автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Выбор рациональной структуры, основных компонентов и систем управления электротрансмиссий гусеничных машин

Назаров Сергей Витальевич

Выбор рациональной структуры, основных компонентов и систем управления электротрансмиссий гусеничных машин

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном институте (ГТУ)

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Ютт Владимир Евсеевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Марсов Вадим Израилевич Кандидат технических наук, доцент Малеев Руслан Алексеевич

Ведущая организация - ФГУП НИИАЭ

Защита состоится 24 апреля 2007 года в 10 часов в ауд.42 на заседании диссертационного совета Д212.126.05 при Московском автомобильно-дорожном институте (ГТУ) по адресу: г.Москва, 125829, Ленинградский пр-кт, 64

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке МАДИ (ГТУ)

Автореферат разослан «23» марта 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Н.В.Михайлова

КИС Л иГо ТЕК А " " I 2Ы>7 _I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

В настоящее время актуальной задачей является перемещение мон-тажно-транспортных агрегатов типа МТА-40, предназначенных для транспортирования модулей и блоков семейства блочно-модульных буровых установок. Для буксирования агрегатов такого типа необходимо от 2 до 9 тракторов марки Т-100М в зависимости от условий и комплектации. При этом имеют место неравномерность работы тракторов, сложности в организации процесса перевозки и управления ею на различных этапах. Кроме того, существенные ресурсы требуются для обеспечения жизнедеятельности дополнительных членов бригады, что в условиях длительной автономности приводит к значительному повышению затрат.

Уменьшение количества техники, находящейся на заповедной территории способно также существенно снизить пагубное влияние результатов человеческой деятельности на девственную природу.

Поэтому применение тягового средства, способного обеспечить транспортировку агрегатов МТА-40, представляет значительный интерес.

Использование тяжелых гусеничных машин для выполнения обозначенной задачи в предельно тяжелых условиях обусловливает основные требования к подвижности и энергообеспеченности гусеничных машин (ГМ), которые могут быть реализованы за счет совершенствования тягово-динамических и топливно-экономических свойств, повышения уровня автоматизации управления на основе разработки и применения в ГМ автоматических бесступенчатых трансмиссий и электронных систем управления ими. Это позволяет, наряду с другими достоинствами, реализовать плавное увеличение тяговых возможностей до значения, равного возможности движения по сцеплению.

Реализация тягового потенциала машины в условиях слабой несущей способности опорной поверхности и высокого сопротивления на крюке возможно на основе автоматизации применения бесступенчатых трансмиссий. Автоматические трансмиссии обеспечивают, близкий к оптимальному выбор параметров управления для требуемого режима и условий движения. Они позволяют снять с механика ряд функций по управлению движением, облегчить процесс управления, что в итоге повышает его работоспособность, снижает утомляемость, что также способствует повышению скорости движения. Наиболее целесообразна автоматизация процесса управления движением ГМ и обеспечение дистанционного управления, которые реализуются при применении электрических бесступенчатых трансмиссий. Таким образом, тема и выбранное направление исследования можно считать актуальным.

Создание ГМ с бесступенчатыми электрическими трансмиссиями сопряжено с определенными трудностями, обусловленными недостаточной разработкой теоретических положений, посвященных исследованию эффективности различных структур электротрансмиссией (ЭТ), динамики гусеничных машин с электротрансмиссией переменного тока, методики выбора из

ряда возможных вариантов и построения структурных схем трансмиссий такого типа.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы является научно обоснованный выбор рациональной структуры, основных компонентов и систем управления ЭТ, обеспечивающих высокий уровень тяговых свойств, энергообеспеченности и автоматизации управления движением ГМ при повышенном сопротивлении на крюке.

Для достижения указанной цели поставлены задачи исследования:

1. Обоснование необходимости и возможности применения в вездеходах бесступенчатых электротрансмиссий.

2. Разработка методики сравнительной оценки эффективности и выбора рациональной структуры ЭТ, типа и характеристик ее основных компонентов.

3. Уточнение математической модели бесступенчатой ЭТ для исследования динамических характеристик машины с электротрансмиссией и получения исходных данных в целях сравнительной оценки эффективности предпочтительных вариантов ЭТ.

4. Исследование и выбор возможных рациональных режимов управления и структуры системы управления ЭТ.

5. Научное обоснование выбора рационального структурного построения ЭТ, разработка практических рекомендаций по режимам и системам управления, типу и характеристикам основных компонентов и оценка эффективности предпочтительных вариантов ЭТ для заданного класса ГМ.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана комплексная методика оценки эффективности и выбора рациональной структуры ЭТ, позволяющая на основе набора частных показателей свойств электротрансмиссии для ГМ сформировать систему групповых •частных показателей основных свойств ЭТ, дающая возможность оценить влияние структурной схемы ЭТ и применения электрических машин различного типа на общую эффективность электротрансмиссий.

2. Предложен комплекс уточненных моделей элементов ЭТ переменного тока, позволяющий построить обобщенную систему взаимосвязанных моделей ЭТ и исследовать динамические свойства вездехода во время работы в различных условиях при переменной нагрузке на ведущих колесах и изменении режимов работы ДВС.

3. Уточнена математическая модель ЭТ переменного тока на базе преобразователя со звеном постоянного тока и молекулярного накопителя энергии (МНЭ), позволяющая исследовать работу в различных режимах, рассчитывать основные динамические характеристики ЭТ и осуществлять выбор параметров основных компонентов ЭТ для использования в ГМ заданного класса при различных условиях нагружения.

На защиту выносятся:

-Результаты экспериментальных исследований физических моделей электроприводов с использованием МНЭ в цепи питания.

-Уточненная математическая модель ЭТ переменного тока на базе преобразователя со звеном постоянного тока и МНЭ.

-Комплекс законов управления для различных диапазонов частот питающего напряжения и соответствующая структурная схема системы управления ЭМТ.

-Обобщенная методика, позволяющая провести сравнительную оценку эффективности применения электротрансмиссий ГМ и произвести выбор рационального варианта структурной схемы и компонентов ЭТ.

-Технические предложения по структуре ЭМТ, типу и характеристикам основных компонентов электромеханической трансмиссии переменного тока.

Достоверность результатов подтверждается достаточной сходимостью экспериментальных данных и результатов моделирования, определением необходимого количества опытов на основе таблицы распределения Стьюдента, оценкой воспроизводимости результатов по однородности дисперсии по критерию Кохрена, определением параметров функции отклика в виде уравнения регрессии с помощью критерия Фишера.

Практическая значимость и реализация результатов заключается в том, что:

- разработана обобщенная методика, позволяющая провести сравнительную оценку эффективности применения электротрансмиссий ГМ и произвести выбор оптимального варианта структурной схемы и компонентов ЭТ, упростить решение задачи оценки эффективности по векторному показателю;

- уточнена математическая модель ЭТ переменного тока на базе преобразователя со звеном постоянного тока и МНЭ, позволяющая исследовать ее работу в различных режимах и обеспечить выбор исходных данных для исследования типа и оптимальных параметров основных компонентов ЭТ для использования их в ГМ заданного класса.

- предложена для заданного класса ГМ (до 40 т) оптимальная структура электромеханической трансмиссии с поперечным валом, одним центральным тяговым электродвигателем (ТЭД) и электродвигателем привода поворота малой мощности с «нулевым» валом, которая превосходит существующие проекты перспективных ЭТ классического типа по показателям удельного объема и массы, а также серийную ГМТ по надежности, технологичности производства и ремонта;

- применен в структуре электромеханической трансмиссии МНЭ, обеспечивающий эффективное использование мощности, рекуперируемой от основного ТЭД, при движении по инерции и торможении, уменьшающий значение обратных токов, габариты и мощность специальных рассеивающих сопротивлений, снижающий пульсации и уровень падения напряжения на общей шине постоянного тока при изменениях нагрузки;

- разработаны технические предложения и практические рекомендации по структуре ЭМТ, типу и характеристикам основных компонентов электромеханической трансмиссии переменного тока, которые могут быть ис-

пользованы при создании перспективных электротрансмиссий современных ГМ.

