[ «ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРОВ, ОСНАЩЕННЫХ ГАЗОБАЛЛОННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ ...»
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Саратовский государственный
аграрный университет им. Н. И. Вавилова»
На правах рукописи
Нигматулин Ильдар Дагиевич
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРОВ,
ОСНАЩЕННЫХ ГАЗОБАЛЛОННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Специальность 05.20.03 – «Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве»
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент Володин В.В.
Саратов – Содержание СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Системы топливоподачи газодизельных двигателей сельскохозяйственных тракторов
1.2 Безопасность тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием
1.3 Техническое обслуживание газобаллонного оборудования
1.4 Выводы по разделу
2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ
ТРАКТОРОВ, ОСНАЩЕННЫХ ГАЗОБАЛЛОННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
РАБОТАЮЩИХ С НАВЕСНЫМИ ОРУДИЯМИ2.1 Определение расположения центров тяжести тракторов
2.2 Определение расположения центров тяжести газобаллонного оборудования
2.3 Определение расположения центра тяжести плуга ПЛН-8-35.............. 2.4 Определение предельных статических углов устойчивости................. 2.4.1 Обоснование компоновки газобаллонного оборудования на тракторе РТМ-160
2.4.2 Определение предельных статических углов устойчивости трактора К-700А в агрегате с плугом ПЛН-8-35
Определение предельного статического угла поперечного уклона.............. 2.5 Выводы по разделу
ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И
ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАКТОРОВ,
ОСНАЩЕННЫХ ГАЗОБАЛЛОННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ4.1 Алгоритм и технология диагностирования
4.2 Определение экологических показателей работы двигателей............. 4.3 Методика и результаты экспериментальных исследований статических углов устойчивости трактора К-700А с навесным плугом... 4.4 Рекомендации по совершенствованию техники безопасности и техническому обслуживанию
4.5 Выводы по разделу
5 РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ
ТРАКТОРА РТМ-160 ОБОРУДОВАННОГО СИСТЕМОЙ ПОДАЧИ
ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА5.1 Оценка снижения ущерба окружающей среде при переходе на газообразное моторное топливо
5.2 Расчет годового экономического эффекта от использования газообразного топлива
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. В настоящее время в дизельных двигателях все больше используется в виде альтернативного топлива природный газ (метан). При его использовании в качестве моторного топлива повышается эффективность работы сельскохозяйственного производителя вследствие более низкой цены по сравнению с дизельным топливом, а также снижается уровень дымности и выбросов твердых частиц с отработавшими газами.В сельском хозяйстве основным способом перевода дизельных двигателей для работы на более дешевом газообразном топливе является газодизельный цикл, который позволяет работать как на дизельном топливе, так и на его смеси с компримированным газом.
оборудованием, в сельском хозяйстве требуется определение техникоэкономических и экологических показателей тракторов, работающих на газообразном топливе, обоснование требований безопасности и разработка мероприятий по технике безопасности и техническому обслуживанию.
Актуальность этого научного направления подтверждена поручением президента Российской Федерации от 18.10.2004 г. №Пр-1686 ГС «О стимулировании широкомасштабного перевода сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо», поручением правительства Российской федерации от перевооружении сельскохозяйственной техники в части перехода на использование газомоторного топлива».
Степень разработанности темы. В Российской федерации имеется техническая документация и изготовлены образцы на переоборудование для работы по газодизельному циклу тракторов К-701, К-700А, Т-150К, МТЗ-80/82, ДТ-75, разработанные в ОАО «ВНИИГАЗ», ГНУ «ВИМ», ФГУП «НАТИ», ОАО «НЗТА», ЗАО «Автосистема» и ОАО «ППП Дизельавтоматика», а также автомобилей ОАО «КамАЗ».
Отдельные модификации тракторов прошли испытания на Центральной, Кубанской, Поволжской и Владимировской государственных зональных машиностроительных станциях. Тракторы, оснащенные газобаллонным оборудованием, работают в Ставропольском крае, Саратовской, Волгоградской, Рязанской областях. При этом установлено, что применение газобаллонного оборудования при эксплуатации сельскохозяйственных тракторов экономически целесообразно за счет снижения расхода дизельного топлива, заменяемого природным газом. При этом работа тракторов с газобаллонным оборудованием вносит свои особенности при эксплуатации и требует дополнительных исследований и разработок рекомендаций по следующим вопросам:
– определение устойчивости трактора с газобаллонным оборудованием эксплуатируемого с навесными орудиями;
– разработка мероприятий по технике безопасности;
газобаллонным оборудованием.
Предлагаемая работа направлена на исследование указанных вопросов.
Цель работы обоснование эксплуатационно-технологических показателей работоспособности сельскохозяйственных тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием.
Объект исследования – тракторы К-700А и РТМ-160, оснащенные газобаллонным оборудованием.
Предмет исследования – закономерности изменения устойчивости, безопасности и экологических показателей при использовании тракторов с газобаллонным оборудованием.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– получены аналитические выражения (теоретические зависимости) для определения устойчивости трактора К-700А с навесными орудиями и оснащенного газобаллонным оборудованием;
– результаты экспериментальных исследований экологических показателей двигателей, работающих в газодизельном цикле;
– разработан алгоритм и технология диагностирования тракторных двигателей оснащенных газобаллонным оборудованием и работающих в газодизельном режиме.
Теоретическая и практическая значимость работы:
– разработана методика определения устойчивости трактора К-700А, оборудованием;
– усовершенствована технология технического обслуживания тракторов, учитывающая использование компримированного газа в качестве топлива;
– разработаны рекомендации по технике безопасности при эксплуатации и техническом обслуживании тракторов с газобаллонным оборудованием;
– в эксплуатационных условиях определены экологические показатели тракторных двигателей при эксплуатации, работающих в газодизельном цикле.
Методология и методы исследования. Исследования выполнены с использованием известных положений теоретической механики и эксплуатации машинно-тракторного парка, позволяющих определить статическую устойчивость совершенствованию технического обслуживания тракторов.
Положения выносимые на защиту:
устойчивости тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием и работающих с навесными орудиями;
– рекомендации по совершенствованию технологического обслуживания и техники безопасности при эксплуатации тракторов, работающих на газомоторном топливе;
компримированного газа в тракторных двигателях.
Реализация результатов исследований. Рекомендации по техническому изготовлении и эксплуатации трактора РТМ-160 ОАО «Уралвагонозавод», а также при эксплуатации тракторов К-700А в ООО «Горизонт-С» Саратовской области и учтены при изготовлении системы в ООО «ППП Дизельавтоматика» г.
Саратова.
Апробация работы. Основные научные положения выводы и практические рекомендации доложены и одобрены на научно практических конференциях:
– ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им.
Н. И. Вавилова» (г. Саратов, 2007, 2008, 2010 гг.);
на Международной научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» г. Москва, ГНУ ГОСНИТИ 2009, 2010 гг.;
на Международной научно-технической конференции «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» г. Москва, ГНУ ГОСНИТИ 2011 г.
– на постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (г. Саратов, 2006, 2008, 2010 гг.);
– на Международной научно-практической конференции, посвященной столетию со дня рождения Г. П. Шаронова «Проблемы эксплуатации и ремонта автотракторной техники» Саратовский ГАУ (г. Саратов, 2012 г.).
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В последние годы наметилась тенденция к снижению роли нефти и нефтепродуктов в мировой экономике. Это объяснятся снижением темпов роста добычи нефти, вызванным выработкой крупных месторождений, заметным сокращением инвестиций в поисково-разведочные работы, отсутствием эффективных технологий добычи, обеспечивающих высокую отдачу нефтяных пластов. Поэтому ожидаемый подъем экономики неизбежно будет сопровождаться дефицитом нефти и нефтепродуктов, что создает предпосылки к более широкому использованию других энергетических ресурсов.Использование на транспорте различных альтернативных топлив обеспечивает решение проблемы замещения нефтяных топлив, значительно расширяет сырьевую базу для получения моторных топлив, облегчает решение вопросов снабжения топливом транспортных средств и стационарных установок.
Возможность получения альтернативных топлив с требуемыми параметрами и физико-химическими свойствами позволит целенаправленно совершенствовать рабочие процессы дизелей и тем самым улучшить их экологические и экономические показатели [34].
В 2001 году Европейская комиссия одобрила три альтернативных замены моторным топливам: природный газ, биотопливо и водород.
топливообеспечения автотранспортной техники показывает, что на смену эры нефтяных моторных топлив идет эра газовых топлив и, в первую очередь природного газа [6].
Изучение использования компримированного природного газа как топлива для дизельных двигателей посвящены работы Г. Н. Абрамовича, В. И. Анискина, Ю. В. Бабкова, Е. В. Бебенина, Т. А. Букреева, В. В. Бушуева, В. В. Володина, А. И. Гайворонского, Б. П. Загородских, А. С. Козлова, С. И. Козлова, В. А. Лиханова, В. А. Лушко, В. А. Маркова, Г. С. Савельева, В. Г. Соколова и др.
Системы топливоподачи газодизельных двигателей В нашей стране активно развивается рынок природного газа, который охватывает большое количество автотракторной техники, данная ситуация способствует увеличению количества автоматических газонаполнительных компрессорных станций и инфраструктуры, что создает хорошие предпосылки для перевода сельскохозяйственной техники на газообразное топливо в нашей стране.
Существующие системы питания газодизелей можно разделить на следующие виды:
• Электронные системы с рычажно-механическим регулированием подачи • Инжекторные системы с центральным впрыском газа;
• Инжекторные системы с распределенным впрыском газа.
Электронные системы с рычажно-механическим регулированием подачи Этот класс систем представлен фирмами «Ловато», «Ланди Ренцо»
(Италия), GFI, ЕСО (Канада), Nippon (Япония) и др. Представленные этими фирмами системы применяются на двухтактных и четырехтактных двигателях, перекрывающих широкий мощностной диапазон: от мопедов до грузовых автомобилей большой грузоподъемности и автобусов.
В настоящее время, широкое внедрение получили электронные блоки управления, обеспечивающие новые функциональные возможности:
– регулирование количества подаваемого газа не только по разрежению во впускном коллекторе, но и по зонду для поддержания параметров токсичности в заданных пределах, а также по изменению температуры двигателя, воздуха и газа;
– поддержание стабильных оборотов холостого хода за счет регулирования подачи воздуха или топлива дополнительными шиберными или лопастными устройствами с электроприводом, управляемыми на основе данных от датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Введение элементов электронного регулирования в традиционные рычажномембранные системы, конечно, не устранило их основные недостатки (неравномерность дозирования газа по цилиндрам, большая инерционность газового потока, недостаточная надежность механических регуляторов давления).
