Предпосылки разработки гибридной энергосиловой установки для быстроходной гусеничной машины

Для автомобиля повышенной проходимости традиционной компоновочной схемы значения результирующих коэффициентов обдува можно принять равными: картера переднего моста - 0,4; коробки передач - 0,3; среднего ведущего моста - 0,32 и заднего моста - 0,215. Как и следовало ожидать, заметно падение скорости обдува агрегатов по мере удаления от передней части автомобиля и экранирующего эффекта агрегатов, расположенных по направлению движения воздушного потока.

Для эффективного охлаждения двигателя целесообразно его переднее правое боковое расположение со смещением радиаторов в левую сторону. Это обеспечит хороший обдув двигателя встречным потоком воздуха. При неработающем вентиляторе отсутствует сопротивление кожуха, а при работающем исключается обдув двигателя горячим воздухом из радиатора.

Список литературы

1 Гаврилов А. К. Системы жидкостного охлаждения автотракторных

двигателей. М.: Машиностроение, 1966. 163 с.

2 Бурков В. В., Индейкин А. И. Автотракторные радиаторы. Л.:

Машиностроение; Ленингр. отд-ние, 1978. 215 с.

УДК 629.1.02 А.Н. Сошин

Курганский государственный университет

ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗРАБОТКИ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ БЫСТРОХОДНОЙ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ

Аннотация. В статье проводится анализ зарубежных образцов с гибридными электрическими приводами и описываются особенности гибридных энергосиловых установок.

Ключевые слова: гибридные энергосиловые установки.

A.N. Soshin

Kurgan State University

DEVELOPMENT BACKGROUND OF THE HYBRID POWER PLANT FOR HIGHSPEED TRACKED VEHICLE

Abstract. The paper analyzes the foreign models with hybrid electric drive and describes some features of the hybrid energy-power plants.

Keywords: hybrid power plant.

ВВЕДЕНИЕ

Инновационное развитие конструкции быстроходных гусеничных машин (БГМ) непрерывно связано с повышением функциональных и эксплуатационных свойств, в том числе и подвижности. Реализация этой тенденции обеспечивается увеличением удельного энергопотенциала машин и организацией его использования.

Применительно к мобильным колесным машинам, в том числе и тяжелым, повышение подвижности при ограничении расхода топлива и вредных выбросов в окружающую среду характеризуется созданием гибридных энергосиловых установок (ГЭСУ), по подобию разрабатываемых фирмами-производителями Toyota, Ford, Honda, ZF, Allison и др.

1 Особенности гибридных энергосиловых установок

Эффективность ГЭСУ состоит в повышении тяговых свойств и топливно-экономических параметров и обусловлено свойствами теплового и электрического двигателя.

Электрические двигатели, в отличие от тепловых, реализуют максимальный момент на низких оборотах. В связи с этим старт машины целесообразно осуществлять на электрическом двигателе, а тепловой двигатель работает на режиме минимальной или максимальной мощности. Кроме того, за счет рекуперации энергии в условиях движения на спуске или с интенсивным торможением, ГЭСУ позволяет снизить расход топлива до 30..50%.

Однако применительно к БГМ, для которых обеспечение подвижности при уменьшении расхода топлива имеет еще большее значение, так как повышает автономность функционирования (запас хода по топливу), ГЭСУ применяются пока на опытно разработанных образцах.

Это связано с рядом обстоятельств:

1 Ограниченная мощность электрических машин и накопителей энергии.

2 Трудность ограничения температурного (теплового) режима электромашин, расположенных в закрытом корпусе машины, элементов систем управления, расположенных в закрытом корпусе машины, и преобразователей электрической энергии.

3 Сложность конструкции ГЭСУ и системы управления ею, вызванная особенностями функционирования в составе БГМ. В отличие от колесных машин, в машинах с гусеничным движением ГЭСУ должна обеспечивать не только регулирование поступательной скорости движения, но и направление траектории, т.е. двух координат. Кроме того, при управлении поворотом БГМ движитель отстающего борта необходимо тормозить и часть кинетической энергии может быть рекуперировано. Поэтому эффективность ГЭСУ БГМ может быть выше, чем у колесной.

