Том 85, № 4 (2018)
- Год: 2018
- Статей: 12
- URL: https://journal-vniispk.ru/0321-4443/issue/view/3679
Весь выпуск
Статьи
Моделирование процесса сгорания в форсированном транспортном дизеле с заданным законом смесеобразования
Аннотация
Разработана новая однозональная модель процесса сгорания топлива, основанная на уравнениях химической кинетики, которая в большей мере учитывает особенности внутрикамерных процессов двигателей внутреннего сгорания. Процесс сгорания рассматривается как совокупность последовательных реакций окисления до диоксида углерода и воды групп активных молекул топлива, протекающих по закону Аррениуса. Количество активных молекул топлива, вступающих в реакцию, зависит от общего количества молекул топлива, текущей температуры смеси и условной энергии активации, изменяющейся в зависимости от доли выгоревшего топлива. Условная продолжительность окисления этой группы активных молекул принимается зависящей не только от общего количества молекул топлива, но и от объема камеры сгорания, количества молекул кислорода, количества молекул инертных компонентов и турбулентности внутри камеры сгорания. Теплота, выделяющаяся при окислении каждой группы активных молекул топлива, определяется через низшую теплоту сгорания топлива и расходуется на повышение температуры и давления смеси в зоне горения. На каждом шаге расчета корректируется количество молекул всех веществ в результате выгорания топлива. Особенностью модели является введение нового параметра, учитывающего фактор времени на молекулярном уровне, - условной продолжительности реакции окисления активных молекул топлива. Новая математическая модель положена в основу алгоритма разработанной программы расчета рабочего цикла форсированного дизеля с заданным законом смесеобразования. Выполнены расчеты влияния температуры свежего заряда после охладителя наддувочного воздуха на показатели рабочего цикла форсированного дизеля в диапазоне от 360 до 430 К. По результатам расчета установлено, что наилучшие индикаторные показатели рабочего цикла достигаются при температуре 360 К. Индикаторные диаграммы давления в цилиндре и законы тепловыделения, полученные расчетным путем, хорошо согласуются с известными экспериментальными данными.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):3-10
3-10
Анализ и разработка теплообменника системы рециркуляции отработавших газов транспортного дизеля
Аннотация
На сегодняшний день одной из актуальнейших проблем создания современных двигателей сгорания (ДВС) является проблема экологии. Обеспечение требований экологии, как правило, связано с введением новых конструктивных элементов или модернизацией существующих конструкций, поскольку практика показывает, что использование традиционных способов снижения токсичности отработавших газов приводит к постепенному ухудшению топливной экономичности двигателя. В данной статье рассматривается применение и разработка системы рециркуляции отработавших газов транспортного дизеля как наиболее эффективное средство снижения выбросов NOx в окружающую среду. На примере экспертных данных рассматрен опыт применения систем рециркуляции отработавших газов в дизелях, а также приводятся их основные преимущества и недостатки. Использование «охлаждаемой» рециркуляции отработавших газов более предпочтительно нежели «неохлаждаемой», так как улучшается наполняемость цилиндров воздушным зарядом, а также обеспечиваются более низкие температуры газов в период сгорания, что способствует уменьшению количества образующих NOx. Также в работе отмечается, что при применении охлаждаемой системы рециркуляции отработавших газов совместно с оптимизацией конструктивных и регулировочных параметров двигателя происходит уменьшение выбросов NOx c минимальным ухудшением мощностно-экономических показателей двигателя. На примере исследований и испытаний на стенде транспортного двигателя 8ЧН 12/13 оценена эффективность применения системы рециркуляции отработавших газов на дизеле с приведением всех необходимых данных. Благодаря оптимизации регулировочных параметров и разработанной макетной системы рециркуляции отработавших газов удалось добиться снижения выбросов NOx на 46 %. Экспериментально показано, что применение в дизеле теоретически разработанной организации рабочих процессов с использованием рециркуляции отработавших газов и характеристик управления основными регулировками процесса сгорания целесообразно.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):11-17
