Моделирование промышленного трактора с электрической трансмиссией в технологическом цикле бульдозирования

S.V. Kondakov1, ,

Актуальность темы исследования

Появление на рынке доступных, надежных и мощных вентильных электромашин открывает широкие перспективы внедрения их в трансмиссиях колесных и гусеничных машин различного назначения [1–9], в том числе в промышленных тракторах-бульдозерах. Производят электрические тракторы Caterpillar, Comatsy, Libher, John Deere, в Челябинске – тракторные заводы «Урал-трак» и «ДСТ-Урал».

Известные дизель-электрические трактора ДЭТ-250 и ДЭТ-350 хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации. Информация о новых возможностях накопителей энергии для транспортнотехнологических машин приведена в статьях [10, 11]. Теория и практика применения вентильных электродвигателей изложены в работах отечественных и зарубежных авторов [12–16]. В статье [17] проведен сравнительный анализ исполнительных электродвигателей тягового электроприво- да транспортных машин. Показано преимущество синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов (СПМ). Показаны параметры СПМ для трактора ДЭТ-400.

В статье рассмотрена моторно-трансмиссионная установка трактора производства завода «ДСТ-Урал», состоящая из генератора (Г), питающегося от ДВС, двух бортовых тяговых электродвигателей (ТЭД), накопителя энергии (АКБ), реле-регулятора (РР) и бортовых редукторов (БР) (рис. 1).

Заряд-разряд отслеживается по направлению тока АКБ. Заряд при положительном токе, разряд – при отрицательном.

Реле-регулятор предназначен для поддержания напряжения в сети (в данном случае на клеммах АКБ). При этом ЭДС АКБ пропорционален заряду. Полный заряд АКБ 50 А·ч = 90 МДж, номинальная ЭДС E = 540 В.

Бульдозерный цикл дополнен откатом с маленьким сопротивлением движению и скоростью 6 км/ч. В контексте данной статьи это интересно, так как АКБ во время отката заряжается вполне успешно.

Математическая модель МТУ бульдозера отличается от ранее использованных, в том числе авторами [18–20], наличием электрических параметров: тока, напряжения, электродвижущей силы (ЭДС), электрических сопротивлений, зарядом АКБ, передаточным числом реле-регулятора = электрическим коэффициентом трансформации (рис. 2)

/ d^dee_ _ M    M

J две ,„  = M две  M гн, dt

J 1—¹ = M тэд1 - M с , dt

T d ^ ₂

J2  ,  = M тэд 2  M с 2, dt

M гн = к гн ( 1 1 + 1 2 + I акб ),

UTH-E

I акб ( .      Еакб)      , рр          rакб

W aK6 = J I акб Е акб dt ,

Еакб = aWaкб + b, где Jdeс,Jx,J2 — моменты инерции ДВС и ведущих колес с присоединенными к ним массами, юдвс,®|,®2 — частоты вращения коленчатого вала ДВС и ведущих колёс соответственно, Мдвс, Mгн, Мтэд1, Mтэд 2 Mci, Mc 2 — моменты ДВС, генератора, тяговых электродвигателей и сопротивления на ведущих колесах, WaK6,1акб, Еакб - заряд, ток заряда-разряда, ЭДС АКБ, a, b -коэффициенты аппроксимации.

Численные методы моделирования

Рис. 2. Блок схема формирования тока заряда-разряда АКБ

Fig. 2. Block diagram of the battery charge-discharge current generation

Главный интерес в моделировании представляет заряд-разряд АКБ в процессе бульдозирова-ния. В течение бульдозерного цикла (100 с) при маленьком сопротивлении движению АКБ заряжается, а при большом – разряжается, и это видно на графиках (рис. 3, 4). Установлено, что при i _рр = 1,24 заряд АКБ уменьшается за каждый бульдозерный цикл, а при i _рр = 1,05 заряд АКБ увеличивается за каждый бульдозерный цикл. Указанные значения i _рр получены из заданного условия: полностью заряженная АКБ (90 МДж) разряжается в процессе работы до 60 МДж за 15 мин, а затем заряжается до 90 МДж за следующие 50 мин. И этот период повторяется в течение всего времени работы бульдозера, что соответствует условиям предварительных испытаний реального трактора-бульдозера D12E производства завода «ДСТ-Урал». Следует прокомментировать это положение. Бульдозерный цикл (100 с) повторяется многократно в течение 4000 с (1 ч 5 мин). Начинается с полностью заряженной АКБ, в течение 15 мин емкость АКДБ снижается до 60 МДж, затем передаточное число реле-регулятора переключается с 1,24 на 1,05 и в течение 50 мин АКБ накапливает заряд до исходных 90 МДж. При этом внутри каждого из 40 циклов по 100 с имеет место в разной степени как заряд, так и разряд АКБ.

