Study of the combined drive of the road train

Full Text

Введение В последнее десятилетие сохраняется тенденция увеличения перевозок большегрузными автопоездами (БА) длинномерных тяжеловесных грузов специального и общехозяйственного назначения, таких как трубы большого диаметра, химические колонны, фрагменты или корпуса речных судов и др. [1, 2]. Производство автопоездов-тяжеловозов, многоопорных платформ и сочлененных транспортных средств быстро развивается во многих странах, их мировой выпуск из года в год продолжает расти [3]. Из всего многообразия специальных транспортных средств (СТС) перспективны многоосные большегрузные автопоезда и самоходные сочлененные платформы, обладающие большой грузоподъемностью и силой тяги, а также повышенной проходимостью [4]. Применение автопоездов - важнейшее мероприятие повышения грузоперевозок и эффективного использования. Предпочтительность применения автопоездов обусловлена существенным улучшением экономических показателей перевозки грузов. Так, производительность автопоездов примерно на 60 % выше, чем одиночных грузовых автомобилей. Тягово-динамические свойства автопоездов характеризуют предельные силовые и кинематические возможности их установившегося и неустановившегося движения. К ним относятся: динамический фактор, удельная мощность, максимальная и средняя скорости, а также параметры неустановившегося движения - выбег с установленной скорости, время и путь разгона до определенной скорости [5]. Экономические характеристики автопоездов определяются двумя показателями: дорожной экономической характеристикой и расходом горючего в литрах на 100 км пройденного пути. Значительное развитие получат так называемые активные автопоезда с ведущими колесами прицепных звеньев. Совершенствование активных поездов расширит сферы их применения на севере, в Сибири и других районах страны с ограниченной дорожной сетью. Система дополнительной энергетики активизации автопоезда является одной из ключевых составляющих теплоэлектрического привода современного автопоезда. При прямолинейном и особенно криволинейном движении активного автопоезда с блокированным приводом неровности дороги, различные радиусы ведущих колес, различные пути, проходимые ими, вызывают буксование и проскальзывание колес, обусловленное кинематическим рассогласованием привода. Кинематическое рассогласование наиболее сильно проявляется при криволинейном движении, и величина энергетических потерь при этом позволяет установить требования к конструкции привода, а также выявить целесообразность применения блокированного привода. Для сравнительной оценки эффекта от включения привода колес полуприцепа удобно использовать величину избыточной силы тяги в точке сцепки автопоезда. При повороте активного автопоезда с неуправляемыми колесами полуприцепа, кроме неизбежных потерь на колееобразование, будут возникать дополнительные потери, обусловленные кинематическим рассогласованием между колесами тягача и полуприцепа. Они вызовут увеличение коэффициента сопротивления движению автопоезда и могут привести к снижению эффекта от включения активного привода колес полуприцепа [6]. Основная часть На автопоездах дополнительно к штатному двигателю применяются дизельные или газотурбинные двигатели, которые включаются постоянно для питания системы дополнительной энергетики активизации (СДЭА) прицепных звеньев при преодолении крутых подъемов и труднопроходимых участков дороги. Дизельный двигатель предназначен для привода трехфазного генератора, который обеспечивает электроснабжение мотор-колеса. Схема автопоезда представлена на рис. 1. Рис. 1. Схема автопоезда с СДЭА Fig. 1. Road train scheme with a system of additional energy and activation В многодвигательном электроприводе возможны последовательные, параллельные и параллельно-последовательные схемы соединения тяговых электродвигателей (ТЭД). При этом существует несколько способов управления ТЭД. В частности, индивидуальное и групповое, обладающие своими достоинствами и недостатками. Достоинством группового управления является простота реализации. Достоинством индивидуального - наилучшая приспособливаемость к дорожным условиям. Наилучшим сочетанием простоты и надежности