На правах рукописи
Буравкин Руслан Валерьевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ
МОЩНОСТИ ТРАНСМИССИЕЙ ДОРОЖНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН В УСЛОВИЯХ
ХОЛОДНОГО КЛИМАТА
(НА ПРИМЕРЕ АВТОГРЕЙДЕРА ДЗ-98)
05.05.04 – Дорожные, строительные и
подъемно-транспортные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Омск – 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильнодорожная академия (СибАДИ)», ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет (ОмГТУ)».
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Корнеев Сергей Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Сыркин Владимир Васильевич доктор технических наук, профессор Каргапольцев Сергей Константинович
Ведущая организация - ОАО «Конструкторское бюро транспортного машиностроения», г. Омск
Защита состоится 14 июня 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ВАК Д 212.250.02, действующего при Государственном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу:
644080, г. Омск, проспект Мира, 5, зал заседаний.
Телефон для справок: (3812) 65-01-45, факс (3812) 65-03-23.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».
Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу диссертационного совета.
Автореферат разослан « 11 » мая 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.250. доктор технических наук, доцент В.Н. Кузнецова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Значительная часть территории России находится в зоне холодного климата, когда среднесуточные температуры окружающего воздуха в зимнее время опускаются до -45 0С и ниже. Эффективность эксплуатации дорожных и строительных машин (ДСМ) в таких условиях значительно снижается, что связано с увеличением эксплуатационных затрат за счет повышения расхода горюче-смазочных материалов, повышения трудоемкости работ технического обслуживания и ремонта в результате снижения надежности техники.
Одной из причин снижения эффективности эксплуатации техники в суровых климатических условиях является изменение свойств эксплуатационных жидкостей и смазок, в частности трансмиссионного масла.
Низкие температуры окружающего воздуха приводят к повышению вязкости трансмиссионного масла, что увеличивает внутренние потери в агрегатах трансмиссии и снижает общий КПД трансмиссии машины. Кроме того, повышение вязкости нарушает режим смазывания деталей агрегата, так как загустевшее масло не поступает в зоны контакта, что снижает надежность агрегатов.
В сложившейся системе эксплуатации техники в суровых климатических условиях основное внимание уделяется двигателю машины: разработаны комплексы мероприятий и рекомендаций по запуску двигателя в экстремальных климатических условиях, машины оборудуются системами предпусковой подготовки двигателей и т.д. Однако вопросам предпусковой подготовки агрегатов трансмиссии не уделяется должного внимания. Обычно решение указанной проблемы ограничивается использованием всесезонных трансмиссионных масел, рекомендованных заводом-изготовителем, без учета особенностей эксплуатации техники. При этом не уделяется внимания вопросу энергоэффективности агрегатов трансмиссии машин.
Таким образом, несмотря на существующие методы подбора трансмиссионных масел, остается не достаточно изученным влияние вязкостнотемпературных характеристик трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии ДСМ, что особенно актуально для землеройнотранспортных машин (ЗТМ), поскольку энергоэффективность трансмиссии таких машин напрямую влияет на их производительность.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации ДСМ в условиях холодного климата путем снижения энергозатрат в агрегатах трансмиссии.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать факторы, влияющие на потери в агрегатах трансмиссии ДСМ (ЗТМ).
2. Выявить и обосновать критерий для оценки энергоэффективности агрегата трансмиссии.
3. Разработать математическую модель влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на величину потерь в агрегатах трансмиссии.
4. Дать экспериментальную оценку полученным теоретическим зависимостям.
5. Разработать методику выбора трансмиссионного масла с учетом влияния вязкостно-температурных характеристик на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.
Объект исследования: процесс передачи мощности от двигателя ЗТМ к рабочему органу машины.
Предмет исследования: закономерности влияния вязкостнотемпературных свойств трансмиссионного масла на распределение энергозатрат в агрегатах трансмиссии ЗТМ.
Методика исследований представляет собой комплекс эмпирических и теоретических методов исследования. Решение задач базируется на экспериментальных данных и известных теоретических положениях гидродинамических и трибологических исследований, методах обработки данных с помощью ЭВМ.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.
2. Получены новые эмпирические зависимости КПД агрегата трансмиссии от вязкости трансмиссионного масла.
3. Получены новые экспериментальные данные влияния вязкостнотемпературных характеристик трансмиссионного масла на температурное состояние агрегатов трансмиссии при эксплуатации автогрейдера ДЗ-98 в условиях отрицательных температур.
