Metodyka wyznaczania charakterystyki zastpczej zespołu silnik spalinowy-przekładnia hydrokinetyczna

Transkrypt

1 dr in. Piotr DOBRZANIECKI Instytut Techniki Górniczej KOMAG Metodyka wyznaczania charakterystyki zastpczej zespołu silnik spalinowy-przekładnia hydrokinetyczna S t r e s z c z e n i e W artykule przedstawiono metodyk wyznaczania charakterystyki zastpczej zespołu silnik spalinowy - przekładnia hydrokinetyczna. Zaprezentowano podstawowe zalenoci potrzebne do sporzdzenia poszczególnych charakterystyk, jak równie sposób wykorzystania oprogramowania komputerowego w trakcie prowadzenia oblicze. Wyniki prac zaprezentowano w odniesieniu do rzeczywistych obiektów: przekładni hydrokinetycznej PH oraz silnika spalinowego Volvo-Penta D5A T. S u m m a r y Methodology for determination of substitute characteristics of the system diesel engine-hydrokinetic gear is presented. Basic relationships necessary to prepare given characteristics as well as the method of using the software programme in calculations are given. Work results regarding the real objects, i.e. PH hydrokinetic gear and Volvo-Penta D5A T diesel engine are presented. Słowa kluczowe: układy napdowe, przekładnia hydrokinetyczna, charakterystyki wymiarowe przekładni, charakterystyki bezwymiarowe Keywords: drive systems, hydrokinetic gear, dimensional characteristics of gear, dimensionless characteristics 1. Wstp Układy napdowe z przekładni hydrokinetyczn s powszechnym rozwizaniem w budowie maszyn. Przykładem mog by napdy pojazdów tj.: lokomotywy dołowej spalinowej typu Lds-100 produkcji Energo-Mechanik Sp. z o. o. [9], ładowarki typu LKP produkcji KGHM Zanam [10] oraz innych maszyn roboczych, w trakcie pracy których konieczne jest płynne przeniesienie momentu obrotowego pod duym obcieniem pochodzcym od sił zewntrznych (masa transportowana, ładowany urobek itp.) [2, 3]. W przypadku układu napdowego wyposaonego w przekładni hydrokinetyczn, naley uwzgldni cechy pierwotnego ródła napdu (np. silnik spalinowy), w połczeniu z przekładni. Utworzona charakterystyka zastpcza stanowi punkt wyjcia do analizy parametrów trakcyjnych pojazdu. Prace rozwojowe, dotyczce lokomotyw szynowych, prowadzone w ITG KOMAG, wymagały okrelenia cech trakcyjnych opracowywanych układów napdowych. Do sporzdzenia charakterystyk zastpczych zespołu silnik-przekładnia hydrokinetyczna, do dyspozycji konstruktora-projektanta pozostaje czsto co najwyej opis przekładni w postaci charakterystyki bezwymiarowej, uzupełniony sporadycznie o tabelaryczne zestawienie głównych parametrów przekładni. W niniejszym artykule zaprezentowano wic metodyk wyznaczania charakterystyki zastpczej zespołu silnik spalinowy-przekładnia hydrokinetyczna w oparciu o typowe dane, opisujce przekładni hydrokinetyczn, jak równie silnik spalinowy. Do opisu osi wykresów, przedstawionych na rysunkach 1, 2, 3 i 4, ilustrujcych zalenoci pomidzy głównymi parametrami przekładni hydrokinetycznych uyto jednostek spoza układu SI. Nie ma to jednak wpływu na jakociowy charakter prezentowanych charakterystyk. 2. Współpraca przekładni hydrokinetycznej z silnikiem podstawowe informacje Cechy przekładni hydrokinetycznej najwygodniej przedstawi w postaci charakterystyki zalenoci pomidzy poszczególnymi parametrami przekładni. Jedn z nich jest charakterystyka bezwymiarowa, stosowana do ogólnego opisu rodziny przekładni hydrokinetycznych. Przykładow posta charakterystyki bezwymiarowej pokazano na rysunku 1. Rys.1. Charakterystyka bezwymiarowa przekładni hydrokinetycznej [1] MASZYNY GÓRNICZE 2/2014 3

