автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка теоретических основ расчета и конструирования малоразмерных двигатель-генераторных установок как единой динамической системы

На правах рукописи

ТЕМНОВ Эдуард Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ РАСЧЕТА

И КОНСТРУИРОВАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК КАК ЕДИНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.04.02 Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2005

Работа выполнена на кафедре "Автомобили и автомобильное хозяйство" ГОУВПО Тульский государственный университет

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Малиованов Михаил Вениаминович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Эфрос Виктор Валентинович

кандидат технических наук, доцент Борисов Виктор Константинович

Ведущая организация: ОАО АК "Туламашзавод" им. В.М. Рябикова

Защита состоится ноября 2005 г. в IV часов на заседании

диссертационного совета КР 212.271.44 при ГОУВПО Тульский государственный университет по адресу: 300600, г. Тула, пр-т Ленина, д. 92 , З'З^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО Тульский государственный университет

Автореферат разослан

октября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент

.Е. Агуреев

■20О6-4 Ц1966 4

¿5^23,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Двигатель-генераторные установки (ДГУ) являются распространенным источником электрической энергии.

Наиболее широкое применение ДГУ находят для питания систем подвижных автономных объектов. Они определяют во многом их живучесть и эффективность функционирования. ДГУ представляет собой достаточно сложную, существенно нелинейную, динамическую систему. В целом ее можно определить как совокупность механических, электромеханических, тепломеханических и магнитных подсистем, для которых характерна существенная взаимосвязь процессов, не позволяющая при динамическом анализе системы расчленить ее на отдельные независимые составляющие, потому что система в целом будет обладать качествами, не свойственными данным составляющим. Эффективное проектирование таких объектов должно опираться на теоретические исследования, базирующиеся на совместном рассмотрении взаимосвязанных движений твердых тел, электромагнитных процессов и процессов в газовых средах. Это позволит улучшить рабочие характеристик ДГУ, как за счет определения рациональных значений конструктивных параметров (для традиционных схем), так и за счет расчета ДГУ новых схем. В связи с отмеченным тема настоящей диссертации является актуальной.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Автомобили и автомобильное хозяйство" ТулГУ в рамках следующих НИР:

- "Разработка математической модели дизель-генератора для изделия "99" и методики расчета его динамических характеристик", договор № 062201 с ОАО АК "Туламашзавод";

- "Разработка математических моделей, исследование и расчет параметров дизель-генераторных установок агрегатов сельскохозяйственной техники", грант ТОО-6.9-622 по фундаментальным исследованиям в области технических наук, утвержденный по результатам конкурса, проводимого Министерством образования РФ в 2003 г.

Целью является разработка теоретической базы, включающей математическое, программное, методическое обеспечение исследования функционирования ДГУ, что позволяет сократить материальные, временные затраты на их проектирование и доводку.

Цель была реализована в результате постановки и решения следующих задач: разработка математической модели и программного обеспечения функционирования приводной части ДГУ; разработка математической модели и программного обеспечения функционирования регуляторов характеристик движения, для различных схем тепловых двигателей; - разработка математических моделей ДГУ «в целом», использующих генераторы с поступательным и вращательным движением якоря, отражающих их функционирование в переходных, установившихся режимах и позволяющих осуществить расчет динамических характеристик 0 ^ (

БИБЛИОТЕКА '

- ГТ" **

Объекты исследования: Дизель-генераторная установка (ДГУ 5 - П27.5 -ВМ1 производства ОАО АК "Туламашзавод") и свободно-поршневая ДГУ.

Предмет исследования: механические, тепломеханические и электромеханические процессы, происходящие в ДГУ.

Метод исследования - теоретико-экспериментальный, построенный на использовании методов тепломеханики, электромеханики, статистического анализа и вычислительной математики.

Научная новизна работы состоит:

- в реализации системного подхода к описанию функционирования ДГУ как единого нелинейного динамического объекта с элементами различной физической природы, заключающемся в совместном использовании аппаратов тепломеханики и электромеханики для описания приводной и генераторной частей названной установки соответственно;

- в разработке математических моделей приводной части ДГУ в виде ДВС с кривошипно-шатунным механизмом и свободно-поршневого ДВС, отражающих процессы регулирования их работы;

- в разработке уточненной математической модели центробежного регулятора числа оборотов ДВС с кривошипно-шатунным механизмом, позволяющей выявить особенности функционирования двигателя как многорежимной автоколебательной системы в установившихся и переходных режимах;

- в разработке, на основе комплекса математических моделей приводной и генераторной частей ДГУ, программного обеспечения, позволяющего осуществить исследование функционирования ДГУ «в целом».

Практическая ценность работы. Разработанное математическое, программное и методическое обеспечение расчета функционирования ДГУ позволяет:

- обоснованно сформулировать требования к подсистемам ДГУ, исходя из требований, предъявляемых к системе в целом;

- повысить качество проектирования, а также снизить затраты времени и средств за счёт учёта на стадии проектировочных расчетов ДГУ динамического взаимодействия ее составных частей;

- осуществить выбор конструктивных параметров центробежного регулятора числа оборотов коленчатого вала, обеспечивающие требуемые выходные характеристики двигателя;

- улучшшь существующие, разработать и исследовать новые конструкции СПДГУ, позюляю1шютолучшъусгойчивуюиэффективнуюрабоп^усгаж)вки;

- оценить влияние процессов регулирования приводной и генераторной частей на характеристики работы ДГУ в целом.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в виде программ расчета:

- характеристик ДВС с центробежным регулятором числа оборотов коленчатого вала двигателя (акт внедрения в практику ОАО АК "Туламашзавод" от 12.01.05);. _

- режимов работы генераторных установок (акт внедрения в практику ОАО «Корпорация «Сплав» от 15.12.04);

- динамических режимов работы ДГУ «в целом» (акт внедрения в практику ОАО АК "Туламашзавод" от 10.02.05).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на IX Международной НПК "Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств" (Владимир, ВлГУ, 2002 г.); IX Международной НПК "Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей" (Владимир, ВлГУ, 2003 г.); X Международной НПК "Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств" (Владимир, ВлГУ, 2004 г.); НТК профессорско-преподавательского состава ТулГУ (Тула, ТулГУ, 2002-2004 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 134 страницы машинописного текста, 53 рисунка, 15 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 75 русских и 9 иностранных источников.

На защиту выносятся:

- математические модели ДГУ различных конструктивных схем, позволяющие установить связи конструктивных и эксплуатационных параметров входящих в них подсистем с характеристиками и показателями работы установки в целом;

- результаты вычислительных и натурных экспериментов, позволяющие дать практические рекомендации по улучшению характеристик ДГУ;

- методика совместного описания тепломеханических и электромеханических процессов при построении математических моделей ДГУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены основные требования, предъявляемые к описанию ДГУ, а также задачи и методы исследования механических, тепломеханических и электромеханических процессов ДГУ. На основе анализа существующих в данном направлении работ обоснована актуальность, сформулирована цель и определены задачи настоящей диссертации.

До настоящего времени достаточно полно рассматривались лишь составляющие системы ДГУ - двигатель и генератор. Разработке математических моделей ДВС, как основных приводов ДГУ, посвящены труды ряда ученых: КИВибе, ЛМЖмурдяка, БАКиселева, АК.Косгина, О.Г.Красовского, М.Г.Круглова, В.И.Крутова, А.С.Куценко, А.С.Орлина, Р.М.Петриченко, Д.Р.Поспелова,

A.С.Пунды, Н.Ф.Разлейцева, Б.П.Рудого, Р.Р.Силлата, Н.П Третьякова,

B.К.Чистякова и многих других. Анализ перечисленных работ показал, что существующие модели ДВС на достаточно высоком уровне описывают локальные аспекты его функционирования. В работе Г.В. Поздеева получена математическая модель, отражающая переходные процессы, происходящие в двигателе. На ее основе могут быть разработаны модели под другие различные конструкции ДВС. Данная модель может быть взята за основу и при рассмотрении двигательной части ДГУ. Особенностью моделирования ДВС работающих на дизельном топливе является необходимость учета в модели двигателя новой под-

системы - регулятор числа оборотов коленчатого вала, который определяет стабильность, экономичность и задающий режим работы двигателя. При моделировании регулятора в настоящее время на высоком уровне выполняется лишь статический расчет; для осуществления динамического расчета необходимо сформировать модель новой системы «ДВС-регулятор». Таким образом, до формирования математической модели ДГУ на основе дизельного ДВС необходимо в модели последней сделать ряд существенных дополнений и уточнений.

Получение математической модели приводной части СПДГУ, несмотря на конструктивное отличие от традиционного ДГУ, может быть основано на аппарате, применяемом при математическом моделировании ДВС с КШМ. Учет регуляторной подсистемы в свободно-поршневом ДВС, как и в случае ДВС с КШМ, является необходимым условием получения модели, отражающей переходные процессы, происходящие в двигателе.

