Національний транспортний університет

харак Руслан Миколайович

УДК 621.436

Дослідження універсального регулятора швидкості дизелів колісних тракторів

Спеціальність 05.05.03 – теплові двигуни

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Полтавській державній аграрній академії Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Головчук Андрій Федорович, Дніпропетровський державний аграрний університет, завідувач кафедри “Сільськогосподарські машини”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Драганов Борис Харлампійович,

Національний аграрний університет,
професор кафедри “Теплоенергетика”

кандидат технічних наук, доцент

Жерновий Анатолій Сергійович,

Державне підприємство “Державний

автотранспортний науково-дослідний і

проектний інститут ”, завідуючий сектором

стендових та дорожніх випробувань

лабораторії дослідження використання палив

та екології

Провідна установа: Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра “Двигуни внутрішнього згоряння”, м. Харків.

Захист відбудеться “28” жовтня 2005 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, ауд. 333.

Із дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий “26” вересня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.П. Матейчик

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Важливою проблемою сьогодення є економія паливно-енергетичних ресурсів, зокрема, економія палива. Мобільні енергетичні засоби механізації сільськогосподарського виробництва, значну частину яких складають колісні трактори, – одні з основних споживачів нафто-продуктів. Тому підвищення паливної економічності колісних тракторів є суттєвим резервом економії рідкого палива в аграрному секторі економіки України.

Одним із шляхів зниження експлуатаційної витрати палива тракторним дизелем є якомога краща пристосованість системи автоматичного регулювання частоти обертання дизеля до умов роботи трактора залежно від виду сільськогосподарських робіт.

Використання всережимних регуляторів швидкості на сільськогосподар-ських тракторах і комбайнах викликане необхідністю автоматичного підтримування заданої швидкості руху машинно-тракторного агрегату (МТА) як на номінальному, так і на часткових режимах, незалежно від перемінної величини завантаження агрегату. Застосування всережимних регуляторів на автотракторних і комбайнових дизелях призводить до надмірної подачі палива в циліндри двигуна на перехідних процесах і перевитрати палива.

Колісні трактори сільськогосподарського призначення близько 50 % робочого часу використовують на транспортних роботах в умовах неповного навантаження двигунів. Проведені численними авторами дослідження показують, що на мобільних транспортних машинах на цих роботах краще застосовувати однорежимні або дворежимні регулятори. Тому були запропоновані універсальні регулятори для колісних тракторів, які при виконанні польових робіт, де необхідно точно підтримувати агротехнічну швидкість МТА, забезпечували всережимне регулювання, а при транспортних роботах, де швидкість змінюється в широкому діапазоні, – одно- або дворе-жимне регулювання.

Незважаючи на великий обсяг дослідно-конструкторських напрацювань щодо створення універсальних регуляторів для тракторних дизелів, невирішеним залишається питання стосовно переключення режимів регулювання, яке відбувається вручну.

Тому нами на тракторний дизель колісного трактора ХТЗ запропоновано застосовувати універсальний дворежимно-всережимний регулятор, який дозволяє без зупинки дизеля і людського фактора змінювати програму регулювання із всережиної на дворежимну і навпаки.

Зв’язок роботи з науковими темами. Дисертацію виконано в Полтавській державній аграрній академії (ПДАА). Розробка нової конструкції універсального регулятора з автоматичним переключенням режимів регулювання та наукові дослідження виконувались згідно договору про науково-технічне співро-бітництво між ПДАА та відкритим акціонерним товариством “Чугуївська палив-на апаратура” від 2 січня 2002 року та планом науково-дослідної роботи ПДАА.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – підвищення експлуатаційної паливної економічності дизеля колісного трактора шляхом розробки нової конструкції універсального всережимно-дворежимного регулятора з автоматичним переключенням режимів регулювання та дослідження його конструктивно-технологічних параметрів.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:– 

провести аналіз технічного рівня існуючих універсальних регуляторів швидкості та розробити принципову і конструктивну схему універсального регулятора з автоматичним переключенням режимності роботи тракторного дизеля;– 

скласти розрахункову модель взаємодії електромагнітів з деталями універсального регулятора; – 

визначити конструктивні і силові параметри ланок механізму автоматичного переключення режимів регулювання універсального регулятора;– 

провести лабораторно-експериментальні дослідження універсального регулятора з автоматичним переключенням режимів регулювання;– 

провести дорожньо-польові дослідження універсального регулятора з автоматичним переключення режимів регулювання;– 

визначити техніко-економічну ефективність проведеного дослідження та впровадити результати досліджень у виробництво.

Об’єкт дослідження – процес автоматичного переключення режимів регулювання в універсальному регуляторі паливного насоса високого тиску (ПНВТ) НД-22/6Б4, який встановлювався на дизель СМД-62 трактора Т-150К.

