ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Практикум включает задания, методические указания по их выполнению, конкретные вопросы, связанные с необходимыми расчетами

Каждый студент должен выполнить самостоятельно отдельный вариант задания. К заданию даётся необходимый теоретический блок из учебника, соответствующие исходные и справочные данные.

Методическая особенность всех заданий – применение научных методов оптимизации параметров и режимов работы МТА по критериям ресурсосбережения. Большая часть решаемых задач может рассматриваться как учебно-исследовательская работа. При наличии ЭВМ возможно многовариантное решение основных задач с получением зависимостей в виде графиков и таблиц.

Конечной целью всех заданий данного цикла является, получение студентами устойчивых навыков самостоятельного выбора ресурсосберегающих параметров и режимов работы как отдельных МТА, так и технологических комплексов в зависимости от природно-производственных условий функционирования.

С позиций системного подхода каждое последующее задание дополняет предыдущее с точки зрения повышения производительности и показателей ресурсосбережения агрегатов при строгом соблюдении агротехнических требований.

Объем заданий соответствует программе курса «Эксплуатация машинно-тракторного парка» по специальности 311300 – «Механизация сельского хозяйства». Однако в сокращённом варианте они могут быть использованы и студентами других инженерных специальностей сельскохозяйственного профиля.

УКАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ ЗАДАНИЙ

Каждое задание выполняется аккуратно в специальной тетради для практических занятий по ЭМТП. После даты записывается следующая информация: наименование задания, номер варианта и соответствующие исходные данные.

Номер варианта соответствует номеру рабочего места студента, или его порядковому в журнале преподавателя, или устанавливается преподавателем. Из задания необходимо переписать полный текст каждого вопроса в тетрадь. чтобы было видно представляемое численное значение каждого параметра. Например:

у = ax + в = 3  2 + 4 = 10.

Необходимо указывать также размерности получаемых результатов. Результаты расчетов сводятся в Итоговую таблицу, форма которой приведена в конце каждого задания

Выполненное задание в конце занятия следует представить преподавателю дня получения зачета по нему. Необходимо сдать также полученные на время занятий учебныё, методические и другие пособия.

ЗАДАНИЕ 1

Обоснование энергосберегающих режимов работы двигателей тракторов

1. Выписать из табл. 1.1 исходные данные по соответствующему варианту задания.

2. Выполнить в тетради рис 1.1, указать на нем регуляторную и перегрузочную (корректорную) ветви регуляторной характеристики дизельного двигателя с всережимным регулятором, а также выбрать взаимосвязанные значения крутящего момента М мощности N и частоты вращения я для основных граничных режимов работы, записав их в тетради.

3. Определить коэффициенты приспособляемости двигателя по крутящему моменту К_м и по частоте вращения К_n и указать направление их изменения с целью улучшения эксплуатационных показателей двигателя и трактора в целом (пояснить, в чем выражается это улучшение).

4. Определять из условия безостановочной устойчивой работы наибольшее допустимое значение момента сил сопротивления на валу двигателя М_у и соответствующую частоту вращения n_y.

Таблица 1.1.

Варианты заданий

№ варианта	Трактор	Двигатель	Коэффициент вариации момента сил сопротивления, %
1	Т–25А	Д–21А	10
2	Т–30	Д–120	20
3	Т–30А–8	Д–120	30
4	Т–40М	Д–144	10
5	Т–40АМ	Д–144	20
6	ЮМЗ–6АКЛ	Д–65М	30
7	МТЗ–80	Д–240	10
8	МТЗ–82	Д–240	20
9	МТЗ–100	Д–245	30
10	МТЗ–102	Д–245	10
11	Т–142	Д–260Т	20
12	ЛТЗ–55А	Д–144–32	30
13	ЛТЗ–60АВ	Д–65М1Л	10
14	ЛТЗ–155	СМД–25 (Д–181Т)	20
15	Т–3К	СМД–19Т	30
16	Т–150К	СМД–62	10
17	К–700А	ЯМЗ–238НБ	20
18	К–701	ЯМЗ–240БМ	30
19	К–701М	ЯМЗ–8423	10
20	ДТ–75МЛ	А–41	20
21	ДТ–75Т	Д–440	30
22	Т–70СМ	Д–241Л	10
23	Т–150	СМД–60	20
24	ДТ–175С	СМД–66	30
25	Т–4А	А–01М	10
26	Т–250	Д–460.1	30
27	Т–25А	Д–21А	20
28	Т–30	Д–120	10
29	Т–30А–8	Д–120	20
30	Т–40АМ	Д–144	10

