Увеличение нагрузочной способности тягово-транспортного средства с использования накопителя энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Шмелев, Михаил Николаевич

• Шмелев, Михаил Николаевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шмелев, Михаил Николаевич

Сокращения.

Введение.

Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1 Специфические особенности и условия работы сельскохозяйственных и промышленных тракторов и их трансмиссий.

1.2 Преимущества применения в сельскохозяйственных и промышленных тракторах электрической трансмиссии.

1.3 Основные элементы электрической трансмиссии трактора.

1.4 Режимы работы электрической трансмиссии.

1.5 Тенденции и проблемы развития мощных и сверхмощных тракторов.

1.6 Особенности электрической трансмиссии тракторов, ее достоинства и недостатки по сравнению с механической.

1.7 Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Причины, характер изменения момента сопротивления на валу электродвигателя и уравнение движения агрегата при его работе.

2.1 Динамические качества двигателя с различными характеристиками.

2.2 Составляющие момента сопротивления тракторного агрегата.

2.3 Причины и характер изменения тягового сопротивления прицепного орудия.

2.4. Показатели, определяющие характеристику изменения момента сопротивления на валу двигателя.

2.5. Выражение силы или момента сопротивления на валу двигателя от прицепной машины.

2.6. Причины и характер изменения момента сопротивления перекатыванию при форсировании подъемов от сил инерции и сил трения.

2.6.1. Моменты сопротивления перекатыванию.

2.6.2. Момент сопротивления при форсировании подъемов.

2.6.3. Момент сопротивления от сил инерции и трения.

2.7. Характер изменения момента сопротивления на валу двигателя и общий вид уравнения движения агрегата при работе на пахоте.

2.8. Анализ развития суперконденсаторов для использования в системах электропривода.

2.9. Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование переходного режима электропривода в момент трогания и периода разгона электротракторного агрегата.

3.1. Переходный процесс трактора при наличии электропривода.

3.2. Уравнения движения системы электропривода с прямолинейной механической характеристикой двигателя.

3.3. Разгон агрегата при моменте трения муфты пропорциональном времени.

3.4. Алгоритм работы комбинированной энергоустановки.

3.5. Диспетчер режимов.

3.6. Моделирование работы гибридного трактора при транспортных работах

3.6.1. Определение параметров суперконденсаторов.

3.6.2. Временная диаграмма нагрузки.

3.6.3. Модель суперконденсатора.

3.6.4. Выбор приближения.

3.6.5. Результаты подбора.

3.7. Выводы по главе 3.

Глава 4. Экспериментальное исследование переходных режимов двигателей тракторов при неустановившейся нагрузке.

4.1. Методика проведения экспериментальных исследований.

4.2. Измерительная аппаратура.

4.3. Методика обработки опытных данных.

4.4. Исследование влияния внутреннего сопротивления накопителя энергии на эффективность КЭУ трактора на транспортных работах.

4.5. Характер изменения и величина электромеханических параметров при разгоне трактора без орудия и с орудием в транспортном положении при стендовых исследованиях.

4.6. Сравнительная оценка технико-экономических показателей трактора с комбинированной энергоустановкой.

4.7. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Увеличение нагрузочной способности тягово-транспортного средства с использования накопителя энергии»

Механизация ряда трудоемких процессов значительно расширила область использования тракторов. Прежде они применялись главным образом в сельском хозяйстве. В настоящее же время тракторы, снабженные различными вспомогательными орудиями (бульдозеры, скреперы), используются в различных отраслях промышленности и строительства для производства тяжелых земляных работ для вскрытия тяжелых грунтов при добыче полезных ископаемых, при прокладке нефтегазопроводов, при строительство ирригационных сооружении, электростанции и т. д.

Промышленное использование тракторов связано с рядом специфических особенностей их эксплуатации, таких как цикличность технологических процессов, повышенная неравномерность нагрузки (например, при работе трактора как бульдозера) и др., что существенно отличает работу промышленных тракторов от сельскохозяйственных.

В связи с различными колебаниями нагрузки промышленного трактора важное значение для него приобретает возможность автоматического регулирования тяговых усилии и скоростей движения в широком диапазоне при относительной стабилизации нагрузки теплового двигателя за счет его работы в режимах с наиболее высокой эффективностью и, таким образом, достижение высокой экономичности работы трактора независимо от квалификации и опыта водителя. Решение этой задачи в настоящее время достигается применением непрерывных многоступенчатых электромеханических трансмиссий.

