Обозначения

Параметры

Размерность

1

2

3

m_O

теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

кг/кг топлива

М_О

теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

кмоль/кг топлива

М₁

количество подаваемого свежего заряда на 1 кг топлива

кмоль/кг топлива

М₂

Количество продуктов сгорания на 1кг топлива

кмоль/кг топлива

С

массовая доля углерода в топливе

-

Н

массовая доля водорода в топливе

-

О

массовая доля кислорода в топливе

-

n_Н

номинальная частота вращения

об/с

р_O

расчетное атмосферное давление

МПа

Т_с

расчетная температура окружающего воздуха

К

р_К

давление после компрессора (на впуске)

МПа

T_K

температура после компрессора (на впуске)

К

n_K

показатель политропы сжатия в компрессоре

-

р_а

потеря давления на впуске

МПа

T_K`

температура на впуске (с учетом подогрева)

К

T

подогрев свежего заряда на впуске

К

р_а

давление в цилиндре в конце впуска

МПа

Т_А

температура в конце процесса впуска

К

степень сжатия

-

р_r

давление в конце процесса впуска

МПа

T_r

температура в конце процесса впуска

К

_V

коэффициент наполнения цилиндров

-

_r

коэффициент остаточных газов

-

n₁

показатель политропа сжатия

-

p_c

давление в конце процесса сжатия

МПа

Т_с

температура в конце процесса сжатия

К

коэффициент избытка воздуха

-

m_т

молекулярная масса паров топлива

кг/кмоль

₀

химический коэффициент молеку- лярного изменения горючей смеси

-

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

H_и

низшая теплота сгорания топлива

кДж/кг

Н_рс

теплота сгорания рабочей смеси

кДж/кмоль

_z

коэффициент использования теплоты в процессе сгорания

-

С_vc

средняя мольная изохорная теплоемкость рабочей смеси

кДж/кмоль

С_vz

средняя мольная изохорная теплоемкость продуктов сгорания

кДж/кмоль

л_p

степень повышения давления

-

р_z

максимальное расчетное давление в цикле

МПа

Т_z

температура в конце процесса сгорания

К

А

коэффициент в уравнении для расчета Т_z

кДж/кмоль

B

коэффициент в уравнении для расчета Т_z

кДж/кмоль

F

коэффициент в уравнении для расчета Т_z

кДж/кмоль

степень предварительного расширения

-

n₂

показатель политропы расширения

-

степень последующего расширения

-

p_B

давление в конце процесса расширения

МПа

T_B

температура в конце процесса расширения

К

p_i

теоретическое среднее индикаторное давление

МПа

p_i

среднее индикаторное давление

МПа

p_к

плотность заряда на впуске

кг/м

R

газовая постоянная для воздуха

Дж/кгК

_i

индикаторный КПД

-

коэффициент полноты индикаторной диаграммы

-

g_i

удельный индикаторный расход топлива

г/кВтч

Типы двигателя

а, МПа

b, МПа

Дизели с нераздельной камерой сгорания

0,089

0,012

Наименование

Обозначение

Значение

Эффективная номинальная мощность, кВт

N_ен

16,7

Частота вращеня номинальная, с^-1

n_ен

29

Средняя скорость поршня, м/с

W_{п ср}

6,4

Среднее условное давление механических потерь, Мпа

p_мп

0,177

Среднее эффективное давление, Мпа

Р_е

0,684

Рабочий объем одного цилиндра, л

V_h

0,86

Диаметр цилиндра, мм

D

110

Механический КПД двигателя,

0,79

Эффективный КПД ,

_e

0,34

Эффективный крутящий момент, нм

91,7

Литровая мощность, кВт/л

N_уд.л

9,7

V_x=V/V_a

1

0,667

0,5

0,333

0,2

0,125

0,1

1/

1/

1/V_x

1

1,5

2

3

5

8

10

сжат.

р_x=р_a(1/Vx)ⁿ₁

0,090

0,150

0,230

0,400

0,810

1,550

2,100

2,310

4,190

расш.

