Энергетический баланс, коэффициент полезного действия и тяговая характеристика трактора

Лекция №7 «ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС, КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ И ТЯГОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАКТОРА» Энергетический ( мощностной) баланс показывает распределение энергии двигателя на выполнение основного технологического процесса, совершенствование работы в разных механизмах трактора и взаимодействие движителей с дорогой. В общем случае мощностной баланс имеет вид Ne = NKp + N вом + Nтр + Nδ + Nf ±Ni + Nу ± Nj , (2.58) где Ne— эффективная мощность двигателя; NKp — тяговая мощность на прицепном устройстве трактора; N вом — мощность на валу отбора мощности; Nтр −мощность, характеризующие расход энергии на трение в трансмиссии; Nδ −мощность, характеризующие расход энергии на буксование движителей; Nf —мощность, характеризующие расход энергии на преодоление сопротивлений качению подъема; Ni —мощность, характеризующие расход энергии на преодоление сопротивлений качению подъема; Ny — мощность, необходимая для создания условий труда тракториста; Nj — мощность сил инерции. NKp + N вом + Nу −эффективная (полезная) часть баланса, направленная на выполнение трактором технологической операции в составе МТА, создание комфортных условий для работы тракториста. Мощности Ni, Nj имеют разные знаки в зависимости от вида движения трактора−подъём или спуск, разгон или замедление. При подъёме и разгоне со знаком «плюс», при спуске и замедлении — со знаком «минус». При равномерном движении по горизонтальному участку без использования ВОМ мощностной (Nу не учитываем в ввиду её относительной малости) баланс имеет следующий вид : Ne = NKp + Nтр + Nδ + Nf + ± Nj (2.59) Этот вариант работы трактора обычно используют для оценки энергетических и топливно-экономических показателей трактора. Обобщающими оценочными показателями эффективности использования тракторов является общий и тяговый КПД. Общий КПД трактора при установившемся движении на горизонтальном участке η = (NKp + N вом)/ Ne (2.60) Тяговый КПД трактора при тех же условиях движения η тяг= NKp / (Ne - N вом) (2.61) При работе трактора без использования ВОМ η тяг= NKp /Ne (2.62) Тяговый КПД трактора можно представить в следующем виде: η тяг = η тр η δ η f (2.63) где η тр — КПД, учитывающий механические потери в трансмиссии; η δ— КПД, учитывающий потери на буксование ведущих коле; η f— КПД, учитывающий потери на качение трактора. Каждый из перечисленных коэффициентов можно определить опытным или расчетным путем. Коэффициент η тр можно определить в лаборатории, оборудованной специальными испытательными стендами, или непосредственно во время работы трактора в поле. Чтобы найти его значение в полевых условиях, нужно одновременно замерять крутящий момент Мд двигателя и ведущий момент Мв на движителей, с помощью ротационных динамографов, один из которых устанавливают между двигателем и коробкой передач, а остальные — на ведущих колесах ( звёздочках) трактора. На основании полученных данных вычисляют η тр = Мв/(Мд∙iтр) (2.64) где iтр — передаточное число трансмиссии во время опытов. Один из методов определения момента Мв положен в основу ГОСТ 30749—2001 «Тракторы сельскохозяйственные. Определение мощности на осях ведущих колес». КПД трансмиссии определяют так: ηтр=ηх.х.∙ ηн. (2.5) Где ηх.х.и ηн -КПД, учитывающие потери соответственно при холостом ходе и при работе под нагрузкой. В соответствии с принятым допущением о постоянстве потерь холостого хода можно записать М М ηх.х.= 1 − Мх.х =1 −ξМн (2.6) д д где Мхх — приведенный к коленчатому валу двигателя момент сопротивления, возникающий при его холостом прокручивании; Мд – текущий крутящий момент двигателя; ξ— коэффициент, учитывающий, какую часть номинального крутящего момента Мн двигателя составляет Мхx. При достаточно прогретом масле ξ= 0,03...0,05. Значение ξ увеличивается с повышением частоты вращения двигателя и номера включаемой передачи. При холодном трансмиссионного смазочного материала или повышенном его уровне, значение ξ может значительно возрасти. Величина ξ зависит так же от величины текущего передаваемого момента двигателя Мд. Дополнительные потери в трансмиссии, возникающие при работе под нагрузкой, приблизительно пропорциональны значению действующей нагрузки. Наиболее существенны из них потери в зацеплении шестерен. Поэтому значение коэффициента η тр н при передаче номинального момента двигателя Мн с достаточным приближением можно подсчитать по формуле ηтр н = η1𝑛1 ∙η𝑛2 2 (2.7) где η1 и η2 — КПД соответственно цилиндрической и конической пар шестерен; n1 и n2 - чисто пар соответственно цилиндрических и конических шестерен, находящихся в зацеплении. При современном уровне технологии изготовления шестерен трансмиссий η1 = 0,985...0,99, а η2 = 0,975...0,98. Подставляя значение ηтр н и ηх.