Практическая ценность заключается в разработанной методике выбора вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла для повышения энергоэффективности трансмиссии ДСМ при эксплуатации в условиях холодного климата.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на энергоэффективность трансмиссии автогрейдера ДЗ-98.
2. Результаты теоретического исследования влияния вязкостнотемпературных характеристик трансмиссионного масла на КПД агрегатов трансмиссии.
3. Результаты экспериментального исследования влияния вязкостнотемпературных характеристик трансмиссионного масла на температурное состояние агрегатов трансмиссии автогрейдера ДЗ-98.
4. Результаты экспериментального исследования влияния вязкостнотемпературных характеристик трансмиссионного масла на изменение сопротивления движению и топливную экономичность автогрейдера ДЗ-98.
5. Методика выбора трансмиссионного масла с учетом влияния вязкостнотемпературных характеристик на энергоэффективность агрегатов трансмиссии ДСМ.
Достоверность исследований подтверждается:
– корректностью применения апробированного математического аппарата термодинамики и математической статистики;
– количеством экспериментов, проведенных с использованием поверенных приборов и оборудования;
– согласованностью результатов теоретических расчетов с полученными экспериментальными данными.
Внедрение и результаты работы. Результаты работы внедрены в производство на заводах ЗАО «Челябинские строительно-дорожные машины», «Брянский арсенал» в виде рекомендаций в инструкциях по эксплуатации; на предприятиях ОАО «Сургутнефтегаз», ООО «Дорожно-строительный трест №1», транспортной компанией «Спецнефтетранс», а также используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильнодорожная академия (СибАДИ)» и ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет (ОмГТУ)».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях Ассоциации автомобильных инженеров РФ в 2005, 2007 и 2008 гг., на Международной науч.-практ. конф. «Безопасность регионов - основа устойчивого развития», 19-21 сентября 2007г., Иркутск, на Международной науч.-техн.
конф. «Трибология - машиностроению», 1-2 октября 2008, ИМАШ им.
А.А. Благонравова РАН РФ, на научно-технических конференциях Сибирской автомобильно-дорожной академии 2007 – 2009 гг., на кафедрах «Теплотехника и тепловые двигатели» СибАДИ и «Химическая технология органических веществ» ОмГТУ.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 10 статьях, из них 6 из списка рекомендованного ВАК РФ для опубликования результатов научных исследований.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.
Общий объем диссертации составляет 152 страницы и содержит 41 рисунок, 12 таблиц, список литературы из 154 наименований и 2 приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, объект и предмет диссертационного исследования, изложена методика исследований и перечислены основные положения, которые выносятся на защиту, указаны научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе приведен анализ состояния исследуемого вопроса.
Рассмотрены основные направления развития ДСМ, факторы, влияющие на эффективность их использования в условиях холодного климата. На основе проведенного анализа сделан вывод о низкой эффективности использования ДСМ в условиях холодного климата, что связано с потерями мощности машин в агрегатах трансмиссии.
Проведен аналитический обзор результатов ранее проведенных исследований отечественных и зарубежных авторов (В.А. Зорин, П.И. Кох, И.Г. Фукс, А.П. Смолин, Е.П. Серегин, Л.С. Васильева, С.В. Корнеев, Н.В. Дорошенко, К.С. Рамайя и другие) в области рационального выбора свойств и использования топливосмазочных материалов.
Анализ характерных особенностей эксплуатации ДСМ в условиях холодного климата позволил выдвинуть рабочую гипотезу: основной причиной снижения эффективности эксплуатации ДСМ является применение трансмиссионных масел, которые применяются без учета влияния их вязкостнотемпературных характеристик на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.
В конце первой главы определены цель и основные задачи исследования.
Вторая глава посвящена общей методике исследований. Здесь же представлена общая структура диссертационной работы.
Третья глава диссертации посвящена теоретическому исследованию энергоэффективности трансмиссии ДСМ, рассмотрены основные факторы, влияющие на КПД агрегатов, определены основные статьи распределения мощности в агрегатах.
В результате анализа мощностного баланса модели ДСМ показана возможность повышения эффективности эксплуатации землеройнотранспортных машин (ЗТМ) в условиях холодного климата за счет снижения потерь в агрегатах трансмиссии. Поэтому дальнейшее исследование было направлено на выявление структуры энергозатрат в трансмиссии.