Материалы диссертации используются в учебном процессе при чтении курсов лекций по'электрическим машинам и электрооборудованию автомобилей в Московском автомобильно-дорожном институте (ГТУ).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в 2004-2006 гг. на заседаниях кафедры «Электротехника и электрооборудование» МАДИ (ТУ).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 54 наименований. Работа выполнена на 167 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков и 20 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, формулируется цель исследования, приведена общая характеристика работы. Отмечается, что развитие средств, обеспечивающих транспортирование буровых установок при полном отсутствии дорог, в значительной степени влияет на динамику разведки газа и нефти в России. Актуальной задачей является перемещение мон-тажно-транспортных агрегатов типа МТА-40, для буксирования которых необходимо от 2 до 9 тракторов марки Т-100М в зависимости от условий и комплектации. При этом имеет место неравномерность работы тракторов, сложность управления и организации перевозки. Существенные ресурсы необходимы для обеспечения ГСМ и расходными материалами тракторов, а также для обеспечения жизнедеятельности дополнительных членов бригады, что в условиях длительной автономности приводит к значительному повышению затрат.

Уменьшение количества техники, находящейся на заповедной территории способно также существенно снизить негативное влияние результатов человеческой деятельности на девственную природу. Поэтому применение тягового средства, способного решать вопросы транспортировки агрегатов МТА-40, представляет значительный интерес.

В первой главе проведена оценка трансмиссий ГМ, их влияние на автоматизацию процессов управления и сформулированы требования к электротрансмиссиям, соблюдение которых необходимо обеспечить при выборе структуры, типов и характеристик основных компонентов ЭТ. При анализе и сравнительной оценке структур ЭТ вездеходов (применительно к гусеничной машине весовой категории 20-60 т) сделаны следующие основные выводы: для размещения ЭТ в гусеничной машине наиболее важной задачей является уменьшение её габаритов и массы; для уменьшения массогабаритных показателей необходимо применение быстроходных электрических машин; наиболее приемлемой является ЭМТ на переменном токе; для расширения скоростного диапазона необходима установка двухступенчатого редуктора.

Проведен обзор работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных проблемам выбора структуры и систем управления электрических трансмиссий. В частности работы Богоявленского В.Н., Груздева Н.И., Ган-нуса К.П., Степанова А.Д., Погарского H.A., Ефремова И.С., Болдова H.A., Андреева Ю.М., Иванченко П.И., Лебедева С.П., Ильинского А.Д., Бибикова В.И., Ждамирова А.Ф., Волкова В.Д. и др. Анализ работ показал, что в настоящее время недостаточно исследованы вопросы выбора рациональной структуры, типа и параметров основных компонентов ЭТ переменного тока с целью получения для заданного класса машин высоких тягово-скоростных, топливно-экономических и массогабаритных показателей. Вопросы оценки ЭТ по обобщенным показателям не нашли должного отражения в соответствующих исследованиях, а отдельные работы в этом направлении требуют развития, расширения границ области исследования и большей конкретизации. При оценке эффективности не используются их математические модели в целях выбора оптимальных исходных данных и обеспечения требуемых динамических характеристик проектируемых ЭТ.

Отсутствуют наработки по созданию и исследованию ЭТ для гусеничных машин, предназначенных к применению в специфических условиях тундры для обеспечения перемещения сверхтяжелых грузов.

Во второй главе приведена методика оценки вариантов электротрансмиссий и уточненная математическая модель ЭТ переменного тока на базе преобразователя со звеном постоянного тока и МНЭ.

С этой целью выделены три группы показателей ЭТ: показатели функционирования (тяговые, разгонные и тормозные характеристики объекта, достаточность мощности энергоустановки), показатели эксплуатационных свойств (надежности, времени восстановления работоспособного состояния и контролепригодности) и показатели конструктивного исполнения (удельный объем и масса, коэффициент компактности). Сформирована система приоритетов уровня значимости выделенных групп показателей и проведено их ранжирование.

При совершенствовании ЭТ вопрос обеспечения требуемых мощност-ных, тягово-скоростных характеристик и качества электрической энергии становится первостепенным, при определении значимости групп показателей приоритет отдан обобщенному показателю функционирования (W,|,).

Показатели конструктивного исполнения (WKi,) существенно влияют на выбор оптимального варианта ЭТ. На этапе предварительного отбора конкурентоспособных вариантов накладываются ограничения по максимально допустимым объёму и массе электротрансмиссий и возможности компоновки их основных элементов в заданном классе вездеходов. В работе принято, что значимость группы показателей конструктивного исполнения занимает второе место после показателей функционирования,

Показатель эффективности эксплутационных свойств (W„), в которых главная роль принадлежит надежности, безусловно, оказывает важное влияние на эффективность электротрансмиссий. Но в настоящее время для различных элементов ЭТ переменного тока достигнут такой уровень надежно-

сти, который соответствует оптимальному с точки зрения стоимости разработки, изготовления и эксплуатации (общая стоимость систем имеет минимум в интервале значений вероятности безотказной работы 0,85 - 0,95).

Таким образом, 'определена система предпочтений и проведено ранжирование выделенных групповых частных показателей:

W3T=f(W{|, WKH-> W„), где W3T ~ групповой комплексный показатель эффективности ЭТ.

Система частных показателей, определенная на основе полного набора частных свойств, позволила представить обобщенный комплексный показатель эффективности ЭТ вездехода в общем виде следующим выражением:

W3r= Хф\Уф (v yep, Qry, Рнэ. AUn, , Рпот UKn, Uch, Qmh. Jp3) + +^„WK„(Gyfl, Ууд) + X„W„(P(t)), где v yCp - относительный показатель подвижности; Qry - мощность генераторной установки; РНэ - показатель непрерывности обеспечения электрической энергией элементов электротрансмиссии; - показатель эффективности использования суммарной мощности .энергоисточника в системе регулируемого электропривода; AUn - допустимый уровень пульсаций напряжения; UKn - допустимый уровень коммутационных перенапряжений; Рпот -относительный показатель мощности основных потребителей; Uch - допустимый уровень снижения напряжения; Qmh - допустимая мощность импульсов определенной продолжительности; 1рэ -показатель использования рекуперируемой энергии; P(t) - показатель надежности; Суд - показатель удельной массы; Ууд - показатель удельного объема; Хф, Л„, Хкп — принятые коэффициенты значимости соответствующих групп показателей.

Показатель эффективности функционирования W4, предложено определять в виде:

W(tr=n, v уср+ ЦгРнэ^ + нЛэ + щРпот, где ¡i\>Pi>Мз>М4~ коэффициенты весомости соответствующих показателей.

Значения коэффициентов весомости показателей функционирования определены путем экспертного опроса специалистов и последующего анализа его результатов.

Значения остальных частных показателей комплексного показателя функционирования Qry, д Un, UKn, Uch, Qmh (мощность генераторной установки, допустимый уровень пульсаций напряжения, допустимый уровень коммутационных перенапряжений, допустимый уровень снижения напряжения, допустимая мощность импульсов соответственно) определяются условиями безотказной работы потребителей и заданы в виде ограничений:

Qry < QcyM.notp! дип < AUrT; Ukh S Цш ; Uch S исндоп; Qmh 5- Qmh10"-

При формировании компдексного показателя конструктивного исполнения использовался общепринятый подход к оценке качества промышлен-

ной продукции, заключающийся в объединении относительных показателей в единый путем суммирования произведений этих показателей на коэффициент их весомости. Обобщенный показатель конструктивного исполнения представлен выражением вида

= Ms • К* + Мб ~Кназначения коэффициентов весомости ц5 относительного показателя технического уровня определены путем экспертного опроса с последующим анализом его результатов.

Обобщенные коэффициенты оценки удельного объема (К0б) и массы (Квсс) представлены как:

п л

1=1 Ы!

Коб = 1 - Ууд ; Кпе(. = 1 - Суд , где Vya.i, GVA I1 - удельные показатели мощности по объему и массе (генератора, выпрямителя, инвертора, тягового двигателя), Vi, Gj - объем и масса соответствующего элемента трансмиссии, VMT0 - объем моторно-трансмиссионного отделения, GfM - масса ГМ.

Влияние надежности технической системы на ее эффективность определен как вероятность ее безотказной работы P(t).

