Тимошенко В.Я, доцент кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка БГАТУ, канд.техн.наук, доцент,
Жданко Д.А., зав. кафедрой эксплуатации машинно-тракторного парка БГАТУ, канд.техн.наук, доцент,
Новиков А.В., профессор кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка БГАТУ, канд.техн.наук, доцент,
Шиш А.А., студент 4 курса агромеханического факультета БГАТУ
Рассмотрена необходимость периодического измерения эффективной мощности двигателей, как обобщенного показателя оценки их технического состояния.
The necessity of periodic measurement of the effective engine power as generalized indicator of evaluation of their technical condition.
Ключевые слова: мощность, двигатель, трактор, расход топлива, тормозной стенд, крутящий момент, техническое обслуживание.
Keywords: power, engine, tractor, fuel consumption, brake tester, torque maintenance.
В сельском хозяйстве Беларуси ежегодно расходуется более 600 тыс. тонн дизельного топлива. В основном это топливо используется самоходными машинно-тракторными агрегатами при выполнении механизированных работ. В себестоимости с.-х. продукции удельные затраты на топливо-смазочные материалы составляют до 30%, что требует особого внимания к их расходованию, поиску путей экономии и недопущению потерь.
Снижение этих затрат возможно, как за счет совершенствования применяемых технологий возделывания сельскохозяйственных культур, организации выполнения работ, так и за счет поддержания машинно-тракторного парка в работоспособном, технически исправном состоянии. Особая роль в этом принадлежит техническому состоянию двигателей.
Известно, что расход топлива дизелем является функцией частоты вращения его коленчатого вала и выбранного режима работы, т.е. положения рейки топливного насоса. При этом значение его максимальной эффективной мощности может не соответствовать паспортным данным из-за возможных неисправностей системы питания — топлива и воздуха подачи, механизма газораспределения, цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), системы охлаждения, если она не обеспечивает необходимый тепловой режим двигателя. Диагностирование указанных неисправностей достаточно трудоёмко и его целесообразно делать после того, как объективно установлено, что мощность двигателя упала ниже допустимого предела.
Таким образом, сделать объективное заключение о техническом состоянии двигателя представляется возможным по обобщенному показателю — значению его эффективной мощности. Однако её измерение требует наличия соответствующего оборудования, которое в настоящее время отсутствует не только в хозяйствах, но и в системе «Агросервис».
В хозяйствах Республики повсеместно на тракторы и даже самоходные машины устанавливаются топливомеры с возможностью записи расхода топлива во времени. Эти устройства находятся в ценовом пределе от 10 до16 млн. руб. и не являются высоконадежными. Подобными приборами оснащаются тракторы фермеров Западных стран, однако цель, преследуемая ими и нашими специалистами разная. Те устанавливают их главным образом для того, чтобы выбрать наиболее оптимальный режим работы, состав МТА и т. п., что обеспечивало бы наименьший гектарный расход топлива. В Беларуси такого же назначения приборы устанавливают с несколько другой целью — исключить сверхнормативный расход топлива, предупредить его хищение механизаторами.
Если сделать анализ всех причин сверхнормативного расхода топлива то может оказаться, что его хищение составляет малейшую его толику.
По данным исследований [1] из-за неисправностей двигателей трактора кл.5,0, если все они будут иметь место в течение года, суммарные потери топлива за год могут достичь 24…90 т/год.
Разумеется, что похитить такой объём, работающему на тракторе человеку, не под силу.
Поэтому самым верным и надежным путем предупреждения потерь топлива и снижения его расхода – это использование трактора и, прежде всего, его двигателя в исправном состоянии.
Исправным принято считать двигатель [2] фактическое значение эффективной мощности, которого не ниже 95% и не выше 107% ее номинального значения.
В свое время в Челябинском институте механизации сельского хозяйства в результате исследований было установлено [3], что механизаторы, работающие на энергонасыщенных тракторах, органолептически замечают падение мощности двигателя тогда, когда оно превышает 25% ее номинального значения.
В сущности, использование самоходной машины, трактора с таким состоянием двигателя влечет эквивалентный неоправданный перерасход топлива на 25% даже при абсолютно исправной системе питания.
Планово-предупредительной системой технического обслуживания машин в сельском хозяйстве [4] во избежание использования тракторов и самоходных машин с неисправными двигателями и перерасхода топлива предусматривается при проведении ТО-3 через 1000м-ч измерять мощность двигателя и удельный расход топлива. Нормативная годовая загрузка наших тракторов составляет 1000 часов в год, т.е. не менее одного раза в год необходимо измерить эффективную мощность двигателя каждого трактора. Вне зависимости от причины падения эффективной мощности двигателя оно приводит к пропорциональному росту расхода топлива.
