«Обеспечение рационального теплового режима трансмиссии автомобилей, используемых в сельском хозяйстве при низких температурах» тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.03, доктор наук Долгушин Алексей Александрович

• Долгушин Алексей Александрович
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Долгушин Алексей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Характеристика использования транспортных средств

в агрокомплексе Сибири

1.2 Влияние низких температур на эффективность

эксплуатации автомобилей

1.3 Анализ факторов, влияющих на тепловой режим трансмиссии

1.4 Методы обеспечения теплового режима трансмиссии в условиях низких температур

1.5 Выводы по главе, цель и задачи исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ТРАНСМИССИИ

В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

2.1 Системный подход к минимизации энергетических затрат при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур

2.2 Энергетический подход к оптимизации теплового режима

работы агрегатов трансмиссии

2.3 Обоснование энергетических затрат на изменение теплового состояния агрегатов трансмиссии

2.4 Тепловой баланс энергии прогрева агрегатов трансмиссии

2.5 Модель рационального распределения тепловых потоков

в трансмиссии

2.6 Обоснование параметров теплоизоляции агрегатов

2.7 Обоснование параметров источников рекуперативного тепла

2.8 Выводы по главе

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АГРЕГАТОВ ТРАНСМИССИИ

3.1 Общая программа исследований

3.2 Методика планирования экспериментов

3.3 Экспериментальные установки и лабораторное оборудование

3.4 Структура измерительных комплексов

3.5 Методика стендовых испытаний

3.5.1 Методика стендовых испытаний КПП

3.5.2 Методика исследования теплообмена агрегатов трансмиссии и двигателя автомобиля

3.6 Частные методики эксплуатационных испытаний

3.6.1 Методика исследования интенсивности охлаждения агрегатов трансмиссии

3.6.2 Методика исследования тепловых потерь в трансмиссии

3.6.3 Методика исследования теплового потока отработавших газов двигателя

3.6.4 Методика эксплуатационных испытаний автомобиля

в условиях низких температур

3.6.5 Методика эксплуатационных испытаний рекуператора-нагревателя

3.6.6 Методика эксплуатационных испытаний системы обеспечения теплового режима трансмиссии

3.7 Погрешность измерений и обработка экспериментальных

данных

4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Анализ результатов исследований интенсивности охлаждения агрегатов трансмиссии автомобиля

4.2 Исследование интенсивности самопрогрева агрегатов трансмиссии автомобиля

4.3 Оценка тепловых потерь трансмиссии в окружающую среду

4.4 Анализ результатов исследований тепловых режимов работы агрегатов трансмиссии в условиях низких температур

4.5 Анализ результатов исследований теплообмена агрегатов трансмиссии с двигателем автомобиля

4.6 Анализ результатов исследований теплового потока отработавших газов двигателя

4.7 Разработанные технические средства

4.8 Технология применения технических средств

4.9 Анализ результатов эксплуатационных испытаний рекуператора-нагревателя

4.10 Анализ результатов эксплуатационных испытаний системы обеспечения тепловых режимов трансмиссии

4.11 Практическая реализация результатов исследований

4.12 Выводы по главе

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1 Оценка энергетической эффективности работы трансмиссии

в условиях низких температур

5.2 Расчет экономического эффекта прогрева трансмиссии

5.3 Эксплуатационные затраты на реализацию выполненных исследований

5.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

269

Введение диссертации (часть автореферата) на тему ««Обеспечение рационального теплового режима трансмиссии автомобилей, используемых в сельском хозяйстве при низких температурах»»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Эффективность сельскохозяйственного производства в значительной степени зависит от организации и качества транспортного процесса. Основным видом транспортных средств, используемых при перевозке сельскохозяйственных грузов в нашей стране, являются грузовые автомобили. На их долю приходится до 55% объема перевезенного груза для внутрихозяйственных перевозок и 94% - для внехозяйственных. Специфика использования автомобилей в условиях агропромышленного комплекса (АПК) Сибири заключается в необходимости работы в течение значительного времени в условиях низких температур окружающей среды. В этот период в сельскохозяйственных предприятиях в зависимости от региона перевозится до 46% различных грузов.

Низкие температуры окружающего воздуха вызывают существенные изменения тепловых режимов работы агрегатов автомобилей, а также свойств топ-ливно-смазочных материалов. В АПК ситуацию усугубляют малые расстояния перевозок и частые технологические остановки. В результате происходит ухудшение технико-эксплуатационных показателей автомобилей, увеличение расхода топлива и снижение надежности и долговечности работы агрегатов.

Анализ составляющих баланса мощности автомобиля показал, что низкие температуры окружающей среды в первую очередь обусловливают затраты энергии на преодоление сил внутреннего сопротивления в агрегатах трансмиссии, сил сопротивления качению шин и сопротивления воздушной среды. При этом энергетические затраты на преодоление внутренних сопротивлений в трансмиссии при низких температурах окружающей среды могут составлять до 70% от эффективной мощности двигателя. Следовательно, основным резервом сокращения затрат энергии при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур является обоснование и обеспечение тепловых режимов работы агрегатов трансмиссии.

Таким образом, научные исследования по обоснованию рациональных тепловых режимов работы агрегатов трансмиссии автомобилей используемых в сельском хозяйстве при низких температурах, являются актуальными.

Актуальность данной проблематики подтверждается также основными положениями «Концепции развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года» предполагающей в частности в области механизации «разработать технологии эффективного использования и повышения надежности и работоспособности техники в отрасли».

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы Новосибирского ГАУ по темам «Энергосберегающее использование транспортных машин в суровых климатических условиях» (госрегистрация №01201155823) и «Ресурсосберегающая эксплуатация транспортных машин сельскохозяйственного назначения в условиях Сибири» (госрегистрация № АААА-А17-117050410065-6).

Степень разработанности темы. Большой объем исследований, выполненных в ТИУ (ТюмНГУ), НАТИ, НАМИ, Новосибирском ГАУ, Башкирском ГАУ, Иркутском ГАУ, Красноярском ГАУ и других научных организациях и учебных заведениях показал, что тепловые режимы работы агрегатов трансмиссии при эксплуатации машин в условиях низких температур значительно снижаются. Установлено, что основным резервом экономии энергии при эксплуатации машин в условиях низких температур является регулирование теплового режима агрегатов трансмиссии. Однако обеспечение тепловых режимов агрегатов трансмиссии для минимизации внутренних потерь, требуют большого количества энергии, которое в ряде случаев не компенсируется достигнутым эффектом. Следовательно, решение данной проблемы затрудняется недостатком обоснованных данных по рациональной температуре масла в агрегатах трансмиссии и критериев её определения. Анализ конструкций современных автомобилей используемых в сельском хозяйстве показал, что в трансмиссии не предусмотрены устройства для обеспечения тепловых режимов работы агрегатов трансмиссии. Выполненные и реализованные исследования в области повышения эффективности функционирования трансмиссий машин зачастую носят локальный характер и не рассматривают вопросы обеспечения тепловых режимов агрегатов трансмиссии в комплексе. Таким образом, необходимость повышения

топливной экономичности технологического процесса эксплуатации автомобилей в сельском хозяйстве при низких температурах вступает в противоречие с разработанными и реализованными методами рационального использования мобильной техники.

Научная проблема заключается в недостатке знаний о закономерностях расхода энергии при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур, что не позволяет достаточно полно и обосновано выявить и реализовать резервы экономии топлива.

Цель исследования - снижение расхода энергии при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур за счет научного обоснования рациональных тепловых режимов работы агрегатов трансмиссии, технологии и технических средств их обеспечения.

Объект исследования - технологический процесс эксплуатации трансмиссии автомобилей в условиях низких температур.

Предмет исследования - закономерности изменения тепловых режимов работы агрегатов трансмиссии автомобилей при эксплуатации в условиях низких температур.

Научная гипотеза - достижение соответствия между значениями температур стабилизации и оптимальными температурами агрегатов трансмиссии может обеспечить существенное сокращение расхода энергии при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур.

Задачи исследования:

1. Выявить закономерности изменения энергетических затрат, позволяющие определять оптимальные температуры и температуры стабилизации агрегатов трансмиссии автомобилей при эксплуатации в условиях низких температур.

2. Разработать математическую модель рационального распределения тепловых потоков в трансмиссии автомобилей, учитывающую влияние двигателя и окружающей среды.

3. Обосновать интервалы рабочих температур в агрегатах трансмиссии, обеспечивающие снижение расхода энергии при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур.

4. Обосновать технологию и технические средства для обеспечения рациональных тепловых режимов работы агрегатов трансмиссии автомобилей в условиях низких температур.

5. Провести производственную проверку основных результатов исследований и оценить их эффективность.

Научная новизна работы:

1. Закономерности изменения температуры и времени тепловой стабилизации агрегатов трансмиссии от температуры окружающей среды и скорости движения при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур.

2. Оптимальные температуры агрегатов трансмиссии, обоснованные по критерию минимума суммарных энергетических затрат.

3. Математическая модель рационального распределения тепловых потоков в трансмиссии автомобилей, учитывающая влияние двигателя и окружающей среды и позволяющая обосновать рациональные тепловые режимы отдельных агрегатов трансмиссии.

4. Обоснованные интервалы рабочих температур агрегатов трансмиссии, обеспечивающие снижение расхода топлива при перевозке сельскохозяйственных грузов в условиях низких температур;

5. Система обеспечения рациональных тепловых режимов агрегатов трансмиссии автомобилей при эксплуатации в условиях низких температур.

