Научная статья на тему 'Исследование температурных режимов тяговых электродвигателей карьерных автомобилей-самосвалов на имитационной модели'

Исследование температурных режимов тяговых электродвигателей карьерных автомобилей-самосвалов на имитационной модели Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
100
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Кудрявцев А. Л.

Для воспроизведения тяговых и скоростных параметров движения большегрузных машин в широком спектре возможных условий эксплуатации разработана имитационная модель, позволяющая определять температурный режим тяговых электродвигателей автомобилей-самосвалов по значениям дорожных условий, что создает перспективу создания методов непосредственного расчета ресурсных показателей

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Кудрявцев А. Л.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Investigation of Temperature Regimes of Tractive Electric Engines of Quarry Trucks on Imitation Model

To reproduce tractive and velocity parameters of movement of heavy-duty machines in a wide range of possible conditions of operation an imitation model is developed allowing to determine the temperature regime of tractive electric engines of trucks on values of road conditions. It establishes the perspective of development of methods of direct calculation of resource indications

Текст научной работы на тему «Исследование температурных режимов тяговых электродвигателей карьерных автомобилей-самосвалов на имитационной модели»

ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ

_ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ_

2000 СЕРИЯ: ГОРНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА Вып.9

РУДНИЧНЫЙ ТРАНСПОРТ

УДК 622.684:681.3

A.A. Кудрявцев

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ КАРЬЕРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ-САМОСВАЛОВ НА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

Для трансмиссий карьерных автомобилей-самосвалов основной характеристикой внешнего воздействия, фактически определяющей их техническое состояние (ТС), являются масса груза, профиль трассы и состояние дорожного покрытия. В качестве критерия ТС принимается ресурс, выраженный в выполненной транспортной работе (км, ткм).

Однако непосредственно вычислить ресурсные показатели элементов трансмиссии по заданным значениям внешних воздействий не представляется возможным из-за отсутствия соответствующих методов расчета. Получить их в ближайщее время вряд ли возможно [ 1 ]. Вместе с тем известно, что техническое состояние во многом зависит от нагрузочных характеристик работы машин. Дтя тяговых электродвигателей одной из таких характеристик является температурный режим.

Нагрев тяговых электродвигателей происходит при движении автомобиля-самосвала в тяговом режиме и в режиме электродинамического торможения, а охлаждение - в режиме наката и остановках. Величина нагрева обмотки тяговых электродвигателей пропорциональна эффективному току, а интенсивность охлаждения определяется температурой окружающего воздуха и частотой вращения якоря (вентилятора), которая пропорциональна скорости движения машины.

С точки зрения нагрузочных режимов автомобильные трассы карьеров определяются совокупностью параметров (расстояние транспортирования, высота подъема горной массы, пересеченность профиля трассы, извилистость формы ), которые образуют широкий спектр тяговых и динамических нагрузок автомобилей-самосвалов При этом даже в заданных значениях, определяющих трассы параметров (расстояния транспортирования и высоты подъема горной массы), поле тяговых и динамических нагрузок автомобилей-самосвалов достаточно большое.

С целью оценки влияния всей гаммы горно-технических условий карьеров на нагрузочные характеристики автомобилей-самосвалов разработана имитационная модель, одна из подпрограмм которой предназначается для расчета температурных режимов тяговых электродвигателей.

В качестве объектов исследований выбраны две модели автомобилей-самосвалов с различными массо-габаритными параметрами и вариантами трансмиссий (табл. 1).

Движение автомобилей-самосвалов при моделировании задано следующим образом. В режиме тяги двигатель автомобиля-самосвала работает при постоянной частоте вращения соответствующей максимальной мощности. Разгон автомобиля-самосвала осуществляется с максимально возможным ускорением по внешней нагрузочной характеристики двигателя при полной подаче топлива. Торможение рабочей тормозной системой проводится при скорости,

меньшей максимально установленной для электродинамического торможения или перед остановкой с замедлением 1 м/с" в грузовом направлении и 2 м/с" - в порожнем.

