Том 15, № 3 (2021)
Статьи
Экспериментальные исследования влияния гибридного инвертора на качество электроэнергии
Аннотация
Интеграция альтернативных источников энергии и различных технологий распределенной генерации с силовыми электронными преобразователями в электрических сетях приводит к увеличению разнообразия сети, но при этом и к ужесточению требований различных стандартов, например, ограниченный гармонический состав генерируемого тока, непрерывная работа устройства при искажении напряжения и т.д. Учитывая данный факт, в работе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния гибридного инвертора на показатели качества электроэнергии в точке общего подключения. Был разработан лабораторный стенд, состоящий из трехфазного гибридного инвертора, аккумуляторной батареи (АКБ), линейной нагрузки в виде активного сопротивления и конденсаторной установки. Инвертор был подключен к электрической сети на параллельную работу для питания нагрузки в виде активного сопротивления. Исследовались режимы заряда АКБ и выдачи мощности в сеть при двух вариациях сопротивления системы. Выдаваемая мощность от инвертора варьировалась в пределах от 500 Вт до 2 кВт в режиме генерации электроэнергии в сеть и в пределах от 50 до 300 Вт в режиме заряда АКБ. В результате лабораторных исследований были получены зависимости суммарных гармонических искажений тока (THDI) при различных режимах работы инвертора и сопротивлениях системы. На основании полученных результатов был разработан алгоритм выбора методов и средств по обеспечению электромагнитной совместимости при работе нагрузки и гибридного инвертора с накопителем энергии, позволяющий снизить влияние гибридных инверторов на искажение напряжения питающей сети.
2-9
К вопросу повышения эффективности и безопасности эксплуатации тоннельных эскалаторов метрополитена. Управление рисками
Аннотация
Цель статьи – поиск механизмов ранжирования и арбитражирования потребностей (комплекса технических воздействий), достаточных для обеспечения необходимого уровня надёжности и безопасности транспортировки возрастающих пассажиропотоков. Объектом исследования является эскалаторное хозяйство, а предметом – система технического обслуживания и ремонта. Научной новизной является использование информационных технологий, содержащих сочетание математических инструментов, реализующих необходимый функционал, для цифровой трансформации системы технического обслуживания и ремонта эскалаторного хозяйства метрополитена. В начале статьи описывается объект применения, цель и задачи концепции цифровой трансформации, ее архитектура и функции, а также особенности внедрения. Далее в работе делается акцент на поддержании надёжности и безопасности транспортировки пассажиропотоков, как основных функциях концепции. Затем приводятся ситуации риска (события) и обобщенная модель их формирования, раскрывающая причинно-следственный комплекс. После излагаются задачи и сам процесс управления рисками, строящийся на определении величины риска, исходные данные для которого извлекаются из информационного пространства, содержащего электронные документы, включающие в том числе данные о работах (технических воздействиях), а получившийся результат соотносится с различными шкалами. Помимо этого, математический аппарат управления рисками включает матрицы, содержимое которых используется стратегиями поддержки принятия решений. Описанный в работе математический аппарат реализует механизм ранжирования и арбитражирования потребностей (комплекса технических воздействий), являющийся в свою очередь составной частью методики повышения долговечности, надёжности и безопасности эксплуатации эскалаторов и связанных с ними объектов инфраструктуры. Представленная концепция позволяет при дефиците ресурсов формировать комплекс воздействий для наиболее проблемных элементов и перевести эксплуатацию элементов эскалаторов и связанных с ними объектов инфраструктуры на систему по состоянию, способствующую обоснованному увеличению назначенных сроков службы с сохранением достаточных уровней безопасности. В заключении приводятся ожидаемые практические результаты внедрения концепции.
