Повышение эксплуатационной технологичности мобильного электроагрегата

Актуальность темы

Реализация национальных проектов развития сельского хозяйства далее несмотря на современные кризисные явления должна привести в перспективе к увеличению объема перевозок, а, следовательно, и к увеличению парка транспортных средств и численности людей, занятых транспортными работами в сельскохозяйственном производстве. Одним из важнейших факторов улучшения транспортного обеспечения процессов производства сельскохозяйственной продукции, является повышение эксплуатационной надежности транспортных средств [1, 2, 3].

Техника и технологии нового поколения, их эффективное использование являются главным ресурсом для наращивания прибавочного продукта в АПК. Основными задачами на современном этапе являются: обеспечение приоритета в инвестиционной и технологической политике за экологизацией агропромышленного производства, рациональное использование природных ресурсов, широкое применение результатов НТП в этой сфереподдержание требуемого уровня работоспособности техники при ее эксплуатации путем рационального сочетания ремонтно-обслуживающей базы предприятий и технических центров по сервисному обслуживанию техники .

Решение экологической и топливно-энергетической безопасности региона и страны в целом сегодня, в большей степени связано с транспортом, чем с какой-либо другой отраслью народного хозяйства [4].

Усилия производителей техники, направленные на усовершенствование экологических показателей современных автомобилей все более затратные и менее эффективны, чем, например, 20−30 лет назад. В тоже время количество транспортных и транспортно-технологических средств стремительно увеличивается. Таким образом, несмотря на улучшаемые показатели транспортных и транспортно-технологических средств с каждым годом, они все больше оказывают свое влияние на здоровье населения и экономику страны (таблицы В.1, В.2, рис. В.1).

Таблица В.1 — Нормы выброса вредных веществ легковыми автомобилями по Правилам № 83 ЕЖ ООН.

Экологический класс автомобильной техники Выбросы вредных веществ с отработавшими газами, г/км.

СО сн NOx.

Euro 0 7,4 1,97.

Euro 1 2,72 0,97.

Euro 2 2,2 0,5.

Euro 3 2,3 0,2 0,15.

Euro 4 1,0 од 0,08.

Таблица В.2 Нормы выброса вредных веществ легковыми автомобилями с дизельными двигателями по Правилам № 49 ЕЖ ООН.

Нормы Год введения Допустимая норма в г/кВтч.

Европа Россия СО Неметановые СН СН4 а) NOX РМ.

Euro 3 2000 2008 5,45 0,78 1,6 5 0,16- 0,21б).

Euro 4 2005 2010 4 0,55 1Д 3,5 0,03.

Euro 5 2008 2012 4 0,55 1,1 2 0,03 а) Только для газовых двигателей. б) Для двигателей с рабочим объемом цилиндра менее 0,75 л и частотой вращения свыше 3000 мин-1.

Существуют так называемые альтернативные пути экологизации транспорта. Эти пути широко известны, начиная от использования электромобилей и заканчивая, включением в конструкцию электрохимического генератора. Исследуется, и в некоторых странах используется, менее кардинальный подход — это использование биотоплива растительного происхождения [5, 6, 7, 8].

Федеральные законы от 10 января 2002 года № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», от 4 мая 1999 г. № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха» и от 30 марта 1999 года № 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» [9] направлены на обеспечение санитарно5 эпидемиологического благополучия населения, благоприятных условий жизнедеятельности человека и экологической безопасности как условия реализации конституционного права граждан на благоприятную окружающую среду.

Концепцией долгосрочного развития Российской Федерации на период до 2020 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 года № 1662-р [10], определены основные направления обеспечения экологической безопасности экономического развития и улучшения качества окружающей среды и экологических условий жизни человека. ок. 14%.

В ОГ бензиновых двигателей может также присутствовать в небольшом количестве двуокись серы 502. ок. 71% — 230−005.

Состав ОГ бензиновых двигателей ок. 12% со2 ок. 1 1%.

Н20| 1 / ок. 0 о2.

Лг ок.

10% к. 67%.

230 030 м2 о2 н2о со2 со.

МОх $о2.

РЬ НС РМ азот кислород вода углекислый газ окись углерода оксиды азота двуокись серы свинец углеводороды частицы сажИ.

Состав ОГ дизелей.

Рисунок В. 1. Выброс вредных веществ с отработавшими газами автомобильных двигателей. [1, 2, 3]. б.

В Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года (утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации № 1734-р «Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года» от 22 ноября 2008 года) [11] среди ключевых задач значатся снижение вредного воздействие транспорта на окружающую среду, в частности, за счет применения экологически безопасных видов транспортных средстврасширения применения транспортных средств с высокой топливной экономичностью, соответствующих мировому уровнюстимулирования использования транспортных средств, работающих на альтернативных источниках (ненефтяного происхождения). Также предлагается к 2030 году перевести 50% автомобильных парков крупных городов на альтернативные виды топлива.

Экологическая проблема продолжает оставаться в центре внимания при разработке технических стандартов, применяемых к топливу и колесным транспортным средствам, используемым на территории Российской Федерации. В частности, Техническим регламентом «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» установлены конкретные сроки введения в действие технических нормативов выбросов в отношении автомобильной техники. В рамках Таможенного союза Белоруссии, Казахстана и России ведется работа по гармонизации технического регулирования в указанных областях [12].

В России вопросы, связанные с экологическими аспектами развития экономики, приобретают особую актуальность. Так, по итогам Заседания комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России при Президенте Российской Федерации, состоявшегося 27 июня 2011 года, были даны поручения по разработке комплекса мер, направленных на стимулирование внедрения экологически эффективных товаров и технологий, предусмотрев обязательность применения к таким товарам и технологиям требований, соответствующих лучшей международной экологической практике.

Однако приходится констатировать, что переход к более экологичным двигателям и топливу приведет лишь к некоторому снижению объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, но не решит главную проблему, заключающуюся в конструктивных особенностях ДВС. Требуются принципиально новые технологические подходы, позволяющие уйти от традиционных инженерных схем.

В настоящее время в мировой автомобильной отрасли проводится активный поиск инновационных решений, позволяющих заменить «экологически грязные» ДВС на альтернативные технологии такие, как электрические двигатели или двигатели, работающие на газомоторном топливе. Появляющиеся серийные образцы подобных транспортных средств пока наиболее приспособлены лишь для эксплуатации в условиях городов.

По мнению многих экспертов, распространение электромобилей позволит существенно улучшить экологическую ситуацию в крупных городах и густонаселенных территориях, а для предприятий, имеющих собственный парк транспортно-технологических средств, позволит быть более независимыми от производителей нефтяных топлив и меньше страдать от регулярного роста стоимости топлива и налоговой составляющей в ней. В отличие от автомобилей, оснащенных ДВС, электромобили не выбрасывают вредных веществ и парниковых газов [13, 14,15, 16, 17].

Эффективность электромобильного транспорта по отношению к автомобилям с ДВС показывает [18] в области экологии:

• снижение загрязненности воздушного пространства автотранспортом за счет предотвращения вредных выбросов. Например, для легковых машин малого класса составляет 10. 12 условных тонн на одну машину в год, для грузовых машин малого класса 13. 15 условных тонн при перспективных (ужесточенных) нормативах — этот показатель увеличится не менее чем на 3.5 условных тонн при внутригородских перевозках. Для оценки эффективности электромобилей сопоставляются энергетические затраты в течение полного жизненного цикла, особенно в сопоставлении с традиционным автотранспор8 том. Анализ жизненного цикла ТС, проведенный с учетом энергозатрат на получение сырья и материалов, производство (включая энергозатраты на технологические операции), доставку продавцам, эксплуатацию и техническое обслуживание, топливо, а также утилизацию и захоронение отходов (с учетом возможной экономии при рециклировании), показал, что для обеспечения жизненного цикла (пробеге 193 тыс. км), даже более тяжелого (на 227 кг тяжелее, чем базовый автомобиль массой 1160 кг) и по современным меркам не самой удачной комплектацией электромобиля АБ NaS, требуется на 25% меньше энергии, чем для аналогичного автомобиля с ДВС. Наибольшую часть общей энергии, обеспечивающей жизненный цикл, составляет энергия, затрачиваемая при эксплуатации: 89% - для автомобиля (суммарные энергозатраты 729 ГДж) и 70% - для электромобиля (551 ГДж);

• практически исключается применение моторных масел, топлива и охлаждающей жидкости, что способствует охране почвы, фунтовых вод и зеленых насаждений;

• снижение уровня шума от ТС на 10 — 15%;

• улучшение условий труда водителей за счет упрощения управления транспортом, а также исключения выбросов вредных газов и паров топлива.

