CC BY
107
4. ГОСТ 3484.1-88. Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний // Госстандарт СССР. 30.08.1988. - № 3051. - 27 с.
5. Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1974. 839 с.
6. Епифанов А.П., Епифанов Г.А. Электрические машины. - СПб.: Лань, 2017. - 300 с.
Literatura
1. Patent RF №2532534. Ustrojstvo peredachi elektricheskoj energii tryohfaznogo toka po dvuhprovodnoj linii / F.D. Kosouhov, A.O. Filippov, N.V. Vasil'ev, A.L. Boroshnin. - BU, 2014, №31.
2. Kosouhov F.D., Vasil'ev N.V., Boroshnin A.L., Filippov A.O., Gorbunov A.O., Teremeckij M.YU. Dvuhprovodnaya sistema elektroperedachi tryohfaznogo toka // Elektrichestvo. - 2018. -№10. - S.37-44.
3. Kosouhov F.D. Vasil'ev N.V., Boroshnin A.L., Krishtopa N.YU., Teremeckij M.YU.
Sovershenstvovanie sistem elektrosnabzheniya, udalyonnyh ot istochnikov elektroenergii ob"ektov APK, s pomoshch'yu dvuhprovodnyh sistem s transformatornymi preobrazovatelyami chisla faz // Izvestiya Mezhdunarodnoj akademii agrarnogo obrazovaniya. - 2018. - №41. -Tom 1. - S.109-115.
4. GOST 3484.1-88. Transformatory silovye. Metody elektromagnitnyh ispytanij // Gosstandart SSSR. 30.08.1988. - № 3051. - 27 s.
5. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny. - L.: Energiya, 1974. 839 s.
6. Epifanov A.P., Epifanov G.A. Elektricheskie mashiny. - SPb.: Lan', 2017. - 300 s.
УДК 621.43 Б01 10.24411/2078-1318-2019-13145
Канд. техн. наук В.А. РАКОВ (ВоГУ, [email protected]) Канд. с.-х. наук В.И. ЛИТВИНОВ (Вологодская ГМХА, [email protected])
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ
КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ТРАКТОРА
В связи с повышающимися конкурентными требованиями к сельскохозяйственной технике производители пытаются улучшить ее технические характеристики. Основные затраты при эксплуатации сельскохозяйственных машин, например тракторов, связаны с горюче-смазочными материалами и запчастями. Так, при ежедневной эксплуатации на обслуживании фермы трактором МТЗ-82 при работе по доставке кормов и для привода кормораздатчика за смену может быть израсходовано до 20 литров топлива. За год эксплуатации расходы только на топливо составят примерно 300 тыс. рублей. Помимо этого для обеспечения трактора в работоспособном состоянии потребуется запчастей и других расходных материалов еще на сотни тысяч рублей.
Двигатель, используемый в тракторе МТЗ-82, развивает мощность 58,8 кВт, при этом большую часть времени он работает на холостом ходу и, вероятнее всего, является недогруженным. В пиковых нагрузках, наоборот, требуется большая мощность и, соответственно, приходится создавать достаточный запас развиваемой двигателем мощности. Это в свою очередь приводит к увеличению расхода топлива.
В то же время существуют энергетические установки, в которых работа основного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) комбинируется с электрическим двигателем, являющимся частью трансмиссии [1]. Такие энергетические установки называют комбинированными (КЭУ) или гибридными. Среди нескольких типовых конструктивных
схем в сельскохозяйственных машинах наибольшее распространение получили КЭУ параллельного типа [2].
Параллельная схема КЭУ трактора, как и в большинстве машин, имеет трансмиссию с изменяемым передаточным числом, а электрическая машина установлена параллельно трансмиссии. Когда ДВС недогружен, электрическая машина, работающая в режиме генератора, создает дополнительный запас энергии в накопителе. При пиковых же нагрузках она создает дополнительный крутящий момент, потребляя запасенную в накопителе энергию. Этот же режим используется и для запуска ДВС [3-4].
