CC BY
1
Хабибуллин Фаниль Фаргатович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Казань, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ
STUDY OF GEOMETRICAL PARAMETERS OF A SIX-BANK MECHANISM BY COMBINING SPATIAL MECHANISMS,
SPHERICAL AND PARALLELEPIPEDAL STRUCTURE
I.A. Romanov, M.R. Faizov, F.F. Khabibullin
A six-bar hinge mechanism derived from a spherical four-bar mechanism and a four-bar Bennett mechanism. The selection of optimal link sizes carried out. One link is the one under study, for which all parameters selected. The link is a place of fixed position. Rotation around this link taken into account when implementing the hinge mechanism. A block diagram being design visually represent the mechanism itself. The study takes into account the spatial movement of all links except the link under study. Based on the selection, the optimal size of the link length, its angle of inclination, the angles of inclination of the hinges and the theoretical location of the height of the hinges identified. To more accurately design and implement a mechanism, several variables used to determine the best operating range for a given mechanism.
Key words: hinge mechanism, Bennett, spherical mechanism, hinge height, spatial displacement, virtual hinge.
Romanov Ilya Aleksandrovich, student, Russia, Kazan, Kazan National Research Technical University named after. A.N. Tupolev - KAI,
Faizov Marat Raufovich, master's, assistant, [email protected], Russia, Kazan, Kazan National Research Technical University named after. A.N. Tupolev - KAI,
Khabibullin Fanil Fargatovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected] , Russia, Kazan, Kazan National Research Technical University named after. A.N. Tupolev - KAI
УДК 629.048.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-605-606
ПРОБЛЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ В ЭЛЕКТРОБУСАХ
Н.В. Савенков, Е.А. Покинтелица, А.М. Моржухин
В данной работе рассмотрены сопутствующие проблемы эксплуатации электробусов на городских маршрутах в отношении поддержания требуемой температуры пассажирского салона и рабочего места водителя, взаимосвязь этого процесса с запасом хода при применении различных систем терморегуляции. В качестве альтернативы предложены системы на основе теплоаккумулирующих материалов, функционирующих на основе фазовых переходов первого рода. Проведен критический анализ, сформулированы направления по дальнейшему развитию системы.
Ключевые слова: электробус, система терморегуляции, обогрев, высоковольтные батареи, тяговый электропривод, энергетическая эффективность, теплоаккумулирующие материалы.
Актуальность использования систем терморегуляции в электробусах заключается в нескольких аспектах:
- во-первых, необходимо увеличение энергоэффективности. Терморегуляция позволяет поддерживать оптимальную температуру внутри салона и батарейного отсека электробуса. Это помогает снизить потребление электрической энергии на отопление и охлаждение, что в свою очередь увеличивает дальность поездок и экономит заряд высоковольтных батарей (ВВБ);
- во-вторых, важно уделять внимание комфорту пассажиров, т.к. использование системы терморегуляции обеспечивает оптимальные микроклиматические условия в салоне электробуса как в летний, так и зимний периоды, что повышает качество общественного транспорта;
- в-третьих, необходимость повышения надежности и долговечности ВВБ, т.к. высокие или низкие температуры могут негативно сказаться на ресурсе ВВБ электробуса. Системы терморегуляции позволяют поддерживать ВВБ в оптимальных условиях, предотвращая их перегрев или переохлаждение;
- в-четвертых, электробусы, оснащенные системами терморегуляции, могут работать эффективно в любых климатических условиях наравне с традиционными автобусами;
- в-пятых, одно из главных достоинств использования электробусов - уменьшение негативного воздействия на окружающую среду. Электробусы сами по себе являются экологически чистым видом транспорта, но использование систем терморегуляции, рабочий процесс которых не предусматривает использование энергии сгорания углеводородного топлива, помогает дополнительно снизить негативное воздействие на окружающую среду. Благодаря энергоэффективности и рациональной работе ВВБ, ресурсов требуется меньше, что увеличивает экологическую эффективность электробусов.
В целом, использование систем терморегуляции в электробусах важно для увеличения их энергоэффективности, комфорта пассажиров, надежности ВВБ и уменьшения негативного воздействия на окружающую среду. Это делает данный вид транспорта более конкурентоспособным и привлекательным по сравнению с традиционными автобусами.
