автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование рабочих параметров мобильного энергетического модуля сельскохозяйственного назначения с электромеханической трансмиссией

На правах рукописи

ВАНИН Андрей Геннадьевич

ОБОСНОВАНИЕ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ МОБИЛЬНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саранск 2007

003176069

Работа выполнена в Институте механики и энергетики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет имени Н П Огарева»

Научный руководитель - доктор технических наук профессор

Левцев Алексей Павлович

Официальные оппоненты - доктор технических наук профессор

Славкин Владимир Иванович (ФГОУ ВПО «РГАЗУ»), - кандидат технических наук доцент Голованов Валерий Владимирович (ГОУВПО «МГУ им НП Огарева»),

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Московский государственный

агроинженерный университет имени В П Горячкина»

Защита состоится 29 ноября 2007 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212 117 06 в ГОУ ВПО "Мордовский государственный университет имени Н П Огарева" по адресу 430904, г Саранск, п Ялга, ул Российская, д 5

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета

Автореферат разослан « 29 » октября 2007 г и размещен на сайте

www mrsu ru « 29 » октября 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета / оА. В- А. Комаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Успешное выполнение приоритетного национального проекта "Развитие АПК" во многом зависит от стимулирования малых форм хозяйствования, основу которых составляют крестьянские (фермерские) хозяйства (КФХ) Одной из задач данной проблемы является пополнение их материально-технической базы мобильными энергетическими средствами (МЭС) с многофункциональными возможностями, способными адаптироваться к изменяющимся условиям производства сельскохозяйственной продукции Усложнение условий их применения в поле, на транспортных работах, в теплицах, на фермах, для привода стационарных машин в широком диапазоне изменения скоростей и нагрузок предъявляют жесткие требования к надежности, ремонтопригодности, простоте эксплуатации, низкой стоимости МЭС в сочетании с их высокими энергетическими показателями

Применяемые сегодня в КФХ МЭС с мощностью ДВС 15 30 кВт и комплексы машин, предназначенные для возделывания картофеля, овощей в защищенном и открытом грунте, а также других сельскохозяйственных культур, обслуживания мелких животноводческих ферм и заготовки некоторых видов кормов, во многом исчерпали свои возможности развития, недостаточно эффективны и не в полной мере отвечают требованиям сегодняшнего дня Это обусловлено существенной величиной непроизводительных потерь энергии (до 20 %) из-за прохождения низкочастотных колебаний от нагрузки до двигателя через трансмиссию Кроме того практика показывает, что использование тракторов типа ВТЭ-2032 в зерновых и кормовых севооборотах имеет загрузку в пределах 300 часов в течение года

Как свидетельствуют исследования, проведенные ГНУ ВИМ, из-за невысокой платежеспособности этой категории сельхозпроизводителей развитие производства в КФХ следует ориентировать на технологические комплексы отечественных машин высокого технического уровня, основу которых могут составлять тракторы, выпускаемые на ОАО «Владимирский моторно-тракторный завод» Кардинальным решением данной проблемы является оборудование таких тракторов электромеханическими трансмиссиями с превращением их в мобильные энергетические модули (МЭМ) МЭМ является более универсальным средством, он может осуществлять многофункциональные мобильные операции и обеспечивать электроснабжение стационарных электроприводов насосов, калориферов, сварочных аппаратов, бетоносмесителей и т д Поэтому разработка новых МЭМ с электромеханической трансмиссией для КФК является актуальной и практически значимой задачей

Диссертационная работа выполнена согласно программе развития АПК Республики Мордовия до 2010 года «Разработка методов и средств контроля энергопотребления сельскохозяйственных агрегатов» и плану научных исследований ГОУВПО «МГУ имени Н П Огарева»

Цель исследования. Создание многофункционального мобильного энергетического модуля с электромеханической трансмиссией для фермерских хозяйств, обеспечивающего повышение технико-экономического уровня сельскохозяйственных работ

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи

- провести анализ функциональных возможностей использования МЭС с электромеханическими трансмиссиями,

- разработать математические модели энергетических цепей МЭМ с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкну-тым ротором,

- разработать методики расчета кинематических и динамических параметров МЭМ,

- разработать функциональную схему МЭМ с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором,

- разработать, апробировать и внедрить новый МЭМ сельскохозяйственного назначения с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Объект исследования. Мобильный энергетический модуль сельскохозяйственного назначения с электромеханической трансмиссией

Предмет исследования. Энергетические процессы, протекающие в подсистемах МЭМ

Научная новизна. Выполненные исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов^

- разработаны математические модели нового вида МЭМ с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором,

- разработана методика синтеза МЭМ в составе транспортного и стационарного агрегатов,

- усовершенствована методика расчета технических параметров мобильного энергетического модуля с демпфирующими устройствами

Практическая ценность результатов исследования заключается

- в разработке функциональной схемы МЭМ с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором,

- в создании многофункционального МЭМ сельскохозяйственного назначения с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором,

- в разработке рекомендаций по повышению энергетической эффективности сельскохозяйственных агрегатов

Новизна и промышленная применимость таких устройств подтверждена патентом на полезную модель.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГОУ ВПО «МГАУ имени В П Горячкина», института механики и энергетики ГОУ ВПО «МГУ имени Н П Огарева» при изучении дисциплин «Тракторы и автомобили», «Эксплуатация машинно-тракторного парка», «Автоматизация технологических процессов», «Сельскохозяйственные машины», «Тепловые двигатели и нагнетатели», используются в Государственном унитарном предприятии РМ «Центр испытания и внедрения сельскохозяйственной техники и машинных технологий» (г Саранск), ГНУ Мордовском НИИ сельского хозяйства, Министерстве

сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия при разработке новой техники

Апробация. Основные результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях «Огаревские чтения» профессорско-преподавательского состава ГОУ ВПО «МГУ имени НП Огарева» (Саранск, 2003 - 2007), республиканских научно-практических конференциях «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса Республики Мордовия» (2001 - 2007), Международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2007)», Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Саранск, 2007)

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 8 научных публикациях, в том числе 2 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, и патенте на полезную модель

Объем и структура диссертации Работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и приложения, изложена на 146 страницах, включает 14 таблиц, 70 рисунков и список литературы из 103 наименований

На защиту выносятся следующие основные положения

- математические модели МЭМ с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором,

- алгоритм синтеза МЭМ в составе транспортного и стационарного агрегатов,

- методика расчета кинематических и динамических параметров МЭМ,

- многофункциональный МЭМ сельскохозяйственного назначения с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность решаемой проблемы, ее практическая значимость, цель и задачи исследования, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту

В первой главе приведен анализ существующих конструкций мобильных энергетических средств с электромеханической трансмиссией Наиболее распространенными являются конструкции на базе электропривода постоянного тока и переменного тока со статическим преобразователем частоты (например, для универсального трактора на гусеничном ходу), используемые для поверхностной обработки почвы, при мелиоративных работах и т д

В известных конструкциях мобильных энергетических средств с электромеханической трансмиссией широко используются различные схемы передачи потока мощности от двигателя к ведущим колесам Рассмотрены исследования в области создания моторно-трансмиссионных установок, опубликованные в трудах ВИМ, ВИЭСХ и др

В настоящее время кардинальным направлением реализации рассматриваемой проблемы (согласно концепции развития мобильных и стационарных энергосредств), определенным ВИМ, Россельхозакадемией, НАТИ, ВНИПТИМЭСХ, ВИИТиН и другими научными центрами, является модификация новых типов энергосредств класса 0,6 кН для животноводческой отрасли, пойменных неудобий

Существенный вклад в развитие теории энергетических средств и агрегатов, решение проблемы их энергооценки внесли известные ученые В Н Болтин-ский, В П Горячкин, М Н Ерохин, И П Ксеневич, Г М Кутьков, А Б Лурье, А В Николаенко, И М Панов, Г Д Петров, А В Рославцев, Д С Стребков, В Д Шеповалов, Н М Шаров и др

Фундаментальному изучению мобильных сельскохозяйственных агрегатов как объектов управлейия, развитию методов алгоритмизации, расчета и регулирования их динамических процессов посвящены работы И Ф Бородина, Ю А Вантюсова, Г К Копылова, А П Левцева, А П Савельева, В В Солдатова, В И Славкина, Ю А Судника, В К Хорошенкова, А В Шаврова, и др

Глубокие исследования, связанные с разработкой методов энергетической оценки сельскохозяйственных агрегатов (СХА), проводили О Н Дидманидзе, А М Иванов, С А Иванов, Г К Копылов, Р X Юсупов