Теоретическая и практическая значимость работы. Предприятия АПК, научно-исследовательские институты, занимающиеся вопросами рационального использования мобильной энергетики, и вузы, осуществляющими подготовку технических специалистов для АПК, могут использовать в своей деятельности следующие результаты теоретических и экспериментальных исследований:

- методики определения оптимальной температуры, температуры и времени тепловой стабилизации в агрегатах трансмиссии, позволяющие обосновать пути

минимизации затрат энергии при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур;

- экспериментальные данные, характеризующие тепловое взаимодействие агрегатов трансмиссии с двигателем и окружающей средой, тепловой поток отработавших газов двигателя, топливную экономичность технологического процесса эксплуатации автомобиля КамАЗ в условиях низких температур, могут быть использованы в качестве исходных данных при проектировании автотранспортных средств северного исполнения.

- технология и технические средства для обеспечения рациональных тепловых режимов работы агрегатов трансмиссии автомобиля КамАЗ включающий систему обеспечения теплового режима работы агрегатов трансмиссии (патенты РФ №119086, №120714, №130058), систему рекуперации теплоты отработавших газов двигателя (патент РФ №86660, №2595205) и устройства для нагрева агрегатов трансмиссии (патенты РФ №73281, №74605, №82506, №2402183), обеспечивающие снижение трудоемкости тепловой подготовки трансмиссии на 40...57%;

- рекомендации по повышению эффективности технологического процесса эксплуатации автомобилей используемых в сельском хозяйстве при низких температурах, обеспечивающие снижение затрат топлива на перевозку сельскохозяйственных грузов на 5...8%.

Методология и методы исследования. Общей методологической основой исследования являлся системный подход, обеспечивающий анализ технологического процесса эксплуатации автомобилей используемых в сельском хозяйстве при низких температурах с учетом тепловых режимов работы агрегатов трансмиссии. В процессе исследований использованы положения термодинамики, теории двигателей внутреннего сгорания, теории трактора и автомобиля, численные методы математического анализа и методы математического моделирования, программные комплексы систем автоматизированного проектирования. Экспериментальные исследования процессов теплового взаимодействия агрегатов трансмиссии с двигателем и окружающей средой и обеспечения тепловых режимов работы агрегатов трансмиссии базировались на методах стендовых и эксплуатационных испытаний

автомобилей, а также методах тепловизионной диагностики. Обработка полученных в ходе экспериментов данных осуществлялась с использованием современных информационных технологий, методов и программ обработки экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

- закономерности изменения температуры и времени тепловой стабилизации от температуры окружающей среды и скорости движения, оптимальные температуры агрегатов трансмиссии при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур.

- математическая модель рационального распределения тепловых потоков в агрегатах трансмиссии автомобилей, учитывающая влияние двигателя и окружающей среды и позволяющая обосновать рациональные тепловые режимы отдельных агрегатов трансмиссии.

- обоснованные интервалы рабочих температур агрегатов трансмиссии автомобилей, обеспечивающие снижение расхода топлива при перевозке сельскохозяйственных грузов в условиях низких температур;

- обоснованные технология и технические средства обеспечения рациональных тепловых режимов агрегатов трансмиссии автомобилей КамАЗ при эксплуатации в условиях низких температур;

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных результатов исследований подтверждена в результате сопоставления теоретических предпосылок и полученных экспериментальных данных, а также в результате апробации разработанных технических средств в производственных условиях. Кроме того, достоверность экспериментальных данных обеспечивалась метрологическими показателями используемых средств измерения.

Реализация результатов исследования. Результаты выполненных исследований доложены и одобрены на заседании секции механизации, энергетики и транспорта научно-технического совета Министерства сельского хозяйства Новосибирской области (2012 г.), заседании секции инженерно-технического обеспечения АПК Совета по научно-технической и экономической политике Министерства

сельского хозяйства Республики Саха (Якутия) (2019 г.), заседании научно-технического совета Министерства сельского хозяйства Иркутской области (2019 г.).

Практическое внедрение предложенных разработок осуществлено в период с 2014 по 2019 годы в ЗАО им. Ленина, ЗАО «Вознесенское», ООО «Сибирская Нива», ООО «Соколово» и ЗАО «Крутишинское» Новосибирской области.

Результаты исследований используются в учебном процессе Иркутского ГАУ, Новосибирского ГАУ, Кузбасской ГСХА при подготовке студентов по направлениям «Агроинженерия», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» и «Наземные транспортно-технологические средства».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на межрегиональной конференции молодых учёных и специалистов аграрных вузов Сибирского федерального округа «Научное и инновационное обеспечение АПК Сибири» (Барнаул, июнь 2008 г.), VII Межрегиональной конференции молодых ученых и специалистов аграрных вузов Сибирского федерального округа «Инновационный потенциал молодых ученых в развитии агропромышленного комплекса Сибири» (Новосибирск, июнь 2009 г.), региональной конференции молодых ученых Сибирского федерального округа с международным участием «Инновационные технологии в АПК» (Иркутск, 2010 г.), научно-практической конференции с международным участием «Научно-техническое обеспечение процессов производства АПК» (Новосибирск, октябрь 2014 г.), на научно-практической конфе -ренции «Актуальные проблемы научно-технического обеспечения процессов производства в АПК» (Новосибирск, ноябрь 2016 г.), VI Международной научно-практической конференции «Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых» (СФНЦА РАН, Краснообск, апрель 2017 г.), II Международной научно-практической конференции «Архитектурно-строительный и дорожно-транспортный комплексы: проблемы, перспективы, инновации» (Омск, ноябрь 2017 г.), Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные машинные технологии и техника в сельском хозяйстве» (ВИМ, Москва, декабрь 2017 г.), Всероссийской (национальной) научной конференции «Роль аграрной науки в устойчивом развитии сельских территорий» (Новосибирск, декабрь 2017 и

2018 гг.), Национальной (Всероссийской) научной конференции «Теория и практика современной аграрной науки» (Новосибирск, февраль 2018 г.), VII Международной научно-практической конференции «Информационные технологии, системы и приборы в АПК» (СФНЦА РАН, Краснообск, октябрь 2018 г.), 106-й Международной научно-технической конференции «Безопасность колесных транспортных средств в условиях эксплуатации» (Иркутск, апрель 2019 г.), ХХХ11 Национальной (с международным участием) научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей и технический сервис автомобилей, тракторов и двигателей» (Санкт-Петербург, г. Пушкин, ноябрь 2019 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 45 научных работ, в числе которых 20 статей в изданиях из перечня ВАК РФ, 9 патентов РФ на изобретения и полезные модели и 3 статьи в изданиях, включенных в международные базы данных.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 301 странице компьютерного текста, содержит 32 таблицы, 100 рисунков и состоит из введения, основной части из 5 глав, заключения, списка литературы из 315 источников, в том числе 16 на иностранных языках, и 13 приложений.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Характеристика использования транспортных средств в агрокомплексе Сибири

Агропромышленный комплекс - одна из ведущих отраслей Российской Федерации. Существенный вклад в общий объем производства сельскохозяйственной продукции страны вносят сельскохозяйственные предприятия Сибирского региона. По состоянию на начало 2016 года в Сибири было сосредоточено 18,9% всех посевных площадей страны и более 4 млн голов крупного рогатого скота, что составляло около 22% от всего стада [244].

АПК Сибири производит более 10% от общего объема производства в растениеводстве и около 14% продукции животноводства, что позволяет занять четвертое место среди регионов страны с долей в общем объеме произведенной сельхозпродукции 12,4% [242].

Сельскохозяйственными предприятиями Сибири производится 46,5% всего урожая гречихи, 37,5 - овса, 14,9 - пшеницы и более 8% картофеля [3]. Животноводство Сибири также вносит существенный вклад в производство мяса и молока. По данным за 2015 г., доля от всей производимой в стране свинины составила 14,5%, говядины - 18,9, молока - 17,5% [243].

Объемы производства сельскохозяйственной продукции в Сибири распределены неравномерно. Лидерами по производству сельскохозяйственной продукции являются Алтайский край (22,8%), Новосибирская область (19,5%) и Красноярский край (15,2%) [247]. Кроме того, довольно высок объем производства в Омской, Иркутской и Кемеровской областях. Вклад вышеуказанных субъектов в объем сельскохозяйственного производства Сибири превышает 80%.

По итогам за 2018 год в Сибири было произведено 17 485 тыс. т. продукции растениеводства, и 5 966 тыс. т. продукции животноводства без учета производства яиц (рисунок 1.1) [234].

7000 ^ 6000

^ 5000 «

н

§ 4000 «

I 3000

а с

й 2000 §

(и

^ 1000 о

Рисунок 1.1- Объемы производства сельскохозяйственного продукции в Сибири за 2018 г.

Основную долю сельскохозяйственного производства в Сибири составляет растениеводство. Доля растениеводческой продукции в общем объеме производства сельскохозяйственной продукции в зависимости от региона составляет 70... 85%.

В соответствии с показателями госпрограммы [59], производство продукции сельского хозяйства в стране к 2020 г. должно вырасти по отношению к 2012 г. на 24,8%, в частности, картофеля - до 6 млн т, овощей открытого грунта - до 5,2, овощей защищенного грунта - до 1,4 млн т.

Рост объема сельскохозяйственной продукции требует новых подходов к решению транспортных проблем агропромышленного комплекса (АПК), способствующих коренному улучшению транспортного обслуживания его отраслей. Роль транспорта в сельскохозяйственном производстве очень важна. Без четкой организации транспортного процесса сложно участвовать в конкурентной борьбе за рынки сбыта сельскохозяйственной продукции. Эффективная работа транспорта в значительной степени обусловливает сохранность продукции и ее качество. Расходы на

~662±

и Продукция растениеводства I Продукция животноводства

Алтайский край Омская область Новосибирская Красноярский

область край

Регионы Сибири

Другие

доставку продукции к местам ее реализации в условиях нашей страны сопоставимы с затратами на ее производство. Поэтому вопросы рационального использования транспорта в сельском хозяйстве приобретают огромную значимость.

