автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Улучшение технико-эксплуатационных и экологических показателей погрузчиков путем применения комбинированных энергоустановок

Перечень основных принятых сокращений и обозначений.

Введение. . ( I

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1 Состояние механизации погрузочно-разгрузочных работ в сельском хозяйстве.

1.2. Электропогрузчики.

1.3. Источники энергии в электропогрузчиках.

1.3.1. Энергетические установки с электрохимическими источниками энергии.

1.3.2. Емкостные накопители энергии в энергетических установках ЭПГ.

1.4. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Обобщенная математическая модель электропогрузчика с комбинированной энергоустановкой.

2.1. Общая характеристика модели ЭПГ с КЭУ.

2.2. Подмодель динамики и условий движения электропогрузчика.

2.3. Статистический анализ технологических режимов и расчет основных элементов комбинированной энергоустановки.

2.3.1. Методика проведения эксперимента.

2.3.2. Описание осциллограмм, полученных в результате эксперимента.

2.3.3. Результаты статистического анализа.

2.3.3.1. Выбор шага квантования.

2.3.3.2. Выбор длины реализации.

2.3.3.3. Доказательство стационарности прог^ессов.

2.3.3.4. Эргодичность процесса.

2.3.3.5. Определение закона распределения.

2.4. Моделирование системы электропривода.

2.4.1. Модель тяговых электродвигателей.

2.4.2. Моделирование системы управления электроприводом.

2.5. Подмодель комбинированной энергетической установки.

2.5.1. Моделирование тяговых аккумуляторных батарей.

2.5.2. Моделирование емкостного накопителя энергии.

2.5.3. Моделирование работы комбинированной энергоустановки.

2.6. Выводы по главе 2.

Глава 3. Моделирование интегральных технико-эксплуатационных показателей ЭП. Программная реализация обобщенной математической модели.

3.1. Технико-эксплуатационные электропогрузчика.

3.2. Особенности программной реализации математической модели ЭП.

3.3. Проверка адекватности разработанной обобщенной математической модели ЭПсКЭУ.

3.4. Выводы по главе 3.

Глава 4. Анализ рабочих процессов и взаимосвязей конструктивных параметров электропогрузчика и комбинированной энергоустановки с интегральными технико-эксплуатационными показателями.

4.1. Интегральные показатели электропогрузчика с однородной энергетической установкой.

4.1.1. Электропогрузчик с энергоустановкой на базе аккумуляторной батареи.

4.1.2. ЭПГ с емкостным накопителем энергии.

4.2. Особенности процессов и взаимосвязей в ЭПГ с КЭУ.

4.3. Рекомендации по созданию ЭПГ с КЭУ, содержащей ЕН.

4.4.Выводы по главе 4.

В настоящее время интенсивно проводятся исследования по разработке экономичных систем тяговых приводов для напольного электрического -7 транспорта. Решение этой проблемы позволит увеличить пробег без подзарядки АБ и улучшить условия эксплуатации транспортного средства. Экономичность тягового привода электропогрузчика может решаться двумя путями- к*?** С***" диумл пудими. € Г. -т

1. Создание новых химических источников питания. 7°К

2. Разработка КЭУ для тяговых приводов электропогрузчиков. Второй путь является более приемлемым для предприятий, имеющих большой парк электропогрузчиков. Потому, что замена их АБ новыми сопряжена с большими трудностями и экономическими потерями. И даже при наличии энергоемких химических источников тока применение КЭУ позволит увеличить время межзарядного пробега транспортного средства.

Сейчас все шире находят применением тиристорные системы управления тяговыми электродвигателями, преимущество использования которых по сравнению с существующими способами управления показаны,

Например в /41, 73, 75, 80, 87 и др./. Однако получить наибольший эффект о можно только при определении^правления.

Для решения этих задач необходима разработка ряда вопросов: % математическое описание источника питания, анализ режимов движения,/ л электропогрузчика, исследование динамических свойств системы для у* непрерывного и дискретного вариантов, а также снижение потребления и потерь энергии при обеспечении заданных режимов движения. Этими вопросами в течение ряда лет занимается много авторов.

