Методические подходы к экспериментальному исследованию дорожной энергетической установки с ползунно-коромысловым преобразователем

На территории Российской Федерации действует Федеральный закон от 23.11.2009 N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Настоящий Федеральный закон регулирует отношения по энергосбережению и повышению энергетической эффективности и предусматривает создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности [1].

Данный закон свидетельствует о том, что политика Российской Федерации нацелена на повышение энергоэффективности страны.

Эта тенденция наблюдается во всем мире, так как на сегодняшний день мировым научным сообществом уделяется большое внимание созданию новых и совершенствованию существующих источником электрической энергии [2].

Одним из таких источников являются дорожные энергетические установки. Данный вид устройств выполняется в виде искусственной дорожной неровности. Принцип их действия основан на том, что в момент наезда на искусственную дорож- 56

ную неровность, автотранспортное средство, создавая усилие на нажимной платформе, передаёт дорожной неровности кинетическую энергию, которую можно преобразовать в электрическую энергию.

Исследования, посвященные дорожным энергетическим установкам, проводятся в следующих странах: США [3, 4], Китай [5], Индия [6], Пакистан [7], Палестина [8], Франция [9], Бахрейн [10] и в др.

В вышеперечисленных исследованиях преобразователь поступательного движения автотранспортного средства во вращательное движение генератора выполняется в виде зубчатой передачи, что существенно повышает стоимость всей конструкции.

Авторами данного исследования предлагается конструкция дорожной энергетической установки, обладающей конструктивной новизной [11–13], в которой исполнение преобразователя воздействующего усилия в виде «ползунно-коромыслового механизма» существенно упрощает конструкцию установки путем перехода от высшей зубчатой кинематической пары звеньев к низшей вращающейся кинематической паре «шатун – коромысло», что снижает общую стоимость конструкции и увеличивает наработку звеньев на отказ (рис. 1).

Рис. 1. Дорожная энергетическая установка с ползунно-коромысловым преобразователем

Fig. 1. Road-bump power plant with a slider-rocker converter

Постановка задачи

Ц е л ью да н ной ра боты я в ля е тс я ра с с м отре ние концеп ци и экспе рим е н тал ь ных ис сл е дов ани й до р ожной эне ргетиче с кой у с т а нов к и д л я у точне н ия за коном е рнос те й форм ирова ни я с и л ов ы х и с кор остны х п ара м е тров с исте м ы «а в тотранс порт ное средство – дорож на я эне рге тиче ская уста новка», пров е рки раб оче й г и поте зы и аде кв атности м ат е ма тиче с кого оп ис ани я пе ре х одны х проце с с ов при р а з гоне и в ыбе ге дорож но й эне ргетиче с ко й у с т ановки с учетом повторно-кратковр е м е н ного х а ра ктера режима работы [14, 15].

Теоретическая часть

О с обе нн ос ть ф у н кц ион иров а ни я дорож но й э н ер г е ти ч ес к о й уст а н овки за к л ю ч ае т ся в п о в т о р н о кратков ре м е н ном х а ра кте ре ре ж им а ра боты. При э том ци кл ра бот ы с ос тоит и з 4 та ктов (рис . 2):

1-й такт – наезд передних колес на подвижную платформу дорожной энергетической уста- новки. На данном этапе маховик вместе с генератором разгоняются от нуля до значения угловой скорости ω0.

2-й такт – движение нажимной платформы к исходному состоянию в момент, когда передние колеса транспортного средства съезжают с подвижной платформы. На данном такте из-за момента сопротивления, создаваемого маховиком, привод замедляется до угловой скорости ω1.

3-й такт – наезд задних колес автомобиля на подвижную платформу. Маховик и генератор получают дополнительное ускорение и разгоняются до значения ω2.

4-й такт – возврат подвижной платформы в исходное состояние. На данном этапе привод дорожной энергетической установки вращается до полной остановки ω3 = 0.