р_x=р_b(1/V_x)ⁿ₂

0,326

0,540

0,790

1,320

2,540

4,640

6,170

6,710

6,710

,

град

впус

0

-

20

40

60

80

100

120

140

160

180

сжат

360

-

340

320

300

280

260

240

220

200

-

расш

370

380

400

420

440

460

480

500

520

540

вып

720

-

700

680

660

640

620

600

580

560

-

Sx/S

0

0,012

0,038

0,145

0,300

0,480

0,650

0,800

0,910

0,977

1

p_x,MПа

впук.

0,115

-

0,100

0,097

0,090

0,090

0,090

0,090

0,090

0,090

0,090

сжат.

4,205

-

2,270

0,760

0,650

0,230

0,130

0,110

0,100

0,950

-

расш.

-

6 ,728

Рекомендуется расчет вести через 20⁰, включив также угол 370⁰ (угол при котором p_x = p_max )

Возможно преобразования диаграммы производить графическим методом Брикса, описание которого приведено в литературе.

Как и в первом способе заполняем таблицу 5.

Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс (Кн):

P_j = -m _j R² (cos + cоs2)10 ^-3, (66)

где m_j - приведенная масса возвратно-поступательно движущихся частей КШМ, кг;

R - радиус кривошипа, м;

- угловая скорость колен вала, рад/с;

- угол поворота колен вала, град.

Началом цикла работы двигателя считается ВМТ поршня в начале процесса впуска (= 0). Приведенная масса возвратно-поступательно движущихся частей состоит из массы комплекта поршня и части массы шатуна:

m_j = m_п + (0,2...0,3)m_ш , (67)

где m _п. - масса комплекта поршня, кг;

m _ш - масса условно возвратно-поступательно движущейся части шатуна, кг.

Масса m _j считается сосредоточенной в центре поршневого пальца. В работе m_п и m _ш определяются:

, (68)

, (69)

где m`<sub>п</sub> и m`_ш - удельные массы, соответственно поршня и шатуна прототипа расчетного двигателя (приложение 6), кг/м² .

Угловая скорость коленвала (рад/с):

= 2 n _{е н} (70)

В работе текущие значения сил Р_j, Р_r и Р в зависимости от угла поворота заносим в таблицу 6, причем Р определяем алгебраическим сложением Р_r и Р_j . Зависимость P = f() можно определить как графическим методом так и аналитическим. В курсовой работе рекомендуется использовать аналитический метод, который при примерно равной с графическим методом трудоемкости обеспечивает большую точность.

Таблица 6. Результаты динамического расчета КШМ

Суммарная сила Р, действующая по оси цилиндра и приложенная к оси поршневого пальца, раскладывается на две составляющие по закону параллелограмма:

- нормальную N = P tg , (88)

и силу S, действующую по оси шатуна

, (89)

Угол наклона оси шатуна к вертикали считается со знаком "+", если шатун отклоняется в сторону движения кривошипа, и со знаком "-" при отклонении в противоположную сторону.

= arcsin (sin ) (90)

От действия силы S через шатун на шатунную шейку коленвала возникают силы:

-радиальная (91)

-тангенциальная (92)

На шатунную шейку также действует центробежная сила К:

K^||= (0,7...0,8) m_ш R ² (93)

Силы К ^| и К ^|| направлены по одной прямой, в связи с чем их равнодействующая:

К = К ^| + К ^|| (94)

Радиальная сила считается положительной, если действует к оси вращения коленвала и отрицательной, если - от оси вращения (К " - всегда отрицательна). Тангенциальная сила положительна, когда действует по направлению вращения коленвала и отрицательна, если - против направления вращения.

