Features of acceleration of agricultural machine-tractor unit with electric traction

Abstract

The paper considers the processes of breakaway and acceleration of agricultural machine-tractor unit with electric traction.

Full Text

Способность трактора оперативно тронуться с места и разогнать МТА до необходимой технологической скорости движения - одно из его основных эксплуатационных свойств. Закономерность формирования этого свойства особенно важна при применении на с.-х. тракторе полнопоточной электромеханической трансмиссии и переводе трактора и МТА на электрическую тягу. Разгон МТА с механическими и гидромеханическими трансмиссиями изучен достаточно полно, и к настоящему времени все связанные с ним вопросы практически разрешены. Принципиальное различие трогания и разгона тракторов с механической и электромеханической трансмиссиями кроется в разной физической природе их силовых потоков и разных начальных условиях процесса трогания и разгона. В первом случае разгон осуществляется силовым потоком дизельного двигателя, предварительно разогнанного до максимальной частоты вращения его вала на холостом ходу, и при максимально накопленной кинетической энергии его вращающихся масс и масс деталей, кинематически соединенных с валом дизеля. Во втором случае разгон осуществляется силовым потоком только тягового двигателя (ТД) в соответствии с его механической характеристикой при его пуске и при отсутствии накопленной энергии. Своим силовым потоком ТД разгоняет не только инерционные массы МТА, но и инерционную массу своего ротора. Дизельный двигатель не участвует непосредственно в скоростном регулировании трактора, а служит первичным двигателем передвижной электростанции, работающим на стационарном скоростном режиме в зоне минимального расхода топлива ge min [1, 2]. Основные закономерности разгона МТА на электрической тяге можно определить, анализируя движение упрощенной одномассовой динамической модели МТА на горизонтальном участке пути на конкретной i-й ступени механической части трансмиссии под действием приложенных к ведущим колесам касательной силы тяги Ркi и тяговой мощности Nкi при преодолении суммарного сопротивления Rc и инерционного сопротивления Rи (рис. 1). Для определения Ркi и Nкi механическую характеристику ТД (рис. 2) и приведем на конкретной ступени трансмиссии к ведущим колесам и получим скоростную характеристику трактора как зависимость от теоретической скорости движения V касательной силы тяги Ркi (V) и тяговой мощности Nкi (V) на ведущих колесах (рис. 3) [2, 3]. Скоростная характеристика трактора с электротягой (см. рис. 3) на каждой ступени механической части трансмиссии имеет два характерных участка, эквивалентных участкам характеристики ТД (см. рис. 2). На участке постоянной тяги Ркi const трактор трогается с места и осуществляет разгон до минимальной скорости Vi min рабочего участка скоростной характеристики. На участке постоянной мощности Nкi const трактор завершает разгон до необходимой скорости вплоть до максимальной Vi max и выполняет свои основные тягово-скоростные функции. Значения параметров скоростной характеристики (см. рис. 3) определяются по выражениям, приведенным в работе [3]. Разгон трактора на электротяге осуществляется в два этапа, которые соответствуют упомянутым участкам скоростной характеристики. Движение одномассовой модели МТА (см. рис. 1) в режиме трогания и разгона описывается выражением: , (1) где - суммарная сила сопротивления движению, приведенная к ведущим колесам; - суммарная инерционная масса МТА; - сила тяги на крюке; - сила сопротивления движению трактора; - эксплуатационная масса трактора; - масса агрегатируемой машины (прицепа); - масса, эквивалентная вращающимся массам трансмиссии и колес трактора. Анализ разгона по выражению (1) и модели, представленной на рис. 1, осуществлялся при допущении, что крутящий момент ТД при его пуске мгновенно нарастает от 0 до номинального значения , а вместе с ним мгновенно нарастает и касательная сила тяги до значения . При этом буксование колес не учитывается. Процесс разгона трактора оценивается временем разгона , за которое трактор разгоняется от нулевой скорости до скорости установившегося движения, и максимальным поступательным ускорением . На первом этапе разгона для определения необходимо в выражении (1) разделить переменные и проинтегрировать его от V = 0 до V = Vmin : (2) Максимальное ускорение имеет место только на этом участке и определяется выражением: (3) На втором этапе разгона (участок ) касательная сила тяги описывается выражением: (4) а уравнение движения МТА принимает вид: (5) После преобразований уравнение (5) приводится к табличному интегралу вида: (6) где ; ; ; . Взяв определенный интеграл по выражению (6) от Vmin до Vmax, определим время t2 разгона МТА на втором этапе: (7) Суммарное время разгона: (8) Максимальное ускорение разгона, м/с2, сравнивается с рекомендуемыми значениями [4]: . По полученным зависимостям выполнены расчеты параметров разгона транспортного МТА на электротяге и проведено их сравнение с параметрами разгона этого же МТА, полученными на предварительных испытаниях трактора «Беларус-3023» на разгон. Транспортный МТА общей массой ma = 55,1 т состоял из опытного трактора «Беларус-3023» с электромеханической трансмиссией [1] и груженого прицепа. Расчеты и испытания