Одной из основных ошибок конструкторов при создании большинства машин с КЭУ является использование двигателя большого рабочего объема, который имеет значительный запас по мощности и высокий расход топлива на холостом ходу, но в то же время зачастую оказывается недогруженным, что приводит к снижению экономичности машины [5].
При этом, если оперировать понятием средняя потребляемая мощность в заданных условиях эксплуатации, то можно рационально определять характеристики двигателя, работающего в составе с КЭУ трактора. Для этого можно использовать тягово-мощностной расчет по заданному циклу движения [6-7].
Основной рабочей характеристикой трактора является создаваемое им тяговое усилие. По ГОСТ 25836-83 при приемочных испытаниях определяется номинальная и максимальная тяговые силы при допустимых уровнях буксования. Так, согласно техническим условиям максимальное тяговое усилие трактора МТЗ-82 при скорости 2,5 км/ч (на первой передаче) составляет 1400 кгс. При постоянных нагрузках, например, во время вспахивания почвы, используется понятие номинальное тяговое усилие, которое для данной машины составляет 1150 кгс при скорости 10 км/ч (на пятой передаче без ходоуменьшителя). Четырехтактный четырехцилиндровый двигатель Д-240 трактора МТЗ-82 имеет максимальную мощности 80 л.с. (58,8 кВт) при 2200 об/мин и максимальный крутящий момент 290 Н м при 1400 об/мин.
Основной целью исследования является разработка методики, позволяющей определить необходимую мощность двигателя внутреннего сгорания комбинированной энергетической установки (КЭУ) параллельного типа (mild hybrid).
Второй, практической, целью исследования является оценка возможности снижения максимальной мощности двигателя внутреннего сгорания энергетической установки трактора за счет его рационального нагружения.
Материалы, методы и объекты исследования. Исследование выполнено на основе использования алгоритмов расчета потоков энергии, моделировании движения машины по заданному циклу.
Объектом исследования являются характеристики энергетической установки сельскохозяйственной машины.
Изменение исходящих величин при заданных условиях вычисления позволяет проводить теоретическое экспериментирование.
Полученные результаты вычисления сравнивались с техническими характеристиками трактора МТЗ-82.
Выберем для примера режим движения трактора при вспахивании почвы и с максимальным тяговым усилием.
Основой расчёта является ездовой цикл движения трактора при вспахивании почвы, который представляет собой график изменения тягового усилия и скорости от времени (V = f(t); T = f(t)). Ввиду отсутствия стандартного испытательного цикла движения для тракторов авторами принята характеристика изменения скорости и тягового усилия на рабочем органе при вспахивании почвы (рис. 1).
Исходными данными для определения оптимальных параметров КЭУ колёсного трактора могут служить: масса машины (m), коэффициент сопротивления качению (fa); коэффициент учёта вращающихся масс (км). Коэффициентом обтекаемости воздуха в данном случае можно пренебречь.
V, 12 км/ч
10 8 6
4
2 у
Т,
скорость движения
тяговое усилие на рабочем органе
0 -
\
0
50
100
150
20 16 12 8 4
Ъ с
Рис. 1. Принятый ездовой цикл для исследования движения трактора
Используя предлагаемый ездовой цикл движения трактора при вспахивании почвы и методику расчета параметров энергетической установки, возможно определить: оптимальную схему КЭУ, необходимую мощность ДВС, накопителя энергии и мощности электродвигателя.
В качестве расчетной модели использован универсальный алгоритм вычисления оптимальных параметров КЭУ, изложенный в ранее проведенных исследованиях [8-9]. Исходными данными для вычисления служит принятый цикл движения, характеристики трансмиссии, электродвигателя, генератора, накопителя электроэнергии и силового преобразователя.
Далее приведен алгоритм и результаты расчета параметров КЭУ параллельной схемы для трактора массой 4,5 т, при выполнении работ по вспахиванию почвы с номинальным тяговым усилием 1150 кгс.
