Определние энергетического КПД тягово-приводного агрегата

К основным энергетическим показателям тягово-приводных агрегатов относятся: энергетический КПД, механический КПД, КПД сельхозмашин, удельные энергозатраты, величина которых зависит от конструктивно-технологического совершенства составляющих агрегат, режимов его использования в конкретных условиях эксплуатации. Практическая актуальность определения энергетических показателей машинно-тракторных агрегатов (МТА) обусловлена необходимостью выбора более лучшего, с точки зрения энергетической эффективности агрегата для возделывания с.х. культур по ресурсосберегающим технологиям. Кроме этого, корректный расчет указанных энергетических показателей позволяет изыскивать пути конструктивного совершенствования, рационального комплектования и режима использования МТА.

Энергетический КПД агрегата определяется соотношением полезных энергозатрат (непосредственно на качественное изменение предмета труда) к общему количеству энергии полученной при сгорании топлива в ДВС. Его величина определяется конструктивным совершенством каждой части агрегата (ДВС, передаточного устройства, рабочей машины), их технического состояния, режимом использования и условиям эксплуатации.

Энергетический КПД МТА по величине своей характеризует конструктивно-технологическое совершенство, определяемое наименьшими потерями энергии при ее передаче от ДВС мобильного энергетического средства (МЭС) к рабочим органам и режим использования агрегата. Вместе с тем для оценки энергетической эффективности одного критерия - энергетического КПД, недостаточно, т.к. агрегаты с высоким значением энергетического КПД могут иметь меньшую производительность, а следовательно большие удельные энергозатраты (кДЖ/га).

Величина энергетического КПД тягово-приводного агрегата определяется по выражению:

(3.22)

где - эффективный КПД дизеля; η_{о.тр.т-пр-МТА} общий КПД тракторов в составе тягово-приводного агрегата; η_{схм.т-пр} - КПД тягово-приводной машины.

Эффективный КПД ДВС определяется по известной зависимости:

(3.23)

где Ае, Ао – эффективные энергозатраты в единицу времени (реализуемые на маховике в виде крутящего момента Мд, эффективной мощности Ne) и общие (равные энергии сгоревшего топлива в ДВС), соответственно, мДж/ч; q_е - удельный эффективный расход топлива, г/кВт.ч; Н- теплотворная способность топлива, мДж/кг, для дизельного топлива Н= 42,7 мДж/кг;

Правомерно заметить, что эффективный КПД по величине при работе даже однотипного трактора в составе различных по технологическому назначению и конструктивному представлению не является величиной постоянной. Это обусловлено, тем, что момент сопротивления СХМ, приведенной к коленчатому валу двигателя, всегда имеет переменный характер по частоте и амплитуде. Особенно это относится к почвообрабатывающим агрегатам. Кроме этого, у агрегатов в зависимости от условий их работы резервируют часть мощности дизеля с целью преодоления кратковременных перегрузок. Очевидно, что при выполнении части технологического процесса рабочими органами активного типа (с приводом от ВОМ и др.) показатели стохастичности изменения сопротивления орудий будут меньше по величине у тягово-приводных агрегатов, что предопределяет более высокое значение эффективного КПД дизеля. Исходя из физической сущности передачи энергии от ДВС к рабочим машинам (тяговым и приводным), графической интерпретации этого процесса (рис.3.19), опишем изменение энергетических показателей при использовании почвообрабатывающего агрегата с активными рабочими органами [121,194].

 

() ()

()

()

()

 

()

Рисунок 3.19 - Структура передачи энергии от ДВС к рабочим органам почвообрабатывающей машины

Полный механический КПД трактора определяется отношением полезных мощностей к фактической мощности двигателя, которая была направлена на их создание:

(3.24)

Отношение мощности на крюке N_кр к эффективной мощности дизеля, которая затрачивается на ее создание определяет величину тягового КПД трактора в тягово-приводном агрегате, т.е.

(3.25)

где N_в –внутренние потери мощности дизеля, кВт; N_всп - затраты мощности на работу вспомогательного оборудования, кВт; N_с –потери мощности от изменения момента сопротивления на валу ДВС, кВт; N_р –резерв мощности для преодоления временных перегрузок, кВт.