Для сокращения объема расчетов значения входящих в уравнения тригонометрических функций [(cos + cos2 ), sin( + )/cos , cos(+ )/cos и другие ] берем из заранее составленных таблиц (приложение 7...11). Значения сил обычно берутся через 20^о поворота кривошипа. Все данные расчетов сводим в таблицу 6. Следует в таблице рассчитать независимо от шага угла, значения сил, соответствующих точке наибольшего давления по индикаторной диаграмме точке Z и точке в 370. В этой же таблице следует привести значения крутящего момента одного цилиндра.

Необходимо в курсовой работе также привести графики сил, действующих в КШМ: Р_г , Р_j , Р_У , S, N, K` , T (рис. 3).

В курсовой работе предполагается выполнение данного расчета с применением ПЭВМ, в частности, с использованием пакетов программ EXSEL, Super Callk.5 , Quadropro и т.п.

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАХОВИКА

В реальном двигателе даже при установившемся режиме угловая скорость колеблется в течение цикла. Причиной тому является изменение крутящего момента двигателя Мкр от которого зависит равномерность хода двигателя. Коэффициент неравномерности хода :

, (95) где _max и _min - соответственно максимальная и минимальная угловая скорость коленвала за цикл, рад/с;

_ср - средняя угловая скорость, _ср = (_max + _min )/2 :

Минимальное и максимальное значения угловой скорости соответствуют точкам пересечения кривой суммарного крутящего момента всех цилиндров двигателя, с линией среднего момента (точки а и b, при наибольшей площади F_изб - рис. 4).

График суммарного крутящего момента получают следующим образом.

Крутящий момент (нм) одного цилиндра равен :

М_кр = T R , (96)

где Т - текущее значение тангенциальной силы (из динамического расчета), н;

R - радиус кривошипа , м.

Следовательно, график тангенциальной силы в масштабе _м = _тR10³ представляет собой и график крутящего момента одного цилиндра.

У многоцилиндрового рядного двигателя следует сложить диаграммы крутящих моментов всех цилиндров с учетом сдвига фаз, определяемых порядком работы. Так у двухцилиндрового 4-х тактного двигателя с порядком работы 1-2-0-0 (с кривошипом под углом в 180 ⁰ ) сдвиг фаз крутящего момента второго цилиндра относительно первого составит 180 . У четырехцилиндровых четырехтактных двигателей отдельные диаграммы должны быть последовательно(по порядку работы) сдвинуты по фазе одна относительно другой на 180 , шестицилиндровых - на 120 , у восьмицилиндровых - на 90 , у двенадцатицилиндровых - на 60 .

В курсовой работе сложение диаграмм производим табличным методом.

Таблица 7. Результаты расчета суммарного крутящего момента (для рядного двигателя)

В таблицу 7 по результатам динамического расчета, вносим и значения М_кр, соответствующих точке наибольшего давления для каждого цилиндра. В результате должна получиться диаграмма, в которой М_КР будет изменяться периодически с периодом равным:

, (97)

где i - число цилиндров. (Верно для i >= 4).

Определяем величину среднего крутящего момента. Для этого графически строим зависимость М_кр = f() лишь для одного периода Q с достаточно крупным масштабом _м .

Для V-образных двигателей получение диаграммы суммарного крутящего момента производим в следующем порядке. Вначале суммируем с учетом сдвига фаз по порядку работы двигателя моменты первого ряда. Сдвиг фаз выполняется на угол:

, (98)

где i _р - количество цилиндров одного ряда.

Например, для 6-цилиндрового V-образного двигателя с порядком работы 1-4-2-5-3-6 складывают моменты 1, 2 и 3 цилиндров, где момент 2-го цилиндра сдвинут относительно 1-го на 240 , а момент 3-го на 480 относительно 1-го. Получаем диаграмму суммарного момента 1-го ряда. Диаграмма второго ряда будет отличаться лишь сдвигом по фазе на определенный угол (угол развала цилиндров, например 90). Поэтому, чтобы получить диаграмму суммарного момента двигателя, необходимо диаграмму момента 1-го ряда суммировать с такой же диаграммой, но сдвинутой на угол развала. Сложение также рекомендуется проводить табличным методом. Для построения кривой суммарного момента результаты расчета рекомендуется представить в таблице следующей формы (таблица 8).

