Особенности конструктивных решений размещения и обслуживания накопителей энергии унифицированной машины технологического электротранспорта

10 лет

журналу

Особенности конструктивных решений размещения и обслуживания накопителей энергии унифицированной машины технологического электротранспорта

Н.М. Филькин, профессор ФГБОУ ВО «Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова», д.т.н., С.Н. Зыков, доцент ФГБОУ ВО «Удмуртский государственный университет», к.т.н., Р.Ф. Шаихов, доцент ФГБОУ ВО «Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова», к.т.н., А.М. Татаркин, аспирант ФГБОУ ВО «Ижевский государственный технический университет»

49

В статье обоснована актуальность инженерной проблематики формирования, размещения и эксплуатации блока накопителей энергии унифицированной машины технологического электротранспорта (УМТЭТ). Показана необходимость и обоснованность проведения предварительных проектно-аналитических работ по оценке емкостных энергетических характеристик аккумуляторных батарей различных типов, а также их геометрических и размерных показателей в рамках формирования основных требований к конструкции несущей системы машины (рама) УМТЭТ. Рассмотрена комбинированная лонжеронно-хребтовая рама как наиболее рациональная для УМТЭТ. В статье большое внимание уделяется конструкционным особенностями обслуживания и замены блока аккумуляторных батарей, поскольку это является одним из основных эксплуатационных показателей эффективности работы электрических транспортных машин.

__Ключевые слова:

электрический транспорт, аккумуляторная батарея.

азработка современных транспортных средств (ТС) является сложной проектно-конструкторской проблематикой, имеющей разноплановый проектный подход [1-3]. Электрические транспортные средства не являются исключением, и по ряду причин эксплуатационного и экологического плана год от года их создание приобретает все большую актуальность. Одной из главных задач, решаемых проектировщиками при разработке таких ТС, является оптимизация выбора, компоновки, обслуживания, зарядки и замены накопителей энергии. Все это в сумме во многом определяет эффективность работы электрических транспортных машин как таковых. Необходимость выработки специализированных инженерных подходов в свете данной проблематики представляется очевидной. Рассмотрим последовательность проектных процедур, связанных

с накопителями энергии, на примере унифицированной технологической машины электротранспорта (УМТЭТ).

На основании того, что для УМТЭТ предполагались использование электромеханической трансмиссии и установка специализированного навесного оборудования с электроприводом, а также имелись строгие массогабаритные ограничения заказчика, первичная задача заключалась в определении оптимальных показателей блока аккумуляторных батарей (АКБ), используемых для питания всех узлов и агрегатов машины.

Были сформированы общие конструкторско-технологические требования и желаемые параметры к накопителю энергии УМТЭТ.

Общие конструкторско-технологические требования:

• обеспечение установки коробов с тяговыми аккумуляторными батареями на УМТЭТ;

• электропитание разрабатываемой УМТЭТ должно осуществляться от бортового накопителя электрической энергии (тип аккумуляторной батареи - кислотный, щелочной, гелевый, литий-ионный, литий-полимерный и суперкондерсаторы; базовая АКБ: емкость аккумуляторов - не менее 350/210 А-ч; напряжение питания - 48/80 В; тип - кислотный);

• применение свинцово-кислотных аккумуляторов, производимых по технологии БР28, напряжением 48 В и энергоемкостью не менее 16 кВт-ч;

• параметры УМТЭТ: ширина грузовой платформы - не более 1300 мм, высота грузовой платформы - не более 800 мм, клиренс (дорожный просвет) - не менее 140 мм, колесная база - не менее 1150 мм;

• габаритные размеры отсеков АКБ - не более 1000x690x460 мм;

• извлечение из внутреннего пространства платформы без демонтажа встроенных узлов, а также навесного оборудования, установленного на грузовой платформе;

• масса УМТЭТ без блока аккумуляторных батарей - не более 900 кг;

• общий вес УМТЭТ - не более 1500 кг;

• обслуживание АКБ должно происходить путем легкого доступа, а возможность установки и извлечения АКБ - с помощью вилочного погрузчика.

Исходя из указанных общих ограничений к транспортному средству были определены следующие параметры блока накопителей энергии:

• суммарный вес аккумуляторных батарей должен составлять не более 600 кг;

• плотность энергии аккумуляторов - 28 Вт-ч/кг (при энергоемкости 16,8 кВт-ч);

• геометрическая емкость батарей исходя из линейных характеристик 1000x690x460 мм не должна превышать 317,4 дм3; в этом случае при обеспечении энергоемкости в 16,8 кВт-ч соответствующая удельная характеристика аккумуляторного блока должна составлять 52,93 Вт-ч/дм3;

• полная масса аккумуляторного блока - 600 кг (при емкости аккумулятора в 350 А-ч и питающем напряжении 48 В), что составляет 24 АКБ, массой по 25 кг при энергоемкости 16,8 кВт-ч;

• проектная высотная характеристика короба блока аккумуляторных батарей составляет 560 мм.