Перевозка сельскохозяйственных грузов в России осуществляется автомобильным транспортом и тракторными транспортными средствами. В отличие от европейских стран, где основная масса сельскохозяйственных грузов перевозится тракторным транспортом, в нашей стране в связи с большими расстояниями перевозок и более низкой себестоимостью большее распространение получили автомобильные перевозки. По состоянию на 2010 г. доля автомобильных перевозок в сельском хозяйстве страны составляла 73%, в том числе 94% на внехозяйственных и 55% на внутрихозяйственных перевозках. Доля тракторного транспорта значительно ниже (рисунок 1.2) [105,107,184,208].

4)

<ц

£ О

2

<и

3 ю о

100 90 80 70

и . 60

н

о, и

П ст

а о

® в

Й и 30

° 50 40

<и С

О

ч:

20 10 0

и Автомобильный транспорт 94

■ Тракторный транспорт

-45—

6

Внутрихозяйственные Внехозяйственные

Виды сельскохозяйственных перевозок

Рисунок 1.2 - Доля транспортных средств в общем объеме перевозок сельскохозяйственных грузов

Транспорт в АПК перевозит большую номенклатуру растениеводческой и животноводческой продукции, а также большое количество других грузов, необходимых для агробизнеса. Основную долю в структуре сельскохозяйственных грузов составляют корма и удобрения (рисунок 1.3). Кроме того, в АПК перевозятся значительные объемы зерна, картофеля, сахарной свеклы и молока.

Сельскохозяйственные грузы Рисунок 1.3 - Структура объема перевозок грузов в АПК

Специфика сельскохозяйственного производства выдвигает определенные требования к используемым автотранспортным средствам. Поэтому автомобильными заводами России выпускаются специализированные автотранспортные средства сельскохозяйственного назначения, отличающиеся рядом эксплуатационно-технологических свойств, таких как повышенная проходимость, возможность разгрузки на три стороны и т. п.

Приведенная на рисунке 1.4 классификация [254] показывает, что в связи с большой номенклатурой перевозимых грузов парк транспортных средств представлен разнообразной высокопроизводительной техникой, отвечающей конкретным условиям перевозок.

С учетом того обстоятельства, что около 76% от общего объема перевозок в сельском хозяйстве составляют навалочные и насыпные грузы [2], среди всех рассмотренных видов подвижного состава особое место занимают автомобили-самосвалы и самосвальные автопоезда.

На сегодняшний день парк грузовых автомобилей в стране достиг 5 млн ед., в том числе в собственности юридических лиц - 2,7, физических лиц - 2,3 млн ед.

Из общей численности около 2 млн ед. составляют малотоннажные грузовики (класс ЬСУ) и 3 млн ед. - средне- и крупнотоннажные грузовые автомобили [190].

Рисунок 1.4- Классификация подвижного состава АПК

По количеству грузовых автомобилей Сибирь находится на третьем месте в стране. По состоянию на начало 2019 г. в Сибири насчитывалось 748 тыс. грузовых автомобилей [176]. При этом самым большим парком обладает Красноярский край - 133,7 тыс. автомобилей. Кроме того, большие парки имеют Иркутская область, Алтайский край и Новосибирская область (рисунок 1.5).

Э 250

<и

I 200

о

а

§ 150 л о ш

й 100

<и

I 50

р9^ ^^

Красноярский Иркутская Алтайский Новосибирская край область край область

Регионы Сибири

Другие

Рисунок 1.5 - Количество грузовых автомобилей в регионах Сибири

Парк автотранспортных средств в АПК России в настоящее время сильно изношен, более 30% транспортных средств эксплуатируются за пределами нормативного срока службы [3, 109, 4]. Из общей численности средне- и крупнотоннажных грузовых автомобилей на машины старше 10 лет приходится более трех четвертей парка (65,7%) [190]. Эксперты связывают такую ситуацию с тем, что в парке преобладают грузовые автомобили отечественных марок, выпущенные еще в СССР.

Основными марками грузовых автомобилей в Сибири являются автомобили ГАЗ (35,2%), ЗИЛ (23,1%) и КамАЗ (20,7%) [132]. Однако в отличие от структуры в целом по стране, в Сибири доля автомобилей марок ГАЗ и ЗИЛ больше, чем марки КамАЗ. Структура парка грузовых автомобилей по маркам для Сибири представлена на рисунке 1.6.

Территория Западной и Восточной Сибири расположена в арктическом, субарктическом и умеренном климатических поясах [51]. Зима может длиться от 6 до 8 месяцев [108, 110, 223]. При этом она сопровождается преимущественно сухой и морозной погодой. Самым холодным месяцем является январь. Если для севера Сибири характерны январские температуры ниже минус 40°С, а в отдельные дни ниже минус 50°С, то для средней полосы январские температуры возрастают до минус 30...35°С, а для юго-запада - до минус 25°С.

0

6,2

35,2

6Д

□ ГАЗ

□ ЗИЛ

□ КамАЗ

□ Урал

□ МАЗ

□ КрАЗ

20,7

■ Другие

23,1

Рисунок 1.6 - Структура парка грузовых автомобилей в АПК Сибири, %

Анализ метеорологических наблюдений по областным, краевым и республиканским центрам позволил установить средние и минимальные значения температур окружающего воздуха в январе для регионов Сибири и количество дней со среднесуточной отрицательной температурой. Результаты анализа представлены на рисунке 1.7.

В соответствии с данными рисунка 1.7, средняя температура января в областных и краевых центрах варьирует в широком диапазоне - от минус 14,2°С до минус 27,3°С. Минимальные значения средних температур в январе наблюдаются в республиках Тыва и Бурятия, а также в Забайкальском крае. Средняя температура января по рассматриваемым населенным пунктам Сибири составляет минус 18,6°С.

Количество дней со среднесуточной отрицательной температурой варьирует от 161 в Республике Алтай, до 182 в Забайкальском крае. Среднее значение составляет 170 дней. Абсолютный минимум температуры окружающего воздуха в январе зафиксирован в Томске и составляет минус 55°С. В среднем по административным центрам Сибири абсолютная минимальная температура воздуха в январе составляет минус 49,7°С.

Рисунок 1.7 - Климатические характеристики регионов Сибири

Анализ минимальной средней температуры для регионов, являющихся основными производителями сельскохозяйственной продукции в Сибири, показал, что период года с отрицательной минимальной температурой воздуха длится с октября по апрель. Исходя из приведенных данных, автомобильный транспорт сельскохозяйственных и других предприятий в областях, краях и республиках Сибири вынужден продолжительное время работать в условиях низких температур окружающего воздуха.

С учетом средних и экстремальных значений температур для указанных выше регионов Сибири, эксплуатация неподготовленных автомобилей с октября по апрель вызывает дополнительные затраты энергии, связанные с обеспечением

тепловых режимов основных агрегатов и систем. Отличительной чертой такой эксплуатации является высокая интенсивность отдачи тепла с поверхности агрегатов, что вызывает значительное ухудшение их теплового состояния. Поэтому под низкими температурами окружающей среды в работе будем понимать диапазон температур, ограниченный минимальной средней температурой января, и максимальной средней температурой в период с октября по апрель, для Алтайского края, Новосибирской области, Красноярского края, Омской, Иркутской и Кемеровской областей. По данным метеорологических наблюдений диапазон низких температур для указанных субъектов составляет от минус 33,5 до +14,3°С.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Долгушин Алексей Александрович, 2020 год

\ /

н и

н « о ЬЙ ЧО <4 II Р г 54 1П С а 54 54 Н В й-

^н Г- РЧ II N Н с гс* II Ё о С4 II н

т ,=250К 1 и с Н / // ' ' / о Н с н Г ¡=1 и Н - -- - -

0

238 243 248 253 258 263 268 273 278 283 288 293 298 303

Температура масла, К

Рисунок 2.22 - Вязкостно-температурная характеристика трансмиссионного

масла ТМ-3-18

Границы температурных интервалов для моделирования теплообмена в трансмиссии рассматриваемого автомобиля КамАЗ сведем в таблицу 2.8.

Таблица 2.8 - Исходные данные для моделирования теплообмена в трансмиссии автомобиля КамАЗ

Агрегат Значения исходных температур, К

Тос Т1 Топт ГТ! * ТСТ

Коробка передач 243 250 279 293

Ведущие мосты 243 250 271,5 263

* Для автомобиля, движущегося со скоростью 60 км/ч

Анализ данных таблицы 2.8 и рисунка 2.22 показывает, что в рассматриваемых условиях моделирования имеют место следующие соотношения температур:

1. Оптимальная температура первого агрегата больше оптимальной температуры второго агрегата, т.е. Т1пт >Т2пт.

2. Температура стабилизации первого агрегата больше температуры стабилизации второго агрегата, т.е. Т[т>Т2т.

3. Температура стабилизации первого агрегата больше его оптимальной температуры ЛГ>ТГ, а температура стабилизации второго агрегата меньше его оптимальной температуры Т2т<Т2пт.

В соответствии с моделью рационального распределения тепловых потоков для заданных условий эксплуатации уменьшения энергетических затрат на функционирование трансмиссии можно достичь за счет передачи тепла от первого агрегата ко второму, т.е. за счет теплообмена между КПП и ведущими мостами. Для расчета процесса теплообмена системы агрегатов трансмиссии использовались уравнения (2.84)-(2.89).

По результатам аналитических расчетов были определены следующие температурные показатели в системе трансмиссионных агрегатов: Трав - равновесная температура в системе обеспечения теплового режима работы агрегатов, достигаемая за счет перераспределения тепловой энергии от КПП к ведущим мостам трансмиссии; Трав1 - температура КПП при достижении ведущими мостами температуры Т2пт; Трав2 - температура ведущих мостов при достижении КПП температуры Топт.

Результаты расчетов тепловых режимов агрегатов трансмиссии представлены на рисунке 2.23.