Однако в картах технического обслуживания тракторов Беларус, включающих 56…57 операций не предусмотрены диагностические операции в т. ч. и определение мощности, а предусмотрены только операции по поддержанию исправности и работоспособности.
При проведении технического осмотра машинно-тракторного парка представители Гостехнадзора и ГАИ обращают внимание, главным образом, на внешний вид машин и состояние органов управления. Вопросам технического состояния тракторов и самоходных машин, от которых зависит эффективность их использования, Гостехнадзором внимания не обращается.
Как уже отмечено выше, часовой расход топлива, измеряемый при испытаниях дизеля при полной подаче топлива, является функцией частоты вращения его коленчатого вала, которая, в свою очередь, является функцией степени загрузки двигателя.
Поэтому для того, чтобы измерить максимальный расход топлива двигателем необходимо установить номинальный режим, т. е. номинальную частоту вращения коленчатого вала двигателя при максимальной подаче топлива насосом. Такой режим можно создать загрузкой двигателя с помощью тормозного стенда.
Для этих целей промышленностью СССР выпускался тормозной стенд КИ-4935 [5,6], где предусматривалось торможение двигателей через вал отбора мощности без снятия их с тракторов. Максимальная мощность двигателя, испытуемого с помощью такого стенда, составляла 55 кВт. Масса стенда 1800 кг и монтируется он на фундаменте, т.е. может использоваться только в стационарном режиме.
Известны роликовые тормозные стенды [5,7], позволяющие проводить испытания тракторов в т. ч. измерение эффективной мощности двигателя без снятия его с трактора. Однако они имеют большие габариты, громоздки и применяются только в стационарных условиях.
Преимуществом этих стендов перед обкаточно-тормозными стендами, используемыми для послеремонтной стендовой обкатки двигателей, является то, что испытуемый двигатель не требует снятия его с трактора.
То, что они маломощны и работают только в стационарном режиме, следует отнести к их недостаткам.
Подтверждением справедливости такого вывода может быть, то, что мощность современных тракторов уже превышает 300 л.с., а стационарное использование стенда требует приобретения его каждым сельскохозяйственным предприятием, либо доставки тракторов для испытаний на большие расстояния в райагросервис.
Известны несколько безтормозных методов оценки общего технического состояния дизелей измерением их эффективной мощности [2,5,8].
К ним относятся: — метод проф. Ждановского; парциальный;- динамический.
Однако использование их сегодня не представляется возможным, как из-за отсутствия необходимых рекомендаций, методик, приборов измерения мощности и необходимых исходных данных по современным мощным дизелям.
Кроме того, при использовании безтормозных методов определения эффективной мощности двигателей не представляется возможным определить максимальный часовой расход топлива, так как для этого требуется загрузка дизеля до номинальной частоты вращения коленчатого вала при положении рейки топливного насоса, соответствующего максимальной подаче топлива.
Ранее промышленностью выпускался имитатор нагрузки КИ-5653 [1, 5], который устанавливался на впускную трубу воздухоочистителя, и с помощью заслонки имитатора уменьшалось количество подаваемого в цилиндры воздуха. При этом снижалась частота вращения коленчатого вала дизеля до номинального значения и в этом режиме измерялся часовой расход топлива и определялся удельный. Это самый простой способ имитации нагрузки т.е. снижения оборотов дизеля при положении рейки топливного насоса, соответствующем максимальной подаче.
На протяжении ряда лет в Институте управления АПК Беларуси проводились исследования [1] потенциальных резервов экономии топливно-энергетических ресурсов в агропромышленном комплексе. Для определения максимального расхода топлива двигателем номинальной мощностью 200 л.с. была сделана попытка использовать имитатор нагрузки с целью снижения оборотов коленчатого вала до номинального значения при максимальной подаче топлива насосом. При этом было установлено, что имитатором нагрузки, даже при отключении отдельных цилиндров, снизить частоту вращения коленчатого вала и обеспечить стабильность работы двигателя такой мощности не представляется возможным, что дает основание утверждать о непригодности этого метода для определения максимального расхода топлива двигателем большой мощности.
Изложенное позволяет сделать вывод, что в настоящее время ни в с.-х. предприятиях, ни в предприятиях Белагросервиса нет устройств, с помощью которых можно было бы определять максимальный расход топлива двигателем при его номинальной загрузке без снятия его с машины. Однако знание максимального расхода топлива не позволяет определить удельный расход без знания значения максимальной мощности.
Одним из простых методов определения мощности дизеля является метод свободного разгона, при котором измеряется угловое ускорение коленчатого вала двигателя в режиме свободного разгона. Он позволяет определять эффективную мощность двигателя любой мощности.
