Piston flowmeter application for control of operational parameters of machine and tractor unit

Abstract

The article presents the design of piston flowmeter and the results of its practical application for control of operational parameters of machine and tractor unit.

Full Text

Средства индивидуального контроля расхода топлива МТА претерпели существенную эволюцию, стали более компактными и надежными. Появились промышленные образцы как отечественного, так и зарубежного производства. Развитие и миниатюризация вычислительной техники позволили решать задачи учета расхода топлива при помощи не только аппаратных, но и программных средств, а также их комбинации. При этом возникает вопрос о достоверности расчетных параметров. Для получения исходных данных и корректировки расчетных параметров используют различные расходомеры (топлива, воздуха) и датчики (давления, оборотов, уровня) [1, 2]. Первоочередная задача, которую успешно решают современные средства контроля расхода топлива МТА, это оперативный контроль. Он позволяет оптимизировать логистику при управлении МТА и организовать учет фактически израсходованного топлива. Второстепенным считается контроль технического состояния МТА, поскольку средства контроля расхода топлива дают об этом опосредованное представление. При составлении расчетной программы и испытаниях в лабораторных условиях невозможно учесть все варианты и возможности, поэтому рассчитываются и учитываются основные по мнению разработчиков варианты [3]. Для получения достоверной информации о расходе топлива МТА необходим расходомер с высокими метрологическими характеристиками, конструкция которого учитывала бы специфические особенности движения топлива в системе питания дизельного двигателя. Исследования опытного образца расходомера поршневого типа со свободно движущимся поршнем позволили изучить и систематизировать погрешности измерения, дополнить теорию поршневого расходомера с учетом динамических явлений, вызываемых пульсациями топлива в системе питания дизельных двигателей [4]. По результатам теоретических и практических исследований предложено новое техническое решение, схема которого представлена на рис. 1 [пат. РФ на изобр. № 2511638]. Расходомер состоит из прямоугольного корпуса 1 и четырех электромагнитных клапанов 2-5. В корпусе расположены подводящая 6 и отводящая 7 магистрали. В центральной части корпуса запрессована металлическая гильза 8, по которой перемещается поршень 9, разделяя гильзу по длине на две измерительные камеры А и В. С двух сторон гильза закрыта крышками 12, 13 с емкостными датчиками положения поршня 10, 11. Поршень в данном расходомере служит меткой для электронного блока контроля и управления. Он свободно перемещается с потоком топлива по измерительному цилиндру под действием потока жидкости, так как отсутствуют уплотнения между измерительным цилиндром и поршнем, а сила тяжести уравновешена архимедовой силой. Каждый емкостный датчик положения поршня состоит из двух металлических колец, которые представляют собой одну обкладку конденсатора. Второй обкладкой служит торцевая часть поршня. При приближении поршня к емкостному датчику наблюдается скачкообразное увеличение емкости, что воспринимается электронной системой управления клапанами. Производственные испытания поршневого расходомера как средства индивидуального контроля МТА, проведенные в период с 2006 по 2008 г. в хозяйствах Вологодской обл., дали положительные результаты. Например, в «Племзавод-колхозе имени 50-летия СССР» применение МТА, оснащенных поршневыми расходомерами, на транспортных работах позволило сэкономить до 5% дизельного топлива, а на вспашке экономия достигала 21%. В с.-х. производственном кооперативе «Русь» экономия составила 8 и 17% соответственно. Экономия топлива рассчитывалась из фактических показаний поршневых расходомеров и принятых в хозяйствах нормативов расхода топлива на отдельные виды работ, выполняемых МТА. По результатам производственных испытаний возник вопрос о достоверности учета расхода топлива поршневым расходомером и его негативном влиянии на штатное функционирование топливной системы тракторного двигателя, поскольку при выполнении однотипной работы разными трактористами наблюдались различные расходы топлива, учтенные расходомерами. Кроме того, при переустановке поршневого расходомера с одного трактора на другой при выполнении однотипной работы также наблюдались расхождения. Максимальная