается режим, при котором, кроме всего прочего, всережимный регулятор (у двигателей с механическими регуляторами) прекращает работу, а в действие вступает корректор подачи топлива [79]. Частота вращения коленчатого вала при этом соответствует номинальному значению. Корректоры могут быть механическими, пневмомеханическими, электромеханическими и электронными. В нашем случае применяется механический корректор, конструкция которого представлена в приложении Д.
Между мощностью, развиваемой двигателем, и крутящим моментом существует зависимость:
Используя равенства (2.21) и (2.22), можно построить график взаимозависимости Км и Кп. Соединив точки на осях абсцисс и ординат, произведение которых равно единице, а мощность, развиваемая при этом двигателем, равна Ne = const, прямыми линиями, получим серию касательных к гиперболе вида К (—) (рисунок 2.4).
Это означает повышенную чувствительность двигателя к изменению момента сопротивления движению машины или привода ВОМ, то есть любое изменение крутящего момента сопровождается значительным изменением скоростного режима двигателя. Учитывая, что силы сопротивления имеют неустановившийся характер и во время работы колеблются в широких пределах, при Кп 1 вполне вероятны случаи, когда момент, развиваемый двигателем, становится меньше момента сопротивления движению. Исследованиями установлено, что характер внешней нагрузки в большинстве случаев соответствует закону нормального распределения [20]. На пахоте коэффициент вариации, как правило, менее 20 % и только в экстремальных случаях может достигать 30 % [13]. При этом нарушается устойчивость работы двигателя и для ее восстановления требуется увеличение крутящего момента на ведущих колесах самоходных машин, например, путем переключения передачи. В результате этого возможно снижение скорости движения, следовательно, и производительности агрегата.
В случае, когда Кп 1 незначительное изменение частоты вращения коленчатого вала предопределяет существенное изменение крутящего момента двигателя. Следствием этого могут быть большие динамические нагрузки, появляющиеся в узлах и агрегатах трактора, что, в конечном счете, может способствовать снижению экономичности и надежности работы МТА в целом.
Наиболее благоприятным режимом считается режим, когда Кп=1 и Ne=const.
Двигатели, имеющие такой режим, получили название двигатели постоянной мощности (ДПМ). Основные преимущества двигателя, работающего в режиме ДПМ -высокие экономические и тягово-динамические показатели.
Повышение внешней нагрузки вызывает снижение частоты вращения коленчатого вала двигателя, работающего в режиме ДПМ. Так как коэффициент приспособляемости равен единице {Кп=\\ то коэффициент Км возрастает обратно пропорционально величине снижения частоты вращения коленчатого вала. Скорость движения МТА падает, а сила тяги при этом возрастает до значений, превышающих величину внешней нагрузки.
Выход на режим ДПМ (корректорный участок ВСХ) осуществляется автоматически при условии достижения двигателем Nm (100 % загрузка двигателя по мощности). В условиях эксплуатации такая нагрузка может достигаться только при выполнении энергоемких сельскохозяйственных операций, на долю которых приходится почти третья часть годового объема работ. Наряду с этим существует еще один массив сельскохозяйственных операций со средней степенью загрузки двигателя (74...85%). На наш взгляд, наиболее значительного эффекта можно достичь путем выбора уровня номинальной мощности, развиваемой двигателем, в зависимости от степени его загрузки. Переход с одного уровня мощности на другой должен осуществляться автоматически [96]. Считаем, что первому уровню номинальной мощности соответствует средняя степень загрузки двигателя, а второму - полная. На основании результатов анализа литературных данных и теоретических исследований за номинальную мощность двигателя Д-440, соответствующую первому уровню, принимаем мощность, равную 84 % от Nm (65,4кВт). Второму уровню соответствует номинальная (паспортная) мощность серийного двигателя Д-440 (см. п. 3.1).
Необходимость применения двигателей с двумя уровнями номинальной мощности обусловлена следующими причинами. Смещение уровня номинальной мощности в сторону более низких значений позволяет значительно расширить перечень работ, при выполнении которых двигатель самоходной машины большую часть времени может работать на корректорной ветви характеристики (режим ДПМ), что, как известно, с точки зрения экономичности более предпочтительно, чем работа на регуляторе [101]. Одновременное отключение ТКР на частичных нагрузках (регуляторная ветвь) позволяет дополнительно повысить экономичность на этих режимах за счет использования преимуществ двигателя без наддува по сравнению с наддувом.
