В кривошипно-шатунном механизме действуют силы от давления газов Fr, динамические силы, выраженные через фиктивные силы инерции Fj и центробежные K¢¢, силы трения и полезного сопротивления.
3.2 Определение усилий, действующих на поршневой палец вдоль оси цилиндра
Вдоль оси цилиндра на поршень действует сила давления газов и силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс.
Для удобства сложения сил давления газов Fr и сил инерции Fj возвратно-поступательно движущихся масс изображаем их в одинаковом масштабе, что позволяет графически получить суммарное усилие, действующее на поршневой палец
Силы давления газов определяем по формуле
, (68)
где Ps - текущее давление газов по индикаторной диаграмме, Па;
Po =98100 - атмосферное давление, Па;
D =0,094- диаметр цилиндра, м.
Сила инерции Fj складывается из сил инерции первого Fj1 и второго Fj2 порядков
(69)
где m - приведенная масса возвратно-поступательно движущихся частей, кг.
Приведенная масса возвратно-поступательно движущихся частей состоит из массы поршня и части массы шатуна. В расчетах принимаем
m=mп+0,275mш;
mп=254=1,76 кг;
mш=300=2,08 кг;
m=1,76 +0,2752,08=2,33 кг;
где масса поршня mп и масса шатуна mш найдены по величине удельной массы этих узлов, то есть массы, отнесенной к площади поршня. Для тракторных двигателей величины удельных масс поршня и шатуна имеют следующие значения: mп=254, mш=300
Силы давления газов и силы инерции принимаем положительными, если они действуют к оси коленчатого вала, и отрицательными, если они направлены от коленвала. Определив по формулам (35), (36) величины Fr и Fj для различных значений угла поворота кривошипа, строим график зависимости суммарного усилия, действующего на поршень вдоль оси цилиндра от угла α. Результат расчетов сводим в таблицу (смотри приложение).
Суммарная сила F∑, действующая на поршневой палец, раскладываем на две составляющие (рис 1):
Нормальную
(70)
и силу S, направленную вдоль оси шатуна
(71)
Силу S, действующую на шатунную шейку, разлаживаем на радиальную K¢ и тангенциальную Т составляющие, определяемые по формулам
(72)
(73)
Кроме того, на шатунную шейку действует центробежная сила вызванная вращением масс шатуна, приведенных к его нижней головке. Величину определяем по формуле
, (74)
где mнгш = 0.725mш =0,7252,08=1,508 – масса шатуна, приведенная к его нижней головке, кг.
Результирующая радиальная сила определяется алгебраической суммой составляющих и К', то есть
(75)
Основным назначением маховика является обеспечение заданной равномерности вращения коленчатого вала и возможности трогания трактора с места. Причиной неравномерности вращения коленчатого вала двигателя при установившимся режиме является периодический характер изменения крутящего момента.
Степень равномерности вращения коленчатого вала при установившимся режиме характеризуется коэффициентом неравномерности хода
, (76)
где wmax – максимальная угловая скорость вала, рад/с;
wmin – минимальная угловая скорость вала, рад/с;
wср – средняя угловая скорость коленчатого вала, рад/с;
В то же время величина d определяется из соотношения
, (77)
где Lизб – избыточная работа крутящего момента, Дж;
Io – приведенный к оси коленчатого вала момент инерции движущихся масс двигателя .
Для определения параметров маховика необходимо найти его момент инерции, который для тракторных двигателей равен
Iм = 0,825 Io, (78)
где Io определяется из (62), причем избыточная работа Lизб берется из
соотношений Lизб / Lср =0,17.
Средняя работа крутящего момента
Lср = Mср Dj= Mср4p, (79)
где Dj - один цикл работы двигателя, выраженный в радианах (для четырехтактного двигателя Dj = 4p);
Mср – средний крутящий момент.
I0=Lизб/dw2=Lср0,17/dw2
I0=Мсрp0,68/dw2
IМ=0,561pМср/dw2
Для нахождения Mср построим кривую изменения суммарного крутящего момента двигателя как функцию угла поворота a.
Для построения кривой моментов используется график касательных сил Т, учитывая, что для одного цилиндра
Mкрц = Тr
Определение крутящего момента многоцилиндрового двигателя производим путем суммирования крутящих моментов отдельных цилиндров, для чего на график Мкрц первого цилиндра накладывают графики Мкрц остальных цилиндров, учитывая сдвиг фаз q
Для четырехтактных двигателей q = 7200 / 4 =1800;
Суммирование производим как графически, так и аналитически, табличным способом (смотри приложение)
Средний крутящий момент
Мср=318 Нм;
Полученную величину Мср контролируем, используя формулу
Нм (80)
где Mе- эффективный крутящий момент;
ηмех - механический КПД
Ошибка ∆=(Мср.- Мср.гр)./ Мср..100=0. Используя формулы (60), (61), (62), находим Iм.
