Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Тяговый расчет трактора

Исходные данные для тягового расчета.

1. Тип трактора универсально пропашной

2. Тип движителя 4Ч4

3. Номинальная сила тяги на крюке, 14 кН.

4. Действительная скорость движения агрегата при номинальной силе тяги на крюке, 4,0 м/с.

5. Число основных передач 7

6. Действительная скорость движения агрегата при работе на транспорте, 5,0 м/с

7. Коэффициент эксплуатационной загрузки двигателя =0,85.

1.1 Расчет эксплуатационной массы трактора, номинальной мощности двигателя и теоретической регуляторной характеристики двигателя

Определение эксплуатационной массы трактора

Различают конструктивную (сухую) массу трактора и эксплуатационную (полную) . Конструктивная масса должна обеспечивать прочность и долговечность конструкции трактора, эксплуатационная - необходимые тягово-сцепные качества.

,

трактор двигатель газообмен двигатель

где - коэффициент возможной перегрузки, 1,4; - коэффициент сцепления при допустимом буксовании, 0,55 - колесный движитель стерня колосовых; - коэффициент нагрузки ведущих колес, 1,0 - колесный движитель 4Ч4; - коэффициент, показывающий долю сопротивления качению, обусловленную деформацией опорной поверхности, 1,0 колесный движитель; - коэффициент сопротивления качению, 0,06 колесный движитель стерня колосовых; - ускорение свободного падения, м/с.

т

Конструктивную массу можно принять, ориентируясь на показатели современных тракторов того же тягового класса. С достаточной для учебных расчетов точностью можно принять, что за счет водителя, инструмента, топлива, смазочных материалов и т.п. масса трактора увеличивается на 7,0… 10,0%. Недостаток эксплуатационной массы восполняется применением балласта, навешиваемого на ведущие колеса.

т

1.2 Расчет номинальной мощности двигателя

Номинальная мощность двигателя определяется из условия равномерного движения на горизонтальном поле с номинальной силой тяги на крюке и действительной скоростью движения в определенных почвенных условиях при допустимом буксовании.

где - сила сопротивления качения, кН; - механический КПД трансмиссии,



,

здесь - механический КПД трансмиссии, учитывающий потери холостого хода, ; , - механический КПД цилиндрической и конической пары шестерен, ; ; , - число цилиндрических пар шестерен, работающих на одной передаче, .

кВт

По результатам расчетов номинальной мощности двигателя для трактора определить двигатели-прототипы, основные технические параметры которых занести в таблицу 1.

Основные технические параметры

№ п/п	Наименование параметра	Трактор прототип МТЗ-82	Расчетный
1	Назначение двигателя	тракторный	тракторный
2	Тип двигателя	дизель	дизель
3	Тактность двигателя	4	4
4	Номинальная мощность, кВт	58,8	102,712
5	Конструктивная масса трактора, т	3,700	3,708
6	Номинальная частота вращения коленчатого вала, мин	2200	2200



2. Тепловой расчет

Степень сжатия

Степень сжатия в первую очередь зависит от способа смесеобразования и рода топлива, а также от быстроходности двигателя, наличия наддува и других факторов.

принимаем равным 16

Параметры заряда на впуске.

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае в качестве параметров исходного состояния заряда на впуске принимаются давление и температура окружающей среды, соответственно равные МПа и К.

При расчете рабочего цикла двигателя с наддувом за исходные параметры принимаются давление и температура на выходе из компрессора, а при наличии промежуточного холодильника - за холодильником.

В настоящее время на двигателях тракторов используется низкий или средний наддув.

Температура воздуха после компрессора , К:

,

где - показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре. В зависимости от типа компрессора значение принимаем равным 1,4

К



2.1 Расчет процессов газообмена

Определение давления и температуры остаточных газов

Процессы газообмена включают очистку цилиндра от продуктов сгорания и наполнения цилиндра свежим зарядом.

МПа

Температура остаточных газов.

принимаем равным 810 К

Температура подогрева свежего заряда.

принимаем 5°С

2.2 Расчет давления в конце впуск

Давление в конце впуска (МПа) определяется исходя из потерь во

впускной системе:

,

где - потери давления во впускной системе.

