CC BY
37
УДК 629.114.2 Н.И. Селиванов
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СКОРОСТНОЙ РЕГУЛЯТОРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ
Обоснована структурная схема и разработан алгоритм оптимизации параметров скоростной регуляторной характеристики тракторного дизеля, определены рациональные уровни для установленных типажом тяговых классов и оптимальных рабочих скоростей почвообрабатывающих агрегатов.
Ключевые слова: дизель, структурная схема, алгоритм, параметр, энергетический потенциал, характеристика, уровень мощности.
N.I. Selivanov
PARAMETER SUBSTANTIATION OF SPEED REGULATORY CHARACTERISTICS OF TRACTOR DIESEL ENGINE
The block diagram is substantiated, the algorithm for parameter optimization of speed regulatory characteristics of tractor diesel engine is developed and the rational levels for the traction classes established by a type and optimum working speeds of soil-cultivating units are determined.
Key words: diesel engine, block diagram, algorithm, parameter, energy potential, characteristics, capacity
level.
Эффективность использования тракторов общего назначения с рациональными массоэнергетическими параметрами для установленных типажом тяговых классов на операциях основной обработки почвы зависит от согласования характеристик двигателя и трансмиссии. Поэтому обоснование параметров скоростной регуляторной характеристики тракторного дизеля для обобщенных условий отдельных групп родственных операций является актуальным и может быть положено в основу создания типоразмерного ряда мобильных энергетических средств переменного тягового класса.
Цель работы - обосновать рациональные параметры скоростной регуляторной характеристики дизелей установленных типоразмеров тракторов общего назначения для основных групп почвообрабатывающих операций.
Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:
1) разработать структурную схему и обосновать модели оптимизации параметров регуляторной характеристики тракторного дизеля;
2) определить рациональные параметры регуляторной характеристики дизелей типоразмерного ряда тракторов общего назначения для основных тягово-скоростных режимов использования на основной обработке почвы.
Для эффективного решения поставленных задач и достижения обозначенной цели оптимизации параметров регуляторной характеристики тракторного дизеля использован системный подход с обоснованными этапами, параметрами, критериями оптимальности и ограничениями (рис. 1). Процедуры вычислений и оценок параметров на каждом этапе устанавливаются соответствующими алгоритмами и доверительными интервалами. Каждый этап включает решение промежуточных и сопряженных задач, уточняющих и усиливающих эффективность решения основных.
Обоснование параметров скоростной регуляторной характеристики тракторного дизеля для обобщенных условий отдельной группы родственных операций включает оптимизацию номинальных значений крутящего момента Мн и частоты вращения коленчатого вала гц, коэффициентов приспособляемости по крутящему моменту Км]і=Мтах]і/Мн]і и скоростному режиму Кш]|=гм]|/гн]|. Параметры Км]| и Кш]| определяют оптималь-
£ *
ное значение коэффициента использования мощности двигателя в условиях вероятностной нагрузки, характеризуемой коэффициентом вариации приведенного к коленчатому валу момента сопротивления vмсi.
Рис. 1. Структурная схема оптимизации параметров скоростной регуляторной характеристики тракторного дизеля
^ *
На первом этапе структурной схемы определяются экстремальные значения коэффициента для
ІХЧі
обоснования совместных режимов работы двигателя и трансмиссии трактора с установленным массоэнергетическим потенциалом.
При заданных Км]| и КЧ| вычисляют коэффициенты аппроксимации корректорной и регуляторной ветвей характеристики, по которым определяются экстремальные значения коэффициентов загрузки двигателя
по крутящему моменту сМ:: = Мк|1 /МШ1 и скоростному режиму £®;; = Шдіі /ЮНІ1 = пдіі/пніі в
л
Ні1
Д)1
Ні1
Ді1
Н)1
условиях вероятностной нагрузки с установленным коэффициентом Умс.