разница в показаниях расходомера составляла 18%. Также от трактористов неоднократно поступали жалобы на то, что после установки расходомера на трактор производительность МТА снижалась. В связи с этим проведены дополнительные исследования эксплуатационных характеристик тракторов с применением средств инструментального контроля. Серия опытов поставлена на трех тракторах МТЗ-82 на учебном машинном дворе инженерного факультета Вологодской государственной молочнохозяйственной академии (ВГМХА). Трактор устанавливался на барабанный испытательный стенд (рис 2), приводной электродвигатель которого работал в режиме автономного генератора на резистивную нагрузку. В коробке передач трактора включалась 9-я передача, и задавалась частота вращения коленчатого вала двигателя nе = 1000 или 1500 мин-1. Контроль частоты вращения осуществлялся оптическим тахометром ДО-03-02. Для исследования устанавливалась расчетная электрическая мощность Р, которая теоретически должна быть получена при nе = 1000 и 1500 мин-1. Электрическая мощность нагрузки задавалась изменением сопротивления резистивной нагрузки (ступенчато, грубо) и изменением тока возбуждения (плавно). При этом фиксировались фактическая электрическая мощность, отдаваемая в нагрузку, и фактический расход топлива Gт . На рис. 3 показан поршневой расходомер, установленный на трактор. Полученные результаты в сравнении с расчетными представлены в таблице. Фактический расход топлива Gт , кг/ч, в сравнении с расчетным Частота вращения коленчатого вала двигателя nе , мин-1 Расчетная электрическая мощность Р, кВт Теоретический расход топлива Gт расч , кг/ч Фактический расход топлива Gт , кг/ч Трактор №1 Трактор №2 Трактор №3 1000 26,143 6,22 7 6,4 7,3 1500 42,54 10,124 11 10,5 11,8 Расчетная электрическая мощность для фиксированной частоты вращения коленчатого вала двигателя получена с учетом КПД электрической машины и КПД трансмиссии трактора без учета коэффициента буксования ведущих колес трактора относительно приводных барабанов стенда. Для испытания всех тракторов использовался один комплект ведущих колес, что позволило исключить влияние износа протектора на коэффициент сцепления и передаваемую мощность. Расчетные показатели расхода топлива на фиксированных режимах работы дизельных двигателей тракторов оказались меньше практических. Это обусловлено как общим техническим состоянием трактора (зазорами в цилиндро-поршневой группе, подшипниках, степенью износа топливной аппаратуры и т.д.), так и его индивидуальными настройками (зазорами в клапанах, углом опережения впрыскивания топлива, объемной подачей топлива, настройкой корректора его подачи и т.д.). Кроме того, в опытах присутствовал фактор коэффициента буксования ведущих колес трактора относительно приводных барабанов стенда под нагрузкой. Повторная серия испытаний проведена для выявления влияния человеческого фактора на фактический расход топлива трактором, работающим в составе МТА. С этой целью взят трактор №2, прошедший испытания на барабанном стенде и показавший наименьший расход топлива. Трактор выполнял работы по транспортировке органики на учебно-опытное поле инженерного факультета ВГМХА (рис. 4). Среднеарифметическая разница в расходе топлива у двух трактористов, работавших на данном тракторе, составила 20,7%. Выводы 1. Для получения достоверных результатов исследования эксплуатационных параметров МТА предпочтительнее использовать средства непосредственного измерения расхода топлива (расходомеры), а не средства косвенного контроля, такие как учет расхода топлива согласно принятым нормативам и показания тахоспидометра (работомера). 2. Расход топлива - объективный параметр для диагностики и оценки эксплуатационных характеристик МТА, так как совокупное техническое состояние систем и механизмов каждого трактора индивидуально. Вследствие этого расход топлива различными тракторами при выполнении однотипных работ в составе МТА также будет отличаться, что подтверждается производственными испытаниями и исследованиями на барабанном стенде. 3. Для эффективного использования расхода топлива при диагностике и оценке эксплуатационных характеристик МТА необходимо проводить паспортизацию МТА с применением средств инструментального контроля. 4. Практический расход топлива трактором, работающим в составе МТА, зависит не только от его технического состояния и правильности выполненных регулировок, но и от квалификации тракториста.