2 Poszczególne wykresy na rysunku 1 przedstawiaj zmian wartoci przełoenia dynamicznego i d w zalenoci od przełoenia kinematycznego i k oraz przebieg wartoci współczynnika f M i sprawnoci η w funkcji przełoenia kinematycznego i k. Znajc wartoci f M dla kolejnych wartoci argumentu (w tym przypadku i k) oraz wartorednicy czynnej D, moliwe jest za pomoc charakterystyki bezwymiarowej sporzdzenie charakterystyki wymiarowej przekładni hydrokinetycznej. Krzywe momentów charakterystyki wymiarowej poszczególnych wartoci i k mona wyznaczy na podstawie zalenoci (1): gdzie: M = M (1) f n1 D M 1 warto momentu obrotowego rozwijana przez wirnik pompy przekładni [ N m], 2 f M N min współczynnik momentu [ ], 4 m n 1 prdko obrotowa wirnika pompy przekładni [min -1 ], D rednica czynna przekładni [m]. Przykładow charakterystyk wymiarow przekładni przedstawiono na rysunku 2. Rys.2. Charakterystyka wymiarowa przekładni hydrokinetycznej [1] Na podstawie charakterystyki wymiarowej sporzdza si charakterystyk zastpcz zespołu silnik spalinowy-przekładnia hydrokinetyczna, nanoszc krzyw momentu obrotowego silnika na charakte- rystyk wymiarow przekładni: Rys.3. Charakterystyka wymiarowa przekładni hydrokinetycznej z nałoon charakterystyk silnika spalinowego [1] Na podstawie wartoci momentu obrotowego M 1 w punktach przecicia krzywej M s z krzywymi i k = 0 0,95 mona obliczy wartoci momentu obrotowego M 2 na wyjciu przekładni hydrokinetycznej według zalenoci (2): gdzie: M 2 = M 1 i d (2) M 2 warto momentu obrotowego rozwijana przez wirnik turbiny przekładni [ N m], i d przełoenie dynamiczne. Warto przełoenia dynamicznego id okrela si z charakterystyki i d = f(i k) (por. rys. 1). Prdko na wyjciu z przekładni hydrokinetycznej obliczy mona z zalenoci: gdzie: n 2 = n 1 i k (3) n 2 prdko obrotowa wirnika turbiny przekładni [min -1 ], I k przełoenie kinematyczne. W rezultacie otrzymuje si rodzin charakterystyk zastpczych zespołu silnik spalinowy-przekładnia hydrokinetyczna (rys. 4). Przedstawia ona, oprócz przebiegu momentu obrotowego, take jednostkowe zuycie paliwa (ge), moc na wyjciu z przekładni (N2) oraz prdko obrotow silnika, równ prdkoci obrotowej czci pompowej przekładni hydrokinetycznej w przypadku, gdy pomidzy ni a silnikiem nie stosuje si innej przekładni. Do sporzdzenia charakterystyki zastpczej niezbdna jest zatem informacja o zakresie zmiennoci dwóch parametrów przekładni hydrokinetycznej: współczynnika momentu fm oraz przełoenia dynamicznego id w funkcji przełoenia kinematycznego ik. S to dane konieczne i jednoczenie wystarczajce. 4 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014

3 udostpnianych w niewielkiej rozdzielczoci plików graficznych moe powodowa błdy. Innym podejciem producenta przekładni jest uzyskanie podstawowych informacji o układzie napdowym: ródło napdu, typ zastosowanego układu przeniesienia napdu oraz rodzaj pojazdu, w którym bdzie on stosowany. Po uzyskaniu danych przeprowadza analizy i proponuje dobór konkretnego typu przekładni. W tym przypadku nie ma moliwoci otrzymania charakterystyk i danych do samodzielnej analizy. Pierwszym krokiem jest tabelaryczne zestawienie zalenoci, udostpnionych przez producenta przekładni, które przedstawiono na rysunku 5. Rys.4. Rodzina charakterystyk zastpczych zespołu silnik spalinowy-przekładnia hydrokinetyczna [1] 3. Sporzdzanie charakterystyki zastpczej na przykładzie oblicze dotyczcych lokomotywy typu