4 Система управления движением и стабилизации траектории должна обеспечивать безопасное движение при ошибочных управляющих воздействиях водителя и выбора им скоростного режима. Однако система обрабатывает управляющее воздействие водителя без учета их корректности.

5 Для стабилизации траектории при повышении водителем скоростного режима конструкция современных трансмиссий БГМ не позволяет компенсировать отклонения траектории, в соответствии с алгоритмом раздельного управления, торможением отдельных бортов, реализуемым в колесных машинах, а также снижением частоты вращения вала двигателя в процессе поворота.

Это связано с тем, что снижение частоты вращения вала двигателя приводит к разблокировке ГТ и еще большему отклонению траектории: она закручивается в спираль из-за повышения чувствительности кривизны траектории к управляющему воздействию

6 Известные программы и алгоритмы не могут выполнить главенствующую роль системы управления верхнего уровня (СУВУ-Vehicle System Controller), которая должна организовать работу и взаимодействие всех компонентов единой системы, выполняя при этом ряд новых не решенных для теории и практики сложных задач, в том числе управления, генерации и расхода энергии. Эффективность решения традиционных задач автоматизации управления и стабилизации траектории движением БГМ на основе синтеза ПИД регуляторов ограничена вследствие зашумленности сигналов G-сенсора, что требует новых

информационных подходов синтеза регулятора.

Для выбора параметров конструкции энергосиловой установки, рационального соотношения мощности источников энергии( теплового двигателя и электромотор-генераторов), а также энергоемкости накопителя энергии для БГМ, эксплуатируемых в особо трудных условиях вне дорог на местности, необходимо определить функции режимов нагружения (цикличности включения системы управления поворотом, остановочных тормозов, переключения передач и других) на основе расчетно-эксперимен-тальных методов, базирующихся на исследовании статической динамики управляемого движения БГМ, разрабатываемых коллективом исполнителей.

Выбор параметров конструкции на основе удовлетворяющих правил согласно циклам ОД1 ЕЭК ООН (ISO SD 8714, TRANS MR29/484) или типовым ездовым циклам НАМИ не приемлем из-за существенного отличия условий эксплуатации БГМ от городских транспортных средств.

В связи с этим основные задачи по решению проблемы разработки ГЭСУ для БГМ состоят в следующем:

1 Исследование статистической динамики управляемого движения БГМ для прогнозирования режимов нагружения ГЭСУ и цикличности переходных процессов.

2 Разработка кинематической схемы ГЭСУ

3 Синтез СУВУ и алгоритмов ее работы.

2 Анализ зарубежных аналогов

Новые требования к передаче мощности и появление в настоящее время быстродействующих мощных полупроводниковых приборов обеспечили конкурентоспособность электрических трансмиссий для транспортных машин по сравнению с механическими, а во многих отношениях даже превосходство над ними. Эти достижения позволили решить проблему, связанную с внедрением электрических передач в транспортных машинах, так как эти приборы значительно повысили эффективность и надежность узлов конструкции, необходимых для функционирования электрических приводов.

Так как электрическая энергия распределяется с помощью гибких кабелей, генераторы, контроллеры и тяговые электродвигатели могут размещаться вне зависимости друг от друга. Вытекающая из этого свобода компоновки обеспечивает возможность решения многих противоречивых требований в конструкции машины.

Более того, принятие концепций электрических приводов зависит от уровня появляющихся технологий. В транспортной машине будущего топливные элементы будут превращать топливо непосредственно в электрическую энергию, удваивая экономию топлива. Полупроводниковая технология уменьшит габариты и повысит эффективность электрического привода. Мощность для функционирования других потребителей обеспечивается тем же источником энергии, который приводит в действие гусеницы.

Электрические приводы будут применяться в гражданских, а также в военных машинах. Дизель-электрические автобусы с комбинированными электрическими приводами эксплуатируются в основном в густо населенных районах. Здесь используется технология привода на колеса, делающая, например, днище машины совершенно плоским и сплошным, что является явным преимуществом для конструкции и, прежде всего, для пассажиров.

