Selection of parameters of a three-flow parallel electromechanical transmission of a tracked vehicle

Full Text

В составе гусеничной машины (ГМ) присутствует источник энергии (обычно в виде двигателя внутреннего сгорания - ДВС) и механические передачи - коробка переключения скоростей, механизм поворота, бортовые редукторы. Гусеничная машина с параллельной электромеханической трансмиссией (ЭМТ) дополнительно должна обладать такими тяжелыми и громоздкими элементами, как электрогенератор, тяговые электродвигатели и накопитель электрической энергии. Поэтому ГМ с ЭМТ всегда окажется тяжелее и сложнее аналога с механической трансмиссией, что может сделать использование тягового электропривода нецелесообразным. В [1] проведен анализ схем последовательных ЭМТ, в которых используются от 3 до 4 электрических машин (при условии применения ДВС-генератора). Даже в параллельных ЭМТ [2] обычно применяется не менее 3 электромашин (ЭМ). При этом каждая из ЭМ в данных схемах обладает мощностью, не уступающей мощности ДВС, а значит является тяжелой и дорогостоящей. Для увеличения эффективности в транспортных средствах с ЭМТ часто применяются параллельные схемы, где одна и та же ЭМ может применяться в качестве двигателя или генератора в зависимости от скорости и режима езды [3, 4]. Улучшения массо-габаритных характеристик ЭМТ можно добиться, сократив количество используемых электрических машин и их мощность за счет применения рациональной схемы, использования одних и тех же ЭМ в качестве двигателя и генератора. Так ЭМТ, изображенная на рис. 1, содержит лишь две ЭМ, что является минимальным числом для обеспечения бесступенчатого поворота ГМ. При прямолинейном движении ГМ схема может обеспечить 5 режимов работы (таб.1). Рис. 1. Кинематическая схема трансмиссии: ДВС - двигатель внутреннего сгорания, КП - коробка передач, ЭМ1 и ЭМ2 - электромашины, СПР - суммирующий планетарный ряд, БР - бортовой редуктор, ВК - ведущее колесо, и - тормоза электромашин, - тормоз вала эпициклов СПР, - тормоз медленной ступени КП, - фрикцион быстрой ступени КП, - остановочные тормоза Режим ТЭД1 допускает движение только с использованием энергии батареи. Режимы Гибрид1 и Гибрид2 позволяют заряжать накопитель на низких скоростях ГМ и потреблять энергию накопителя на высоких, при этом ДВС работает на фиксированной частоте вращения выходного вала. Режимы ДВС1 и ДВС2 обеспечивают движение за счет мощности ДВС и без существенного потребления электроэнергии. Поворот ГМ в этом случае возможен только с помощью тормозов и (полностью идентично одноступенчатому планетарному механизму поворота). Таблица 1 Режимы электромеханической трансмиссии Название режима Включенные элементы управления Источники энергии ТЭД1 Батарея Гибрид1 Батарея, ДВС Гибрид2 Батарея, ДВС ДВС1 ДВС ДВС2 ДВС Приведенная схема может обладать различными характеристиками в зависимости от выбранных параметров ДВС, ЭМ и передаточных отношений механических передач. Цель исследований В данной статье решалась проблема обеспечения экономичности движения с высокой средней скоростью гусеничного транспортера сверхлегкой массовой категории (например ГТ-СМ, «Ухтыш»). Параметры исследуемой ГМ приведены в таб. 2. Таблица 2 Основные параметры исследуемой гусеничной машины Название параметра Значение параметра Полная масса ГМ, 4000 кг Радиус ведущего колеса, 0,3 м Передаточное отношение бортового редуктора, 3 Конструктивный параметр СПР, 1,5 Средняя скорость, Максимальная скорость, Выбор параметров двигателя внутреннего сгорания На рис. 2 (прямая 2) построен график зависимости угловой скорости вала ЭМ при прямолинейном движении ГМ с фиксированной угловой скоростью ДВС , передаточным отношением коробки передач , что соответствует режиму Гибрид2. Рис. 2. Зависимости угловой скорости электромашин от скорости движения ГМ: 1 - режим Гибрид1; 2 - режим Гибрид2 При заданных параметрах на скорости направление вращения вала ЭМ меняет знак. В случае разгона ГМ эта скорость соответствует переходу ЭМ из генераторного режима в двигательный. То есть для обеспечения положительного энергобаланса при движении ГМ на наиболее вероятных скоростях необходимо выполнение соотношения . Если на борту ГМ нет мощных потребителей, работающих в движении (кроме ТЭД), то можно выбирать близким к . Скорость связана с другими параметрами ЭМТ следующей зависимостью. , где - передаточное отношение коробки передач, - конструктивный параметр суммирующих планетарных рядов. Так как на скорости (рис. 2) режима Гибрид2 движение ГМ обеспечивается только ДВС, то определять его требуемую мощность следует именно в