с 01.09.2014 по настоящее время
Химки, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.03 Машиноведение и детали машин
Исследования проводили с целью испытания радиатора с полиуретановой сердцевиной. Работу выполняли в аккредитованной лаборатории согласно методике, изложенной в ГОСТ Р 53832-2010. Температура охлаждающей жидкости в системе двигателя с разработанным радиатором на заданных режимах работы стабильна, соответственно температурное поле воздушного потока на входе и выходе радиатора с полиуретановой сердцевиной также стабилизируются. Предложен коэффициент тепловых свойств радиатора, зависящий от внешних и внутренних температурно-динамических воздействий окружающей среды, построена диаграмма, отражающая зависимость температуры охлаждающей жидкости, протекающей в радиаторе, от создаваемой нагрузки трактора в процессе эксплуатации: . В этом выражении входящие показатели связаны с некоторыми ограничениями, среди которых можно обозначить, например, аэродинамическое сопротивление и аэрацию потока охлаждающей жидкости в системе ( ), неравномерность распределения воздушного потока во фронтальной части радиатора ( ) и другие ( ). Передаточные числа трансмиссии энергетического средства на всех передачах в коробке передач распределяются по закону геометрического ряда. В этом случае после включения очередной следующей передачи момент двигателя Мmin не выходит за пределы минимального значения, что требуется для сохранения высокой силы тяги трактора. Использование характеристики тягово-динамического баланса трактора может служить основой для общего анализа расчетно-экспериментальных режимов работы автотракторного полимерного радиатора
система охлаждения, теплообменник, полимерный радиатор, температурный режим, эффективность радиатора
Для эффективной работы двигателя внутреннего сгорания, устанавливаемого на мобильных энергетических установках, применяемых в агропромышленном комплексе, необходимо обеспечить стабильное поддержание его теплового режима. Это позволяет экономить топливо, предотвращает падение мощности и снижает износ цилиндропоршневой группы, что в свою очередь повышает безотказность работы и долговечность двигателя. Стабилизация температурного режима реализована с помощью системы охлаждения, к необходимым элементам которой относится радиатор. Поэтому вопросы повышения эффективности работы тракторных радиаторов представляются актуальными [1, 2, 3].
Цель исследований – обосновать возможность использования характеристики тягово-динамического баланса трактора для общего анализа режимов работы автотракторного полимерного радиатора.
Для ее достижения решали следующие задачи: провести общий анализ режимов работы автотракторного полимерного радиатора; режимов работы автотракторного полимерного радиатора на основе расчетно-экспериментальных режимов работы всей охлаждающей системы; предложить методику определения основных показателей температурно-динамической характеристики охлаждающей системы энергетического средства с учетом ее рабочих параметров, тепловых нагрузок и климатических условий.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили в аккредитованной лаборатории НПО «ТАЛИС» согласно ГОСТ Р 53832-2010 с учетом системного подхода (рассмотрение объекта как системы – целостного комплекса взаимосвязанных элементов).
Стенд был оборудован приборами для контроля и измерения температуры охлаждающей жидкости на входе и выходе из радиатора, расхода воздуха и жидкости, противодавления на выпуске в радиатор, разрежения воздуха после радиатора, температуры и давления воздушного потока перед радиатором и после радиатора.
Вопросы эффективного теплообмена в автотракторных системах охлаждения рассматривали на примере трактора МТЗ-82. В испытаниях использовали штатные алюминиевый и медный радиаторы, а также экспериментальный радиатор, изготовленный на основе полиуретановой сердцевины для системы охлаждения двигателя автомобиля с полиуретановыми трубками по фронту и без оребрения (производство отраслевой научно-исследовательской лаборатории теплообменных аппаратов им. В. В. Буркова СПбГАУ).