Так как целью оценки надежности в работе ставится установление предпочтений между различными вариантами ЭТ, а не определение абсолютного значения показателя, то приняты следующие допущения:

электротрансмиссия рассматривается как система без резервирования, отказ любого элемента которой соответствует отказу системы в целом;

элементы эксплуатируются после обкатки, т.е. интенсивность потока отказов Л(г) = const.

С учетом этсго вероятность безотказной работы системы принята:

P(t)= в -я' ,

л

где А(/) = Yj ~ интенсивность отказов системы равна сумме интенсив-

ностей отказов ее элементов (п).

Следовательно, зная интенсивность отказов элементов, определяется вероятность безотказной работы различных вариантов ЭТ и выбирается наиболее предпочтительный с точки зрения надежности.

Значения коэффициентов значимости (Хф, Я.ки, X.,,) соответствующих групп показателей определены по соотношениям приоритетности свойств по ранговому методу первого типа и имеют линейную аналитическую зависимость формирования группового комплексного показателя Wot (рис. О-

Первый этап включает выбор системы частных показателей для ЭТ, отбор их значений по техническим требованиям к вариантам и формирование группового комплексного показателя эффективности.

1. Выбор системы частных показателей

_8"[дц,(Ь,0|з,--0п1_

2. Определение показателей, выступающих в качестве ограничений и их уровней

дип< д ипЛ0П; икп < иКпЛ0П;допиСн > иСнЛ0";

С?|-у $ С?сум.потр1 Оми ^ *3ми ._

3. Проведение предварительной технико-экономической оценки по массогабаритным, стоимостным показателям и показателям надежности

К = = Н* 1

" Ов5аРаУа На (1 -Р„)С7ЛЛ_

4. Формирование групповых показателей ЭТ

\У,ь (Ууср, Рнэ, *, ;„); Wн(P(t)); >У,,н(Оуд, Ууд)_

5. Ранжирование групповых показателей ЭТ

ТУ^ТУм>-■■■>- Wn_

6. Предварительный отбор допустимых эффективных вариантов

¥*»„ = ГУ,Г -У%(Ж,-тш)_

7. Формирование группового комплексного показателя эффективности

У/эт= ),ИУ/Н+ ХКИУ/К><_

8. Окончательный выбор варианта электротрансмиссии

У\эт=Удн',т (У^-тах)_

Рис. 1. Блок-схема выбора оптимального варианта системы

Второй этап — выбор эффективного рационального варианта ЭТ из конечного множества допустимых вариантов по выбранному групповому комплексному показателю эффективности.

Использование данной методики с возможностью исключения пункта 7 блок-схемы выбора рационального варианта дает возможность отказаться от обобщения групповых показателей, различных по физической сущности, осуществлять выбор последовательно (на каждом шаге) по одному показателю и с достаточной точностью учесть влияние структуры и качественных характеристик на значения показателей эффективности и конструктивного исполнения.

При описании процесса движения вездехода с электромеханической трансмиссией и построения уточненной математической модели (ММ) принят ряд допущений, которые позволили значительно упростить модель без внесения существенных погрешностей в результаты расчетов.

Для изучения возможности улучшения тягово-динамических характеристик ГМ в звено постоянного тока преобразователя напряжения и частоты включена батарея молекулярных накопителей энергии.

Вольтамперная характеристика на зажимах батареи емкостных накопителей представлена уравнением

UE« ~ UЕНа ~ IEH ' ГЕН J

где Uец - напряжение на зажимах батареи МНЭ; UEHo - напряжение на зажимах МНЭ при отсутствии процессов заряда и разряда; 1Ен~ ток батареи МНЭ; ген — внутреннее сопротивление батареи МНЭ.

^ EH 'Пеи\

^■ЕН ~ 1рт'Пен j

где пен - количество параллельно включенных емкостных накопителей (ЕН) в батарее; 1„и, 1ре„ - соответственно токи заряда и разряда ЕН.

При заряде накопителя постоянным током напряжение на нем определяется по следующей формуле

ЕН к зсн х-,

где Сен ~ емкость батареи накопителя; - время заряда ЕН.

Переходный процесс изменения напряжения на зажимах накопителя в интервале времени А/ может быть описан зависимостью

&

Л. 7Г

^да + 1ен\ • ген) ' 0-~ еП ) + "К^ЙУО + ^ЕН\ 'ГЕн)'е 'ГЕН >

где и ею - напряжение в концз Г™ интервала времени; иЕно ~ напряжение в начале ¡"го интервала времени; 1ЕН1 - ток емкостного накопителя средний в 1"™ интервале; Д? - длительность интервала; Г/= Се„(ган+ЛЯ11) - постоянная времени ЕН и обмотки якоря; Ящ - эквивалентное сопротивление якорной цепи ТЭД.

-р, _ ^ ен ' ^ ен

Запасаемая энергия будет Езен, Дж сзен ~-^-■

Отдаваемая энергия при разряде ЕРЕн в интервале времени Д? может быть рассчитана по формуле:

ЕРЕН ~ 'УРЕН^ ,

где Яи - сопротивление нагрузки в Ом, на которую производится разряд; ирен - напряжение разряда.

Требуемая номинальная электрическая емкость МНЭ для работы в интервале времени А/ в фарадах, рассчитывается по формуле:

СЕН = 2 • Ет • (IIЕН0 - иЁН,) ,

Таким образом, комплексная методика оценки эффективности и выбора рациональной структуры ЭТ позволила на основе набора частных показателей свойств электротрансмиссии для ГМ сформировать систему групповых частных показателей основных свойств ЭТ. Комплекс уточненных моделей элементов ЭТ переменного тока стал основой для построения обобщенной системы взаимосвязанных моделей ЭТ и исследования динамических свойств

гусеничной машины при работе на различных режимах при переменной нагрузке на ведущих звездочках и изменении режимов работы ДВС.

В третьей главе приведены теоретические и экспериментальные исследования ЭТ С МНЭ;

Проведенная систематизация вариантов режимов управления тяговыми асинхронными электродвигателями и их характеристики представлена в табл. 1.

Таблица 1.

№ Вариант управления Интервал частотного диапазона Обобщенный закон регулирования

Частные характеристики Предельные характеристики

1 Фа-= const Фд,= 1,0-1,25 У/лшн*—у} У/в* U,* =Vm(fi*,fs<, Фд*) fs*~~fs.MOX*

Фд.= 1,0 U,*=ym(fi*,fs*, Рд,<) fs*=Vsl(fl>, Фд*. Pur)

2 Фд .=Л/м7 Фа.=л/м7 1<Л></ш> U/ *=ЩЦ2(flfs*> Pài*) fs'=Ws2(fl*. ФдPdl*)

3 Ui* = const £/,. = 1,4 -1,5 Ul* = U¡мах* fs'=Vsi(fl*. Ul*, Pà]*

4 Уд = Щ.мах Цд = Щ.МОХ Ли'^Л^Л мах* Un = 4>w(fl*,fs*, Pdl*) L*=V*4(M

5 COStpà = C0S(pàMat . /щ'^/г^Лмах' Ul* = fus (fr,fs*, Pdl*) fs'=WM

Сравнительный анализ вариантов управления позволил сделать вывод что, регулирование АД возможно осуществлять при следующих сочетаниях вариантов управления:

сочетание вариантов 1 и 3. В интервале от/;.„„„. до/)„* поддерживается постоянство номинального потока (вариант 1) и далее до /¡тт* постоянство напряжения;

сочетание вариантов 1 и 4. В интервале от //.„„„« до /;,,. применяется вариант 1 (/},» - частота, соответствующая выходу АД на управление при Чмак) И далее до/,ида. вариант 4;

сочетание вариантов 1, 2 и 3. В интервале от//.„„„. до f„. регулируется по варианту 1, затем до /„. - по варианту 2 и далее доf!maK* - согласно варианта 3;

сочетание вариантов 1,2 и 4. Как и в предыдущем случае, до частоты fu» используются варианты 1 и 2 и далее до/1так* -вариант 4.

