Повышение эффективности тепловой подготовки двигателей лесозаготовительных машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.06.02, кандидат технических наук Анисимов, Анатолий Иванович

• Анисимов, Анатолий Иванович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Анисимов, Анатолий Иванович

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1Д. Особенности пуска холодного двигателя

1.2. Способы и средства облегчения пуска двигателей при низких температурах

1.2.1. Способы теплового обеспечения двигателей перед пуском при низких температурах

1.2.2. Средства облегчения пуска двигателей при низких температурах

1.3. Пусковые износы дизельных двигателей

1.4. Выводы и задачи исследований

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ДВИГАТЕЛЕ ПРИ ЕГО ПОДГОТОВКЕ К ПУСКУ

2.1. Аналитическое исследование теплового баланса двигателя при подготовке к пуску

2.2. Аналитическое исследование теплообмена излучением в системе двигатель-окружающая среда

2.3. Обоснование использования газовых горелок инфравдасного излучения в индивидуальных средствах теплового обеспечения двигателей перед пуском

2.4. Аналитическое исследование теплового состояния подшипников коленчатого вала при межсменном тепловом обеспечении двигателя

2.5. Методика исследований энергетических параметров индивидуальных подогревателей на базе горелок инфракрасного излучения

2.6. Выводы

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРШУЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Экспериментальная установка и условия проведения опытов 60 3;2. Методика подготовки и пуска экспериментальной установки

3.3. Точность измерения и обработка данных

Стр."

3.4. Выбор переменных и точность результатов экспериментальных исследований

3.5. Методика эксплуатационных испытаний

3.6. Выводы

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

4.1. Анализ теплового баланса двигателя при межсменном тепловом обеспечении

4.2. Анализ влияния энергетических параметров и режимов работы подогревателей на теплонапряженность деталей двигателя

4.3. Анализ энергетических показателей подготовки и пуска дизельного двигателя

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ГАЗОВЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ ДНЯ ПРЕДПУСКОВОЙ ПОДГОТОВКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН В МЕЖСМЕННЫЙ ПЕРИОД

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности тепловой подготовки двигателей лесозаготовительных машин»

Современное направление в развитии лесозаготовительной промышленности характерно динамичным ростом машинизации трудоемких процессов производства. В связи с этим, повышение производительности труда - главного фактора экономического роста - предопределяют высокие эксплуатационные качества технических средств в сочетании с сокращением непроизводительных затрат машинного времени на подготовительные работы.

В докладе /I/ ШТ съезду КПСС отмечалось, что ". одна из ключевых задач одиннадцатой пятилетки - более полное и эффективное использование основных производственных фовдов".

Основными мобильными/средствами лесозаготовительного производства являются тракторы и созданные на их базе операционные машины. Эксплуатация лесосечных машин имеет специфические особенности, связанные с преобладанием объема работ в зимний период, а также их безгаражным содержанием на удалении от постоянных источников энергии.

Организация подготовки лесосечных машин к ежедневной работе в зимний период до настоящего времени не имеет эффективных форм и средств, заслуживающих широкого распространения. Между тем эффективность использования лесосечной техники в указанных условиях, в значительной мере, определяется затратами времени и материальных средств на подготовительно-заключительные работы /60/. В этой связи большое значение приобретает вопрос теплового обеспечения силовых, установок лесосечных машин перед пуском. Чтобы оценить значимость данного мероприятия, достаточно сказать, что на тепловую подготовку и пуск дизельных, двигателей при низких температурах окружающей среды затрачивается до 20% сменного времени /60/, а порой, пуск двигателей становится вообще невозможным.

Серийные средства предпусковой подготовки не находят широкого применения в промышленности по причине низкой приспособленности для использования в лесосечных машинах. Они пожароопасны и не обеспечивают должного теплового состояния коренных подшипников коленчатого вала. Кроме того, не исключают затрат сменного времени на подготовку двигателей к пуску. По современным представлениям, такие подогреватели не могут обеспечить эффективную эксплуатацию лесосечных машин в зимний период.

Следовательно, совершенствование методов и средств теплового обеспечения силовых установок лесосечных машин перед пуском, в условиях зимней эксплуатации, с целью минимизации материально-трудовых ресурсов и повышения сменной выработки, а также улучшения социально-экономических факторов является актуальной задачей. Поэтому настоящие исследования направлены на повышение эффективности тепловой подготовки двигателей лесосечных машин перед пуском в зимний период.I. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРШирота географии и многообразие климатических условий, в которых эксплуатируется лесосечная техника, затрудняют задачу ее конструктивного совершенствования в направлении использования при отрицательных температурах.

1.1. Особенности пуска холодного двигателяНадежный пуск дизельных двигателей, в условиях низких температур, зависит от ряда конструктивных и эксплуатационных факторов. К ним относятся степень сжатия, степень износа, частота вращения коленчатого вала, свойства моторного топлива и масла, а также применение вспомогательных ¡«средств, облегчающих пуск. Основные факторы, влияющие на пуск дизельных двигателей, представлены на рис.1.1.

Применяемые в лесной промышленности моторные масла существенно изменяют вязкость под действием отрицательных температур и, загустевая в зазорах трущихся поверхностей двигателя, препятствуют прокручиванию коленчатого вала. При этом, требуется приложение большого крутящего момента на преодоление сил сопротивления жидкостного трения.

В дизельных двигателях надежность самовоспламенения топлива определяют параметры такта сжатия. Цри пуске в условиях низких температур величина температуры конца такта сжатия снижается по ряду причин. Так, уменьшение частоты вращения коленчатого вала двигателя приводит к снижению средней скорости движения поршней. Б результате промежутки времени, отводимые на протекание процесса сжатия, увеличиваются. Повышается теплоотдача от воздушного заряда к холодным стенкам цилиндров.

Существенное.влияние на значения такта сжатия оказывает неравномерность вращения коленчатого вала и, соответственно, неравномерная скорость движения поршней. Наименьшее значение скорости движения поршня приходится на конец такта сжатия. В этом случае увеличивается не. только время на теплообмен между воздушным зарядом и стенками цилиндров, но и имеет место максимальный перепад температур между стенками цилиндров и зарядом, поэтому потери на теплообмен возрастают. Вследствие снижения скорости движения порВлияние низких температур на состояние эксплуатационныхматериалов и пуск двигателяРис.1.1шней и недостаточно плотного прилегания поршневых колец к стенкам цилиндров происходит частичное перетекание воздушного заряда через зазоры сопряжения поршенъ-кольцо-циливдр в картер двигателя, а это приводит к снижению параметров такта сжатия.

Повышение вязкости дизельного топлива и возрастание сил его поверхностного натяжения отрицательно влияет на качество распыли;, вания топлива форсунками двигателя. Температура самовоспламенения дизельного топлива, определяемая его групповым углеводородным и фракционным составом, зависит от давления в камере сгорания.

Очевидно, что опредеделяющим параметром на стадии пуска двигателя, является частота вращения коленчатого вала. Однако, ее значение определяется энергетическими возможностями пускового устройства, которое, при особых условиях, не способно обеспечить необходимые параметры такта сжатия, а следовательно, и условия самовоспламенения топлива. Поэтому для обеспечения надежного пуска двигателя целесообразно создать минимальную пусковую частоту вращения коленчатого вала, предварительно улучшив условия смесеобразования путем дополнительного подогрева топливовоздушного заряда.

На рис.1.2 представлены основные способы обеспечения надежного пуска двигателя.

Пуск двигателя от внешних источников энергии протекает в жестком режиме, когда для прокручивания коленчатого вала и обеспечения пусковой частоты его вращения, расходуется повышенное количество энергии, необходимой для преодоления внутренних сил сопротивления и достижения высоких параметров такта сжатия (Рс. Тс ). обеспечивающих условия самовоспламенения топлива. К числу известных средств указанного типа относятся системы пневматического пуска с подачей сжатого воздуха в цилиндры двигателя. Известны также способы стартерного пуска холодного двигателя с применением трансформаторов тока большой величины. Стартер, запитанный от установки "Пуск", обеспечивает пусковые частоты вращения коленчатого.вала, любого двигателя. Эта установка, при силе тока до 900 А, позволяет стартеру развить большой крутящий момент и длительное время прокручивать коленчатый вал в режиме пусковых частот.

Недостатком этого метода являются высокая энергоемкость процесса пуска двигателя, нагруженность деталей кривошипно-шатунного механизма, возможность проворачивания вкладышей подшипников коленчатого вала и разрушения деталей кривошипно-шатунного механизма.

Однако, эффективность пуска холодного двигателя с применением легковоспламеняющихся жидкостей зависит от температурно-вязко-стных характеристик моторного масла. Кроме того, при пуске холодного двигателя с применением пусковых жидкостей наблкщается высокая скорость нарастания давления в цилиндрах двигателя, что создает условия его жесткой работы и интенсифицирует износ цилиндро--поршневой группы, увеличивается период послепускового прогрева двигателя.

1.2.1. Способы теплового обеспечения двигателей перед пуском при низких температурахСуществующие способы теплового обеспечения двигателей перед пуском классифицируются согласно рис.1.2 по виду применяемого источника энергии и роду теплопередающей среды.