Lds-100K-EMA Pierwszy etap modelowania pracy układu napdowego górniczej lokomotywy spgowej Lds-100K-EMA, które przedstawiono szerzej w [3] to obliczenia parametrów pracy układu napdowego. W niniejszym artykule opisano proces sporzdzania charakterystyki zastpczej zespołu silnik spalinowyprzekładnia hydrokinetyczna. Obliczenia przeprowadzono na podstawie danych technicznych i bada stanowiskowych podzespołów układu napdowego lokomotywy: a) silnik spalinowy ZS Volvo Penta D5A T, b) przekładnia hydrokinetyczna ZHS PH Obliczenia oraz wykresy wykonano w rodowisku Matlab. Cz danych wejciowych do programu Matlab przygotowano w programach Grapher i Excel w postaci plików *.csv. Zaprezentowany sposób wykonania oblicze jest wynikiem ograniczonego (lub braku) dostpu do szczegółowych danych opisujcych przekładnie hydrokinetyczne. Do wyznaczenia charakterystyki wymiarowej danego typu przekładni potrzebne s zalenoci i d = f (i k), f M = f(i k) oraz warto rednicy czynnej przekładni D. Podczas realizacji pracy [3] autor miał do dyspozycji wspomniane charakterystyki oraz tabelaryczne zestawienie wartoci funkcji. Jeden z producentów przekładni hydrokinetycznych udostpnia charakterystyki bezwymiarowe oraz podstawowe parametry, takie jak: rednica czynna, maksymalne przełoenie kinematyczne i dynamiczne, maksymalne moc i moment obrotowy na wejciu przekładni, maksymalna sprawno, umoliwiajc przeprowadzenie analizy. Wymaga to jednak wyznaczenia szukanych wartoci parametrów bezporednio z wykresów, co w przypadku Rys.5. Charakterystyka bezwymiarowa przekładni ZHS PH , na podstawie [7] Umoliwia to prace obliczeniowo-analityczne oraz wyznaczenie wartoci poszczególnych parametrów, w całym zakresie pracy przekładni, w postaci zalenoci: f M = f(i k) i i d = f(i k). Znajc wartoci f M, w funkcji przełoenia kinematycznego i k, rednic czynn D oraz prdko obrotow n na wejciu przekładni moliwe jest sporzdzenie kompletnej charakterystyki wymiarowej przekładni, składajcej si z krzywych momentu obrotowego przenoszonego przez przekładni. Wynik oblicze z wykorzystaniem zalenoci (1) przedstawiono na rysunku 6. Krzywe sporzdzono w zakresie zmiennoci i k = 0 0,96 ze skokiem 0,05. Ich kolejno na wykresie jest zalena od zmiennoci współczynnika momentu, co oznacza, e niekoniecznie musi rozpoczyna si od i k = 0,0 i przyrasta. W zaprezentowanym przypadku warto f M osiga maksimum przy wartoci i k = 0,47, co mona zauway na sporzdzonej charakterystyce wymiarowej przekładni. MASZYNY GÓRNICZE 2/2014 5

4 Rys.8. Charakterystyka wymiarowa przekładni z nałoon charakterystyk Ms(n) silnika [7] Rys. 6. Charakterystyka wymiarowa przekładni ZHS PH [3] Drugim krokiem prezentowanej metodyki jest okrelenie współczynników parabol bdcych wykresami poszczególnych krzywych momentu przy stałej wartoci przełoenia kinematycznego i k. Operacj t przeprowadzono w programie Grapher, otrzymujc zestaw danych o poszczególnych krzywych. Przykładowy opis jednej z krzywych przedstawiono na rysunku 7. Z uwagi na wzajemne połoenie charakterystyki momentu obrotowego silnika spalinowego wzgldem krzywych momentu przenoszonego przez przekładni, dokonano operacji domknicia charakterystyki M s(n) wzdłu charakterystyki regulatorowej. Z rysunku 8 wynika, e współpraca silnika z przekładni ma miejsce przy stosunkowo duych wartociach prdkoci obrotowej i przy niewielkiej wartoci sprawnoci (por. rys. 5). Efektem jest stosunkowo mało wydajna praca zespołu. Dua cz energii zostaje rozproszona w postaci ciepła