10-22
Метод расчета технических характеристик и параметров движения масштабных моделей колесных машин, обеспечивающий подобие протекающих процессов при испытаниях
Аннотация
В современных условиях при проектировании новых моделей автомобилей возникает потребность проверки тех или иных решений по формированию технического облика не только методами имитационного моделирования, но и на реальных образцах. Натурные дорожные испытания автомобилей позволяют сохранять при эксперименте полное динамическое подобие, но их проведение возможно лишь после изготовления опытного образца автомобиля, требующего очень больших материальных затрат. Одним из путей решения этой проблемы является создание моделей, представляющих собой уменьшенную копию проектируемого транспортного средства. Основные затруднения, которые встречает экспериментатор при испытании масштабной модели автомобиля, заключаются в необходимости точного воспроизведения условий, имеющих место при движении в реальных дорожных условиях. Целью данной работы является нахождение связи между параметрами реального автомобиля и масштабной модели для экспериментальной отработки алгоритмов работы системы динамической стабилизации колесного транспортного средства. На основе теории подобия предложен метод расчета технических характеристик и параметров движения масштабных моделей для реальных полномасштабных колесных машин при обеспечении подобия протекающих процессов для масштабных моделей и для реальных машин. Получены основные зависимости для масштабных коэффициентов для силовых, кинематических и размерных факторов. Методами имитационного моделирования движения масштабной модели и полномасштабной колесной машины подтверждено подобие протекающих в них процессов.
23-30
Исследование влияния размеров конечных элементов на точность моделирования клеевого соединения в автомобильных конструкциях
Аннотация
В данной статье изучено влияние размеров конечных элементов на точность моделирования клеевого соединения в автомобильных конструкциях с использованием программного комплекса LS-Dyna. Моделирование осуществлялось при квазистатическом нагружении для клеевого соединения «внахлест». Оценивались свойства и разрушение клеевого материала по направлению сдвига. Характеристики клеевого слоя получены из экспериментов при использовании гидропресса и других устройств по международным стандартам ASTM 638-03 и DIN 54451-11. 1978 с разными скоростями раздвижки и толщинами клеевого слоя. Из экспериментов выявлено, что свойства клеевого материала сильно зависят от скорости деформации и толщины клеевого слоя, поэтому это необходимо было учитывать при моделировании. Для решения поставленной задачи было решено и оценено 12 вариантов конечно-элементных моделей, в том числе путем сравнения с результатами экспериментов для клеевого соединения «внахлест». В результате анализа напряжено-деформированных состояний моделей клеевого соединения при квазистатическом нагружении в программном комплексе LS-Dyna получены рекомендуемый размер и число слоев конечных элементов для моделирования клеевого соединения в автомобильных конструкциях. Рациональный размер граней объемного конечного элемента принят равным 2×2 мм2 с учетом погрешностей моделирования и затрат машинного времени для расчета применительно к многовариантным расчетам конструкций на стадии проектирования. Определено также рекомендуемое число слоев конечных элементов в конечно-элементной модели по толщине клеевого слоя, которые следует выбрать для высокоточного описания свойств склейки и обеспечения эффективности вычислений. При этом выявлено, что увеличение числа слоев конечных элементов незначительно повышает точность моделирования и существенно увеличивает требуемое машинное время для расчета.
31-41
Оценка повреждения ТС с точки зрения сложной технической системы с собственной структурой
Аннотация
В статье в виде алгоритма оценки диагностических параметров (вероятных связей) рассматривается часть исследования послеремонтной надёжности транспортных средств с точки зрения представления их в качестве сложной технической системы. На сегодняшний день проблема надёжности транспортных средств в эксплуатации законодательно поставлена на контроль президентом РФ и входит в стратегию по обеспечению безопасности дорожного движения до 2023 года, являющегося частью Национального проекта «Безопасные дороги».
Исходными данными исследования на этапе оценки вероятных связей являются параметры движения транспортного средства в предаварийный интервал времени и напряжение, действующее в месте контакта исследуемого объекта, полученное исходя из этих параметров. Основным методом оценки является подсчёт ячеек разного типа по методу сеток в зависимости от характера повреждения транспортного средства. В целях декомпозиции места контакта на ячейки разного типа рекомендуется использовать соответствующие поверенные средства измерений и аттестованное оборудование: дефектоскопы и прочее. Для удобства применения алгоритма и снижения погрешности использования приведённой математической модели в комплексной оценке надёжности транспортных средств в статье приводится определение приведённого объёма и поправочных коэффициентов.
Выходными данными алгоритма оценки диагностических параметров являются уточнённые значения напряжений в месте контакта исследуемого объекта, а также детальная картина распределения энергии деформации в объекте. В результате, полученные величины могут быть использованы для дальнейшей оценки изменения регламентированных значений свойств транспортного средства, установленных изготовителем и контролируемых в рамках системы предупреждения отказов или технического осмотра.
42-48
Исследование молекулярных накопителей энергии
Аннотация
В данной статье проведен сравнительный анализ различных накопителей энергии. Проведен подробный обзор и анализ молекулярных накопителей энергии, определены их основные характеристики и параметры, а также области применения.
