Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства

Диссертационная работа:

Левцев, Алексей Павлович Оценка и управление энергетическими процессами сельскохозяйственных агрегатов : диссертация ... доктора технических наук : 05.20.01, 05.13.06 Саранск, 2005

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

1.Современное состояние вопроса и задачи исследования 12

1.1. Анализ нерациональных потерь мощности на выполнение механизированных процессов сельскохозяйственными агрегатами при неустановившейся нагрузке 12

1.2. Показатели, характеризующие эффективность энергетических процессов функционирования СХА 24

1.3. Анализ методов энергетического анализа динамических подсистем 32

1.4.Повышение реализуемости энергетического потенциала сельскохозяйственных агрегатов 45

1.5. Цель и задачи исследования 59

2.Теоретические основы оценки и управления энергетическими процессами сельскохозяйственных агрегатов 62

2.1 .Методология оценки динамики и управления энергетическими процессами сельскохозяйственных агрегатов 62

2.2.Связь интегральных и вероятностных характеристик энергетической цепи 67

2.3.0ценка реактивных потерь мощности в переходных режимах 80

3. Разработка математических моделей энергетических цепей динамических подсистем СХА 89

3.1. Метод энергетических цепей для идентификации динамики систем сельскохозяйственных агрегатов 89

3.1.1 .Аналогии механических цепей 90

3.1.2.Соотношения между энергетическими параметрами в многоканальной цепи 98

3.2. Энергетические цепи с нелинейными звеньями 101

3.2.1 .Механическая цепь теплового двигателя с регулятором Уатта и ее линеризация 101

3.2.2. Динамические процессы при постоянной нагрузке (/7 = 0) 105

3.2.3. Эффект запаздывания 108

3.2.4. Переходные процессы в системе "Тепловой двигатель- механический регулятор" 109

3.3. Моделирование определяющих систем ДВС 120

3.3.1. Моделирование потерь от давления газовых сил на поршень в кривошипно-шатунном механизме 120

3.3.2.Моделирование динамических процессов в турбокомпрессоре тракторного дизеля 130

3.3.3 .Моделирование топливоподачи дизеля 138

3 ^.Моделирование дизель-генератора с микропроцессорным регулятором топливоподачи 146

3.5.Энергетические цепи электрических согласующих устройств 152

3.5.1. Энергетическая цепь синхронного генератора 152

3.5.2.Энергетическая цепь асинхронного двигателя 163

3 .б.Моделирование насосных нагрузок 167

3.6.1.Моделирование динамики гидропривода поршневого насоса 167

3.6.2.Энергетическая цепь центробежного насоса и гидравлической сети 171

3.7.Энергетическая цепь электропривода центробежного насоса с автономным источником ограниченной мощности 175

4. Программа, методика и результаты экспериментальных исследований 185

4.1. Задачи, реализуемые автоматизированными системами экспериментальных исследований 186

4.1.1. Структура АСНИ 187

4.1.2. Комплекс "АКиУЭП" 190

4.1.2. Лабораторная установка 191

4.1.3. Обоснование числа каналов и параметров АЦП 201

4.1 АОпределение числа разрядов АЦП 202

4.2. Поверка измерительной аппаратуры 205

4.3. Экспериментальные исследования 209

4.3.1. Планирование эксперимента 209

4.3.2.Идентификация экспериментальных зависимостей и моделей 210

4.4.Результеты оценки ЭП и управления энергетическими процессами СХА.211

4.4.1. Эконометры 212

4.4.2. Энергоконтролирующие системы 213

4.4.3. Демпфирующие устройства 243

4.4.4. Регуляторы 244

5. Устройства, реализующие ЭП СХА 253

5.1. Электромеханическая саморегулирующаяся трансмиссия МЭС 253

5.2. Измерение крутящего момента сельскохозяйственных агрегатов 263

5.3. Гашение пульсаций и измерение давлений в энергетических цепях 270

5.3.1.Измерение параметров продуктов сгорания в цилиндрах тепловых двигателей 270

5.3.2. Устройство для изменения степени сжатия в цилиндре ДВС с гашением колебаний давления и коррекцией температуры 274

5.3.3.Устройство для гашения колебаний давления в трубопроводах 276

5.4. Расчет технико-экономической эффективности от применения разработанных средств реализации ЭП СХА 281

5.4.1. Общая методика 281

5.4.2. Расчет экономической эффективности от применения микропроцессорного регулятора 283