Предмет дослідження – показники паливної економічності дизеля колісного трактора при виконанні ним транспортної роботи.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились на підставі основних положень теорії механізмів і машин, теорії автоматичного регулювання двигунів внутрішнього згоряння. Експериментальні дослідження проводились відповідно до прийнятої методики і галузевих стандартів у лабораторних та дорожньо-польових умовах. Обробка результатів досліджень здійснювалась на ПЕОМ за допомогою прикладних програм.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблена методика розрахунку взаємодії електромагнітів із деталями універсального регулятора та одержані нові аналітичні залежності для визначення раціональних параметрів системи автоматичного переключення видів регулювання. Розроблена методика експериментального визначення раціональних конструктивних і силових параметрів ланок механізму автоматичного переключення режимів регулювання універсального регулятора. Новизна отриманого технічного рішення підтверджена патентом України на винахід.

Практичне значення роботи. Вдосконалений технологічний процес регулювання частоти обертання колінчастого вала тракторного дизеля в залежності від умов його роботи в експлуатації шляхом розробки нової конструктивно-технологічної схеми універсального регулятора з автоматичним переключенням програм регулювання. Розроблена математична модель взаємодії електромагнітів з деталями універсального регулятора дозволяє на етапі проектування визначити раціональні параметри ланок системи автоматичного переключення з урахуванням частоти обертання кулачкового вала паливного насоса високого тиску.

На основі теоретичних розрахунків розроблено дослідний зразок універсального регулятора з автоматичною зміною програм регулювання. Виробничими дослідженнями встановлено, що при виконанні транспортних ро-біт використання універсального регулятора з автоматичним переключенням ре-жимів регулювання дає змогу зменшити експлуатаційну витрату палива до 6%.

Особистий внесок здобувача. В дослідженнях за темою дисертації здобувачем самостійно одержані такі результати: розроблено принципову конструктивно-технологічну схему універсального регулятора, обладнаного системою автоматичного переключення режимів регулювання; встановлені раціональні параметри ланок для переключення видів регулювання і на їх основі за аналітичною залежністю визначені їх конструктивні параметри; експериментально встановлена адекватність розробленої методики статичного розрахунку універсального регулятора; на основі проведених досліджень розроблено дослідний зразок універсального регулятора з автоматичним переключенням режимів регулювання з проведенням його виробничої перевірки в дорожніх умовах та визначено його економічну ефективність.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи були докладені, обговорені та схвалені: на першій та другій міжнародних науково-практичних конференціях “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків, 2001 та 2003); на шостому міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (м. Львів, 2003); на міжнародній науково-практичній конференції “АГРОМЕХ-2004” (м. Львів, 2004); на міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи розвитку аграрної механіки” (м. Дніпропетровськ, 2004); на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Полтавської державної аграрної академії (2002,...,2004).

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (97 найм.) і 9 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 171 сторінок. Основна частина викладена на 142 сторінках тексту і містить 66 рисунків і 14 таблиць.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи та результати досліджень опубліковані в 8 друкованих працях, у тому числі в 3 фахових виданнях (одна одноосібна). Отримано один патент України на винахід.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, приведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі розглянуто способи регулювання автотракторних двигунів, результати досліджень універсальних регуляторів на автомобільних та тракторних дизелях, а також проведено огляд та аналіз схем і конструкцій універсальних регуляторів швидкості мобільних енергетичних засобів.

Основні положення з визначення впливу типу регулятора і експериментальні дослідження на паливну економічність автотракторного дизеля в різних експлуатаційних умовах подані в працях таких вчених: В.І.Шестухіна, Є.І.Блаженнова, К.Є.Долганова, Ю.Ф.Гутаревича, А.Г.Говоруна, А.Ф.Головчука, А.С.Жернового, І.Є.Каньковського, В.І.Мельниченка, В.І.Захарчука та інших.

Із проведеного аналізу літературних джерел встановлено, що в подальшому необхідно проводити додаткові дослідження перспективних систем паливоподачі автотракторних дизелів. Зокрема, недостатньо досліджені конструкції універсальних регуляторів з автоматичною зміною програм регулювання.

У другому розділі представлено принципову схему та теоретично обгрунтовані раціональні параметри універсального регулятора з автоматичним переключенням режимності регулювання. Регулятор (рис.1) містить механічний чутливий елемент 1, зв'язаний через одне плече 2 двоплечого важеля 4 з органом 3 дозування палива, а через інше плече і важіль коректора 17 – з розташованими між верхнім 10 і нижнім 16 упорами головної 15 і коригувальної 7 пружини. У корпусі 18 регулятора встановлений внутрішній важіль керування 51, обладнаний поворотним упором 13 з кульковим фіксатором 11 для утримання упора в одному з двох крайніх положень. Нижній упор 16 обладнаний штоком 14. Верхній упор 10 за допомогою осі 12 зв'язаний з важелем 51. Внутрішній стакан 9 пружиною 15 за допомогою нижнього упора 16 притиснутий до торцевої поверхні зовнішнього стакана 6. Між стаканами 9 і 6 розташований стакан 8 коригувальної пружини 7, зв'язаний з важелем 4. Пружина 7 впирається в кільце 5.

