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

ние скорости вращения, увеличивая подачу топлива в цилиндры двигателя. В момент, когда частота вращения коленчатого вала станет равной номинальной пея, регулятор устанавливает рейку топливного насоса в положение, соответствующее максимальной подаче топлива. Если момент сопротивления окажется больше номинального крутящего момента, то двигатель начинает рабо­ тать по безрегуляторной ветви характеристики. При этом подача топлива изменяется незначительно1 и интенсивно снижается частота вращения до величины, соответствующей максимальному крутящему моменту пМетах. Работа двигателя под нагрузкой

счастотой вращения меньшей, чем пМетах, неустойчива и ведет

кзаглоханию двигателя.

При снижении нагрузки частота вращения коленчатого вала двигателя увеличивается, т. е. происходит его разгон.

Разгон двигателя осуществляется в порядке, обратном тормо­ жению, т. е. вначале при работе двигателя по корректорной ветви характеристики, незначительное изменение нагрузки приводит к резкому изменению частоты вращения (подача топлива примерно постоянна), а затем при работе двигателя по регуляторной ветви интенсивность разгона уменьшается, так как регулятор стремится поддержать постоянство скоростного режима, уменьшая подачу топлива.

2, Типовая нагрузочная диаграмма двигателей

Зависимость изменения момента сопротивления от времени протекания рабочего цикла или операции называется нагрузочной диаграммой двигателя. Такие диаграммы определяются в резуль­ тате испытания машин в эксплуатационных условиях. На величину и характер изменения момента сопротивления оказывают влияние неоднородность материала или грунта, изменение рельефа рабочего участка, субъективные качества машиниста, его квалификация, техническое состояние машины и т. п. Влияние этих факторов но­ сит случайный характер и не может быть заранее точно учтено, что и обусловливает незакономерный характер изменения момента сопротивления. В связи с этим нагрузочные диаграммы, получен­ ные даже при выполнении одной и той же машиной однородных технологических операций, не бывают совершенно идентичными.

Для того чтобы оценить нагрузочный режим двигателя при выполнении машиной определенной операции и исключить влия­ ние случайных факторов, необходимо иметь осредненную типовую нагрузочную диаграмму. Такая нагрузочная диаграмма может быть построена в результате обработки большого количества осциллограмм, полученных при эксплуатационных испытаниях машин, методами математической статистики.

1 При работе двигателя по безрегуляторной ветви скоростной характери­ стики изменение подачи топлива (примерно на 10% от максимальной подачи) происходит за счет работы корректора подачи топлива. В дальнейшем безрегу­ ляторную ветвь будем условно называтіІЧЛрреіетѳривй- ...

17

г .

I

м,У.

150

WO

50

Рис. 7. Нагрузочная диаграмма двигателя экскаватора

В качестве примера рассмотрим построение нагрузочной диа­ граммы двигателя экскаватора Э-652, оборудованного прямой ло­ патой, при работе на грунтах II группы. Для построения нагрузоч­ ной диаграммы производят эксплуатационные испытания в за­ данных условиях. При этом на ленту осциллографа записывают кривые изменения крутящего момента и частоты вращения дви­ гателя за время выполнения технологического цикла экскавации и обрабатывают определенное количество осциллограмм. С этой целью технологический цикл машины разбивают на ряд характер­ ных операций. При копании грунта экскаватором с прямой лопа­ той (рис. 7) можно выделить шесть таких операций: / — копание; II •— разгон платформы с груженым ковшом; I I I — равномерное вращение платформы; IV — торможение платформы с груженым ковшом и разгон с порожним; V — равномерное вращение плат­ формы с порожним ковшом; VI — торможение платформы с по­ рожним ковшом. Для других типов машин и машин, выполня­ ющих другие технологические операции, разбивка цикла на опе­ рации будет иной. Для каждой операции цикла определяют сле­ дующие параметры: 1) максимальный момент сопротивления УИшах; 2) время операции t\ 3) средний момент Мср; 4) угол поворота коленчатого вала ср двигателя за время выполнения операции;

5)работу А, совершенную двигателем.

Затем составляют таблицы корреляционной зависимости между

величинами Мср и t, для чего весь диапазон их изменения разби­ вают на определенные интервалы. Пример такой зависимости для копания показан в табл. 3.

В приведенном примере наиболее часто встречающаяся про­ должительность копания равна 5 с. Это значение и следует при­ нять в качестве продолжительности копания на нагрузочной диаграмме.

По выбранным наиболее вероятным значениям t определяют средний момент

18

где ам — частота случаев моменту Мя при данном t\ УИи — среднее значение интервалов моментов;

at — частная сумма.

В рассматриваемом примере

Mt=5 = 4 ■26 + 6 • 30 + 9 ■34 + 3-38 + 3-42 = 33,2 кгс-м. 25

По значениям М можно построить приближенный график за­ висимости момента от времени технологического цикла (рис. 8).

