Накопитель энергии для импульсной нагрузки тракторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 531.382

И.П. Попов1, В.Г. Чумаков1, С.С. Родионов2, Л.Я. Чумакова1

НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ТРАКТОРОВ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ИМЕНИ Т.С. МАЛЬЦЕВА», КУРГАН, РОССИЯ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», КУРГАН, РОССИЯ

I.P. Popov1, V.G. Chumakov1, S.S. Rodionov2, L.Ya. Chumakova1 ENERGY STORAGE FOR PULSE LOAD OF TRACTORS ''FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BY T.S. MALTSEV», KURGAN, RUSSIA 2FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION KURGAN STATE UNIVERSITY, KURGAN, RUSSIA

Игорь Павлович Попов

Igor Pavlovich Popov ip.popow@yandex.ru

Владимир Геннадьевич Чумаков

Vladimir Gennadevich Chumakov Доктор технических наук, доцент vgchumakov@mail.ru

Сергей Сергеевич Родионов

Sergey Sergeevich Rodionov кандидат технических наук, доцент rodses09@mail.ru

Любовь Яковлевна Чумакова

Lyubov Yakovlevna Chumakova vgchumakov@mail.ru

Аннотация. Рассматривается возможность оснащения транспор-тно-технологических машин инертно-емкостным накопителем энергии, что позволит сгладить нагрузку на силовую установку и за счет этого снизить ее мощность и массогабариты. Нагрузка ряда транспортно-технологических машин, таких как экскаваторы, бульдозеры, тракторы и др. имеет существенно неравномерный характер. Мощность их силовой установки определяется пиковой нагрузкой. Очевидно, что большую часть времени силовая установка работает в недогруженном режиме. Целью работы является разработка технического решения по компенсаций пиковых нагрузок транспортно-тех-нологических машин. Задачи исследования состоят в построении математической модели инертно-емкостного накопителя энергии. Актуальность настоящего исследования обусловлена тем, что использование накопителя энергии позволит сгладить нагрузку на силовую установку и за счет этого снизить ее мощность и массогабариты. Относительно частая смена режима работы транспортно-технологических машин обусловливает эффективность и целесообразность оснащения их накопителем энергии. Помимо сглаживания нагрузки на силовую установку накопитель позволит рекуперировать энергию при торможении, за счет чего возрастет энергоэффективность машины. Основными методами исследования в рамках настоящей работы являются методы математического моделирования и анализа. Использованные методы позволяют получить достоверное описание исследуемых объектов. Представлены теоретические предпосылки создания инертно-емкостного накопителя энергии, который технически выполнен в виде машины постоянного тока с супермаховиком. Использование маховиков на транспор-тно-технологических машинах оправдано в силу нежёстких требований к общему весу. Другим преимуществом некоторых транспортно-технологических машин является наличие электромеханической трансмиссии (или возможности ее установки), что минимизирует разработку для них рассмотренного инертно-емкостного накопителя.

Введение. Нагрузка ряда транспортно-технологиче-ских машин, таких как экскаваторы, бульдозеры, а также тракторы, при выполнении ряда операций, сопряженных с импульсной нагрузкой, такой как расчистка территорий от валунов, корчевание пней и т.п., имеет существенно неравномерный характер. Мощность их силовой установки опре-

Ключевые слова: транспортно-технологическая машина, накопитель, супермаховик, силовая установка, энергоэффективность.

Abstract. The possibility of equipping transport-technological machines with an inert-capacitive energy storage device is considered. It will allow to smooth down the load on the power plant and thereby reduce its power and mass and dimensions. The load of a number of transport-technological machines, such as excavators, bulldozers, etc. is essentially uneven. The power of their power plant is determined by the peak load. Obviously, most of the time the power plant works in underloaded mode. The aim of the work is to develop a technical solution for compensation of peak loads of transport and technological machines. The research tasks are to build a mathematical model of an inert-capacitive energy storage. The relevance of this study is due to the fact that the use of energy storage will allow to smooth the load on the power plant and thereby reduce its power and mass and dimensions. The relatively frequent change in the mode of operation of transport and technological machines determines the efficiency and feasibility of equipping them with energy storage. In addition to smoothing the load on the power plant, the drive will allow energy to be recovered when braking, thereby increasing the energy efficiency of the machine. The main research methods in the framework of this work are the methods of mathematical modeling and analysis. The methods used allow to obtain a reliable description of the objects under study. The theoretical background for creating an inert-capacitive energy storage device, which is technically designed as a DC machine with a super flywheel, is presented. The use of flywheels on transport-technological machines is justified by virtue of not rigid requirements for the total weight. Another advantage of some transport-technological machines is the presence of an electromechanical transmission, which minimizes the development for them of the considered inert-capacitive drive.

