Особенности условий работы автономного транспорта

1. Вследствие неровностей дороги или на стыках рельсов, а также колебаний и вибраций подвижной состав работает при частых ударных воздействиях и тряске. Оборудование требует повышенной механической и электрической прочности деталей и узлов и высокой надежности их крепления. Для уменьшения ударных воздействий стремятся делать все оборудование полностью подрессоренным.

2. При движении подвижного состава неизбежно проникновение в него загрязненного и влажного воздуха, а иногда грязи, воды, снега. Изолированные детали электрооборудования должны иметь влагостойкую изоляцию, а все металлические детали – надежно защищены антикоррозионными покрытиями. Электрооборудование, размещённое вне кузова, должно быть, по возможности, защищено от попадания в него посторонних предметов.

3. Автономный транспорт работает с различной нагрузкой, определяемой наполнением подвижного состава, к тому же на меняющемся профиле пути в условиях изменения влажности и температуре окружающей среды от -50 до +40⁰С и высоте над уровнем моря до 1200м.

4. Выходное напряжение энергетической установки автономного транспорта может изменяться в значительном интервале, что не должно приводить к сбою в работе тягового привода.

5. Режим работы тягового электрооборудования (в частности электродвигателей) – повторно-кратковременный с частыми пусками и торможениями, а иногда и реверсом.

6. Пространство для размещения и монтажа механического и электрического оборудования на подвижном составе весьма ограничено. Поэтому оборудование должно иметь по возможности малые габариты и вес, к нему должен быть обеспечен хороший доступ для осмотров и ремонтов, позволяющий осуществлять быструю замену неисправных узлов и деталей исправными.

7. Отказ в работе электрооборудования на линии, особенно на рельсовом транспорте, приводит к нарушению графика движения всего транспорта на этом участке.

Кроме того, к специализированному автономному транспорту предъявляются особые требования, обусловленные спецификой его функционального назначения: грузоподъёмность, маневренность, устойчивость и т.д., которые оговариваются в техническом задании на его разработку.

Определение. Под энергоустановкой понимается совокупность устройств (агрегатов), обеспечивающих хранение и полный цикл преобразования энергии любой физической природы в электрическую для питания тягового привода.

Применяемые на автономном транспорте энергоустановки весьма разнообразны и отличаются, как процессами преобразования, так и способами пополнения энергии. Основные виды энергоустановок приведены на рис. 1.1.

В современных автономных транспортных средствах наибольшее распространение получили теплоэлектрические энергоустановки, состоящие из теплового двигателя и сочленённого с ним тягового генератора. Энергоустановки такого типа обеспечивают широкий диапазон плавного регулирования напряжения на выходе генератора путём изменения его возбуждения, а также скорости вращения вала теплового двигателя посредством изменения подачи топлива. В качестве тепловых двигателей автономных транспортных средств преимущественно используются дизели, значительно реже – газотурбинные установки (ГТУ) и карбюраторные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), а также двигатели Венкеля, Стирлинга, Ранкина и др.

В зависимости от мощности ТЭУ, частоты вращения ТД и других факторов в качестве генераторов используются тяговые генераторы постоянного тока и синхронные генераторы различных модификаций.

Перспективными считаются ЭУ с непосредственным преобразованием химической энергии топлива в электрическую в топливных элементах (ТЭ), особенно низкотемпературных, поскольку имеют достаточно высокий КПД (порядка 0,6…0,7), отличаются бесшумностью работы, почти полным отсутствием токсичных отходов, простотой заправки.

Достаточно широкое распространение получили ЭУ небольшой мощности на базе тяговых аккумуляторных батарей (ТАБ) для напольного транспорта.

На рис. 1.2 приведена схема тягового привода автономного транспортного средства с ТАБ, включающая в себя редуктор с дифференциалом 1, карданный вал 2, тяговый электродвигатель 3, ТАБ 4.

На рис. 1.3 приведена схема тягового привода, содержащего комбинацию из двух типов: механического и электрического периодического действия. Схема включает в себя редуктор с дифференциалом 1, тяговый электродвигатель 2, карданный вал 3, раздаточный редуктор 4, ДВС 5, муфту 6, Тяговый генератор 7. Привод с такой схемой исполнения можно использовать для активизации колёс полуприцепа или прицепа при прохождении тяжёлых участков пути.

