Расчеты, связанные с транспортом в лесном хозяйстве

Расчеты, связанные с транспортом в лесном хозяйстве Государственное образовательное учреждение Ульяновский государственный университет Институт медицины, экологии и физической культуры Кафедра лесного хозяйства по дисциплине Машины и механизмы в лесном хозяйстве Расчеты, связанные с транспортом в лесном хозяйстве Ульяновск 2008 Содержание 1. Усвоить основные понятия, характеризующие работу двигателя 2. Рассчитать основные параметры, определяющие техническую характеристику двигателя 3. Составить отчет о выполненной работе Уяснить понятия индикаторной, эффективной и литровой мощности двигателя, удельного индикаторного и эффективного расхода топлива. Таблица 1 - Исходные данные Значения Ед. измерения Диаметр поршня 100 мм Ход поршня 110 мм Число цилиндров 6 шт. Угловая скорость 400 рад/с 2 об Индикаторное давление 1050 кПа КПД 0,8 - Расход топлива 0,003 кг/с Решение В результате рабочего цикла часть тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива превращается в механическую. Сила давления газов, действующая на поршень, передается через шатун на кривошип, создавая на коленчатом валу двигателя крутящий момент. Мощность двигателя зависит от степени использования тепла, которое выделяется при горении топлива в цилиндре. В полезную работу превращается только 30-40 % выделившегося тепла, остальное тепло уходит с отработанными газами, отводится от нагретых деталей двигателя посредством систем охлаждения и смазки, и теряется. Различают индикаторную и эффективную мощности. Индикаторной называют мощность, которая развивается внутри цилиндра двигателя. Индикаторную мощность можно определить по формуле: Ni= Pi× Vh× × n τ Ni= 1,05 × 0,86 × 6 × 64 = 173кВт 2 где Pi– среднее индикаторное давление, МПа; i– число цилиндров двигателя; i= 6 шт n– частота вращения коленчатого вала двигателя, об/с; n=ω/ (2 × π) = 400 / (2 × 3, 14) = 64об/с τ– тактность двигателя, об/цикл. τ = 2 об/цикл. Среднее индикаторное давление четырехтактных и двухтактных дизельных двигателей составляет 0,6-1,1 МПа (6-11 кг/см²). Тактность двигателя – это число, показывающее, за сколько оборотов коленчатого вала совершается рабочий цикл. Для четырехтактных двигателей τ= 2, для двухтактных - τ= 1. Vh= π× d² × 10³ × S, л 4 Vh=3, 14 × 0, 01 × 10 3 × 0,11= 0,86 л 4 Здесь:d– диаметр поршня, м; d= 100 мм = 0, 1 м S- ход поршня, м (расстояние между ВМТ и НМТ). Сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя, выраженная в литрах, - литраж двигателя (Vл): Vл = Vh× i, л Vл = 0,86 ×6= 5,2 л. Если выразить рабочий объем цилиндра через литраж двигателя, то индикаторная мощность будет равна Ni= Pi× × n , кВт Τ Ni= 1,05 × 5,2 ×64 = 175кВт 2 При работе двигателя часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление сопротивления трения движущихся деталей двигателя. Мощность, равноценная этим потерям, называется мощностью трения (NT). Мощность двигателя, снимаемая с его коленчатого вала, называется эффективной мощностью (Nе): Nе = Ni– Nт. Отношение эффективной мощности к индикаторной мощности называется механическим коэффициентом полезного действия – КПД (ηм): ηм = N е Ni. Для четырехтактных дизельных двигателей ηм = 0,73-0,85, для двухтактных – 0,70-0,75. Отсюда следует, что: Nе = Ni– Nт = Ni× ηм =173× 0, 8= 138кВт где ηм=0,8 Среднее эффективное давление (Pе) меньше среднего индикаторного (Pi): Pе = Pi× ηм. × 0, 8= 616 кПа = 0,616 МПа При подборе двигателя с точки зрения рационального использования размеров цилиндров пользуются понятием «литровая мощность». Nл = Nе = Pе × n τ Nл = 138 = 0,84× 64 = 26,5кВт/л 5,2 2 В зависимости от совершенства конструкции и технического состояния двигатель для выполнения одной и той же полезной работы расходует разное количество топлива. Масса топлива, расходуемого двигателем в единицу времени, называется расходом топлива. Зная расход топлива, можно определить индикаторный и эффективный удельные расходы топлива. Удельный индикаторный расход топлива (qi) – это масса топлива, расходуемая на единицу индикаторной мощности в один час: qi= × Gt, кг/кВт·ч Ni qi= 3600 × 0,003 = 0,06 кг/кВт·ч 175 где Gt– расход топлива, кг/с. Gt= 0. 