Моделирование характеристик дизельного двигателя
.pdfПосле пуска дизеля, пока охлаждающая жидкость не прогреется до температуры +85 ºС, основные клапаны термостатов закрыты. Охлаждающая жидкость из водоотводящей трубы головок цилиндров, минуя радиатор, направляется в насос и снова попадает в блок цилиндров.
При температуре охлаждающей жидкости выше 85 ºС наполнитель термочувствительного элемента, расширяясь, воздействует на фиксированно установленный поршень 10, тем самым вызывая перемещение термочувствительного элемента с основным клапаном относительно поршня. При усилии перемещения, превышающем усилие, создаваемое пружиной 14, основной клапан перемещается вниз, образуя зазор между основным клапаном и корпусом термостата, и охлаждающая жидкость начинает частично циркулировать через радиатор. Когда температура охлаждающей жидкости достигнет +90 ºС, основной клапан открывается полностью и весь поток проходит через радиатор. Одновременно при перемещении основного клапана перемещается вниз и перепускной клапан, перекрывая канал для перепуска охлаждающей жидкости к водяному насосу.
На дизельном двигателе устанавливается водяной насос в сборе с вентилятором. Имеются два варианта установки вентилятора: без проставки и с проставкой (рис. 1.17).
На некоторых модификациях двигателей вместо стального вентилятора может устанавливаться литой пластмассовый.
40
а – без проставки; |
б – с проставкой |
Рис. 1.17. Установка вентилятора:
1 – лопасть; 2 – болт; 3 – шайба; 4 – проставка; 5 – болт; 6 – шайба; 7 – заклепка; 8 – крестовина
1.2.7. Устройство наддува воздуха
На дизельные двигатели Д-260.1S3А, Д-260.2S3А устанавливается нерегулируемый турбокомпрессор (рис. 1.18), использующий энергию отработавших газов для наддува воздуха в цилиндры двигателя.
Принцип работы турбокомпрессора заключается в том, что отработавшие газы из цилиндров двигателя под давлением поступают через выпускной коллектор в улиточные каналы турбины. Расширяясь, газы вращают колесо турбины с валом, на другом конце которого колесо компрессора через воздухоочиститель всасывает воздух и подает его под давлением в цилиндры двигателя.
Турбокомпрессор, см. рис. 1.18, выполнен по схеме: радиальная центростремительная турбина и центробежный одноступенчатый компрессор при консольном расположении колес относительно опор.
Частота вращения ротора, подача и давление нагнетаемого воздуха зависят от режима работы двигателя.
41
Рис. 1.18. Турбокомпрессор нерегулируемый:
1 – колесо турбины с валом; 2 – корпус турбины; 3 – моновтулка; 4 – маслоотражатель; 5 – кольцо эксцентрическое; 6 – колесо компрессора;
7 – гайка специальная; 8, 15 – уплотнительные кольца; 9 – диффузор; 10 – крышка; 11 – корпус компрессора; 12 – упорный подшипник; 13 – втулка распорная;
14 – корпус средний (корпус подшипников)
Корпус турбины 2 турбокомпрессора отлит из высокопрочного чугуна. Корпус компрессора 11 отлит из алюминиевого сплава, его проточная часть образована корпусом и колесом компрессора. Корпуса турбины и компрессора крепятся к корпусу подшипников 14, отлитому из высокопрочного чугуна. Колесо турбины 1 отлито из жаропрочного сплава и приварено к валу ротора. Колесо компрессора 6 отлито из алюминиевого сплава и крепится на валу ротора специальной гайкой.
Вал ротора вращается в радиальном подшипнике, выполненном в виде плавающей невращающейся моновтулки 3. Моновтулка фиксируется в корпусе подшипников фиксатором. Осевое перемещение ротора воспринимает упорный подшипник 12.