В то же время, частичная электронизация позволила значительно увеличить стабильность работы оборудования, что при относительно невысокой стоимости сохраняет привлекательность механических систем для потребителя. Кроме того, жесткой проверки на токсичность отработавших газов в условиях повседневной чувствительными, по сравнению со стационарными) измерителями токсичности значительных отклонений от нормы не выявляет [6].
Необходимо отметить, что на механические системы в силу их сравнительной дешевизны приходится значительный объем рынка. В первую очередь следует назвать страны, в которых по лицензии выпускаются (и в ближайшие несколько лет будут выпускаться) значительные объемы автомобилей «доэлектронного» поколения, такие, как: Аргентина, Бразилия, Египет, Индия, Иран, Китай, Турция. Существенную долю рынка рычажно-мембранные системы сохраняют и в Европе [6].
Инжекторные системы с центральным впрыском газа микропроцессорными блоками управления, занимают промежуточное положение между эжекторными и инжекторными системами подготовки газовоздушной смеси с распределенной подачей. Они имеют следующие преимущества:
– стабильное дозирование газа независимо от внешних условий (степени засоренности воздушного фильтра, уменьшения плотности газа при повышении температуры);
– необходимость минимальной доработки двигателя при установке газовой системы (по сравнению с распределенной инжекторной);
– высокие энергетические показатели;
– стабильность параметров системы во времени;
– возможность коррекции состава газовоздушной смеси по зонду (при работе с 3х-компонентным нейтрализатором);
В то же время инжекторным системам с центральным впрыском газа присущ ряд недостатков, главными из которых являются [6]:
– значительная инерционность систем за счет больших паразитных объемов впускного ресивера;
– невозможность дозирования топливной смеси индивидуально для каждого цилиндра;
– выброс несгоревшего метана в выпускную систему за счет значительного перекрытия фаз открытия впускных и выпускных клапанов современных двигателей (снижение экономичности и увеличение выбросов СН).
Такие системы производят фирмы Woodward, GFI, AFS (Канада), Nippon (Япония); КамАЗ - МАДИ (Россия); «Мерседес-Бенц» (Германия).
Системы с центральным инжекторным впрыском применяют и такие известные фирмы Европы как VOLVO и SKANIA (Швеция), причем их специалисты считают, что такие системы – это разумный компромисс между ценой и качеством. При этом они признают, что дальнейшее совершенствование таких систем бесперспективно [6].
В России разработкой газодизельных систем занимается ряд предприятий:
ЗАО «Газомотор», НПФ «САГА», ООО «ППП «Дизельавтоматика», ЗАО «Автосистема» и др. Все работы в данном направлении не имеют достаточно широкого распространения и находятся в состоянии научного поиска.
Практически все разработки представлены в виде опытных образцов, требующих научных испытаний и апробации газового оборудования в условиях реальной эксплуатации.
Для сельского хозяйства предпочтительно применение газодизельного цикла, так как при этом дизель имеет возможность работать как на газообразном, так и на традиционном дизельном топливе, что повышает гибкость использования сельскохозяйственных тракторов, а также увеличивает продолжительность работы на одной заправке [6].
газотопливной системы с механическим всережимным эжекторным регулированием подачи газа. Она включает в себя две секции 2 и 3 по девять стальных баллонов объемом 50 литров с манометрами на каждой секции, заправочное устройство 7, магистральный вентиль 9, подогреватель газа 11 с подводом теплоносителя из системы охлаждения двигателя 21, редуктор высокого давления (РВД) 16, электромагнитный клапан с фильтром 20, редуктор низкого давления (РНД) 25.
Рисунок 1.1 – Принципиальная схема бортовой эжекторной системы подачи газа трактора К-701 при всережимном регулировании с механическим приводом дозатора газа.
Схема газодизельной топливной аппаратуры тракторов К-700А и К-701 с микропроцессорной системой управления подачей газа СЭРГ-500 производства ООО «ППП «Дизельавтоматика» (г. Саратов) показана на рисунке 1.2 [6].
микропроцессорная система укомплектована редуктором высокого давления и двумя параллельно соединенными редукторами-подогревателями низкого давления производства ОАО «Автосистема». Параллельное подключение двух редукторов позволяет добиться необходимого расхода газа при максимальной мощности газодизеля (50…55 м3/ч). Возможна установка одного доработанного двухступенчатого редуктора повышенной производительности НПФ «Сага», в этом варианте редуктор имеет две ступени – высокого и среднего давления.
Количество подаваемого газа в данной схеме регулируется газовым дозатором, который управляется системой электронного регулирования СЭРГв состав которой входят блок автоматического контроля системы (БАКС) и ряд необходимых датчиков [35].
Рисунок 1.2 – Система питания газодизеля под управлением СЭРГ-500.
Однако у данной системы не устранен недостаток предыдущей системы:
величина запальной дозы остается постоянной, а нагрузочный режим поддерживается регулированием расхода газа, т. е. осуществляется качественное регулирование мощности дизеля. При таком регулировании на режимах с частичной нагрузкой образуются бедные газовоздушные смеси, сгорающие хуже, чем смеси на основе дизельного топлива, что приводит к увеличению расхода топлива и выбросов продуктов его неполного сгорания (СН х, СО) [43]. Таким образом, системы эффективны только на режимах максимальной и близкой к ней нагрузок, на переходных же режимах доля газового топлива снижается вплоть до перехода в чисто дизельный режим. Кроме того, при фиксированном положении рейки и изменении частоты вращения изменяются цикловая подача топлива топливным насосом и, соответственно, запальная доза дизельного топлива, причем это изменение является неуправляемым, что также сказывается на эффективности работы двигателя [6].
С целью решения задачи динамического регулирования подачи как газа, так и запальной дозы дизельного топлива Саратовским государственным аграрным университетом им. Н. И. Вавилова совместно с НТЦ «Авангард» была разработана система для двигателя ЯМЗ-236, которая отличается от имеющихся тем, что механический регулятор частоты вращения двигателя полностью упраздняется (рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 – Схема системы питания дизеля с центральным впрыском газа.
На кулачковом валу топливного насоса установлен датчик частоты вращения, а на рейке – шаговый электродвигатель для ее перемещения и датчик положения топливной рейки. Рычаг управления оборудован датчиком углового перемещения. Управление осуществляется от электронного блока, который получает информацию с датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя (скоростной режим работы двигателя) и датчика положения рычага управления (нагрузочный режим работы двигателя) и устанавливает требуемую величину запальной дозы дизельного топлива (перемещением рейки топливного насоса) и газа (газовым дозатором). Таким образом, на всех режимах работы двигателя можно устанавливать соответствующее соотношение дизельного топлива и газа [22].
Еще одним решением задачи может послужить переход к количественнокачественному (смешанному) регулированию и ограничению максимального коэффициента избытка воздуха на уровне близком к оптимальному [22]. Именно такое регулирование реализуется в системе управления топливоподачей газодизеля «КамАЗ-7409.10». Она включает в себя электронный блок управления, газовую заслонку и электромагнитный клапан в магистрали подачи газа, заслонку во впускном трубопроводе после смесителя, кулачок-ограничитель для регулирования запальной дозы дизельного топлива (при работе с механическим регулятором частоты вращения), исполнительные механизмы управления заслонками и кулачком-ограничителем, датчики частоты вращения и разрежения во впускном трубопроводе после заслонки дозирования смеси [6].
Следует отметить, что электронное управление различными параметрами в настоящее время широко применяется на зарубежных газовых и газодизельных двигателях. В ходе испытаний такой системы были выявлены следующие недостатки [22]:
– значительная инерционность системы за счет больших паразитных объемов впускного ресивера;
– выброс несгоревшего метана в выпускную систему за счет значительного перекрытия впускных и выпускных клапанов (снижение экономичности и увеличение выбросов СН);
– невозможность дозирования топливной смеси индивидуально для каждого цилиндра, в результате его наблюдается непостоянство состава смеси в камере сгорания.
Для наиболее рационального использования дизельного и газообразного топлива Саратовским государственным аграрным университетом им. Н. И.
Вавилова совместно с ООО «ППП Дизельавтоматика» разработана система питания газодизеля с распределенной подачей газообразного топлива [22].
Конструкция системы с распределенным впрыском топлива (рисунок 1.4) отличается от серийных аналогов наличием газовых клапанов, установленных в воздушном коллекторе напротив каждого цилиндра двигателя, что обеспечивает распределенную подачу газа, и электронного регулятора положения топливной рейки ТНВД [22].
Конструкция системы также позволяет использовать эффект эжекции, заключающийся в передаче энергии потока газа, подаваемого под давлением через электромагнитный клапан в смеситель, потоку воздуха, поступающего из впускного коллектора при их турбулентном смешении, тем самым улучшая наполнение камеры сгорания во время цикла всасывания, т. е. увеличивает коэффициент наполнения камеры сгорания, который непосредственно влияет на мощность двигателя [22].
газообразного топлива.
Для повышения равномерности подачи топлива в системе применен газовый коллектор Его выходные патрубки расположены на одном расстоянии от впускного. Это позволяет добиться равного давления в трубопроводах, подводящих газ к газовым форсункам. Кроме того, коллектор выполняет функцию фильтра, задерживающего абразивные частицы, которые поступают вместе с газом.
В последние годы во многих регионах России (Рязанской, Владимирской, Пензенской, Самарской, Саратовской областях, Ставропольском и Краснодарском краях) активно реализуются программы по переводу автомобильного транспорта и сельскохозяйственных тракторов на газомоторное топливо. В отдельных хозяйствах указанных регионов работают тракторы К-700А, Т-150К, МТЗ-80/82, ДТ-75М (рисунок 1.5), РТМ-160 с газобаллонным оборудованием [107].
оборудованием Стимулированию перевода сельскохозяйственных тракторов на газомоторное топливо являются:
Комплексная программа по стимулированию широкомасштабного внедрения современных технологий перевода сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо (реализация поручения президента Российской Федерации В. В. Путина от 18 октября 2004 года № Пр-1686 ГС.
Проект предложений Минсельхоза России «О стимулировании широкомасштабного перевода сельскохозяйственной техники в частности перехода на использование газомоторного топлива» в соответствии с поручением Правительства Российской Федерации от 19 августа 2011 года №В3-ПII-5884.
утвержденный заместителем Председателя Правительства РФ А. В. Дворковичем от 14.11.2013 г. №6819п-П9 «Комплексный план мероприятий по расширенному использованию природного газа в качестве газомоторного топлива».
