CC BY
35
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
УДК 62-592:621.8 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-1-91-95
О КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГОНАКОПИТЕЛЬНЫХ ТОРМОЗНЫХ СИСТЕМ ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ, ГОРНЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН
© 2018 г. В.С. Исаков, А.В. Ерейский
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
CONCERNING THE CONCEPTION OF ACCUMULATIVE BRAKING SYSTEMS OF LIFTING-AND-CONVEYING, MINING AND CONSTRUCTION
MACHINES
V.S. Isakov, A.V. Ereyskiy
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Исаков Владимир Семенович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Автомобили и транспортно-технологические комплексы», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: kafedra_sdkm@mail.ru
Ерейский Андрей Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автомобили и транспортно-технологические комплексы», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: kafedra_sdkm@mail.ru
Isakov Vladimir Semenovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Cars and Transport-Technological Complexes», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.E-mail: kafedra_sdkm@mail.ru
Ereyskiy Andrey Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Cars and Transport-Technological Complexes», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: kafedra_sdkm@mail.ru
Рассматриваются актуальные направления развития энергосберегающих технологий для совершенствования процессов торможения различных технологических машин. Обоснована классификация способов и средств торможения по признаку затрат энергии на создание тормозных сил и возможностей использования кинетической энергии машины. Проведен анализ распределения энергии при различных способах торможения и составлены схемы энергобаланса машины. Приведены примеры способов и средств торможения, позволяющие использовать кинетическую энергию машины на создание тормозного усилия или сохранять в накопителе для дальнейшего использования.
Ключевые слова: тормозные устройства; энергосберегающие технологии; энергонакопительное торможение; накопитель энергии.
The article concerns main directions for the development of energy-saving technologies to improve braking processes of various technological machines. It demonstrates the classification of ways and means of braking based on their energy consumption to generate the braking forces and their capability of using the kinetic energy of the machine. Energy distribution involving different ways of braking is analyzed and on this basis the energy balance schemes of the machine are presented. The examples are provided of the ways and means of braking, capable to use the kinetic energy of the machine to generate the braking force or store it in the energy accumulator for further use.
Keywords: braking systems; energy-saving technologies; accumulative braking; energy accumulator.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Введение
Современные транспортные, грузоподъемные, строительные, горные машины, а также их подвижные блоки оборудуются различными видами тормозных систем и регуляторами скорости. При всем их многообразии и изученности, конструкторские и исследовательские работы по совершенствованию устройств, обеспечивающих необходимый процесс торможения, его эффективность и надежность, ведутся во всем мире.
У большинства мобильных машин или их функциональных блоков преобразование накопленной кинетической энергии осуществляется в тепловую, которая рассеивается в окружающую среду. Такие тормозные устройства являются энергозатратными, требуют продуманной системы отвода тепла и существенно влияют на экологию.
Значительно реже применяются энергосберегающие или энергонакопительные устройства. Например, из истории железнодорожного транспорта известно об использовании кинетической энергии прицепной части транспортного средства для формирования тормозной силы. Американский ученый Гибсс [1], а в дальнейшем И.С. Пачиков [2], В.С. Исаков [3] и другие предлагали различные устройства, реализующие инерционный способ торможения. Реальное распространение они получили только на автомобильных прицепах [4]. Профилированные тупиковые упоры [5], применяемые для строительных кранов, предполагают преобразование кинетической энергии в потенциальную. При рекуперативном торможении электродвигатели, работающие в генераторном режиме, возвращают часть энергии в контактную сеть.
Таким образом, можно утверждать, что перевод накопленной кинетической энергии движущегося объекта при торможении возможен в тепловую, кинетическую, потенциальную, электрическую, химическую, т.е. в энергию, удобную для дальнейшего накапливания и использования. Отдельные исследования и конструкторские решения получили реализацию в конкретных машинах и их блоках. Однако их широкое внедрение не практикуется. Немаловажную роль в негативном отношении к подобным устройствам играет ограниченность ресурса накопителей, отсутствие системной оценки эффективности, систематизации и комплексного подхода к решению проблем энергетического баланса машины с учетом вероятностного характера энергона
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
копления. В то же время увеличение стоимости энергетических ресурсов, возрастающие требования к экологичности машин, их надежности актуализируют проблему энергосбережения.