Сельскохозяйственный трактор конца 90-х годов - это, в основном, полноприводная машина, оснащенная малоповреждающими почву шинами увеличенного профиля, экономичным двигателем, передней и задней навеской с быстродействующей сцепкой, многодиапазонной коробкой передач с автоматическим переключением передач без разрыва потока мощности и др.

Но по-прежнему основным эксплуатационным показателем машинно-тракторного агрегата (МТА) является его производительность.

Выполнение многих сельскохозяйственных работ производится при условии ограничения движения МТА, небольших величинах тягового сопротивления (боронование посевов, культивация междурядий и др.) которые не дают возможности использовать всю мощность тракторного двигателя и не позволяют использовать наиболее экономичные режимы его работы.

Кроме того особенности тягового режима трактора, заключающиеся в том, что силы сопротивления движению тракторного агрегата имеют неустановившейся характер и во время работы непрерывно колеблются в довольно значительных пределах. Колебания нагрузки происходят в результате влияния микрорельефа поля, неоднородности почвы, особенностей технологического процесса выполняемой сельскохозяйственной операции, неравномерности сопротивления качению и многих других факторов.

Колебательный характер нагрузки вызывает необходимость резервировать некоторую часть мощности тракторного двигателя для преодоления систематически возникающих пиковых сопротивлений движению.

Некоторый резерв мощности может также потребоваться для обеспечения разгона тракторного агрегата, не прибегая к переключению передач. В связи с необходимостью иметь резерв мощности тракторный агрегат приходится комплектовать таким образом, чтобы его средний приведенный к коленчатому валу момент сопротивления был несколько меньше номинального крутящего момента двигателя. Поэтому при определении потребной мощности тракторного двигателя при тяговом расчете учитывают резерв мощности в пределах 15 - 20 % [1-5].

Таким образом, трактор может работать с высокими значениями тягового К.П.Д. только в определенном диапазоне тяговых усилий на крюке.

Чем больше отклонение тяговые усилия в ту или другую сторону за пределы указанного диапазона, тем интенсивнее снижается тяговый К.П.Д. Т.е. производительность агрегата в большей степени зависит от соответствия параметров трактора и характера механической характеристики двигателя данным условиям работы [6-8].

При колебании нагрузки до 30% и работе дизеля на номинальном режиме средняя частота вращения коленчатого вала двигателя может уменьшаться до 15% от номинальной. Соответственно рабочая скорость трактора снижается на 15% т.е. от 10 км/ч на1,5 км/ч.

Потери при снижении скорости на 1 км/ч составляют в среднем для колесного трактора тягового класса 1,4:

- снижение выработки за 1 ч эксплуатационного времени на 1-го работающего - 9-12%;

- увеличение эксплуатационных затрат на 1 га - 4-8%;

- увеличение затрат топлива - 4-5%;

- уменьшение выработки на 1 т металла агрегата - 4-9%.

Следующим немаловажным показателем на сегодняшний день является экологическая безопасность сельскохозяйственного производства.

Можно отметить, что из всех отраслей народного хозяйства сельское хозяйство в наибольшей степени зависит от загрязнения окружающей среды. Использование в качестве топлива угля и мазута приводит к выбросу огромного количества тяжелых металлов, попадающих в почву [8].

Вариантом улучшения этих показателей предлагается рассмотреть возможность установки на трактор комбинированной силовой установки с электрической трансмиссией.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Шмелев, Михаил Николаевич

Общие выводы

1. По данным исследований и оценкам специалистов, автоматические бесступенчатые трансмиссии повышают производительность, снижают расход топлива, обеспечивают оптимальную нагрузку на двигатель, их КПД находится в пределах для многоступенчатых коробок передач с переключением под нагрузкой. Достижения в электронных системах управления позволяют эксплуатировать бесступенчатые передачи эффективнее, чем коробки передач с переключением под нагрузкой, причем их можно легко интегрировать в общую электронную систему управления трактором.

2. На основании диаграмм динамометрирования установлено, что период изменения силы сопротивления при пахоте, как наиболее энергоемкой операции по обработке почвы, изменяется в широких пределах, от 0,2 до 2 секунд.

3. По данным расчетов, с учетом 20 % резерва 92 % необходимых значений номинальной мощности для основных технологических операций находятся в диапазоне 36. 148 кВт.

4. Одним из главных подходов к спецификации суперконденсаторов является использование гипотетической временной зависимости потребляемой мощности и RC-модели.

5. Установлено, что энергетические потери в суперконденсаторе за один цикл заряд-разряд для принятых величин RC-временной постоянной равной 5,0 с составляют приблизительно 30 %.