уст у ОПТ у у у

12 12 * рав2 *рав 12

• 1 » ' > •- -> г уст у рав1 11 11 1 а \

| у уопт ' \ 'рав '1

! 263К •-1 271,5К I-« 1-- 275,1К 276,9К! 279К к---4-—--- 7 ' 1 1 283,2К!293К Т »-•—>

Рисунок 2.23 - Расчетные тепловые режимы системы агрегатов трансмиссии

В соответствии со схемой, в процессе теплообмена агрегатов трансмиссии КПП начинает охлаждаться, а ведущие мосты нагреваются. Направления изменения температур агрегатов на схеме обозначены стрелками. Рассматриваемая система агрегатов приходит в тепловое равновесие при температуре Трав=276,9К. При этом КПП охлаждается ниже оптимального уровня Топт=279К, а ведущие мосты нагреваются выше оптимального уровня Т2пт=271,5К.

Так как тепловой режим в системе агрегатов является инерционным, то температуры, при которых достигаются минимальные затраты энергии в системе, будут неустойчивыми. Причиной нестабильности оптимальных температур является также стремление тепловых режимов агрегатов при автономной работе к температурам стабилизации. Поэтому для решения поставленной задачи предлагается определить интервалы температур, для которых суммарные затраты в агрегатах трансмиссии будут минимальными.

С учетом вышеизложенных обстоятельств и в соответствии с данными рисунка 2.23 были определены интервалы рабочих температур агрегатов при эксплуатации трансмиссии, при которых обеспечивается рациональный расход энергии.

Для коробки передач минимизация затрат энергии будет обеспечиваться в диапазоне температур Т*1пт<771<Трав, или в единицах температуры 279К<Т1<283,2К. Для ведущих мостов минимум затрат ресурсов может быть достигнут в диапазоне рабочих температур Т>пт<Т2< Т^, или в единицах температуры 271,5К<Т2<275,1К. Поддержание тепловых режимов работы агрегатов в заданных температурных интервалах обеспечит минимум энергетических затрат при эксплуатации трансмиссии в рассматриваемых условиях.

2.6 Обоснование параметров теплоизоляции агрегатов

Анализ теплового баланса агрегатов трансмиссии показывает, что сокращение затрат энергии на обеспечение теплового режима трансмиссии возможно как за счет интенсификации поступления теплоты к агрегатам, так и за счет уменьшения потерь в окружающую среду. Следовательно, проблема экономии энергии при

тепловой подготовке трансмиссий неразрывно связана с рассмотрением вопросов теплоизоляции рассматриваемых агрегатов.

Использование любых видов теплоизоляционных материалов для агрегатов трансмиссии ввиду различий в теплотехнических характеристиках связано с обоснованием минимальной толщины используемого материала. При этом изоляция агрегатов возможна как с помощью специальных съемных теплоизоляционных кожухов, так и в результате непосредственного нанесения жидкой теплоизоляции на поверхность картера.

Главной целью теплоизоляции является снижение интенсивности теплоотдачи в окружающую среду с поверхности агрегатов, что в комплексе с другими мероприятиями обеспечит заданный (оптимальный) уровень температуры. С учетом неравномерного распределения температуры и сложной конфигурации корпусов агрегатов трансмиссии величину тепловых потерь необходимо задавать на единицу площади поверхности. Таким образом ключевым фактором при обосновании выбора и толщины необходимой теплоизоляции является максимальный удельный тепловой поток дтшах (Вт/м2) во внешнюю среду в заданных условиях.

Следует отметить, что при определении величины дмдх необходимо принимать во внимание количество дополнительной теплоты, передаваемой агрегатов от внешних источников, если они используются.

В соответствие с [139], процесс теплообмена агрегата трансмиссии с внешней средой можно отнести к случаю теплопроводности через многослойную плоскую стенку, каждый слой которой находится в тепловом контакте друг с другом. На первом этапе теплота передается через чугунную стенку картера агрегата, а на втором - через слой теплоизоляции. Для условий рассматриваемой задачи принимаем, что вся теплота с поверхности теплоизоляционного слоя отводится в окружающую среду конвективными воздушными потоками.

Исходными данными для обоснования толщины теплоизоляционного слоя будут следующие величины:

1) коэффициент теплопроводности картера агрегата 1, Вт/(м К);

2) коэффициент теплопроводности теплоизоляции 1, Вт/(м-К);

3) средняя температура внутренней поверхности стенки картера агрегата (приблизительно равна средней температуре масла в картере), ТК, К;

4) средняя температура внешнего слоя теплоизоляции (приблизительно равна температуре окружающей среды), ТИ, К;

5) площадь поверхности агрегата, участвующая в теплообмене (определяется по тепловизионным снимкам), 5т, м2;

6) средняя толщина стенки картера агрегата, ¿ст, м.

7) толщина изоляционного слоя, ¿из, м.

Для рассматриваемого диапазона температур окружающей среды можно принять постоянство коэффициентов теплопроводности стенок. Тогда тепловой поток от трансмиссионного масла во внешнюю среду будет определяться преимущественно разницей температур масла и воздуха и толщиной ограждающих стенок. Так как толщину стенки картера агрегата трансмиссии изменить нельзя, регулирование интенсивности теплообмена можно осуществлять за счет изменения толщины слоя изоляции.

Тепловой поток от агрегата трансмиссии в окружающую среду можно определить по формуле:

4т = , Вт. (2.9°)

¿1 5т Л-2 ^т аТ ^т

В связи с тем, что температура масла и температура стенки изолированного агрегата отличаются незначительно, теплопроводностью стенки картера можно пренебречь. Кроме того, определение градиента температуры на внутренней поверхности стенки картера агрегатов трансмиссии вызывает определенные трудности, в отличие от градиента температуры на наружной поверхности стенки картера.

Для заданного участка стенки картера агрегата имеющего определенную температуру, на внешней поверхности которой нанесен теплоизоляционный слой, удельный тепловой поток можно определить по формуле [269]:

ЧТ = ТКв+Ти , Вт/м2. (2.91)

¿2 ат

где Ткв - температура наружной поверхности стенки картера агрегата (определяется по тепловизионным снимкам), К;

Выразив из формулы (2.91) величину ¿из, получим выражение для определения минимальной толщины теплоизоляционного слоя:

Задаваясь максимальным удельным тепловым потоком с поверхности агрегата и коэффициентом теплопроводности используемой теплоизоляции можно определить минимальную толщину теплоизоляционного слоя для изолируемого участка поверхности агрегата. С учетом высоких теплоизоляционных свойств и возможности нанесения на поверхности со сложным профилем предпочтение следует отдавать жидкой теплоизоляционной краске.

Теоретических анализ зависимости (2.92) позволил выявить основные факторы, влияющие на толщину теплоизоляции и обосновать минимальную толщину теплоизоляционного слоя для агрегатов трансмиссии при заданном удельном тепловом потоке и коэффициенте теплопроводности используемой изоляции. Результаты расчетов представлены на рисунке 2.24.

Анализ данных графика показал, что в рассматриваемых условиях применение теплоизоляции не требуется при удельном тепловом потоке более 90 Вт/м2, и коэффициенте теплопроводности изоляции менее 0,002 Вт/(м К). Максимальная толщина изоляционного слоя составляет 0,003 м при удельном тепловом потоке 20 Вт/м2 и коэффициенте теплопроводности изоляции менее 0,0035 Вт/(м К).

Предварительные эксперименты показали, что максимальные тепловые потери посредством теплопроводности в агрегатах трансмиссии наблюдаются в местах соприкосновения смазочного масла со стенками картера. Для обеспечения требуемого максимального уровня тепловых потерь необходимо наносить изоляционный материал локально с учетом фактического градиента температур. Такой поход позволит также рационально использовать теплоизоляционные материалы. Определение температурного поля на поверхности агрегатов возможно осуществить посредством тепловизирования с помощью специальных приборов.

(2.92)

Рисунок 2.24 - Взаимосвязь толщины изоляционного слоя, теплопроводности изоляции и удельного теплового потока

2.7 Обоснование параметров источников рекуперативного тепла

Одним из перспективных направлений поиска дополнительных источников тепла для системы агрегатов трансмиссии является использование вторичной теплоты двигателя автомобиля, и в первую очередь теплоты отработавших газов. Из теории двигателей известно, что через систему выпуска двигателя с выхлопными газами теряется около 35% от всей теплоты, теряемой в двигателе [64,141]. Очевидно, что отработавшие газы, проходящие по выпускному тракту, обладают определенной энергией и при необходимости могут быть полезно использованы для обеспечения теплового режима агрегатов трансмиссии в отдельности и всей трансмиссии в целом.

С учетом того обстоятельства, что предполагается объединение всех агрегатов трансмиссии в общую систему, в которой будет циркулировать теплоноситель, необходимо рассмотреть вопрос об утилизации теплоты отработавших газов на обеспечение целевого теплового режима разработанной системы.

Анализ конструкций теплообменников, используемых в различных отраслях промышленности, показал, что наиболее подходящим техническим решением для условий нашей задачи является кожухотрубный теплообменник типа «труба в трубе». В теплообменнике такого типа холодный теплоноситель (тосол, антифриз) течет по трубам, размещенным внутри кожуха, тогда как горячий теплоноситель (отработавшие газы двигателя) прокачивается в межтрубном пространстве в поперечном направлении. Поперечное движение горячих газов относительно направления движения жидкости обеспечивает более интенсивную теплоотдачу. Выбор такого типа теплообменника был обусловлен низкой стоимостью изготовления, поскольку в его конструкции не предусмотрены мероприятия по предотвращению термических напряжений, обусловленных неодинаковым тепловым расширением труб и кожуха.

Процесс теплопередачи в рассматриваемом теплообменнике является сложным видом теплообмена, так как перенос теплоты от отработавших газов к жидкости происходит ступенчатым образом [265]. Продукты сгорания двигателя содержат газы СО, СО2 и Н2О, которые испускают и поглощают тепловое излучение. Следовательно, в первом элементе системы тепло переносится от горячей газовой среды к внешней поверхности труб (рисунок 2.25). Процесс передачи теплоты осуществляется посредством конвекции и излучения, действующих параллельно.

