Electric traction and electric power take-off of agricultural tractor

Full Text

УДК 629.366 ТСМ № 9-2014 Электрическая тяга и электроотбор мощности с.-х. трактора Д-р техн. наук П.А. Амельченко, инж-ры И.Н. Жуковский (ОИМ НАН Беларуси), А.Г. Стасилевич, А.В. Ключников, А.И. Жуковский (ОАО «МТЗ», zhuk93@mail.ru) Аннотация. Рассмотрены применение и эффективность электрической тяги и электроотбора мощности на с.-х. тракторах. Ключевые слова: трактор, электрическая тяга, электрический отбор мощности, мотор-генератор, тяговый двигатель, механическая характеристика, буксование, тяговая характеристика. Основным источником тяги на современных с.-х. тракторах остается механический силовой поток дизельного двигателя. Тяговая сила движителей тракторов формируется переданным трансмиссией крутящим моментом дизеля с учетом ограничений, накладываемых сцепными свойствами движителей и опорной поверхности почвы или дороги. Длительное (более 100 лет) использование на тракторах двигателей внутреннего сгорания (ДВС) привело к загрязнению почвы вредными компонентами отработавших газов (ОГ) до такой степени, что возникла потребность их ограничения и контроля в зонах мировых рынков сбыта тракторов, в т.ч. введения законодательных национальных и межнациональных норм [1, 2]. Однако реализация этих норм не останавливает дальнейшее загрязнение почвы, а лишь замедляет его темп. Вредное воздействие ДВС на окружающую среду сегодня становится весьма серьезной экологической проблемой. Современные наука и техника пока не располагают эффективными средствами по замене на с.-х. тракторах и машинах двигателей на минеральном топливе агрофильными силовыми установками, но имеют возможность заметно снизить вредное воздействие ДВС на окружающую среду. Один из возможных путей снижения вредных выбросов ОГ и расхода топлива - исключение дизеля из скоростного регулирования трактора и перевод дизеля на стационарный скоростной режим работы в зоне минимального расхода топлива. Наилучшим образом это обеспечивается применением в силовой передаче полнопоточной электромеханической передачи по схеме «дизель - электрогенератор - силовой преобразователь электротока - тяговый электродвигатель и электродвигатели отбора мощности - механическая трансмиссия - движители». При этом дизель изолирован от переменного сопротивления движению и нагружается только моментом сопротивления электрогенератора. Тяга движителей формируется не механическим силовым потоком дизеля, а только крутящим моментом тягового двигателя (двигателей). Дизель становится первичным двигателем передвижной индивидуальной электростанции, а трактор в целом приобретает новое свойство - электрическую тягу. Вторая серьезная предпосылка внедрения электрической тяги и электроотбора мощности на с.-х. тракторах - нарастающая необходимость комплексной автоматизации машинно-тракторных агрегатов (МТА) и мобильных земледельческих технологий. Из опыта промышленного производства известно, что только после перевода промышленности на электроэнергетику и перевода технологического оборудования на электропривод стало возможным осуществить автоматизацию промышленного производства от станков-автоматов до автоматических производств. По аналогии с промышленностью комплексная автоматизация земледелия станет возможна только на основе единой электроэнергетической базы средств и объектов автоматизации и перевода МТА на электрическую тягу и электрический привод активных рабочих органов сельхозмашин. Под электрической тягой трактора понимается тяга, формируемая силовым потоком тягового электродвигателя в соответствии с его механической характеристикой и сцепными свойствами движителей с опорными поверхностями, как в электроподвижном составе железных дорог и коммунального транспорта. Тяговая функция трактора значительно шире функций тяги на электроподвижном составе упомянутых транспортных средств. Трактор - в большей степени технологическая машина внедорожного применения с широкими диапазонами изменения коэффициента сопротивления движению f=0,02…0,25 и коэффициента сцепления φ=0,3…0,8, частыми чередованиями основного технологического