Совершенствование процесса передачи мощности трансмиссией дорожно-строительных машин в условиях холодного климата

Актуальность работы.

Значительная часть территории России находится в зоне холодного климата, когда среднесуточные температуры окружающего воздуха в зимнее время опускаются до -45 °С и ниже. Эффективность эксплуатации дорожных и строительных машин в таких условиях значительно снижается, что связано с увеличением эксплуатационных затрат за счет повышения расхода горючесмазочных материалов, повышения трудоемкости работ технического обслуживания и ремонта в результате снижения надежности техники.

Одной из причин снижения эффективности эксплуатации техники в суровых климатических условиях является изменение свойств эксплуатационных жидкостей и смазок, в частности трансмиссионного масла.

Низкие температуры окружающего воздуха приводят к повышению вязкости трансмиссионного масла, что повышает внутренние потери в-агрегатах трансмиссии и снижает общий к.п.д. трансмиссии машины. Кроме того, повышение вязкости нарушает режим смазывания деталей агрегата, так как загустевшее масло не поступает в зоны контакта, что снижает надежность агрегатов.

В сложившихся условиях при эксплуатации техники в суровых условиях основное внимание уделяется двигателю машины: разработаны комплексы мероприятий и рекомендаций по запуску двигателя в экстремальных климатических условиях, машины оборудуются системами предпусковой подготовки двигателей и т. д. Однако вопросам предпусковой подготовки агрегатов трансмиссии не уделяется должного внимания. Обычно решение указанной проблемы ограничивается использованием всесезонных трансмиссионных масел, рекомендованных заводом-изготовителем, без учета особенностей эксплуатации техники. При этом не уделяется внимания вопросу энергоэффективности агрегатов трансмиссии машин.

Таким образом, несмотря на существующие методы подбора трансмиссионных масел, остается не достаточно изученным влияние вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии ДСМ, что особенно актуально для землеройно-траспортных машин (ЗТМ), поскольку энергоэффективность трансмиссии таких машин напрямую влияет на их производительность.

Первая глава посвящена обзору и анализу исследований в области эффективного применения трансмиссионных масел в строительной и дорожной технике при эксплуатации в условиях холодного климата, приведен анализ состояния исследуемого вопроса.

Рассмотрены основные направления развития ДСМ, факторы, влияющие на эффективность их использования в условиях холодного климата. На основе проведенного анализа сделан вывод о-низкой эффективности использования ДСМ в условиях холодного климата, что связано с потерями мощности машин в агрегатах трансмиссии.

Проведен аналитический обзор результатов ранее проведенных исследований отечественных и зарубежных авторов (В.А. Зорин, П. И. Кох, И. Г. Фукс, А. П. Смолин, Е. П. Серегин, J1.C. Васильева, C.B. Корнеев, Н. В. Дорошенко, К. С. Рамайя и другие) в области рационального подбора свойств и использования топливо-смазочных материалов.

Анализ характерных особенностей эксплуатации в условиях холодного климата, позволил выдвинуть рабочую гипотезу: основной причиной низкой эффективности является применение трансмиссионных масел без учета влияния вязкостно-температурных характеристик на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

В конце первой главы определены цель и основные задачи исследования.

Во второй главе представлена общая методика исследований. Здесь же представлена общая структура диссертационной работы.

В третьей главе диссертации приводится теоретическое исследование энергоэффективности трансмиссии ДСМ, рассмотрены основные факторы-, влияющие на к.п.д. агрегатов, определены основные статьи, распределения мощности.

В результате анализа мощностного баланса модели ДСМ показана возможность повышения* эффективности эксплуатации землеройно-транспортных машин (ЗТМ) в условиях холодного климата за счет снижения потерь в агрегатах трансмиссии. Поэтому дальнейшее исследование было направлено на выявление структуры энергозатрат в трансмиссии. Рассмотрение велось на примере автогрейдера ДЗ-98. Выбор данной модели определен конструктивными особенностями машины — для смазки всех узлов трансмиссии (кроме карданных передач) используется трансмиссионное масло. В качестве оценочного параметра эффективности передачи мощности узлами? и агрегатами трансмиссии принят общий к.п.д: агрегата.

Пршпередаче мощности от двигателя автогрейдера к ведущим колесам часть энергии-теряется в узлах агрегатов (зубчатые передачи, муфты, подшипниковые узлы) и на преодоление гидравлических потерь, возникающих при: перемешивании трансмиссионного масла (барботаж). Исследование влияния вязкости трансмиссионного масла на величину потерь в узлах агрегата позволило выявить закономерности изменения к.п.д. при повышении вязкости трансмиссионного масла.