При разработке перспективных конструкций электробусов, необходимо принимать во внимание основные требования, предъявляемые ГУП «Мосгортранс» [1]:
1. Общая пассажировместимость - 85 чел.;
2. Низкий пол. Электробусы должны быть спроектированы с учетом основных параметров транспортной инклюзивности: низкие полы без перепадов высоты и широкие входные пространства позволяют людям с ограниченными возможностями пользоваться общественным транспортом без затруднений;
3. Минимальный пробег без подзарядки 40 км (при 100% нагрузке с включенным отоплением или климат-контролем);
4. Удельный расход электроэнергии не более 1,3 кВтч/км;
5. Срок службы каркаса кузова (стойкость к усталостным повреждениям, приводящим к аварийным ситуациям или отказам);
6. Продолжительность цикла зарядки блоков топливных агрегатов (БТА) при быстрой зарядке на маршруте: на 100% / 50% / 10% за 18 / 9 / 2 мин при ночной зарядке током 100 А - на 100% / 50% за 90 / 45 мин.;
7. Минимальное время оперирования в сутки - до 20 часов;
8. Бортовые источники электроэнергии - не менее 15 лет (контракт жизненного цикла) (срок службы/ответственности производителя высоковольтных цепей, тяговых аккумуляторных кислотных батарей (АКБ);
9. Автономный дизельный отопитель:
- температура включения +5° С,
- время прогрева салона до нормативных значений 15 минут;
10. Двухзонный климат-контроль для кабины водителя и пассажирского салона;
11. Совместно с электробусами производится поставка ультрабыстрых зарядных станций (внешнее питание от напряжения постоянного тока 600 В, максимальная величина тока на входе не выше 500 А, максимальное напряжение на выходе не более 600 В, максимальный ток на выходе не выше 500 А;
12. Контракт жизненного цикла - 15 лет, производство в РФ.
Некоторые характеристики электробусов российского производства и Республики Беларусь представлены в виде сравнительной таблицы 1.
Таблица 1
Основные параметры и показатели объектов исследования, имеющие прямое _отношение к предмету выполняемого исследования [2-7]_
Показатель Марка электробуса
КАМАЗ-6282 KAMAZ 6292 KAMAZ 62825 KAMAZ 1221 ЛиАЗ-6274 НефАЗ-52992 Тролза-5265.02 GAZelle e-NN БКМ Е321 Olgerd БКМ Е433 Vitovt Max Electro MA3-303E MAN Lion's City 12 E Volgabus-5270.E0
Запас автономного хода, км 90 90 20 140 85 100 15 120 140 120 до 300 200270 200220
Пассажир°- вместимость, чел. 85 135 85 12 85 85 100 22 88 153 72 92 90
Мощность силовой установки, кВт 125 240 180 87 2х125 2х115 180 100 - 160 175 160 120
Тип тяговой АКБ литий-никель-марганец-кобальт ^МС) литий-титанат (LTO) литий-железо-фосфат (LFP) LTO NMC LTO LFP NMC LFP
Емкость тяговой АКБ, кВтч 201 345 95 35,5 77 313,6 85 48,4 167 183 412 480 352,6
Стоит отметить, что требования № 3, 4, 6, 7 определяют необходимые характеристики тягового электропривода и системы терморегуляции перспективных конструкций электробусов в случае, если они имеют один источник энергии - ВВБ.
Таким образом, тип и характеристики системы терморегуляции в значительной степени определяют перечисленные эксплуатационные свойства электробуса.
Терморегуляция пассажирского салона относится к процессу поддержания комфортной температуры в салоне для пассажиров. В случае электробусов, система терморегуляции обычно основывается на электрическом обогреве или кондиционировании воздуха.
Одна из основных проблем при эксплуатации электробусов - отсутствие «дарового» источника тепла для обогрева пассажирского салона и рабочего места водителя, по сравнению с автобусами, оснащенными двигателем внутреннего сгорания, в котором необходимое тепло принципиально возможно отбирать от жидкостной системы охлаждения силовой установки либо от системы отвода отработавших газов.
Рассмотрим структуру системы терморегуляции кабины водителя и пассажирского салона электробуса
(табл. 2).