Регулятор обладнаний електромагнітом 21, який складається з корпуса 19, переставного обмежувача 20 ходу двоплечого важеля, виконаний як одне ціле з якорем 23. При відсутності струму в обмотці електромагніту 21 якір утримується у верхньому положенні пружиною 23, і електромагніт виконує функцію нерухомого упора. Внутрішній важіль керування 51 взаємодіє зі штоком якоря 26 електромагніта 28. При відсутності струму в обмотці електромагніту 28 пружина 27 утримує якір 26 у нижньому положенні, і він не перешкоджає переміщенню важеля 51. Поворотний упор входить у вилку, виконану на штоку 29, прикріпленого з однієї сторони до якоря 33 електромагніта 30, який має дві незалежні обмотки збудження 31 і 32. З іншої сторони шток 29 взаємодіє з повзуном 40 перемикача 43 електромагнітів. Повзун розміщений у корпусі 42. Він обладнаний кульковим фіксатором 41, який утримує якір 33 електромагніта 30 у двох крайніх положеннях. До повзуна кріпиться контактна пластина 39. Пластина 39 взаємодіє з контактами 34...38, через які обмотки всіх електромагнітів з'єднуються із двома вимикачами 44 і 45, встановленими на штоку 46 в редукторі 48 коробки передач трактора напроти валика 50 з вилкою 47 для включення понижуючої чи підвищуючої передачі, зв'язаного з органом керування 49. Електричний ланцюг регулятора живиться від акумулятора 54.

При установці органа керування 49 у положення ПР (польові роботи) включена понижуюча передача в редукторі, а регулятор включений на всережимне регулювання. У цьому положенні механізм регулятора зображений на рис.1. Вимикач 44 розімкнутий, а контакти 34, 35 і 38 замкнуті. Одночасно вимикач 45 замкнутий, а контакти 36 і 37 розімкнуті. Струм в електромагніти не надходить, і вони не заважають вільному переміщенню всіх деталей регулятора. Поворотний упор 13 утримується фіксатором 11 так, що це дозволяє штоку 14 під дією пружини 15 зміщуватися в крайнє верхнє положення. За допомогою зовнішнього важеля 52 і зв'язаного з ним внутрішнього важеля керування 51 створюється попередній натяг пружини 7 і 15 відповідно до заданого швидкісного режиму.

Для використання трактора на транспортних роботах важіль 49 встановлюють у положення ТР (транспортні роботи) – при цьому включається підвищуюча передача в редукторі. Вимикач 45 розімкнеться, а вимикач 44 замкнеться. Електричний струм через замкнуті контакти 34 і 35, діод DV1 надходить в електромагніти 21 і 28 і в праву котушку збудження 32 електромагніту 30. Діод DV2 перешкоджає надходженню струму в ліву котушку 31. Якір 22 електромагніту 21 опускається на хід Х1, повертаючи важелі 17 і 4 в положення, що відповідає подачі палива, необхідній для роботи двигуна на холостому ході при мінімальній частоті обертання. Шток 14 при цьому займає нижнє положення. Якір 26 електромагніту 28 притискає важіль 51 до гвинта 53. У результаті пружина 15 розтягується на максимальну величину, яка відповідає формуванню зовнішньої регуляторної вітки. Подача палива при цьому не збільшується тому, що цьому перешкоджає упор 20 електромагніту 21. Якір електромагніту 30 зміщується на хід Х2, повертаючи упор 13. Нижній виступ упора встановлюється напроти штока 14 утримуючим фіксатором 11. При такому положенні якоря 33 контакти 34 і 35 розмикаються, а контакти 36 і 37 замикаються. Оскільки вимикач 45 розімкнений, надходження струму в обмотки всіх трьох електромагнітів припиняється і якорі 22 і 26 під дією пружин 23 і 27 повертаються у вихідне положення. Якір 33 електромагніту 30 фіксується фіксатором 41. Регулятор переключений на дворежимне регулювання.

Для визначення раціональних параметрів ланок механізму автоматизованого переключення режимів регулювання розглянуто аналітично процес взаємодії електромагнітів на деталі універсального регулятора. Для цього був виконаний кінематичний та статичний аналіз універсального регулятора з елементами автоматичного переключення режимності роботи тракторного дизеля.

Кінематичне дослідження проводилося методом замкнутих векторних контурів, розробленим В.А.Зінов’євим, в задачі якого входило отримати наступні залежності (рис.2): переміщення муфти регулятора hм, блоку пружин hП, якоря електромагніту х1, діючого на важіль коректора, від переміщення дозаторів hН; переміщення х2 електромагніту, діючого на внутрішній важіль керування подачею палива, електромагніту, діючого на поворотний упор, х3 від кута ц6 положення внутрішнього важеля керування подачею палива. На кінематичній схемі дослідного регулятора (рис.2.) позначено:1 – механічний чутливий елемент; 2 – дозатор; 3, 7, 10 – електромагніти, які діють відповідно на внутрішній важіль керування, важіль коректора, поворотний упор;4 – упорний гвинт; 5 – внутрішній важіль керування паливним насосом; 6 – блок пружин регулятора; 8 – важіль коректора; 9 – поворотний упор; A, B, C, D, E, F, G, N, M, K, L, P, S, Q – опори і шарніри важільного механізму; l1…l7 – довжини ланок універсального регулятора;a, c, e, r, t, х – постійні відстані між опорами та осями регулятора; d, p, m, хМ – змінні відстані; ц1, цр, ц4р, ц4, ц5, ц6, ц7, ц6d, цd, цm, цП, цП1 – змінні кути; в1,..., в5 – постійні кути; hн, hм, hП – переміщення дозаторів, муфти регулятора, блоку пружин; х1, х2, х3 – переміщення якорів електромагнітів, які діють на важіль коректора, внутрішній важіль керування, поворотний упор.