х в уравнение (2.7), получим Мн ηтр = η1𝑛1 ∙η𝑛2 (2.8) 2 (1 −ξМ ) д Механический КПД ступенчатых автомобильных и тракторных трансмиссий шестеренчатого типа при нагрузках, близких к номинальным , находится в пределах 0,88...0,93. Следовательно, до 7... 12% мощности двигателя расходуется на преодоление трения, взбалтывание масла и т.п. Нарушение правил технического обслуживания и ремонта может привести к увеличению указанных потерь, т.е. к снижению реального КПД трансмиссии. Указанные значения ηтр н относятся к МЭС с одним ведущим мостом. Каждый дополнительный ведущий мост снижает ηтр примерно на 0,03...0,05. Коэффициент η δ определяют из выражения η δ =1-δ . Для этого необходимо знать коэффициент δ буксования ведущих колес в заданных условиях работы. Экспериментальноего можно установить по рассмотренным выше методам. Рассчитать коэффициент δ можно только ориентировочно по эмпирическим формулам. КПД, учитывающий потери на качение трактора η f, η f = Ркр/( Ркр + Рf) (2.65) Для нахождения η f опытным методом замеряют одновременно силы тяги на крюке Ркр и касательную Рк . Рк определяют по ведущему моменту, который замеряют ротационными динамографами, установленными на ведущих полуосях (его делят на радиус колеса). Ркр записывает тяговый динамограф, размещенный между трактором и загрузочным устройством, создающим тяговое сопротивление. При расчетном методе определения сопротивления качению используют уравнение Рf =∙G, f −коэффициент сопротивления качению выбирают по справочным данным в соответствии с типом трактора и заданными почвенными условиями. Расчеты и опыты по определению тягового КПД трактора и его составляющих проводят при установившейся работе трактора на горизонтальном участке, когда тяговое сопротивление приложено к прицепному крюку и направлено параллельно поверхности пути, а вал отбора мощности не использован. Способы снижения потерь в трансмиссии, на буксование и качение, а значит повышения тягового КПД в целом, рассмотрены в вопросах разделах 2.2.3—2.2.5. Один из этих способов основан на увеличении тяговой загрузки трактора до номинального уровня, при которой суммарные потери трактора на качение и буксование минимальны. Тяговая характеристика трактора-изменение отдельных составляющих мощностного баланса в зависимости от тягового усилия на крюке Ркр. Её анализ позволяет определить оптимальный диапазон режима работы трактора в эксплуатации с наибольшей производительностью и наименьшими энергетическими потерями, а так же технический уровень самого трактора и сравнить с другими машинами. Различают потенциальную тяговую характеристику и характеристику трактора со ступенчатой трансмиссией. Эти характеристики можно получить теоретически и экспериментально. Потенциальную тяговую характеристику (рис. 2.14) получают из формулы мощностного баланса (2.59). Рис. 2.14. Баланс мощностей и потенциальная тяговая характеристика трактора Границы мощностного баланса сверху определяются эффективной номинальной мощностью двигателя Neн, снизу — графиком тяговой мощности NKp, развиваемой на прицепном устройстве трактора, слева — NKp= 0, справа — максимальным буксованием движителей. При расчете и графическом построении энергетического баланса трактора принято, что каждому значению тяговой силы на крюке соответствует такое передаточное число трансмиссии, при котором поддерживается номинальная мощность двигателя. Поэтому верхняя граница графика параллельна оси абсцисс. Нижняя граница, определяемая зависимостью NKp = f(Ркр), отражает характер изменения тяговой мощности от тяговой силы. Характеристика трансмиссии, у которой передаточное число изменяется бссступснчато соответственно изменению внешней нагрузки на двигатель, поддерживая ее постоянной, позволяет полностью (идеально) использовать мощностные возможности двигателя в тяговом процессе. Зависимость NKp = f(PKp), изображенную на рис. 2.14, называют потенциальной тяговой характеристикой трактора. Трансмиссия выпускаемых промышленностью тракторов ступенчатая, поэтому