Тепловой аэрогидравлический стенд, входящий в состав экспериментальной установки для исследования теплотехнических характеристик радиатора с полиуретановой сердцевиной трактора МТЗ-82 комплектовался аэроконтуром металлической конструкции выполненным под размеры тракторного радиатора МТЗ-3 объемом 0,5 м3; полиуретановыми трубами диаметром 45 мм; гидравлическим вентелем 15б 1п Ду40; резервуаром для охлаждающей жидкости (воды) объемом 1000 л.; водяным насосом SAER BP3 400V; шкафом управления ТЭНами 27кВт (закрытый Ме на базе МПРТ-11-18Л); датчиком уровня свечного типа для неразборных конструкций; датчиком температуры терморезистора KTY-81-110; измерителями технологическими цифровыми ИТЦ420/ М4-2/ В/ t2570 (С2)/ ОК/ ГП и ИТЦ420/М3-5/В/t2570(С2)/PGM/ГП; преобразователем давления измерительным АИР – 10Н/ДИ/1140/НГ-06/ М20/ 12N/ t0550/ В02/ 0…250кПа/ GSP/ ГП; блоком клапанным ЭЛЕМЕР-БК-Е 1/ 2/ 5/ М/ 0/ Ф/ 02; КМЧ ТВУ; термометром сопротивления и термопреобразователем с унифицированными выходами; преобразователем давления измерительным Элемер-100; электромагнитным счетчиком-расходомером FLONET; барометром-анероидом метеорологический БАММ-1; гигрометром психрометрическим.
Результаты и обсуждение. Температурный режим охлаждающей системы энергетического средства в условиях эксплуатации с учетом системного подхода может быть представлен уравнением, которое выглядит следующим образом [2, 4]:
(1)
где Кп – геометрические параметры, м;
Вх – физико-химические свойства материалов;
Ку – условия протекания охлаждающей жидкости;
Вдор – дорожные условия (вид покрытия);
Gа – масса трактора, кг;
Pv – условия движения трактора (режимы);
Ватм – условия окружающей среды, влияющие на работу радиатора;
О – влияние человеческого фактора или режима автоматического управления (В – водителем или А – автоматически), а также другие факторы, влияющие на эксплуатационные параметры;
Ст – степень внешней засоренности радиатора;
Св – степень внутреннего загрязнения с учетом свойств используемой охлаждающей жидкости в радиаторе [4].
Таким образом, представленное уравнение учитывает воздействие таких составляющих, как конструктивные особенности радиатора; рабочий процесс с учетом конструктивных особенностей и условий работы трактора, эксплуатационные факторы (режим работы и климатические условия эксплуатации).
В процессе эксплуатации трактора на установившихся режимах, температура охлаждающей жидкости T/w в системе стабильна, соответственно температурное поле воздушного потока на входе и выходе радиатора также стабилизируются, так как факторы О(В;А) не учитываются [5]:
(2)
где T/L – температура воздушного потока полиуретанового радиатора, К;
Qдв – тепловыделение в охлаждающую систему двигателя;
Qрн – комплексный показатель удельной потенциальной теплоотдачи радиатора системы охлаждения;
GрL – расход воздуха через полиуретановую сердцевину радиатора, м3/час;
CPL – теплоемкость, Дж/(кг·К).
В представленном уравнении используется введенный авторами коэффициент тепловых свойств радиатора , который учитывает изменение теплового процесса в теплообменнике во время эксплуатации техники и зависит от внутренних и внешних нормальных условий, регламентированных Международным союзом практической и прикладной химии. Коэффициент тепловых свойств радиатора в общем виде может быть представлен в виде произведений коэффициентов, каждый из которых отвечает за возмущающие процессы и зависит от внешних и внутренних температурно-динамических воздействий окружающей среды:
этом произведении входящие показатели связаны с некоторыми ограничениями, происходящими в отдельно взятом рабочем процессе исследуемого радиатора. В качестве таких ограничений можно, например, обозначить аэродинамическое сопротивление и аэрацию потока охлаждающей жидкости в системе , неравномерность распределения воздушного потока во фронтальной части радиатора и так далее . .