Таблица I

Параметры автомобилей-самосвалов, но которым выполнялись исследования на имитационной модели

Автом.-самосвал Грузоподъемность, т Собств масса, т Макс мощность на входе трансмиссии, кВт Схема привода трансмиссии

БелАЗ-76191 100 85 640 Постоянного тока

БелАЗ-75211 170 88 1180 Переменно-постоянного тока

Генерация трасс осуществлялась по статистическим характеристикам распределения элементов профиля и формы карьерных автомобильных дорог для установленного диапазона расстояний транспортирования: уклонов, длин участков постоянных уклонов, радиусов поворотов, длин участков поворотов. При этом параметры пересеченности П (%о)и извилистости трассы К (град./м) вычисляются по известным выражениям [ 3 ]:

ГНп

1 +

lep.n_

lep.n +-Л--ln.

lep.n тш

+ /с/1

cp.cn+

lcp.cn Sen lcp.cn

lcn * min

О)

где in, icn - математическое ожидание угла подъема и спуска, %о; icpn, iq,Cn - средний угол

подъема и спуска, %о; Цр„, - средняя длина участков подьема и спуска, м; l^v'/m/t"

минимальная длина участка подъема и спуска, м; s , s«, - общая длина участков подъема и спуска, м;

к=Л_# Щш

180 X/

где dnet - угол поворота, град; 1 - длина поворота, м.

При вычислении скорости движения на каждом шаге трассы использовались эмпирические зависимости (табл.2).

По аналитическим зависимостям при моделировании устанавливались средние значения скорости (математическое ожидание). Для того, чтобы учесть микропрофиль дороги, плотность транспортного потока, "субъективный " фактор водителя в системе "человек-автомобиль-дорога задавалась величина среднеквадратического отклонения скорости "о (табл.3).

Таблица 2

Эмпирические зависимости изменения средней скорости движении автомобилей-самосвалов от уклона карьерных автодорог (щебеночное покрытие)

Автомобиль-самосвал Движение с грузом на подъем Движение порожнего на спуск

БелАЗ-75191 V=31,79-3.89i+0.161i2 V=29.3+0.92i-0,25i2

БелА375211 V=30,56-2.79i+0,09i2 V=24.26+2,42i-0,29i2

Генерация мгновенной скорости движение, на каждом участке трассы осуществлялась следующим образом. Первоначально определяется величина математического ожидания скорости движения автомобиля-самосвала на ^м участке трассы, зависящие от угла подъема трассы \> и радиуса поворота Далее по параметрам заданного нормального распределения и

сгенерированной нормально распределенной случайной величины определяется мгновенная скорость движения автомобиля -самосвала на ^м участке трассы и ее предельно допустимые значения по условию:

Утш= Зо, Утм= У+Зо .

Таблица 3

Пример формирования при моделировании скорости движения автомобилей-самосвалов (движение с грузом на подъем автомобиля-самосвала БелАЗ-75191)

Уклон. 1 о/оо Мат.ожидание, V а, км/ч

0 28 3

10 27 3

20 27 4

- - -

- - -

130 10 2

140 10 2

Исходные данные для разработки модели получены по результатам экспериментальных исследований автомобиля-самосвала БелАЗ-75191, которые проводились в условиях Сарбайского карьера на реальных карьерных трассах с диапазоном расстояния транспортирования 0,8 - 5,0 км и с максимальным средневзвешенным уклоном до 50 %о, а также на горизонтальной площадке перегрузочного пункта при движении по кругу при максимальном угле поворота управляемых колес. Заданный диапазон автомобильных трасс по расстоянию, пересеченности профиля и извилистости был обеспечен на 10 маршрутах. При этом записывались следующие параметры:

Путь (расстояние), м Б

Масса груза, кг * 0

Скорость движения , м/с V

Время движения по всем режимам (тяга, накат, торможение), с I

Ток правого тягового электродвигателя I]