На рисунке 2.5 представлена типичная скоростная характеристика двигателя с режимом ДПМ на двух уровнях номинальной мощности. На участке характеристики от холостого хода до некоторого значения мощности, условно названного предельным (Nenp) (участок ОВ), двигатель работает с частично или полностью отключенным ТКР и ограниченной с помощью пневмокорректора подачей топлива. В точке В происходит автоматическое включение ТКР. Точка В - точка на регуляторной ветви ВСХ, где удельные расходы топлива с наддувом и без наддува равны. Положение точки В корректируется в зависимости от температуры ОС. С понижением температуры ОС мощность, развиваемая двигателем, при которой с точки зрения экономичности требуется включение ТКР, сдвигается в сторону больших значений (при некоторых температурах ОС точки В и К могут совпадать). В данном случае используются преимущества двигателя с отключенным ТКР (частично отключенным), работающего на регуляторной ветви по сравнении с включенным.
Подача топлива (точка К) ограничивается упором корректора и соответствует значению первого уровня мощности.
При дальнейшем возрастании нагрузки выше номинального значения первого уровня мощности работа двигателя осуществляется на корректорном участке (участок КР\ что достигается соответствующей настройкой топливной аппаратуры и конструкцией корректора подачи топлива. В точке Р двигатель развивает максимальный крутящий момент для данного уровня мощности. Конкретное значение крутящего момента в точке Р определяется эксплуатационными требованиями и конструктивными возможностями систем, агрегатов и двигателя в целом. При дальнейшем увеличении нагрузки происходит автоматическое переключение корректора на второй уровень мощности. Подача топлива возрастает, частота вращения коленчатого вала увеличивается, что сопровождается переходным процессом с конца корректорного участка первого уровня (исходная точка Р переходного процесса) на корректорную ветвь второго уровня мощности (С -конечная точка переходного процесса). Положение точки С на корректорном участке ВСХ определяется величиной и характером внешних возмущений, передаваемых на коленчатый вал двигателя, и от соотношения величин первого и второго уровней мощности. Дальнейшая работа двигателя осуществляется на корректорном участке AM второго уровня мощности. Давление наддува ограничивается с помощью предварительно отрегулированной пружины, нагружающей перепускной клапан для перепуска части ВГ мимо турбины в атмосферу (см. п. 4.3.2).
Коэффициент полезного использования эксергии выпускных газов в турбокомпрессоре
С целью подтверждения результатов теоретической части исследования (п. 2.2) был проведен цикл экспериментов, который позволил оценить количественный и качественный состав эксергии ВГ в системе ГТН на различных эксплуатационных режимах.
При очистке цилиндров двигателя от продуктов сгорания в ОС выбрасываются газы, эксергетический потенциал которых может достигать 35…40% от эксергии сгоревшего топлива [58]. Современные системы ГТН способны утилизировать относительно малое количество этой эксергии в виде эксергии сжатого в компрессоре воздуха. В работе был определен коэффициент полезного использования эксергии в системе ГТН (рисунок 4.1), который представляет собой отношение эксергии ВГ, сработанной в турбине, к эксергии на входе в турбину
Как видно из графика, максимальное значение г/ приходится на область номинального режима и не превышает 0,27. Изменение нагрузки, и, соответственно, частоты вращения коленчатого вала, от номинального значения, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения вызывает падение коэффициента г/ вплоть до величин 0,15…0,16. Низкое значение //Г во всем диапазоне нагрузок объясняется существенными потерями работоспособности потока газов в период выпуска. Наибольшая часть потерь приходится на период свободного выпуска при дросселировании потока газов через выпускной клапан.
Как было установлено ранее, в состав эксергии ВГ перед турбиной входят три составляющие: термическая (эксергия, передающаяся в форме теплоты), механическая в период свободного выпуска и механическая в период принудительного выталкивания (виды эксергии передающиеся в форме работы). Максимальный эксергетический КПД системы ГТН достигается тогда, когда (судя по уравнению 2.17) наибольшая доля приходится на механическую составляющую в период свободного выпуска.
