The power unit of universal tractors of traction class 1,4 with an integrated starter generator

Full Text

Введение В перспективе тракторы продолжают оставаться одним из основных средств производства в ряде отраслей, таких как сельское хозяйство, строительство и лесозаготовки. Поэтому совершенствование конструкций тракторов, направленное на повышение их потребительских свойств, продолжается и будет продолжаться с использованием возможностей науки и техники. Техническое развитие тракторов характеризуется увеличением мощности двигателей внутреннего сгорания (ДВС), увеличением мощности потребителей электрической энергии и широким применением электроники. Перспективные факторы требуют совершенствования систем электроснабжения тракторов. Одним из путей совершенствования является повышение номинального напряжения источников электрической энергии. При последовательной поддержке государства, с принятием «Стратегии развития сельскохозяйственного машиностроения России до 2020 года», удастся не только упрочить позиции отечественного тракторостроения, но и придать им дополнительный импульс для внедрения электроники и гидравлики в агрегатах и системах тракторов [1]. Одним из направлений, на котором отечественное тракторостроение может попытаться уменьшить вынужденное отставание от мирового уровня, является развитие средств автоматизации и электроприводов [2]. Регулируемые электроприводы характеризуются совершенным качеством - возможностью плавного изменения режимов работы, прежде всего частоты вращения, что достигается благодаря применению статических полупроводниковых преобразователей частоты и микропроцессорных систем управления [3]. Современные энергетические и экологические нормы требуют применения электроприводов с управляемыми электрическими машинами (ЭМ), которые имеют высокие энергетические показатели в режимах как полной, так и частичной нагрузки и при этом надежны и просты в производстве. Увеличение доли таких электроприводов является одной их самых актуальных задач электромашиностроения. Развитие конструкций автотракторного электрооборудования и автоэлектроники должно идти в направлении применения принципиально новых комплектующих, экологически чистых материалов, снижения затрат на их производство [4]. Нагрузка на электрическую систему современного трактора постоянно растет. Увеличивающееся потребление электрической энергии дополнительно установленным оборудованием подвергает существующие 12-вольтовые системы чрезмерной нагрузке. Современные требования по пуску вызывают необходимость использования мощных систем электропуска. На сегодняшний день традиционные генераторы со сравнительно низким КПД не в состоянии удовлетворить растущие потребности тракторов и их систем. Решением задачи увеличения мощности одновременно с увеличением КПД (до 85…90 %) и ресурса генераторной установки, повышения экологичности и топливной экономичности тракторов, а также уменьшения массы двигателей внутреннего сгорания может послужить интегрированный стартер-генератор [5]. Поэтому одной из задач современного тракторостроения является переход на более высокие напряжения, чтобы обеспечить улучшение эксплуатационных, в том числе пусковых, качеств с возможным применением нового энергоемкого дополнительного оборудования. В связи с этим перспективным является применение интегрированных систем со стартер-генераторным устройством и микропроцессорным управлением, являющихся ключевым элементом для повышения эффективности эксплуатационных показателей тракторов. Выполнено множество работ по рассматриваемой теме: - разработано значительное число схемных и конструктивных решений систем бортового генерирования электроэнергии и запуска ДВС; - выполнены различные методы расчета как системных, так и динамических режимов стартер-генераторных установок в стадии генерирования электрической энергии при переменной частоте вращения вала. За рубежом получены токоскоростные характеристики стартер-генераторных установок (СГУ) с аккумуляторными батареями на напряжение 12 и 42 В. Однако многие вопросы в области использования СГУ в электромеханических системах запуска и генерирования бортовой энергии остаются нерешенными. В частности, остаются неисследованными комплексные системы СГУ для запуска и генерирования электрической энергии с микропроцессорным управлением на тракторах. В связи с изложенным возникает необходимость в проведении анализа и обобщения известных работ, дополнительных исследований СГУ для выявления пусковых и энергетических характеристик ДВС трактора, что и определяет актуальность тематики исследования. Цель исследования Целью работы является исследование и разработка высокоэффективных средств обеспечения надежного пуска дизельных двигателей тракторов тягового класса 1,4 и генерирования бортовой электроэнергии на основе применения стартер-генераторных установок с микропроцессорным управлением. Материалы и методы исследования Предлагаемая конструкция силового агрегата тракторов тягового класса 1,4 (рис. 1) содержит ДВС 1, коробку передач 2, сцепление 3, передающую приводное усилие на ведущие колеса трактора, электрическую машину 4, размещенную между блоком цилиндров двигателя и сцеплением, и датчик положения ротора 5, установленный в носовой части ДВС на коленчатом валу. СГУ может быть использовано на тракторах тягового класса 1,4 для запуска двигателей внутреннего сгорания и генерирования электрической энергии для нужд бортовой сети, двухуровневого напряжения 12…14 В и 36…42 В. Функциональная блок-схема СГУ приведена на рис. 2. В состав СГУ входят электрическая машина 2, силовой преобразователь энергии 3, блок управления 4, датчик положения ротора 7. Причем, силовой преобразователь и индукторный двигатель могут быть включены в общую схему жидкостного охлаждения двигателя. Электрическая машина выполняет функции стартер-генератора, силовой преобразователь напряжения обеспечивает его работу в режимах стартера и генератора и поддерживает напряжение бортовой сети