Keywords: transport and technological machine, drive, super flywheel, power plant, energy efficiency.

деляется пиковой нагрузкой. Очевидно, что при импульсной нагрузке силовая установка большую часть времени работает в недогруженном режиме.

Целью работы является разработка технического решения по компенсации пиковых нагрузок транспортно-тех-нологических машин.

72 Научный журнал Вестник Курганской ГСХА

Задачи исследования состоят в построении математической модели инертно-ёмкостного накопителя энергии.

Актуальность настоящего исследования обусловлена тем, что использование накопителя энергии позволит сгладить нагрузку на силовую установку и за счет этого снизить ее мощность и массогабариты. Относительно частая смена режима работы транспортно-технологической машины обусловливает эффективность и целесообразность оснащения ее накопителем энергии.

Методика. Рассматривается инертно-ёмкостной накопитель энергии, в качестве которого можно использовать машину постоянного тока с супермаховиком.

Подача на якорную обмотку постоянного напряжения и инициирует следующие механический [1-8] и электрический [9, 10] процессы:

3-

+ к^ = Б2!^г Жг Жг 2

Ш = и

в жф

Б2Ы>--—- ■

2 Жг

где J - суммарный момент инерции; к - коэффициент трения; В - магнитная индукция; 21 - активная длина проводника; w - количество витков; D - эффективный диаметр ротора; R - электрическое сопротивление.

Можно ввести параметрический коэффициент

БЫБ = У , (1)

Пусть начальные условия

ф(0) = ф0

<°»=«0.

Жг

(2)

Из уравнения электрического равновесия следует

и

у '

Ж ф _ Ш .

Жг ~ У

(3)

Ж 2ф _ Ш Жг Жг2 У Жг'

Подстановка в первое уравнение системы дает

3Ш Жг кШ ки т,

-----г +-= Уг,

У Л У У

Жг

(у 2

3Ш 3

к Л. = к_и

1 = 3 Ш

Пусть

— + - = А, 3Ш 3

— + А1 = Б . Жг

Тогда

& а- г,

— + Аг = Б. Жг

Общим решением является

г2 = С2 . Частным -

г2 = С 2 .

Подстановка его в формулу (4) дает

(4)

0 + АС2 = Б

с = ББ

С А

Результаты. Искомый ток равен

г = г1 + г2 = С1е

Б А

(5)

С учётом (2) и (3)

1(0)=и_У<±. Ш Ш

С учётом (5)

с = и _ _ Б

1 Ш Ш А

и У<$0 _ Б | е_м

г = ' и_

Ш

Б

~А

г =

(

V

( и _ У <

и

\

Ш

У2 к + Ш

т

и

У2 к + Ш

и _ Е0

Ш

и

\

+ Ш J

и

+ ш

(6)

где Е0 = У<0.

Ш

3 3

Ш

3

1 1

3

ШСГ

ШС3

(7)

При к = 0 Ш, =ю и

г =-

и _ Е

Ш

0 е-''т

т = 3 = Кст

(8)

(9)

Формулы (8) и (9) неотличимы от формул, описывающих заряд конденсатора.

При замыкании накоротко клемм якорной обмотки

г =_Е0 е-"т.

Ш

Эта формула неотличима от формулы, описывающей разряд конденсатора.

Выражения (6)-(9) свидетельствуют о ёмкостном характере рассматриваемого накопителя мощности.

Искусственная электрическая емкость накопителя равна

с = 3.

Электромеханическое сопротивление

Ш = У2

Ш = у

Запасаемая накопителем энергия равна

ж =

С3и2 = 3иг_ = 3< 2 = 2У2 ~ 2

На рис. 1 изображена электрическая схема инертно-ёмкостного накопителя, на рис. 2 - характер тока при его зарядке и разрядке.

II к

R г h

-i 1-- _Il_

J

Г2

Рисунок 1 - Электрическая схема инертно-ёмкостного накопителя

Рисунок 2 - Характер тока при зарядке и разрядке инертно-ёмкостного накопителя

Выводы. В настоящее время созданы высокоэффективные супермаховики и даже рассматривается возможность применения их на легковых автомобилях. Очевидно, что использование маховиков на транспортно-технологи-ческих машинах значительно менее проблематично в силу существенно менее жестких требований к общему весу. Еще более выгодным преимуществом некоторых транспор-тно-технологических машин является наличие электромеханической трансмиссии (или возможности ее установки), что минимизирует разработку для них рассмотренного инертно-ёмкостного накопителя (искусственной электрической емкости).