11-17
Индицирование рабочего процесса тракторного дизеля на природном газе и спиртах
Аннотация
В статье рассмотрены вопросы применения в качестве альтернативного топлива для тракторного дизеля природного газа и спирто-топливных эмульсий. Отличительной особенностью процессов смесеобразования и горения в дизеле, работающем как на природном газе с запальной порцией дизельного топлива, так и на спирто-топливных эмульсиях, будет являться, по сравнению с дизельным процессом, неоднородность горючей смеси по объему цилиндра, присутствовать совершенно другая испаряемость горючего и несовпадение по времени процессов образования топливо воздушной смеси и ее горение. Следовательно, применение альтернативных топлив с другим химическим составом и локальными условиями приводит к отличительным показателям процесса сгорания. Поэтому для научного представления действительной картины процесса сгорания дизеля, работающего на природном газе и спирто-топливных эмульсиях, проведено индицирование его рабочего процесса и детальное описание процесса сгорания. При этом для проведения индицирования рабочего процесса дизеля использовался состав альтернативного топлива при работе на природном газе: газ - 80 %, запальная порция дизельного топлива - 20 %; при работе на спирто-топливных эмульсиях: спирт (метанол или этанол) - 25 %, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5 %, вода - 7 %, дизельное топливо - 67,5 %. В результате проведенных экспериментальных исследований установлены зависимости влияния режимов работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на природном газе, природном газе с различными степенями рециркуляции отработавших газов (применена для снижения содержания оксидов азота в отработавших газах), метаноло- и этаноло-топливных эмульсий на показатели его процесса сгорания. Определены оптимальные значения показателей процесса сгорания при работе дизеля на альтернативных топливах указанных составов.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):18-25
18-25
Многофункциональный сошник пропашной сеялки
Аннотация
Для нарезки посевных бороздок на сеялках устанавливают сошники. Наибольшее распространение получили дисковые, килевидные, полозовидные, анкерные сошники. Недостатком дисковых и полозовидных сошников является образование неуплотненного дна посевной бороздки, что противоречит агротехническим требованиям. По рекомендациям, предпосевная обработка почвы должна вестись не позднее чем за сутки до посева. Однако на всей площади это выдержать практически невозможно. За промежуток времени между предпосевной обработкой и посевом появляются всходы сорняков. По известным данным российских и зарубежных ученых если, например, в посевах томатов не удалены сорняки в первые 10 дней, урожайность снижается до 50 %. Поэтому сошник должен оснащаться прополочным лемехом. Зародышевый корешок семени должен как можно быстрее проникнуть в нижнее слои почвы и обеспечить зародыши водой и питанием. Эту задачу решает нарезка при посеве подсеменной щели. Высокую дружность и полевую всхожесть обеспечивает плотный контакт семени с почвой. Сейчас этого добиваются установкой за сошниками прикатывающего катка. Однако поверхностное уплотнение почвы затрудняет выход проростков на дневную поверхность. Кроме того, подтягивается влага и быстро прорастают семена сорняков, расположенных в верхнем слое, где и температура почвы выше. Нужен не уплотнитель почвы, а действие непосредственно на семена, обеспечивающее их плотный контакт с почвой. Разработан многофункциональный сошник, включающий лемех шириной захвата 80 мм с хвостовиком, делающим посевную бороздку шириной 25 мм, пружинный прутковый щелерез для нарезки подсеменной щели и прутковый уплотнитель диаметром 3 мм для обеспечения контакта семени с почвой. Сходящая со стойки и семяпровода сухая почва засыпает тонким слоем до 15…20 мм бороздку. Это улучшает аэрацию, исключает прорастание семян сорняков, облегчает выход проростков на поверхность.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):26-30
26-30
Комбинированная почвообрабатывающая машина для защитного лесоразведения
Аннотация