. *
=М,
При известных зависимостях См. = ^Км)1, VМс1) и ■ =^(См ) [1] экстремальное значение
J1 ^ J1 J1
ко-
эффициента использования мощности определится как
сМ,=(сМс;с^)л-
(1)
о. *
Коэффициент ^ , учитывающий недоиспользование мощности двигателя из-за снижения скоростного режима при колебаниях нагрузки, можно рассчитать по выражению [2]
^ = (0,80 + 0,167Км - 0,642vмс) + К^ (1 - СМ4).
(2)
Это выражение при Кш=(0,70+2,25vмс-0,58Км) справедливо для Км=1,15—1,50 и Vмс=0-0,17.
Критерий оптимизации на данном этапе представляет минимум удельного расхода топлива двигателя
^ ш1п, который находится из условия ёОт /ёМк = 0.
Интервалы изменения коэффициентов Км^ и К^, а также экстремальное значение коэффициента
е*
, являются ограничительными факторами на этом этапе.
М Л
При оптимизации номинальной эксплуатационной мощности двигателя Иеэ^ на втором этапе следует использовать тенденцию создания параметрического ряда тракторов с оптимальной энергонасыщенностью Эoptji для основных групп родственных операций. Функция взаимосвязи эксплуатационной мощности с параметрами тягово-сцепных свойств и скоростного режима трактора имеет вид [2]
лт _ т^УоР1ДФЩ1 ,,,%
eaoptji <- * ' ' *
^тр/ПбщД^;
Изменение оптимальной рабочей скорости от Vopt1 до Vopt2 при неизменном Ркрн] приводит к соответствующему изменению Naeji, которое зависит от соотношения коэффициентов сцепления фн, использова-
« *
ния мощности ^ и КПД буксования на указанных скоростных режимах использования трактора. Тогда соотношение оптимальных значений эксплуатационной мощности двигателя при r^idem
^Ne3 = Nesj (Vopt2 ) / Ne3j (Vopt1) _ ^m3 ^V^9H / \8 ’ (4)
A / s|c s|c
где m3 тэ2/тэ2; ^V Vopt2/Vopt1; ^фн фн2' Фн1; ^N2/ ^N1;
4s = X2/ П8н! .
Таким образом, соотношение оптимальных значений эксплуатационной мощности двигателя трактора установленного тягового класса при Ркрнj=idem для разных групп энергоемких операций основной обработки
почвы определяется относительными показателями, характеризующими изменение фн, mb, Vopt, и П§ . При незначительном интервале изменения Vopt (Vopt2/ Voptl ^ 1,25), идентичных тяговых режимов использования и Cn = idem выражение (4), с достаточной для практических расчетов достоверностью, приводится к виду
^ Ne:3 = ^ Vf2 /f1 = ^ V ^ f • (5)
- *
Повышение динамических свойств двигателя существенно увеличивает коэффициент ^, который может стать основным фактором, определяющим величину и значение его потребной мощности при
N еэ
*
изменении V* .
Критерием оптимизации на этом этапе является максимум тягового КПД трактора nTHj ^ max и
минимум удельных энергозатрат Еп^ ^ min. Допустимые интервалы изменения энергонасыщенности
3ji и буксования трактора в номинальном режиме 5н представляют ограничения на экстремальные значения
^э.
В основу оптимизации номинального скоростного режима двигателя n^i на третьем этапе следует положить рациональные методы обеспечения установленных на разных операциях основной обработки почвы
*
значений Voptv Для сохранения структуры передаточных чисел трансмиссии трактора и использования на
разных операциях в качестве основных рабочих одноименных или смежных передач наиболее целесообразным, с позиций ресурсосбережения и эффективности реализации, является изменение эксплуатационной мощности двигателя одним из двух методов:
1) форсирование по среднему эффективному давлению (номинальному крутящему моменту Мн) увеличением номинальной цикловой подачи топлива и изменением ее коррекции на режиме перегрузки при неизменном номинальном скоростном режиме n^=const;
2) форсирование по номинальному скоростному режиму при неизменных регулировочных параметрах номинальной цикловой подачи и ее коррекции.