их тяговая характеристика отличается по виду от изображенной на рис. 2.14. Показатели трактора со ступенчатой трансмиссией ниже показателей такого же по параметрам трактора с идеальной бесступенчатой трансмиссией. Тяговые показатели трактора с бесступенчатой автоматически регулируемой трансмиссией потенциально возможны, но недосягаемы для трактора со ступенчатой трансмиссией. Этим объясняется название тяговой характеристики как потенциальной. Мощность, теряемая в трансмиссии, Nтр = Ne (1- η тр ) (2.66) КПД η тр принимают постоянным. Мощность, затрачиваемая на буксование, Nδ = NK ∙δ= Ne η тр δ, (2.67) где NK — мощность на ведущих колесах, δ — коэффициент буксования. Кривую δ= f(Ркр) строят по результатам экспериментальных исследований. Тяговая мощность NKp = Ркр ∙ v (2.68) Мощность, затрачиваемая на качение, Nf = Pf ∙v = Gf ∙v . (2.69) Так как действительная скорость движения v= vт(1 -δ) , а vтможно получить из выражения для мощности NK = Ne ∙ η тр = PKvt , то (2.70) На схеме потенциальной тяговой характеристики (см. рис. 2.14) нанесены кривые изменения v, и Nf. Кривая мощности NKp отражает ее изменение в зависимости от РКр. Она имеет максимум, от которого снижается как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения тягового усилия РКр. При малых значениях Ркр буксование движителей δневелико, но на самопередвижение расходуется очень высокая мощность Nf из-за большой скорости v. При повышении Ркр и снижении скорости затраты, мощности на качение уменьшаются, а мощность на буксование Nδ значительно увеличивается, превышая составляющую Nf. Максимальная тяговая мощность соответствует такому значению Ркр, при котором сумма Nf+ Nδ достигает минимального значения. Это значение Ркр (или близкое к нему) принято считать номинальным тяговым усилием. Оно положено в основу классификации тракторов по тяговым классам. В соответствии со стандартом буксование движителей при Ркрн должно быть не более: 16% для тракторов колесной формулы 4К2; 14% для тракторов 4К4; 3% для гусеничных тракторов. Тяговая характеристика трактора со ступенчатой трансмиссией — это семейство кривых изменения v, 𝛅, NKp, Gт, и gKp=f(PKp) на разных передачах. Здесь Gти gKp — часовой и удельный расход топлива. Удельный расход топлива является основным показателем, используемым для оценки топливной экономичности трактора. Указанные тягово-скоростные и топливно-экономические показатели находятся зависят от аналогичных показателей тракторного двигателя, что видно из следующих формул: (2.71) Ркр, получено из тягового баланса. Коэффициенты Av и An постоянные, зависят от размерности входящих в формулы (2.71) показателей. ge — удельный расход топлива двигателем, г/(кВт ч) ge =103∙Gт/ Ne. Основной энергетической характеристикой тракторного двигателя является регуляторная характеристика, построенная в зависимости от Мд , т.е. это nд, Ne, Gт и ge= f(Мд). По существу тяговая характеристика — это построенная в других координатах регуляторная характеристика двигателя, снятая через трансмиссию с учетом потерь в трансмиссии и на взаимодействие движителей с почвой. При снятии этой характеристики, как и регуляторной, последовательно повышают нагрузку от холостого хода (Мд=0, PKp =0) до максимального значения, выше которого двигатель и трактор работают неустойчиво и нагрузка не повышается. Максимальное значение Ркр может быть, кроме того, ограничено недостаточным сцеплением движителей с почвой. Pиc. 2.15. Регуляторная характеристика двигателя (а), тяговая характеристика трактора для одной передачи (б). холостой ход О, номинальный режим Н, т.е. режим максимальной тяговой мощности NKp max , и режим максимальной тяговой нагрузки М. Pиc. 2.15. Тяговая характеристика трактора для четырех передач (в) Тяговая характеристика, построенная для четырех передач (рис. 2.15, в), представляется семейством кривых, подобных рис. 2.15,б с разницей в значениях Ркр и v: чем ниже номер передачи, тем больше Ркр, но меньше v. Зависимость δ = f(PKp) отображают одной кривой, так как буксование на одном и том же почвенном фоне зависит в основном только от Ркр. Для постоения теоретической тяговой характеристики пользуются зависимостями (2.71). Начало координат характеристики Gт = f/(Ркр) берут в точке О', расположенной левее точки О на растоянии, равном в масштабе Ркр силе сопротивления качению Рf . Точка О‘ соответствует работе двигателя на холостом ходу (трактор не движется), а точка О соответствует работе трактора на холостом ходу, т.