У результаті розрахунку залежності hП = f (hН) отримані наступні рівняння

(1); (2)

(3); (4)

(5)

У результаті розрахунку залежності hП = f (hН, ц6) з урахуванням рівнянь (1)...(4) отримані наступні рівняння:

(6); (7)

(8); (9)

(10)

На підставі проведеного розрахунку рівняння (10) в програмі MathCad 2000 було отримано дані, на основі яких побудовано графічні залежності переміщення блоку пружин від частоти обертання кулачкового вала ПНВТ при різних кутах положення внутрішнього важеля керування (рис. 3). Необхідно зазначити, що переключення видів регулювання відбувається при умові переміщення блоку пружин (за рахунок розтягування його електромагнітами) на 54 мм. Виходячи з цього, можна визначити раціональні параметри кута повороту внутрішнього важеля керування подачею палива, що, в свою чергу, дозволить визначити достатнє переміщення якоря електромагніту, який діє на внутрішній важіль керування.

Як видно з рис. 3, нами визначалася залежність переміщення блоку пружин від частоти обертання при значенні кута ? в діапазоні від 90 до 13,60. Оскільки процес переключення режимів регулювання може відбутися при різній частоті обертання можна зробити висновок, що достатнім кутом повороту внутрішнього важеля керування є кут 10...110.

Зв’язок між переміщенням якоря електромагніту, який діє на внутрішній важіль керування подачею палива, знаходиться за наступними рівняннями

, (11)

де кут рівний

(12)

Підставляючи в формулу (11) переміщення якоря електромагніту, який діє на важіль коректора, від 3,3 мм до 3,7 мм із дискретністю 0,1 мм, отримуємо графічні залежності циклової подачі палива від частоти обертання кулачкового вала ПНВТ (рис.4). Оскільки технічні вимоги на регулювання паливних насосів регламентують тільки циклову подачу палива при максимальних обертах холостого ходу, тому приймаємо переміщення якоря електромагніту 3,5 мм, так як дане переміщення забезпечує при максимальних обертах холостого ходу n=1120 хв-1 циклову подачу 37 мм3/цикл.

Переміщення якоря електромагніту, який діє на внутрішній важіль керування подачею палива, знаходиться за наступними рівняннями:

, (13)

де кут знаходимо із рівняння

(14)

При знаходженні переміщення якоря електромагніту поворотного упора складено систему лінійних рівнянь для визначення положень ланок плоского незамкнутого кінематичного ланцюга. В якості узагальненої координати прийнято кут положення внутрішнього важеля керування подачею палива:

(15)

При максимальному положенні внутрішнього важеля керування подачею палива 7 точка Р в системі Nx’y’ при всережимному регулюванні має координати , при дворежимному – . При підстановці значень у систему рівнянь (15) отримаємо переміщення = 28,4 мм.

Для визначення раціональних силових параметрів ланок механізму автоматизованого переключення режимності роботи тракторного двигуна проведений статичний розрахунок універсального регулятора паливного насоса розподільчого типу НД.

Схема універсального регулятора з електромагнітами 3 і 7 механізму авто-матичного переключення режимів регулювання швидкості показана на рис. 5.

Статична рівновага механічного регулятора описується слідуючим рівнянням

(16)

де РМ, ЕП  підтримуюча і відновлюючазусилля пружини) сила регулятора.

Підтримуюча сила РМ залежить від частоти обертання вала паливного насоса (n) та координати положення муфти регулятора (hМ) і апроксимується рівнянням:

(17)

де а0...а5– сталі коефіцієнти апроксимації.

Із рівняння моментів сил відносно точки F отримуємо силу Р1, яка діє на електромагніт 7.

(18)

Із рівняння моментів сил відносно опори N отримуємо силу Р2, яка діє на електромагніт 3:

(19)

За результатами проведених теоретичних досліджень були побудовані залежності, які наведені на рис.6, що характеризують зміну зусиль, прикладених до якорів електромагнітів у залежності від зміни частоти обертання кулачкового вала ПНВТ.

Аналіз графічних залежностей (рис.6.) показує, що із збільшенням частоти обертання від 400 до 1120 хв-1 зусилля, що діє на якір електромагніту важеля коректо-ра, зменшується з 23,3 до 0,21 Н (крива 1), а зусилля, яке діє на якір електромагніту важеля керування, збільшується з 29,3 до 288,2 Н (крива 2).

Проаналізувавши дані теоре-тичних досліджень, можна зробити висновок, що для надій-ного переключення режимів регулювання електромагніт важе-ля коректора повинен діяти із силою 22,1...23,3 Н, а електро-магніт важеля керування – 136,9...142,5 Н.

