Method for determining the parameters of an electromechanical transmission of an industrial tractor

Full Text

Введение Промышленный трактор предназначен для выполнения технологических операций, подразумевающих высокую развиваемую силу тяги [1]. Однако производительность его работы определяется скоростью выполнения не только технологических маневров, но и перемещения между рабочими площадками в транспортном режиме. В связи с этим в трансмиссии трактора необходимо иметь по меньшей мере два диапазона - технологический и транспортный, значительно отличающиеся по передаточным числам. При этом целесообразно реализовать возможность движения машины в каждом диапазоне без необходимости переключения передач, а также осуществлять бесступенчатый поворот. Выполнение указанных условий позволит снизить требования к квалификации водителя-оператора и повысить производительность труда. Одним из способов добиться подобных качеств промышленного трактора является применение электромеханической трансмиссии. В простейшем случае бесступенчатый поворот гусеничной машины (ГМ) может быть обеспечен применением индивидуального электропривода ведущих колес. Однако в этом случае, при выполнении поворота в транспортном диапазоне, крутящий момент ведущего колеса забегающего борта будет недостаточным для эффективного маневрирования, что вынудит водителя-оператора снизить скорость или перейти в технологический диапазон трансмиссии. Решением, удовлетворяющим обозначенным требованиям, стало применение механизма поворота типа «ЗК» (разработанного сотрудниками МВТУ им. Н.Э. Баумана: Г.И. Зайчиком, М.А. Крейнесом и М.К. Кристи), способного обеспечить бесступенчатый поворот с одновременным повышением тяговых качеств гусеничной машины [2]. Для размещения электромеханической трансмиссии в остове серийно выпускаемых машин требуется ее максимально компактное исполнение. В связи с этим была разработана кинематическая схема трансмиссии трактора, приведенная на рис. 1. Предлагаемая кинематическая схема использует одни и те же планетарные ряды для обеспечения высокого передаточного числа технологического диапазона трансмиссии и организации механизма поворота типа «ЗК» при выполнении транспортных функций. Переключение между режимами осуществляется с помощью четырех элементов управления (так как переключение диапазонов во время движения не предполагается, в качестве механизмов управления могут быть применены кулачковые муфты). В технологическом диапазоне включены тормоза Т1 и Т2 (рис. 1). Тяговые электродвигатели (ТЭД) работают в режиме индивидуального привода ведущих колес. Планетарные ряды механизма «ЗК» разъединены и служат в качестве планетарных редукторов с остановленным большим центральным колесом (БЦК) (передаточное отношение такого планетарного редуктора kзк + 1). Поворот гусеничной машины обеспечивается за счет высокого передаточного отношения на каждом борту, а также с помощью остановочных тормозов Т0. В транспортном диапазоне включены муфты М1 и М2 (рис. 1), за счет чего при прямолинейном движении обеспечивается потребное передаточное отношение. В повороте потребная тяга на гусеницах обеспечивается за счет механизма «ЗК» (с соответствующим падением скорости движения машины). Цель исследований Повышение уровня подвижности трактора путем рационального выбора параметров электромеханической трансмиссии предлагаемой схемы. Для достижения цели в ходе исследования решены следующие задачи: - выбраны основные параметры трансмиссии, а также проведена оценка влияния конструктивного параметра планетарных рядов механизма «ЗК» на тяговые свойства трактора; - проведена оценка влияния конструктивного параметра механизма «ЗК» на время выполнения такой операции, как разворот машины в «транспортном» и «технологическом» диапазонах трансмиссии; - определена потребная мощность двигателей для достижения максимальной скорости выполнения маневров поворота с учетом обеспечения комфортной работы водителя-оператора. Метод определения основных параметров трансмиссии трактора С целью снижения требований к точности изготовления зубчатых колес и, соответственно, снижения стоимости трансмиссии, частоту вращения вала ТЭД целесообразно ограничить величиной 4000 об/мин. Тогда, исходя из заданной максимальной скорости движения, можно определить потребное передаточное число высшей передачи трансмиссии (в транспортном диапазоне): , (1) где - максимальная частота вращения вала