л * *
При А =1 в первом случае достаточно выполнить условие Хор1;2/У0рИ ~ 1^ /1^,2 , а во втоРом - Хср12/Хср11 ~ Пн1/Пн2 Для iтр=idem.
Для расчета nнji и Мн]| используем уравнения взаимосвязи эксплуатационных параметров трактора [1]
N~i = п(Мнп н V30;
e3Ji •%'v н н/jl '
Vo*pt! = п(пнСшП5н )jirKJ /301
(^ММн)iiW Tpj /Гк = (Ркрщ + m3igfuX
(6)
где 1Т^ - передаточное число основной передачи трансмиссии; гч - радиус качения ведущего колеса трактора.
При заданных значениях Ркрн] и установленных для основных групп операций Уор1^ и критерий оптимальности представим в виде минимизируемой функции
F =
пМнП н
30N
+
30X3pt1K
+
Р + m gf
крн ААА3&
П тр^ММ~н1к
(7)
где ^Чр/Гк.
Функция (7) - выпуклая, ее минимум - безразмерная величина, близкая к нулю. Минимизируем ее по переменным пн и ^ Величину пн изменяем в цикле с заданным шагом в интервале 1800-2200 мин-1. Для каждого пн изменяем и методом дихотомии в интервале 80-110. Оптимальное значение рассчитываемых параметров выбираем по Fmin и ып.
Для тракторов с переменными массоэнергетическими параметрами любой конфигурации должно соблюдаться условие Рк^Рф. Тогда при тэ2^ты и У0^ 2^ Уор11 с учетом (6)
Рк2 = ^М2Мн21 тр2Птр2 /Гк2 ^ Рф2 = mз2ёФн2 Рк1 = ^М1Ми11 тр1Птр1 /Гк1 ^ Рф1 = mз1ёФн1.
(8)
Приравняв левые и правые части уравнений системы (8) (Рк=РФ) и разделив первое из них на второе, с учетом, что = idem и rpconst, получим
Рк2_ ^М2Ми21 тр2 _ тэ2Фн2
❖ . •
Рк1 ^М1Мн11 тр1 тэ1фн1.
Выразив номинальный крутящий момент с учетом (1) как
%мн = ЗОР^А^ТГ^,
уравнение (9), примет вид
(9)
п
н2
m31%1^N2 Ne32^ro11 Tp2^Nll-1)
П н1 mз2фи 2^N1Ne31^ro21 тр1^
=N
1(2)
1
1
*
Показатель изменения скоростного режима двигателя Ап = пн2 / пн1 для разных конфигураций массоэнергетических параметров трактора определится из соотношения
Хп Х * Хі / Хт Хф Х * Х * ,
Пн Ш ^еэ 1тР тэ фн Ью ^N1
(11)
гД0 Хі ітр2/ітр1’ Хе* С ю2/Ь ю1; Хе^ Ь№т /Ь
.* /О.* А С* /^*
1тр 1тр2 ' 1тр1; _ *
Выражение (11) позволяет определить изменение оптимизируемых параметров при форсировании двигателя до Меэ2 указанными выше методами. Изменение передаточного числа трансмиссии для достижения рабочей скорости трактора Хор12 при Ап =1 (первый метод) составит
А А т Аф К * К* / А п = К * А N • (12)
1тр Шэ Фн Ьш Пн ЗД 1X1 еэ
Форсированию двигателя по скоростному режиму при А- =1 (второй метод) соответствует изме-
1тр
нение п„
Х п — К * ХN / Хт Хф Х£* Ч* •
Пн ЭД ^ тэ фн Ьш ^N1
(13)
Критерий оптимальности в общем случае для каждого из указанных или комбинированного методов форсирования двигателя можно представить в виде минимизируемой функции
Рі —
х * ХN Хі
Ь N ^еэ ітР
Х т Хф К * К * Хп тэ фн Пн
(14)
С учетом выражения (4) при Х ^ — 1 функция (14) примет вид
Рі —
ХуХі
тр
Х„ Хп
Лб пн
(15)
Минимизация функции р1 производится ПО переменным V г, 5н И Пн (Цр) в зависимости от принятого условия форсирования двигателя. При изменении скорости в интервале (Хор1т1п - Хор1тах) с заданным шагом в
*
каждом цикле определяются значения буксования 5н при фкрн. Для каждого значения Хор1^ далее методом дихотомии находится показатель А (А .) и соответствующий ему номинальный скоростной режим работы дви-
пнор^ ^-трорц
гателя і
трор^
Оптимизация скоростной регуляторной характеристики дизеля с установленными Км, Кы, и коэффициентами аппроксимации корректорной ветви а1, Ь1, с1 для трактора с массоэнергетическими параметрами т^
о. Ф *
и (Ь^е^) при заданных Рфн] и Х0р1^ на номинальном режиме (Птт по следующему алгоритму:
1) ЬМ = КМ /(1 + ^Мс) ;
- Птн - Пт(8д)) производится
>к >к >кО Ы< Ы< *
2) Сш = а, + Ъ^м - с^М при См * 1. С® я 1,0 при См < 1,0;
с» *
3) С N1 по формуле (2);
4) CN _ CMC®CN1;
5) Neaji по формуле (3);
6) функция (7);
7) ^=1^30^
8) функция (15).
