Результаты моделирования и оценки предельных тяговых характеристик системы дополнительной энергетики и активизации на базе автономных вентильно-индукторных электроприводов и предельных подъемов, преодолеваемых экспериментальным автопоездом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты моделирования и оценки предельных тяговых характеристик системы дополнительной энергетики и активизации на базе автономных вентильно-индукторных электроприводов и предельных подъемов, преодолеваемых экспериментальным автопоездом

Егоров О.В.

аспирант кафедры

«Транспортные установки», МАДИ



Обоснование выбора структуры, состава и параметров элементной базы системы дополнительной энергетики и активизации на базе автономных вентильно-индукторных электроприводов для экспериментального автопоезда требует рассмотрения предельных тяговых характеристик полуприцепа, вентильно-индукторных двигателей его электромотор-колес. С практической точки зрения важна оценка зависимостей предельных подъемов, преодолеваемых автопоездом с заданной скоростью в активном и пассивном режимах на руководящем подъеме, при продолжительном подъеме и при перегрузочных режимах движения.

Расчет предельной тяговой характеристики на валу ВИД

Электрическая мощность на выходе вентильно-индукторного генератора (ВИГ) определяется по следующей формуле:

Р_виг = N_диз х з_дг х з_виг, (1)

где Р_виг -- электрическая мощность на выходе ВИГ, кВт;

N_диз -- свободная мощность на тягу дизеля системы дополнительной энергетики и активизации (СДЭА), кВт;

з_дг -- кпд передачи от вала дизеля к валу ВИГ, о.е.;

з_виг -- кпд ВИГ, о.е.

Здесь принято, что з_виг включает в себя кпд собственно индукторного генератора (ИГ) и кпд его преобразователя блока питания индукторного генератора (БПИГ), поэтому Р_виг -- это мощность на выходе преобразователя, то есть в звене постоянного тока БПИГ.

Принимаем следующие значения параметров, входящих в (1):

N_диз = 350 л.с. = 350/1,36 = 257 кВт;

з_дг = 0,98;

з_виг = 0,938.

Подставляя указанные значения параметров в (1), получаем



Р_виг = 257 х 0,98 х 0,938 = 236 кВт. (2)

Принимаем номинальное значение кпд вентильно-индукторного двигателя (ВИД) (включая кпд его преобразователя блока питания индукторного двигателя (БПИД)) равным з_видн=0,92[2].

Тогда мощность на валу ВИД каждого из 8 мотор-колес равна

Р_2вид = Р_виг/8 х з_видн = 236/8 х 0,92 = 27 кВт (3)

Принимаем, что кпд ВИД в рабочем диапазоне частот вращения его вала остается постоянным и равным з_видн=0,92. Тогда, при поддержании постоянной мощности на выходе ВИГ Р_виг=236 кВт, на валу ВИД в рабочем диапазоне частот вращения его вала также поддерживается постоянная мощность Р_2вид = 27 кВт.

Расчет момента на валу ВИД ведем по следующей формуле:

М_д = 9,55 х 10і х Р_2вид/n_д , (4)

где М_д -- момент на валу ВИД, Нм;

n_д -- частота вращения вала ВИД, об/мин;

Р_2вид -- мощность на валу ВИД, кВт.

Результаты расчета зависимости М_д(n_д), представляющей собой предельную тяговую характеристику на валу ВИД, сведены в табл.1, а график этой зависимости представлен на рис. 1.



Рис 1. Предельная тяговая характеристика на валу ВИД

Расчет предельной тяговой характеристики полуприцепа

Суммарное тяговое усилие, реализуемое электромеханической трансмиссией (ЭМТ) полуприцепа в активном транспортном режиме, определяется по следующей формуле:

F_хпп = 8 х м_р х з_р х М_д /(R_к х 10і), (5)

где F_хпп -- суммарное тяговое усилие, кН;

м_р -- передаточное отношение редуктора мотор-колеса, о.е.;

з_р -- кпд редуктора мотор-колеса, о.е.;

М_д -- момент на валу ВИД, Нм;

R_к -- радиус качения ведущего колеса, м.