электродвигателя; - радиус ведущего колеса; - максимальная скорость движения трактора. При работе в транспортном диапазоне, в случае прямолинейного движения, все элементы механизма «ЗК» вращаются совместно, не осуществляя преобразования крутящего момента. Таким образом, передаточное число трансмиссии в транспортном диапазоне определяется передаточным числом бортового редуктора и редуктора электромашины (рис. 1). Известно, что в среднестатистических условиях эксплуатации необходимость в удельной силе тяги более 0,4 маловероятна [3]. Тогда потребный максимальный момент ТЭД определяется следующим образом: , (2) где - максимальный крутящий момент ТЭД; m - полная масса машины; g - ускорение свободного падения; - КПД трансмиссии; - КПД гусеницы. Любой планетарный ряд второго класса характеризуются такой величиной, как конструктивный параметр (где - число зубьев большого центрального колеса; - число зубьев малого центрального колеса). Рекомендуемые значения для такого планетарного ряда составляют от до 4 [4]. Тогда, величины удельной силы тяги и максимальной скорости движения на низшей передаче в зависимости от конструктивного параметра планетарных рядов механизма «ЗК» могут быть определены следующим образом: , (3) , (4) где - удельная сила тяги на низшей передаче; - максимальная скорость движения на низшей передаче. В качестве примера для проведения расчетов примем прототип промышленного трактора, технические характеристики которого представлены в табл. 1. Характеристики прототипа, рассчитанные по формулам (1) и (2), приведены в табл. 2. Таким образом (согласно формулам (3) и (4)), для рассматриваемого прототипа трактора диапазон допустимых значений позволяет в транспортном режиме обеспечить удельную силу тяги от 0,933 до 2 и максимальные скорости движения от 8,6 до 4,0 км/ч соответственно. Для проведения тягового расчета поворота трактора необходимо использовать зависимости потребных моментов на ведущих колесах от радиуса поворота и скорости движения машины. В общем случае подобную задачу необходимо решать с учетом особенностей микропрофиля опорной поверхности [5], а также полноценным описанием взаимодействия траков гусеницы с опорным основанием [6, 7], например, при помощи подхода, основанного на представлении об «эллипсе трения» [8]. Наиболее подходящей является методика, изложенная в работе [9], которая состоит из следующих пунктов (при проведении исследований рассматривалось движения трактора в наиболее тяжелых дорожных условиях - по дернистому грунту). 1. Определение теоретического радиуса поворота : , (5) где B - колея ГМ; L - база ГМ; k - коэффициент пропорциональности между фактическим и теоретическим радиусом поворота, индивидуальный для каждой ГМ; - фактический радиус поворота ГМ. 2. Определение коэффициента сопротивления повороту с помощью формулы А.О. Никитина [10]: , (6) где - максимальный коэффициент сопротивления повороту для данного опорного основания (в случае движения по дернистому грунту [11]). 3. Определение потребной скорости перемотки гусениц забегающего и отстающего борта: (7) где V - скорость движения центра масс ГМ. 4. Определение потребных сил на забегающем и отстающем борту [3]: (8) (9) где fгр - коэффициент сопротивления прямолинейному движению ГМ для данного опорного основания (в случае движения по дернистому грунту [11]); Нz - высота центра масс ГМ; Vкр - критическая скорость по заносу (). 5. Определение КПД гусеничного обвода забегающего и отстающего борта [12]: (10) 6. Определение потребной мощности на ведущих колесах забегающего и отстающего бортов: (11) 7. Определение потребных моментов на ведущих колесах забегающего и отстающего бортов: (12) Далее на основе данных, полученных по представленным зависимостям, можно определить потребные характеристики ТЭД для поворота трактора в транспортном диапазоне. Расчет проводится согласно следующей методике. 