close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Подогрев механической коробки передач транспортных средств селькохозяйственного назначения в условиях Сибири

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КУРНОСОВ АНТОН ФЕДОРОВИЧ
ПОДОГРЕВ МЕХАНИЧЕСКОЙ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО
НАЗНАЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СИБИРИ
Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического
обслуживания в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
НОВОСИБИРСК − 2016
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Новосибирский государственный аграрный университет».
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Долгушин Алексей Александрович
Официальные
оппоненты:
Картошкин Александр Петрович,
доктор технических наук, профессор,
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «СанктПетербургский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВО СПбГАУ), заведующий кафедрой автомобилей, тракторов и технического сервиса
Сырбаков Андрей Павлович,
кандидат технических наук,
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кемеровский государственный
сельскохозяйственный
институт»
(ФГБОУ ВО «Кемеровский ГСХИ»), доцент кафедры
эксплуатации и сервиса транспортных средств
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Башкирский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВО
Башкирский ГАУ)
Защита диссертации состоится «29» апреля 2016 г. в 14 часов на заседании
диссертационного совета ДМ 212.039.06 при федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования «ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления» (ФГБОУ ВПО
«ВСГУТУ») по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40а, телефон (факс): (3012) 4171-50; e-mail: office@esstu.ru.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим
направлять в адрес диссертационного совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВСГУТУ», автореферат и диссертация размещены на сайте: www.esstu.ru. Автореферат размещен на сайте:
www.vak2.ed.gov.ru.
Автореферат разослан «
»
2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
канд. техн. наук, доцент
Б. Д. Цыдендоржиев
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Для условий Сибири около 35% перевозок грузов в
сельскохозяйственных предприятиях приходится на месяцы, характеризуемые отрицательной среднесуточной температурой. Эксплуатация серийных транспортных
средств в условиях отрицательных температур сопровождается существенным
снижением теплового режима работы трансмиссии, двигателя, ходовой части, механизмов рулевого управления и других агрегатов и систем вследствие интенсивного теплообмена с окружающей средой.
Недостача тепловой энергии влечет за собой изменение физических свойств
применяемых в механизмах транспортных средств технических жидкостей и смазочных материалов, обусловливающих существенный рост непроизводительных
затрат энергии.
Основная доля грузооборота в сельскохозяйственном производстве России (до
73%) приходятся на автомобильный транспорт.
Наибольшее влияние на снижение технико-экономических показателей работы грузовых автомобилей в условиях отрицательных температур оказывает трансмиссия, особенно коробка передач (КП). Большинство современных трансмиссионных масел обеспечивают необходимую вязкость для работы КП без существенных потерь мощности и износа уже при температуре 273 К (0 °C). Исследования
показали, что при движении автомобиля в условиях отрицательных температур,
когда осуществляется передача крутящего момента через КП, температура масла в
ней достигает указанного значения, однако период ее разогрева сопровождается
значительными потерями мощности на прокручивание, повышенным износом деталей и, как следствие, числом отказов. При работе двигателя в режиме холостого
хода, когда практически исключается износ деталей КП, и температуре окружающей среды 243 К (минус 30 °C), продолжительность ее саморазогрева в значительной степени превышает максимально допустимое время работы двигателя без нагрузки. Сокращение времени нагрева трансмиссионного масла в КП в процессе
тепловой подготовки автомобиля при безгаражном хранении за счет подвода дополнительного количества тепловой энергии позволит решить указанную проблему.
В качестве источника тепловой энергии предлагается использовать теплоту
отработавших газов (ОГ), на долю которой приходится до 35 % теплоты сгоревшего в двигателе топлива. При этом, как показал анализ литературы, если кинетическая энергия ОГ находит широкое применение, в частности для улучшения газообмена в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, то тепловая практически не
используется.
Принимая во внимание тот факт, что в Сибири основным видом транспорта
сельскохозяйственного назначения является автомобили марки КАМАЗ, становится
актуальной и практически значимой разработка способа и средства подогрева механической КП на основе использования теплоты ОГ двигателя.
3
Степень разработанности. При анализе существующих способов и средств
подогрева агрегатов трансмиссии прослеживается тенденция к использованию теплоты, преобразованной из энергии внешних источников. Более того, предлагаемые
средства подогрева зачастую малоэффективны. При этом отсутствуют способы и
устройства, использующие тепловую энергию отработавших газов двигателя без
изменения геометрических параметров выпускного тракта. Для КП актуальной является возможность применения автономных средств подогрева, которые ускорят
процесс нагрева масла в начальный период ее работы независимо от внешних условий, используя тепловую энергию ОГ двигателя.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВО
«Новосибирский государственный аграрный университет» в рамках государственной темы № 01201155823 «Энергосберегающее использование транспортных машин в суровых климатических условиях».
Цель работы: повышение эффективности подогрева масла механической КП
транспортных средств сельскохозяйственного назначения при работе без передачи
крутящего момента в условиях Сибири за счет использования теплоты отработавших газов двигателя.
Объект исследования: процессы теплообмена механической КП при работе
без передачи крутящего момента, дополнительного источника теплоты и окружающей среды.
Предмет исследования: закономерности изменения теплового режима механической КП при работе без передачи крутящего момента совместно с дополнительным источником теплоты в условиях отрицательных температур.
Методика исследования. Поставленные задачи решены путем проведения
теоретических и экспериментальных исследований. В работе использован математический аппарат термодинамики, теплообмена, математической статистики, а также методы компьютерного моделирования с использованием прикладных программ.