Описание генераторной подсистемы как ДГУ традиционной схемы, так и СПДГУ может быть получено с использованием уравнений электротехники. Разработке математических моделей различных типов электрических машин (ЭМ) посвящены труды ряда ученых: Д.Э Брускин, А.Е. Зорохович, Г.П. Елецкая, В.М. Копылов, С.И. Маслов, Н.М. Рожнов, A.M. Русаков, A.M. Сугробов, П.А. Тыричев, B.C. Хвостов и многие другие. Все методы, предлагаемые к применению для моделирования ЭМ, можно разделить на формальные и концептуальные. Первые позволяют при использовании стандартных конструкций получить модель с минимальными временными затратами. Модели, получаемые при применении концептуального подхода, более сложны для получения, но позволяют наиболее точно рассмотреть все особенности объекта, понять его физическую структуру. Данный подход является единственно возможным при рассмотрении нестандартных конструкций ЭМ.

Процесс математического описания процессов в электромеханических преобразователях можно разделить на следующие основные этапы:

1 - идеализация физических процессов в электромеханической системе (ЭМС) на основании принятых допущений с учетом конкретных условий поставленной задачи;

2 - построение системы дифференциальных уравнений, описывающих функционирование ЭМС;

3 - выбор рациональной системы координат;

4 - определение параметров идеализированных моделей ЭМС и установление связи их характеристик с конструктивными и эксплуатационными параметрами моделируемого устройства;

Вышеописанная методика построения модели ЭМ может быть использована в качестве основы для рассмотрения генераторной части ДГУ.

В связи с отмеченным, основными задачами диссертации являются:

1. Разработка уточненных моделей кривошипно-шатунного и свободно-поршневого ДВС учитывающих динамическое взаимодействие газовой и механической подсистем.

2. Построение математических моделей вращающегося (индукторного) и линейного генераторов с учетом особенностей управления и регулирования их работы.

3. Разработка математических моделей различных схем ДГУ, отражающих их функционирование в переходных и установившихся режимах, позволяющие осуществить расчет их динамических характеристик. В первой главе разработана уточненная математическая модель двигателя с кривошипно-шагунным механизмом. Проведено ее исследование, продемонстрированы возможности применения и выявлено влияние на выходные характеристики двигателя основных конструктивных параметров регулятора.

В основу предлагаемого математического описания ДВС с КШМ положены уравнения тепломеханики, а именно уравнения баланса энергии и массы для газового звена, а также уравнения, отражающие движения твердых элементов двигателя. В результате уравнения динамической модели в рабочей форме имеют вид (1):

= -в -р{ т а, 1

А IV *"" " 21

А с,-р-п*- -1

¿а _ а* [(Р ~ Ро)/» ~ Рт, ~ • • <»г ] ~ Мс

а, -а2 -т, +У

(1)

А

йю

А

р = р-ЯТ

где Су - удельная теплоемкость; Я - газовая постоянная; и = суТ; А, = (су + Я)Т:, Ь, и Т, - удельная энтальпия и температура газовой среды в полости, из которой происходит истечение; - секундный приход (расход) энергии в форме теплоты в результате теплообмена; ■ секундный приход энергии в форме теплоты при горении рабочей смеси;

а2=тк а3=гк {со$<р+Ясо52(р);Л = ^-;

а, = гк эт <р

1+-

1——(1—СОБ 2ср)

; гк - радиус кривошипа, 1ш - длина шатуна.

Кроме основной системы уравнений (1), динамическая модель ДВС включает дополнительные подсистемы уравнений, описывающие: трение в ци-линдро-поршневой группе, теплообмен, тепловыделение.

При моделировании ДВС до настоящего времени недостаточно полно рассматривалось воздействие регулятора числа оборотов на двигатель, его динамическое взаимодействие с ДВС. Особенно актуальным это становится при рассмотрении переходных процессов, происходящих в двигателе. Анализ развития топливных насосов высокого давления (ТНВД) распределительного типа ведущих фирм показал, что большинство приводных частей стационарных си-

ловых установок комплектуются центробежными всережимными регуляторами. Подобный регулятор применен и в двигателе ТМЗ-450Д, взятом за основу при дальнейшем моделировании.

Конструктивно регулятор представляет собой систему рычагов и пружин, представленную на рис. 1, в соответствии с которым при моделировании рационально выделить следующие части:

1. чувствительный элемент, совершающий преобразование угловой скорости в перемещение диска регулятора (6,7,8);

2. система рычагов, связанная с ТНВД и задающая пружина (1,2,3,4,5).

Рис 1 К моделированию работы регулятора числа оборотов коленчатого вала двигателя а) Общая схема, б) Расчетная схема чувствительного элемента, в) Расчетная схема рычагов регулятора.

На рисунке 1 а) введены следующее обозначения: 1- вспомогательный рычаг (пусковой рычаг): 2 - главный рычаг; 3 - задающая пружина; 4 - стартовая (пусковая) пружина; 5 - рычаг управления насосом (задающий рычаг); 6 -диск регулятора; 7 - шарик; 8 - шестерня; 9 - упор.

Расчетная схема первой подсистемы приведена на рисунке 1 б), где Рц -центробежная сила; Ир д - сила реакции диска регулятора; РР шс - сила реакции шестерни; РР ш - сила реакции шарика; Рр Р - сила реакции рычага; Р-п> д - сила трения диска.

Расчетная схема второй подсистемы приведена на рисунке 1 в), где РРД2 - реакция диска; МТР Р - момент трения на рычаге; Мп - момент создаваемы пружиной; ф0, Ьр, - геометрические параметры.

После ряда преобразований, система дифференциальных уравнений, описывающая работу регулятора, будет иметь вид (2).

¿т ип(Д+«>) _

Л ~

У + <Т • СО» ({» - % )

Разработанное описание обеспечивает возможность моделирования различных ситуаций, складывающихся в процессе работы двигателя (заедания диска регулятора; увеличение зазора в сопряжении «вилка-рейка» и т.д.).

Экспериментальные исследования функционирования ДВС с КШМ показали достаточную степень точности отражения разработанной математической моделью реальных процессов протекающих в названном объекте.

Увеличение нагрузки с 0 до 10 Н*м

и м 17 го гз

а) 6)

Рис.2 Изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя при увеличении нагрузки на 9 цикле с 0 Н*м до 10 Н*м (красный - расчет, черный - эксперимент) а) расчетные и экспериментальные характеристики, б) сглаженные расчетные и экспериментальные характеристики.

Из анализа рисунка 2 следует, что:

- расчетная и экспериментальная величины неравномерности регулиро-

вания при набросе нагрузки с 0 до 10 Н*м составляют 23 и 18 об/мин соответственно и не превышают минимальной допустимой погрешности частоты вращения коленчатого вала двигателя (30 об/мин);

- расчетное и экспериментальное время переходного процесса при набросе

нагрузки с 0 до 10 Н*м составляет 0,42 и 0,5сек соответственно;

- расчетная и экспериментальная величины перерегулирования при набро-

се нагрузки с 0 до 10 Н*м составляют 26 и 24 об/мин соответственно.

Таким образом, полученная уточненная модель ДВС с КШМ кроме готовности включения в модель функционирования ДГУ имеет и самостоятельное значение для дальнейшего исследования.

Во второй главе выполнена разработка математической модели свободно-поршневого двигателя. При этом в нее введена дополнительная связь, обеспечивающая возможность регулирования скорости и хода поршня. Расчетная схема двигателя имеет вид представленный на рис. 3 а.

Рис. 3. К моделированию работы СПДВС. а) Расчетная схема СПДВС, б) Силы, действующие на блок поршней.

Общее количество фазовых координат при выбранной расчетной схеме - шесть, что определяет количество дифференциальных уравнений в системе, описывающей динамику моделируемого устройства Подвижным звеном в моделируемом устройстве является шток с укрепленными на нем поршнями двигателя.

Для описания состояния газа в каждой полости используются два параметра: плотность рабочего тела р в полости и температуру Т. Для каждого параметра применяются уравнения тепломеханики, представленные в первой главе.

На блок поршней действуют следующие силы (рис. 3 б)):

- силы давления со стороны газов в цилиндрах двигателя Рр1 и Рр2;

- силы трения поршней о цилиндры двигателя Иц и

Силы имеют положительное значение, если их направление совпадает с направлением оси Ох (рис. 3 б)).

СПДВС обладает определенной неустойчивостью работы. В основном это вызвано затруднениями в обеспечении неизменного хода и скорости поршней двигателя при различных нагрузках. Для устранения данного недостатка, а также для обеспечения устойчивого функционирования двигателя необходимо в его конструкции предусмотреть механизм управления. В качестве управляющих параметров были выбраны: давление свежей топливной смеси, подаваемой в цилиндр (р6) и опережение зажигания

(х1). В результате многократного машинного анализа функционирования двигателя был собран статистический материал, и на его основе построен регрессионный полином вида /г = а„ +а,рв +а}х1 +а}р1 +аЛх] +а}р<,х1, позволяющий по заданной нагрузке (Г,) найти управляющие параметры (р6 их,), обеспечивающие с погрешностью не более 7 % поддержание неизменного хода поршней и их максимальной скорости.