Одним из распространенных способов терморегуляции в электробусах является использование теплового насоса (столбец 1, табл. 2). Эта система включает в себя компоненты, такие как компрессор, конденсатор, испаритель и расширительный клапан. Компрессор сжимает и охлаждает хладагент, который затем циркулирует через кон-
денсатор, где он отдаёт тепло в окружающую среду. Затем охлажденный хладагент проходит через испаритель, который охлаждает пассажирский салон при обращении газа в жидкость. Расширительный клапан контролирует скорость потока хладагента, что позволяет более точно регулировать температуру в салоне. Рассмотренная система является обратимой и позволяет обогревать пассажирский салон.
Кроме кондиционирования, электробусы также могут иметь системы обогрева, которые работают по принципу электронагревательных приборов (столбец 2, табл. 2) - напольный электрический обогреватель или подогреватели воздуха.
Таблица 2
Применяемые системы терморегуляции пассажирского салона и рабочего места водителя_
Парокомпрессионная установка (тепловой насос) Электрический подогреватель (конвектор) Дизельный жидкостный подогреватель
Работает на обогрев и охлаждение (мощность 20 кВт). Преимущества: - экономия эл. энергии (примерно в 2,5 раза) по отношению к электроподогревателю. Недостатки: - высокие стоимость и масса, расходует эл. энергию (снижается запас хода АТС). Мощность 15-20 кВт. Преимущества: - малая масса. Недостатки: - высокие стоимость и масса, расходует эл. энергию (снижается запас хода АТС). Мощность 35 кВт. Преимущества: - относительно невысокая стоимость и малая масса; - исключён расход электрической энергии. Недостатки: - использует не возобновляемые источники; - выбросы вредных веществ в атмосферу; - оставляет углеродный след.
Для эффективной работы системы терморегуляции в электробусах может быть также использована система управления. Она может автоматически регулировать работу кондиционирования воздуха или обогрева в зависимости от заданной температуры и настроек, тем самым обеспечивая комфортное состояние пассажирского салона, предотвращая перерасход энергии.
Схема терморегулирующей установки
Для обеспечения бесперебойной работы электробусов необходима работа целой инфраструктуры для их регулярной зарядки. Отметим, что расход электрической энергии электробусов на обогрев сопоставим и может значительно превышать её расход на тяговую мощность, даже с учетом рекуперации. Например, по результатам выполненного авторами численного моделирования процесса движения электробуса модели KAMAZ 6282 в условиях элементарного фрагмента ездового цикла SORT 2, электрическая энергия, запасенная в ВВБ, расходуется следующим образом:
- для питания тяговых электродвигателей (с учетом рекуперации): 4 МДж;
- для привода вспомогательных систем электробуса: 1,6 МДж;
- для отопления при использовании только электрического нагревателя: 5,26 МДж;
- для отопления при использовании только теплового насоса: 1,75 МДж.
Рассмотренные системы терморегуляции используют в качестве источника для обогрева электрическую энергию, запасенную в ВВБ, или углеводородное топливо. Их рабочий процесс основан на превращении энергии одного вида в другой - в тепловую энергию.
Организация обогрева также принципиально возможна с помощью теплового аккумулятора. Относительно высокой удельной энергоемкостью обладают устройства, в основе рабочего процесса которых лежат фазовые переходы первого рода типа плавление-кристаллизация, а в качестве теплоаккумулирующего материала (ТАМ) используют кристаллогидраты [8] и ряд низкомолекулярных органических соединений [9].
Источником теплоты является модуль ТАМ, который содержит теплообменник и нагревательный элемент. Теплообменник обеспечивает передачу тепла от ТАМ к теплоносителю при работе электробуса на маршруте и обратно - от теплообменника к ТАМ при зарядке на стоянке. Теплоноситель циркулирует с помощью насоса в гидравлическом контуре между теплообменником и радиаторами системы терморегуляции, которые обеспечивают теплообмен с салоном электробуса.
На рис. показана схема предлагаемой системы терморегуляции на основе ТАМ.
Отметим, что возможно «летнее» и «зимнее» снаряжение модуля ТАМ. Первое предусматривает применение ТАМ с температурой фазового перехода в диапазоне 30-70 °С, а второй - с более низкими температурами, вплоть до отрицательных.
Оснащение электробуса предлагаемой системой позволяет значительно снизить расход электрической энергии высоковольтной батареи в процессе эксплуатации электробуса. Полезный эффект может быть направлен либо на уменьшение емкости применяемой ВВБ, либо на увеличение дальности хода автотранспортного средства.