е. Ркр= 0. На экспериментальной тяговой характеристике сила сопротивления качению Pf (рис. 2.15, в) не указывается, т.е. отрезок О'О но оси абсцисс равен нулю. Тяговые характеристики считают основным техническим документом трактора и широко используют для различных исследовательских и эксплуатационных расчетов, в частности: для выбора наиболее рациональных марок тракторов для конкретных условий эксплуатации с известным набором сельхозмашин; для выбора наиболее рациональных рабочих передач, если известно тяговое сопротивление этих машин; для расчета теоретической производительности и погектарного расхода топлива. Для определения наиболее рациональной рабочей передачи при агрегатировании с какой-либо сельскохозяйственной машиной необходимо на оси абсцисс отложить соответствующее этой машине тяговое сопротивление Ркр.х и из этой точки провести линию, параллельную оси координат. Рациональную передачу определяют по пересечению данной линии с кривыми тяговой мощности NKp. За рациональную передачу принимают ту, у которой данное пересечение находится вблизи Ркр maх. Для случая Ркр. х наиболее рациональной является вторая передача (точка c1). Для обеспечения наиболее эффективной работы тракторов (максимальная производительность, и топливная экономичность) необходимо обеспечить тяговую загрузку трактора до уровня, близкого к номинальному на каждой передаче. Рис. 2.16. Кривые тяговых мощностей для тракторов со ступенчатыми трансмиссиями На рисунке 2.16 представлены только кривые NKp = f(Pкр) для четырех передач и двух почвенных фонов: сцепление движителей с почвой достаточное (а) и недостаточное (б). Огибающая (штриховая) линия, соединяющая точки максимальной тяговой мощности по передачам, — это потенциальная тяговая характеристика трактора. При работе трактора на какой-либо передаче его тяговая мощность растет по мере увеличения нагрузки на крюке, начиная от нуля при холостом ходе до максимального значения NKp мах, когда двигатель развивает номинальную мощность Nн. При дальнейшем увеличении силы тяги на крюке начинается перегрузка двигателя, мощность его падает, в результате чего снижается также тяговая мощность. При повышенном буксовании ведущих колесных или гусеничных движителей тяговая мощность может начинать снижаться еще до реализации номинальной мощности двигателя. Увеличение силы тяги на крюке приводит к столь значительному падению скорости движения, что тяговая мощность уменьшается, несмотря на продолжающийся рост загрузки двигателя. В этих условиях значение максимальной тяговой мощности Nкр макс располагается ниже потенциальной тяговой характеристики. На рисунке 2.16, б только на двух кривых , полученных на третьей и четвертой передачах, точки максимальных тяговых мощностей лежат на потенциальной характеристике. На остальных двух кривых, соответствующих первой и второй передачам, точки максимальных тяговых мощностей располагаются под потенциальной характеристикой, так как на этих передачах тяговая мощность начала снижаться еще до того, как была достигнута полная загрузка двигателя. На первой передаче полностью загрузить двигатель оказалось невозможным. Примерно такое расположение точек характерно для работы колесных тракторов на мягких почвах. Экспериментальную тяговую характеристику строят по результатам тяговых испытаний, методика которых регламентируется стандартами: ГОСТ 7057—2001 «Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний» и ГОСТ 30745—2001 «Тракторы сельскохозяйственные. Методы определения тяговых показателей». Основные фоны, на которых проводятся тяговые испытания: —для колесных тракторов — трек с бетонным покрытием, стерня колосовых культур, поле, подготовленное под посев; —для гусеничных тракторов — глинистая укатанная дорога (трек), стерня колосовых культур, поле, подготовленное к посеву. Предельное буксование движителей принято равным 30 и 15% соответственно для колесных и гусеничных тракторов на двух последних фонах 15 и 7% соответственно для колесных и гусеничных тракторов на треке. Тяговая нагрузка при испытаниях на каждой передаче изменяется от нуля до максимального значения. Число ступеней этой нагрузки должно быть достаточным для определения максимальной тяговой мощности. Максимальное тяговое усилие ограничивается началом неустойчивой работы двигателя при его перегрузке или предельным буксованием движителя. Повторность каждой ступени нагрузки 3…5 раз.