В третьей главе разработана математическая модель линейного генератора. В ней приведен порядок математического описания электромеханических процессов в генераторе и разработан алгоритм получения и описания схемы замещения его магнитной цепи. Подготовлена расчетная база для дальнейшего исследования модели.

Математическое описание процессов в электромеханических преобразователях разделяется на следующие основные этапы:

1. Идеализация физических процессов в электромеханической системе

(ЭМС) на основании принятых допущений с учетом конкретных условий поставленной задачи.

2. Построение системы дифференциальных уравнений, описывающих функ-

ционирование ЭМС.

3. Выбор рациональной системы координат.

4. Определение параметров идеализированных моделей ЭМС и установление связи их характеристик с конструктивными и эксплуатационными параметрами моделируемого устройства.

В качестве объекта моделирования в данной главе рассматривается генераторная часть СПДГУ, представленная на рис. 5.

А-А

Рис. 5 Свободнопорисневой двигатель-генератор. Схема замещения магнитной цепи генератора представлена на рис. 6. И К II

М1 42 МЗ

-ГИ>1

ф. ,1

ф.

'О Г"

ф

ф.

■о ф

к

о

Рис. 6. Схема замещения магнитной цепи.

На рисунке 6: Р, - МДС1 - ой обмотки возбуждения; Рр - МДС рабочей обмотки; й,, - сопротивление воздушного зазора 1 - ой обмотки возбуждения; Я« - сопротивление метала! - ой обмотки возбуждения; Ф, - магнитный поток через 1 - ую обмотку возбуждения; для рабочей обмотки фр=ф|+ф2+ф3 В результате преобразований система, описывающая работу линейного генератора, имеет вид (3).

еН

-(¿-¿•Ч+'л+ВД*)

1 Л

А

сИ

Л

¿¿Уд

л

(3)

,где: , , Л/ду - скорость, координата и масса блока поршней; - сумма сил, действующих на блок поршней; рэл - электромагнитная сила, действующая со стороны генераторной части; БП - блок поршней; / - число обмоток возбуждения; к - рабочая обмотка;; Ьд , Ь^ - индуктивности обмоток; - взаимная индуктивность обмоток; Кш}, Кек - коэффициенты ЭДС; гу, гк - полные активные сопротивления электрических контуров обмоток возбуждения и рабочей обмотки; Е1 - ЭДС источников питания обмоток возбуждения; iJ, ¡к - токи в обмотках возбуждения и рабочей обмотке.

Полученная математическая модель линейного генератора полностью ориентирована на включение в динамическую модель СПДГУ в виде модуля.

В четвертой главе выполнена разработка математической модели вращающегося индукторного генератора на примере генератора ГУ6(8) производства ООО "Блеск". При этом проведен анализ конструкций генераторов и проанализированы подходы к описанию их стандартных схем.

С целью достижения требуемой точности работы в состав генератора вводится регулятор напряжения, обеспечивающий изменение напряжения на обмотке возбуждения в зависимости от напряжения на выходе генератора Математическая модель такого регулятора может быть представлена в виде

Яг = Яг""", если и,<(ияом - 8) или если (унах - &)<и,<(ииом + 5) и 1)г > 0;

Лг= Я!™*, если и^>(ином + 8) или если (1/иом - 8)<иг<(ином+&) и (¡г <0,

где 8 - допустимое отклонение напряжения; Игт1" и Ягтах - регулирующие сопротивления (рис. 7).

"т

I

Rmaxi

-\lr

Рис. 7. Характеристика электронного регулятора Принимая во внимание работу регулятора, система, описывающая работу генератора, примет вид (4).

di

л_ _. dt

х. +х„

-cosy

di.

dt x.+xL

•sm/-i„

di. _ (Rr+rt) 1 dt x. x.

(4)

где r.

X* +xu

■ активные и индуктивные сопротивления соот-

ветственно обмоток статора, возбуждения, демпферных обмоток по продольной и поперечной осям и нагрузки; ха - индуктивное сопротивление взаимоиндукции при совпадении осей обмоток; ив - напряжение обмотки возбуждения; iA - ток сгаторной обмотки; /в - ток обмотки возбуждения; Uг - напряжение на выходе генератора; у -

угол между осью обмотки статора и продольной осью ротора.

Окончательно модель генераторной части представляет систему уравнений (4), дополняемую зависимостями для электронного регулятора.

В пятой главе построены и апробированы расчетами математические модели функционирования ДГУ для традиционной и линейной схем. Полученное математическое описание и построенное на ее основе программное обеспечение позволит на стадии проектировочных расчетов осуществить проверку работы устройств на различных режимах работы. На примере установки ДГУ 5 - П27.5 - ВМ1 подтверждена эффективность и достаточная степень точности отражения разработанными математическим моделями реальных процессов, протекающих в названных объектах.

Для построения математической модели функционирования ДГУ в работе предложена следующая методика:

1. Разработка математической модели функционирования приводной части ДГУ с учетом процессов управления и регулирования, ориентированной на включение в модель ДГУ в целом (выходной параметр - частота вращения или скорость перемещения поршня, входной параметр - момент сопротивления).

2. Разработка математической модели функционирования генераторной части ДГУ с учетом процессов управления и регулирования, ориентированной на включение в модель ДГУ в целом (входной параметр частота вращения или скорость перемещения поршня, выходные параметры напряжение и момент сопротивления).

3. Объединение приводной и генераторной частей в единую модель ДГУ и проведение численных экспериментов для подтверждения ее адекватности.

Таким образом, в соответствии с предлагаемой методикой, модель основного ядра составляют объединенные модели двигателя и генератора, которые строятся на базе уравнений тепломеханики и электромеханики, а процессы регулирования указанных подсистем и их влияние на функционирование системы в целом определяются особенностью их согласования. Такой подход позволяет рассмотреть ДГУ как неделимую систему, состоящую из совокупности электромеханических и тепломеханических подсистем практически без дополнительных ее усложнений и временных затрат.

Ранее в диссертации были подробно рассмотрены вопросы моделирования приводной (на примере свободно-поршневой двигательной установки) и генераторной (на примере линейного генератора) частей СПДГУ, а также особенности регулирования их работы. Объединенная модель функционирования СПДГУ, полученная путем объединения уже полученных моделей двигательной и генераторной частей, описывающие процессы в термодинамической, электромагнитной и механической подсистемах, будет иметь общий вид (5).

Система уравнений (7) является нелинейной с переменной структурой, которая во многом зависит от конструктивных параметров СПДГ. При решении вышеуказанной системы уравнений был осуществлен подбор ограничений по сглаживанию пульсаций тока, возникающих при входе (выходе) якоря для каждой обмотки возбуждения. Данные пульсации обусловливаются особенностями математической модели и не несут под собой физической основы. Их исключение происходило при входе (выходе) якоря в обмотку возбуждения, когда длина поверхности входящего (выходящего) поршня под обмоткой возбуждения составляла менее 0,5 % от его общей длины.

№

в -С

"А, '■

Л

1

а

_

Л

¡Ик

а/ _Е1 ~'>г> ~К"Уьп ~л = Та ;

л ьи

л

М,,

С1Х

— Г КГ

Л

(5)

Некоторые результаты расчёта, полученные при тестировании модели функционирования ДГУ, представлены на рис. 8.

а) б)

Рис.&Р<£отаСТЩГУ: <$атпиж(---)исщхх}тдвижениягщиня(—); бодавшего-эавлвеамцилиндре.

В результате выполненных расчетов был определен код ДГУ, который составил 33%, что соответствует общепринятому мнению о низкой эффективности такого рода установок. Использование созданной модели позволяет осуществить выбор параметров и новых патентоспособных схем, позволяющих существенно поднять уровень кпд и получить работоспособную конструкцию. Так, изменением числа витков обмоток возбуждения с 2000 до 4500 значение кпд было увеличено до 42,7 %.

В диссертации ранее были подробно рассмотрены вопросы моделирования приводной (ТМ3450Д производства ОАО АК "Туламашзавдд") и генераторной (на примере индукторного генератора ГУ6(8) производства ООО "Блеск") частей ДГУ (Д ГУ 5 - П27.5 - ВМ1 производства ОАО АК 'Туламашзавод"), а также особенности регулирования их работы.

Объединенная модель функционирования ДГУ будет иметь вид (6).

Ж Г J. 2 1

А '

1

<¡<0 _ Мы - Мс Л ~ Л,

[с„ (к - <0- С.„ - е) + а - О, - р ■ /„ »- ]

А А

зт(/?)51п(а) _

■ ) ■ С0в(® -<р(1)Яг-М„ - Мп

А

аI

Х„ А М> • г

----ссяу — +-—ЯП/

х.+х. А х.+х.

1

А _ 'Л т

А хА + лг. Л. = (Я, А х,

Л, = /?;,„ ,если и, < (1/„ - 3) или если(и„ - 3) <11, < (Ц„ + <5) и 0, > 0 Я = К»•если >(£/,„ + 6) или если{11„-6)<11,< {и„+б) и йг <0

х.