Наиболее целесообразным способом частотного регулирования АД для вездехода с ЭМТ переменного тока рекомендовано применять сочетание вариантов 1, 2, 3. Эти режимы управления обеспечивают получение частоты fMaK и мощности Р - const при наименьшем значении напряжения и сравнительно простой системе регулирования.

В условиях бездорожья при достаточно частых сменах режимов движения тяговые АД практически работают в переходных режимах изменения скорости как в функции сигналов управления, так и в функции момента сопротивления вращению, определяемого дорожными условиями и другими случайными факторами.

В главе показано, что для оценки систем управления привода с АД можно ограничиться исследованием электромеханических переходных процессов на основе сформулированных специфических особенностей привода ЭТ.

Определены основные условия, предъявляемые к системе управления для обеспечения работы АД на устойчивой части механической характеристики, включающие:

-обеспечение на входе двигателя значения скорости изменения частоты e=df//dt, которое должно быть меньше критического ускорения ротора е „^doVdt

где ерк - критическое ускорение ротора, АМтак - максимально возможный критический момент двигателя, Тм - электромеханическая постоянная времени двигателя;

-обеспечение задания л(М^М^) и формирования значения г< ерк в соответствии с ускорением ротора.

Для реализации указанных требований и в соответствии с принятой взаимосвязью частоты и уровня напряжения на выходе преобразователя, схемой управления энергоисточника и структурной схемой стабилизации тягового двигателя по скольжению сформирована следующая структурная схема системы управления ЭТ с АД (рис. 2.)

Структурная схема управления включает контуры стабилизации скорости ротора АД, абсолютного скольжения и тока.

Для предотвращения "жесткого" режима управления АД при высоком темпе изменения частоты, когда ротор АД в силу большой инерционности не успевает за безинерционным магнитным полем и не выполняется условие е < ерк, в цепь передачи управляющего воздействия на устройство управления выпрямителем (ВУ) и преобразователя частоты (ПЧ) введено динамическое

звено (ДЗ), с Кдз=1 и постоянной времени ТД,=ТМ1 в виде апериодического звена второго порядка.

Рис. 2 Структурная схема управления ЭТ с АД 14

Частотно-токовое управление АД построено по трехконтурной схеме, в которой абсолютное скольжение ^ задается в функции тока, а уставка тока регулируется в функции отклонения скорости от заданной с помощью датчика частоты вращения (ДЧВ),

Тормозной режим осуществляется выработкой задатчиком торможения (ЗТ) управляющего сигнала С/т, воздействующего на систему управления генератором, уменьшающей ток возбуждения генератора и тем самым, переводя ТЭД в генераторный режим работы.

Тормозное усилие регулируется изменением напряжения СГ в функции угла нажатия педали ЗТ. Регулирование напряжения в этом случае в отличие от тягового режима осуществляется в контуре СУГ.

Реверсирование движения вездехода осуществляется выработкой сигнала по реверсированию движения Е/рх регулятора движения (РД), передающего его на задатчик реверсирования движения (ЗРД).

Схема автоматического управления асинхронным двигателем с корот-козамкнутым ротором, управляемым тиристорным преобразователем с автономным инвертором тока предложена в виде, представленном на рис. 3.

лит

Рис, 3. Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкну-тым ротором

Блок регулирования для этой схемы построен по принципу подчиненного регулирования. Входными сигналами блока регулирования являются; задающее напряжение [/„, напряжение отрицательной обратной связи по

выпрямленному току £/,-, напряжение отрицательной обратной связи по угловой скорости асинхронного двигателя

Управляемый выпрямитель может быть выполнен по различным схемам и на основе различной элементной базы. В предложенной схеме (рис. 4) тиристоры, относительно просто управляемы однополупериодными магнитными усилителями МУ, с помощью которых можно регулировать угол включения тиристоров.

Управление тяговым ВД осуществляется изменением напряжения 1}д и угла опережения /? в функции его угловой скорости сод и положения ротора (или частоты токауа). При этом необходимо учитывать, что нагрузочная способность ВД при малых углах /? ограничивается пределом коммутационной способности, а при больших /7 пределом статической устойчивости схемы управления. Это предполагает выполнение следующих условий:

ток двигателя /д по коммутационной способности не должен превышать предельного значения, например, для трехфазной мостовой схемы

где Хд ~ эквивалентное коммутационное сопротивление; Еа - коммутационная Э.Д.С.

Момент нагрузки не должен превышать максимальный момент ВД,

определяемый выражением

м~ **)2>

Д'а

где р - число пар полюсов; п^ - число фаз двигателя; га - активное сопротивление фазы.

Для решения задачи по выбору законов изменения напряжения и тока введено среднее значение электромагнитного момента для ВД и выбор осуществляется с учетом следующих условий 1д<1д.„ре1>, Мср< Мтх.

Мср=^(ид1д 008^-1^).

Шд

Предложенная структурная схема системы управления ЭМТ обеспечивает устойчивую работу на участке механической характеристики при широком изменении момента нагрузки.

Оценка внешних условий движения проведена по двум типам дорож-но-грунтовых условий (ДГУ): дорожно-грунтовые условия ДГУ-3 (главным образом различные грунтовые дороги) и ДГУ-4 (различные участки бездорожья на местности).

В частности, определены тяговые характеристики ГМ массой около 40 тонн с ЭМТ, ЭТ классического типа и ГМТ, приведены на рис. 5. Анализ полученных расчетных тяговых характеристик показал, что для ГМ с ЭТ, выполненной по классической схеме, средняя скорость движения для ДГУ-3 составила 8.28 м/с, а для ДГУ-4 - 8.02 м/с.

Скорость, км/ч

Рис. 5. Тяговая характеристика ГМ с различными типами трансмиссий

Для ГМ с ЭМТ, выполненной по центральной схеме с поперечным валом и электродвигателем поворота, средняя скорость движения для ДГУ-3 составила 8,76 м/с, а для ДГУ-4 - 8,29 м/с. Для ГМ с ГМТ значения средней скорости составили 8,3 и 7,85 м/с соответственно.

В четвертой главе предложена структурная схема перспективной ЭТ для заданного класса ГМ. Оптимальной для данного класса ГМ является структурная схема ЭМТ переменного тока с поперечным валом, полнопоточная для прямолинейного движения и двухпоточная для режима поворота.

Предлагаемый вариант трансмиссии состоит из следующих основных систем:

-основной тяговый привод, выполненный по центральной схеме, включающий тяговый электродвигатель, механический двухступенчатый редуктор и основной поперечный вал;

-рулевой привод, включающий электродвигатель поворота, "нулевой" вал (скорость вала при прямолинейном движении равна нулю) и два дифференциальных механизма поворота;

-тормозная система, состоящая из тормозных резисторов и механических фрикционных тормозов;

-гидравлическая система, состоящая из золотников управления фрикционными тормозами, золотников управления редукторами, насосов и аккумуляторов давления;

-генератор, связанный непосредственно с выходным валом дизельного двигателя. Механическая связь дизельного двигателя с трансмиссией отсутствует;

-силовые и управляющие электронные системы тягового электродвигателя, электродвигателя поворота, тормоза и генератора.

Наличие двухступенчатого редуктора и "нулевого" вала с дифференциальным механизмом поворота значительно снижают требования к электрическим двигателям и релейным силовым электронным компонентам по сравнению с полностью электрическим приводом.

Предлагаемая структурная схема (рис. 6) состоит из двух частей: электрической и механической.

Рис. 6. Структурная схема ЭМТ 18

На рис. 7 представлена функциональная блок-схема системы управления электромеханической трансмиссией ГМ. На представленной блок-схеме введены следующие условные обозначения: 1 - двигатель внутреннего сгорания (ДВС); 2 - механический редуктор от ДВС к генератору; 3 - тяговый синхронный генератор (СГ); 4 -управляемый выпрямитель; 5 - инвертор тягового электродвигателя; б - инвертор двигателя поворота; 7 - электродвигатель поворота; 8 - тяговый электродвигатель; 9 - дифференциальный механизм поворота левый; 10 - дифференциальный механизм поворота правый; 11 - двухступенчатая планетарная коробка передач; 12 - бортовой редуктор левого борта; 13 - бортовой редуктор правого борта; 14 — блок задания режимов движения; 15 - блок управления двигателем внутреннего сгорания; 16- блок регулирования; 17 - блок управления выпрямителем; 18 - блок управления инверторами; 19 - датчик тока управляемого выпрямителя тягового двигателя; 20 - датчик угловой скорости электродвигателя поворота; 21 - датчик угловой скорости тягового электродвигателя; 22 — блок коммутации емкостного накопителя; 23 - блок МНЭ; 24 - датчик напряжения тягового электродвигателя; 25 - тормозные резисторы; 26 - датчик перехода системы в тормозной режим; 27 - блок управления генератором.