Проанализируем уравнение мощностного баланса трактора (1), где определим силы сопротивления движению в каждой 1-й точке цикла движения: Рп - мощность силы
сопротивления качению, Рт - мощность силы инерции; Рт - мощность силы сопротивления подъёму; Рдлг - мощность силы сопротивления дополнительных агрегатов. Сумма указанных сил будет равна силе тяги на ведущих колесах трактора Рп. Уравнение мощностного баланса сил, действующих на трактор, имеет вид:
Рт = Рк + Ри + Рп + Рда , [кВт] (1)
На рис. 2 представлен график изменения мощности сил, действующих на трактор при движении по заданному циклу (рис. 1).
Р,
кВт 50' ■
сила сопротивления качению сила инерции при ускорении ■сила тяги на рабочем органие тяговое усилие
40'
30-
20'
10 '
25
50
75
100
125
150
175
^ с
Рис. 2. График изменения суммарной мощности сопротивления качения на ведущих колёсах трактора при вспахивании почвы: Рп = /(£)
0
Результаты исследования. Средняя мощность тяги на всём участке движения -РСР ПОЛ будет фактически являться средней мощностью энергоустановки без учета потерь на трение в трансмиссии:
п
I РСР.1
РСР =-!■-, [кВт] X N > 0, (2)
п
а мощность двигателя будет складываться из мощности, передаваемой по прямой механической передаче и передаваемой через накопитель энергии с учетом потерь при передаче энергии.
Р Р + Р
Р — ср. пол — пр.ср нэ.ср гот /-зч
Рдвс = К х пП Пр = к х пП Пр , [кВт] (3)
где Рдвс - необходимая мощность ДВС с учётом потерь в приводе, кВт; К -коэффициент эффективного использования ДВС, определён экспериментальным путём [5];
- КПД привода; РПРСР - средняя за испытание мощность, передаваемая по
механической передаче от двигателя на ведущие колеса; РНЭСР - средняя за испытание мощность, проходящая через накопитель энергии. Общая цепочка потерь при передаче энергии показана на рис. 3 а.
Известно, что часть энергии от ДВС будет передана на ведущие колёса по прямой цепочке (рис. 3б), а часть через тяговый накопитель энергии (ТНЭ). При этом энергия, проходящая через ТНЭ, находится из тягового расчета как средняя мощность при движении в тех участках, в которых мощность на ведущих колеса выше средней за цикл [10].
Согласно особенностям параллельной схемы при расчете необходимо вычисление средней потребной мощности ЫСР ПОТР КЭУ во время работы, но только в тех промежутках времени, где задействован ДВС (МВЬ1Х > 0).
В среднюю потребную мощность ДВС NдВС в разных частях входят: средняя мощность, проходящая по прямой механической передаче, - NПР СР; средняя мощность электрической передачи - NЭЛ СР .
IN
N СР.ПОЛ = -- , кВт (X если Ní > 0,) (4)
п
Потребление мощности от ДВС по прямой ветви с учётом потерь в механической передаче выражается формулой:
д Т ^СР. ПОЛ
=—-, кВт. (5)
К хцТР
Потребление мощности, передаваемой от электродвигателя по параллельной ветви с учётом потерь в электрической передаче, выражается формулой:
- NСР.ПОЛ )
Nэл СР =— , кВт (Х если Ni ^Р.ПОЛ > 0) (6)
п
где п - количество значений, удовлетворяющих условию Ni > 0 (ДВС задействован).
В цепочке электропривода поток электрической энергии при зарядке проходит от электрической машины (генератора) к тяговому накопителю энергии и обратно к электрической машине, работающей в режиме электродвигателя. Электрическая энергия в
параллельной схеме дважды проходит через преобразователь, только после этого передаётся на электродвигатель и трансмиссию (рис. 3в). С учётом КПД привода щ п и коэффициента использования двигателя К эта мощность будет равна:
N = . Nэл.СР
К х П п
кВт
(7)
ДВС —> ТР —► <— к
! ;
ТНЭ —1 Пр. —> МО)
а
ДВС ТР —> к
б
ТР —) к
ТНЭ - Пр. - М(Г)
Рис. 3. Блок-схема потерь в параллельной схеме привода: а) общая цепочка потерь; б) в механической передаче; в) в электрической передаче. Сокращенные обозначения: ТР - трансмиссия; К - ведущие колеса; Пр. - инвертор; М(Г) - электродвигатель-генератор
На рис. 4 представлен возможный вариант компоновки трактора при использовании типовой схемы КЭУ параллельного типа.