Принимаем следующие значения параметров, входящих в (5):

м_р = 34,85;

з_р = 0,944;

R_к = 0,8 м.

Подставляя указанные значения параметров в (5), получаем



F_хпп = 8 х 34,85 х 0,944 х М_д /(0,8 х 10і) = 0,33 х М_д (6)

Скорость транспортного средства связана с частотой вращения вала ВИД следующей формулой:

V = 3,6 х р х R_к х n_д /(30 х мр), (7)

где V -- скорость транспортного средства, км/ч;

R_к -- радиус качения ведущего колеса, м;

n_д -- частота вращения вала ВИД, об/мин;

м_р -- передаточное отношение редуктора мотор-колеса, о.е.

Подставляя указанные выше значения параметров в (7), получаем:

V = 3,6 х р х 0,8 х n_д /(30 х 34,85)=0,00865 х n_д (8)

Результаты расчета по (6) и (8) зависимости F_хпп(V), представляющей собой предельную тяговую характеристику полуприцепа, сведены в табл. 1, а график этой зависимости представлен на рис. 2.

Рис. 2. Предельная тяговая характеристика, реализуемая СДЭА на базе



В табл. 1 представлены также значения тягового усилия F_к на ведущем колесе полуприцепа, вычисляемого как F_к=F_хпп/8, суммарного тягового усилия автопоезда F_хпас в пассивном режиме [1], и значения суммарного тягового усилия автопоезда F_хакт в активном режиме, рассчитанные по формуле:

F_хакт=F_хпас+F_хпп (9)

Там же представлены значения коэффициента активизации К_акт, характеризующего эффективность использования ВИП полуприцепа для повышения тяговых свойств автопоезда и рассчитываемого по формуле:

К_акт=F_хакт/F_хпас=1+F_хпп/F_хпас (10)

Расчет зависимостей предельных подъемов, преодолеваемых автопоездом с заданной скоростью в активном и пассивном режимах

Уравнение равновесия действующих сил при движении автопоезда с установившейся скоростью выражается следующей формулой:

F_х=9,8хG_ах (i+f), (11)

где F_х -- суммарное тяговое усилие автопоезда, кН;

G_а -- полная масса автопоезда, т;

i -- продольный уклон дороги, о.е.;

f -- коэффициент сопротивления качению, о.е.

Из (11) получаем формулу для расчета продольного уклона

i = Fх/(9,8 х G_а) - f (12)



Подставляя в (12) известные значения G_а и f, и значения F_хпас, F_хакт для заданной скорости из табл.1, рассчитываем значение уклона, по которому автопоезд может двигаться с заданной скоростью. В табл.1 приведены результаты расчета для движения автопоезда как в пассивном, так и в активном режимах по дорогам с асфальтово-бетонным и грунтово-щебеночным покрытиями. Графики зависимостей i(V) для активного и пассивного режимов движения автопоезда по дороге с асфальтово-бетонным покрытием представлены на рис. 3, а для движения по дороге с грунтово-щебеночным покрытием -- на рис. 4.

Рис. 3. Зависимости предельного подъема, преодолеваемого автопоездом с заданной скоростью на дороге с асфальто-бетонным покрытием (f=0,02)



Рис. 4. Зависимости предельного подъема, преодолеваемого автопоездом с заданной скоростью на дороге с грунто-щебеночным покрытием (f=0,04)