У третьому розділі наведено програму та методику експериментальних досліджень універсального регулятора. Метою експериментальних досліджень було отримання вихідних даних для перевірки правильності проведеного кінематичного та статичного розрахунків параметрів дослідного регулятора з автоматичним переключенням режимів регулювання, порівняння паливної економічності та динаміки при виконанні транспортної роботи трактором Т-150К із серійним і універсальним регулятором. Проведення досліджень було заплановано в 2 етапи: 1) лабораторно-експериментальні дослідження; 2) дорожньо-польові дослідження на тракторі Т-150К з причепом ПРТ-10.

Програмою досліджень передбачалося: зняття швидкісних характеристик ПНВТ із серійним всережимним та універсальним регулятором; розробка пристрою для перевірки адекватності розрахунку параметрів дослідного регулятора; визначення залежності переміщення та зусилля електромагнітів, необхідних для переключення з одного виду режиму на інший, від частоти обертання кулачкового вала ПНВТ; зняття паливних характеристик трактора Т-150К з причепом на прямолінійній дорозі та з перемінним профілем; визначення динамічних якостей трактора з дослідним регулятором, у порівнянні з серійним.

Перевірка працездатності, безмоторні характеристики ПНВТ з дослідним регулятором визначалися лабораторними дослідженнями, які виконувались згідно з ГОСТ 8670-82, на стенді КИ-15711М-01-ГОСНИТИ Малоярославецького дослідного заводу.

Для вимірювання зусилля та переміщення, з якими якоря електромагнітів повинні діяти на деталі універсального регулятора, була розроблена лабораторна установка, яка дає можливість імітувати роботу електромагнітів.

Під час дорожніх випробувань визначались паливні характеристики у вигляді залежності витрати палива на 100 км від швидкості руху тракторного агрегату згідно з ГОСТ 20306-90 та час розгону тракторного агрегату з місця і на ходу згідно з ГОСТ 22576-90.

Визначення паливно-швидкісної характеристики при усталеному рухові проводилося на прямолінійній, горизонтальній, асфальтобетонній дорозі з сухим і чистим покриттям, довжиною 1968 м. Під’їздні ділянки дороги мали аналогічне покриття і достатню довжину для розгону і стабілізації заданої швидкості руху. Трактор Т-150К агрегатувався з причепом-розкидачем ПРТ-10. Дослідні заїзди проводилися в протилежних напрямах руху. При виконанні заїзду по дослідній ділянці дороги швидкість руху підтримувалась постійною. В кожному напрямку фіксувався час проїзду за допомогою секундоміру та кількість витраченого при цьому палива – витратоміром палива ДРТ-ЛСХИ. Швидкість руху змінювалась від 10 до 24 км/год з дискретністю 2...3 км/год і контролювалася відтарированим тахоспідометром.

При встановленні паливно-швидкісної характеристики при неусталеному рухові використовувалася ґрунтова дорога з перемінним профілем, довжиною 2103 м. Значення швидкостей задавалися від 10 до 22 км/год з інтервалом 2...3 км/год і контролювались по тахоспідометру.

В якості вантажу застосовувалися органічні добрива. Маса вантажу складала 9510 кг і залишалась незмінною протягом усього часу досліджень.

Для визначення часу розгону з місця тракторний агрегат здійснював пробіг по вимірювальній ділянці довжиною 1805 м, шляхом розгону з місця до найбільшої швидкості 30 км/год. Рух починався на V передачі транспортного ряду. Розгін відбувався при повній подачі палива. Переключення передач здійснювалося при досягненні номінальної частоти обертання колінчастого вала (2100 хв-1).

Розгін на ходу проводився на І, ІІ, ІІІ та ІV передачах транспортного ряду з мінімально-стійкої частоти обертання (nд=800 хв-1) до номінальної частоти обертання (nд=2100 хв-1). Розгін відбувався при різкому і повному натискуванні педалі керування подачею палива. Початкова швидкість встановлювалася не менше, ніж за 100 м до початку розгону. Фіксувались частота обертання колінчастого вала дизеля, швидкість руху тракторного агрегату та час розгону. Дослідження проводились з 10-кратною повторністю.

В четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень. Для проведення експериментальних досліджень на Чугуївському заводі паливної апаратури був виготовлений дослідний зразок універсального регулятора з автоматичним переключенням режимів регулювання для паливного насоса НД-22/6Б .

Під час проведення лабораторних досліджень було побудовано наступні графічні залежності: циклової подачі палива від частоти обертання кулачкового вала паливного насоса високого тиску, що представлено на рис.8.; показані дослідні зовнішня і часткові швидкісні характеристики з універсальним регулятором при всережимному та дворежимному (рис.8.а, б) регулюванні. Замість серійного коректора був встановлений нерухомий упор у вигляді електромагніту. Зовнішня характеристика протікає так само, як і у серійного регулятора, але часткові характеристики виходять на зовнішню. При дворежимному регулюванні (рис. 8, б) зовнішня швидкісна характеристика формується так само, як і при всережимному. Циклова подача на часткових режимах змінюється відповідно до закону протікання дворежимного регулювання.

За допомогою лабораторної установки встановлено, що автоматичне переключення режимів відбувається при умові дії якоря електромагніту на важіль коректора із силою 21,8...24,8 Н, на внутрішній важіль керування подачі палива – 143...147 Н, на поворотний упор – 2,0 Н при переміщенні 3,5...3,6 мм; 4,5...4,7 мм; 27...28 мм відповідно.