7св

А

Го, вых

7'г, вх

То, вх

Рисунок 2.25 - Расчетная схема рекуператора-нагревателя

Суммарный тепловой поток к наружной поверхности труб можно определить из выражения [15, 39, 166]

=^т ^ (ТГ - Тсн+и ^т Т - !ш), Вт, (2.93)

где аТ - средний коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2-К); аИ - средний коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2-К); Рт - площадь поверхности омываемых труб, м2; ТГ - температура отработавших газов, К; Тсн - температура наружной поверхности труб, К.

В результате математических преобразований формула (2.93) примет следующий вид:

ц=(ат ^ + % Рт) (Тг - Тсн) = ТЧ«Ттн, Вт, (2.94)

«1

где = 1 /(осТ + íFИ)Fт - суммарное термическое сопротивление первого элемента системы, К/Вт.

Вторым этапом сложного теплообмена будет являться кондуктивный перенос тепла через стенки труб. Кондуктивный тепловой поток можно определить из выражения [15, 39, 166]

Ъ = ^ (Тсн-ТсВ) = ТсН-!са, Вт, (2.95)

ЬС «2

где Ае - коэффициент теплопроводности стенки трубы, Вт/(м-К); Ьс - толщина стенки трубы, м; Тсв - температура внутренней поверхности труб, К;

= Ьс/(Хс Рт) - суммарное термическое сопротивление второго элемента системы, К/Вт.

На третьем этапе теплообмена тепло передается от стенки трубы холодному теплоносителю посредством конвекции. Конвективный тепловой поток в последнем элементе системы выражается формулой [15, 39, 166]:

^3 =йт ^ (Тсв - Т) = тсв-то, Вт, (2.96)

где аТ - средний коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2-К); То - температура холодного теплоносителя, К;

Д3 = 1/*т ^т - суммарное термическое сопротивление первого элемента системы, К/Вт.

В теории теплообмена принято различать коэффициенты конвективной теплоотдачи на первом и третьем этапе теплопередачи, так как они зависят от многих факторов, как правило, отличных друг от друга. Кроме того, существует разница в площадях поверхностей, по которым распространяется тепловой поток на всех этапах теплопередачи. Однако в большинстве случаев ввиду незначительной толщины стенки применяемых труб вышеуказанными особенностями при расчете теплообменников пренебрегают.

Искомым параметром исследуемого теплообменника является его тепловая мощность. Если приравнять выражения (2.94)-(2.96) и исключить промежуточные температуры, получим выражение для определения мощности теплообменника:

рт = Тг - То = ДТпол = мпш, Вт, (2.97)

где АТПоЛ - полный перепад температур в теплообменнике, К;

Яе - суммарное термическое сопротивление всех элементов системы, К/Вт.

Таким образом, зная температуру отработавших газов двигателя и задаваясь необходимой температурой холодного теплоносителя в системе обеспечения теплового режима трансмиссии, можно обосновать минимальную мощность теплообменника.

Применение в практических расчетах выражения (2.97) затруднено точным определением коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности в связи с большим количеством факторов, от которых они зависят. Поэтому при тепловом расчете теплообменников формулу (2.97) упрощают, объединив все отдельные термические сопротивления в один параметр, называемый суммарным коэффициентом теплопередачи Ке. Применяя данный коэффициент в выражении для расчета мощности теплообменника, получим:

Рт=К£ ДТпол, Вт. (2.98)

С учетом выражения (2.97) суммарный коэффициент теплопередачи определяется соотношением

1 1 Вт

(2.99)

(д 1 +д2 +д3) ' м2К '

Для теплообменников типа «труба в трубе», где тепловой поток передается от горячего газа посредством вынужденной конвекции к жидкости с принудительной циркуляцией, значения суммарного коэффициента теплопередачи варьируют в пределах Ке = 10...60 Вт/(м2-К) [139].

При расчете мощности рекуператора-нагревателя необходимо обязательно учитывать то обстоятельство, что при работе с большинством жидкостей и газов на поверхности теплообмена постепенно происходит отложение пленки загрязнений -ржавчины, накипи, масляной пленки и др. Наличие на внутренних и внешних поверхностях теплообменных труб указанных отложений приводит к увеличению термического сопротивления.

Поэтому с целью повышения точности тепловых расчетов определение суммарного коэффициента теплопередачи необходимо осуществлять с учетом коэффициента загрязнения [9, 130]:

где Да - коэффициент загрязнения, Да = 0,0002...0,0009 м2 К/Вт [139].

Уравнение (2.97) позволяет количественно оценить важность каждого фактора термического сопротивления на пути передачи тепла и исходя из этого обосновать пути повышения эффективности рекуператора-нагревателя.

Детальный анализ уравнений (2.94)-(2.96) позволил выявить основные конструктивные факторы, влияющие на величину термических сопротивлений на всех этапах теплообмена и наметить основные направления достижения максимальной эффективности теплообменника в условиях заданных ограничений по стоимости, массе и габаритным размерам.

В первую очередь процесс теплопереноса обусловлен характеристиками материалов, из которых изготовлены внутренние трубы. Принимая во внимание стоимость материалов, их стойкость к воздействию отработавших газов и охлаждающей жидкости, необходимо стремиться к применению материалов с максимальной теплоотдачей и теплопроводностью.

(2.100)

Во-вторых, необходимо обеспечивать принудительную циркуляцию теплоносителей. С учетом того, что принудительное движение горячих газов обеспечивает двигатель внутреннего сгорания, необходимо обеспечить принудительную циркуляцию охлаждающей жидкости за счет применения жидкостного насоса.

Для снижения потерь рекуперированной теплоты в окружающую среду необходимо предусмотреть возможность тепловой изоляции внешней поверхности кожуха рекуператора-нагревателя. Методика обоснования толщины применяемой теплоизоляции изложена в разделе 2.6.

Помимо вышеуказанных факторов, эффективность процесса теплопередачи зависит от площади поверхности омываемых внутренних труб и толщины их стенок. Таким образом, целесообразно стремиться к максимальному количеству труб и минимальной толщине их стенок с учетом имеющихся ограничений. Промежуточные результаты теоретического обоснования основных параметров разработанного теплообменника изложены в работе диссертанта [224].

Основным эксплуатационным параметром разработанного рекуператора-нагревателя является его тепловая мощность. С учетом того обстоятельства, что предполагается использование рекуператора-нагревателя для предварительного разогрева агрегатов трансмиссии до температуры Т\, необходимо оценить потенциальную тепловую мощность рекуператора-нагревателя при работе двигателя в режиме холостого хода и температуре окружающей среды 243К (минус 30°С). Данный режим работы двигателя характеризуется минимальной температурой отработавших газов.

Моделирование тепловых процессов в разработанном рекуператоре-нагревателе в заданных условиях осуществлялось с помощью системы автоматизированного проектирования. В качестве исходных данных задавались следующие параметры системы:

- температура окружающей среды;

- начальная температура твердых тел;

- температура теплоносителя на входе в рекуператор-нагреватель;

- температура отработавших газов на входе в рекуператор-нагреватель;

- массовый расход отработавших газов на входе в рекуператор-нагреватель;

- массовый расход теплоносителя на входе в рекуператор-нагреватель;

- материал рекуператора-нагревателя (углеродистая сталь);

- материал трубок - медь;

- теплоноситель - ТОСОЛ А40;

- коэффициент теплоотдачи на стенках;

На первом этапе моделировался теплообмен потоков отработавших газов с металлическими частями рекуператора-нагревателя. Определялись направление движения газов и их температура. Результаты моделирования представлены на рисунке 2.26.

Анализ полученных результатов показал, что потоки газов движутся по центральной трубе и соударяясь с внутренней стенкой левого бачка рекуператора-нагревателя меняют свое направление, двигаясь от центра стенки бачка к периферии с переходом на стенку рекуператора-нагревателя. Далее потоки отработавших газов начинают омывать теплообменные трубки, после чего движутся в направлении выпускного патрубка. В левой секции рекуператора-нагревателя газы проходят максимальный путь и имеют максимальную температуру. В правую секцию рекуператора-нагревателя отработавшие газы не поступают вследствие того, что при работе двигателя в режиме холостого хода их расход минимальный.

При течении газов по центральной трубе их температура остается постоянной. В процессе теплообмена между элементами рекуператора-нагревателя и газами температура последних снижается. В левой секции рекуператора-нагревателя за счет взаимодействия с бачком и трубками, заполненных холодным тосолом, температура газов снижается на 5...6К. Перетекание газов в среднюю секцию также вызывает снижение их температуры. Максимальная разница температур на входе и выходе рекуператора-нагревателя в рассматриваемом случае составляет 10К.

Зависимость температуры отработавших газов на выходе из рекуператора-нагревателя от температуры их на входе представлена на рисунке 2.27. Анализ данных показывает, что максимальный температурный перепад при работе двигателя в режиме холостого хода составляет 13К.

Рисунок 2.26 - Графическое изображение моделирования движения отработавших газов в рекуператоре-нагревателе (стационарный режим);

Температура ОГ на входе, К Рисунок 2.27 - Зависимость температуры отработавших газов на выходе из рекуператора-нагревателя от температуры на входе

Результаты моделирования теплообмена тосола с конструктивными элементами рекуператора-нагревателя представлены на рисунке 2.28. В процессе течения тосола через рекуператор-нагреватель происходит его нагрев за счет соприкосновения с нагретой поверхностью внутренней стенки левого бачка, внутренней поверхности теплообменных трубок и поверхностью внутренней стенки правого бачка. Максимальные температуры тосола наблюдаются в теплообменных трубках, расположенных в средней и правой секции рекуператора-нагревателя и составляют 373 К. Перетекание тосола в правый бачек приводит к снижению его температуры за счет интенсивного теплообмена внешней поверхности бачка с окружающей средой. Температурный перепад для тосола в рассматриваемых условиях составил 130 К. Температура тосола на выходе из рекуператора-нагревателя в рассматриваемых условиях составила 346 К.

