БЕЛГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ.
Кафедра тракторов автомобилей
ремонта и эксплуатации МТА
Курсовой проект
на тему: Расчет автотракторного двигателя Д-248.
Выполнил: студент 41 гр.
Проверил: Навицкий А.С.
Белгород.
Исходные данные:
| Марка трактора | n об/мин | Агрофон | ε | α | λ | ξ | δ | Двигатель |
| ЛТЗ-60 | 2000 | культивация | 16 | 1,6 | 2,2 | 0,88 | 2,3 | Д-248 |
1.Тепловой расчет двигателя
Тепловой расчет двигателя позволяет аналитически с достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого или модернизированного двигателя, а также оценить индикаторные и эффективные показатели работы созданного двигателя. Рабочий цикл рассчитывают для определения индикаторных, эффективных показателей работы двигателя и температурных условий работы двигателей, основных размеров, а также выявления усилий, действующих на его детали, построение характеристик и решения ряда вопросов динамики двигателя. Результаты теплового расчета зависят от совершенства оценки ряда коэффициентов, используемых в расчете и учитывающих особенности проектируемого двигателя. Они будут тем ближе к действительным, чем больше используются фактические данные испытаний таких двигателей, которые по ряду основных параметров близки к проектируемому.
В качестве исходных данных для теплового расчета задаемся следующим:
тип двигателя - четырехтактный, четырехцилиндровый, однорядный, однокамерный дизель. Номинальная мощность дизеля N
=60кВт
, номинальная частота вращения n
н
=2000об/мин; степень сжатия ε
=16, коэффициент тактности τ=4; коэффициент избытка воздуха α=1,6.Дизельное топливо ,,Л,, (ГОСТ305-82); низшая удельная теплота сгорания топлива Qн
=42500кДж/кг
; средний элементный состав: С
=85,7%, Н
=13,3%, Q
=1%. Расчет ведем для сгорания 1кг топлива. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:
или
где μ
в
- масса 1-го кмоля воздуха(μ
в
=28,96кг/кмоль
).
Количество свежего заряда:
Общее количество продуктов сгорания:
При этом химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:
Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия принимаем следующие: P
0
=0,1МПа
, T
0
=288K
. Давление окружающей среды
P
0
= P
к
=0,1МПа
, температура окружающей среды T
0
=T
к
=288K
. Давление и температура остаточных газов: , принимаем T
r
=930К.
Процесс впуска. Принимаем температуру подогрева свежего заряда
Плотность заряда на впуске:
где Rв=287Дж/кг∙град- удельная газовая постоянная для воздуха.
Принимаем и
Тогда потери давления на впуске в двигатель:
Давление в конце впуска:
Коэффициент остаточных газов:
Температура в конце впуска:
Коэффициент наполнения:
Процесс сжатия. Показатель политропы сжатия можно определить по эмпирической формуле:
Давление в конце сжатия:
Температура в конце сжатия:
Средняя молярная теплоемкость заряда(воздуха) в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов):
Число молей остаточных газов:
Число молей газов в конце сжатия до сгорания:
Процесс сгорания. Средняя молярная теплоемкость при постоянном давлении для продуктов сгорания жидкого топлива в дизеле:
Число молей газов после сгорания:
Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:
Принимаем коэффициент использования теплоты . Тогда количество теплоты передаваемой газом на участке cz.zпри сгорании 1кг топлива:
Принимаем степень повышения давления λ=2,2. Температуру в конце сгорания определяют из уравнения сгорания для дизеля:
Решаем уравнение относительно Tz
и находим Tz
= 2380
Степень предварительного расширения:
Процесс расширения. Степень последующего расширения:
С учетом характерных значений показателя политропы расширения для заданных параметров дизеля принимаем n
2
= 1,17. Тогда
Проверим правильность ранее принятой температуры остаточных газов:
Индикаторные параметры рабочего цикла двигателя:
Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы ν=0,95.
Среднее индикаторное давление цикла для скругленной индикаторной диаграммы:
Индикаторный КПД.