Основная подготовка почвы под защитные лесные насаждения на сельскохозяйственных полях и тракторопроходимых овражно-балочных склонах крутизной до 12° в регионах недостаточного и неустойчивого увлажнения характеризуется низкой степенью крошения почвенного пласта при вспашке плугами, высокой энергоемкостью и материалоемкостью, многооперационностью (вспашка, глубокое рыхление, разрушение почвенных глыб). Вспашка поперек склонов крутизной более 4-6° производится только под уклон, то есть через каждый рабочий ход следует холостой, что снижает производительность. Предложена конструкция комбинированной почвообрабатывающей машины - плуг-рыхлитель навесной ПРН-40, заменяющий плуги общего назначения ПЛН-4-35 и плантажный ППН-40, рыхлитель навесной РН-80, культиватор КРТ-3 или борону дисковую тяжелую БДНТ-3, производящий глубокую послойную обработку почвы (вспашка на глубину 25…27 см и рыхление подпахотного слоя на 25…40 см) и активный оборот почвенного пласта как вниз, так и вверх по склону крутизной до 12…15°; исключающий дополнительную обработку с целью разрушения почвенных глыб. В плуге-рыхлителе ПРН-40 применены рабочие органы пассивного (корпус с укороченным отвалом и глубокорыхлитель) и активного (роторный рыхлитель) действия, использующие мощность двигателя трактора через его движители и ВОМ, разделяющие процесс вспашки на отдельные операции, выполняемые с разной скоростью воздействия и подвергающие пласт различным неэнергоемким видам деформации.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):31-36
31-36
Обоснование конструкции косилки для I-II этапов селекционных работ
Аннотация
Комплексная механизация селекционно-опытных работ позволяет существенно увеличить объемы получения семян высокого качества и повысить эффективность всей селекционной деятельности. Во время уборки зерновых культур с делянок ежедневно собирают до 5000 шт. номеров в пучках и до 1500 шт. в снопиках. Общий вес собранного за день урожая находится в пределах 500 кг. Уборка растений с делянок первого этапа производят вручную путем срезания растений серпом, ножницами или выдергиванием с корневой системой. Количество образцов, требующих анализа, за сезон исчисляется многими тысячами; например, только в питомниках отбора готовят по каждой культуре до 15-20 тыс. штук растений. Это самая трудоемкая операция в селекции. Количество делянок на II этапе также достигает несколько тысяч штук для каждой культуры. Попытка механизировать уборку однородных делянок на I-II этапах как в России так и зарубежном пока не дала результатов для массового и эффективного применения. В связи с этим в ВИМ с 2011 года начата разработка нового отечественного технического средства для проведения уборки зерновых колосовых культур на I-II этапах селекционных работ с целью снижения затрат на выполнение технологического процесса в первичном семеноводстве с использованием элементов существующих косилок и триммеров. Макетный образец новой косилки под маркой ТС-0,2 был изготовлен МЗОК ВИМ. С учетом накопленного опыта при изучении работы ТС-0,2, в 2017 году в ВИМ проведены работы по его модернизации. Помимо устранения недостатков в конструкцию внедрены дополнительные элементы для улучшения работы, в том числе стол-настил для срезанных стеблей и ряд других. Технические параметры триммера обоснованы исходя из физико-механических, размерных и морфологических свойств и характеристик стеблестоя селекционных посевов, размера селекционных делянок и размещения стеблей в рядке. Уборочные машины подобного типа достаточно востребованы, но, к сожалению, их производство не носит массового характера, что не позволяет организовать их серийное производство.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):37-42
37-42
Высевающий вертикально-дисковый аппарат для посева мелкосеменных культур
Аннотация
Определяющим фактором повышения урожайности сельскохозяйственных культур является качество посева, которое обеспечивается согласованной работой системы высевающий аппарат - семяпровод - сошник. Задача высевающего аппарата стабильно выдавать в семяпровод заданное количество семян по площади питания для данного способа посева. Высевающие аппараты серийных сеялок не обеспечивают минимально достаточную норму высева для мелкосеменных культур, что приводит к перерасходу дорогостоящих, дефицитных семян и снижению урожайности из-за загущенности посева. По результатам проведенных теоретических исследований и физического моделирования был разработан вертикально-дисковый высевающий аппарат, обеспечивающий точечный посев мелкосеменных культур. Высевающий аппарат