Определены основные типы молекулярных накопителей энергии: конденсаторы с двойным электрическим слоем, псевдоконденсаторы, гибридные конденсаторы. Приведено сравнение характеристик различных элементов питания. Представлены параметры различных накопителей энергии. Проведен анализ молекулярных накопителей энергии и аккумуляторов, выявлены их преимущества и недостатки.
Показано, что молекулярные накопители энергии или электрохимические конденсаторы с двойным слоем являются идеальными системами накопления энергии вследствие высокой удельной энергии, быстрой зарядки и большого срока службы по сравнению с обычными конденсаторами.
В статье представлены осциллограммы литий-ионного аккумулятора с напряжением 10,8 В при импульсном токе нагрузки 2А ноутбука при включении молекулярного накопителя энергии и без него, а также осциллограммы литий-ионного аккумулятора с напряжением 10,8 В при параллельном выключении молекулярного накопителя энергии емкостью 7 Ф и без него для ноутбука с DVD. Приведенный сравнительный анализ показывает, что при включении выключением молекулярного накопителя энергии емкостью 7 Ф значительно улучшаются переходные процессы и не происходит провалов напряжения питания. Приведены зависимости времени работы литий-ионного аккумулятора 3,6 В 600 мАч при нагрузке 2 А для питания устройств мобильной сотовой связи при включении молекулярного накопителя энергии и без него. Показано, что при включении молекулярного накопителя энергии время работы аккумулятора увеличивается почти на 20%.
49-56
Идентификация параметров курсового движения автомобиля с использованием сигма-точечного фильтра Калмана
Аннотация
В статье рассматривается проблема идентификации параметров курсового движения автомобиля, которые необходимы для работы систем активной безопасности (САБ). Отсутствие возможности определять часть необходимых для функционирования САБ параметров путем прямых измерений бортовыми датчиками (в силу отсутствия соответствующих датчиков в серийных автомобилях) обуславливает актуальность применения для идентификации этих параметров косвенных вычислительных методов, которые основаны на математических структурах, называемых наблюдателями.
Цель настоящей работы заключается в создании системы идентификации параметров движения автомобиля, которая, используя доступные на борту автомобиля измерения и математический аппарат теории наблюдателей и оптимальных фильтров, косвенным образом определяет неизмеряемые параметры, представляющие важность для работы систем активной безопасности.
На основании анализа существующих методов и инструментов предложена схема наблюдателя параметров курсового движения автомобиля с использованием сигма-точечного фильтра Калмана. Наблюдатель идентифицирует боковую составляющую вектора скорости автомобиля, коэффициенты бокового сцепления шин с опорной поверхностью и углы увода колес посредством модели динамики автомобиля и бортовых инерциальных датчиков, измеряющих линейные ускорения и скорость рыскания автомобиля.
Работоспособность и адекватность наблюдателя подтверждена путем сопоставления идентифицируемых им параметров с прямыми измерениями, выполненными в ходе дорожных испытаний автомобиля. В качестве меры оценки точности использовалась среднеквадратическая ошибка идентификации относительно прямых измерений параметров курсового движения. Дополнительная оценка адекватности произведена путем сравнения идентифицированной характеристики сцепления (зависимости коэффициента сцепления от угла увода) с характеристикой, полученной путем аппроксимации с помощью математической модели шины. Оценка показала хорошее качество идентификации параметров курсового движения, обеспечиваемое разработанным наблюдателем, что дает основания считать его полезным инструментом для исследования и разработки систем активной безопасности.
57-69
Исследование экологических показателей дизеля при работе на многокомпонентном биотопливе
Аннотация
Местные виды топлива занимают 33,6% в топливном балансе Кировской области. Доля потребления местных видов топлива в регионе является одной из самых высоких в России.
В Вятском государственном университете (ВятГУ) в сотрудничестве с Белорусской государственной сельскохозяйственной академией (БГСХА) ведутся испытания работы автотракторных дизелей на топливах с добавками рапсового масла (РМ) и этанола (Э) и искровых ДВС с добавками генераторного газа (ГГ). Новым направлением работы научной школы является исследование применения многокомпонентных составов биотопливных композиций (МКБТК-15 и МКБТК-25). Использование таких составов в качестве топлива позволяет скомпенсировать отдельные отличительные свойства для дальнейшего применения в ДВС без изменения конструкции и регулировок.