Индикаторный удельный расход топлива:
Эффективные показатели двигателя. Принимаем предварительную среднюю скорость поршня Wп.ср
=8,3м/с.
Среднее давление механических потерь:
Среднее эффективное давление:
Механический КПД:
Эффективный КПД:
Эффективный удельный расход топлива:
Основные параметры цилиндра и удельные параметры двигателя:
Мощность двигателя:
Площадь поршня:
Средняя скорость поршня:
Эффективный крутящий момент двигателя:
Часовой расход топлива:
Удельная поршневая мощность:
Если принять массу сухого двигателя без вспомогательного оборудования G
сух
=430кг, то литровая масса:
и удельная масса:
2.Кинематический расчет.
Основная задача кинематического расчета состоит в определении закона движения поршня и шатуна. При этом в кинематическом расчете делаются допущения, что вращение коленчатого вала происходит с постоянной угловой скоростью Это позволяет рассчитывать все кинематические параметры механизма в зависимости от угла поворота кривошипа коленчатого вала φ
, который при пропорционален времени, т.е. или , так как и .
Исходные данные: двигатель- с центральным кривошипно - шатунным механизмом; номинальная частота вращения коленчатого вала ;
ход поршня - ; радиус кривошипа - ; постоянная
Угловая скорость кривошипа:
При работе двигателя поршень совершает возвратно-поступательные движения, для характеристики которого определяют перемещение Sx
, скорость W
п
и ускорение j
п
. Рассчитываем перемещения поршня Sx,
скорости поршня W
п
, ускорения поршня j
п
. Через каждые 10° поворота коленчатого вала и полученные значения заносим в таблицу. Формула для расчета перемещения поршня имеет вид:
Скорость поршня определяется по формуле:
Ускорения поршня определяется по формуле:
Средняя скорость поршня:
Кинематические параметры двигателя.
| φп.к.в. | Sп | Wп | jп. | φ°п.к.в. | |||
| 0-180° | 180-360° | 0-180° | 180-360° | 0-180° | 180-360° | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 3367,3 | 3367,3 | 360 |
| 10 | 0,0011 | 0,0011 | 2,780 | -2,780 | 3380,4 | -3380,4 | 350 |
| 20 | 0,0045 | 0,0045 | 5,428 | -5,428 | 3036,0 | -3036,0 | 340 |
| 30 | 0,012 | 0,012 | 7,805 | -7,805 | 2646,5 | 2646,5 | 330 |
| 40 | 0,0174 | 0,0174 | 9,79 | -9,79 | 2144,2 | 2144,2 | 320 |
| 50 | 0,0263 | 0,0263 | 11,358 | -11,358 | 1562,6 | 1562,6 | 310 |
| 60 | 0,0362 | 0,0362 | 12,404 | -12,404 | 947,0 | 947,0 | 300 |
| 70 | 0,0468 | 0,0468 | 12,939 | -12,939 | 336,6 | 336,6 | 290 |
| 80 | 0,0576 | 0,0576 | 12,976 | -12,976 | -234,2 | -234,2 | 280 |
| 90 | 0,0683 | 0,0683 | 12,565 | -12,565 | -736,5 | -736,5 | 270 |
| 100 | 0,0785 | 0,0785 | 11,772 | -11,772 | -1149,6 | -1149,6 | 260 |
| 110 | 0,0878 | 0,0878 | 10,677 | -10,677 | -1465,3 | -1465,3 | 250 |
| 120 | 0,0963 | 0,0963 | 9,358 | -9,358 | -1683,6 | -1683,6 | 240 |
| 130 | 0,097 | 0,1034 | 7,892 | -7,892 | -1817,8 | -1817,8 | 230 |
| 140 | 0,1093 | 0,1093 | 6,344 | -6,344 | -1886,3 | -1886,3 | 220 |
| 150 | 0,1140 | 0,1140 | 4,750 | -4,750 | -1910 | -1910 | 210 |
| 160 | 0,1173 | 0,1173 | 3,167 | -3,167 | -1907,3 | -1907,3 | 200 |
| 170 | 0,1192 | 0,1192 | 1,578 | -1,578 | -1899,4 | -1899,4 | 190 |
| 180 | 0,1200 | 0,1200 | 0 | 0 | -1894,2 | -1894,2 | 180 |
3. Построение индикаторной диаграммы.