Как следует из представленных уравнений, система (6) имеет 8-й порядок и несколько контуров управления (рис. 9), что создает определенные трудности при ее решении и последующем анализе. Некоторые результаты расчета, полученные при тестировании модели ДГУ, представлены на рис. 10.

Рис 9 Функциональная схема системы регулирования ДГУ традиционной схемы.

Полезной особенностью полученной модели является возможность детального исследования переходных процессов в ДГУ. Таким образом, предлагаемая модель функционирования ДГУ позволяет с достаточной для практики точностью выполнить расчет функционирования всей системы с приемлемыми затратами машинного времени.

ЮяП?—«5*1--ЯПГ—Ж»?—ВПЯ"

6)

№5.41 ¡2) *<»»п

шъвушп а

») 1 Рис 10. РсйотаДП'при стчке нагрузки от потребителя с 015до021 Ом. а) изменение выходного напряжения; б) изменение нагрузки на двигатель; в) изменение частоты вращения коленчатого вша двигателя; г) изменение электрической мощности В заключении представлены основные результаты работы, позволившие при системном подходе к описанию ДГУ реализовать рациональное сочетание сложности математических моделей и затрат машинного времени.

1. Предложен и реализован системный подход к описанию функционирования ДГУ как единого нелинейного динамического объекта с элементами различной физической природы, при этом описание приводной части выполнено с ис-

пользованием аппарата тепломеханики, а генераторной с использованием аппарата электромеханики, которые объед инены общей переменной - временем. Разработаны математические модели различных конструкций приводной части ДГУ. При этом:

а) для двигателя традиционной схемы осуществлено уточненное описание с учетом динамики центробежного регулятора числа оборотов коленчатого вала;

б) для свободнопоршневого двигателя в модель введена связь, обеспечивающая возможность регулирования скорости и хода поршня.

Проведено теоретическое исследование функционирования приводной части ДГУ, в ходе которого:

а) для двигателя традиционной схемы:

- выявлено существенное влияние на выходные характеристики двигателя основных конструктивных параметров регулятора (число шариков, масса рычагов и диска, жесткость пружины);

- установлено отрицательное воздействие на названные характеристики силы трения на оси рычагов регулятора и зазора в сопряжении «вилка-рейка»;

- смоделированы нештатные ситуации в работе регулятора (заедание шарика, перекос диска);

- рекомендовано при исследовании моделей с высокой частотой изменения данных (угловая скорость) для их первичного анализа использовать процедуру сглаживания, выделяя медленно меняющуюся составляющую.

б) для свободнопоршневого двигателя:

- получена регрессионная зависимость устанавливающая связь параметров управления (давление свежей топливной смеси, подаваемой в цилиндр {рл) и опережение поршня в момент подачи зажигания (хз)) с величиной нагрузки, позволяющая осуществить стабилизацию хода и скорости поршней с погрешностью не более 7 %.

Разработаны математические модели генераторной части ДГУ. При этом:

а) для линейного генератора:

- приведено математическое описание электромеханических процессов в генераторе;

- получена схема замещения магнитной цепи генератора и приведен алгоритм ее описания;

б) для вращающегося генератора:

- выбран рациональный подход к описанию индукторного генератора;

- разработана модель регулятора выходного напряжения и показано влияние его параметров на функционирование генератора.

Построены и апробированы расчетами математические модели ДГУ «в целом», для традиционной и линейной схем, в результате исследования которых: а) для СПДГУ:

- разработано математическое и программное обеспечение, позволяющее установить работоспособность конструкции и осуществить

поиск новых решений, обеспечивающих повышение кпд установки до

необходимых значений;

б) для ДГУ традиционной схемы:

- установлено изменение нагрузочного момента на двигатель со сторо-

ны генератора при постоянстве электрической нагрузки со стороны потребителя;

- выявлена существенная зависимость стабильной работы устройства от согласованности параметров регуляторов в нее входящих;

- получено программное обеспечение, позволяющее на стадии проектировочных расчетов осуществить проверку работы устройства на различных режимах работы.

6. Экспериментальные исследования функционирования ДГУ традиционной схемы и ее подсистем показали достаточную степень точности отражения разработанными математическим моделями реальных процессов, протекающих в названных объектах, а именно:

а) для приводной части (ТМЗ-459Д) при набросе нагрузки с 0 до 10 Н*м расчетные и экспериментальные характеристики установившегося и переходного процесса составляют:

- неравномерность регулирования 23 и 18 об/мин соответственно;

- время переходного процесса 0,42 и 0,5 с соответственно;

- величина перерегулирования 26 и 24 об/мин соответственно.

б) для установки ДГУ в целом (ДГУ 5 - П27.5 - ВМ1):

- расчетная неравномерность регулирования не превышает ± 0.25 В, при технических требованиях ± 1 В.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Елецкая Г.П., Малиованов MB., Темнов Э.С. О математическом моделировании электромеханических элементов гибридных двигателей// Материалы IX Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств» - Владимир: ВлГУ, 2002. - С. 262 - 265

2. Елецкая Г.П., Малиованов М.В., Темнов Э.С., Хмелёв Р.Н. Разработка и исследование математической модели двигатель-генераторной установки на базе свободнопоршневого ДВС// Изв. ТулГУ. Сер. "Автомобильный транспорп". Вып. 8 -Тула: ТулГУ, 2004. -С. 79-88.

3. Малиованов М.В., Темнов Э.С. К вопросу получения модели двигатель-генераторной установки// Изв. ТулГУ. Сер. «Автомобильный транспорт». Вып. 6 - Тула: ТулГУ, 2002. - С. 135-139.

4. Пинский ФК, Малиованов М.В, Елецкая ГЛ, Авдеев К.А., Темнов Э.С. К вопросу математического моделирования переходных процессов дизель-генераторной установки на базе свободнопоршневого ДВС // Изв. ТулГУ. Сер. "Автомобильный транспорт". Вып. 7-Тула: ТулГУ, 2003. -С. 220-225.

5. Пинский Ф.И., Елецкая Г.П., Малиованов М.В., Авдеев К.А., Темнов Э.С. О разработке математической модели дизель-генератора на базе свободнопоршневого ДВС // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенст-

вовзншГ -п6р1гв5евых двигателей: Материалы IX Меадунар. науч.-практ. конф. В ладам. г$с. ун-т. -Влаяимир:ВлГУ, 2003. - С. 126 -129. Пинский Ф.И., Малиованов М.В., Елецкая Г.П., Темное Э.С. Особенности математического моделирования генераторной часта свободно-поршневого двигателя// Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа: Тез. докл. XXXI НТК.-М:МГТУ"МАМИ", 2003.-С. 126-129. Плешанов А. А., Малиованов М.В., Темное Э.С. К вопросу уточнения математической модели всережимного регулятора числа оборотов ДВС Н Материалы IX Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств». - Владимир-.ВлГУ, 2004. - С. 292 - 295. Темнов Э.С. К вопросу построения математического описания электромеханических элементов в ДВС// - Тула: ТулГУ, 2002. - 14 е.: ил. -Библиогр.: 3 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ

Темнов Э.С. К вопросу построения математической модели всережимного регулятора числа оборотов двигателя дизель-генераторной установки// Изв. ТулГУ. Сер. "Проблемы сельскохозяйственного машиностроения". Вып. 1-Тула: ТулГУ,2004.-С. 100-104.

»1909 1

РНБ Русский фонд

2006-4 15123

Изд.лиц ЛР№020300от 12 02 97

Подписано в печать /¿.ЮМ.

Формат бумаги 60*84 1/16 Уел пен Л 1,1 Уч-иэдл1,0

Тираж 100 экз Зшэ

Тульский государственный университет 300600, г Тула, просп Ленина, 92

Отпечатано в Издательстве Тульского государственного университета 300600, г Тула, ул Болдина, 151

Введение.

1. Построение математической модели ДВС.

1.1 Предварительные замечания.

1.2 Разработка исходной модели.

1.2.1" Принимаемые допущения и исходные уравнения модели.

1.2.2. Рабочие уравнения модели.;. а). Газодинамические процессы во впускной и выпускной системах. б). Трение в цилиндропоршневойг группе:. в). Теплообмен.:. г). Тепловыделение.

1.2.3. Разработка программного обеспечения и апробация модели расчетами

1.3. Разработка модели всережимного регулятора числа оборотов. коленчатого вала ДВС.

1.3.1. Анализ работы регулятора в системе «ДВС - регулятор».

1.3.2. Рабочие уравнения модели регулятора.

1.3.3. Разработка программного обеспечения и апробации модели регулятора расчетами.

1.4. Экспериментальная проверка адекватности модели системы «ДВС -регулятор».

1.5. Выводы.

2. Построение математической модели СПДВС.

2.1. Предварительные замечания.

2.2. Разработка исходной модели.

2.2.1. Принимаемые допущения и исходные уравнения модели.

2.2.2. Рабочие уравнения модели.

2.2.3. Разработка механизма управления.

2.3. Разработка программного обеспечения и апробации модели СПДВС расчетами.

2.4. Выводы.

3. Построение математической модели линейного электрического генератора •

3.1 Предварительные замечания.