Наибольшее применение в лесозаготовительных предприятиях имеют место способы разогрева двигателей горячей водой, газовоздушной смесью, водяным паром, горячим маслом. Разогрев горячей водой до настоящего времени является основным и применяется повсеместно.

Способ пролива горячей воды через систему охлаждения малоэффективен для повышения температуры подшипников коленчатого вала, главной масляной магистрали, моторного масла в картере двигателя.

Бытует мнение, что для облегчения пуска двигателей целесообразно в сочетании с проливом, горячей воды заливать в картер двигателя горячее масло перед пуском. Как показывают исследования /74/, этот способ эффективен только в случае подъема уровня горячего масла выше верхних вкладышей коренных подшипников. В противном случае между поверхностью масляной ванны и подшипниками остается воздушное пространство, являющееся в данном случае теплоизо-лятором. Тепло от горячего масла подшипники получают лишь в период прокручивания коленчатого вала, когда щеки последнего, поднимаясь из масляной ванны, забрызгивают горячим маслом подшипники. При этом масляная пленка в сопряжении вал-подгпипник нагревается и разжижается в основном, от трения при прокручивании. В начальный момент в сопряжении вал-подшипник возникает сопротивление, величина которого может быть столь значительной, что энергетических параметров пускового устройства, возможно, окажется недостаточно для прокручивания вала с необходимой пусковой частотой. При таком способе, как и при холодном пуске, не исключена возможность проворачивания вкладышей в корпусах подшипников коленчатого вала.

Учитывая рассредоточенный характер эксплуатации лесосечных машин на удаленных от внешних источников теплоснабжения мастерских участках, процесс подготовки двигателей к пуску способом пролива горячей воды через систему охлаждения, в сочетании с заливкой в картер горячего масла, является трудоемкой и не технологичной операцией. Водой для технических целей мастерские участки обеспечиваются из естественных и искусственных водоемов, в случае отсутствия указанных вода из централизованных систем тепло- ¿дащ водоснабжения развозится автоцистернами к водогрейным устройствам, в которых нагревается от сжигания древесных отходов. Подготовка горячей воды осуществляется в рабочее время истопником -сторожем.

С началом рабочей смены перед пуском двигателей механизаторы преимущественно ведрами заливают горячую воду в системы охлаждения двигателей. Для удаленных от водогрейных устройств машин вода подвозится во флягах тракторами.

Представленная организация подготовки двигателей к пуску характерна для групповых стоянок лесосечных машин. Недостатками такого способа являются высокая трудоемкость обслуживания, ежедневная смена охлаждающей жидкости, что способствует ускоренному образованию накипи в системах охлаждения двигателей, ухудшающей условия теплообмена и в конечном счете снижающей экономичность двигателей. Тепловая подготовка двигателей производится в сменное время после приезда механизаторов на мастерский участок, а это сокращает время использование машин на основных работах в течение смены.

Способ предпускового разогрева двигателей паром не нашел широкого применения на предприятиях лесозаготовительной отрасли, поскольку не отвечает ряду требований, предъявляемых к устройствам тепловой подготовки двигателей и, в первую очередь, требованиям безопасности при эксплуатации.

При исследовании вопроса теплового обеспечения двигателей перед пуском представляет интерес изучение возможностей и условий применения новых способов переноса тепла на нагреваемые объекты. В.этом отношении заслуживают внимания источники инфракрасного излучения.

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней тепловой энергии источника как электромагнитными волнами, так и отдельными дискретными порциями - фотонами. Испускаемый фотон - частица материи, обладающая энергией, количеством движения и электромагнитной массой. Поэтому тепловое излучение можно рассматривать как фотонный газ. Прохождение фотонов черезвещество есть процесс, поглощения и последующего испускания энергии атомами этого вещества. Согласно представлению о двойственной природе теплового излучения энергия и импульсы сосредоточены в фотонах, а вероятность нахождения их в том или ином месте пространства - в волнах. Теоретически тела, температура которых превышает абсолютный нуль, излучают энергию с частотами инфракрасного спектра /25/. Спектральные характеристики теплового излучения зависят от температуры, материала тела и состояния его поверхности. Падающие на тело тепловые лучи в общем случае могут частично отражаться поверхностью тела, частично поглощаться массой вещества, частично проникать сквозь тело в окружающее пространство. В связи с этим, вее тела обладают отражающей способностью и характеризуются коэффициентом отражения, поглощательной способностью с коэффициентом поглощения.и пропускающей способностью с коэффициентом пропускания. Совокупность указанных свойств присуща серым телам. Способностью абсолютно черного тела является полное поглощение падающего теплового лучистого потока и, напротив, абсолютно белое тело полностью отражает тепловой лучистый поток. Однако, в природе не встречается абсолютно черных или абсолютно белых поверхностей тел. Поэтому принято поверхности тел характеризовать коэффициентом черноты /25/, определяющим их поглощательную способность, табл.1.1.

Таблица 1,1.

Излучательная способность некоторых конструкционных.материалов.Материал. Темп^ату- Излучательная способность, <§- - - т - - "2--- "3Алюминий шероховатый 26 0,055Сталь листовая шлифованная 940-1100 0,55-0,61Чугун обточенный 830-990 0,60-0,70ТПродолжение таблДД. 2-------'3--Латунная пластина прокатанная 27Окись меди 800-1100Цинк (99,1$) полированный 225-325Картон асбестовый 24 Лак:белый, эмалевый на металлической пластине 23черный блестящий на металлической пластине 25черный матовый на металлической пластине 40Масляные краски различных цветов 100Алюминиевые краски 150-3150,06 0,65-0,54 0,045-0,053 0,960,9060,8750,96 0,92-0,96 0,35Способность тел к восприятию лучистого потока отражена на рис.1.3.

По результатам исследований /40/ коэффициент полезного действия при использовании источников.теплового излучения в газовых подогревателях может достигать 90%.

Высокие технико-экономические показатели источников теплового излучения заставляют исследователей искать все новые возможности их применения в технике, в том числе и для теплового обеспечения двигателей внутреннего сгорания перед пуском.

1.2.2. Средства облегчения пуска двигателей при низкихтемпературахСредства для облегчения пуска двигателей в холодное время года можно разделить на групповые и индивидуальные.

Групповые средства - это стационарные или полустационарныеОтражательная и поглощательная способности различных материалов 6 т* » £ /Г 15 м. -1 /7 у——, ь л 5000гооо■(ООО$00 300 5000 /<г £ "яГ 24 Чгаоо1000о 204о 6080 /00 о20 ■4о 60 ар4О0$00 300 Т.к.I- окись магния; 2- белая краска; 3- белый лак; 4- оплавленная эмаль; 5,6- алюминий эпоксированный и полированный; 7- графит; 8- белый шамот; 9- асбестовый картон; 10- пробка; II- асбошифер; 12- бумага; 13- дерево; 14- материя одезды; 15- хребтовая кожа; 16- мягкая серая резина; 17- линолиум красный;18- кафель белый; 19- керамическая плитка; 20- фарфор; 21- бетон; 22- гипсовая штукатурка; 23- кирпич красныйРис. 1.3.ыгенераторы тепла, размещенные на местах постоянной стоянки машин и предназначенные для тепловой подготовки перед пуском группы машин. Назначением групповых средств может быть разогрев двигателей перед пуском или же их подогрев в течение межсиенного периода. К числу групповых средств, используемых на мастерских участках лесозаготовительных предприятий, относятся как нестандартные нагревательные устройства, так и серийные водомаслогрейки типа ЛВ-151 или ВМГ-40-51М, предназначенные для подготовки горячей воды и моторного масла, резерв которого необходим в зимнее время для доли-ва в картеры двигателей, так как в холодном масле утрачено свойство текучести.

Для разогрева лесозаготовительных машин газовоздушной смесью используются теплогенераторы типа ЛВ-П5 или ЛВ-150.

Групповые средства данного типа, отличаясь высокой тешюпро-изводительностью, имеют значительные габариты, малую мобильность, относительно низкий к.п.д., требуют значительных капитальных и эксплуатационных затрат. В силу указанных причин теплогенераторы группового типа не находят широкого распространения в лесозаготовительных предприятиях.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом особое внимание уделяется разработке и исследованию индивидуальных средств подготовки и пуска двигателей. Это автономные устройства, предназначенные для облегчения пуска двигателей и работающие независимо от. них, но являющиеся частью силовых установок. К этой группе следует отнести известные в работах /38,43,48/ устройства для подачи легковоспламеняющихся жидкостей в цилиндры двигателей.

Кроме того, для повышения параметров такта сжатия при пуске используются электронагревательные устройства подогрева всасываемого в цилиндры воздуха, представленные в работах /37,49,51/. Однако, как показывают исследования /63/, эффект от подобных устройств наблюдается только в случае их расположения в непосредственной близости от камеры сгорания, но в то же время это мешает наполнению цилиндров при работе на повышенных оборотах. Электроподогрев всасываемого воздуха совершенно не эффективен при использовании на двигателях с разделенными камерами сгорания, вследствие быстрого охлаждения заряда, что нашло отражение в исследованиях /63/.