представляет диск диаметром 93 мм, по внешнему периметру которого расположены ячейки в форме сектора полуокружности радиусом 3 мм, глубиной 2 мм. Лабораторные исследования на семенах люцерны показали, что при вращении диска семена начинают выпадать из ячейки под собственным весом, когда ячейка находится под углом 35° относительно горизонтальной линии. Для проведения полевых исследований была изготовлена сеялка, на раме которой в два ряда было установлено семь посевных секций с индивидуальными бункерами. Ширина захвата сеялки 0,9 м. Привод высевающих аппаратов осуществляется цепной передачей от опорного колеса через КПП. Высевающие диски подключаются к валам индивидуальными муфтами, что позволяет производить посев с различной шириной междурядий. Полевой опыт проводился на посеве районированного сорта люцерны Омская-7 с междурядьями 0,15, 0,60, и 0,90 м в трехкратной повторности. По результатам полевого опыта было установлено, что высевающий диск с ячейками радиусом 3 мм и глубиной 2 мм в количестве 8 штук на диске, с частотой его вращения 1,53 об/с при посеве с различными междурядьями стабильно обеспечивал получение на 1 метре посева в среднем 33 растения при полевой всхожести 84,4 %.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):43-47
43-47
Исходные требования к оборудованию магнитного обеззараживания зерна
Аннотация
Статья посвящена вопросам обеззараживания зерна и семян сельскохозяйственных растений в АПК. Используемые в этих целях ядохимикаты, системные фунгициды, в частности, ведут к выработке резистентности паразитных микроорганизмов, а также токсикологическим последствиям для окружающей среды и человека. В статье предложен новый метод обеззараживания при помощи переменного магнитного поля низкой частоты. Предметом исследований послужили закономерности процесса магнитного обеззараживания и характеристики технических средств для его реализации. Цель исследований - разработка исходных требований к оборудованию магнитного обеззараживания зерна, конструктивные предложения по созданию такого оборудования. Методы исследований включали анализ внутренних процессов в биоматериалах под действием переменного магнитного поля, анализ параметров устройств, необходимых для создания требуемого поля. На основе аналитических исследований сформулированы исходные требования к магнитообеззараживающему оборудованию и его основной части - электромагниту. Дан пример практической реализации устройства, удовлетворяющего исходным требованиям. Устройство представляет собой электромагнит на базе асинхронного двигателя. Принцип магнитного обеззараживания и предлагаемое устройство проверены экспериментально: для зерна пшеницы с суммарной зараженностью грибковыми и бактериальными инфекциями 41 % (контроль) достигалось снижение этого показателя до 17-12 %. Рассмотрены критичные характеристики асинхронных двигателей и сделан вывод, что определенные типы двигателей в наибольшей степени соответствуют исходным требованиям и, следовательно, являются наилучшей базой для предлагаемого устройства. В общих выводах рекомендованы двигатели 5АИ112MB8, 5АИ112MB6 или аналогичные других серий, при этом отмечено, что устройства на их основе могут работать параллельно в общей обеззараживающей установке, что кратно увеличивает производительность. В заключительном выводе показана перспектива новой технологии, связанная с исключением недостатков химического протравливания и преимуществами перед другими электрофизическими методами в равномерности обработки, энергоэкономии, компактности и невысокой стоимости оборудования, отсутствии вредных выбросов и излучений.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):48-54
48-54
Математическое моделирование функционирования почвообрабатывающего машинно-тракторного агрегата
Аннотация
