CC BY
83
Козловский В.Н. Kozlovskiy УЖ.
доктор технических наук, профессор Поволжского государственного университета сервиса, Россия, г. Тольятти
Строганов В.И. Stroganov У.1.
кандидат технических наук, проректор Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета Россия, г. Москва
УДК 629. 113
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ АВТОМОБИЛЯ С КОМБИНИРОВАННОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ НА ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА
В работе представлены основные результаты исследования влияния технологических факторов производства компонентов автомобиля с комбинированной силовой установкой на показатели качества, на примере стартер-генераторной установки.
Ключевые слова: автомобиль с комбинированной силовой установкой; стартер-генератор; качество; надежность.
ENSURING THE QUALITY AND RELIABILITY OF ELECTRIC CAR WITH A COMBINED POWER PLANT DURING THE DESIGN AND PRODUCTION
The paper presents themain results of thestudy of the effectof technological factorsof productionvehicle componentswitha combined power planton quality, the example of a starter-generator set
Key words: vehicle with a combined power plant; starter-generator; quality; reliability.
В условиях высокотехнологичного проектирования и производства, между процессами должна обеспечиваться жесткая связь на основе показателей качества. Это способствует выполнению главного требования стандарта ISO/TS 16949:2008 - по-
стоянному улучшению качества продукции.
Любой процесс, будь то проектирование или производство, можно представить в виде многомерного объекта, структура которого приведена на рис. 1.
\ Ф \ 1 1 1 г у i zfi) f y/o
Управляемый объект
-----► Ф w -----► yß)
w
Рис. 1. Структура процесса
Если рассматривается процесс проектирования, то на входе объекта действует векторная переменная х(Ь) с составляющими х^Ь),..., хп(Ь). К составляющим относятся свойства материалов, стоимость проектируемого изделия и т. д.
Параметры, характеризующие условия протекания процесса проектирования (размеры и допуски на них, технические условия и т. д.), обозначены через векторную функцию z(t) с составляющими z1(t),...,zl(t). Выходные переменные описываются вектором у(Ь) = [у^Ь),...^^)]. Составляющими этого вектора будут технические характеристики проектируемого изделия.
На этапе проектирования продукции и выбора технологического оборудования для производства предопределяется стабильность технических характеристик и качество готового изделия через стоимость изготовления деталей и узлов.
Если рассматривается процесс производства, то на входе объекта действует векторная переменная х(Ь) с составляющими х^Ь),...^^). К этим переменным относятся свойства заготовок и полуфабрикатов, используемых на данном технологическом объекте. Параметры, характеризующие условия протекания технологического процесса (точность,
настроенность, стабильность), обозначены через векторную функцию z(t) с составляющими z1(t),..., zl(t). Выходные переменные описываются вектором У© = [у1(€),... ,ут(Ь)]. Составляющими этого вектора будут характеристики полученного изделия [3].
Необходимо отметить, что размерность векторов х(Ь), z(t), у(Ь) для реальных процессов очень велика и учесть все их составляющие невозможно, поэтому только часть составляющих векторов х(Ь), z(t), у(Ь) рассматривается как случайные функции. Значения выходных переменных у(Ь) зависят от векторов х1(Ь),...,хп(Ь) и z1(t),...,zl(t)], при этом часть составляющих векторов х(Ь), z(t) могут быть управляющими. По отношению к каждой из выходных переменных вектора у(Ь), которые могут рассматриваться как следствия осуществления данного технологического процесса, составляющие векторов х(Ь), z(t) могут рассматриваться как причины, и в общем случае их влияние сказывается на векторе у(Ь). Следовательно, при общем рассмотрении нет необходимости разделять переменные х(Ь), z(t), и они обычно объединяются в группу входных переменных. Исходя из этого, многомерный технологический процесс может быть представлен блок-схемой (рис. 2).