Ток левого тягового электродзигателя 1г

Напряжение правого тягового электродвигателя 11|

Напряжение левого тягового плектролвигателя 11г

Ток генератора I

Напряжение генератора в режиме тяги и,

Напряжение генератора в режиме торможения Ц,

Частота вращения правого тягового электродвигателя 1Ц,

Частота вращения левого тягового электродвигателя пя

Ступень поля ослабления по замыканию контактов в схеме управления

На основе экспериментальных данных построена регрессионная зависимость силы тока 1(а) тяговых электродвигателей мотор-колес от действующего момента М(нм) на оси ведущего колеса. Эта зависимость имеет следующее выражение :

I = 54,11 + 0,15М- 5,2 • 10*-М2. (1)

Эксперимент по измерению параметров при движении автомобиля-самосвала по замкнутому радиусу с максимальным углом поворота управляемых колес дал возможность установить зависимости распределения токовой нагрузки тяговых электродвигателей разных бортов при повороте.Теоретически построить такие зависимости не представляется возможным. Приведенные в ряде источников эмпирические выражения (2) дают неоднозначные результаты

при варьировании определяющими факторами. Установленная зависимость между токами вн>треннего 12 и наружного 1| тяговых электродвигателей по отношению к центру поворота от радиуса кривизны R имеет следующий вид:

% = 2,2-0,01* . (2)

Эксперимент по измерению параметров при движении автомобиля-самосвала по замкнутому радиусу с максимальным углом поворота управляемых колес был повторен при R = const и различной массе груза Q (т) с интервалом времени 5 с. При этом измерялись:

Частота вращения внутреннего к центру поворота

тягового электродвигателя П] Частота вращения наружного к центру поворота

тягового электродвигателя п2

Ток внутреннего к центру поворота тягового электродвигателя Ь

Ток наружного к центру поворота тягового электродвигателя 12

Полученные данные после статистической обработки представлены в табл.4.

В ходе эксперимента выявлено, что время использования рабочего тормоза составляет не более одного процента от общего времени движения. При этом замедление груженого автомобиля-самосвала не превышает 1 м/с2, а порожнего - 2 м/с2. В пределах 20 % общего времени движения в цикле составляет режим максимальной мощности. Режим работы электрической трансмиссии без нагрузки занимает около 30 %. По данным табл.4 получена следующая зависимость:

% = 2,530 + 0,005() . (3)

Результаты экспериментальных измерений элементов рабочего цикла движения автомобиля-самосвала во времени приведены в табл.5.

Таблица 4

Параметры работы тяговых электродвигателей при движанш автомобилей-самосвалов БелАЗ-75191 по замкнутому радиусу поворота И=9 м

1 Масса груза, Q, т п,/п2 м,/м2 1|/12

M о M о m о

0 1.52 0,3 1.68 0.2 2.53 0,3

50 1.52 0,3 1,77 0.3 2.81 0.4

90 1.55 0,3 1.82 0.4 2,98 0.3

Тягово-динамические показатели движения автомобилей-самосвалов представлены в модели уравнениями регрессии 3-го порядка, полученными в результате аппроксимации паспортных характеристик. Для динамического фактора эти зависимости имеют вид : для автомобиля-самосвала БелАЗ-75191 :

D=2,19-0,48V+4,41 • 10"2V'2-1,37- 10"3V'3 ; ( 4 )

для автомобиля-самосвала Бел АЗ-75211 :

D=2,51 -0,61 V+5,43 • 10"2V"2-1,45-10"3V"3 . (5)

Соответственно максимальная сила электродинамического торможения имеет следующие выражения :

для автомобиля-самосвала БелАЗ-75191 :

FT=1,4 104-104V+0,09 104V2 ; ( 6 )

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

185

для автомобиля-самосвала БелАЗ-75211:

Рт= 1,89-105-1,8-105У+1,09-105У2 . (7)

Адекватность имитационной модели оценена на основе сопоставления параметров движения автомобилей-самосвалов, полученных экспериментальным путем и в результате моделирования (см табл.5).

