Пильов В.О., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників. Том 4. Основи САПР ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

Тоді глобальний оптимум визначається за рівнянням

2,1

),(min

опт

minопт.

оптопт

≤Ξ=

∈

xdd

(7.62)

або, що рівнозначно,

. (7.63)

Коли за функціональним призначенням

2,1),(max

опт

maxопт.

оптопт

≥Ξ=

∈

xdd

пев

з множини

ні відмінні конструкції

опт

мають однакову якість , то слід переходити до

аналіз

час в роектув

урсу поршня

в прийнятій моделі експлуата-

ції дв

зв

ня (дані табл.7.9) при

форсу

maxопт.

у їх технологічності.

Водно усіх випадках процес п ання завершується про-

гнозуванням відносного рес

игуна

Ξ на основі використання виразу (7.34).

Розрахунки показують, що за умов ичайної багатопрофільної екс-

плуатації трактора сільськогосподарського призначен

ванні двигуна 4ЧН12/14 до 25 кВт/л для поршня з S-подібним теп-

ловодом плановий ресурс

=10000 год не досягається,

= 0,62 < 1,2.

Аналогічні розрахунки для конструкції поршня з Г-подібним тепловодом

дають результат

=1,5. Останнє означає, що задачу забе чення плано-

вого ресурсу конструкції щодо прийнятих умов експлуатації двигуна ви-

рішено.

Безумовно, що в загальному випадку отримання значення

(

опт.max

зпе

),Ξ

в межах обраної множини конкуруючих конструкцій

ще

не є о у

(7.34). Остан

достатньою умов ю гарантованого забезпечення ресурс поршня

нє пояснюється обмеженнями множини попередньо відібра-

них схемних рішень

⊂

. Це означає, що в разі порушення умови

(7.34) означену множину слід розширити і цикл проектування повторити.

7.5.8. Зіставлення якості використання конкуруючих

конструкцій за різних умов експлуатації

я до друго-

го та розгля

залеж

Знизимо рівень моделі аналізу термонапруженості поршн

немо оптимальні значення критерію якості конструкції

опт.max

темп

но від ступеня форсування двигуна. Такі дані зведено в табл.7.11, де

380

відповідні оптимальні конструкторські рішення виділено шрифтом

видно, що зміна ступеня форсування двигуна передбачає використання ін-

шого комплексу конструктивних заходів, який формує оптимальний рівень

теплонапруженості об’єкта проектування.