В частности, математическому описанию химических источников тока " как элементов системы тягового электропривода и электрической цепи вообще, а также анализу параметров аккумуляторных батарей в различных условиях посвящены работы Гинделиса Я.Е., Дасояна М.А., Любиева О.Н.,

Несмотря на то, что поставленные выше вопросы достаточно подробно освещены в литературе/Не все еще проблемы решены. Так, выбор мощности и энергоемкости основных элементов тягового привода и комбинированной энергоустановки производится на основе детерминированного цикла движения /62, 72/, хотя реальный график движения транспортного средства носит случайный характер. ,£звшк©м- упрощенно дается математическое описание аккумуляторных батарей.

При расчете комбинированных энергоустановок /45/ не учитывается реальная нагрузка тягового электропривода. Принципам управления тягового привода с КЭУ практически не уделяется внимания, хотя в /45, 62/ предлагается введение различных обратных связей, а в /8, 36/ подчеркивается необходимость управления режимами работы источников питания в КЭУ. Отсутствуют оценки динамических свойств замкнутых систем тягового привода с КЭУ, рекомендация по выбору регуляторов, что не позволяет использовать все возможности комбинированных энергоустановок.

Вышеизложенное определяет актуальность теоретических и экспериментальных исследований тягового привода и комбинированной энергоустановкой для автономных транспортных средств.

Общие выводы

Выполненный комплекс исследований позволил установить следующее:

1. Анализ состояния и тенденций развития транспортных средств показал, что определенно устойчивой является тенденция расширяющегося применения и, соответственно, производства электропогрузчиков с электроприводом. Среди электрифицированных ЭП самостоятельную группу, предназначенных для перемещения в различных пространственных границах и особенно на ограниченных территориях. Этим в ряде случаев обеспечивается более высокие маневренность и эффективные использование запасенной на борту ЭП энергии.

2. Исследование всего круга вопросов, связанных с организацией рационального энергообмена в подсистемах электропогрузчика возможно осуществить на базе разработанной в диссертации новой математической модели ЭП с КЭУ. Ее новизна обусловлена отличительными особенностями: учетом впервые совместной работы в энергоустановке электропогрузчика аккумуляторной батареи и емкостного накопителя энергии; предложенным методом учета изменения вольтамперных характеристик комбинированной энергоустановки аппроксимирующими выражениями, учитывающими изменение степени ее заряженности; моделирование подсистемы электропривода, включающего электродвигатели со всеми возможными видами возбуждения, при соответствующем изменении аппроксимирующих выражений, описывающих изменение магнитного потока ТЭД в функции его тока возбуждения;

- возможностью учета рекуперации энергии при торможении ЭП.

3. Показано, что современный уровень развития аккумуляторов и емкостных накопителей энергии позволяет в настоящее время создавать ЭП с высокими технико-эксплуатационными показателями. Так, при питании ЭП только от аккумуляторов электрохимической системы, обеспечивается ее пробег до 50 км при одном заряде ТАБ при максимальных скорости да 15 км/ч и преодолеваемом уклоне до 10°. Такие однородные энергоустановки с ТАБ целесообразно использовать в универсальных электропогрузчиках, предназначенных для перемещения грузов в открытых пространствах, в том числе в условиях пересеченной местности.

4. Получено, что однородные энергоустановки на базе только ЕН, позволяют обеспечить запас хода до двух км. Это с учетом высокой экологичности позволяет уже сейчас рекомендовать ЕН к широкому применению в ЭП, предназначенных для эксплуатации на ограниченных территориях, например в электроштабелерах овощных баз.

5. Установлено, что эффективное уменьшение пусковых токов АБ при совместной работе в КЭУ аккумуляторов и ЕН, обеспечивается при внутреннем сопротивлении емкостного накопителя на 50% меньшем, чем у аккумуляторной батареи.