Рис. 2. Упрощенная структура процесса
В соответствии с вышесказанным, решение задачи обеспечения требуемого уровня качества проектирования и производства автомобильного стартер-генераторного устройства должно начинаться с выбора наиболее значимых входных и выходных параметров рассматриваемых процессов.
Известно, что существенное влияние на технические характеристики электромеханических преобразователей оказывают точностные параметры изготовления размеров активной зоны. Поэтому в качестве входных параметров процесса будем рассматривать основные геометрические размеры активной зоны стартер-генератора.
В представленной работе рассматривается стартер-генераторное устройство (СГУ), выполненное на основе индукционно-динамической машины (ИДМ). Методика расчета ИДМ идентична методи-
ке расчета асинхронного двигателя.
Конструкция данного СГУ предложена в виде обращенной машины, то есть ротор вращается снаружи, а не внутри двигателя. Ротор машины - с короткозамкнутой обмоткой, с литой алюминиевой клеткой. Режим работы данного устройства в режиме электродвигателя - кратковременный с длительностью включения до 30 секунд. Для увеличения продолжительности работы СГУ в режиме двигателя необходим очень емкий накопитель типа блока конденсаторов большой емкости. Коммутация обмоток СГУ при переключении его из одного режима работы в другой происходит при помощи схемы управления.
В группу входных параметров входят все линейные размеры активной зоны устройства.
В качестве выходных параметров процесса
будем рассматривать технические характеристики стартер-генератора, к которым относятся характеристика холостого хода (ХХХ) и электромеханические характеристики. Электромеханическими характеристиками называется зависимость основных параметров стартер-генераторного устройства (напряжения, частоты вращения, момента, КПД, мощности) от тока [2].
Оценку влияния входных размерных параметров СГУ на выходные технические характеристики можно осуществлять через коэффициенты влияния, определяющие степень влияния погрешностей входных параметров на погрешности выходных.
Относительный коэффициент влияния j-го входного параметра на 1-й выходной в общем виде может быть определен как:
41_-■-• (1)
(Ьу е(х1,...,х.о
Подставляя в выражение (1) расчетные номинальные значения параметров, получим численное значение данного коэффициента влияния.
Связь между входными и выходными параметрами СГУ осуществляется на основе методики расчета электромагнитных характеристик ИДМ.
Для определения аналитических выражений и численных значений коэффициентов влияния СГУ были разработаны программы в математической среде МА^АВ.
Результаты расчета коэффициентов влияния входных параметров на МДС при холостом ходе и нагрузке, позволяют выделить размерные параметры активной зоны стартер-генератора, которые наиболее существенно влияют на МДС. К этим параметрам относятся наружный диаметр сердечника статора и внутренний диаметр сердечника ротора. Данные параметры принимают участие в формировании рабочего воздушного зазора машины. Размеры паза статора, высота и ширина, оказывают меньшее влияние на формирование МДС машины. Однако их влияние также значимо.
Наружный диаметр сердечника статора, внутренний диаметр сердечника ротора и длина сердечника статора оказывают наиболее существенное влияние на общие потери в машине. Эта же группа параметров обладает наибольшими значениями коэффициентов влияния, рассчитанных относительно КПД машины.
Кроме перечисленных размерных параметров активной зоны стартер-генератора существенное влияние на электромеханические характеристики оказывает индукция в рабочем воздушном зазоре машины при нагрузке. Этот параметр можно рас-
сматривать как связующее звено с коэффициентами влияния, рассчитанными относительно МДС при холостом ходе.
Таким образом, группа размерных параметров активной зоны, оказывающая наиболее существенное влияние на технические характеристики стартер-генератора, включает в себя: наружный диаметр сердечника статора, внутренний диаметр сердечника ротора, длина сердечника статора, высота паза, ширина паза статора.