Так повышение динамической вязкости трансмиссионного масла снижает потери в трущихся деталях зубчатой передачи механизма, что объясняется уменьшением коэффициента трения, но сопровождается увеличением гидравлических потерь и затрат энергии на перемешивание и разбрызгивание вязкого трансмиссионного масла. Таким образом, установлено влияние вязкости трансмиссионного масла на общий к.п.д. агрегата.

При эксплуатации ЗТМ в условиях холодного климата вязкость трансмиссионного масла изменяется в широких пределах. Нижняя граница вязкости, с учетом вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла, 6 определяется температурой окружающего воздуха, верхняя, граница вязкости определяется тепловым состоянием агрегата.

Для определения закономерностей изменения температуры трансмиссионного масла в условиях эксплуатации проведен анализ теплового баланса агрегата трансмиссии. В результате проведенного анализа бы л ипо лучены, зависимости изменения температуры трансмиссионного масла в агрегате в зависимости от продолжительности его работы. Полученные зависимости учитывают вязкостно-температурные характеристики трансмиссионного масла путем изменения величины потерь в агрегате, при изменении его теплового состояния.

Полученные зависимости показывают, что температура трансмиссионного масла в процессе работы агрегата повышается и достигает некоторого постоянного значения. Дальнейшего повышения температуры не происходит из-за наступления равновесного состояния между теплотой, выделившейся в результате потерь в агрегате, и теплотой, отведенной от агрегата в окружающую среду, т. е. процесс теплообмена становится стационарным. Величина равновесной температуры в этом случае определяется величиной потерь в агрегате, что позволяет принять ее в качестве критерия энергоэффективности агрегата трансмиссии.

Выявленные закономерности влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегата трансмиссии, позволили разработать математическую модель теплообмена агрегата трансмиссии.

Полученная модель позволяет оценивать влияние вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

В четвертой главе диссертации представлены сведения о проведённых экспериментальных исследованиях, представлена методика проведения экспериментального исследования влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегатов трансмиссии, приведены результаты экспериментальных исследований.

Для оценки влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на тепловое состояние агрегатов трансмиссии были выбраны два образца товарных масел «Экойл-Т» (БАЕ 80″ № 85) по ТУ 0253−339 968 232−98 и ТСЗп-8 (8АЕ 75W80) по ТУ 38.1 011 280−89 изм. 1−6. При выборе трансмиссионных масел учитывались рекомендации завода-изготовителя автогрейдера ДЗ-98, а также значения динамической и кинематической вязкости указанных масел при температурах, характерных для условий эксплуатации автогрейдера в зимнее время. На основе паспортных данных масел были получены вязкостно-температурные характеристики.

Для оценки температурного состояния агрегатов трансмиссии в процессе эксплуатационных испытаний, автогрейдер был дооснащен необходимым измерительным, оборудованием. На агрегаты были установлены термопары, подключенные через устройство компенсации к многоканальному измерителю температур.

Испытания проводились с учетом требований ГОСТ 11 030–93 и ГОСТ 20 306–90. Во время проведения испытаний моделировались два режима, характерных для условий эксплуатации автогрейдера: тяговый и транспортный.

В результате обработки полученных экспериментальных данных были получены зависимости, подтверждающие, что снижение вязкости трансмиссионного масла существенно влияет на температурное состояние агрегатов трансмиссии. Использование трансмиссионного масла класса вязкости по БАЕ 75″ ?80 вместо масла класса вязкости по БАЕ 80W85 приводит к снижению равновесной температуры агрегатов трансмиссии. При этом величина снижения равновесной температуры пропорциональна величине передаваемой агрегатом мощности.

Таким образом, результаты эксплуатационных испытаний и полученные на их основе закономерности подтверждают правильность выдвинутых предположений.

В пятой главе представлены рекомендации по практическому применению результатов исследования, разработана методика подбора трансмиссионного масла с учетом снижения энергоэффективности трансмиссии при эксплуатации техники в условиях отрицательных температур:

На основе результатов экспериментального исследования рассчитан экономический эффект от сокращения расходам топлива при" переходе с трансмиссионного масла класса вязкости по БАЕ 80У85 на трансмиссионное масло класса вязкости по БАЕ 75?80;

Общий годовой эффект от использования автогрейдера ДЗ-98 после проведенных мероприятий за счет повышения энергоэффективности трансмиссии составил 57 034,41 рублей на одну единицу техники в год.

