Обкаточно-тормозной стенд двигателя внутреннего сгорания на базе асинхронного электропривода с рекуперативным преобразователем частоты

Техническая модернизация сельскохозяйственной техники является важным направлением повышения ее работоспособности и продления срока использования. Большую роль в механизации труда сельских товаропроизводителей (фермеров, индивидуальных предпринимателей) играют механические средства мощностью до 10–20 кВт (средства малой механизации).

Ежегодно в сервисные центры поступает свыше 300 тыс. неисправных мотоблоков и мотокультиваторов [1]. Основной причиной поломки являются неисправности в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) [2]. За период эксплуатации совокупная стоимость ремонта может превысить стоимость ДВС в несколько раз [3]. Кроме того, у отремонтированного ДВС значительно снижается производительность и срок службы [4]. Поэтому актуальной проблемой является повышение качества и ремонта двигателей средств малой механизации.

Известно, что качественно произведенная обкатка ДВС способна повысить эффективность работы и увеличить ресурс обкатываемого двигателя [5].

Обзор литературы

В настоящее время активно ведется разработка, исследование и совершенствование обкаточно-тормозных стендов (ОТС) различных конструкций, в состав которых входят различные типы нагружающих устройств [1; 6-10]. Среди промышленно выпускаемых можно выделить обка-

MORDOVIA UNIVERSITY BULLETIN точные универсальные стенды серий КС и КСАТ производства ООО «Ко-пис», стенды испытания ДВС «Контур-Сид» производства ООО «КЭР Инжиринг», стенды серии ОТС производства ООО «НТЦ “Техническая диагностика и прецизионные измерения”» и испытательные стенды серии КИ ГОСНИТИ.

Подобные стенды можно разделить на тормозные, в которых в качестве тормоза используют электрические, гидравлические или пневматические нагружающие устройства, и бестор-мозные, когда нагрузка и ее изменение осуществляется с помощью маховика, изменения положения топливодозирующего органа, дросселирования и рециркуляции газов1–3 [6–8].

Наиболее ярким примером стендов, использующих бестормозную обкатку ДВС, являются обкаточные универсальные стенды с динамическим нагружением серии КС производства ООО «КОПИС». В работе4 отмечены недостатки стендов данной серии. Среди них автор выделяет односкоростной режим холодной обкатки ДВС с помощью тихоходного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (750 об/мин), который включается в работу с помощью прямого пуска. Данный способ пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может привести к образованию задиров, неприработанных поверхностей сопряжений ДВС, а также значительным токовым перегрузкам питающей электрической сети5. Авторами работ6–7 также отмечается неправильность назначения типовых режимов холодной обкатки ДВС, проводимых на нескольких скоростях при частоте вращения от 400 до 1 400 об/мин с плавным ее увеличением в начальный период.

Авторским коллективом Пензенской ГСХА во главе с профессором С. В. Тимохиным проводятся исследования по совершенствованию конструкций стендов с динамическим нагружением8–10. Результатом их работы стал опытный образец стенда с динамическим нагружением, производство которого налажено на ОАО «Завод коммунальной энергетики» (г. Пенза). Промышленно выпускаемый стенд позволяет проводить холодную обкатку ДВС в пяти фиксированных режимах с плавным увеличением частоты вращения в начале процесса и при переходе со ступени на ступень11. Фрикционная управляемая муфта сцепления автотракторного типа, установленная между электрическим двигателем и коробкой передач, обес- печивает плавное увеличение частоты вращения коленчатого вала ДВС и нагрузки электрического двигателя при пуске, что снижает вероятность появления задиров и ограничивает пусковые токи12. Несмотря на все свои достоинства, процесс обкатки ДВС, проводимый на стендах с динамическим нагружением, характеризуется большой продолжительностью, что, как отмечается авторами, обусловлено в основном пониженной средней за цикл динамического нагружения угловой скоростью коленчатого вала, а также пониженной эффективностью такта выбега с точки зрения приработки вследствие малых нагрузок на сопряжения и повышенной продолжительностью такта13–15.

В настоящее время тормозные стенды нашли наиболее широкое промышленное применение. Среди испытательных стендов с такой конструкцией необходимо выделить серию ОТС КИ ГОСНИТИ. Стенды данной серии состоят из трехфазных асинхронных электрических машин с фазным ро- тором, пусковой аппаратуры, установочных и соединительных устройств, а также систем измерения расхода топлива и других параметров ДВС16 [6–8]. Характерной особенностью этих стендов является использование свойства обратимости электрических машин, т. е. при холодной обкатке они работают в двигательном режиме, а при горячей – в генераторном.