w przekładni hydrokinetycznej. Ostatecznie, na podstawie danych, pochodzcych z programu Matlab oraz przy wykorzystaniu zalenoci (2) i (3), sporzdzono charakterystyk zastpcz zespołu silnik spalinowy-przekładnia hydrokinetyczna, przedstawion na rysunku 9. Rys.7. Zestawienie wartoci współczynników opisujcych jedn z krzywych, wykonane w programie Grapher [7] Nastpnie kompletn charakterystyk wymiarow wprowadza si do programu Matlab i nanosi krzyw przebiegu momentu obrotowego silnika spalinowego współpracujcego z przekładni. Na tej podstawie, z uyciem rodowiska programistycznego Matlab opracowano skrypt, którego działanie polega na znalezieniu punktów przecicia charakterystyki M s(n) (moment obrotowy silnika) z krzywymi momentu. Dane niezbdne do sporzdzenia charakterystyki M s(n) zgromadzono podczas bada stanowiskowych silnika spalinowego, szerzej opisanych w [5] i [6]. Graficzn interpretacj pracy skryptu w Matlabie przedstawiono na rysunku 8. Rys.9. Charakterystyka zastpcza zespołu silnik spalinowy-przekładnia hydrokinetyczna [7] Niewielkie zrónicowanie krzywych momentu w zakresie i k = 0 0,6 (pokazane na rysunkach 6 i 8; 6 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014

5 na rysunku 6 nie pokazano wszystkich krzywych, by nie zaciemnia wykresu) jest zwizane z niewielk zmiennoci współczynnika momentu w tym samym zakresie. Efektem tego s due zmiany wartoci momentu obrotowego M 2 w zakresie prdkoci obrotowych, które stanowi punkty przecicia krzywej M s(n) i krzywych i k=const. Na podstawie charakterystyki zastpczej zespołu silnik-przekładnia przeprowadza si dalsze prace analityczne w zakresie oceny własnoci trakcyjnych maszyny lub pojazdu wyposaonego w tego typu układ przeniesienia napdu. 4. Podsumowanie Prace dotyczce oceny współpracy silnika spalinowego i przekładni hydrokinetycznej maj na celu ocen stopnia wykorzystania mocy ródła napdu podczas wykonywania typowych cykli pracy. W analizach uwzgldnia si charakterystyk zewntrzn silnika, z uwagi na to, e poszukiwane s maksymalne parametry pracy układu napdowego. Jednak w przypadku, gdy podczas wykonywania typowych zada maszyny, silnik spalinowy zasilany jest czciowymi dawkami paliwa, konieczne jest uzupełnienie charakterystyki pokazanej na rysunku 8 o krzywe przebiegu momentu obrotowego silnika przy ww. warunkach pracy. Efektem takiego podejcia s wyniki dotyczce pracy analizowanego zespołu, w pełnym zakresie dawek paliwa zasilajcych silnik. Jednak niezbdne do tego s charakterystyki czciowe silnika spalinowego lub charakterystyka uniwersalna, które na ogół s niedostpne. Wyjciem w tej sytuacji jest prowadzenie bada stanowiskowych. Przykładowe charakterystyki silnika, odpowiadajce czciowym dawkom paliwa zasilajcego silnik, przedstawiono na rysunku 10. Rys.10. Charakterystyki silnika przy czciowych dawkach paliwa [7] Na podstawie charakterystyk silnika zasilanego czciowymi dawkami paliwa, przy przewidywanym cyklu obcienia maszyny, mona dokładniej oceni stopie dopasowania zespołu silnik spalinowyprzekładnia hydrokinetyczna, szczególnie w aspekcie wykorzystania parametrów silnika w trakcie prognozowanego trybu pracy (np. brak lub niewielka liczba cykli pracy z pełnym obcieniem). Charakterystyk silnika przy czciowych dawkach paliwa, jak równie uniwersaln, mona sporzdzi jedynie na podstawie bada stanowiskowych. Osobn kwesti jest znajomo rzeczywistych cykli obcienia maszyny dokładne informacje mona uzyska jedynie podczas bada w warunkach in-situ. Metodyka