В соответствии с текущими данными данными дизеля принимаем: , , ,.
В результате теплового расчета получены давления в характерных точках диаграммы:
Значения показателей политропы сжатия и расширения:
Степень предварительного расширения: .
Степень последующего расширения: .
Среднее индикаторное давление:
1) Для построения расчетной индикаторной диаграммы определяем относительную высоту камеры сгорания :
2) Рассчитываем степень сжатия Е
x
, давление на участке сжатия р
cx
, степень последующего расширения δ
x
, текущее давление на участке расширения р
в
x
:
;
;
;
.
Полученные данные заносим в таблицу.
φ° п.к.в. |
Sx | Sx+hс | Политропа расширения | Политропа сжатия | φ° п.к. в. |
||||
| δx | рвx | Еx | рcx | ||||||
| 0 | 0 | 0,133 | - | - | - | 3 | 4,455 | 0,396 | 360 |
| 10 | 0,018 | 0,151 | - | - | - | 2,880 | 4,216 | 0,375 | 350 |
| 20 | 0,072 | 0,205 | - | - | 6,870 | 2,648 | 3,761 | 0,334 | 340 |
| 30 | 0,192 | 0,325 | 1,900 | 2,119 | 4,007 | 2,409 | 3,306 | 0,294 | 330 |
| 40 | 0,278 | 0,411 | 2,403 | 2,789 | 3,045 | 2,323 | 3,147 | 0,280 | 320 |
| 50 | 0,421 | 0,554 | 3,239 | 3,955 | 2,147 | 2,240 | 2,994 | 0,266 | 310 |
| 60 | 0,579 | 0,712 | 4,164 | 5,307 | 1,600 | 2,186 | 2,898 | 0,257 | 300 |
| 70 | 0,749 | 0,882 | 5,158 | 6,817 | 1,246 | 2,150 | 2,833 | 0,252 | 290 |
| 80 | 0,922 | 1,055 | 6,169 | 8,405 | 1,010 | 2,126 | 2,789 | 0,248 | 280 |
| 90 | 1,093 | 1,226 | 7,169 | 10,02 | 0,847 | 2,108 | 2,758 | 0,245 | 270 |
| 100 | 1,256 | 1,389 | 8,123 | 11,598 | 0,732 | 2,095 | 2,735 | 0,243 | 260 |
| 110 | 1,405 | 1,538 | 8,994 | 13,065 | 0,649 | 2,086 | 2,718 | 0,241 | 250 |
| 120 | 1,541 | 1,674 | 9,789 | 14,426 | 0,587 | 2,079 | 2,706 | 0,240 | 240 |
| 130 | 1,552 | 1,685 | 9,853 | 14,537 | 0,584 | 2,078 | 2,705 | 0,240 | 230 |
| 140 | 1,749 | 1,882 | 11,006 | 16,546 | 0,513 | 2,070 | 2,690 | 0,239 | 220 |
| 150 | 1,824 | 1,957 | 11,444 | 17,319 | 0,490 | 2,067 | 2,686 | 0,239 | 210 |
| 160 | 1,877 | 2,01 | 11,754 | 17,869 | 0,475 | 2,066 | 2,683 | 0,238 | 200 |
| 170 | 1,907 | 2,04 | 11,929 | 18,181 | 0,467 | 2,065 | 2,681 | 0,238 | 190 |
| 180 | 1,92 | 2,053 | 12,006 | 18,319 | 0,463 | 2,064 | 2,680 | 0,238 | 180 |
По полученным точкам строим индикаторную диаграмму.
Проектируем расчетную индикаторную диаграмму с целью ее приближения к действительной с учетом данных по фазам распределения и углу опережения впрыскивание топлива для дизеля Д-248, которые приведены в таблице.