Стоит отметить, что все выпускаемые ОТС предназначены для обкатки и испытаний ДВС мощностью > 20 кВт и поэтому не могут осуществить полную обкатку ДВС средств малой механизации [1]. Отсутствие специализированных испытательных стендов таких ДВС можно объяснить невысокой стоимостью как самих средств малой механизации, так и их двигателей, а также невозможностью и нецелесообразностью адаптации существующих промышленно-выпускаемых ОТС для обкатки двигателей мобильной сельскохозяйственной техники малой мощности ввиду огромных энергетических затрат, мощностей и стоимости существующих стендов [1; 6-7]. Поэтому на кафедре мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин имени профессора А. И. Лещан-кина Института механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» была поставлена задача по разработке конструкций недорогих и эффективных стендов, адаптированных для обкатки и испытаний ДВС средств малой механизации.

Материалы и методы

В процессе разработки ОТС были использованы общепринятые положения теоретической механики, теории

MORDOVIA UNIVERSITY BULLETIN цепей, теории двигателей внутреннего сгорания, а также методы современной теории управления и теории электрического привода. Использовалось следующее промышленное оборудование: асинхронный короткозамкнутый двигатель с принудительной вентиляцией ДАР 112 М4 БУЗ-1М1081-ИТ02500-В, рекуперативный преобразователь частоты Mitsubishi FR-A741-5,5K с панелью управления FR-DU07, дизельный четырехтактный двигатель GREENFIELD GF178 F и группа автоматических выключателей IEK BA47-29 C25 3p и IEK BA47-29 C32 3p. Рама ОТС и соединительная муфта были изготовлены индивидуально.

Результаты исследования

Для решения поставленной задачи нами была предложена (рис. 1) и практически реализована (рис. 2) новая конструкция ОТС на базе рекуперативного двухзвенного преобразователя частоты17.

На рис. 1 показано, что ОТС содержит в своем составе асинхронный короткозамкнутый двигатель 1 с встроенной системой независимого охлаждения 2 , подключенной (посредством автоматического выключателя 3 ) к электрической сети 4 , питающей через автоматический выключатель 5 рекуперативный преобразователь частоты 6 , состоящий из активного транзисторного выпрямителя 7 , на входе которого установлены входные дроссели 8 , а на выходе через звено постоянного тока 9 , подключенному к транзисторному инвертору напряжения 10 , питающему, в свою очередь, посредством включения через автоматический выключатель 11 , асинхронный короткозамкнутый электродвигатель 1 ,

Р и с. 1. Функциональная схема ОТС двигателей средств малой механизации:

1 – асинхронный короткозамкнутый двигатель; 2 – встроенная система независимого охлаждения; 3, 5, 11 – автоматический выключатель; 4 – электрическая сеть; 6 – рекуперативный преобразователь частоты; 7 – активный транзисторный выпрямитель; 8 – входные дроссели;

9 – звено постоянного тока; 10 – транзисторный инвертор напряжения; 12 – соединительная муфта; 13 – ДВС; 14 – датчики

F i g. 1. Functional diagram of the stand for running in engines of small-scale mechanization means: 1 – asynchronous squirrel-cage motor; 2 – built-in independent cooling system; 3 , 5 , 11 – circuit breaker;

• 4    – electric network; 6 – recuperative frequency converter; 7 – active transistor rectifier;

• 8    – input chokes; 9 – a link of a direct current; 10 – transistor voltage inverter; 12 – coupling;

13 – internal combustion engine; 14 – sensors

Р и с. 2. ОТС двигателей средств малой механизации: 1 – асинхронный короткозамкнутый двигатель с принудительной вентиляцией ДАР 112 М4 БУЗ-IM1081-ИТ02500-В;

• 2    – автоматический выключатель 1 ; 3 – автоматический выключатель 2 ; 4 – автоматический выключатель 3 ; 5 – рекуперативный преобразователь частоты Mitsubishi FR-A741-5,5K;

6 – соединительная муфта; 7 – дизельный четырехтактный двигатель GREENFIELD GF178 F;

• 8    – рама обкаточно-тормозного стенда

F i g. 2. The stand for breaking-in of engines of means of small-scale mechanization:

• 1    – asynchronous squirrel-cage motor with forced ventilation ДАР 112 М4 БУЗ-IM1081-ИТ02500-В;

• 2    – circuit breaker 1 ; 3 – circuit breaker 2 ; 4 – circuit breaker 3 ; 5 – recuperative frequency converter Mitsubishi FR-A741-5,5K; 6 – coupling; 7 – diesel four-stroke engine GREENFIELD GF178 F;

• 8    – frame of the brake-bending stand

соединенный через муфту 12 с ДВС 13 , на котором установлены датчики 14 , необходимые для контроля и измерения параметров при различного рода испытаниях.