3.2. Получение исходной модели линейного генератора.

3.2Л. Описание электромеханических процессов.

3.2.2. Получение рабочих уравнений модели линейного генератора.

3.3. Разработка программного обеспечения и апробации модели линейного генератора расчетами.

3.4. Выводы. ф 4. Моделирование генераторной части ДГУ традиционной схемы.

4.1. Предварительные замечания.

4.2. Получение исходной модели вращающегося генератора.

4.2.1. Анализ возможных конструкций генератора и рассмотрение подходов к их моделированию*.

4.2.2. Получение рабочих уравнений модели индукторного генератора.

4.2.3. Разработка механизма управления генератором.'!.7.

4.3. Разработка программного обеспечения и апробации модели индукторного генератора расчетами.

4.4. Выводы.

5. Построение математических моделей ДГУ.

5.1. Предварительные замечания.

5.2. Получение и исследование модели СПДГУ.

5.3. Получение и исследование модели ДГУ традиционной схемы.

5.4. Выводы.

Двигатель-генераторные установки (ДГУ) являются распространенным источником (производителем) электрической энергии в различных отраслях промышленности.

Наиболее широкое применение ДГУ в последнее время стали находить для питания систем подвижных автономных объектов. Они являются одними из основ их живучести и эффективности функционирования. Так, все большую необходимость в промышленности^ приобретают, передвижные электростанции, позволяющие производить ремонт устройств техники на месте ее поломки, подачу энергии при чрезвычайных ситуациях, а также доставку электроэнергии в отдаленные районы. Поэтому, в современном машиностроении, особую актуальность приобретает производство малоразмерных ДГУ, которые в сочетании с высокой надежностью для работы в полевых условиях, смогли бы обеспечивать подачу энергии в заданных объемах. То же можно сказать и о применении ДГУ в спецтехнике, где требования к установкам жестче, а на производство их наложен целый ряд технических и конструкторских ограничений. При этом на процесс создания новых видов установок в последнее время все большее влияние оказывает складывающаяся в мире экологическая обстановка, которая заставляет ученых всего мира искать « пути повышения экономичности и экологической чистоты привода ДГУ как одного из основных загрязнителей атмосферы.

В связи с изложенным, проблема улучшения рабочих характеристик ДГУ, как за счет определения рациональных значений конструктивных параметров (для традиционных схем), так и за счет расчета ДГУ новых схем, является актуальной.

В большинстве случаев в качестве приводов двигатель-генераторных установок традиционно используются первичные двигатели самих автономных объектов (двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на автомобилях, объектах мобильной техники и др.). Как правило, в качестве топлива в них (в основном из-за экономических соображений) используется дизельное.

В настоящее время практически безальтернативным является вариант конструкции-ДГУ, где приводная часть выполнена- в . виде ДВС с кривошипно-шатунным механизмом (ДВС с КТТТМ) и генераторная — в виде различных типов электрогенераторов с вращающимися роторами. Но помимо этой конструкции ДГУ может быть выполнено в виде безвальной свободно-поршневой установки. Преимущества такой конструкции существенны и к ним следует отнести:

- упрощение конструкции (исключение поршневых пальцев, шатунов, коленчатого и распределительного валов, их приводов и опор, то есть практически всех наиболее напряженных, крупных, сложных в производстве и дорогих деталей и узлов; использование цилиндропоршневых групп в качестве опор всей движущейся части модуля и исключение самостоятельных промежуточных опор; отсутствие общей рамы, соединительных муфт или других промежуточных деталей);

- упрощение технологического процесса производства (сокращение номенклатуры деталей; исключение наиболее громоздких и сложных в изготовлении деталей; возможность изготовления свободно-поршневой двигатель-генераторной установки (СПДГУ) в виде ограниченного набора стандартных модулей);

- улучшение технико-экономических характеристик (снижение расхода топлива до 30%, снижение расхода масла за счет, возможность значительного расширения диапазона генерируемой мощности, достигаемая модульностью исполнения СПДГУ, значительное снижение металлоемкости за счет упрощения конструкции);

- повышение эксплуатационной надежности (модульный принцип построения при полной автономности отдельных модулей, повышенный моторесурс за счет упрощения конструкции и использования рациональных смазочных масел);

- улучшение экологических характеристик (работа модулей на установившихся расчетных режимах, минимизация длительности переходных процессов, исключение вибраций за счет полной уравновешенности СПДГУ);

- улучшение массогабаритных и компоновочных характеристик (возможность свободной компоновки СПДГУ вследствие модульного исполнения, уменьшение массы и габаритов СПДГУ).

СПДГУ не получили до настоящего времени практического развития. Известны лишь несколько оригинальных их конструкций [30, 74, 78, 84]. Такое положение объясняется отсутствием реального опыта проектирования надежно действующих свободно-поршневых двигателей внутреннего сгорания (СПДВС) и эффективных линейных электрических генераторов.

Производство ДГУ на текущий момент отличает такая особенность, как раздельное проектирование и производство составных частей установки — двигателя и генератора. Это, в свою очередь, накладывает свои ограничения в виде ГОСТов на их производство. Зачастую именно применение отдельных стандартов к двигателю и генератору затрудняет их дальнейшее согласование как системы. Это объясняется тем, что ДГУ представляет собой достаточно сложную, существенно нелинейную, динамическую электротепломеханическую систему. В целом ее можно определить как совокупность механических, электромеханических, тепломеханических и магнитных подсистем, для которых характерна существенная взаимосвязь процессов, не позволяющая при динамическом анализе системы расчленить ее на отдельные независимые составляющие, потому что система в целом будет обладать качествами, не свойственными данным составляющим.

В основу исследования такой системы должен быть положен натурный подход, реализующий совместное рассмотрение взаимосвязанных движений твердых тел, электромагнитных процессов и процессов в газовых средах. При этом состояние системы определяется ее фазовыми координатами, к которым относятся: скорости ((Dj) и координаты (ф,) твердых звеньев, давления (pj) и температуры (Tj) газовых тел, токи (ij) и напряжения (Uj) генераторной части.

Такой подход позволит еще на стадии проектирования осуществить:

- выбор конструктивных параметров ДГУ, обеспечивающих требуемые характеристики устройства;- анализ установившихся и переходных режимов функционирования ДГУ;

- анализ возможности повышения экономичности и экологичности ДГУ.

Но, до настоящего времени достаточно полно рассматривались лишь составляющие системы ДГУ — двигатель и генератор. Остановимся более подробно на работах описывающих эти подсистемы, т.к. теоретические положения изложенные в них будут являться основой при совместном их рассмотрении.

Разработке математических моделей ДВС, как основных приводов ДГУ, посвящены труды ряда ученых: И.И.Вибе, Л.М.Жмурдяка, Б.А.Киселева, А.К.Костина, О.Г.Красовскош, М.Г.Круглова, В.И.Крутова, А.С.Куценко, А.С.Орлина, Р.М.Петриченко, Д.Р.Поспелова, А.СЛунды, Н.Ф.Разлейцева, Б.П.Рудого, Р.Р.Силлата, Н.П.Третьякова, В.К.Чистякова и многих других [6, 7, 10, 20, 25, 28, 29,32,33,34, 48,49, 55, 57, 58, 59, 61, 68, 71, 72, 73, 75, 76, 77, 81, 83].

Анализ перечисленных работ, выполненный в [56] показал, что существующие модели ДВС на достаточно высоком уровне описывают локальные аспекты его функционирования. В общем случае двигатель разделяют на 30-35 расчетных блоков [50]. Причем результаты расчета одного блока служат исходными данными либо граничными условиями для другого. Последовательными итерациями, где параметры протекания рабочего процесса на первом этапе задаются приближенно, а затем уточняются в процессе расчета, проводят расчет двигателя только для конкретных условий эксплуатации. Проследить взаимосвязь различных явлений протекающих в двигателе и получить общую картину функционирования двигателя "в целом" достаточно затруднительно.

Существующие модели, которые рассматривают двигатель "в целом" основываются, как правило, на экспериментальных данных. Ценность этих моделей при проектировании нового двигателя, существенно отличающегося от прототипа, ограничена [33, 35]. Такие модели отражают влияние многих индивидуальных особенностей, присущих только данному двигателю, в зафиксированных при эксперименте условиях эксплуатации, и поэтому их применение даже для расчета * достаточно близкого по классу двигателя представляет определенные сложности.

ДВС является динамической системой [40, 50], которая характеризуется цикличностью и нестационарностью рабочих процессов. Нестационарность преимущественно проявляется на пусковых и переходных режимах работы, которые занимают до 70% времени эксплуатации транспортного двигателя [10, 29, 50]. Проектировочные же расчеты проводятся с принятием допущения об установившемся режиме работы. Неучет динамических особенностей на стадии проектирования, как следствие, приводит к увеличению объема доводочных и отладочных работ. Последние более ориентированы на опыт и интуицию разработчика, чем на теоретические знания. Переоценка важности проведения натурных испытаний перед машинным экспериментом приводит к неизбежным затратам времени и средств. Сокращения материальных и временных затрат в процессе создания двигателя можно добиться за счет разработки методики проектировочных расчетов, базирующейся на математических моделях с достаточной степенью точности отражающих поведение двигателя в меняющихся условиях эксплуатации,"которые предоставляют возможность исследовать как установившиеся, так и переходные режимы его работы.