Анализ работы, эксплуатации, обслуживания и ремонта существующих МЭС с механической трансмиссией на базе отечественных тракторов, например ОАО «Владимирский моторно-тракторный завод», показал, что они достигли определенного совершенства, при котором даже несущественные улучшения их технико-экономических показателей связаны со значительными материальными затратами К основным недостаткам конструкций МЭС сельскохозяйственного назначения относятся

- низкая загрузка в зерновых и кормовых севооборотах (в пределах 300 часов в течение года),

- наличие жестких связей в трансмиссии, вызывающих значительные силы и ускорения в ней, отрицательно действующих на различные ее узлы (сцепление, коробку передач, бортовые передачи и задний мост),

- прохождение низкочастотных колебаний через механическую трансмиссию на двигатель, что в итоге приводит к увеличению потерь до 20 %,

- невозможность работы МЭС в составе стационарных электроприводов насосных станций поливальных установок, калориферов (в режиме автономного источника электроснабжения) и т п

Оборудование тракторов электромеханическими трансмиссиями и превращение их в мобильные энергетические модули позволяет устранить такие недостатки Проведенный анализ МЭМ сельскохозяйственного назначения с электромеханическими трансмиссиями позволил определить цель и задачи настоящей работы

Вторая глава посвящена разработке и анализу математических моделей трех модификаций МЭМ с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного электродвигателя с упругими связями

Модель первого варианта МЭМ (рис 1) с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного электродвигателя основана на использовании податливости между дизелем и синхронным генератором и представлена пятью звеньями механическим звеном ДВС, состоящим из активного сопротивления г\ и приведенного момента инерции J\ податливости I , преобразовательным звеном - синхронным генератором (СГ), преобразующим крутящий момент уь и угловую скорость со в напряжение и и ток г при определенном значении тока намагничивания электрическим звеном, состоящим из активного К и индуктивного Ь сопротивлений фазы статора СГ и асинхронного электродвигателя (АД), преобразовательным звеном - АД, преобразующим ток г! и напряжение щ в угловую скорость со, и крутящий момент [1$ при определенном значении постоянной двигателя К, механическим, состоящим из активного сопротивления г2, характеризующего механические потери в коробке передач, заднем мосту и момента инерции /2

1-е

и ' Д

-рЩй

2-е

1 1

ад^.

А,

<4

4-е \

5-е I

?г

Рис 1 Энергетическая цепь мобильного модуля с податливостью между дизелем и синхронным генератором

Уравнения звеньев

1Л = ^а + Jico + 7,0), +

1-е

(1) = 1ц.г+ (01

, 2-е и

\(о, =——

, 3-е

и = йг + Ь1 + и2 I = г

4-е

цА - К21 ,

\ц4=1ъю2 + г2со2+ць 2и-, , 5-е ч щ = —\С02 = со, Л,

(1)

Из уравнений 4-го и 5-го звеньев, предварительно заменив ¡1(1 = ¡1ьй + /л6, су2 = со20 + щ на постоянную составляющую и отклонения, получим

А, = Л®2 + Г2«20 + + ^60 + Дб -

а>2=со20+ш, (2)

Проделав соответствующие преобразования, получим уравнения на входные параметры угловую скорость ю и крутящий момент на входе цепи ц

(О = а1Шг + а8ш, + а,/О, + а10ш2 + а, ,¿0, + а12Д6 + апД6 + а|4(М20 + , (3)

ц=Ь1(о2 + Ь2а)2 + ¿з £»2+ Ь4 со2 + Ь5 о)2 + Ь6 (02 + Ь70)20 + «у, + д2 /и6+ д3 цй + + 94^б+<?5Мб+^бДб0 (4)

Значения коэффициентов в выражениях (3) и (4)

ЬШ, Шг, Кг Ш

'■> аг = „ . й, = _ _ т , а4 = „ „ , , а5

К2К,1{ Я

а6 =-

К2К11/

31К{1гг2

кгк11! 2 К,1{ К2К,1,

Яг7 К,

2 - + - 2

/^АГ,/, 2К,1,

, а7 = /72й, , а8 = Ц2а2, а9 =-^--1- /У2а, + а,,

+ а2, а,, =а3, а,2 = //,д4, яп =■

К, Ъ1К1,

к2

Ъх = У,я7, ¿>2 = г{ап + = г,а8 + У|й9 + У2а1»

7 т т / < У ^

b4=rla9+Jla,Q+J2a2,h=r,aln+Jlal.+

- + а,, а, л =а,

л:,

ЗАЗА:,/, г, 66 =г,д„ +У2й3 +—--, ъп =г,а14 +-

/Г,

а:,

<?1=-/,Й12' 92=г1а12- = •/1аП + -/За4> 14=г1аП' (¡5 =

3 /С./,

<76 = 1*6 +

я,

(5)

Уравнение (4) решалось методом Рунге - Кутты третьего порядка Параметры уравнения приведены в табл 1 (вариант 1) Решения уравнения (4) приведены на графиках (рис 2)

Таблица 1

№ вари анта Параметры

1. Нмс рад г2, Нмс рад г3> Нмс рад Jí, К1 м1 кг м У,, кг м и, Гн 1ъ Гн Ки Гн Кг, А Ом Я2, Ом 1, рад Нм А С 106,Ф

1 0,36 - 0,08 0,85 0,15 0,42 0,14 - 0,37 4,4 1,1 - 0,01 6 -

2 0,36 0,08 _ 0,85 0,П _ 0,14 0,03 0,37 4,4 026 0,8 - 6 3,3

3 0 36 0,08 - 0 85 0Д5 0*15 0,14 - 0,37 44 1,1 - 0,004 6 -

Для модели первого типа с увеличением значения податливости упругого звена / с 0,004 до 0,01 рад/Н м между дизелем и генератором возникают автоколебания, которые приводят к нарушению рабочего процесса дизель-генератора и в итоге - к повышению удельного расхода топлива В связи с этим величина податливости между дизелем и генератором не должна превышать значения /=0,004 рад/Н м При достижении 7=0,01 рад/Н м процесс изменения угловой скорости носит колебательный характер

и 80

g. 70

¿ 60 о

a so

о

б 40 с:

от зо ш

g 20

Jf

11 \!»»

Í V

модель 1

модель 3 модель 2

5 10

Время, с

240

од 220

«=f 2UU

а. 180

4) К 160

и 144

cu

о 120

>ч 1ПП

о 80

о

60

>4 40

20

0

\

Рис. 2. Графики изменения угловой скорости на валу тягового электродвигателя

5 10 15

Время, с

Рис. 3. График углового ускорения для модели второго типа

Второй вариант мобильного энергетического модуля с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного электродвигателя отличается наличием компенсирующей емкости в электрическом звене между синхронным генератором и асинхронным электродвигателем. При этом активные сопротивления фаз и индуктивности синхронного генератора и асинхронного электродвигателя приведены отдельно (рис. 4).

! 1-е I 2-е I 3-е I 4-е I 5-е

Рис. 4. Энергетическая цепь энергетического модуля с конденсатором в электрическом звене Уравнения звеньев:

\ц = r¡co+ J¡cb + 1-е ; 2-е

со = О)

Мг = ЪК,1 fi

и = R.i + L,¡ + Lj/, + R2i2 + «4 и ; 3-е ^ ~ ;

(o = —— |г = Cú2 + i2

KtI,

4-e

= Klh

2u, ; со. =—í K,

5-e

д, = + г,ю, + д.

(6)

Проведя соответствующие замены параметров на постоянную составляющую и отклонения и выполнив необходимые преобразования, в итоге получим уравнения на входные параметры:

и а, —'' а. — а.„ — а.. — а,, —

со =-= —— со. +—— со. + ——<о,+—+ ——ш,+

К,1, К,1. К,1Г К,1. К,1,

| /

10 К1/1 5 л-,/; /¡Г,/, ЛГ,/Г К,/,

(5) (4) _ _ _ _ (1 = £0, + й?2 Щ + (1ЪЩ + йа(Х)х + йъ(Ох + <1^р)х + й?7й>10 +

(4) _ _ _ _ + Ч\ М 5+ <72^5 + 93/^5 + + № + <7б<"50

Значения коэффициентов в формулах (7) и (8)

а1 = —-——, а2

К 2 к2 к2

1^2 У2 ^ 2

, а3

КпГ*> К>, К-уТ-у Ко

2 ■ + —, а, + - 1

К,

(8)

г (П ^2 ^2 г» ^ 2 г

=-, а7 =-, а8=ь1С-, а9 = кхС--НДС

/Г

£

а:,

к2 к2

аю -

аи =

Ь2г2 к2 + к2

И2г2 2

К2

К2 2

К,

+ 2 1 + —

¿2 ^ 2 ^2 ^2 я.

я, . ь . д

«1 Я,

«п = — + а6, а.