обладает электропривод с кольцевой схемой соединения электродвигателей [7]. В схеме обеспечено равенство токов якорей электродвигателей. Для осуществления движения вперёд крайние контакты КР замкнуты. Трогание происходит на полном поле. Далее по мере разгона происходит ослабление поля контактами К1 и К2 соответственно. Переход автоматический - по скорости. Реверсирование ТЭД достигается переключением контактов реверсора КР. Кольцевая схема обеспечивает групповое управление, равенство токов и моментов, а также уменьшает суммарные потери мощности в электроприводе и износ шин. Поэтому выберем кольцевую схему, показанную на рис. 2. Рис. 2. Схема силовой цепи электропривода Fig. 2. Electric drive power circuit diagram Проанализируем параметры тягового электропривода с кольцевой схемой при криволинейном движении. При движении автопоездов специального назначения, да и вообще автопоездов в целом целесообразно иметь на колёсах одинаковые силы тяги, крутящие моменты, а также равенство распределения нагрузки. Однако, как показывает практика, не всегда мы имеем такую закономерность. В условиях постоянно изменяющейся дорожной обстановки (укатанный щебень, гололедица, укатанный снег) может происходит ухудшение проходимости. Первая проблема заключается в том, что эти факторы провоцируют срыв сцепления, который необходимо ликвидировать. Вторая проблема: как отличить буксование от поворота. Ведь поворот не является частным случаем буксования. Существует несколько вариантов решения поставленной задачи, некоторые из них будут рассмотрены ниже. Одним из основных параметров является маневренность автопоезда. Применительно к объекту исследования маневренность - это способность автопоезда быстро реагировать на повороты рулевого колеса, выполнять поворот на минимальной площади. При увеличении количества звеньев автопоезда ухудшается его маневренность, поэтому при проектировании автопоездов необходимо определять границу их использования по маневренности. Эта задача не может быть решена без анализа условий эксплуатации и выявления требуемого уровня маневренности конкретного автопоезда в конкретных условиях эксплуатации. Хорошая маневренность автопоезда выражается в возможности его вписывания во все встречающиеся на маршрутах движения повороты и маневрировать (совершать повороты и в случае необходимости двигаться задним ходом) в пунктах погрузки и разгрузки. Эксплуатационные свойства включают девять показателей маневренности, шесть из которых являются кинематическими, а три - динамическими. Среди них нормированным является только минимальный радиус поворота автопоезда [8]. Таким образом, для определения степени приспособленности конкретного трехзвенного автопоезда к конкретным условиям эксплуатации по маневренности необходимо изучить предполагаемые маршруты движения, рассчитать или экспериментально определить значения показателей маневренности и путем сопоставления с требуемыми значениями, установленными из анализа реальных маршрутов, судить о соответствии достигнутого уровня маневренности требуемому. В случае несоответствия этих уровней должны быть разработаны мероприятия или рекомендации, при реализации которых это несоответствие устраняется. При проектировании новых трехзвенных автопоездов эти рекомендации и мероприятия должны учитываться заранее. Вполне очевидно, что возможными условиями эксплуатации, которые могут считаться наиболее тяжелыми по маневренности для автопоездов, являются городские условия эксплуатации. Динамическое взаимодействие звеньев автопоезда является одним из основных параметров для исследования. Связь между звеньями автопоезда осуществляется с помощью сцепных устройств, к которым приложены силы взаимодействия, обусловленные относительными продольными и поперечными перемещениями звеньев, главным образом в горизонтальной плоскости. Поперечные горизонтальные относительные перемещения звеньев чаще всего являются нестесненными и практически не оказывают влияния на износ и деформацию деталей сцепных устройств. Прочность последних регламентируется преимущественно продольными горизонтальными относительными перемещениями. Динамическое взаимодействие проявляется наиболее отчетливо на неустановившихся