Основное внимание уделено разработке блока коммутации МНЭ с элементами ЭМТ. На рис. 8. представлена функциональная схема блока коммутации, в состав которого входят следующие элементы: 28 — логический блок управления; 29 - шина постоянного тока; 30 - блок переключения емкостного накопителя и тормозных резисторов; 31 - датчик напряжения емкостного накопителя; 32 - датчик частоты вращения двигателя внутреннего сгорания.

Шина питания постоянного тока 29 обеспечивает электроэнергией составные элементы блока коммутации.

Логический блок 28 анализирует сигналы, поступающие от датчиков 24, 31 и датчика перехода в тормозной режим 25, и управляет работой блока переключения 30.

Блок переключения 30 осуществляет подключение и отключение блока МНЭ 23 и тормозных резисторов 26 к инверторам, в различных режимах работы трансмиссии.

Блок коммутации обеспечивает:

-автоматическое включение блока МНЭ на заряд при остановках машины, при переходе ТЭД в генераторный режим работы;

-подключение МНЭ на разряд при увеличении нагрузки на гусеницах и падении напряжения в общей шине постоянного тока при переходных режимах движения, а также подключение МНЭ в качестве усилителя мощности при трогании и разгоне машины;

-подключение тормозных резисторов к ТЭД при избытке рекуперируемой от ТЭД энергии и полностью заряженном емкостном накопителе.

Рис. 7. Блок-схема системы управления электрической трансмиссией

20

Рис. 8. Схема блока коммутации

Работа устройства коммутации емкостного накопителя предусмотрена на следующих режимах работы машины:

-при остановке машины и работе двигателя внутреннего сгорания на холостом ходу;

-при трогании и разгоне машины;

-при прямолинейном движении и постоянной внешней нагрузке и изменении отдачи мощности генератором;

-при прямолинейном движении и возрастающей внешней нагрузке на двух гусеницах одновременно;

-при прямолинейном движении и возрастающей внешней нагрузке на одной гусенице;

-при торможении;

-при осуществлении поворота,

Предлагаемая система управления электрической трансмиссией обеспечивает:

- улучшение характеристик машины в процессе разгона, торможения и реверсирования электропривода трансмиссии;

-эффективное накопление в ЕН электрической энергии, поступающей от тягового электродвигателя, работающего в генераторном режиме;

-устранение больших обратных токов в процессах рекуперации энергии, которую необходимо рассеивать на крупногабаритных сопротивлениях;

-повышение качества электрической энергии и надежности работы потребителей путем существенного снижения уровня пульсаций, провалов, бросков напряжений и токов за счет фильтрующих свойств ЕН.

Основные результаты и выводы.

1. На основе анализа существующих и перспективных структурных схем электротрансмиссий для тяговых средств разработана обобщенная методика, позволяющая провести сравнительную оценку эффективности применения электротрансмиссий ГМ и произвести выбор рационального варианта структурной схемы и компонентов ЭТ.

2. Уточненная математическая модель ЭТ переменного тока на базе преобразователя со звеном постоянного тока и МНЭ позволила исследовать ее работу в различных режимах и обеспечила выбор исходных данных для определения типа и оптимальных параметров основных компонентов ЭТ для использования их в ГМ заданного класса. На основе предложенной методики оценки и уточненной математической модели ЭТ в работе проведен анализ электрических трансмиссий заданного класса ГМ, оценена возможность установки в моторнотрансмиссионном отделении и эффективность их применения.

4. Произведены расчеты основных характеристик выбранной схемы в сравнении с существующими аналогичными типами трансмиссий, а также с гидромеханической трансмиссией. Предложена для заданного класса ГМ (до 40 т) рациональная структура электромеханической трансмиссии с поперечным валом, одним центральным ТЭД и электродвигателем привода поворота малой мощности с «нулевым» валом.

5. Установлено, что с применением в ГМ электромеханической трансмиссии её средняя скорость по совокупности дорожно-грунтовых условий повышается по сравнению с ГМ, имеющей электрическую трансмиссию классического типа, на 4...5 % и по сравнению с ГМ, имеющей гидромеханическую трансмиссию, - на 7...8 %. Доказано, что с применением электрических машин нового типа, масса ЭТ соизмерима с массой и объемом гидромеханической трансмиссии.

6. Разработана функциональная схема системы управления, обоснованы оптимальные режимы и параметры законов управления. Для повышения тягово-скоростных и экономических показателей и согласования работы МНЭ с основными компонентами ЭМ'Г предложена схема блока коммутации.

7. Выбрана структура ЭМТ для ГМ массой около 40 т. превосходящая существующие проекты перспективных ЭТ классического типа по показате-

лям удельного объема и массы, а также серийную ГМТ по надежности, технологичности производства и ремонта.

8. В структуре электромеханической трансмиссии применен МНЭ, что обеспечило эффективное использование рекуперируемой от основного ТЭД мощности при движении по инерции и торможении, уменьшило значение обратных токов, габариты и мощность специальных рассеивающих сопротивлений, снизило пульсации и уровень падения напряжения на общей шине постоянного тока при изменениях нагрузки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ютт В.Е., Назаров C.B. МАДИ (ГТУ). Оценка структур перспективных электротрансмиссий вездехода / Сборник научных трудов. Автоматизация в строительстве и на транспорте. Москва 2005 г. стр. 79-82.

2. Ютт В.Е., Назаров C.B. МАДИ (ГТУ). Методика выбора рационального варианта электротрансмиссии / Сборник научных трудов. Методы прикладной информатики и коммуникационные технологии в автоматизации и управлении. Москва 2005 г. стр. 92-95.

3. Ютт В.Е., Назаров C.B. МАДИ (ГТУ). Комплекс математических моделей электротрансмиссий вездеходов / Сборник научных трудов. Методы прикладной информатики и коммуникационные технологии в автоматизации и управлении. Москва 2005 г. стр. 40-44,

4. Ютт В.Е., Назаров C.B. МАДИ (ГТУ). Выбор режимов и структурной схемы управления электротрансмиссией вездехода / Сборник научных трудов. Методы и модели автоматизации управления. Москва 2005 г. стр. 8387.

5. Назаров C.B. МАДИ (ГТУ). Экспериментальные исследования элементов электротрансмиссии гусеничной машины / Сборник научных трудов, Методы и модели автоматизации управления. Москва 2006 г. стр. 175-178,

б. Сидоров Б.Н. Назаров C.B. Вездеходные машины с электротрансмиссией. - М.: Электроника и электрооборудование транспорта. №6, 2006 -с. 15-16.

Выходные данные автореферата Назарова C.B.

Подписано в печати Печать офссшы Тираж 100 m

Формат 70x84/16 Уч.-над.п.иб

21.03.07 Уел псч. л. 1,32 Закш 147

РотаиршгтМНДИ (ГТУ). 125319 Москва. ЛениигрискиП проел., И

Поддержание уровня добычи газа и нефти в России и даже его рост в период до 2030 г. зависят главным образом от дальнейшего расширения разведки и разработки вновь открываемых месторождений во всех нефтегазодобывающих районах, а также создания систем транспортировки газа из удаленных новых центров добычи в сложных условиях Восточной Сибири и Дальнего Востока. От развития средств, обеспечивающих транспортирование буровых установок при полном отсутствии дорог, в значительной степени будет зависеть динамика разведки газа и нефти в России /1/.

Актуальной задачей является перемещение монтажно-транспортных агрегатов типа МТА-40, для буксирования которых необходимо от 2 до 9 тракторов марки Т-100М в зависимости от условий и комплектации. При этом имеет место неравномерность работы тракторов, сложность управления и организации перевозки. Кроме того, существенные ресурсы требуются для обеспечения жизнедеятельности дополнительных членов бригады, что в условиях длительной автономности приводит к значительному повышению затрат.