Таблица 1

nд, об/мин	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1500	2000	2500	3000	3500	4000	4500	5000	5500	6000
Мд, Нм	1289	860	645	516	430	368	322	286	258	172	129	103	86	74	64	57	52	47	43
V, км/ч	1,73	2,6	3,46	4,3	5,2	6,05	6,9	7,8	8,65	13	17,3	21,6	26	30,3	34,6	38,9	43,3	47,6	51,9
Fк, кН	55	36,7	27,5	22	18,3	15,7	13,7	12,2	11	7,3	5,5	4,4	3,7	3,16	2,73	2,43	2,2	2	1,83
Fхпп, кН	440	294	220	176	147	126	110	98	88	58,7	44	35	29,4	25,3	21,8	19,5	17,8	16	14,7
Fхпас, кН	293	260	230	204	178	155	135	115	105	68	55	43	35	28	24,5	21,8	19,6	17,8	16,3
Fхакт, кН	733	554	450	380	325	281	245	213	193	126,7	99	78	64,4	53,3	46,3	41,3	37,4	33,8	31
Какт, о.е.	2,5	2,13	1,96	1,86	1,82	1,81	1,81	1,85	1,84	1,86	1,8	1,81	1,84	1,9	1,89	1,89	1,91	1,9	1,9
iпас аб, о.е.	0,227	0,199	0,174	0,152	0,13	0,111	0,094	0,077	0,068	0,037	0,026	0,016	0,01	0,004	0,001	-	-	-	-
iакт аб, о.е.	0,6	0,448	0,36	0,3	0,25	0,217	0,187	0,16	0,143	0,087	0,063	0,046	0,034	0,025	0,019	0,015	0,012	0,009	0,006
iпас гщ о.е.	0,207	0,179	0,154	0,132	0,11	0,091	0,074	0,057	0,048	0,017	0,006	-	-	-	-	-	-	-	-
iакт гщ о.е.	0,58	0,428	0,34	0,28	0,23	0,197	0,167	0,14	0,123	0,067	0,043	0,026	0,014	0,005	-	-	-	-	-

Расчет параметров ВИД и предельных подъемов, преодолеваемых автопоездом, в продолжительном режиме работы

В качестве продолжительного режима работы принимаем условный технологический цикл движения автопоезда со скоростью 15 км/ч в течение 4 часов (пробег 60 км).

По предельной тяговой характеристике, реализуемой системы дополнительной энергетики и активизации (СДЭА) на базе вентильно-индкуторного электропривода (ВИП), находим, что тяговое усилие, развиваемое полуприцепом при скорости 15 км/ч, равно F_хпп = 50 кН.

Частоту вращения вентильно-индукторного двигателя (ВИД) при

V = 15 км/ч определяем по (8):

(8)

(13)

Момент на валу ВИД при F_хпп = 50 кН определяем по (6):

(6)

(14)

По тяговой характеристике автопоезда в пассивном режиме при

V = 15 км/ч находим F_хпас = 60 кН.

Суммарное тяговое усилие автопоезда в активном режиме при V = 15 км/ч определяем по (9):

F_хакт = F_хпас + F_хпп (9)

F_хакт = 60 + 50 = 110 кН (15)



Продольный уклон, преодолеваемый автопоездом со скоростью 15 км/ч в продолжительном режиме, определяем по (12):

i = Fх/(9,8 х Gа) - f (12)

где Fх - суммарное тяговое усилие автопоезда, кН;

Gа - полная масса автопоезда, т;

i - продольный уклон дороги, о.е.;

f - коэффициент сопротивления качению, о.е.

Для дороги с асфальтово-бетонным покрытием (f = 0,02)

(16)

Для дороги с грунтово-щебеночным покрытием (f = 0,04)

(17)

Расчет параметров ВИД при движении автопоезда на руководящем подъеме

Определим параметры ВИД при движении автопоезда в активном режиме на руководящий подъем с продольным уклоном 10% со скоростью 12 км/ч по дороге с асфальтово-бетонным покрытием. Указанное сочетание параметров соответствует зависимости i(V) для активного режима.

Частоту вращения ВИД при V = 12 км/ч определяем по (8):

1387 об/мин (18)

По предельной тяговой характеристике на валу ВИД (рис. 1) находим для n_д = 1387 об/мин значение М_д = 180 Нм.

Мощность на валу ВИД в этом режиме определяем из (4):

М_д = 9,55 х 10і х Р_2вид/n_д, (4)

где М_д -- момент на валу ВИД, Нм;

n_д -- частота вращения вала ВИД, об/мин;

Р_2вид -- мощность на валу ВИД, кВт.