6. Применение рекуперативного торможения ЭП с запасанием энергии в ЕН практически не оказывает влияния на технико-эксплуатационных показателях электропогрузчиков, эксплуатируемых на ограниченных территориях, имеющих максимальную скорость до 6 км/ч. Рекуперация будет эффективной при движении с максимальными скоростями до 12-15 км/ч. При этом удельная энергоемкость ЕН должна быть не менее 15 Дж/г. Увеличение запаса хода составит за счет рекуперации 15%.

7. Доказано что при параметрах серийно выпускаемых ЕН целесообразно постоянное параллельное включение в КЭУ ТАБ и емкостного накопителя. При эксплуатации со скоростью 12-15 км/ч и удельной энергоемкости ЕН 15-20 Дж/г в ЭП рекуперация дает 7% эффект и может быть рекомендована схема поочередного подключения накопителя с ТАБ.

1. Цибулка Ян. Качество пассажирских перевозок в городах /пер. с чешек.- М.: Транспорт, 1987.

2. Architektinickt bariery-jejich odstranovani.- Прага, 1987.

3. Housing for people with disabilities. London, 1989.

4. Типовая инструкция по обеспечению передвижения, пользующихся, в проектах общественных зданий: планировки и застройки населенных м'ест.-М.,1988.

5. Федутинов Ю.А., Шкляев H.A. Обеспечение возможности передвижения инвалидов и престарелых в больших городах //Сб. «проблемы больших городов» .-М.:МГЦНТИ, 1989.

6. Федутинов Ю.А., Шкляев H.A. Транспорт. -М.: Знание, 1990.-64с.-(Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Транспорт»; №11).

7. Аль-Масуд Тауфик. Индивидуальное транспортное средство с электроприводом и емкостным накопителем энергии. Дисс.канд.техн.наук. -Москва, 1995г.

8. Чайковский И.П., Соломатин П.А. Рулевые управления автомобилей. М.: Машиностроение, 1987, с. 176.

9. Фесенко М.Н., Капелинский A.B. Электропривод с емкостным накопителем энергии // Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1992, с.568.

10. Ю.Чиликин М.Г., Соколов М.М. и др. Основы автоматизированного электропривода. -М.: Энергия, 1974, с.568.

11. Серводвигатели SD-B. Руководство по эксплуатации №01. Bosch Indastrieans rustung. -№3820/Р 1-4/86.

12. Тенденции развития в США рынка малых электродвигателей.

13. Кенио Т. Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ.- М.: Энергоиздат, 1989, с. 184.

14. Henrich G. Telma Retarder Deuchland GmbH/ Germany/ The Present status off Electro-Magnegnetic Retardes in commtrcial Vehicles/ ISATA-26, 1993 p.313-324.

15. Гулна H.B. Накопители энергии. M.: Наука, 1980, с.220.

16. Пополов A.C. Солнечный транспорт. М.: Транспорт, 1996. -166с.

17. Эйдинов A.A. Электромобили. Учебное пособие .- М.: МАМИ, 1997,с.80.

18. Эйдинов А.А, Дижур М.М. Направления развития тяговых источников тока для электромобилей. -М.: НАМИ, 1995, с.20.

19. Эйдинов A.A. Развитие систем автомобильной электротехники. .М.: НИИНавтопром, 1985, с.46.

20. Brusaglino G/ Electric Vehicle Development in Fiat // SAE-1991-№910244 p.27-52.

21. Проспект фирмы МАЙРА; MEYRA. Rollestuhle und Rehabilitationsmittle, Kalletal, 1996.

22. Проспект фирмы «ИНВАКАР»; 1993.

23. Проспект фирмы «ОРТОПЕДИЯ»; 1994.

24. Фесенко М.Н. , Хортов В.П., Чижиков Ю.П. Система электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания с конденсаторными батареями. //Межвузов. Сб. научн работ: Исследование автомобильных и транспортных двигателей. М.: МАМИ, 1987, Вып.8 с.56-62.

25. Накопители энергии / Бут Д.А. Апиевский Б.П., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В. М.: Энергоатомиздат, 1991, с.400.