Обозначение точек на диаграмме. |
Положение точек на диаграмме. |
Расчетное положение точек в масштабе диаграммы. |
с
|
4.Динамический расчет двигателя
Исходные данные: угловое ускорение кривошипа: , угловая скорость кривошипа , постоянная кривошипно-шатунного механизма ; приведенные массы деталей кривошипно-шатунного механизма: площадь поршня F
п
=0,009498м²
1) Определение значения избыточного давления газов на поршень по формуле , полученные значения вносим в таблицу.
2) Центробежная сила инерции:
3) Расчетные значения сил инерции поступательно движущихся массPj
также приведены в таблице.
4) Расчетные значения сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме одного цилиндра за один рабочий цикл дизеля, приведены в таблице. При этом соответствующие значения тригонометрических функций для постоянной также приведены в таблице.
5) Для контроля правильности сил рекомендуются сделать проверку сравнения среднего значения потенциальной силыT
, определенным по данным таблицы, со средним значением тангенциальной силы, полученного по данным теплового расчета. Разница в полученных расчетов не должна превышать 5%.
Для рассматриваемого дизеля: расчет сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме одного цилиндра двигателя Д-248.
| φ | Pги |
|||||||||||||
| 0 | 0 | 0 | -7,83234 | -7,83234 | 0 | 0 | 1 | -7,83234 | 0 | 0 | 1 | -7,83234 | 5,80766 | 7,83234 |
| 30 | 0 | 0 | -6,15576 | -6,15576 | 0,137 | -0,84334 | 0,797 | -4,90614 | 0,619 | -3,81041 | 1,009 | -6,21166 | 8,73386 | 6,212039 |
| 60 | 0 | 0 | -2,20272 | -2,20272 | 0,242 | -0,53306 | 0,29 | -0,63879 | 0,987 | -2,17409 | 1,029 | -2,26617 | 13,00121 | 2,265992 |
| 90 | 0 | 0 | 1,713099 | 1,713099 | 0,283 | 0,484807 | -0,283 | -0,48481 | 1 | 1,713099 | 1,039 | 1,780768 | 13,15519 | 1,780379 |
| 120 | 0 | 0 | 3,916054 | 3,916054 | 0,242 | 0,947685 | -0,71 | -2,7804 | 0,745 | 2,91746 | 1,029 | 4,028862 | 10,8596 | 4,030161 |
| 150 | 0 | 0 | 4,44266 | 4,44266 | 0,137 | 0,608644 | -0,934 | -4,14944 | 0,381 | 1,692653 | 1,009 | 4,483007 | 9,49056 | 4,481398 |
| 180 | 0 | 0 | 4,405909 | 4,405909 | 0 | 0 | -1 | -4,40591 | 0 | 0 | 1 | 4,405909 | 9,23409 | 4,40591 |
| 210 | 0 | 0 | 4,44266 | 4,44266 | -0,137 | -0,60864 | -0,934 | -4,14944 | -0,381 | -1,69265 | 1,009 | 4,403033 | 9,49056 | 4,481397 |
| 240 | 0,05 | 0,474 | 3,916054 | 4,391429 | -0,242 | -1,06273 | -0,71 | -3,11791 | -0,745 | -3,27161 | 1,029 | 4,267666 | 10,52209 | 4,51938 |
| 270 | 0,12 | 1,139 | 1,713099 | 2,853999 | -0,283 | -0,80768 | -0,283 | -0,80768 | -1 | -2,854 | 1,039 | 2,746871 | 12,83232 | 2,966085 |
| 300 | 0,31 | 2,944 | -2,20272 | 0,744602 | -0,242 | -0,18019 | 0,29 | 0,215935 | 0,987 | 0,734923 | 1,029 | 0,723617 | 13,85594 | 0,765989 |