6. Выявлено, что ток двигателя в момент трогания равен средней силе тока при движении трактора после разгона. Время включения электропривода при неподвижном тракторе меньше времени включения в первый период разгона.

7. Рекомендуемые оптимальные по критерию минимального расхода топлива значения и соответственно энергоемкость накопителя (кДж) для двигателей наиболее распространенных марок будут следующими:

- для Д-243 при (5=10 % -60 кДж, при <5=20 % 120 кДж, и при <5=30 % -180 кДж;

- для А-41 при <5=10 % -70 кДж, при <5=20 % 140 кДж, и при <5=30 % -210 кДж;

- для ЯМЗ-238НД при <5=10 % -180 кДж, при <5=20 % 360 кДж, и при <5=30 % -540 кДж.

8. Результаты анализа экономичности трактора с КЭУ позволяют утверждать, что при движении трактора на транспортных работах с установившейся скоростью 40 км/ч расходует в 1,32 раза меньше топлива, чем серийный трактор, ДВС которой в 2,3 раза мощнее ДВС КЭУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шмелев, Михаил Николаевич, 2007 год

1. Горячкин В.П. Собрание сочинений в трех томах. Т. 1. М.: Колос, 1965.-720 с.

2. А. с. 727486 (СССР). Предохранительное устройство для транспортного средства/ И.Т. Агапов, B.C. Шкрабак. Оцубл. в Б. И., 1980, № 14. НКИ.

3. А. с. 816849 (СССР). Устройство для предотвращения опрокидывания транспортного средства/И.Т. Агапов, B.C. Шкрабак. Опубл. в Б. И., 1981, № 12. НКИ.

4. Агеев JI.E. Основы расчета оптимальных и допускаемых режимов работы машинно-тракторных агрегатов. JL: Колос, 1978. 296 с.

5. Агеев JI.E. Расчет оптимальных режимов нагрузки мобильных агрегатов.— Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1978, № 1, с. 31 35.

6. ЯэелаКсдвМ.В. 1еория^£и«/ениЯ' rnqioQo-юра испортиых среЭсюб. У^оепособие.-R-: УМЦ Трилт. 200$,-172 с,

7. Агеев JI.E., Бурм А.К. Оценка регуляторных характеристик тракторных двигателей вероятностно-статистическими критериями. В кн.: Сборник науч. трудов ЛСХИ. Л., 1978, т. 350, с. 37 - 41.

8. Агеев Л.Е., Соминич А.В. Оценка показателей работы газотурбинного двигателя после ремонта. В кн.: Сборник науч. трудов ЛСХИ. Совершенствование ремонта сельскохозяйственной техники. Л., 1982, с. 69 -75.

9. Агеев J1.E., Шкрабак B.C. Эксплуатационные допуски на параметры пахотного агрегата с газотурбинным трактором. В кн.: Сборник науч. трудов ЛСХИ. Л., 1981, т. 411, с. 75 - 83.

10. Агеев Л.Е., Шкрабак B.C. Вероятностная оценка показателей работы газотурбинного двигателя. Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1982, №4, с. 36 - 39.

11. Агеев Л.Е., Шкрабак B.C. Технико-экономические показатели пахотного агрегата. Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1983, № 11, с. 44-47.

12. Анилович В.Я., Ведолажченко Ю.Т. Конструирование и расчет сельскохозяйственных тракторов. Справочное пособие. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1975. 456 с.

13. Анохин В.И. Применение гидротрансформаторов на скоростных и гусеничных сельскохозяйственных тракторах. М.: Машиностроение, 1972. 304 с.

14. Чудаков Д.А. Основы теории расчета трактора и автомобиля. М.: «Колос», 1972.

15. Самсонов В.А., Зангиев А.А., Лачуга Ю.Ф., Дидманидзе О.Н. Основы теории мобильных сельскохозяйственных агрегатов. М.: Колос, 2000.

16. Иванов A.M., Иванов С.А. Транспортные средства и проблемы экологии. // Приводная техника, 2000 №2.

17. Иванов A.M., Поляшов Л.И., Иванов С.А. Гибридные энергетические установки в проектах американского и российского электробусов. // Машиностроитель, 2000 №.10.

18. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981.

19. Ефремов И.С., Пролыгин А. П. и др. Теория и расчет тягового привода электромобилей. М.: Высш. школа, 1984. 342 с.

20. АО ЭСМА (http://www.esina-cap.com)

21. Автомобильный справочник. Перевод с английского. (Robert Bosh, 1996) М.: За рулем, 1999. 346 с.