Уменьшение количества техники, находящейся на заповедной территории способно также существенно снизить пагубное влияние результатов человеческой деятельности на девственную природу.

Поэтому применение тягового средства, способного решать транспортные вопросы агрегатов МТА-40, представляет значительный интерес.

Адаптация тяжелых гусеничных машин для выполнения обозначенной задачи в предельно тяжелых условиях предъявляет основные требования к подвижности и энергообеспеченности гусеничных машин (ГМ) и могут быть реализованы за счет совершенствования тягово-динамических и топливно-экономических свойств, повышения уровня автоматизации управления на основе разработки и применения в ГМ автоматизированных бесступенчатых трансмиссий и электронных систем управления ими. Это позволяет наряду с другими достоинствами реализовать плавное увеличение тяговых возможностей до значения, равного возможности движения по сцеплению.

Реализация тягового потенциала машины в условиях слабой несущей способности опорной поверхности и высокого сопротивления на крюке возможно на основе автоматизации применением бесступенчатых трансмиссий. Автоматизированные трансмиссии обеспечивают близкий к оптимальному выбор параметров управления для требуемого режима и условий движения. Они позволяют снять с механика ряд функций по управлению движением, облегчить процесс управления, что дает возможность разгрузить механика, снизить его утомляемость, что также способствует повышению скорости движения. Наиболее целесообразно автоматизация процесса управления движением ГМ и обеспечение дистанционного управления реализуются при применении электрических бесступенчатых трансмиссий. Гидромеханические трансмиссии крайне трудно адаптировать к широкому диапазону температурных условий эксплуатации (от - 50 до + 40°С), у них ниже ремонтопригодность и более низкий КПД.

Работы по внедрению ЭТ в гусеничных машинах (ГМ) проводились еще в начале XX столетия, но лишь с середины 60-х годов прошлого столетия наблюдается существенный рост интереса к разработке и испытанию различных образцов машин, оснащенных электрическими трансмиссиями (ЭТ).

Этот интерес обусловлен следующими основными факторами:

- возможностью существенного увеличения уровня автоматизации управления движением ГМ и улучшения показателей ее подвижности на основе бесступенчатого регулирования в широком диапазоне скоростей движения, силы тяги и радиусов поворота с одновременным повышением экономичности и запаса хода машины;

- значительным прогрессом в области конструирования и технологии производства традиционных и новых типов основных компонентов ЭТ, определяющих ее массо-габаритные и динамические характеристики, таких как высокомоментные, малогабаритные, надежные тяговые электродвигатели (ТЭД) переменного тока, унифицированные с ТЭД, встраиваемые в двигатели внутреннего сгорания (ДВС) генераторы, новая элементная база с высокими показателями плотности тока для силовых полупроводниковых преобразователей с цифровыми устройствами управления и, наконец, разработка и производство высокоемкостных молекулярных накопителей электрической энергии;

- возможностью создания полностью автоматизированных безэкипажных ГМ, управляемых на расстоянии по радиоканалу или автоматически программируемым устройством по заданной программе, что наиболее легко реализуется в машинах, оснащенных электрической трансмиссией;

- возможностью использования в ГМ (вместо многочисленных специализированных вторичных источников питания и преобразователей тока для электроснабжения различных подсистем ГМ) центральной единой силовой электрической шины питания.

Кроме того, по сравнению с бесступенчатыми гидромеханическими трансмиссиями ЭТ потенциально обладает более высокими показателями надежности, технологичности производства, эксплуатации, ремонта и контролепригодности.

Одним из направлений решения задачи оснащения современных ГМ электротрансмиссией и повышения на этой основе показателей ее тяговых свойств и энергообеспеченности является определение рациональной структуры ЭТ для заданного класса ГМ, состава, основных параметров и взаимодействия ее элементов между собой в процессе функционирования.

Решение этой задачи зависит от того, каковы конструкционные параметры самой машины как объекта управления, каково ее назначение и условия функционирования. Следовательно, возникла необходимость в разработке методического аппарата, позволяющего проводить анализ и оценку свойств бесступенчатой электрической трансмиссии, осуществлять выбор структуры, состава и параметров основных компонентов, обеспечивающих ее конкурентоспособность, необходимое качество процесса движения, повышение тяговых свойств и общей эффективности ГМ.

В связи с этим, целью исследования является научно обоснованный выбор рациональной структуры, основных компонентов и системы управления электротрансмиссией, обеспечивающих высокий уровень тяговых свойств, энергообеспеченности и автоматизации управления движением ГМ при повышенном сопротивлении движению со стороны внешних сил.

Актуальность темы обусловлена тем, что:

1. Применение в ГМ бесступенчатых трансмиссий с автоматическим управлением обеспечивает существенное улучшение тягово-динамических характеристик и топливно-экономических показателей машины. 5

2. Автоматизация управления движением ГМ на основе применения ЭТ позволяет снизить требования к квалификации и психофизическому состоянию механиков-водителей.

3. Создание ГМ с бесступенчатыми электрическими трансмиссиями сопряжено с определенными трудностями, обусловленными недостаточной разработкой теоретических положений посвященных исследованию эффективности различных структур ЭТ, динамики гусеничных машин с электротрансмиссией переменного тока, методики выбора из ряда возможных вариантов и построения структурных схем трансмиссий такого типа.

4. Необходимость разработки и исследования методов выбора типа, основных характеристик и рациональных режимов управления и взаимодействия основных компонентов ЭТ для заданного класса ГМ.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ существующих перспективных структурных схем электротрансмиссий для тяговых средств.

2. Разработана обобщенная методика, позволяющая провести сравнительную оценку эффективности применения электротрансмиссий ГМ и произвести выбор рационального варианта структурной схемы и компонентов ЭТ. Используемый в методике метод последовательных уступок позволяет упростить решение задачи оценки эффективности по векторному показателю. Положенная в основу этого метода декомпозиция исходной задачи на несколько более простых позволяет, не прибегая к обобщению различных по физической сути частных показателей, сформировать алгоритм комплексной оценки функциональных, обеспечивающих и конструктивных свойств и, последовательно уточняя решение достаточно просто осуществить выбор рационального варианта.

3. Уточненная математическая модель ЭТ переменного тока на базе преобразователя со звеном постоянного тока и МНЭ позволила исследовать ее работу в различных режимах и обеспечила выбор исходных данных для исследования типа и оптимальных параметров основных компонентов ЭТ для использования их в ГМ заданного класса. На основе предложенной методики оценки и уточненной математической модели ЭТ в работе проведен анализ электрических трансмиссий заданного класса ГМ, оценены возможность установки в моторнотрансмиссионном отделении и эффективность их применения.

4. Произведены расчеты основных характеристик выбранной схемы в сравнении с существующими аналогичными типами трансмиссий, а также с гидромеханической трансмиссией. В работе предложена для заданного класса до 40 т ГМ рациональная структура электоромеханической трансмиссии с поперечным валом, одним центральным ТЭД и электродвигателем привода поворота малой мощности с «нулевым» валом.

5. Установлено, что с применением в ГМ электромеханической трансмиссии его средняя скорость по совокупности дорожно-грунтовых условий повышается, по сравнению с ГМ, имеющим электрическую трансмиссию классического типа, на 4.5 % и по сравнению с ГМ, имеющим гидромеханическую трансмиссию - 7.8 %. Доказано, что с применением электрических машин нового типа, масса ЭТ соизмерима с массой и объемом гидромеханической трансмиссии.

6. Для предложенной структурной схемы электромеханической трансмиссии разработана функциональная схема системы управления, обоснованы оптимальные режимы и параметры законов управления. Для повышения тягово-скоростных и экономических показателей и согласования работы МНЭ с основными компонентами ЭМТ предложена схема блока коммутации.

161

7. Выбранная структура ЭМТ для ГМ массой около 40 т. превосходит существующие проекты перспективных ЭТ классического типа по показателям удельного объема и массы, а также серийную ГМТ по надежности, технологичности производства и ремонта.

