Машины с электрическими трансмиссиями

ВОЕННОЕ ПРАВО

Юридические консультации. Судебная практика. Вопросы, ответы и комментарии.

АРМИЯ РОССИИ

СМИ «Обозник». История армии, тыла ВС РФ. Права и обязанности военнослужащих

Тенденции развития электрических трансмиссий бронированных машин

Развитие бронетанкового вооружения и техники на современном этапе идет в направлении решения следующих задач: — повышение огневой мощи за счет применения новых видов вооружения; — повышение уровня защищенности; — повышение уровня подвижности путем увеличения средних скоростей движения и запаса хода по топливу; — повышение надежности; — возможность роботизации и автоматизации управления перспективных бронированных машин. — расширение возможностей диагностирования и контроля систем.

Анализ конструкций перспективных зарубежных бронированных машин показывает, что для решения этих задач используются принципиально новые решения, в том числе наблюдается существенный рост интереса к разработке и испытанию различных образцов военных гусеничных и колесных машин, оснащенных электрической трансмиссией и гибридной энергетической установкой. Под гибридной энергоустановкой понимается двигатель внутреннего сгорания с генератором электроэнергии, работающие в комплексе с накопителями электрической энергии (аккумуляторы, молекулярные, магнитодинамические и др. накопители электрической энергии). Через электрическую трансмиссию реализуется энергия двигателя внутреннего сгорания и энергия накопителей.

Создание накопителей энергии с высокими удельными мощностями дает возможность накапливать энергию торможения и использовать ее вторично. В настоящее время наблюдается существенный рост интереса к разработке и испытанию различных образцов военных гусеничных и колесных машин, оснащенных электрической трансмиссией и гибридной энергетической установкой. Применение электротрансмиссии и гибридной энергоустановки позволяет наиболее эффективно решить задачи развития бронетанкового вооружения и техники. Оснащение машины мощной энергетической установкой позволяет питать дополнительные потребители электрической энергии большой мощности: устройства электрического пуска ракет, электротермохимические или электромагнитные пушки и так называемую «электромагнитную броню».

Электрическая трансмиссия дает возможность оптимизировать режимы вращения каждого из колес, бесступенчато регулировать скорость движения и силу тяги в широком диапазоне, обеспечить создание антиблокировочных и антипротивобуксовочных систем. Это позволяет снизить требования к квалификации и психофизическому состоянию водителей при повышении основных показателей подвижности. Программное обеспечение управления машины с электротрансмиссией позволяет обеспечить работу силовой (гибридной) установки в оптимальном режиме, т. е. с минимальным расходом топлива, в оптимальном температурном режиме с максимальным КПД. Через электрическую трансмиссию наиболее просто реализовать создание полностью автоматизированных безэкипажных машин, управляемых на расстоянии по радиоканалу или автоматически через программируемое устройство. Электрические машины, и, в частности электротрансмиссии, имеют высокие показатели надежности, технологичности производства, эксплуатации, ремонта и возможности контроля по сравнению с другими типами трансмиссий.

Отсутствие жестких потоков передачи крутящего момента увеличивает компоновочные возможности, что обеспечивает более рациональное использование внутреннего забронированного объема. Состав трансмиссии колесной машины отличается от состава трансмиссии гусеничной машины, что обусловлено в основном различными принципами выполнения поворота. Это определяет некоторые отличия в тенденциях их развития. Для перспективных колесных машин рассматривается электротрансмиссия с применением мотор-колеса (тяговый электромотор расположен непосредственно в колесе машины). Агрегаты электротрансмиссии с мотор-колесом кинематически между собой не связаны, что расширяет компоновочные возможности при проектировании машины. Электротрансмиссия с мотор-колесом позволяет, устранив карданную передачу в приводе колеса, существенно повысить степень свободы поворотного устройства и шарниров подвески.

