книги из ГПНТБ / Багиров Д.Д. Двигатели внутреннего сгорания строительных и дорожных машин

Большое внимание иностранные фирмы уделяют фильтрации масла и топлива. Применяют топливные фильтры повышенной эффективности с бумажными фильтрующими элементами, рекомен­ дуется частая смена фильтрующих элементов. Почти на всех дизе­ лях применяют двойную фильтрацию масла: щелевым фильтром и полнопоточной центрифугой. Срок смены масла — 100—250 ч работы дизеля.

Для поддержания нормального теплового режима двигатели снабжаются эффективной автоматической системой терморегули­ рования: вентиляторы переменной производительности, термо­ статы с твердым наполнителем и т. д.

Двигатели в северном исполнении оборудуют системой пред­ пускового подогрева. Фирма Коматцу, например, монтирует в мас­ ляном поддоне дизеля спиральный подогреватель. На некоторых двигателях применяют специальные водяные рубашки для обо­ грева горячей водой перед пуском топливных и масляных комму­ никаций, а также подшипников коленчатого вала и впускного трубопровода. При эксплуатации этих двигателей применяют спе­ циальные маловязкие масла на загущенной основе с пологой вяз­ костно-температурной характеристикой.

Процессы смесеобразования и сгорания в дизелях отработаны ведущими фирмами до высокой степени совершенства. Как пра­ вило, применяют неразделенные камеры сгорания с объемно-пле­ ночным смесеобразованием. Достоинством этого способа является относительно невысокая «жесткость» процесса сгорания при высо­ кой топливной экономичности. Фирма Камминс (США) на всех своих двигателях применяет разработанную ею в начале 50-х годов систему дозирования цикловой подачи топлива путем изменения давления топлива, подводимого к форсункам. Дозирование цикло­ вой подачи значительно улучшает процессы смесеобразования и сгорания.

Компактность и небольшая удельная масса обеспечиваются при повышении частоты вращения дизелей (в настоящее время дизели ведущих зарубежных фирм развивают 1900—3000 об/мин) и форси­ ровании их турбонадцувом. При высоких значениях турбонаддува (рк > 500 мм рт. ст.) широко применяют промежуточное охлажде­ ние воздуха, поступающего в цилиндры (фирма Катерпиллер, США).

Турбонаддув и высокое совершенство процесса сгорания обес­ печивают хорошую топливную экономичность (165— 185 г/л. с. ч.).

Для облегчения пуска и более быстрого прогрева при понижен­ ных температурах дизели снабжаются специальными устройствами. Так, на дизелях фирмы Фариман Дизель (ФРГ) для облегчения пуска применяют пиропатрон. На дизелях небольшой мощности фирмы Шкода (ЧССР) и на дизелях фирмы Дойт применяют электрическую спираль для подогрева камеры сгорания и калиль­ ного зажигания. Фирма Лейланд (Англия) рекомендует при^низких температурах производить пуск дизеля с дополнительной по-

137

дачей топлива, для чего у топливных насосов имеется специальное приспособление. Однако большинство зарубежных фирм не гаран­ тирует легкий пуск при температуре ниже —20° С. Это объяс­ няется предназначением машин для эксплуатации в странах с уме­ ренным климатом.

Надежная работа двигателей при продольных и поперечных кренах может быть обеспечена применением системы смазки под давлением (с «сухим картером»), а также специальной конструкг цией масляных поддонов и маслоприемников системы смазки.

По требованию потребителей фирмы обеспечивают независимый отбор мощности либо с носка коленчатого вала дизеля, либо от шестерен газораспределительного механизма.

Большое внимание все фирмы уделяют удобству эксплуатации выпускаемых ими двигателей. Двигатели сконструированы и от­ регулированы так, что продолжительное время не требуют слож­ ного технического обслуживания и регулировок. Учитывая воз­ можность недостаточно квалифицированного технического обслу­ живания, фирмы требуют регулировать механизмы двигателей не чаще, чем указано в инструкциях по эксплуатации, и лишь при этом гарантируют высокий моторесурс. Так, например, многие фирмы рекомендуют круглый год применять в системах охлажде­ ния дизелей антифриз, чтобы свести до минимума операции, свя­ занные с заменой охлаждающей жидкости и неисправностями си­ стемы охлаждения. На отечественном тракторе ДЭТ-250 инструк­ цией по эксплуатации также запрещен слив антифриза из системы охлаждения на летний период.