26. Электромобиль техника и экономика / Щетина В.А. —Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение. 1987, с.253.

27. Ставров O.A. Перспективы создания эффективного электромобиля.-М.: Наука, 1984, с.28.

28. Рычков В.А., Денисенко C.JL, Козлов А.Ю. Исследование никель-цинковой батареи для электромобиля // Техническая электродинамика. 1982, №3 с. 102-105.

29. Шапот М.Б., Ужиков Б.И. состояние и перспективы развития никель-железных и никель-кадмиевых тяговых аккумуляторов // Сб. работ по химическим источникам тока. JL: Энергия, 1975, №10,с 147-159.

30. Теплинская Т.К., Машевич М.Н., Брустина Б.Б. Состояние, тенденции и перспективы научных исследований и разработок в области технологии тяговых аккумуляторов. -М.: Информэлектро, 1980, с.40.

31. Brodd R.J. new battery tehnology for electric vehicles // Elec. Veh. New. -1981,-10,-1 .p.4-7.

32. Исследование тяговых систем автотранспортных средств (АТС) с бортовыми источниками энергии различной физической природы. Отчет о НИР// Петленко Б.И., Листвинский М.С., и др./-М.: МАМИ 1993, №Г.р. 14900.

33. Аль-Масуд Туафик, Прохоров В.А, Петленко А.Б., Гурьянов Д.И. Электропривод индивидуального транспортного средства особо малогокласса // Научно-техн. прогресс в автомобилестроении /Тез. докл. Научно-техн.конф.-М.: 1994, с.46.

34. Дижур М.М., Эйдинов A.A. Расчетные исследования возможностей тяговых источников тока для электромобилей // Совершенствование технико-экономических показателей автомобильной техники /Сб.научн.тр,- М.: МАМИ, 1996, с.50-58.

35. Гурьянов Д.И., Воротников В.П., Петленко А.Б., Фомин А.П. К построению тяговых систем электромобилей // Материалы четвертого симпозиума. -М.: НИИАЭ, 1993. с.81-82

36. Докучаев C.B., Луганский К.П., Петленко А.Б, Тауфик Аль-Масуд. Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств/Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1995, с.33-38.

37. Быстрозарядные тяговые и стартерные батареи сверхемких конденсаторов. Новые экологически чистые источники энергии. Проспект фирмы ЭСМА. Москва, 1996.

38. Нгуен Куанг Тхиеу. Развитие солнцемобилей за рубежом // Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1995, с.55-58.

39. Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф., Бортников Ю.С., Иванов A.M., Постаногов В.П. электромобили. -М.:ВНТИЦентр, 1984.

40. Ставров O.A. Электромобили. -М.: ВИНТ информации, 1976.

41. Козловский А.Б., Яковлев А.И. Испытательные цикоы электромобиля //Автомобильная промышленность -М.: 1983, -№2.

42. Козловский А.Б., Яковлев А.И. Испытательные циклы электромобиля // Автомобильная промышленность.-М.:1979. -№1.

43. Щетина В.А„ Богомазов В.А. Влияние технико-экономических показателей автомобилей на эффективность их использования //Автомобильная промышленность. -М.: 1994, -№5.

44. Изосимов Д.Б., Макаров В.К. Система управления движением транспортного средства с учетом сухого трения колес и дорожного покрытия // Системы с разрывным управлением. / Сб.научн.тр. М.: Институт проблем управления, 1982.

45. Изосимов Д.Б., Макаров В.К. система управления движением транспортного средства с учетом сухого трения колес и дорожного покрытия // Системы с разрывным управлением/Сб.научн.тр.- М.: Институт управления, 1982.

46. Украины; Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта.

47. Петленко А.Б. Емкостные накопители энергии в электротранспортных средствах малого класса // Проблемы развития локомативостроения / Тез. докл. Международной научно-техн. конф. -М.: МИИТ 1996, с.65-66.

48. Петленко А.Б. Электрифицированная инвалидная коляска с энергосберегающей установкой // Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта/ Тез. докл. 2 Международной научно-техн. конф. -М.: МИИТ 1996, том 1 с.133.

