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

стков. Следовательно, уравнения динамических характеристик различных двигателей отличаются лишь численными значениями коэффициентов. Структура же уравнения динамической характе­ ристики, написанного в общем виде, справедлива для любого дви­ гателя.

Несмотря на то, что подстановка в уравнение движения вала двигателя выражения для крутящего момента по динамической характеристике наиболее полно учитывает влияние нагрузки, этот способ задания движущего момента имеет недостатки. Главный из них — получаются громоздкие и сложные расчетные формулы (дифференциальные уравнения высоких порядков, не имеющие точного решения). Поэтому расчеты могут быть выполнены только с помощью ЭЦВМ.

На выходные показатели двигателя при неустановившейся нагрузке решающим образом влияет инерционность регулятора (особенно для дизеля). Поэтому особый интерес представляет ис­ следование возможности нивелирования отрицательного влияния неустановившейся нагрузки на показатели двигателя путем соот­ ветствующего подбора параметров регулятора. С этой целью выра­ жение для крутящего момента необходимо задать системой двух уравнений: для двигателя и для регулятора. Уравнение для дви­ гателя будет функцией трех переменных: угловой скорости, угло­ вого ускорения и положения муфты регулятора (т. е. рейки топ­ ливного насоса или дроссельной заслонки, определяющих подачу топлива):

Мед — / —ц-> z'j .

Ввиду того что нарушение рабочего процесса незначительно влияет на выходные показатели дизеля, достаточно строго уравне­ ние двигателя можно представить лишь как функцию угловой ско­ рости и положения муфты регулятора, как это принято в теории регулирования

М ед = f (со, г).

Если допустить, что цикловая подача линейно зависит от по­ ложения муфты регулятора и крутящий момент линейно зависит от цикловой подачи, то выражение для крутящего момента

Мед = М'е (СО) -f kpZ,

где М'е (со) — момент двигателя, работающего с отключенным ре­ гулятором (см. гл. Ill, раздела 1);

kp — коэффициент воздействия регулятора.

Физический смысл коэффициента воздействия регулятора ясен из рис. 92.

Значение коэффициента воздействия

157

Рис. 92. Схема для определения физиче­ ского смысла коэффициента воздейст­ вия регулятора и корректора:

корректоре; 4 — линейная характеристика воздействия корректора

Сметах ^н ^хх У

где Мен — номинальный крутящий момент двигателя;

zx х и 2Н— координаты муфты регулятора соответственно на режиме максимальной частоты вращения холо­ стого хода и на номинальном режиме,

и определяется конструктивными особенностями и настройкой регулятора.

Аналогично можно представить выражение крутящего момента для корректорной ветви характеристики:

гн — г .Иетах

тора;

Меmax— максимальный крутящий момент двигателя;

гме тах — координата муфты регулятора при максимальном крутящем моменте.

Характеристика двигателя с отключенным коректором М'е (со) может быть снята в лабораторных условиях на тормозном стенде и для нее может быть подобрано соответствующее эмпирическое выражение. Для дизеля СМД-14, например, при номинальной по­ даче топлива это выражение имеет вид:

М'е (со) = 1,3 + 0,4со — 1,3 -10 - 3со3.

Уравнение движения вала регулятора при равновесии чувстви­ тельного элемента (муфты), известное из теории регулирования, имеет вид

F “Ь ^ д у “Ь Е (z) -f- Ео -J- Q = A (op>

где p — приведенная к муфте регулятора масса движущихся частей регулятора и топливного насоса, связанных с муфтой;

z — координата муфты регулятора;

'0' — фактор торможения регулятора и топливного насоса (коэффициент вязкого Прения);

Е (2) — восстанавливающая сила регулятора (главным обра­ зом усилие рабочих пружин регулятора);

158

Зависимость инерционной силы грузов от перемещения муфты регулятора близка к линейной (рис. 93) и поэтому может быть пред­ ставлена в виде выражения:

А сор = (р + b z) сор,

где A', p’, b’ — величины, зависящие от конструкции грузов регулятора.

Скорость вращения вала регулятора пропорциональна скорости вращения коленчатого вала:

£0р = ссо,

где с — передаточное число привода вала регулятора. Поэтому

Лоз2 = (р + Ьг) оз2.

Восстанавливающая сила пружин регулятора равна произве­ дению их суммарной жесткости на перемещение муфты

Е {г) = Спр2z.

Вследствие незначительности массы подвижных частей регуля-

тора членом р d^z можно пренебречь, также как и силами сухого

трения.

Поэтому окончательно уравнение регулятора

= (р + Ьг)а>* — Спр2г —Е0.

При работе двигателя по корректорной ветви характеристики в уравнение регулятора необходимо ввести поправку на усилие пружины корректора:

159

В этом случае система уравнений

полностью описывает динамическую характеристику и тождест­ венна ее уравнениям (9) и (10). Однако уравнения системы (13) сложны и громоздки, а их решение затруднительно. Поэтому пред­ положив линейность зависимости крутящего момента и коорди­ наты муфты регулятора от углового ускорения, можно ввести коэф­

фициент, аналогичный I, и существенно упростить систему. Тогда система уравнений примет следующий вид:

к 2 — коэффициенты, учитывающие соответственно влия­ ние положения муфты на крутящий момент и влия­ ние инерционности регулятора на положение муфты.