Таблица 8. Результаты расчета суммарного крутящего момента (для V-образного двигателя)

Величину среднего крутящего момента подсчитываем по формуле:

(мм), (99)

где F⁺ - суммарная площадь над осью абсцисс диаграммы, мм ²;

F ^- - суммарная площадь под осью абсцисс диаграммы, мм ²;

l - длина диаграммы, соответствующая , мм (рис. 5).

Допускается величину М_ср. находить при одинаковых интервалах по непосредственно по таблице 7 или 8 проссумировав М_кр в последней графе и разделив на число интервалов:

, (99а)

здесь n- число слогаемых

m=n-1 -количество интервалов

В том случае, если для какого то интервала приведена промежуточная точка в середине интервала, то для расчета М_ср можно воспользоваться приведенной выше формулой, в числителе который под знаком суммы М_кр для промежуточной точки взять с коэффициентом 0,5, а значение М_кр по границам этого интервала с коэффициентом 0,75. При этом количество интервалов подставлять без учета промежуточных точек.

Откладываем на графике М_кр = f() прямую, для которой М_кр = М_ср . Полученная величина представляет собой индикаторный крутящий момент, тогда эффективный крутящий момент:

М_е = М_ср з_м, (100)

где з_м - механический КПД

Полученный результат можно сравнить с полученным ранее М_е и оценить ошибку. Определяем площадь F_изб - наибольшая за период , превышающая М_ср по графику. Соответствующая ей избыточная работа (Н м):

L_изб = F_{изб м} , (101)

где F_изб - избыточная площадь, мм² ;

_м - масштаб крутящего момента, Нм/мм;

- масштаб угла поворота коленвала, рад/мм.

Избыточная работа представляет собой работу крутящего момента за время от = _min до = _max . Определяем момент инерции всех движущихся масс, приведенных к оси коленвала (кг м ² или Нм с ² )

, (102)

где - коэффициент неравномерности хода.

Допускаемые значения коэффициента неравномерности хода составляют, для тракторных двигателей = 0,003...0,01; для автомобильных

= 0,01...0,02. Чем больше цилиндров, тем меньше . Угловая скорость _ср = 2 n_е . Задаваясь коэффициентом неравномерности хода и учитывая, что момент инерции маховика Jм = (0,8-0,9)Jo , определяют Jм . Как правило маховик выполнен в виде диска или диска с массивным ободом и средний диаметр проходит через центр тяжести половины поперечного сечения обода маховика.

, (103)

где m _м - масса маховика, кг;

D_ср - средний диаметр, м.

Если маховик выполнен в виде диска, то ( D_м-наружный диаметр маховика Задаваясь значением D_ср = (2...3)S находим массу маховика. Здесь S - ход поршня. Рассчитанный маховик необходимо проверить на условия прочности по окружной скорости (м/с) на внешнем ободе маховика:

V_м =D_м n , (104)

где n - максимальная частота вращения коленвала, с ^-1 .

Допустимые значения окружной скорости маховиков:

для чугунных - V_м <= 70 м/с ;

для стальных - V_м <= 100 м/с;

для стальных штампованных - V_м <= 110 м/с.

4. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ РЕГУЛЯТОРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ И ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАКТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЭВМ

4.1 ПОДГОТОВКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ РАСЧЕТА НА ПЭВМ

По результатам тягового расчета трактора и теплового расчета двигателя готовятся исходные данные для расчета на ПЭВМ регуляторной характеристики двигателя и тяговой характеристики трактора и сводятся в таблицу 9.

Таблица 9. Исходные данные для расчета на ПЭВМ.

4.2 РАСЧЕТ РЕГУЛЯТОРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ

Основой для расчета и построения тяговой характеристики трактора является регуляторная характеристика двигателя.

Регуляторная характеристика двигателя имеет две ветви:

регуляторную - при n_е >= n_ен и скоростную или корректорную - при n_е < n_ен.

