Рациональное совмещение характеристик двигателя внутреннего сгорания и электрического привода постоянного тока промышленного трактора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.114.2.001.4

РАЦИОНАЛЬНОЕ СОВМЕЩЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРОМЫШЛЕННОГО ТРАКТОРА

В.Н. Бондарь, С.В. Кондаков, А.Е. Новосельский

Предлагается методика рационального совмещения характеристик двигателя внутреннего сгорания и двухмашинного электрического привода постоянного тока промышленного дизель-электрического трактора, обеспечивающая получение максимального значения средней выходной мощности силовой установки промышленного трактора при выполнении им рабочей операции.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электрический привод (ЭП) постоянного тока по системе генератор-электродвигатель, соединенные в единый рабочий агрегат, образуют силовую установку (СУ) промышленного трактора (рис. 1).

Рис. 1. Силовая установка промышленного трактора с двухмашинным электрическим приводом:

СР - согласующий редуктор; СГ - силовой генератор; ТЭД - тяговый электродвигатель

ДВС имеет свою собственную выходную характеристику, представляющую собой зависимость момента, мощности и удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала ДВС: Мд=£(пд), </\(пд), ge = щ(лд).

Двухмашинный ЭП постоянного тока имеет, в свою очередь, собственную входную характеристику, представляющую собой зависимость входного момента или мощности от частоты вращения входного элемента ЭП: Мвх = /2 {пвх), НЙХ = ср2 (пвх) .

При рациональном совмещении рассматриваются характеристики уже существующих ДВС и ЭП. При этом характеристики располагаются друг относительно друга так, чтобы выходной параметр СУ (критерий рациональности) был наибольшим (наименьшим). Если область рационального совмещения характеристик ДВС и ЭП ограничить задачами инженерной практики, то можно отметить два основополагающих направления действий [1]:

• получение желаемого эффекта при минимуме затрат;

• получение максимального эффекта при использовании заданных ограниченных ресурсов.

В качестве критериев рациональности при совмещении характеристик ДВС и двухмашинного ЭП промышленного трактора могут быть выбраны: минимальное значение среднего расхода топлива СУ на единицу выполненной работы при заданной производительности агрегата или максимальное значение средней выходной мощности СУ, определенное с учетом закона распределения частоты вращения выходного элемента ЭП за рабочий цикл (рабочую операцию).

Характер нагружения промышленного трактора делает практически невозможным переключение передач в электротрансмиссии трактора при совершении рабочих операций [2, 3]. Электромеханическая трансмиссия с диапазоном регулирования й? = 2...5 обеспечивает рабочий ход для всего многообразия грунтов на одной передаче. Выбранная рабочая передача и принятое совмещение характеристик ДВС и ЭП должны обеспечивать возможность реализации любого значения тягового усилия Ркр из всего рабочего диапазона трактора от Р™п до Р™* при получении максимально возможной средней мощности на выходном элементе СУ трактора.______________________

Таким образом, за критерий рационального совмещения характеристик ДВС и двухмашинного ЭП постоянного тока промышленного трактора примем максимальное значение средней выходной мощности СУ, определенное с учетом закона распределения частоты вращения тягового электродвигателя за рабочий цикл (рабочую операцию). Расчет рационального совмещения характеристик ДВС и ЭП для указанного выше критерия выполняется следующим образом.

Проводится построение выходной характеристики рассматриваемого двигателя в виде зависимости крутящего момента двигателя Мд от частоты вращения его коленчатого вала пд.

Затем необходимо исследовать нагружающие свойства ЭП промышленного трактора, которые заключаются в возможности достижения той или иной степени стабилизации режима загрузки приводного ДВС. Эти свойства можно выявить с помощью уравнения семейства моментных характеристик входа ЭП трактора:

М„=^-п„+В1-ппа\ (1)

1 - ■ Р - ^ Г1'!

где М(1Х, Мвых - крутящие моменты соответственно на входе и выходе ЭП; пех ■ п«ых ~ частоты вращения соответственно на входе и выходе ЭП;

Я - сопротивление в главной якорной цепи ЭП;

6Х, 62 - регулирующие воздействия в силовом генераторе и тяговом электродвигателе ЭП соответственно.

в\=Е\1пы! I ^2=^2 /пвых]

где Ех, Е2 -электродвижущие силы силового генератора и тягового электродвигателя ЭП соответственно.

Для выяснения определенных нагружающих свойств ЭП рассмотрим пример простой схемы этого привода, позволяющей произвести вывод его моментных характеристик аналитическим путем. Аналитический метод исследований особенно прост в том случае, когда магнитные характеристики электрических машин (генератора и электродвигателя) прямолинейные.