003 кг/с Удельный эффективный расход топлива (qe) – это масса топлива, расходуемая на единицу эффективной мощности в один час: qe= 3600 × Gt , кг/кВт·ч. Ne qe= 3600 × 0,003 138 Итог работы Мы уяснили понятия индикаторной, эффективной и литровой мощности двигателя, удельного и эффективного расхода топлива. По сравнению с удельным эффективным расходом топлива современных тракторов, удельный эффективный расчет топлива по моим расчетам получился большим. Следовательно, данный двигатель тратит больше топлива на единицу эффективной мощности в час, чем современные трактора. Работа №2 Баланс мощности трактора Цель работы: ознакомиться с понятием баланса мощности трактора и изучить его составляющие. Содержание работы 1. Усвоить основные понятия баланса мощности трактора 2. Определить составляющие эффективной мощности трактора 3. Составить отчет о выполненной работе Указания к работе Уяснить понятия полезной мощности трактора, мощностей, затрачиваемых на преодоление различных сопротивлений, тягового коэффициента полезного действия, сцепного веса трактора. Таблица 2 - Исходные данные Показатели Значения Единица измерения Марка трактора Эксплуатационная мощность 66 кВт Конструктивная масса 6350 кг 0,03 Скорость движения трактора 1,7 м/с Коэффициент буксования 6 % Подъем пути 0 Крутящий момент, развиваемый на ВОМ 150 Н∙м N е = N тр + N пер + N N под + N N тяг , где N е – эффективная (эксплуатационная) мощность двигателя; N тр – мощность, затрачиваемая на преодоление трения в силовой передаче и на ведущих участках гусениц (для гусеничных тракторов); N пер – мощность, расходуемая на самопередвижение трактора; N букс – мощность, теряемая на буксование трактора; N под N вом – мощность от вала отбора мощности (ВОМ); N тяг При работе трактора в агрегате с машинами, рабочие части которых приводятся в действие от вала отбора мощности трактора (фрезы, опрыскиватели), затрачиваемая на этот привод мощность N вом , как и тяговая мощность N тяг , относится к полезной мощности. Потери мощности в силовой передаче происходят вследствие трения поверхности зубьев зубчатых колес, подшипников и сальников, а также на перемешивание масла в картерах зубчатых передач. Характеризуются такие потери механическим коэффициентом полезного действия ηмех . Соответственно для колесных тракторов ηмех = 0,92-0,91; для гусеничных ηме х = 0,88-0,86. Эти значения принимаются в расчетах. N тр = N е (1 - ηмех) N тр = 66 × (1 – 0,92) = 5,28 кВт, где N е = 66 кВт; Мощность, теряемая на самопередвижение трактора при работе, также не остается постоянной. Nпер состоит из потерь на трение в механизмах гусеничного движителя, в шарнирах гусеничных цепей (кроме ведущих участков), в опорных катках, поддерживающих роликах и направляющих колесах, а также потерь на вертикальное прессование почвы, т. е. на образование колеи. Мощность, затрачиваемая на самопередвижение, может быть определена по формуле: Nпер = QT × f × Vc , кВт, 1000 Nпер = 62230 × 0, 03 × 1,7 =3,17 кВт 1000 где QT QT= М T ×g= 6350 × 9, 8 = 62230 Н. М T – конструктивная масса трактора, кг; М т = 6350 кг. g – ускорение свободного падения; g= 9, 8 м/с 2 f – коэффициент сопротивления передвижению трактора; f= 0,03 Vc – скорость движения трактора, м/с; Vс = 1,7 м/с. М T ×g ×f= Pпер Рпер = 6350 × 9,8 × 0,03 = 1867 Н, Nпер = Pпер × Vc, кВт 1000 Nпер = 1867 × 1,7 = 3,17 1000 где Pпер – сила, расходуемая на передвижение трактора, Н. При буксовании мощность Nбукс затрачивается на проскальзывание ведущих колес или гусениц. Это проскальзывание имеет направление, противоположное движению трактора, и сопровождается смятием и сдвигом почвы почвозацепами. Буксование уменьшает скорость движения трактора. Величина буксования зависит от свойства почвы, типа ходовой части и степени загрузки трактора. В зависимости от типа ходовой части и величины нагрузки коэффициент буксования δ определяют мощность, потерянную при буксовании, Nбукс = ( Nе - Nтр) ×δ , кВт. Nбукс × кВт Мощность Nпод , затрачиваемая на преодоление подъема, определяют по формуле: Nпод = МT × in × Vc × g , кВт, 1000 Nпод = 6350 × 0 × 1,7 × 9, 8 = 0 кВт, 1000 где in – подъем пути, равный тангенсу угла подъема. in = 0 Мощность вала отбора Nвом , затрачиваемая на привод рабочих органов машины, можно определить по формуле: Мвом × ω , кВт, 1000 Nвом =0,15 × 6280 = 0,94 2 кВт 1000 где Мвом – крутящий момент, развиваемый на ВОМ, Н · м; Мвом ω – угловая скорость ВОМ, рад/с. ω=2π n= 2 ×3,14 ×1000 = 6280 рад/с. (Nтяг + Nвом) можно определить, исходя из баланса мощности трактора, как разность между эффективной мощностью двигателя Nе и суммой потерь мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивлений трактора, Nвом = Nе – ( Nтр + Nбукс ± Nпод). Nтяг + Nвом = 66- (5,28+ 3,17 + 3,64+0 кВт Степень использования эффективной мощности двигателя на полезную работу в тракторах характеризуется отношением суммарной мощности (Nтяг + Nвом) к эффективной мощности Nе . Это отношение называется тяговым коэффициентом полезного действия ηТ = Nвом Nе ηТ = 53,91 = 0,82 66 Значение тягового коэффициента полезного действия (КПД ) при полной загрузке гусеничного трактора колеблется от 0,68 до 0,75, для колесных тракторов с четырьмя ведущими – 0,60-0,70, а с двумя ведущими колесами – 0,50-0, 60. Тяговые свойства одного и того же трактора зависят от свойства почвы – механического состава, влажности и т. п., влияющих на потери мощности при перемещении и буксовании. При этом тяговая мощность изменяется в значительных пределах: для гусеничных тракторов на 20-25 %, для колесных на 40-50 %. При работе на слабых и переувлажненных почвах тяговое усилие трактора ограничивается не мощностью его двигателя, а максимальной силой сцепления Рсц трактора с почвой, т. е. для нормальной работы должно быть соблюдено следующее условие: ≤ Рсц , где Ртяг = Nтяг ×10³ , Н Vc Ртяг = 53,91 × 1000 = 31712 Н 1,7 Сила сцепления зависит от сцепного веса трактора, типа ходовой части, состояния почвы и определяется по формуле: Рсц = μ , где Qсц его, приходящейся на задние колеса, что составляет примерно 2/3 веса трактора); Qсц = М T· g= 6350 ∙ 9,8 = 62230 Н μ – коэффициент сцепления трактора с почвой. Пусть Рсц = Ртяг = 31712 Н, тогда: μ= Рсц / Qсц = 0,51 Итог работы Мы ознакомились с понятием баланса мощности трактора, изучили его составляющие на примере колесного трактора Т-150К и рассчитали все составляющие баланса мощности для данного трактора при работе на влажном песке при подъеме. Работа 3 Расчет и комплектование тракторного агрегата для посадки лесных культур Содержание работы 1. Произвести тягово-эксплуатационные расчеты тракторного агрегата. 2. Произвести расчет производительности и состава тракторного агрегата. 3. Рассчитать потребность тракторного агрегата в топливе и смазочных материалах. Решение 1) Определяем тяговое сопротивление лесопосадочного агрегата: R агр = R лм × n м + R сц ; где R лм – тяговое сопротивление лесопосадочной машины, Н; n м – количество лесопосадочных машин в агрегате, шт; R сц – сопротивление сцепки, Н. R лм = G лм × f т × g + Кп× a × b × n сош , Н ; где G лм – масса лесопосадочной машины, кг; f т – коэффициент трения металла о почву; (0,3 – 0,8 в зависимости от типа почвы) Кп – удельное сопротивление почвы, Н/см2 ; a – глубина посадки, см; b – ширина посадочной щели, см; n сош Rлм = 1200 × 0,5 × 9,8 +8,2 × 30× 12 × 2 = 11784Н. Rагр = 11784× 2 +1352,4= 24920Н. 2) Определяем коэффициент использования тягового усилия трактора по формуле: η = R агр /Ркр , где Ркр – при этом следует иметь в виду, что скорость движения агрегата не должна превышать 4,5 – 5,0 км/ч и зависит от шага посадки t . Чем более шаг посадки тем выше скорость движения агрегата, а следовательно и передача трактора. Тяговое усилие трактора ЛХТ-55М на рабочей передаче составляет 42000 Н, а скорость движения – 4,25 км/ч; η = 24920/35400 = 0,7 3) Рассчитаем сменную производительность агрегата: W см = 0,1 × В × V × Тсм × K т , га/смену, где V – скорость движения агрегата; Тсм K т – коэффициент использования рабочего времени. Технологическая ширина захвата многорядного агрегата рассчитывается по формуле: В = m ( n сош – 1) + m ст ; В = 4(2– 1) + 4=8 где m – ширина междурядий, м; n сош m ст – ширина стыкового междурядья, м. Тогда