На корректорной ветви характеристики значения эффективной мощности N_е и удельного эффективного расхода топлива g_е рассчитывают в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя n_е по формуле:

N_е = N_ен (аx + bx² - cx³) (105)

g_е = g_ен (a₁ - b₁x + c₁x²) , (106)

где a, b, c, a_1, b₁, c₁ - опытные коэффициенты, усредненные значения которых в зависимости от типа двигателя можно принять по табл.10.

x =n_е/n_ен - относительная частота вращения коленчатого вала двигателя.

Таблица 10. Значение опытных коэффициентов.

Остальные параметры двигателя определяются из следующих соотношений:

- крутящий момент двигателя

; (107)

- часовой расход топлива

G_е = 10³ g_е N_е (108)

На регуляторной ветви принимается, что момент M_е и часовой расход изменяются линейно от номинальных значений до M_е = 0 и G_т = G_тхх при n_е = n_хх. Крутящий момент на валу двигателя определится:

, (109)

где ?_р = 1.07...1.08 - коэффициент оборотов холостого хода.

Эффективная мощность

N_е = 2M_еn_е10^-3 . (110)

часовой расход топлива

, (111)

где ?_т - коэффициент, учитывающий долю расхода топлива на холостом ходу от номинального режима ??_т = 0.25...0.3.

удельный расход топлива

; (112)

4.3.РАСЧЕТ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАКТОРА

При расчете тяговой характеристики трактора определяются для заданных значений ? и f, величины теоретической и действительной скорости (Vт , Vд ), касательной силы тяги и крюкового усилия (Pк и Pкр ), крюковой или тяговой мощности Nкр, удельного крюкового расхода топлива gкр в функции оборотов дизеля на каждой передаче и значения тягового КПД при номинальной нагрузке дизеля.

Расчетные формулы имеют вид:

, м/с (113)

v_д = v_т (1 -),м/с , (114)

где - буксование.

При расчете буксования использовались формулы, полученные путем аппроксимации усредненных опытных кривых буксования для различных агрофонов.

Для колесных тракторов:

; при (115) = при (116)

Для гусеничных тракторов:

= 0.938y-3.203y² +2.896y³ при y > 0.5;

= 0.06y при ,

где

Касательная сила тяги ,кН (117)

Сила сопротивления качению трактора

P_f = f_gмэ, кН (118)

Крюковое усилие

P_кр = P_к - P_f, кН (119)

Крюковая мощность

N_кр = P_кр v_д, кВт (120)

Удельный крюковой расход топлива

; г/кВт ч (121)

Тяговый КПД

; (122)

Программа расчета на ПЭВМ приведена в приложении 17.

4.4 ПОСТРОЕНИЕ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАКТОРА

Определив основные технико-экономические параметры двигателя и трактора в целом приступают к построению теоретической тяговой характеристики, которая позволяет получить наглядное представление о тяговых и топливо экономических показателях трактора на различных режимах его работы. Теоретическая тяговая характеристика состоит из двух частей - нижней и верхней. Нижняя часть графика имеет вспомогательное значение и служит для нанесения основных исходных параметров тракторного двигателя. В верхней части графика наносится ряд кривых, показывающих, как в заданных почвенных условиях, при установившемся движении на горизонтальном участке, в зависимости от нагрузки на крюке трактора изменяются его основные эксплуатационные показатели: буксование ведущих органов, скорость движения, тяговая мощность, удельный расход топлива и тяговый КПД трактора.

Графическое построение теоретической тяговой характеристики трактора производится в такой последовательности.

Лист чертежной или миллиметровой бумаги размером 594х420 делится на две части: верхнюю и нижнюю (рис.6). Затем посередине листа проводится ось абсцисс и от начала координат О в принятом масштабе откладывается для каждой передачи максимальная касательная сила тяги, подсчитанная по формуле:

(123)

и номинальная (124)

где M_{е max} - максимальный крутящий момент двигателя, кНм;

M_{е н} - крутящий момент двигателя при номинальной частоте вращения коленчатого вала;

i_трi - передаточное число трансмиссии на i-ой передаче;

?_тр - КПД трансмиссии;

А_i - коэффициент пропорциональности для i-ой передачи.