Технология электрического привода на колеса доказала свою надежность в ежедневной эксплуатации с пассажирами при пробеге в миллионы километров.

Намерения специалистов заключаются в переводе технологии на опытный образец для использования в крупномасштабных программах. Таким образом, американская программа - боевая система будущего (FCS) -

определила дизель-электрический комбинированный привод как основную форму привода и предусмотрела его как важнейшую конфигурацию для всего семейства машин. Близкие к серийным образцам опытные образцы машин с электрическими приводами уже находятся в стадии испытания в небольшом количестве.

Причина этого возрождения технологии электрического привода в военных машинах находится в том, что только так могут быть достигнуты новые боевые качества и характеристики, что касается надежности машины, тылового обеспечения в мирное время и защиты в боевых условиях. Эта технология является ключом для нового базового машиностроения колесных машин.

На рисунке 1.1 изображен модуль привода колеса с полностью вмонтированным в ступицу колеса электродвигателем. Привод, подвеска, амортизатор, рулевое управление объединились в компактный стандартизированный модуль ходовой части. Тормоза также являются электрическими. В этом случае механический стояночный тормоз является дополнительным. В качестве актуального примера колесной машины с электрическим приводом представлена машина с перспективным гибридным электрическим приводом (Advanced hybrid electric drive AHED) фирмы General Dynamics Land Systems (GDLS), которая впервые публично была показана на ежегодной выставке AUSA в октябре 2002 года в Вашингтоне. В данном образце уже в базовой конструкции используются полезные качества электрического привода колеса.

Рисунок 1.1 - Модуль привода колеса с вмонтированным в ступицу колеса электродвигателем

По заказу фирмы GDLS фирма Magnet-Motor GmbH оборудовала эту машину с колесной формулой 8x8 электрическим приводом в ступице колеса, имеющую в своем составе дизель-генератор - комбинированное энергообеспечение - аккумуляторные батареи (рисунок 1.2).

Разработанные приводы фирмы Magnet-Motor (ММ) являются частью модулей ведущих колес. Генератор фирмы ММ мощностью 200 кВт, напрямую соединенный фланцем с дизельным двигателем, вырабатывает первичную электрическую мощность для привода ведущих колес. Высокоэффективная аккумуляторная батарея обеспечивает дополнительно 200 кВт электрической мощности, благодаря чему мощность достигает 400 кВт.

Аккумуляторная батарея в процессе эксплуатации подзаряжается благодаря торможению машины и наличию избыточной первичной мощности. На практике с помощью данной комбинированной конфигурации достигаются дополнительные преимущества, например бесшумное наблюдение, связь и управление (silent watch), бесшумное движение (stealth mode). Важнейший результат: внутренняя часть машины полностью освободилась от компонентов системы привода, нет также «двойного дна», в котором размещались механические детали привода. Силуэт машины смог стать намного ниже, чем в машине с традиционным приводом.

Колесные модули будут обеспечены гибкой кабельной связью, выполняющей функции силовой и управляющей электроники. Компоненты электрического привода охлаждаются жидкостью, подводимой через стойки подвески.

Наряду с колесными модулями, особенно следует указать на элементы силовой электроники, обеспечивающие электрические машины энергией, объединяющие высокоэффективные аккумуляторные батареи в систему. Они находятся в передней фронтальной части машины, «приподнимая» ее носовую часть.

Фирма Magnet-Motor для данной машины (рисунок 1.3) разработала общую функциональную схему привода: от дизельного двигателя, включая аккумуляторные батареи, до колесного модуля. Опытный образец машины в настоящее время проходит всесторонние испытания и предлагается для реализации в рамках программы боевых систем будущего (Future Combat Systems).

В этой машине были последовательно использованы возможности экстремально удаленной подвижной подвески колес. Благодаря применению электрического привода упразднены приводной и карданный валы. Клиренс может быть изменен от нескольких до 80 см. Благодаря этому реализованы специфические свойства по маскировке машины, уровню противоминной защиты.