Результаты моделирования приведены на рис. 3–5.

По рис. 3 видно, что первые 9 циклов (900 с) АКБ отдает заряд в сеть, затем в течение 10–40 циклов (900–4000 с) восполняет его. Интенсивность разряда уменьшается от первого до девятого цикла, затем от 10 до 40 цикла интенсивность заряда уменьшается.

Рис. 3. Емкость (заряд) АКБ в часовом периоде бульдозирования Fig. 3. Battery capacity (charge) during the hourly bulldozing period

Оценка КПД по отношению мощности на выходе к мощности на входе (как это сделано в случае ГСТ [20]) становится невозможной для рассматриваемой ЭМТ, поскольку в процессе бульдозирования чередуются циклы заряда и разряда АКБ. При заряде мощность ДВС тратится на ведущие колеса и АКБ, а в случае разряда, наоборот, – ведущие колеса получают энергию из двух источников: ДВС и АКБ. Поэтому КПД ЭМТ определено по интегральному показателю за весь период разряда и заряда АКБ как отношение энергии (работы) на ведущих колесах к энергии, выработанной ДВС за весь период разряда АКБ с 90 МДж до 60 МДж (15 мин) и заряда АКБ с 60 МДж до 90 МДж (50 мин).

а)

b)

Рис. 4. Мощности ДВС и на ведущих колесах при «зарядном» и «разрядном» режимах работы АКБ при емкости АКБ: а) около 60 МДж; b) около 90 МДж

Fig. 4. Engine power and power at the drive wheels in the “charging” and “discharging” modes of the battery operation at battery capacity: (a) about 60 MJ, (b) about 90 MJ

На рис. 4 графики 1 – мощность ДВС при «зарядном режиме» iрр = 1,05 (в среднем 140 кВт в рабочем цикле и 50 кВт при откате), графики 2 – мощность на выходе, графики 3 – мощность ДВС при «разрядном режиме» iрр = 1,24 (в среднем 110 кВт при работе, 30 кВт при откате), графики 4 – мощность на выходе (больше при «разрядном режиме», чем при «зарядном режиме», видимо электротяга эффективнее, трактор движется быстрее). При откате мощности на выходе одинаковы в обоих режимах – 20 кВт

Комментарии по графикам мощностей на разных режимах:

• –    в начале периода разряда мощность на выходе больше мощности ДВС в среднем вдвое, мощность разряда АКБ – 75 кВт. В конце периода разряда мощность на выходе больше мощности ДВС в среднем на 20 %, мощность разряда АКБ – 25 кВт;

• –    в начале периода заряда, наоборот, мощность на выходе меньше мощности ДВС в среднем на 30 %, мощность заряда АКБ – 20 кВт. В конце периода заряда мощность на выходе меньше мощности ДВС в среднем на 5 %, мощность заряда АКБ – 5 кВт.

По графикам на рис. 4 видно, что в процессе бульдозирования большая часть времени цикла требует от ДВС и генератора мощность не более 120 кВт в разрядном режиме и 140 кВт – в зарядном. И только в конце цикла требуется мощность 180 кВт и больше (до 200 кВт) – мощности ДВС не хватает. В активную работу включается АКБ: отдает заряд на преодоление сопротивлений ведущих колес. В пиковых режимах АКБ выдает в сеть от 50 до 100 кВт мощности.

Рис. 4а – средняя мощность, снимаемая с ЯМЗ-536 в «разрядном» режиме, составляет 110 кВт, в «зарядном» режиме – 140 кВт. Рис. 4b – средняя мощность, снимаемая с ЯМЗ-536 в «разрядном» режиме, составляет 60 кВт, в «зарядном» режиме – 140 кВт. Существенное различие между рис. 4а и рис. 4b – в мощности ДВС: при большом заряде (90 МДж) АКБ средняя мощность, вырабатываемая ДВС, меньше, чем при 60 МДж – 110 и 60 кВт соответственно.