Таблиця 7.11 – Оцінка бажаності конс

ідкритою КЗ дизеля 4ЧН12/14

. З неї

трукцій поршнів з

Ная

ного

вність масля- Наявність

°C

21−

∆

21−

∆t

°C

охолодженн

тепловода

опт

темп

= 18,5 кВт/л

– – 309 0,59 30 0,76 242 0,80 0,71

– Г 291 0,92 0,98 241 0,80 0,90 -подібний 17

Є – 30 0,8 237 0,73 0,78 1 0,80 29

Є Г-подібний 283 0,96 16 0,99 235 0,63 0,83

= 18,5 кВт/л, проміж хол ен віне о одж ня по тря

– – 286 0,95 24 0,92 234 0,58 0,79

– Г-подібний 271 0,99 12 0,99 232 0,51 0,79

Є 0,42 0,73 – 278 0,98 21 0,95 229

Є Г-подібний 264 0,99 13 0,99 228 0,39 0,73

=2 т/л0 кВ

– – 317 0,32 31 0,76 248 0,51 0,50

– Г-подібний 299 0,82 18 0,97 246 0,58 0,77

Є – 308 0,76 242 0,80 0,72 0,62 30

Є Г-под ний іб 290 0,92 16 0,98 241 0,80 0,90

= 20 кВт/л, п ол енн ітроміжне ох одж я пов ря

– – 294 0,89 25 0,90 240 0,80 0,86

– Г-подібний 279 0,98 14 0,99 241 0,80 0,92

Є 0,63 0,82 – 286 0,95 24 0,92 235

Є Г-подібний 271 0,99 13 0,99 236 0,68 0,87

= 2 т/л2 кВ

Є – 321 0,23 32 0,63 248 0,51 0,42

Є Г-подібний 300 0,82 18 0,97 247 0,54 0,76

= 22 /л, п еннкВт роміжне охолодж я повітря

– – 305 0,72 26 0,88 248 0,51 0,69

– Г-подібний 289 0,93 16 0,98 246 0,58 0,81

Є 0,73 0,83 – 297 0,86 25 0,90 243

Є Г-под ний іб 281 0,97 14 0,99 241 0,80 0,92

= 25 кВт/л, п ол енн ітроміжне ох одж я пов ря

Є – 314 0,45 28 0,83 255 0,33 0,49

Є Г-подібний 296 0,87 15 0,99 253 0,37 0,68

381

Так ри форсуван двигу о кВ ве на

ід

дає ко я і м

охоло

ті може бути досягнуто при наявності проміжного

, п ні на д 18,5 т/л личи

оп

те

т.max

в пові-

нструкції дизеля без проміжного охолодження повіт асляного

дження поршня, але при наявності Г-подібного тепловода. Підви-

щення літрової потужності до

= 20 кВт/л потребує введення масляного

струминного охолодження поршня. При наявності проміжного охоло-

дження повітря заходи по впровадженню масляного охолодження констру-

кції непотрібні.

При форсуванні двигуна до 22 кВт/л

забезпечення потрібного рівня

теплонапруженос

охолодження повітря, масляного струминного охолодження поршня та

Г-подібного тепловода. Подальше форсування потребує застосування ін-

ших, більш ефективних конструктивних схем.

Таким чином, для кожного рівня форсування двигуна маємо оптима-

льне схемне рішення

опт

, а для кожного схемного рішення має місце рі-

вень форсування двигуна, при якому це рішення є найбільш ефективним.

Чисельна ілюстрація цього ствердження подана на рис.7.40.

те

мп

0,80

0,63

0,37

14 16

18 22

, кВт/л

Рисунок 7.40 – Чисельна нка бажаності конкуруючи констру

поршнів з відкритою КЗ залежно від рівня форсування двигуна 4ЧН12/14:

им

оці кцій

1 – поршень без охолодження; 2 – масляне струминне охолодження поршня;

3 – поршень з Г-подібним тепловодом без охолодження; 4 – масляне струминне

охолодження поршня, проміжне охолодження повітря; 5 – поршень з Г-подібн

тепловодом, проміжне охолодження повітря; 6 – поршень з Г-подібним теплово-

дом та масляним струминним охолодженням, проміжне охолодження повітря;

7 – масляне галерейне охолодження поршня, проміжне охолодження повітря;

8 – поршень з Г-подібним тепловодом та масляним галерейним охолодженням,

проміжне охолодження повітря

382

В цілому слід підкреслити, що використання чисельної інформації

щодо конкуруючих конструкцій об’єкта проектування залежно

від рі

7.5.9. Зіставлення якості конкуруючих конструкцій

в прийнятій моделі експлуатації

ьтату проек-

тування є д ня техніко-економічних по-

казни

ідовного (див.

блоки

іти відповідним набором характеристик зразків двигу-

нів-ан

вто

никами та показниками енергоємності. В першій групі

крите

бажаності

вня форсування двигуна дозволяє конструктору розрахунковим мето-

дом встановлювати факт вичерпання можливостей певного рішення та сві-

домо переходити до пошуку нових (альтернативних) конструкцій. Завдяки

цьому розглянутий підхід дозволяє перевершувати зразки-аналоги за спо-

живчою

вартістю з мінімальними витратами часу і коштів на проектуван-

ня.

Обов’язковою умовою забезпечення довершеності резул

остовірне урахування сучасного рів

ків прогресивних конструкцій, пошук шляхів подальшого удоскона-

лення СТС, визначення напрямів розвитку технологічних можливостей ви-

робництва. Перелічені вимоги повинні контролюватись на всіх стадіях

проектування, починаючи з розробки технічного завдання.

Згідно з загальною схемою проходження проекту

в САПР етап роз-

робки ТЗ, аналогічно до інших, передбачає можливість посл

1 – 4 рис.2.7) уточнення. Останнє виконується на основі аналізу

конкуруючих конструкцій із залученням математичних моделей різних

рівнів складності.

Для виконання порівняльних оцінок якості конкуруючих конструк-

цій потрібно волод

алогів. Вони можуть бути

отримані шляхом пошуку відповідної тех-

нічної інформації та (або) проведення сертифікаційних випробувань. На-

далі визначення узагальненої кількісної оцінки якості проекту

∑

можна

здійснити на основі вже розглянутої функції бажаності Харрінгтона. Вико-

наємо таку оцінку для дизелів комбайнового, тракторного та а мобіль-

ного призначення.