Результаты моделирования параметров скоростных регуляторных характеристик двухуровневых дизелей и трансмиссии колесных 4к4б и гусеничных тракторов для установленных типажом тяговых классов при изменении оптимальной рабочей скорости на операциях основной обработки почвы в интервале от
V0ptmin = 1,8 м/с (отвальная вспашка) до Voptmax = 2,2 м/с (сплошная глубокая культивация и комбинированная обработка) представлены в таблице и на рисунке 2.
По результатам моделирования установлено, что повышение Vopt от 1,8 до 2,2 м/с увеличивает потребный энергетический потенциал CnNs на основных тяговых режимах использования трактора в 1,23
раза. Указанное достигается установленными выше методами.
Потребный энергетический потенциала при п™п=1800 ми^ЧСет обеспечивает повышение номинальной цикловой подачи топлива с сохранением или увеличением ее коррекции на режиме перегрузки.
¥ * *
Уменьшение оптимального значения передаточного числа трансмиссии Сш!к соответствует при этом повышению скорости движения и достигается переходом на повышенную смежную передачу. Практически указанное обеспечивает «Bost» - система увеличения мощности двигателя при переходе на повышенный диапазон скоростей, получившая широкое применение на тракторах ведущих зарубежных производителей (Class, John Deere и др.).
Параметры скоростных регуляторных характеристик двухуровневых дизелей и трансмиссии тракторов общего
назначения:
а) колесные 4к4б (режим использования (n т max )
nт(5д)
$ Vopt, м/с Параметр Номинальное тяговое усилие Ркрн, кН
27 36 45 54 72 108
пн, мин-1 1800
CNNC3, кВт 79.0 81.0 105,5 108,0 131,8 135,1 158,2 162,1 210,8 216,2 315.4 323.5
1,8 cNmh , Нм 419,3 429,9 560,0 573,5 699,6 717,1 831,7 860,4 1118,9 1147,6 1674.1 1717.1
&к =1тр /Гк , м-1 94,2/89,0
Пн, мин-1 1800
CNNe3, кВт 97.2 99.2 129,4 132,0 161,6 165,1 194.0 198.0 258,6 264,1 387,9 396,1
2,2 CnMh , Нм 515,9 526,6 686,9 700,7 857,8 876,4 1030.0 1051.0 1372,6 1401,8 2059,0 2102,5
Йк , м-1 77,1/73,0
Пн, мин-1 2200
CNNe3, кВт 97.2 99.2 129,4 132,0 161,6 165,1 194.0 198.0 258,6 264,1 387,9 396,1
2,2 CnMh , Нм 422,1 430,7 561,9 573,1 701,7 716,9 842,3 859,7 1122,8 1146,8 1683.9 1719.9
& , м-1 94,2/89,0
б) гусеничные (режим использования (l^тmax)
/с м/ Л У Параметр Номинальное тяговое усилие РФн, кН
27 36 45 54 72 108
1,8 Пн, мин-1 1800
ЙКеэ, кВт 64,8 86,4 108,1 129,1 172,7 259,7
ЙМн, Нм 344,0 458,6 573,8 685,3 916,7 1378,5
. Сш!к , м-1 101,5
2,2 Пн, мин-1 1800
с х, квт 79,7 106,5 133,1 159,7 212,9 319,4
С ^Мн, Нм 423,0 565,3 706,5 847,7 957,9 1695,4
• С Ш*к , м-1 83,1
2,2 Пн, мин-1 2200
С НКеэ, кВт 79,7 106,5 133,1 159,7 212,9 319,4
С^Мн, Нм 346,1 460,1 575,3 686,8 917,1 1379,5
С шік , м-1 101,5
11м2 Ихшахі ^н2 ^яспиіх2
------------------1!н- МІ ІН 1
Рис. 2. Скоростные регуляторные характеристики тракторного дизеля с двумя уровнями мощности: I - первый уровень; II и II' - вторые уровни
Второй метод увеличения потребной мощности двигателя основан на соответствующем повышении номинального скоростного режима двигателя при сохранении неизменным передаточного числа трансмиссии для получения заданной скорости Уэр1тах = 2,2 м/с. Это может быть достигнуто оборудованием двигателя системой изменения номинальной частоты вращения.