Систематизация способов торможения с точки зрения энергоэффективности
Вопросы создания ресурсосберегающих приводов, особенно для машин циклического действия, ставятся достаточно давно. Так, для шахтного подъема оригинальное устройство было предложено А.А. Быстровым [6], а В.Д. Ерейским, В.С. Исаковым, Г.М. Водяником, А.В. Ерейским [7, 8] были обоснованы энергосберегающие системы для шахтных поездов, мостовых кранов, тандемно-сочлененных агрегатов, мельниц и других машин. В работах Л.А. Хмара, А.П. Холодова [9] приведены результаты испытаний гидропневмоаккумулирующей системы применительно к строительным и дорожным машинам. Существенное внимание уделяется накопителям энергии: маховичным, гидропневмоаккумулято-рам, тепловым. Часть этих работ посвящена аккумулированию энергии основного двигателя в режиме холостого хода или возвратного движения с дальнейшим использованием в наиболее нагруженном рабочем режиме. При этом основной двигатель не перегружается. С этой точки зрения полезное использование накопленной при движении технического объекта кинетической энергии, которую необходимо «погасить» при торможении, может дать существенный прирост в общий энергетический баланс привода.
Все тормозные системы по отношению к энергобалансу машины можно разделить на энергозатратные, энергопассивные и энергоактивные. Первые (традиционные) предполагают подвод энергии от внутреннего или внешнего источника для создания тормозного усилия за счет прижатия тормозного органа к поверхности катания колеса, диску, рельсам и т.п. Такие устройства достаточно хорошо изучены, выполняют режимные требования, достаточно просты и надежны.
На рис. 1 а представлена схема распределения энергии в машинах, оборудованных энергозатратными тормозными системами.
Для работы любой транспортной или транспортно-технологической машины требуется внешний источник энергии, который может быть представлен в виде энергетического потока (например, электроэнергия) или потока вещества (жидкое, газообразное или твердое топливо).
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
Информационной составляющей является организация этих потоков, определенных по величине, качеству, форме представления, т.е. потоков, организованных определенным образом.
Внапний источник энергии
I
Система управления техническим
Выполнетие основных функций
Внутренний источник энергии
1
объектом
1 11 Г потребители Тормозная
Система преобразов ания и передачи
I
Режимные потери
Система распределения энерг етических ресурсов
Потери энергии, об услсел енные торможением
Выполнение вспомогательных функций
Внешний источник энергии
_L
Внутренний источник энергии
Система управления объектом
Выполнение основных функций
m
Qir
Основные потребители
Система преобразования и передачи
Тормозная система
Режимные потери
Система распределения энергетических ресурсов
Тормозная система
Вспомогательные потребители
TTF
Локальный преобразователь
Потери энергии, обусловленные торможением
Локальный преобразователь
А-
Выполнение вспомогательных функций
б
Рис. 1. Схема распределения энергии при наличии: а - энергозатратного торможения; б - энергопассивного торможения / Fig. 1. Energy distribution scheme involving: а - energy-consuming braking; б -passive braking
Энергия может восприниматься машиной без преобразования, например, электроэнергия от контактной сети сразу используется для работы электродвигателей, освещения и т.п., или с преобразованием, например, топливо обеспечивает работу двигателя внутреннего сгорания, который вращает генератор, а полученная электроэнергия используется для функционирования машины.
Система распределения энергетических ресурсов, связанная с общей системой управления объектом, обеспечивает регулирование энергетического потока между потребителями для выполнения основных и вспомогательных функций, в том числе для торможения. Потери энергии, обусловленные торможением, являются
безвозвратными. Значительное количество вырабатываемой тепловой энергии рассеивается в окружающую среду.
Каждая подсистема и связь характеризуются своим коэффициентом полезного действия и потерями (на рис. 1 не представлены). Режимными названы потери, обусловленные неравномерностью (колебаниями) потребления энергии: холостой ход, изменение нагрузки на исполнительных органах в процессе работы и т.п.
Энергопассивные тормозные системы, представленные на рис. 1 б, практически не требуют подвода энергии от внутреннего или внешнего источника. Кинетическая энергия самого транспортного средства воспринимается локальным преобразователем и используется для создания тормозной силы или реверса (смены направления движения), т.е. формируется замкнутая локальная система перераспределения энергетического потока. Практически вся кинетическая энергия затрачивается на процесс торможения самого объекта.
Такие системы представлены инерционными тормозами [2, 3], преобразующими силу сжатия сцепных приборов тандемно-соединен-ных объектов в механическую, гидравлическую, электрическую энергию, используемую для создания тормозной силы. Профильные упоры [5] обеспечивают преобразование кинетической энергии в потенциальную, формируя откатывающую силу, достаточную для остановки объекта или реверса его движения. В обоих случаях кинетическая энергия машины или его подвижных частей используется пассивно - только для нужд торможения.