Определение закономерностей формирования силовых и скоростных параметров системы «автотранспортное средство – дорожная энергетическая

Рис. 2. Функциональная схема рабочего цикла дорожной энергетической установки Fig. 2. The working cycle of a road-bump power plant

устано вка» при ра з гоне и выбе ге дорожной э нергети ческой уста новк и с уч е том пов торно-кратков рем е нног о х а ра кте ра ре жи м а ра боты произ в оди тся с пом ощью ра с че тных схе м (рис . 3).

Дл я уста новл ени я ф у нк цио на л ь ных з ав исимосте й м еж д у конс тр у к ти в ны м и эл е м е н та м и дорожной эн ерге ти ч е ской у ста но в ки с ос та вл е на с тр уктурн а я сх е м а дорож ной энерге тиче с ко й уста новк и (рис. 4).

При составлении структурной схемы учитывалось следующее: автотранспортное средство с весовым GA и скоростным VA параметрами, взаимодействуя с нажимной платформой, придает подвижной панели поступательное движение. Подвижная панель, двигаясь со скоростью VП = f (K1,VA) и воздействуя усилием FП = f (GA) на звенья преобразователя, приводит последние в движение. Ползунно-коромысловый преобразователь поступательное движение подвижной панели-ползуна преобразует во вращательное движение ω и соз- дает на валу генератора крутящий момент Мкр . В свою очередь на валу генератора развивается момент сопротивления М с , обусловленный моментом инерции J, угловой скоростью ротора ω и массой ротора mМ .

При разработке методики экспериментальных исследований дорожной энергетической установки поиск метода, сокращающего сроки подготовки и затраты на проведение исследований, привел к имитационному моделированию.

Учитывая, что в Шахтинском автодорожном институте (филиале) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова имеется в наличии комплект электрических машин, пусковой и измерительной аппаратуры, физическая модель ползунно-коромыслового преобразователя имитируется симулятором в виде системы «преобразователь частоты – асинхронный двигатель». Симулятор физической модели ползунно-коромыслового преобразователя обеспечивает на выходном валу асинхронного двигателя

а)

Рис. 3. Моделирование основных характеристик переходных процессов дорожной энергетической установки: а – режим разгона; b – режим выбега

Fig. 3. The main characteristics of a road-bump power plant: а – overclocking mode; b – run-out mode

b)

Рис. 4. Структурная схема дорожной энергетической установки Fig. 4. Structural diagram of a road-bump power plant

значения крутящего момента М _кр и угловой скорости ω, соответствующие значениям этих параметров на выходном валу предмета исследований.

Для выбора асинхронного двигателя использована методика расчета основных технических характеристик: мощности двигателя и частоты вращения.

Мощность двигателя определяется по формуле

P = M кр -ю ,                             (1)

где P – мощность приводного двигателя, Вт; М кр - крутящий момент, Н^м; ю - угловая скорость коромысла.

Для определения значений М кр и ю используется расчетная схема (рис. 3а).

Угловая скорость вращения коромысла определяется по формуле [16]

ю = v R ,                                 (2)

R где vR – линейная скорость перемещения коро- мысла:

v R = v pp ^- cos ^a

Скорость перемещения платформы определяется по формуле

v

pp

A h

t

Из (4) получим формулу перемещения трапециевидной нажимной платформы:

A h =

2 - h - 5 l

Крутящий момент М _кр на валу маховика в ползунно-коромысловом механизме определяется как произведение тангенциальной силы на радиус коромысла [17]:

м кр = R - t , (6) где R – радиус коромысла; Т – тангенциальная сила, направленная по касательной к окружности вращения коромысла.

Согласно [17] тангенциальная сила определяется по формуле

T = F ^- sin ( а + ф k ) , (7) где F ₁ – сила, приложенная к шатуну.

Сила, приложенная к шатуну, определяется как произведение суммарной свободной силы F _с , действующей по оси движения нажимной платформы дорожной энергетической установки на синус угла отклонения шатуна от вертикали:

F 1 = F c - cos a . (8)

Под действием силы F_а возникает суммарная свободная сила F с , действующая по оси движения нажимной платформы дорожной энергетической установки:

F c = F a - F тр - F пр , (9)

где F _a – сила, с которой автомобиль воздействует на нажимную платформу дорожной энергетической установки; F _тр – сила трения поступательно движущихся частей; F _пр – сила сопротивления пружины.