процесса (на гоне) и вспомогательных (на разворотной полосе). Трактор отдает на тягово-приводных операциях до 70% своей мощности на привод активных рабочих органов сельхозмашин. Большую часть рабочего времени он работает на энергоемких почвообрабатывающих операциях на скоростях 6-15 км/ч при высоких загрузках как по тяге, так и по мощности (85-95% от номинальных значений). Современный тяговый привод для обеспечения электрической тяги и электроотбора мощности содержит типовой тракторный дизельный двигатель, асинхронный мотор-генератор (АМГ) переменного тока, силовой преобразователь электроэнергии, тяговый асинхронный частотно регулируемый двигатель (ТАД) и систему их управления [3]. Он встраивается в существующую компоновку трактора того же класса с механической трансмиссией, значительно сокращая количество элементов механического ступенчатого и бесступенчатого регулирования (зубчатых колес, валов, зубчатых и фрикционных муфт). При этом силовой поток дизеля формирует только электромагнитный силовой поток генератора и не влияет на качественные характеристики касательной силы тяги движителей. За номинальную частоту ротора АМГ nамг н принимается оптимальная по удельному расходу топлива частота вращения вала дизеля, при которой на рабочем участке внешней скоростной характеристики удельный расход топлива минимален ge min , а мощность оптимальна Nд опт (рис. 1). В настоящее время сложились три основных вида схем тягового электропривода на тягово-транспортных машинах [4]. Мотор-колесная схема содержит одну дизель-электрогенераторную установку, силовой преобразователь, тяговые электромотор-редукторы в каждом ведущем колесе и систему управления ими. Она применяется на автомобилях БелАЗ [5], самоходных строительных машинах [6], самоходных опрыскивателях [7]. Для расширения диапазона скоростного регулирования применяются мотор-колеса с двухскоростными редукторами [6]. Мотор-колесная схема значительно сокращает механическую часть трансмиссии, оставляя в ней только колесные редукторы. Такая схема позволяет реализовать активный поворот тяговой машины за счет обеспечения разности частот вращения ведущих колес правого и левого бортов, в т.ч. и разворот машины вокруг ее центра масс. Однако эти преимущества практически недостижимы для с.-х. колесных тракторов, имеющих диапазон скоростного регулирования от минимальной до максимальной скорости не менее . (1) При диапазоне регулирования современных тяговых двигателей Дтд=2…2,5 для реализации скоростного диапазона трактора в колесном редукторе потребуются не две, а три-четыре переключаемые ступени. У мотор-мостовой схемы, в отличие от предыдущей, применяется один тяговый двигатель на ведущий мост. Она находит применение на гусеничных (ДЭТ-250 [8, 9]) и колесных (Беларус-3023 [3]) тракторах. У последнего один тяговый двигатель приводит как задний, так и передний ведущие мосты. Эта схема позволяет исключить из механической трансмиссии только муфту сцепления и часть коробки передач, не позволяет реализовать активный поворот, сохраняет в гусеничном тракторе бортовые механизмы поворота, а у колесных - межколесные дифференциалы. Серьезный недостаток этой схемы на тракторах - наличие механического привода заднего вала отбора мощности (ВОМ), что значительно усложняет компоновку трактора из-за необходимости взаимного согласования координат осей ДВС, тягового мотор-генератора, тягового двигателя, ведущих колес и хвостовика ВОМ. При замене механического отбора мощности на электрический взаимное согласование координат осей потребуется только у дизеля с мотор-генератором и тягового двигателя с ведущими колесами (звездочками гусениц). Мотор-бортовая схема тягового привода предусматривает привод правого и левого бортов отдельными тяговыми двигателями и применяется в основном в гусеничных машинах [9]. При этой схеме бортовые механизмы поворота могут исключаться из механической части трансмиссии, а поворот - обеспечиваться разностью частот вращения бортовых двигателей. При изменении направления вращения бортовых двигателей обеспечивается разворот машины вокруг ее центра масс. Такую схему