режимах движения автопоездов, на дорогах с ровным покрытием. На этих режимах целесообразно в первую очередь учитывать только свободные продольные колебания звеньев; влияние же нерегулярного профиля пути оценивается дополнительно при анализе вынужденных колебаний, который требует привлечения экспериментальных данных, обобщенных методами математической статистики. Наиболее неблагоприятными с точки зрения нагрузок на детали сцепного устройства являются режимы движения автопоездов с резким приложением к их движителям тяговых или тормозных сил. На таких режимах движения возникают значительные нагрузки, вызванные свободными продольными колебаниями звеньев, способные привести к опасным последствиям. Неустановившиеся режимы представляют собой, таким образом, первоочередной интерес для прочностного расчета сцепных устройств. Наиболее характерным с точки зрения динамического взаимодействия является режим торможения. Для режима трогания автопоезла будут справедливы те же зависимости, что и для торможения, если знаки у тормозных сил заменить на обратные. Кинематика прямолинейного движения автопоезда может дать важную информацию о динамике возникновения и характере протекания рассматриваемых явлений. В связи с этим, введем понятие габаритной полосы движения автопоезда (ГПД), понимая под этим площадь опорной поверхности (дороги, местности, проезда), ограниченную проекциями на нее траекторий крайних выступающих габаритных точек звеньев автопоезда. Зная форму габаритной полосы движения и ее основные размеры, можно достаточно точно характеризовать, оценивать, сопоставлять и рассчитывать маневренные свойства различных типов автопоездов. Существует множество траекторий для оценки движения автопоезда. Однако из всех траекторий автопоезда одна является основной, определяющей характер его движения и целиком зависящей от воли водителя, управляющего автопоездом, сообразуясь с обстановкой на дороге. Основной траекторией автопоезда называем траекторию середины ведущего моста двухосного тягача нормальной компоновки. Точка касания основной траектории к продольной оси трехосного тягача находится посередине между ведущими мостами задней тележки, а у двухосного тягача со всеми управляемыми колесам - посередине базы. Основная траектория состоит из отрезков кривых и прямых линий, сочетание которых зависит от типа поворота. Следует различать три таких типичных поворота: · поворот на угол 90º (прямоугольный поворот) и близкие к нему повороты на углы 80-85º и 95-100º; · разворот на угол 180º (движение в обратном направлении) и близкие к нему развороты примерно на углы 160-200º; · переставка или смена полосы движения, совершающаяся также при объезде, обгоне, отъезде от стенки здания или погрузочной платформы. Первые два типа поворота относятся к односторонним, а третий к двухсторонним поворотам. Угол поворота любой колесной опоры, закрепленной на каждом из элементарных модулей рассчитывается с помощью модульного контроллера по формуле вида [3]: , (1) где Ln - координата полюса поворота, R - радиус поворота, - координаты его поворотных опор по ширине, k - наименование (номер) элементарного модуля; i - номер опоры левого ряда элементарного модуля; j - номер опоры правого ряда элементарного модуля. Величина задает положение точки Q на продольной оси транспортера. Относительно этой точки оператор задает радиус поворота транспортера R путем поворота опор на углы φkij, которые являются управляемыми параметрами. Рассчитанный по формуле (1) на модульном контроллере φkij подается на каждый контроллер [9] опоры в качестве задающего воздействия. При прямолинейном движении автопоезда предполагается допущение о том, что оно устойчиво, т.е. нет виляний прицепов, а также что траектории всех его точек параллельны. В то же время траектории однородных точек, лежащих на одной продольной оси (например, середины всех ходовых осей), полностью совпадают, т.