(19)

Определим зависимость длины подъема от времени движения автопоезда на подъем 10% со скоростью 12 км/ч.

Скорости 12 км/ч соответствуют = 200 м/мин. Тогда путь, пройденный автопоездом, равен:

L = V х t = 200 х t, (20)

где L -- путь, пройденный автопоездом, м;

V -- скорость движения автопоезда на подъем, м/мин;

t -- время движения автопоезда на подъем, мин.

Результаты расчета по (20) сведены в табл. 2.

Таблица 2

t, мин	1	2	3	4	5	6	7	8
L, м	200	400	600	800	1000	1200	1400	1600

Таблица 3

t, мин	9	10	11	12	13	14	15
L, м	1800	2000	2200	2400	2600	2800	3000



Как следует из таблицы 2, при движении в активном режиме на подъем 10% со скоростью 12 км/ч по дороге с асфальтово-бетонным покрытием автопоезд в течение 15 минут проходит расстояние 3000 метров. Для выполнения ВИП требований этого режима ВИД мотор-колес должны обеспечивать реализацию момента на валу М_д = 180 Нм при частоте вращения около n_д = 1400 об/мин в течение 15 минут из средненагретого состояния без превышения допустимой температуры.

Определим теперь параметры ВИД при движении автопоезда в активном режиме на руководящий подъем с продольным уклоном 10% со скоростью 10 км/ч по дороге с грунтово-щебеночным покрытием. Указанное сочетание параметров соответствует зависимости i(V), приведенной на рис.4 для активного режима.

Частоту вращения ВИД при V = 10 км/ч определяем по (8):

(21)

По предельной тяговой характеристике на валу ВИД находим для n_д = 1156 об/мин значение М_д = 225 Нм.

Мощность на валу ВИД в этом режиме определяем из (4):

(22)

Определим зависимость длины подъема от времени движения автопоезда на подъем 10% со скоростью 10 км/ч.

Скорости 10 км/ч соответствуют 10х10і/60 = 166,7 м/мин. Тогда путь, пройденный автопоездом, равен:

L = V х t = 166,7 х t (23)



Результаты расчета по (16) сведены в Табл. 4

Таблица 4

t, мин	1	2	3	4	5	6	7	8
L,м	167	333	500	667	833	1000	1167	1333

Таблица 5

t, мин	9	10	11	12	13	14	15
L,м	1500	1667	1833	2000	2167	2333	2500

Как следует из таблиц 4, 5 при движении в активном режиме на подъем 10% со скоростью 10 км/ч по дороге с грунтово-щебеночным покрытием автопоезд в течение 10 минут проходит расстояние 1667 метров. Для выполнения ВИП требований этого режима ВИД мотор-колес должны обеспечивать реализацию момента на валу М_д = 225 Нм при частоте вращения около n_д = 1150 об/мин в течение 10 минут из средненагретого состояния без превышения допустимой температуры.

Расчет параметров предельного перегрузочного режима работы ВИП

В качестве предельного перегрузочного режима работы вентильно-индукторного двигателя ВИП принимаем режим работы автопоезда, при котором на валу ВИД реализуется момент 833 Нм в течение 2 минут. Этот режим соответствует предельному перегрузочному режиму электродвигателя постоянного тока ДК718Д1.

По предельной тяговой характеристике на валу ВИД находим для М_д = 833 Нм значение n_д = 290 об/мин.

Мощность на валу ВИД в этом режиме определяем из (4):

М_д = 9,55 х 10і х Р_2вид/n_д, (4)

где М_д -- момент на валу ВИД, Нм;

n_д -- частота вращения вала ВИД, об/мин;

Р_2вид -- мощность на валу ВИД, кВт.