Рисунок 1.2 - Машина с колесной формулой 8x8 и с перспективным гибридным электрическим приводом (AHED) фирмы GDLS с электрическим приводом в ступице колеса фирмы Magnet-Motor

Модульная система охлаждений

Машина с перспективным гибридным электрическим приводом

Модифицированная версия серийного гражданского дизельного двигателя

гибридный электрический привод

элементы мощностнои электроники

А ккумуляторная батарея LHON

Модуль привода колеса с вмонтированным в ступицу колеса электродвигателем

Внешняя пневматическая подвеска высокого давления

Гjбридная система

BTVT.narod.ru

колесного/гусеничного поворота Рисунок 1.3 - Конфигурация машины с колесной формулой 8х8 с перспективным гибридным электрическим приводом

По требованиям заказчика фирма Magnet-Motor реализовала электрическую систему комбинированного привода для четырех опытных образцов боевой машины разведки, наблюдения и целеуказания (RST-V), построенных фирмой GDLS для морской пехоты США (рисунок 1.4) и управления перспективного планирования МО (DARPA).

Как указано выше, гибридная энергосиловая установка включает в себя дизель-генератор и аккумуляторные батареи. Благодаря электрическим колесным модулям стала возможной реализация для машины RST-V специальной складной подвески колеса (для изменения клиренса машины) и экстремально высокого значения клиренса. Благодаря этому машина стала авиатранспортна-бельной с возможностью размещения в самолете Osprey V 22. При массе машины 3,8 тонны и общей мощности привода в 210 кВт (110 кВт мощности дизель-генератора и 100 кВт высокоэффективных аккумуляторных батарей) максимальная скорость движения машины достигает 120 км/ч, преодолеваемый подъем составляет 60% (31о).

Рисунок 1.4 - Боевая машина разведки, наблюдения и целеуказания

Опытные образцы успешно прошли ряд испытаний на соответствие заданным требованиям, и в настоящее время идет подготовка производства первой опытной партии. Все изготовленные фирмой Magnet-Motor приводы не имеют никаких изнашиваемых частей и минимум подвижных частей.

Тем самым они обладают высокой надежностью, требуют минимума технического обслуживания и материально-технического обеспечения. Благодаря автоматизации электропривода снижается интенсивность управляющих функций водителя и степень его утомляемости.

На опытных образцах фирмы Magnet-Motor была продемонстрирована возможность обеспечения внешнего потребителя электрической мощности. С помощью имеющейся в распоряжении энергии и мощности может быть обеспечено электроснабжение командных пунктов, инженерных машин, радиолокационных установок и т.д. Сеть пригодна также как электрическая система первичного обеспечения будущих электрических боевых систем (например, электрические пушки, комбинированные пушки, лазерное и микроволновое оружие).

Бронированная пушечная система Thunderbolt представлена на рисунке 1.5, она разработана в сентябре 2003 г. и представляет собой модернизированную бронированную пушечную систему М8, вооруженную 120-мм танковой пушкой ХМ291 вместо первоначально устанавливаемой 105-мм пушки М35.

Рисунок 1.5 - Бронированная пушечная система Thunderbolt фирмы United Defense с гибридным электрическим приводом

Система Thunderbolt заслуживает внимания благодаря пространству, которое экономится в машине за счет принятия гибридного электрического привода. Это мероприятие предполагает размещение двух тяговых двигателей в передней части корпуса и дизельного двигателя мощностью 300 л.с., что освободило пространство в кормовой части корпуса, ранее занимаемое дизельным силовым блоком мощностью 580 л.с. и бортовыми передачами. Появившееся пространство может вместить четырех человек или дополнительные боеприпасы. Не говоря уже о том, что разница в мощности двигателя возмещается, когда требуется максимальная мощность, использованием энергии, накопленной в блоке батарей из 24 свинцовых аккумуляторов.

