Повышение экономичности на неустановившемся режиме

Цикловой КПД машины при переменной нагрузке

Факт снижения экономичности машины, работающей в установившемся режиме, при увеличении номинальной мощности двигателя достаточно очевидно прослеживается по экономической характеристике. Следует выяснить, сохраняется ли эта закономерность и на неустановившихся режимах работы, например в цикле разгон-торможение. При детерминированной нагрузке, т. е. при известной при проектировании машины нагрузке в процессе эксплуатации, можно произвести оптимальных выбор параметров двигателей, передаточного механизма и рабочей машины по критерию экономичности расхода энергии в наиболее динамичном идеализированном цикле разгон-торможение.

Приходя к идеализированному циклу разгон-торможение, мы тем самым исключили из рассмотрения промежуточный установившийся режим. Взамен мы получили «квазистационарный» режим, состоящий из циклов разгона и торможения, отличающихся от установившегося режима нулевыми начальными и конечными условиями. Полученный таким образом идеализированный цикл разгон-торможение может быть непериодичным, но, так как изменение кинетической энергии за цикл равно нулю, он обладает некоторыми свойствами установившегося режима. Поэтому к нему возможно применить оценку циклового КПД г|_цикл. При выборе одинаковых максимальных механических нагрузок с другими режимами работы этот цикл обладает экстремальными динамическими качествами, соответствующими минимальному времени и пути. Однако экономичность такого цикла без рекуперации энергии будет уступать циклам другой длительности. Целью энергетического расчета являются анализ изменения энергий в цикле движения машины разгон-торможение, разработка энергетической модели рекуперации энергии и соответственно этому методов снижения расхода энергии путем оптимального выбора мощности двигателей: электрического и ДВС. В дальнейшем исследовании будем проводить оценку экономичности неустановившегося цикла по сравнению с установившимся режимом работы. Неустановившийся цикл начинается разгоном с накоплением кинетической энергии машины за счет избыточной работы двигателя по сравнению с потребностями установившегося режима. На установившемся режиме затраты на накопление кинетической энергии за цикл отсутствуют, а эффективность работы оценивается работой полезного сопротивления на соответствующем пути. Используя для определения КПД цикла разгон-торможение допущение квазистационарности, будем считать, что на неустановившемся режиме полезно затраченная работа в цикле приближенно может быть оценена по параметрам установившегося движения на одинаковом пройденном пути.

Для получения общего выражения КПД цикла разгон-торможение г_ткл произведем декомпозицию идеализированного цикла разгон-торможение. Для этого выделим из суммарного приведенного момента М₁ отдельные составляющие моментов двигателя М_лв, торможения М_торм и полезного сопротивления М_пояезн, которые на отдельных участках имеют постоянные значения и мгновенно меняются в момент переключения с разгона на торможение как показано на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Структура цикла «разгон-торможение».

Как мы уже отметили ранее, экономичность расхода энергии в цикле разгон-торможение оценивается с помощью Г|_цикл, представляющего отношения полезной работы за цикл к затраченной двигателем работе в процессе разгона. Соответствующие работы двигателя А^р™^г и полезного сопротивления Л_полезн определяются интегрированием приведенных моментов в пределах углового пути разгона ф_рал|. для двигателя и для момента сопротивления — за полный цикловой угол ф_1и1КЛ = ср_|)азг + ф. При допущении постоянства моментов при разгоне и торможении (см. рис. 7.1) выражения работ имеют вид.

где (Л_П0Л)_Ш1КЛ, Л'™^г — полезная и затраченная двигателем работы в цикле, или

поэтому КПД цикла разгон-торможение, учитывающего общие потери на трение и при торможении, равно При проведении анализа экономических свойств цикла разгон-торможение следует отдавать отчет тому, что из момента сопротивления мы не выделили механические потери на трение, оцениваемые обычным механическим КПД (см. табл. 5.1). Выделяя в моменте сопротивления полезную и вредную составляющие.

получим общий КПД на неустановившемся цикле движения разгона и торможения, который будет равен произведению механического КПД, учитывающего как обычно потери на трения в установившемся режиме работы, на КПД цикла разгон-торможение, учитывающего дополнительные потери кинетической энергии при торможении.