49. Петленко А.Б. Электропривод инвалидной коляски // Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития / Тез. докл. С Международным участием. -Ульяновск: УдГТУ, 1996, часть 1, с. 14-15.

50. Логачев В.Н. Электропривод электромобиля с комбинированной энергоустановкой и его эффективность. Дисс.канд.техн.наук. -Москва, 1987г.

51. Листвинский М.С. Исследование энергетических установок электромобилей. Дисс.канд.техн.наук. -Москва, 1972г.

52. Момджян A.A. Электромобиль с комбинированной энергоустановкой : двигатель внутреннего сгорания генератор — свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. - Дисс.канд.техн.наук. -Ереван: 1985г.

53. Петленко Б.И., Логачев В.Н. Математическое моделирование электромобиля с комбинированной энергоустановкой. Электричество, 1991, №11, с.56-59.

54. Ефремов И.С., Полыгин А.П. и др. Электрические трансмиссии пневмоколесных транспортных средств. -М.: Энергия, 1986, с.256.

55. Петленко Б.И., Макаров А.К. Петленко А.Б., Корчак A.C., Нгуен Каанг Тхиеу. Автотранспортное средство особо малого класса с электроприводом и комбинированной энергоустановкой, включающей емкостной накопитель энергии // Отчет о НИР / МАМИ. -М.: 1996.

56. Байрыева Л.С., Шевченко В.В. Электрическая тяга : Городской , наземный транспорт: Учебник для техникумов. М.: Транспорт, 1986. -206с.

57. Кутыловский М.П. Электрическая тяга. -М.: Стройиздат, 1970,с.263.

58. Гурьянов Д.И. Оптимизация управления электромобилями малой грузоподъемности с приводами постоянного тока: Дисс.канд.техн.наук. -М.: МАДИ, 1992г.

59. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники; М.: Энергоиздат, 1993.

60. Андерс. В.И. Определение мощности элементов электрооборудования транспортных машин с электроприводом. / Тр. МЭИ. — М.: 1977. №308, с.22-29.69.3имилев Г.В. Теория автомобиля. -М.: Машгиз. 1959 с.312.

61. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров H.H. Теория электрической тяги. М.: Транспорт, 1983. -328с.

62. Draft International Standart ISO/DIS 7176-8. Wheelchairs Part 8: Requirement and test methods for static, impact and fotique stringhis. 1996, p.78.

63. Петленко А.Б. Особенности энергообеспечения инвалидных колясок // Электротехнические системы автотранспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1997, с.63-67.

64. Гурьянов Д.И., Листвинский М.С., и др. Математическое моделирование динамики работы тяговых аккумуляторных батарей // Электротехнические системы автотранспортных средств и, их роботизированных производств /Сб.научн.тр,- М.: МАМИ, 1995, с.50-54.

65. Боровских Ю.И. Электрооборудование автомобилей. Справочник. -М.: Транспорт, 1971. -192с.

66. Акимов C.B., Боровских Ю.И., Чижков Ю.П. Электрическое и электронное оборудование автомобилей /1-М.: Машиностроение, 1988, с.280.79ЛОтт В.Е. Электрооборудование автомобилей. М.: Транспорт, 1989.-286с.

67. Акимов C.B. Здановский А.Л. и др. Справочные по электрооборудованию автомобилей//-М.; Машиностроение, 1994, с.544.

68. Поляк Д.Г. Исследование тяговых режимов и технико-экономических показателей аккумуляторных автомобилей (электромобилей). -Дисс.канд.техн.наук. -Москва, 1961г.

69. Кавешников В.М. Исследование комбинированных энергетических установок автономных транспортных средств. Дис. канд. техн. наук. -Новосибирск, 1977г.

70. Тарасян А.П. Оптимизация электропривода электромобиля с широтно-импульсным управлением. Дис. канд. техн. наук. -Ереван, 1984г.