на двух уровнях - 14 и 42 В. В режиме стартера питание обеспечивает аккумуляторная батарея 6, а также энергоемкий конденсатор 5. На рис. 3 показана компоновка электрической машины, где электрическая машина размещена между двигателем и сцеплением трактора. Статор электрической машины 2 установлен в проставке 1, которая в свою очередь крепится к блоку цилиндров двигателя. Ротор 3 электродвигателя устанавливается на маховике 4 специальной конструкции «электрический маховик», который одновременно выполняет не только функции его раскрутки, но и маховой массы. Принятая компоновка позволяет передавать значительную мощность в обоих направлениях и реализовать функции гашения крутильных колебании коленчатого вала при низких скоростях вращения, что существенно снижает шум и вибрацию ДВС. Место, выбранное для размещения стартер-генератора на ДВС, по условиям работы не самое лучшее: высокая температура, запыленность, в том числе и абразивными продуктами износа дисков сцепления. По этой причине от применения электрической машины с коллектором отказались. Для этой цели больше подходят вентильные машины с постоянными магнитами, но у них высокая стоимость [6-9]. Поэтому в качестве электрической машины предлагается реактивный индукторный двигатель - бесконтактная электрическая машина синхронного типа. Она имеет ряд несомненных достоинств: шихтованный зубчатый ротор без обмотки, потери в котором, как известно, минимальны; многофазную обмотку статора, выполненную в виде отдельных концентрических катушек без пересечения лобовых частей, что упрощает конструкцию, повышает технологичность производства и увеличивает ее надежность в эксплуатации. Преимущество предлагаемой конструкции СГУ, размещенной между двигателем и сцеплением силового агрегата, заключается в возможности использования электрической машины для пуска ДВС, которая в этом случае включается в режим электродвигателя, и в процессе работы ДВС переключается на генераторный режим, обеспечивая питание электрической энергией бортовую сеть. Кроме того, объединение стартера и генератора в одном единственном узле позволяет значительно сократить затраты на изготовление и сборку такой конструкции, что является преимуществом с точки зрения производственных издержек, заменив генератор и стартер, и на некоторых тракторах пусковой поршневой двигатель. Для обеспечения оптимального теплового режима предлагаемой электрической машины предпочтительно использовать жидкостное охлаждение, что можно реализовать путем подключения ее к системе жидкостного охлаждения ДВС. Циркуляция происходит через кольцевую проточку детали корпус-проставка 1 статора специальной конструкции (рис. 3), изготавливаемой из алюминиевого сплава [10]. Результаты исследования и их обсуждение При выполнении исследований были использованы отдельные материалы и результаты исследования высокоэффективных систем пуска автомобильных ДВС, накопленные Российской научно-технической школой, а также имеющийся опыт по разработке конкретных образцов таких систем, производимых рядом зарубежных фирм. Следует отметить, что применение СГУ с микропроцессорным управлением предопределяет возможность совершенствования, наряду с рассмотренными выше достоинствами, и других характеристик ДВС и трактора. Во-первых, СГУ является эффективным гасителем (демпфером) крутильных колебаний вала ДВС. Функция электромагнитного демпфирования представляет перспективную альтернативу механической системе демпфирования. Важным преимуществом СГУ над механическими системами демпфирования является возможность выполнения демпфирования с дискретной частотой и переменными амплитудами, а также возможность снижения вибраций при изменении нагрузки. Во-вторых, применение системы с СГУ обеспечивает частичную гибридизацию энергетической установки трактора (малый гибрид). Стендовые и моторные испытания проведены в лабораториях ОАО «Авиаагрегат» (г. Махачкала). По результатам проведенного исследования обоснован выбор СГУ на базе вентильного электродвигателя применительно к дизельным двигателям тракторов тягового класса 1,4 и разработана схема его размещения в картере сцепления без изменения его базовой конструкции. Результаты предварительных испытаний этой машины показали, что при температуре 20 С° СГУ за 0,5 с уверенно раскручивает ДВС до 800 мин-1 (рис. 4). При этом потребляемая ею мощность в режиме трогания и крутящем моменте, равном 150 Н∙м, составляет 1,8 кВт. В генераторном режиме СГУ с достаточно высоким КПД (рис. 5) развивает мощность до 4,5 кВт. То есть рассмотренный выше вариант СГУ может быть агрегатом, который успешно заменяет стартер и генератор, установленные на тракторах. Более того, выполненные авторами эксперименты показали, что СГУ, оснащенные более мощными электродвигателями, найдут применение и на других транспортных средствах, в том числе и на грузовых автомобилях. Выводы 1. Применение совмещенной СГУ на тракторах тягового класса 1,4 позволяет улучшить пусковые характеристики дизельного двигателя, а также получить возможность работы электрооборудования при многоуровневом напряжении. 2. Предложены рекомендации по совершенствованию пусковых характеристик в условиях низких температур для дизельных двигателей на основе оптимального выбора параметров предложенной комплексной системы СГУ с микропроцессорным управлением. 3. Совмещенная СГУ с микропроцессорным управлением может дополнительно выполнять функции электромагнитного демпфера крутильных колебаний, а, учитывая частичную гибридизацию энергетической установки трактора, - функции генерирования бортовой электроэнергии многоуровневого напряжения.

About the authors

A. Kh Bekeev

M.M. Dzhambulatov Dagestan State Agricultural University

Email: aliev-47@mail.ru
PhD in Engineering

A. Ya Aliev

M.M. Dzhambulatov Dagestan State Agricultural University

Email: aliev-47@mail.ru
PhD in Engineering

S. A Aliev

M.M. Dzhambulatov Dagestan State Agricultural University

Email: aliev-47@mail.ru

References

Supplementary files