Для визначення ефективності застосування універсального регулятора з автоматичним переключенням режимів регулювання на дизелі СМД-62 колісного трактора Т-150К були проведені дорожньо-польові випробування. Під час випробувань визначалися паливні характеристики при усталеному руху на рівній, горизонтальній дорозі та при неусталеному – на дорозі з перемінним профілем.

Під час проведення дорожньо-польових випробувань найбільшу цікавість викликало отримання паливних характеристик двигуна при всережимному і дворежимному регулюванні універсального регулятора. Тому в ході проведення досліджень нами були отримані порівняльні показники витрати палива дизелем при різних режимах руху. На основі отриманих даних проведено аналіз паливно-економічної ефективності двигуна, обладнаного універсальним регулятором з автоматичним переключенням режимів регулювання.

При усталеному рухові паливні характеристики (рис.9, характеристика 1) при всережимному та дворежимному регулюванні універсального регулятора співпадають. Тип регулятора на роботу дизеля в цих умовах на впливає.

При рухові на дорозі з перемінним профілем, у порівнянні з рівною, паливна характеристика зміщується вгору (рис.9, характеристика 2). Паливна економічність дворежимного регулювання, у порівнянні із всережимним складає 4...6%. Величина зміщення залежить від типу регулятора, нерівності рельєфу, інтенсивності дії водія на органи керування паливним насосом.

Така закономірність спостерігається при порівнянні паливних показників універсального регулятора при дворежимному регулюванні та серійного всережимного регулятора.

Різниця у витратах палива полягає в тому, що при всережимному регулюванні під час перехідних процесів дозатори ПНВТ виходять на зовнішню швидкісну характеристику, що призводить до подачі в циліндри двигуна надмірної кількості палива.

Динамічні якості дизеля СМД-62, обладнаного універсальним регулятором з автоматичним переключенням режимів регулювання, експериментально перевірялися при розгонах трактора Т-150К з причепом - розкидачем ПРТ-10 з повним навантаженням з місця та на ходу.

Під час проведення експериментальних досліджень було встановлено, що з дворежимним регулятором пройдений шлях та час розгону з місця склав відповідно 65 м і 16,4 с, що на 19,7 % і 19,3% менше порівняно з серійним та дослідним всережимним регулятором.

Тривалість розгону на ходу при дворежимному регулюванні на І передачі склала 3,6 с, на ІІ передачі – 3,9 с, на ІІІ передачі – 5,1 с, на ІV – 13,3 с. Показники серійного та дослідного всережимного регулятора більші, відповідно, на 21,7%; 30,6%; 28,2%; 26,5%. Покращення динамічних якостей САРЧ дизеля при дворежимному регулюванні, порівняно із всережимним, пояснюється тим, що при всережимному регулюванні при різкому і повному переміщенні важеля керування подачею палива на розгін тракторного дизеля впливає наявність пружного зв’язку (у вигляді пружини) між педаллю керування та дозатором ПНВТ. Пружний зв’язок впливає на запізнення переміщення дозатора ПНВТ від переміщення педалі керування, оскільки частина ходу педалі керування затрачається на розтягування пружини регулятора, а при дворежимному регулюванні відбувається безпосередній вплив на дозатори паливного насоса.

У п’ятому розділі наведено розрахунок показників оцінки економічної ефективності використання універсального регулятора з автоматичним переключенням режимів регулювання у порівнянні з серійним всережимним регулятором. Виконаний розрахунок свідчить про доцільність використання універсального регулятора з автоматичним переключенням режимів регулювання на тракторах сільськогосподарського призначення. Розрахунковий річний економічний ефект складає 2220 грн. на один трактор.

Висновки

1. Аналіз літературних джерел та патентних досліджень конструкцій універсальних регуляторів швидкості автотракторних дизелів свідчить, що сільськогосподарські трактори до 50 % часу використовуються на транспортних роботах, при широкому діапазоні швидкісних режимів, а решта часу на польових роботах, де необхідно точно підтримувати агротехнічну швидкість МТА. Застосування всережимних регуляторів на тракторах, які використовуються на транспортних перевезеннях, призводить до надмірної подачі палива на перехідних процесах, тому на тракторних дизелях доцільно застосовувати універсальні регулятори.

2. Виходячи з умов експлуатації колісних тракторів, обладнаних всережимними регуляторами, з метою підвищення паливної економічності, особливо на транспортних роботах, запропоновано використовувати універсальний дворежимно-всережимний регулятор з автоматичним переключенням режимів регулювання.

3. У результаті кінематичного та статичного розрахунків отримані аналітичні рівняння, які дозволяють дослідити характер взаємодії електромагнітів на деталі універсального регулятора та визначити конструктивні параметри ланок механізму автоматизованого переключення режимності роботи тракторного двигуна.

4. Теоретично обґрунтовано, що величина переміщення становить для якоря електромагніта, котрий діє на важіль коректора – 3,4...3,5 мм; внутрішній важіль керування подачі палива – 4,41...4,62 мм; поворотний упор – 28,4 мм.