Использование альтернативных топлив (АТ) в ДВС является актуальной темой для исследования. Однако для использования любых АТ нужно, чтобы экологические показатели двигателя оставались в допустимых пределах. Важной задачей является определение зависимостей выбросов токсичных компонентов от нагрузки.
Применение МКБТК-15 и МКБТК-25 в качестве АТ для двигателей улучшит экологическую обстановку в регионе и сократит потребность в товарном топливе. Работа дизеля на многокомпонентных биотопливных композициях даёт возможность снизить дымность ОГ на 65% и 85%, содержание суммарных оксидов азота остаётся на прежнем уровне или несколько снижается.
Отмечается некоторое увеличение содержания углекислого газа СО2 до 22,3%, решения данной проблемы давно известны. Одним из способов является сохранение и увеличение бореальных лесов, которые обладают большими возможностями поглощения парниковых газов.
70-75
Виртуальный стенд для определения нагрузок в пневматической подвеске задней тележки грузового автомобиля на ранних стадиях проектирования
Аннотация
Для определения максимальных нагрузок, действующих в задней пневматической подвеске грузового автомобиля, на ранних стадиях проектирования использовано компьютерное моделирование, основанное на решении уравнений динамики твердых тел и реализованное в программном комплексе Recurdyn. Подробно рассмотрены компоненты разработанного виртуального стенда, включающего шарниры, силовые связи, ведущие мосты, колесно-ступичный узел с колесом и опорной площадкой. Управление стендом осуществляется с помощью математической модели, созданной в среде расчета динамики твердых тел и связанной с твердотельной моделью подвески программными стандартными средствами приложения. В управляющей модели реализуются наиболее тяжелые режимы нагружения элементов задней пневматической подвески грузового автомобиля. Применение такого стенда позволяет определить нагрузки в шарнирах и силовых связях подвески, определить взаимные положения звеньев для каждого нагрузочного режима, повысить точность расчета нагрузок по сравнению с плоским кинематическим и силовым расчетом. Также математическая модель виртуального стенда позволяем проводить многочисленные параметрические исследования подвески без привлечения дорогостоящих натурных прототипов. Это позволяет на ранних стадиях проектирования определить все опасные режимы, подобрать рациональные параметры элементов подвески, сократить затраты на проектирование.
В работе показаны результаты моделирования работы виртуального стенда с пневматической подвеской в наиболее типичных режимах нагружения, выявлены наиболее опасные режимы. Доказана работоспособность и адекватность работы математической модели подвески. Показаны примеры определения усилия во всех шарнирах конструкции, выбраны максимальные нагрузки для проведения конструкторских расчетов при проектировании пневматической подвески автомобиля.
76-86
Поиск оптимального материала рабочего колеса компрессора с целью повышения эффективности работы системы турбонаддува
Аннотация
Зачастую с целью повышения эффективности транспортных средств, работающих на дизельных двигателях, на них устанавливаются трубонаддувы. Часть эффективности работы самих турбонаддувов зависит от оптимальных характеристик их рабочих колес, которые в свою очередь достигаются выбором подходящих материалов для изготовления импеллеров. Важным свойством материала турбинного колеса является жаростойкость к поступающим отработавшим газам, а компрессорного — стойкость к давлению воздуха, одновременно подающегося к нему и нагнетающегося им.
В исследовании вопрос повышения эффективности работы системы турбонаддува рассматривается в контексте сравнения трех материалов (никелевый и титановый сплавы, конструкционная сталь), предлагаемых для изготовления рабочего колеса компрессора, путем проектирования его модели с помощью компьютерных программных продуктов. Для этого замеры реальных элементов турбонаддува и их характеристики переносятся в CREO, где высчитываются нужные размеры и проводятся другие необходимые расчеты, которые далее импортируются в ANSYS с целью последующего исследования, включающего в себя тепловой и конструкционный анализы. Сравнение результатов анализов позволяют сделать вывод о преимуществе никелевого сплава над другими рассматриваемыми материалами в плане его минимальной подверженности деформированию и получения наименьшего суммарного теплового потока в компрессорном рабочем колесе и рекомендовать этот материал к применению в турбонаддуве или к последующему его сопоставлению и сравнению с ранее не рассмотренными материалами, что, как предполагается в исследовании, в совокупном итоге и в некоторой степени может способствовать повышению эффективности самого транспортного средства в целом.
87-94