| 330 | 1,05 | 9,972 | -6,15576 | 3,827114 | -0,137 | -0,52431 | 0,797 | 3,05021 | -0,619 | -2,36898 | 1,009 | 3,792977 | 16,69021 | 3,862104 |
| 360 | 4,25 | 40,366 | -7,83234 | 32,57453 | 0 | 0 | 1 | 32,57453 | 0 | 0 | 1 | 32,57453 | 46,21453 | 32,57453 |
| 390 | 7,01 | 66,580 | -6,15576 | 60,4918 | 0,137 | 8,287377 | 0,797 | 48,21197 | 0,619 | 37,44443 | 1,009 | 59,95223 | 61,85197 | 61,0449 |
| 420 | 2,75 | 26,119 | -2,20272 | 23,9429 | 0,242 | 5,794181 | 0,29 | 6,94344 | 0,987 | 23,63164 | 1,029 | 23,26812 | 20,58344 | 24,63059 |
| 450 | 1,43 | 13,582 | 1,713099 | 15,30882 | 0,283 | 4,332396 | -0,283 | -4,3324 | 1 | 15,30882 | 1,039 | 14,73419 | 9,3076 | 15,91005 |
| 480 | 0,93 | 8,833 | 3,916054 | 12,75803 | 0,242 | 3,087442 | -0,71 | -9,0582 | 0,745 | 9,50473 | 1,029 | 12,39847 | 4,5818 | 13,12977 |
| 510 | 0,77 | 7,313 | 4,44266 | 11,76343 | 0,137 | 1,61159 | -0,934 | -10,987 | 0,381 | 4,481868 | 1,009 | 11,65851 | 2,653 | 11,86597 |
| 540 | 0,71 | 6,743 | 4,405909 | 11,15623 | 0 | 0 | -1 | -11,1562 | 0 | 0 | 1 | 11,15623 | 2,4838 | 11,1562 |
| 570 | 0 | 0 | 4,44266 | 4,44266 | -0,137 | -0,60864 | -0,934 | -4,14944 | -0,381 | -1,69265 | 1,009 | 4,403033 | 9,49056 | 4,481397 |
| 600 | 0 | 0 | 3,916054 | 3,916054 | -0,242 | -0,94768 | -0,71 | -2,7804 | -0,745 | -2,91746 | 1,029 | 3,805689 | 10,8596 | 4,030161 |
| 630 | 0 | 0 | 1,713099 | 1,713099 | -0,283 | -0,48481 | -0,283 | -0,48481 | -1 | -1,7131 | 1,039 | 1,648796 | 13,15519 | 1,78038 |
| 660 | 0 | 0 | -2,20272 | -2,20272 | -0,242 | 0,533059 | 0,29 | -0,63879 | -0,987 | 2,174087 | 1,029 | -2,14064 | 13,00121 | 2,265989 |
| 690 | 0 | -6,15576 | -6,156 | -0,137 | 0,843372 | 0,797 | -4,90633 | -0,619 | 3,810564 | 1,009 | -6,10109 | 8,73367 | 6,212284 |
5 Тяговый расчет двигателя
Имеем трактор ЛТЗ-60,номинальнальная мощность 74,8кВт, частота врашения 2000об/мин, удельный расход топлива 166г/кВт ч.
Расчетная сила тяжести трактора:
где Р
кр.оп
= 9000Н
- оптимальная сила тяги, φ
кр.оп
= 0,25
оптимальное значение коэффициента использования сцепления, λ
=0,85
.
Находим расчетную эксплутационную массу.
где g=9,8м/с - ускорение свободного падения.
Механический КПД трансмиссии определяется из формулы:
где ηц= и ηк – КПД цилиндрических и конических шестерен трансмиссии, работающих на 1 передаче.
ξ – коэффициент, учитывающий, какая часть номинального крутящего момента двигателя затрачивается на холостое прокручивание двигателя.
Теоретическая скорость трактора на основной передаче;
Конструктивная масса трактора:
Где my
= 60кг/кВт удельная масса трактора, Nе
=74,8кВт- мощность двигателя. Минимальная эксплутационная масса:
Основные параметры ходовой системы. Радиус качении колес рассчитывают по формуле:
Где d и bнаружный диаметр обода и ширина профиля покрышки, 0,8…0,85- коэффициент, учитывающий радиальную деформацию шин.
Передаточные числа трансмиссии.