тракторной и сельскохозяйственной техники на природный газ на территории Саратовской области на 2011-2015 гг., утвержденный губернатором области.
Результаты экспериментальных исследований и опыт эксплуатации газодизельных сельскохозяйственных тракторов и автомобильного транспорта свидетельствуют об их значительном преимуществе по сравнению с дизелями, работающими на минеральном дизельном топливе.
К достоинству применения компримированного (сжатого) газа в дизельных двигателях следует отнести также экономическую целесообразность его использования.
Запальная доза существующих в настоящее время систем подачи газообразного топлива достигает 20-25 %, что позволяет экономить до 80 % дизельного топлива. В России экономическим стимулом для перевода на газомоторное топливо является постановление правительства РФ №31 от 15.01. г. «О неотложных мерах по расширению замещения моторных топлив природным газом», которое устанавливает, что стоимость 1 м3 природного газа для автомобильного транспорта и сельскохозяйственной техники не должна превышать 50 % стоимости 1 литра бензина марки А-76. Это постановление действует до настоящего времени.
Проведенные расчеты экономической эффективности работы трактора КА, оборудованного системой подачи газообразного топлива показали, что годовая экономия эксплуатационных затрат составляет 300603 руб. при сроке окупаемости капитальных вложений 1,06 года [22]. Расчет проводился при стоимости газообразного топлива 8 руб./м3, а дизельного топлива – 28 руб./кг.
В работе [107] Савельева Г. С. отмечается, что наиболее эффективно переоборудовать мощные тракторы (типа К-701) вследствие большей экономии дизельного топлива. В то же время постоянный рост цен на газобаллонное оборудование и топливо влияет на эффективность использования тракторов.
Повышение стоимости и монтажа газобаллонного оборудования для трактора КА системы с распределенным впрыском газа по эжекционному принципу, по сравнению с системой с центральным впрыском, в 3,5 раза компенсируется за счет увеличения разницы цен на дизельное топливо и газ в 2,5 раза позволило увеличить чистый дисконтированный доход в 2,4 раза [107].
Главное преимущество природного газа – его экологичность. Отработавшие газы двигателей, работающих на природном газе, содержат мало вредных веществ. По составу природный газ на 90-98 % состоит из метана – нетоксичного углеводорода, который при сгорании дает, главным образом, диоксид углерода и воду. Двигатель на природном газе производит примерно на 65 % меньше выбросов оксидов азота и на 80 % меньше выбросов твердых частиц, чем дизельный двигатель, оборудованный окисляющим каталитическим нейтрализатором [8, 52, 53, 70, 108].
Работа на природном газе предполагает и ряд других преимуществ. Он фактически не содержит серы, которая влияет на здоровье людей и приводит к окислению почвы и воды. Если брать все в комплексе, то отработавшие газы двигателя, работающего на природном газе, по наиболее вредным компонентам в несколько раз менее опасны, чем у двигателей, работающих на бензине или дизельном топливе [6].
Анализ токсичности и дымности отработанных газов дизеля и газодизеля показал, что дымность отработавших газов газодизеля ниже на 40 и более процентов по сравнению с дизельным двигателем. На 20 % происходит уменьшение концентрации оксидов азота (NO х ) в отработавших газах. При этом содержание выбросов СО и СН изменяется несущественно [46, 49].
Современные методики позволяют оценить не количество выбросов вредных веществ с отработавшими газами автомобилей, а экологическую опасность этих выбросов для человека (таблица 1.1) [105, 106].
Таблица 1.1 – Состав основных соединений отработавших газов дизелей Углекислый газ (СО 2 ), Окись углерода (СО), об.
Альдегиды в пересчете Акролеин (С 3 Н 4 О), об. 0,00010… Формальдегид (СН 2 О), 0,00010…… О, П, ПО, НС, рс, Сокращения, принятые в таблице 1.1: О – общее токсическое действие; Г – поражение зрительного нерва и сетчатки глаз, помутнение хрусталика, ожога роговицы; К – канцероген; КТ – яды, действующие на кроветворение (вызывают изменение количества лейкоцитов, эритроцитов и т.д.); КЯ – кровяные яды (вызывают непосредственное изменение состава крови); М – мутаген; Н – наркотики; НС – поражение нервной системы; НЯ – нервные яды (вызывающие судороги и параличи); П – поражение печени; ПО – поражение почек; рс – раздражают слизистые оболочки глаз и дыхательных путей; С – образование смога; СС – поражение сосудистой системы; У – удушающее действие; ПДК м.р.
– предельно допустимая местная разовая концентрация вещества в воздухе жилых массивов; ПДК с.с. – предельно допустимая среднесуточная концентрация в воздухе жилых массивов.
Большое значение с точки зрения климатических изменений (глобальное потепление) имеют наличие и объемы в продуктах сгорания «парниковых газов»
и, в первую очередь, двуокиси углерода. Чем выше отношение водорода и углерода (Н/С) в топливе, тем меньше образуется в продуктах сгорания СО х. С этой точки зрения природный газ предпочтительнее других видов топлива [105, 106].
содержание которого не должно быть ниже 90 % для газа марки А и 85 % – для газа марки Б. Содержание в них более тяжелых углеводородов ограничено с целью исключения отложений в газовой аппаратуре. Содержание негорючих составляющих (азот, кислород, диоксид углерода) также ограничено, так как их большая концентрация снижает теплоту сгорания топлива. При дросселировании газа, находящегося под высоким давлением, его температура значительно понижается и возможно выделение из газа кристаллов льда. Поэтому во избежание закупорки льдом элементов системы топливоподачи газ подвергается тщательному обезвоживанию. Лимитируется содержание в газе коррозионноагрессивных веществ (сера и ее соединения) [105, 106].
При исследовании дизеля Д-21А1, проведенном в Кировском СХИ выяснилось, что при работе двигателя по газодизельному циклу на режимах с неполной нагрузкой содержание в ОГ оксидов азота NO х оказалось меньше, чем при работе по дизельному циклу. Лишь на режимах с полной подачей топлива отмечено увеличение концентрации NO х в ОГ, что объясняется более жестким протеканием процесса сгорания газового топлива и повышенными температурами его сгорания. Кроме того, сжигание газового топлива практически не дает дымного выхлопа: содержание сажи в ОГ не превышает 0,1-0,2 единицы по шкале Bosch. При работе по дизельному циклу на режимах с полной нагрузкой дымность ОГ достигает 2,5 единицы по шкале Bosch. В то же время отмечается существенное увеличение содержания в ОГ монооксида углерода СО при работе двигателя по газодизельному циклу на режимах с неполной нагрузкой.
Концентрация СО в ОГ достигает на этих режимах 1,3 % (рисунок. 1.6) [35, 106].
Рисунок 1.6 – Зависимость концентраций оксидов азота С Noх, монооксида углерода С со в отработавших газах и дымности К х от нагрузочного режима (среднего эффективного давления р е ) дизеля Д-245, работающего по дизельному (1) и газодизельному (2) циклам на режиме с n = 1800 мин-1 и = 22° ПКВ до ВМТ.
Для снижения жесткости сгорания газового топлива, уменьшения выбросов NO х на режимах с полной нагрузкой и выбросов СО и СН х на режимах с неполной подачей топлива целесообразно применить количественнокачественный принцип регулирования газодизелей и ограничить максимальные значения коэффициента избытка воздуха на уровне, близком к оптимальному.
Необходимо оптимизировать геометрические размеры элементов топливоподающей аппаратуры [43].
Таким образом, одним из преимуществ применения газообразного топлива является снижение показателей дымности и токсичности отработавших газов.
Наиболее совершенными системами подачи газообразного топлива в двигатель считаются системы с распределенной подачей, но в открытых литературных источниках нет данных по показателям дымности и токсичности таких систем.
Отсутствует анализ выбросов с европейскими нормами токсичности ЕВРО-3, ЕВРО-4, ЕВРО-5 [43].
Безопасность тракторов, оснащенных газобаллонным Применение газового топлива в тракторных двигателях имеет и ряд недостатков, которые сдерживают широкое внедрение в эксплуатацию тракторов с газобаллонным оборудованием.
Как известно, газообразное топливо объективно является источником повышенной опасности. Природа повышенных эксплуатационных рисков при использовании газообразного топлива обусловлена теми же факторами, что и его преимущества перед жидкими топливами, а именно групповым химическим составом и агрегатным состоянием. Газ как горючее вещество по базовой характеристике – низшей теплоте сгорания – в расчете на массовую единицу не отличается существенно от других типов энергоносителей углеводородного ряда – бензинов или дизельного топлива. Газовоздушные и топливовоздушные смеси ведут себя практически одинаково, и как потенциальные источники пожаро- и взрывоопасности их можно считать равнозначными [52, 91].
Принципиальное отличие газообразного топлива от жидкого состоит в том, энергоносители хранятся в баллонах под повышенным давлением. Таким образом, в эксплуатационных условиях газ находится в механически неравновесном состоянии по отношению к внешней среде. Это обстоятельство является причиной дополнительной опасности потенциальной возможности разрушения газовых емкостей, находящихся под высоким внутренним давлением, т.е. взрывоопасности газовых баллонов [91].
При разгерметизации газового оборудования истечение газа во внешнюю среду происходит за счет внутренней энергии сжатого газа со значительно большими скоростями, чем это возможно для жидких видов топлива в аналогичных или сопоставимых условиях. Процесс истечения газа при аварийной разгерметизации газовых емкостей не может быть остановлен. В сочетании с большими скоростями истечения газа это приводит к образованию больших объемов горючей смеси в короткие промежутки времени. При воспламенении газовоздушных смесей, в силу указанных причин, тушение их практически невозможно. Еще одна специфическая особенность газообразного топлива способность к самовоспламенению за счет электризации и электрического разряда из-за высоких скоростей истечения во внешнюю среду [91].
Повышенную опасность газ представляет даже при незначительной разгерметизации и небольшой величине газовых потоков, если оборудование или газифицированное транспортное средство находится в закрытом, недостаточно вентилируемом помещении. В этом случае существует возможность постепенного накопления газовоздушной смеси и при наличии инициирующих факторов возникает опасность объемного взрыва [52].
указывающие на то, что газообразное топливо как объект эксплуатации действительно представляет большую опасность по сравнению с жидкими видами энергоносителей [36].