Для облегчения.пуска дизелей с разделенными камерами сгорания получили распространение, особенно в зарубежной практике, свечи накаливания открытого или закрытого типа. Свечи накаливания внедряются в камеру сгорания и способствуют испарению топлива. Однако, и при таком способе влияния на параметры такта сжатия возникают нежелательные последствия:нарушается оптимальное давление заряда в камере сгорания; снижается экономичность двигателя.

На снижение температуры самовоспламенения топлива можно повлиять также применением специальных присадок. Использование присадок способствует повышению цетанового числа топлива. Так, при добавке к топливу 1,5% двуххлорэтилнитрата цетановое число повышается на 13,3 единицы /67/. Вместе с тем, использование присадок снижает теплотворную способность топлива, увеличивает его стоимость, ускоряет процесс смолообразования, повышает токсичность. Кроме того, исследования /83/ свидетельствуют о низкой стабильности таких присадок.

Отмеченные недостатки вышепредставленных средств определили направление на разработку устройств комплексного теплового обеспечения двигателей перед пуском, описание которых представлено в работах /28,29,37,48,49/. Современные, средства теплового обеспечения двигателей перед пуском классифицируются по ряду особенностей: по виду применяемого источника энергии - бензиновые, дизельные, а также средства, работающие на газообравном топливе и электрической энергии;по роду теплопередающей среды - жидкостные, воздушные, газовоздушные и-паровые;.по типу циркуляции теплоносителя - с принудительной циркуляцией и свободной конвективной;по режиму работы - работающие в режиме разогрева и подогрева. Стремление к сокращению времени на тепловую подготовку двигателей определило направление разработки индивидуальных едино-топливных подогревателей высокой теплопроизводительности, табл. 1.2. Использование единого топлива силовой установкой и подогревателем позволяет упростить задачу по обеспечению парка машин топливом. Однако, это не исключает необходимости применения специальных топливных емкостей для подогревателей. В современных отечественных средствах тепловой подготовки двигателей перед пуском в качестве источника энергии используются жидкие топлива. Работа серийных подогревателей осуществляется только в режиме разогрева с затратами сменного времени на подготовку двигателя к пуску. В работах /36,63,74/ отмечается, что форсированный разогрев не обеТаблица 1.2.

Серийные жидкостные бензиновые подогреватели типа ПЖБ выпускаются 3-х типоразмеров, отличающиеся теплопроизводительностью, размерами котлов и некоторыми конструктивными элементами. Источником электрического питания является бортовая чсеть напряжением 12 В. Приведенный в работе /28/ анализ работоспособности и долговечности подогревателей свидетельствует об их низкой надежности и высокой степени пожароопасноети.

Подогреватели типа ПВД, рис. -1.4, работают на зимнем арктическом дизельном топливе или на смеси зимнего с керосином. Подогреватели типа ШЩ более стабильны и безопасны в работе. Между тем их использование на лесозаготовительных машинах сдерживается отсутствием бортового источника напряжением 24 В, необходимого для работы электрооборудования подогревателя.

Разработка подогревателей с использованием жидкого топлива для работы в режиме подогрева с автоматическим управлением вызывает большие трудности, обусловленные в основном отсутствием надежного бортового источника электрической энергии, необходимого для агрегатов подогревателя. Однако среди устройств зарубежного производства известен ряд маломощных авто- или полуавтоматических подогревателей, используемых в режиме подогрева. Это прежде всего": " и "Е6ег$ресЬее/ " (ФРГ)э «доикуни" (Япония), «• Ме^её ИеЛ-е^в'»» (США.) и ряд других, представленных в табл.1.2.

Хранение автотракторной техники на открытых площадках вблизи постоянных источников электрической энергии позволяет использовать тепловые электрические нагреватели (ТЭН), вмонтированные в системы двигателя или являющиеся источниками тепловой энергии специальных электронагревательных устройств. Электротешювое обеспечение двигателей осуществляется в течение межсменного периода.

Индивидуальный подогреватель 1ОД-30Рис.1.4с использованием ТЭН мощностью до 5 кВт. Необычной по конструкции является автономная силовая установка, применяемая на валочно-па-кетирувдей машине " D^ott -40 [ " (Канада), состоящая из двухтактного дизеля и генератора постоянного тока мощностью 6 кВт. Генератор служит источником энергии для ТЭН, установленных в системы двигателя.

С точки зрения энергетических и эксплуатационных показателей представляет интерес.подогреватель шведского производства "Primus 2420" рис.1.5, работающий в режиме автоматического управления на газообразном топливе. Компактность и надежность в работе позволяют использовать подогреватель на лесозаготовительных машинах фирмы "VOLVO " (Швеция), "CL$c?K " (Канада), "LOKOlllO" (Финляндия) при установке на двигатели различных типов и размерностей. Источник энергии - сжиженный газ находится под давлением в баллоне на борту машины и не требует дополнительного механического привода ндля подачи в камеру сгорания подогревателя. Для управления органами контроля и автоматического регулирования процессом теплообмена используется бортовой источник электрического литания. Расход электрической энергии при включении подогревателя составляет 24 Вт, а при дальнейшей работе 0,60 Вт. Порядок работы подогревателя следующий.

1.3. Пусковые износы дизельных двигателейМногочисленные исследования характера и величин износов двигателей при пусках, приведенные в работах /16,38,43,66,72,73/,и послепусковых прогревах, представленные в работах /55,84,85/, являются основополагающими при определении методов и средств облегчения пуска лесозаготовительных машин в направлении решения вопросов сокращения времени и материальных средств при подготовке двигателей к пуску и принятию нагрузки в условиях зимней эксплуатации, а также продления ресурса двигателей.

В выводах вышепредставленных исследований однозначным является мнение о влиянии на интенсивность износа применяемых моторных масел.

Исследования режимов смазки подшипников коленчатого вала при пуске холодного двигателя, представленные в работе /48/, свидетельствуют о том, что с повышением частоты вращения коленчатого вала от 50 до 200 об/мин наблюдается увеличение толщины масляного слоя от 5 до 12 мкм. При 50 об/мин толщина масляного слоя соизмерима с суммарной величиной микронеровностей поверхностей коленчатого вала и вкладыша. Величину частоты вращения коленчатого вала лимитирует момент сопротивления при прокручивании пусковым устройством определенной мощности. Момент сопротивления обусловлен силами молекулярного взаимодействия вязкого масла с сопряженными поверхностями шейки коленчатого вала и вкладыша. Чем больше момент сопротивления, тем ниже частота вращения коленчатого вала, а следовательно, и интенсивность износа выше. Результаты исследований /47/ подтверждают проведенные ранее исследования /66/ о влиянии энергоемкости пуска на величину износов.

В рекомендациях по уменьшению износов двигателей лесовозныхавтомобилей при пусках в работе /72/ отмечается, что наиболее приемлемым и целесообразным способом снижения пусковых и эксплуатационных износов, при применении товарных моторных масел, является межсменное тепловое обеспечение двигателей внешними постоянно действующими источниками. В качестве наиболее эффективного теплоносителя называется воздух. Однако низкое теплосодержание и коэффициент использования сухого воздуха не позволяют считать его идеальным теплоносителем. В этом отношении, как показывают исследования /40/, наиболее предпочтительным является инфракрасное излучение.

1.4. Выводы и задачи исследованийАнализ.состояния вопроса позволяет заключить, что множество предшествующих работ по предпусковой подготовке двигателей посвящено, в основном, исследованиям пусковых и послепусковых износов, а также исследованиям энергетических параметров источников тепла при форсированном разогреве двигателей;до настоящего времени нет четкого решения вопроса теплообмена двигателя с окружающей средой, необоснованно принижается роль лучистой составляющей в цепи теплообмена двигатель-внешняя среда;нет убедительных исследований с приведением результатов изменения теплового состояния коренных.подшипников коленчатого вала в зависимости от-температуры окружающей среды при межсменной тепловой подготовке;между тем, известно, что основным фактором, лимитирующим пуск двигателя в условиях низких температур при использовании товарных моторных-масел, является тепловое состояние коренных подшипников, разогрев которых с помощью серийных подогревателей малоэффективен;.недостаточно информации и тем более исследований, относящихся к вопросу теплового обеспечения силовых установок в межсменный.период индивидуальными подогревателями;серийные индивидуальные средства предпускового теплового обеспечения, обладая значительной теплопроизводительностью, не исключают затрат сменного времени на подготовку двигателей к пуску, мало приспособлены к использованию на лесосечных машинах.

Анализ основных методов и средств предпусковой подготовки отечественного и зарубежного производства позволил выявить наиболее перспективные из них в направлении повышения эксплуатационных, технико- и социально-экономических показателей лесозаготовительных машин, при работе в зимнее время.

Целью настоящей работы является повышение эффективности предпусковой подготовки двигателей лесосечных машин в условиях зимней эксплуатации.