wyznaczania charakterystyki zastpczej zespołu silnik spalinowy-przekładnia hydrokinetyczna, odnoszca si do charakterystyki zewntrznej silnika (przebieg wartoci momentu obrotowego w funkcji prdkoci obrotowej przy maksymalnej dawce paliwa) jest ogólnym sposobem postpowania podczas oceny maksymalnych wartoci momentów obrotowych przenoszonych przez układ napdowy. Mona take oceni stopie dopasowania zespołu silnik-przekładnia, jednak przy załoeniu, e silnik pracuje, osigajc maksymalne parametry. Według [1] poprawnie dopasowujc przekładni i silnik na podstawie jego charakterystyki zewntrznej mona osign zadowalajce rezultaty. Efektywno układu napdowego (zespołu silnik-przekładnia) przy zapotrzebowanych (lub przewidywanych) cykli obcienia maszyny mona dokładniej oceni, stosujc dane o pracy silnika, zasilanego czciowymi dawkami paliwa (lub przy czciowych otwarciach przepustnicy w silniku ZI). Moliwe jest równie porównanie wikszej liczby wariantów konfiguracji układu napdowego przy pracy pojazdu podczas rónych stanów obcienia silnika i dokonanie wyboru zespołu silnik-przekładnia w sensie optymalnym (z uwagi na okrelone kryteria i przy uwzgldnieniu znanych ogranicze). W efekcie analizy współpracy silnika z przekładni hydrokinetyczn, przeprowadzonej zgodnie z opisan metodyk, otrzymuje si dodatkowe informacje, dotyczce moliwoci wystpienia nieprawidłowej pracy napdu, do której zalicza si zjawisko pełzania pojazdu wskutek zastosowania przekładni hydrokinetycznej o zbyt małej rednicy czynnej lub strat mocy silnika w przypadku przekładni hydrokinetycznej o zbyt duej rednicy czynnej. W przypadku, gdy dysponujemy jedynie charakterystyk bezwymiarow przekładni, ju sporzdzenie jej charakterystyki wymiarowej pozwala oceni, czy analizowana przekładnia jest typu przenikalnego czy nieprzenikalnego. Okrela to jej przydatno w projektowanym zespole, zwłaszcza jeli chodzi o przekładni nieprzenikaln. Te zagadnienia nie były jednak tematem niniejszego artykułu. MASZYNY GÓRNICZE 2/2014 7

6 Podsumowujc, mona stwierdzi, e sporzdzenie analizy współpracy silnika z przekładni hydrokinetyczn moe rodzi problemy zwizane z ograniczonym dostpem do danych. Chcc przeprowadzi analiz, naley dysponowa charakterystyk bezwymiarow przekładni (por. rys. 5) oraz charakterystyk momentu obrotowego silnika w funkcji prdkoci obrotowej. Brak tabelarycznego zestawienia argumentów i wartoci kadej z funkcji nie jest zasadniczym problemem, gdy mona je sporzdzi na podstawie wykresów. Współpraca silnika i przekładni jest jednak duo bardziej skomplikowana i prace wykonywane według zaprezentowanej metodyki mog by ródłem jedynie ogólnych informacji, cho wystarczajcych w procesie oceny parametrów napdu. Literatura 1. Szydelski Z.: Sprzgła i przekładnie hydrokinetyczne, WNT, Warszawa Zajc M.: Układy przeniesienia napdu samochodów ciarowych i autobusów, WKŁ, Warszawa Borkowski W., Konopka S., Prochowski L.: Dynamika maszyn roboczych, WNT, Warszawa Dobrzaniecki P., Myk A.: Kształtowanie cech eksploatacyjnych górniczych pojazdów szynowych, ITG KOMAG, Gliwice Dobrzaniecki P.: Badania stanowiskowe górniczego napdu spalinowego, Maszyny Górnicze 2011 nr Kaczmarczyk K.: Badania górniczego napdu spalinowego w aspekcie emisji substancji toksycznych, Maszyny Górnicze 2012 nr Projekt badawczy N N materiały nie publikowane. 8. Parametry techniczne silnika Volvo Penta D5A T (dane producenta) Artykuł wpłynł do redakcji w czerwcu 2014 r. 8 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014