Учитывая, что прогрев двигателя осуществляется в диапазоне частот вращения коленчатого вала от 600 до 1500 мин"1, температура отработавших газов может изменяться в интервале 330...470 К. Для рассматриваемого интервала температур

отработавших газов в результате моделирования была определена температура то-сола на выходе из рекуператора-нагревателя. Зависимость температуры тосола от температуры отработавших газов на входе в рекуператор-нагреватель представлена на рисунке 2.29.

Анализ данных графика показал, что при изменении температуры отработавших газов на входе в рекуператор-нагреватель 140 К, температура тосола на выходе изменяется на 112 К, с 314 до 426 К.

Рисунок 2.28 - Графическое изображение моделирования нагрева тосола в рекуператоре-нагревателе

353 393 433 473

Температура отработавших газов, К

Рисунок 2.29 - Зависимость температуры тосола от температуры отработавших газов

Движение текучих сред в рекуператоре-нагревателе вызывает нагрев его конструктивных элементов. Минимальные температуры имеют внешние поверхности газовых секций. Максимальные температуры наблюдаются на поверхности тепло-обменных трубок. Распределение температур на внутренних и внешних поверхностях рекуператора-нагревателя представлено на рисунке 2.30.

Температура (твердое тело) К

393 К

т

т

т:

и

243 К

Ми1= 299.89 К Мах= 392.59К

Рисунок 2.30 - Температура конструктивных элементов рекуператора-нагревателя при работе в стационарном режиме

С учетом данных, полученных в результате моделирования и выражения (2.98) была обоснована мощность разработанного рекуператора-нагревателя при работе двигателя КамАЗ-740 в режиме холостого хода. Результаты расчета представлены на рисунке 2.31.

Рисунок 2.31 - Зависимость мощности рекуператора-нагревателя от температуры отработавших газов двигателя

На основании данных рисунка 2.31 в рассматриваемых условиях эксплуатации тепловая мощность рекуператора-нагревателя может изменяться в диапазоне от 4 до 10 кВт. Причем минимальное значение мощности соответствует минимальным оборотом холостого хода двигателя, а максимальное значение частоте вращения коленчатого вала 1500 мин-1. С учетом данных по количеству теплоты, необходимой для предварительного разогрева трансмиссии до температуры Т (раздел 2.3), разработанный рекуператор-нагреватель позволит осуществить тепловую подготовку агрегатов трансмиссии автомобиля КамАЗ без использования дополнительных источников энергии.

2.8 Выводы по главе

Теоретический анализ энергетических затрат при использовании трансмиссий грузовых автомобилей в условиях низких температур и моделирование распределения тепловых потоков в системе трансмиссионных агрегатов позволили сделать следующие выводы:

1. Обеспечение тепловых режимов агрегатов трансмиссии автомобилей в условиях низких температур должно базироваться на сопоставлении температур стабилизации и оптимальных температур для каждого агрегата с целью выбора стратегии минимизации энергетических затрат.

2. Для обоснования оптимальных температур отдельных агрегатов трансмиссии предложен комплексный критерий, базирующийся на сумме затрат энергии для обеспечение теплового режима агрегата перед началом движения и энергии на преодоление момента трения в агрегате при движении автомобиля в заданных условиях.

3. Теоретически исследованы затраты энергии при работе трансмиссии в условиях низких температур. Установлено, что суммарные затрат энергии на функционирование КПП составляют от 9500 до 12000 кДж, для ведущих мостов - от 3500 до 4000 кДж. Оптимальные температуры агрегатов в этих условиях составляют для КПП 279К, для среднего моста - 271 и для заднего моста - 272К.

4. Установлена функциональная связь температуры стабилизации агрегатов трансмиссии, скорости движения автомобиля и температуры внешней среды. В рассматриваемых условиях температура стабилизации КПП изменяется от 284 до 319К, ведущих мостов - от 258 до 305К.

5. Выведена теоретическая зависимость времени достижения теплового равновесия в агрегатах трансмиссии от условий эксплуатации. Установлено, что время выхода КПП на режим тепловой стабилизации составляет от 43 до 86 мин, а ведущих мостов - от 65 до 110 мин.

6. Разработана математическая модель рационального распределения тепловой энергии в трансмиссии автомобиля. Определены диапазоны рабочих

температур в агрегатах трансмиссии, обеспечивающие минимальные затраты энергии. Для коробки передач минимизация затрат энергии будет обеспечиваться в диапазоне температур от 279 до 283,2 К, для ведущих мостов - от 271,5 до 275,1К.

7. Обоснована параметры теплоизоляции агрегатов трансмиссии и конструктивно-режимные параметры рекуператора-нагревателя элементов системы обеспечения теплового режима агрегатов трансмиссии.

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

АГРЕГАТОВ ТРАНСМИССИИ

3.1 Общая программа исследований

Задачами экспериментальных исследований являлись проверка правомерности выдвинутых теоретических положений о возможности обеспечения рационального теплового режима трансмиссии в условиях низких температур, количественная оценка факторов и закономерностей, отражающих взаимосвязь эффективности расходования энергии и особенностей использования трансмиссии в условиях низких температур, и разработка предложений по практической реализации результатов исследований в области повышения топливной экономичности автомобилей используемых в сельском хозяйстве при низких температурах.

Исходя из поставленных задач, разработана и реализована следующая программа экспериментальных исследований:

1. Стендовые испытания автомобиля и агрегатов трансмиссии:

- исследования интенсивности самопрогрева агрегатов трансмиссии;

- исследования процесса теплообмена в системе «Двигатель - трансмиссия -окружающая среда»;

2. Эксплуатационные испытания автомобиля:

- исследования интенсивности охлаждения агрегатов трансмиссии;

- тепловизионная диагностика тепловых потерь в трансмиссии;

- исследования теплового потока отработавших газов двигателя;

- ходовые испытания автомобиля в условиях низких температур;

- эксплуатационные испытания рекуператора-нагревателя;

- эксплуатационные испытания системы обеспечения теплового режима трансмиссии;

Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик. Численная реализация разработанных математических моделей производилась с использованием программы Microsoft Excel 2010. Обработка экспериментальных данных выполнена с применением программ Microsoft Excel 2010 и Statistica.

В качестве физического объекта исследований была выбрана трансмиссия автомобиля КамАЗ классической компоновки, состоящая из механической коробки передач и двух ведущих мостов.

3.2 Методика планирования экспериментов

Для обеспечения необходимой точности и достоверности полученных данных и снижения трудоемкости экспериментов работа по получению необходимых эмпирических данных базировалась на теории организации и планирования экспериментов, изложенной в ряде работ [5, 6, 175].

Исследуемые в ходе эксперимента физические параметры соответствовали основным требованиям, предъявляемым к откликам [54,144,168]:

- доступен для непосредственного измерения;

- имеет возможность количественной оценки;

- обладает однозначностью в функции переменных факторов;

- обладает чувствительностью при всех состояниях исследуемого объекта.

С учетом предъявляемых требований в качестве откликов были приняты температура масла в агрегатах трансмиссии; температура корпусов агрегатов; температура воздушных потоков, омывающих трансмиссию; температура отработавших газов двигателя и температура промежуточного теплоносителя в системе обеспечения теплового режима трансмиссии.

Выбор факторов, влияющих на функцию откликов, осуществлялся на основании глубокого теоретического анализа исследуемых физических процессов. Отбор значимых факторов осуществлялся по следующим критериям:

- стабильность значений в течении всего эксперимента;

- непосредственное влияние на значение отклика;

- сочетание с другими факторами во всех комбинациях безопасно для исследуемого физического объекта;

- независимость от других факторов;

На основании анализа соответствия рассматриваемых факторов вышеперечисленным критериям, из общей совокупности выбирались факторы, полностью удовлетворяющие всем требованиям.

В соответствие с методикой [61] при количестве факторов п < 5 отсеивание незначимых осуществлялось методом дисперсионного анализа путем сопоставления дисперсии, характеризующей изменчивость отклика при изменении исследуемого фактора. Для проверки гипотезы о значимости влияния рассматриваемого фактора на отклик использовался Б-критерий. При количестве факторов п>5 незначимые факторы отсеивались методом априорного ранжирования. Для отсеивания факторов использовались литературные данные, результаты предварительных экспериментов, результаты опроса специалистов и т. п.

Детальный анализ полученной информации позволил выделить наиболее значимые факторы и отсеять оказывающие несущественное влияние на исследуемый процесс.

Для выделенных факторов определялись интервалы варьирования. При выборе верхнего и нижнего уровня варьирования значимого фактора принималось во внимание погрешность измерения фактора. В большинстве экспериментов значения граничных уровней варьирования соответствовали значениям факторов в реальных условиях эксплуатации.

Для удобства записи условий эксперимента и обработки экспериментальных данных уровни варьирования факторов записывают в кодированном виде: верхний уровень обозначают (+), нижний (-). Кодировка значения фактора осуществляется по формуле [5]

—п_—о

Х- = -_-Ч (3.1)

Л

где Х( - кодированное текущее значение фактора; х™ - натуральное значение нулевого уровня;

х? - натуральное текущее значение фактора;

]1 - натуральное значение интервала варьирования.

Так как конкретный вид связи между значимыми факторами и откликом исследуемых процессов заранее не известен, то для выявления функциональной связи применялась аппроксимация отклика полиномом второй степени [232, 248, 285]:

¥ — Ьд + Х2 + Ь^ Х3 + ЬцХ-^ + ¿22 +

+ Ь^зХ3 + Ь-[2Х2 + ЬузХ3 + ¿23Х2Х3 , (3 2)

где Ь0 - свободный член;

Ь\,Ь2,Ь3,Ь\\,Ь22,Ь33,Ь\2,Ь\3,Ь23 - расчетные коэффициенты регрессии;

х\, Х2, Х3 - независимые переменные (факторы).