Почвообрабатывающий машинно-тракторный агрегат подвергается непрерывно изменяющимся внешним воздействиям, что приводит к колебаниям скорости движения, буксованию ведущих колес трактора, нагруженности трансмиссии, повышенному расходу топлива. Основным источником возмущений, вызывающих колебания трактора, являются неравномерность тягового сопротивления почвообрабатывающих машин и неровности микропрофиля поля. Цель исследования: совершенствование процесса функционирования почвообрабатывающего машинно-тракторного агрегата путем моделирования влияния внешних воздействий. Математическая модель процесса работы колесного трактора в тяговом режиме работы представляет почвообрабатывающий машинно-тракторный агрегат в виде динамической системы с двумя входными воздействиями, определяемыми нагрузкой на рабочие органы и неровностями рельефа. Математическая модель включает уравнения двигателя и регулятора, муфты сцепления, силовой передачи, ведущего колеса и продольно-вертикальных колебаний трактора. Решение математической модели МТА базируется на методе численного интегрирования Рунге - Кутта четвертого порядка при постоянном шаге. Произведены расчеты движения агрегата с подачей на вход модели периодических синусоидальных возмущений. В результате расчетов определено, что влияние микропрофиля поля и тягового сопротивления рабочих органов на показатели функционирования МТА различно. Наибольшие амплитуды вертикальных ускорений достигаются вследствие воздействия неровностей поля. Колебания скорости движения, погектарного расхода топлива, момента двигателя обусловлены воздействием периодической составляющей тягового сопротивления низкой частоты, а буксования и ведущего момента колес - также и неровностей микропрофиля поля. На средние значения буксования ведущих колес трактора и погектарного расхода топлива в основном влияют колебания тягового сопротивления. Применение диагонально-параллельных шин вместо радиальных позволяет снизить буксование ведущих колес трактора с 24 % при работе на серийных шинах до 16 % на опытных шинах и уменьшить при этом погектарный расход топлива на 6 %.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):55-62
55-62
Методика анализа на прочность ходовых систем гусеничных тракторов с использованием многомассовых динамических и конечно-элементных моделей
Аннотация
В связи с широким применением метода конечных элементов для расчета прочности деталей ходовой системы приобретает актуальность задача достоверного определения нагрузок. Традиционный метод определения нагрузок по аналитическим упрощенным моделям не учитывает их перераспределение за счет кинематики и динамики элементов. Альтернативой является численный динамический анализ при помощи пространственных динамических моделей с учетом кинематики и упругих характеристик элементов. На примере промышленного гусеничного трактора тягового класса 75 продемонстрирована методика прочностного анализа ходовой системы гусеничной машины. В основе методики лежит совместное использование многомассовой динамической модели ходовой системы для воспроизведения нагрузок в характерных режимах нагружения и конечно-элементных моделей деталей ходовой части для определения напряженно-деформированного состояния и запасов прочности деталей в каждом расчетном случае. Ходовая система описывается в виде набора твердых тел, связанных упругодемпфирующими силовыми элементами между собой и с опорной поверхностью. Нагрузки на ходовую систему определяются путем численного решения уравнений движения. Полученные временные реализации нагрузок используются для выявления наиболее опасных с точки зрения прочности расчетных случаев. Нагрузки для каждого расчетного случая передаются в конечноэлементные модели деталей ходовой части, по которым производится оценка прочности. Методика продемонстрирована на примере характерных режимов: «вывешивание на натяжных колесах при подъеме отвала» и «переезд одиночного рельса». Продемонстрирован анализ временных реализаций нагрузок каретки. Рассмотрены особенности передачи нагрузок из динамической модели в конечно-элементные модели деталей и приведены некоторые результаты прочностного анализа каретки.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):63-70
63-70
Анализ влияния основных факторов на характеристики упругих свойств эластичных колес тракторов
Аннотация
Работа посвящена теоретическому исследованию упругих свойств эластичных тракторных колес и анализу влияния на них давления воздуха в шинах и вертикальных нагрузок на оси колес. По разработанной компьютерной программе, позволяющей реализовать предложенный в этой работе метод расчета характеристик упругих свойств тракторных колес с пневматическими шинами, проведены однофакторные и полные факторные компьютерные эксперименты двух типов. В компьютерных экспериментах первого типа исследовали зависимости коэффициентов упругости ряда эластичных колес при работе на практически недеформируемом основании тракторов МТЗ-82 и МТЗ-142 от давления воздуха в шинах при различных