Недостатком предложенной системы является значительное повышение затрат энергии для нагрева ТАМ при стоянке электробуса (примерно в 1,9 раза); этот недостаток может быть компенсирован применением неэлектрических источников тепла (например, природного газа или других источников тепла) или за счёт увеличенной дальности хода электробуса исключить подзарядку его батареи в течение рабочего дня - это позволит осуществлять зарядку в ночное время суток по специальным тарифам.
Детальный анализ эффективности внедрения предлагаемой системы требует выполнения подробного экономического расчёта с определением соответствующих показателей - срока окупаемости и т.д.
Список литературы
1. Развитие электробусов в городе Москве // Мосгортранс. 6 с. [Электронный ресурс]. URL: https://transport.mos.ru/common/upload/docs/1502221228 prezentatsiya elektrobusy.pdf(дата обращения: 27.09.2023).
2. Исследование технических характеристик электробусов, как перспективных видов наземного пассажирского транспорта / О.Н. Иванов, Н.О. Листаров, А.В. Остроухов // Международный журнал перспективных исследований. 2017. Т. 7. № 4-2. С. 29-48.
3. Эксплуатация электробусов в России / М. В. Битюков // Молодой ученый. 2022. № 48 (443). С. 21-25.
4. Официальный сайт компании «КАМАЗ» // «КАМАЗ». 2023. [Электронный ресурс]. URL: https://kamaz.ru/production/buses/ (дата обращения: 27.09.2023).
5. Информационный портал «Eltroll2.ru» // «Eltroll2.ru». 2023. [Электронный ресурс]. URL: https://eltroll2.ru/elbus/Elbus.php (дата обращения: 27.09.2023).
6. Официальный сайт компании «MAN» // «MAN». 2023. [Электронный ресурс]. https://www.bus.man.eu/man/media/content medien/images/entry page russia 1/presse medien 4/2021 16/spbtransportf est/MAN Lions City E Spec A4.pdf (дата обращения: 27.09.2023).
7. Официальный сайт компании «Торговый Дом БКМ» // «Торговый Дом БКМ». 2023. [Электронный ресурс]. URL: https://tdbkm.ru/en/catalog/elektrobusy/ (дата обращения: 27.09.2023).
8. Соболев А.Ю. Исследование фазовых превращений в кристаллогидратах солей натрия и их смесях для использования в установках теплоаккумуляции: дисс. ... канд. техн. наук: 05.14.04. Макеевка, 2018. - 160 с.
9. Покинтелица Е.А. Теплофизические особенности плавления и кристаллизации органических теплоак-кумулирующих материалов группы дифенилов: дисс. ... канд. техн. наук: 05.14.04. Макеевка, 2019. - 186 с.
Савенков Никита Владимирович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected]. Россия, ДНР, Макеевка, Донбасская национальная академии строительства и архитектуры,
Покинтелица Елена Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, ДНР, Макеевка, Донбасская национальная академии строительства и архитектуры,
Моржухин Артём Маркович, старший преподаватель, [email protected], Россия, Дубна, Государственный университет «Дубна»
PROBLEMS AND DIRECTIONS OF SYSTEMS DEVELOPMENT THERMOREGULATION IN ELECTRIC BUSES
N.V. Savenkov, E.A. Pokintelitsa, A.M. Morzhukhin
This article discusses the related problems of operating electric buses on urban routes in relation to maintaining the required temperature of the passenger compartment and the driver's workplace, the relationship of this process with the power reserve when using various thermoregulation systems. As an alternative, systems based on heat-accumulating materials operating on the basis of phase transitions of the first kind are proposed. A critical analysis was carried out, directions for further development of the system were formulated.
Key words: electric bus, thermoregulation system, heating, high-voltage batteries, traction electric drive, energy efficiency, heat storage materials.