Определение значений коэффициентов регрессии осуществляется в результате реализации полного факторного эксперимента по выбранному плану.

Сравнение существующих планов факторного эксперимента проводилось по значениям критериев Д-, Е-, А- и Q- оптимальности в соответствие с рекомендациями В.З. Бродского, Л.И. Бродского и Т.И. Голиковой [23]. Значения коэффициентов регрессии определялись из матрицы коэффициентов и результатов соответствующих наблюдений.

3.3 Экспериментальные установки и лабораторное оборудование

Для реализации разработанного плана исследований в условиях лаборатории кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка Инженерного института Новосибирского ГАУ были созданы несколько экспериментальных установок.

Серия стендовых испытаний по исследованию процессов охлаждения и нагрева коробки передач осуществлялась с помощью экспериментальной установки №1, представленной на рисунке 3.1.

Экспериментальная установка выполнена на базе механической КПП 2 автомобиля КамАЗ (модель 142), установленной на раме 4. Привод первичного вала КПП осуществляется от асинхронного электродвигателя 6 мощностью 7,5 кВт посредством цепной передачи 1 с передаточным числом 2,7.

Рисунок 3.1 - Общий вид экспериментальной установки №1

Осевой вентилятор, установленный со стороны фланца первичного вала, позволял создавать обдувающий воздушный поток разной интенсивности. Мощностью электродвигателя вентилятора составляла 0,75 кВт. Изменение частоты вращения осевого вентилятора осуществлялось посредством преобразователя частоты ВЕСПЕР Е2-8300-005Н мощностью 3,7 кВт, что позволяло изменять скорость обдувающего воздушного потока в диапазоне от 0 до 15 м/с. Управление режимами работы экспериментальной установки осуществлялось с помощью пульта управления 5.

Для регистрации температуры трансмиссионного масла в картер КПП были установлены 5 датчиков температуры (термопреобразователи сопротивления ДТС 044 - 50 М). Места установки датчиков указаны на схеме (рисунок 3.3). Датчик №1 устанавливался в сливную пробку картера КПП, датчик №2 - в нижнюю часть боковой стенки картера КПП. Датчики №1 и №2 позволяли измерять температуры нижнего слоя масла. Датчики №3, №4 и №5 устанавливались в боковую стенку картера КПП для измерения температуры среднего и верхнего слоев масла [75, 78].

Эксперименты по исследованию теплового потока отработавших газов осуществлялись на двигателе КамАЗ-740. Для регистрации температуры

отработавших газов в выпускной тракт двигателя устанавливались 6 датчиков температуры. Расстояние между датчиками составляло 0,5 м. [71, 77].

Рисунок 3.2 - Схема установки датчиков температуры

Эксплуатационные испытания автомобиля осуществлялись с помощью экспериментальной установки .№2, созданной на базе автомобиля КамАЗ-65115 (рисунок 3.3).

С целью оценки тепловых потерь с поверхности агрегатов трансмиссии проводилась тепловизионная диагностика. Подробное описание компоновки измерительного оборудования изложено в работе диссертанта [113]. На первом этапе исследовалась интенсивность охлаждения агрегатов трансмиссии при межсменной стоянке, интенсивность нагрева КПП при работе в режиме без передачи крутящего момента и тепловое взаимодействие агрегатов трансмиссии друг с другом, с двигателем и с окружающей средой.

Для выполнения программы данного этапа экспериментальных исследований автомобиль был оснащен комплектом датчиков температуры, установленных по схеме, приведенной в таблице 3.1.

Рисунок 3.3 - Схема экспериментальной установки №2: 1 - датчики температуры ТП.ХК (Ь)-11; 2 - датчики температуры ДТС -034, ДТС-044; 3 - датчик расхода топлива ББМ; 4 - рекуператор-нагреватель; 5 - теплообменники для агрегатов; 6 -осевой вентилятор ВО 6 - 300 - 8 - 3/1500.

Таблица 3.1 - Места установки датчиков температуры на автомобиле

Агрегат Место установки Среда Тип датчика Количество

КПП Заливная пробка Масло ДТС 044 - 50 М 1

Справа по центру стенки Воздух ДТС 034 - 50 М 1

Слева по центру стенки Воздух ДТС 034 - 50 М 1

Средний мост Сливная пробка Масло ДТС 044 - 50 М 1

Передняя стенка по центру Воздух ДТС 034 - 50 М 1

Задний мост Сливная пробка Масло ДТС 044 - 50 М 1

Передняя стенка по центру Воздух ДТС 034 - 50 М 1

Двигатель Блок Тосол ДТС 044 - 50 М 1

Картер Масло ДТС 044 - 50 М 1

Правая стенка блока Воздух ДТС 034 - 50 М 1

Левая стенка блока Воздух ДТС 034 - 50 М 1

Нижняя поверхность картера Воздух ДТС 034 - 50 М 1

Кабина Крыша Воздух ДТС 034 - 50 М 1

Расположение датчиков относительно агрегата определялось со стороны радиатора системы охлаждения двигателя. Датчики устанавливались

непосредственно в картеры агрегатов для измерения температуры масла и возле агрегатов для регистрации температуры омывающих воздушных потоков (рисунок 3.4). Измерение температур рассматриваемых сред осуществлялось измерительным комплексом №1.

В) Г)

Рисунок 3.4 - Расположение датчиков температуры на автомобиле: а - картер заднего моста; б - картер двигателя; в - картер КПП; г - датчик регистрации температуры окружающего воздуха

Обдув автомобиля в лабораторных условиях осуществлялся осевым вентилятором ВО 6-300-8 БРО-3/1500-2-У1. Характеристики вентилятора представлены в таблице 3.2. Регулировка скорости обдувающего потока в диапазоне от 0 до 25 м/с производилась с помощью преобразователя частоты Mitsubishi FR-D740-160-TC. Технические характеристики преобразователя частоты приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.2 - Основные характеристики осевых вентиляторов

Параметр Марка вентилятора

ВО 6 - 300 - 4 - 0,75/300 ВО 6 - 300 - 8 - 3/1500

Мощность электродвигателя, кВт 0,75 3,0

Частота вращения, об/мин 3000 1500

Производительность, тыс. м3/ч 4,3...7,3 15...26

Масса, кг 18,3 67,5

Таблица 3.3 - Основные характеристики преобразователей частоты

Параметр Марка преобразователя

ВЕСПЕР Е2-8300-005Н ШвиЫвЫ ЕЯ-Б740-160-ТС

Номинальная мощность

применяемого электро- 3,7 7,5

двигателя, кВт

Номинальный ток преобразователя, А 8,8 16

Напряжение питания, В 380 380

Выходная частота, Гц 1...650 0,2...400

Масса, кг 2,1 3,3

Оценка тепловых потерь с поверхности агрегатов трансмиссии осуществлялась посредством инфракрасной сьемки. Предварительно трансмиссия автомобиля прогревалась до температуры стабилизации. Для устранения помех, возникающих вследствие наличия агрегатов и узлов, имеющих большую температуру, чем агрегаты трансмиссии, устанавливались специальные защитные экраны.

Для проведения эксплуатационных испытаний на входе и выходе в разработанный рекуператор-нагреватель устанавливались термопары ТП.ХК(Ь)-11. Места установки датчиков показаны на рисунке 3.5.

Целью эксплуатационных испытаний автомобиля являлось установление закономерностей изменения интенсивности нагрева агрегатов трансмиссии и значений температур стабилизации. Измерение температур масла в агрегатах производилось в тех же точках, что и при лабораторных испытаниях.

Рисунок 3.5 - Расположение термопар в рекуператоре-нагревателе

Для оценки топливной экономичности автомобиля осуществлялся замер расхода топлива двигателя при работе в штатном режиме и с разработанной системой обеспечения тепловых режимов работы агрегатов трансмиссии.

3.4 Структура измерительных комплексов

Регистрация температуры смазочного масла в КПП и температуры окружающей среды выполнялась измерительным комплексом №1, созданным на базе персонального компьютера (рисунок 3.6). Непосредственное измерение температуры осуществлялось при помощи термопреобразователей. В соответствии с инструкцией, используемые в эксперименте датчики предназначены для измерения температуры различных рабочих сред и имеют класс допуска В [57].

Рисунок 3.6 - Структура измерительного комплекса №1

В составе измерительного комплекса №1 присутствовали термосопротивления ДТС различных модификаций, прибор для измерения и контроля температуры ОВЕН УКТ 38, преобразователи интерфейса ОВЕН АС 2-М, ОВЕН АС 4 и персональный компьютер [113].

Сигналы с датчиков поступают на устройство для измерения и контроля температуры УКТ-38. Прибор имеет восемь каналов контроля и позволяет последовательно регистрировать температуру сред в восьми точках. При работе прибора сигнал, поданный на вход, преобразуется в соответствии с типом выбранного датчика. Измеренное значение выводится на цифровой индикатор и обрабатывается в соответствии с настройками канала.

Основные технические характеристики используемых в измерительном комплексе №1 датчиков и приборов приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Основные технические характеристики датчиков температуры и приборов контроля температуры

Наименование Значение

ДТС 034 - 50 М, ДТС 044 - 50 М

Диапазон рабочих температур, °С Минус 50 ... плюс 150

Материал чувствительного элемента Медь

Материал защитной арматуры Латунь

УКТ 38

Номинальное напряжение питания, В 220

Количество каналов контроля входных параметров 2 ... 8

Продолжительность цикла опроса 8-и датчиков прибором ТС/ТП, с 3,6/2,2

Интерфейс связи с компьютером ЯБ-232

Запись данных с прибора УКТ-38 осуществлялась в персональный компьютер. Преобразование сигнала при передаче данных на компьютер осуществлялась с помощью устройств ОВЕН АС 2-М и ОВЕН АС 4, технические характеристики которых приведены в таблице 3.5. Используемые преобразователи позволяли преобразовывать сигнал для интерфейсов RS-485 и USB. Значения температур исследуемых сред сохранялись на жесткий диск компьютера при помощи SCADA-системы Owen process manager (OPM).