Достижение поставленной цели возможно при решении нижепред-ставленных задач:исследование теплового баланса дизельного двигателя при межсменной подготовке к пуску;исследование теплового состояния коренных подшипников и выбор наиболее эффективного способа их подогрева;разработка экспериментального образца индивидуального газового подогревателя на базе ГИИ;проведение стендовых и эксплуатационных сравнительных испытаний экспериментального образца с лучшим из числа серийных подогревателей; .внедрение экспериментального образца индивидуального газового подогревателя в лесозаготовительном предприятии;определение экономической эффективности от внедрения разработанного индивидуального газового подогревателя.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ДВИГАТЕЛЕ ПРИ ЕГО ПОДГОТОВКЕ К ПУСКУ2.1. Аналитическое исследование теплового баланса двигателя при подготовке к пускуПри анализе и аналитическом описании процессов теплового обеспечения двигателей внутреннего сгорания перед пуском исследователи /36,85/ традиционно определяют условия однозначности. При этом считают, что двигатель перед началом тепловой подготовки находится в равновесной термодинамической системе и источники тепло-вьщеления как внешние, так и внутренние отсутствуют, рис.2.1. В этом случае начальные тепловые потоки системы равны между собой:а, - а2 = й3 (2Л 5где Ц - тепловой поток от источника тепловой энергии к потребителю;(} - тепловой поток от источника тепловой энергии к окружающей среде;О - тепловой поток от потребителя к окружающей среде.эПроцесс теплообмена рассматривают с момента функционирования источника энергии. Известно, что темп нагрева зависит от мощности источника тепловой энергии и условий внешней теплоотдачи. Однако, с увеличением мощности источника тепла увеличивается неравномерность температурного поля в деталях, что вследствие знакопеременных пластических деформаций может привести к образованию трещин, нарушению соосности и разрушению деталей /87/. Указанные последствия исключаются при медленно текущем нагреве деталей двигателя. В этом- случае- взаимодействие тепловых потоков в представленной выше термодинамической системе должно рассматриваться при иных усСхема равновесной термодинамической системыС^- поток тепла от источника к потребителю;- поток тепла от источника к окружающей среде; ^ - лоток тепла от потребителя тепловой энергии к окружающей средеРис. 2.1.ловиях, допуская, что:а) процесс теплового обеспечения осуществляется в течение межсменного периода;б) в рассматриваемой системе собственно двигатель является внутренним источником тепловой энергии (аккумулятором тепла);в) подогреватель служит для восполнения потерь тепловой энергии, отданной двигателем в окружающую среду.

Согласно закону сохранения энергии суммарный тепловой поток дп переданный внутренним источником Е.п корпусу двигателя для восполнения потерь энергии вторичного источника определится уравнением:сщп а ХокзГ хиц*-* (2.6)где элементарный тепловой поток, переданныйвнутренним источником энергии, Вт;1ПТ2.цц суммарный элементарный тепловой лоток, переданный теплопроводностью, Вт;ХЙЦ* суммарный элементарный конвективный тепловой поток, Вт;I л")2ич - суммарный элементарный лучистый тепловой поток, Вт.

Поток 2. оЩ складывается из тепловых потоков, направленных от коренных подшипников по межцилиндровым перемычкам к жидкостной системе охлаждения;от коренных подшипников по межцилиндровым перемычкам к корпусу блока цилиндров;от шатунных подшипников вдоль шатуна к поршню и цилиндру далее в жидкостную систему охлаждения;потока, направленного вдоль коленчатого вала к маховику и ведущему шкиву.

Поток ^(¿Ц* складывается из тепловых потоков, направленных от поверхности коленчатого вала, корпусов подшипников и межцилиндровых перемычек к внутренней поверхности корпуса двигателя;от жидкостной системы охлаждения, омывающей блок к поверхности последнего.

Поток 2о!£1 складывается из потоков, излучаемых поверхностями деталей блок-картера к внутренней поверхности корпуса двигателя.

Очевидно, что тепловой поток п от первичного источника, за исключением потока, отведенного теплопроводностью вдоль коленчатого вала, полностью передается на поверхность раздела сред, т.е. в корпус блока цилиндров. Следовательно, поверхность блока цилиндров является узловым звеном в цепи теплообмена мевду двигателем и окружающей средой. Поэтому исследование реального характера теплопередачи через него представляет практический интерес. Баланс тепла, аккумулированного массой двигателя с учетом (2.5), выразится:Е.О - Ь„ + ^^(Си+вО'бсои с 2.7 )Из (2.7) видно, что на стабилизацию общего запаса тепловой энергии • в массе двигателя можно повлиять сохранением илиобратно пропорциональным преобразованием величин Е.п и Ел Принимая во внимание допущение (В" ), рассмотрим возможность максимального сохранения £.0. В этом случае ( + Цв ) должно равняться или, по крайней мере, стремиться к нулю. Из анализа схемы распределения тепловых потоков (рис.2.2) можно заключить, что лишь стабилизация ( Ел ) позволит в основном, сохранить аккумулированное двигателем тепло.

Оценить влияние и Ц * на тепловой баланс двигателяможно лишь по их количественному сравнению. Для этого определим тепловые потери в. окружающую среду за счет конвекции и излучения внешней поверхностью двигателя А-01М, как.наиболее распространенного в лесозаготовительной промышленности.

Число Прандтля воздуха на поверхности корпуса двигателя, Ра. сКомплекс (Сз^-Р» )Л010Конвективный тепловой поток, С|* ВтЛучистый тепловой поток,'о-, ВтСуммарный тепловой поток,а»,ВтЛучистый тепловой поток в процентах к суммарному, %Коэффициент теплоотдачи,Су Вт/м2.^00 ЙФОо о насоой оI а 8 Й1ОИо ►оеоЙ оы «НО о ьЭ ИО*поверхности корпуса двигателя А-01М в окружающее пространство, представленные в табл.2.1, свидетельствуют о значимости лучистого теплового потока, достигающего более 40% в общем балансе. Поэтому при исследовании вопросов теплового обеспечения двигателей перед пуском влияние лучистового теплового потока следует непременно учитывать.

Уточненное уравнение теплового баланса при этом представляется в виде:Для обеспечения теплового равновесия в термодинамической системе (рис.2.1) количество тепла, переданное двигателю подогревателем, должно быть пропорционально количеству тепла, отведенному от поверхности двигателя в окружающую среду. Этим следует руководствоваться при выборе и расчетах теплопроизводительности подогревателей для межсменного теплового обеспечения двигателей лесозаготовительных машин.

2.2. Аналитическое исследование теплообмена излучением в системе двигатель - окружающая среда. Исследуя теплообмен мевду поверхностью двигателя и окружающей средой, величину лучистого теплового потока от поверхности двигателя в пространство можно определить согласно (2.10). Однако, в конструкциях лесозаготовительных машин предусмотрено ограждение двигателя капотом (оболочкой), которая оказывает влияние на условия теплообмена. Рассматривая два тела, одно из которых находится в полости другого, рис.2.3, т.е. систему тела с оболочкой, выражение результирующего потока излучением согласно /25/ примет вид:П ;. ( 2.15 )Л*,* ' ;где Л, г приведенный коэффициентпоглощения;£ = ф - средний угловой коэффициент излучения.

Рг Т2,1Угловой коэффициент излучения в рассматриваемой системе тела с оболочкой превращается в геометрическую характеристику и характеризует часть потока эффективного излучения, падающего на поверхность объекта, по отношению к полному потоку эффективного излучения поверхности источника. В частном случае, когда * рис.2.4, угловой коэффициент излучения (р2 4 —{. Это значит, что почти вся энергия с поверхности излучения попадает на поверхность поглощения.

Если поверхность излучения мала по сравнению с поверхностью поглощения, т.е. « , рис.2.5, то ^ —{Принимая, во внимание положение о том, что двигатель является аккумулятором тепла, сохранение энергии которого в.течение межсменного периода является важной задачей, преследующей цель сокращения расхода топливо-энергетических ресурсов при подготовке двигателя к пуску, рассмотрим возможность снижения лучистого теплообмена между поверхностью двигателя и капотом. Из анализа излучательной способности твердых тел следует, что она зависит от природы излучающего тела, его температуры, состояния поверхности, а для металлов - от степени окисления.

Коэффициент поглощения зависит от тех же факторов, что и коэффициент теплового излучения. В большинстве практических случаев коэффициент теплового излучения определяет величину коэффициента поглощения, в зависимости от величины которого материалы срособны в различной степени поглощать или отражать лучистый тепловой поток. Установка отражательных экранов из материалов с низким коэффициентом поглощения существенно влияет на темп изменения тепловоСистема выпуклого тела с оболочкойР, - поверхность излучения; Рг - поверхность поглощенияРис.2.3Система тела с оболочкойРис.2.4го состояния тел шш сред, участвующих в теплообмене.

2.3. Обоснование использования газовых горелокинфракрасного излучения в индивидуальных средствах теплового обеспечения двигателей лесозаготовительных машин перед пускомПри разработке индивидуальных средств теплового обеспечения двигателей внутреннего сгорания перед пуском для автотракторной техники одним из основных требований является применение единого топлива. Это значит, что подогреватель, являясь автономным устройством силовой установки, должен работать на том же топливе, что и основной двигатель машины. Данные условия позволяют упростить лишь организационные задачи по обеспечению парка машин топливом. Использование же единотопливных подогревателей на современной автотракторной технике не исключает применения для них специальных топливных емкостей по той причине» что к чистоте топлива для подогревателей предъявляются более высокие требования, чем к топливу основного двигателя.