Анализ составляющих уравнения 2.17, которые получены в результате экспериментальных исследований системы ГТН, показал, что при работе по ВСХ на холостом ходу превалирует термическая составляющая, достигающая максимального значения8тр =0,52 (см. рисунок 4.2). Механическая составляющая принудительного выпуска на холостом ходу находится в пределах 8J =0,36, а свободного выпуска не превышает 8срв = 0,12, что говорит о том, что на этом режиме работа турбокомпрессора поддерживается преимущественно за счет полезной механической работы, снимаемой с коленчатого вала в период принудительного выталкивания.
Доля эксергии, восстановленной турбокомпрессором SK, ниже значения 8J и ее величина находится на уровне 0,12...0,14, что указывает на низкий эксергетический КПД турбокомпрессора при работе двигателя на частичных нагрузках. Рисунок 4.2 - Величина составляющих эксергии ВГ перед турбиной турбокомпрессора двигателя Д-440 на внешней скоростной характеристике при температуре ОС плюс 25 С.
Увеличение нагрузки от холостого хода до номинальной, что соответствует Ре=0,712 МПа, влечет за собой снижение доли принудительного выталкивания с 0,36 до 0,21. При этом составляющая свободного выпуска увеличивается более чем в два раза: от 0,12 до 0,27. Одновременно растет доля эксергии, восстанавливаемой компрессором до 0,18, но её величина на номинальном режиме не достигает затрат на принудительное выталкивание, что ведет к использованию части эффективной мощности, развиваемой двигателем, на привод ТКР, и, как следствие, к снижению экономичности. Относительно малая доля механической составляющей указывает на слабое использование импульсности газового потока и несогласованность расходных характеристик двигателя и турбокомпрессора. Кроме того, невысокое значение эксергии, восстановленной компрессором, говорит о возможной переразмеренности турбокомпрессора и низком его КПД.
Близкие результаты получены при испытании двигателя СМД-62 [57]. В то же время следует отметить, что коэффициент использования эксергии на регуляторной ветви ВСХ ниже, чем у двигателя Д-440. Количественное и качественное различие между аналогичными составляющими эксергии ВГ у разных марок двигателей можно объяснить конструктивными особенностями применяемых турбокомпрессоров и систем наддува.
В силу описанных ранее причин работа двигателя на корректорном участке характеристики является экономически более выгодной по сравнению с регуляторним участком на режиме, близком к номинальному. Переход испытуемого двигателя на корректорный участок сопровождается дальнейшим снижением доли эксергии 8J, сохранением доли 8срв на прежнем уровне и ростом доли термической составляющей. Таким образом, на корректорном участке (режим ДПМ) удается сохранить долю эксергии наддувочного воздуха на постоянном уровне, что способствует повышению коэффициента приспособляемости по моменту (см. рисунок 4.2).
Анализ литературных данных показал, что равенство работы в период принудительного выталкивания и положительной работы в период впуска возможен только при отношении давления наддувочного воздуха к давлению газов перед турбиной не ниже Рк /РТ =0,97...1 [90]. При работе двигателя на корректорном участке с нагрузкой Ре=0,85...0,87 МПа отношение РК/РТ составляет 0,98, что хорошо согласуется с результатами ранних исследований. Дальнейшее повышение нагрузки приводит к возрастанию отношения РК/РТ до 1,02, в результате чего доля эксергии наддувочного воздуха превышает долю принудительного выталкивания на 0,05… 0,06 единиц.
Эксергию наддувочного воздуха можно повысить путем увеличения угла предварительного открытия выпускного клапана до НМТ (изменением фаз газораспределения). Конструкции большинства современных дизельных двигателей не позволяют изменять фазы газораспределения на ходу в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки и температуры ОС. В данном случае было бы полезно устройство, позволяющее изменять угол открытия выпускного клапана согласно заданному алгоритму. При этом должно выполняться условие РК/РТ 1. При таких условиях ТКР будет работать, в основном, за счет энергии газов, не использованной в поршневой части двигателя. Известно, что КПД лопаточных машин выше, чем у поршневых, поэтому с точки зрения повышения эффективности двигателей с ГТН целесообразно использовать для привода ТКР непосредственно часть индикаторной мощности, развиваемой газами в цилиндре. Стоит отметить, что если оставить неизменным конструкцию газораспределительного механизма, то путем подбора оптимального угла начала открытия выпускного клапана можно лишь частично улучшить индикаторные и эффективные показатели двигателя на заранее определенном режиме.