Таблица 3.5 - Технические характеристики преобразователей интерфейса ОВЕН

Наименование Значения

АС 2-М

Питание

Диапазон переменного напряжения питания

Напряжение, В 90 ... 245

Частота, Гц 47 ... 63

Максимальная потребляемая мощность, ВА 2

Интерфейс RS-485

Скорость передачи данных, бит/с 2400...115200

Поддерживаемые протоколы ОВЕН

Количество приборов в сети, не более 32

АС 4

Питание

Постоянное напряжение (на шине USB), В 4,75 ... 5,25

Потребляемая мощность, ВА не более 0,5

Интерфейс USB

Стандарт интерфейса 2.0

Длина линии связи с внешним устройством, м, не более 3

Скорость обмена данными, бит/с, до 115200

Интерфейс RS-485

Количество приборов в сети, не более 32

Записанные данные преобразовывались в формат xlsx и обрабатывались методами дисперсионного и регрессионного анализа с использованием стандартных программ Microsoft Excel 2010 и Statistica 6.1. Регистрация температуры отработавших газов осуществлялась с помощью измерительного комплекса №2.

Измерительный комплекс №2 состоял из шести термоэлектрических преобразователей ТП.ХК(Ь)-11, прибора для измерения и контроля температуры отработавших газов УКТ 38-Щ4.ТП, преобразователей интерфейса АС 2-М, АС 4 и персонального компьютера (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Структура измерительного комплекса №2

Характеристики используемых для измерения температуры отработавших газов датчиков температуры представлены в таблице 3.6.

Порядок подключения основных элементов измерительного комплекса и их взаимодействие аналогичны измерительному комплексу №1.

Таблица 3.6 - Основные технические характеристики термопар ТП.ХК(Ь)-11

Наименование Значение

Диапазон рабочих температур, °С Минус 40 ... плюс 600

Диаметр электродов, мм 1,2

Материал чувствительного элемента Хромель-копель

Материал защитной арматуры Нить К 11С6

Для оценки топливной экономичности автомобиля использовался измерительный комплекс №3 (рисунок 3.8). Для определения расхода топлива использовался двухкамерный дифференциальный расходомер ББМ Б232. Подключение расходомера осуществлялось в соответствии с руководством по эксплуатации следующим образом: прямая измерительная камера соединялась с питающей магистралью двигателя, обратная измерительная камера - с обратной топливной магистралью. Корпус расходомера устанавливался на специальный кронштейн, прикрепленный к раме автомобиля.

Вычисление расхода топлива расходомером проводилось как разница потоков между подающей и обратной топливных магистралей. Полученная информация поступала на терминал мониторинга транспорта, устанавливаемый на автомобиле. В терминале мониторинга информация преобразовывалась в цифровой вид и, совместно с данными о геолокации автомобиля, передавалась на сервер телематических услуг, откуда через всеобщую сеть интернет - на персональный компьютер. В дальнейшем полученную информацию конвертировали в десятичный вид и обрабатывали в табличных редакторах.

Рисунок 3.8 - Схема использования расходомера топлива ББМ при проведении экспериментов

Измерение скорости отработавших газов в выпускной системе автомобиля, а также определение зависимости скорости обдувающего потока от частоты тока, генерируемого преобразователем, производилось с использованием цифрового анемометра модели БТ-8893 (рисунок 3.9).

Тарировка преобразователя частоты проводилась при температуре окружающего воздуха 23 ± 5 °С и относительной влажности < 80%. Тарированный график осевого вентилятора представлен на рисунке 3.10.

Рисунок 3.9 - Общий вид цифрового анемометра DT-8893

Скорость потока воздуха, м/с

15

40 50 Частота тока, Гц

Рисунок 3.10 - Зависимость скорости воздушного потока от частоты тока

Технические характеристики цифрового анемометра БТ-8893 приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Технические характеристики термоанемометра БТ-8893

Параметр Единица измерения Значение

Предел измерений м/с 0,4...30

Погрешность % ± 3

Максимальное разрешение м/с 0,01

Измерение температуры поверхности агрегатов трансмиссии осуществлялось тепловизором модели Testo 871 (рисунок 3.11). Для этого проводилась серия инфракрасных снимков (термограмм) всех поверхностей коробки передач, среднего и заднего мостов. Технические характеристики тепловизора Testo 871 приведены в таблице 3.8

Рисунок 3.11 - Общий вид тепловизора Testo 871

Таблица 3.8 - Технические характеристики тепловизора Testo 871

Параметр Единица измерения Значение

Инфракрасное разрешение термограммы пиксель 480х360

Частота обновления кадра Гц 9

Минимальное фокусное расстояние м 0,5

Поле зрения град 35х26

Диапазон измерения температуры °С -30...+100 0...+650

Визуализация разницы температур °С от 0,09

Интерфейс - USB 2.0 Micro B

Объем встроенной памяти Гб 2,8

3.5 Методика стендовых испытаний 3.5.1 Методика стендовых испытаний КПП

Целью данного этапа являлось исследование интенсивности теплообразования в картере КПП при работе в режиме без передачи крутящего момента. Перед началом эксперимента КПП охлаждалось до температуры окружающей среды. Испытания проводились при температуре окружающего воздуха 243 К (минус 30°С), в безветренную погоду. Использовались трансмиссионные масла ТМ-2-18 (ТЭП-15) и ТМ-5-18 (75W-90).

В качестве значимых выбирались следующие факторы:

1. Частота вращения коленчатого вала двигателя;

2. Температура окружающей среды;

3. Скорость обдувающего потока;

Интервалы варьирования выбранных факторов приведены в таблице 3.9.

Порядок эксперимента:

1. Включение измерительного комплекса №1, создание электронной базы данных для записи значений температуры исследуемых сред.

2. Пуск программы Owen process manager.

Таблица 3.9 - Интервалы варьирования факторов в эксперименте

Факторы Уровень

- 0 +

Частота вращения коленчатого вала, мин-1 600 1050 1500

Температура окружающей среды, К 243 253 263

Скорость обдувающего потока, м/с 0 7,5 15

3. Подключение преобразователя частоты к сети и включение необходимой передачи КПП.

3. Пуск электродвигателя привода стенда для создания требуемой по условиям эксперимента частоты вращения первичного вала КПП.

4. Автоматическая регистрация температуры в контролируемых точках с интервалом 2 с и запись информации на жёсткий диск персонального компьютера.

5. Преобразование полученной информации в необходимый формат и обработка стандартными пакетами прикладных программ.

В процессе эксперимента работа КПП осуществлялась на 1-, 3- и 5-й передачах при температуре окружающей среды, соответствующей плану эксперимента. При наступлении стабилизации температуры масла в агрегате запись данных прекращалась.

3.5.2 Методика исследования теплообмена агрегатов трансмиссии и двигателя автомобиля

Для оценки теплового взаимодействия рассматриваемых агрегатов друг с другом и с окружающей средой исследовалась динамика изменения температуры трансмиссионного масла и воздушных потоков в условиях естественной и вынужденно конвекции. Перед началом эксперимента рассматриваемые агрегаты охлаждалось до температуры окружающей среды. Испытания автомобиля проводились при температуре окружающей среды 243К, температуре тосола в системе охлаждения 333...338К и температуре масла в картере двигателя 308...312К.

Порядок эксперимента:

1. Прогрев системы охлаждения двигателя штатным предпусковым подогревателем до температуры 333...338 К.

2. Запуск двигателя и выключение сцепления для исключения вращения первичного вала КПП.

3. Включение измерительного комплекса №1, создание электронной базы данных для записи значений температуры исследуемых сред.

4. Пуск программы Owen process manager.

5. Включение преобразователя частоты и пуск вентилятора для создания требуемой по условиям эксперимента интенсивности воздушного потока.

6. Автоматическая регистрация температуры трансмиссионного масла и воздуха в контролируемых точках с интервалом 2 с и запись информации на жёсткий диск персонального компьютера.

7. Преобразование полученной информации в необходимый формат и обработка стандартными пакетами прикладных программ.

В процессе эксперимента измерение температуры масла осуществлялось до момента ее стабилизации. Температура окружающего воздуха при испытаниях варьировалась в диапазоне от 241 до 243 К, а скорость обдувающего потока - от 0 до 25 м/с.

3.6 Частные методики эксплуатационных испытаний

3.6.1 Методика исследования интенсивности охлаждения агрегатов трансмиссии

Перед началом эксперимента масло в агрегатах трансмиссии прогревалось до уровня, соответствующего температуре стабилизации в заданных условиях.

Порядок эксперимента:

1. Включение измерительного комплекса №1, создание электронной базы данных для записи значений температуры исследуемых сред.

2. Пуск программы Owen process manager.

3. Включение преобразователя частоты и пуск вентилятора для создания требуемой по условиям эксперимента интенсивности воздушного потока.

4. Автоматическая регистрация температуры в контролируемых точках с интервалом 2 с и запись информации на жёсткий диск персонального компьютера.

5. Преобразование полученной информации в необходимый формат и обработка стандартными пакетами прикладных программ.

В процессе эксперимента измерение температуры масла осуществлялось до момента ее стабилизации. Обдув агрегатов трансмиссии осуществлялся воздушным потоком со скоростью от 0 до 15 м/с.

3.6.2 Методика исследования тепловых потерь в трансмиссии

Основой определения тепловых потерь с поверхности агрегатов трансмиссии являлись результаты тепловизионных измерений. С учетом значительного влияния окружающей среды на точность измерений температуры поверхности агрегатов на открытом воздухе, проведение тепловизионной диагностики осуществлялось в следующих условиях:

- стабильная температура окружающего воздуха;

- значительная облачность;

- отсутствие осадков;

- отсутствие прямых солнечных лучей;

- чистая и сухая поверхность агрегатов трансмиссии;

- безветренная погода;