Усовершенствования, включенные в систему Thunderbolt, достигнуты в результате работы, выполненной на демонстрационном макете TTD, который был основным средством разработки привода HED и его демонстрационным макетом. Одним из положительных результатов, полученных от сочетания дизельного двигателя John Deere мощностью 250 л.с. (187 кВт) и блока батарей из 40 свинцовых аккумуляторов мощностью 187 кВт, было уменьшение расхода топлива на 89%, по сравнению с расходом топлива стандартного БТР Ml 13 АЗ с двигателем фирмы Detroit Diesel мощностью 275 л.с. и гидродинамической трансмиссией Х2000-4А фирмы Allison при действии на трассе, на пересеченной местности с изменением высот Частично улучшение следует приписать замене двигателя, так как старый двухтактный двигатель фирмы Detroit Diesel обладает достаточно высоким удельным расходом топлива.

Электрические трансмиссии всех приводных систем фирмы United Defense были классического двухстороннего типа из двух параллельных схем, несущих ток от генератора с приводом от двигателя машины к отдельным исполнительным двигателям, каждый из которых приводит в действие одну гусеницу. Двухсторонние системы использовались также во всех других гусеничных машинах, оснащенных до сих пор электрическими приводами.

Однако их приводы не были частью гибридных электрических приводов и в противоположность трансмиссиям фирмы United Defense, в которых последовательно использовались асинхронные электродвигатели переменного тока, в них использовались разработанные позднее электродвигатели с постоянным магнитом.

В американских машинах еще не используется другое преимущество электропривода, а именно применение некоторых небольших, снабженных генераторами дизельных двигателей в качестве поставщиков мощности. Это ведет к значительному повышению живучести: при

повреждениях машина все еще остается подвижной и может вернуться назад (go-home), тем самым избегая потери мобильности. Кроме того, здесь можно глобально использовать стандартные современные дизельные двигатели и необходимо еще раз оценить уменьшенные расходы на срок их службы. На модернизацию этих машин можно легко реагировать благодаря наличию унифицированной конструкции и необходимой подгонки только электропривода и программного обеспечения. Конфигурацию будущего варианта машины, охватывающего все характеристики, представляющую электрическую технологию привода, показывает модель на рисунке 1.6.

Машина имеет полезный объем, намного увеличенный, в сравнении с оснащенной традиционным механическим приводом колесной машиной с формулой 8х8, но при этом она облегчена таким образом, что без проблем она может транспортироваться по воздуху известными в настоящее время самолетами. У вышеупомянутых американских машин устанавливался механизм изменения клиренса. Это позволяет уменьшить клиренс днища машины до нескольких сантиметров и почти до 100 см приподнять машину. Из этого вытекает дальнейшее улучшение противоминной защиты и возможность приспособить к местности высоту линии огня.

Оба элемента, дизельный двигатель-генератор, размещены в задней части машины слева и справа. Это способствует увеличению внутреннего полезного объема машины и расширению задней двери для безопасной высадки экипажа.

Технология с электрическим приводом колеса нашла применение в гражданской сфере, в особенности в городских автобусах. При энергетическом обеспечении реализовалось множество вариантов: базовая конфигурация снова является дизель-электрическим приводом, комбинированное исполнение достигнуто от комбинирования с верхним подведением энергии (троллейбусы) до газовых двигателей - электрических приводов с электрическими дополнительными накопителями и без электрических дополнительных накопителей, таких как аккумуляторные батареи или разработанный и изготовленный фирмой Magnet-Motor магнитодинамический накопитель (MDS).

Используемая в автобусах технология приводов в своей основе одинакова, как и в вышеуказанных военных ма-

шинах. Таким образом, полученный в гражданской сфере применения опыт можно перенести и на военную область. Было построено около 60 автобусов с электрическим приводом колес, и уже много лет они находятся в ежедневной эксплуатации по перевозке пассажиров. В целом общий пробег таких автобусов составляет свыше 7 млн км.

Примерами являются 12 троллейбусов, которые были оборудованы фирмой Magnet-Motor (ММ) электрическими приводами колес и комбинированным обеспечением электроэнергией с верхней подачей и магнито-динамическим накопителем (MDS). Машины уже с 1995/ 1996 годов применялись в общественном пассажирском транспорте в городах Базель (Швейцария), и в настоящее время их пробег составил почти 4 млн км.