е. накладываются друг на друга. При этом форма габаритной полосы движения весьма проста - прямолинейная полоса постоянной ширины. Схема автопоезда представлена на рис. 3. Рис. 3. Схема автопоезда Fig. 3. Road train scheme Автопоезд должен иметь возможность существенно изменять направление движения на ограниченном участке пути. Это необходимо при маневрировании в местах погрузки и разгрузки на небольшой площади, на городских маршрутах, характеризующихся большим количеством поворотов на 90° [10]. Криволинейное движение автопоезда возникает при повороте управляемых колес его ведущего элемента. Траектория движения автомобиля (седельного тягача) начинает искривляться под влиянием боковых реакций дороги на повернутые передние управляемые колеса. С точки зрения проезда криволинейных участков дороги, автопоезда могут быть разделены на два основных типа. Первый - автопоезд в составе седельного тягача и полуприцепа с неуправляемой тележкой. В отличие от серийно выпускаемых автомобильной промышленностью полуприцепов, база которых не превышает 1,5 длины базы седельного тягача, специализированные полуприцепы, работающие в строительных организациях, имеют базу, которая превышает длину базы седельного тягача в 2-2,5 раза. Второй -автопоезд в составе седельного тягача и полуприцепа с управляемой тележкой, где угол поворота колес тележки относительно продольной оси полуприцепа в процессе прохождения криволинейных участков пути меняется пропорционально углу между продольными осями седельного тягача и полуприцепа. По такой схеме осуществляется поворот тележки полуприцепов с тросовой и гидрообъемной системами управления поворотом. Характер прямолинейного движения, а следовательно, и форма полосы движения этих типов автопоездов совершенно различны. Поэтому принципиально отличаются и приемы их вождения на криволинейных участках пути. Основная сложность криволинейного движения автопоездов первого типа заключается в смещении траектории движения тележки в сторону поворота автопоездов, вследствие чего происходит уширение полосы его движения. В образовании этой полосы в общем случае могут участвовать оба звена автопоезда, а также перевозимый груз. Пока автопоезд идет прямолинейно, ширина полосы определяется его габаритными размерами (для простоты мы не рассматриваем динамический коридор автопоезда). При прохождении криволинейных участков пути наружную составляющую его полосы движения описывает крыло внешнего колеса тягача, а внутреннюю - крайние габаритные точки тележки или рамы полуприцепа. Ее ширина и форма зависят от ряда факторов: от длины базы тягача и полуприцепа, величины смещения опорно-сцепного устройства относительно заднего моста тягача, радиуса поворота, угла между начальным и конечным направлениями угловой скорости поворота управляемых колес тягача и скорости автопоезда на повороте. Из числа названных факторов решающее влияние на образование полосы движения автопоезда на закруглениях оказывают длина базы полуприцепа, радиус поворота и угол между начальными и конечными направлениями движения. Полоса на закруглении уширяется с увеличением длины базы полуприцепа и угла между начальными и конечными направлениями пути и уменьшается с увеличением радиуса поворота. Основная закономерность криволинейного движения автопоездов второго типа - это смещение траектории движения тележки полуприцепа во внешнюю относительно траектории движения седельного тягача сторону на входе в поворот и смещение ее на внутреннюю сторону на выходе из поворота. Величина внутреннего и наружного смещения зависит от тех же параметров, что и в предыдущем случае и, кроме того, от передаточного отношения привода управления. Однако решающее значение имеют длина базы полуприцепа и радиус поворота. Как наружное, так и внутреннее смещение увеличивается с увеличением радиуса поворота. Наибольшая ширина полосы движения такого типа автопоезда в общем случае может быть либо в середине закругления, либо в тех его местах, где величина наружного и внутреннего смещения достигает максимального значения. Схема кругового движения автопоезда показана на рис. 4. Исследование параметров тягового электропривода Основной задачей является исследование путей повышения эффективности электропривода на повороте автопоезда. Необходимо произвести выбор схемы подключения ТЭП. Что бы остановиться на конкретной схеме нужно рассмотреть с каких с каких позиции эту оптимизацию проводить. На повороте в многодвигательном приводе встречается разброс токов, это