В современных подогревателях отечественного производства в качестве источника энергии используются жидкие топлива, поскольку двигатели транспортно-тяговых машин работают преимущественно на них. Однако, в последние годы с заметным нарастанием осуществляется перевод двигателей внутреннего сгорания на сжиженный газ. В связи с этим возникает еще большая необходимость создания индивидуальных подогревателей, энергетическим источником в которых должно быть газообразное топливо.

Теплообменные устройства, работающие на газообразном топливе, )По сравнению с другими известными, обладает существенным преимуществом - более высокой степенью лреобразования химической энергии топлива в тепловую.

Наиболее эффективными из числа газогорелочных устройств являются горелки инфракрасного излучения (ГИИ), рис.2.7.

Перспективность использования таких горелок для нагрева заключается в их особенностях:газ сгорает без видимого факела на излучающей насадке, которая нагреваясь служит, источником инфракрасного излучения;обеспечивается высокая полнота сгорания газового топлива посравнению с факельными горелками;.передача тепла происходит в основном за счет излучения (до60$);.токсичность продуктов сгорания значительно ниже, чем у откры-топламенных горелок., Простота конструкции делает ЗЖ надежными и удобными в эксплуатации. Горелочные устройства такого типа безопаснее в противопожарном отношении, чем открытопламенные, так как перенос лучистогоГорелка инфракрасного излучения унифицированнаяРис.2.7теплового потока происходит по нормали к поверхности излучения, а это значит, что теплопередача от источника к потребителю осуществляется, исключая обтекание теплоносителем внешних поверхностей потребителя. Газовые теплообменные устройства могут успешно применяться и на машинах с двигателями, работающими на жидком топливе. В этом случае газовое теплообменное устройство должно подключаться к централизованной сети на период подогрева или же на борту каждого транспортного средства должен располагаться автономный газовый источник.

Сжиженный газ является идеальным источником энергии. Находясь под давлением в баллоне, он не. требует механического привода для подачи в горелочное устройство. Обладает высокой теплотворной способностью, сравнительно дешев, табл.2.2, легко поддается регулированию при помощи средств автоматического управления. Наличие перечисленных достоинств дает основание считать газовые теплообменные устройства перспективными для использования в качестве средств теплового обеспечения двигателей лесозаготовительных машин перед пуском.

2.4. Аналитическое исследование теплового состояния подшипников коленчатого вала при межсменном тепловом обеспечении двигателяЦелью настоящих исследований является определение степени влияния температуры жидкости в системе охлаждения на тепловое состояние коренных подшипников при межсменном подогреве двигателя. В конечном счете, исследование сводится к определению необходимой установившейся температуры жидкости для поддержания определенного теплового состояния коренных подшипников при различных условиях теплообмена двигателя с окружающей средой. Строгое аналитическое решение задачи о распределении тепла от жидкостной системы охлаждения к коренным подшипникам связано с рядом трудностей. ПоэтомуТаблица 2.2Сравнительная стоимость получения 100 ВДж тепловой энергииот различных источников.

Вид Вд.энергоисточника измЭлектроэнергия кВт.ч 3,6 3,5 27,8 97,3 100Бензин кг 43,99 15,0 2,27 34,1 35,1 Дизельноетопливо кг 43,58 7,7 2,29 17,6 18,1Природный газ кг 50,21 4,7 1,99 9,4 9,7Сжиженный газ кг 46,41 7 2,15 15 15,4Теплотвор- Стоимость Количество Стоимость Относительнаяная способ- единицы энергии получения стоимостьность, энергии или или топлива тепловой тепловойЩж топлива, . М7Т .энергии, . энергии, %коп мдж копсл одля достижения поставленной цели сравнительно простым путем целесообразно принять некоторые допущения:теплопроводным звеном в указанной цепи теплопередачи являются межцилшщровые перемычки;назначением дополнительного источника энергии является поддержание постоянного теплового состояния жидкостной системы охлаждения двигателя в межсменный период, а потому считаем режим теплообмена стационарным;теплопроводное звено (перемычка) представлено в виде стержня конечной длины без тепловой изоляции боковой поверхности;температура основания стержня равна средней температуре жидкости в системе охлаждения ( Т< Т^ ); температура окружающей среды постоянна.

На рис.2.8 представлена графическая интерпретация выражения (2.24).

2.5. Методика исследований энергетических параметров индивидуальных подогревателей на базе горелок инфракрасного излученияНазначением данной методики является систематизация основных положений теории теплопередачи для исследования процессов межсменной тепловой подготовки двигателей лесозаготовительных машин перед пуском в условиях зимней эксплуатации с использованием индивидуальных подогревателей. При исследовании основных энергетических параметров индивидуальных подогревателей необходимо обоснованно выбрать граничные условия, а именно:минимальную температуру окружающей среды, при которой возможна эксплуатация лесозаготовительных машин, То. с ;уровень теплового состояния деталей, лимитирующих пуск двигателя, Тп.

Среднеинтегральная температура внешней поверхности двигателя выразится:4. п •»■Тс" = Т * С 2.28 )Принимая во внимание условие о межсменной тепловой подготовке" двигателя и то, что температура основных его систем и деталей поддерживается постоянной, дальнейшие действия производим по условиям задач с установившимся режимом.

Для равновесной термодинамической системы баланс тепла выразится:бЫ - - Ч*. ( 2-29 >иггде ^ =: ^ + количество тепла, отведенногов окружающее пространство, определится согласно (2.4) и (2,10).

Полезная теплопроизводительность подогревателя выразится:-Цу -Чо ( 2.30 )где - тепло, отведенное в окружающее пространство. уходящими газами, Дж;- потери тепла от внешней поверхности подогревателя, Дж.

Очевидно, что на величину лучистого теплового потока и эффективность его использования в подогревателе можно существенно повлиять изменением температуры поверхности излучения и приведенной степенью черноты. Последнее необходимо учитывать при выборе и обработке материала теплообменника.

Ввиду незначительной толщины стенки теплообменника, температура ее поверхности приравнивается к температуре жидкости Тр*-!* Коэффициент теплоотдачи о( определится по (2.11).

Анализ теплоотдачи от газа к стенке согласно /25, 26, 53/ позволяет заключить, что на эффективность теплообмена значительное влияние оказывает, кроме коэффициента теплоотдачи, площадь поверхности и особенность ее обработки.

С учетом (2.29) можно легко определить количество тепла, распределенного в массе двигателя. Очевидно, что для стабилизации теплового состояния двигателя количество тепла, переданное дополнительным источником ( ), должно быть равным количеству тепла, отведенному в окружающее пространство поверхностью двигателя.

2.6. ВыводыНа основании аналитических исследований процессов теплообмена в двигателе при его межсменной подготовке к пуску можно сделать следующие выводы:гдеТтауЙ ЬВ развитии вопроса экономии и рационального использования энергоресурсов целесообразно рассматривать взаимодействие двигателя с окружающей средой как термодинамическую систему с внутренним источником тепловой энергии. Этим источником необходимо считать собственно двигатель, аккумулировавший в себе к моменту остановки машины на межсменное хранение, некоторое количество тепловой энергии, достаточное для мгновенного повторного пуска. Можно считать, что при условии идеальной тепловой защиты двигатель находится в постоянной готовности к пуску и принятию нагрузки.

Исследованиями природы и величин тепловых потерь при взаимодействии двигателя с окружающей средой выявлена значимость лучистого теплообмена и возможность сохранения некоторой части тепловой энергии в двигателе в течение межсменного периода.

Для режима межсменного теплового обеспечения двигателя исследовано влияние температуры окружающей среды и системы охлаждения на тепловое состояние подшипников коленчатого, вала.

Восполнение тепловых потерь и стабилизация теплового состояния двигателя в течение межсменного периода возможна при использовании дополнительных источников тепла. Таким источником может быть индивидуальный газовый подогреватель, для которого разработана методика исследования энергетических параметров.

Выражение (2.14) позволяет более точно учитывать внешний теплообмен двигателя, а на основании зависимости (2.24) можно определить необходимую температуру жидкости в системе охлаждения, необходимую для стабилизации теплового состояния коренных подшипников коленчатого вала. Теплопроизводительность дополнительного источника тепла, необходимого для стабилизации теплового состояния двигателя, легко учесть при помощи выражения (2.14 ).

Для проверки и возможного уточнения теоретического анализа тепловой подготовки двигателей необходимы экспериментальные исследования, программа и методика которых представлена ниже.

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ3.1, Экспериментальная установка и условия проведенияопытовЭкспериментальная установка рис.3.1, 3.2 выполнена на базе дизельного двигателя А-01МЯ, для исследования температур в узлах и деталях которого размещены термоэлектрические преобразователи, табл.П.1.1.

Заправка двигателя эксплуатационными жидкостями осуществлялась из единых емкостей. Система питания заправлялась дизельным топливом марки 3 по ГОСТ 305-73, разбавленным 50$ керосина. В картер двигателя заливалось моторное масло марки М-8В2 по ТУ 38101278-72. Система охлаждения заполнялась антифризом.марки 65 по ГОСТ. 159-52.