Отсутствие карданной передачи в приводе ведущих колес позволяет существенно увеличить углы поворота управляемых колес, что в комплексе со всеколесным рулевым управлением и возможностью разнонаправленного вращения колес разных бортов позволит сократить минимальный радиус поворота. Это существенно улучшит управляемость и маневренность колесной машины, что особо ценно при ведении боевых действий в условиях населенных пунктов. При внедрении одновременно со всеколесным рулевым управлением индивидуальных электрических механизмов поворота колеса появляется возможность исключения сложной, дорогостоящей и не всегда надежной гидросистемы рулевого управления.

Увеличение статического и динамического ходов подвески позволит не только повысить средние скорости движения, но и обеспечить уменьшение дорожного просвета до нуля за счет направляющего аппарата подвески. При использовании в качестве упруго-демпфирующего элемента, например гидропневматической рессоры с изменяемой степенью демпфирования и возможностью изменения клиренса, можно получить существенное повышение качества подвески за счет оптимизации демпфирующих свойств в различных дорожных условиях (даже при увеличении неподрессоренной массы), то есть повышение скорости движения до максимально возможной для данного типа дорожного покрытия. Возможности изменения клиренса необходимы для повышения скрытности боевой машины, а горизонтирование является необходимым условиям функционирования некоторых спецустановок.

В дополнение к вышесказанному необходимость применения электротрансмиссий в конструкции перспективных колесных машин подтверждается следующими предположениями, основанными на анализе зарубежных разработок: — исключение из конструкции боевой колесной машины механических систем передачи момента в виде коробки передач, угловых передач, раздаточных коробок, бортовых редукторов, колесных редукторов и карданных валов позволяет снизить массу машины или увеличить ее грузоподъемность, а высвободившийся полезный объем позволит разместить дополнительное специальное оборудование; — освободившийся от агрегатов механической трансмиссии объем на днище позволяет оптимальным образом решить вопрос размещения накопителей энергии.

Размещение в днище накопителей позволит существенно повысить противоминную стойкость боевой колесной машины. Одним из перспективных типов электротрансмиссии для современных военных гусеничных машин легкой категории по массе является классическая полнопоточная электрическая трансмиссия, которая, как правило, состоит из одного или двух генераторов, соединенных напрямую или через редуктор с основным двигателем внутреннего сгорания, двух отдельных тяговых электродвигателей, соединяемых с каждым ведущим колесом через двухступенчатый бортовой редуктор и двух отдельных силовых полупроводниковых преобразователей управления скоростью вращения валов тяговых двигателей.

Характерными особенностями таких трансмиссий являются: — отсутствие механических связей между генератором и бортовыми тяговыми электродвигателями, а также механических связей между самими тяговыми электродвигателями и, как следствие, отличные компоновочные возможности военной гусеничной машины; — электромеханическая трансмиссия этого типа сочетает функции элементов механической трансмиссии: главного фрикциона, коробки передач, механизмов поворота и тормозных механизмов, что существенно упрощает конструкцию трансмиссии, увеличивает ее надежность и ремонтопригодность; — при поворотах используется регенерирование мощности от тягового электродвигателя отстающей гусеницы на забегающую гусеницу.

Это свойство, обеспечивает высокие характеристики динамических процессов поворота гусеничной машины. Для тяжелых машин (20—60 тонн) все большее внимание разработчиков привлекает двухпоточная электромеханическая трансмиссия. В данной трансмиссии вместо двух тяговых электродвигателей большой мощности и двух обслуживающих их преобразователей частоты используются один тяговый электродвигатель меньшей мощности и один электродвигатель поворота. В результате вес и объем трансмиссии значительно меньше по сравнению с классической электрической трансмиссией, применяемой для машин такого же класса и веса.

В настоящее время за рубежом выполняются программы по разработке и внедрению электрических трансмиссий с гибридной энергетической установкой в военные гусеничные и колесные машины. В США, Германии, Франции, Англии и Швеции проведены такие исследования с представлением демонстрационных образцов. Новые разработки и особенно те, которые запланированы к завершению в ближайшее время (например EBRC), рассматриваются как элементы «боевых систем будущего» (FCS). С октября 2002 года фирмы Boeing и SAIC стали официальными ведущими организаторами по этой огромной программе, насыщенной тем, что на языке Пентагона называется «опережающими технологиями». В США уже имеются серийные гибридные дизельэлектрические приводы с различного типа энергоаккумулирующими системами.