Предварительно принимаем, что средний диаметр маховика равен
Dср =2,5S=2,50,110=0,270 м, (81) где S – ход поршня.
Учитывая, что
, (82)
где mм – масса маховика.
, (83)
, (84)
(85)
Наружный диаметр маховика выбирается с учетом условия прочности, которое выражается в том, чтобы окружная скорость Vм на ободе маховика не превышала допустимой (для чугунных маховиков Vм≤70м/с, для стальных литых Vм≤100м/с, для стальных штампованных Vм≤110м/с)
(86)
Регуляторная характеристика тракторного двигателя показывает зависимость эффективной мощности , крутящего момента , частоты вращения коленчатого вала ,часового и удельного эффективного расходов топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов двигателя, работающего на регуляторе. Чаще всего регуляторную характеристику строим как зависимость названных параметров от частоты вращения коленчатого вала и крутящего момента двигателя. Регуляторная характеристика двигателя имеет две ветви: непосредственно регуляторную – при ne³nен и внешнюю скоростную или корректурную – при ne<nен. На корректурной ветви характеристики значения эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива рассчитываем в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя по формуле
(87)
, (89)
где - опытные коэффициенты, усредненные значения которых в зависимости от типа двигателя.
- относительная частота вращения коленчатого вала двигателя.
Остальные параметры двигателя определяем из следующих соотношений крутящий момент двигателя
Часовой расход топлива
. (91)
На регуляторной ветви принимается, что момент и часовой расход изменяются линейно от номинальных значений до и при
,
где: = 1.07 - коэффициент оборотов холостого хода;
= 0.25...0.3.- коэффициент, учитывающий долю расхода топлива на
холостом ходу от номинального режима.
Промежуточные значения параметров двигателя на регуляторной ветви определяются по следующим соотношениям. Крутящий момент на валу двигателя
. (92)
. (93)
Эффективная мощность
. (94)
Удельный расход топлива
. (95)
Результаты расчетов и построение теоретической регуляторной характеристики приведены в приложении.
5. Расчет и построение теоретической тяговой характеристики
Определив основные конструктивные и экономические характеристики (параметры) ДВС и трактора в целом, строим тяговую характеристику.
Тяговой характеристикой называют совмещенные графики зависимости мощности Nкр трактора, часового расхода топлива Gт, удельного расхода топлива qкр, рабочей скорости Vр, буксования и тягового КПД в зависимости от силы тяги на крюке. Тяговая характеристика позволяет получить наглядное представление о тяговых и топливно-экономических показателях на различных режимах работы трактора.
Основой для построения теоретической тяговой характеристики служат:
- тяговый расчет трактора,
- регуляторная характеристика двигателя проектируемого трактора,
- зависимость коэффициента буксования от силы тяги на крюке для заданного почвенного агрофона.
При расчете тяговой характеристики трактора определяем величины теоретической и действительной скорости , касательной силы тяги и крюкового усилия , крюковой или тяговой мощности , удельного крюкового расхода топлива на каждой передаче в функции от частоты вращения дизеля и а значения тягового КПД для номинальной частоты.
Расчетные формулы имеют вид
(96)
(97)
где - коэффициент буксования.
При расчете коэффициента буксования используем формулы, полученные путем аппроксимации усредненных опытных кривых буксования для различных агрофонов.
Для колесных тракторов
δ=(0,762у-1,646у²+1,404у³)/(10,167-32,5φ+28,333φ²), при у>0,5 (98)
δ=(0,29)/(10,167-32,5φ+28,333φ²), при у≤0,5
где
.
Касательная сила тяги, кН
. (99)
Сила сопротивления качению трактора, кН
. (100)
Крюковое усилие, кН
. (101)
Крюковая мощность, кВт
. (102)
Удельный крюковой расход топлива, г/кВт×ч
. (103)
Тяговый КПД
(104)
Теоретическая тяговая характеристика показывает, как в заданных почвенных условиях при установившемся движении на горизонтальном участке в зависимости от нагрузки на крюке трактора изменяются его основные эксплуатационные показатели: буксование ведущих органов, скорость движения, тяговая мощность, удельный расход топлива и тяговый КПД трактора.
При расчете и построении теоретической тяговой характеристики используем лицензированный программный продукт «EXCEL».
Литература
1. Астахов М.В., Корнилов Е.И. Калуга: МГТУ им. Н.Э. Баумана Калужский филиал, 1998.
2. Чудаков Д.А. Основы теории трактора и автомобиля. М.: Колос, 1972.
3. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. М.: Колос, 1984.
4. Львов Е.Д. Теория трактора. М.: Машгиз, 1952.
5. Балабин И.В., Прутин В.А. Автомобильные и тракторные колеса. Челябинск, 1963.
Страницы: 1, 2, 3