Для исследования теплонапряженности цилиндров в стенках первого и шестого устанавливались термоэлектрические преобразователи по два соответственно в верхнем и нижнем поясах в диаметрально противоположных сторонах, в плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала. С этой.целью в стенках указанных цилиндров дроизводи-лист сверления, в которые запрессовывались алюминиевые втулки, а в них зачеканивался горячий спай преобразователя. Установка преобразователя производилась на глубине 0,5 мм от зеркала цилиндра, рис.3.3.

Установка термоэлектрического преобразователя в нижнем вкладыше коренного подшипникаI М2М1 - спай термоэлектрического преобразователя;2 - диэлектрический компонент; 3 - фиксатор; 4 - изолированные термоэлектродыРис.з;4вала термоэлектрические преобразователи устанавливались на глубину I мм над поверхностью антифрикционного слоя, рис.3.4.

С аналогичной заделкой устанавливались преобразователи в го-лввку цилиндра пускового двигателя, блок цилиндров и его головки.

Для исследования теплонапряженности моторного масла в главной масляной магистрали и картере двигателя, жидкостного теплоносителя на входе и выходе из системы охлаждения термоэлектрические преобразователи аналогичным образом зачеканивались в пробки с внешней резьбой, после чего устанавливались в указанные системы.

Вывод проводов из внутрикартерного пространства осуществлялся через плоскость крепления подцона с блок-картером двигателя, для чего в плоскости крепления поддона были выполнены канавки с задвл-кой эпоксидной смолой после укладки проводов. Температура продуктов сгорания газового топлива замерялась на выходе из подогревателя. Измерение температуры воздуха внутрикартерного пространства производилось в двух точках путем размещения термоэлектрических преобразователей в зоне первого и седьмого коренных подшипников в подвешенном положении. Преобразователь измерения температуры окружающей среды размещался вблизи двигателя. Объем газового топлива, поступающего на горелку подогревателя, измерялся газовым счетчиком. Объем топлива при работе пускового двигателя - расходомером типа^ Частота вращения коленчатого вала дизельного двигателя при пуске измерялась индуктивным датчиком числа оборотов, а показания регистрировались самопишущим прибором Н338-4П. Регистрация измеряемых температур производилась электронным автоматическим потенциометром КСП-4. Время прокрутки и пуска - секундомером. Все измерительные приборы имели действительные паспорта ТЪсповерок.

3.2. Методика подготовки и пуска экспериментальнойустановкиДля оценки качества предпусковой подготовки дизельного двигателя, пусковым устройством которого является двухтактный двигатель с регулятором числа оборотов, принимаем мощность пуска, которая определяется согласно /66/:А/л = ( 3.1 )где - мощность пускового приспособления, Вт;- момент сопротивления прокручиванию коленчатого вала пускового двигателя, кг.м;- пусковая частота вращения коленчатого вала двигателя, с""1.

Момент сопротивления на прокручивание коленчатого вала представляет собой сумму моментов:М а Мт + мр где МтМ;М- момент, затрачиваемый на преодоление сопротивления трения в сопряженных узлах двигателя, привод вспомогательных механизмов, в том числе и на преодоление сопротивления трения в пусковом.устройстве;- момент, затрачиваемый на сообщение кинетической энергии вращающимся деталям двигателя от статического. состояния до пусковой частоты вращения;- момент, затрачиваемый на преодоление сопротивления компрессии в. начальный период пуска.

Каздая из составляющих может быть определена с некоторым приближением аналитическим путем.

При пуске двигателей в холодное время года составляющая колеблется в широком диапазоне и зависит от вязкости масла.

Из (3.4) следует, что мощность пуска А|„ изменяется пропорционально расходу топлива а учитывая (3.3) можно заключить, что при пуске дизельного двигателя расход топлива является функцией вязкости масла в сопряжениях движущихся масс. С учетом (3.2) можно представить (3.1) в виде:( 3.5 )Учитывая (3.3), преобразуем (3.5):. / и) \0.4S 0.33.Л22.5 • к: -1( 3.6 )Приравняв правые части (3.4) и (3.6), выразим 5 :л. 5|п - 1.43 ч-1,51 (Ы '/> Ц 2.25' к:( 3.7 )Анализируя (3.7), заметим,что для двигателей известного литража при прокручившши коленчатого вала с заданной частотой и) расход топлива пускового устройства зависит от вязкости масла р. Однако, вязкость масла является функцией температуры, следовательно, изменение расхода топлива косвенно зависит от изменения теплового состояния масляной пленки в сопряжениях движущихся деталей.

Очевидно, что минимальный расход топлива пускового устройства, равно как и минимум затрат мощности, следует ожидать при пуске прогретого до эксплуатационных температур двигателя:( 3.8 )где (1 - действительный расход топлива пускового устройства при пуске дизельного двигателя после тепловой подго-. товки испытуемым подогревателем, л;- расход топлива пускового устройства при пуске горячего двигателя, л.

Подготовка и методика пуска экспериментальной установки представлена в табл.3.1.

Нижеприведенный комплекс операций повторяется для различных значений температур окружающей среды и режимов подогрева двигателя. Значения, контролируемых факторов заносились в журнал наблюдений табл.П.1.2.

3.3. Точность измерения и обработка данныхВ процессе экспериментальных исследований измерения организуются таким образом, чтобы погрешность результата определялась систематической ошибкой, которая обычно задается погрешностью измерительного. прибора /13/. Если случайные ошибки измерений меньше класса точности прибора, то последний определяет расхождение между измеренным и истинным значениями определяемой величины. Это значит, что класс точности прибора определяет максимальную ошибку.

Если ещстематическая ошибка является определяющей, то есть ее величина существенно больше величины случайной ошибки, присущей данному методу, то достаточно выполнить измерение.один раз /13/.

При натурных экспериментальных исследованиях, когда фактором является независимая переменная, становится практически невозможным выполнить последовательную и многократную цепь замеров при неизменных условиях.

Однако, в течение одного экспериментального цикла производилось значительное количество единичных замеров.

Используемый для контроля и регистрации значений температур автоматический.потенциометр КСП4 имеет класс точности 0,5.

Известно /12/, что для приборов класса точности 0,25 и 0,5, основная погрешность записи допускается равной основной погрешности следующего класса точности.

При измерении нулевых температур получен ряд определенных значений:Известно /18/, что уменьшать случайную ошибку целесообразно только до тех пор, пока общая погрешность измерений не будет полностью определяться систематической ошибкой.

3.4. Выбор переменных. Точность результатов экспериментальных исследованийВ настоящих исследованиях, единственной независимой переменной, непосредственно воздействующей на объект, является температура окружающей среды. Принятая в качестве основного фактора она отвечает,рчду требований, предъявляемых к независимым переменным /45, 83/. Исходя из условий проведения опытов управлять независимой переменной невозможно. Следовательно, планировать количествоповторяемых опытов нецелесообразно. Поэтому проведение экспериментальных исследований осуществляется по классической схеме пассивной формы путем набора статистических данных вблизи определенного уровня изменения выходного параметра.

Очевидно, что эти условия являются определяющими для уточнения границ и уровней факторов.

Задача статистического анализа выходных параметров по существу сводится к определению показателей точности эксперимента, который при доверительной вероятности р =0,95 и.достоверности опыта = 1,96 /42/, должен составлять <5 =0,05.

Величина показателя точности определяется в соответствии/42/:где - коэффициент вариации;П. - число набладений.

В свою очередь:^ - £Среднеквадратичное отклонение сб и. среднее арифметическое значение определялись согласно /41/. В.настоящих исследованиях расчетный показатель точности составил 0,036, что является. вполне удовлетворительным для достоверной вероятности р = 0,95.

3.5. Методика эксплуатационных испытанийЭксплуатационные испытания экспериментального образца индивидуального газового подогревателя с автоматическим режимом работы проводятся с целью:выявления возможности - его компактного размещения на борту лесозаготовительной машины;проверки аналитических исследований изменения теплового состояния силовой установки эксплуатационной машины при межсменном подогреве с использованием средств тепловой защиты в условиях лесосеки;исследования работоспособности источника тепла и элементов автоматического регулирования.

Эксплуатационные испытания проводились на мастерском участке лесозаготовительного предприятия. Испытаниям подвергалась рядовая валочно-пакетирующая машина с установленным на ней индивидуальным газовым подогревателем. Порядок выполнения исследований представлен методической сеткой эксплуатационных испытаний, табл. 3.2 а. значения параметров исследования заносились в журнал эксплуатационных испытаний, табл.ПД.З. Статистической обработке подвергаются результаты, полученные в идентичных условиях проведения опытов.

Результаты эксплуатационные испытаний, представленные в приложении.являются основанием для заключения о целесообразности использования индивидуального газового подогревателя в качестве источника теплового обеспечения лесозаготовительных машин перед пуском.

Таблица 3.2.

В результате анализа причин и факторов, влияющих на пуск двигателей в условиях зимней эксплуатации, обоснован критерий оценки качества подготовки двигателей к пуску, представленный выражением (3.7). На практике качество тепловой подготовки двигателей целесообразно оценивать по величине топливо-энергетических затрат (3.8).