В работе [56] получена математическая модель, отражающая переходные процессы, происходящие в двигателе. На ее основе могут быть разработаны модели под другие различные конструкции ДВС. Данная модель может быть взята за основу и при рассмотрении двигательной части ДГУ.

Особенностью моделирования ДВС работающих на дизельном топливе является необходимость учета в модели двигателя новой подсистемы - регулятор числа оборотов коленчатого вала, который определяет стабильность, экономичность и задающий режим работы двигателя. Важность качества работы регулятора подчеркивается в [11], где предлагается электромеханическая схема, обеспечивающая процесс регулирования требуемого уровня. До настоящего времени при проектировании регуляторов процессу их динамическому взаимодействиях ДВС не уделялось достаточного внимания.

Так в [34], модель ДВС строится в упрощенном виде без рассмотрения процессов происходящих в двигателе. Идя по пути упрощения, осуществляется линеаризация модели, что негативным образом сказывается на ее адекватности.

При моделировании регулятора, в настоящее время на высоком уровне выполняется лишь статический расчет [34]; для осуществления динамического расчета необходимо сформировать модель новой системы «ДВС-регулятор».

Таким образом, до формирования математической модели ДГУ на основе дизельного ДВС, необходимо в модели последней сделать ряд существенных дополнений и уточнений.

Получение математической модели приводной части СПДГУ, несмотря на конструктивное отличие от традиционного ДГУ, может быть основано на аппарате, применяемом при математическом моделировании ДВС с КШМ [3].

Конструктивно СПДГУ представляет собой один или несколько модулей, состоящих из оппозитна расположенных цилиндров свободнопоршневых двигателей внутреннего сгорания, поршни которых жестко соединены с якорями линейных электрических генераторов. Исполнение в виде наборов автономных унифицированных малоинерционных модулей - основное отличие СПДГУ от традиционных ДГУ. В СПДГУ все межагрегатные и управляющие механические связи заменены информационными, реализуемыми микропроцессорным управляющим устройством - микроконтроллером. Именно микроконтроллер, исполняющий роль аналогичную регулятору числа оборотов коленчатого вала в ДВС с КШМ, действующий на основе специфических компьютерных технологий в оптимальном адаптивном управлении, обеспечивает работоспособность СПДГУ. Таким образом, учет регуляторной подсистемы в свободно-поршневом ДВС является необходимым условием получения модели отражающей переходные процессы, происходящие в двигателе.

Описание генераторной подсистемы как ДГУ традиционной схемы, так и СПДГУ может быть получено с использованием уравнений электротехники. Остановимся более подробно на работах описывающих эту подсистему.

Разработке математических моделей различных типов электрических машин посвящены труды ряда ученых: Д-ЭгБрускин* В.А. Веников, А.И. Вольдек, О. Д. Гольдберг, Г.П. Елецкая, В.М. Копылов, С.И. Маслов, Н.М. Рожнов, A.M. Русаков, A.M. Сугробов, П.А. Тыричев и многие другие [4, 5, 8, 12, 16, 22, 24, 26, 27, 60, 70, 79, 82].

Известные модели электрических машин (ЭМ), к которым относится и генератор, отличает исключительное разнообразие. Разработаны и развиты приближенные методы, в которых достаточно глубоко рассматривают различные установившиеся режимы для конкретных случаев [21, 23, 27]. Также в последнее время бурно развивается и моделирование переходных процессов в ЭМ [12, 13, 16,26].

Все методы, предлагаемые к применению для моделирования ЭМ, можно разделить на формальные и концептуальные. Первые [4, 12, 27] позволяют при использовании стандартных конструкций получить модель с минимальными временными затратами: Основными недостатками данного подхода являются ограниченность возможности исследования объекта, а также невозможность его применения при отклонении реальной конструкции от стандартной. Модели, получаемые при применении концептуального подхода [16, 26, 60], более сложны для получения, но позволяют наиболее точно рассмотреть все особенности объекта, понять его физическую структуру. Данный подход является единственно возможным при рассмотрении нестандартных конструкций ЭМ.

На протяжении ряда лет при моделировании использовалась классическая теория ЭМ [26,27]. В зависимости от целей исследований, при построении различных методик, как правило, вводятся дополнительные допущения об идеальной сглаженности выпрямленного тока, сохранение синусоидальной формы ЭДС, постоянстве коэффициентов взаимной индукции и отсутствии насыщения магнитной цепи во всех режимах работы.

Дальнейшее развитие классической теории осуществлялось по пути, в котором в каждом конкретном случае на основании различных гипотез проводится приближенный учет конструктивных особенностей активной зоны машины и не-линейностей характеристик магнитных материалов.

Создание современной теории ЭМ связано с интенсивным развитием математических методов численного анализа и вычислительных-средств.- Использование ЭВМ позволяет осуществить электромагнитный расчет различных электромеханических преобразователей, не прибегая к существенному искажению реальной физической картины, путем численного решения систем дифференциальных уравнений, характеризующих электромагнитное состояние объекта исследования в текущий момент времени. Дифференциальные уравнения электромагнитного состояния в совокупности с алгоритмом их решения составляют основу метода электромагнитных состояний [21, 26, 70].

В настоящее время достаточно хорошо проработаны и широко применяются два метода исследования низкоскоростных электромеханических систем (ЭМС) с помощью сосредоточенных параметров [16, 19]:

1. Первый метод базируется на физических законах с применением принципа возможных перемещений и закона сохранения энергии для получения механических сил (момента) электромагнитного происхождения;

2. Второй метод базируется на уравнениях Лагранжа второго рода;

При моделировании описание ЭМС можно разделить на три подгруппы [16,. 17]:

- вращающиеся преобразователи с неограниченным перемещением подвижной части (генераторы);

- преобразователи с ограниченным перемещением подвижной части (СП ДГ);

- электромагнитные статические преобразователи, не имеющие подвижных частей (трансформаторы).

Общим при моделировании является то, что математическое описание процессов электромеханического преобразования энергии основывается на дифференциальных принципах (используются принцип Даламбера, уравнения Кирхгофа). В общем случае уравнения, описывающие ЭМС, являются нелинейными функциями потокосцеплений электрических контуров " j=f(ib.,in, xi,.5 xk); j=l,.,n или токов ij=f(H/vj/n, xi,., xk); j=l,.,n в зависимости от координат, выбранных в качестве независимых переменных, определяющих состояние ЭМС.— •--■

Процесс математического описания процессов в электромеханических преобразователях можно разделить на следующие основные этапы [16, 65]:

1 - идеализация физических процессов в электромеханической системе (ЭМС) на основании принятых допущений с учетом конкретных условий поставленной задачи.

2 - построение системы дифференциальных уравнений, описывающих функционирование ЭМС.

3 - выбор рациональной системы координат.

4 - определение параметров идеализированных моделей ЭМС и установление связи их характеристик с конструктивными и эксплуатационными параметрами моделируемого устройства.

Среди принимаемых допущений, определяющих необходимый характер идеализации происходящих в ЭМС явлений, при построении различных математических моделей можно выделить следующие:

- реальную ЭМС с распределенными параметрами заменяем идеализированной ЭМС с сосредоточенными параметрами, которую можно представить как совокупность схем замещения механических, электрических и магнитных цепей;

- статическим гистерезисом магнитомягких материалов пренебрегаем, и определяем их характеристики основной кривой намагничивания;

- динамический гистерезис учитываем, считая реальные вихревые токи, распределенные по сердечнику, сосредоточенными в короткозамкнутых контурах с эквивалентными активными сопротивлениями;

- сосредоточенные параметры магнитных цепей определяем расчетом статических (нулевого порядка) цепей.

Вышеописанная методика построения модели ЭМ может быть использована в качестве основы для рассмотрения генераторной части ДГУ.

В соответствии с изложенным, целью диссертации является разработка теоретической базы, включающей математическое, программное, методическое обеспечение исследования функционирования ДГУ, что позволяет сократить материальные, временные затраты^а-их проектирование и доводку.

Цель была реализована в результате постановки и решения следующих задач:

1. Разработки математической модели и программного обеспечения приводной части ДГУ.

2. Разработки математической модели и программного обеспечения функционирования регуляторов характеристик движения, для различных схем тепловых двигателей.

3. Разработки математических моделей ДГУ «в целом», использующих генераторы с поступательным и вращательным движением якоря, отражающих их функционирование в переходных, установившихся режимах и позволяющих осуществить расчет динамических характеристик названных объектов.

В качестве объектов исследования были выбраны одноцилиндровый малоразмерный дизельный -двигатель ТМЗ-450Д производства ОАО АК "Туламашза-вод", индукторный генератор ГУ6(8) производства ООО "Блеск", свободно-поршневая двигатель генераторная установка [47] й дизель-генераторная установка ДГУ 5 - П27.5 - ВМ1 производства ОАО АК "Туламашзавод".