можно реализовать и на колесных машинах, что исключает межколесные дифференциалы, реализует активный поворот и разворот вокруг центра масс. Формирование электрической тяги на тракторе можно проследить, если механическую характеристику тягового двигателя (рис. 2) привести к движителям трактора на каждой ступени механической части трансмиссии. При этом получим теоретическую скоростную характеристику трактора, которая описывает тяговые и мощностные возможности его движителей на конкретной опорной поверхности и представляет собой зависимости снимаемых с движителей суммарных касательной силы тяги Рк и тяговой мощности на ведущих колесах Nк от теоретической скорости движения трактора V. Скоростная характеристика трактора с электрической тягой (рис. 3), как и механическая характеристика ТАД, имеет на каждой i-ой ступени механической трансмиссии два характерных участка. Участок постоянной тяги Pкi const , на котором трактор трогается с места, и участок постоянной тяговой мощности на ведущих колесах Nкi const , на котором он выполняет свои основные функции. Участку механической характеристики ТАД nтад = 0…nтад н соответствуют участки теоретических скоростей трактора Vi = 0…Vi min , а участку nтад = nтад н...nтад max - участки скоростей Vi = Vi min…Vi max. Численные значения параметров скоростной характеристики определяются для каждой i-ой ступени по выражениям: - на участке постоянной тяги ; (2) ; (3) - на участке постоянной мощности ; (4) , (5) где Мтад н , Nтад н - номинальные значения крутящего момента и мощности ТАД; ui - передаточное число механической трансмиссии на каждой i-ой ступени; ηмт i - КПД механической трансмиссии на i-ой ступени; Rк - радиус качения ведущих колес трактора; φmax - максимальный коэффициент сцепления ведущих колес на конкретной опорной поверхности; м/с2; Vi - текущие значения теоретической скорости движения трактора. . (6) Расчетные значения параметров механической характеристики ТАД и соответствующие им значения параметров скоростной характеристики трактора «Беларус-3023» приведены в таблице. Основные расчетные параметры механической характеристики тягового двигателя и параметры скоростной характеристики трактора «Беларус-3023» Механическая характеристика тягового двигателя Скоростная характеристика трактора Частота вращения ротора, мин-1 Крутящий момент, Н∙м Мощность, кВт nн nmax Mн Мmin Nн 1450 3600 1205,2 485,42 183 Режим движения Ступень редуктора, i Теоретическая скорость, км/ч Касательная сила тяги по ТАД, кН Тяговая мощность на ведущих колесах, кВт Vmin Vmax Pк max Pк min Nк Поле 1.1 3,543 8,796 165,44 66,696 162,815 1.2 6,91 17,155 84,824 34,167 162,815 Дорога 2.1 7,655 19,006 76,569 30,839 162,815 2.2 14,93 37,067 39,259 15,813 162,815 Максимальная касательная сила тяги по сцеплению на стерне Рк max==85,8375 кН, на асфальте Рк max= кН Из рис. 3 и таблицы видно, что на участке постоянной тяговой мощности трактор может использовать номинальную мощность ТАД в полном объеме, бесступенчато регулируя силу тяги Pкi и скорость Vi. На режиме «поле» (см. рис. 3, а, ступень 1.1) мощностные возможности ТАД ограничиваются сцепными свойствами движителей (Ркс=85,8375 кН). Полная загрузка ТАД обеспечивается только с теоретической скорости V=6,83 км/ч. На минимальной скорости ТАД нагружается до 51,88% мощности, при этом касательная сила тяги колес Рк=84,778 кН. На второй ступени режима «поле» ТАД нагружается до номинальной мощности на всем диапазоне от 6,9 до 17,15 км/ч и практически перекрывает агроскорости всех энергоемких тяговых с.