Вместе с тем, любое газообразное топливо является элементом комплементарной группы «газ - газовое оборудование». Как таковое оно не может быть использовано иначе, как только в составе этой группы. Поэтому непосредственной причиной актуальности проблемы повышенной опасности газообразного топлива является непосредственно газовое оборудование. Именно априори предполагаемая и фактически имеющая место неидеальность газового оборудования является причиной повышенных эксплуатационных рисков при использовании газообразного моторного топлива. Система мер по обеспечению безопасной эксплуатации газообразного топлива включает следующие основные требования [36]:
– периодическое освидетельствование газового оборудования на предмет герметичности, а газовых баллонов – на предмет механической прочности;
– обязательное (внеочередное) освидетельствование газовой аппаратуры после каждого ремонта оборудования или монтажа (демонтажа) отдельных его элементов;
– запрет на нахождение в закрытых помещениях и производство сварочных работ на газифицированном транспортном средстве с неопустошенными газовыми баллонами;
– запрет на эксплуатацию транспортного средства в случае обнаружения признаков утечек газа;
запрет эксплуатации газифицированного транспортного средства водителем, не прошедшим специальный курс обучения;
– осуществление текущего контроля герметичности газового оборудования органолептическим методом (т. е. по запаху), проведение которого вменяется водителю;
осуществление ежедневного контроля герметичности газового оборудования при выпуске транспортного средства на линию выпускающим контролером предприятия и специалистом заправщиком газозаправочной станции.
В настоящее время имеются инструкции по технике безопасности при эксплуатации автомобилей с газобаллонным оборудованием. Для тракторов такие инструкции разрабатываются отдельно каждым предприятием, выпускающим газобаллонное оборудование, которые не в полном объеме учитывают условия эксплуатации и особенно меры безопасности при проведении технического обслуживания.
Поэтому разработка мер по безопасности обслуживающего персонала тракторов с газобаллонным оборудованием при эксплуатации и техническом обслуживании является необходимым условием для их использования в сельском хозяйстве.
К недостаткам использования тракторов с газобаллонным оборудованием можно отнести увеличение эксплуатационной массы трактора, что негативно отражается на воздействии движителей трактора на агротехнические свойства почвы.
В Саратовском государственном аграрном университете им. Н. И. Вавилова были проведены исследования изменения свойств почвы после прохода трактора К-700А, оснащенного газобаллонным оборудованием [22], в ходе которых было установлено, что плотность почвы увеличивается на 2,5 %, твердость – на 3 %, глубина следа – на 3,14 %. Снижение давления в шинах с 0,12 до 0,10 МПа позволяет устранить этот недостаток.
Другой особенностью эксплуатации тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием, является то, что вследствие изменения расположения его центра тяжести ухудшается устойчивость трактора, которая характеризует его способность работать на продольных и поперечных уклонах без опрокидывания.
В общем случае различают продольную и поперечную устойчивость трактора.
Устойчивость может быть оценена статическими углами продольного и поперечного уклонов, на которых заторможенный трактор без прицепа и навесной машины может стоять, не опрокидываясь. При расположении трактора неподвижно на наклонной опорной поверхности, угол наклона которой соответствует одному из предельных углов, возникает опрокидывание под действием только сил тяжести. В процессе же движения на трактор могут действовать и другие силы, которые будут способствовать опрокидыванию трактора.
В условиях эксплуатации часто колесный трактор, заторможенный на уклоне или подъеме, не теряет продольной устойчивости, но при этом начинает сползать вниз по склону. В этом случае максимальная тормозная сила, которая может быть реализована в данных условиях, недостаточна для удержания трактора на склоне [45].
Современные тракторы по назначению в большей или меньшей степени универсальны: каждый из них предназначен для выполнения комплекса работ, различающихся технологическими процессами. Область распространения тракторов охватывает практически все климатические зоны и разнообразные почвенно-грунтовые условия страны. При этом работа сельскохозяйственных и промышленных тракторов происходит при непрерывно изменяющихся внешних воздействиях, значение и характер которых зависят от вида операции, состава агрегата, состояний окружающей среды и многих других факторов. Таким образом, существующие в настоящее время тракторы и сельскохозяйственные машины, осуществляющие технологические процессы по возделыванию и уборке сельскохозяйственных культур, созданы для выполнения определенных видов работ в соответствии с предъявляемыми к ним требованиям безопасности [36, 41].
Этими нормативными документами регламентируется минимальное значение угла поперечной статической устойчивости = 35° (при транспортной комплектации и колее).
Однако в результате модернизации тракторов, следствием которой является установка на трактор дополнительных агрегатов и оборудования, может значительно измениться устойчивость как самого трактора, так и машиннотракторного агрегата в целом. Как правило, установка на трактор дополнительного оборудования, имеющего значительную массу, приводит к повышению центра его тяжести. При установке восьми баллонов емкостью 80 л каждый для хранения компримированного газа на задней грузовой платформе трактора РТМ-160 происходит увеличение вертикальной координаты центра тяжести трактора на 100 мм и смещение горизонтальной координаты центра тяжести в сторону, противоположную направлению движения трактора, на мм [65]. Это, в свою очередь, приводит к изменению (как правило - к уменьшению) статических углов продольной и поперечной устойчивости, что негативно сказывается на безопасности.
Для тракторов с ломающейся рамой проблема устойчивости усугубляется еще и конструкцией таких тракторов. При этом при повороте трактора (при повороте полурам трактора на определенный угол друг относительно друга в горизонтальной плоскости) устойчивость трактора еще больше ухудшается.
Наряду с этим поперечная устойчивость тракторов с шарнирно сочлененной рамой вследствие наличия шарнира рассматривается как устойчивость сочлененной системы. Основное влияние на поперечную устойчивость такого трактора оказывают характер сочленения секций и ограничения их взаимного перемещения, которые зависят от шарнира [45]. Поэтому для таких тракторов обеспечение устойчивости при установке дополнительного оборудования является еще более актуальной задачей.
В Саратовском государственном аграрном университете им. Н. И. Вавилова проводились исследования [2, 23, 65] устойчивости тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием для работы по газодизельному циклу. На рисунке 1.7 представлена гистограмма предельных статических углов продольной и поперечной устойчивости трактора К-700А, оснащенного оборудованием для работы по газодизельному циклу [23].
Как видно из рисунка 1.7, все регламентируемые [36] параметры остаются в допустимых пределах. При этом установка газовых баллонов способствует более равномерному распределению нормальных реакций по ведущим мостам трактора и повышению тягово-сцепных свойств трактора [65].
Рисунок 1.7 – Предельные статические углы устойчивости трактора К-700А.
Таким образом, установка газобаллонного оборудования незначительно влияет на устойчивость газодизельных тракторов.
Однако при модернизации тракторов, служащих в процессе выполнения различных сельскохозяйственных работ в качестве энергетического (тягового) средства, необходимо учитывать, что в большинстве случаев трактор используется в составе машинно-тракторного агрегата (МТА). Навешиваемая на трактор в этом случае сельскохозяйственная машина может значительно изменить указанные характеристики устойчивости МТА. Это в большинстве случаев приводит к несчастным случаям при эксплуатации МТА.
сельскохозяйственные машины имеют центр тяжести, который смещен относительно продольной оси трактора в сторону. К таковым можно отнести, например, плуг, установка которого приводит к значительному смещению центра тяжести МТА и, как следствие, к значительному уменьшению статического угла поперечной устойчивости. Это подтверждается тем, что в процессе выполнения пахотных работ в составе МТА «трактор К-700А + плуг ПЛН-8-35» имеют место частые несчастные случаи, связанные с их опрокидыванием.
Аналогична ситуация и при выполнении транспортных работ, когда трактор транспортирует прицеп. В этом случае сила, вызываемая его сопротивлением при движении, может привести к значительному изменению угла продольной устойчивости трактора. Однако опрокидывание трактора назад маловероятно, так как потере продольной устойчивости предшествует потеря устойчивости движения и управляемости трактора, вызванная разгрузкой передних управляемых колес [45]. Это не относится к полноприводным тракторам с ломающейся рамой.
Оценка устойчивости трактора в агрегате с машиной в динамике представляет большие трудности ввиду большого числа взаимодействующих факторов, влияющих на устойчивость движения системы трактор-машина. При этом, так как обычно тракторы в составе МТА работают при небольших скоростях, а, следовательно, при относительно динамических силах, вызывающих изменение их устойчивости, целесообразно рассмотреть устойчивость тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием для работы по газодизельному циклу, именно в составе МТА.
В современных условиях одним из основных средств производства являются дорогостоящие тракторы типа К-700». Поэтому при их использовании для достижения большей экономии необходимо снижать эксплуатационные издержки.
Практика показывает, что обеспечение минимальных затрат на техническое обслуживание и ремонт тракторной техники возможен при реализации плановопредупредительной системы технического обслуживания и ремонта, дополненной рациональным использованием средств диагностики. Алгоритм и технологии диагностирования тракторов с газовым оборудованием в настоящее время разработаны недостаточно полно.
Как известно, событие, состоящее в отказе системы или ее элементов (в контексте проблемы безопасности это разгерметизация газового оборудования), имеет вероятностно-статистическую природу, т. е. момент его наступления заранее неизвестен и не может быть определен заранее. В силу действия принципа причинности любая реальная система, в том числе и описанная выше, может обнаружить факт отказа только после того, как он произошел.
Принципиально важное значение с практической точки зрения имеет время реакции, т. е. промежуток времени от момента фактического возникновения отказа до его регистрации системой.
Время реакции любой системы обеспечения безопасности, как показатель ее эффективности, очевидно, должно быть минимальным и в идеале стремиться к нулю. С этой точки зрения, эффективность существующих систем, если исходить из реальной динамики процессов истечения, воспламенения и сгорания газовоздушных смесей, практически равна нулю. Существенно важное значение имеет то обстоятельство, что реальный контроль ограничен во времени процедурой диагностики и поэтому ее результаты, в силу вероятностностатистической природы отказа, справедливы только и исключительно на момент ее осуществления. То обстоятельство, что в момент контроля утечки отсутствуют, не дает никаких оснований предполагать, что газовое оборудование будет находиться в исправном состоянии через час или, например, в ста метрах от места проведения диагностики. Таким образом, традиционная технология в принципе не позволяет осуществлять непрерывную диагностику состояния газового оборудования. Вместе с тем, как следует из обозначенной выше специфики поведения газообразного топлива и вероятностно-статистической природы явления, только непрерывный во времени, оперативный контроль герметичности всего газового оборудования эффективно и надлежащим образом решает проблему обеспечения безопасной эксплуатации газообразного топлива. Но в тоже время, в нашей стране отсутствуют руководящие документы, систематизирующие требования к эксплуатации автотракторной техники, работающей на компримированном природном газе.
В литературных источниках и нормативных документах перечислены не все виды обслуживания газобаллонного оборудования, что снижает его качество и влияет на эксплуатационную надежность [105, 106, 113].