этой точке. Однако подбирать следует не максимальную мощность ДВС, а номинальную, соответствующую низкому удельному расходу топлива, малым выбросам вредных газов и высокому крутящему моменту. Например, для двигателя УМЗ 42164 подобный режим работы находится на внешней характеристике в диапазоне 2000…2500 об/мин (рис. 3). Режим Гибрид2 обеспечивает одинаковую тягу во всем диапазоне (если не учитывать потери и ограниченную мощность ЭМ), в том числе на максимальной скорости и на скорости . Для уверенного достижения максимальной скорости и движения в наиболее распространенных условиях необходимо иметь запас удельной тяги [5, стр. 105]. Тогда требуемая сила тяги в режиме Гибрид2 определяется следующим образом: , где - КПД гусеничного обвода на скорости ; [6]; - КПД трансмиссии, на данном этапе принято . Требуемая номинальная мощность, момент и угловая скорость коленчатого вала ДВС (отмечены на рис. 3): Рис. 3. Характеристики двигателя УМЗ 42164: 1 - мощность на внешней характеристике; 2 - моментная скоростная внешняя характеристика; 3 - удельный расход топлива на внешней характеристике Выбор параметров электродвигателей Используя известные уравнения кинематических связей и равновесия планетарных рядов [7], получаем следующие зависимости между скоростью прямолинейного движения , силой тяги ГМ , параметрами ДВС и параметрами ЭМ для рассматриваемой ЭМТ: , (1) , (2) . (3) Здесь - передаточное отношение редукторов электродвигателей, - угловая скорость коленчатого вала ДВС, - передаточное отношение коробки передач, - момент, развиваемый ДВС. Максимальной скорости ГМ соответствуют максимальные угловые скорости роторов электромашин. Современные тяговые электродвигатели, применяемые на транспорте, способны обеспечить эффективную работу на частоте вращения вала более 600 1/с (рис. 4). Исходя из этого, используя выражение (1), можно подобрать передаточное отношение редуктора ЭМ: . Уверенное достижение максимальной скорости ГМ обеспечивается запасом удельной тяги [8]. Отсюда, с помощью выражения (1) и (2) вычисляется точка 1 требуемой моментной характеристики ЭМ (рис. 4): , , . Тяга в режиме Гибрид2 может оказаться недостаточной для интенсивного разгона или поворота в тяжелых условиях. Поэтому в ЭМТ предусмотрен режим с повышенной тягой - Гибрид1, получаемый пониженной передачей в КП. Известно, что в реальных условиях вероятность движения транспортной машины с потребной удельной тягой более крайне мала [8]. В таком случае максимальная требуемая сила тяги в режиме Гибрид1: , где - КПД гусеничного обвода на низких скоростях, . Рис. 4. Моментная скоростная характеристика электродвигателя UQM PP75: контурные линии обозначают КПД; 1, 2, 3, 4 - требуемые точки работы двигателя Для реализации тягового усилия в режиме Гибрид1 необходимо следующее передаточное отношение коробки передач: . При этом ЭМ должны развивать следующий момент (выражение (3), точка 2 на рис. 4): . Для обеспечения высокой подвижности ГМ желательна возможность движения с полным использованием ДВС по крайней мере до скорости . Тогда, используя выражение (1), определяем точку 3 на моментной характеристике электродвигателя (рис. 4): , . Для рассматриваемого класса ГМ режимы движения с потребной удельной силой тяги более (подъем 30 градусов) встречаются редко и непродолжительны. В сложных условиях движение ГМ осуществляется в режиме ТЭД1 при работе электромашин на кратковременной характеристике. Это дает возможность определить точку 4 на моментной характеристике ЭМ (рис. 4): , . Параметры, вычисленные по приведенным формулам, сведены в табл. 3. Таблица 3 Вычисленные характеристики ЭМТ Название параметра Значение параметра Передаточное отношение высшей передачи КП, 1 Передаточное отношение пониженной передачи КП, 2,5 Скорость с нулевым энергобалансом режима Гибрид2, 10 м/с (36 км/ч) Скорость с нулевым энергобалансом режима Гибрид1, 4 м/с (14,4 км/ч) Номинальная угловая скорость коленчатого вала ДВС, 250 1/с (2387 об/мин) Номинальная мощность ДВС, 52,47 кВт Номинальный момент ДВС, 210 Нм Передаточное отношение редуктора ЭМ, 4 Выбранный ДВС УМЗ 4216 Выбранные ЭМ 2 х UQM PP75 Анализ тяговой скоростной характеристики На рис. 5 построены удельные тяговые скоростные характеристики всех режимов ЭМТ (параметры взяты из таблиц 2 и 3). Характеристики построены для номинального режима ДВС ( ) и для ЭМ, работающих на внешней характеристике, но при поддержании равновесия СПР в соответствии с выражением (3). На рис. 5 видно, что для многих скоростей движение возможно в нескольких режимах. Решение о том, какой режим выбрать для движения следует