5.4.3. Расчет экономической эффективности от демпфирующего устройства мобильного агрегата с трактором МТЗ-80 287

5.4.4. Расчет экономической эффективности от применения программного комплекса АКиУЭП СХА 288

Заключение 291

Библиографический список 295

Приложения 312 

Введение к работе:

Особенностью развития современного сельскохозяйственного производства является повышение уровня его технической оснащенности. При этом повышение производительности труда предполагается обеспечить за счет его энерговооруженности и энергообеспеченности гектара пашни. За последние 10 лет в России энерговооруженность и энергообеспеченность существенно снизились практически по всем регионам. К примеру, в Республике Мордовия (РМ) энергообеспеченность в 2000 г. снизилась по отношению к 1993 г. в 1,6 раза и составила 1,32 кВт/га пашни, а энерговооруженность по отношению к этому периоду - в 1,4 раза и составила 29,41 кВт (40 л.с.) на 1 работника.

Учитывая актуальность проблемы, разработана Стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции на период до 2010 г., которая обсуждена на специальной научной сессии Россельхозакадемии в октябре 2003 г. [178, 255]. Стратегия предполагает существенную модернизацию и расширение парка машин. При этом парк тракторов в России к 2010 г. стабилизируется на уровне 0,95 - 1,1 млн. шт. (в 2002 г. было 745 тыс. шт. тракторов), а в РМ выйдет на уровень 8,9 -10,5 тыс. шт. (в 2002г. было 6993 шт. тракторов). Снижение количества машин в парке будет компенсироваться увеличением мощностей сельскохозяйственных агрегатов (СХА). При этом суммарная мощность тракторного парка России будет оцениваться примерно в 169,1 млн. кВт, а в РМ - 1441,2 тыс. кВт. Средняя мощность трактора в парке - 147 кВт, вместо 58,8 кВт в существующем парке машин (в 2002 г. в РМ средняя мощность трактора составила 80,5 кВт).

Парк зерноуборочных комбайнов предполагается стабилизировать на уровне 210 - 250 тыс. шт. (в 2002 г. было 58 тыс. комбайнов), в регионе 1800-2000 шт. (в 2002 г. было 513 комбайнов). На рынке комбайнов наибольшим спросом будут пользоваться комбайны с пропускной способностью 5-6 кг/с с двигателем мощностью порядка 132,4 кВт. Общая мощность зерноуборочных комбайнов составит около 44,1 млн. кВт. Общая мощность перспективного парка энергетических машин для сельского хозяйства оценивается в 220,6 млн. кВт. (без автомобильного парка и специальных машин), что энергетически обеспечивает каждый гектар пашни мощностью около 2.2. кВт.

Стратегия предполагает увеличение мощности парка тракторов и комбайнов в регионе с 869,9 тыс. кВт. до 1679,4 тыс. кВт, т.е. в 1.93 раза, в среднем по России увеличение предполагается еще больше и составит 3,83 раза. Это потребует дополнительного привлечения энергоносителей и в первую очередь дизельного топлива и природного газа. Вместе с тем, при существующем подходе к конструктивным решениям СХА, потери мощности при неустановившейся нагрузке, как бы уже заложены на уровне 20 % (по отношениям инерционных и активных сопротивлений). Кроме того, из-за несовершенства САР поддержания технологических параметров агрегата, вероятностные процессы изменения нагрузки практически на всех технологических операциях приводят к дополнительным динамическим потерям, которые также оцениваются на уровне 20 %. Таким образом, агрегаты обладают энергетическим потенциалом (ЭП), который связан с наличием в СХА реактивных, не согласованных между собой звеньев (элементов); несовершенных систем автоматического регулирования двигателей внутреннего сгорания; передачей мощности от двигателя к нагрузке по нескольким каналам; колебательным характером нагрузки и др.

Из сказанного следует, что в сельскохозяйственные агрегаты уже изначально заложено недоиспользование ЭП, которое зависит от единичной мощности энергетического средства и динамических свойств агрегата. С увеличением единичной мощности энергетического средства в перспективе с 80,5 кВт до 147 кВт. недоиспользование ЭП снижается за счет уменьшения соотношения инерционных и активных сопротивлений энергетической цепи и более плавной работы теплового двигателя.