Однако во многих случаях требуется более точное определение зависимости момента от времени. Для этого каждую операцию цикла разделяют на участки. Чтобы точнее отразить характер на­ грузки, осциллограммы разбивают так, чтобы границы участков совпадали с характерными пиками и впадинами на кривой мо­ мента. Для того чтобы все обрабатываемые осциллограммы были приведены к выбранному среднему времени, характерные участки цикла всех осциллограмм разбивают по оси времени на одинако­

19

диаграммы при выполнении машиной других операций или при ра­ боте двигателя на машине иного типа. Чтобы было удобнее поль­ зоваться нагрузочной диаграммой и легче сравнивать между со­ бой нагрузочные диаграммы различных двигателей, вместо абсо-

20

лютного значения момента следует использовать относительную его величину — отношение текущего момента к номинальному.

Изменение нагрузки отражается на колебании частоты вра­ щения коленчатого вала двигателя, а следовательно, при неизмен­ ном передаточном числе трансмиссии, оно влияет и на время рабочего цикла. Таким образом, время рабочего цикла зависит от параметров и характеристики двигателя, установленного на машине. При установке же на машину другого двигателя нагрузоч­ ная диаграмма может измениться. Другими словами, типовая нагрузочная диаграмма, представляющая собой зависимость мо­ мента сопротивления от времени рабочего цикла машины, спра­ ведлива лишь для определенного двигателя, установленного на машину данного класса.

Для того чтобы сделать нагрузочную диаграмму более универ­ сальной и характерной для любого двигателя, установленного на машину данного класса, следует определить зависимость момента сопротивления от угла поворота коленчатого вала. С этой целью одновременно с определением крутящего момента во время испы­ тания машин определяется и изменение частоты вращения колен­ чатого вала в зависимости от времени рабочего цикла. Обработку кривой частоты вращения на осциллограммах и статистическую обработку результатов замеров производят аналогично тому, как это было показано для кривой крутящего момента.

Перестроение нагрузочной диаграммы в зависимость момента сопротивления от угла поворота коленчатого вала основано на следующем. Угол поворота коленчатого вала является функцией угловой скорости коленчатого вала <р = / (со) и может быть выра­ жен уравнением:

Ф = I со (t) dt.

Угловая скорость

где п — частота вращения коленчатого вала в минуту.

Но, учитывая, что зависимость частоты вращения от времени рабочего цикла известна п = f (t), справедливо выражение ср =

= h (f).

Зная такую зависимость, можно написать и выражение для обратной функции: t = Jі (ф).

21

Следовательно, момент сопротивления является функцией времени, а, значит, и угла поворота коленчатого вала:

M = f a ( 0 = / 2 I ? ! (Ф) I = / з (Ф).

Нагрузочные диаграммы позволяют анализировать режим работы двигателей, а также дают исходные данные для имитации нагрузочных режимов при углубленном исследовании двигателей в лабораторных условиях.

3« Типовые нагрузочные диаграммы двигателей различных строительных и дорожных машин

На рис. 10— 16 показаны типовые нагрузочные диаграммы дви­ гателей ряда строительных и дорожных машин, построенные в результате статистической обработки данных эксплуатационных испытаний. Рассмотрение нагрузочных диаграмм показывает, что для двигателей большинства машин характерна работа при по­ стоянном колебании крутящего момента на коленчатом валу и связанном с этим нестабильном скоростном режиме. Причем, колебания параметров работы двигателя являются незакономер* ными, апериодическими. Кривые крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала двигателя в большинстве случаев могут быть объяснены особенностями работы машины при выпол­

трансмиссией и емкостью ковша 0,65 м3, оборудованного прямой лопатой, при работе на грунте II группы. Как было показано ранее, весь цикл экскавации разделяется на шесть отдельных операций. Пик момента, получающийся в начале копания, объясняется зна­ чительными динамическими нагрузками, возникающими в момент врезания ковша в грунт. Последующее возрастание потребного крутящего момента объясняется увеличением сопротивления пере­ мещению ковша по мере его заглубления в грунт и наполнения. Некоторое снижение момента сопротивления в конце копания связано с выглублением ковша из грунта. Пики момента во время копания вызваны в большой степени неоднородностью разраба­ тываемого грунта и частичным выглублением ковша, которое производит машинист для облегчения работы двигателя. Макси­ мальный момент сопротивления вращению коленчатого вала при копании может на 30—40% превышать номинальный крутящий момент двигателя. При этом двигатель не заглохает благодаря тому, что время перегрузки не велико и двигатель преодолевает ее за счет инерции движущихся масс.

При разгоне платформы с груженым ковшом наибольшее влия­ ние на колебание момента оказывают инерционные силы. Значи­ тельная перегрузка, получающаяся в начале разгона, может быть объяснена тем, что в этот момент происходит трогание плат-

22

чительному снижению частоты вращения коленчатого вала. После разгона платформы она равномерно вращается. В этот

период мощность двигателя расходуется лишь на преодоление сил трения, что требует небольшого крутящего момента.

Аналогично объясняется и изменение потребного крутящего момента при торможении платформы сгруженым ковшом, а затем, после выгрузки ковша, при повороте платформы с порожним ков­ шом в положение, соответствующее началу рабочего цикла. Во время выполнения этих операций цикла также возникают пиковые моменты, связанные с преодолением инерционных сил, возника­ ющих при ускорении и замедлении вращения платформы экска­ ватора. В некоторых случаях отдельные пиковые моменты превы­ шают номинальный момент двигателя. Однако в этой части цикла пиковые моменты и по величине и по продолжительности менее значительны, чем в период копания и разгона платформы с гру­ женым ковшом, и скоростной режим двигателя изменяется более плавно.

При другом рабочем оборудовании экскаватора и при работе на других грунтах нагрузочные диаграммы двигателя будут не­ сколько иными, но характер кривой изменения момента сопротив­ ления за время рабочего цикла будет примерно таким же, что и описанный выше.

Значительными перегрузками отличается нагрузочный режим двигателя б у л ь д о з е р а . На рис. 11 показана нагрузочная диаграмма двигателя гусеничного бульдозера при рытье траншеи

23

время резания грунта связано с увеличением количества грунта перед отвалом. Резкие колебания момента в этот период могут быть объяснены неоднородностью грунта, а также тем, что для устране­ ния возможности заглохания двигателя при его чрезмерной пере­ грузке и значительном снижении частоты вращения коленчатого вала машинист вынужден регулировать заглубление ножа отвала в грунт и отключать двигатель от трансмиссии с помощью муфты сцепления. Такие меры при механической трансмиссии необхо­ димы, так как пиковые моменты в этот период могут превышать номинальный крутящий момент двигателя на 30—40% и более.

При перемещении грунта без резания средний момент сопро­ тивления значительно меньше, чем во время выполнения первой операции рабочего цикла. Колебания момента в этот период вре­ мени объясняются тем, что куски грунта могут во время их пере­ мещения ссыпаться с отвала. Кроме того, из-за переменного рельефа площадки нож отвала бульдозера все же иногда может врезаться в неровности грунта.

Значительные перегрузки двигателя наблюдаются, как пра­ вило, при отсыпке грунта и разгрузке отвала. В это время бульдо­ зер перемещает грунт на кавальер, а в конце цикла часто врезается ножом отвала в ранее отсыпанный грунт. Поэтому средний момент сопротивления в этой части цикла имеет значительную величину. Пиковые моменты в это время могут превысить номинальный крутящий момент двигателя на 60—80%. Такая значительная перегрузка приводит к резкому снижению частоты вращения коленчатого вала до значения, близкого к минимально допусти­ мому из условий устойчивой работы, поэтому возможность загло­ хания двигателя в это время наиболее вероятна.

Рабочий цикл с к р е п е р а можно разделить на три основные операции: набор грунта в ковш, транспортировка и отсыпка грунта.

Наиболее энергоемкой операцией для двигателя самоходного скрепера является набор грунта (рис. 12, а). При наборе грунта средний момент сопротивления постоянно возрастает и в конце операции достигает значения, близкого к значению номинального крутящего момента двигателя. Это связано с увеличением коли-

24

карьера. Набору грунта, как видно из диаграммы, соответствует один пик на­ грузки, если не считать незначительных пиков в начале и конце цикла, обу­ словленных инерционными силами при трогании по­ грузчика с места. Увели­ чение и уменьшение мо­ мента сопротивления, свя­

занные с’заглублением и выглублением ковша, происходят сравни­ тельно плавно. Однако максимальный момент сопротивления мо­ жет достигать большой величины и значительно превышать но­ минальный крутящий момент двигателя. Благодаря тому, что изменение момента происходит сравнительно плавно, скорость вращения коленчатого вала изменяется практически без запазды­ вания по отношению к изменению нагрузки.

При работе погрузчика перегрузка двигателя может продол­ жаться значительное время, что сопряжено с длительной работой двигателя на корректорной ветви характеристики и значитель­ ным снижением частоты вращения коленчатого вала. При значи­ тельной перегрузке и снижении частоты вращения до предельно допустимого значения во избежание остановки двигателя маши­ нисту приходится выглублять ковш или даже подавать машину назад и наполнять ковш в несколько приемов.

Н а с а м о х о д н о м к р а н е и а в т о к р а н е двига­ тель преодолевает неустановившуюся внешнюю нагрузку в про­ цессе подъема и опускания груза, однако колебания нагрузки в этом случае незначительны, изменение нагрузки происходит плавно, пе­ регрузки, как правило, отсутству­ ют. Двигатель крана подбирают из условия передвижения машины, так как эта операция наиболее энергоемкая. При подъеме же и опускании груза двигатель крана обычно работает с недогрузкой.

Наиболее неблагоприятным ре­ жимом работы двигателя крана является торможение опускаемого груза двигателем и медленный подъем груза. При торможении груза двигатель, используемый в качестве тормоза, разгоняется до частоты вращения, превыша­ ющей максимальную частоту вра-

26