,

где в - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра, - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; - средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы, м/с; - плотность заряда на впуске, кг/м.

По опытным данным в современных двигателях на номинальном режиме работы принимаем 4 и м/с. принимаем 80

Плотность заряда на впуске:

,

где - удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг К);

МПа

МПа

2.3 Расчет коэффициента остаточных газов

Коэффициент остаточных газов характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей (с учетом продувки и дозарядки цилиндра):

;

При определении на номинальном режиме работы двигателя с учетом дозарядки можно принять , что вполне можно получить при подборе угла опаздывания закрытия впускного клапана в пределах 30 - 60° поворота коленчатого вала, принимаем 1,1

Коэффициент очистки принять равным единице ().

2.4 Расчет температуры в конце впуска и коэффициента наполнения

Температура в конце впуска определяется:

К

Для четырехтактных двигателей коэффициент наполнения с учетом продувки и дозарядки цилиндра равен:

2.5 Расчет процесса сжатия

Давление (МПа) и температура (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы:

; ,

где - показатель политропы сжатия, 1,36

МПа

К

Коэффициент избытка воздуха.

Для различных двигателей на номинальном режиме работы коэффициент избытка воздуха принимаем равным 1,7

Топливо.

Состав топлива и его теплота сгорания принимаются по таблице 2.

Средний элементный состав дизельных топлив и их теплота сгорания

Жидкое топливо	Содержание, кг	Низшая теплота сгорания , кДж/кг
Дизельное топливо	0,870	0,126	0,004	42500

2.6 Термохимический расчет процесса сгорания

Количество заряда , находящегося в цилиндре в конце сжатия, определяется количеством свежего заряда и остаточных газов :

Количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг жидкого топлива определяется из стехиометрических соотношений.

В массовых единицах, :

в объемных единицах :

Количество свежего заряда , находящегося в цилиндре дизеля, кмоль/кг:

Для дизельных двигателей, кмоль/кг:

где - молекулярная масса паров дизельного топлива, принимаем 190 кг/кмоль.

Количество остаточных газов в цилиндре определяется кмоль/кг,

Количество заряда, находящегося в цилиндре к концу процесса сгорания на 1 кг топлива, определяется количеством продуктов сгорания и остаточных газов :

Количество продуктов сгорания , образующихся при сгорании 1 кг жидкого топлива, может быть определено по формулам, кмоль/к г:

для бедных смесей :

2.7 Термодинамический расчет процесса сгорания

Величина теплоемкости зависит от температуры и давления тела, его физических свойств и характера процесса. Для расчетов работ их процессов обычно пользуются средними молярными теплоемкостями при постоянном объеме и при постоянном давлении , между которыми существует зависимость:

Теплоемкость заряда определяется в зависимости от температуры конца сжатия по эмпирической формуле, кДж/(кмоль К):

Теплоемкость продуктов сгорания определяется в зависимости от температуры и состава рабочей смеси:

при

Температуру в конце процесса сгорания определяют по следующему выражению. для дизельных двигателей:

где - коэффициент использования теплоты, 0,8; - степенью повышения давления, 2,0

После подстановки перечисленных величин в выражение получается квадратное уравнение типа:

К

Давление газов в конце сгорания, МПа

Степенью предварительного расширения в дизеле.

2.8 Расчет процесса расширения

Предполагают, что расширение происходит по политропному процессу со средним показателем политропы , принимаем равному 1,23 Степень последующего расширения для дизелей определяем по выражению:

Значения давления (МПа) и температуры (К) в конце процесса расширения определяются по формулам политропного процесса

дизельный двигатель:

МПа

К

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов осуществляем по формуле:

К

Погрешность составляет:

,

где и - соответственно расчетная и принятая температура остаточных газов.

%

Значение расчетной температуры остаточных газов может отличаться от выбранной ранее не более чем на 5%.



2.9 Расчет индикаторных показателей двигателя

Оценку рабочего цикла проводят по индикаторным показателям, среди которых важны, прежде всего, среднее индикаторное давление индикаторный КПД , удельный индикаторный расход топлива .

