Проблема топливной экономичности многоковшовых экскаваторов сегодня из-за увеличения номинальной мощности приводных двигателей и времени работы машины с неполным использованием этой мощности. Это вытекает из специфики многоковшовых экскаваторов, имеющих следующие режимы работы с неполным использованием мощности: режимы работы в слабых по прочности грунтах с ограничением производительности выносной или разгрузочной способностью рабочих или транспортных устройств; режимы работы с переменной глубиной копания при укладке дренажа; режимы работы в комплексе с другими машинами, темп, движения которых ограничен и меньше максимальных скоростей передвижения экскаватора.
Приводной двигатель при работе на номинальной угловой скорости выходного вала с неполным использованием мощности имеет повышенный удельный расход топлива.
Аналитический обзор по вопросам: законы управления режимами работы многоковшовых экскаваторов; автоматизированные приводы; режимы топливной экономичности приводных двигателей; математическая модель механической системы многоковшового экскаватора. Позволил выявить что вероятность работы с неполным использованием мощности приводного двигателя составляет: для траншейных экскаваторов – 0,25-0,65; для экскаваторов - дреноукладчиков - 0,95. В этих условиях, оптимизируя режимы, можно улучшить топливную экономичность в среднем на 18% для траншейных экскаваторов и на 58% - для экскаваторов- дреноукладчиков. В качестве средств оптимизации могут быть использованы приводы, построенные на основе объемных гидромеханических передач (ОГМП). Однако, для этого требуется усовершенствовать ОГМП, оснастив ее средствами автоматического управления, и провести дополнительные исследования по выбору структуры и параметров привода, алгоритма управления, определить устойчивость системы.
Анализ скоростных характеристик двигателей показал, что оптимальная (по Чудакову Е.А.) характеристика двигателя может быть получена при изменении положения рычага настройки все режимного регулятора в зависимости от используемой мощности двигателя.
Используя известную математическую модель приводного двигателя (по Багирову Д.Д.), в которой зависимость крутящего момента от угловой скорости выходного вала описывается полиномом первой степени для регуляторной ветви характеристики и полиномом второй степени - для корректорной ветви. В эту модель введен переменный параметр Х
р - перемещение рычага настройки все режимного регулятора. При этом сделаны допущения о постоянстве угла наклона регуляторных ветвей частичных скоростных характеристик и о линейности зависимости перемещения Х
р от угловой скорости холостого хода вала двигателя. В окончательном виде математическая модель двигателя имеет вид:
где J - момент инерции двигателя и присоединенных к нему масс, кг м
2; ω - угловая скорость выходного вала, с
-1 ; М - крутящий момент на валу двигателя, Нм; М
с - момент сопротивления, Нм; В
1, E
1, D
1, A
2, B
2, C
2 - коэффициенты аппроксимации внешней стендовой скоростной характеристики и характеристики холостого хода.
Кривая минимального удельного расхода топлива проходит через регуляторные ветви частичных характеристик. Выражение по определению удельного расхода топлива:
где В
3, E
3, D
3 - коэффициенты аппроксимации регуляторной ветви скоростной характеристики часового расхода топлива, является целевой функцией при определении оптимального скоростного режима двигателя. Условию экстремума этой функции удовлетворяет выражение вида
представляющего зависимость угловой скорости вала оптимальной характеристики в зависимости от перемещения рычага настройки. В соответствии с этим, связь мощности двигателя N
опт с перемещением Х
р выражается полиномом второй степени. Однако, расчеты показали (графики представлены на рис.1), что описание этой связи можно упростить, заменив уравнением прямой
Тем самым получено условие, при котором двигатель будет работать по оптимальной характеристике.
Рассчитанные кривые минимального удельного расхода топлива в координатах М от ω и нанесены на стендовые многопараметровые характеристики. Для каждого уровня используемой мощности двигателя существует точка пересечения с расчетной кривой, в которой удельный расход топлива отличается от минимального не больше 0,2%. Принятые допущения дают 1,5% ошибку в изменении удельного расхода топлива, Из-за эллипсообразного вида кривых постоянного сдельного расхода топлива оптимальная характеристика может быть не устойчива. Устойчивость зависит от степени недоиспользования мощности двигателя и обеспечивается при N<0,5N
н. Это приближенно соответствует условию ωххmin≈ωMmax, которое определяет минимальную угловую скорость холостого хода вала двигателя и, соответственно, нижний предел перемещения рычага настройки все режимного регулятора.
В соответствии с вышеизложенным приводной двигатель будет иметь новую скоростную характеристику, расчетные графические зависимости которой приведены на рис.2. В соответствии с классификацией условий работы многоковшовых экскаваторов (по Тархову А.И.), определенным условиям работы экскаватора соответствует свой участок характеристики. В легких условиях работы – участок 2-3, средах условиях - окрестность точки 3, в тяжелых условиях - участок 3-4, Проведенный в расчет эксплуатационных характеристик двигателя показал, что передавший характер нагрузка на валу двигателя практически не влияет на кривую минимального удельного расхода топлива.
Рис. 1. Зависимость мощности двигателя от положения рычага настройки все режимного регулятора.