Разработана методика экспериментальных исследований теплоэнергетических показателей процесса подготовки и пуска дизельного двигателя, оснащенного каскадной пусковой системой.

Эффект отражения теплового излучения широко используется в бытовых и промышленных термосах, учитывается при изоляции тепло-, нефте-, газопроводов и т.д.

Применение в конструкциях лесозаготовительных машин материалов и покрытий, чувствительных к.восприятию теплового излучения, позволит существенно повлиять на уровень теплонапряженности агрегатов силовых /установок. В результате этого можно минимизировать мощность индивидуальных подогревателей, а следовательно, сократить расход топлива на тепловую подготовку двигателей перед пуском в условиях зимней эксплуатации.

4.2. Анализ влияния энергетических параметров и режимов работы миндивидуальных подогревателей на теплонапряженность деталей двигателяСовершенствование современных средств тепловой подготовки двигателей внутреннего сгорания,как в нашей стране, так и за рубежом, осуществляется прежде всего в направлениях улучшения их энергетических параметров, режимов работы, а также социально-экономических показателей. Отечественной промышленностью выпускаются подогреватели высокой теплопроизводительности для форсированного разогрева двигателей с жидкостной^ и воздушной системами охлаждения. Как уже отмечалось выше, такой метод теплового обеспечения не исключает.затрат сменного времени на подготовку мобильных машин к эксплуатации, что естественно снижает эффективность их использования на технологической работе. Стремление к сокращению времени на подготовку двигателей к пуску определило направление развития подогревателей большой мощности. Между тем, с увеличением мощности подогревателя увеличивается неравномерность нагрева отдельных деталей двигателя. В разделах 1,2 дан анализ неблагоприятных последствий локальных перегревов.

Заключение диссертации по теме «Машины и механизмы лесоразработок, лесозаготовок, лесного хозяйства и деревообрабатывающих производств», Анисимов, Анатолий Иванович

Основные результаты выполненной работы отражены в нижепредставленных выводах:

1. Межсменное тепловое обеспечение двигателей перед пуском позволяет повысить сменную выработку лесосечных машин в зимний период на 5 * 1% за счет увеличения коэффициента их использования на технологической работе.

2. В результате исследований уточнены параметры теплового баланса двигателя при естественном теплообмене, что позволяет более корректно выполнять тепловые расчеты.

3. Определены оптимальный режим и параметры процесса тепловой подготовки двигателя.

4. Установлена зависимость теплонапряженности коренных подшипников коленчатого вала от температуры жидкости в системе охлаждения двигателя при его межсменной тепловой подготовке.

5. Разработан экспериментальный образец индивидуального газового подогревателя с устройством автоматического контроля и регулирования теплового состояния двигателя предназначенный для использования на всех видах лесосечных машин. Принципиальная схема экспериментального подогревателя послужит аналогом при создании опытного образца.

6. Экономический эффект только от снижения эксплуатационных затрат на тепловую подготовку двигателей при использования газового подогревателя составит 234 рубля в год на одну лесозаготовительную машину по сравнению с серийным подогревателем ПЖБ-300В.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Анализ результатов исследования эффективности методов и средств теплового обеспечения двигателей лесозаготовительных машин перед пуском в условиях зимней эксплуатации позволяет заключить:

Форсированный разогрев двигателей с применением серийных подогревателей типа ШБ и 1ВД обеспечивает достаточно высокий темп нагрева жидкостной системы охлаждения и моторного масла в картере, особенно в нижнем слое, в результате чего хорошо прогреваются стенки цилиндров, головка блока дизеля, цилиндр и головка пускового двигателя. Тем самым создаются уусловия для самовоспламенения топлива и подачи масла к узлам трения. Однако, подшипники коленчатого вала остаются пассивными к тепловому воздействию мощного подогревателя, что не обеспечивает снижения момента сопротивления на прокручивание коленчатого вала и сохраняет жесткость проворачивания вкладышей коренных и шатунных подшипников. Неравномерность интенсивности тепловых потоков, распределенных в массе двигателя, не позволяет довести тепловое состояние подшипников до необходимого уровня. Снижение темпа нагрева приводит к увеличению времени на тепловую подготовку. Исключить же затраты сменного времени на предпусковую подготовку позволяет межсменный подогрев двигателей.

Наиболее экономичным из числа известных средств предпусковой подготовки является индивидуальный газовый подогреватель. Расчетный экономический эффект от его использования составляет 234 рубля в год ло сравнению с серийным подогревателем ПЖБ-300В. Эксплуатационные испытания индивидуального газового подогревателя на валоч-но-пакетирующей машине ЛП-19 (рис.6.I).выявили его высокие технико- и социально-экономические качества. Полный экономический эффект с учетом повышения производительности машин за счет увеличения коэффициента использования сменного времени на основной работе составил 990 рублей в год на одну машину, что подтверждается ак

Индивидуальный газовый подогреватель на валочно-пакетирувдей машине ЛП-19

Рис.6.1 том внедрения (приложение 2).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Анисимов, Анатолий Иванович, 1984 год

1. Н.А.Тихонов. Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года. Доклад ХХУ1 съезду КПСС 27 февраля 1981 года. М.: Политиздат, 1981. - 46 с.

2. А.М.Александров, В.Н.Залевский. Оценка предельного состояния цилиндро-поршневой группы дизелей. Энергомашиностроение, 1976, В 8, с.8-10.

3. А.А.Асонов. Предпусковая подготовка машин зимой. Лесная промышленность, 1979, № 10, с.14-15. ^

4. A.c. 315785 (СССР). Устройство для предпускового разогрева двигателей/ И.А.Полосин и др. Заявл. 09.9.1969. № 1366829/24-6; Опубл.,01.10.71. в Б.И. Л 29; М.кл. 02 17/04.

5. Ю.Л.Бакуревич. Эксплуатация автомобилей на Севере. М.: Транспорт, 1973. - 180 с.

6. С.Г.Барон. Межсменный подогрев автомобильных двигателей подогревателями "Малютка" с газовыми инфракрасными излучателями. М.: ЦНТИ Минавтотранса, 1872. - 28 с.

7. О.А.Бардашев. Эксплуатация строительных машин зимой. М.: Транспорт, 1976. - 96 с.

8. С.А.Батурин. Физические основы и математическое моделирование процессов результирующего сажевыделения и теплового излучения в дизелях. Автореф. дис. доктора техн.наук. - Л., 1982. - 44с.

9. А.Г.Кдох. Тепловое излучение в котельных установках. Л.: Энергия, 1967. - 326 с.

10. Р.В.Бычковский. Приборы для измерения температуры контактным способом. Львов: Вшца школа. 1979. 208 с.

11. Е.С.Вентцель. Теория вероятностей. Изд. 4-е, стереотип.- М.: Наука. 1969. 576 с.

12. А.Е.Волков. Особенности эксплуатации тракторов зимой.- М.: Колос. 1975. 128 с.

13. В.Н.Волков. Исследование работоспособности гидравлических систем тракторов и.путей повышения их надежности в зимних условиях эксплуатации. Дис.канд.техн.наук. - М. , 1977. - 257 с.

14. М.А.Григорьев, Н.Н.Пономарев. Износ и долговечность автомобильных двигателей. М.: Машиностроение, 1976. - 248 с.

15. В.Г.Ерохин, М.Г.Махонько. Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники. М.: Энергия. 1979. - 240 с.

16. Н.С.ЗИдановский. Бестормозное испытания тракторных двигателей. М.: Машиностроение. 1966 - 179 с.

17. А.Н.Зайдель. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, Ленинградское отделение. 1974. - 108 с.

18. А.Л.Зайченко. Разработка и исследование мероприятий по облегчению пуска двигателей внутреннего сгорания в холодное время гоад. -.Дис.канд.техн.наук. Киев, 1968. - 185 с.

19. М.И.Зайчик, С.Ф.Орлов, А.М.Гольберг. Проектирование и рас-счет специальных лесных машин. М.: Лесная промышленность, 1976. -208 с. .

20. Г.А.Зотов. Средства для предпускового подогрева и запуска автомобилей и тракторов. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1975. - 54 с.

21. В.В.Иванов. Исследование влияния способов тепловой подготовки на работу коренных подшипников коленчатого вала двигателя ЗИЛ-130.на пусковых режимах. Дис.канд. техн.наук. - М., 1971,- 187 с.

22. Измерительная техника и методика испытаний промышленных тракторов в условиях низких температур. Под редакцией К.И.Завьялова.- М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1971. 52 с.

23. В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел. Теплопередача. Изд. четвертое. М.:.Энергия, 1981. - 417 с.

24. А.С.Иссермин. Основы сжигания газового топлива. Л.: Недра. 1980. - 271 с.

25. Н.И.Итинская, Н.А.Кузнецов. Справочник по топливу, маслам и техническим жидкостям. М.: Колос, 1982. - 208 с.

26. ВД.Карепов, А.И.Хорош. Системы подготовки ; двигателей экскаваторов и кранов к запуску при низких температурах. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1981. - 51 с.

27. В.А.Карепов. Малоэнергоемкий подогреватель типа ШЩ. -Строительные и дорожные машины, 1975, Л 2, 12 с.

