Том 15, № 4 (2021)
Оригинальные исследования
Обоснование методов определения эффективности применения альтернативных топлив в автотракторных дизелях
Аннотация
Предметом исследования является определение параметров рабочего цикла тракторного дизеля при его работе на смесевом топливе, состоящем из дизельного топлива и рапсового масла. Основная цель настоящей работы состоит в определении эффективности применения альтернативных топлив в автотракторных дизелях. Для определения зависимостей параметров рабочего цикла проведены теоретические и экспериментальные исследования тракторного дизеля на следующих составах смесевого топлива с содержанием рапсового масла 20%, 55% и 80%, а также чистом дизельном топливе. В результате проведенных исследований получены: номограмма для определения величины снижения отношения индикаторного КПД к коэффициенту избытка воздуха, зависимости отношения индикаторного КПД к коэффициенту избытка воздуха от коэффициента избытка воздуха на разных составах смесевого топлива, частотах вращения коленчатого вала дизеля, нагрузки при 1800 мин-1 и 1400 мин-1. Экспериментально установлено, что увеличение доли рапсового масла в смесевом топливе с 0 до 80%, частоты вращения с 1400 до 2000 мин-1 и коэффициента избытка воздуха с 1,18…1,22 до 4,32…5,61 приводило к снижению индикаторного КПД с 0,46 до 0,35, а отношение снижалось с 0,30 до 0,08, увеличение нагрузки от 0,2 до 1,2 МПа при 1800 мин-1 и 1400 мин-1, а коэффициента избытка воздуха от 1,17…1,68 до 3,53…3,60 приводило к снижению индикаторного КПД с 0,44…0,40 до 0,28…0,22, а отношение с 0,34…0,25 до 0,10…0.09, соответственно. Теоретически рассчитано снижение отношения на 4,5% при работе дизеля на смесевом топливе, с содержанием 80% рапсового масла по сравнению с чистым дизельным топливом и экспериментально подтверждено это снижение на 4,1%. Сходимость расчетного значения величины снижения отношения с экспериментальными данными составила 91,11%. В связи с этим, известное утверждение о равенстве ввода теплоты с топливом требует уточнения.
2-8
Исследование существующих конструкций насосов перистальтического принципа действия
Аннотация
Перистальтические насосы получили широкое распространение в самых разнообразных областях благодаря их герметичности, простоте обслуживания и точности подачи. Тем не менее, применение перистальтических насосов ограничено их недостатками: малым сроком службы рабочего органа и неравномерностью подачи. В настоящей работе проведен обзор существующих конструктивных решений насосов. Рассмотрены основные преимущества и недостатки наиболее распространенных современных конструкций перистальтических насосов. Приведены разработанные конструктивные решения, предназначенные для продления срока службы упругого рабочего органа насоса. К таким решениям относится конструкция со спиральным расположением шланга, где повышение срока службы шланга достигается благодаря уменьшению количества его циклических сжатий за счет использования всего одного ролика. Другим решением является эксплуатация насоса с неполным сжатием рабочего органа, что уменьшает величины напряжений и тем самым продлевает срок службы рабочего органа. Для компенсации уменьшения подачи, вызванного эксплуатацией насоса с неполным сжатием рабочего органа, разработаны особые формы выступов в области сжатия. В работе представлен обзор решений, позволяющих снизить неравномерность подачи перистальтического насоса. Простейшим из них является применение нескольких параллельных каналов. В других разработках устранение пульсаций подачи достигается при помощи пневматического демпфера. Существует также конструктивное решение, в котором для равномерной подачи применяется специальный алгоритм срабатывания пяти выжимных элементов, каждый из которых сжимает только свой участок рабочего органа насоса. На основе проведенного анализа показано, что для устранения недостатков перистальтических насосов используют различные методы, которые, тем не менее, нуждаются в дальнейшем совершенствовании.