За последнее десятилетие парк тракторов в Беларуси качественно поменялся. Снизилось общее количество тракторов, но возросла при этом единичная мощность их двигателей. Выпускаемые ранее ГОСНИТИ приборы «Импульс 12» и «ИМДЦ» оказались непригодными для измерения эффективной мощности новых мощных двигателей.
Для создания прибора на основе метода свободного разгона необходимо располагать данными о значениях моментов инерции вращающихся и поступательно движущихся масс двигателей приведенного к каленчатому валу, которые сегодня неизвестны.
Определение эффективной мощности двигателя по значению ускорения свободного разгона коленчатого вала возможно исходя из следующих теоретических положений. Эффективная мощность ДВС вычисляется по формуле [8]:
где J – приведенный момент инерции двигателя, Н·м·с2;
угловая скорость коленчатого вала, с-1;
угловое ускорение коленчатого вала, с-2.
Исходя из того, что приведенный момент инерции для однотипных двигателей величина постоянная, эффективная мощность будет зависеть от углового ускорения. Возможность диагностирования ДВС по не- равномерности вращения коленчатого вала обуславливается тем, что ускорение в каждый момент времени будет определяться выражением [8]:
где Мкрi — крутящий момент i-го цилиндра, Н·м;
Мсi – момент сопротивления i-го цилиндра, Н·м.
Таким образом, мгновенное значение ускорения является функцией суммарного крутящего момента и момента сопротивления. При повороте коленчатого вала угловое ускорение изменяется по закону изменения суммарного крутящего момента, приходящегося на такты сжатия и расширения. Следует отметить, что момент внутренних механических потерь изменяется незначительно, поэтому величина изменения ускорения является функцией изменения суммарного крутящего момента в период рабочих тактов двигателя. Неравномерность вращения коленчатого вала зависит от факторов, влияющих на суммарный крутящий момент, таких как герметичность камеры сгорания и качества топливно-воздушной смеси. Увеличение неравномерности вращения коленчатого вала свидетельствует о наличии неисправности в ДВС.
1. Потери топлива возможны при абсолютно исправной системе питания дизеля из-за неисправностей других систем и механизмов, техническое состояние которых определяет значение его мощности.
2. В целях исключения перерасхода дизельного топлива дизелем требуется периодический (1 раз/год) объективный контроль его удельного расхода, что возможно при наличии устройств для измерения мощности и расхода топлива.
3. Наиболее доступным из известных безтормозных методов определения эффективной мощности современных дизелей является метод свободного разгона.
4. Применение указанного метода для измерения мощности современных двигателей требует определения приведенных моментов инерции их вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс и с учетом этого обновление конструкции прибора ИМД-Ц, разработанного ГОСНИТИ.
1. Добыш, Г.Ф. Потенциальные резервы экономии топливно-энергетических ресурсов в агропромышленном комплексе/ Г.Ф. Добыш [и др.] – Мн.: ГУ «Учебно-методический центр Минсельхозпрода», 2005. – 137 с.
2. Бельских, В.И. Справочник по техническому обслуживанию и диагностированию тракторов / В.И. Бельских. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Россельхозиздат, 1986. – 399 с.
3. Казакевич, П.П. Обновление парка обкаточно-тормозных устройств и их импортозамещение / П.П. Казакевич, В.Я. Тимошенко // Агропанорама. – 2010. – №1. – С. 45-48.
4. ГОСТ 20793-2009. Тракторы и машины сельскохозяйственные. Техническое обслуживание.
5. Российский Интернет-портал [Электронный ресурс] / Поисковая система Yandex. – Режим доступа: http://www. avtoter.ru. – Дата доступа: 18.01.2012.
6. Жданко, Д.А. Теоретическое обоснование параметров гидравлического тормозного устройства обкаточно-тормозного стенда / Д.А. Жданко // Агропанорама. – 2009. – № 3. – С. 38–42.
7. Диагностирование тракторов: учеб. пособие / В.И. Присс [и др.]; под ред. В.И. Присса. – Мн.: Ураджай, 1993. – 240 с.
8. Куцко, В. А. Использование безразборных методов диагностики для определения технического состояния двигателей УТД-20 / В.А. Куцко // Новости науки и технологий». – 2007. – №2 (6).
1. Тимошенко Василий Яковлевич, доцент кафедры ЭМТП БГАТУ, к.т.н., доцент, тел. (8017) 267-23-43.
2. Жданко Дмитрий Анатольевич, зав. кафедрой ЭМТП БГАТУ, тел. (8017) 267-23-43.
3. Новиков Анатолий Васильевич, профессор кафедры ЭМТП БГАТУ, к.т.н., доцент, тел. (8017) 267-23-43.