1. Определение частот вращения ведущих колес забегающего и отстающего бортов: (13) 2. Определение частот вращения валов ТЭД забегающего и отстающего бортов: (14) 3. Определение потребных крутящих моментов на валах ТЭД (со стороны забегающего и отстающего бортов): (15) 4. Определение потребных мощностей на валах ТЭД (со стороны забегающего и отстающего бортов): (16) Кроме того, на основании потребных скоростей перемотки гусениц можно оценить затраты времени на один на разворот машины вокруг вертикальной оси T: (17) Результаты и обсуждение На рисунках 2-4 представлены полученные зависимости крутящего момента, частот вращения и мощности ТЭД от радиуса поворота машины при скорости движения 10 км/ч в транспортном диапазоне трансмиссии по дернистому грунту. На основе полученных данных можно сделать вывод, что при уменьшении конструктивного параметра возрастает потребный для выполнения маневра крутящий момент ТЭД забегающего борта, при этом частота вращения ротора снижается; кроме того механическая рекуперация мощности между бортами машины возникает при меньших радиусах поворота. Мощность, потребная для выполнения маневра, при принятых допущениях мало зависит от конструктивного параметра планетарных рядов механизма «ЗК». Метод оценки влияния конструктивного параметра механизма «ЗК» на скорость разворота трактора При эксплуатации трактор совершает маневры с большой кривизной, в том числе поворот вокруг остановленного борта и разворот вокруг центра масс (при наличии такой возможности). В связи с этим целесообразно рассмотреть влияние kзк на работу трансмиссии при выполнении подобных маневров в транспортном и технологическом диапазонах. Вычисления потребных параметров ТЭД при повороте вокруг остановленного борта проводятся по формулам (5)-(17). В случае разворота вокруг центра масс скорости перемотки гусениц и , а также потребные силы тяги бортов и определяются по методике, представленной ниже. Частоты вращения валов ТЭД были приняты максимальными ( об/мин). 1. Определение скорости перемотки гусениц забегающего и отстающего борта при развороте вокруг центра масс: (18) (19) (20) 2. Определение потребных сил тяги на забегающем и отстающем борту при развороте вокруг центра масс: (21) Результаты и обсуждение Полученные результаты представлены в таблицах 3-6. В отличие от поворота с большим радиусом при повороте вокруг центра масс и остановленного борта kзк оказывает влияние на потребную мощность ТЭД. На основе данных, представленных в таблицах 2-6, можно сделать вывод, что с увеличением конструктивного параметра потребная мощность и момент ТЭД падают, при этом время совершения полного разворота возрастает. При изменении kзк от 1,33 до 4 время полного разворота возрастает в среднем в 2,22 раза. Метод определения требуемой мощности тяговых двигателей Максимальную мощность ТЭД целесообразно определять из условия возможности выполнения маневров поворота на предельной, исходя из условия комфорта водителя, скорости движения машины Vпр. Известно [13], что граница предела комфорта по боковым ускорениям аy составляет 0,05g. Тогда предельная скорость машины в повороте (исходя из условия комфорта водителя) может быть определена как: (22) Далее методом последовательных приближений может быть получена такая максимальная мощность ТЭД, которая обеспечит возможность машины достичь заданную скорость выполнения маневров (по формулам (5)-(17), рис. 5). Результаты и обсуждение Таким образом, потребная мощность ТЭД рассматриваемого трактора была получена на уровне 415 кВт (удельная мощность трактора составила 10 кВт/т). Кроме того, для минимизации массогабаритных параметров ТЭД и обеспечения максимальной эффективности механизма поворота (обеспечения механической рекуперации между бортами при движении с малыми радиусами поворота) на основе данных, представленных на рис. 2-5, kзк целесообразно принять равным 2. В табл. 2 и 7, а также на рис. 6 указаны расчетные характеристики прототипа при выбранных параметрах электромеханической трансмиссии. Заключение Предложенная схема электромеханической трансмиссии предназначена для применения главным образом в промышленных тракторах. Особенностью представленного решения является использование планетарных рядов в качестве понижающих редукторов технологического диапазона и использование тех же самых планетарных рядов для организации механизма поворота типа «ЗК» при работе в транспортном диапазоне трансмиссии. Такой подход позволяет обеспечить значительные компоновочные преимущества и может быть использован для улучшения эксплуатационных характеристик существующих тракторов. Представленная в работе методика позволила дать следующие рекомендации по основным параметрам предлагаемой трансмиссии: конструктивный параметр планетарных рядов механизма «ЗК» kзк = 2; максимальная удельная сила тяги в технологическом диапазоне 1,2; максимальная удельная сила тяги в транспортном диапазоне 0,4. Было выявлено, что для достижения максимальной производительности