Известно, что в процессе производства невозможно получить одинаковую продукцию даже если она изготовлена при неизменном технологическом процессе на одном и том же оборудовании и теми же рабочими. При контроле параметров качества можно обнаружить некоторые колебания их значений. Ряд значений параметров для всей партии или выборки отражает закономерности соответствующего технологического процесса. Его изменение и связанное с ним распределение параметров качества продукции вызывается тем комплексом случайных и систематических причин, которые действуют в процессе производства и обусловливают погрешность технологического процесса.
В массовом производстве распределение характеристик технических устройств в границах разброса подчиняется определенным статистическим законам. Определение закономерностей изменения рабочих характеристик устройств в зависимости от размерных параметров позволяет проводить вычислительные эксперименты, которые с высокой степенью достоверности результатов описывают реальные технологические процессы производства. В результате появляется возможность для своевременных корректирующих действий при выявлении просчетов в процессе проектирования или постановки изделия в производство, а, кроме того, оперативный анализ результатов статистического вычислительного эксперимента способен наглядно продемонстрировать существенное влияние главных размеров активной зоны в формировании электромагнитных характеристик изделий главной группы. По сути, это инструмент выполнения требований стандарта ИСО/ТУ 16949:2008 в части управления производством и обслуживанием: «Организация должна планировать и осуществлять производство и обслуживание в управляемых условиях», а также инженерной методики FMEA - анализ видов и последствий потенциальных дефектов. Сущность которой заключается в выявлении потенциальных дефектов, которые могут возникнуть в процессе применения продукции, и определении последствий потенциальных отказов, а также выра-
ботке действий по устранению их причин.
Программа, осуществляющая расчетно-статис-тический эксперимент по методу Монте-Карло, проводит оценку стабильности технических характеристик партии стартер-генераторов, объемом 200 штук, отобранных случайным образом. При этом, как и в реальном технологическом процессе, изменение размерных параметров активной зоны подчиняется нормальному закону распределения. Выборка значения входного размерного параметра осуществляется с помощью генератора случайных чисел.
Метод Монте-Карло заключается в многократном расчете параметров по некоторой формализованной схеме, являющейся математическим описанием данного процесса. Исследуемым процессом является определение влияния технологических погрешностей изготовления размерных параметров, подчиненных статистическим законам распределения, на технические характеристики устройств.
Преобразования входных параметров в технические характеристики осуществляется на основе мето-
дики расчета индукционно-динамической машины. В качестве технических характеристик рассматриваем характеристику холостого хода и зависимости суммарной мощности потерь и коэффициента полезного действия от тока якоря.
Конструкция стартер-генератора предложена в виде обращенной машины, то есть ротор вращается снаружи, а не внутри двигателя. Ротор машины - с короткозамкнутой обмоткой, с литой алюминиевой клеткой.
Входные параметры расчетно-статистического эксперимента (табл. 1) - это выделенные на этапе расчета коэффициентов влияния ключевые размеры активной зоны стартер-генератора, то есть это те параметры, разброс которых может привести к существенному изменению технических характеристик изделия. В данную группу вошли: наружный диаметр сердечника статора ФН1) и внутренний диаметр сердечника ротора ф2), внутренний диаметр сердечника статора длина сердечника статора (11), длина сердечника пакетаротора (12).
Таблица 1
Группа входных параметров расчетно-статистического эксперимента для стартер-генератора
Размерный параметр Среднее значение в пределах допуска, м Среднее квадратическое отклонение, м
0,24308 0,0000416
0,245025 0,00005
11 0,04083 0,000166
12 0,04083 0,000166
0,1607 0,000063
В результате расчетно-статистического эксперимента установлено, что особенно широкие разбросы рабочих характеристик стартер-генератора образуются в результате погрешностей изготовления входных параметров, образующих рабочий воздушный зазор (наружный диаметр сердечника статора ФН1) и внутренний диаметр сердечника ротора ф2). Это подтверждает выдвинутое на этапе расчета коэффициентов влияния предположение о наиболее существенном влиянии разброса этих параметров на технические характеристики стартер-генератора.