Научная новизна диссертации:
1. Математическая модель процесса теплообмена механической КП при работе
без передачи крутящего момента, дополнительного источника теплоты и окружающей среды, позволяющая определить температуру трансмиссионного масла в
зависимости от условий окружающей среды и количества дополнительно введенной тепловой энергии.
2. Аналитические зависимости, описывающие совокупные процессы теплообмена механической КП, разработанной системы теплоснабжения и окружающей
среды, позволяющие определить температуру трансмиссионного масла в зависимости от условий окружающей среды, количества рекуперированной теплоты и суммарных потерь теплоты в системе теплоснабжения.
3. Повышение эффективности подогрева масла механической коробки передач
за счет рекуперации теплоты отработавших газов двигателя.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель процесса теплообмена механической КП при работе
без передачи крутящего момента, дополнительного источника теплоты и окружающей среды.
4
2. Аналитическое выражение, описывающее совокупные процессы теплообмена механической КП, системы теплоснабжения и окружающей среды.
3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивных и режимных параметров системы теплоснабжения, позволяющей ускорить процесс нагрева трансмиссионного масла механической КП в
условиях отрицательных температур за счет использования теплоты ОГ.
Практическая значимость работы:
1. Новые средства подогрева механической КП грузовых автомобилей, техническая новизна которых защищена двумя патентами Российской Федерации (RU №
119086 U1; RU № 130058 U1).
2. Рекомендации по проектированию системы теплоснабжения механической
КП грузовых автомобилей за счет использования теплоты ОГ в условиях Сибири.
3. Сокращение времени нагрева масла в коробке передач с 243 (минус 30 °C)
до 273 К (0 °C) на 20 минут и более.
Достоверность исследований подтверждается:
 корректностью применения апробированного математического аппарата
термодинамики и теплообмена;
 количеством экспериментов, проведенных с использованием поверенных
приборов и оборудования по признанной методике;
 согласованностью результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными.
Реализация работы. Результаты исследований внедрены в автомобильных
парках ООО «Новосибирскпрофстрой» г. Новосибирска и ЗАО имени Ленина Купинского района Новосибирской области, а также используются в учебном и научно-исследовательском процессах ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный
аграрный университет».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на региональной конференции «Студенческая наука − взгляд в будущее», проходившей в
КрасГАУ (г. Красноярск) в 2010 г.; на региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов «Состояние и инновации технического сервиса машин и оборудования», проходившей в НГАУ (г. Новосибирск) в 2012 и 2013 году.;
на научно-техническом совете Министерства сельского хозяйства Новосибирской
области, проходившем в ГНУ СибИМЭ (г. Новосибирск) в 2012 г.; на Всероссийском молодежном научном форуме «Наука, инновации и бизнес в АПК», проходившем в НГАУ в 2013 г.; на III этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов России,
проходившем в Саратовском ГАУ (г. Саратов) в 2013 в 2014 году.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ,
в том числе 4 публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента РФ на полезную модель.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии из 136 наименований, в том числе 7 на иностранном языке, 10 приложе5
ний. Она изложена на 148 страницах машинописного текста, включает 8 таблиц, 39
рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулированы
цель, объект и предмет диссертационного исследования, научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены
особенности использования грузовых автомобилей в зимний период, влияние условий окружающей среды на тепловой режим и температуры масла на эксплуатационные характеристики и интенсивность изнашивания механической трансмиссии,
представлен подробный анализ существующих способов и состояния технических
систем подогрева агрегатов трансмиссии, систем использования тепловой энергии
отработавших газов, показано, что для подогрева агрегатов трансмиссии целесообразно использовать тепловую энергию ОГ двигателя, а также сформулированы задачи исследований.
Повышению эффективности работы мобильных энергетических установок в
условиях эксплуатации посвящены работы Г.А. Акопяна, Н.Г. Бережнова, Ю.С.
Бугакова, Р.В. Буравкина, А.И. Госмана, А.П. Картошкина, А.К. Кисленко, Г.М.
Крохты, В.В. Москвина, С.П. Озорнина, М.М. Разяпова, Л.Г. Резника, Н.И. Селиванова, В.В. Соколова, А.П. Сырбакова, В.И. Пантилеенко и других ученых.
Анализ литературных источников показал, что работа агрегатов трансмиссии
машин, в частности грузовых автомобилей, сопровождается потерями эффективной
мощности двигателя на прокручивание, увеличением интенсивности изнашивания
деталей и, как следствие, повышением числа отказов, особенно в первые минуты
работы при открытом способе хранения в условиях отрицательных температур, на
что влияют вязкостно-температурные характеристики применяемых масел. Самым
энергоемким агрегатом трансмиссии является коробка передач, исследование тепловых процессов которой логично вести по определяющей характеристике − температуре масла.
Анализ способов и средств тепловой подготовки и снижения потерь мощности
в агрегатах трансмиссии в условиях эксплуатации, при котором рассмотрены работы Л.Г. Аниськина, В.В. Виноградова, П.М. Карпова, Я.И. Кувшинова, Ю.И. Пустозерова, В.С. Обрубова, А.И. Соловьева, С.А. Чернова, Л.В. Чешуина и других авторов, показал, что большинство из них не нашли широкого применения по причине
низкой эффективности, высокой трудоемкости или потребности во внешнем источнике энергии. Наиболее перспективным направлением развития способов снижения
потерь мощности в агрегатах трансмиссии является их подогрев за счет использования теплоты ОГ двигателя.
Теоретические исследования, направленные на ускорение процесса прогрева КП
за счет использования теплоты ОГ на основе закономерностей теплообмена, дают
основание выдвинуть рабочую гипотезу: повышения температуры масла механиче6
ской коробки передач можно достичь за счет использования теплоты отработавших газов двигателя.