В частном случае режима выбега машины момент торможения М_торм = 0 и вызванные им кинетические потери отсутствуют и г|_Щ1КЛ = 1, так как снижение кинетической энергии идет на компенсацию работы сил сопротивления, поэтому общий КПД достигает своего максимального значения Поскольку окончательные выводы трудно сделать без оценки влияния на динамические и экономические качества машины мощности двигателя, времени действия нагрузки и других параметров, то для более наглядного раскрытия вопроса обратимся к примеру в гл. 4 (см. рис. 4.7) механизма подъема люка. Напомним, что рабочей нагрузкой (силой сопротивления при подъеме) является сила тяжести люка 1, масса которого т_{ сосредоточена в точке В.

При подъеме люка движущими являются силы давления на поршень 2 в правой полости цилиндра 3. Торможение люка происходит, начиная с угла переключения ф_перскл, путем подачи противодавления в левую полость цилиндра. Рассмотрение этого примера интересно тем, что при проектировании подобных механизмов могут быть заранее известны нагрузки, и можно более обоснованно выбрать мощность двигателя машины и другие ее параметры сразу, но двум критериям — быстродействия и экономичности. Исследование динамических качеств гидравлического механизма было проведено в гл. 4 (см. рис. 4.7), в настоящей главе обратим внимание на оценку его экономичности качеств. Зависимость приведенного момента сил тяжести люка была рассмотрена ранее при исследовании дииамиче;

со, 2

где о = п/2 + (р_л — угол давления.

Как уже отмечалось, на участке подъема люка <�р_л = 0 -г- <�р сила тяжести G, является силой полезного сопротивления, а на участке опускания <�р_л = ф чф_цнкл — силой движущей. При выборе мощности двигателя гидропривода следует ориентироваться на давление р, развиваемое насосом, и диаметр поршня d, определяющего расход рабочей жидкости. В простейшем случае закон изменения давления в гидроцилиндре является ступенчатым с постоянным давлением на отдельных участках:

Р = р_тах ^на участке разгона ф_л < ф_пер;

Р = Pro** период торможения ф_пер < ф, < ф_цикл.

Задачей динамического синтеза является определение необходимых значений диаметра поршня d по заданному рабочему давлению р = р_тах на участке разгона и поиск необходимого давления р в цилиндре при торможении р =р_торм из условия равенства работ на участке разгона и торможения.

Приведенный момент сил давления на участке разгона (ем. рис. 4.7)

где V_(/U = V_q23 = dS_n/clip_} — аналог скорости поршня 2 относительно цилиндра 3.

В момент трогания необходимо обеспечить условие.

Заменим неравенство на равенство при условии.

и, задаваясь коэффициентом запаса пускового момента k_nycK > 1, определим необходимый диаметр поршня:

Следует отказаться от ранее принятого допущения постоянства суммарного приведенного момента М_?, поэтому работа и запас кинетической энергии при разгоне ДГ связаны между собой интегральной зависимостью.

где Л^разг = (Л^) + (ЛЦ) — суммарная работа при разгоне, равная запасу кинетической энергии ДГ_разг перед торможением.

Затем после переключения давлений в гидроцилиндре происходит торможение люка, давление управляется дросселированием потока жидкости на выходе из гидроцилиндра. Поэтому при торможении мощность двигателя не используется и его можно отключить, а накопленная в период разгона кинетическая энергия теряется при дросселировании, что можно учесть при моделировании циклового КПД по выражению где (Л_)_щвя, (Л^р^^г) — полезная и затраченная двигателем работы в цикле. За полезную можно принять работу по преодолению силы тяжести люка. Анализ циклового КПД в рассмотренном примере разгон-торможение показывает, что его значение определяется как коэффициентом k, зависящим от мощности двигателя, так и координатой переключения Ф_пер, определяющей время работы двигателя в цикле. Поэтому вопросу влияния параметров механизмов машины на цикловой КПД будут посвящены следующие параграфы.