Для поддержания в работоспособном состоянии такой системы необходимо иметь техническую документацию для проведения сервисного обслуживания. А для этого необходимо разработать перечень необходимых операций при проведении ежедневного технического обслуживания, ТО-1, ТО-2, ТО-3 и сезонного ТО. Газобаллонная аппаратура должна быть приспособлена для выполнения на должном уровне операций технического обслуживания и ремонта.
заложенная при конструкционном проектировании. При правильно организованной эксплуатации, вероятность внезапных отказов системы подачи газообразного топлива близка к нулю. При этом отдаляется наступление постепенных отказов.
Заправка сжатым природным газом осуществляется на автоматических газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС) и передвижных газонаполнительных компрессорных станциях (ПАГС) [105, 106, 113] Время наполнения газом изменяется в зависимости от производительности компрессора, количества транспорта, которое нужно заправить, и объема газовых баллонов машин.
Для наполнения каскада ресиверов в необходимой последовательности между компрессором и каскадом ресиверов используется панель приоритетного распределения газа.
Вкратце, существует три этапа приоритетного расхода газа в такой системе:
Первоначально, газ поступает непосредственно от компрессора в ресиверы высокого уровня через невозвратный клапан, пока распределительные клапаны закрыты давлением пружин клапанов, что эквивалентно давлению газа приблизительно 21 МПа.
Когда в ресиверах высокого уровня достигается давление 21 МПа, открывается распределительный клапан среднего ресивера, и газовый поток направляется в ресиверы среднего уровня. Невозвратный клапан в этот момент предохраняет ресиверы высокого уровня от разрядки [105, 106].
Аналогично, когда давление газа в ресиверах среднего уровня достигает МПа, открывается распределительный клапан низкого уровня и газ направляется в ресиверы низкого уровня. Невозвратный клапан препятствует разрядке ресиверов среднего уровня.
Наконец, когда давление газа в ресиверах низкого уровня достигает 21 МПа, все распределительные клапаны открываются и ресиверы всех трех уровней становятся одинаково заряжены газом до давления 21 МПа, что является сигналом для остановки компрессора.
Если во время наполнения ресиверов низкого уровня происходит падение давления в ресиверах среднего или высокого уровня, то распределительные клапана закроются в порядке приоритета.
Недостатком заправки тракторов с газобаллонным оборудованием является ее большая продолжительность. Поэтому необходимо разрабатывать новые способы заправки и устройства, позволяющие сократить время заправки газом.
Одним из преимуществ перевода сельскохозяйственных тракторов для работы на газомоторном топливе является уменьшение затрат на топливо. При работе дизеля по газодизельному циклу экономия дизельного топлива достигает 75-80 %.
Важным преимуществом использования газа в качестве топлива является улучшение экологических показателей. Использование природного газа в качестве топлива позволяет сельскохозяйственным тракторам выйти на нормы токсичности ЕВРО-4.
При использовании природного газа как топлива повышается ресурс цилиндропоршневой группы дизеля.
Для широкого использования в агропромышленном комплексе тракторов с газобаллонным оборудованием необходимо исследовать и дополнить нормативно техническую документацию по эксплуатации техническому обслуживанию:
– определить нормативные показатели устойчивости трактора при работе с навесными орудиями;
– дополнить технику безопасности при эксплуатации и техническом обслуживании;
– разработать алгоритм и технологию диагностирования;
– определить экологические показатели и оценить эколого-экономическую эффективность разработок.
В результате проведенного анализа сформулированы основные задачи исследования:
1. Теоретически и экспериментально определить устойчивость тракторов с газобаллонным оборудованием и навесными орудиями.
2. Обосновать эксплуатационно-технологические требования к сельскохозяйственным тракторам, оснащенным газобаллонным оборудованием.
3. Исследовать экологические показатели двигателя при работе по газодизельному циклу.
4. Определить экономическую эффективность предлагаемых разработок.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ
ТРАКТОРОВ, ОСНАЩЕННЫХ ГАЗОБАЛЛОННЫМ
ОБОРУДОВАНИЕМ РАБОТАЮЩИХ С НАВЕСНЫМИ ОРУДИЯМИ
В процессе выполнения различных сельскохозяйственных работ трактор должен работать без опрокидывания на уклонах различной величины. Это регламентируется предельными статическими углами продольного и поперечного уклонов, при которых трактор может стоять в заторможенном состоянии. Также эти углы служат определяющими параметрами для оценки продольной и поперечной устойчивости трактора. ГОСТ 12.2.019-2005 «Система стандартов безопасности труда. Тракторы и машины самоходные сельскохозяйственные.Общие требования» регламентирует значение угла поперечной статической устойчивости для тракторов тяговых классов 0,9 и более не менее 35 [37].
Наряду с этим различные сельскохозяйственные орудия, агрегатируемые с тракторами, могут значительно изменить значения вышеуказанных углов.
Поэтому для того, чтобы обосновать возможность работы машинно-тракторного агрегата в различных, условиях необходимо знание вышеуказанных углов.
Для определения теоретического значения статических углов устойчивости необходимо знать расположение центров тяжести как самого трактора, так и устанавливаемого на него оборудования.
Определение расположения центров тяжести тракторов Определение расположения центра тяжести трактора РТМ- Трактор универсально-пропашной РТМ-160 предназначен для работ общего назначения, а также для возделывания и уборки сахарной свеклы, овощей, картофеля и высокостебельных пропашных культур в составе широкозахватных, однооперационных и комбинированных агрегатов, навешенных сзади и спереди, с размещением на тракторе емкостей для семян, удобрений и гербицидов, выполнения пахоты навесными, в том числе оборотными плугами различных почв на глубину до 30 см, сплошной культивации, посева, уборки зерновых и др.
культур, а также транспортных и других работ общего назначения.
Эксплуатационная масса трактора с навесным оборудованием составляет 5575 кг. Основные размеры трактора представлены на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Основные размеры трактора РТ-М-160: *при колее В = Колея трактора В (рисунок 2.1) может иметь следующие значения: 1400;
1460; 1515; 1800; 2060 мм.
В стандартном исполнении трактор комплектуется шинами размерности 16,9R30, которые имеют ширину профиля 429 мм, наружный диаметр шины составляет 1475 мм.
При определении положения центра тяжести трактора РТМ- целесообразно использовать методику, изложенную в ГОСТ 30750-2001 [39].
Данный способ определения расположения центра тяжести трактора в целом заключается в следующем. Тракторы, представляемые на испытания, должны соответствовать требованиям ГОСТ 7057-2001 [40]. Центр тяжести определяют методом измерения реакции опор при установке трактора в следующие положения:
– горизонтальное;
– наклонное при поднятой передней (моторной) части;
– наклонное при поднятой кормовой (задней) части.
При этом площадка, на которой установлено весовое устройство (платформенные весы), должна иметь твердое основание.
Для определения горизонтальной продольной координаты измеряют реакцию F 2, вызванную массой трактора т на переднем мосту, и базу трактора d (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 – Схема к определению продольной горизонтальной координаты центра тяжести трактора: 1 – центр тяжести трактора; 2 – платформенные весы; 3 – линия отсчета по вертикали.
Горизонтальную продольную координату центра тяжести вычисляют по формуле (2.1) [39]:
Для определения вертикальной координаты h (рисунок 2.3) трактор подвешивают под углом 20-25° к горизонтали со стороны прицепного устройства.
Рисунок 2.3 – Схема к определению вертикальной координаты положения центра тяжести трактора.
Измеряют реакцию F 3 в месте контакта колеса с платформой весов. Далее измеряют расстояние d 1 от места контакта с платформой до линии подвешивания, после чего вычисляют расстояние с от центра тяжести до линии подвешивания по формуле [39]:
где d 1 – расстояние по горизонтали от места контакта колеса до F 3 – опорная реакция на месте контакта переднего колеса с После этого повторяют испытания, подвешивая трактор с другой стороны.
При этом сохранение угла подвеса трактора необязательно. Испытания повторяют, подвешивая трактор с обеих сторон; при этом сохранение угла подвеса трактора необязательно.
Координату h определяют в точке пересечения линии, параллельной линии оси подвеса на расстоянии с от нее, и перпендикуляра, проведенного на расстоянии x к линии, параллельной координате x и проходящей через крайние точки базы трактора.
Если результаты испытаний не совпадают, координаты h усредняют.
Для определения поперечной координаты y (рисунок 2.4) определяют нагрузки F 4 и F 5, создаваемые колесами с левой и правой сторон. Вычисляют расстояние b, положения центра тяжести с использованием ширины колеи d t, [39]:
F 4 – нагрузка, создаваемая колесами левого борта трактора, кг.
Поперечную координату центра тяжести у рассчитывают по формуле [39]:
где d t – расстояние от центра тяжести до продольной плоскости, проходящей через движитель трактора, установленный на Таким образом получают координаты расположения центра тяжести трактора. Положение центра тяжести указывают в миллиметрах от каждой из трех базовых плоскостей.
Рисунок 2.4 – Схема к определению поперечной координаты центра тяжести трактора.
Данную методику вполне можно использовать при определении положения центра тяжести трактора. Однако вследствие ее трудоемкости целесообразно вертикальную координату центра тяжести определить аналитически.
Первоначально по формуле (2.1) определим горизонтальную координату x (рисунок 2.2) расположения центра тяжести трактора. Для этого при помощи подкладных автомобильных весов «Мера ВТП-10» (рисунок 2.5) (в дальнейшем – автомобильных весов) определяли часть веса F 2 трактора, приходящуюся на переднюю ось трактора. Согласно проведенным замерам данный параметр составил F 2 = 32814 Н (3345 кг).
Для определения вертикальной координаты необходимо определить реакцию, действующую на заднюю ось трактора, стоящего под углом 20-25°. Для этого задние колеса трактора устанавливались на специальную платформу, высота которой H (рисунок 2.6) вместе с весами составляла 1141 мм. Угол наклона трактора при этом составлял 25°.
Рисунок 2.5 – Весы автомобильные переносные «Мера ВТП-10».
Рисунок 2.6 – Схема к определению расположения центра тяжести трактора РТМ-160: 1 – платформа; 2 – автомобильные переносные весы; 3 – трактор РТМЦТ – центр тяжести трактора.