В соответствии с поставленной целью исследования и состоянием изученности вопроса необходимо решить следующие задачи:
 разработать математическую модель процесса теплообмена механической
КП при работе без передачи крутящего момента, дополнительного источника теплоты и окружающей среды;
 разработать способ и обосновать параметры средства подогрева механической КП на основе использования теплоты ОГ двигателя;
 провести сравнительные испытания и дать экономическую оценку результатов исследования.
Во второй главе «Теоретический анализ теплового состояния механической коробки передач грузовых автомобилей при работе без передачи крутящего момента» проведен теоретический анализ изменения температуры трансмиссионного масла механической КП при работе без передачи крутящего момента совместно с дополнительным источником теплоты, в основу которого положены первое и второе начала термодинамики. В результате получены теоретические зависимости и обоснована целесообразность использования в тепловой энергии ОГ двигателя.
Тепловой баланс механической
КП (рисунок 1) при работе без передачи крутящего момента на неустановившемся режиме выглядит следующим
образом:
n
КП
 QД ,
 DiКП  QВКП  QПОВ
(1)
i 1
где
n
 DiКП − суммарные потери тепi 1
Рисунок 1 − Схема потоков теплоты
КП при работе без передачи крутящего момента совместно с дополнительным источником теплоты
лоты, связанные с изменением внутренней тепловой энергии коробки передач, Дж;
QВКП − количество теплоты, выделившееся в КП в результате преодоления сил сопротивлений прокручиванию, Дж;
КП
QПОВ
− количество теплоты, отведенное с поверхности коробки передач, Дж;
QД − количество теплоты, подведенное к коробке передач дополнительным источником, Дж.
7
Для анализа составляющих теплового баланса механической КП сделаем ряд
допущений:
1) влажность воздуха не оказывает влияния на потери теплоты в окружающую
среду;
2) потери с поверхности представлены конвективным теплообменом;
3) корпус КП представлен в виде трубы квадратного сечения;
4) среднединамическая температура поверхности корпуса КП равна среднединамической температуре масла;
5) среднединамическая температура поверхности системы теплоснабжения
равна среднединамической температуре промежуточного теплоносителя.
Суммарные потери теплоты, связанные с изменением внутренней тепловой
энергии коробки передач, описываются известным выражением:
n
 DiКП  mМ с М (TМ  Т ВП )  miДКП сiДКП (TМ  Т ВП ) ,
(2)
i 1
где
mМ и miДКП − масса масла и i-й детали КП соответственно, участвующих в теплообмене, кг;
КП
сМ и сiД
− удельные теплоемкости масла и i-й детали КП соответственно,
участвующих в теплообмене, Дж/(кг·К);
TМ – среднединамическая температура масла в КП, К;
TВП – среднединамическая температура обдувающего ветрового потока, К.
Количество теплоты, выделившейся в КП в результате преодоления сил сопротивлений прокручиванию определялось по формуле Крюкова А.Д.:
QВКП  N КП   ,
(3)
где N
КП
− мощность, теряемая в КП, Вт;
 − время работы КП, с.
КП
В выражении (1) величина QПОВ
определялась на основе закона НьютонаРихмана по выражению:
КП
КП
QПОВ
 QККП  К з   kКП  FПОВ
   (TМ  TВП ),
(4)
К з – коэффициент ослабления конвективного потока из-за загрязнения поверхности теплоотдачи;
КП
 k – средний по поверхности коэффициент конвективной теплоотдачи,
Дж/(м2·К·с);
КП
FПОВ
– площадь поверхности КП, участвующей в теплоотдаче, м2.
Решая совместно выражения (1)-(4), получаем известное уравнение теплообмена КП при работе без передачи крутящего момента с добавлением дополнительного источника теплоты, позволяющее определить среднединамическую температуру масла:
где
8
TМ  TВП 
QД  N КП  
КП
КП КП
К з   kКП  FПОВ
   mМ с М  miД
сiД
.
(5)
В выражении (5) величина QД представляет собой рекуперированную системой теплоснабжения (СТ) теплоту ОГ с учетом всех потерь согласно тепловому
балансу (см. рисунок 1):
n
СТ
QД  QГ   DiСТ  QПОВ
,
(6)
i 1
где QГ  рекуперированная теплота ОГ, Дж ( QГ  QГ  QГОСТ );
СТ
QПОВ
 количество теплоты, отведенное с поверхности системы теплоснабжения, Дж;
n
 DiСТ  суммарные потери теплоты, связанные с изменением внутренней теi 1
пловой энергии системы теплоснабжения, Дж.
В выражении (6) слагаемые определялись следующим образом:
 рекуперированная теплота ОГ:
QГ  2 Р СТ k (TГ  TПТ ) ,
где  − математическая константа;
(7)
 Р − длина поверхности рекуператора, м;
 СТ − время работы системы теплоснабжения, с (  СТ   );
k  − суммарный коэффициент теплопередачи на единицу длины рекуператора, Дж/(м·К·с);
TГ − среднединамическая температура ОГ двигателя, К;
TПТ − среднединамическая температура промежуточного теплоносителя системы теплоснабжения, К.
 внутренние потери теплоты и потери теплоты с поверхности системы теплоснабжения аналогично выражениям (2) и (4):
n
 DiСТ  тПТ сПТ (TПТ  TВП )  тiДСТ сiДСТ (TПТ  TВП ) ,
(8)
i 1
СТ
где тПТ и тiД
− масса промежуточного теплоносителя и i-й детали системы теп-
СТ
iД
сПТ и с
лоснабжения соответственно, участвующих в теплообмене, кг;
− удельные теплоемкости промежуточного теплоносителя и i-й детали системы теплоснабжения соответственно, участвующих в
теплообмене, Дж/(кг·К).