Гистограммы распределения наружного диаметра сердечника статора и внутреннего диаметра сердечника ротора стартер-генератора представлены на рис. 3.
Анализ изменения характеристики холостого хода проведен для напряжения обмотки якоря равного и = 42 В.
Гистограмма распределения суммарной магнитодвижущей силы на холостом ходу (Fhh) представлена на рис. 4.
Анализ влияния разбросов размерных параметров активной зоны стартер-генератора на характеристику холостого хода - существенный вклад в стабильность характеристики холостого хода разбросов наружного диаметра сердечника статора и внутреннего диаметра сердечника ротора в пределах установленного техническими условиями (ТУ) поля допуска.
i, шт. i, шт.
Рис. 3. Гистограммы распределения DH1 (а), и D2 (б) в геометрическом поле допуска
Разброс суммарных потерь стартер-генератора видно, что минимальное значение КПД соответ-
от минимального до максимального значения со- ствует 0,725 и проявляется 1 раз, максимальное зна-
ставляет 6,53 % (рис. 5). чение 0,7425 также проявилось с частотой равной 1.
Гистограмма распределения КПД стартер- Диапазон между минимальным и максимальным
генератора представлена на рис. 6. Из гистограммы значениями составляет 0,0175 или 2,35%.
/, шт.
250 300 350 400 450
Рис. 4. Гистограмма распределения суммарной МДС на холостом ходу (Fhh)
1490 1440 1460 1480 1500 1520 154П Рис. 5. Гистограмма распределения общих потерь
25 20 15 10 5
i, шт.
-1-1-1-1-
,72 0,725 0,73 0,735 0,74 0,745
Рис. 6. Гистограмма распределения КПД
Анализ гистограмм доказывает существенное влияние технологических разбросов активной зоны стартер-генератора на его технические характеристики. Гистограммы подчеркивают особую роль величины рабочего воздушного зазора в формировании стабильных технических характеристик устройства.
Таким образом, полученные результаты в рамках процессного подхода, избранного для решения задачи повышения качества и стабильности технических характеристик стартер-генератора, позволяют проводить более глубокое исследование влияния входных параметров на выходные и наметить пути стабилизации последних, а наиболее перспективными методами их решения, без сомнения, являются методы математического и имитационного моделирования.
Внедрение новых комплексов в систему электрооборудования автомобилей требует проведения ряда мероприятий, направленных на оценку качества и надежности работы технических устройств. Наиболее эффективная реализация таких мероприятий может быть достигнута за счет применения математического компьютерного моделирования, которое позволяет в короткие сроки с минимальными материальными затратами обеспечить проведение исследований.
Разработку модели стартер-генератора будем проводить на базе системного моделирования. Центральным понятием системного моделирования является само понятие система, под которой понимается совокупность объектов, компонентов или элементов произвольной природы, образующих некоторую целостность в том или ином контексте. Определяющим принципом рассмотрения некоторой совокупности объектов как системы является появление у нее новых свойств, которых не имеют
составляющие ее элементы.
Важнейшими характеристиками системы являются ее структура и процесс функционирования. Под структурой системы понимают устойчивую во времени совокупность взаимосвязей между ее элементами или компонентами.
Модель - некоторое представление о системе, отражающее наиболее существенные закономерности ее структуры и процесса функционирования и зафиксированное на некотором языке или в некоторой форме.
Математическое моделирование создает возможность для анализа связи входного размерного параметра с рабочим выходным в реальном масштабе времени. Кроме того, использование имитационных методов моделирования обеспечивает упрощение описания работы отдельных элементов технического устройства.