Воспользовавшись приведенными выше соображениями с учетом исследований ВИМ и РАСХН показывающих, что около 70 % поставляемых сегодня на рынок мобильных сельхозмашин обеспечивают загрузку их ДВС в среднем лишь на 61 %, получим ЭП в среднем по России в размере 10930 МВт, а по РМ - 252 МВт. В процентном отношении ЭП СХА соответственно составит для России 24,75 и для РМ - 21,3 %.

Переход к выпуску тракторов с двухуровневой мощностью в ближайшей перспективе отразится на изменении ЭП СХА согласно [255]. Даже принимая загрузку агрегатов 100 %, при двухуровневой мощности ЭП СХА имеет тенденцию к увеличению до 27,8 % [178].

Следующим важнейшим направлением Концепции развития сельскохозяйственных энергетических средств является развитие системы передачи силовых потоков и новых компоновочных схем. Основным требованием здесь является исключение возможности взаимного влияния каналов передачи мощности, приводящим увеличению ЭП. Для реализации данного направления с уменьшением потерь мощности компоновочные схемы должны быть увязаны с новыми "мягкими" трансмиссиями. Увеличение единичной мощности энергетического средства и применение блочно-модульных схем ведет к увеличению коэффициента загрузки, а следовательно к снижению ЭП. Вместе с тем применение бесступенчатых многопоточных трансмиссий ведет к снижению реактивных потерь за счет их наилучшего согласования. Однако применение нескольких силовых потоков может привести к увеличению ЭП из-за взаимного влияния каналов передачи мощности.

Эти резервы могут быть реализованы за счет широкого и быстрого внедрения в производство наукоемких технологий, техники и передового опыта. Задача экономии энергоресурсов выдвигает на передний план задачу создания энергосберегающей техники. Решение этих задач во многом зависит от эффективности работы отраслевой сельскохозяйственной науки, центров во внедрению новой техники и технологий. В процессе создания новой техники значительный удельный вес приходится на экспериментальные исследования по энергетической оценке. Они требуют огромных затрат времени и средств. Сокращение объемов экспериментальных исследований, а значит и сроков разработки новой техники, снижения приведенных затрат можно достичь применением эффективных теоретических методов энергетического анализа, усовершенствованием методов проектирования. Это обусловлено, главным образом тем, что современный СХА представляет собой многопоточную энергетическую цепь, включающую звенья различной физической природы, связанных между собой обратными связями, оснащенными САР. В данной ситуации проблема видится в том, что в распоряжении специалистов нет универсальных инженерных методов расчета энергетических процессов, позволяющих на стадии проектирования СХА учитывать влияние динамических характеристик отдельных подсистем на его ЭП при колебательном характере нагрузки.

Таким образом на основе вышеизложенного можно выделить три аспекта, которые являются наиболее весомыми в технической политике современного отечественного машиностроения: повышение производительности СХА, и расширение их функциональных возможностей; экономия топливно-энергетических ресурсов; сокращение сроков разработки технических средств и снижение затрат на исследовательские работы.

В основе формирования темы диссертационной работы лежат следующие положения:

- наличие в СХА реактивных, не согласованных между собой, звеньев (элементов) приводит в динамике к фазовому сдвигу между силовой и кинематической составляющими мощности и, как следствие к снижению эффективной мощности до 20 %;

- оборудование СХА системами автоматического регулирования топливоподачи двигателей внутреннего сгорания на основе центробежных регуляторов, приводит к дополнительным потерям мощности на переходных процессах до 20 %;

- переход к передачи мощности от двигателя к нагрузке по нескольким каналам приведет к дополнительным потеря мощности до 8 %;

- в условиях неустановившейся внешней нагрузки СХА из-за колебаний силовой и кинематической составляющей мощности снижается эффективная мощность ДВС, а соответственно производительность и затраты топлива;

- в инженерной практике отсутствуют универсальные методы оценки ЭП СХА в стационарных и переходных режимах их работы;

в перспективе с развитием энергетических обследований сельскохозяйственных предприятий потребуется методическое, программное и приборное обеспечение.

тсюда вытекает цель исследования: обосновать пути повышения эффективности работы сельскохозяйственных агрегатов, связанных с оценкой и управлением их энергетическими процессами.