На основе результатов проведенных исследований представлен комплекс мероприятий по повышению эффективности эксплуатации ДСМ в условиях холодного климата.

Заключение

резюмирует результаты проделанной работы и содержит рекомендации и выводы.

На защиту выносится:

1. Математическая модель влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

2. Результаты теоретического исследования влияния вязкостно-температурной характеристики трансмиссионного масла на к.п.д. агрегатов трансмиссии.

3. Результаты экспериментального исследования влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на температурное состояние агрегатов трансмиссии автогрейдера ДЗ-98.

4. Результаты экспериментального исследования влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на изменение сопротивления движению и топливную экономичность автогрейдера ДЗ-98.

5. Методика выбора трансмиссионного масла с учетом влияния вязкостно-температурных характеристик на энергоэффективность агрегатов трансмиссии ДСМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. разработана математическая модель влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на энергоэффективность агрегатов трансмиссии.

2. получены новые эмпирические зависимости к.п.д. агрегата трансмиссии от вязкости трансмиссионного масла.

3. Получены новые экспериментальные данные влияния вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла на температурное состояние агрегата трансмиссии при эксплуатации автогрейдера ДЗ-98 в условиях отрицательных температур.

Практическая ценность заключается в разработанной методике выбора вязкостно-температурных характеристик трансмиссионного масла для повышения энергоэффективности трансмиссии ДСМ при эксплуатации в условиях холодного климата.

Работа включает 152 страницы, 12 таблиц, 41 рисунок и 2 приложения, список использованной литературы из 154 источников.

Основные положения работы опубликованы в 10 статьях, из них 6 из списка рекомендованного ВАК РФ для опубликования результатов научных исследований.

Автор выражает сердечную благодарность научному руководителю д. т. н. проф. Корнееву C.B. за искреннюю помощь и поддержку в написании этой работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

РЕКОМЕНДАЦИИ И ВЫВОДЫ.

В результате теоретических исследований выявлено:

1. эффективность передачи мощности агрегатами трансмиссии определяется в основном1 двумя факторами: потерями на трение в узлах и деталях, а также на барботаж трансмиссионного масла. Вусловиях эксплуатации распределение энергии на трение и барботаж зависит от вязкостно-температурных свойств используемого трансмиссионного масла. Суммарные потери на трение в агрегате находятся в пределах 10−25% (в зависимости от числа ступеней передачи крутящего момента), при этом, потери на барботаж снижают к.п.д. агрегата с 0,92 до 0,53 при повышении вязкости трансмиссионного масла;

2. потери энергии в агрегате трансмиссии вызывают изменение его температурного состояния, которое определяется4условием теплового равновесия между теплотой, выделившейся в агрегате, и теплотой, отведенной в окружающую среду в процессе теплообмена. Равновесное тепловое состояния агрегата прямо пропорционально величине передаваемой мощности, и к.п.д., и определяется*величиной равновесной температуры;

3. на основе проведенных исследований была получена математическая модель влияния вязкостно-температурных свойств трансмиссионного масла на величину потерь в агрегатах трансмиссии. Использование разработанной математической модели, позволяет определить оптимальные вязкостно-температурные свойства трансмиссионного масла, так, чтобы обеспечить высокую энергоэффективность трансмиссии при эксплуатации в условиях холодного климата.

В результате проведенных эксплуатационных испытаний установлено:

4. при установившемся движении автогрейдера ДЗ-98 изменение температуры трансмиссионного масла в агрегатах трансмиссии носит экспоненциальных характер, при этом, установившаяся величина температуры трансмиссионного масла — равновесная температура — зависит от вязкостно-температурных свойств применяемого масла;

5. применение трансмиссионного масла класса вязкости по БАЕ 75\^80 в агрегатах трансмиссии позволяет снизить сопротивление страгиванию автогрейдера ДЗ-98 при эксплуатации в условиях отрицательных температур до 40% в зависимости от температуры трансмиссионного масла, и добиться сокращения расхода топлива от 2,8 до 5,2% в зависимости от режима эксплуатацииЭто нужно расписывать, это главные выводы.

6. экономическая оценка внедрения результатов исследования показала, что использование трансмиссионного масла ТСЗп-8 класса вязкости по 8АЕ 75, УБ0 приводит к значительному сокращению расхода топлива и возможности эксплуатации техники при особо низких температурах. Экономический эффект от внедрения составляет 57 034,41 руб. на одну единицу техники в год.