Работы проводятся на колесных и гусеничных машинах с электрическим приводом. Одна из таких работ является частью общей программы «Перспективный дизельэлектрический привод для боевых машин системы FCS». Основным источником электрической энергии является генератор, приводимый в работу дизельным двигателем мощностью 500 л. с. (один из вариантов). Вспомогательным источником энергии являются аккумуляторные батареи, способные обеспечить кратковременную суммарную мощность на колесах до 155 л. с. С помощью этого вспомогательного источника энергии обеспечивается движение машины на небольшие расстояния до 6 км в так называемом «бесшумном» режиме или движение на форсированном режиме, когда питание электродвигателей, установленных в ступицах колес осуществляется одновременно от генератора и аккумуляторных батарей. В Англии контракты по такой технологии охватывают разные аспекты машин FRES. В августе 2005 года фирме General Dynamics UK выдали 18-месячный контракт на программу разработки

шасси с электрической трансмиссией для интеграции в общую платформу FRES. Программа выполнялась во взаимодействии с фирмой General Dynamics Land Systems и базировалась на колесной (8 х8) машине с макетом перспективного гибридного электрического привода (AHED). Испытания демонстрационного макета AHED выполнялись на автомобильном испытательном полигоне Bosch, Саут-Бенд, шт. Индиана, в апреле 2006 года. На них присутствовали представители министерства обороны. Испытания включали испытания на скорость, ускорение и преодоление подъема. В итоге технологии электрического привода AHED был присвоен седьмой уровень готовности технологии.

Это говорит об успешных испытаниях в условиях оперативной обстановки. Следующие уровни: восьмой — фактическая система технологии завершена и оценена по испытанию и демонстрации, девятый — фактическая система технологии оценена по успешным действиям при выполнении задачи. Выводы и рекомендации, предложенные фирмой General Dynamics, показали, что гибридная схема может быть успешно объединена со стандартной электронной схемой управления машины. В дальнейшем технология электрического привода может быть более широко использована в гусеничных и колесных машинах. Подвижность машин программы EBRC (Франция), будет обеспечиваться гибридным дизель-электрическим приводом с энергоаккумулирующей системой, включающей в себя разные источники: электрические, гидравлические, пневматические, тепловые или инерционные накопители энергии.

Программа SEP (Швеция) также ориентирована на гибридную энергетическую установку и электрическую трансмиссию. Электрическая трансмиссия гусеничного шасси SEP состоит из двух дизельных двигателей, двух генераторов, конвертора, аккумуляторных батарей, двух электромоторов и системы управления. К новым техническим решениям, использованным при создании гибридной энергетической установки, следует отнести применение энергоаккумулирующей системы. Это позволит на 20—30 проц. уменьшить расход топлива на 1 км пути, обеспечит «бесшумное» движение на небольшие расстояния (до 6—8 км), даст возможность кратковременно увеличить мощность гибридной энергетической установки на 15—20 проц.

В настоящее время основная проблема, препятствующая внедрению электрических трансмиссий в военных гусеничных и колесных машинах, связана с отсутствием малогабаритных тяговых электродвигателей. Поэтому за рубежом развернуты работы по созданию малогабаритных и имеющих малую массу электродвигателей на постоянных магнитах, что, по мнению зарубежных специалистов, создает предпосылки для внедрения электрической трансмиссии в военные гусеничные и колесные машины. Подобные исследования в последние годы проводились в США и Германии. Электротрансмиссия переменного тока устанавливалась в колесные и гусеничные экспериментальные образцы.