СТ
СТ
QПОВ
 QКСТ  К зСТ   kСТ  FПОВ
 СТ  (TПТ  TВП ),
(9)
9
где К зСТ – коэффициент ослабления конвективного потока из-за загрязнения поверхности теплоотдачи системы теплоснабжения;
СТ
 k – средний по поверхности коэффициент конвективной теплоотдачи системы теплоснабжения, Дж/(м2·К·с);
СТ
FПОВ – площадь поверхности системы теплоснабжения, участвующей в теплоотдаче, м2.
Подставив (7)-(9) в (6), получаем:
СТ
QД  2 Р СТ k  (TГ  TПТ )  К зСТ   kСТ  FПОВ
 СТ  (TПТ  TВП ) 
 тПТ сПТ (TПТ  TВП )  тiДСТ сiДСТ (TПТ  TВП ).
(10)
Согласно формуле (10), количество теплоты, переданной системой теплоснабжения маслу КП, достигнет значения в 1150 кДж (для
установленного минимально необходимого дополнительного нагрева)
за 17 минут (см. рисунок 2) при
площади соприкосновения рекуператора со стенкой выпускной системы 0,12 м2, при этом за 40 минут
количество переданной теплоты
составит около 2200 кДж, что повысит температуру масла в КП на
10...13 К. Тепловой поток, переданный трансмиссионному маслу за
рассматриваемый промежуток вре-
Рисунок 2 − Расчетные зависимости составляющих теплового баланса системы
теплоснабжения ( VВ  12 м/с, TВП  243 К)
мени, составит в среднем 870...920 Вт.
Подставив полученное значение QД в (5), получаем:
2 Р СТ k (TГ  TПТ )

КП
К з   kКП  FПОВ
   mМ сМ  miДКП сiДКП
СТ
N КП    (TПТ  TВП )  ( К зСТ   kСТ  FПОВ
  СТ  тПТсПТ  тiДСТ сiДСТ )
TМ  TВП 

КП
К з   kКП  FПОВ
   mМ сМ  miДКП сiДКП
(11)
.
С использованием формулы (11) получены теоретические зависимости, отражающие повышение температуры трансмиссионного масла КП при работе без передачи крутящего момента совместно с системой теплоснабжения (см. рисунок 3).
Анализ полученных зависимостей позволил оценить влияние условий окружающей среды на тепловое состояние агрегата при работе совместно с системой
теплоснабжения. Так, понижение температуры окружающего воздуха при нулевой
скорости с 265 (минус 8 °C) до 243 К (минус 30 °C) сопровождается снижением
10
температуры масла в КП после
40 минут работы с 295 (22 °C)
до 282 К (9 °C). Изменение
293
скорости обдувающего потока
2
воздуха оказывает заметное
10 3
283
влияние на температуру масла
4
только после 10 минут работы
273
0
агрегата. После 40 минут разница температуры масла при
-10
263
обдуве воздухом постоянной
температуры со скоростью 0 и
22
К
-20
253
12 м/с составляет 6...8 К.
18 - 26 мин.
8 мин.
Достижение температуры
243
0
7 8 10
20
25 30 33
40
масла значения 273 К проис1 - 265К, 0 м/с; 2 - 265К, 12 м/с; Время, мин.
ходит за 25...33 минуты при
3 - 243К, 0 м/с; 4 - 243К, 12 м/с
температуре окружающей среРисунок 3 − Теоретические зависимости изды 243 К и различной скорости
менения температуры масла в механической
обдувающего потока воздуха.
КП при работе совместно с системой теплоПовышение температуры возснабжения
духа до 265 К при аналогичном изменении его скорости приводит к сокращению времени прогрева на 18...26
минут.
Полученные результаты позволяют производить расчет изменения температуры масла КП при работе без передачи крутящего момента с учетом используемой
теплоты ОГ и различных условий окружающей среды и обосновывает возможность
использования теплоты ОГ в целях ускорения процесса прогрева КП. Данный алгоритм положен в основу обоснования рациональных параметров системы теплоснабжения.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» изложена
методика экспериментальных исследований, в процессе которых предстояло решить
следующие вопросы: проверить правомерность принятых допущений в теоретической модели, собрать данные для расчета изменения температуры масла КП, найти
уравнение связи между выбранными факторами и температурой масла; приведено
описание измерительной аппаратуры, экспериментальных установок, принятых
способов обработки экспериментальных данных.
В качестве объекта экспериментального исследования была взята коробка передач модели 142 автомобиля КАМАЗ, серийно выпускаемая промышленностью и
наиболее распространенная в сельскохозяйственном производстве среди грузовых
автомобилей. Для решения поставленных вопросов на кафедре эксплуатации машинно-тракторного парка Инженерного института ФГБОУ ВО Новосибирского
ГАУ была создана экспериментальная установка №1, состоящая из коробки передач модели 142 автомобиля КАМАЗ, асинхронного электродвигателя
5АМХ13254УЗ (ГОСТ Р 51689-2000) для вращения первичного вала с частотой
Температура
масла в КП, К
Температура
масла в КП, °C
1
20
11
550...600 мин-1, осевого вентилятора В06-300 №4 (ГОСТ 11442-90) для создания
обдувающего потока воздуха и комплекта контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры. Снятие необходимых характеристик и обработка статистических данных, полученных в результате испытаний, проводилась по стандартным
методикам и соответствующим ГОСТам.