Savenkov Nikita Vladimirovich, candidate of technical sciences, associate professor, head of chair, n. v. savenkov@donnasa. ru, Russia, DPR, Makeyevka, Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture,
Pokintelitsa Elena Anatolyevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, DPR, Makeyevka, FSBEI HE «Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture»,
Morzhukhin Artem Markovich, senior lecturer, morzhukhin92@yandex. ru, Russia, Dubna, Dubna State
University
УДК 62-97/-98
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-609-610
МЕТОДИКА РАСЧЁТА СУММАРНОЙ ПОРШНЕВОЙ СИЛЫ ДЛЯ ТИХОХОДНЫХ АГРЕГАТОВ
С.С. Бусаров, И.С. Бусаров, К.А. Бакулин, Н.Г. Синицин
Существующие методики расчёта компрессорных агрегатов, используемые для быстроходных схем, рассчитаны на применении в качестве приводов асинхронных или синхронных электродвигателей. Достаточная на сегодняшний день проработка конструкций тихоходных поршневых ступеней привела к тому, что для проектирования новых агрегатов необходимо создание методики расчёта отражающей особенности функционирования тихоходных агрегатов. В данной работе начата разработка методики расчёта тихоходных агрегатов с линейным приводом.
Ключевые слова: линейный привод, закон движения, методика расчёта, рабочий процесс, динамический расчёт, поршневая сила.
В настоящее время существуют методики расчёта поршневых агрегатов одной из частей, которых является динамический расчёт [1]. На основании данных динамического расчёта выполняются прочностные расчёты элементов механизма движения или выбор существующей базы [2].
Рассматриваемые в данной работе поршневые тихоходные агрегаты [3] имеют линейные приводы. Одним из примеров таких приводов может служить гидравлический привод.
До настоящего времени отсутствуют данные по инженерным методикам расчётов рассматриваемых агрегатов. Естественно, методики, разрабатываемые для новых агрегатов, чаще всего, базируются на существующих, с учётом особенностей работы вновь проектируемых агрегатов. Для тихоходных длинноходовых агрегатов такими особенностями являются режимные и конструктивные параметры [4]. А именно длительное время цикла 1...4 с, соотношение хода поршня к диаметру цилиндра 5.20, отношение давления нагнетания к давлению всасывания 50. 120, наличие линейного привода при работе которого, в отличие от кривошипно-шатунных схем, где поршень движется с постоянным ускорением, имеются значительные промежутки времени, когда поршень движется с постоянной скоростью [5].
Основные корректировки в существующей методике расчёта будут касаться расчёта коэффициента подачи ступени и расчёта суммарной поршневой силы.
В данной статье рассмотрим расчёт суммарной поршневой силы.
Для сравнительного анализа суммарной поршневой силы в быстроходных и тихоходных схемах рассмотрим расчёт пример с использованием существующей методике расчёта [2] для оппозитной базы М160.
Суммарная сила Ре направленная вдоль оси цилиндра определяется по формуле:
=РТ,+ РТ„ +Ртр +IS , (1)
где рг - газовая сила, действующая на поршень со стороны крышки, кН; рг - газовая сила, действующая на поршень со стороны механизма движения, кН; Is - сила инерции поступательно движущихся масс, кН; Ртр - сила трения в поступательно движущихся парах, кН.
Сила инерции Is рассчитывается по формуле
Is = msra>2(cosa+Äcos2a) (2)
Силу трения Ртр в рядах полагают постоянной по модулю и меняющую знак в мертвых точках. Для её расчета воспользуемся формулой:
Р = 0,6 • N • (1 -Уме*) (3)
т 2 • S„ • П Умех
где Nu - индикаторная мощность, кВт; Цмех - механический КПД.
Газовые силы рг и рг определяем из уравнения политропного процесса [6]. Полученная диаграмма имеет привычный вид (см. рисунок 1) [1].
Как уже отмечалось ранее, рассматриваемый тихоходный агрегат имеет линейный привод. Схема ступени с линейным гидравлическим приводом представлена на рисунке 2.
В данной схеме реализована жёсткая связь штока поршневой ступени со штоком гидравлического цилиндра. Поэтому для данной системы уравнение суммарной поршневой силы будет иметь следующий вид:
Р = Р + Р + Р + Р' +1 +1 , (4)
£ 1 ТРст 1 ТРпр Г ^ 1 Sem ^ 1 S„f ' v '
где РтРст - сила трения в поршневой ступени, Н; РтРпр - сила трения в приводном гидроцилиндре, Н; Iscm - сила инерции поступательно движущихся масс ступени, Н; Ъщ> - сила инерции поступательно движущихся масс приводного гидроцилиндра, Н; Рг - газовая сила, Н; Р - сила, действующая со стороны штока в поршневой ступени, Н (фактически сила атмосферного давления).