На рис. 1.4 приведена схема тягового привода, содержащего комбинацию из двух типов: механического и электрического для режимов трогания и разгона. Схема включает в себя редуктор с дифференциалом 1, карданный вал 2, муфту 3, тяговый электродвигатель 4, ДВС 5, ТАБ 6, блок управления 7.

В режимах трогания и разгона транспортного средства ДВС и тяговый электродвигатель работают одновременно, либо только один тяговый электродвигатель (муфта, соединяющая ДВС с электродвигателем отключена). В режиме установившейся скорости работает только ДВС.

На рис. 1.5 приведены два варианта схемы тягового привода, содержащего комбинацию из двух типов: механического и электрического для режимов трогания и разгона. В отличие от предыдущего варианта схема включает в себя тяговый генератор 8, который может питать тяговый электродвигатель 2 параллельно с ТАБ 9. Вращение вала тягового генератора в схеме рис. 1.5а осуществляется, как и в варианте по схеме рис. 1.3, ДВС через раздаточный редуктор 5 и муфту 7, а в схеме рис. 1.5б – через передачу 5. Блок управления 4 позволяет осуществлять не только совместное и раздельное питание электродвигателя от ТАБ и генератора, но и подзаряжать ТАБ от генератора.

Поскольку наиболее распространёнными в настоящее время являются энергоустановки с двойным преобразованием энергии (теплоэнергетические ЭУ), то в дальнейшем именно им и будет уделено основное внимание.

Схема силовой цепи электрической части тягового электропривода существенно зависит от рода тока, используемого в тяговом генераторе и электродвигателе. Поскольку в качестве тяговых двигателей используются электричес-кие машины постоянного и трёхфазного переменного тока, как и в качестве источника электроэнергии на автономном транспортном средстве, то возможны различные сочетания этих элементов в структурных схемах: приводы постоянного, постоянно-переменного, переменно-постоянного и переменного тока. Для определённости рассмотрим структурные схемы электрической части привода карьерных самосвалов, оснащённых мотор-колёсным тяговым приводом.

На рис. 1.6 приведены варианты структурных схем электрической части тягового привода четырёхколёсного самосвала с тяговыми двигателями постоянного тока (ДПТ) и синхронным тяговым генератором (СГ). Регулирование подводимого к двигателям напряжения осуществляется либо управляемым выпрямителем (В), либо возбуждением синхронного генератора. Из рисунка видно, что возможны три варианта построения схем, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками. Наиболее приемлемой, как в плане реализации свойств тяговых двигателей, так и по надёжности работы привода в целом, является схема рис. 1.6в. Но она же требует и большего количества элементов.

На рис. 1.7 приведены варианты схемных решений привода самосвала на переменном токе.

В качестве источника электрической энергии во всех схемных решениях выступает синхронный генератор, как и в передаче переменно-постоянного тока рис. 1.6. Тяговым двигателем является трёхфазный асинхронный двигатель АД.

В варианте рис. 1.7а питание двигателя осуществляется через преобразователь частоты с непосредственно связью (ПЧНС), в остальных – через преобразователь частоты со звеном постоянного тока (ПЧПТ), состоящий из выпрямителя (В) и инвертора (И).

Сопоставление различных вариантов и выявление достоинств и недостатков каждого из них не составляет особого труда и предоставляется студентам.

1. Термодинамические циклы поршневых тепловых двигателей.

2. Характеристики дизелей, газотурбинных установок.

3.Топливо для тепловых двигателей и его свойства.

Определение. Термодинамическими циклами называются такие циклы, в которых в результате чередующихся процессов расширения и сжатия рабочего тела (например, воздуха) происходит изменение его внутренних характеристик (объёма, давления и температуры).

Теоретические термодинамические циклы предполагают, как наличие, так и отсутствие теплообмена с окружающей средой. Практически теплообмен происходит всегда.

Теоретически процесс сжатия может идти по изотерме pV=Т=const, или по адиабате pV ^k=const, где к=1.4. Практически сжатие всегда идёт по одной из политроп pV ^m=const, где 1< m < k.