Рассмотрим схему ЭП трактора, генератор которого имеет две обмотки возбуждения: намагничивающую независимого возбуждения с питанием от тахометрического возбудителя, измеряющего скорость вращения генератора, и размагничивающую последовательного возбуждения, а электродвигатель - только одну последовательного возбуждения.

Уравнения величин регулирующих воздействий вх и в2, зависящие от системы возбуждения в электрических машинах этой схемы, имеют вид: в\=Ц-пвх-Ьх-1^

в2 - -Ъ2 ■ /,

(3)

где ах, Ьх, Ь2 - постоянные положительные величины, зависящие от системы возбуждения электромашин, входящих в состав ЭП трактора;

I - сила тока в главной цепи ЭП.

Из уравнений (2) находим коэффициенты Ах и Вх в уравнении (1) моментных характеристик входа передачи:

А . (<у^-у/)2.д _(дг"«г-У-0-(-У-0 1 Л я

Произведя подстановку этих выражений в (1), получаем:

(«Гпах ~ Уі)■ [(«Г-■У 7)пех-•Ьг ■ I■ пвЬ1Х]

■*™вх ^ * V4/

Запишем уравнение тока в силовой (якорной) цепи электромашин ЭП:

I = (Ех + Е2)/Я = (вх ■ пвх + 92 ■ пеых)/К. (5)

Так как выражение в квадратных скобках уравнения (4) согласно уравнениям (3) и (5) равно 1-К = (вх-пвх+62 •«еьи) = [(а1 -пвх-Ьх-1)-пвх-Ъ2 ■1-пвых],

то уравнение (4) для Мех значительно упрощается:

Ma=(<h'n„-bl-I)-L (6)

Уравнение моментных характеристик входа ЭП (6) дано здесь в форме, удобной для параметризации по силе тока: Мвх = f(nex) при /=const. Такая параметризация часто используется в моментных характеристиках ЭП, что объясняется известными удобствами в электрических расчетах привода. По уравнению (6) можно построить моментную характеристику входа ЭП с параметризацией по силе тока.

Потребный момент, необходимый для вращения вала силового генератора ЭП трактора от ДВС с заданной частотой вращения ngx = пд j iср , может быть записан в виде

Mex=Mà-icp-r)cp, (7)

где i - передаточное число согласующего редуктора, установленного между ДВС и ЭП;

T¡cp - коэффициент полезного действия согласующего редуктора.

Приравняв правые части уравнений (6) и (7), получим выражение для определения крутящего момента двигателя, потребного для привода силового генератора ЭП трактора:

(а, -пд-h •/■/ )■/

Mr)= . (8)

^ср Лер

Затем на моментной характеристике ДВС произвольно выбирается на примерно равных расстояниях (по частоте вращения) друг от друга несколько точек (с, d, е,...), одна из которых соответствует номинальной частоте вращения двигателя пе (рис. 2). Находим координаты этих точек: Mc-nc; Md-nd; Ме-пе;....

Рис. 2. Выходная моментная характеристика ДВС

По техническим характеристикам электромашин ЭП трактора находим значение тока главной (якорной) цепи 1Щ , соответствующего максимальному значению коэффициента полезного

действия ЭП 7]тяк . Подставляя координаты точек с, сі, е,... и значение в выражение (8),

найдем значения передаточных чисел согласующего редуктора і , і , ісРе, ■■■■

где у - количество точек, выбранных на моментной характеристике двигателя.

Далее, задаваясь для каждого значения / значениями пд от нуля до частоты вращения холостого хода пхх и значениями тока в главной цепи ЭП от нуля до максимально возможного тока

якорной цепи /тах, на графике моментной характеристики двигателя по выражению (8) построим нагрузочные характеристики ЭП трактора в виде пучков прямых линий А,В,С, ■■■ (рис. 3).

Рис. 3. Г рафик совместной работы ДВС и ЭП

Точки 1, 2, 3; Г, 2', З'; 1", 2", 3" пересечения характеристик ДВС и ЭП трактора называются точками их совместной работы. Зная координаты точек совместной работы, определим параметры выходных характеристик СУ трактора, пользуясь выражениями

(10)

Мвых] ~ / кэп},

Пвых) ~ Пд ' иэп) ’

(П)

ЭП

-Л.е

21

силовое передаточное отношение ЭП трактора;

в\ 1

иэп = — =-------кинематическое передаточное отношение ЭП трактора;

°2 дг\

в2 [ - регулирующее воздействие электропривода.

По полученным параметрам строим выходные характеристики СУ промышленного трактора (рис. 4). Имея несколько выходных характеристик, следует произвести оценку проведенного совмещения и выбрать наилучшую.