Предметом исследования являются механические, тепломеханические и электромеханические процессы, происходящие в ДГУ.

При решении поставленных задач был применён теоретико-экспериментальный метод, построенный на использовании методов тепломеха-ники, электромеханики, статистического анализа и вычислительной математики.

Результаты решения поставленных задач представлены в настоящей диссертационной работе, состоящей из введения, пяти глав и заключения.

Во введении рассмотрены основные требования, предъявляемые к описанию ДГУ, а также задачи и методы исследования механических, тепломеханических и электромеханических процессов ДГУ. На основе анализа существующих в данном направлении работ обоснована актуальность, сформулирована цель и определены задачи настоящей диссертации.

5.4. Выводы

1. Построена динамическая модель ДГУ на основе ДВС с кривошипно-шатунным механизмом и индукторного генератора, описывающей ее функционирование в условиях установившегося и переходного режимов.

2. Разработано программное обеспечение расчета ДГУ на основе ДВС с кривошипно-шатунным механизмом и индукторного генератора, позволяющее исследовать влияние конструктивных параметров и учесть взаимодействие процессов регулирования на показатели работы ДГУ.

3. Построена динамическая модель СПДГУ на основе СПДВС и линейного генератора, описывающей ее функционирование в условиях5 установившегося и переходного режимов.

4. Разработано программное обеспечение расчета СПДГУ на основе СПДВС и линейного генератора, позволяющее исследовать влияние конструктивных параметров и учесть взаимодействие процессов регулирования на показатели работы СПДГУ.

5. Выполнена серия тестовых расчетов, подтверждающих адекватность разработанного программного обеспечения.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. Предложен и реализован системный подход к описанию функционирования ДГУ как единого нелинейного динамического объекта с элементами различной физической природы, при этом описание приводной части выполнено с использованием аппарата тепломеханики, а генераторной с использованием аппарата электромеханики, которые объединены общей переменной — временем.

2. Разработаны математические модели различных конструкций приводной части ДГУ. При этом: а) для двигателя традиционной схемы осуществлено уточненное описание с учетом динамики центробежного регулятора числа оборотов коленчатого вала; б) для свободнопоршневого двигателя в модель введена связь, обеспечивающая возможность регулирования скорости и хода поршня.

3. Проведено теоретическое исследование функционирования приводной части ДГУ, в ходе которого: а) для двигателя традиционной схемы:

- выявлено существенное влияние на выходные характеристики двигателя основных конструктивных параметров регулятора (число шариков, масса рычагов и диска, жесткость пружины);

- установлено отрицательное воздействие на названные характеристики силы трения на оси рычагов регулятора и зазора в сопряжении «вилка-рейка»;

- смоделированы нештатные ситуации в работе регулятора (заедание шарика, перекос диска);

- рекомендовано при исследовании моделей с высокой частотой изменения данных (угловая скорость) для их первичного анализа использовать процедуру сглаживания, выделяя медленно меняющуюся составляющую. б) для свободнопоршневого двигателя:

- получена регрессионная зависимость устанавливающая связь параметров управления (давление свежей топливной смеси, подаваемой в цилиндр (рд) и опережение поршня в момент подачи зажигания (х3)) с величиной нагрузки, позволяющая осуществить стабилизацию хода и скорости поршней с погрешностью не более 7 %.

4. Разработаны математические модели генераторной части ДГУ. При этом: а) для линейного генератора:

- приведено математическое описание электромеханических процессов в генераторе;

- получена схема замещения- магнитной цепи генератора и приведен алгоритм ее описания; б) для вращающегося генератора:

- выбран рациональный подход к описанию индукторного генератора;

- получена модель регулятора выходного напряжения и показано влияние его параметров на функционирование генератора

5. Построены и апробированы расчетами математические модели ДГУ для традиционной и линейной схем, в результате исследования которых: а) для СПДГУ:

- получен математический аппарат позволяющий установить работоспособность конструкции и осуществить поиск новых решений, обеспечивающих повышение кпд установки до необходимых значений; б) для ДГУ традиционной схемы:

- установлено изменение нагрузочного момента на двигатель со стороны генератора при постоянстве электрической нагрузки со стороны потребителя;

- выявлена существенная зависимость стабильной работы устройства от согласованности параметров регуляторов в нее входящих;

- получено программное обеспечение, позволяющее на стадии проектировочных расчетов осуществить проверку работы устройства на различных режимах работы.

6. Экспериментальные исследования функционирования ДГУ традиционной схемы и ее подсистем показали достаточную степень точности отражения разработанными математическим моделями реальных процессов протекающих в названных объектах, а именно: а) для приводной части (ТМЗ-459Д) при набросе нагрузки с 0 до 10 Н*м расчетные и экспериментальные характеристики установившегося и переходного процесса составляют:

- неравномерность регулирования 23 и 18 об/мин соответственно;

- время переходного процесса 0,42 и 0,5сек соответственно;

- величина перерегулирования 26 и 24 об/мин соответственно. б) для установки ДГУ в целом (ДГУ 5 - П27.5 - ВМ1):

- расчетная неравномерность регулирования не превышает ± 0.25 В, при технических требованиях ± 1 В.

1. Авдеев К.А. Динамическая теория двигателей внутреннего сгорания: Учеб. пособие/ К.А. Авдеев, М.В. Малиованов. Тула: ТулГУ, 2002. - 100 с.

2. Авдеев К.А. Разработка обобщённой динамической модели свободнопоршневого ДВС и её использование при создании высокоскоростных дизель-молотов/ К.А. Авдеев, И.Е. Агуреев, М.В. Малиованов//Тез. докл. VII междунар. НПС. Владимир: ВлГУ, 1999. - 161 -164 с.

3. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины и микромашины/ Д.Э. Брускин, А-Е. Зорохович, B.C. Хвостов. М.: Высшая школа, 1970. - 430 с.

4. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах/ В.А. Веников. М.: Высшая школа, 1985. — 320 с.

5. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателя/ И.И. Вибе. М.: Машгиз, 1962.-271 с.

6. Виншейдт В.А. Дизели (справочник)/ В.А. Виншейдт. Л.: Машиностроение, 1977. -479 с.

7. Вольдек А.И. Электрические машины/ А.И. Вольдек. JL: Энергия, 1978. - 840 с.

8. Ю.Вырубов Д.Н. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для вузов. / Д.Н. Вырубов, Н.А. Ива-щенко, В.И. Ивин и др. Под общ. ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1983.-372 с.

9. П.Геращенко В.В. Всережимный регулятор повышает экономичность дизельных

10. АТС/ В.В. Геращенко// Автомобильная промышленность. №3-М.: 1993.-С. 16-17.

11. Гольдберг О. Д. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования/ О. Д. Гольдберг, О.Б. Буль, И.С. Свири-денко, С.П. Хелемская. -М.: Высш. шк., 2001 512 е.: ил

12. Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин/ О.Д. Гольдберг, Я.С. Турин, С.И. Свириденко. -М.: Высшая школа, 2001. 430 с.

13. Горев А.А. Переходные процессы синхронной машины/ А.А. Горев. М.: Высшая школа, 1950. - 190 с.15;Дьяконов В.П; Mathcad 7.0 в математике, физике и в Internet/ В.П. Дьяконов, И.В. Абраменкова. М.: «Нолидж», 1998. - 352 с.

14. Елецкая Г.П. Основы электромеханики: Учебное пособие/ Т.П. Елецкая. — Тула: ТЛИ, 1984.-98 с.

15. Елецкая Г.П. Разработка и исследование математической модели двигательгенераторной установки на базе свободнопоршневого ДВС/ Г.П. Елецкая, «

16. М.В. Малиованов, Э.С. Темнов, Р.Н. Хмелёв // Изв. ТулГУ. Сер. "Автомобильный транспорт". Вып. 8 Тула: ТулГУ, 2004. - С. 79-88.

17. Елецкая Г. П. Электромеханические системы/ Г. П. Елецкая, Н. С. Илюхина, А. П. Панков. -Тула: ТулПИ, 1990 -76 с.

18. Жмудяк JI.M. Оптимизация рабочих процессов дизелей и перспективных двигателей на ЭВМ/ Л.М. Жмудяк. Барнаул: АлтТУ, 1992. - 98 с.

19. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины/ А.В. Иванов-Смоленский. М.: Энергоатомиздат, 1980. - 927 с.

20. Исследование автоматизированных электроприводов, электрических машин и вентильных преобразователей: Тематический сборник научных трудов/ Под ред. В.А. Лифанова и С.Д. Левинтова. Челябинск: ЧПИ, 1983. - 127 с.

21. Касаткин А.С. Электротехника: Учебное пособие для вузов/ А.С. Касаткин, "' М.В. Немцов. 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1983: - 440 е., ил.

22. Кислицин А.Л. Расчет магнитных полей электрических машин методом конечных элементов/ A.JI. Кислицин, А.М. Крицштейн, Н.И. Солнышкин, А.Д. Эрнст. — Саратов: Издательство Саратовского университета, 1980. —175 с.