Экспериментальная проверка адекватности разработанной аналитической модели, а также исследование влияния значимых факторов на диагностический параметр и
сравнительные испытания проводились на экспериментальной установке №2. Данная
установка состоит из автомобиля КАМАЗ с коробкой передач модели 142, системы
теплоснабжения, контрольно-измерительного блока и блока ЭВМ (см. рисунок 4).
Рисунок 4 − Структурная схема экспериментальной установки № 2:
1 − выпускная труба; 2 − рекуператор; 3, 7 − электромагнитные клапаны; 4, 9 − датчики
температуры; 5 − расширительный бак; 6 − жидкостный насос; 8 − теплопотребитель.
Система теплоснабжения передает теплоту ОГ через рекуператор 2 и теплопотребитель 8 трансмиссионному маслу посредством промежуточного теплоносителя,
движение которого осуществляется жидкостным насосом 6. Температурный режим
в системе и КП контролируется при помощи датчиков температуры 4 и 9 соответственно и регулируется электромагнитными клапанами 3 и 7, которые при необходимости изменяют поток промежуточного теплоносителя с а-в-в1-а1 на б-а-а1-б1,
заполняя рекуператор воздухом из верхней части расширительного бака 5, тем самым предотвращая теплоноситель и масло от перегрева. При следующем цикле
нагрева масла рекуператор наполняется промежуточным теплоносителем по направлению б1-а1-а-б. Стоит отметить, что теплопотребитель заполняется промежуточным теплоносителем после монтажа системы и не опустошается при ее эксплуатации. Управление электрическими элементами системы теплоснабжения осуществляется электронным блоком управления (ЭБУ). Рекуператор 2 выполнен в виде
двух накладных теплообменников и устанавливается на участке трубы выпускной
12
системы 1 двигателя без изменения ее конструкции, теплопотребитель 8 − на внутренней стороне правой стенки КП с использованием имеющихся технологических
отверстий при условии обеспечения безопасности ее работы.
Измерительный блок экспериментальной установки включает в себя комплект
датчиков, соединительные кабели, измерительное и преобразовательное устройства. Служит для измерения текущих значений температуры отработавших газов,
промежуточного теплоносителя системы теплоснабжения и масла в коробке передач, аналого-цифровой обработки полученных сигналов, преобразования и вывода
их значения в блок ЭВМ.
Компьютерный блок установки служит для регистрации всех измеряемых параметров, их обработки и анализа, а также хранения полученной информации.
В результате изучения систем использования теплоты ОГ и анализа литературы были определены основные факторы, влияющие на изменение температуры
масла в КП при работе без передачи крутящего момента совместно с системой теплоснабжения, априорно и на основании поисковых экспериментов выделены наиболее значимые.
Исходные уровни и интервал варьирования влияющих факторов окружающей
среды устанавливались на основе анализа метеорологических отчетов за последние
10 лет, времени работы − на основе теоретических и поисковых исследований повышения температуры масла в КП.
Исходя из числа существующих факторов и рекомендаций по выбору планов
эксперимента выбран композиционный симметричный трехуровневый план № 34,
основой для выбора которого явились наилучшие совместные характеристики.
Матрица планирования эксперимента содержала 14 опытов.
Обработка опытных данных, полученных в результате эксперимента, проводилась путем регрессионного анаТемпература
Температура
лиза. Адекватность полученной
масла в КПП, К
масла в КПП, °C
модели проверялась по критерию
283
10
Фишера.
В четвертой главе «Резуль273
таты экспериментальных иссле0
дований» приведены результаты
экспериментальных исследований,
263
-10
проверена адекватность используемой теоретической модели в
253
265 К (минус 8°C) -20
отношении точности расчета тем253 К (минус 20°C)
27 мин
243 К (минус 30°C)
пературы масла в КП.
243
0
20
40
60
80
100
120
Эксперименты проводили в 3
Время, мин
этапа. Целью первого этапа являлась
Рисунок 5 − Изменение температуры масла
оценка теплового состояния мехав КП в зависимости от температуры окрунической коробки передач при ражающего воздуха и времени работы
боте без передачи крутящего мо( VВП  5 м/с)
мента и определение степени влия13
ния на него условий окружающей среды.
Анализ результатов исследований, представленных на рисунке 5, показал, что
температура окружающего воздуха оказывает значительное влияние как на
интенсивность изменения температуры, так и на продолжительность нагрева масла
до 273 К.
Так, во время прокручивания коробки передач при температуре окружающей
среды 243 К и постоянной скоростью обдувающего потока воздуха 5 м/с было установлено, что температура масла в КП повышается лишь до 278 К (5 °C), при этом
время стабилизации температуры масла наступает после 110...120 минут работы
КП. При повышении температуры окружающей среды до 253 (минус 20°C) и 265 К
(минус 8°C) температура масла достигает значений 280 К (7 °C) и 284 К (11°C),
время стабилизации температуры снижается до 100...110 и 90...100 минут соответственно.
Температура
Температура
Повышение
температуры
масла в КП, К
масла в КП, °C
283
10
окружающего воздуха с 243 до
265 К также способствует сокра273
0
щению времени нагрева масла до
273 К с 50 до 23 минут.
-10
263
По результатам экспериментов по влиянию скорости обду0 м/с
253
вающего потока воздуха на тем5 м/с -20
10 м/с
пературу масла в КП был постро29 мин
15 м/с
ен соответствующий график (см.