С учетом того , что касательная сила тяги трактора прямо пропорциональна крутящему моменту двигателя, по оси абсцисс от точки О для каждой заданной передачи в принятом масштабе наносятся крутящие моменты двигателя M_{е max} и M_{е н} соответственно касательным силам тяги P_{к max} и P_{к н} . Вправо по оси абсцисс от точки О до точки О откладывается величина силы сопротивления качению P_f. Полученная точка О будет являться началом координат непосредственно тяговой характеристики трактора. По оси абсцисс в масштабе касательной силы от точки О отсчитывается сила тяги на крюке трактора, определяемая по формуле

P_кр = P_к - P_f , а по оси ординат вверх для каждой передачи откладываются в своих масштабах тяговые показатели трактора в функции от усилия на крюке (буксование движителей, скорость движения, тяговая мощность на крюке, удельный расход топлива и тяговый КПД ).

Затем по оси ординат вниз наносятся масштабные шкалы эффективной мощности, часового расхода топлива и частоты вращения коленчатого вала двигателя с таким расчетом, чтобы графики в регуляторной зоне не пересекались. Далее с учетом того, что для каждой передачи будет свой масштаб , по оси крутящего момента строится регуляторная характеристика двигателя в функции М_е. При этом образуются пучки кривых N_e с общим центром в точке О`, кривые G_т с общим центром в точке G_тх и пучок кривых n_е с общим центром в точке n_ех - соответствующие холостому ходу двигателя. Точки перегиба (вершины) кривых всех показателей регуляторной характеристики двигателя должны находиться на горизонтальной прямой и по вертикали соответствовать номинальным моментам двигателя. Нанесенные кривые на график регуляторной характеристики для каждой передачи должны заканчиваться при максимальных значениях крутящего момента.

При передаче части эффективной мощности двигателя через ВОМ пучки кривых N_е имеют общий центр в точке N_евом , пучки кривых G_т имеют общий центр в точке G_тх и пучки кривых n_е - в точке n_е. Здесь N_евом, n_е и G_тх - мощность, частота вращения и часовой расход топлива соответствующие на регуляторной характеристике значению крутящего момента двигателя, передающего через ВОМ

,

Их значение удобнее всего определить по регуляторной характеристике как функции крутящего момента :

.

При построении регуляторных характеристик по результатам расчета на ПЭВМ, учитывая линейную связь крутящего момента двигателя, Р_к и Р_кр , удобнее откладывать значения параметров двигателя ( N_e, G_т, n_e ) как функцию Р_кр на соответствующей передаче, а на полученных графиках провести оси М_е ( по числу передач ) отметив на них лишь значения М_{е max} и М_{е н}.

4.5 АНАЛИЗ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАКТОРА И ТЯГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАКТОРА

В этом разделе, который, является заключительным по первой части курсовой работы, следует привести основные расчетные параметры трактора: эксплуатационную массу, мощность двигателя, часовой и удельный эффективный расход топлива на номинальном режиме, диапазон тяговых усилий и скоростей на различных передачах и сравнить их с параметрами трактора - прототипа.

Отметить на сколько соответствуют заданию полученные показания. Привести в виде таблиц и, рекомендуемая форма которой приведена ниже, основные показатели тяговой характеристики трактора для заданных агрофонов.

Таблица 11. Основные показатели тяговой характеристики трактора агрофон

.

При анализе тяговой характеристики необходимо:

назвать передачи, на которых достигается максимальная крюковая мощность и тяговый КПД;

для каждой передачи указать диапазон тягового усилия, в которых реализуется наибольшая тяговая мощность;

отметить, как отразилась изменение агрофона на основных показателях тяговой характеристики трактора и назвать причины влияния вл агрофона на показатели тяговой характеристики.