Теоретически возможными являются термодинамические циклы с подводом тепла к рабочему телу, как при постоянном объеме рабочего пространства, так и при постоянном давлении в нем. Для расчетного цикла с подводом тепла при постоянном объеме (рис. 2.1) при движении поршня от нижней мёртвой точки (НМТ) к верхней мёртвой точке (ВМТ) сжатие происходит по адиабате ас, подвод тепла (сгорание топлива) по изохоре се, работа расширения по адиабате еb и отвода тепла (выпуск продуктов сгорания в атмосферу) по изохоре bа.

В случае расчетного цикла с подводом тепла при постоянном давлении (рис. 2.2) порядок чередования процессов аналогичен только что описанному. Отличие состоит в том, что подвод тепла (горение топлива) происходит в процессе «предварительного» расширения.

При смешанном цикле (рис. 2.3) подвод тепла начинается по изохоре се, а завершается (топливо догорает) по изобаре еd. По своим параметрам он наиболее близок к циклам реальных тепловых двигателей.

Параметры термодинамических циклов. Под параметрами термодинамических циклов подразумеваются такие основные показатели, характеризующие работу двигателя, как: степень сжатия, степень повышения давления, степень предварительного расширения и термический к. п. д.

Степень сжатия характеризует изменение объема рабочего пространства до начала подвода тепла и численно выражает кратность изменения этого объема

. (2.1)

Степень повышения давления характеризует кратность возрастания давления в результате подвода тепла

. (2.2)

Степень предварительного, расширения характеризует кратность увеличения объема в процессе подвода тепла (догорания топлива)

. (2.3)

Термический КПД

. (2.4)

Термический КПД смешанного цикла зависит от остальных параметров цикла.

Выражение (2. 4) может быть представлено в виде

.

После преобразования

. (2.5)

Выражая отношение температур через параметры цикла, получаем:

а) из адиабаты ас

; (2.6)

б) по изохоре ab

,

но из адиабаты ас следует, что , а из адиабаты bd – , следовательно

; (2.7)

в) по изохоре cе

; (2.8)

г) по изобаре еd

; (2.9)

Произведя подстановку в формулу (2.5) выражений (2.6) – (2.9), получим

. (2.10)

Термический КПД зависит от различных параметров термодинамического цикла следующим образом (см. рис. 2.4):

а) с повышением степени сжатия ε КПД растет, но рост постепенно замедляется:

б) по мере увеличения степени повышения давления λ КПД также возрастает, но рост происходит замедленно

.

в) увеличение степени предварительного расширения ведет к понижению термического КПД, особенно при малых значениях степени повышения давления

.

При больших значениях λ влияние ρ незначительно.

Следовательно, наиболее высокое значение термического к. п. д. может быть достигнуто в цикле с подводом тепла при постоянном объеме, а наименьшее в цикле с подводом тепла при постоянном давлении.

Полная механическая работа за цикл может быть определена по ρ(V) диаграмме (см. рис. 2.3):

.

В масштабах рисунка она представлена площадями

где m_р и m_V — соответственные масштабы по осям ординат и абсцисс.

При запуске двигателя ему необходимо сообщить с помощью внешнего источника некоторую начальную энергию, достаточную для совершения работы сжатия. В дальнейшем работа сжатия произ­водится за счет работы других цилиндров, а в одноцилиндровом двигателе за счет кинетической энергии, накопленной маховиком в период рабочего такта.

В четырёхтактном дизеле полный рабочий цикл соответствует повороту коленчатого вала теплового двигателя на 720⁰. диаграмма рабочего цикла такого дизеля приведена на рис. 2.5, где пунктиром нанесена диаграмма теоретического цикла.

Ориентировочные параметры рабочего цикла характеризуются значениями:

p_z ≈45…60 атм; T_z ≈2300…2700⁰К;

р_с ≈28…40 атм; Т_с ≈800…900⁰К.

Впускной и выпускной клапаны управляются от распределительного вала. Последовательность тактов в каждом из цилиндров дизеля одинакова, а сами такты сдвинуты на угол

где z – количество цилиндров дизеля.