принимать исходя из текущей скорости, уровня заряда батареи и управляющего воздействия водителя, то есть необходимы специальные алгоритмы управления верхнего уровня, являющиеся темой отдельного исследования. На рис. 6 построены графики мощности для одной электромашины в режимах ТЭД1, Гибрид1 и Гибрид2. Отрицательное значение мощности ЭМ соответствует выработке электроэнергии, положительное значение - расходу. Графики на рис. 5 и 6 демонстрируют, что с выбранными параметрами трансмиссии ГМ будет обладать высокой подвижностью в прямолинейном движении. При этом работа ДВС на частоте вращения близкой к номинальной обеспечит одновременно высокую экономичность. Для данной ЭМТ возможна также зарядка электрических накопителей на стоянке (например, в режиме Гибрид1 со включенными остановочными тормозами ). Рис. 5. Удельная тяговая характеристика ГМ с исследуемой ЭМТ: 1 - режим ТЭД1, кратковременная характеристика; 2 - режим ТЭД1, длительная характеристика; 3 - режим Гибрид1; 4 - режим Гибрид2; 5 - режим ДВС1; 6 - режим ДВС2 Рис. 6. Графики мощности электромашины в различных режимах ЭМТ: 1 - режим ТЭД1, кратковременная характеристика; 2 - режим ТЭД1, длительная характеристика; 3 - режим Гибрид1; 4 - режим Гибрид2 Недостаток работы ДВС только на номинальной частоте вращения коленчатого вала заключается в том, что используется не более 60% мощности двигателя. Вместе с этим длительное движение в сложных условиях или на больших скоростях может привести к глубокому разряду батареи, что потребует уменьшения скорости движения ГМ. Целесообразно предусмотреть в ЭМТ режим повышенной мощности, заключающийся в выводе ДВС на повышенную частоту вращения коленчатого вала. На графике рис. 7 показана мощность ЭМ при двух различных фиксированных частотах вращения ДВС. Рис. 7. Графики мощности электромашины в различных режимах ЭМТ: 1 - режим Гибрид1 при номинальной частоте ДВС; 2 - режим Гибрид1 при повышенной частоте ДВС; 3 - режим Гибрид2 при номинальной частоте ДВС; 4 - режим Гибрид2 при повышенной частоте ДВС Как видно при работе на повышенной частоте вращения коленчатого вала ДВС, машина сможет двигаться со скоростью до 50 км/ч с одновременной зарядкой накопителя. Рекуперативное торможение Торможение ГМ желательно производить только с использованием электромашин, что позволит запасти энергию торможения и уменьшит износ механических тормозов. Для обеспечения максимального рекуперативного торможения рассматриваемая ЭМТ должна перейти в режим ТЭД1. При высокой мощности торможения ЭМ могут не обеспечить требуемое замедление, кроме того, большой ток заряда может уменьшить ресурс батареи. В этом случае целесообразно совместно тормозить ЭМ и механическими тормозами. При торможении на скорости более 40 км/ч переход в режим ТЭД1 приведет к резкому увеличению угловой скорости ЭМ и элементов СПР. Во избежании повреждения элементов ЭМТ при высоких скоростях следует тормозить на текущей передаче КП с использованием ЭМ, механических тормозов и двигателя внутреннего сгорания с отключенной подачей топлива. Заключение Как можно судить по представленным тяговым скоростным характеристикам предложенная методика выбора параметров ЭМТ для рассмотренной схемы позволяет получить высокую подвижность ГМ, а также следующие преимущества: · на низких скоростях движения ДВС «догружается» электромашинами, вырабатывающими энергию для зарядки электрического накопителя; · при высокой потребной мощности движения используется суммарная мощность ДВС и ЭМ, питающихся от электрического накопителя; · обеспечивается бесступенчатый поворот и разгон до максимальной скорости; · обеспечивается заряд электрических накопителей или питание внешних потребителей при стоянке; · обеспечивается рекуперативное торможение с любой скорости. Рациональное использование ДВС в данной ЭМТ позволит добиться высоких динамических качеств при низком расходе топлива, однако точная оценка эффективности данной ЭМТ в различных режимах является задачей отдельного исследования, так же как и разработка алгоритмов управления ЭМТ верхнего уровня (отвечающих за переключение режимов и передач). Данная ЭМТ в повороте способна обеспечивать рекуперацию мощности с отстающего борта на забегающий как электрическим, так и механическим путем. Поворот ГМ с ЭМТ рассматриваемой схемы также нуждается в отдельном подробном исследовании.

About the authors

B. V Padalkin

Bauman Moscow State Technical University

Email: ant.m9@ya.ru
PhD in Engineering

A. A Staduhin

Bauman Moscow State Technical University

Email: ant.m9@ya.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files