Рассмотрение велось на примере автогрейдера ДЗ-98. Выбор данной модели определен конструктивными особенностями машины – для смазки всех узлов трансмиссии (кроме карданных передач) используется трансмиссионное масло. В качестве оценочного параметра эффективности передачи мощности узлами и агрегатами трансмиссии принят общий КПД агрегата.
При передаче мощности от двигателя автогрейдера к ведущим колесам часть энергии теряется в узлах агрегатов (зубчатые передачи, муфты, подшипниковые узлы) и на преодоление гидравлических потерь, возникающих при перемешивании трансмиссионного масла (барботаж). Исследование влияния вязкости трансмиссионного масла на величину потерь в узлах агрегата позволило выявить закономерности, представленные на рис. 1 и 2.
Так повышение динамической вязкости трансмиссионного масла снижает потери в трущихся деталях зубчатой передачи механизма, что объясняется уменьшением потерь на трение, но увеличением гидравлических потерь и затрат энергии на перемешивание и разбрызгивание вязкого масла.
Рис. 1. Влияние вязкости трансмиссионного масла на Рис. 2. Влияние вязкости трансмиссионного масла на гидравлические потери (барботаж) в ведущем мосту Таким образом, установлено влияние изменения вязкости трансмиссионного масла на общий КПД агрегата.
При эксплуатации ЗТМ в условиях холодного климата вязкость трансмиссионного масла изменяется в широких пределах. Нижняя граница вязкости, с учетом вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла, определяется температурой окружающего воздуха, верхняя граница вязкости определяется тепловым состоянием агрегата.
Для нахождения закономерностей изменения температуры трансмиссионного масла в условиях эксплуатации проведен анализ теплового баланса агрегата трансмиссии. В результате этого были получены зависимости изменения температуры трансмиссионного масла в агрегате, в зависимости от продолжительности его работы (рис. 3).
Полученные зависимости:
1. учитывают вязкостно-температурные характеристики трансмиссионного масла путем изменения величины потерь в агрегате, при изменении его теплового состояния.
2. показывают, что температура трансмиссионного масла в процессе работы агрегата повышается и достигает постоянного значения.
Дальнейшего повышения температуры не происходит из-за наступления равновесного состояния между теплотой, выделившейся в результате потерь Рис. 3. Влияние вязкости трансмиссионного масла на изменение масло 1 – SAE 80W85 («Экойл-Т» по ТУ 0253-003-39968232-98);
масло 2 – SAE 75W80 (ТСЗп-8 по ТУ 38.1011280-89 изм. 1-6) в агрегате, и теплотой, отведенной от агрегата в окружающую среду. Величина равновесной температуры определяется величиной потерь в агрегате, что позволяет принять ее в качестве критерия энергоэффективности агрегата трансмиссии.
Выявленные закономерности влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегата трансмиссии позволили разработать математическую модель распределения теплоты в агрегате трансмиссии в процессе передачи мощности исполнительным органам ЗТМ (рис. 4).
В представленной модели потери мощности в узлах агрегата трансмиссии учитываются скоростью подвода (отвода) теплоты, которая пропорциональна к.п.д. соответствующего узла. На рис. 4 приняты следующие обозначения:
Qs, Qост и Qв - соответственно, скорость подвода (расход) теплоты, от фрикционных потерь в механизме трансмиссии; скорость подвода теплоты, к механизму трансЦЗ КЗ ПК Б миссии; скорость отвода теплоты в окружающую среду, Дж/с; QS, QS, QS, QS - соответственно, скорость тепловыделения в цилиндрической передаче, в конической передаче, в подшипниках и в результате барботажа масла, Дж/с; N 0 - мощность, подводимая к узлу агрегата трансмиссии, Вт; ц, к, пк, р - к.п.д., соответственно, цилиндрической передачи, конической передачи, подшипниковых узлов и барботажа; f 0 - коэффициент трения в зубчатом зацеплении; - динамическая вязкость масла, Па*с; - плотность масла, кг/м3; С - теплоемкость узла, Дж/(кг*К); G - масса деталей узла, кг; t м, t в - соответственно, температура масла и окружающего воздуха, 0С; k - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2*0С); F - площадь поверхности агрегата, м2.
Рис. 4. Математическая модель распределения теплоты в агрегате трансмиссии ЗТМ при передаче мощности Полученная модель позволяет оценивать влияние вязкостнотемпературных характеристик трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.
В четвертой главе представлена методика проведения экспериментального исследования влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегатов трансмиссии, приведены результаты экспериментальных исследований.