'а:,/,

' 1Э 1 гг Л, Л,

к

+ й7,

а:,

АГ- АГ-

»

к2

г,а, . /,а„

¿1 — | "Л^ЧО

^ _ Г|Д10 | ^ _ Г|Й11 | ^ _ ^ _ А^/ ^^ / К-Л г к,1.

у _ 1 14 ^ _ '1"14 [ ^ 1"15 ^ '1"13 [ •,|"|6

К11/ к{1г К,1,

К ^ К^/

1 17 „ _ 1 18

> Уб

(9)

Уравнение (8) решалось методом Рунге - Кутты третьего порядка Параметры уравнения для двух значений податливостей приведены в табл 1 (вариант 2) Решения уравнения (8) приведены на графиках (рис 2, модель 2)

Результаты моделирования показывают, что при наличии емкости в электрическом звене между синхронным генератором и асинхронным электродвигателем постоянная времени переходной характеристики изменения угловой скорости коленчатого вала дизеля уменьшается на 30 % Дальнейшее увеличение емкости не приводит к существенным изменениям процесса разгона дизеля

Третий вариант мобильного энергетического модуля с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного электродвигателя включает механическое демпфирующее устройство на выходе асинхронного электродвигателя (рис 5)

I и

2-е

3-е! 4-е |

5-е

•и г> %

РнЗ"

«I Д ^ й, I

"О

, ^

к

щ I

^ шШв 4

1,1 I 1

II ( II

Рис 5 Энергетическая цепь энергетического модуля с механическим демпфирующим устройством на выходе асинхронного электродвигателя

Уравнения звеньев

[/и = ^4-7,(0 + ^ 1-е 4 ,2-е

I со ~ со

М2=3 Кх1,

со -

и , 3-е

и= Иг + и,

4-е

со, =-

2м2 , 5-е

~к7

/¿3 = гго\ + + ]ъсог + ¡1й <у, = 1/л5 + со2

(10)

Проведя соответствующие замены параметров на постоянную составляющую и отклонения и выполнив соответствующие преобразования, в итоге получим уравнения для со и Ц

а„

а.. — а,. — а„ — а„ — а., — а., (0 = —+ —^-а>, + ——«,+——со, + —+ ——со. К,!, К,1, - К,1, К,1, К,1,

+ а'8 7Г+ а19 а2° и

К,1, ^ К,1, Цй К,1, ^ к,I,

(Н)

(5)

ц=Ь,0)2 + Ь2о)2+Ьл сог+ ЬАсо2 + Ь5 со2 + Ь>}со2+Ь1ш20+<]1{л,, + д2ц<, + ц, ц6 + + <!*&+Я, & +

Значения коэффициентов в формулах (11) и (12) определяются следующим образом

_ __ _ игЗъ\ ^ Щ]ъ _ Пг2Ц3 ф2 +./,) к2и^

^2 ^2 а л

К2 К2 К2 2

; Ла.о 6 _ ЛДю , Ум й = паи , У.2 | ЗА:, у, ^ = г,д,г [ | ЗАГ,/^

у / у ^ К{1 у ^ К 2 / ^ /

д = •/'а'6 , д2 = I •/|Д'7 ^ = г'а17 , Ун | ЗЛ:1У/аб ^ ^ >-,«18 , У,9 | ЗДГ,/^, ^

к2 К,1! кг

Уравнение (12) решалось методом Рунге - Кутты третьего порядка Его параметры для двух значений податливостей приведены в табл 1 (вариант 3) Решения уравнения (12) приведены на графиках (рис 2, модель 3) При наличии податливости в механическом звене на валу асинхронного электродвигателя /=0,004 рад/Н м и моментах инерции /2 = Зъ — 0,15 кг/м2, постоянная времени переходной характеристики изменения угловой скорости коленчатого вала дизеля не превышает 2,5 с, а низкочастотные колебания гасятся Увеличение моментов инерции до 72 = Ь = 0,4 кг/м2 с увеличением податливости до 0,01 рад/Н м приводит к существенным изменениям процесса разгона дизеля

Третья глава посвящена синтезу рациональной системы передачи мощности от дизеля к ведущим колесам и электроприводам технологических машин Задачами проведения синтеза является определение оптимальных параметров энергетической цепи и нахождение алгоритма управления регулируемыми параметрами В качестве критерия оптимальности принят максимум демпфирования низкочастотных колебаний на коленчатом валу дизеля

Энергетическая цепь МЭМ (рис 6) представлена семью звеньями механическим звеном ДВС, состоящим из активного сопротивления Г\ и приведенного момента инерции преобразовательным звеном - синхронным генератором, преобразующим крутящий момент /л2 и угловую скорость со в напряжение и и ток I при определенном значении тока намагничивания 1}, электрическим звеном, состоящим из активного Я\ и индуктивного Ьх сопротивлений фазы статора СГ, индуктивности фазы статора Ь^ асинхронного электродвигателя, активного сопротивления фазы статора АД, демпфирующей емкости С, преобразовательным

звеном - АД, преобразующим ток г) и напряжение щ в угловую скорость й), и крутящий момент /и3 при определенном значении тока холостого хода /,,, механическим звеном, состоящим из активного сопротивления г2, характеризующим механические потери в коробке передач, заднем мосту, демпфирующего устройства, включающего моменты инерции /2 и Jз, соединенные податливостью I, преобразовательным звеном, преобразующим механическую энергию вращательного движения вала АД в поступательное движение модуля с радиусом колеса Дь механического поступательного звена, состоящего из массы модуля т и активного сопротивления на перекатывание г3 Ниже приведены уравнения звеньев цепи при включенном положении ключа К

шм 1

Рис 6 Энергетическая цепь энергетического модуля

1-е

3-е

5-е

Уравнения звеньев цепи Г/х = г{а) + + ц2

[ и = + ¿,г +1^2 + Т?2г2 + и4 [г = Си2 + г2

[ дэ = г2а\ + ]2а1 + Jъco2 + д6 |о), = 1ц 5 + (02

2-е

4-е

6-е

ц2=Ъ К,1Г I

со"

Мз - К212 К2 1 ,

7-е

Л.

/ = гъу + тг + /2

у = у

(13)

Проведя соответствующие замены параметров на постоянную составляющую и отклонения и выполнив преобразования, в итоге получим уравнения для СО ид на входе цепи

и ь> <±> ь2 (А) к (±) ь4 ... ^

й) =-=-— V +-—V +-— V +—— -— У +

2 ^Д/

¿ - ¿ - Ь — Ь — Ь — Ь — + V+V+/2 +/2 +/, +/, +

А:,/, лг,/^ л:,/, к,/, 2 к, О к,/, -

+—Л+—Л+—(14) к,// к,//2 к,//20 ^ '

<2> да и) <!'____

М = й?, V + Й?2 V + (¿3 V + <¿4 V + (¿5У + Й?6У + (¿7У + й$> + С?9У0 +

да <5> № _ _ _ _ +Я1 /г+ Чг /2 + Ъ Л + + 9 /2 + <?<з/2 + <77/2 + Чг/го (15)

Выражения для коэффициентов в формуле (15) определяются следующим образом

' /с,/, лг,/, аг,/, лг,/, к,/, / 1-й / ъ

К11/ К11/ 1 5 ^ ' ^ ' 1/23

?А , 'А

Л,/,

V/ К1!/

7 7 ' ' 1 / =-^- + ЗК11/а26> ¿9 =-^ + 3^.

а:,/, А:,/, кл1; К1Г/ К^ >

ч + + а д + + а

4 '7 28 5 А:,/

АГ,/, АГ./у ' 7 30 7 ЛГ,/^ 1/7 8

1/9

Представим выражение (15) в операторной форме - (9,5" + + д^* + + + + (5) = = +гг,55 н-^1 +

Комплексное сопротивление цепи определяется по формуле = ^(5) = ¿.З'7 + + ^Б5 + ¿4£4 + + + +

Z(S)

Частотная функция цепи запишется так _ F2(S) _ - djQ.1 - d2jQ.6 + + dj£l4 -

V(S) i.ß6 - jQ' - 9,n4 + + ~ 4J& -1

_ (-d2a6 + ¿4Q" - rf6Q2 + l)(-rf,Q7 + - + dyQ) j (qß" - q}Q,A + q&2 - l)(-q2& + qjtf - q6Q, )j

Действительная часть частотной характеристики цепи RcZ _ + d.a' - d6Q.2 + l)(q,Q* - q,Q.' + g5£l2 -1)] +

6 (<?,£26-43Q4+<?5Q2-l)2 +

+ [(-¿2Q7 + d,Q.} - ¿5Q3 + + q+ g6Q)]

+ (-q2Q5+q^+q6Q)2

Мнимая часть частотной характеристики цепи ImZ = + ~ + ~ q^ + q5& ~ 1)] ~

(18)

