Повышение экономичности машин в процессе проектирования

Основные свойства машины закладываются в процессе проектирования, причем, расчеты по критериям прочности и долговечности, как правило, не влияют на динамические качества машины и расход энергии в эксплуатации. На экономические характеристики МА оказывает влияние ряд факторов, таких как КПД рабочей машины, двигателя и передаточного механизма. Первым условием возможности повышения экономичности машин в процессе проектирования является выбор экономичных двигателя и рабочей машины. Но это условие является необходимым, но недостаточным, выполнение его обеспечивает только потенциальную возможность повышения экономичности МА. Для практической реализации этой возможности необходимо произвести совмещение экономичных режимов двигателя и рабочей машины согласованием их характеристик путем выбора оптимальных параметров передаточного механизма.

При проектировании, как правило, принимается допущение о том, что внешние условия работы одинаковы для всех вариантов проектируемых машин. Это снимает ряд непреодолимых проблем и позволяет сосредоточить усилия проектировщика на решении внутреннего вопроса структурного и параметрического синтеза МА, состоящего из двигателя, передаточного механизма и рабочей машины, объединенных системой управления, как было показано на рис. 8.1.

Параметрический синтез позволяет осуществить оптимальный выбор и согласование параметров двигателя и рабочей машины между собой на основании предварительной информации об их характеристиках. Обычно эти характеристики связывают с мощностью машины, развиваемой на различных режимах работы, или с нагрузкой. В связи с этим выбирают номинальный режим работы двигателя МА с соответствующими номинальными, близкими к максимальным, значениями внутренних параметров, таких как давление, температура, скорость вращения и т. п. Таким образом, на номинальном режиме работы КПД и мощность машин оказываются близкими к максимальным значениям. Поскольку абсолютный расход энергии на холостом ходу сокращается по сравнению с номинальным режимом, то значения давлений, температур и скоростей снижается.

Режим холостого хода машины характеризуется отсутствием полезной мощности двигателя, расход энергии в котором идет на трение, поддержание теплового состояния и скорости вращения. Поэтому КПД машины на холостом ходу равен нулю. Чем ближе к нулевому значению коэффициент загрузки k_p двигателя, равный отношению эксплуатационной мощности к номинальной, тем более резко возрастает удельный расход энергии или топлива на единицу произведенной работы любым двигателем.

При проектировании часто вводят в рассмотрение не режим работы, а идеализированный цикл работы машины. Например, в Евросоюзе для оценки экологической опасности ДВС, связанной с наличием токсичных веществ в отходящих газах, вводят в рассмотрение ездовой цикл ДВС, характеризующийся последовательностью работы на режимах разной мощности и скорости вращения.

Повышение экономичности машин в эксплуатации закладываются уже на стадии проектирования. Но при проектировании эти принципы не так очевидны и совсем не просты в техническом исполнении. Несмотря на различие проектируемых машин, эти принципы носят универсальный характер:

• 1. Если машина работает в неустановившемся режиме с частым чередованием разгона и торможения, то увеличение подвижных масс машины приведет к возрастанию потерь накопленной кинетической энергии и затраченной на нее работы двигателя и, тем самым, к снижению общей экономичности цикла;
• 2. Машины с двигателями нескольких типов, так называемые «гибридные» машины, оснащенные ДВС, электродвигателями и устройствами аккумулирования энергии, свободны от этих недостатков повышения расхода энергии на неустановившихся режимах работы. Пиковые потребности в развиваемой мощности могут покрываться за счет аккумулированной энергии, а ДВС может не следовать за переходными режимами в других агрегатах и работать в экономичном установившемся режиме.
• 3. Особое внимание следует уделять выбору номинальной мощности двигателя, экономичность которого может непропорционально снижаться при снижении потребляемой в условиях эксплуатации мощности. Например, установка в машине ДВС с излишней по сравнению с оптимальной мощностью приведет к перерасходу топлива в эксплуатации даже на установившихся режимах работы. Таким образом, задача обеспечения экономичности машины на стадии проектирования заключается в оптимальном выборе мощности двигателя, оптимальном выборе передаточного механизма между двигателем и рабочим органом машины.
• 4. Добиться снижения установленной номинальной мощности двигателя и снижения расхода энергии можно, применяя накопительные устройства для компенсации пиковых нагрузок. В некоторых случаях можно добиться снижения номинальной мощности двигателя и расхода энергии более эффективным способом, применяя разгружающие устройства для уменьшения пиковых нагрузок.
• 5. Значительные резервы повышения экономичности машин при эксплуатации могут быть реализованы при параллельной работе машин и отключении части их по мере снижения нагрузки.
• 6. При работе на переходных режимах снижение затраченной в период разгона работы двигателя и потерянной при торможении кинетической энергии путем изменения момента времени переключения с разгона на торможение является универсальным приемом повышения КПД машины.
• 7. В условиях эксплуатации происходят случайные изменения нагрузки машины, например, крутящего момента двигателя, что, как правило, выводит машину из зоны экономичной работы. В этом случае для снижения расхода энергии имеет смысл повышать значение фактора устойчивости режима работы машины.
• 8. Опыт показывает, что управление с помощью ЭВМ позволяет повысить экономичность машин.