В части эксплуатации:

• сокращение расхода топлива и сокращение других энергетических затрат, поскольку КПД автомобиля с ДВС не превышает 15%, а электромобиля — не менее 25%, электромобиль не расходует энергии на остановках и имеет возможность рекуперации энергии при торможении, движении под уклон;

• затраты при стоимости 1 кВт/ч энергии в 10 центов USD (средний международный уровень) на 1 км пробега электромобиля составляет 3,8 цента, а для автомобиля с ДВС — 5,32 цента USD (при цене бензинового топлива 0,35 USD за литр). При более корректном сопоставлении учитывается необходимость обслуживания, т. е. дополнительные затраты на эксплуатацию. Используя одинаковую аппроксимацию затрат на обслуживание электромобиля и автомобиля, приходят к соотношению стоимости 100 9 миль в 2,8 USD для электромобиля против 4,5 USD США для автомобиля. При этом, однако, не учитывается, что вся необходимая инфраструктура по обслуживанию автомобилей уже создана, а для электромобилей ее еще необходимо создавать. Представляется, что реальные эксплуатационные затраты для электромобиля пока выше соответствующих затрат для автомобильного транспортатрудозатраты на техническое обслуживание и текущий ремонт электромобиля примерно вдвое ниже, чем для автомобиля с ДВС, с учетом замены блоков комплектующего оборудования на месте без буксировкизаряд источников тока в ночное время способствует повышению эффективности суточной работы электростанций. В части производства:

• по зарубежным данным в настоящее время при изготовлении малых партий электромобилей грузоподъемностью 0,5 — 1,5 т их стоимость превышает на 25 — 50% стоимость автомобилей с ДВС из-за значительных капиталовложений в разработки высокоэффективных энергоисточников, систем электропривода и т. д. Однако при достижении объема выпуска электромобилей 20 тыс. в год это соотношение может уменьшиться до единицы. Стоимость отечественных электромобилей прогнозируется на 25 — 30% ниже зарубежных за счет меньших производственных затрат, использования зарубежных прогрессивных разработок и технологий;

• технология производства электромобилей проще, чем аналогичных автомобилей для всех групп типажа за счет снижения количества деталей и узлов, требующих дорогостоящего оборудования со сложными технологическими линиями;

• освоение производства электромобилей позволит создать новые рабочие места на предприятиях машиностроения, электротехники и электроники, что весьма актуально для активации роста их производства и решения проблем конверсии высокотехнологичных предприятий бывшего военного комплекса.

На основании оценок, полученных при эксплуатационных испытаниях электромобилей, и на основе нормативных документов, устанавливающих ю методику оценки экономической эффективности транспортных средств, можно сделать следующие выводы:

• расходы на электроэнергию, требующуюся для подзарядки батарей, невелики;

• расходы на обслуживание электромобилей, прежде всего их батарей, намного больше первых;

• общие расходы на обслуживание с учетом необходимости обучения персонала высоки;

• затраты времени на подзарядку АБ весьма высоки и могут быть оправданы только для специализированных предприятий (например, при работе электромобилей только в дневное время, а подзарядке батарейв ночное) — попытки ускорить процесс подзарядки за счет форсированного режима малоперспективны;

• в силу разных причин, в частности, вследствие недостаточной квалификации обслуживающего персонала, требуется слишком частая замена ТАБ, расходы на которую недопустимо высоки, последний вывод является следствием неразвитости инфраструктуры.

Энергетические установки на базе ТАБ имеют и ряд существенных недостатков, к которым относятся: необходимость подзаряда и тренировки ТАБ от электрической сетиневысокие удельные характеристики, ограничивающие дальность пробега и снижающие грузоподъемность из-за необходимости «возить» ТАБ большой массынеудобства эксплуатации, связанные с обслуживанием ТАБ (специальное оборудование и специально обученный персонал) — заряд через бортовое зарядное устройство длится более 8 часов, а для «быстрого» (в течение 20−30 мин) заряда требуются специальные силовые стационарные станции. ТАБ весьма дороги, а число циклов их использования, то есть срок службы — невысок, практически не превышает 200.500 циклов при глубоком разряде и до 2000 циклов при разряде до 20% емкости.