В настоящее время существует достаточное количество языков программирования и математических приложений, способных решить задачу создания математической модели. Среди всего этого многообразия выделяется мощная интегрированная техническая среда MathLab, объединяющая числовое вычисление, графику и визуализацию, а также язык программирования высокого уровня. Система MathLab (матричная лаборатория) является интерактивной системой для выполнения инженерных и научных расчетов, ориентированной на работу с массивами данных. Система использует математический сопроцессор и допускает возможность обращения к программам, написанным на языках FORTRAN, C, C++.
В состав расширенных версий системы MathLab входит пакет Simulink, предназначенный для математического моделирования линейных и нелиней-
ных динамических систем и устройств.
Для построения функциональной блок-схемы моделируемых устройств S1mul1nk имеет обширную библиотеку блочных компонентов и редактор блок-схем.
Построение расчетной математической модели стартер-генератора будем осуществлять в среде S1mul1nk.
Математическое моделирование стартер-генератора проведем на основе методики расчета
индукционно-динамической машины. Конструкция данного устройства предложена в виде обращенной машины, то есть ротор вращается снаружи, а не внутри двигателя. Ротор машины - с короткозам-кнутой обмоткой, с литой алюминиевой клеткой. Режим работы данного устройства в режиме электродвигателя - кратковременный с длительностью включения до 30 секунд.
Структура работы по проектированию модели и оценке результатов представлена на рис. 7.
Рис. 7. Структура работы по проектированию имитационной модели стартер-генератора и оценке результатов моделирования
Функционально, все модули модели разделены на три части - это модули входных параметров, где задается численное значение какого-либо показателя, расчетные модули, в которых производится преобразование входного параметра в выходной, блоки индикации и регистрации выходных параметров.
Ввод переменных входных параметров. В группу переменных входных параметров модели вошли размеры, разброс которых может привести к существенному изменению технических характери-
стик изделия. В данную группу вошли: наружный диаметр сердечника статора и внутренний диаметр сердечника ротора, внутренний диаметр сердечника статора, наружный диаметр листов ротора, длина сердечника статора, длина сердечника пакетаро-тора (рис. 8). Блок изменяемых входных параметров построен таким образом, чтобы каждый из ключевых параметров мог изменяться в реальном масштабе времени от минимального до максимального значения в пределах установленного техническими условиями (ТУ) поля допуска.
(Оп1)
(12)
Рис. 8. Модули изменяемых входных параметров
Ввод постоянных входных параметров. В группу постоянных входных параметров вошли неизменяемые коэффициенты, свойства материалов и размерные параметры активной зоны, разброс которых не приведет к существенному изменению технических характеристик стартер-генератора.
Преобразования входных параметров модели в выходные осуществляется на основе методики расчета технических характеристик индукционно-динамической машины. В качестве технических характеристик рассматриваем характеристику холостого хода и зависимости суммарной мощности потерь и коэффициента полезного действия от тока якоря.
В результате моделирования стартер-генератора установлена зависимость технических характеристик от погрешностей группы размерных параметров активной зоны, вызванных технологическими разбросами.
Наибольший интерес представляет влияние разбросов размерных параметров, образующих рабочий воздушный зазор на технические характеристики стартер-генератора.
На рис. 9-11 представлены характеристики установки при изменении ключевых параметров в соответствии с тенденциями влияния на технические характеристики ЭП.
2 /
/__
\ 1
Г», /
0г-------
О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Рис. 9. Характеристика холостого хода СГУ при изменении рабочего воздушного зазора по ТУ: 1 - характеристика холостого хода для устройства с минимальным воздушным зазором; 2 - характеристика холостого
хода для устройства с максимальным воздушным зазором
60001-1-т-т-
5000 ............................................ ......2........... ^^^.......-
4000 ......................
3000 ............................................у^^^
2000 ...................... уА ........ ....................*.....................-
1000 ......... ...................... .................... .....................-
/ ¡1, А
-1-1-1-
0 12,5 25 37,5 50
Рис. 10. Зависимость суммарной мощности потерь от тока якоря при изменении рабочего воздушного зазора по ТУ
1 - характеристика холостого хода для устройства с максимальным воздушным зазором;
2 - характеристика холостого хода для устройства с минимальным воздушным зазором
г sum, Вт
......2...........: ..........