9-17
Автоматизация проектирования рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины
Аннотация
В статье приведено описание подходов к проектированию лопастной системы радиально-осевых гидротурбин на основе разработанной в СПбПУ автоматизированной системы проектирования на языке программирования Python. В указанную систему на настоящий момент включены следующие модули: выбор основных параметров гидротурбины, построение меридиональной проекции рабочего колеса, расчет потенциального потока и построение лопастной системы радиально-осевой гидротурбины. Выбор основных параметров гидротурбины основан на общепринятой в гидротурбостроении методике, которая оцифрована и внедрена в программный комплекс. В работе рассмотрены и проанализированы разные подходы к проектированию меридиональных обводов проточной части в области рабочего колеса радиально осевой гидротурбины, приведено сравнение результатов их построения по различным методикам. По результатам анализа выбрана методика, наиболее подходящая к алгоритмизации в программном комплексе. Построение линий тока и расчет скоростей вдоль них представлено на основе расчета потенциального потока в меридиональном сечении. Проектирование лопастной системы гидротурбины выполнено по методу решения прямой осесимметричной задачи теории гидромашин. В качестве примера спроектирована лопастная система радиально-осевой гидротурбины на напор до 75 метров, начальные параметры которой соответствуют гидротурбинам–аналогам схожей быстроходности. Спроектированная гидротурбина была рассчитана в Ansys, а результаты подтвердили ее отличные энергетические качества. Планируется дальнейшее развитие программного комплекса в части автоматического построения 3-х мерных твердотельных моделей проточной части, которая в дальнейшем может быть рассчитана методами вычислительной гидродинамики и оптимизирована для получения гидротурбин с параметрами, соответствующими современному уровню.
18-26
Стартер-генераторные установки современных автомобилей
Аннотация
В данной статье описывается назначение и области применения стартер-генераторной установки. Рассмотрены режимы работы стартер-генераторной установки как в качестве электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения, осуществляющего вращение вала двигателя внутреннего сгорания, так и в качестве генератора, когда электрическая машина работает как источник постоянного тока независимого возбуждения, обеспечивающего питание электрических цепей управления, электродвигателей вспомогательного электрооборудования, освещения и заряда аккумуляторной батареи. Исследованы дополнительные функции стартер-генераторной установки в виде системы «старт-стоп», рекуперативного торможения, бустерного разгона автомобиля, гашения крутильных моментов вала двигателя внутреннего сгорания и управления потоками энергии в бортовой сети.
Проведен выбор и обоснование оптимальной схемы, а также конструкции стартер-генераторного устройства. Определены основные технико-экономические параметры стартер-генераторной установки. Была продемонстрирована конструкция стартер-генераторной установки, представляющая собой обратимую электрическую машину. Разработана блок-схема стартер-генераторной установки.
Рассмотрены электрические машины, применяемые для стартер-генераторных установок. Описаны конструкции асинхронной машины с короткозамкнутым ротором, синхронной машины с электромагнитным возбуждением, вентильной машины с постоянными магнитами, бесконтактной машины, синхронной машины с постоянными магнитами, вентильной индукторной машиной с самовозбуждением. Проведен обзор и анализ электрических машин, применяемых в стартер-генераторных установках ведущих зарубежных фирм.
Рассмотрена конструкция обратимой индукционно-динамической машины, в которой ротор вращается снаружи, а не внутри двигателя и представляет собой короткозамкнутую обмотку с литой алюминиевой клеткой. Проведен расчет основных параметров обратимой индукционно-динамической машины как в стартерном, так и в генераторном режимах. Расчет проведен по методике аналогичной, как и у асинхронного двигателя.
27-32
Разработка комплекса математических моделей подвески легкового автомобиля для анализа усталостной долговечности
Аннотация
Сокращение длительности разработки новых автомобилей и связанное с этим стремление снижения издержек автопроизводителей способствуют более активному применению математического моделирования для решения инженерных задач. Такие задачи, как анализ и прогнозирование усталостной долговечности узлов и агрегатов автомобиля, могут быть решены с использованием комплекса методов и инструментов математического моделирования.
В данной статье рассматривается разработка комплекса математических моделей передней и задней подвесок легкового автомобиля, обладающих свойствами, необходимыми для точного воспроизведения колесных нагрузок и динамического поведения подвески как механической системы. Комплекс математических моделей реализован в среде многозвенного моделирования. Модели разработаны для проведения последующего валидационного исследования нагруженности отдельных компонентов подвески в ходе форсированных ресурсных испытаний. В дальнейшем данный комплекс математических моделей может быть использован для имитационного моделирования полунатурных форсированных ресурсных испытаний модуля подвески, а также в качестве образца для разработки моделей подвесок других автомобилей.
Целью данной работы является формирование требований к математическим моделям, достаточных для реализации исследований усталостной долговечности методами математического моделирования и получения достоверных результатов расчетов. Инженеры-исследователи смогут руководствоваться данными требованиями для определения и сбора исходных данных для разработки собственных математических моделей.