5. Выбрать из таблицы 1.3 оптимальное значение коэффициента загрузки двигателя по мощности _N0 при заданном коэффициенте вариации момента сил сопротивления v_M и рассчитать соответствующую частоту вращения n_0. Рассчитать также оптимальное значение коэффициента загрузки двигателя по крутящему моменту _M0 и сравнить его с _N0.

6. Исходя из условия нормального распределения момента М_c сил сопротивления на валу двигателя, определить его наименьшее М_СМ и наибольшее М_ст значения. Сравнить М_ст с М_Y и сделать заключение о необходимости переключения передач трактора в процессе работы.

7. Представить итоговые результаты расчетов по каждому пункту в форме таблицы, приведенной в конце задания.

Основные положения

Основной целью задания является получение студентами устойчивых навыков самостоятельного выбора режима высокоэффективного использования двигателей тракторов в зависимости от конкретных условий выполнения технологической операций.

Поскольку двигатель является источником энергии на агрегате, то в конечном итоге задача сводится к умению реализовать вырабатываемую энергию с наибольшей эффективностью в соответствии с современными требованиями ресурсосбережения.

Методические указания по выполнению задания 1

Методические указания относятся к дизельным двигателям с всережимными регуляторами, которыми оснащены все тракторы и самоходные с.-х. машины.

1. Исходные данные из табл. 1.1. выписываются соответствии с номером варианта задания.

2. Регуляторной ветви на рис. 1.1 соответствует участок ав, а перегрузочной (корректорной) – вс.

Основным граничным режимам работы двигателя соответствуют: точка а – режим холостого хода при полной подаче топлива, крутящем моменте М_Х = 0, мощности N_X = 0 и частоте вращения n_X; точка в – режим номинальной (паспортной) загрузки при крутящем моменте М_H, мощности N_H и частоте вращения n_H; точка с – режим максимальной перегрузки при наибольшем крутящем моменте M_m, мощности N_m и частоте вращения n_m.

Значения n_X, n_H, n_m, М_H, M_m, N_H, выбираются непосредственно из табл. 1.2. Под N_H, подразумевается номинальная эффективная мощность двигателя при номинальной частоте вращения n_H, полной подаче топлива, нормальных атмосферных условиях, температуре и плотности топлива. При определении N_H, двигатель устанавливается на стенд без вентилятора, воздухоочистителя и другого вспомогательного оборудования.

Рис. 1.1. Регуляторная характеристика двигателя

Эксплуатационная мощность двигателя N_Э определяется в тех же условиях, но с полным комплектом оборудования, включая вентилятор, воздухоочиститель и другие.

Мощности N_H и N_Э различаются незначительно, поэтому в последующих расчетах рассматривается только номинальная мощность N_Н (N_H N_Э).

Значение мощности N_т рассчитывается по формуле

, (1.1)

где _т – угловая скорость, рад/с; n_m – соответствующая частота вращения, об/мин.

3. Коэффициенты приспособляемости по крутящему моменту (коэффициент запаса крутящего момента) К_М и по частоте вращения К_n в соответствии с теорией трактора определяются виде соотношений:

; . (1.2)

Указанные коэффициенты характеризуют способность двигателя преодолевать временные перегрузки при колебаниях сил сопротивления, действующих на трактор и на рабочую машину. Чем больше значения и К_М, тем выше способность двигателя преодолевать временные перегрузки без переключения передач трактора. Соответственно обеспечивается более высокая производительность агрегата при прочих равных условиях.