(,q,Q6 + qiQ.2 -I)2 +

- K-d2a6 + J4Q4 - + l)(-g2Q5 + g4Q3 + g.Q)] + (-g2a5 + <74q3 + q(p.f

Амплитудно-частотная характеристика цепи запишется A(Q) + V(ReZ)2+(ImZ)2 Фазо-частотная характеристика цепи ImZ

(p(Q.) = -arctg~— ReZ

(19)

(20)

(21)

На рис 7 приведены частотные характеристики цепи, построенные по параметрам, приведенным в табл 2 (для первого варианта)

Таблица 2

№ ва- Параметры

ри- 1> л> /г. Z,. С К, h- к2, к2 У2. т. гз' Jv Rb 1,

анте Нмс рад кг м2 А Ом Гн Ю6,Ф Гн Ом Нмс рад кг м" кг Не м кг м~ Ом рад Нм

1 0,36 0,85 6 0,26 0, 14 3,3 0,37 0,003 0,80 4,4 0,08 0,15 2000 50 0,42 0,03 0,004

2 0,36 0,85' 12 0,26 0, 14 3,3 0,37 0,003 0,80 4,4 0,08 0,15 2000 50 0,42 0,03 0,004

3 0,36 0,85 6 0,26 0, 14 330 0,37 0,003 0,80 44 0,08 0 15 2000 50 0,42 0,03 0,004

4 0,36 0,85 6 0,26 0, 14 3,3 0,37 0,003 0,80 8,0 0,08 0,15 2000 50 0,42 0,03 0,004

5 0,36 0,85 6 0,26 0, 14 3,3 0,37 0,003 0,80 4,4 0,08 0,15 2000 50 0,42 0,6 0,004

6 0,36 0,85 6 0,26 0, 14 3,3 0,37 0,003 0,80 4,4 0,08 0,15 3000 50 0,42 0,03 0,004

7 0,36 0,85 6 0,26 0, 14 3,3 0,37 0,003 0,80 4,4 0,08 5 2000 50 0,42 0,03 0,004

На рис. 7-10 приведены частотные характеристики цепи при изменении ее электрических параметров, а на рис. 11 и 12 - соответственно их переходные характеристики, полученные численными методами.

Л<Р) 10

Изменение электрических параметров

Г

/ С>С° V

1( > г1 /-\/Ч

■г /

//

.•1 ¡ОВЫИ;

ту

у

/ />

7 /> / /А

¿Гл ¿^Гл

ж

$£1 ^ К.-Х

* О Л / О В Ы II

ОС"

».2 0.4 0.0 0.8

0.2 0.4 0.« 0.8

А{ 01

Рис. 7. Амплитудно-частотная г Рис. 8. Фазочастотная

характеристика характеристика

Изменение механических параметров

<КО)

/ \оо)овы и;

! 0

\ •12>12

О Л ¡08ЫМ 1

Рис. 9. Амплитудно-частотная характеристика

3.0 I-

Я/ 0

0.2

0.4

0.6 0.8

« 2.4

Й 1.8 | 1.2

8

О 0.0

о

> К2

Рис. 10. Фазочастотная характеристика 3,0

о а | о в ы и

I/ ¿2 1 2

' N

\б азов»м

с>с6

1г>Гг

3450789 10 Время, с

Рис. 11. Переходная характеристика при изменении электрических параметров

2.4 1.8 2 1.2 и 0,0 о

'«. А,

I- г*

2> 2

123450700 10 Время, с

Рис. 12. Переходная характеристика при изменении механических параметров

4

Врем^с

эксперимент модель

Рис. 13. Переходные характеристики пазгона МЭМ

Как видно из приведенных графиков при форсировании тока возбуждения синхронного генератора ухудшаются как демпфирующие, так и скоростные свойства модуля. Наличие емкости в электрическом звене в размере 300 мкФ незначительно улучшает и демпфирующие и скоростные свойства модуля.

При увеличении массы модуля до 3 ООО кг и момента инерции приводного электродвигателя несколько снижаются как демпфирующие, так и скоростные характеристики. На рис. 13 приведены оптимизированные параметры МЭМ (масса модуля - 2 ООО кг, в том числе масса прицепа - 600 кг, емкость в фазе - 100 мкФ, податливость на валу АД - 0,004 рад/Н м) полученные на модели и экспериментально. Переходные характеристики имеют сходимость в пределах 4 %.

Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований опытного образца МЭМ с электромеханической трансмиссией на базе самоходного шасси Т-16М и дизель-генератора (дизель 4ТЬ}У88-ОСЕ фирмы УАНМАЯ, синхронный генератор НВ4ЬАЯ фирмы БШСЯО) мощностью 20 кВА. В качестве приводного используется асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 7 кВт (рис. 14).

Предложенная электромеханическая трансмиссия МЭМ обеспечивает возможность автоматического регулирования тягового усилия и скорости модуля в широком диапазоне при постоянстве мощности тягового электродвигателя. При этом снижается расход топлива и обеспечивается необходимое согласование динамической системы, а также возможность работы в режиме автономного источника электроснабжения. Наличие электромеханической трансмиссии позволяет отказаться от традиционной коробки перемены передач и сцепления. Разгон МЭМ осуществляется включением электропитания тягового асинхронного электродвигателя на холостых оборотах коленчатого вала дизеля. Изменение скорости модуля регулируется подачей топлива.

Рис. 14. Опытный образец МЭМ на базе самоходного шасси Т-16М

Оценка работоспособности опытного образца МЭМ осуществлялась по коэффициенту энергетического согласования между активной и полной мощностью, проходящей в энергетической цепи МЭМ

N CT„cr„,cosy+ м0со0

eos w = —- =-

N £2М

(22)

Здесь формулы для вычисления интегральных параметров угловой скорости О., крутящего момента М, активной и полной мощности Л^, N, определяются через их математические ожидания и дисперсии:

П2=Ю02+сг, М1 = /¿I + агц,

Л^^+ауо- " = (23)

На рис. 15 приведены сигналы с катушек первичного измерительного преобразователя крутящего момента и угловой скорости модуля в режиме его нагруже-ния. Далее сигналы обрабатывались в программно-техническом комплексе по специально разработанным алгоритмам. Мгновенные значения крутящего момента и угловой скорости приведены на рис. 16. Мощностные параметры для переходных и непереходных режимов, а также коэффициент энергетического согласования соъер приведены в табл. 3.

п

tí! ш

Ым

V

¡i

ib

i'r

yn

lili! 'ií'

í1

i i' lí'ii

tí

Ы

i

5 ' i

tm

УII i

i- Л Al Л

; i H

jj¡ J

II '! \ '

W V

flh

VI

ъ

1,08

1.t2

1.2-1

1.28

5.32

i,3>

Рис. 15. Запись сигналов с катушек первичного измерительного преобразователя крутящего момента энергетического модуля на базе Т-16М

т

50 а!< ¿0 20

о й 1& ;о -'ё л.1 .'г, -м

Рис. 16. Реализация переходных процессов при загрузке энергетического модуля

на базе Т-16М

Таблица 3

Результаты испытания МЭМ на транспортных работах

Тип процесса Параметры

/V,,, Вт N . Вт СОЪф

1 2 3 4

Переходный без конденсаторов 5 989 6 414 0,930

6 645 7 074 0,939

7 502 7 934 0,945

Переходный с конденсаторами 5 797 6 331 0,9156

6 897 7 330 0,941

8 043 8 462 0,951

Стационарный без конденсаторов 8 599 9 118 0,943

8 422 9 038 0,9318

9 524 10 044 0,9483

Стационарный с конденсаторами 10310 12 448 0,8488

9 564 10 142 0,94304

10 702 ¡2 673 0,8445

В эксплуатационных условиях испытания проводились в системе водоснабжения поселка Атемар Лямбирского района РМ. В табл. 4 приведены обработанные в программном комплексе результаты расчета энергетических параметров.