В момент наезда на нажимную платформу передними колесами автомобиль, движущийся со скоростью v _a , воздействует на нажимную платформу с силой F _a , определяющуюся по формуле

^F a = 2 ^- m a ^- g , ⁽¹⁰⁾ где m _a – масса автомобиля; g – ускорение свободного падения.

Сила трения поступательно движущихся частей определяется по формуле

F тр = k - ^ , (11) где k – коэффициент трения в подшипнике качения (принимается равным 0,002 согласно [18]); N – сила нормального давления:

N = F ₂ - cos a , (12) где F ₂ – нормальная сила, направленная к стенке нажимной платформы дорожной энергетической установки.

F 2 = F _a - cos a . (13)

Сила сопротивления пружины определяется по формуле [19]

F пр = k x - х , (14) где k _х – коэффициент жесткости; х – величина, на которую сжимается пружина.

Практическая часть

Схема электрическая принципиальная электромеханического симулятора (рис. 5) разрабатывалась с учетом рассмотренных в структурной схеме (см. рис. 4) входных и выходных параметров дорожной энергетической установки.

Входной скоростной параметр дорожной энергетической установки – скорость поступательного движения подвижной панели нажимной платформы V _п , имитируется и задается преобразователем частоты f = var. Выходной скоростной параметр ползунно-коромыслового преобразователя ω имитируется электромеханическим симулятором – электродвигателем. Силовое соответствие симулятора прототипу обеспечивается выполнением условия М кр >  М _с. Наличие обгонной муфты позволяет моделировать режим свободного выбега ю _Г ^ 0. Выходные параметры ток якоря i _я и напряжение якоря U _я , контролируемые при помощи датчиков тока ДТ и напряжения ДН и АЦП L780, позволяют определить количество получаемой электрической энергии дорожной энергетической установкой от проезда одного автотранспортного средства.

Рис. 5. Схема электрическая принципиальная электромеханического симулятора дорожной энергетической установки

Fig. 5. Schematic diagram of an electromechanical simulator of a road-bump power plant

П роиз в е де н ра с че т кр у тящ е го м ом е нта при прое зд е с ре дне с та т ис т иче с к ого а в том обил я м а с с ой 1 600 кг че ре з дор ож н ую эн е рге тиче с к у ю уста но вку и у гл ов ой скорос ти кор ом ыс л а при скоростях ав тотра нспорт ного с ред ства 20, 3 0, 40 км / ч. Ве лич и на кр у тяще го мом е н та с о с та в и л а 398 Н∙м; углов ая с корос ть при ним а е т сл ед ую щие зна че н ия: пр и скорос ти а втотра нс порт ног о с ре дс тв а 20 км / ч – 22,3 рад/с, при 30 км/ч – 3 3,3 ра д/с, п ри 40 км / ч – 41,7 рад/с.

И сход я и з по л уч е нн ых з нач ений к рут ящ ег о мо мен т а и угло вой с к о р о сти, о п р е д ел ена мо щн о сть п р иво дн о г о д в и г а т е ля э ле ктр о механи ч е ск о г о си мулят о р а. З нач е н и е мощ н о с ти со ст ав ило 1 6 ,6 к В т .

Т ре буе м ый пре дел ре г улир ов а ни я пре обра з ов ате ля ча с тоты (им и та тора в х од ны х с корос тны х па рам е тров дорож ной эне р ге тиче ской у с танов к и) устанавливается э ксп ери ме нт ал ь ны м путем ( р и с. 6 ) .

Количество опытов в серии при проведении экспериментальных исследований планировалось с использованием методов математической статистики [20]. Для этого первоначально по каждой группе опытов (измерений), выполняемых в ана- логичных условиях, рассчитывается среднее значение, среднеквадратичное отклонение и ошибка в определении среднего значения. Отклонения средних значений различных групп опытов признаются существенными, если интервалы равновероятных значений для сравниваемых групп опытов не пересекаются.

