Книга: Метод определения параметров ЭМТ

ÓДÊ 629.365 DOI: 10.31992/0321-4443-2021-5-38-45 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ ФРОНТАЛЬНОГО ПОГРУЗЧИКА METHOD FOR DETERMINING THE PARAMETERS OF THE FRONT LOADER ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION В.А. ГОРЕЛОВ1, д.т.н. Б.Б. КОСИЦЫН2, к.т.н. А.А. СТАДУХИН2, к.т.н. О.И. ЧУДАКОВ2, к.т.н. 1ФГБОУ ВО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова», Чебоксары, Россия,gvas@mail.ru 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия, ant.m9@yandex.ru V.A. GORELOV1, Dsc in Engineering B.B. KOSITSYN2, PhD in Engineering A.A. STADUKHIN2, PhD in Engineering O.I. CHUDAKOV2, PhD in Engineering 1 Chuvash State University named after Ilya N. Ulyanov, Cheboksary, Russia,gvas@mail.ru 2 Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia,ant.m9@yandex.ru Предлагается метод расчета тягового электродвигателя гибридной трансмиссии фронтального погрузчика. Ука зано, что для данных машин характерен режим работы, имеющий множество разгонов и торможений, а также чередующиеся операции с высокой и низкой требуемой силой тяги. Предложена схема электромеханической трансмиссии, которая может эффективно применяться в таких условиях. В предложенном методе используется понятие величины диапазона электродвигателя, которую можно использо вать для выбора конкретного электродвигателя, обеспечивающего требуемую подвижность машины. Для фрон тального погрузчика грузоподъемностью 3500 кг максимальной скоростью 40 км/ч и максимальной удельной тягой 1 были определены основные параметры тягового электродвигателя. Однако для трансмиссии с одним фик сированным передаточным отношением (ЭМТ1) был получен электродвигатель с чрезмерно большой мощно стью. Поэтому было проведено определение характеристик электродвигателя для электромеханической транс миссии с двумя фиксированными передаточными отношениями (ЭМТ2). В процессе расчета этой трансмиссии была получена значительно меньшая необходимая мощность двигателя. В статье проведена приблизительная оценка энергоэффективности трансмиссий ЭМТ1 и ЭМТ2. Для этого ис пользовался метод определения КПД электродвигателя в зависимости от режима его работы (от текущей угло вой скорости вала и крутящего момента). Определено, что трансмиссия ЭМТ2 обладает лучшим КПД электро двигателя как при бульдозерной операции, так и при движении на максимальной скорости. Общий вывод заключается в том, что для рассматриваемого применения наиболее рационально применять транс миссию с двумя фиксированными передаточными отношениями. В качестве дальнейшего направления исследо вания выделено применение имитационного компьютерного моделирования для оценки энергоэффективности ТЕОРИЯ, КОНСТРУИРОВАНИЕ, ИСПЫТАНИЯ 38 погрузчика в цикле погрузки-разгрузки. Ключевые слова: фронтальный погрузчик, тяговый расчет, тяговый электропривод, ступенчатая трансмиссия. Для цитирования: Горелов В.А., Косицын Б.Б., Стадухин А.А., Чудаков О.И. Метод определения параметров электромеханической трансмиссии фронтального погрузчика // Тракторы и сельхозмашины. 2021. № 5. С. 38–45. DOI: 10.31992/0321-4443-2021-5-38-45 A method for calculating the traction motor of a hybrid transmission of a front-end loader is proposed. It is indicated that these vehicles are characterized by a mode of operation with multiple accelerations and decelerations, as well as al ternating operations with high and low required traction force. An electromechanical transmission scheme is proposed. This scheme can be effectively used in such conditions. The proposed method uses the concept of the magnitude of the range of an electric motor, which can be used to select a specific electric motor that provides the required mobility of the vehicle. For a front loader with a lifting capacity of 3500 kg, a maximum speed of 40 km / h and a maximum specific thrust of 1, the main parameters of the traction motor were determined. However, for the transmission with one fixed gear