Вертикальная координата центра тяжести трактора h ЦТ (рисунок 2.5) определится как:
где с – расстояние в горизонтальной плоскости между задней осью и Для определения горизонтальной координаты центра тяжести с рассмотрим равновесие трактора в наклонном положении. Уравнение равновесия будет выглядеть следующим образом:
g – ускорение свободного падения, м/с2; g = 9,81 м/с2;
R З – реакция на задние колеса со стороны платформы, Н;
d 1 – расстояние в горизонтальной плоскости между осями L – колесная база трактора, мм; L = 2700 мм (см. рисунок 2.1).
Из выражения (2.6) с учетом (2.8) имеем:
С учетом (2.9) выражение (2.5) принимает вид:
Реакция на задние колеса R З определялась при помощи автомобильных весов 2 (рисунок 2.5), устанавливаемых на платформе 1. При этом значение реакции определялось с троекратной повторяемостью, после чего было взято среднее арифметическое значение реакции R З = 10173 Н (1037 кг).
Вертикальная координата центра тяжести по формуле (2.10):
Горизонтальную поперечную координату центра тяжести y определяли по формуле (2.4). Для этого при помощи автомобильных весов определяли реакцию F 4, действующую на левое колесо трактора, среднее значение которой составило 27105 Н (2763 кг). После этого по формуле (2.3) определяли расстояние b:
Координата y по формуле (2.4):
Таким образом, центр тяжести трактора РТМ-160 имеет следующие координаты:
– горизонтальная продольная координата (относительно задней оси) – горизонтальная поперечная координата центра тяжести (согласно – вертикальная координата центра тяжести h ЦТ = 1239 мм.
Определение расположения центров тяжести полурам Трактор К-700А колесный, сельскохозяйственный, общего назначения, повышенной проходимости, тягового класса 50 кН. Предназначен для выполнения в агрегате с широкозахватными машинами сельскохозяйственных (вспашка и глубокое рыхление почвы, культивация, дискование, боронование, лущение стерни, посев, снегозадержание), транспортных, дорожно-строительных, мелиоративных, землеройных и других работ.
Эксплуатационная масса трактора в снаряженном состоянии составляет 12850 кг. Основные размеры трактора представлены на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7 – Основные размеры трактора К-700А.
Трактор комплектуется шинами размерности 28,1R26, которая имеет ширину профиля 750 мм, наружный диаметр шины составляет 1750 мм.
В связи с тем, что трактор К-700А выполнен по компоновке с шарнирно сочлененной рамой, две полурамы имеют возможность относительного поворота полурам (в горизонтальной плоскости до 35 и в поперечной вертикальной плоскости вокруг продольного шарнира до 16 [112]). При этом до определенного момента (до упора в ограничительные кронштейны) две полурамы трактора ведут себя как две отдельных части. В связи с этим для определения предельных статических углов продольной и поперечной устойчивости необходимо знание массы передней и задней частей (полурам) трактора, а также координат их центров тяжести. С этой целью были проведены соответствующие исследования (раздел 4.1), которые позволили определить указанные параметры.
2.2 Определение расположения центров тяжести Для переоборудования трактора РТМ-160 для работы по газодизельному циклу использовались цельнометаллические баллоны БТ-81-20-320/ производства Орского машиностроительного завода [65]. Емкость каждого баллона – 80 л, длина баллона – 1250 мм, диаметр баллона – 320 мм. Общее количество баллонов – 8 шт. Общая вместимость баллонов – 640 л. Для крепления баллонов на тракторе использовалась специальная кассета, представляющая собой сборную металлическую конструкцию из труб квадратного сечения с ложементами для крепления баллонов. Масса каждого пустого баллона составляет 56,8 кг, масса баллона, заправленного газом – 70,7 кг. Масса кассеты для установки баллонов – 55 кг. Масса кассеты в сборе с баллонами, полностью заправленными газом, равна 628 кг.
цельнометаллических баллона производства Первоуральского новотрубного завода емкостью 50 л каждый. Длина баллона – 1755 мм, диаметр баллона – мм. Масса пустого баллона – 76,2 кг, масса баллона, заправленного газом – 85 кг.
Масса кассеты для установки баллонов – 72 кг. Масса полностью заправленных баллонов вместе с кассетой – 2112 кг.
Для определения положения центра тяжести газобаллонного оборудования, включающего кассету и баллоны, использовалась методика, изложенная в [119].
Согласно данной методике координаты центра тяжести агрегата, состоящего из нескольких составных элементов, определяются из условия равенства моментов их сил тяжести относительно центра тяжести всего агрегата. При этом выражение для определения соответствующей координаты центра тяжести кассеты х Т, мм, в целом запишется как:
где G i – вес i-го элемента, входящего в состав агрегата, Н;
х i – соответствующая координата центра тяжести i-го элемента, В процессе определения расположения центра тяжести кассета разбивалась на более простые элементы, баллоны, а также две межрамные балки. В данном случае массой газопроводов и газовой топливной аппаратуры можно пренебречь ввиду из пренебрежимо малой массы по сравнению с указанными элементами.
Результаты определения координат центра тяжести кассеты представлены на рисунке 2.8.
Рисунок 2.8 – Координаты центра тяжести кассеты газовых баллонов трактора РТМ-160М.
Аналогичным образом определялись координаты центра тяжести газовых баллонов, использованных для переоборудования трактора К-700А (рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 – Координаты центра тяжести кассеты газовых баллонов трактора К-700А.
Определение расположения центра тяжести плуга ПЛН-8- Тракторы сельскохозяйственного назначения в большинстве случаев используются в качестве энергетических средств для проведения различных работ. При этом для осуществления технологического процесса используются различные сельскохозяйственные орудия, которые могут быть как прицепными, так и навесными. При этом используемые орудия могут значительно изменить распределение масс машинно-тракторного агрегата и, как следствие, его устойчивость в целом. Особенно это актуально для сельскохозяйственных орудий, у которых центр тяжести смещен относительно продольной оси трактора.
К таким орудиям относится навесной плуг ПЛН-8-35, используемый в агрегате с трактором К-700А.
Плуг лемешный навесной ПЛН-8-35 предназначен для пахоты под зерновые и технические культуры на глубину до 30 см почв, не засорённых камнями, плитняком и другими препятствиями, с удельным сопротивлением до 0,09 МПа (0,9 кг/см2), твёрдостью до 3,0 МПа (30 кг/см2) и влажностью 12-15 %.
Габаритные размеры плуга, мм: длина – 6730±200; ширина – 3475±100;
высота 1680±50. Масса плуга – 1735±52 кг.
Для определения расположения центра тяжести плуга при помощи программы «Компас 3D-V14» была создана 3D-модель плуга, на основе которой были определены основные масс-центровочные характеристики плуга (рисунок 2.10).
Рисунок 2.10 – Масс-центровочные характеристики плуга ПЛН-8-35.
В качестве точки отсчета для определения координат центра тяжести плуга была выбрана точка, расположенная на оси пальцев навески плуга на равном расстоянии от каждого пальца (рисунок 2.11).
Рисунок 2.11 – Расположение координатных плоскостей при определении масс-центровочных характеристик плуга ПЛН-8-35.
Как показано на рисунке 2.10, координаты центра тяжести плуга ПЛН-8- относительно точки отсчета (рисунок 2.11):
– продольная координата X = - 2650 мм;
– поперечная координата Y = 106 мм;
– вертикальная координата Z = 172 мм.
Таким образом нами были определены координаты центров тяжести тракторов, газобаллонного оборудования и плуга, необходимые для проведения дальнейшего расчета предельных статических углов устойчивости тракторов и машинно-тракторного агрегата.
2.4 Определение предельных статических углов устойчивости Как было сказано выше, в процессе работы трактор не должен опрокидываться. Установка дополнительных газовых баллонов может значительно повлиять на устойчивость трактора в целом вследствие повышения расположения центра тяжести.
В общем случае опрокидывание представляет собой вращательное опрокидывания, то есть это такой поворот трактора вокруг оси опрокидывания, при котором выполняется неравенство (2.12) [45]:
где М ОПР – опрокидывающий момент, Н·м;
М СТАБ – момент от сил, стремящихся вернуть трактор в исходное Под осью опрокидывания понимается прямая, около которой возможен поворот трактора в вертикальной плоскости на некоторый угол [45].
Продольная устойчивость против опрокидывания вперед или назад – это свойство трактора сопротивляться опрокидывающему движению вокруг поперечной оси опрокидывания [45]. Причем, прежде чем произойдет опрокидывание трактора, происходит перераспределение опорных реакций между осями трактора до того момента, когда одна из них станет равной нулю. В этот момент суммарный вектор сил тяжести компонентов трактора проходит через ось возможного опрокидывания. При этом наибольший угол подъема, при котором заторможенный трактор может стоять, не опрокидываясь, называется предельным статическим углом подъема limПОД. Аналогично трактуются предельные статические углы уклона ( limУК ) и поперечного уклона ( limУК ).
2.4.1 Обоснование компоновки газобаллонного оборудования на Газовые баллоны, предназначенные для хранения необходимого запаса газа при переоборудовании тракторов для работы по газодизельному циклу, на тракторах тяговых классов 0,9…2,0 в большинстве случаев могут быть установлены на крыше кабины трактора. В этом случае значительно повышается центр тяжести (вследствие высокого расположения баллонов). На тракторе РТМтакже имеется возможность установки газовых баллонов над задней осью трактора. Такой способ установки в меньшей степени увеличивает центр тяжести трактора в целом, но при этом может нарушаться обзорность назад с места водителя. Поэтому в данном случае целесообразно провести сравнительную оценку различного расположения баллонов на тракторе.
Для этого сначала рассмотрим равновесие трактора РТМ-160, оснащенного газобаллонным оборудованием, установленного на подъеме (рисунок 2.12).
Рисунок 2.12 – Схема к определению предельного статического угла подъема трактора РТМ-160 при различной компоновке газобаллонного оборудования.
В общем случае на трактор действуют силы тяжести GТ (обусловленная массой трактора) и GБ (обусловленная массой баллонов).
Рассмотрим равновесие трактора, стоящего на подъеме, относительно предполагаемой оси опрокидывания О'.
При расположении баллонов над задней осью трактора:
где hGТ – плечо приложения силы тяжести трактора GТ, мм;
hGб – плечо приложения силы тяжести баллонов GБ при их установке над задней осью трактора, мм;
lЦТб – горизонтальная координата центра тяжести баллонов, установленных над задней осью трактора, мм; согласно замерам, проведенным непосредственно на тракторе, lЦТб = 136 мм;
– вертикальная координата центра тяжести баллонов, установленных над задней осью трактора, мм; согласно замерам L – колесная база трактора, м; L = 2700 мм (рисунок 2.1).