5. Аналіз одержаної математичної розрахункової моделі процесу силової взаємодії якоря електромагніту з важелем коректора, внутрішнім важелем керування подачі палива та поворотним упором дозволив встановити, що сила дії якоря електромагніта на важіль коректора повинна знаходитись в межах 22,1...23,3 Н; сила дії якоря електромагніта на внутрішній важіль керування подачі палива повинна знаходитись в межах 136,9...142,5 Н; сила дії якоря електромагніта на поворотний упор є постійною і становить 1,8 Н.

6. Розроблений спосіб, методика та обладнання для визначення сил дії якорів електромагнітів на важіль коректора, внутрішній важіль керування подачі палива, поворотний упор, при яких відбувається процес переключення видів регулювання в універсальному регуляторі. Встановлено, що автоматичне переключення режимів відбувається при силі дії якоря електромагніту на важіль коректора 21,8...24,8 Н, на внутрішній важіль керування подачі палива – 143...147 Н, на поворотний упор – 2,0 Н при переміщенні 3,5...3,6 мм; 4,5...4,7 мм; 27...28 мм відповідно.

7. За результатами експлуатаційних випробувань універсального регулятора на дизелі СМД-62 трактора Т-150К встановлено, що запропонований регулятор забезпечує зниження експлуатаційної витрати палива на 4,6...6% на дорозі з перемінним профілем за рахунок дворежимного регулювання та підвищення інтенсивності розгонів із місця на 23%, а на ходу – в діапазоні 22...30,6 % при дворежимному регулюванні, порівняно із всережимним.

8. Очікуваний економічний ефект від використання універсального дворежимно-всережимного регулятора з автоматичним переключенням видів регулювання складає 2220 грн. у рік на один трактор. Результати теоретичних і експериментальних досліджень, конструкторські розробки впроваджені в ВАТ “Чугуївська паливна апаратура”.

Список опублікованих праць

1. Головчук А.Ф., Харак Р.М., Левчук В.И. Разработка и исследование универсальных регуляторов топливных насосов НД-22/6 для колёсных тракторов ХТЗ // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. Тематический сборник научных работ “Двигатели внутреннего сгорания”. Харьков, НТУ “ХПИ” – 2001. – № 2. – С. 10-19. (Особистий внесок – проаналізовано переваги і недоліки різних способів регулювання автотракторних і комбайнових дизелів).

2. Головчук А.Ф., Харак Р.М. Автоматизація переключення всережимного і дворежимного регулювання універсального регулятора колісних тракторів // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Збірник наукових праць “Підвищення надійності відновлюємих деталей машин”. Харків, ХДТУСГ, том 2, вип.8 – 2001.– С. 178 - 182. (Особистий внесок – запропонована схема автоматичного переключення режимів регулювання).

3. Харак Р.М. Статичний розрахунок універсального регулятора з автоматичним переключенням режимності роботи тракторного двигуна // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Збірник наукових праць “Підвищення надійності відновлюємих деталей машин”. Харків, ХДТУСГ, вип.17 – 2003. – С. 147-151.

4. Патент № 69757А України, МКИ F 02 D 1/04. Регулятор частоти обертання двигуна внутрішнього згоряння / А.Ф.Головчук, В.М.Арендаренко, Р.М.Харак, О.О.Назаренко, В.Д.Орехівський (Україна). – № 2003119884; Заявл. 04.11.03; Опубл. 15.09.04. – Бюл. № 9. – 4 с. (Особистий внесок – запропоновані конструкції виконуючих органів в системі автоматичного переключення режимів регулювання).

5. Головчук А.Ф., Харак Р.М. Вдосконалення універсального регулятора колісних тракторів ХТЗ // Вісник Дніпропетровського державного аграрного університету. Дніпропетровськ, – 2004. – № 1. – С. 56-60. (Особистий внесок – участь в експериментальних дослідженнях паливної характеристики та динаміки трактора в дорожніх умовах).

6. Арендаренко В.М., Лапенко Г.О., Харак Р.М., Назаренко О.О. Дослідження кінематики універсального регулятора швидкості колісного трактора // Шостий міжнародний симпозіум українських інженерів - механіків у Львові: Тези доповідей. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД.– 2003.– 174 с. (Особистий внесок – методика розрахунку переміщень якорів електромагнітів).

7. Головчук А.Ф., Арендаренко В.М., Харак Р.М., Назаренко О.О.Безмоторні дослідження універсального регулятора для розподільчих насосів типу НД // : Матеріали міжнародної науково-практичної конференції “Агромех – 2004“. – Львів: Львівський державний аграрний університет, 2004. – С. 155-162. (Особистий внесок – участь в експериментальних дослідженнях, аналіз статистичних даних).

8. Головчук А.Ф., Садовников А.В., Харак Р.М. Дослідження універсального регулятора колісних тракторів // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції. – Дніпропетровськ: ЕНЕМ. – 2004.– С. 53-54. (Особистий внесок – проведена експериментальна перевірка методики розрахунку взаємодії електромагнітів з деталями універсального регулятора).

Анотації

Харак Р.М. Дослідження універсального регулятора швидкості дизелів колісних тракторів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 – теплові двигуни. Національний транспортний університет. Київ, 2005.