С учетом указанных выше требований к желаемым показателям накопителей энергии был осуществлен следующий этап проектных работ - выбор адаптируемых к УМТЭТ аккумуляторных батарей производства Тюменского аккумуляторного завода. Обоснованы элементы 5Р28350, 5Р28400 и 7Р28385 в качестве пригодных

ШШШШШШШ Щ

для комплектования блока накопителей энергии УМТЭТ.

Наличие в конструкции электрического транспортного средства блока накопителей энергии, имеющих значительные весовые и объемные характеристики по отношению к общим габаритам УМТЭТ, определяет необходимость разработки оригинальной силовой несущей системы, предназначенной не только для размещения блока АКБ, но и дающей возможность его технического обслуживания.

Комбинированная лонжеронно-хребтовая несущая система для УМТЭТ спроектирована под изготовление из стандартных катанных профилей простой геометрии. Конструкция (рис. 1) представляет собой сложную пространственную систему, состоящую из основной рамы и надрамника, на которых базируются основные детали, агрегаты и узлы УМТЭТ.

10 лет

журналу

51

Рис. 1. Комбинированная лонжеронно-хребтовая несущая система для УМТЭТ

Преимущества комбинированной лонжеронно-хребтовой несущей системы:

• обеспечение требуемых проектных геометрических габаритов (ширина -1180 мм; длина - 3200 мм; высота - 530 мм);

• конструкция разрабатывается из стандартных стальных металлических профилей (Ст40), что значительно удешевляет производство;

• возможность компоновки и базирования большинства узлов и агрегатов УМТЭТ (рис. 2) с допустимостью размещения аккумуляторов различных размеров;

• относительно небольшая масса несущей системы (170 кг). Недостатки:

• для изготовления требуется специализированное оборудование, что увеличивает затраты на изготовление.

На рис. 2 показаны зоны базирования узлов и агрегатов УМТЭТ на несущей силовой раме.

Рис. 2. Зоны базирования узлов и агрегатов УМТЭТ: 1 - зона заднего подвесного оборудования; 2 - зона задней подвески; 3 - зона АКБ; 4 - зона передней подвески

Рис. 3. Расположение аккумуляторного металлического контейнера в УМТЭТ

На рис. 2 видно, что размещение короба накопителей энергии предусмотрено в центральной части лонжеронно-хребтовой несущей рамы. Поскольку снаряженный короб имеет высокую массу, такое конструкционное пространственное позиционирование при низком околоземном размещении значительно повышает устойчивость УМТЭТ при работе, предотвращая боковое опрокидывание.

Бесперебойная работа батареи тяговых аккумуляторов предусматривает их постоянное техническое обслуживание, организация которого является достаточно сложной инженерной задачей. Современная практика эксплуатации предусматривает стационарное размещение короба источников питания с обслуживанием и верхней выемкой аккумуляторов.

На разрабатываемой УМТЭТ батареи установлены в металлическом контейнере, который подвешен снизу на рамную несущую систему (рис. 1, 3). Аккумуляторный металлический контейнер (блок АКБ) конструктивно имеет возможность выкатывания по направляющим на обе стороны тележки для ежедневного обслуживания. Металлический контейнер может быть механически отсоединен от направляющих и извлечен для технического обслуживания вне УМТЭТ.

шшшшшшш

Извлечение и перемещение металлического контейнера в этом случае может быть произведено при помощи вилочного погрузчика или подкатной тележки. Рассмотрим технологические процедуры обслуживания в отдельности.

Ежедневное обслуживание АКБ

При ежедневном обслуживании АКБ не требуется проводить полный демонтаж металлического контейнера АКБ с УМТЭТ. Достаточно обеспечить доступ к клеммам аккумулятора. Для этого металлический контейнер оснащен двумя крышками в своей верхней части. При выдвижении металлического контейнера влево до упора обеспечивается доступ к левой половине АКБ, а при выдвижении вправо до упора - к правой половине. Чтобы провести техническое обслуживание, необходимо выполнить следующие действия:

• снять боковые декоративные элементы обвеса с обеих сторон тележки;

• ослабить по два винтовых фиксатора (рис. 4а, 1) металлического контейнера справа и слева на тележке и повернуть на 90 градусов вниз;

• на правом кронштейне повернуть вверх до упора предохранительный фиксатор (рис. 4а, 2), освободить свободное перемещение металлического контейнера влево;

• выдвинуть металлический контейнер АКБ за рукоятку влево (рис. 46);

• открыть крышку и провести осмотр и необходимое обслуживание левой части батареи;

• закрыть левую крышку и задвинуть металлический контейнер.