Таблица 4

Результаты расчета энергетических параметров водопроводной сети

Параметры От сети От МЭМ

Границы сегментов Границы сегментов

стационарный переходный стационарный стационарный переходный стационарный

70-96,7 96,8 - 140 140,1-150 70-96,7 96,8 - 140 140,1150

V0 13,27 15,27 15,68 13,27 15,27 15,66

Ро 4,26 4,65 4,77 4,26 4,64 4,76

<JV 2,20 2,19 0,16 0,20

0,13 0,06 0,12 0,01

0,29 0,15 0,02 0,00

Sv 0,16 0,10 0,14 0,01 0,30 0,01

<5, 0,03 0,25 0,01 0,02 0,10 0,00

cosy 0,61 0,69

cos cp 0,83 0,61 0,86 0,96 0,68 0,98

Как видно из табл 4 питание насоса от МЭМ на стационарных процессах улучшает КПД установки на 12 %, а на переходных на 7 %

По результатам данной работы значимость для теории и практики могут представлять конструкция МЭМ, оборудованная автоматизированной системой контроля и оценки энергопотребления, обеспечивающая повышение пускового момента модуля на 15 %, снижение потерь энергии при ее передаче в электромеханической трансмиссии до 10 %, схемные решения модуля, новизна которого подтверждена патентом РФ на полезную модель № 46227, математическая модель передачи энергии в силовой цепи МЭМ с электрическим и механическим демпферами и полученные на ее основе оптимальные конструктивные параметры модуля, количественные и качественные результаты работы многофункционального МЭМ с электромеханической трансмиссией, внедрение которых позволит получить экономический эффект в размере 70 тыс рублей на один модуль в год на транспортных работах и 23 тыс рублей в год - при использовании в режиме автономного источника электроснабжения насосной нагрузки

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые мобильные энергетические модули сельскохозяйственного назначения с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, обладающие более высокими технико-экономическими характеристиками по сравнению с серийно выпускаемыми мобильными энергетическими средствами

2 Разработаны три математических модели электромеханической трансмиссии на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (с

муфтой свободного хода между дизелем и синхронным генератором, с компенсирующими конденсаторами на выводах синхронного генератора, с механическим демпфирующим устройством на валу асинхронного электродвигателя), позволяющие определить их динамические и конструктивные параметры Установлено, что потенциальная возможность реализации максимальных моментов при разгоне тягового асинхронного электродвигателя определяется соотношением Ь - С параметров электрического звена цепи

3 Разработаны два варианта моделей энергетического модуля для мобильного и приводного исполнения, позволяющие определить их оптимальные конструктивные параметры для требуемого тягового класса Проведен синтез энергетических цепей обеих вариантов Установлено, что из большого числа параметров данной системы на демпфирующие свойства цепи передачи мощности в большей степени оказывают влияние параметры тягового электродвигателя, а также демпфирующие устройства, введенные в электромеханическую трансмиссию (компенсирующая емкость и соотношение моментов инерции к податливости механического демпфера на валу асинхронного электродвигателя)

4 Разработана методика расчета технических параметров мобильного энергетического модуля с демпфирующими устройствами, реализованная в программно-техническом комплексе (скоростей и ускорений, времени разгона, КПД и др ), позволяющая в 2 раза повысить точность и снизить трудоемкость расчета параметров

5 Разработана функциональная схема мобильного энергетического модуля с электромеханической трансмиссией, позволяющая снизить на 50 % нерациональные потери энергии при ее передаче по трансмиссии при выполнении технологических операций Техническая новизна и промышленная полезность подтверждена патентом на полезную модель

6 Создан опытный образец мобильного энергетического модуля с электромеханической трансмиссией на базе самоходного шасси Т-16М и дизель-генератора (дизель 4ТНУ88-ООЕ фирмы УАИМАЯ, синхронный генератор НВ4ЬАЫ фирмы БШСЯО) мощностью 20 кВА В качестве приводного используется асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 7 кВт

7 По результатам лабораторных и производственных испытаний установлено, что применение энергетических модулей с электромеханической трансмиссией на транспортных работах обеспечивает повышение пускового момента модуля на 15 % и снижение потерь энергии при ее передаче в электромеханической трансмиссии до 10 %

8 Внедрение энергетических модулей позволит получить экономический эффект в размере 70 тыс рублей на один модуль в год на транспортных работах и 23 тыс рублей в год при использовании в режиме автономного источника электроснабжения насосной нагрузки

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1 Левцев, А П Энергетическое средство с электромехаической трансмиссией / А П Левцев, Ю А Вантюсов, А Г Ванин, А А Лазарев // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем Ме-ждунар науч -техн конф - Саранск, 2004 - С 456 - 459

2 Пат 46227 Российская Федерация, МПК7 В 06 L 11/08 Электромеханическая трансмиссия мобильного энергетического средства / Левцев А П , Мальцев С А, Лазарев А А, Ванин А Г , заявитель и патентообладатель Мордовский госуниверситет им Н П Огарева - № 2004135166/22 , заявл 01 12 04 , опубл 27 06 05, Бюл № 18 -1с ил

3 Левцев, А П Алгоритм расчета энергетического потенциала сельскохозяйственных агрегатов / Левцев А П , Ванин А Г , Мальцев С А // Тракторы и с -х машины - 2006 - № 4 С - 28 - 30

4 Левцев А II Энергетическая цепь системы водоснабжения сельхозобъектов с автономным источником электроснабжения/ Левцев А П , Ванин А Г , Мальцев С А // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2006 - № 6 - С 28-30

5 Левцев А П Автоматизированная система контроля энергетических параметров при испытаниях и эксплуатации сельскохозяйственной техники / Левцев А П , Вантюсов Ю А , Ванин А Г , Миндров К А // Наука и инновации в Республике Мордовия материалы V респ науч -практ конф / редкол В А Нечаев (отв ред)[идр] - Саранск Изд-воМордов ун-та, 2006 -С 171-180

6 Левцев А П Математическая модель энергетического модуля с электромеханической трансмиссией/ А П Левцев, А Г Ванин, А С Алышев // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем Меж-дунар науч-техн конф -Саранск, 2007 - С 152- 161

7 Ванин, А Г Повышение эффективности работы частотно-управляемого электропривода / А Г Ванин, А П Левцев, К А Душутин // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем Междунар науч -техн конф -Саранск, 2007 - С 161- 163

8 Ванин, А Г Энергетический модуль с электромеханической трансмиссией для фермерских хозяйств/ А Г Ванин, А П Левцев, К А Душутин // Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах материалы Междунар конф и Рос науч шк -М Энергоатомиздат, 2007 -Т3,ч 2-С 231 -234

Подписано в печать 25 10 07 Объем 1,25 п л Тираж 100 экз Заказ № 1907

Типография Издательства Мордовского университета 430000, Саранск, ул Советская, 24

Введение

1. Состояние проблемы и постановка задач исследования

1.1. Особенности работы мобильного сельскохозяйственного агрегата в 9 условиях неустановившегося характера внешней нагрузки

1.2. Оценка потерь энергии при работе МСА с неустановившейся 14 нагрузкой

1.3. Основные тенденции в развитии мобильных энергетических средств 20 для фермерских хозяйств

1.4. Основные тенденции в развитии силовых передач 24 сельскохозяйственных тракторов

1.5. Особенности тягово-динамического расчета гибридного тягово- 28 транспортного средства

1.6. Методы анализа динамических систем

1.7. Цель и задачи исследования

2. Разработка математических моделей электротрансмиссий

2.1. С демпфирующим устройством между дизелем и синхронным 44 генератором

2.2. Энергетическая цепь МЭМ на безе асинхронного электродвигателя с 53 компенсирующей емкости в электрическом звене

2.3 Энергетическая цепь МЭМ на базе асинхронного электродвигателя с 64 компенсирующей емкостью в электрическом звене

3.Синтез рациональной системы передачи мощности МЭМ с 74 электромеханической трансмиссией

3.1. Энергетическая цепь МЭМ в мобильном исполнении

3.2. Энергетическая цепь системы водоснабжения сельскохозяйственных 85 объектов с мобильным энергетическим модулем

4. Методика и результаты экспериментальных исследований

4.1. Назначение экспериментальной установки и ее структурная схема

4.2. Характеристика устройств и агрегатов, входящих в 100 экспериментальную установку

4.2.1. Дизель-генератор

4.2.2. Гидравлическая часть

4.2.3. Согласующее устройство

4.2.4. Плата аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования 105 L

4.2.5. Преобразователь избыточного давления

4.2.6. Преобразователь расхода

4.2.7. Преобразрватель тока

4.2.8. Преобразователь крутящего момента

4.3. Комплекс «АКиУЭП»

4.4. Поверка измерительной аппаратуры

4.5. Экспериментальные исследования

4.5.1. Планирование эксперимента

4.5.2. Идентификация экспериментальных зависимостей и модели

4.6. Расчет технико-экономической эффективности от применения 128 мобильного энергетического модуля

4.6.1. Общая методика расчета

4.6.2. Расчет экономической эффективности от применения 131 демпфирующих устройств в электромеханической трансмиссии МЭМ на базе асинхронного электродвигателя

Успешное выполнение приоритетного национального проекта "Развитие АПК" во многом зависит от стимулирования малых форм хозяйствования, основу которых составляют крестьянские (фермерские) хозяйства (КФК). Одной из задач данной проблемы является пополнение их материально-технической базы мобильными энергетическими средствами (МЭС) с многофункциональными возможностями, способными адаптироваться к изменяющимся условиям производства сельскохозяйственной продукции. Усложнение условий их применения в поле, на транспортных работах, в теплицах, на фермах, для привода стационарных машин в широком диапазоне изменения скоростей и нагрузок предъявляют жесткие требования к надежности, ремонтопригодности, простоте эксплуатации, низкой стоимости МЭС в сочетании с их высокими энергетическими показателями.