-х. операций (кроме уборки корнеплодов). На режиме «дорога» (см. рис. 3, б) на асфальте трактор «Беларус-3023» реализует номинальную мощность на скоростях 7,65-37,15 км/ч. При этом перекрытие скоростей на ступенях 2.1 и 2.2 составляет 4,1 км/ч. Однако для оценки тяговых и тягово-приводных возможностей трактора с электротягой необходима характеристика, отражающая зависимости основных функциональных свойств (рабочей скорости движения Vр , буксования движителей δ, тяговой мощности на крюке Nкр , тягового КПД и удельного расхода топлива gт ) от абсолютного Ркр или относительного φкр тягового усилия на крюке как на тяговом режиме работы, так и на тягово-приводном. Расчет теоретической тяговой характеристики трактора с электротягой осуществляется с учетом механической характеристики тягового электродвигателя и буксования движителей при бесступенчатом регулировании скорости движения трактора, а из внешней скоростной характеристики дизеля учитывается только оптимальная по расходу топлива мощность Nд опт и удельный расход топлива ge min при этой мощности. Известно, что бесступенчатое регулирование скорости движения и тягового усилия трактора существенно снижает буксование движителей. Так, у колесного трактора кл. 0,9 с объемной гидромеханической трансмиссией буксование ведущих колес в 1,5 раза ниже, чем у такого же трактора с механической ступенчатой трансмиссией [10]. Поскольку данные по буксованию ведущих колес с.-х. тракторов с электромеханическими трансмиссиями еще не накоплены, приведенное соотношение по буксованию можно рекомендовать для предварительного тягового анализа тракторов с электротягой. Полученные на МТЗ при тяговых испытаниях трактора кл. 5 (Беларус-2822) зависимости буксования от усилия на крюке δ(Ркр) были обработаны средствами Windows Exсel и аппроксимированы экспоненциальной функцией (рис. 4). , (7) где - буксование ведущих колес при движении трактора без нагрузки на крюке (Ркр=0; φкр=0), на стерне =0,0107, на сухом асфальтобетонном покрытии =0,008; а - опытный коэффициент, на стерне а=5,6519, на асфальтобетонном покрытии а=3,536; φкр - относительное тяговое усилие на крюке; Ркр - тяговое усилие на крюке. С учетом этого буксование ведущих колес трактора с электротягой опишется выражением: - на стерне ; (8) - на асфальте . (9) Рабочая скорость движения трактора для каждой ступени механической части трансмиссии определяется по выражению: , (10) где Vi max - теоретическая скорость движения трактора при nтад max=3600 мин-1 по выражению (6); δ и δ0 - по выражению (8) или (9) в зависимости от опорной поверхности. Поскольку рабочий участок механической характеристики тягового двигателя ограничивается частотой вращения его ротора nтад = nтад н…nтад max (см. рис. 3, б), то скорость Vp на каждой ступени механической трансмиссии ограничивается минимальным и максимальным значениями, соответствующими частотам вращения ротора тягового двигателя nтад н и nтад max : . (11) Ограничение рабочей скорости сверху соответствует тяговому усилию ; (12) снизу - тяговому усилию , (13) где Мтад min , Мтад н - минимальное и номинальное значения крутящего момента тягового двигателя; Rк - радиус качения задних ведущих колес; ui - передаточное число механической трансмиссии на каждой i-ой ступени редуктора; mэ - эксплуатационная масса трактора. Тяговая мощность: . (14) Выразив номинальную мощность тягового двигателя через оптимальную мощность дизеля Nд при номинальной частоте вращения вала АМГ, КПД механической части трансмиссии ηмт i , КПД электрической передачи ηэп = 0,932 = 0,8649 [3] и с учетом того, что и (1-δ)=, получим: , (15) где - тяговый КПД трактора. Удельный расход топлива на единицу тяговой мощности: , (16) где gе min - удельный расход топлива дизеля на номинальном режиме электрогенератора. При реализации на тракторе электрического отбора мощности на тяговый двигатель может быть подана мощность не более , (17) где - относительная величина отбора мощности; ηамг - КПД мотор-генератора вместе с блоком силового регулирования; N0 - мощность отбора на привод активных рабочих органов агрегатируемых машин. Рабочая скорость трактора: (18) при ограничениях по выражению (10). Тяговая мощность на крюке: . (19) Удельный расход топлива на единицу тяговой мощности определяется по выражению (16), а удельный расход топлива на единицу мощности отбора: . (20) Общий КПД трактора определяется по выражению: . (21) Входные данные для расчета тяговой характеристики трактора «Беларус-3022» Эксплуатационная масса трактора, mэ , кг ………..……………………..…. 12 500 Оптимальная мощность двигателя, Nд опт , кВт ………………………………... 223 Удельный расход топлива дизеля при оптимальной мощности, ge min, г/(кВт·ч) …………………………………………………………………………...