Среднее значение переменной величины определяется соотношением mx

x 1 + x 2 + x 3 + ... + x n

n

n

Z Xi i=1

^, n

Преобразователь Симулятор                            Программный комплекс частоты преобразователя             Генератор для фиксации измерений

Рис. 6. Оборудование стенда для имитационного моделирования дорожной энергетической установки

Fig. 6. Simulation stand equipment of a road-bump power plant

Результаты установления соотношения между значениями скорости автотранспортного средства и выходной частотой преобразователя частоты

The results of setting the correlations between the automobile speed values and the output frequency of the frequency converter

Скорость автотранспортного средства, км/ч Частота вращения выходного вала преобразователя (расчетная), об/мин Частота вращения выходного вала преобразователя (экспериментальная), об/мин Выходная частота преобразователя частоты, Гц Среднее значение выходной частоты преобразователя частоты, Гц 20 213 212 7,7 7,8 213 7,8 214 7,8 213 7,8 216 7,9 214 7,8 30 318 315 11,2 11,3 317 11,2 318 11,3 318 11,3 316 11,2 319 11,3 40 398 396 13,8 13,9 399 14,0 397 13,8 398 13,9 397 13,9 398 13,9 где xi – значение случайной величины; n – коли-

чество опытов.

Дисперсия (рассеивание случайной величины) определяется соотношением

О ш = K x 72Ф ^{- 1}( р ) = K^f ( р ). nn

Отсюда минимально необходимое число экс-

периментов в серии

_   it ( x i ^- m x ) 2

Dx = -----;--- n -1

.

n >

K x f ( в ) 1 ²

О ш _

.

Так как величина m _x есть сумма n независимых одинаково распределенных случайных величин x _i , то согласно центральной предельной теореме [20] ее закон распределения близок к нормальному. Задавшись уровнем доверительной вероятности в = 0,9, определяется отклонение Х р по формуле

^р=а mx 72Ф-1(Р),(17)

где Ф ^{- 1} ( Р ) - обратная функция Лапласа.

Ошибка в определении среднего значения

^р   с_й 72Ф ^{- 1}ф)

Ош =    = mx  -------.(18)

mx

Поскольку среднеквадратичное отклонение

оценки m _x

есть g^ m _x

D x

= N n

а g x

D _x , то от-

ношение Kx = ^x- может быть принято в качестве mx оценки коэффициента вариации. Тогда

При известных в и n величина относительной ошибки О_ш будет зависеть от коэффициента вариации K _x . Количество опытов, необходимых для получения значений регистрируемой величины с отклонением от среднего не выше 10 % с доверительной вероятностью 0,9, не менее 6.

Результаты выполнения совокупности операций, устанавливающих соотношение между значениями величины частоты вращения выходного вала преобразователя, полученной с помощью тахогенератора и соответствующим значением величины выходной частоты преобразователя частоты, приведены в таблице.

Заключение

На сегодняшний день дорожные энергетические установки являются перспективным и слабо-изученным источником электрической энергии. Основным недостатком существующих конструкций дорожных энергетических установок является применение преобразователя входного воздействия в виде зубчатой передачи, что существенно

увеличивает стоимость всей конструкции. В данной работе приведена конструкция дорожной энергетической установки с ползунно-коромысловым механизмом и предложена концепция проведения физического эксперимента для исследования ее свойств.

В результате получена структурная схема и на ее основании разработана схема электрическая принципиальная электромеханического симулятора дорожной энергетической установки.

Произведены расчеты крутящего момента, передаваемого от автотранспортного средства, угловая скорость, развиваемая коромыслом, и мощность приводного двигателя электромеханического симулятора.

Разработанная электрическая схема и полученное значение расчетной мощности приводного двигателя позволят сымитировать работу дорожной энергетической установки и определить количество электрической энергии, полученной от проезда одного среднестатистического автомобиля массой 1600 кг.

В будущих исследованиях планируется разработать методику выбора параметров конструктивных элементов дорожной энергетической установки.