243
0
20
40
60
80
100
120
рисунок 6). Характер зависимоВремя, мин
стей показывает, что скорость
Рисунок 6 − Изменение температуры масла
обдувающего потока воздуха
в КП в зависимости от скорости обдуваюоказывает ощутимое влияние
щего потока воздуха и времени работы
после 10 минут работы агрегата.
( TВП  245 К)
Так, при отсутствии ветра температура масла за 120 минут работы КП при холостом прокручивании составила 281
К (8°C), при скорости обдувающего потока 15 м/с за равный промежуток времени
температура масла составила лишь 269 К (минус 4°C). Причем наибольший рост
температуры происходил в период нагрева от 0 до 60 минут.
Время нагрева масла агрегата до температуры 273 К увеличивается с 42 до 71
минуты при повышении скорости обдувающего потока воздуха с 0 до 10 м/с соответственно. При скорости потока воздуха 15 м/с температура масла за 120 минут
работы агрегата не достигла указанной величины.
Таким образом, на первом этапе экспериментальных исследований установлено значительное влияние условий окружающей среды на тепловой режим работы
КП без передачи крутящего момента, который, в свою очередь, оказывает влияние
на эксплуатационные характеристики ее работы.
Второй этап исследований посвящен изучению теплового состояния системы
теплоснабжения при работе двигателя в режиме холостого хода, а также сбору
14
необходимых данных для
расчета
математической
модели с целью разработки
2500
рекомендаций
по
2000
проектированию
1500
предлагаемой
системы
1000
теплоснабжения.
500
Анализ
полученных
0
0,2
3
0,15
данных
показал
(см.
рисунок
6
0,1
Разность температур 9
7),
что
необходимой
0,05 Площадь
12
теплоносителей, град.
эффективности теплопередачи
15 теплообменника,
м
теплопотребителя
можно
Рисунок 7 − Тепловой поток, переданный
достичь как за счет площади
трансмиссионному маслу в зависимости от разего поверхности, так и за счет
ности температур теплоносителей и площади
средней разности температур
поверхности теплопотребителя
промежуточного
теплоносителя и масла. При этом в комплексе независимые переменные оказывают
нелинейное воздействие на значение функции. В соответствии с приведенными
результатами исследований и геометрическими параметрами КП для передачи
установленного теплового потока 870...920 Вт (заштрихованная область)
трансмиссионному маслу от промежуточного теплоносителя необходимо изготовить
теплообменник площадью поверхности не менее 0,15 м2 при средней разности
температур теплоносителей 6
Температура
Температура
К. Стоит отметить, что для
масла в КП, К
масла в КП, °C
выполнения
указанных
1
20
293
условий
массовый
расход
промежуточного
теплоносителя
должен
10
283
2
3
составлять не менее 4,5 кг/мин.
Заключительный
этап
273
0
был посвящен исследованию
4
теплового режима КП при
-10
263
работе
двигателя
с
минимальной
частотой
-20
253
вращения коленчатого вала в
2 мин 17 мин
7 мин
режиме холостого хода (600
Время, мин
243
мин-1) совместно с системой
0
20 24
30
40
7 10
Теоретические значения
Экспериментальные данные
теплоснабжения, в результате
3 - 243К, 0 м/с
265К, 0 м/с
243К, 0 м/с
1 - 265К, 0 м/с
243К, 12 м/с
265К, 12 м/с
2 - 265К, 12 м/с 4 - 243К, 12 м/с
которых необходимо было
Рисунок 8 − Влияние условий окружающей
проверить выдвинутую ранее
среды и времени работы на температуру масла
рабочую гипотезу, а также
в КП при работе совместно с системой теплосравнительным испытаниям.
снабжения
В процессе обработки
Тепловой
поток, Вт
3000
2
15
данных (см. рисунок 8) было установлено, что при снижении температуры
окружающей среды с 265 до 243 К и нулевой скорости обдувающего потока
воздуха температура масла после 40 минут работы снизилась с 292 (19 °C) до 279 К
(6°C), а время его нагрева до 273 К увеличилось с 7 до 24 минут соответственно.
Повышение скорости обдувающего потока воздуха с 0 до 12 м/с при
температуре окружающей среды 265 и 243 К приводит к снижению температуры
масла после 40 минут работы на 3 и 4 К и увеличению продолжительности прогрева
масла до 273 К на 2 и 7 минут соответственно.
Для проверки адекватности полученной аналитической модели на рисунок 8
были помещены теоретические зависимости изменения температуры масла КП.
Совмещение теоретических и экспериментальных зависимостей показало, что
максимальное расхождение относительно диапазона изменения температуры не
превышает 12% в конце прогрева при температуре окружающего воздуха 265 и 243
К, что свидетельствует об удовлетворительной адекватности полученной аналитической модели.
Для оценки влияния условий окружающей среды на изменение температуры
масла в КП при работе совместно с системой теплоснабжения был реализован композиционный симметричный трехуровневый план для трех факторов. В результате
было получено уравнение регрессии в раскодированном виде:
2
TМ  0,420476 VВП  4,743736  TВП  4,196571   0,03406 VВП

(12)
2
 0,029262   0,00777 VВП   0,00875  TВП   462 ,295,
где VВП − скорость обдувающего потока воздуха, м/с;
TВП − температура ветрового потока, К;
 − время работы КП совместно с системой теплоснабжения, мин.
В приведенной зависимости по значимости факторов выделяются температура
ветрового потока и время работы КП совместно с системой теплоснабжения. Оставшийся фактор, а также его взаимодействие с некоторым допущением можно признать
незначительным.