…….. 210,08 Радиус качения задних ведущих колес, Rк , м …………………………..…… 0,908 Номинальная мощность тягового двигателя, Nтд н, кВт ………………….…… 183 Частота вращения вала тягового двигателя, мин-1: - номинальная, ηтд н ……………………………………………………………. 1450 - максимальная, ηтд max …………………………………………………………. 3600 Передаточные числа механической части трансмиссии: - на режиме «поле»: ступень 1.1, u1.1 ………………………………………………………...……. 140,106 ступень 1.2, u1.2 ……………………………………………………………… 71,8344 - на режиме «дорога»: ступень 2.1, u2.1 …………………………………………………………..….. 64,8471 ступень 2.2, u2.2 ……………………………………………………………… 33,2521 - заднего моста, uзм …………………………………………………………... 27,618 Максимальное тяговое усилие для расчета буксования: - на режиме «поле» (стерня), Pк max , кН (φкр max) ……..…………….. 85,8375 (0,7) - на режиме «дорога» (асфальт), Pк max , кН (φкр min) ………..…….. 116,4937 (0,95) Сопротивление движению трактора: - на стерне, Pf , кН (f) ………...……………………………..………… 12,2625 (0,1) - на асфальтобетоне, Pf , кН (f) …...…………………………..……… 2,4525 (0,02) Пределы изменения тягового усилия при расчете, кН: - на режиме «поле» (стерня), Pкр min … Pкр max …………..…………………. 0-73,575 (φк min …φк max) ………………………………………. (0-0,6) - на режиме «дорога» (асфальт), Pкр min … Pкр max ………………….………… 0-98,1 (φк min …φк max) ………………………..……….. (0-0,8) КПД: - механической части трансмиссии, ηмт ………………………………...….. 0,8897 - электрической передачи (АМГ-ТАД), ηэп ………………………………... 0,8649 - электромеханической трансмиссии, ηэмт …………………………………. 0,7695 На рис. 5 показана теоретическая тяговая характеристика трактора «Беларус-3023» на стерне (режим «поле», ступени 1.1 и 1.2), построенная по приведенным выше выражениям и входным данным. Из нее видно, что режим постоянной мощности ТАД реализуется при тяговых усилиях Ркр=21,86…74 кН. При этом обеспечиваются рабочие скорости трактора Vр=16,77…5,4 км/ч при буксовании ведущих колес δ=0,02…0,213, тяговая мощность Nкр=102,35…121,8 кВт при удельном расходе топлива gт=451,622…380,64 г/(кВт·ч). При допустимом буксовании δдоп=0,16 трактор реализует тяговое усилие Ркр=67,6 кН, тяговую мощность Nкр=115,8 кВт на скорости 6,2 км/ч при удельном расходе топлива gт=405 г/(кВт·ч). Максимальную тяговую мощность Nкр max=121,8 кВт трактор развивает при номинальном тяговом усилии Ркр н=55 кН на рабочей скорости Vр=8 км/ч при буксовании δ=0,09 и расходе топлива gт=382 г/(кВт·ч). Номинальное относительное тяговое усилие на крюке , что на 12% выше номинального значения для трактора кл. 5 с механической ступенчатой трансмиссией [4]. Такие же характеристики можно построить и на режиме «дорога» (асфальт), а также при электрическом отборе мощности по выражениям (17)-(21). Для выявления преимуществ трактора с электротягой выполнено сравнение теоретических тяговых характеристик (рис. 6) на стерне тракторов «Беларус-3023» на режиме «поле» и «Беларус-3022» на втором скоростном диапазоне (передачи 7-12). Характеристики рассчитаны при равных номинальных мощностях двигателей и эксплуатационных массах. Из рис. 6 видно, что при тяговых усилиях ниже номинального у серийного трактора с механической ступенчатой трансмиссией рабочие скорости Vp и тяговые мощности Nкр на отдельных участках характеристики без учета потерь на переключение передач выше, чем у трактора с электротягой. При достижении тяги Ркр≈56…57 кН эти преимущества теряются и переходят к трактору с электротягой. Особенно заметны преимущества трактора с электротягой по сравнению с серийным по удельному расходу топлива (см. рис. 6, в). Если у серийного трактора минимальный расход топлива зависит от номера передачи и тягового усилия и сохраняет минимальные значения на узком участке тягового усилия (≈10 кН), то у трактора с электротягой удельный расход топлива на всем рабочем участке изменяется в пределах 380,6…451,6 г/(кВт·ч), или не более чем на 18,6%. По тяговому КПД трактор с электротрансмиссией уступает трактору с механической трансмиссией до 6%, но обеспечивает более высокую степень использования номинальной мощности двигателя на крюке γкр . Так, у трактора с механической