23. Кондрашов В.М. Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания /В.М. Кондратов, Ю.С. Григорьев, В.В. Тупов и др. М.: Машиностроение, 1990. — 272 с.

24. Копылов И.П: Математическое моделирование электрических машин/ И.П. Копылов. М.: Высшая школа, 2001. - 327 с.

25. Копылов И.П. Электрические машины/ И.П. Копылов. — М.: Высшая школа, 2002. 607 с.

26. Костин А.К. О теплопередаче в быстроходном карбюраторном двигателе воздушного охлаждения/ А.К. Костин, В.А. Елабугин, В .А. Томилов// ПермПИ. Сб. научн. трудов № 46. Пермь: Изд-во ПермПИ, 1966. С. 83-88.

27. Костин А.К. Работа двигателей в условиях эксплуатации: Справочник/ А.К. Костин, Б.П. Пугачев, Ю.Ю. Кочинев. Под общ. ред. А.К. Костина. JL: Машиностроение, 1989. - 284 с.

28. Кошкин В. К. Свободнопоршневые генераторы газа для газотурбинных ус-«тановок/ В. К. Кошкин, JI. М. Майзель, Б. М. Черномордик. М.: MALLI-ГИЗ, 1963.-140 с.

29. Крон Г. Применение тензорного анализа в электромеханике/ Г. Крон. — М.: Высшая школа, 1956. 255 с.

30. Круглов М.Г. Газовая динамика комбинированных ДВС/ М.Г. Круглов, А.А. Меднов. М.: Машиностроение, 1988. - 360 с.

31. Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания/ В.И. Крутов. М.: Машиностроение, 1979. - 615 с.

32. Крутов В.И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания/ В.И. Крутов. -М.: Машиностроение, 1989. 420 с.

33. Кругов В.И. Двигатель внутреннего сгорания как регулируемый объект/ В.И. Крутов. М;: Машиностроение, 1978. - 526 с.

34. Лайбл Т. Теория синхронной машины при переходных процессах/ Т. Лайбл. М.:ГЭИ, 1957.-253 с.

35. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математической статистической обработки наблюдений/ Ю.В. Линник. -М.: Физмат, 1962 -130 с.

36. Лозенко В К. Ретроспективный анализ развитая вентильных электродвигателей/ В .К. Лозенко// Докл. 6-го тучно-практического семинара; Вентильные электромеханические системы. Рынок. Наука. Производство-М: Изд-во МЭИ, 1996,—с. 14-19

37. Малиованов М.В. К вопросу получения модели двигатель-генераторной установки/ М.В. Малиованов, Э.С. Темнов // Изв. ТулГУ. Сер. «Автомобильный транспорт». Вып. 6 Тула: ТулГУ, 2002. - С. 135-139.

38. Малиованов М.В. Динамическая теория ДВС (целесообразность создания и этапы разработки)/ М.В. Малиованов// Изв. ТулГУ. Сер. "Автомобильный транспорт". Вып. 2. Тула: ТулГУ, 1998. - С. 189-196.

39. Малиованов М.В. Тепломеханйка как теоретическая база исследования ДВС / М.В. Малиованов// Вопросы проектирования и создания автотранспортных средств и систем: Изв. ТулГУ Тула: ТулГУ, 1995 - С. 154-162.

40. Мамонтов М.А. Вопросы термодинамики тела переменной массы/ М.А. «

41. Мамонтов. М.: Оборонгиз, 1961. - 148 с.

42. Мамонтов М.А. Основы термодинамики тела переменной массы/ М.А. Мамонтов. — Тула: Приокское книжное издательство, 1970. 87.

43. Мамонтов М.А. Теплотехника тела переменой массы — основа теории пневмоприводов/ М.А. Мамонтов// Пневматические приводы и системы управления.-М.: Наука, 1971.-С. 8-18.

44. Маслов С.И. Введение в теорию и практику электромеханических систем/ С.И. Маслов, П.А. Тыричев. Под ред. С.И. Маслова. М.: Изд-во МЭИ, 1998. - 96 с.

45. Маслов С.И., Тыричев П.А. Силовые элементы электромеханических систем/ С.И. Маслов, П.А. Тыричев. Под ред. С.И. Маслова. -М.: Изд-во МЭИ, 1999. -128 с.47.Патент РФ 2150014.

46. Петриченко P.M. Рабочие процессы поршневых машин/ P.M. Петриченко, В.В. Онософский. — Л.: Машиностроение, 1972. 168 с.

47. Петриченко Р.М Физические основы внутрицилиндровых процессов в ДВС/ Р.М. Петриченко. Ленинград: Изд-во ленинградского университета, 1985.- 168 с.

48. Петриченко P.M. Элементы автоматического проектирования ДВС/ P.M. Петриченко, С.А. Батурин, Ю.Н. Исаков и др. Л.: Машиностроение, 1990. - 328 с.

49. Поздеев Г.В. Определение и моделирование трения в цилиндропоршневой группе/ Г.В. Поздеев, Д.О. Воронин// Изв. ТулГУ. Сер. "Автомобильный транспорт". Вып. 2-Тула: ТулГУ, 1997. С. 161-166.

50. Пунда А.С. Численное моделирование индикаторного процесса дизеля на ЭВМ: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию/ А.С. Пунда. Л.: ЛВИМУ, 1990. - 3 0 с.

51. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях/ Н.Ф. Разлейцев. Харьков: Вища школа, 1980. - 169 с.

52. Рожнов Н.М. Вентильные генераторы автономных систем электроснабжения/ Н. М. Рожнов, A.M. Русаков, A.M. Сугробов, П.А. Тыричев. М.: Издательство МЭИ, 1996. - 280 е.: ил.

53. РудойБ.П. Теория газообмена ДВС/Б.П. Рудой. -Уфа: УАИ, 1978.-110 с.

54. Соболев Л.Г. Сглаживание и идентификация экспериментальных трендов с помощью обобщения усреднений/ Л.Г. Соболев, С.Н. Рогов. М.: Двигате-лестроение №4, 2004 - С. 27 - 29

55. Справочник по электрическим машинам. В 2-х т./ Под ред. И .П. Копылова и Б.К. Клокова. Т.1 М.:Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.

56. Справочник по электрическим машинам. В 2-х т./ Под ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т.1 М.:Энергоатомиздат, 1989. - 686 с.

57. Темнов Э.С. К вопросу построения математического описания электромеханических элементов в ДВС/ Э.С. Темнов.// Тула: ТулГУ, 2002. - 14 е.: ил. - Библиогр.: 3 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ

58. Технический отчет по теме: "Разработка обобщенных динамических моделей ДВС, обеспечивающих расчет конструктивных параметров двигателя с учетом изменяющихся во времени условий эксплуатации". — ТулГУ, 1997. 36 с.

59. Третьяков Н. Синтез циклов карбюраторных двигателей с помощью ЭВМ. Динамика и прочность автомобиля и трактора/ Н. Третьяков// Межвузовский сборник научных трудов. М.: МАМИ, 1983. - С. 11-18.

60. ТУ №4561-004-07514340-2001 «Дизели ТМЗ-450Д».

61. Уайт Г. Электромеханическое преобразование энергии/ Г. Уайт, Д. Вудсон. -М.: 1964.-528 с.

62. Хачиян А.С. Двигатели внутреннего сгорания. / А.С. Хачиян, К.А. Морозов, В.Н. Луканин и др.; Под ред. В.Н. Луканина. М.: Высшая школа, 1985. - 311 с.

63. Хмелёв Р.Н. Исследование влияния газодинамических процессов на-функционирование ДВС. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук/ Р.Н. Хмелёв. Тула: ТулГУ, 2002. - 137 с.

64. Чистяков В.К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания: Учебн. пособУ В.К. Чистяков. М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.

65. Эджибия И. Ф. Устойчивость работы и регулирование свободнопоршневых двигателей/ И. Ф. Эджибия. Тбилиси: издательство "Мецниереба", 1976. - 230 с.

66. Эфрос В.В. Дизели воздушного охлаждения Владимирского тракторного завода/ В.В. Эфрос и др. М.: Машиностроение, 1976. - 277 с.

67. Parviz Famouri. Power System Harmonics. Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering/ Parviz Famouri, William R. Cawthorne. New York: John Wiley and Sons, 1998. - 290 c.

68. Mathcad 8. Copyright MathSoft, Inc. 1986-1998.

69. Seifert Eberhard. Kraft aus derGerischdynamik/ Seifert Eberhard // AMZ: Auto.

70. Mot., Zubehor. № 4 1996., -40 c. 82.Silvester P. P. Finite Elements For Electrical Engineers/ P. P. Silvester, and R. L. Ferrari// Cambridge University Press. - Cambridge: 1983., - 87 c.

71. Tu J.Y. Overlapping grids and multigrid methods for three dimensional unsteady flow calculations in 1С engines / J.Y. Tu, L. Fuchs // Int. J. Numer. Meth. Fluids. №6-1992., C. 693-714.