Рост количества находящихся в эксплуатации коммерческих мобильных электроагрегатов, будет увеличивать абсолютные объемы работ по под.

11 держанию их в исправном состоянии. Именно поэтому вопросы организации и проведения качественного ежедневного (заряд), номерных технических обслуживании и текущего ремонта мобильных электроагрегатов имеют принципиальное значение для обеспечения бесперебойного обеспечения перевозок в условиях напряженного ритма работы предприятий [19, 20, 21].

Анализ мировых тенденций указывает на перспективы расширения области использования мобильных электроагрегатов (МЭА), как средства обеспечивающего приемлемый уровень эксплуатационных затрат при минимальном негативном воздействии на окружающую среду и здоровье населения. Наиболее реально использование МЭА для внутрихозяйственных перевозок грузов и в транспортно-распределительных процессах между объектами в черте населенных пунктов. Анализ показателей эффективности использования и надежности современных моделей МЭА, требований потребителей к технике и техническому сервису указывает на необходимость повышения уровня эксплуатационной технологичности.

Новизна и недостаточная изученность рабочих процессов МЭА и их эксплуатационных свойств, требует проработки вопросов, связанных с устранением, проблем, выявленных негативным опытом эксплуатации МЭА в реальных эксплуатационных условиях. Начало внедрения МЭА в систему внутрихозяйственных, а в перспективе и межхозяйственных перевозок, определяет актуальность разработки методик и средств повышения эксплуатационной технологичности комбинированной энергоустановки мобильного электроагрегата.

Из изложенного следует, что в ближайшем будущем разработка методов обоснования эффективных способов обеспечения эксплуатационной технологичности тягово-транспортных средств с электроприводом является актуальным вопросом, имеющим высокое научное и практическое значение.

Объекты исследования: система тягового электропривода мобильного электроагрегата транспортного назначения, тяговая аккумуляторная батарея, емкостной накопитель энергии, система управления тяговым электроприводом.

Методы исследования основаны на использовании теории автоматического управления, математической статистики, моделирования. В основу экспериментальных исследований положены натурный пассивный эксперимент, выполняемый в производственных условиях, а также исследование модельных устройств в лабораторных условиях. Основные теоретические результаты сопоставлялись с данными экспериментальных исследований на реальном мобильном электроагрегате с комбинированной энергетической установкой.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании и разработке аппаратных средств, направленных на повышение эксплуатационной технологичности мобильных электроагрегатов, внедряемых в транспортно-технологические процессы с целью снижения негативного воздействия транспорта на окружающую среду и здоровье населения.

1. Состояние вопроса н задачи исследования.

Общие выводы.

1. Основным направлением повышения эксплуатационной технологичности МЭА является совершенствование конструкции, позволяющее снизить нагрузки на ресурсоопределяющие агрегаты.

2. Установлено, что ресурсоопределяющим элементом конструкции МЭА, на который приходится свыше 90% продолжительности простоя в техническом обслуживании и свыше 30% отказов, является тяговая аккумуляторная батарея, испытывающая значительные нагрузки в момент старта и разгона.

3. Определено, что наиболее технологичным способом повышения межсервисной наработки и ресурса до списания ТАБ, является использование дополнительного накопителя энергии, снижающего пиковые значения тока нагрузки на 25%.

4. Дополнительный источник энергии, составляющий в паре с ТАБ комбинированную энергоустановку, наиболее целесообразно построить на импульсных энергоемких конденсаторах, собранных в батарею для обеспечения напряжения до 80 В (для применявшихся в работе образцов МЭА). Управление процессами разряда и заряда за счет рекуперации возложено на специализированный микроконтроллер.

5. Установлено, что срок службы ТАБ может возрасти до 12 000 машино-часов или до 10 лет, а трудоемкость технического обслуживания и текущего ремонта МЭА сокращаются соответственно на 10% и 15% за счет сокращения потерь времени на заряде ТАБ и увеличения межремонтной наработки ТАБ.

6. Испытание опытных образцов мобильных электроагрегатов в условиях реальной эксплуатации и пробега по разработанному испытательному маршруту, имитирующему реальные условия эксплуатации, доказали технологичность предложенной конструкции КЭУ и возможность модернизации существующего парка машин.

7. Экономический эффект от возможного внедрения проектных предложений составит почти 750 тыс. руб на парк 10 МЭА в год (в ценах 2012 года).