трактора, с учетом комфортных условий работы водителя-оператора в повороте, нерационально увеличивать удельную мощность тяговых двигателей трактора более 10 кВт/т. Рис. 1. Кинематическая схема трансмиссии Таблица ١ Технические характеристики прототипа промышленного трактора Наименование характеристики Значение Масса, кг 41500 Максимальная удельная сила тяги в транспортном диапазоне, не менее 0,4 Максимальная скорость в транспортном диапазоне, км/ч 20 Радиус ведущего колеса, м 0,434 База, м 3,3 Колея, м 2,2 Высота центра масс, м 1,8 Максимальная удельная сила тяги в технологическом диапазоне, не менее 0,9 Максимальная скорость в технологическом диапазоне, км/ч, не менее 3 Максимальный коэффициент полезного действия трансмиссии 0,922 Таблица ٢ Расчетные характеристики прототипа промышленного трактора Наименование характеристики Значение Максимальный потребный крутящий момент ТЭД, Н·м 1250 Максимальная частота вращения ротора ТЭД, об/мин 4000 Передаточное число трансмиссии в транспортном диапазоне 32,76 Рис. 2. Зависимости потребного крутящего момента ТЭД от радиуса поворота при V = 10 км/ч Рис. 3. Зависимости потребной мощности ТЭД от радиуса поворота при V = 10 км/ч Рис. 4. Зависимости частоты вращения ТЭД от радиуса поворота при V = 10 км/ч Таблица ٣ Параметры поворота трактора вокруг остановленного борта в транспортном диапазоне Конструктивный параметр kзк 1,33 2,00 3,00 4,00 Потребный момент ТЭД отстающего борта Me1, Н·м -178,6 -43,7 42,0 95,0 Потребный момент ТЭД забегающего борта Me2, Н·м 785,2 636,8 542,1 483,2 Потребная мощность ТЭД отстающего борта Ne1, кВт 22,3 6,5 -6,9 -1,7 Потребная мощность ТЭД забегающего борта Ne2, кВт 172,0 139,5 118,9 105,9 Время совершения полного разворота t, с 11,1 14,6 19,0 23,8 Таблица ٤ Параметры поворота трактора вокруг остановленного борта в технологическом диапазоне Конструктивный параметр kзк 1,33 2,00 3,00 4,00 Потребный момент ТЭД отстающего борта Me1, Н·м -626,7 -473,7 -364,5 -291,5 Потребный момент ТЭД забегающего борта Me2, Н·м 886,0 665,7 510,2 407,0 Потребная мощность ТЭД отстающего борта Ne1, кВт 0 0 0 0 Потребная мощность ТЭД забегающего борта Ne2, кВт 185,7 139,7 107,0 85,2 Время совершения полного разворота t, с 11,6 15,3 19,9 24,9 Таблица ٥ Параметры разворота трактора вокруг центра масс в транспортном диапазоне Конструктивный параметр kзк 1,33 2,00 3,00 4,00 Потребный момент ТЭД забегающего (отстающего) борта Me2 (-Me1), Н·м 454,0 319,3 234,1 181,5 Потребная мощность ТЭД забегающего (отстающего) борта Ne2 (Ne1), кВт 190,2 133,7 98,1 76,0 Время совершения полного разворота t, c 4,55 6,41 8,7 11,2 Таблица ٦ Параметры разворота трактора вокруг центра масс в технологическом диапазоне Конструктивный параметр kзк 1,33 2,00 3,00 4,00 Потребный момент ТЭД забегающего (отстающего) борта Me2 (-Me1), Н·м 725,5 542,6 414,4 329,7 Потребная мощность ТЭД забегающего (отстающего) борта Ne2 (Ne1), кВт 303,9 227,3 173,6 138,1 Время совершения полного разворота t, с 2,89 3,88 5,0 6,2 Рис. 5. Зависимость максимальной скорости движения трактора от радиуса поворота Рис. 6. Динамическая характеристика трактора Таблица ٧ Расчетные характеристики прототипа Наименование характеристики Значение Максимальная удельная сила тяги в технологическом диапазоне 1,232 Максимальная скорость в технологическом диапазоне, км/ч 6,5 Передаточное число трансмиссии в технологическом диапазоне 98,27 Время полного разворота вокруг центра масс в транспортном диапазоне t, c 6,4 Время полного разворота вокруг центра масс в технологическом диапазоне t, c 3,9 Время полного разворота вокруг остановленного борта в транспортном режиме t, c 14,6 Время полного разворота вокруг остановленного борта в технологическом режиме t, c

About the authors

B. V Padalkin

Bauman Moscow State Technical University

Email: kositsyn_b@bmstu.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

V. A Gorelov

Bauman Moscow State Technical University

Email: kositsyn_b@bmstu.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

A. A Staduhin

Bauman Moscow State Technical University

Email: kositsyn_b@bmstu.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

B. B Kosicyn

Bauman Moscow State Technical University

Email: kositsyn_b@bmstu.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

K. S Balkovskij

Bauman Moscow State Technical University

Email: kositsyn_b@bmstu.ru
Moscow, Russia

References

Supplementary files