Решая систему уравнений (14), получим выражение для крутя­

Таким образом, при подстановке выражения (15) в уравнение движения вала двигателя связываются между собой параметры двигателя, регулятора и внешней нагрузки. Это дает возможность подобрать регулятор для двигателя с учетом особенностей преодо­ леваемой нагрузки и работы на машине.

В качестве примера в табл. 26 приведены численные значения

коэффициентов уравнения (15) для дизеля СМД-14 с регулятором РВ-850.

Последовательность аналитического подбора двигателя,. Мето­ дика аналитического подбора двигателя, предложенная авторами, заключается в следующем:

1.Решают уравнение движения коленчатого вала двигателя относительно угловой скорости и определяют зависимость ее или частоты вращения от времени в течение всего цикла нагрузки.

2.Сравнивают минимальную за цикл нагрузки частоту враще-

ния ' лтІп (угловую скорость) с минимально допустимой пт1п доп для определения устойчивой, без заглохания работы двигателя. Если пт1п окажется ниже, чем птіпдоп, то это означает, что двига­ тель не может преодолеть заданный цикл нагрузки.

значения мощности. Таким образом, получают зависимости крутя­ щего момента М (t) и мощности N (t) от времени на протяжении всего цикла нагрузки.

4. Определяют средние за цикл нагрузки значения крутящего момента

где /ц — время цикла нагрузки.

5.Вычисляют относительные параметры двигателя, характе­ ризующие эффективность его работы при неустановившейся на­ грузке: k3, kBUX, ka u.

6.Сравнивают вычисленные значения параметров с оптималь­ ными их значениями, рекомендуемыми для двигателя данного типа и машины. При незначительном отличии полученных показа­ телей от оптимальных значений можно рекомендовать двигатель для установки на данную машину. Если же отличие велико, то необходимо выбрать другой двигатель, либо изменить приведен­ ный к коленчатому валу момент инерции (например, установкой дополнительных маховиков) и повторить расчет.

В связи с тем, что оптимальная загрузка двигателя, определен­ ная по наилучшим мощностным показателям, практически обес-

162

печивает и наилучшую его топливную экономичность, а также сравнительно невысокий темп изнашивания деталей (см. гл. Ill и IV раздела 1), представляет интерес аналитическое определение оптимальной загрузки двигателя по приведенной выше методике. Определение оптимальной загрузки сводится к нахождению значе­ ния такой загрузки, при которой достигается максимальная вы­ ходная мощность. С этой целью определяют значение коэффициента выходной мощности /гвы:; при нескольких средних моментах сопро­ тивления, сохраняя общий характер изменения нагрузки. По­ строив график зависимости коэффициента выходной мощности £вых от среднего за цикл нагрузки момента сопротивления (или от значения коэффициента загрузки), определяют загрузку, при которой этот параметр имеет максимальное значение.

Используя изложенную выше методику, можно определить также и оптимальные параметры регулятора, момент инерции при­ веденных к коленчатому валу движущихся масс двигателя и транс­ миссии и т. п. Для этого необходимо произвести описанные выше расчеты, задавшись несколькими значениями определяемого пара­ метра, и найти зависимость коэффициента выходной мощности /гвых от значения этого параметра аналогично тому, как это делалось при определении оптимальной загрузки.

3, Расчет экономической эффективности оптимальной загрузки двигателя

Если при подборе двигателей для строительных и дорожных машин номинальную мощность устанавливать в соответствии с тя­ говым (или иным аналогичным) расчетом, то из-за влияния неуста­ новившейся нагрузки фактически развиваемая мощность может оказаться ниже потребной. Это приведет к перегрузке двигателя и значительному снижению его показателей, а следовательно, и технико-экономических показателей машины. В связи с этим при неустановившемся характере нагрузки необходимо выбирать дви­ гатель с запасом по мощности с тем, чтобы его загрузка была опти­ мальной. Тогда производительность машины будет максимально возможной, а топливная экономичность двигателя — близкой к наилучшей. При этом обеспечивается также и умеренный темп изнашивания деталей двигателя (см. гл. VI раздела 1).

Исходя из повышения производительности машины и сниже­ ния расхода топлива при загрузке двигателя до оптимальной ве­ личины по сравнению с максимально допустимой можно расчет­ ным путем определить экономический эффект от научно-обоснован­ ного подбора двигателя. При известных средней за цикл нагрузки машины мощности Ncp и времени цикла можно определить ра­ боту, выполняемую машиной за цикл нагрузки:

— Л Г с р - 7 5 ^ .

163

Количество рабочих циклов, выполняемых машиной за весь срок службы, равно

Значения коэффициента kn т для строительных и дорожных ма­ шин некоторых типов приведены ниже.

Машина

Работа, выполняемая машиной за весь срок службы,

= ЛЦѲ.

После математических преобразований

Подстановкой в выражение (16) значений Ncp и Т при загрузке двигателя до оптимального и максимально допустимого значения можно определить соответствующие значения выполненной ра­ боты Л2опт и Л2доп. Это позволяет найти коэффициент повышения производительности машины

Экономический эффект От повышения производительности ма­ шины при загрузке двигателя до оптимального значения по сравне­ нию с максимально допустимым за весь срок службы машины определится из выражения

где сс — стоимость одной машиносмены; tc — продолжительность одной смены.

164