ratio (EMT1), an electric motor with an excessively high power was obtained. Therefore, the determination of the characteristics of the electric motor for an electromechan ical transmission with two fixed gear ratios (EMT2) was carried out. In the process of calculating this transmission, a significantly lower required engine power was obtained. The article provides an approximate assessment of the energy efficiency of EMT1 and EMT2 transmissions. A method to determine the efficiency of an electric motor depending on its operating mode (on the current angular speed of the shaft and torque) was used. It was determined that the EMT2 transmission has the best efficiency of the electric motor both during bulldozing operation and when driving at maximum speed. The general conclusion is that it is most rational to use a transmission with two fixed gear ratios. As a further direction of research, the use of computer simulation for evaluating the energy efficiency of a loader in a loading-unloading cycle is highlighted. Keywords: front loader, traction calculation, traction electric drive, step transmission. Cite as: Gorelov V.A., Kositsyn B.B., Stadukhin A.A., Chudakov O.I. Method for determining the parameters of the front loader electromechanical transmission. Traktory i sel’khozmashiny. 2021. No 5, pp. 38–45 (in Russ.). DOI: 10.31992/0321-4443-2021-5-38-45 ISSN 0321-4443 Тракторы и сельхозмашины, ¹ 5, 2021 Gorelov V.A., Kositsyn B.B., Stadukhin A.A., Chudakov O.I. Method for determining the parameters of the front loader electromechanical transmission Введение Известно, что применение гибридных электромеханических трансмиссий (ЭМТ) на транспортных или тяговых машинах наи более эффективно (с точки зрения топливной экономичности), когда режим работы носит пе ременный характер. То есть содержит множе ство разгонов и торможений, а также чередую щиеся операции с высокой и низкой требуемой силой тяги. Классические трансмиссии (ме ханические или гидромеханические) в таких условиях используют двигатель внутреннего сгорания неэффективно: он часто бывает недо статочно нагружен по мощности и может рабо тать на таких частотах вращения коленчатого вала, где высок удельный расход топлива. Фронтальные погрузчики – это распро страненный класс машин, условия эксплуа тации которых подразумевает как достаточно высокую максимальную скорость движения (до 45 км/ч), так и выполнение технологиче ских операции, связанных с бульдозировани ем, где требуется значительная сила тяги [1]. Основным режимом работы таких машин яв ляются циклы погрузки-разгрузки, включаю щие в себя разгоны, торможения, движение задним ходом, погрузку рыхлого грунта и дви жение с грузом. Таким образом, применение на фронтальных погрузчиках гибридной ЭМТ достаточно перспективно. Большинство существующих в настоя щее время фронтальных погрузчиков средней грузоподъемности (3,5–5 т в ковше) имеют в составе трансмиссии гидротрансформатор, коробку передач (2−4 передачи) и мосты с глав ными передачами и планетарными колесными редукторами [2, 3]. При этом двигатель и все агрегаты трансмиссии (кроме переднего моста) находятся в задней полураме погрузчика (рис. 1, а). Увеличение топливной экономичности фронтального погрузчика предлагается до стичь путем применения схемы ЭМТ типа «по следовательный гибрид» (рис. 1, б). Тяговый электродвигатель обеспечивает подвижность машины, питаясь энергией, вырабатываемой тяговым генератором. В данной схеме двига тель внутреннего сгорания (ДВС) механиче ски не связан с ведущими колесами и может эксплуатироваться в наиболее эффективном режиме по мощности и частоте вращения ко ленчатого вала. Это возможно при наличии на копителя электрической энергии, который спо собен принимать энергию тягового генератора, энергию рекуперативного торможения погруз чика тяговыми двигателями, а также способен выдавать энергию, необходимую для движения при недостатке мощности генератора. Следует обратить внимание, что при бульдо