Энергоактивные тормозные системы не только обеспечивают регулирование скорости, но способны преобразовать кинетическую энергию тормозимого объекта в другие виды энергии с последующим сохранением в накопителе или передачей в контактную сеть. Запасенная в накопителе энергия может быть использована для последующего разгона объекта [7] или обеспечения других режимов функционирования [8]. Такие системы представляют интерес для машин циклического действия, обладающих значительными массами и скоростью подвижных частей. К энергоактивным можно отнести хорошо известные рекуперативные тормоза. В общем случае процесс рекуперации предполагает возвращение части энергии или вещества для повторного использования в том или ином процессе. Таким образом, рекуперация предполагает «производство»
а
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 1
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
энергии за счет полезного использования накопленной при движении машины кинетической энергии. Собственно под рекуперативным торможением понимают, как правило, преобразование кинетической энергии в электрическую, возвращаемую в контактную сеть.
В приводах наземных транспортно-техно-логических машин используют электродвигатели переменного и постоянного тока в зависимости от режимов работы и условий эксплуатации машины. Все указанные электродвигатели являются обратимыми электромашинами и позволяют осуществлять рекуперативное торможение, но только в узком диапазоне скоростей от максимального значения до скорости идеального холостого хода, что связано с механическими характеристиками двигателей. В связи с указанными обстоятельствами торможение можно осуществить в три этапа: рекуперативное, динамическое или реостатное, механическое до полной остановки объекта. Расширение диапазона скоростей рекуперативного торможения неизбежно влечет усложнение системы управления двигателем, массы привода, его стоимости.
В энергоактивных тормозных системах, в отличие от схемы, представленной на рис. 2, после локального преобразователя устанавливается накопитель, который передает энергию потребителю в соответствии с управляющими сигналами, либо сохраняет энергию в центральном накопителе.
Авторами разработаны конструкции и исследованы энергопассивные [3, 10] и энергоактивные [7, 10] тормозные системы ряда подъемно-транспортных и строительных машин.
Выводы
1. Существующие рекуперативные (энергонакопительные) системы находят все более широкое применение в различных машинах и механизмах и демонстрируют возможности существенной экономии энергозатрат. Однако все накопительные системы обладают существенными недостатками, среди которых можно выделить значительные потери при преобразовании и хранении энергии. В этой связи маховичные накопители, сохраняющие и возвращающие потребителю кинетическую энергию без ее преобразования, являются наиболее перспективными.
2. Систематизация тормозных средств по отношению к энергобалансу машины позволила выделить энергозатратные, энергопассивные и энергоактивные системы. Теоретические и
экспериментальные исследования авторов подтвердили:
- эффективность энергопассивного торможения и возможность обеспечить минимальные усилия в сцепных устройствах тандемно-сочле-ненных агрегатов, добиться равномерного распределения тормозного усилия по длине состава;
- возможность накапливать в маховичных и гидравлических аккумуляторах энергию торможения движущихся агрегатов машины, обеспечивая эффективное энергоактивное торможение;
- работоспособность предложенных энергосберегающих и энергонакопительных тормозных систем;
- эффективность использования накопленной энергии для других технологических процессов.
Литература
1. Уилсон М. Американские ученые и изобретатели: пер. с англ. М.: Знание, 1975. 135 с.
2. Пачиков И.С. Разработка и исследование колодочных тормозов для шахтных вагонеток, работающих от силы сжатия сцепных приборов. М., 1976. 77 с. Деп. в ЦНИИ-ЭИуголь, № 643.21.06, реф. 12.43.187.
3. Исаков В.С. Инерционные тормозные устройства на основе замкнутых кинематических контуров / Новочеркасск: редакция журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки». 2005. 140 с.
4. Железное Е.И., Железное Р.Е. Моделирование работы устройства управления инерционной тормозной системы прицепа // Изв. ВолгГТУ. Наземные транспортные системы. Вып. 9. Волгоград, 2014. № 19 (146). С. 24 - 27.
5. Мартынов А.В., Ксюнин Г.П., Черкасов В.Г. Торможение мостовых кранов и тележек гравитационным способом // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1975. № 4. С. 67 - 69.
6. Быстров А.А. Инерционный принцип аварийного торможения подъема // Тр. НПИ. Новочеркасск: РИО НПИ, 1959, т.67.