При расположения баллонов на крыше трактора:
где hGб – плечо приложения силы тяжести баллонов GБ при их lЦТб – горизонтальная координата центра тяжести баллонов, установленных на крыше трактора, мм; согласно замерам lЦТб = – вертикальная координата центра тяжести баллонов, установленных на крыше трактора, мм; hЦТб = 3598 мм.
поверхности на переднюю ось RП равна нулю. При этом угол подъема ПОД равен предельному статическому углу подъема определения предельного статического угла подъема с учетом (2.14), (2.15), (2.17) запишутся в следующем виде:
– при установке баллонов над задней осью трактора:
– при установке баллонов на крыше трактора:
Для определения предельных статических углов уклонов трактора при различных вариантах расположения газовых баллонов рассмотрим равновесие трактора, стоящего на уклоне (рисунок 2.13).
В общем случае уравнение равновесия относительно предполагаемой оси опрокидывания О'' будет иметь вид:
где hGб – плечо приложения силы тяжести баллонов GБ при различных вариантах их установки (над задней осью или на Рисунок 2.13 – Схема к определению предельного статического угла уклона трактора РТМ-160 при различной компоновке газобаллонного оборудования.
выражений В момент опрокидывания трактора на уклоне реакция со стороны опорной поверхности на заднюю ось RЗ равна нулю. При этом угол уклона УК равен предельному статическому углу уклона limУК. Таким образом, учитывая (2.21)получаем выражения для определения предельного статического угла уклона:
– при установке баллонов над задней осью трактора:
– при установке баллонов на крыше трактора:
Для определения предельного статического угла уклона трактора lim необходимо рассмотреть равновесие трактора, стоящего на поперечном уклоне (рисунок 2.14) статического угла уклона трактора РТМ-160 при различной компоновке газобаллонного оборудования.
Составим уравнение моментов всех сил, действующих на трактор, относительно оси опрокидывания А. При этом, как и в случае предельных продольных углов опрокидывания, трактор будем первоначально рассматривать при бесконечно малом угле поперечного уклона:
где R ПР – реакция со стороны опорной поверхности, приходящаяся hGб – плечо приложения силы тяжести баллонов GБ на поперечном уклоне при различных вариантах их установки (над Плечи приложения соответствующих сил определятся из выражений:
В момент начала опрокидывания реакция со стороны опорной поверхности, на которой установлен трактор, R ПР равна нулю. Причем в этот момент значение угла УК будет равно предельному значению угла поперечной устойчивости limУК.
С учетом этого получим выражение для определения предельного статического поперечного угла уклона трактора:
Полученные таким образом выражения (2.18), (2.19), (2.24), (2.25) и (2.30) позволяют определить предельные статические углы устойчивости трактора при различном расположении газобаллонного оборудования. Также при помощи них можно определить предельные статические углы устойчивости трактора без баллонов, если принять массу баллонов равной нулю. Результаты расчета предельных статических углов устойчивости трактора РТМ-160 представлены на рисунке 2.15.
Рисунок 2.15 – Предельные статические углы устойчивости при различной компоновке газобаллонного оборудования.
Как видно из диаграммы, представленной на рисунке 2.15, установка газовых баллонов незначительно снижает предельный статический угол подъема трактора limПОД. Причем место установки газовых баллонов не оказывает влияния на данный угол устойчивости трактора (угол в обоих случаях снижается с 52,6 до 47,3 град).
На уклоне установка газовых баллонов над задней осью трактора несколько повышает (с 41,1 до 43,4 град) предельный статический угол продольного уклона limУК. В то же время при установке газовых баллонов на крыже предельный статический угол уклона трактора значительно снижается (до 36,7 град).
На поперечном уклоне в обоих случаях установка газовых баллонов приводит к уменьшению предельного статического угла поперечного уклона трактора limУК. Однако при установке газовых баллонов над задней осью трактора предельный статический поперечный угол уклона уменьшается гораздо меньше (с 36 до 34,1 град) по сравнению с установкой баллонов на крыше (угол уменьшается до 31,4 град).
Таким образом, при переводе трактора РТМ-160 на газодизельный цикл, баллоны наиболее целесообразно устанавливать над задней осью трактора, так как это практически не ухудшает устойчивость трактора.
2.4.2 Определение предельных статических углов устойчивости трактора К-700А в агрегате с плугом ПЛН-8- Определение предельного статического угла подъема Вследствие того, что трактор К-700А имеет шарнирно сочлененную раму, при которой имеется возможность относительного поворота полурам (в горизонтальной плоскости до 35 и в поперечной вертикальной плоскости вокруг продольного шарнира до 16 [112]). Причем до упора в ограничительные кронштейны две полурамы трактора ведут себя как две отдельные части.
С учетом сказанного рассмотрим равновесие машинно-тракторного агрегата (МТА), стоящего на подъеме (рисунок 2.16).
Рисунок 2.16 – Схема к определению предельного статического угла подъема машинно-тракторного агрегата.
Для этого составим уравнение равновесия МТА относительно предполагаемой оси опрокидывания трактора (точка О 1 ).
где hGп – плечо приложения силы тяжести передней полурамы hGз – плечо приложения силы тяжести задней полурамы hGПЛ – плечо приложения силы тяжести плуга GПл, м;
Согласно рисунка 2.19 имеем:
где ПОД – угол подъема, на котором установлен трактор, град;
l ЦТб и h ЦТб – соответственно горизонтальная и вертикальная заправленных газом, м; согласно проведенным выше расчетам и результатам замеров, проведенных непосредственно на тракторе, относительно предполагаемой оси опрокидывания О 1 рассмотрим схему, представленную на рисунке 2.17.
Рисунок 2.17 – Схема к определению расположения центра тяжести плуга.
Продольная координата центра тяжести плуга lЦТ Пл, мм, определится по формуле:
где Х ПТ – горизонтальная координата оси продольной тяги навески, – угол наклона продольной тяги навески, град; = 21°;
Х Пл – продольная координата центра тяжести плуга, мм;
– угол наклона плуга в поднятом положении, град; = 12°;
Z Пл – вертикальная координата центра тяжести плуга, мм;
Вертикальная координата центра тяжести плуга hЦТ, мм, определится по следующей формуле:
где Y ПТ – вертикальная координата оси продольной тяги навески, мм;
Плечо приложения силы тяжести плуга GПл при определении предельного статического угла подъема трактора определится по формуле:
С учетом (2.32-2.34, 2.37) уравнение (2.31) принимает вид:
Запишем выражение для реакции на передней оси R П, Н, которое запишется как:
Как было сказано выше, в момент опрокидывания трактора реакция R П = 0;
причем в этот момент угол подъема равен предельному статическому углу подъема ( ПОД = limПОД ). При этом колесная база L 0. С учетом сказанного выражение (2.39) запишется как:
После некоторых преобразований получаем выражение для определения предельного статического угла подъема трактора limПОД :
Подставив в выражение значение веса баллонов G Б = 0 или веса плуга G Пл = 0 можно определить значение критического угла подъема трактора без баллонов или без плуга соответственно. После подстановки численных значений получаем следующие значения предельного угла подъема трактора (МТА):
– для трактора без газовых баллонов и без плуга limПОД = 51,3;
– для трактора, оснащенного газовыми баллонами без плуга limПОД = 44,7;
– для трактора, оснащенного газовыми баллонами с плугом limПОД = 44,7.
Определение предельного статического угла уклона Для определения предельного статического угла уклона limУК рассмотрим равновесие трактора, установленного на уклоне (рисунок 2.18).
Рисунок 2.18 – Схема к определению предельного статического угла уклона машинно-тракторного агрегата.
относительно предполагаемой оси опрокидывания трактора (точка О 2 ).
Согласно рисунка 2.21 имеем:
где УК – угол уклона, на котором установлен трактор, град.
выражение для определения предельного статического угла уклона:
Подставив численные значения в выражение (2.47), получаем значение предельного статического угла уклона для трактора с баллонами и без них, а также в агрегате с плугом:
– для трактора без газовых баллонов и без плуга limУК = 46,3;
– для трактора, оснащенного газовыми баллонами без плуга limУК = 47,6;
– для трактора, оснащенного газовыми баллонами с плугом limУК = 56,0.
Определение предельного статического угла поперечного уклона Поперечная боковая устойчивость против опрокидывания представляет собой свойство трактора сопротивляться опрокидыванию вокруг продольной оси опрокидывания. При этом процессу опрокидывания первоначально предшествует перераспределение опорных реакций по бортам трактора. В тот момент, когда продольная ось, проходящая через центр масс, пройдет через ось опрокидывания, наступает предельное положение, при котором трактор опрокидывается.
Поперечная устойчивость трактора с шарнирной рамой необходимо рассматривать как устойчивость сочлененной системы. Основное влияние на поперечную устойчивость в данном случае оказывают характер сочленения секций и ограничения их взаимного перемещения, зависящие от шарнира.
Ограничители, блокирующие шарнир, допускают поворот одной секции относительно другой на угол 16 [112]. При этом с момента смыкания упоров трактор с шарнирной рамой можно рассматривать как единое целое.
Рассмотрим равновесие трактора, стоящего на уклоне. Первоначально, когда у трактора имеется возможность относительного поворота полурам (за счет шарнира), рассмотрим равновесие передней и задней полурам в отдельности (рисунок 2.19).
Рисунок 2.19 – Схема к расчету поперечной устойчивости машиннотракторного агрегата.
На рисунке 2.19 плуг условно не показан чтобы не загромождать рисунок.
Условие отсутствия начала опрокидывания передней полурамы запишется как:
где lim – предельный угол поперечной устойчивости для Таким образом, предельное значение угла поперечной устойчивости для передней полурамы составит:
Теперь рассмотрим равновесие задней полурамы (рисунок 2.19). Условие равновесия задней полурамы относительно оси опрокидывания О' запишется как:
где RПР – реакция правого борта трактора, приходящаяся на Плечи приложения сил тяжести соответствующих элементов определяются из выражений:
Опрокидывание задней полурамы трактора не произойдет до тех пор, пока значение реакции правого борта трактора не будет равно нулю. Исходя из этого можно записать:
С учетом (2.50)-(2.52) получим:
После некоторых преобразований имеем:
Таким образом, значение предельного угла поперечного опрокидывания для передней полурамы ( lim = 28,8) меньше, чем для задней с баллонами и плугом ( lim = 35,4). Поэтому для определения предельного значения угла поперечной устойчивости ( limУК ) рассмотрим такое положение трактора, когда передняя полурама повернется относительно задней до упора (т. е. на угол доп = 8). При этом трактор с этого момента будем рассматривать как одно целое. Составим уравнение моментов всех сил, действующих на трактор, относительно оси опрокидывания О':
В момент начала опрокидывания реакция R ПР = 0, причем значение угла УК будет равно предельному значению угла поперечной устойчивости limУК. С учетом этого после преобразований получим:
Подставив в выражение (2.59) численные значения соответствующих параметров, получаем следующие значения предельных статических углов поперечного опрокидывания:
– для трактора без газовых баллонов и без плуга limУК = 35,6;
– для трактора, оснащенного газовыми баллонами без плуга limУК = 33;
– для трактора, оснащенного газовыми баллонами с плугом limУК = 32,8.