Экспериментальные исследования показали, что на частичных нагрузках (регуляторная ветвь) имеют место затраты полезной работы двигателя на принудительное выталкивание части ВГ из цилиндров. Применение частичного или полного отключения турбокомпрессора (перепуск газов) создает возможность существенно снизить затраты полезной работы двигателя. Например, применение частичного перепуска ВГ на двигателе Д-440 позволяет сократить потери мощности на принудительное выталкивание в диапазоне нагрузки от нуля до номинальной в 1,6-1,66 раза.
На рисунке 4.3 представлен график зависимости EJ от частоты вращения двигателя, полученный на внешней скоростной характеристике при перепуске газов с помощью газораспределительной вставки и без перепуска (рисунок 3.8). Как видно из графика двигатель, оборудованный опытной системой, имеет меньшие в среднем на 20…30% затраты на принудительное выталкивание в диапазоне частоты вращения коленчатого вала от 1300 до 1850 мин1. Максимальное преимущество (5J ниже на 60…65%) достигается на внешней характеристике в диапазоне частоты вращения коленчатого вала двигателя от 1800 до 1600 мин1.
В связи с очевидным снижением величины полезной работы на принудительное выталкивание части ВГ из цилиндров двигателя, оборудованного экспериментальным перепускным устройством, требуется дальнейшее изучение изменений эффективных и индикаторных показателей рабочего процесса при перепуске в широком диапазоне нагрузок и температур ОС.
Результаты полевых испытаний
Полевые испытания трактора ДТ-75Т были проведены в течение 2016...2017 года в АО племзавод «Учхоз Тулинское». Во время испытаний выполнялись такие работы, как: вспашка и снегозадержание. Вспашка - одна из основных сельскохозяйственных операций, которая производится в летний период эксплуатации и характеризуется высокой степенью загрузки двигателя. Снегозадержание - основная операция, характеризуемая низкими температурами ОС и значительным изменением нагрузочных режимов.
По мере формирования снежного покрова одновременно с ростом толщины наблюдается возрастание его плотности. Известно, что по площади снежный покров распределяется неравномерно как по толщине, так и по плотности. Например, при средней толщине снега 19,5 см на одних участках толщина снега может составлять 5, а на других - 35 см. Следует отметить, что на некоторых участках толщина снежного покрова достигает до 50 см и более. Кроме того, плотность снега на одном и том же поле может изменяться в значительных пределах. Например, по данным метеостанций Северного Казахстана зафиксировано изменение плотности от 135 до 185 кг/м2 и более. Соответственно сопротивление движению снегопаха в зависимости от плотности и толщины снега также изменяется в очень широких пределах.
Очевидно, что изменение физико-механических свойств почвы и снежного покрова не может не сказаться на изменении степени загрузки двигателя и его экономичности.
Полевым испытаниям подвергался трактор ДТ-75Т с модернизированным двигателем (с двумя уровнями номинальной мощности) и в серийном исполнении (рисунок 4.22).
С целью определения степени загрузки двигателя и расхода топлива трактор оснащался дополнительным оборудованием (см. п. 3.2.1). Испытания имели сравнительный характер. Сравнивались и анализировались показатели трактора в серийном исполнении и трактора с модернизированным двигателем.
Известно, что в условиях эксплуатации МТА имеют место непрерывные колебания тяговых усилий трактора. Источником этих колебаний являются изменения сопротивления почвы и снежного покрова движению рабочих органов машины и вариаций усилий в цевочном зацеплении гусениц трактора. Амплитуда изменения внешней нагрузки может достигать больших значений, величина которых в значительной степени определяется видом выполняемой сельскохозяйственной операции. Очевидно, что максимальную производительность имеет МТА тогда, когда амплитуда возможных изменений внешней нагрузки находится внутри диапазона крутящего момента, который способен развивать двигатель на корректорном участке. Серийный трактор ДТ-75Т имеет коэффициент приспособляемости по крутящему моменту не более 1,41. Ряд операций, например, вспашка с коэффициентом вариации сопротивления движению в пределах 0,25...0,3 вписывается в этот диапазон (рисунок 4.23).