33-42
Численное моделирование кавитации в проточной части обратимой гидромашины на напор до 250м
Аннотация
В областях, где расположены в основном расположены тепловые и атомные электростанции, проблема нехватки маневренных мощностей, покрытия пиковых нагрузок и прохождения периодов сниженного энергопотребления решается за счет строительства крупных гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Для создания высокоэффективных проточных частей насос-турбин одной из современных тенденций является использование численного моделирования трехмерного течения жидкости. В настоящее время существует множество программных продуктов, в которых реализовано численное моделирование методом конечных объемов. Самые известные среди них Fluent, CFX, StarCD, Numeca, Flow Vision и CADRUN. Верификация расчетной модели остается актуальной задачей. Важно подобрать методику, которая позволит получить приемлемый результат при оптимальных временных затратах на подготовку данных и проведение расчетных исследований.
В статье исследуется проточная часть радиально-осевой насос-турбины, предназначенная для применения на максимальный напор до 250м. Выполнено численное моделирование процесса кавитации, возникающего в турбинном режиме при существенном удалении от оптимума характеристики. Расчеты выполнены с использованием программного комплекса Ansys CFX версии 2021R1. Дано краткое описание постановки задачи, используемых расчетных сеток и принятых допущений. Представлено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными. Выполнено качественное сравнение областей возникновения кавитации полученного при численном моделировании с данными контроля состояния основного металла и сварных соединений рабочего колеса гидроагрегата методом цветной дефектоскопии.
Целью работы было представить экономичную методику численного моделирования кавитации для определения мест возможного возникновения кавитационного износа. Методика заключается в описании постановки задачи, используемых расчетных сеток и принятых допущений для оптимально использования вычислительных ресурсов без существенной потери точности результатов.
43-48
Результаты проведения экспериментальных исследований сельскохозяйственного трактора с упруго-демпфирующим механизмом в силовой передаче
Аннотация
Повышение эксплуатационной эффективности сельскохозяйственных тракторов является одним из основных факторов, который способствует увеличению производительности при существенном уменьшении энергозатрат. Важное значение имеют разработки, которые связаны с совершенствованием конструкции силовых передач колесных сельскохозяйственных тракторов, для которых непременным условием является повышение производительности труда в сельскохозяйственном производстве. Достижение требуемых характеристик сельскохозяйственных тракторов определяется свойствами силовой передачи и взаимодействием связанных с ней систем. Одним из главных качеств силовой передачи должна быть способность поглощать крутильные колебания и демпфировать нагрузку.
В статье представлены исследования конструктивного улучшения силовой передачи сельскохозяйственного трактора путем установки в нее разработанного упруго-демпфирующего механизма на примере трактора малого класса тяги. С учетом актуальности обсуждаемой темы в статье решена задача определения влияния упруго-демпфирующего механизма, установленного в силовую передачу трактора, на его работу с культиватором.
В работе был проведен анализ взаимной корреляционной функции и анализ взаимной спектральной плотности двух процессов: угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя и угловая скорость вращения ведущего колеса, который показал изменение скорости распространения проходящих частот колебаний нагрузки по валопроводу и смещение частоты возмущающих воздействий.
49-59
Аналитическое определение статических и динамических упругих характеристик пневмогидравлических систем подрессоривания
Аннотация
При разработке новых подвесок гусеничных и колесных машин, а также при так называемом реверс-инжиниринге уже существующих конструкций (в том числе, в образовательном процессе подготовки профильных кадров) необходимо решить задачу по нахождению упругой характеристики подвески. В первом случае необходимо обеспечить выполнение заданных тактико-технических требований, во втором – восстановить вид характеристики по известной конструкции. Обе эти задачи сильно затрудняются при отсутствии точных и универсальных аналитических зависимостей, пригодных для определения характеристик упругих элементов подвески различных конструктивных реализаций. Опыт взаимодействия с некоторыми заводами показывает, что конструкторы, не имея возможности качественно рассчитать упругие характеристики, пользуются методом подбора и аналогий, когда для новой машины используют подвеску как на старой, масштабируя ее по размерам, чтобы приблизительно сохранить значения рабочих давлений. Для этого проводят многочисленные стендовые испытания, по результатам которых выбирают требуемые зарядные объем и давление. Особую сложность вызывают подвески с противодавлением, так как не только итоговая характеристика, но и работоспособность всего узла зависит от комбинации объемов и давлений двух камер, которые работают в противофазе: когда одна нагружается, другая разгружается, и наоборот. Использование аналитических зависимостей позволит сократить время, затрачиваемое на проектирование; параметризировать в определенной мере кинематику подвески, получить значения эквивалентной жесткости подвески, а также иметь возможность разработки характеристик модельного ряда пневмогидравлических рессор для машин различной весовой категории.