Представим результаты определения предельных статических углов опрокидывания трактора виде столбчатых диаграмм (рисунок 2.20).
Рисунок 2.20 – Предельные статические углы опрокидывания трактора 1. Установлено, что для трактора РТМ-160 газовые баллоны наиболее целесообразно расположить над задней осью, так как в данном случае все углы статической устойчивости трактора соответствуют требованиям ГОСТ 30750-2001.
2. Установка газобаллонного оборудования незначительно ухудшает устойчивость трактора К-700А, а в некоторых случаях (на уклоне) даже улучшает ее. Устойчивость трактора, оснащенного газобаллонным оборудованием в составе машинно-тракторного агрегата с плугом ПЛН-8-35 в целом также соответствует ГОСТ 30750-2001.
3. Использование плуга практически не влияет на устойчивость МТА на поперечном уклоне. Вследствие этого никаких противопоказаний к установке газового оборудования на трактор нет.
3 ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
оснащенные двигателями ЯМЗ-236Д-2 и ЯМЗ-238НД3 соответственно.Тракторы располагают всем необходимым для внедрения современных энергоресурсосберегающих, экологически чистых технологий возделывания и уборки сельскохозяйственных культур. Двигатель трактора РТМ-160 оснащен газодизельной инжекторной системой с центральным впрыском газа, разработанной в СГАУ им. Н. И. Вавилова совместно с ООО «НТЦ Авангард» по договору с ОАО «НПК Уралвагонзавод».
Тракторы К-700А были оснащены газовым оборудованием производства ООО «ППП Дизельавтоматика». – СЭРГ-500 и системой распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу совместной разработки СГАУ им Н. И. Вавилова и ООО «ППП Дизельавтоматика» [6].
Исследования проводились в соответствии с программой и методикой, представленной на рисунке 3.1.
Эксплуатационные исследования проводились в соответствии с ГОСТ 7057Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний» и ГОСТ Р 52777Техника сельскохозяйственная. Методы энергетической оценки» при выполнении основных сельскохозяйственных операций: пахоты, культивации, посева, дискования. При этом определялись тяговое сопротивление агрегата, скорость агрегата, расход дизельного и газообразного топлива, показатели газоанализатора: концентрация СО, СН Х, NO Х и сажи (С). Для записи параметров работы трактора (частота вращения коленчатого вала дизеля, мин-1; расход дизельного топлива, кг/ч; расход газообразного топлива, м3/ч; крюковая нагрузка, кН; температура охлаждающей жидкости, °С; фактическая скорость трактора, м/с) использовался программный комплекс «Тракторинжект», разработанный ООО «ППП Дизельавтоматика».
Рисунок 3.1 – Программа и методика исследования.
Эксплуатационные исследования проводились в Марксовском районе Саратовской области на полях ООО «Горизонт-С». Необходимо отметить, что в данном хозяйстве уже имеется большой опыт эксплуатации тракторов, работающих по газодизельному циклу. На момент начала проведения эксплуатационных исследований в данном хозяйстве имелись три трактора КА, оборудованные системами центральной подачи газообразного топлива для работы двигателей по газодизельному циклу модели СЭРГ-500 производства ООО «ППП Дизельавтоматика», г. Саратов. Опытный образец системы распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу для работы двигателей по газодизельному циклу был смонтирован на тракторе КА, эксплуатирующемся в ООО «Горизонт-С».
Для измерения силы тяги на крюке использовался тензометрический комплекс.
Тензорезисторные датчики были соединены по параллельной схеме подключения (рисунок 3.1) Рисунок 3.1 – Схема подключения тенорезисторных датчиков: 1 – удлинитель; 2 – тензометрический датчик; 3 – весовой терминал ТВ-003П; 4 – нижняя тяга навески трактора.
сельскохозяйственных операций: пахоты (плуг ПЛН-8-35), культивации (культиватор плоскорез КПШ-9), посева (сеялка СЗС-2,1), дискования (борона дисковая БН-3,2).
газообразного топлива использовался «Тракторинжект» разработки ООО «ППП Дизельавтоматика», с помощью которого определялись:
– положение топливной рейки (процент запальной дозы, расход дизельного топлива);
– период открытия газовой форсунки и давление в газовом коллекторе (расход газообразного топлива); определяется при помощи датчика фазовой отметки угла опережения подачи топлива;
– частота вращения коленчатого вала двигателя.
Экспериментальные исследования устойчивости трактора оснащенного сельскохозяйственных орудий основывались на следующих нормативных документах:
– ГОСТ 12.2.002.1-91 «Система стандартов безопасности труда. Техника сельскохозяйственная. Методы оценки безопасности» [36];
– ГОСТ 12.2.019-2005 «Система стандартов безопасности труда. Тракторы и машины самоходные сельскохозяйственные. Общие требования безопасности»
[37];
лесопромышленные и лесохозяйственные. Методы контроля требований безопасности» [41].
Для определения предельных статических углов продольной и поперечной устойчивости использовалась специально изготовленная платформа и кран грузоподъемностью 10 тонн. Значение предельных углов наклона определялось при помощи отвеса и деревянного щита размерами 400400 мм, закрепленных на платформе [2, 3].
Для определения предельного угла (например, подъема трактора) на щите по отвесу регистрировалось горизонтальное положение платформы. После этого краном со стороны передней части трактора, установленного и закреплённого на платформе, поднимали платформу до отрыва передних колес. В момент отрыва на щите снова регистрируется угловое положение платформы, которое и является предельным статическим углом подъема трактора. Аналогично определялись предельные статические углы уклона и поперечного уклона.
Программа и методика проведения экологических эксплуатационных исследований системы подачи газообразного топлива по эжекционному принципу, смонтированной на тракторном дизеле ЯМЗ-238НД3, представлена на рисунке 3.2.
Определение количества вредных веществ в отработавших газах дизеля, работающего по газодизельному циклу эксплуатационных исследований системы подачи газообразного топлива по эжекционному принципу.
Исследования проводились с намерением определить эффективность эжекционного смешения при распределенной подаче газообразного топлива по сравнению с промышленными системами по экологическим показателям. А именно, подтверждение:
– зависимости концентрации основных видов токсичных веществ от мощности, развиваемой двигателем при работе по газодизельному циклу, под управлением экспериментальной системы;
– зависимости концентрации основных видов токсичных веществ от мощности, развиваемой двигателем при работе по газодизельному циклу, под управлением системы СЭРГ-500.
В качестве объекта исследования был выбран дизель ЯМЗ-238 НД3. Данный дизель был выбран вследствие того, что он широко применяется в качестве энергетического средства в сельском хозяйстве. Он является основным дизелем, которым комплектуются трактора тягового класса 50 кН (типа К-700А, К-701 и Ктакже он применяется на таких сельскохозяйственных машинах, как кормоуборочные комбайны КСК-100А-3 и «Марал» Е-281, комбайны зерноуборочные «Дон- 1500Б», СКР-7 «Кубань», КЭС-9-1 «Славутич», «Дони других видах различной сельскохозяйственной техники.
Экологические показатели содержания сажи в отработавших газах определяли с помощью газоанализатора «Автотест 01.04-П» II класса точности при номинальной частоте вращения коленчатого вала дизеля как по дизельному, так и по газодизельному циклу.
Двухкомпонентный газоанализатор «Автотест 01.04-П» II класс точности с каналом измерения дымности и встроенным термопринтером. Предназначен для измерения токсичности отработавших газов карбюраторных и дымности дизельных двигателей (за счет определения коэффициента и показателя ослабления светового потока). Также он позволяет производить измерение содержания СО и СН в отработавших газах. Содержит датчик тахометра, один буквенно- цифровой дисплей. Обладает функцией автоматической коррекции нуля, выходом на ПЭВМ RS-232 и возможностью работы с программным обеспечением «Автотест», а также в составе линейно-телеметрического комплекса и мотор тестерами. Имеет возможность подключения выносного табло, автослив конденсата, автоматическое отключение пробы, автокоррекцию и встроенный термопринтер.
Система распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу для работы дизеля по газодизельному циклу состоит из следующих элементов (таблица 3.1):
Таблица 3.1 – Состав комплекта системы подачи газообразного топлива по 4. Устройство исполнительное в сборе с кронштейном для крепления к ТНВД Для установки и запуска программы «Тракторинжект» необходим PCсовместимый персональный компьютер, удовлетворяющий следующим рекомендованным системным требованиям:
а) операционная система Windows ХР с установленным Servise Pack 2 и выше;
б) процессор Pentium с тактовой частотой не менее 1 ГГц;
в) оперативная память, не менее 256 Мб;
г) свободное пространство на жёстком диске, не менее 100 Мб;
д) наличие привода компакт-дисков;
е) наличие СОМ-порта (RS-232C).
Примечание: при отсутствии на компьютере СОМ-порта допустимо использование переходника USB-COM (RS232C).
Начало работы:
Подключить к блоку управления персональный компьютер посредством кабеля DB9F-DB9M.
Включить персональный компьютер.
Подать питание на блок управления включением массы трактора.
Запустить программу GazService 0.1.0.
Все дальнейшие исследования проводились в соответстви с вышеизложенными методиками.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И
ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАКТОРОВ,
ОСНАЩЕННЫХ ГАЗОБАЛЛОННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
4.1 Алгоритм и технология диагностирования Неисправности, как показала практика, не возникают сами по себе.Причины их появления могут быть различны. В процессе эксплуатации двигателя его детали изнашиваются, изменяется их геометрия, увеличиваются зазоры между парами трения. Износу «способствует» множество факторов: стиль вождения, условия эксплуатации, несвоевременное или/и неквалифицированное обслуживание, низкое качество горюче-смазочных материалов, работа с детонацией, калильным зажиганием, неисправными системами смазки и охлаждения и т.п. По мере износа двигателя его эксплуатация становится всё более обременительной, возрастают эксплуатационные расходы, появляются проблемы в работе. Эксплуатация изношенного двигателя приводит к его повреждению. Ремонт двигателя, получившего повреждения, требует больших капитальных вложений.
«