Предложенные характеристики двухуровневых тракторных дизелей позволяют, без существенных затрат и конструктивных изменений, в условиях реализации разных технологий основной обработки почвы, обеспечить с наивысшей эффективностью рациональные скоростные диапазоны использования агрегатов.
Выводы
1. Обоснована структурная схема, разработаны модели и алгоритм оптимизации параметров скоростной регуляторной характеристики тракторного дизеля, учитывающие их взаимосвязь с показателями тяговодинамических свойств и передаточным числом трансмиссии.
2. Определены потенциальные параметры скоростных регуляторных характеристик двухуровневых дизелей и трансмиссии тракторов общего назначения установленных типажом тяговых классов для рациональных диапазонов скоростей использования почвообрабатывающих агрегатов, которые могут быть приняты за основу при обосновании основных принципов оптимизации массоэнергетических параметров тракторов переменного тягового класса.
Литература
1. Селиванов Н.И. Эффективное использование энергонасыщенных тракторов. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2008. - 231 с.
2. Взаимосвязь параметров энергетических и тягово-динамических свойств тракторов / Н.И. Селиванов [и др.] // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2010. - № 2. - С. 118-123.
УДК 631.568.2 С.К. Манасян, В.Н. Цугленок,
Г.С. Манасян, Н.Н. Куликов АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНА
Изучена возможность решения задач автоматизации технологических процессов зерносушильного производства на основе разработки системы автоматического управления технологическим процессом сушки зерна с использованием ЭВМ в замкнутых контурах управления и создания децентрализованных систем управления на базе микроЭВМ, обеспечивающих более высокую эффективность и надежность функционирования по сравнению с централизованными.
Ключевые слова: зерно, обработка, технология, процесс, автоматизация, управление.
S.K. Manasyan, V.N. Tsuglenok, G.S. Manasyan, N.N. Kulikov AUTOMATION OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF GRAIN DRYING
Possibility for solution of the problems of technological process automation in grain drying production on the basis of the system for automatic control of the grain drying technological process with computer use in the closed contours of control and creation of the decentralized control systems on the basis of the micro-computers providing higher efficiency and reliability of functioning in comparison with the centralized is studied.
Key words: grain, processing, technology, process, automation, management.
Перед аграрно-промышленным комплексом Российской Федерации в настоящее время стоят сложные задачи по совершенствованию управления производством, повышению его качества и эффективности, обеспечению широкого применения автоматизированных систем управления, построенных на базе микро- и миниЭВМ. В современных условиях производства зерна весьма актуальными являются вопросы увеличения производительности труда, снижения себестоимости продукции, экономии материальных, энергетических и