28. В.В.Карницкий. Исследование низкотемпературного пуска двигателей с применением пусковых жидкостей и загущенных масел.- Дис.канд.техн.наук. М., 1966. - 151 с.

29. В.Козлов, С.Вилькер, А.Сабашников. Экономическая эффективность нагрева двигателей, различными способами. Автомобильный транспорт,.1969, $ 12,. II с. . .

30. В.Е.Козлов, С.М.Квайт,.Ю.П.Чижков. Особенности эксплуатации тракторных двигателей зимой. Л.: Колос, 1977. - 159 с.

31. А.К.Костин. Исследование рабочего процесса 4-х тактных дизелей.на пусковых режимах. Энергомашиностроение, 1976, № 3, с.13-15. .

32. Е.А.Краснощеков, А.С.Сукомел. Задачник по теплопередаче.- М.: Энергия, 1980. 287 с.

33. Е.К.-Крашенинников. Эксплуатация лесовозных, автомобилей и тракторов зимой. Петрозаводск: Карелия, 1970. 87 с.

34. Г.С.Кузьмин. Исследование предпускового разогрева дизеля при низких температурах окружающей среды. Дис.канд.техн.наук. -Л., 1973. - 158 с.

35. В.Л.Купершмвдт. Средства облегчения пуска зарубежных тракторных, двигателей. М. :ЦВИИТЭИтракторосельмаш, 1974. - 48 с.

36. Г.С.Лосавио. Эксплуатация автомобилей при низких температурах. М.: Транспорт. 1973. - 103 с.

37. А.В.Лыков. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. -.599 с.

38. В.В.Мардин. Исследование условий применения инфракрасных излучателей для разогрева машин на строительных площадках. -Дис. канд.техн.наук. Л.,1969. - 230 с.

39. В.И.Мартинюк, А.Н.Хван. Опыт организации межсменного подогрева автомобилей в зоне холодного климата. М.: ЦБНТИ, 1978.- 24 е. . .

40. А.К.Митропольский. Техника статистических вычислений. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. М.: Наука, 1971. - 576 с.

41. Ю.В.Микулин. Пуск холодных двигателей при низких температурах -.М.: Машиностроение. 1971. 215 с.-44. А.М.Моисейчик. Пусковые качества карбюраторных двигателей.- М.: Машиностроение. 1968. 167 с.

42. Ф.С.Новик, Я.Б.Арсов. Оптимизация процессов технологии металлов .методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение, София.:.Техника. 1980.,- 304 с.

43. Л.А.Николаев. Системы подогрева тракторных дизелей при пуске. М.: Машиностроение. 1977. - 191 с.

44. В.3,0беремок. Пуск автомобильных двигателей. М.: Транспорт. 1979. - 118 с.

45. Н.П.Протопопов. Исследование различных способов предпускового разогрева двигателей лесовозных автомобилей при.безгаражном хранении зимой в условиях Сибири. Дис.канд.техн.наук. - Красноярск: 1964. - 153 с.

46. Пат. 350568 (Швеция) Устройство для подогрева всасываемого воздуха. Заявл. 16.7.69; Опубл. I7.I.7I; МКИ 02 . 17/04.

47. Б.С.Петухов. Теплообмен и сопротивления при ламинарном течении.жидкости в трубах. М.:. Энергия. 1967.

48. А.Н.Пехович, В.М.Жвдких. Расчетц теплового режима твердых тел. Л.: Энергия. 1976. - 351 с.

49. В.В.Попов. Развитие и применение приближенных.(зональных) методов к решению и исследованию некоторых задач лучистого теплообмена в тепловых устройствах. Дис.канд. техн.наук. - М., 1978,- 279 с. .

50. В.В.Попов. Исследование прогрева тракторного дизельного двигателя после пуска при эксплуатации в. условиях низких температур окружающего воздуха. Иркутск, 1974. - 176 с.

51. Прейскурант Л 04-0g: Оптовые цены промышленности на нефтепродукты. Утв. Гос.ком. цен Совета.Министров СССР. Ввод 01.01.82. -М.: Прейскурантиздат. 1980. 64 с.

52. Прейскурант В 04-03: Оптовые цены промышленности и предприятий на газ.естественный, искусственный,.нефтепереработки и продукты газопотребляющих.заводов. Утв. Гос.ком.цен Совета Министров СССР. Ввод 01.01.82. М.: Прейскурантиздат, 1980. - 24 с.

53. Прейскурант № 09-01: Тарифы на электрическую и тепловую энергию, отпускаемую Минэнерго. Утв. Гос.ком.цен Совета Министров СССР. Ввод 01.01.82. М.: Прейскурантоиздат, 1980. - 48 с.

54. Проблемы адаптации автомобилей к суровым климатическим условиям Севера и Сибири. Сб.научных трудов /Тюменский индустриальный институт/.1979, № 69. - 238 с.

55. В.Б.Прохоров. Эксплуатация машин в лесозаготовительной промышленности. Изд.2-е, перераб. и доп. М.: Лесная промышленность, 1978.- 304 с.

56. М.Б.Равич. Газ и его применение в народном хозяйстве. -М.: Наука,. 1974.^ 367 с.

57. Рекомендации по пуску и прогреву автотракторных двигателей в холодное время года. М.: Г0СНИИТИ, .1972. - 48 с.

58. А.К.Родин. Применение излучающих горелок для отопления.- Л.: Недра, 1976., 117 с.

59. В.И.Романенко. Исследование энергетических параметров процесса пуска двигателей трелевочных тракторов в условиях низких температур. Дис.канд.техн.наук. - Л., 1969. - 132 с.

60. Ю.Б.Свиридов. Смесеобразование и сгорание в дизелях.- Л.: Машиностроение. .1972. 224 с.

61. Г.Н.Северинец. Применение газовых излучающих гррелок для сушки и,нагрева. Л.: Недра. 1980. - 167 с.

62. Н.В.Семенов» Исследование некоторых средств облегчения пуска автомобильных дизелей в зимнее Бремя. -Дис.канд.техн.наук.1. М., 1965. 129 с.

63. В.Н.Сердечный. Тепловая подготовка лесотранспортнык машин при безгаражном содержании. М.: Лесная промышленность, 1974. -123 с. .

64. А.В.Сидоренко. Исследование процесса тепловой подготовки автомобилей горячим воздухом с использованием замкнутой схемы циркуляции. -Дис. канд. техн. наук. Челябинск, 1975. - 163 с.

65. Л.А.Сорокин. Исследование путей уменьшения износов дизельных двигателей лесовозных автомобилей при их пусках в условиях безгаражного хранения. Дис.канд.техн.наук. Химки, 1971. - 245 с.

66. Г.И.Суранов. Уменьшение износа автотракторных двигателей при пуске. М.:. Колос. 1982. - 143 с.

67. А.С.Сущук. Исследование предпускового разогрева подшипников двигателей лecoтранспортных машин. Дис.канд.техн.наук. -Л., 1967. - 220 с.

68. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Под ред. В.А.Григорьева .и В.М.Зорина. М.: Энергоиздат. 1982. - 512 с.

69. Теплоэнергетика и теплотехника. Под ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. М.: Энергия. 1980. - 529 с.

70. В.И.Титов. Предпусковой разогрев стенок картера и коренных подшипников.двигателей. М.: ЦБНТИ, 1982. - 34 с.

71. Ф.Т.Усольцев. Исследование процесса пуска тракторного дизеля при эксплуатации его в условиях низких температур. Автореф. дис.канд.техн.наук. -Иркутск, 1967. - 23 с.

72. В.Г.Холявко. Исследование и разработка способов повышения эффективности воздухообогрева автомобилей. Дис.канд.техн.наук. -М., 1975. - 165 с.

73. Н.П.Цаюн. Исследование рабочего процесса.тракторного дизеля при пуске. Дис.канд.техн.наук. - Шнек, 1974. - 200 с.

74. Д.А.Цветков, П.Н.Лечанский. Сборник руководящих указаний по использованию сжиженных углеводородных газов. Издание четвертое. М.: Недра, 1973. - 464 с.

75. Я.БЛертков. Современные и перспективные углеводородные реактивные и дизельные топлива. М.: Химия, 1968. - 356 с.

76. Х.Шенк. Перевод с английского Е.Г.Коваленко под редакцией чл.корр. АН СССР Н.П.Бусленко. Теория инженерного эксперимента.1. М.: Мир. 1972. - 381 с.

77. А.С.Ширков. Математическое описание процесса нагрева (остывания) составных частей трактора. Тр. (Государств, всесоюзн. научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка). 1977, т.51, 91-97 с.

78. А.С.Ширхов, Г.И.Саламасов. Рациональный режим прогрева тракторных двигателей. Тр.(Государств, всесоюзн. научно-исследов, технолог, институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторн. парка). 1977, т.51, с.98-103.

79. Экономия горючего. Под ред. Е.С.Серегина. М.: Воениз-дат. 1980. - 144 с.

80. Н.И.Янков. Исследование причин образования трещин в головках цилиндров тракторного двигателя^ Дис.канд.техн.наук. -Минск, 1966. - 143 с.