Электродвигател -
- генератор ( )
Рис. 4. Возможная схема комбинированной энергетической установки параллельного типа трактора
Выводы. Из расчета установлено, что для трактора массой 4,5 т при вспахивании почвы с номинальным тяговым усилием 1150 кгс необходимая мощность ДВС комбинированной энергетической установки должна составлять 51,6 кВт, характеристики ТНЭ должны обеспечивать запас энергии 13 кДж, номинальная мощность электродвигателя составит 30,5 кВт, расход дизельного топлива при максимальной производительности
составит 11,3 л/ч. Как следует из расчета, даже с учетом коэффициента запаса мощность ДВС в составе КЭУ составила ниже примерно на 12%.
Необходимо отметить, что машина с подобной КЭУ будет обладать такими же характеристиками, что и МТЗ-82, но при частичных нагрузочных режимах она будет значительно более экономичной.
Практическая польза от использования предлагаемой методики расчета заключается в определении необходимой мощности ДВС в составе комбинированной энергетической установки, когда все элементы привода будут иметь характеристики, обеспечивающие минимальную стоимость машины и минимальный ее расход топлива. Также возможно многовариантное моделирование в различных комбинациях и соотношениях между мощностью ДВС, запасаемой накопителем энергии, расходом топлива и стоимостью энергоустановки.
Литература
1. Александров И.К., Несговоров Е.В., Раков В.А. Адаптивные трансмиссии - путь к созданию экономичных машинных агрегатов и транспортных средств // Техника в сельском хозяйстве. - 2011. - №1. - С.25-27.
2. Lee, D. H., Kim, Y. J. Development of a parallel hybrid system for agricultural tractors. Journal of the Faculty of Agriculture. 2017; №1 (62):137-144. DOI: 10.4271/2000-01-1543.
3. Раков В.А. Повышение энергетической эффективности гибридных двигателей с параллельной схемой расположения элементов // Альтернативные источники энергии на автомобильном транспорте: проблемы и перспективы рационального использования: материалы Междунар. научн.-практ. конференции. - Воронеж: ФГБОУ ВПО ВГЛТА, 2014. - С. 118-123.
4. Дидманидзе О.Н., Иванов С.А., Иволгин В.А. Трактор с комбинированной энергоустановкой // Сельский механизатор. - 2008. - № 11. - С. 6-7.
5. Kellogg, E.; Smith, J. Heavy-Duty PHEV Yard Tractor: Controlled Testing and Field Results. World Electr. Veh. J. 2012, 5, 246-253.
6. Раков В.А., Смирнов А.В. Определение необходимой мощности ДВС гибридных силовых установок транспортных средств // Вестник машиностроения. - 2010. - №4. - С. 32-35.
7. Раков В.А., Александров И.К. Определение мощности, потребляемой транспортным средством при неустановившихся режимах работы // Автомобильная промышленность. -2013. - №5. - С. 9-11.
8. Александров И.К., Несговоров Е.В., Раков В.А. Тяговый расчет транспортных средств с адаптивным приводным двигателем // Вестник машиностроения. - 2010. - №2. - С. 16-18.
9. Раков В.А. Расчет мощности ДВС гибридной силовой установки параллельного типа // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования: материалы Междунар. научн.-технич. конференции. - Вологда: ВоГУ, 2016. - С. 129-134.
10.Pistoia, G. (2010). Electric and hybrid vehicles. Power sources, models, sustainability, infrastructure and the market. / G Pistoia. - Oxford: The Netherlands Linacre House. P.670.
Literatura
1. Aleksandrov I.K., Nesgovorov E.V., Rakov V.A. Adaptivnye transmissii - put' k sozdaniyu ekonomichnyh mashinnyh agregatov i transportnyh sredstv // Tekhnika v sel'skom hozyajstve. -2011. - №1. - S.25-27.
2. Lee, D. H., Kim, Y. J. Development of a parallel hybrid system for agricultural tractors. Journal of the Faculty of Agriculture. 2017; №1 (62):137-144. DOI: 10.4271/2000-01-1543.