При , выражение полного КПД трактора заменим уравнением:

(3.26)

где N_е.пр – мощность двигателя (часть мощности ), направленная на создание мощности на ВОМ трактора, кВт;; η_ВОМ – механический КПД передачи энергии к ВОМ, η_ВОМ=0,95;

Приводной коэффициент полезного действия трактора в составе тягово-приводного агрегата:

(3.27)

Подставив выражения КПД (3.26, 3.27) в уравнение (3.25) получим зависимость для расчета полного механического КПД трактора в составе тягово-приводного агрегата в общем виде:

(3.28)

где - - доля эффективной мощности двигателя, которая направлена на создание мощности (энергозатрат) на ВОМ.

Из анализа зависимостей (3.25, 3.28) учитывая значительно меньшую величину тягового КПД трактора () по сравнению с КПД ВОМ (), очевидно, что механический КПД трактора тем выше, чем большая доля мощности ДВС будет передаваться на привод активных рабочих органов машин. Чем меньше будет потребность в мощности на крюке (усилия на крюке), тем меньше потери энергии на буксование трактора, деформацию почвы движителями. Потребность меньшего усилия на крюке предопределяет меньший сцепной вес трактора, а следовательно меньше потребуется энергии на его перекатывание. Это особенно важно, если трактор работает на рыхлых почвах (агрофон -пахота, поле подготовленное под посев и др.).

Выполнение технологического процесса, например, предпосадочной подготовки почвы комбинированным агрегатом, обуславливает передвижение трактора по плотной почве (зяби, стерне), что значительно снижает коэффициент сопротивления перекатыванию трактора и СХМ по сравнению с последовательной работой простых агрегатов. В первом случае f = 0.08…1.0, во втором при культивации, бороновании f = 0.12…0.16.

Уровень энергетической эффективности технологических агрегатов в растениеводстве в значительной мере определяется «замыкающим» звеном – рабочей машиной, орудием, энергетическая эффективность которых определяется КПД (3.22). Его величина показывает, какая часть от общей энергии подведенной к машине , используется непосредственно на преобразование предмета труда (почвы, растения) из одного качественного состояния в другое- конечное или промежуточное. И важно, чтобы конструкция машины, структура и режим пооперационного воздействия на почву не только предопределяла выполнение агротехнических требований по качеству, но обуславливали наиболее эффективное использование энергии для этого. В настоящее время КПД большинства тяговых сельхозмашин находится в пределах 0,30…0,55 т.е. только 30…55% подведенной к машине мощности от крюка трактора расходуется непосредственно на полезную работу. Чтобы определить основные причины этого, пути совершенствования машин и в целом технологических процессов необходимо аналитически описать взаимосвязь КПД СХМ с показателями их конструкции, параметрами технологического процесса. В общем виде КПД тягово-приводной машины () определяется соотношением полезной мощности (на деформацию обрабатываемого материала пассивными и активными рабочими органами машины, сообщению частицам материала кинетической энергии, к мощности, переданной от крюка и ВОМ трактора:

(3.29)

N_т.схм – технологически полезные затраты мощности на преобразование предмета труда пассивными тяговыми органами, кВт; N_{техн.р.о .} –технологические полезные затраты мощности на преобразование предмета труда активными рабочими органами, кВт.

Технологические полезные затраты тяговой мощности определяются уравнением:

(3.30)

где N_f.сц - затраты мощности на перекатывание сцепки (при ее наличии в агрегате), кВт; N_схм.f - затраты мощности на перекатывание машины, кВт; N_схм.μ - затраты мощности на протаскивание рабочих органов машины при взаимодействии их с почвой во время выполнения технологического процесса. кВт;; µ -коэффициент трения опорной поверхности рабочих органов.

Потери мощности на перекатывание и протаскивание машин при выполнении технологической операции равны:

(3.31)

где G _кол - сила тяжести от массы машины (часть ее веса), приходящаяся на опорные колеса, кН; G _опор - сила тяжести от массы машины, приходящаяся на опорные поверхности пассивных рабочих органов при протаскивании в почве, кН; G _ор - сила тяжести от всей массы машины, кН; f _прот - коэффициент протаскивания машины.