Рис. 4. Выходные характеристики ЭП трактора

Известно, что технологический процесс промышленного трактора является циклическим. Специальными исследованиями показано, что определяющей составляющей технологического процесса

при обеспечении производительности тракторного агрегата является рабочий ход [1]. Рабочий ход бульдозерно-рыхлительного агрегата на базе промышленного трактора с точки зрения действующих в подсистемах нагрузок является нестационарным случайным процессом, который специальными способами может быть заменен стационарным и описан методами математической статистики [4].

Рассмотрим случай, когда частота вращения вала тягового двигателя ЭП трактора при выполнении рабочего цикла землеройных работ распределяются по нормальному закону (закону Гаусса) с плотностью распределения /{пвых) и полем рассеивания пшх ±3сг (рис. 5), где пвЪ1Х -математическое ожидание частоты вращения выходного элемента ЭП трактора; а - среднее квадратическое отклонение частоты вращения выходного элемента ЭП трактора.

Зная значения Мвш - (р{пвш), /(иах) и пеых, можно определить среднюю мощность на выходном элементе ЭП трактора как математическое ожидание:

П6ЫХ

Квьа = | [Мвых = <р(пвьа)] ■ /{пвых) • пшх ■ dneba,

max

(12)

где п“™' - максимальная расчетная частота вращения выходного элемента ЭП трактора; и™ - минимальная расчетная частота вращения выходного элемента ЭП трактора.

Для взятия интеграла (12) необходимо задать функцию Мвых=(р(пвых) в аналитической форме. Если провести аппроксимацию истиной кривой Мвых ~(р{пвых) квадратической параболой, то, задаваясь избранными точками 1, 2, 3 (см. рис. 5), можно записать систему уравнений

(13)

решение которой дает значения коэффициентов а, Ь, с.

Точки 1 и 3 определяются крайними значениями рабочего диапазона частоты вращения вала тягового электродвигателя ЭП трактора, а точка 2 располагается между ними. Тогда выражение (12) перепишется в виде:

Мвъа\ = а- Пвых\ +ь- Пвых\ + с;

Мшх2 = а ' Пвых2 +ь ' ^вых 2 + с;

^еыхЗ +ь- ' ПвыхЪ + с,

N

1

вых

J

(пвых ~~пвых )

+1

+ с-пЙЫХ)-е

о-\[Ъ:

"вых

Решение выражения (14) имеет следующий вид:

2-o-z

N..

{а-ni

+ Ь ■ +с-п„

+ а-(За- пйых +Ь)[уФ{

■ dn„

max _ mm

вых вых

2-а

)•

Пользуясь выражением (15), проводим расчет средних мощностей NehaA, NeblxB, Nt

еьіхС’

(14)

(15)

...на

выходном элементе ЭП трактора для каждого пучка А, В, С,... прямых нагружающих характеристик и подсчитанные значения наносим на график (рис. 6).

Рис. 6. График выходных мощностей ЭП

Соединив плавной кривой точки NebaÄ, NebixB, NgblxC, ..., находим максимальное значение средней выходной мощности СУ трактора Ar™“ . По абсциссе точки N'™ определяем передаточное число согласующего редуктора i^4, обеспечивающее рациональное совмещение характеристик ДВС и ЭП промышленного трактора по критерию максимального значения средней выходной мощности СУ, определенного с учетом закона распределения частоты вращения тягового электродвигателя за рабочий цикл (рабочую операцию).

Методика рационального совмещения характеристик ДВС и ЭП применена при согласовании характеристик дизельного двигателя ЯМЗ-7511.10-18 и электропривода постоянного тока промышленного дизель-электрического трактора ДЭТ-320 производства ООО «Челябинский тракторный завод - УРАЛТРАК». По результатам совмещения получено, что максимальное значение средней выходной мощности СУ трактора ДЭТ-320, составляющее iV““ = 226 кВт, обеспечивается согласующим редуктором, передаточное число которого составляет icp = 0,807.

Следовательно, разработанная методика рационального совмещения позволяет подобрать к конкретному ДВС со своими выходными характеристиками двухмашинный ЭП с заранее известными нагружающими характеристиками таким образом, чтобы обеспечивалось получение максимального значения средней выходной мощности СУ промышленного трактора при выполнении им рабочей операции.

Литература

1. Гинзбург Ю.В. Промышленные тракторы. - М.: Машиностроение, 1986. - 296 с.

2. Исаков П.П. Электромеханические трансмиссии гусеничных тракторов. - Л.: Машиностроение, 1981. - 302 с.

3. Антонов A.C. Силовые передачи колесных и гусеничных машин. - Л.: Машиностроение, 1975. - 480 с.

4. Вентцелъ Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1969. - 576 с.