В обоих вариантах использовались тяговые электрические машины, изготовленные на основе постоянных магнитов с использованием редкоземельных элементов (самария, кобальта и др.), имеющих высокую степень магнетизма. Применение постоянных магнитов позволяет значительно снизить объем и массу электрических машин. В то же время следует указать, что использование постоянных магнитов в основных компонентах электрической трансмиссии имеет ряд недостатков: — высокая стоимость электрических машин с постоянными магнитами на основе редкоземельных материалов; — низкие прочностные и технологические качества, нарушение структуры и магнитных свойств постоянных магнитов на основе самария и кобальта при ударных воздействиях на корпус; — подверженность постоянных магнитов «магнитному старению», приводящему к изменению их магнитных свойств от 1 до 10 проц. в год; — постоянные магниты исключают возможность использования дополнительного канала регулирования по цепи возбуждения электродвигателя. Выводы

1. Работы по совершенствованию трансмиссий боевых гусеничных и колесных машин идут по пути создания и внедрения электрической трансмиссии с гибридной энергетической установкой. Это позволяет значительно повысить динамичность, экономичность машины по топливу, надежность отдельных агрегатов и создает условия для реализации новых технических решений по системам управления движением, комплексам вооружения и защиты.

2. Анализ конструкции зарубежных колесных машин показывает тенденцию разработки электрической трансмиссии с расположением тягового электромотора в колесе (мотор-колесо).

3. Основные усилия в создании электрической трансмиссии для гусеничных машин реализуются в создании следующих основных типов: — электрическая трансмиссия классического типа, состоящая из электрогенератора, соединенного с основным двигателем, и двух отдельных тяговых электродвигателей, соединенных с бортовыми редукторами, и двух отдельных силовых преобразователей управления скоростью вращения валов тяговых электродвигателей; — электромеханическая трансмиссия, состоящая из электрогенератора, соединенного с двигателем внутреннего сгорания, и двух отдельных тяговых двигателей, один для обеспечения прямолинейного движения, а второй для обеспечения поворота машины, механического устройства, обеспечивающего электромеханический механизм прямолинейного движения и поворота.

4. По типу применяемых электрических машин разработки направлены на создание малогабаритных электродвигателей на постоянных магнитах.

Другие новости и статьи

Запись создана: Четверг, 18 Октябрь 2018 в 10:19 и находится в рубриках Новости.

Имитационное моделирование движения быстроходной гусеничной машины с электрической трансмиссией Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

CC BY

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Гомберг Борис Наумович, Кондаков Сергей Владимирович, Носенко Лев Сергеевич, Павловская Ольга Олеговна

Предложена математическая модель быстроходной гусеничной машины с электрической трансмиссией и приведены результаты имитационного моделирования криволинейного движения.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Гомберг Борис Наумович, Кондаков Сергей Владимирович, Носенко Лев Сергеевич, Павловская Ольга Олеговна

SIMULATION MODELING OF MOTION OF A HIGH-SPEED TRACKED VEHICLE WITH ELECTRIC TRANSMISSION

The article describes a mathematical model of a high-speed tracked vehicle with electric transmission and the results of simulation modeling of curvilinear motion.

Текст научной работы на тему «Имитационное моделирование движения быстроходной гусеничной машины с электрической трансмиссией»

УДК 681.51.013 + 629.114.2:51

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ БЫСТРОХОДНОЙ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ

Б.Н. Гомберг*, С.В. Кондаков*, Л.С. Носенко**, О.О. Павловская*

* г. Челябинск, Южно-Уральский государственный университет ** г. Челябинск, НПО «Электромашина»

SIMULATION MODELING OF MOTION OF A HIGH-SPEED TRACKED VEHICLE WITH ELECTRIC TRANSMISSION

B.N. Gomberg*, S.V. Kondakov*, L.S. Nosenko**, O.O Pavlovskay*

* Chelyabinsk, South Ural State University ** Chelyabinsk, NPO “Electromachina”

Предложена математическая модель быстроходной гусеничной машины с электрической трансмиссией и приведены результаты имитационного моделирования криволинейного движения.

Ключевые слова: быстроходная гусеничная машина, математическая модель, электрическая трансмиссия, механизм поворота, управление электродвигателем.

The article describes a mathematical model of a high-speed tracked vehicle with electric transmission and the results of simulation modeling of curvilinear motion.

Keywords: high-speed tracked vehicle, a mathematical model, electric transmission, turning mechanism, control of electric motor.

Интерес к электрическим трансмиссиям со стороны конструкторов быстроходных гусеничных и колесных машин специального назначения растет по мере внедрения все более компактных и энергонасыщенных электромашин и силовых преобразователей.