Таблица 1.2

Исходные данные по двигателям трактора

Трактор (колёсная формула)	Двигатель	nX, об/мин	nН, об/мин	nm, об/мин	MH, кН м	Mm, кН м	NH, кВт
Т–25А (4К2) Т–30 (4К2)	Д–21А	1920	1800	1200	0,0971	0,110	18,38
Т–30А–80(4К4) Т–40М (4К2)	Д–120	2133	200	1333	0,105	0,119	22,10
Т–40АМ (4К4) ЮМЗ–6АКЛ	Д–144	1950	1795	1200	0,196	0,226	36,76
(4К2) МТЗ–80 (4К2)	Д–65М	1870	1750	1250	0,253	0,290	46,32
МТЗ–82 (4К4) МТЗ–100 (4К2)	Д–240	2350	2200	1400	0,239	0,280	55,22
МТЗ–102 (4К4)	Д–245	2380	2200	1400	0,319	0,375	73,60
Т–142 (4К4)	Д–260Т	2272	2100	1337	0,517	0,607	114,00
ЛТЗ–55А (4К4)	Д–144–32	1950	1800	1204	0,183	0,205	39,00
ЛТЗ–60АВ (4К4)	Д–65М1Л	1870	1750	1250	0,253	0,290	46,32
ЛТЗ–155 (4К4)	СМД–25 (Д–181Т)	2001	1850	1237	0,566	0,665	110,00
Т–3К (4К2)	СМД–19Т	2020	1900	1296	0,442	0,507	88,30
Т–150К (4К4)	СМД–62	2280	2100	1400	0,552	0,635	121,47
К–700А (4К4)	ЯМЗ–238НБ	1820	1743	1200	0,842	0,970	153,67
К–701 (4К4)	ЯМЗ–240БМ	2150	1900	1328	1,108	1,220	221,00
К–701М (4К4)	ЯМЗ–8423	2150	1900	1328	1,233	1,490	246,00
ДТ–75М (гусеничный)	А–41	1870	1750	1200	0,352	0,420	66,25
ДТ–75 (гусеничный)	Д–440 (постоянной мощности)	1930	1750	1293	0,380	0,515	66,90
Т–70СМ (гусеничный пропашной)	Д–241Л	2275	2100	1400	0,233	0,269	51,50
Т–150 (гусеничный)	СМД–60	2180	2005	1400	0,529	0,606	111,03
ДТ–175С (гусеничный)	СМД–66	2080	1900	1327	0,627	0,718	125,10
Т–4А (гусеничный)	А–01М	1840	1700	1200	0,558	0,630	99,26
Т–250 (гусеничный)	Д–460.1	1948	1800	1270	0,973	1,098	184,00

4. На основании опытных данных установлено, что устойчивая работа тракторного двигателя при малой вероятности остановки обеспечивается при соблюдении условия

М_У = 0,97 М_т (1.3)

где М_У – наибольшее допустимое значение момента сил сопротивления на валу двигателя, кНм.

Многие современные тракторы оборудованы тахоспидометрами, позволяющими оценивать загрузку двигателя по частоте вращения.

В связи с этим необходимо определить частоту вращения вала двигателя n_У соответствующую в (1.3) наибольшему значению:

М_У  0,97 М_т

Используются для этого аналитические зависимости между крутящим моментом М на валу двигателя и частотой вращения n. Для этого график зависимости М = f(n) на регуляторной характеристике рассматриваем приближенно в виде двух прямолинейных участков ав – регуляторная ветвь и вс– перегрузочная ветвь.

На. участке ав крутящий момент в любой i-й точке можно _{рассчитать} по формуле

М_iав = M_H (n_x – n_i)/(n_x – n_H) (1.4)

Аналогичным образом можно установить зависимость между М_i и n_i на участке вс:

(1.5)

Приняв в этом равенстве М_iвс = М = 0,97М_т, получим соответствующую частоту вращения:

(1.6)

Сопоставляя значение n_У из (1.6) с показателями тахоспидометра в процессе работы, можно подбирать такие передачи трактора и соответствующие скорости, при которых фактическая частота вращения вала двигателя п_i, будет удовлетворять требованию устойчивой работы по условию n_i  n_У.

5. Режим загрузки двигателя наиболее полно характеризуется коэффициентом загрузки по мощности:

(1.7)

где N_H, N_ – номинальная мощность и мощность при данном коэффициенте загрузки, кВт.

Под оптимальным подразумевается такой режим загрузки двигателя, при котором выбранный технико-экономический показатель работы двигателя, трактора или соответствующего агрегата в целом достигает экстремального (максимальное или минимального) значения. Чаще в качестве такого критерия оптимальности применяют минимум удельного (на единицу выполненной работы) расхода топлива, который примерно соответствует минимальному расходу топлива двигателем (g_е  min) в расчете на единицу эффективной мощности.

Оптимальное значение _N0 зависит от конструкции двигателя, особенностей регуляторной характеристики, характера внешней нагрузки и т.д. Чем больше неравномерность внешней нагрузки, характеризуемой коэффициентом вариации момента сил сопротивления v_M, тем меньше должно быть значение _N0, так как требуется больший запас, мощности для преодоления перегрузок. Вследствие отсутствия надежных аналитических методов решения значения _N0 обычно определяют экспериментальным путем. Такие опытные значения _N0 для основных типов эксплуатируемых тракторных двигателей в зависимости от значения v_M приведены в табл. 1.3 (по литературным данным). Для двигателей новых тракторов приведены ориентировочные значения _Н0 отмечены индексом у в учебных целях.

Выбрав из табл.1.3 оптимальное значение коэффициента загрузки _N0 заданного двигателя, необходимо рассчитать соответствующую частоту вращения вала двигателя п_0, чтобы по показателям тахоспидометра можно было выбрать соответствующий оптимальный режим работы двигателя и трактора в целом.

Поскольку _N0 < 1, то значение п_0 следует рассчитывать на основании формулы (1.4) для регуляторной ветви.

Равенство (1.7) при _N = _N0, с учетом (1.1), (1.4) можно представить в виде

(1.8)

где М_0 – значение крутящего момента при n_i = n_0 кНм.

Таблица 1.3

Значения _N0 в зависимости от v_M, обеспечивающие минимальный удельный расход топлива двигателей, g_е  min.

Двигатель	Значения vM, %
	10	20	30
	Оптимальные значения N0
Д–21а	0,921	0,836	0,750
Д–120	0,925 (у)	0,838 (у)	0,760 (у)
Д–144	0,906 (у)	0,837 (у)	0,756 (у)
Д–65М	0,920 (у)	0,824 (у)	0,730 (у)
Д–240	0,905	0,811	0,718
Д–245	0,906 (у)	0,813 (у)	0,719 (у)
Д–260Т	0,907 (у)	0,814 (у)	0,719 (у)
Д–144–32	0,905 (у)	0,822 (у)	0,728 (у)
Д–65М1Л	0,921 (у)	0,823 (у)	0.729 (у)
СМД–25 (Д–181Т)	0,907 (у)	0,812 (у)	0,719 (у)
СМД–19Т	0,928 (у)	0,838 (у)	0,756 (у)
СМД–62	0,927	0,838	0,755
ЯМЗ–238НБ	0,904	0,805	0,698
ЯМЗ–240БМ	0,923	0,837	0,752
ЯМЗ–8481.10	0,924 (у)	0,837 (у)	0,753 (у)
А–41	0,921 (у)	0,828 (у)	0,740 (у)
Д–440	0,921 (у)	0,829 (у)	0,741 (у)
Д–241Л	0,905 (у)	0,812 (у)	0,719 (у)
СМД–60	0,926	0,830	0,752
СМД–66	0,927 (у)	0,837 (у)	0,754 (у)
А–01М	0,920 (у)	0,827 (у)	0,748 (у)
Д–460.1	0,922 (у)	0,829 (у)	0.747 (у)