Существуют две тенденции в установке контрольно-измери­ тельных приборов на рассматриваемых двигателях. На одних ма­ шинах имеется максимум приборов, контролирующих работу дви­ гателя и его систем (включая тахометры), на других — только контрольные лампочки и лампочки аварийной сигнализации. Если в первом случае оператор может полностью контролировать нагру­ зочный и тепловой режимы двигателя, то во втором случае контроль за работой двигателя требует минимума внимания, не отвлекая от управления машиной.

Почти все дизели, устанавливаемые зарубежными фирмами на строительные и дорожные машины, специально для этого предна­ значены. Двигатели, как правило, выполнены на базе автомобиль­ ных, тракторных или стационарных, но имеют соответствующую регулировку, при которой достигаются не только необходимые мощность и частота вращения, но и повышенное значение коэффи­ циента приспособляемости (1,15— 1,25) и нужное значение коэффи­ циента снижения частоты вращения (0,65—0,75). Кроме этого, дви­ гатели имеют более эффективные системы очистки воздуха, топ­ лива и масла, иногда — маховики с увеличенным моментом инер­ ции, а также специальную комплектацию системами и агрегатами, необходимыми для удобства подбора и эксплуатации двигателей на машинах.

138

Талая тенденция создания двигателей в сочетании с широкими пределами изменения степени их форсирования по частоте враще­ ния и среднему эффективному давлению, а также с варьированием числа цилиндров позволяет большинству фирм осуществлять уни­ фикацию по быстроизнашивающимся деталям.

Фирма Катерпиллер, например, выпускает 22 модели и модифи­ кации дизелей для грузовых автомобилей, тракторов, строитель­ ных и дорожных машин, стационарных установок мощностью 75—920 л. с. При этом применено лишь пять диаметров цилиндров, шесть ходов поршней, шесть диаметров шеек коленчатых валов (подшипники одного и того же размера применяют для двигателей мощностью 135—255 л. с.), семь диаметров впусных и выпускных клапанов. Двигатели почти всех значений 5 и D выпускают в четы­ рех-, шести-, восьми-, а некоторые и в двенадцатицилиндровом исполнении.

Крупнейшая и старейшая в США фирма по изготовлению дизе­ лей широкого применения — Камминс выпускает дизели с одина­ ковыми значениями S и D мощностью 136—680 л. с. с числом цилиндров 6,8 и 12.

с числом цилиндров до 32.

Фирма Перкинс выпускает трех-, четырех- и шестицилиндро­ вые дизели с одинаковыми S я D мощностью соответственно 43; 60 и 87 л. с., причем последняя модель по желанию потребителя может оборудоваться турбонаддувом.

Фирма Растон (Англия) на базе одной модели создала одно— шестицилиндровые модели дизелей мощностью 30— 195 л. с.

Семейство дизелей фирмы Ролс-Ройс (Англия) состоит из 27 мо­ делей и модификаций различного назначения с двумя значениями D и одним значением S.

Фирма Дойтц выпускает три семейства дизелей воздушного охлаждения, двигатели каждого из которых имеют одинаковые 5 и D. Первое семейство включает в себя одно—четырех- и шести­

мых ею дизелей, предназначенных для установки на суда, сельско­ хозяйственные, строительные и дорожные машины (табл. 20).

Из табл. 20 видно, как можно, используя одни и те же S и D, но варьируя среднее эффективное давление, частоту вращения и число цилиндров получить ряд унифицированных двигателей, имеющих практически любую требуемую мощность в широком диапазоне.

139

Т а б л и ц а 20

Фирма Ганомаг (ФРГ) унифицировала шатунно-кривошипный механизм дизелей малой мощности с воздушным и водяным охла­ ждением. Такое семейство двигателей состоит как бы из двух их классов (воздушного и водяного охлаждения), которые объединяют одно---- четырехцилиндровые модели.