Узагальнену якість конструкції дизеля будемо визначати за еколого-

економічними показ

ріїв розглянемо питому витрату палива, витрату масла на угар та від-

повідність двигунів

нормам токсичності за правилами ЄЕК ООН, в дру-

гій – літрову потужність, питому масу, коефіцієнт теплового навантаження

383

КЗ. Зрозуміло, що якість конструкції буде визначатися мінімально можли-

вим рівнем показників першої групи та максимально можливим – другої.

Приймемо, що для конкуруючих конструкцій двигунів часткові кри-

терії бажаності знаходяться в межах

= 0,8...0,63. Тоді перетворення вка-

заних вище показників до шкали бажаності

]1;0[

∈

виконаємо в табл.7.12

з використанням виразу (7.49) та даних ВАТ ГСКБД.

Таблиця 7.12 – Перетворення основних пок

швидкохідних дизелів згідно з безрозмірною шка

азників якості

лою бажаності

Значення

коефіцієнтів

иразу (7.49)

№

показника показника

Найменування Значення

Відповідність

показника шкалі

/п

бажаності

Пи а

палива,

, г/кВт·год

228

5,5138 -0,02089

тома витрат

193 0,8

0,63

Витрата масла

на ар, % уг

0,2

0,4

0,8

0,63

2,2279 -3,6395

Від ам

ЄВ

0,63

повідність норм

оксичності

РО-3

РО-2

ЄВРО-1

0,8

0,69 2,7113 -0,2426

Літрова потужність,

, кВт/л

0,8

0,63

-0,1543 0,06617

Питома маса,

пит.

г/кВт к

3,45

6,0

0,8

0,63

2,4848 -0,2855

навантаж З

0,17

оефіцієнт теплового

ення К ,

кВт/мм

0,35 0,8

0,63

0,08464 4,0439

ні технОснов іко-економічні показники дизелів та ре-

зультати оцінки їх якості з використанням узагальненого критерію бажа-

ності

швидкохідних

Харрінгтона (7.51) надані в табл.7.13 – 7.15. Тут параметри позицій

6 – 10 в знаменнику подають значення згідно зі шкалою бажаності. В по-

зиціях 11 – 13 критерій

пал

встановлює чисельне значення досконалості

конструкції за еколого-економічною групою показників,

енерг

визначає

рівень енергоємності двигуна, а

∑

є узагальненим критерієм його якості.

З даних таблиць видно, що вітчизняний дизель тракторного призна-

384

чення СМД-35 за комплексом розглянутих параметрів на сьогодні посту-

паєтьс

зелів

Трактор Трактор Трактор

р”

я двигунам фірми “Дойц” і “Джон-Дір” (див. табл.7.13). Комбайно-

вий двигун СМД-31.16 за рівнем енергоємності

енерг

відповідає, а за уза-

гальненим критерієм якості

∑

наближається до австрійського двигуна

WD615.84 фірми “Штаєр” (див. табл.7.14). Автомобільний дизель СМД-

31.15 за критерієм

∑

відпов якості двигуна ЯМЗ-238Б і наближається

до угорського дизеля Д10 фірми “Раба” (див. табл.7.15). Порівняння дви-

гунів СМД-31.15, ЯМЗ-238Б і Д10 свідчить, що дизель СМД є кращим за

енергоємністю, але поступається за еколого-економічним рівнем.

Таблиця 7.13 – Техніко-економічні показники тракторних ди

ідає

ХТЗ-180Р ХТЗ-16031 “Джон-Ді

№

п/

Найменування

показників

BP6M1013E

СМД-35

(Україна)

“Дойц”

(Германія)

6081Т

“Джон-Дір”

(США)