С использованием уравнения (12) был произведен расчет значений температуры
масла в КП для различной температуры окружающего воздуха и времени работы, в
рамках которого модель является адекватной. Значение скорости обдувающего потока
воздуха не изменялось и оставалось равным 0 м/с. Результаты расчетов в графической
форме представлены на рисунке 9.
Анализ рисунка показал, что по мере прогрева КП влияние температуры окружающего воздуха становится не столь значительным. Так, если на 10-й минуте работы
КП совместно с системой теплоснабжения понижение температуры окружающего воздуха с 265 до 243 К вызывает снижение температуры масла с 273 до 256 К (минус 17
°C), то уже после 30 минут работы аналогичное снижение температуры воздуха уменьшает температуру масла с 287 (14 °C) до 274 К (1 °C), что практически не влияет на
изменение эксплуатационных характеристик работы исследуемого агрегата. При
понижении температуры окружающего воздуха с 265 К (минус 8 °C) до 243 К
(минус 30 °C) время нагрева масла в КП до значения 273 К увеличится с 11 до 27
минут.
16
Сравнительные испытания
теплового состояния коробки
передач при работе как с системой теплоснабжения, так и без
нее, представленные на рисунке
285
10 показали, что количество переданной системой теплоснаб275
жения теплоты влияет как на
265
скорость изменения температуры, так и на время нагрева масла
255
265
Положительный
до 273 К.
10 14
эффект
Если после 60 минут рабо255
18
Время, мин 22
Температура
ты
КП
без подогрева при изме26
30 243 окружающего
нении частоты вращения коленвоздуха, К
чатого вала двигателя с 600 до
Рисунок 9 − Изменение температуры масла в КП
1500 мин-1 установившаяся темв зависимости от температуры окружающего
пература масла достигла значевоздуха и времени работы совместно с системой
ний от 269 (минус 4 °C) до 286
теплоснабжения
К( 13 °C) соответственно, то при
аналогичных условиях работы с системой теплоснабжения установившаяся температура масла достигла значений от 278 (5 °C) до 297 К (24 °C) соответственно.
Время нагрева масла до 273 К при использовании системы теплоснабжения сокращается на 7...20 минут при часТемпература
Температура
тоте вращения коленчатого вала
масла в КП, °C
масла в КП, К
двигателя 1500...900 мин-1 соответственно. Как видно из рисунка,
293
20
температура масла достигает указанного значения при работе со283
10
вместно с системой теплоснабжения за 30 минут даже с частотой
273
0
вращения коленчатого вала 600
мин-1.
263
-10
С учетом того, что агрегаты
механической
трансмиссии имеют
253
-20
физическое, геометрическое и теп7 мин
20 мин
Время, мин
ловое подобие, полученные ре243
10
20
30
40
50
60
0
зультаты могут быть распрострас подогревом
1500 мин
900 мин
нены на агрегаты других марок.
без подогрева 1200 мин
600 мин
В пятой главе «Оценка
Рисунок 10 − Динамика температуры масла в
экономической эффективности
коробке передач при различной частоте
результатов
исследования»
вращения первичного вала без передачи круприведен расчет экономической
тящего момента ( VВП  5 м/с, TВП  243 К)
эффективности от внедрения
Температура
масла в КП,
К
295
-1
-1
-1
-1
17
предлагаемой системы теплоснабжения. Оценка экономического эффекта проводилась в сравнении с базовым. В качестве базового выбран способ саморазогрева масла. Годовая экономия от снижения расхода топлива как при прогреве, так и последующей эксплуатации КП, сокращения затрат на ее ремонт и времени простоя автомобиля составила 26111 руб. на один автомобиль при работе в климатических
условиях Новосибирской области.
Рекомендации производству
Система теплоснабжения рекомендуется для дополнительного подогрева
масла в КП перед началом движения автомобилей сельскохозяйственного
назначения при работе двигателя в режиме холостого хода.
В условиях эксплуатации рекомендуются следующие параметры: площадь
соприкосновения рекуператора с трубой выпускной системы отработавших газов
двигателя FP≥0,12 м2, массовый расход промежуточного теплоносителя МПТ≥0,075
кг/с, площадь теплопотребителя FТП≥0,15 м2, частота вращения коленчатого вала
двигателя 1200...1500 мин-1. При температуре 243 К и скорости обдувающего
потока воздуха 12 м/с время нагрева масла в КП до значения 273 К составит 13...16
мин.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Температура масла в механической коробке передач автомобилей
сельскохозяйственного назначения при работе без передачи крутящего момента
напрямую зависит от условий окружающей среды, при этом необходимость
подогрева трансмиссионного масла возникает при температуре окружающего
воздуха 265...243 К (минус 8...30 °C), что характеризует так называемые условия
отрицательных температур.
2. В результате анализа теплового состояния механической КП при работе
без передачи крутящего момента установлено, что температура и скорость
обдувающего потока воздуха оказывают значительное влияние как на
интенсивность изменения, так и на значение установившейся температуры масла.
При температуре 245 К (минус 28 °C) и скорости обдувающего потока воздуха 15
м/с установившаяся температура масла составила лишь 269 К (минус 4 °C).
3. Предложен способ подогрева масла в механической КП на основе использования теплоты отработавших газов двигателя, содержащий рекуператор, тепловую сеть и потребитель теплоты, отличающийся тем, что рекуператор выполнен в
виде двух накладных теплообменников, устанавливаемых на трубу выпускного
тракта двигателя, а теплопередача от отработавших газов двигателя к трансмиссионному маслу происходит при помощи промежуточного жидкостного теплоносителя.