Подшипники турбокомпрессора смазываются и охлаждаются маслом, поступающим по трубопроводу от полнопоточного масляного фильтра. Как в радиальном, так и в упорном подшипниках дополнительно осуществляется центробежная очистка масла. Из турбокомпрессора масло сливается в картер дизеля по маслоотводящей трубке.
42
Со стороны компрессора и турбины установлены газомасляные уплотнения, в качестве которых используются пружинные уплотнительные кольца 8 и 15, установленные в канавках ротора. Со стороны компрессора для повышения эффективности установлен маслоотражатель, а со стороны турбины – экран.
На дизельном двигателе Д-260.4S3А устанавливается регулируемый турбокомпрессор (рис. 1.19).
Рис. 1.19. Турбокомпрессор регулируемый:
1 – ротор; 2 – корпус турбины; 3 – корпус подшипника; 4 – корпус компрессора; 5 – исполнительный механизм; 6 – кронштейн крепления исполнительного механизма; 7 – воздухопровод
Регулирование наддува происходит путем перепуска части отработавших газов мимо колеса турбины при превышении давления наддува определенного значения.
Конструктивно турбокомпрессор (см. рис. 1.19) состоит из следующих основных узлов: ротора 1, корпуса турбины 2, корпуса подшипника 3, корпуса компрессора 4, исполнительного механизма 5, кронштейна крепления исполнительного механизма 6, воздухопровода 7.
В состав ротора входят вал, сваренный с колесом турбины, и установленные на нем колесо компрессора, распорная втулка масляного уплотнения, две шайбы, гайка и два уплотнительных кольца. Ротор вращается в радиальном подшипнике, установленном в корпусе подшипника. Осевое перемещение ротора воспринимается упорным подшипником.
43
В корпус турбины регулируемого турбокомпрессора встроен перепускной клапан. Рычаг перепускного клапана соединен регулируемой тягой с исполнительным механизмом, связанным воздухопроводом с выходом компрессора. Настройка регулятора на определенное давление производится регулированием длины тяги.
Подшипники турбокомпрессора смазываются и охлаждаются маслом, поступающим по трубопроводу от системы смазки двигателя. Из турбокомпрессора масло сливается в картер двигателя.
1.2.8. Устройство пуска ДВС
Устройство пуска дизельных двигателей состоит из электрического стартера номинальным напряжением 24 В. Стартер представляет собой электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением с электромагнитным реле и механизмом привода.
Для обеспечения пуска при низких температурах окружающего воздуха все дизельные двигатели, как указывалось выше, укомплектованы свечами накаливания номинальным напряжением 23 В и имеют места для подвода и отвода теплоносителя от системы предпусковой тепловой подготовки, устанавливаемой на тракторе.
1.2.9. Компрессор и его привод
Для привода пневматических тормозов прицепа и накачивания шин двигатели оборудованы поршневым одноступенчатым компрессором. Компрессор устанавливается на фланце крышки распределителя и имеет привод от шестерни привода компрессора и топливного насоса механизма распределения.
При работе трактора на сельскохозяйственных работах, не требующих использования энергии сжатого воздуха, компрессор отключается. Охлаждение компрессора – воздушное.
Для обеспечения систем гидрофицированного управления трактором или другим энергетическим средством на двигателе устанавливается шестеренный насос НШ 14-3Л, или НШ 16-3Л, или НШ-10. Насос приводится во вращение через привод от распределительных шестерен двигателя.
44
1.2.10. Муфта сцепления
Муфта сцепления предназначена для передачи крутящего момента от коленчатого вала двигателя на трансмиссию, а также служит для кратковременного разъединения двигателя с трансмиссией при работающем двигателе, для обеспечения безударного переключения передач и плавного трогания с места.
На двигателях устанавливается фрикционная, сухая, однодисковая или двухдисковая постояннозамкнутая муфта сцепления (см.
табл. 1.4).
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОЙ МАССЫ МОБИЛЬНОЙ МАШИНЫ
2.1. Основные понятия
Прежде чем научиться моделировать характеристики дизельного двигателя, рассмотрим вопросы, связанные с расчетом требуемой мощности двигателя мобильной машины в соответствии с ее назначением. Расчет потребной мощности двигателя мобильной машины начинается с определения ее полной (эксплуатационной) массы, которая для тяговых машин (тракторов) зависит от величины и колебания крюкового усилия при выполнении наиболее энергоемкой сельскохозяйственной операции – пахоты, а для транспортных машин (автомобилей) – от массы перевозимого груза или числа пассажиров и, кроме того, от условий эксплуатации (скорости движения, сцепления движителя с опорной поверхностью, сопротивления движению и т. п.).
Двигатель мобильной машины должен обеспечить ей движение в заданных условиях эксплуатации с заданной скоростью. Мощность двигателя через трансмиссию передается движителю (колесному или гусеничному) машины. Мощность, подводимая к движителю машины, расходуется на преодоление сопротивлений движению и обеспечение движения машины с требуемой скоростью. Чтобы машина могла развивать необходимую касательную силу тяги для преодоления сопротивлений (сопротивление качению, крюкового усилия, сопротивление при движении на подъем и т. п.), движитель
45
машины необходимо «прижать» с определенным усилием к опорной поверхности (почве или дороге). Для этого машина должна иметь необходимую полную (эксплуатационную) массу, часть которой (для неполноприводных машин) или вся (полноприводные и гусеничные машины) нагружает ведущие колеса.
Методику определения полной массы мобильной машины начнем рассматривать с определения эксплуатационной массы трактора, предварительно рассмотрев тяговое сопротивление сельскохозяйственных машин и орудий, с которыми работает трактор.
2.2. Тяговое сопротивление машин-орудий
Требуемую эксплуатационную массу трактора и мощность тракторного двигателя определяют, исходя из наиболее энергоемкой сельскохозяйственной операции, которой является пахота [3–5]. Вначале определяют эксплуатационную массу трактора, который работает с различными сельскохозяйственными машинами и орудиями, в том числе с почвообрабатывающими, имеющими переменное тяговое сопротивление. Трактор с агрегатируемыми сельскохозяйственными машинами или орудиями образует машинотракторный агрегат (МТА).
Работа тракторного агрегата совершается лишь в том случае, если трактор может преодолеть сопротивление машин-орудий, агрегатируемых с ним. Сопротивление машин или орудий, возникающее при выполнении ими рабочей операции, называется тяговым [3–5]. Тяговое сопротивление машин-орудий подразделяется на рабочее и холостое.
Холостым тяговым сопротивлением называется сопротивление передвижению машин или орудий в транспортном положении. Величина холостого тягового сопротивления машин-орудий зависит главным образом от их массы, типа или конструкции ходовой системы и условий движения. Холостое тяговое сопротивление можно рассчитать по формуле
Fкр.х = fGмcosαд + Gм sin д = Gм (fcosαд + sin д) = ψGм , |
(2.1) |
где f – коэффициент сопротивления перекатыванию сельскохозяйственной машины;
46
Gм – вес машины;
д – угол подъема местности (табл. 2.1); ψ – суммарный коэффициент сопротивления;
ψ = fcosαд + sinαд.
Поля, на которых работает тракторный агрегат, имеют подъемы и спуски различной величины. В табл. 2.1 представлены некоторые данные по уклонам дорог и полей, на которых приходится работать тракторному агрегату [4].
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
||
|
|
Уклоны дорог и полей |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Местность |
Максимальный подъем на дороге, |
|
Подъем |
||||||
|
|
градус |
|
на обрабатываемом |
|
||||
|
с покрытием |
|
|
полевой |
поле, градус |
|
|||
|
грейдерной |
грунтовой |
Средний |
|
Наибольший |
|
|||
Равнинная |
4 |
5–6 |
7 |
|
8 |
0,5 |
|
3 |
|
Холмистая |
5 |
6–7 |
8 |
|
10 |
1 |
|
6 |
|
Как видно из табл. 2.1, даже на равнинной местности подъем на обрабатываемом поле составляет в среднем 0,5о, а наибольший угол подъема достигает 3о. Представляет практический интерес выяснить, насколько повысится сопротивление сельскохозяйственной машины при движении на подъем до 3о. С этой целью по формуле (2.1) проведен расчет суммарного коэффициента сопротивления ψ движению тракторного агрегата при работе на стерне зерновых и
увеличения этого коэффициента для различных углов подъема местности, по сравнению с движением по горизонтальной поверхности. Результаты представлены на рис. 2.1, которые показывают, что суммарный коэффициент сопротивления качению при уклоне местности 3о возрастает примерно в 1,5 раза и пренебрегать этой величиной уже нежелательно. Следовательно, при расчете сопротивления качению тракторного агрегата необходимо учитывать уклоны полей.
47
Рис. 2.1. Изменение суммарного коэффициента сопротивления и погрешности в зависимости от уклона местности
Рабочим тяговым сопротивлением называется сопротивление,
которое оказывает машина или орудие при передвижении ее в рабочем состоянии. Для комплектования тракторных агрегатов наибольшее значение имеет рабочее сопротивление, соотношение которого с тяговым усилием трактора определяет число машинорудий в тракторном агрегате.
Величина рабочего тягового сопротивления сельскохозяйственных машин-орудий зависит от большого числа различных факторов, которые можно свести к четырем основным группам [3, 4]:
–технологическим (подрезание и оборачивание пласта, рыхление, резание, теребление и т. п.);
–конструктивным (ширина захвата, конструкция рабочих органов и ходового аппарата, вес и т. п.);
–природно-естественным (состояние обрабатываемой среды, состояние поверхности поля);
–эксплуатационным (скорость движения, глубина обработки, техническое состояние машин-орудий).
48
Многие факторы, определяющие тяговые сопротивления, не имеют постоянного характера, а являются переменными и вызываются изменениями сопротивления машин-орудий. Главное влияние на величину тяговых сопротивлений оказывает технологический процесс, выполняемый машиной-орудием.
Соответственно видам технологического процесса сельскохозяйственные машины-орудия, предназначенные для механизации земледелия, подразделяются на три группы.
1.Машины-орудия, поступательное движение которых используется для технологического воздействия на обрабатываемую среду – почву или растения. К таким машинам-орудиям относятся главным образом почвообрабатывающие орудия (плуги, бороны, культиваторы и др.), а также некоторые уборочные машины (грабли, волокуши). Тяговое сопротивление машин и орудий этой группы состоит из усилия, необходимого для перемещения массы машины и преодоления сопротивления среды – почвы или растений (деформацию их рабочими органами при поступательном движении машины или орудия).
2.Машины, технологический процесс которых осуществляется посредством рабочих органов и механизмов, приводящихся в действие от ходовых колес машин. К этой группе относится большинство жатвенных машин. Тяговое сопротивление машин-орудий этой группы определяется усилием, необходимым на передвижение машины и привод ее механизмов от ходового колеса, нагруженного ведомым моментом.
3.Машины с приводом механизмов от тракторного двигателя через вал отбора мощности (ВОМ). Тяговое сопротивление этих машин складывается из сопротивления их передвижению по полю и относительно небольшого усилия, необходимого для преодоления лобового сопротивления обрабатываемой среды. К таким машинам относятся прицепные комбайны, льнотеребилки, приводные косилки и т. д.
Тяговое сопротивление некоторых машин имеет смешанный характер. К таким машинам относятся рядовые сеялки, у которых сошники работают по принципу машин первой группы, а высевающий аппарат – по принципу второй группы.
Таким образом, даже на равнинной местности поля имеют средний угол уклона 0,5о, а максимальный достигает 3о, что приводит к
49