В данном случае двигатель работает как серийный. Степень его загрузки не выходит за пределы коэффициента приспособляемости второго уровня номинальной мощности. В период испытаний не были зафиксированы случаи перехода двигателя на первый уровень номинальной мощности, поэтому часовой расход топлива соответствует расходу топлива трактора с серийным двигателем и равен 18,73 кг/ч.
Анализ литературных источников и результаты настоящих полевых испытаний трактора с модернизированным двигателем показали, что степень загрузки двигателя по крутящему моменту на снегозадержании варьирует в широком диапазоне (таблица К. 1 приложения К, рисунок 4.24).
Из рисунка видно, что запас крутящего момента на первом уровне номинальной мощности составляет 1,39, а на втором - 1,41. С учетом перекрытия крутящих моментов первого и второго уровней, величина которого равна 0,19, общий запас крутящего момента модернизированного двигателя с двумя уровнями номинальной мощности достигает значения 1,61.
Испытания показали, что почти половину времени двигатель трактора работает на первом уровне мощности. Другая половина приходится на второй уровень. Степень загрузки по моменту колеблется от 1,55 второго уровня до 1,0 первого уровня номинальной мощности. Следует отметить, что степень загрузки двигателя по моменту рассчитывалась относительно крутящего момента первого уровня мощности на номинальном режиме (351 Н м).
Средний часовой расход топлива определялся двумя способами: по результатам стендовых испытаний с учетом усредненной степени загрузки (рисунок 4.25) и взвешивания дополнительного мерного бака с топливом, установленного на тракторе. По первому способу расход топлива составил 18,02 кг/ч, а по второму - 18,15 кг/ч. Расхождение величин не превышало 1 %. В дальнейших расчетах использовалось среднее значение часового расхода топлива 18,09 кг/ч.
В период полевых испытаний сравнивались часовая производительность МТА и часовой расход топлива на двух режимах при прочих равных условиях. Под прочими условиями понималось: нормальный тепловой режим двигателя и трансмиссии трактора, равенство температур ОС и скорости ветра, одно и то же поле со снежным покровом до 30 см, расстояние между проходами снегопаха 5 м.
На рисунке 4.24 видно, что на режиме «модернизированный» работа агрегата осуществляется в пределах корректорных участков первого и второго уровней номинальной мощности. С переходом на режим «серийный» двигатель частично работает на корректорном участке второго уровня мощности и до 40 % на регуляторной ветви ВСХ.
Результаты полевых испытаний показали, что МТА в составе трактора ДТ-75Т с модернизированным двигателем и снегопахом СВУ-2,6 развивает производительность 3,53 га/ч при часовом расходе топлива 18,27 кг/ч. В то же время тот же агрегат в серийном исполнении при равных условиях имеет производительность 3,32 га/ч или на 6,3 % меньше при расходе топлива 19,41 кг/ч - на 6,2 % больше по сравнению с модернизированным.
Снижение расхода топлива при работе МТА с модернизированным двигателем по сравнению с серийным можно объяснить следующим образом. Во-первых, исключением работы двигателя на регуляторном участке ВСХ, что способствует резкому снижению динамических нагрузок, характерных конструктивным особенностям механических регуляторов. Во-вторых, ограничением степени повышения давления наддува на оптимальном уровне и его коррекцией в зависимости от температуры ОС. В-третьих, отключением ТКР при нагрузках, когда его применение не эффективно (см. п. 4.1).
Снижение производительности МТА с серийным двигателем по сравнению с модернизированным можно объяснить увеличением внутренних потерь мощности. Увеличение внутренних потерь вызвано завышенной величиной давления наддува в диапазоне номинальных нагрузок (при а 1,8) и имеющими место динамическими нагрузками, свойственных механическим регуляторам.