а 6

Рис. 4. Процедура выдвижения металлического контейнера без демонтажа с УМТЭТ

Для завершения обслуживания аналогичные действия проводятся с правой стороной металлического контейнера накопителей энергии УМТЭТ.

Ежемесячное обслуживание АКБ

Для ежемесячного обслуживания аккумуляторов (или их замены) требуется обеспечить к ним полный доступ. Для этих целей в конструкции УМТЭТ предусмотрена процедура облегченного демонтажа металлического контейнера АКБ с использованием подкатной тележки. Для этого необходимо выполнить следующие действия:

• снять боковые декоративные элементы обвеса с обеих сторон тележки;

10 лет

журналу

53

Рис. 5. Процедура демонтажа металлического контейнера АКБ с УМТЭТ

• ослабить по два винтовых фиксатора (см. рис. 4а, 1) металлического контейнера справа и слева на тележке и повернуть на 90° вниз;

• выдвинуть с левой стороны металлический контейнер до упора на направляющих и отвернуть два фиксирующих болта (рис. 5а);

• задвинуть обратно металлический контейнер на место (рис. 5б) и, отвернув два фиксирующих болта справа, вкрутить их в технологические отверстия для фиксации направляющих к раме (рис. 5е);

• вынуть металлический контейнер с АКБ из рамы с левой стороны УМТЭТ с помощью подкатной тележки (рис. 5г).

Установка металлического контейнера АКБ после технического обслуживания проводится в обратном порядке.

В качестве выводов и заключения к рассмотренным в статье особеностям конструктивных решений размещения и обслуживания накопителей энергии УМТЭТ можно последовательно указать следующие:

• тип накопителей энергии был определен на основе проектного компромисса мощностных потребностей УМТЭТ и заданных массовых и габаритных ограничений короба накопителей энергии (блок АКБ);

ШШШШШШШ Щ

• силовая несущая рама конструкции УМТЭТ создана с учетом массогабарит-ных характеристик блока АКБ;

• техническое обслуживание блока АКБ УМТЭТ максимально облегчено и механизировано посредством конструкции и вспомогательных механизмов выдвижного короба, что выгодно отличает разработанный УМТЭТ от аналогичных отечественных электрических машин.

Предложенное техническое решение относится к устройствам для крепления аккумуляторных батарей, преобразующих химическую энергию в электрическую, которые могут быть использованы в перспективных наземных транспортных средствах, а именно в электрокарах технологического назначения.

Указанная задача решена посредством того, что накопитель электрической энергии содержит корпус, включающий в себя нижнюю, переднюю, заднюю и боковые стенки, с размещенным внутри него блоком аккумуляторных батарей. Отличает накопитель от известных то, что боковые стенки снабжены направляющими, установленными вдоль корпуса и выполненными в виде П-образных швеллеров, а поперек корпуса в верхней его части закреплена планка с установленной шарнирно на ней двухсекционной крышкой.

Статья профинансирована АО «Сарапульский электрогенераторный завод» и ФГБОУ ВО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» (договор от 1 декабря 2015 г. № 02.025.31.0132) из средств субсидии из федерального бюджета с целью реализации комплексного проекта «Разработка и создание высокотехнологичного производства унифицированной машины технологического электротранспорта» в соответствии с постановлением правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских образовательных организаций высшего образования, государственных научных учреждений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства, в рамках подпрограммы «Институциональное развитие научно-исследовательского сектора» государственной программы Российской Федерации «Развитие науки и технологий» на 2013-2020 годы».

10 лет

журналу

55

Использованные источники

1. Филькин Н.М. Методики оптимизации параметров конструкции энергосиловой установки транспортной машины. - Ижевск: ИжГТУ 2001. - 79 с.

2. Филькин Н.М. Подход к структурной оптимизации конструкции гибридного автомобиля / Филькин Н.М., Голуб Т.Ю., Мазец В.К. // Интеллектуальные системы в производстве. - 2007. - № 2 (22) - С. 74-75.

3. Мазец В.К. Алгоритм создания легкового автомобиля, оборудованного гибридной энергосиловой установкой / Мазец В.К., Филькин Н.М. // Интеллектуальные системы в производстве. - 2014. - № 1 (23). - С. 64-66.