Применяемые сегодня в КФХ МЭС с мощностью ДВС 15.30 кВт и комплексы машин, предназначенные для возделывания картофеля, овощей в защищенном и открытом грунте, а также других сельскохозяйственных культур, обслуживания мелких животноводческих ферм и заготовки некоторых видов кормов, во многом исчерпали свои возможности развития, недостаточно эффективны и не в полной мере отвечают требованиям сегодняшнего дня. Это обусловлено существенной величиной непроизводительных потерь энергии (до 20 %) из-за прохождения низкочастотных колебаний от нагрузки до двигателя через трансмиссию. Кроме того практика показывает, что использование тракторов типа ВТЗ-2032 в зерновых и кормовых севооборотах имеет загрузку в пределах 300 часов в течение года.

Как показывают исследования, проведенные ГНУ ВИМ из-за невысокой платежеспособности этой категории сельхозпроизводителей, развитие производства в КФХ следует ориентировать на технологические комплексы отечественных машин высокого технического уровня. Основу комплексов могут составлять тракторы, выпускаемые на ОАО "Владимирский моторно-тракторный завод". Кардинальным решением данной проблемы является оборудование таких тракторов электромеханическими трансмиссиями и превращением их в мобильные энергетические модули (МЭМ). МЭМ является более универсальным средством, он может осуществлять как многофункциональные мобильные операции, так и обеспечивать электроснабжение стационарных электроприводов насосов, калориферов, сварочных аппаратов, бетоносмесителей и т.п.

Принятая Концепция развития сельскохозяйственных энергетических средств предполагает развитие системы передачи силовых потоков и новых компоновочных схем. Для реализации данного направления с уменьшением потерь мощности компоновочные схемы должны быть увязаны с новыми "мягкими" трансмиссиями. Увеличение единичной мощности энергетического средства и применение блочно-модульных схем ведет к увеличению коэффициента загрузки, а следовательно к снижению ЭП. Вместе с тем применение бесступенчатых многопоточных трансмиссий ведет к снижению реактивных потерь за счет их наилучшего согласования. Однако применение йескольких силовых потоков может привести к увеличению ЭП из-за взаимного влияния каналов передачи мощности.

Эти резервы могут быть реализованы за счет широкого и быстрого внедрения в производство наукоемких технологий, техники и передового опыта. Задача экономии энергоресурсов выдвигает на передний план задачу создания энергосберегающей техники. Решение этих задач во многом зависит от эффективности работы отраслевой сельскохозяйственной науки, центров во внедрению новой техники и технологий. В процессе создания новой техники значительный удельный вес приходится на экспериментальные исследования по энергетической оценке. Они требуют огромных 'затрат времени и средств. Сокращение объемов экспериментальных исследований, а значит и сроков разработки новой техники, снижения приведенных затрат можно достичь применением методов математического моделирования, методов энергетического анализа, усовершенствованием методов проектирования. Это обусловлено, главным образом тем, что современный СХА представляет собой многопоточную энергетическую цепь, включающую звенья различной физической природы, связанных между собой обратными связями, оснащенными САР. В данной ситуации проблема видится в том, что в распоряжении специалистов нет универсальных инженерных методов расчета энергетических процессов, позволяющих на стадии проектирования СХА учитывать влияние динамических характеристик отдельных подсистем на его ЭП при колебательном характере нагрузки.

Таким образом на основе вышеизложенного можно выделить три аспекта, которые являются наиболее весомыми в технической политике современного отечественного машиностроения: повышение производительности СХА, и расширение их функциональных возможностей; экономия топливно-энергетических ресурсов; сокращение сроков разработки технических средств и снижение затрат на исследовательские работы.

В основе формирования темы диссертационной работы лежат следующие положения:

- низкая загрузка МЭС в условиях их работы в КФК (основную долю времени они используются на транспортных работах);

- переход к передачи мощности от двигателя к нагрузке по нескольким каналам с механической трансмиссией приведет к дополнительным потеря мощности до 20 %;

- в условиях неустановившейся внешней нагрузки СХА из-за колебаний силовой и кинематической составляющей мощности снижается i эффективная мощность ДВС, а соответственно производительность и затраты топлива;

Отсюда вытекает цель исследования: создание многофункционального, мобильного энергетического модуля с электромеханической трансмиссией для фермерских хозяйств, обеспечивающего повышение технико-экономического уровня сельскохозяйственных работ.

Сформулируем основные положения, которые лежат в основе теоретических разработок, направленных на решение поставленной цели. Основное влияние на величину потерь энергии при прохождении ее по силовому каналу оказывают низкочастотные колебания проходящие через трансмиссию. Разработана схема электромеханической трансмиссии для мобильного энергетического модуля с большим числом отборов мощности. В результате математического моделирования обоснованы основные параметры звеньев цепи по критериям быстродействия и демпфирования колебаний.

Диссертационная работа выполнена согласно программе развития АПК Республики Мордовия до 2010 года "Разработка методов и средств контроля энергопотребления сельскохозяйственных агрегатов" и плану научных исследований ГОУВПО "МГУ имени Н.П.Огарева".

Практическую ценность имеют следующие результаты работы: методика расчета кинематических и динамических параметров МЭМ; функциональная схемы МЭМ с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; многофункциональный МЭМ для фермерских хозяйств с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; рекомендации по повышению энергетической эффективности СХА.

Новизна и промышленная применимость таких устройств подтверждена патентом на полезную модель.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина», института механики и энергетики ГОУ ВПО «МГУ имени Н. П. Огарева» при изучении дисциплин «Тракторы и автомобили», «Эксплуатация машинно-тракторного парка»; «Автоматизация технологических процессов», «Сельскохозяйственные машины», «Тепловые двигатели и нагнетатели», используются в Государственном унитарном предприятии РМ «Центр испытания и внедрения сельскохозяйственной техники и машинных технологий» (г. Саранск), ГНУ Мордовском НИИ сельского хозяйства, Министерстве сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия при разработке новой техники.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

- математические модели МЭМ с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором;

- алгоритм синтеза МЭМ в составе транспортного и стационарного агрегатов.

- методика расчета кинематических и динамических параметров МЭМ; многофункциональный МЭМ для фермерских хозяйств с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые мобильные энергетические модули сельскохозяйственного назначения с электромеханической трансмиссией на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, обладающие более высокими технико-экономическими характеристиками по сравнению с серийно выпускаемыми мобильными энергетическими средствами.

2. Разработаны три математических модели электромеханической трансмиссии на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (с муфтой свободного хода между дизелем и синхронным генератором, с компенсирующими конденсаторами на выводах синхронного генератора, с механическим демпфирующим устройством на валу асинхронного электродвигателя), позволяющие определить их динамические и конструктивные параметры. Установлено, что потенциальная возможность реализации максимальных моментов при разгоне тягового асинхронного электродвигателя определяется соотношением L - С параметров электрического звена цепи.

3. Разработаны два варианта моделей энергетического модуля для мобильного ' и приводного исполнения, позволяющие определить их оптимальные конструктивные параметры для требуемого тягового класса. Проведен синтез энергетических цепей обеих вариантов. Установлено, что из большого числа параметров данной системы на демпфирующие свойства цепи передачи мощности в большей степени оказывают влияние параметры тягового электродвигателя, а также демпфирующие устройства, введенные в электромеханическую трансмиссию (компенсирующая емкость и соотношение моментов инерции к податливости механического демпфера на валу асинхронного электродвигателя).

4. Разработана методика расчета технических параметров мобильного энергетического модуля с демпфирующими устройствами, реализованная в программно-техническом комплексе (скоростей и ускорений, времени разгона, КПД и др.), позволяющая в 2 раза повысить точность и снизить трудоемкость расчета параметров.

5. Разработана функциональная схема мобильного энергетического модуля с электромеханической трансмиссией, позволяющая снизить на 50 % нерациональные потери энергии при ее передаче по трансмиссии при выполнении технологических операций. Техническая новизна и промышленная полезность подтверждена патентом на полезную модель.

6. Создан опытный образец мобильного энергетического модуля с электромеханической трансмиссией на базе самоходного шасси Т-16М и дизель-генератора (дизель 4TNV88-GGE фирмы YANMAR, синхронный генератор HB4LAR фирмы SINCRO) мощностью 20 кВА. В качестве приводного используется асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 7 кВт.

7. По результатам лабораторных и производственных испытаний установлено, что применение энергетических модулей с электромеханической трансмиссией на транспортных работах обеспечивает повышение пускового момента модуля на 15 % и снижение потерь энергии при ее передаче в электромеханической трансмиссии до 10 %.