Дисертація присвячена розробці та дослідженню універсального регулятора з автоматичним переключенням режимів регулювання для розподільчих паливних насосів типу НД. У роботі викладені результати теоретичного та експериментального дослідження універсального регулятора, обладнаного системою автоматичного переключення режимів регулювання. На основі розробленої методики та математичної моделі взаємодії виконуючих органів на універсальний регулятор, встановлені раціональні параметри ланок системи автоматичної зміни видів регулювання. За результатами теоретичних досліджень виготовлений експериментальний зразок дослідного регулятора. З використанням розробленої та стандартних методик, було проведено лабораторні та дорожньо-польові дослідження. За результатами досліджень проведено порівняльний аналіз ефективності використання серійного та дослідного універсального регулятора за паливною економічністю та динамічними показниками тракторного дизеля.

Ключові слова: трактор, дизель, паливний насос, частота обертання, автоматичне переключення режимів, паливна економічність.

Харак Р.М. Исследования универсального регулятора скорости дизелей колесных тракторов. – Рукопись.

Диссертация на соискания ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 – тепловые двигатели. Национальный транспортный университет. Киев, 2005.

Диссертация посвящена разработке и исследованию универсального регулятора с автоматическим переключением режимов регулирования для распределительных топливных насосов типа НД.

Анализ условий эксплуатации сельскохозяйственных колесных тракторов свидетельствует, что они до 50% времени используются на транспортных работах, при широком диапазоне скоростных режимов, а остальное время на полевых работах, где необходимо точно поддерживать агротехническую скорость МТА. Оценка влияния способов регулирования на топливную экономичность, динамические и экологические показатели автотракторных дизелей показывает, что на мобильных транспортных машинах, в случае выполнения ними транспортных перевозок, лучше использовать одно- или двухрежимные регуляторы.

Поэтому был предложен универсальный двухрежимно-всережимный регулятор, в которого автоматически происходит изменение режимов регулирования в зависимости от условий работы тракторного дизеля.

Для определения рациональных конструктивных параметров звеньев механизма автоматического переключения режимности работы тракторного двигателя в ходе кинематического и статического расчетов составлены аналитические уравнения, которые позволяют исследовать характер взаимодействия электромагнитов на детали универсального регулятора.

Теоретически обосновано, что величина перемещения составляет для якоря электромагнита, который действует на рычаг корректора – 3,4...3,5 мм; внутренний рычаг управления подачи топлива – 4,41...4,62 мм; поворотный упор – 28,4 мм. Анализ расчета процесса силового взаимодействия исполнительных элементов с деталями универсального регулятора позволил установить, что сила действия якоря электромагнита на рычаг корректора должна находиться в диапазоне 22,1...23,3 Н; сила действия якоря электромагнита на внутренний рычаг управления подачи топлива – 136,9...142,5 Н; сила действия якоря электромагнита на поворотный упор есть постоянной и составляет 1,8 Н.

Разработанный способ, методика и оборудование лабораторных исследований для определения сил действия якорей электромагнитов на рычаг корректора, внутренний рычаг управления подачи топлива, поворотный упор, при которых происходит процесс переключения видов регулирование в универсальном регуляторе. Установлено, что автоматическое переключение режимов происходит при силе действия якоря электромагниту на рычаг корректора 21,8...24,8 Н, на внутренний рычаг управления подачи топлива – 143...147 Н, на поворотный упор – 2,0 Н, при этом перемещение составляет соответственно 3,5…3,6 мм; 4,5…4,7 мм; 27…28 мм.

По результатам эксплуатационных испытаний универсального регулятора на дизеле СМД-62 трактора Т-150К установлено, что исследуемый регулятор обеспечивает снижение эксплуатационного расхода топлива на 4,6...6% на дороге с переменным профилем за счет двухрежимного регулирование и повышение интенсивности разгонов с места на 23%, а на ходу – в диапазоне 22...30,6 % при двухрежимному регулировании, сравнительно с всережимный.

Ожидаемый экономический эффект от использования универсального двухрежимно-всережимного регулятора с автоматическим переключением видов регулирования составляет 2220 грн. в год на один трактор. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, конструкторские разработки внедрены в ОАО “Чугуевская топливная аппаратура”.

Ключевые слова: трактор, дизель, топливный насос, частота вращения, автоматическое переключение режимов, топливная экономичность.

Kharak R.М. Researches of a universal regulator of speed of diesel engines of wheel tractors. Manuscript.

The dissertation on competitions of a scientific degree of the candidate of technical science on a specialty 05.05.03 thermal engines. National Transport University, Kiev, 2005.

The dissertation is devoted to development and research of a universal regulator with automatic switching of modes of regulation for distributive fuel pumps such as ND. In work the results theoretical and experimental research of a universal regulator equipped with system of automatic switching of modes of regulation are stated. On the basis of the developed technique and mathematical model of interaction executive of bodies on a universal regulator, the rational parameters of parts of system of automatic change of kinds regulation are established. By results of theoretical researches the made experimental sample of a research regulator. Using developed and standard techniques was are carried out laboratory and road-field researches. By results of researches the comparative analysis of efficiency use of a serial and research universal regulator is carried out.

Key words: a tractor, diesel engine, fuel pump, frequency of rotation, automatic switching of modes, fuel profitability.