вызывает разброс сил тяги по колесам, разброс потерь. Этот разброс может быть разным, он приводит к тому, что на внутреннем борту растет сила тяги и эта сила тяги препятствует повороту автопоезда, что влечет за собой износ шин. Совершенно ясно, что отклонение токов вызывает изменение потерь в электродвигателях. Рис. 4. Схема кругового движения автопоезда Fig. 4. Circular road train scheme Целью данной работы является поиск, во-первых, рационального распределения токов, делать это с позиции трех факторов по потерям, по силам, которые действуют по колесам (внешний внутренний борт) и потерям в шинах. Если мы имеем равное распределение токов, износ будет меньше и это будет более выгодный вариантом. Для правильной оценки и выбора схемы необходимо произвести исследование поворота ТС, какие получаются токи, насколько велик разброс токов и как это сказывается на КПД. Рассматривался поворот ТС. При условии, что выполняется всасываемость. Каждое колесо вращается со своей скоростью. Варианты распределения нагрузок. Для этих вариантов разработана методика и алгоритмы расчета потерь и КПД. Для примера на рис. 5 представлен алгоритм расчета при равенстве токов. Рис. 5. Методика расчета КПД при равенстве токов ТЭД: RП - радиус поворота; υ - скороcть автопоезда; IЯ - ток якоря; υi, ni - частота вращения кожного колеса; Ei - ЭДС; Ui - напряжение; PΣ - суммарная мощность; ΔPΣ - суммарные потери; η - КПД Fig. 5. Methodology for calculating the efficiency with equal traction currents: RП - turning radius; υ - velocity of the road train; IЯ - armature current; υi, ni - rotation frequency of the skin wheel; Ei - electromotive force; Ui - voltage; PΣ - total power; ΔPΣ - total losses; η - efficiency В соответствии с этой методикой были проведены расчеты при различных скоростях на радиусах поворота до 25 м. КПД значительно возрастает при увеличении скорости при равенстве токов и мощностей (рис. 6). Рис. 6. Зависимости КПД Fig. 6. Efficiency dependencies В таблице 1 представлены результаты расчетов КПД как при равенстве токов, так и при равенстве мощностей ТЭД. Таблица 1 Расчет КПД при V=10 км/ч, Rп=25 м, Ne=650 л.с. Table 1. Efficiency calculation at V=10 km/h, Rп=25 m, Ne=650 HP Условие управления Диапазон частот вращения ТЭД n [об/мин] Диапазон токов Iя [А] Диапазон суммарных потерь ∆PΣ [Вт] Диапазон КПД η [%] Равенство токов ТЭД 8,95-10,62 182 7163-7440 83,4-84,9 Равенство мощностей ТЭД 8,95-10,62 174-192 6909-7826 80,5-82,9 Равенство напряжений ТЭД 8,95-10,62 150-221 5399-9877 79,7-83,3 Заключение Проведен анализ областей применения, а также основных параметров большегрузных автопоездов. Выбрана схема силовой цепи электропривода. Проведено исследование параметров тягового электропривода. Определены перспективы и области применения многозвенных автопоездов. Для повышения топливной экономичности и технико-экономических показателей целесообразны следующие мероприятия: · применение турбонаддува с промежуточным охлаждением воздуха; · повышение давления впрыска топлива; · оптимизация рабочего процесса двигателя путем применения четырехклапанных головок и электронных систем регулирования; · применение шин с малыми гистерезисными потерями без ухудшения других свойств (тормозных, сцепных, устойчивости курсового движения); · установка обтекаемых кабин и дополнительных устройств, снижающих аэродинамическое сопротивление кабины и полуприцепа; · использование в двигателе и агрегатах трансмиссии смазочных материалов с уменьшенной вязкостью и другие. Данные мероприятия позволяют уменьшить потери в трансмиссии и ходовой части, улучшить аэродинамические свойства автопоезда и снизить расход топлива на 10 - 15 %.

About the authors

S. M Zuyev

Moscow Polytechnic University

PhD in Physics and Mathematics Moscow, Russia

R. A Maleyev

Moscow Polytechnic University

Email: eope@mospolytech.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

YU. M Shmatkov

Moscow Polytechnic University

Moscow, Russia

P. S Shirokov

Moscow Polytechnic University

Moscow, Russia

D. R Yakhutl'

Research and Experimental Institute of Automotive Electronics and Electrical Equipment

PhD in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files