Среднее индикаторное давление цикла МПа:

для дизельных двигателей

,

где - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, 0,95

МПа

Индикаторный КПД характеризует степень использования теплоты топлива в действительном цикле для получения индикаторной работы и определяется по выражению:

Совершенство цикла, его топливная экономичность оценивается величиной удельного индикаторного расхода топлива, г/(кВт ч):



2.10 Расчет эффективных показателей двигателя

Работу двигателя в целом оценивают по эффективным показателям - среднему эффективному давлению , эффективной мощности , эффективному КПД , удельному расходу топлива и др.

Расчет эффективных показателей двигателя требует оценку внутренних (механических) потерь в двигателе. Механические потери можно определить приближенно по эмпирическим формулам в зависимости от средней скорости поршня, м/с:

,

где - ход поршня, 125 мм.

м/с

Эмпирическое выражение для определения величины (МПа) имеет следующий вид:

Среднее эффективное давление, МПа

Относительный уровень механических потерь характеризует механический КПД:



В целом топливная экономичность двигателя характеризуется величиной эффективного КПД или удельного эффективного расход; топлива , г/(кВт ч):

г/кВтч

2.11 Расчет основных размеров двигателя

Рабочий объем цилиндра, л (дм):

,

где - тактность, для четырехтактных двигателей , - число цилиндров; , , - соответственно эффективная мощность (кВт), среднее эффективное давление (МПа), частота вращения коленчатого вала (мин) на номинальном режиме работы двигателя.

л

Диаметр цилиндра, мм

,



где - отношение хода поршня к диаметру цилиндра, 0,96

мм примем 110 мм

Тогда ход поршня, мм:

мм

Полученные значения и округляют до целых чисел ближайшего размера существующего двигателя.

Основные параметры и показатели двигателя определяются по окончательно принятым значениям = 110 и =106.

Рабочий объем цилиндра, л:

л

Эффективная мощность двигателя, кВт:

кВт

Эффективный крутящий момент, кН м:

Часовой расход топлива, кг/ч:



3. Построение графиков по тепловому и динамическому расчету двигателя

Индикаторная диаграмма в рV координатах

Индикаторная диаграмма строится на основании данных, полученных в тепловом расчете в координатах рV, а затем перестраивается в координаты .

Для построения диаграммы масштаб подбирается так, чтобы высота была в 1,2… 1,5 раза больше ширины. На оси абсцисс в принятом масштабе откладывают объемы ; ; ; (дизельный двигатель).

По оси ординат откладывают давления ,,,,,, для соответствующих объемов.

Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической скругленностью в точках, .

Построение политропы сжатия и расширения можно производить аналитическим или графическим методом. При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов, расположенных между и , и между и по уравнению политропы

Для политропы сжатия , откуда

где и - давление, и объем в искомой точке процесса сжатия. Отношение изменяется в пределах от 1 до



Va/Vx	1	1,5	2	2,5	4	5,5
Vx	1,074	0,716	0,537	0,430	0,268	0,195
Px	0,130	0,225	0,333	0,451	0,854	1,317
Va/Vx	7	8,5	10	11,5	13	15	16
Vx	0,153	0,126	0,107	0,093	0,083	0,072	0,067
Px	1,829	2,381	2,970	3,592	4,244	5,156	5,629

Аналогично для политропы расширения

Для дизельных двигателей отношение изменяется в пределах 1….

Vb/Vx	1	1,5	2	2,5	4	5,5
Vx	1,074	0,716	0,537	0,430	0,268	0,195
Px	0,454	0,747	1,064	1,400	2,495	3,692
Vb/Vx	7	8,5	10	13,616
Vx	0,153	0,126	0,107	0,079
Px	4,967	6,306	7,702	11,258

Соединяя точки а и с плавной кривой проходящей через вычисленные и нанесенные на поле диаграмм точки политропы сжатия, а точки z и b - кривой, проходящей через точки политропы расширения, а также остальные точки между собой получим индикаторную диаграмму.

При графическом методе диаграммы сжатия и расширения строятся по способу Брауэра.