8. Применение в структуре электромеханической трансмиссии МНЭ обеспечило эффективное использование рекупирируемой от основного ТЭД мощности при движении по инерции и торможении, уменьшило значение обратных токов, габариты и мощность специальных рассеивающих сопротивлений, снизило пульсации и уровень падения напряжения на общей шине постоянного тока при изменениях нагрузки.

Разработанная блок-схема системы управления для предлагаемого варианта ЭМТ с блоком коммутации обеспечила выполнение требуемых законов управления ТЭД и взаимодействие основных компонентов трансмиссии в различных режимах.

Разработанные технические предложения и практические рекомендации по структуре ЭМТ, типу и характеристикам основных компонентов электромеханической трансмиссии переменного тока, могут быть использованы при разработке перспективных электротрансмиссий современных ГМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие средств обеспечивающих транспортирование буровых установок при полном отсутствии дорог в значительной степени определяет динамику разведки газа и нефти в России. При этом применение семейства блочно-модульных буровых установок является приоритетной задачей, для перемещения которых могут использоваться монтажно-транспортные агрегаты типа МТА-40. Буксирование таких агрегатов, как правило, осуществляется тракторами марки Т-100М. Количество тракторов может составлять от 2 до 9 в зависимости от перевозимых блоков и условий движения. К тому же имеет место неравномерности работы тракторов, сложность управления и организации перевозки. Поэтому применение тягового средства, способного заменить большое количество тракторов и устраняющего недостатки традиционной системы транспортировки является актуальной задачей.

Автоматизация процессов управления движением такого тягового средства в значительной степени обеспечивается применением бесступенчатых трансмиссий за счет повышения показателей тягово-скоростных свойств, характеристик силовой установки машины и повышения управляемости.

Одним из путей совершенствования систем, обеспечивающих движение ГМ, является повышение уровня их автоматизации на основе применения электрических трансмиссий. Основными факторами, обуславливающими необходимостью исследования и развития электротрансмиссий являются: возможность существенного увеличения уровня автоматизации управления движением ГМ и улучшения показателей ее тягово-скоростных свойств на основе бесступенчатого регулирования в широком диапазоне скоростей движения, силы тяги и радиусов поворота с одновременным повышением экономичности и запаса хода машины; значительный прогресс в области конструирования и технологии производства традиционных и новых типов основных компонентов ЭТ, определяющих ее массогабаритные и динамические характеристики, таких как высокомоментные, малогабаритные, надежные тяговые электродвигатели переменного тока, встраиваемые в двигатели внутреннего сгорания (ДВС) генераторы, новая элементная база с высокими показателями плотности тока для силовых полупроводниковых преобразователей с цифровыми устройствами управления и, наконец, разработка и производство высокоемкостных молекулярных накопителей электрической энергии; возможность создания полностью автоматизированных безэкипажных ГМ, управляемых на расстоянии по радиоканалу или автоматически программируемым устройством по заданной программе, что наиболее легко реализуется в машинах, оснащенных электрической трансмиссией; возможностью использования в тяговых средствах (вместо многочисленных специализированных вторичных источников питания и преобразователей тока для электроснабжения различных подсистем) единой центральной генераторной установки.

Анализ работ, посвященных электрическим трансмиссиям ГМ, показывает, что в настоящее время существует большое разнообразие возможных структур ЭТ для ГМ и в тоже время недостаточно исследованы вопросы выбора рациональной структуры, типа и параметров основных компонентов ЭТ переменного тока с целью получения для заданного класса ГМ высоких тяго-во-скоростных и массогабаритных показателей. Не обоснованы необходимость и возможность установки ЭТ переменного тока в ГМ, не исследованы возможные конструктивные и схемные решения построения электротрансмиссий переменного тока для ГМ на основе применения рациональных структур, современных тяговых электрических машин переменного тока и новых полупроводниковых элементов силовой электроники.

Существующие методики оценки эффективности и выбора структуры ЭТ для ГМ направлены на анализ их отдельных частных функциональных свойств, надежности, массогабаритных и стоимостных показателей. В тоже время вопросы оценки ЭТ по обобщенным показателям не нашли должного отражения в исследованиях ЭТ, а отдельные работ в этом направлении требуют развития, расширения границ области исследования и более полной конкретизации. При оценке эффективности ЭТ не используются математические модели ЭТ, для получения требуемых исходных данных и динамических характеристик,

В связи с этим разработанная комплексная методика оценки вариантов ЭТ позволила на основе набора частных показателей свойств электро-трансмнссии для ГМ сформировать систему групповых частных показателей основных свойств ЭТ: показателя функционирования \Уф, показателя экс-плутационных свойств и показателя конструкции исполненным Wки. Она дает возможность оценить влияние структурной схемы ЭТ и применения электрических машин различного типа на общую эффективность электротрансмиссий.

Применение метода последовательных уступок позволило преодолеть те трудности, которые возникают при решении задач оценки эффективности по векторному показателю. Декомпозиция исходной задачи на несколько более простых позволила, не прибегая к обобщению различных по физической сути частных показателей, сформировать алгоритм комплексной оценки функциональных, эксплутационных и конструктивных свойств различных типов ЭТ на основе группового комплексного показателя эффективности ЭТ \УЭТ. Последовательно уточняя решение, возможно, достаточно просто провести всесторонний анализ и выбор рационального варианта структуры ЭТ.

Уточненная математическая модель ЭТ переменного тока на базе преобразователя со звеном постоянного тока и МНЭ позволила исследовать ее работу в различных режимах, рассчитать основные динамические характеристики ЭТ и обеспечила выбор параметров основных компонентов ЭТ для использования в ГМ заданного класса.

На основе выполненного анализа режимов управления высокоскоростным асинхронным тяговым электродвигателем был произведен выбор рационального сочетания законов управления для различных диапазонов частот питающего напряжения и предложена соответствующая предлагаемому сочетанию структурная схема системы управления ЭМТ.

Разработанная структурная схема системы управления ЭМТ для прямолинейного движения ГМ позволила реализовать предложенное сочетание законов управления ТЭД и обеспечит устойчивую его работу на основном рабочем участке механической характеристики при широком изменении нагрузки.

Эксперимент, выполненный на физических моделях электроприводов меньшей мощности, показал, что использование МНЭ в цепи питания электроприводов ЭМТ обеспечивает улучшение их динамических характеристик. При этом: уменьшается в среднем в 2 раза колебания напряжения питания и токов в сети в процессах пуска., разгона, торможения и реверсирования приводов; сокращается (1,5-2 раза) время выхода приводов на номинальные рабочие режимы, а также время переходных процессов,, разгона, торможения и реверсирования приводов; уменьшается общее потребление энергии от основных источников машины в переходных процессах;

МНЭ эффективно накапливает электрическую энергию от основного источника и от ТЭД при его работе в генераторном режиме, быстро восстанавливая степень своей заряженности, и является эффективным средством рационального использования электрической энергия, путем: устранения больших обратных токов в процессах рекуперации мощности при торможении и реверсировании движения; повышения качества электрической энергии и решения проблемы рекуперации энергии в цепи тягового электропривода; снижения нагрузки на генератор и увеличения сроков его безотказной работы.

Применение МНЭ позволяет обеспечить работу ТЭД при пониженных оборотах двигателя машины и неполной отдаче генератором в сеть электрической мощности.

Выполненные в работе анализ структурных схем двух вариантов ЭТ, теоретические и экспериментальные исследования их динамических характеристик, позволили предложить для заданного класса до 40 т ГМ рациональную структуру электромеханической трансмиссии с поперечным валом, одним центральным ТЭД и электродвигателем привода поворота малой мощности с «нулевым» валом.

Двухступенчатый редуктор в тяговом электроприводе от центрального ТЭД и «нулевой» вал с отдельным электроприводом поворота значительно снижают требования к суммарной мощности ТЭД и силовым электронным компонентам управления ими. При этом обеспечивается конкурентоспособность ЭМТ по сравнению с гидромеханической трансмиссией и ЭТ классического типа с двумя бортовыми ТЭД. Кроме того, предложенная структура ЭМТ позволяет иметь независимые системы управления для каждой из функций: тяги и управления поворотом с высокой точностью и стабилизирующим эффектом при прямолинейном движении.