В частности, фирма «Магнет мотор» (ФРГ) в 1986 году изготовила и провела испытания колесной машины с формулой 4х4 и дизельным двигателем внутреннего сгорания (ДВС) 240 кВт [1]. В следующем году установили электрическую трансмиссию на гусеничную боевую машину пехоты (БМП) «Мардер» с ДВС 440 кВт при мощности двух бортовых электродвигателей (ЭД) по 750 кВт каждый. В статье [1] указано, что преимущество центральной трансмиссии со вторым потоком мощности от ДВС к ведущим колесам состоит в меньшей установочной мощности каждого из ЭД, а преимущество бортовой схемы — в компоновке и в отказе от механических дифференциалов, суммирующих мощности двух потоков. В начале 90-х годов фирмой «Магнет мотор» выпущена многоколесная машина с формулой 8х8 полной длиной 7,06 м, шириной 3,01 м, массой 32 т, ДВС мощностью 600 кВт, с восьмью ЭД мощностью 70-80 кВт, установленными непосредственно в колесах [1].

В РФ также ведутся работы по внедрению электрических трансмиссий, в частности изготовлен образец и проведены испытания быстроходной

гусеничной машины (БГМ) с электрической трансмиссией, выполненной по бортовой схеме, в которой генератор соединен непосредственно с ДВС, а два исполнительных вентильных электродвигателя (БД) через бортовой редуктор с ведущими колесами. Установочная мощность генератора — 320 кВт, БД — по 320 кВт каждый. Получен в целом положительный результат, однако в процессе испытаний выявлен эффект, не имеющий теоретического толкования: при движении по полигону перегревался БД только одного борта.

Задачей данной работы является создание математической модели движения исследуемой БГМ с электротрансмиссией, объясняющей полученный эффект, что позволит в дальнейшем выработать рекомендации по модернизации системы управления электромашинами.

Основные исходные данные для моделирования.

1. Расчетная схема движения БГМ на местности. Расчетная схема плоско-параллельного движения БГМ в декартовых координатах с курсовым углом ф приведена на рис. 1: X, Y — декартовы координаты, ф — курсовой угол, МЦВ — мгновенный центр вращения, F1, F2 — силы сопротивления на отстающем и забегающем борту, Vc — линейная скорость центра тяжести, % — продольное смещение полюса поворота, L — продольная база машины, В — поперечная база машины, х1 — поперечное смещение полюса поворота отстающей гусеницы,

х2 — поперечное смещение полюса поворота забегающей гусеницы, ¥С бок — составляющая ¥С , направленная перпендикулярно оси корпуса машины, ¥С пр — составляющая ¥С , направленная вдоль оси корпуса машины, Тх1 , Ту1 — составляющие результирующей силы трения отстающей гусеницы о грунт, Тх2 , Ту2 — составляющие результирующей силы трения забегающей гусеницы о грунт, Мт1 , Мт2 — результирующие моменты трения отстающей и забегающей гусениц относительно полюсов поворота С1 и С2 соответственно, ю=йф/й/ — угловая скорость поворота корпуса, УС1 , УС2 — скорости полюсов поворота отстающей и забегающей гусениц соответственно.

Основные уравнения связей, характеризующие взаимодействие гусениц с грунтом, перераспределение веса машины при повороте по бортам, формирование тяговых усилий на гусеницах, сопротивление прямолинейному движению и повороту БГМ взяты из работ [3, 4].

2. Математическая модель движения БГМ с электрической трансмиссией получена на основе работ [2-6], где учтены основные потери в электрических машинах — механические, магнитные и электрические:

Т2 = [(Р + р1- Р/1 — Р/2))ф + Яб сое ф]О — = [(Р2 + Р1 — Р/1 — Р/2 ) ф-Яб «Пф]‘

http://oboznik.ru/?p=41334
http://cyberleninka.ru/article/n/imitatsionnoe-modelirovanie-dvizheniya-bystrohodnoy-gusenichnoy-mashiny-s-elektricheskoy-transmissiey