/Г.................... h, A i i
Рис. 11. Зависимость КПД стартер-генератора от тока якоря при изменении рабочего воздушного зазора по ТУ:
1 - характеристика холостого хода для устройства с минимальным воздушным зазором;
2 - характеристика холостого хода для устройства с максимальным воздушным зазором
Анализ полученных при моделировании результатов позволяет сделать вывод о существенности влияния разбросов ключевой группы входных параметров на технические характеристики стартер-генератора.
Расчетное моделирование позволило выявить влияние погрешностей изготовления ключевых размерных параметров активной зоны стартер-генератора на его технические характеристики в рабочем диапазоне. Установлено, что наибольшее влияние на стабильность характеристик оказывают разбросы размерных параметров, образующих
рабочий воздушный зазор.
Таким образом, на стадии расчетного моделирования создаются все предпосылки для создания эффективной системы управления качеством проектирования и производства автомобильной системы стартер-генератора.
Список литературы: 1. Балагуров В.А. Электрические машины с постоянными магнитами [Текст] / В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев, А.Н. Ларионов. - М.: Энергия, 1964. -480 с.
2. Кантор В.И. Оптимальное управление точностью обработки деталей в условиях АСУ [Текст] / В.И. Кантор, О.Н. Анисифоров, Г.Н. Алексеева и др. - М.: Машиностроение, 1981. - 253 с.
3. Козловский В.Н. Концепция обеспечения качества и надежности электромобилей и автомобилей с гибридной силовой установкой [Текст] / В.Н. Козловский, В.И. Строганов // Электроника и электрооборудование транспорта. - Томилино: НПП «Томилинский электронный завод», 2012 - № 5-6. - С. 49-55.
4. Козловский В.Н. Проблема стратегического планирования улучшения качества и надежности
системы электрооборудования автомобилей [Текст] / В.Н. Козловский А.В. Заятров // Электроника и электрооборудование транспорта. - Томилино: НПП «Томилинский электронный завод», 2012 -№ 1. - С. 44-47.
5. Козловский В.Н. Итоги и перспективы развития электромобилей и автомобилей с гибридными силовыми установками [Текст] / В.Н. Козловский, В.И. Строганов // Электроника и электрооборудование транспорта. - Томилино: НПП «Томилинский электронный завод», 2012 - № 2. - С. 2-8.
Кушнир В.Г. Kushnir V.G.
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой Костанайского государственного университета им. А. Байтурсынова Республика Казахстан, г. Костанай
УДК 621.668
ВЕТЕР КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ВИД ЭНЕРГИИ
Энергия ветра является возобновляемым источником. Перспективы использования ветроэнергетики определяются наличием соответствующих ветроэнергетических ресурсов. Перспективным направлением использования энергии ветра в агропромышленном комплексе является механизация водоснабжения.
Ключевые слова: электрическая энергия, скорость ветра, воздушные потоки, ресурсы, водоснабжение, ветроустановка.
WIND AS AN ALTERNATIVE KIND OF ENERGY
Wind energy is a renewable source. Prospects for the use of wind power determined by the availability of relevant wind energy resources. Promising application of the use of wind energy in agriculture is the mechanization of water supply.
Key words: electrical energy, wind speed, air flow,resources, water, wind turbine.
Перспективы использования ветроэнергетики определяются наличием соответствующих ветроэнергетических ресурсов. Для точной оценки ветропотенциала перспективных мест необходимы специальные метеоисследования с использованием метеомачт высотой 30-80 м в течение как минимум
одного года. Полученные метеоданные используются для расчета годовой выработки электрической энергии ветроустановками. Во многих странах карты ветров для ветроэнергетики создаются государственными структурами или с государственной помощью.