1. Дмитриевский А.Н., Крылов H.A. Состояние и перспективы развития нефтяного комплекса России / Электроэнергетика России на рубеже XX1.века и перспективы ее развития. - Изд. ЭНИН, 1999. - С.81-91.

2. Балдин В.А. Теория и конструкция танков. М.: ВАБТВ, 1975. - 442 с.

3. Найченко М.В. Улучшение подвижности танков за счет применения бесступенчатых коробок передач с гидрообъемными вариаторами: Диссертация кандидата технических наук. М., 1984. -194 с.

4. Гладов Г.И. Специальные транспортные средства. Теория. -М.: Академкнига, 2006,- 365с.

5. Буров С.С. Конструкция и расчет танков. М.: ВАБТВ, 1993.602 с.

6. Костин К. И., Прокопенко Н. И., Соловев А. А., Многоцелевые гусеничные и колесные машины. Тезисы доклада Межрегиональной научно-технической конференции «Броня 2004», Омск, с. 157.

7. Погарский H.A., Степанов А.Д. Универсальные трансмиссии пневмоколесных машин повышенной удельной мощности. М.: Машиностроение, 1976. - 224 с.

8. Исаков П.П., Иванченко П.Н., Егоров А.Д. Электромеханические трансмиссии гусеничных тракторов. JL: Машиностроение, 1981. - 302 с.

9. Филиппов П.А., Программы разработки боевых систем для будущих армий ведущих стран запада. М.: Военно-промышленный курьер ВПК №3 (169), 2007. - с. 34-36.

10. Ефремов И.С., Пролыгин А.П., Электрические трансмиссии пневмоколесных средств. М., Энергия, 1989. - 230с.

11. Бибиков В.И. Управление электропередачей автономного транспортного средства: Диссертация кандидата технических наук. -М, 1995.-238 с.

12. Титов B.C. Перспективы применения электрических передач в тракторах и машинно-транспортных агрегатах / Тракторы и сельхозмашины. 1977. - №2 - с. 5 - 7.

13. Андреев Ю.М., Исаакян К.Г., Машихин А.Д. Электрические машины в тяговом автономном электроприводе. М.: Энергия, 1979. -с.240.

14. Костин К. И., Прокопенко H. И., Соловев А. А., Развитие силовых установок танков: перспективы и проблемы. Тезисы доклада Межрегиональной научно-технической конференции «Броня 2002», Омск, 2002, с. 134.

15. Соколов В.А, Личкова В.В., Ерохин A.H. Концептуальные исследования танка XXI века в США. Защита и безопасность. 2000. N1 (16)-с. 45-47

16. Дмитриев A.B., Иванченко П.Н. Электрическая трансмиссия переменного тока // Зарубежная военная техника. 2006. - №12. - с. 917.

17. Волков В.Д. Основы теории тяговых систем с частотно-каскадным электроприводом большегрузных автотранспортных средств: Диссертация доктора технических наук. Воронеж, 1997. - 364 с.

18. RAYMOND SURLEMONT. AN ELECTRIC TRANSMISSION FOR ARMORED VEHICLES: A DESIGNER'S DREAM REALIZED AT LAST. ARMOD. 1998. - JAN.- FEB. - p. 34-39.

19. Raymond surlemont COBRA: A revolutionary tracked vehicle // Jane's defense weekly. 1985. - V.3 nios. - p. 758-760.

20. Manfred R. Heeg. Advanced Electric Drive Technologies For All Electric Combat Vehicles. All Electric Combat Vehicles Second International Conference 8th-12th June. 1997.

21. R. M. OGORKIEWICZ. ELECTRIC TRANSMISSION STUDIES IN FRANCE. INTERNATIONAL DEFENSE REVIEW. 1992. - № 1. -p.53-54.

22. Ютт B.E., Назаров C.B. МАДИ (ГТУ). Оценка структур перспективных электротрансмиссий вездехода / Сборник научных трудов. Автоматизация в строительстве и на транспорте. Москва 2005 г. стр. 79-82.

23. Тагиева Н.К., Проблемы трансмиссий многофункциональных машин в дорожно-строительной технике Минск, Тезисы доклада научно-технической конференции БГТУ , с. 54. 2006

24. Электрические трансмиссии пневмоколесных транспортных средств / И.С. Ефремов, А.П. Пролыгин, Ю.М. Андреев, А.Б. Миндлин -М.: Энергия, 1976.-254 с.

25. Бахтурин Ю.А., Тарасов П.И., Журавлев А.Г. Инновации в карьерном транспорте. Екатеринбург, Тезисы доклада научно-технической конференции; Институт горного дела УрО РАН,- 2004

26. Ильинский А.Д. Электроблок для электропередачи автономной транспортной установки: Диссертация кандидата технических наук. М., 1986. - 248 с.

27. Богатырев Н.И. Повышение эффективности средств электромеханизации для апк. Ставрополь, Научный журнал КубГАУ . № 01(9), 2005 с. 95-102

28. Войцех О.П., Головкин Е.В., Универсальная энергетическая установка, М. "Самолет" №1, 2002 с. 29.

29. Бибиков В.И. Управление электропередачей автономного транспортного средства: Диссертация кандидата технических наук. -М., 1985.-238 с.

30. Надежность и эффективность в технике, т. 3, М., Машиностроение, 1988. - 328 с.

31. Надежность и эффективность в технике, т.1, М., Машиностроение, 1986. - 223 с.

32. Андрианов Ю.М. Квалиметрия в приборостроении и машиностроении. Л.: Машиностроение, 1990. - 222 с.

33. Николаев В.И., Брук В.М. Системотехника: методы и приложения. Л.: Машиностроение, 1985. - 198 с.

34. Раскин Л.Г. Анализ сложных систем и элементы теории оптимального управления. М.: Сов. Радио, 1976. - 344 с.

35. Черноскутов А.И., Якубович М.Е. Методы сравнительной оценки изделий. Рига, Лат. НИИНТИ, 1987. - 69 с.

36. Кошель Ю.П. Совершенствование систем электроснабжения танков по обеспечению электрической совместимости. Диссертация кандидата технических наук. М., 1994. - 209 с.

37. Чумаков Н.М., Серебрянный Е.И. Оценка эффективности сложных технических устройств. М., Сов. радио. 1980. - 192 с.

38. Ютт В.Е., Назаров C.B. МАДИ (ГТУ). Методика выбора рационального варианта электротрансмиссии / Сборник научных трудов. Методы прикладной информатики и коммуникационные технологии в автоматизации и управлении. Москва 2005 г. стр. 92-95.

39. Ютт В.Е., Назаров C.B. МАДИ (ГТУ). Комплекс математических моделей электротрансмиссий вездеходов / Сборник научных трудов. Методы прикладной информатики и коммуникационные технологии в автоматизации и управлении. Москва 2005 г. стр. 40-44.

40. Вольдек В.H. Электрические машин. М.: Машгиз, 1976. - 407с.

41. Ютт В.Е., Назаров C.B. МАДИ (ГТУ). Выбор режимов и структурной схемы управления электротрансмиссией вездехода / Сборник научных трудов. Методы и модели автоматизации управления. Москва 2005 г. стр. 83-87.

42. Назаров C.B. МАДИ (ГТУ). Экспериментальные исследования элементов электротрансмиссии гусеничной машины / Сборник научных трудов. Методы и модели автоматизации управления. Москва 2006 г. стр. 175-178.

43. Исследование испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения. ГОСТ 24026-80. М.: Гос. комитет по стандартам, 1980. - 18 с.

44. Бродский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента. М.: Наука, 1976. - 226 с.

45. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента. М.: Радио и связь. 2004. - 248 с.

46. Абезгауз Г.Г. Справочник по вероятностным расчетам. М.: Воениздат, 1970. - 536 с.

47. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1988. - 239 с.

48. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск.: Радио и связь, 1992. - 272 с.

49. Зайдель А.Н. Ошибки измерения физических величин. -Л.: Наука, 1974.- 106 с.

50. Егоров А.Е. Исследование устройств и систем автоматики методом планирования эксперимента. Харьков.: Высшая школа, 1986. -237 с.