Энергия, вырабатываемая ДВС за полный часовой период работы, оценена интегрально и составляет 53 % от 172 кВт и равна 91 кВт.

Для оперативного сравнения ГСТ и ЭМТ на рис. 5 приведены графики мощности ДВС и на ведущих колесах трактора-бульдозера в том же бульдозерном цикле [20]. Бульдозерный цикл здесь повторяется многократно и абсолютно идентично: нет разветвления потока мощности как в ЭМТ: мощность ДВС всегда полностью потребляется ведущими колесами. В интегральной оценке загрузка ЯМЗ-536 с ГСТ составляет 43 %, а с ЭМТ – 53 % от номинальной мощности в 172 кВт. Средняя мощность, снимаемая с ЯМЗ-536 с ГСТ – 76 кВт.

Таким образом, средняя мощность, снимаемая с ДВС с электромеханической трансмиссией, на 15 % больше, чем с гидростатической трансмиссией.

Периоды разряда и заряда АКБ существенно различны, поэтому оценка КПД трансмиссии трактора с ЭМТ проведена через соотношение энергий (работ) на ведущем колесе и на коленчатом валу ДВС на период разряда АКБ с 90 МДж до 60 МДж (15 мин) и заряда АКБ с 60 МДж до 90 МДж (50 мин). КПД составил 92 %. Для сравнения КПД ГСТ составляет 80 % [20].

Рис. 5. Мощность ДВС (1) и на ведущих колесах (2) трактора с ГСТ

Fig. 5. Engine power (1) and power at the tractor’s drive wheels (2) with a hydrostatic transmission

Проиллюстрируем величины токов и напряжений в ЭМТ .

На графиках рис. 6 и 7 приведены величины токов и напряжений в одном из циклов бульдо-зирования: на 60-й секунде ток генератора достигает 300 А, ток в каждом из тяговых ЭД – по 200 А. Недостающие для баланса 100 А обеспечиваются током АКБ. ЭДС генератора почти во всем цикле бульдозирования больше напряжения на ТЭД, за исключением пикового режима в конце бульдозерного цикла (50–60 с): здесь ЭДС АКБ становится больше ЭДС генератора и ТЭД и соответственно идет разряд АКБ по рис 6.

Рис. 6. Ток генератора (1), ток каждого ЭД (2), ток АКБ (3)

Fig. 6. Generator current (1), current of each electric motor (2), battery current (3)

Рис. 7. ЭДС генератора (1), напряжение тяговых ЭД (2), напряжение АКБ (3)

Fig. 7. Generator EMF (1), traction electric motors voltage (2), battery voltage (3)

По полученным при моделировании данным КПД ЭТ превосходит ГСТ по меньшей мере на 15 %. А с учетом увеличения на 15 % загрузки ДВС мощность на ведущих колесах повышается относительно МТУ с ГСТ на 32 %. Соответственно, можно ожидать преимущество и по производительности.

Выводы

• 1.    Разработанная математическая модель описывает работу трактора с электрической трансмиссией в бульдозерном цикле с подключением в пиковых режимах (при перегрузке ДВС) АКБ. Модель отличается от известных в литературе алгоритмом управления двумя потоками мощности с целью увеличения средней выходной мощности моторно-трансмиссионной установки.

• 2.    АКБ позволяет разгружать ДВС в пиковых режимах до 50 кВт.

• 3.    Средняя мощность процесса в 1,32 раза больше, чем на тракторе с ГСТ.

• 4.    По сути, рассматриваемый трактор имеет гибридную силовую установку. В режиме преодоления пиков нагрузки работают два источника энергии – ДВС и АКБ. С другой стороны, АКБ заряжается от ДВС, и считать ее самостоятельным источником энергии неправильно.

• 5.    Заряд АКБ идет независимо от технологического цикла в течение 50 мин, начиная от 60 МДж до 90 МДж, на этом этапе «зарядный режим» iрр = 1,05. Затем реле-регулятор переключается на «разрядный режим» iрр = 1,24 и постепенно, за 15 мин, заряд АКБ снижается с 90 МДж до 60 МДж.