Для оценки влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегатов трансмиссии были выбраны два образца товарных масел «Экойл-Т» (SAE 80W-85) по ТУ 0253-003и ТСЗп-8 (SAE 75W-80) по ТУ 38.1011280-89 изм. 1-6. При вы- боре трансмиссионных масел учитывались рекомендации заводаизготовителя автогрейдера ДЗ-98, а также значения динамической и кинематической вязкости указанных масел при температурах, характерных для условий эксплуатации автогрейдера в зимнее время. На основе паспортных данных масел были получены зависимости вязкости от температуры:
- для масла «Экойл-Т» (SAE 80W85) по ТУ 0253-003-39968232- - для масла ТСЗп-8 (SAE 75W80) по ТУ 38.1011280-89 изм. 1- - динамическая вязкость масла, Па*с; T - температура масла, К.
Для оценки температурного состояния агрегатов трансмиссии в процессе эксплуатационных испытаний автогрейдер был дооснащен необходимым измерительным оборудованием. На агрегаты устанавливались термопары, подключенные через устройство компенсации к многоканальному измерителю температур.
Испытания проводились с учетом требований ГОСТ 11030-93 и ГОСТ 20306-90. Во время проведения испытаний моделировались два режима, характерных для условий эксплуатации автогрейдера: тяговый и транспортный.
В результате обработки полученных экспериментальных данных были получены зависимости, представленные на рис. 5 и 6.
Полученные зависимости подтверждают, что снижение вязкости трансмиссионного масла существенно влияет на температурное состояние агрегатов трансмиссии. Использование трансмиссионного масла класса вязкости по SAE 75W-80 вместо масла класса вязкости по SAE 80W-85 приводит Рис. 5. Влияние вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние КПП и переднего моста автогрейдера ДЗ-98:
Рис. 6. Влияние вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние бортового редуктора автогрейдера ДЗ-98:
к снижению равновесной температуры агрегатов трансмиссии. При этом величина снижения равновесной температуры пропорциональна величине передаваемой агрегатом мощности.
В пятой главе представлены рекомендации по практическому применению результатов исследования, разработана методика выбора трансмиссионного масла с учетом снижения энергоэффективности трансмиссии при эксплуатации техники в условиях отрицательных температур. В результате экспериментального исследования было выявлено снижение расхода топлива (рис. 7), которое обуславливается снижением потерь в агрегатах трансмиссии.
Рис. 7. Экспериментальные данные влияния температуры масла класса вязкости SAE 75W85 на изменение расхода топлива автогрейдером ДЗ- В основу методики выбора трансмиссионного масла были положены результаты решения разработанной математической модели для различных температур окружающего воздуха с учетом вязкостно-температурных характеристик трансмиссионных масел по ГОСТ 23653-79, с использованием которой определены значения общего КПД трансмиссии автогрейдера ДЗ- (рис.8).
Методика выбора трансмиссионного масла представлена в виде алгоритма на рис. 9.
На основе результатов экспериментального исследования рассчитан экономический эффект от сокращения расхода топлива при переходе с трансмиссионного масла класса вязкости по SAE 80W-85 на трансмиссионное Рис. 8. Расчетные зависимости влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионных масел на общий КПД трансмиссии автогрейдера ДЗ- масло класса вязкости по SAE 75W80 применительно к условиям ОАО «Сургутнефтегаз».
В результате теоретических исследований выявлено:
1) эффективность передачи мощности агрегатами трансмиссии определяется в основном двумя факторами: потерями на трение в узлах и деталях, а также на барботаж трансмиссионного масла. В условиях эксплуатации распределение энергии на трение и барботаж зависит от вязкостно-температурных свойств используемого трансмиссионного масла.
Суммарные потери на трение в агрегате находятся в пределах 10-25 % (в зависимости от числа ступеней передачи крутящего момента), при этом потери на барботаж снижают КПД агрегата с 0,92 до 0,53 и более при повышении вязкости трансмиссионного масла;
2) потери энергии в агрегате трансмиссии вызывают изменение его температурного состояния, которое определяется условием теплового равновесия между теплотой, выделившейся в агрегате, и теплотой, отведенной в окружающую среду в процессе теплообмена. Установившиеся тепловое состояние агрегата прямо пропорционально величине передаваемой мощности и КПД и определяется величиной равновесной температуры;
Техника: карта смазки; условия эксплуатации (температурный диапазон применения техники); тех.состояние.
Масла: ТУ, допуски, классификации, сертификаты, ВТХ
«