Фирма Ченто-Феррара (Италия) выпускает унифицированные по шатунно-кривошипному механизму дизели малой мощности с воздушным охлаждением в одно-, четырех- и шестицилиндровом исполнении.

Большинство фирм стремится унифицировать не только детали цилиндрово-поршневой группы и шатунно-кривошипного меха­ низма, но и детали газораспределительного механизма и топлив­ ной аппаратуры. Для большей унификации некоторые фирмы вы­ полняют многоцилиндровые дизели с раздельными головками цилиндров.

Так, фирма Берлие выпускает четырех— шестицилиндровые дизели с одинаковыми S и D мощностью соответственно 120; 150 и 180 л. с. Причем четырех- и пятицилиндровая модели имеют по две головки, на два или три цилиндра каждая. Шестицилиндровый

дизель ИЕ680 фирмы Лейланд имеет две головки, на три цилиндра каждая.

Унификация распространяется и на вспомогательные агрегаты двигателей. Так, на всех дизелях фирмы Мэрфи (США) устанавли­ вают одни и те же форсунки, топливные фильтры и пусковые уст­ ройства фирмы Реми и два унифицированных воздухоочистителя фирмы Дональдсон. Последняя поставляет свои воздухоочистители девяти другим дизелестроительным фирмам, которые используют

140

их на 124 моделях и модификациях дизелей. Очень распространена на дизелях многих моделей топливная аппаратура и электрообо­ рудование фирмы Бош (ФРГ).

В связи с таким уровнем унификации представляется возмож­ ным ввести стандарты SAE на присоединительные размеры топлив­ ных насосов, карбюраторов, фильтров, воздухоочистителей и т. д. Для упрощения конструирования, компоновки и эксплуатации ма­ шин САЕ стандартизовало конструкции передних и задних опор двигателя и способы их крепления к нему. Имеются также стан­ дарты на конструкцию и присоединительные размеры маховика и его картера, учитывающие примыкающие к нему муфту сцепления или гидротрансформатор.

За рубежом распространена специализация, а следовательно и кооперация между заводами при производстве двигателей. В раз­ витых капиталистических странах специализация и кооперация при производстве двигателей охватывает 65—75% деталей. Поршни, поршневые кольца и пальцы, вкладыши коренных и ша­ тунных подшипников, клапаны, цепи для газораспределительных механизмов, топливную аппаратуру, электрооборудование, кон­ трольно-измерительные приборы и другие детали изготовляют на специализированных заводах с высокой степенью автоматизации, что обусловливает снижение себестоимости и повышение качества изделий.

Некоторые зарубежные фирмы [Катерпиллер, Аллис-Чалмерс, Интернейшнл (США), Комацу] специализируются на выпуске как двигателей, так и строительных и дорожных машин. Большин­ ство фирм, выпускающих машины, предпочитает покупать двига­ тели, хорошо себя зарекомендовавшие. Часто двигатели покупают за границей. Так, фирма Кобе (Япония) устанавливает на само­ ходном стреловом кране дизель концерна Дженерал-Моторс, фирма Хубер-Варко (Голландия) устанавливает на автогрейдере дизель фирмы Камминз, фирмы Трибо (Голландия) и Бомаг (Фран­ ция) устанавливают на виброкатках дизели Дойтц, а фирма УрсусПерони (Италия) — дизель Шкода. Двигателями фирмы Камминс оборудуют карьерные самосвалы фирм Берлие, Кокум (Швеция), Комацу. При этом три базовые модели дизелей фирмы Камминс имеют одинаковые S и D. Итальянская фирма Перлини покупает для карьерных самосвалов двигатели у фирмы Детройт Дизель. Фирма Унит Риг (США) для самосвала грузоподъемностью 181,5 т выбрала двухтактный тепловозный дизель массой около 8,5 т вме­ сто гораздо более легкого ГТД.