Список литературы

1. Фоминых А.В., Фомина С.В., Мекшун Ю.Н. Решетный стан, совершающий колебания в своей плоскости с переменной амплитудой по длине решета // Сборник научных трудов КрасГАУ. 2005. № 5. С. 201-205.

2. Фоминых А.В., Фомина С.В., Мекшун Ю.Н. Решетный стан с переменной амплитудой // Сельский механизатор. 2005. № 8. С. 28.

3. Пивень В.В., Уманская О.Л. Определение упругих характеристик несущих конструкций вибрационных машин и их оснований // Омский научный вестник. 2006. № 8 (44). С. 80-83.

4. Попов И.П., Чумаков В.Г., Левитский В.Ю., Чумако-

ва Л.Я. Автобалансировка решетных сепараторов с постоянным приведенным моментом инерции // Вестник Курганской ГСХА. 2019. № 1 (29). С. 59-61.

5. Попов И.П., Левитский В.Ю., Родионов С.С., Родионова С.И. Активная, реактивная и полная механические мощности решетного сепаратора // Вестник Курганской ГСХА. 2019. № 2 (30). С. 70-73.

6. Попов И.П., Чумаков В.Г, Родионов С.С., Шевцов И.В., Низавитин С.С. Механизм зерноочистительной машины с постоянным приведенным моментом инерции // Вестник Курганской ГСХА. 2015. № 1 (13). С. 68-71.

7. Попов И.П., Чумаков В.Г., Родионов С.С., Шевцов И.В. Инерционная мощность решетной зерноочистительной машины // Вестник Курганской ГСХА. 2015. № 3 (15). С. 77-79.

8. Попов И.П., Чумаков В.Г, Левитский В.Ю., Родионов С.С., Чумакова Л.Я., Родионова С.И. Механизм с постоянным приведенным моментом инерции для зерноочистительной машины с тремя решетными станами // Вестник Курганской ГСХА. 2018. № 1 (25). С. 76-79.

9. Попов, И.П. Комбинированные векторы и магнитный заряд / И.П. Попов // Прикладная физика и математика. 2018. № 6. С. 12-20.

10. Попов, И.П. Емкостно-инертное устройство / И.П. Попов // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». 2015. Том 2. С. 43-45.

List of reference

1 Fominykh A.V., Fomina S.V., Mekshun Yu.N. Sieve mill, oscillating in its plane with a variable amplitude along the length of the sieve // Collection of scientific works of KrasSAU. 2005. № 5. Рр. 201-205.

2 Fominykh A.V., Fomina S.V., Mekshun Yu.N. Variable-amplitude sieve mill // Rural machine operator. 2005. № 8. Рр. 28.

3 Piven V.V., Umanskaya O.L. Determination of the elastic characteristics of the supporting structures of vibrating machines and their bases // Omsk Scientific Bulletin. 2006. № 8 (44). Рр. 80-83.

4 Popov I.P., Chumakov V.G., Levitsky V.Yu., Chumako-va L.Ya. Autobalancing of sieve separators with constant reduced moment of inertia // Vestnik of Kurgan State Agricultural Academy. 2019. № 1 (29). Рр. 59-61.

5 Popov I.P., Levitsky V.Yu., Rodionov S.S., Rodionova S.I. Active, reactive and full mechanical power of the sieve separator // Vestnik of Kurgan State Agricultural Academy. 2019. № 2 (30). Рр. 70-73.

6 Popov 1.Р., Chumakov V.G., Rodionov S.S., Shevtsov I.V., Nizavitin S.S. The mechanism of a grain cleaning machine with a constant reduced moment of inertia // Vestnik of Kurgan State Agricultural Academy. 2015. № 1 (13). Рр. 68-71.

7 Popov 1.Р., Chumakov V.G., Rodionov S.S., Shevtsov I.V. Inertial power of a sieve grain cleaning machine // Vestnik of Kurgan State Agricultural Academy. 2015. № 3 (15). Рр. 77-79.

8 Popov 1.Р., Chumakov V.G., Levitsky V.Yu., Rodionov S.S., Chumakova L.Ya., Rodionova S.I. The mechanism with a constant reduced moment of inertia for a grain cleaning machine with three sieve mills // Vestnik of Kurgan State Agricultural Academy. 2018. № 1 (25). Рр. 76-79.

9 Popov, 1.Р. Combined vectors and magnetic charge / 1.Р. Popov // Applied and Mathematics. 2018. № 6. Рр. 12-20.

10 Popov, 1.Р. Capacitively inert device / 1.Р. Popov // Рго-ceedings of the St. Petersburg State Electrotechnical University "LETI". 2015. Том 2. Рр. 43-45.