71. Оганесян P.M. Исследование технико-экономической эффективности и определение перспективных типов технических средств автомобильного транспорта с комбинированными силовыми установками. -Дисс. канд.техн.наук.-Москва, 1977г.

72. Алепин К.А. Механизация погрузочно-разгрузочных работ средствами напольного электротранспорта. Калининградское книжное изд-во, 1974.

73. Мачульский И.И., Алепин Е.А. Машины напольного безрельсового транспорта. -М.: Машиностроение, 1982.

74. Луганский К.П., Гурьянов Д.И., Дижур М.М. Анализ взаимосвязей и процессов в электротележке с бортовым источником энергии // Электротехнические системы автотранспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1995, с.46-50.

75. Weegе R/ D/ Entwicklungsprufung und endprufung vonmanuell angetriebenen Rollstuhlen. Meyra, 1997.

76. Wheelchairs parti: determination of static stability. ISO 7176/1-1986.

77. Wheelchairs part4: determination of energy consumption of electric wheelchairs. ISO 7176/4,1988.

78. Гурьянов Д.И., Докучаев C.B., Шахов В.Д., Петленко А.Б. Оценка технико-эксплуатационных параметров электромобиля // Электротехнические системы автотранспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1997, с.23-31.

79. Гурьянов Д.И., Докучаев C.B., Шахов В.Д., Петленко А.Б. Оценка технико-эксплуатационных параметров электромобиля // Электрическиесистемы автотранспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1997, с.32-36.

80. Шаврин П.А., Гурьянов Д.И., Петленко А.Б. Алгоритм управления транспортным средством с индивидуальным приводом колеса // Электротехнические системы автотранспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1997, с.37-40.

81. Петленко А.Б., Чижков Ю.П. Исследование электропривода и алгоритмов управления инвалидной коляски с комбинированной энергоустановкой, включающей емкостных накопитель // Отчет о НИР / МАМИ. -М.: 1996.

82. Verfahren zur Regelung des Fahrze ugdynamik, A.Van Zanten; Robert Bosch GmbH 4026626.5, 1992.4

83. Farhzeung. / U. Hartmann, A.Van Zanten; F. Kost; Robert Bosch GmbH -4026626.3, 1992.

84. Antiblockierregelsystem / A.Van Zanten; F. Kost; Robert Bosch GmbH -40121168.2, 1991.

85. Electronishe Bremskraftverteilung (EBV) von Teves. KFZ Betz., 1992, 82, 19, p.7.

86. Fzhrzeug mit Überwachung des Bremstemperatur / W.Konrad, H.Bechars, N.Polzin; Robert Bosch GmbH -4020693.9, 1992.

87. J.Ascermann. Robust nonlinear decoupling and yar stabilization of four whell steerind cars. In Proc. 12th IFAC World Congress, Sydney, 1993, Vol.l, p.7-10.

88. Amano Y. Et al. Model following control of hybrid 4 WD vehicles. In Proc. 11 IFAC World Congress, Tallin, 1990, Vol.8, p.130-135.

89. Эллис Д.Р.Управляемость автомобиля. -М.: Машиностроение,1975.

90. Калюжный М.Г. Разработка и исследование локальной системы управления моментом асинхронного привода мотор-колеса электромобиля.

91. Автореф. канд. дисс. -Новосибирск, НЭТИ, 1980, с.21.

92. И5./,Кашников ВВ. Электропривод электромобилей с алгоритмами управления на скользящих режимах. Дисс.канд.техн.наук. -М.: МАДИ,1985, с. 190.

93. Литвинов A.C. Управляемость и устойчивость автомобиля. -М.: Машиностроение, 1971,с.41б.

94. Макаров В.К. Скользящие режимы в динамике транспортных средств с учетом характеристик сухого трения. -В кн.: Методы Синтеза систем с разрывными управлениями на скользящих режимах. -М.: ИЛУ, 1983, с. 70-75.

95. Уткин В.И. Принципы идентификации на скользящих режимах. ДАН СССР, 1981, т.25,3 558-561.