значениях вертикальных динамических нагрузок на оси соответствующих колес тракторов. В компьютерных экспериментах второго типа исследовали зависимости коэффициентов упругости и нормального прогиба колес с шинами различных типоразмеров от давления воздуха в шинах при постоянных значениях вертикальных динамических нагрузок на оси колес. В компьютерных экспериментах обоих типов отклонения найденных расчетным путем характеристик упругих свойств эластичных колес находятся в пределах точности измерений экспериментальных данных. По результатам компьютерных экспериментов первого типа получены уравнения регрессии, отражающие зависимости коэффициентов упругости исследованных эластичных колес от давления воздуха в шине при различных значениях вертикальных динамических нагрузок на оси колес. По результатам компьютерных экспериментов второго типа получены уравнения регрессии коэффициентов упругости и нормального прогиба колес с шинами различных типоразмеров от давления воздуха в шинах при постоянных значениях вертикальных динамических нагрузок на оси колес. Высокие значения корреляционных отношений для этих уравнений регрессии свидетельствуют о высокой значимости связей в найденных корреляционных зависимостях. Применение предложенного метода расчета позволяет упростить и сократить работу по выбору шин оптимальных типоразмеров к различным тракторам с учетом конкретных условий их эксплуатации. Расчетным путем установлено, что на задней оси трактора МТЗ-82 оптимальными являются колеса с шинами 18.4R38.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):71-78
71-78
Методика определения энергозатрат при вероятностном характере нагрузки МТА
Аннотация
Случайных характер нагрузки служит основной причиной ухудшения энергетических параметров и технико-экономических показателей машинно-тракторных агрегатов (МТА). Колебания нагрузки приводит к увеличению затрат энергии на технологические процессы. Прямые топливно-энергетические затраты должны быть определены и спрогнозированы с высокой степенью достоверности с учетом специфики работы МТА и динамики выполнения ими технологических процессов. Определение и оптимизация энергетических затрат МТА обеспечит повышение эффективности выполняемых технологических процессов и технологий возделывания сельскохозяйственных культур в растениеводстве. Предметом исследования является разработка математических моделей для определения и оптимизации прямых энергетических затрат МТА, оснащенных перспективными тракторными газотурбинными двигателями (ГТД). Целью исследований является разработка методики определения прямых топливно-энергетических затрат МТА с учетом вероятностного характера нагрузки. Новизна исследований заключается в разработанных математических моделях и алгоритме расчета, а также оптимизации прямых топливно-энергетических затрат МТА с ГТД. Предложенная методика разработана на основе системного подхода, обобщения и анализа экспериментальных данных, математического моделирования процессов. Экспериментальные исследования проведены на лабораторных установках и в полевых условиях с использованием современных средств измерений и регистрации опытных данных. Предложенная методика позволяет с вероятностью 0,90-0,95 прогнозировать оптимальные значения прямых топливно-энергетических затрат МТА с ГТД. В качестве примера в статье приведены примеры расчета и оптимизации прямых топливно-энергетических затрат пахотного агрегата, состоящего из трактора «Кировец» с газотурбинным двигателем ГТД-350Т и плуга ПНИ-8/9-40, при различных уровнях реализации частоты вращения турбокомпрессора. Установлено, что при 100%-м уровне реализации частоты вращения турбокомпрессора и колебаниях коэффициента вариации нагрузки от 0 до 0,333, оптимальные значения прямых топливно-энергетических затрат пахотного агрегата увеличиваются от 543,0 до 723,12 МДж/га. Такая же тенденция увеличения прямых топливно-энергетических затрат МТА наблюдается и на других уровнях реализации частоты вращения турбокомпрессора ГТД. Следует отметить, что с уменьшением уровня реализации частоты вращения турбокомпрессора ГТД прямые топливно-энергетические затраты увеличиваются. Предложенная методика позволяет определить и оптимизировать значения прямых топливно-энергетических затрат МТА с ГТД с учетом вероятностного характера нагрузки в конкретных условиях их эксплуатации.
Тракторы и сельхозмашины. 2018;85(4):79-84
79-84