Все зарубежные фирмы, стремясь к широкому сбыту своей про­ дукции, придают большое значение вопросам технического обслу­ живания, ремонта и снабжения запасными частями двигателей, находящихся в эксплуатации. Филиалы ведущих фирм имеются во многих странах мира. Фирмы Катерпиллер, Фиат (Италия) идругие гарантируют поставку запасных частей к своим изделиям в тече­ ние 20—25 лет после их покупки потребителем.

141

3, Тенденции развития двигателей

Анализ тенденций развития двигателей для строительных и до­ рожных машин можно провести на примере передовых зарубежных фирм, в частности фирм США. Отмечается рост производства двигаталей большой мощности в связи с ростом единичных мощностей машин. Так, в США с 1963 по 1969 г. производство двигателей мощностью свыше 500 л. с. возросло почти втрое, а выпуск двига­ телей мощностью до 50 л. с. стал примерно в 2 раза меньше. Максимальная мощность силовых установок самосвалов достигла 2600|л. с., скреперов 1900 л. с., погрузчиков 900 л с., катков

575 л. с.

Объясняется это тем, что повышение производительности машин за счет увеличения мощности двигателей снижает себестоимость работ. Так, повышение мощности бульдозеров с 55—75 до 300— 400 л. с. снижает себестоимость разработки грунта на 30—40 %, а повышение мощности самоходного скрепера с 300 до 850 л. с. при перемещении грунта на 2500 м приводит к снижению себестоимости работ более, чем на 30%. Аналогичные примеры можно привести и по другим машинам. Повышение мощности двигателей достигается в основном за счет увеличения количества цилиндров и форсирова­ ния двигателей.

Основным типом двигателя для строительных и дорожных ма­ шин на ближайшее будущее следует считать четырехтактный ди­ зель, хотя при высокой мощности (свыше 300 л. с.) не исключено применение двухтактных дизелей фирмами, имеющими большой опыт в их производстве (концерн Дженерал-Моторс), а при малой мощности — карбюраторных двигателей.

В последнее время на различных машинах в связи с ростом их мощностей все более широкое применение находят ГТД, которые как бы дополняют мощностные ряды дизелей. Ведущие дизеле­ строительные фирмы Дженерал-Моторс, Форд (США), Катерпил­ лер интенсивно организуют как производство этих двигателей (например, специальный завод в г. Толедо фирмы Форд), так и научно-исследовательские центры по проблемам производства и наземного применения ГТД. Создан ряд экспериментальных ма­ шин с этими двигателями. Например, тягач-трайлер фирмы Оренто (США), карьерные самосвалы фирм Унит Риг и Юклид (США), промышленный трактор фирмы Детройт Дизель, самоходный скре­ пер фирмы Катерпиллер, самоходный стреловой кран фирмы Харнишфегер (США), погрузчик фирмы Троян (США) и др. Сило­ вые установки с ГТД, например на самосвале фирмы Унит Риг легко вписываются в объемы, запроектированные для поршневых двигателей.

Основные тенденции развития дизелестроения США состоят

вдальнейшем форсировании дизелей как по частоте вращения, так

ипо среднему эффективному давлению. В ближайшие годы можно ожидать повышения среднего уровня частоты вращения до 3000—

142

Р А З Д Е Л II

ПОДБОР ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН

Неустановившийся характер нагрузки оказывает существенное влияние на выходную мощность и топливную экономичность дви­ гателя. Подбор двигателей к машинам без учета этого влияния может привести к значительному ухудшению технико-экономиче­ ских показателей машин в реальных условиях эксплуатации. В связи с этим важнейшей задачей при подборе двигателей является установление соответствия между основными показателями и ха­ рактеристикой двигателя и значением и характером преодолевае­ мой нагрузки.

В результате установления такого соответствия представляется возможным:

1) определить способность двигателя устойчиво, без остановки преодолеть заданную нагрузку;

2)обеспечить значение оптимальной загрузки двигателя, обес­ печивающей максимальные за цикл нагрузки мощность, топливную экономичность и невысокий темп изнашивания;

3)установить наивыгоднейшее значение основных показателей

двигателя (номинальной мощности и частоты вращения, приведен­ ной к коленчатому валу, момента инерции движущихся масс) наивыгоднейшую форму скоростной характеристики, а также основ­ ные параметры регулятора, обеспечивающие максимальную за цикл нагрузки мощность.