В настоящей статье представлена методика аналитического определения характеристик пневмогидравлических рессор различных конструкций. Среди вариантов исполнения как реально испольуемые в современной и исторической технике (в частности, на БМД-1, 2, 3, 4; ГМ-352; Урал «Тайфун»; Объект 775 и др.), так и полученные путем комбинации различных конструктивных элементов, реализация которых может быть полезной в образовательном процессе при подготовке профильных кадров. Представленные в статье зависимости позволяют получить статические и динамические упругие характеристики при различных показателях политропы и пригодны при проектировании подвесок колесных и гусеничных машин разного назначения.
60-72
Исследование работы дифференциала с внутренним трением в системе расчета динамики твердых тел
Аннотация
Работа посвящена моделированию и анализу работы автомобильного дифференциала повешенного трения в системе расчета динамики связанных тел. Модель разработана в приложении по расчету динамики твердых и деформируемых тел — RecurDyn от компании FunctionBay.
Целью работы является разработка математической модели дифференциала с фрикционными шайбами и подтверждение адекватности ее работы. Разработанная математическая модель дифференциала проверена на возможность ее последующего использования при моделировании трансмиссии автомобиля в системе расчета динамики связанных тел. В работе создана и подробно описана математическая модель дифференциала, с помощью которой проведен анализ кинематики и динамики. Показаны способы моделирования простого симметричного дифференциала и самоблокируемого с использованием одной разработанной математической модели. Приведены известные аналитические зависимости, описывающие кинематические и силовые законы соотношения угловых скоростей и крутящих моментов между выходными звеньями и корпусом дифференциала. Выбран и описан способ расчета и моделирования момента трения в дифференциале. Представлено используемое авторами в работе уравнение, описывающее момент трения в дифференциале.
Разработан и описан виртуальный стенд, с помощью которого осуществлялось моделирование работы дифференциала. Выбраны нагрузочные режимы, эквивалентные различным условиям движения реального автомобиля, приведены их количественные параметры. В работе выбраны критерии оценки работоспособности математической модели дифференциала. Приведены результаты моделирования для всех нагрузочных режимов, по ним доказана адекватность разработанной математической модели дифференциала с фрикционными шайбами. Выполнены предложения о дальнейшем использовании разработанной модели дифференциала.
73-82
Энергосберегающие технологии и энергоэффективность автотранспортных энергоустановок
Аннотация
Рассмотрены перспективные альтернативные углеводородам источники энергии, используемые в настоящее время в мире. Анализируются энергосберегающие технологии использования углеводородного топлива на автотранспорте.
Отмечается необходимость развивать применение электропривода на автомобилях, а также планомерно накапливать и анализировать существующий опыт эксплуатации автомобилей с электроприводом за рубежом и в Российской Федерации. Мониторинг разрабатываемых за рубежом технологий и проблем, возникающих при эксплуатации автомобилей с электроприводом, позволит определить приоритетные пути их развития и сконцентрировать усилия исследователей в направлении, обеспечивающем максимальную эффективность их применения.
Одним из привлекательных и экономически выгодных в настоящее время для отечественной практики путей развития автомобильного транспорта является применение автомобилей с гибридными силовыми установками. Показано, что производство гибридных автомобилей и электромобилей за рубежом успешно развивается и является в настоящее время одним из самых динамичных в мире.
Приведены показатели эффективности расхода электроэнергии автомобилей с электроприводом различных автомобилестроительных фирм. Выполнен сравнительный анализ технологий применения автомобилей с электроприводом для улучшения экологической ситуации в мегаполисах и рассмотрены проблемы повышения эффективности автомобильных энергоустановок.
Показано, что климатические условия Российской Федерации с длительными периодами низких температур атмосферного воздуха сильно влияют на потери энергии, связанные с обогревом салона, и в значительной степени – на энергоэффективность силовой установки электромобилей.
Для оценки эффективности использования автомобилей с электроприводом предложено использовать универсальный показатель эффективности расхода энергии. Сравнительную оценку энергетических затрат различных автомобилей предложено проводить по энергетическому параметру qEL.
Приведенные расчетные данные показывают, что использование автомобилей с электроприводом и, в частности, подзаряжаемых гибридов более выгодно по сравнению с использованием автомобилей, оборудованных исключительно ДВС.
83-91