Индикаторная диаграмма в координатах рц

Индикаторная диаграмма в координатах рV может быть перестроена в методом Брикса. Для этого на отрезке стройся полуокружность с центром , из которого через 30° (лучше через 15°) проводят лучи до пересечения с полуокружностью. Затем из центра отстоящем от центра на расстоянии , проводят лучи ; ; и т.д. до пересечения с той же полуокружностью. Из точек 1; 2; 3 и т.д. восстанавливают перпендикуляр до линии впуска, сжатия, расширения и выпуска на индикаторной диаграмме. Отрезки от оси абсцисс до кривых индикаторной диаграммы последовательно для всех процессов цикла и есть давление в цилиндре для соответствующих углов поворота коленчатого вала двигателя.

Полученные значения давлений переносятся на график , где по оси абсцисс отложен угол поворота коленчатого вала в определенном масштабе. Масштаб давлений оставляют тот же, что и на графике .

Величине - носят название поправки Брикса и учитывает конечную величину шатуна. Здесь мм - радиус кривошипа и - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Для современных двигателей . Тогда поправка Брикса будет равна мм

Диаграммы перемещения, скорости и ускорения поршня

Все эти графики взаимосвязаны и строятся на одном рисунке.

Перемещение поршня определяется выражением и может быть построено

графически по методу проф. Ф.А. Брикса проектированием на вертикаль радиус-вектора, имеющего полюсом точку сдвинутую относительно центра окружности кривошипа на в сторону Н.М.Т. Чаше всего перемещение поршня определят путем вычисления по вышеприведенной формуле для различных углов , причем значения в квадратных скобках для каждого угла для приводятся в литературе (4). Скорость движения поршня определяется выражением

Значения множителя, заключенного в скобки в зависимости от и с целью облегчения расчетов также приводятся в литературе (4). Для построения диаграммы скоростей на диаграмме перемещений из данного угла проводится линия, параллельная оси до пересечения с кривой перемещений и из полученной точки восстанавливается перпендикуляр на ось , от которой затем откладываются значения скорости. Максимальное значение скорости составляет приблизительно 1,625Vср. и соответствует 74…77° поворота коленчатого вала от ВМТ

	15	30	45	60	75	90
	3,924	7,423	10,154	11,890	12,551	12,204
	105,0	120,0	135,0	150,0	165,0	180,0
	11,025	9,248	7,103	4,781	2,398	0,000

Кривая ускорения поршня строится там же где и скорость. Для построения находят максимальное ускорение м/с² минимальное ускорение м/с².

с^-1

На отрезке в определенном масштабе, в точках и откладывается (в масштабе ускорений) отрезки , и ; точки и соединяются пряной. В точке пересечения перпендикулярно вниз откладывается отрезок ; точка соединяется с точками и . Отрезки и делятся на произвольное, но равное число отрезков. Точке 1, 2, 3 и т.д. соединяются с одноименными точками 1, 2, 3 прямыми. Кривая касательная к прямым 1-1; 2-2 и т.д. и есть кривая

Диаграмма сил инерции

Сил инерции прямолинейно возвратно-движущихся частей шатунно-поршневой группы определяются по формуле

Для графического построения сил инерции необходимо найти

массы возвратно-движущихся частей

где - масса поршневого комплекта;

- часть массы шатуна, условно отнесенная к массе совершающей возвратно-поступательное движение,

Для приближенного определения значений ,, можно использовать

конструктивные массы , (кг/м или г/см), приведенные в таблице 3.

Конструктивные массы деталей шатунно-поршневой группы в кг/м

Двигатели	Материал поршня
Дизели	легкий сплав	200…300	250…340



Силы давления газов, изображенные на индикаторной диаграмме отнесены к единице площади поршня, поэтому и силы инерции также должны быть той же размерности (МПа), - можно определить аналитически по формуле МПа для различных углов поворота коленчатого вала двигателя (напр. через 15° п.к.в.) или графически. Силы инерции первого порядка и второго порядка (отнесенные к площади поршня) строятся проектированием конца радиус-вектора на вертикаль. Радиусом для построения сил инерции первого порядка является

, а второго порядка

где кг/м²

МПа

МПа

Масштаб для сил инерции принимается тот же, что и при построении индикаторной диаграммы.