Влияние эффективной мощности двигателя Д-240 на температурно-динамическую характеристику полимерного и штатного алюминиевого радиатора системы охлаждения отражает зависимость изменения температуры охлаждающей жидкости T/w во времени при скачкообразном изменении температуры измеряемой среды (рис. 1)
Определить степень нагрузки трактора можно с использованием уравнения тягового баланса, которое будет иметь следующий вид:
(4)
где ψ – объемная масса воздуха, кг/м3;
Ka – физические свойства окружающего воздуха;
Fa – вес трактора, кг;
Va2 – скорость движения трактора, м/с;
δ – средняя толщина волнообразного ребpa, мм;
j – теплофизические свойства жидкости в охлаждающей системы и полимерном радиаторе (антифриз, тосол, вода и др.);
g – ускорение свободного падения м/с2.
При условии движения энергетического средства на установившемся режиме уравнение тягового баланса будет иметь следующий вид:
(5)
Альтернативным вариантом определения степени нагрузки трактора может быть уравнение мощностного баланса, которое характеризует расход мощности силового агрегата трактора во время его эксплуатации. Общий вид мощностного баланса трактора в процессе эксплуатации может быть представлен в следующем виде:
(6)
Теоретически температурно-динамическая характеристика трактора зависит не от конструктивных особенностей двигателя, а от развиваемой мощности [5]. Следовательно, теплота, отводимая в охлаждающую жидкость, может быть рассчитана через мощность двигателя, развиваемую в процессе эксплуатации:
(7)
где Ne – мощность реализуемая двигателем, кВт;
a – коэффициент, полученный опытным путем.
При рассмотрении термодинамического процесса двигателя на максимальной мощности, единица теплоты, отведенной в жидкость системы охлаждения, на единицу мощности есть величина постоянная [8]. Следовательно, характеристику отводимой теплоты двигателя в охлаждающую жидкость можно представить как функцию зависимости от оборотов двигателя nдв в виде Qдв =f(nдв). Она будет схожа с функцией мощности реализуемой двигателем Ne в зависимости от оборотов двигателя nдв, которая будет иметь вида Ne=f1(nдв). Рассмотрим характеристику теплового баланса двигателя и теплопередачу радиатора при эксплуатации трактора на полной нагрузке с учетом изменения передач в пределах скорости от Vamin до Vamax. Для этого можно использовать график изменения теплового баланса двигателя и радиатора в зависимости от скорости Qдв = Qp = f2(Va)
(рис. 2) построенный в ходе ранее проведенных исследований [9, 10].
Если нанести на кривую температурно-динамической характеристики показатель Qрн согласно каждой передаче трактора в процессе его движения, то можно построить температурный график теплового баланса охлаждающей системы двигателя, работающего на полной нагрузке. С использованием температурных полей по каждой передаче можно определить температурную величину Δtнач на конкретной скорости и соответствующей передаче, учитывая при этом нагрузку трактора в процессе его эксплуатации либо при перевозке груза, либо в агрегате с сельскохозяйственной машиной. При комплексном рассмотрении сумма ΣΔtнач будет определяться относительно заданной скорости Va как частная величина, которая находится в виде точки на кривой Qдв. Аналогично с учетом той же передачи выбирается соответствующей точка на кривой Qрн. Например, для скорости движения трактора при максимальной нагрузке Vamax на соответствующей передаче: для первой передачи –
для второй передачи –
для третьей передачи –
где – начальный температурный напор соответствующего передаточного числа трансмиссии трактора на соответствующей j-ой передачи (I, II или III); nI, nII и nIII – передаточные числа соответственно первой, второй и третьей передачи; q – знаменатель геометрической прогрессии.