В усредненных условиях работы почвообрабатывающих орудий (плугов, плоскорезов, щелевателей и др.) сила сопротивления протаскиванию орудия в борозде зависит от величины коэффициента протаскивания:

(3.32)

Средняя величина коэффициента f_прот ≈ 0,35 при интервале 0,25…0,40. Величина этого коэффициента зависит от типа рабочих органов, веса орудия , конструкции и расстановки опорных колес, состояния и типа почвы.

Если обозначить ,то при средних условиях работы МТА (после некоторых преобразований и учета (10):

(3.33)

и тогда потери мощности (рис.3.28) на протаскивание и перекатывание мощности орудия в почве будут равны:

(3.34)

Изменения затрат мощности на протаскивание орудия в зависимости от изменения скорости движения (рис.3.20) показывают, что с увеличением скорости движения увеличение мощности на протаскивание находится в пределах агротехнически допустимых скоростей и составляет 5-10% от эффективной мощности.

Рисунок 3.20 – Изменение затрат мощности на протаскивание орудия в зависимости от скорости поступательного движения агрегата

Следовательно полезные затраты энергии на изменения качественного состояния почвы будут равны:

(3.35)

а с учетом схемы (рис.1) передачи энергии от ДВС к рабочей машине [7].

(3.36)

Рисунок 3.21 – Полезные затраты энергии на изменение качественного состояния почвы в зависимости от изменения µ - коэффициента трения опорной поверхности рабочих органов (коэффициент скольжения металла о почву).

Рисунок 3.22 – Полезные затраты энергии на изменение качественного состояния почвы в зависимости от изменения ρ

Полезные затраты энергии на изменение качественного состояния почвы снижаются с увеличением ρ(отношение массы опорной поверхности СХМ к массе орудия в целом) (рис.3.25-3.26), а с увеличением ρ полезные затраты имеют нарастающий характер. При передаче энергии от ВОМ к машине с активными рабочими органами полезная мощность на обработку будет равна:

(3.37)

где- η_пер- - КПД, учитывающий механические потери в передаче мощности от ВОМ (через трансмиссию – карданные валы, редуктор, цепные и ременные передачи и др.) к активным рабочим органам ( =0,9…0,94); - затраты мощности на холостое прокручивание активных рабочих органов при рабочих скоростях вращения. Ее величину устанавливают экспериментально.

На основании полученых уравнений (3.40, 3.41, 7,3.48,,3.49) КПД СХМ тягово-приводной может быть определен по выражению:

(3.38)

Рисунок 3.23 – Изменение полезной мощности на обработку почвы от изменения передаваемой энергии от вала отбора мощности

Анализ зависимостей (рис.3.24) показывает, что КПД ротационной почвообрабатывающей машины находится в прямой зависимости от КПД механизма привода барабана и от потерь на перекатывание опорных колес или полозков машины и равен отношению мощности на преодоление полезных сопротивлений ко всей потребляемой мощности[121].

Рисунок 3.24 – Коэффициент полезного действия СХМ тягово-приводной

По наивысшим значениям энергетического КПД агрегата, меньшей величине удельных энергозатрат на единицу выполненной с заданным качеством технологической операции выбирается агрегат, имеющий наивысшую производительность.

Удельные энергозатраты на единицу выполненной работы тем или иным агрегатом, сочетанием простых агрегатов определяется по выражению:

(3.39)

где – q_га – погектарный расход топлива, кг/га; Н – теплотворная способность топлива, кДж; В_р – ширина захвата агрегата, м; V_р – скорость движения агрегата, м/с; τ – коэффициент использования времени смены.

Рисунок 3.25 - Удельные энергозатраты на единицу выполненной работы

По наивысшим значениям энергетического КПД агрегата, меньшей величине удельных энергозатрат на единицу выполненной с заданным качеством технологической операции будет выбираться агрегат, имеющий наивысшую производительность.