выполнены для условий движения МТА по горизонтальному участку пути сухой асфальтированной дороги. Суммарное сопротивление движению при расчетах и испытаниях составило при коэффициенте сопротивления движению f = 0,02. Результаты испытаний и расчета приведены в таблице и на рис. 4. Из приведенных результатов испытаний видно, что расчетная и экспериментальные диаграммы разгона МТА на электротяге качественно не отличаются. Каждая из них имеет заметные линейные участки и участки, изменяющиеся по логарифмической функции. Отличаются диаграммы только количественно. Так, при расчете касательная сила тяги Ркi и мощность на ведущих колесах задавались из расчета стопроцентной загрузки ТАД, а при испытаниях они определялись по результатам обработки диаграмм, исходя из максимального ускорения аmax и скорости Vmin в конце линейного участка: - касательная сила тяги , (9) - максимальная мощность на ведущих колесах , (10) - загрузка ТАД по мощности , (11) где - инерционное сопротивление движению МТА при максимальном ускорении; - КПД механической части трансмиссии; = 183 кВт - номинальная мощность ТАД. При расчете разгон трактора задавался до максимальных значений теоретических скоростей Vmin и Vmax, а при испытаниях скорости задавались трактористом, и их недобор до теоретических значений составлял от 1 до 4 км/ч. Максимальные ускорения, полученные при расчете: на 1-й ступени - 1,192 м/с2; на 2-й ступени - 0,589 м/с2; при испытаниях: на 1-й ступени - 0,33-0,427 м/с2; на 2-й ступени - 0,414-0,468 м/с2. Значения ускорений оказались в 4-6 раз ниже минимальных рекомендуемых значений арек = (0,2…0,27)g = 1,96…2,65 м/с2 [4]. Принятая при испытаниях и расчете масса агрегата ma = 55,1 т завышена как минимум на 10%. В концепции системы машин Республики Беларусь до 2020 года для агрегатирования с тракторами тяговых классов 5 и 6 рекомендованы прицепы грузоподъемностью от 17 до 25 т. Учитывая, что полная масса груженого прицепа примерно в 1,5 раза больше массы груза, можно определить максимальную массу транспортного агрегата, т: , (9) где - эксплуатационная масса трактора «Беларус-3023». Полученные зависимости позволяют по условиям разгона определить необходимые значения касательной силы тяги и номинальной мощности ТАД: , (10) , (11) где - номинальная частота вращения вала ТАД; - радиус качения задних ведущих колес; - передаточное число механической части трансмиссии на i-й ступени. Верхние значения касательной силы тяги ограничиваются сцепными свойствами ведущих колес трактора: . (12) Заменив в выражении (11) касательную силу тяги , максимальное ускорение аi max, массу агрегата ma и сопротивление Rc на их безразмерные (относительные) величины соответственно и , получим взаимосвязь параметров разгона с массой агрегата, сцепными свойствами и сопротивлением движению в относительных единицах: - для транспортного агрегата , (13) - для полевого агрегата (14) где ; . Предложенные зависимости позволяют выявить общие закономерности разгона МТА на электрической тяге и с приемлемой точностью определить показатели разгона на ранних стадиях проектирования. Однако для более точного анализа разгонных свойств необходимы более достоверные математические модели МТА с обязательным моделированием буксования ведущих колес, податливостей и демпфирования механических звеньев и моделированием электромагнитных процессов в тяговом электроприводе (ТЭП). Для этой цели Белорусским НТУ совместно с ОИМ НАН Беларуси и Минским тракторным заводом разработана методика моделирования процессов управления электромеханическим тяговым приводом колесного трактора [7]. В основу методики положены система дифференциальных уравнений «двигатель - ведущее колесо - поступательно движущаяся масса», трехмассовая динамическая модель МТА (рис. 5), модель управления движением трактора с помощью частотно управляемого ТАД и компьютерная модель системы «асинхронный двигатель - динамический объект», реализуемая в среде Matlab-Simulink (рис. 6, 7). Методика позволяет исследовать разгон трактора на электротяге в составе различного вида МТА, а также динамические процессы как в механических, так и в электрических силовых потоках. На рис. 8 приведена временная диаграмма колебательных процессов различных физических величин, наблюдаемых в компьютерном эксперименте [7]. Первые результаты исследований, выполненных упомянутыми средствами (расчет, испытания, компьютерное моделирование), выявили неудовлетворительные разгонные свойства опытного трактора «Беларус-3023», особенно в составе транспортного МТА, и вызывающие их причины. Основные из этих причин: - отсутствие в силовой системе электропривода накопителя электроэнергии, что не позволяет реализовать в момент трогания и разгона перегрузочные возможности тягового электродвигателя; - недостаточная мощность ТЭП, величина которой, приведенная к ведущим колесам, из-за отбора электроэнергии на охлаждение на 9-20% ниже аналогичной тяговой мощности серийных тракторов «Беларус-3022/3522» с механическими трансмиссиями. Выявленные недостатки можно устранить путем рационального выбора типа, структуры и параметров ТЭП. Обязательным элементом структуры ТЭП должен быть бортовой накопитель электроэнергии, параметры которого, как и параметры тягового двигателя, должны выбираться с учетом обеспечения необходимых разгонных свойств трактора и МТА.