CC BY
8УДК 621.865.8:592.6
Динамические качества гусеничной машины с комбинированной энергетической установкой и механической трансмиссией при разгоне
© В. А. Корсунский МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия
С помощью разработанной методики проведено сравнение динамических качеств гусеничной машины с обычной и с комбинированной энергетической установкой, содержащей двигатель внутреннего сгорания и маховичный аккумулятор энергии. Выполнена оценка влияния параметров комбинированной энергетической установки на динамические качества машины с механической трансмиссией. Установлены факторы, ограничивающие эффективность действия исследуемой установки в процессе разгона гусеничной машины. Полученные результаты позволяют определять законы управления приводом маховика и проводить их оптимизацию.
Ключевые слова: комбинированная энергетическая установка, маховичный аккумулятор энергии, эквивалентная мощность, механическая трансмиссия, рывок скорости, гусеничная машина.
Анализ [1] значений дополнительной мощности, вырабатываемой маховичным аккумулятором энергии (МАЭ), позволяет судить о том, что при неравномерном движении машины с комбинированной энергетической установкой (КЭУ) могут быть обеспечены высокие ускорения, равные или превышающие по значению ускорения легковых автомобилей. При этом в отличие от автомобилей процесс разгона гусеничной машины (ГМ) может происходить при заданном постоянном ускорении в любой момент времени разгона, однако он не может превышать предельного ускорения по сцеплению]ф. Для одиночной машины, двигающейся без прицепа, предельное ускорение по сцеплению определяется по формуле [2]
= (Ар - (1)
где Аф = (Рф - Я)/0ГМ — предельный по сцеплению динамический фактор машины (Рф — сила тяги по сцеплению; Я - равнодействующая сил сопротивления внешней среды; GГМ — вес ГМ); /с — общий (суммарный) коэффициент сопротивления движению; g — ускорение силы тяжести.
Для шоссе, где могут достигаться максимальные скорости машины, ^ф = 6,5 ... 7,5 м/с2 при угле подъема местности а = 0.
Отметим, что мощность, вырабатываемая маховиком при времени разрядки 5 ... 20 с, вызывает опасения в возможности ее реализации ввиду ограничения по прочности гидрообъемных, электрических или другого типа передач привода МАЭ и трансмиссии, даже если ускорения ГМ при этом будут меньше предельных по сцеплению [1].
Ниже приведена методика расчета для случая задания постоянного ускорения разгона ГМ в данном интервале изменения скорости. Характер движения машины принят равноускоренным с линейной зависимостью скорости от времени. Эта методика пригодна также для случая кратковременного увеличения скорости машины, т. е. ее рывка или «броска» с целью маневрирования. При этом считается, что кратковременный рывок ГМ начинается с некоторой известной и установившейся с начала этого процесса скорости. Однако верхний предел скорости рывка ограничен прочностью привода МАЭ и трансмиссии машины [1].
На рис. 1 представлена кинематическая схема ГМ с КЭУ и механической трансмиссией. На входном валу 3 механической трансмиссии 4 параллельно основному двигателю (ДВС) 5 машины устанавливается МАЭ 1 с гидрообъемно-механическим приводом (ГОМП) 2. ГОМП содержит три гидравлические связанные гидрообъемные передачи (ГОП), каждая из которых состоит из насоса 6 и гидромотора 7, соединенных трубопроводами и приводимых в движение от ДВС через фрикцион 8 и муфту 9 привода МАЭ. Через механическую трансмиссию КЭУ связана с ведущими колесами 10 машины. Для уменьшения аэродинамических потерь маховик помещен в камеру 11 с небольшим вакуумом. Электромагнитная муфта 12 служит для консервации энергии при длительной стоянке машины.
Рис. 1. Кинематическая схема машины с КЭУ и механической трансмиссией
Для количественных расчетов примем следующие предпосылки и допущения:
1) вес ГМ Огм = 402,2 кН;
2) максимальная скорость ГМ на шоссе Vmax = 61 км/ч;
3) разгон ГМ происходит на шоссе с / = 0,04 без подъемов и уклонов (а = 0);
4) сопротивлением воздуха пренебрегаем;
5) свободная мощность ДВС Ыд = 485 кВт (660 л. с.);
6) интервал изменения скорости ГМ при разгоне разбиваем на г участков по числу передач в коробке (трансмиссии);
7) коэффициент 5г условного приращения массы машины на г-й передаче в коробке принимаем постоянным;
8) общий КПД машины По, КПД привода МАЭ Пм, КПД коробки передач Пк.п и КПД гусеничного движителя Пг.д в интервале изменения скорости на г-й передаче считаем постоянными и равными их средним значениям;
9) в начале разгона ГМ маховик имеет полный запас энергии;
10) маховик вступает в работу в начале разгона ГМ. При этом пренебрегаем небольшим интервалом изменения скорости ГМ, в котором возможно обеспечение заданного ускорения за счет энергии основного ДВС, без использования МАЭ;
11) время, затрачиваемое на переключение передач, не учитываем.