3. Rakov V.A. Povyshenie energeticheskoj effektivnosti gibridnyh dvigatelej s parallel'noj skhemoj raspolozheniya elementov // Al'ternativnye istochniki energii na avtomobil'nom transporte: problemy i perspektivy racional'nogo ispol'zovaniya: materialy Mezhdunar. nauchn.-prakt. konferencii. - Voronezh: FGBOU VPO VGLTA, 2014. - S. 118-123.
4. Didmanidze O.N., Ivanov S.A., Ivolgin V.A. Traktor s kombinirovannoj energoustanovkoj // Sel'skij mekhanizator. - 2008. - № 11. - S. 6-7.
5. Kellogg, E.; Smith, J. Heavy-Duty PHEV Yard Tractor: Controlled Testing and Field Results. World Electr. Veh. J. 2012, 5, 246-253.
6. Rakov V.A., Smirnov A.V. Opredelenie neobhodimoj moshchnosti DVS gibridnyh silovyh ustanovok transportnyh sredstv // Vestnik mashinostroeniya. - 2010. - №4. - S. 32-35.
7. Rakov V.A., Aleksandrov I.K. Opredelenie moshchnosti, potreblyaemoj transportnym sredstvom pri neustanovivshihsya rezhimah raboty // Avtomobil'naya promyshlennost'. - 2013. -№5. - S. 9-11.
8. Aleksandrov I.K., Nesgovorov E.V., Rakov V.A. Tyagovyj raschet transportnyh sredstv s adaptivnym privodnym dvigatelem // Vestnik mashinostroeniya. - 2010. - №2. - S. 16-18.
9. Rakov V.A. Raschet moshchnosti DVS gibridnoj silovoj ustanovki parallel'nogo tipa // Avtomatizaciya i energosberezhenie mashinostroitel'nogo i metallurgicheskogo proizvodstv, tekhnologiya i nadezhnost' mashin, priborov i oborudovaniya: materialy Mezhdunar. nauchn.-tekhnich. konferencii. - Vologda: VoGU, 2016. - S. 129-134.
10.Pistoia, G. (2010). Electric and hybrid vehicles. Power sources, models, sustainability, infrastructure and the market. / G Pistoia. - Oxford: The Netherlands Linacre House. P.670.
УДК 621.436.2 DOI 10.24411/2078-1318-2019-13151
Канд. техн. наук Р.А. ЗЕЙНЕТДИНОВ (ФГБОУ ВО СПбГАу [email protected]) Канд. техн. наук А.А. ГЛУШЕНКО (ФГБОУ ВО УлГАу [email protected]) Канд. техн. наук И.Р. САЛАХУТДИНОВ (ФГБОУ ВО УлГАУ [email protected])
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОТРАКТОРНЫХ РАДИАТОРОВ МЕТОДОМ МИНИМИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭНТРОПИИ
Система охлаждения (СО) играет особую роль в обеспечении номинальных значений технико-экономических и ресурсных показателей поршневого двигателя и позволяет получить при разных эксплуатационных режимах стабильное наивыгоднейшее тепловое состояние двигателя. Основным функциональным условием является то, что количество теплоты, переданное из надпоршневого пространства в охлаждающую жидкость в процессе тепловыделения, должно отводиться в окружающее пространство через определенные участки поверхности радиатора. Поэтому разработка рациональных конструкций CO чаще связана с решением сложных задач теплообмена, уменьшения аэродинамического сопротивления, размеров и массы элементов систем и т.д.
Решение вышеотмеченных задач зависит от выбора современной методики оценки термодинамического совершенства радиаторов, которая в настоящее время еще не имеет единого подхода. Существующий энергетический метод не характеризует степень необратимости происходящих в теплообменных аппаратах (TOA) теплотехнологических процессов.
Цель исследования. Целью данной работы является внедрение термодинамического метода анализа в процесс проектирования ТОА поршневых двигателей на основе использования принципов неравновесной термодинамики. Это вызвано тем, что оценка энергоэффективности тепломассообменных процессов в ТОА системы охлаждения на основе