Сформулируем основные положения, которые лежат в основе теоретических разработок, направленных на решение поставленной цели. Основное влияние на уровень ЭП оказывает фазовый сдвиг между центрированными значениями силовой и кинематической составляющими мощности, величина ее постоянной составляющей и качество работы САР при колебательном характере нагрузки. Разработана методология анализа несогласованных по энергетическим потокам мощности динамических подсистем СХА. Приведено обоснование двух базовых критериев динамического и энергетического согласования звеньев энергетической цепи СХА. В качестве первого критерия динамического согласования предложено оценивать уровень обобщенного фазового сдвига между силовой и кинематической составляющими мощности таких звеньев. В качестве второго критерия - определять коэффициент энергетического согласования потоков мощности отдельных звеньев СХА. Установлены пределы недоиспользования ЭП, получены интегрально-вероятностные оценки обобщенного фазового сдвига для стационарных и переходных процессов, возникающих в СХА. Разработаны математические модели определяющих энергетических цепей подсистем СХА.

Диссертационная работа выполнена согласно программе развития АПК Республики Мордовия до 2010 года "Разработка методов и средств контроля энергопотребления сельскохозяйственных агрегатов" и плану научных исследований ГОУВПО "МГУ имени Н.П.Огарева".

Практическую ценность имеют следующие результаты работы: программный комплекс для автоматизации оценки и прогнозирования наиболее эффективного использования ЭП; новые устройства динамического согласования подсистем СХА (электромеханическая саморегулирующаяся трансмиссия, синхронный генератор с разгонной секцией для автономного источника электроснабжения, микропроцессорный регулятор частоты вращения вала двигателя, устройство для изменения степени сжатия в цилиндрах ДВС, измерители и гасители давления, крутящего момента узлов СХА), повышающие их энергетическую эффективность; рекомендации по повышению энергетической эффективности СХА.

Новизна и промышленная применимость таких устройств подтверждены патентами на изобретения.

Результаты исследований внедрены: в учебный процесс инженерных факультетов вузов Федерального агентства по сельскому хозяйству МСХ РФ, а также ГОУВПО "Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева" и используются при изучении дисциплин "Тракторы и автомобили", "Эксплуатация машинно-тракторного парка", "Автоматизация технологических процессов", "Сельскохозяйственные машины", "Тепловые двигатели и нагнетатели"; в ОАО ВИСХОМ (г. Москва), филиале НАТИ (Московская область, г. Чехов), Государственном унитарном предприятии РМ "Центр испытания и внедрения сельскохозяйственной техники и машинных технологий" (г. Саранск), ГНУ Мордовском НИИ сельского хозяйства, ОАО "САРЭКС", Республиканском центре энергосбережения, Министерстве сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия. На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

- методология оценки и управления энергетическими процессами, протекающими в подсистемах СХА;

- критерий энергетического согласования цепи передачи мощности в подсистемах СХА;

- математические модели энергетических цепей СХА;

алгоритмы и программное обеспечение для оценки и прогнозирования ЭП СХА;

новые технические средства повышения энергетической эффективности СХА.

Подобные работы
Кобко Антон Анатольевич
Разработка критериев и методики комплексной оценки эффективности и конкурентоспособности пахотного агрегата на основе системного анализа процессов его функционирования при испытаниях в условиях Северо-Западной зоны РФ
Крыжачковский Николай Людвигович
Повышение качества технологического процесса пахотного агрегата с регулятором глубины обработки почвы
Агеев Алексей Анатольевич
Совершенствование процесса загрузки зерноочистительных агрегатов
Зимагулов Анас Хафизович
Комплексное снижение динамических нагрузок в рабочих процессах машинно-тракторных агрегатов
Московский Максим Николаевич
Интенсификация процесса сепарации семян зерновых в зерноочистительных агрегатах
Астафьев Владимир Леонидович
Повышение эффективности механизированного процесса производства кукурузы на силос широкозахватными агрегатами
Валиев Айрат Расимович
Обоснование технологического процесса и основных параметров противоэрозионного почвообрабатывающего агрегата
Шемняков Денис Валерьевич
Разработка методов и средств изучения процесса формирования тягового сопротивления машинно-тракторных агрегатов на базе малогабаритных энергосредств с целью улучшения их эксплуатационных свойств
Бутовченко Андрей Владимирович
Интенсификация процесса сепарации зерновых материалов в отделении очистки семяочистительного агрегата
Вдовкин Сергей Владимирович
Совершенствование процесса формирования потока семян в высевающей системе комбинированного посевного агрегата

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net