Передаточные числа трансмиссии трактора или энергетической машины на всех передачах в коробке передач распределяются по закону геометрического ряда. В этом случае после включения очередной передачи момент двигателя Мmin не выходит за пределы минимального значения, что требуется для сохранения высокой силы тяги трактора. Это можно продемонстрировать с помощью лучевого графика, на котором приводится зависимость номинальных и минимальных моментов двигателя после включения передач и силы тяги на ведущих колёсах Рк. Представленная характеристика (рис. 2) хорошо иллюстрирует соотношение изменения скорости трактора и значения начального температурного напора, то есть скорости трактора на пониженных передачах соответствуют большие значения напора температур ΔtI > ΔtII > ΔtIII. При этом необходимо учитывать, что при меньшем значении Δtji система охлаждения двигателя работает с большей эффективностью. С другой стороны, если трактор движется на частичных нагрузках и с постоянной скоростью Va, то количество теплоты исходящей от двигателя будет меньше значений , лежащих на кривой (см. рис. 2). Реализуемая мощность двигателя на преодоление сопротивление движению трактора, эквивалентна количеству выделяемой ею теплоты, которую можно рассчитать по формуле:
(8)
где – мощность двигателя работающий на частичных нагрузках, кВт;
ηтр – КПД трансмиссии.
В этом случае при движении трактора на полной нагрузке двигателя будут соответствовать меньшие значения как было указано выше. Каждый температурный напор соответствующий заданной передачи может быть определен следующим образом:
для второй передачи –
для третьей передачи –
При движении трактора на максимальной скорости кривые и пересекаются в точке δ. В данном случае показатели определяются в виде
Выводы. Отражение тягово-динамического баланса трактора в виде графического изображения температурно-динамической характеристики работы системы охлаждения двигателя может служить основой для общего анализа расчетно-экспериментальных режимов работы автотракторного полимерного радиатора и в целом охлаждающей системы с учетом нагрузок, климатических условий и рабочих параметров системы охлаждения (давления и температуры).
1. Оценка технического состояния машины по данным ее системы управления / В. И. Трухачев, О. Н. Дидманидзе, С. Н. Девянин и др. // Сборник трудов «Чтения Академика В. Н. Болтинского». М.: ООО «Сам Полиграфист», 2021. С. 10-19.
2. Тойгамбаев С. К., Дидманидзе О. Н. / Особенности разработки технологического процесса технического обслуживания тракторов в машинно-тракторном парке хозяйства // Вестник Курганской ГСХА. 2021. № 1(37). С. 74-80.
3. Дидманидзе О. Н., Большаков Н. А., Хакимов Р. Т. Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей путем совершенствования охлаждающих систем // Сборник статей III Международной научно-практической конференции «Автотранспортная техника XXI века». М.: «М-МЕГАПОЛИС», 2018. С. 29-45.
4. Научные основы математического моделирования процессов теплообмена в теплообменнике тягово-транспортного средства / О. Н. Дидманидзе, Р. Т. Хакимов, Е. П. Парлюк и др. М.: УМЦ «Триада», 2020. 106 с.
5. Хакимов Р. Т. Стендовые гидродинамические исследования моделей роторных алюминиевых радиаторов // Известия Международной академии аграрного образования. 2016. № 26. С. 24-27.
6. Хакимов Р. Т. Исследование макетных и опытных образцов роторных теплообменников для системы кондиционирования транспортных средств // Технико-технологические проблемы сервиса. 2016. № 2 (36). С. 46-51.
7. Бурков В. В. Алюминиевые теплообменники сельскохозяйственных тракторов и транспортных машин. Л.: Машиностроение, 1985. 240 с.
8. Гиршфельдер Дж. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Иностранная литература, 1961. 930 с.
9. Результаты испытаний полимерного радиатора системы охлаждения трактора МТЗ-80 / О. Н. Дидманидзе, Р. Т. Хакимов, Е. П. Парлюк и др. // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2020. Т. 14. № 1. С. 55-60.
10. Strategic assessment aspect of vehicles technical condition influence upon the ecosystem in regions / R. Khakimov, S. Shirokov, A. Zykin, at al. // Transportation Research Procedia: 12 th International Conference «Organization and Traffic Safety Management in Large Cities», SPbOTSIC. 2017. С. 295-300.