(24)

Суммарное тяговое усилие, реализуемое электромеханической трансмиссией (ЭМТ) полуприцепа в этом режиме, определяем из (30):

(25)

F_хпп = 0,33 х М_д = 0,33 х 833 = 275 кН (26)

Скорость автопоезда в этом режиме определяем из (32):

(27)

V = 0,00865 х n_д = 0,00865 х 290 = 2,5 км/ч (28)

По тяговой характеристике автопоезда в пассивном режиме при V = 2,5 км/ч находим F_хпас = 260 кН.

Суммарное тяговое усилие автопоезда в активном режиме определяем по (9):

F_хакт = F_хпас + F_хпп (9)

F_хакт = 260 + 275 = 535 кН (29)

Продольный уклон, преодолеваемый автопоездом со скоростью 2,5 км/ч, определяем по (12):

i = Fх/(9,8 х Gа) - f (12)



где Fх -- суммарное тяговое усилие автопоезда, кН;

Gа -- полная масса автопоезда, т;

i -- продольный уклон дороги;

f -- коэффициент сопротивления качению.

Для дороги с асфальтово-бетонным покрытием (f = 0,02)

i_{аб пред} = 535/(120х9,8) - 0,020 = 0,435 (30)

Для дороги с грунтово-щебеночным покрытием (f = 0,04)

i_{гщ пред} = 535/(120х9,8) - 0,040 = 0,415 (31)

Определим зависимость длины подъема от времени движения автопоезда на подъем i_аб пред = 0,435 (i_гщ пред = 0,415) со скоростью 2,5 км/ч.

Скорости 2,5 км/ч соответствуют 2,5х10і/60 = 41,7 м/мин. Тогда путь, пройденный автопоездом, равен:

L = V х t = 41,7 х t (32)

Результаты расчета по (32) сведены в Табл. 6, 7

Таблица 6

t, мин	1	2	3	4	5	6	7
L, м	41,7	83,3	125	167	208	250	292

Таблица 7

t, мин	8	9	10	11	12
L, м	333	375	417	458	500

Как следует из таблицы 1, при движении в активном режиме со скоростью 2,5 км/ч на подъем 43,5% по дороге с асфальтово-бетонным покрытием или на подъем 41,5% по дороге с грунтово-щебеночным покрытием автопоезд в течение 2 минут проходит расстояние 83,3 метра. Для выполнения ВИП требований этого режима ВИД мотор-колес должны обеспечивать реализацию момента на валу М_д = 833 Нм при частоте вращения n_д = 290 об/мин в течение 2 минут из средненагретого состояния без превышения допустимой температуры.

Научная новизна представленного материала заключается в разработке методики оценки предельных тяговых характеристик системы дополнительной энергетики и активизации на базе автономных вентильно-индукторных электроприводов и предельных подъемов, преодолеваемых подвижным агрегатом ракетного комплекса с ее применением при перегрузочном режиме работы при движении с заданными скоростями.

Теоретическая и практическая значимость представленных результатов обусловлена тем, что они являются дальнейшим развитием теории систем дополнительной энергетики, а их применение позволит повысить подвижность и проходимость подвижных агрегатов ракетных и ракетно-космических комплексов.



Литература

тяговый вентильный индукторный автопоезд

1. 3Ф-30-9.00Р05.1 Расчет тяговой характеристики автопоезда.

2. Аракелян. А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод: В 2 кн. - М.: Энергоатомиздат, 1997. - 2 кн.

3. Зимелев Г.В. Теория автомобиля / Г.В. Зимелев - Л.: Военное из-во мин. Обороны Союза ССР, 1957. - 455 с.

4. Тимофеев Ю.Л., Тимофеев Г.Л., Ильин Н.М. Электрооборудование автомобилей: Устранение и предупреждение неисправностей. - 4-е изд./Ю.Л. Тимофеев, Г.Л. Тимофеев, Н.М. Ильин - М.: Транспорт, 1998. - 301 с.

5. Пойнченко В.В. Современные грузовые автотранспортные средства: справочник / В.В. Пойнченко [и др.] - М.: Агенство «Доринфомсервис», 2004. - 592 с.

Размещено на Allbest.ru

...