Все это позволяет наметить пути для повышения производи­ тельности машин, повышения топливной экономичности, увеличе­ ния срока службы двигателей, облегчения условий труда машини­ стов.

Задача подбора двигателей для машин может быть решена по данным экспериментальных исследований и теоретических расче­ тов.

1, Учет экспериментальных исследований

Экспериментальный метод подбора основан на обеспечении оптимальной загрузки двигателей при выполнении машинами наиболее характерных технологических операций для получения наилучших показателей выходной мощности, топливной экономич-

И4

ности и невысокого темпа изнашивания двигателей. Для такого подбора необходимо иметь экспериментальные данные по значе­ ниям коэффициентов оптимальной загрузки &3 опт, выходной мощ­ ности £вых-опт и топливной экономичности увых опт. Причем эти данные должны быть получены для различных типов машин при выполнении ими наиболее тяжелых, энергоемких операций (см. п. 1 гл. VI из раздела 1), а также для двигателей с различными основными показателями, формой скоростной характеристики и параметрами регуляторов. Перечисленные данные обычно полу­ чают путем лабораторных испытаний двигателей с имитацией на специальных стендах режимов нагрузки различных строительных и дорожных машин. В результате последовательного изменения загрузки двигателя на каждом режиме при сохранении общего характера нагрузки определяют оптимальные значения названных выше коэффициентов.

Важнейшим параметром двигателя, определяющим значения его оптимальной загрузки и выходных показателей, является коэф­ фициент приспособляемости. Прочие параметры двигателей (коэф­ фициент снижения частоты вращения) и регуляторов (степень не­ равномерности и степень нечувствительности, значение коэффициен­ та вязкого трения, жесткости пружин и др.) оказывают значи­ тельно меньшее влияние на значение оптимальной загрузки. Кроме того, эти параметры (также , Как и приведенный к коленчатому валу момент инерции движущихся масс) для современных дизелей тракторного и автомобильного типов, рекомендуемых для уста­ новки на строительные и дорожные машины, находятся в опреде­ ленных пределах, указанных в п. 1 гл. VII.

В связи с изложенным представляется возможным с достаточ­ ной для практических инженерных расчетов точностью рекомендо­ вать определение оптимальной загрузки дизелей лишь в зависи­ мости от значения коэффициента приспособляемости. При этом можно принять следующие пределы его изменения: нормальное

мости могут быть достигнуты путем применения настроенных тур­ бокомпрессоров, регулируемого турбонаддува, специального за­ кона подачи топлива на корректорной ветви характеристики и другими средствами.

В табл. 21 приведены полученные авторами осредненные по результатам ряда испытаний оптимальные значения коэффициен­ тов загрузки, выходной мощности и топливной экономичности, необходимые при подборе тракторного дизеля мощностью до Nm =

=250 л. с. для строительных и дорожных машин основных типов

сполностью прозрачной трансмиссией.

Таким образом, можно рекомендовать следующую методику подбора двигателей для мащин по данным экспериментальных исследований,

145

Т а б л и ц а 21

П р и м е ч а н и е . В таблице даны примерные значения.

Если известна средняя за рабочий цикл машины или отдель­ ную его операцию потребная мощность Ncp, которая определяется в результате тягового или другого аналогичного расчета, то номи­ нальная мощность двигателя, рекомендуемого для установки на машину,

При известном потребном для выполнения рабочего цикла (опе­ рации) среднем моменте Мср номинальный крутящий момент дви­ гателя, устанавливаемого на машину,

м с Мен — Jcp

Средняя за цикл топливная экономичность выбранного двигателя

ё с р & н Т в ы х . ОПТ-

2« Аналитический метод подбора

Уравнение движения коленчатого вала двигателя« Аналитиче­ ский подбор двигателя для машины, т. е. определение соответствия его показателей внешней нагрузке расчетным путем, может быть

146