Потребный для разгона динамический фактор О при заданном значении ускорения] определяется по формуле, аналогичной формуле (1):
О = 5г.^ + / (2)
Сила тяги по двигателю [2]
Рд = ООгм. (3)
Общий КПД машины при разгоне
По = Пм. ср Пк.п Пб.р Пг.д, (4)
где Пм.ср — средний КПД привода МАЭ с учетом всех потерь в аккумулирующем модуле; Пб.р — КПД бортового редуктора.
Обозначим через Ун и ук начальную и конечную скорости машины на данной передаче в трансмиссии (коробке).
Используемые значения параметров приведены в табл. 1.
Общая мощность, развиваемая на входном валу трансмиссии, кВт (при V, м/с),
N = 10-3DOv/no, (5)
где V — текущая скорость ГМ.
Таблица 1
Значения параметров для расчета
Пара- Номер передачи в коробке
метр 1 2 3 4 5 6 7
Ун, Ук, км/ч 4,46 - 7,45 8,32 - 13,9 13,9 - 17,5 17,5 - 21,9 21,9 - 30,1 30,1 - 41,0 41,0 - 61,0
§1 3,812 1,774 1,560 1,430 1,322 1,264 1,230
Пк.п 0,970 0,975 0,973 0,973 0,972 0,993 1,000
Пг.д 0,940 0,907 0,875 0,850 0,825 0,800 0,750
По 0,700 0,679 0,653 0,635 0,616 0,610 0,576
Обозначим N I — мощность при начальной скорости Ун | на 1-й передаче и NI — мощность при конечной скорости Ук | на 1-й передаче, которые определяются по формуле (5). Тогда мощность, отбираемая от маховика,
N = N - (6)
Время разгона ГМ на данном интервале изменения скорости [ун, Ук] с учетом принятых допущений
и = ¿к - ¿н = (Ук - Ун)//, (7)
где ин, ик — время начала и окончания разгона на 1-й передаче.
Общее время разгона ГМ до конечной скорости ук 1-й передачи
т
и о , = Х и, (8)
1=1
где т - номер передачи.
Общее время разгона ГМ до максимальной скорости Утах
¿о = Утах//. (9)
Путь разгона ГМ на 1-й передаче в интервале скоростей [ун|, ук|]
S1 = 0,5(уш + Ук,)иг. (10)
Общий путь разгона ГМ на 1-й передаче до скорости ук| равен
X St.
1=1
Общий путь разгона ГМ до скорости vmax
So =х Si, (11)
i=1
где n - общее число передач в ступенчатой коробке (трансмиссии).
Поскольку на первой передаче обычно обеспечиваются достаточно высокие значения ускорений машины, целесообразно использовать МАЭ со второй передачи.
Тогда энергия, расходуемая МАЭ, начиная со второй передачи, определяется линейной зависимостью от t при j = const:
EMI = 0,5(Ум.н + N^Xtc - ^Упм.ср, Дж. (12)
Общая энергия, расходуемая МАЭ при разгоне до vmax,
n
ЕмЕ _ ^ Ем i. (13)
i=2
Коэффициент расхода энергии МАЭ (коэффициент разрядки) при разгоне ГМ до конечной скорости Укг- движения на i-й передаче с учетом предыдущих передач, кроме первой, в соответствии с [3]
^p i ^^ Емi 1 Ем max , (14)
i=2
где Ем max — максимальная энергоемкость маховика, определяемая в кинетических энергиях (кэн) машины, движущейся с максимальной скоростью [4].
Общий коэффициент расхода энергии МАЭ при разгоне ГМ до скорости vmax
= ЕмЕ 1 Ем max. (15)
Отметим, что значение умноженное на 100, даст расход в процентах от полной энергии МАЭ.
Кинетическая энергия машины, движущейся с максимальной скоростью,
Егм max = 0,5(GmIg)v2max = 5,89 МДж = 1 кэн.
Тогда, задаваясь относительной энергоемкостью Ео = 3 кэн, получим максимальную энергоемкость маховика Ем тах = 17,65 МДж.
Результаты расчетов по формулам (1) - (15) для постоянного ускорения ( = 3 м/с2) при разгоне машины во всем интервале скоростей приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчетов
Параметр Номер передачи в коробке
1 2 3 4 5 6 7
^н, ^к, м/с 1,24...2,07 2,31.3,85 3,85.4,86 4,86.6,08 6,08.8,36 8,36.11,4 11,4.16,9
Б 1,2 0,583 0,517 0,477 0,444 0,427 0,416
N, кВт 855 798 1226 1468 1763 2354 3311
кВт 1427 1330 1548 1837 2424 3210 4909
N ■ кВт 0 313 741 983 1278 1869 2826
N ■ 1 тм.ю? кВт 0 845 1063 1352 1939 2715 4425
и, с 0,277 0,513 0,337 0,407 0,760 1,013 1,830
с 0,277 0,513 0,850 1,257 2,017 3,030 4,860
£ь м 5,97 6,00 12,92 13,44 9,5 9,75 7,73
м 5,97 11,97 24,89 38,33 47,83 57,58 65,31
Е ■ МДж 0 0,349 0,358 0,559 1,438 2,732 7,805
МДж 0 0,349 0,707 1,266 2,704 5,436 13,241
0 0,02 0,04 0,07 0,153 0,308 0,75
Примечание. Для всех передач ^ тах = 4 425 кВт, 10 = 4,86 с, £0 = 65,31 м, Е^ = 13,24 МДж, ^ = 0,239 (23,9 %).
Полученные данные свидетельствуют о том, что использование МАЭ на ГМ массой 41103 кг при свободной мощности основного ДВС 485 кВт (660 л.с.) обеспечивает весьма интенсивный разгон машины, начиная со второй передачи (ун = 2,31 м/с), до скорости 61 км/ч при постоянном ускорении у = 3 м/с2 за время ¿0 = 4,86 с и путь разгона £0 = 65,31 м. Расход энергии маховика составляет 75 % Ем тах, т. е. при 75%-ном расходе энергии МАЭ можно осуществить полный разгон машины, начиная со второй передачи, до скорости 61 км/ч с постоянным ускорением у = 3 м/с2.
Однако для реализации полученных качеств имеются серьезные препятствия. Прежде всего, возникает сомнение в психологических возможностях водителя осуществить все необходимые действия за короткие промежутки времени в реальных условиях разгона ГМ даже в случае использования автоматических устройств. Более существенным препятствием является необходимость передать через привод МАЭ мощность 4 425 кВт, а через трансмиссию — 4 909 кВт на скорости движения машины, близкой к максимальной.
Ограниченные габариты трансмиссионных отделений ГМ накладывают жесткие требования на размеры ГОП. Благодаря параллельному включению в регулируемую ветвь привода МАЭ по представленной на рис. 1 схеме трех ГОП, имеющих между собой гидравлическую связь, можно уменьшить общие габариты и вес привода МАЭ за счет более плотной компоновки аккумулирующего модуля. При этом использование в приводе МАЭ гидромашин Bosch Rexroth, состоящих из трех регулируемых гидронасосов A4VSG и трех нерегулируемых гидромоторов A4FM, позволит развить суммарную мощность 258 кВт. Тогда, если учитывать, что на второй передаче в трансмиссии регулируемая ветвь привода передает не более половины всей мощности, получим общую мощность, передаваемую двух-поточным приводом МАЭ, равную 516 кВт.
Допустив возможную 100%-ную кратковременную (в течение не более 3 с) перегрузку по давлению, окончательно получим мощность, передаваемую приводом МАЭ, равную 1032 кВт. Суммарная кратковременная мощность привода, передаваемая трансмиссией ГМ, равна 1517 кВт (вместо 4425 кВт при постоянном ускорении j = 3 м/с2). Без перегрузки привода МАЭ суммарная мощность, передаваемая трансмиссией, составит 1 001 кВт.
На рис. 2 графически представлено изменение мощности, передаваемой приводом МАЭ, при j = 3 м/с2 и 75%-ной разрядке МАЭ. Точкой на оси ординат отмечена мощность 1 032 кВт, предельная по прочности привода для данного значения j и определяющая максимально возможную скорость конца разгона.
Разгон ГМ с ускорением 3 м/с2 до максимальной скорости 61 км/ч невозможен. Максимально допустимая скорость разгона машины лимитируется не запасом энергии
JV«, кВт
4000 3000 2000 1000'
I г П ¡ЩГ vf V VI V п
0
20
40
60 v, км/ч
Рис. 2. Изменение мощности, передаваемой приводом МАЭ: I — VII — номера передач в коробке (трансмиссии)
маховика, а прочностью привода МАЭ и трансмиссии и составляет приблизительно 18 км/ч (см. рис. 2).
Отметим, что изменение условий движения незначительно влияет на конечные результаты, так как f в формуле (2) имеет меньший удельный вес, чем первое слагаемое, определяемое ускорением разгона.
Наиболее вероятными следует считать режимы кратковременно-
т, ? Т/Г го увеличения ускорения ГМ в
Рис. 3. Изменение ускорения для J j г
различных вариантов разгона ма- целях резкого изменения ск°р°-
шины: 1 — N = 1517 кВт = const; сти ГМ за короткий промежуток
2 N = 1001 кВт = const (без пе- времени, т. е. рывка скорости для регрузки ГОП); 3 — с использова-
улучшения маневрирования, чего нием только мощности ДВС N = J J _
= 485 кВт не имеют ГМ без МАЭ. С умень-
шением времени процесса вероятность перегрузок ГОП и механических ветвей привода МАЭ возрастает.
По формулам (2) и (5), задаваясь конечной скоростью разгона (или рывка) ук, можно вычислить допустимое ускорение j = const при N = 1517 кВт и Nm = 1032 кВт.
Результаты расчетов ГМ массой 41 т на грунте с f = 0,04 приведены на рис. 3.
Для определения времени разгона от нулевой скорости до ук используется зависимость
fc = vjj.
Разгон до максимальной скорости 61 км/ч характеризуется предельным по прочности (при 100%-ной перегрузке) ГОП постоянным ускорением ] = 0,706 м/с2 и общим временем разгона ^ = 24 с.
Такие результаты без МАЭ можно получить только при установке на ГМ основного ДВС с эффективной мощностью 1517 кВт, что соответствует удельной мощности ГМ 37 Вт/кг, сопоставимой с энерговооруженностью легковых автомобилей среднего класса.
Рывок скорости ГМ при ускорении ] = 3 м/с2 и принятом ограничении мощности по прочности привода МАЭ в соответствии с графиком на рис. 2 можно осуществить только до скорости 18 км/ч. Превышение этой скорости может привести к поломке привода МАЭ или трансмиссии ГМ.
Следовательно, рывок скорости машины с довольно большими ускорениями возможен, но только на сравнительно малых скоростях движения и за малые промежутки времени.
Отметим, что при еще большем ограничении передаваемой мощности по прочности или при снижении N и N„ против принятых соответствующим регулированием привода МАЭ, можно вести разгон по закону N„ = const (при N = const) с уменьшением ускорения j по мере роста скорости.
При этом в большей степени увеличатся значения времени разгона на высших передачах, имеющих наибольший удельный вес в общем времени разгона машины. Очевидно, что при законе разгона машины с N = const по сравнению с законом j = const и одинаковых мощностях, передаваемых трансмиссией, на всех скоростях, меньших vWx, будет обеспечено более высокое ускорение, чем при j = const. Тогда разгонные качества ГМ при N = const улучшатся, включая и высшие передачи.
Отметим, что система регулирования ГОП привода МАЭ должна непременно предусматривать ограничение верхнего предела углового замедления вращения маховика по времени при отборе энергии, так как это определяет предельный момент и мощность разрядки МАЭ.
Из изложенного можно сделать следующие выводы:
1) эффективность действия КЭУ при использовании энергии маховика в случае разгона ГМ зависит от прочности привода МАЭ и трансмиссии ГМ;
2) практическая реализация повышения с помощью КЭУ энерговооруженности ГМ массой 41 т до предела, обеспечивающего интенсивный разгон и соответствующего эквивалентной номинальной мощности ДВС около 1500 кВт, затруднено. Необходимы дополнительные исследования, направленные на повышение прочности деталей и узлов машины;
3) достижение с помощью МАЭ мощности, эквивалентной 1000-кВт силовой установке, для ГМ массой 41 т в значительной мере уменьшает эти трудности и способствует реальному воплощению КЭУ;
4) введение понятия эквивалентной мощности ДВС позволяет говорить о сравнительном критерии — удельной мощности (Вт/кг) ГМ с КЭУ при разгоне.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Забавников Н.А., Корсунский В.А., Герасимов А.Н. Динамика гусеничной машины с маховичным аккумулятором энергии: Учеб. пособие. Москва, МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1987, 44 с.
[2] Забавников Н.А. Основы теории транспортных гусеничных машин. Москва, Машиностроение, 1975, 430 с.
[3] Корсунский В.А. Повышение эффективности мобильных роботов путем использования дополнительного источника энергоснабжения — маховичного аккумулятора энергии. Наука и образование. 2013, № 5. DOI: http://dx.doi.org/10.7463/0513.0566233.
[4] Корсунский В. А. Приемистость транспортного средства с комбинированной энергетической установкой. Известия вузов. Сер. Машиностроение, 1984, № 7, с. 100 — 102.
Статья поступила в редакцию 10.07.2013
Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:
Корсунский В.А. Динамические качества гусеничной машины с комбинированной энергетической установкой и механической трансмиссией при разгоне. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 10. URL: http://engjournal.ru/ catalog/ machin/transport/983.html
Корсунский Владимир Александрович родился в 1950 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1976 г. Канд. техн. наук, доцент кафедры «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 60 научных работ в области гусеничных машин специального назначения и мобильных роботов. е-mail: vakormgtu@mail.ru