8. Внедрение энергетических модулей позволит получить экономический эффект в размере 70 тыс. рублей на один модуль в год на транспортных работах и 23 тыс. рублей в год. при использовании в режиме автономного источника электроснабжения насосной нагрузки.

1. Агеев, JI.E. Основы расчета оптимальных и доступных режимов работы машинно-тракторных агрегатов / JI.E. Агеев. JL: Колос, 1978. - 296 с.

2. Агеев JI.E., Бурм А.К. Оценка регуляторных характеристик тракторных двигателей вероятностно-статистическими критериями // Сб.научн.тр/ ЛСХИ.- 1978. т.350. - С. 37-41.

3. Агеев JI.E., Шкрабак B.C., Моргулис-Якушев BJQ. Сверхмощные тракторы сельскохозяйственного назначения. JL; Агропромиздат, 1986,415 с.

4. Акимов В.В., Антипин В.П. Влияние частотных характеристик дизеля СВД-14Н на нагруженноеть силовой передачи трактора ТДТ-55// Тракторы и сельхозмашины.- 1982, JI10 С. 15-17.

5. Аллилуев, В.А. Техническая эксплуатация машинно-тракторного парка / В.А. Аллилуев, А.Д. Ананьин, В.М. Михлин. М.: Агропромиздат, 1991.-367 е.*

6. Анохин В.И, Применение гидротрансформаторов на скоростных гусеничных сельскохозяйственных тракторах. М.: Машиностроение, 1972. - 304 с.

7. Антонов А.С, Запрягаев М.М. Гидрообъемные передачи транс портных и тяговых машин. JL: Машиностроение, 1968. - 212 с.

8. Бадчитис А.А. Емкостная подобласть индукционных процессов преобразования потоков энергии. Вилнюс: Минтис, 1973. 248 с.

9. Безбородкова Г.Б., Галушко В.Г. Моделирование движения автомобиля. М.: Машиностроение, 1978 254 с.

10. Белов А.И. Составление электрических схем, эквивалентныхме-ханическим 'колебательным системам // Журнал технической физики,-1935.-Т. -вып.9.-С, 1545-1551.

11. Беренгард Ю.Г., Гайцгори М.М„ Малиновский Е.Ю. Автома тизированная система .динамического анализа механических и гидро механических передач //Машиноведение, 1982. - Ж>,- С.28-31.

12. Болотин А,А. О характере нагрузок на двигатель и сило вую передачу трактора // Тракторы и сельхозмашины,- 1959.- J6II.-С.15-19.

13. Болтинский В.Н. Мощность тракторного двигателя при неустановившейся нагрузке // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства,- 1959.- JM,- С. 13-16.

14. Болтинский В.Н. Работа тракторного двигателя при неус тановившейся нагрузке,- М.: Сельхозгиз, 1949,- 216 с.

15. Борисов С.Г., Лапшин С.А., Васильев В.А., Чхаидзе Н.Б. Методика исследования эффективности установки гасителя крутиль ных колебаний на ведомых .дисках муфт сцепления тракторов // Тру ды НАТИ,- 1971,- Вып.210,- C.I6-27.

16. Борисов К.Н. и др. Проектирование и расчет авиационных электроприводов. М.: Машиностроение, 1971. 188 с

17. Буткус, В.К. Разработка техйических средств и нормативов расхода топлива по энергетике механизированных сельскохозяйственных работ (на примере хозяйств Литовской ССР): атореф. дис. канд. техн. наук. В.К. Буткус. Ленинград: Пушкин, 1988. 16 с.

18. Ванин А.Г. Алгоритм расчета энергетического потенциала сельскохозяйственных агрегатов./ Левцев А. П., Ванин А. Г., Мальцев С. А. // Тракторы и с.-х. машины. 2006. - №4. С. - 28 - 30.

19. Ванин А.Г. Энергетическая цепь системы водоснабжения сельхо-зобъектов с автономным источником электроснабжения/ Левцев А. П., Ванин А. Г., Мальцев С. А. // Механизация и электрификация с.х. 2006. -№6.-С. 28-30.

20. Важничий Ю.И. Демпфирующие свойства электропривода с униполярными машинами // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики.-Харьков, 1977.- Вып.41.- С. 128-132.

21. Вайнруб В.И., Догановский М.Г. Повышение эффективности использования энергонасыщенных тракторов в Нечерноземной зоне,-Л.; Колос, 1982,- с.

22. Вантюсов, Ю.А. Механические цепи сельскохозяйственных машин: учеб. пособие / Ю.А. Вантюсов. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1980. -108 с.

23. Вантюсов, Ю.А. Динамика механических цепей сельскохозяйственных агрегатов / Ю.А. Вантюсов. Саранск: Изд-во Сарат. ун-та, 1984. 204 с.

24. Варшавский Л.А., Федорович В. Электрические аналогии // Известия электропромышленности слабого тока.-1936.- №3.-С.51-63.

25. Виноградов А,Л. Исследование однопоточной электротранс миссии //Механиз. и электриф.соц.сельск.хоз-ва,- 1970,- )£2.

26. Вулах Г.Я., Хамидулин М.С. О зависимости оборотов ДВС и момента сопротивления промышленного трактора в виде передаточной функции // Вопросы конструирования и исследования тракторов и тракторных двигатели,- Челябинск, 1972.- С.44-53.

27. Горячкин В.П. Собр.соч. T.I.-M.: Колос, 1968,- 720 с.

28. Гуськов, В.В. Тракторы. Теория / В. В. Гуськов, Н. Н. Велев, Ю. Е. Атаманов. М.: Машиностроение, 1988. - 376 с.

29. Демченко, Е. М. Исследование энергетических параметров МТА при вероятностном характере нагрузки: автореф. дис. . канд. техн. наук Е. М. Демченко. Л.: Пушкин, 1970. - 19 с.

30. Дмитриченко С.С, Оганесян Г.М. Влияние гидротрансформатора на формирование процессов нагружения элементов трансмиссии энергонасыщенного трактора//Тракторы и сельхозмашины.-1982.-Ш.- С. 14-17.

31. Дмитриченко, С. С. Современные методы оценки и надежности машин / С. С. Дмитриченко. М.: Машиностроение, 1986. - 56 с.

32. Дьячков Е.А. Оптимизация совмещения характеристик двигателя и гидротрансформатора сельскохозяйственного трактора // Тракторы и сельхозмашины,- 1989.- №3.- С.

33. Дофинов, С. А. Приборы для учета и контроля работы тракторных агрегатов / С. А. Дофинов, X. М. Райхлин. Л.: Машиностроение, 1972. - 224 с.

34. Есафов Н. ., Теодорчик К. К вопросу о построении моделей колебательных систем //Журнал технической физики,- 1938,- Т. 8.1. Вып.17.- C.I557-I56I.

35. Злотник М.И., Рай В.Н. К вопросу о работе двигателя промышленного трактора при неустановившейся нагрузке // Вопросы конструирования и исследования тракторов и тракторных двигателей,

36. Челябинск,- 1970,- С.55-71.

37. Иофинов, С. А. Эксплуатация машинно-тракторного парка / С. А. Иофинов, Г. П. Лышко.-М.: Колос, 1984.-351 с.

38. Иофинов С.А., Арановский М.М. Теоретические основы компьютеризации энергетики тракторов // Техн. в сельск.хоз.-1990,-№-5.- С. 13-16.

39. Иофинов, С. А. Оценка алгоритмов систем контроля энергетических режимов мобильных сельскохозяйственных агрегатов / С. А. Иофинов, М. М. Арановский, В. П. Демидов. М., 1989. - 22 с. Деп. в ВНИИТЭИагро-пром. № 123. ВС. 89.

40. Иткин Б,А. Исследование влияния степени прозрачности силовой передачи гусеничного сельскохозяйственного трактора на работу .двигателя при неустановившейся нагрузке: Автореф.дис. канд.техн.наук.-М., 1969,- 22 с.

41. Кабаков Н.С. Трактор ДТ-54 с гидромеханической транс миссией // Сб.научн.тр./ ВИМ,- 1959.-Вып.10,- С.5-13.

42. Коваленко Ю.Г. О методе оценки .динамических качеств трактора при испытаниях с использованием амплитудно-частотных характеристик // Научные труды/ Кубанский НИИ по испытанию трак торов и сельхозмашин,- Новокубанск, 1980.-Вып.20,- С.43-48.

43. Колычек Е.И., Куркин В.В. Исследование работы машинно-тракторного агрегата с упругими демпфирующими элементами в си ловом приводе // Научн.тр./ ОНТИ НАТЙ.-1975.-Вып.236.- С.62-70.

44. Кононенко А.Ф. Совершенствование сельскохозяйственных тракторов: Обзорная информация.- М., 1975,- 128 с.