7. Исаков В.С., Ерейский В.Д., Ерейский А.В. Результаты экспериментальных исследований энергонакопительного торможения // Тр. междунар. науч.-техн. конф. «Интерстроймех-2001». СПб, 2001. С. 135 - 139.
8. Водяник Г.М., Исаков В.С. Математическое моделирование энергосберегающих и энергонакопительных тормозных систем на основе замкнутых кинематических контуров / Новочеркасск: редакция журн. «Изв. вузов. Электромеханика». 2006. 91 с.
9. Хмара Л.А., Холодов А.П. Повышение эффективности бульдозеров путем использования гидроаккумулирую-щей системы // Строительные и дорожные машины. -2012. № 3. С. 33 - 37.
10. Энергосберегающие и энергонакопительные тормозные системы горных, строительных и подъемно-транспортных машин с использованием замкнутых кинематических контуров / В.С. Исаков, А.В. Ерейский, А.Н. Дровников и др. // Горное оборудование и электромеханика. 2007. № 10. С. 29 - 35.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1
References
1. Uilson M. Amerikanskie uchenye i izobretateli [American Science and Invention]. Moscow, Znanie Publ., 1954, 437 p.
2. Pachikov I.S. Razrabotka i issledovanie kolodochnykh tormozov dlya shakhtnykh vagonetok, rabotayushchikh ot sily szhatiya stsepnykh priborov [Developement and research of shoe brake for tubs using compressive force of draw-gear]. Stat'ya depon. v TsNIIEIugol', Moscow, 1976.
3. Isakov V.S. Inertsionnye tormoznye ustroistva na osnove zamknutykh kinematicheskikh konturov [Inertial braking devices based on closed-loop kinematic circuit]. Rostov-on-Don, Izd-vo zhum. «Izv. vuzov Sev.-Kavk. region», 2005, 140 p.
4. Zheleznov E.I., Zheleznov R.E. Modelirovanie raboty ustroistva upravleniya inertsionnoi tormoznoi sistemy pritsepa [Modelling of performance of inertial braking system control device for trailer]. Izvestiya VolgGTU. Ser. Nazemnye transportnye sistemy, 2014, no. 19, pp. 24-27. (In Russ.)
5. Martynov A.V., Ksyunin G.P., Cherkasov V.G. Tormozhenie mostovykh kranov i telezhek gravitatsionnym sposobom [Braking of overhead cranes and carts by gravitational method]. Izv. Sev.-Kavk. nauch. tsentra vyssh. shk. Tekhnicheskie nauki, 1975, no. 4, pp. 67-69.
6. Bystrov A.A. Inertsionnyi printsip avariinogo tormozheniya pod"ema [Inertial principle of emergency rise braking]. Trudy NPI. RIO NPI, 1959, vol. 67.
7. Isakov V.S., Ereiskii V.D., Ereiskii A.V. Rezul'taty eksperimental'nykh issledovanii energonakopitel'nogo tormozheniya [The resuls of experimental research on accumulative braking]. Tr. mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. «Interstroimekh-2001», Izd-vo SPbGTU, 2001, pp. 135-139. (In Russ.)
8. Vodyanik G.M., Isakov V.S. Matematicheskoe modelirovanie energosberegayushchikh i energonakopitel'nykh tormoznykh sistem na osnove zamknutykh kinematicheskikh konturov [Mathematical modelling of energy-saving and accumulative braking systems based on closed-loop kinematic circuits]. Novocherkassk, Red. zhurn. «Izvestiya vuzov. Elektromekhanika», 2006, 91 p.
9. Khmara L.A., Kholodov A.P. Povyshenie effektivnosti bul'dozerov putem ispol'zovaniya gidroakkumuliruyushchei sistemy [Improving the efficiency of bulldozers by using hydro-accumulating system]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny, 2012, no. 3, pp. 33-37. (In Russ.)
10. Isakov V.S., Ereiskii A.V., Drovnikov A.N. i dr. Energosberegayushchie i energonakopitel'nye tormoznye sistemy gornykh, stroitel'nykh i pod"emno-transportnykh mashin s ispol'zovaniem zamknutykh kinematicheskikh konturov [Energy-saving and accumulative braking systems of mining, construction and lifting-and-conveying machines using closed-loop kinematic circuits]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika, 2007, no. 10, pp. 29-35. (In Russ.)
Поступила в редакцию /Received 30 января 2018 г. / January 30, 2018