Знаменатель геометрической прогрессии определяют по формуле:
;
где - оптимальная касательная сила тяги на 1 основной передаче, z- число передач, -минимальна касательная сила тяги на высшей основной передачи.
σ
Т
=2,25- диапазон рабочих тяговых усилий проектируемого класса, для универсально пропашных тракторов (σ
Т
=2…2,5).
Передаточное число соответствующая первой передаче:
Передаточное число для второй передачи:
Передаточное число для третьей передачи:
.
Расчет для построения тяговой характеристики.
Частота вращения холостого хода:
где δр=(0,06…0,08)- степень неравномерности регулятора числа оборотов.
Частота вращения при максимальном крутящем моменте:
где К
0
=(1,3…1,6)-коэффициент приспособляемости двигателя по оборотам.
Максимальный крутящий момент:
где К
М
=1,12- коэффициент запаса крутящего момента, -номинальный крутящий момент.
Эффективная мощность при максимальном крутящем моменте:
Часовой расход на номинальном режиме загрузки:
Часовой расход топлива при холостой работе:
Часовой расход топлива при максимальном крутящем моменте:
где -удельный расход топлива.
Результаты расчета по двигателю заносим в таблицу.
| Режимы работы | Основные показатели | ||||
| n1
об/мин |
M2
,Нм |
Ne
,кВт |
GТ
,кг/ч |
g
, г/кВт |
|
| Холостой ход | 2140 | 0 | 0 | 3,35 | 0 |
| Номинальная мошность | 2000 | 357,23 | 74,8 | 18,2 | 166 |
| Максимальная перегрузка | 1428 | 400 | 58,8 | 17,5 | 199,2 |
По данным таблицы строим регуляторную характеристику двигателя (рис. 8)
Построение кривой буксования ведущих колес.
Определяем сцепную силу тяжести:
Задаемся значениями φ
кр
от 0,1 до ,
Результаты заносим в таблицу:
| Pкр | 3599,99 | 7199,98 | 10799,97 | 14399,96 | 17999,95 |
| Gсц | 35999,9 | 35999,9 | 35999,9 | 35999,9 | 35999,9 |
| φкр | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 |
| δ | 1 | 3 | 8 | 14 | 25 |
По полученным данным строим график буксования (рис 9).
Определение тягово-динамических и топливно-экономических показателей трактора.
Касательная сила тяги на режиме максимальной перегрузки определяется по формуле:
Касательная сила тяги при нормальном режиме для первой передачи:
Определяем усилие на крюку:
;
В режиме максимальной перегрузки;
Для номинального режима:
Определяем теоретическую скорость движения трактора:
При холостой работе трактора;
Для номинального режима:
Для режима максимальной перегрузки:
Действительная скорость движения трактора: :
Действительная скорость трактора на холостом ходу равна теоретической т.к. (δ=0). Номинальный режим:
Максимальная нагрузка:
Тяговая мощность трактора:
Для максимального режима;
;
;
;
Номинальный режим;
;
;
;
Тяговый КПД.
Номинальный режим;
; ; .
Максимальная перегрузка;
; ;.
Удельный расход топлива;
Номинальный режим:
Максимальная перегрузка:
| Режим работы. | Передача | Основные тягово-динамические показатели и экономические показатели трактора. |
|||||
| Pкр
|
Vд
|
Nкр
|
Gт
|
gкр
|
δ
|
||
| Холостой ход. | 1 2 3 |
0 0 0 |
15,1 17,9 21,34 |
0 0 0 |
3,35 3,35 3,35 |
- - - |
0 0 0 |
| Номинальная тяговая мощность. | 1 2 3 |
9046,22 6384,72 4148,22 |
13,49 16,41 19,74 |
33,89 29,1 22,74 |
18,2 18,2 18,2 |
5370,3 6254,2 8003,5 |
0,05 0,03 0,018 |
| Максимальная сила тяги. | 1 2 3 |
11042,08 8061,91 5557,57 |
9,4 11,59 13,94 |
28,83 25,95 21,52 |
17,5 17,3 17,5 |
6312,9 7013,49 8457,25 |
0,078 0,04 0,02 |