получим: Wсм× 8 × 2,3× 8 × 0,75 =11,04 га/смену 4) Определим количество тракторосмен для выполнения потребного количества работ, рабочего срока выполнения работ, потребного количества агрегатов и затрат труда. N = Q / W см где Q – объем работ. D р = D к × α = 10 × 0,9 = 9 дней, где α – поправочный коэффициент, учитывающий выходные и праздничные дни, а также плохую погоду,. При D к до 10 дней αD к свыше 10 дней α = 0,8. Потребное количество агрегатов рассчитаем по формуле: m агр = N / D р ; mагр поскольку количество агрегатов должно быть целым числом, мы произвели перерасчет D к . Для обслуживания лесопосадочной машины требуется 1 сажальщик и 1 оправщик. Затраты труда определяются по формулам: А) на 1 га: Нга = (1 + n р )/ W см ; где (1 + n р ) – бригада обслуживающая агрегат непосредственно в работе; 1 – тракторист; n р – дополнительные рабочие, обслуживающие агрегат; Нга = (1 +5)/11,04 = 0,54 чел. дн/га; Б) на весь объём работы: Н = Нга × Q ; Н = 0,54 × 150 = 81чел. дн. 5) Рассчитаем количество потребного посадочного материала для заданного объема работ по формуле: J р = (10000 × Q × n × ψ)/(В × t ) ; где n – число рядов, высаживаемых агрегатом, шт (n = n сош ); t – заданный шаг посадки, м; ψΨ = 1,1…1,2 . Jр = (10000 × 150 × 2 × 1,15)/(8 × 1,5) = 287500 шт. 6) На участках намечают места прикопки посадочного материала, которые должны быть удобными для подъезда транспортных средств, доставляющих посадочный материал, и для загрузки его на лесопосадочных машин. При этом необходимо учитывать возможное расстояние посадки агрегатом при полной загрузке ящиков на нем, чтобы не делать больших переездов к местам заправки. При небольшой длине гонов прикопки можно располагать по середине сторон участков вблизи разворотных полос. При большой длине гонов, например, при закладке полезащитных полос, прикопки располагают равномерно по ходу лесопосадочного агрегата с таким расчетом, чтобы расстояние между ними не превышало возможного рабочего хода при полной загрузке ящиков агрегата. Расстояние между прикопками определим по формуле: I пр = ( K × q × t )/ n , м ; где K – количество посадочного материала, размещающегося в ящиках лесопосадочного агрегата, шт; K = 2500…3000 шт, в одном ящике для сеянцев; K = 2000…2500 шт, в одном ящике для 2 – 3-летних саженцев; K = 200…500 шт, в одном ящике для саженцев высотой 2,5 – 3 м; q = коэффициент запаса, учитывающий неплотность заполнения; q = 1,1…1,2; Iпр = (2750 × 1,15 × 1,5)/2 = 2371,9м. 7) Определим сменный расход топлива и смазочных материалов для составленного агрегата. Сменный расход топлива определим по формуле: Q см = Q р × Тр + Q х × Тх + Q о × То , кг; где Q р ; Q х ; Q о – расход топлива за час соответственно при рабочем режиме, при холостых переездах и на остановках при работающем двигателе, кг/ч; Тр ; Тхо – время работы двигателя в течение смены на соответствующих режимах, ч. Можно принять: Тр = 80%, Тх = 15%, То = 5% от продолжительности смены; Примерный часовой расход топлива для трактора ДТ-75М Qрх = 8,0 кг/ч, Qо = 1,5 кг/ч; Qсм = 13,5 × 6,4 + 8,0 × 1,2 + 1,5× 0,4 = 96,6 кг. QΣ = ( Q см / W см ) × Q ; QΣ = (96,6/15,5) × 150 = 934,84кг Потребное количество смазочных масел для лесопосадочных машин определяется из следующих норм расхода: - солидол – 30 г/га; на 1 лесопосадочную машину требуется: - солидол: 30× - автол: 60× Таблица. 1. Потребное количество смазочных материалов и пускового топлива для трактора ЛХТ-55М Норма расхода, в % к основному топливу Дизмасло Автол Солидол Нигрол Бензин 5,35 0,3 0,8 1,0 1,0 Потребное количество в кг 27,25 3,9 10,5 13,3 13,3 Итог работы Использованная литература 3. Родичев В. А., Родичева Г. И. Тракторы и автомобили: Учебник для сред. сельск. проф. - техн. Училищ. – М.: Высшая школа, 1982. 4. Пошарников Ф. В. Обоснование и расчет рабочих органов лесных сеялок. – Воронеж: Изд-во Воронежского ун-та, 1987. 5. Учебник тракториста-машиниста первого класса/ В. А. Чернышев, К. А. Ачкасов, Ю. Я. Корицкий и др.; Под общ. ред. В. А. Чернышева. – М.: Агропромиздат, 1988. 6. Чернышев В. В. Механизация лесопосадочных работ. – М.: Лесная промышленность, 1978.