Применительно к рисунку 2.5 такты чередуются в следующем порядке:

– всасывание воздуха при открытом впускном клапане по линии la′;

– сжатие воздуха на участке a′s′ при закрытых клапанах. В точке s′ впрыскивается топливо и начинается его горение в процессе сжатия до точки с′;

– от точки с′ начинается процесс расширения горящей смеси, сопровождающийся повышением давления до точки e′;

– от точки e′ до точки d′ продолжается горение смеси при практически постоянном давлении в надпоршневом пространстве;

– от точки d′ до точки х продолжается догорание остатков смеси и расширение объёма продуктов сгорания при понижении давления вплоть до точки в′.;

– от точки в′ до точки о происходит расширение продуктов сгорания. Линия c′e′d′xв′о соответствует полезной работе, а этот такт называется рабочим тактом;

– от точки о до точки l происходит выброс отработавших газов в атмосферу при открытом выпускном клапане;

– от точки l до точки а′ происходит всасывание в цилиндр атмосферного воздуха.

В теоретическом цикле всасывание воздуха в цилиндр и выхлоп отработавших газов осуществляется при одинаковом давлении p=p_атм; кривая р(v) при сжатии воздуха описывается политропой рv^к=const; сжигание топлива происходит сначала с повышением давления при постоянном объёме v=const, а затем – при постоянном давлении p=const; расширение газов описывается политропой pv^к=const.

Отклонение реального рабочего цикла от теоретического происходит вследствие:

– задержки воспламенения и распространения пламени по объёму цилиндра;

– теплообмена между цилиндром и окружающей средой;

– гидравлического сопротивления клапанов (на рисунке работа по преодолению гидравлических потерь характеризуется заштрихованной площадью).

Вследствие отклонения реального рабочего процесса от теоретического (расчётного) площадь диаграммы p(V) уменьшается, что свидетельствует об уменьшении полезной работы.

В двухтактном дизеле полный рабочий цикл соответствует повороту коленчатого вала на 360⁰. В двухтактных дизелях с клапанно-щелевой продувкой цилиндров (см. рис. 2.6) нагнетание воздуха осуществляется через щели, расположенные вблизи нижней мёртвой точки (НМТ) под давлением р=(1.3…1,6)∙10⁵ Па. Применительно к рис. 2.6 такты чередуются в следующем порядке:

– на линии la закрываются щели;

– на линии ас происходит сжатие воздуха;

– в точке с происходит впрыскивание топлива и начинается процесс горения, сопровождающийся повышением давления по линии ce;

– на линии ed продолжается горение топлива в процессе расширения смеси;

– на линии dв продолжается догорание остатков смеси и расширение объёма продуктов сгорания при понижении давления;

– на линии вl происходит выталкивание продуктов сгорания.

Отдельные процессы рабочего цикла двухтактного дизеля описываются кривыми, аналогичными кривым четырёхтактного дизеля (политропы, изобары, изохоры).

Применительно к рис. 2.6 геометрическая степень сжатия

,

а действительная степень сжатия

В двухтактных двигателях с цилиндрами такого типа из-за наличия окон теряется часть хода поршня, но зато по сравнению с четырёхтактными у них вдвое чаще происходит рабочий ход. Поэтому при равных размерах цилиндра и одинаковых параметрах рабочего цикла теоретическая мощность двухтактного дизеля по сравнению с четырёхтактным выше в 1,7…1,8 раза. Однако вследствие несколько низшей степени сжатия и худшей продувке цилиндра воздухом, что вызывает необходимость снижения подачи топлива, реальная мощность двухтактного выше в 1,5…1,7 раза по сравнению с четырёхтактным.

Основные характеристики тепловозных дизелей представляют собой зависимости эффективной мощности N_e, крутящего момента М_д, эффективного КПД η_е и удельного расхода топлива g_e от угловой скорости коленчатого вала п. Они определяются параметрами рабочего процесса. К этим параметрам относятся:

коэффициент полноты индикаторной диаграммы, характеризующий отношение площади реальной индикаторной диаграммы к площади расчетной p(V) диаграммы. Применительно к рис. 1.12 этот коэффициент определится отношением

Величина коэффициента полноты индикаторной диаграммы зависит от показателя политропы, давлений впуска и выпуска, организации процессов распыливания и горения, фаз распределения;

коэффициент наполнения, представляющий собой отношение

,

где G — действительное количество воздуха, заполнившего цилиндр к началу сжатия; G_h – количество воздуха в установившемся состоянии, т. е. если давление впуска равно р_а и температура равна Т_а.

Практически давление впуска всегда меньше р_а на величину Δ р_в, которая обусловлена гидравлическими потерями и пропорциональна квадрату скорости воздуха на впуске Δ р_в ≡ V_в²;