При этом оптимальному режиму работы двигателя соответствует частота вращения:

(1.9)

Значение в процессе работы можно поддерживать по тахоспидометру путем соответствующего изменения скорости движения трактора и всего агрегата.

Более эффективным, естественно, является автоматическое поддержание значения п_0 путем бесступенчатого изменения скорости движения трактора, однако такие устройства на современных отечественных тракторах пока отсутствуют. Оптимальный коэффициент загрузки двигателя по крутящему моменту _М0 определяется с учетом (1.8) из равенства

(1.10)

На регуляторной ветви имеем n_H ≤ n_0, поэтому. _M0 ≤ _N0. Равенство _M0 = _N0 имеет место только при n_H = n_0. При нормальной загрузке двигателя значения n_H и n_0 близки между собой, поэтому в практических расчетах можно принять _M0  _N0.

6. Распределение момента сил сопротивления на валу двигателя приближенно можно принять нормальным. При этом наименьшее М_СМ и наибольшее М_ст его значения определяются из равенств:

; (1.11)

где – математическое ожидание момента сил сопротивления, кНм; _М – среднее квадратическое отклонение, кНм.

Значение с учетом (1.9) можно определить на основании (1.8):

(1.12)

Коэффициент вариации v_M и среднее квадратическое отклонение _М связаны соотношениями:

; (1.13)

При этом равенства (1.11) соответственно примут вид:

; (1.14)

Если M_cm ≤ M_У, то в процессе работы не требуется переключать передачи трактора из-за перегрузки двигателя и наоборот.

Если получено значение M_cm > M_У, то это свидетельствует о том, что оптимальный коэффициент загрузки _N0 не может гарантировать полное исключение чрезмерных перегрузок из-за случайного характера изменения сил сопротивления. Будет весьма мала только вероятность таких перегрузок. Если стремиться к полному исключению этих перегрузок путем уменьшения, то возрастает вероятность работы двигателя со средней недогрузкой и как следствие – ухудшение его технико-экономических показателей.

Кроме рассмотренной нормальной регуляторной характеристики двигателя, получаемой на стенде при полной подаче топлива, в эксплуатационных условиях используют также частичные характеристики, получаемые при пониженной подаче топлива (из-за невозможности полной загрузки двигателя) Регуляторные ветви частичных характеристик примерно параллельны линий ав (с левой стороны) на рис. 1.1, а укороченные корректорные ветви совпадают с линией вс.

Для экономии топлива и энергии на частичном режиме рекомендуется включить более высокую скорость при одновременном уменьшении подачи топлива. Диапазон практического использования частичных режимов работы ограничен тем, что при этом укорачивается корректорная ветвь регуляторной характеристики и ухудшается способность двигателя устойчиво преодолевать кратковременные перегрузки. Полученные закономерности справедливы и для двигателей самоходных с.-х. машин, так как на них также установлены дизельные двигатели с всережимными регуляторами.

При выполнении задания на компьютере следует получить многовариантные решения исследовательского характера по каждому пункту с соответствующим анализом.

7. Итоговые результаты по пунктам, включая исходные данные

№ пункта	Наименование и обозначение показателя или параметра	Результат расчёта с указанием размерности
1	Исходные данные
2
3
4
5
6

Выполнил ________________________ Ф.И.О. студента

подпись

Принял ________________________ Ф.И.О. преподавателя

подпись

ЗАДАНИЕ 2