22. OPTIMA BATTERIES (http://www.optimabattery.com)

23. OLDHAM FRANCE S.A. (http://www.hawker.invensvs.com)

24. Electrosource Inc. (http://www.electrosource.coin)

25. Thomson Control (http://www.thomson.com)

26. Сигеру Омату и др. Нейроуправление и его приложения. Кн. 2. М.: ИПРЖР, 2000-272 с.

27. Макаров И.М., Лохин В.М. Интеллектуальные системы автоматического управления М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 576 с.

28. Лохин В.М. и др. Времяимпульсные системы автоматического управления/ Под ред. Макарова И.М. 2-е изд., перераб. - М.: Наука. Физматлит, 1997. - 224 с.

29. IXXA. Products and Services (http://www.ixxa.com)

30. Иванов A.M., Лидоренко Н.С., Шакарян Ю.Г. и др. /МНПО «ЭКОНД». Современная концепция развития городского электротранспорта. Исх. 1, от 29.03.02.32. "Partnerships for a New Generation of Vehicles" (http://www.pngv.com)

31. Стребков Д.С. и др. Система электроснабжения мобильных электроагрегатов// Приводная техника. 2000, №4-С. 32-38.

32. Jeffrey С. Brown, Dennis J. Eichenberg, and William K. Thompson /Льюис Исследовательский Центр Национального Управления по аэронавтике и космонавтике («NASA»). Полигонные испытания пассажирского гибридного электробуса. Кливленд, Огайо, 44135. 1999.

33. А.с. 2059102. СССР. Система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания, оснащенного каталитическим конвертором/ Лев Френк, Иванов A.M., и др. 1991.

34. Frank Lev /Tavrida Canada. Volt Super-Capacitor Provides Cranking Amps to Integrated Starter Alternator. April 12, 2002.

35. Тамм И.Е. Основы теории электричества: Учеб. Пособие для вузов. -10 е изд., испр. М.: Наука, 1989. - 504 с.

36. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. Учебник для химико-технол. специальностей вузов. Изд. Зе, перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1975.- 335 с.

37. Иванов A.M., Герасимов А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя //Электричество. 1991. №8. С. 23 26.

38. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Иванов A.M. и др. Функциональные возможности накопителей электрической энергии в энергосистемах // Изв. РАН. Электричество. 1983. №4. С. 33 36.

39. Астахов Ю.Н. и др. Накопители энергии в электрических системах: Учебное пособие для электроэнергетических специальностей вузов М.: Высшая школа, 1989. - 159 с.

40. А. с. 635351 (СССР). Предохранительное устройство для карданного вала/ B.C. Шкрабак, И.Т. Агапов, А.С. Шкрабак. Опубл. в Б. И., 1978, № 44. НКИ.

41. Пашов Г.С. Автомобили будущего// Автомобильные известия. -2003, №34-С. 10-12.

42. Zytek (http://www.zytek.com)

43. Проспект фирмы ООО «Автоэлектроника».

44. National Renewable Energy Laboratory (NREL) (http://www.nrel.com)

45. Frank Lev /Tavrima Canada Ltd. In pursuit of PNGV goals. 1999.

46. Соснин Д.А. Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей: Учебное пособие. М.: C0J10H-P, 2001.-248 с.

47. General Motors (http://www.»m.com)

48. EVS-16: Сборник докладов на конгрессе. Пекин, 1999.

49. Ксеневич И.П. и др. EVS 16: тенденции и стратегия развития электромобильной техники// Приводная техника. 1999, № 11/12, С. 4-13.

50. Kenneth J. Kelly, Matthew Zolot /National Renewable Energy Laboratory, Gerard Glinsky, Arthur Hieronymus Environmental /Testing Corporation. Test Results and Modeling of the Honda Insight using ADVISOR. 2001-01-2537.

51. John R. Miller /JME, Inc. Electrochemical Capacitors for Hybrid Vehicles.

52. SOLECTRIA (http://www.solectria.com)

53. Полезная модель. №2001100959/20 (001605), B60L 11/18. Гибридная тяговая установка/ Иванов A.M., Иванов С. А. 2001.

54. John R. Miller /JME, Inc. Advanced technology transit bus (ATTB) capacitors. 1997.

55. Проспект фирмы МНПО «ЭКОНД».

56. ЗАО «ИНКАР» (http://www.inkar.com)

57. Булатов О.Г. и др. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии. М.: Радио и связь, 1986. - 160 с.

58. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. 2-е изд., доп. М.: COJIOH-P, 2001. -726 с.

59. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учебник для вузов. Зе изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2001.-327 с.

60. Бут Д.А. Основы электромеханики: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ 1996.-468 с.

61. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 2000. - 496 с.

62. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., доп. - М.: Высшая школа, 2000. - 255 с.

63. Пат. №2005105841. Российская Федерация, МПК7 В 60 М 1/00, И 62 D 6/00 Карьерная самоходная машина. Текст. / Шмелев, М.Н.; заявитель и патентообладатель. 2005 г.

64. Пат. №2005105839. Российская Федерация, МПК7 В 60 М 1/00, И 62 D 6/00 Устройство электропривода электроштабелеров. Текст. / Шмелев, М.Н.; заявитель и патентообладатель. 2005 г.

65. Шмелев, М.Н. Обоснование создания и применения на карьерных самосвалах комбинированной энергоустановки. / Шмелев Михаил Николаевич // Объединенный научный журнал. 2005 г. - №23. - С. 86-91.

66. Шмелев, М.Н. Функционирование комбинированной энергоустановки сельскохозяйственной техники. / Шмелев Михаил Николаевич // Объединенный научный журнал. 2005 г. - №23. - С. 82-85.

67. Шмелев, М.Н. Руководство по диагностике, ТО и ремонту комбинированной энергоустановки гибридного автомобиля Toyota Prius NHW20 / О. Н Дидманидзе., С. А. Иванов, Я. В. Чупеев, Д. Г. Асадов М.: Триада, 2006. - 357 с.

68. Шмелев, М.Н. Использование комбинированной энергоустановки в сельскохозяйственной техники. / Шмелев Михаил Николаевич // Сельский механизатор. 2005 г. - №12.С. - 13-13.

69. Wind River Systems (http://vvww.rtsoft.ru).

70. Миронов М.Ю., Федоренко М.Ю. Микроконтроллеры компании моторола для бортовых автомобильных систем управления. Межвузовский сборник научных трудов. /Выпуск XVII. Автомобильные и тракторные двигатели. М.: Издательство МГТУ МАМИ, 2001-С. 34 36.

71. Лысов Н.Ю., Штыков А.В. Анализ аппаратных и программных средств интеллектуальных систем управления роботами. Сборник научных трудов МИРЭА. М.: Издательство МИРЭА, 2001.

72. Лысов Н.Ю., Разработка и исследование интеллектуальных регуляторов быстродействующих следящих систем. Сборник научных трудов М.: Издательство МИРЭА, 2001.

73. Лысов Н.Ю., Разработка и исследование интеллектуальных регуляторов быстродействующих следящих систем. Кандидатская диссертация. М.: МИРЭА. 2001.

74. DEVELOPMENT OF FUZZY LOGIC AND NEURAL NETWORK CONTROL AND ADVANCED EMISSIONS MODELING FOR PARALLEL HYBRID VEHICLES. The National Renewable Energy Laboratory (NREL). Golden, CO. December 2001.

75. Sanjay R. Bhatikar and Roop L. Mahajan Keith Wipke and Valerie Johnson Copyright. Artificial Neural Network Based Energy Storage System Modeling for Hybrid Electric Vehicles. © 2000 Society of Automotive Engineers, Inc.

76. Генман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

77. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс СПб.: Питер, 2000. - 432 с.

78. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 528 с.

79. Кулаичев А.П. Компьютерный контроль процессов и анализ сигналов. -М.: Информатика и компьютеры, 1999. -330 с.

80. RT Technologies Inc. (www.opal-rt.com).

81. Филлипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 - 616 с.

82. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами: Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2001.-320 с.

83. Б.П. Бусыгин, В.Н. Догачев. Эксплуатация электромобилей. М.: Издательство МАДИ, 1982. 264 с.

84. Есеновский-Лашков Ю.К., Токарев А.А. Топливная экономичность автомобиля. Методы испытаний. Учебное пособие. М.: Издательство МИИСП, 1991.-50 с.

85. Тел. №5)1Я0-6340. 1К9-1Х20; пшЬакс №5) 180-53IX1. E-mail: ecomhaimaii г и1. УК'1. Утверждаю»

86. Генеральный директор Многопрофильного Научно-технического и водетвеппо-колшерческого Обтсст::ч1ИкрК(>ц$Щг^и 1 ^ С.В. Чижевский mvxh ш "J**? «27»апреля2007 г.'•••rv'tf *1. АКТо внедрении результатов научно-исследовательской работы

87. От МНПО «ЭКОНД» Зам. директора НТЦ1. Б.Н. Артеменко

88. От МГАУ им. В.П. Горячкина

89. Зав. кафедрой «Автомобильный транспорт»д.т.н., профессор1. О.Н. Дидманидзе1. Аспирант1. М.Н. Шмелев