зировании передняя ось фронтального погруз чика может разгружаться и ее колеса не будут способны реализовывать тяговое усилие. Аналогично, при наборе ковша и движении с полностью заполненным ковшом может раз гружаться задняя ось. По этой причине предла гается применять блокированную связь между передним и задним мостом, а схемы привода типа «мотор – колесо» или «мотор – мост» ис ключить из рассмотрения. Очевидно, что применение ЭМТ на фрон а б Рис. 1. Принципиальная схема трансмиссии фронтального погрузчика с гидромеханической (а) и электромеханической (б) трансмиссией: 1 – ДВС; 2 – коробка отбора мощности; 3 – гидротрансформатор; 4 – передний мост; 5 – коробка передач; 6 – задний мост; 7 – тяговый генератор; 8 – накопитель электрической энергии; 9 – раздаточная коробка; 10 – тяговый электродвигатель Fig. 1. Schematic diagram of a front loader transmission with hydromechanical (а) and electromechanical (b) transmission: 1 – ICE; 2 – power take-off; 3 – hydraulic torque converter; 4 – front axle; 5 – gearbox; 6 – rear axle; 7 – traction generator; 8 – electric energy storage device; 9 – transfer case; 10 – traction motor THEORY, DESIGN, TESTING 39 ISSN 0321-4443 Tractors and Agricultural Machinery, No 5, 2021 Горелов В.А., Косицын Б.Б., Стадухин А.А., Чудаков О.И. Метод определения параметров электромеханической трансмиссии фронтального погрузчика тальном погрузчике приведет к улучшению эксплуатационных свойств только при пра вильно выбранных составных частях трансмис сии – в первую очередь тяговых электродви гателей. В противном случае можно ожидать удорожание готовой машины, либо снижение тягово-динамических свойств по сравнению с существующими аналогами. Цель исследований Разработка метода определения рациональ ных характеристик тяговых электродвигате лей, работающих в составе гибридной транс миссии фронтального погрузчика. Материалы и методы Метод определения характеристик электродвигателей гибридной трансмиссии фронтального погрузчика В табл. 1 представлены исходные параме тры, необходимые для расчета фронтального погрузчика. Для транспортно-технологических машин, к которым относится фронтальный погрузчик, максимальная мощность может потребоваться при достижении максимальной скорости либо при выполнении тяжелой технологической операции. Мощность на движителе N , развиваемая при достижении максимальной скорости max на дороге с твердым покрытием, вычисляется следующим образом: ТЕОРИЯ, КОНСТРУИРОВАНИЕ, ИСПЫТАНИЯ ) max max ; w N =m g f +P V V ⋅ ⋅ ⋅ ( , w x x P V = c F V ⋅ ⋅ρ ⋅ ⋅ где g – ускорение свободного падения, g = = 9,81 м/с2; f f – коэффициент сопротивления качению колес на дороге с твердым покрыти ем, = 0,02; ( ) w– сила сопротивления воздуха в зависимости от скорости, Н; V – ско рость прямолинейного движения машины, м/с; ρ – плотность воздуха, ρ = 1,25 кг/м3. В качестве тяжелого технологического режима предлагается выбрать бульдозерную операцию с рабочей скоростью V = 1 м/с и со противлением движению f ность N = 0,5 [4, 5]. Мощ , необходимая в этом случае, вычис ляется как: . N =m g f V ⋅ ⋅ ⋅ При вычислении мощности тягового элек тродвигателя Nòðåá , требуемой для обеспече ния рассмотренных режимов работы, следует учесть потери в механической части трансмис сии, то есть: ) max , / . N = N N η òðåá ýä Эксплуатируемые в настоящее время фрон тальные погрузчики имеют максимальную удельную силу тяги 1–1,1, однако она обе спечивается при максимальном коэффици енте трансформации гидротрансформатора и не может поддерживаться длительное время (рис. 2). Тяговые электродвигатели (ЭД) способны некоторое время работать с крутящим момен том выше номинального (до двух раз выше), что позволит транспортной машине с ЭМТ кратковременно реализовывать большую силу тяги. Исходя из анализа тяговой характеристи Основные параметры, необходимые для расчета фронтального погрузчика Table 1. The main parameters required for calculating a front loader Параметр, обозначение, единица измерения Таблица 1