Диаграмма сил инерции строится под индикаторной диаграммой, развернутой по углу поворота коленчатого вала. Для этого проводим из общего центра две полуокружности радиусами и лучи через 15°. Вертикальные проекции отрезков лучей, пересекающих первую окружность (), дают в принятом масштабе значения сил при соответствующих углах поворота коленчатого вала, а проекции отрезков тех же лучей, пересекающих вторую окружность (), значения сил при углах поворота коленчатого вала соответственно вдвое меньших. Далее проводим через центр горизонтальную линию и откладываем на ней как на оси абсцисс, значения ц углов поворота коленчатого вала за рабочий цикл от 0° до 720° п.к.в. четырехтактный двигатель.

По точкам пересечения указанных выше проекций с ординатами, проходящих через соответствующие значения углов на оси абсцисс, строим кривые и .

Суммарная кривая относительных сил инерции находится сложением двух гармоник . Следует помнить, что изменение силы инерции второго порядка происходит вдвое быстрее, а абсолютное значение в раз меньше, чем силы инерции первого порядка.

Суммарные силы, действующие на поршень

Для построения суммарной силы .

Суммарные силы инерции переносятся на развернутую по углу поворота индикаторную диаграмму и складываются с силами давления газов . При этом следует учитывать, что силы инерции в конце такта сжатия (ВМТ) направлены в противоположную сторону силам давления газов.

Диаграмма тангенциальных сил и суммарного крутящего момента

Сила действующая вдоль оси цилиндра может быть разложена на две составляющие:

нормальную силу , перпендикулярную оси цилиндра, и силу , действующую вдоль оси шатуна.

Силу S можно перенести по линии ее действия в центр шатунной шейки кривошипа и разложить на две составляющие:

силу , направленную по радиусу кривошипа, и силу , направленную по касательной к окружности радиуса кривошипа. Сила Т, называемая тангенциальной, на плече r дает крутящий момент



Радиус кривошипа величина постоянная, поэтому крутящий момент для одного цилиндра изменяется по закону изменения тангенциальной силы .

Для определения тангенциальной силы строится схема кривошипного механизма в произвольном масштабе, но с учетом выбранного отношения . От центра кривошипа по направлению радиуса кривошипа откладывают отрезок , равный суммарной силе для данного угла поворота коленчатого вала в принятом масштабе сил.

Через точку конца отрезка проводят линю, параллельную оси шатуна, которая отсекает на диаметре, перпендикулярном оси цилиндров отрезок , равный силе .

При положительном значении силы она откладывается на положительном направлении радиуса от центра кривошипа к шатуну. При отрицательном значении силы она откладывается от центра кривошипа в противоположную сторону на продолжении радиуса, независимо от положения кривошипа. Значение силы определяют через каждые 15° поворота коленчатого вала. Все значения силы выше горизонтального диаметра положительные, а ниже - отрицательные.

Кривая одновременно есть кривая изменения крутящего момента для одного цилиндра в масштабе моментов, который определяется по выражению:

где - масштаб моментов, ; - масштаб давления, ; - радиус кривошипа, ; - площадь поршня, .

Кривую суммарного крутящего момента многоцилиндрового двигателя строят путем графического суммирования кривых крутящих моментов отдельных цилиндров, сдвигая одну кривую относительно другой на угол поворота кривошипа между вспышками в отдельных цилиндрах. Для четырехтактных двигателей с равными интервалами между рабочими ходами , где - число цилиндров двигателя

Для проверки правильности графических построений необходимо найти среднее значение суммарного крутящего момента, для чего находятся средняя ордината путем деления избыточной площадки под; кривой моментов на длину абсциссы под ней

где - суммарная площадка всех участков диаграммы, расположенных над осью абсцисс; - суммарная отрицательная площадка; - длина диаграммы под суммарной кривой в мм.

Тогда крутящий момент ; здесь - механический к.п.д. двигателя.

Крутящий момент двигателя на номинальном режиме определяется по выражение:

трактор двигатель газообмен

кНм

%

Расхождения в значениях крутящего момента не должки превышать 5%.

Размещено на Allbest.ru