Из опыта эксплуатации могут быть выведены промежуточные данные по отказам для компонентов привода. Для электрических приводов колес промежуток между отказами (средняя продолжительность периода между отказами MTBF) составляет около 90000 часов или 1,2 млн км пробега, для используемой в них электроники - около 40000 часов или 0,5 млн км (чрезвычайно высокое значение, что отмечает особенно высокую надежность электрических компонентов).

Кроме того, уже два года в швейцарском городе Лозанна используются другие 27 машин серии троллейбусов с электрическими приводами колес. Электрическое снабжение энергией берет на себя комбинация верхнего подведения энергии мощностью 300 кВт и объединение дизельного двигателя и генератора такой же мощности. Компоненты приводов для этих автобусов заимствованы из продукции, производимой фирмой Magnet-Motor.

Общий эффективный пробег машин, используемых в Лозанне в настоящее время, составляет около 1,5 млн км, что представляет собой важнейшие рекомендации по использованию электрической технологии привода колес.

E-X-Drive™ - это легкая, компактная и эффективная система, сравнимая с традиционными трансмиссиями (рисунок 1.7).

E-X-Drive™ предлагает компактное и легкое решение для гусеничных машин с электрическим приводом, базирующееся на оптимальной комбинации электрических и механических компонентов. Это достигается за счет эффективной компоновки, механической передачи мощности управления, механизмов перемены передач и технологии электродвигателей с постоянными магнитами.

Рисунок 1.6 - Эскиз машины с колесной формулой 6х6 с электрическими приводами колес и сдвоенными элементами

конструкции - дизельный двигатель-генератор

Рисунок 1.7 - Трансмиссия E-X-Drive™

Е-Х^гме™ - это решение с малыми рисками из-за низкого уровня нагрузок в двигателях, зубчатых передачах, валах и подшипниках.

Преимущества Е-Х^гме™:

• Высокая плотность мощности и крутящего момента.

• Управляющий дифференциал и переключение передач минимизирует требования к мощности двигателя и крутящему моменту, что ведет к низкой номинальной мощности силовой электроники в кВА.

• Двигатели с постоянными магнитами дают лучший КПД.

• Небольшой «диаметр» позволяет устанавливать компактные, легкие, однорядные бортредукторы.

• Простой электромеханический механизм перемены передач.

• Сдвоенные тяговые и рулевые электродвигатели обеспечивают избыточность, повышая отказоустойчивость.

• Безопасное, надежное и рулевое управление без разрыва мощности с использованием механической регенерации.

• Встроенная система смазки.

• Встроенные механические тормоза.

• Гидравлические системы низкого давления.

• Конфигурируемая и масштабируемая для транспортных средств различных типов.

• Модульность.

• Позволяет внедрять конструктивные новшества.

Сочетание трансмиссии Е-Х^гме™ и последовательного электропривода предлагает возможности инновационных конфигураций гусеничных машин, основанных на фундаментальном изменении распределения пространства в платформе.

Компоновка на базе трансмиссии Е-Х^гме™ не только меньше и легче по сравнению с традиционными трансмиссиями, но и позволяет создавать новые конструктивные конфигурации силового блока и его расположения с целью повышения живучести, маневренности и успеха боевой задачи.

Системы выработки электроэнергии легче модернизировать, управлять и контролировать в разных движитель-ных установках и новых специальных системах; возможно упрощенное внедрение технологии в случае появления энергетических источников с большей удельной мощностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Повышение подвижности, функциональных и эксплуатационных свойств быстроходных гусеничных машин обеспечивается увеличением удельного энергопотенциала машины и организации его использования. Обеспечение подвижности при уменьшении расхода топлива,

применительно к БГМ, повышает автономность функционирования (запас хода по топливу). Создание гибридной энергосиловой установки позволяет повысить тяговые свойства БГМ при уменьшении расхода топлива, что повышает автономность функционирования (запас хода по топливу).

Список литературы

1 Рекламный проспект Tracked vehicle. Superior performance in any

environment ASCOD, General dynamics, European Land Sistem, Madrir/Vienna, 2010.

2 Рекламный проспект WarriorFammily Proven. Reliable. Verstill., GKN

Defence, England. 4 URL: http://btvt.narod.ru