По данным результатов моделирования относительная погрешность общего времени движения автомобилей-самосвалов с грузом по сравнению с экспериментальными составила 3 %, порожняком - 2,8. При движении з режимах тяги, наката, торможения относительная погрешность находится практически в тех же пределах. Несколько большее время движения в режиме наката по данным эксперимента, по сравнению с результатами моделирования (11,2%) объясняется тем, что в модели не учтен психологический фактор реакции водителя на скорость при движении автомобиля-самосвала "сверху - вниз". Расчетные значения средней мощности по экспериментальным данным значений тока и напряжения электрических машин практически совпадают с данными, полученными по результатам моделирования. Результаты эксперимента и расчеты по данным эксперимента позволили представить использование мощности элсктротрансмиссии автомобилей-самосвалов с грузом и порожняком . При движении порожняком режим работы автомобиля-самосвала накатом и рабочего торможения (режим работы электротрансмиссия без нагрузки) составляет 30-35 %. Режим максимальной мощности при движении с грузом находится в пределах 20-25 %.

Таблица 5

Экспериментальные данные элементов рабочего цикла движения Автомобили-самосвала БелАЗ-75191 на установленной трассе (8=П60 м, Н=76,14 м, 11=58,8 о/оо, К=2,49 град/м)

Номер эксперимента Время движения с грузом, с Время движения порожняком, с

общее тяга накат торможение общее тяга накат торможение

1 410 383 19 8 289 100 139 50

2 465 433 26 6 285 98 138 52

3 444 430 10 4 210 78 120 12

4 450 424 6 10 260 128 104 28

Среднее 445 423 15 7 268 100 132 36

Температурный режим тяговых электродвигателей определяется по величине температуры в области якоря. С этой целью в модели предусмотрен цикл расчета эквивалентной теплоотдачи якоря на каждом ¡-м участке трассы в транспортном цикле:

Вэ,= (Хч, $ я , (8 )

где - площадь обдуваемой поверхности якоря, см2; ОС V, = ал 1+/" УГщ - коэффициент теплоотдачи для фактической скорости вентилятора; ОС „- коэффициент теплоотдачи, равный

о^ V2

0,002, при выключенном вентиляторе, = +

' 8Qb_>

cL-dem

- эквивалентная скорость

вентилятора; Уя} - окружная скорость якоря, зависящая от скорости движения автосамосвала; Qb - производительность вентилятора, функция частоты вращения вала силовой установки; d„ der -диаметр якоря и стального пакета.

Затем рассчитывается эквивалентная постоянная времени:

э/ в . 7 У

где Сэу - эквив&тентная теплоемкость якоря:

СЭу = 1,55СОяСм+0,7ОстСст , ( 10 )

где Соя, Ост - соответственно масса обмотки якоря и стального пакета ; См , Сет - теплоёмкость меди и стали.

Среднее значение превышения температуры вентилируемого воздуха над температурой окружающей среды вычисляется по формуле

60лР ,1]

"ШОь • (11)

где Сь - теплоемкость воздуха , Дж/м3град.; дРсЦ- потери мощности электродвигателя на j-м участке, Вт, которые рассчитаются по формуле

»

дР<0 = Ыу • <1 - 77 у) , (12)

где Ы/ - мощность, подводимая к тяговому электродвигателю на ^м участке , Вт; *1 . -

коэффициент полезного действия на.¡-м участке трассы.

Далее определяется значение перегрева обмоток якоря над вентилируемым воздухом:

ДРм

ЛРс

\-а V]

; С2,

Л)

-

( 13)

а уу • с*

где Л- удельная теплопроводность изоляции; дРл* - потери мощности в медной составляющей якоря, которые рассчитываются по формуле

л Р.и = I/ 2, (Т/ - 20) (Хм Г я ,

(14)

где г,- сопротивление обмотки якоря ; значения тока; (X и -температурный коэффициент меди; дР с - потери мощности в стали якоря

¿ЯЗ М.К П • йк

>' + Р'.ц

где 1- число пазов якоря ;

Р' = иЗЛ« + 2А.

где Ьп - ширина паза; Н - высота паза,

г 0

Т^г* ; Сз = ПОя(гя+0£т)+0£Мк(1яГ*

Установившийся перегрев обмоток якоря :

яу) - Т м§ + Т «/ .