трансмиссией из-за колебаний приведенного к валу ДВС крутящего момента средняя загрузка двигателя составляет 94% от номинальной () [11]. Из-за ступенчатого изменения скорости движения и работы ДВС на перегрузочной ветви характеристики мощность дизеля может изменяться в пределах 0,9-0,95 от номинальной. Все вместе приводит к тому, что средняя загрузка ДВС не превышает . На тракторе с электротягой можно обеспечить загрузку дизеля на 100% от номинальной, как на электротормозном стенде. В первом случае тяговая загрузка на крюке будет , а во втором . Все это в совокупности обеспечивает повышение производительности трактора с электромеханической трансмиссией и снижает его погектарный расход топлива [3]. Дальнейшее снижение расхода топлива возможно путем замены традиционной вальной дизель-генераторной энергоустановки на свободнопоршневую дизель-генераторную установку возвратно-поступательного действия [12]. Применение на тракторах дизель-электрических силовых установок представляет широкие возможности для использования электрических отборов мощности на привод активных рабочих органов с.-х. машин, а также электропривода вместо традиционных гидроприводов для управления силовыми агрегатами трактора, рулевого управления, навесных систем, автоблокировки дифференциала, автоматического включения-выключения винтового моторного привода. Это, в свою очередь, открывает широкие возможности для сокращения объемов механических приводов и комплексной автоматизации тракторов и МТА вплоть до создания тракторов-автоматов и МТА-автоматов. Так, у гидроприводов автоматизация управления обеспечивается по ступеням «электронный блок - электромагнит - гидравлический клапан - гидролиния - силовой цилиндр - механическое устройство», а при электроприводе управление включает только «электронный блок - электродвигатель - механический привод». В электроприводе электронный блок в реальном времени управляет электромагнитным моментом электродвигателя или силой электромагнита. Говоря о преимуществах электротяги на тракторе, необходимо учитывать, что внедрение такого трактора создаст благоприятные предпосылки для отказа в будущем от ДВС в с.-х. производстве и перевода земледелия на электроприводные технологии. В Европе фирмой New Holland создан трактор NH2 без ДВС, на котором в качестве силовой установки используется водородный электрохимический генератор. Одной заправки водорода пока хватает только на 2 ч работы под полной загрузкой, но фирма намерена увеличить это время до 7 ч [13]. Следует обратить внимание и на то, что мировая электротехническая наука осваивает бесконтактную передачу электроэнергии, предложенную Николо Тесла еще 100 лет назад. По этому принципу уже сегодня работают модели электромобилей и электрокатеров с бесконтактным электроприводом [14]. В ВИЭСХе ведутся исследования по созданию энергоэффективного гибридного трактора мощностью 50-100 кВт с беспроводной системой зарядки электроаккумуляторов, экономией топлива 30% и снижением уровня вредных выбросов в 5 раз [15], а также агроробота с резонансной системой электроснабжения [16]. Успешное решение этой проблемы обеспечит в будущем полный переход на электроприводные экологически чистые технологии и создаст условия для комплексной автоматизации в земледелии. Выводы Внедрение на с.-х. тракторах тягового электропривода и электрического отбора мощности на привод активных рабочих органов сельхозмашин направлено на снижение вредных выбросов от ДВС и расхода топлива, повышение производительности МТА, создание условий для комплексной автоматизации МТА и земледельческих технологий. При успешном решении этих задач будут созданы условия для отказа от ДВС как силовой установки трактора и перевода земледелия на электроприводные мобильные технологии.

About the authors

P. A Amelchenko

Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus

I. N Zhukovskiy

Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus

A. G Stasilevich

Minsk Tractor Works, PLC

A. V Klyuchnikov

Minsk Tractor Works, PLC

A. I Zhukovskiy

Minsk Tractor Works, PLC

Email: zhuk93@mail.ru

References

Supplementary files