Работа ОТС в режимах холодной и горячей обкатки ДВС происходит следующим образом.

Включением автоматического выключателя 5 запускается рекуперативный преобразователь частоты 6 , в котором на активный транзисторный выпрямитель 7 и транзисторный инвертор напряжения 10 подается управляющий сигнал и осуществляется формирование необходимого входного тока и выходного напряжения рекуперативного преобразователя частоты 6 , исходя из необходимой скорости вращения асинхронного короткозамкнутого двигателя 1 .

Включением автоматического выключателя 11 разрешается запуск асинхронного короткозамкнутого двигателя 1 . Затем производится регулирование частоты его вращения. При работе двигателя 1 вращающийся момент ротора образовывает реактивный момент на статоре, стремящийся повернуть двигатель в обратном направлении. Поскольку реактивный момент на статоре равен вращающемуся моменту ротора, то по нему датчиками 14 измеряется тормозной момент ДВС 13 .

Асинхронный короткозамкнутый двигатель 1 работает на ОТС в двух режимах: двигательном и генераторном. Первый режим характерен для холодной обкатки ДВС 13, а второй – для горячей. В режим горячей обкатки ОТС переходит, как только частота вращения асинхронного короткозамкнутого двигателя 1 становится выше синхронной, что происходит за счет вращения ДВС 13. В данном режиме большая часть механической энергии ДВС 13 преобра- зуется в электрическую, и, пройдя через входные дроссели 8, возвращается обратно в электрическую сеть 4.

Автоматический выключатель 3 запускает систему независимого охлаждения 2 асинхронного короткозамкнутого двигателя 1 . Данная система вращается с частотой питающей электрической сети 4 , использующейся в качестве вентилятора охлаждающего обмотки асинхронного короткозамкнутого двигателя 1 .

Предложенная конструкция ОТС может быть реализована с помощью различного промышленно выпускаемого оборудования.

В конструкции ОТС, представленной на рис. 2, в качестве рекуперативного преобразователя частоты был использован преобразователь частоты Mitsubishi FR-A741-5,5K, характеризующийся высокой энергетической эффективностью и возможностью рекуперации тормозной энергии в сеть18 [11–12]. Данный преобразователь также оснащен панелью управления FR-DU07 (рис. 3), на которой задается частота вращения асинхронного короткозамкнутого двигателя и производится индикация измеряемых параметров.

В качестве асинхронного короткозамкнутого двигателя с встроенной системой независимого охлаждения был использован двигатель с принудительной вентиляцией ДАР 112 М4 БУЗ-IM1081-ИТ02500-В, а в качестве испытуемого ДВС - дизельный двигатель GREENFIELD GF178 F, представляющий собой четырехтактный одноцилиндровый двигатель с воздушным охлаждением и верхним расположением клапанов и предназначенный для установки на садовую бензотехнику (мотопомпы, генераторы, культиваторы, мотоблоки, виброплиты и др.) мощностью до 5,2 л. с. Данный двигатель

Р и с. 3. Панель управления FR-DU07 Mitsubishi FR-A741-5,5K

F i g. 3. Control panel FR-DU07 Mitsubishi FR-A741-5,5K

оснащен системой легкого старта, ручным стартером и защитой от низкого уровня масла в картере.

Как видно из рис. 2, асинхронный короткозамкнутый двигатель ДАР 112 М4 БУЗ-IM1081-ИТ02500-В и дизельный двигатель GREENFIELD GF178 F закреплены на раме ОТС, а их валы от- центрованы и объединены с помощью специально изготовленной соединительной муфты (рис. 4).

ОТС оснащен тремя автоматическими выключателями, в качестве которых использованы выключатели IEK BA47-29 C25 3p и IEK BA47-29 C32 3p.

Р и с. 4. Соединительная муфта валов двигателей F i g. 4. Motor shaft couplings

Обсуждение и заключения

Предложенная конструкция ОТС позволяет реализовать различные способы холодной и горячей обкатки ДВС средств малой механизации, включая обкатку на низких и высоких оборотах, а также обкатку с реверсом двигателя. Кроме того, стенд характеризуется хорошей энергоэффективностью, малыми массогабаритными показателями и низкой стоимостью (< 150 тыс. руб.). Дальнейшее развитие стенда видится в полной автоматизации процесса обкатки ДВС средств малой механизации. Для этого может быть использован один из промышленных интерфейсов преобразователя частоты, а управление процессом обкатки и испытаний двигателей – выведено на персональный компьютер.

Поступила 15.01.2018; принята к публикации 23.03.2018; опубликована онлайн 29.06.2018

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.