45. Корчемный Н.А., Постельга С.К. Классификация электро приводов сельскохозяйственных машин по вероятностным характерис тикам нагрузки // Механизация и электрификация сельского хозяй ства.- Киев, I98I.-Ban.5I.- С.26-31.

46. Кочетков Н.В., Павленко СТ., Поливаев О.Н. Некоторые вопросы тяговой динамики и энергетики колесного трактора с упру го-демпфирующим приводом двигателей // Тракторы и сельхозмашины.-1976, №12.- С.7-9.

47. Ксеневич И.П., Купков Г.М. Технологические основы и техническая кощепция трактора второго поколения// Тракторы и сельхозмашины.- 1982.-III2.- С.31-33.

48. Кузавков, Н. Т. Теория автоматического регулирования, основанная на частотных методах / Н. Т. Кузавков. М.: Оборонгиз, 1960. - 446 с.14Ь

49. Кузнецов А.П. О работе двигателя Д-130 на ветви перегрузки при неустановившемся режиме // Тр.ин-та/ ЧИМЭСХ.- 1967,-Вып.28.-С

50. Кутьков Г.М. Тяговая динамика тракторов. М.: Машино строение, I960.- 215 с.

51. Кутьков Г.М.Долин А.И. Экспериментальные исследования тягово-динамических показателей гусеничного трактора с гидротранс форматором // Труды НАТИ.- 1975.- Вып.236.- С.51-56.

52. Лаптев Ю.Н. Динамика гидродинамических передач,- М.: Машиностроение, 1983,- 104 с.

53. Лебедев СП. Электропередачи в самоходных машинах.-Свердловск, 1961,- 224 с.

54. Лебедев СП., Черепанов Б.Е. Экономическое регулирование электрической трансмиссии трактора// Механизация и электриф. соц. сельского хозяйства.- 1961.-АН,- С,38-41.

55. Левин, М. Б. Методическое и программное обеспечение автоматизированного эксперимента в динамике машин / М. Б. Левин, А. Б. Одуло, Д. Е.Розенберг, М. С. Фельдман, Г. И. Фирсов. М.: Наука, 1989. - 294 с.

56. Ленк А. Электромеханические цепи: Системы со средото-ченными параметрами.- M.i Мир, 1978.- 228 с.

57. Лурье, А. Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов / А. Б. Лурье. Л.: Колос, 1970. - 375 с.142

58. Мелик-Шахназаров, А.И. Измерительные приборы со встроенными микропроцессорами / А. И. Мелик-Шахназаров, М. Г. Маркатун, В. А. Дмитриев. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с.

59. Морозов АД. Основы теории скоростных режимов МТА: Автореф.дис^.докт.техн.наук.-Волгоград, 1972,- 43 с.

60. Морозов Б.И., Сазонов А.И. Методика получения матема тического описания неустановившегося состояния двигателей внут реннего сгорания// Автомобилестроение. Научно-технический сбор ник.-1969.-12,- С.

61. Николаенко, А. В. Повышение эффективности использования тракторных дизелей в сельском хозяйстве / А. В. Николаенко, В. Н. Хватов. -JL: Агропромиздат, 1986. 191 с.

62. Обзорная информация: Новые компоновочные схемы сель скохозяйственных зарубежных тракторов// ЦНИИТЭИ тракторосельхоз-маш. Сер, Тракторы, самоходные шасси и двигатели.- М., 1978,- 48 с.

63. Ольсон Г. Динамические аналогии.- М.: изд-во иностр. литер., 1947,- 224 с.

64. Павленко СТ., Поливаев О.П. Влияние упруго-демпфиру ющих элементов трансмиссии на некоторые показатели работы тракто ра //Тракторы и сельхозмашины,- 1976.- ЖЕ,- С. 15-17.

65. Парфенов А.П. Пути универсализации тракторов мощностью свыше 75 кВт // Механизация и электрификация сельск.хоз-ва,- 1983,-»4,- С.61-63.

66. Поляк А.Я. Трактор будущего. М.: Колос, 1971,- 135 с,

67. Попов, В. Н. Пути повышения эффективного использования мощности двигателей гусеничных тракторов в сельском хозяйстве: атореф. дис. на соискание уч. ст. доктора техн. наук В. Н. Попов. Челябинск, 1974. -49 с.

68. Попов В.Н., Гусятников В.А. Результаты испытаний дви гателя Д-130 при неустановившейся нагрузке// Тракторы и сельхоз машины.- 1964.- F7,- С

69. Попов В.Н., Султанов Ш.И., Сычев В.Н. Некоторые особенности работы двигателя на тракторе с гидромеханической трансмиссией // Сб.научн.тр./ ЧШЭСХ,- 1974.- Вып.78,- С.203-206.

70. Пылов Б.А. О влиянии гидромеханических передач на кру тильные колебания // Автомобильная промышленность,- 1962.- №2,-С.13-15.

71. Резервы в использовании машинно-тракторного парка / Ю.К. Киртбая.- М.: Колос, 1982,-319 с.

72. Сабанцев Г.А. Оптимизация загрузки тракторного .двигате ля при переменной нагрузке // Тракторная энергетика в растениевод стве: Сборник научн.тр.- М.: ВИМ, 1988.- Т.116.- С.138-146.

73. Савельев, А.П. Диагностирование тракторов по динамическому состоянию машинно-тракторных агрегатов / А. П. Савельев. Саранск, 1993. -220 с.

74. Свирщевский А.Б. Исследование влияния протекания харак теристики .двигателя на показатели трактора при его работе с неус тановившейся нагрузкой: Автореф.дис.канд.техн.наук.- М., 1969.21 с.

75. Силовые передачи транспортных машин // С.В.Алексеева, В.Л.Вейц, Ф.Р.Геккер, А.Е.Кочура.- Л.: Машиностроение, I982.-256 с,

76. Стесин СП. Демпфирующие свойства одноступенчатых гид родинамических трансформаторов приводов самоходных машин// Вест ник машиностроения.- 1977,- №9,- С17-19.

77. Темеш Г., Митра С Современная теория фильтров и их проектирование,- М.: Мир, 1977,- 560 с.

78. Теодорчик К. Две системы электромеханических аналогий с точки зрения уравнений .движения Лагранжа // Журнал технической физики.- 1938.- Т.8.- Вып. 18.- CI652-I658.

79. Трактор Steyr-8300 // Тракторы и сельхозмашины.-1983.-ЖЕ.- С39-40,

80. Фаробин Н.Г. Автомобиль. Теории эксплуатационных свойств. Наука, Киев, 1988 -298 с.

81. Хитрик В.Э. К исследованию колебаний в мапшнных агре гатах с механизмами периодического действия // Машиноведение.-1974.- №6.- С.33-40.

82. Чудаков Д.А. Основы теории расчета трактора и автомобиля. М.: Колос, 1972-254 с.

83. Шаров, Н. М. Эксплуатационные свойства машинно-тракторных агрегатов / Н. М. Шаров. М.: Колос, 1981.-240 с.

84. Шегалин О.И., Вероятностная оценка режимов работы тракторного .двигателя // Тракторы и сельхозмашины,- 1985,- Ю,- С.

85. Юлдашев А.К. Динамика рабочих процессов .двигателя машинно-тракторных агрегатов,- Казань: Татарское книжное изд-во, 1980.- 143 с.

86. Юлдашев А.К., Галеев Г.Г. О .динамической характеристике топ-ливоподающей аппаратуры тракторного дизеля // Известия вузов Сер. Машиностроение,- 1972.- J6I.- С.75-77.

87. Юрьев М.Ю. О расчете механических колебательных систем с помощью эквивалентных электрических контуров // Электричество.-1933,- Ж£6.~ С.39-46.

88. Юсупов Р.Х. Взаимодействие элементов системы "двигатель-трансмиссия" трактора .- Красноярск: изд-во Краен.ун-та, 1991.100 с.

89. Юсупов Р.Х. Согласование подсистем моторно-трансмиссионной установки трактора по динамическим характеристикам // Сб. научн.тр/Таджикской СХИ.~ 1991.- С.135-143.

90. Яцкевич В.В. О принципе модульного построения сельско хозяйственных мобильных агрегатов // Тракторы и сельхозмашины.-1982.- МО,- C.II-I3.

91. Crolla D.A. Theoretical analisis of inertia torque overloads when starting up p. t.o. driven machin //Journal of Agricultural Engineering, Research-1979.-vol. 22.-№2-p. 197-206

92. Crolla D.A. .Torsional vibration analisis of a tractor and machin pt.o, drivline/// Journal of Agricultural Engineering, Research-1979.-voI. 24.- №2 -p. 157-180 •

93. Roger Wolf Marathon Le Tourneau's D-800 heel dozer//society of automotive Engineers Techn-I980-№800692,-p. 1-6.