1 Потужність, кВт 132 134 127

2 Частота об хв

–1

ертання КВ, 2000 2200 2200

Кількість і розміщ

циліндрів

ення

6Р 6Р 6Р

4 Діаметр циліндра, мм 120 108 116

5 Ход поршня, мм 140 130 129

Питома витрата палива

г/кВт·год / –

218 97 215 03 / 0,6 / 0,7

16,5 / 0,695

7 Витрата масла на угар, % / – 0,3 25 0,25 65 0,25 / 0,7 / 0,7 / 0,765

8 Літрова потужність, кВт/л / – 14 / 0,63 17,7 / 0,697 15,7 / 0,662

9 Питома маса, кг/кВт / – 6,44 / 0,592 5,07 / 0,702 5,79 / 0,647

Теплове навантаження КЗ,

кВт/мм / –

,18 / 0,642 0,21 / 0,675 0,18 / 0,642

Показники бажаності дконструкцій изелів

Еколого-економічний рівень,

пал

0,706 0,733 0,729

Рівень енергоє

3 0,653

мності,

енерг

0,624 0,69

Узагальнений критерій якості,

∑

0,654 0,708 0,681

узагаль функц ності нг-

тона дозволяє виконати чисельну оцінку якості конструкцій двигунів та

Таким чином, використання неної ії бажа Харрі

385

386

387

автоматизувати процес пошуку шляхів їх покращення. Окрім вказаного

ажливо, що при отриманні нової чисельної інформації щодо розробок різ-

их фірм, ці дані повинні бути використані у виразах для чисельного ви-

начення якості конкуруючих конструкцій. Інакше, поява нових кращих

також видно

, комбайнових – 0,75, автомобільних – 0,78. Останнє ще

раз пі

задач проектування та необхідність ви-

користання комплексу моделей різних рівнів складності в процесі оптимі-

зації т у САПР

функціональ ю

з точк

имізації відповідає блоку 9 системи проектування КЗ, яку зобра-

жено

ій

Х. Функціональне призначення цих блоків повністю

збігає

зразків двигунів-аналогів приводить до корекції даних табл.7.12 і відповід-

но зменшує чисельні

показники якості

пал

енерг

∑

існуючих конструк-

цій. Водночас встановлення для кращого зразка двигуна певної величини

= 0,8 дозволяє отримувати нові конструкторські рішення, які відповіда-

тимуть величині

> 0,8.

На основі розглянутих табл.7.13 – 7.15 , що загальний

досягнутий рівень енергоємності дизелів

енерг

залежить від їх призначен-

ня, тобто умов експлуатації. Так на сьогодні для тракторних двигунів він

досягає рівня 0,71

дтверджує практичний досвід необхідності врахування умов експлуа-

тації двигунів при їх проектуванні.

7.5.10. Загальна методологія конструктивної оптимізації

теплонапруженого стану поршня швидкохідного дизеля

Набір суттєво різноманітних

еплонапруженого стану поршня робить відповідну підсистем

но та за методикою проходження проекту достатньо типово

и зору розгляду питань застосування багатоетапних автоматизованих

систем.

Загальну схему підсистеми оптимізації теплонапруженого стану по-

ршня подано

на рис.7.41. Її розроблено у повній відповідності з типовою

послідовністю виконання проектних процедур (див. рис.2.8). Сама підсис-

тема опт

на рис.2.14.

З рис.7.41 видно, що частина з блоків підсистеми оптимізації не має

цифрової нумерації. Їх виділено кольором та пронумеровано літерами.

По-

перше

, це блоки а і б синтезу типових моделей поршнів з множини конку-

руючих конструкц

ться з призначенням блока 1 системи проектування КЗ (див.рис.2.14).

388

389

исунок 7.41 – Загальна

еплонапруженого ст

– перев

схема підсистеми оптимізації

т ану поршня:

ажні потоки; – допоміжні потоки

Зіставлення якості

конструкції в використання

різни

експ

х умовах

луатації

Зіставлення якості

чих конструкцій в

ід попе

едніх

підсистем

проектування

До попередніх

підсистем

проектування

конкурую

при

експл

йнятих умовах

уатації

Формулювання ТЗ

Синтез типових моделей по-

ршнів з множин

∈

x X

Розробка і аналіз

уявної моделі по

(рівень 0),

нової

ршня

∉

Типізація нових

ко

по

нструкцій

ршнів

Синтез типових моделей

поршнів з множини

⊂

До підсистеми

синтезу

укторської

ментації

констр

доку

Зіставлення даних локальних оп-

пт.

X⊂

тимумів

о.оптопт.

),( XxxD ∈

Аналіз конструкції

maxопт.

(рівень 4)

Аналіз початкових очок оп-

xXx ∈

тимізації

X∉

Рівень 1

Рівень 3

Рівень 4

Рівень 2

Модел

експлуат

ації

Оптимізація конкуруючих

струкційкон

Xx ∈

Рівень 1

Рівень 2

Рівень 3

Рівень 4