187

(15)

(16)

(17)

(18)

Перегрев к концу j-ro участка рассчитывается по выражению

tj л «

Ту

як] = Тяу]

1-е

+ Тяу} -1-е

Тэ]

где /у - время движения на ^м участке.

При движении накатом и стоянках (I] =0) формула (20) принимает

вид:

якj = Тяу/ - 1 • С

tj

Ту

По результатам моделирования вычислялся коэффициент перегрева обмотки якоря:

Кг-ТсЛ,, (21) •

где тср - средняя установившаяся температура перегрева обмотки якоря; т^ - допустимая температура перегрева, по классу изоляции II допустимая температура перегрева составит 160 °С.

На рис.1, представлена по результатам моделирования динамика изменения температурного режима тяговых электродвигателей ДК-722 автомобиля-самосвала БелАЗ-75191 при движении их на наиболее характерных профилях трасс длиной 1,5 км В грузовом направлении, при средневзвешенном уклоне 45 %о и выше, температура тяговых электродвигателей поднимается до допустимого уровня через 200-250 с. При этом скорость нарастания температуры достигает 0,92 градусов в секунду. Средняя температура при движении с грузом находится в пределах 160-180°С. Среднее значение тока тяговых электродвигателей составляет 600- 640А.

V, и/с J.A Т. °С

800 600 400 200

Рис. 1. Изменение температурного режима тяговых электродвигателей за цикл работы

При движении порожняксм температура снижается со 180 до 40°С , т.е. в 4,5 раза Средняя скорость снижения составляет 0,54 градусов в секунду. Охлаждение осуществляется за

счет увеличения скорости движения автомобилей-самосвалов в 1.5-2 раза и снижения токовой нагрузки в среднем в 2-2,5 раза. На стоянках при ожидании погрузки и разгрузки снижение температуры незначительное (2-6°С) в связи с минимальной производительностью вентилятора

24Ü 1 180 | у --------|--- ' ' 1 'I 1 1 A A' I 1 1 х \ я \ 1 1 1 1 \ А1 |

120 ! / V VJ 1 1 1 | л1 I 1 /V 1 1 / v ¡i

60 | J 1 и 1 I 1 1 1 I | 1 / к 1 1 / \ 1 ч \ 1 1 / j \

1 '/ 2 1 1 I3«' Ч^ 1 1/ 4 1 » 1 2 3 4

560 1120 1630 2240

Рис.2. Изменение температурного режима тяговых электродвигателей за два транспортных цикла: 1 - ожидание и погрузка; 2 - движение с грузом; 3 - разгрузка.

4 - движение без груза

В последующие за первым рейсом транспортные циклы динамика температурного режима тяговых двигателей в основном сохраняется (рис 2). При этом средняя температура нагрева стабилизируется на уровне 180°С при движении с грузом и 80-85° - порожняком, а перед очередной погрузкой составляет 45-50°С.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лимитен В.Н., Бочков В.И., Москалев Б.И. Анализ методов схематизации и условий обработки процессов нагружения в связи с разработкой норм прочности автотранспортных средств//Ш Всесоюзное научно-техническое совещание «Динамика и прогность автомобиля»: Тсз.докл. - М.. 1988. -С.26-27.

2. Особенности работы тягового электропривода с последовательно соединенными элсктродвигателями/Прокопович A.B., Иванов В.И., Пафомов В.Г., Игнатьев Е.И.: Сб.науч.тр.Моск. энерг ин-та.- М„ 1987. - №136. - С.76-81.

3. Токарев A.A. Топливная экономичность и тягово-скоростныс качества автомобилей - М:

Машиностроение, 1984. - 280 с.

УДК 622.684

Н.В. Мокрушин

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ УДЕРЖИВАЮЩЕГО ПОРОДНОГО ВАЛА И ЗАЩИТНОЙ СТЕНКИ ДЛЯ КАРЬЕРНЫХ АВТОДОРОГ

В настоящее время с увеличением объёма перевозок средствами автотранспорта на карьерах возрастает и грузоподъемность автосамосвалов. С 40 т в 1950 г. грузоподъемность автосамосвалов возросла до 110 т в 1975 г., а в настоящее время этот показатель увеличился до 180

189

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.