4. Разработана математическая модель процесса теплообмена механической
КП при работе без передачи крутящего момента, разработанной системы теплоснабжения и окружающей среды, позволяющая определить температуру трансмис18
сионного масла в диапазоне температур окружающего воздуха от 265 К (минус 8
°C) до 243 К (минус 30 °C), скорости обдувающего потока воздуха от 0 до 12 м/с и
времени работы от 0 до 30 минут.
5. Обоснованы параметры системы теплоснабжения: площадь соприкосновения рекуператора с трубой выпускной системы отработавших газов двигателя
FP≥0,12 м2, массовый расход промежуточного теплоносителя МПТ≥0,075 кг/с, площадь поверхности теплопотребителя FТП≥0,15 м2. Тепловой поток, переданный
трансмиссионному маслу, составит 870...920 Вт при работе двигателя в режиме холостого хода.
6. На основе регрессионного анализа изменения температуры масла в КП установлено минимально необходимое время его нагрева при работе двигателя в режиме холостого хода с частотой вращения коленчатого вала 600 мин-1 совместно с
системой теплоснабжения. При снижении температуры с 265 К (минус 8 °C) до 243
К (минус 30 °C) и минимальном значении скорости обдувающего потока воздуха,
время нагрева масла в КП до значения 273 К увеличится с 11 до 27 минут.
7. Сравнительные испытания показали, что при температуре 243 К и скорости
обдувающего потока воздуха 5 м/с использование системы теплоснабжения сокращает время нагрева масла в КП на 7...20 минут при частоте вращения коленчатого
вала двигателя 1500...900 мин-1 соответственно.
8. Экономический эффект от внедрения разработанной системы теплоснабжения, получаемый за счет экономии дизельного топлива на прокручивание КП, сокращения затрат на ремонт КП и времени простоя автомобиля составит 26111 руб.
в год на один автомобиль.
Основное содержание диссертации отражено
в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Долгушин А.А. Выбор трансмиссионных масел для зимней эксплуатации
автомобилей [Текст] / А.А. Долгушин, А.Ф. Курносов, С.П. Шведов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2011. – №11. – С.10-12.
2. Долгушин А.А. Подогрев транспортных средств [Текст] / А.А. Долгушин,
А.Ф. Курносов // Сельский механизатор. – 2013. − №2. − С. 38-39.
3. Долгушин А.А. Анализ теплового режима работы механической коробки
перемены передач грузовых автомобилей в зимних условиях [Текст] / А.А. Долгушин, А.Ф. Курносов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. –
2014. – №1. – С.23-24.
4. Долгушин А.А. Методика теплового расчета системы подогрева транспортных средств [Текст] / А.А. Долгушин, А.Ф. Курносов // Достижения науки и техники АПК. – 2014. – №3. – С. 78-80.
Патенты и свидетельства:
5. Пат. № 119086 РФ, МПК F 28 D 15/00. Система подогрева механической
трансмиссии и подвески транспортного средства / А.А. Долгушин, А.Ф. Курносов,
С.П. Шведов − № 2012101908; заявл. 19.01.2012, опубл. 10.08.2012 г. Бюл. № 22.
19
6. Пат. № 130058 РФ, МПК F 28 D 15/00. Система обеспечения теплового режима редукторов механической трансмиссии транспортного средства / А.А. Долгушин, А.Ф. Курносов − № 2013109900; заявл. 05.03.2013, опубл. 10.07.2013. Бюл.
№ 19.
Другие издания:
7. Долгушин А.А. Влияние сорта трансмиссионного масла на эффективность
эксплуатации автомобилей в зимних условиях [Текст] / А.А. Долгушин, А.Ф. Курносов, С.П. Шведов // Студенческая наука – взгляд в будущее: материалы Всерос.
студ. науч. конф. Ч.4 / Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2010 – С. 340-343.
8. Долгушин А.А. Исследование вязкостно-температурных характеристик
трансмиссионных масел [Текст] / А.А. Долгушин, А.Ф. Курносов, С.П. Шведов //
Материалы ежегод. науч.-практ. конф. студентов и аспирантов Инженер. ин-та (Новосибирск, 9 апреля 2010 г.) / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т. – Новосибирск, 2011. – С. 43-48.
9. Долгушин А.А. Обеспечение теплового режима агрегатов трансмиссий и
элементов подвески транспортных средств в зимних условиях [Текст] / А.А. Долгушин, А.Ф. Курносов // Материалы регион. науч.-практ. конф. студентов и аспирантов / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т. – Новосибирск, 2012. – С. 11-17.
10. Долгушин А.А. Использование вторичного тепла ДВС для оптимизации
температурного режима агрегатов трансмиссии транспортных средств [Текст] /
А.А. Долгушин, А.Ф. Курносов // Материалы ежегод. науч.-практ. конф. студентов
и аспирантов Инженер. ин-та (Новосибирск, 12 апреля 2012 г.): в 2 ч. / Новосиб.
гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т. – Новосибирск, 2012.− Ч1. – С. 19-22.
11. Долгушин А.А. Анализ теплового режима работы механической КПП грузовых автомобилей в зимних условиях [Текст] / А.А. Долгушин, А.Ф. Курносов //
Материалы регион. науч.-практ. конф. студентов и аспирантов. / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т. – Новосибирск, 2013. – С. 15-21.
12. Долгушин А.А. Система обеспечения теплового режима агрегатов трансмиссии и элементов подвески транспортных средств [Текст] / А.А. Долгушин, А.Ф.
Курносов // Молодежь в аграрной науке и образовании − инновационный потенциал будущего: материалы Всерос. науч.-практ. конф. / Новосиб. гос. аграр. ун-т. −
Новосибирск: Изд-во НГАУ, 2013. − С. 71-73.
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа