Гибридные силовые установки машин для земляных работ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.225:69.002.51

Г1БРИДН1 СИЛОВ1 УСТАНОВКИ МАШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНИХ РОБ1Т

А.П. Холодов, доц., к.т.н., Хар^вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет

Анотац1я. Розглянуто стратегт розвитку ziбридних npueodie машин для земляных po6im (МЗР) на прикладi npoeidnux ceimoeux виробниюв техтки. Наведено анал1з конструктивного виконання силового приводу в цтому i його окремих елемент1в та взаемодИ' вузл1в силовог установки на pi3HUX експлуатацтних режимах.

Ключов1 слова: гибридный npueid, машина, цикл, економ1я, енерг1я, процес.

ГИБРИДНЫЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ МАШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

А.П. Холодов, доц., к.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Аннотация. Рассмотрена стратегия развития гибридных приводов машин для земляных работ на примере ведущих мировых производителей техники. Приведен анализ конструктивного исполнения силового привода в целом и его отдельных элементов и взаимодействия узлов силовой установки на различных эксплуатационных режимах.

Ключевые слова: гибридный привод, машина, цикл, экономия, энергия, процесс.

HYBRID DRIVE OF EARTH MOVING MACHINES

A. Kholodov, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), Kharkiv National Automobile and Highway University

Abstract. The strategy of developing hybrid drives for earthmoving machines on the example of the world's leading equipment manufacturer has been considered. The analysis of the structural performance of the power drive as a whole and its individual elements, interaction ofpower unit components at different operation modes.

Key words: hybrid drive, machine, cycle, saving, energy, process. Вступ

Протягом останшх роюв питания еколопчно! безпеки, в paxypci зростаючого споживання вуглеводневих джерел енергп, сто!ть особливо гостро [1-3]. Про це свщчать даш досль джень за кшьюстю викид1в C02 шд час будь вництва дор1г та шфраструктури р1зних мшстерств транспорту та шфраструктури свпу (рис. 1) [6].

У зв'язку з цим застосування машин i техш-ки з високими показниками паливно! еконо-м1чност1 й еколопчно! безпеки, а також мо-дершзащя машин, яю знаходяться в експ-

луатацп, е одними з найбшьш ефективних засоб1в покращення паливно-енергетично! та еколопчно! ситуацп.

Рис. 1. Щор1чш викиди C02 шд час бущвни-цтва дор1г та шфраструктури

Такими машинами е машини з пбридними силовими установками. Пбриди отримали широкий розвиток в автомобшьнш промис-ловосп, чого не можна сказати про машини для земляних робгг.

Анал1з публжацш

За даними дослщжень бензинов! й дизельш двигуни споживають значну частину нафто-продукпв. Середнш ККД двигушв - всього 23 % (бензинових - до 21, дизельних - бли-зько 25 %). Отже, велика частина нафтопро-дукпв спалюеться марно i завдае шкоди нав-колишньому середовищу - йде на нагр1вання i забруднення атмосфери. Але i це далеко не повна характеристика ефективносп машин. Головний И иоказник - не ККД двигуна, а коефщент завантаження. На жаль, земле-рийш машини використовують потужш двигуни надзвичайно неефективно. 1х двигуни розраховаш на велию навантаження, але у процеш роботи машини вони не завжди дося-гають максимуму. Цю проблему намагають-ся по-своему виршити виробники автомобь л1в у Кмеччиш, США, Японп, Кита!, Швецп та в шших крашах шляхом переходу на газо-ве паливо, перейти на електромобш, поста-вити на кожну машину спещальний поглинач шюдливих продукпв згоряння i допалювати i'x у глушнику; шляхом оптим1зацп робочого процесу за рахунок шдвищення квал1фшацп оператора, а також перерозподшу потужносп двигуна, акумулювання недовикористано! потужносп й подальшим И використанням на навантажених режимах роботи.

Наприклад, компашя «VOLVO» працюе в галуз1 шдвищення енергоефективносн у таких напрямах (рис. 2).

Як вщомо, в автомобшьнш промисловосп великого поширення набули електричш пбриди. Завдяки сучасному р1вню електротех-híkh та електрошки стало можливим створю-вати комп'ютеризоваш перетворювач1 енергп досить мало! маси i вартосп, яка багато в чому компенсуеться перевагами автоматизо-ваного приводу з точки зору полшшення па-ливно1 eKOHOMÍ4HOCTÍ та зниження токсично-ctí вщпрацьованих газ1в ДВС, що входить до складу пбридно! силово! установки. Однак вказаш системи передбачають наявнють джерел eHeprii' для зарядки акумулятор1в.

Ця умова не завжди е досяжною для земле-рийних машин, оскшьки найчаспше вони працюють у польових умовах. А також, з огляду на i'x велию потужносп, розм1ри аку-муляторних батарей i час i'x зарядки значно збшьшилися. Тому виробники шукають íh-ших шлях1в шдвищення паливно! економ1ч-hoctí машин для земляних po6ÍT. Розглянемо це на приклад! пбридних систем на 6a3Í па-ливних K0MÍp0K як на вантагавках ф1рми Hiño. Основним агрегатом пбридно! установки е 4-цилшдровий дизельний двигун (з турбонаддувом i системою подач1 палива Common Rail) потужшстю 110 кВт i з обер-товим моментом 420 Н • м за частоти обер-тання колшчастого вала вщповщно 2500 i 1400 хв"1, скомбшований з електродвигуном - генератором змшного струму потужшстю 36 кВт i з обертовим моментом 333 Нм [3].

Оскшьки щ машини найчаспше пдрофшова-hí, е рацюнальним застосування пбридних установок на ochobí пдропневмоакумулято-piB, що дозволяють накопичувати пдравл1ч-ну енерпю на холостих ходах машин i повер-тати i! на навантажених режимах роботи (рис. 3).

Рис. 2. Стратепя шдвищення енергоефектив-hoctí землерийних машин компанп «VOLVO»

Рис. 3. Циклограма робочого процесу бульдозера з використанням пдроакумулю-ючо! системи

На рис. 3 використано таю позначення: Еак -енерпя, що витрачаеться акумулятором на еташ копання; —рак - потужнють, що витрачаеться акумулятором на еташ копання; Еакх - енерпя, акумульована на холостому ходу; Nзaк - потужнють, акумульована на холостому ходу; —двз коп - потужнють ДВЗ шд час копання без використання пдроакумулюючо! системи; Naккoп - потужнють ДВЗ шд час виконання операцш копання з використаи-ням пдроакумулюючо! системи; Nпep - потужнють ДВЗ на перемщеиия грунту; —хх1 -потужнють, що витрачаеться на холостому ходу при використанш пдроакумулюючо! системи; - потужнють, що витрачаеться на холостому ходу без використання пдроакумулюючо! системи; ¿коп - час виконання операцп копання грунту; ^ - час перем1-щення грунту; txx - час холостого ходу; tц -час робочого циклу

При використаиш пдроакумулюючо! системи в робочому цикт бульдозера вщбудеться перерозподш потоюв енергп 1 змшиться пое-тапна витрата потужиоси двигуна [4].

Мета 1 постановка завдання

Таким чином, метою ще! роботи е встанов-лення иеобхщио! настановно! потужиоси двигушв МЗР з урахуванням використання пдроакумулюючих систем 1 систематизащя енерговитрат в !х робочому цикт.

За визначенням пбридиа машина - це машина, що використовуе для приводу мехашзм1в бшьше одного джерела енергп. Оскшьки пд-роакумулююча система (ГАС) е приводом робочого обладнання, то машини, осиащеш такими системами, можна назвати машинами з пдрофшоваиими пбридними силовими установками (МГГСУ).

Теоретично встановлену потужнють двигуна пдрофшовано! машини можна знизити на величину потужиоси, накопичувано! пдро-акумулюючою системою, яка може бути на-копичена на холостих режимах роботи машини, шд час !! гальмування, опускания робочого обладнання та ш, а також за рахунок вдосконалення само! пдроакумулюючо! системи.

—едвз _ —двс Nгc , (1)

де -ЕДВЗ - потужнють двигуна МГГСУ; —двз - потужнють двигуна, що закладена при проектуванш; —гс - потужнють пдроакумулюючо! системи.

Таким чином, детальне дослщження енерго-потоюв у робочому цикт машин, дослщження способ1в акумулювання недовикористано! енергп дозволить р1вном1ршше навантажува-ти первинний двигуи 1 знизити його встановлену потужнють, що приведе до шдвищення паливио! економ1чност1 й еколопчио! безпеки.

Удоскоиалеиия ГАС е можливим за рахунок встановлення керованих муфт м1ж первии-иим двигуиом 1 пдроиасосом, що дозволяють вщключати його на холостих режимах роботи (рис. 4, 5).

Рис. 4. Схема МГГСУ з керованою муфтою: 1 - пдронасос; 2 - керована муфта зчеп-леиия; 3 - ДВС; 4 - датчик тиску; 5 - п-дророзподшьники управлшия процесом зарядки - розрядки ГПА; 6 - пдропиев-моакумулятор; 7 - пдророзподшьиик; 8 - фшьтр; 9 - запоб1жиий клапан; 10 -бак; 11 - пдроцилшдри управлшия ро-бочим обладнанням

Рис. 5. 3D-мoдeль муфти МГГСУ

Р я g р

н о

и

О

п

- ■ о 43

I W

4

н

OI ft

о я

я

о

'"d

я

о

о

ta »

н о

н ft

в а»

£' В.

"' я

CTS Я

I s

Я

> i

я и й

Pá

ю я

о

а\

р

ta

о

я

о р

м Я

э ^

Я ^ Яс i

£ о

1 * ¡1 о ^

и »

н

4= >2

О 43 СП Р о

л о.

ъ

£' я я я

►53 <*>

я 21 Р 5

3 Е

• ^

5 я я

н я

о я

£

о я о я

я

а>

ц

3 №

о »

о

я

о н

а>

►о тз

ft

ta 5

43 12 о

Я

Р о СÍ О о

о о\ и

ti

я р

я

я »

Й 51

s g

я я

НН f

Я ►о

О g

я >

ьз &

w 2

я

„ н Я 5a Л ta W бг1

21 я и

Б 8 2 ta я я.

Я ti * *

я 2 я

Я= Я Я 1с'

■§ I.

Я

я

4

В о

я

И SC

и ti я

О ^ Я

w н ™ №

р

t 3

О ТЗ

а\ и

^ S

о о о\

я я я

Я ни & 2 я

X и я я я я

н я

о

я

v:

в

ъ

о

о\

о

я

яс

я

о

о *

я я я

"i о\ л

1-Н " • ft

Н 43

Р W

я я

о

я

к

о

в

(Ч

а>

и 5 5

я р

■gE"

» 8

а\ О р —

Я ►о

I S

t я

о о

о я »

2 ^ w

я о v: я

Й О я

SS Яс О

9 «

Я Я

►Я я

О I

* ^

Я 3

я я

Я 5

о р

Я О р

W ^

ТЗ

О "

w w

Б Р3

Я w

►3 ^з о

W

я ^

О £

t я р ft т ТЗ

Н р

С ^

^ я

ft Q

э й о $

о <

С\ н-

Я. о

я "

я »

S °

н

W X

я н

Яс fí Я

Я* 3

о

2

Я i

я я

я 2 р я р я я

я »

-з

я

►3 Р

К д

ft р

н а> " t я 2

Я о

я

W р

<4 О

я

Я М

О ^3 Н Р

я е; Я ^

™ о

а X

|-н 2

Я р

>> я н

g 1

Я 5

т m

Я н

t W

я

Я й

р я

н о

ъ t

о I

я ®

^ р

W р

о

я я

я

я р

'ТЗ а> W ft 'ТЗ о

я

W

я я

яс

о 0 01 5' тЗ tí. О ►тЗ О w ^ 0 о> >3 1 ►тз щ. g U Тривал1сть циклу, с Швидк1сть шдйому в1двала, м/с s 1 Загальна вигвата палива на одиницю шояуктивност1. л/змш Пит. витрата палива на одиницю маси, л/змш/т Питома витрата палива на одиницю потужносп, л/змш/кВт Узагальнений показник, кВт т^м^/год)2 Питома витрата палива, л/м3 Загальна витрата палива, л/змш н S й •i. о g. о о $ ^ S и о Питома енергоемн1сть копання, кВт/м3/год Maca бульдозера, т Продуктившсть, м^/год Потужшсть двигуна, кВт Показники

П О/ - Q/77 Q/G Q/N II Ю и/о и/к О Позначення

17,86 CTN OJ 0,32 0,93 OS 0,71 о 00 L/i о 47,3 о 1>J 7,185 50,52 OS OS Бульдозер без ГАС

L/i о о 00 OS 1>J о OS о 0,169 0,12 45,6 0,13 "(О "(О о 53,06 OS OS Бульдозер з ГАС UJ я р л

JÍ. 00 9,52 21,95 7,52 3,07 2,81 00 OS 14,28 3,59 7,14 7,69 1 4,78 1 Шдвищення ефектив-носп бульдозера з ГАС, % и и а а о к й

16,74 L/i о о OS 00 "so о OS 0,12 0,12 42,8 о 1,05 7,23 62,8 OS OS Бульдозер з ГАС та керованою муфтою и я к р

6,22 9,52 21,95 13,97 9,23 9,85 00 OS -ü. 14,28 9,59 7,14 7,69 i 4,78 1 Шдвищення ефектив-носп бульдозера з ГАС та керованою муфтою. %

н

02 о»

я

н

го X И

I

о §

и о

л

В.

я о

я р

и> Я

я

ь о о

(я р

я

я

?

№

b о

и> го с

g ^

Й S Н . ft Р

S И я

w

СП W

v; я ta я

s £ тЗ

я s

'ТЗ

о

W

а> ta

К w чз

и

Р С=: Я

р ►о

ta w 5 g

d. 8 Sc^

D3

« й-я Й

я О

ft р

я ^

^ 5 « э

н 3

р к

ta о

№ я

я о

ta w Я

Я ^

р

я -

й р со _

о Р

Я 5

о Я

Й f ft

S я Я. ft

'ТЗ 2

о м

W Р

в я

g 2: я н в

W

Я

я

и> в

в

я

4 %

о ^ я ta р ~ w Я Я я

О) я р

w в

ft «

В о

я о

в

ta 43 • р

н

о

X

я

я

0

1

а> я о я о

а>

ъ

а>

W

v; ta в

н ^

£ » я я я я

е-н я

н

Я ta тз

в о

Я р

Й я

Н v;

ta о о ta £'

Й а> Я

Я »

ta в Я

В

а> Я

Я »

Я

р

ta Я

в «

ta 2-тз

о ct я р ft

Й ^ О Н О К

р I

Г ри +25° ; .

/

Пр i +0°С

0,079 0,107 0,11 0,143 0,15 0,183 0,2 0,25 0,333 P/m

Рис. 7. Графш залежносп кшькосп шдйом1в робочого обладнання вщ тиску зарядки i температури навколишнього середови-ща 0 °С i +25 °С

Таким чином, иерсиективи розвитку еиерго-ефективних машин для земляних роб1т мож-на подати в такий спос1б (рис. 8).

Тобто иеобхщио дослщити еиергоиасиче-шсть робочих процес1в машин 1 поетапш ви-трати потужиосп з урахуваииям умов, в яких вони працюватимуть, що дозволить зиизити устаиовчу потужшсть двигушв, використо-вувати альтериативш джерела еиергп 1 ство-реиия силових пбридних установок.

0

Рис. 8. Стратепя шдвищення паливио! екоиом1чиост1 машин для земляних po6ÍT

Висновки

Проведений анал1з визначае стратегию вдос-коналення машин для земляних po6iT в галуз1 паливно1 економ1чност1 й еколопчиостг Пб-ридш силов1 установки для таких машин зможуть шдвищити паливиу екоиом1чшсть до 30 % для знову проектованих машин i до 20 % для таких машин, що були вже в експлуатацп.

Лггература

1. Хмара Л. А. Машини для земляних роб1т: шдручиик / Л.А. Хмара, C.B. Кравець, М.П. Скоблюк та ш; за загальиою реда-кщею проф. Л.А. Хмари та проф. C.B. Кравця. - X.: ХНАДУ, 2014. -548 с.

2. Гусаков C.B. Гибридные силовые установ-

ки на основе ДВС: учебное пособие / C.B. Гусаков. - М.: РУДН, 2008. - 184 с.

3. Гибридные автомобили Hiño // Строитель-

ные и дорожные машины. - 2014. - № 9.

- С. 59-60.

4. Хмара Л. А. Распределение силовых пото-

ков в рабочем цикле землерой-но-транспортных машин, оснащенных гидроаккумулирующей системой /Л.А. Хмара, А. П. Холодов // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2012. - Вып. 57.

- С. 166-173.

Рецензент: IT. Кириченко, професор, д.т.н., ХНАДУ.

Стаття надшшла до редакцп 12 травня 2016 р.