Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Классификация и концепция создания мобильных электроагрегатов 6
1.2. Создание, производство и эксплуатации мобильных электроагрегатов на транспорте 11
1.3. Обзор существующих принципов и законов управления КЭУ, структуры КЭУ 17
1.4. Анализ исследований в области конструирования и эксплуатации мобильных электроагрегатов с автономным электроснабжением... 22
1.5. Анализ неисправностей мобильных электроагрегатов 28
1.6. Выводы по главе 1. Обоснование цели и задач исследования 34
2. Теоретические основы повышения эффективности технической эксплуатации мобильных электроагрегатов с автономным электроснабжением 36
2.1. Обоснование общих методов исследования 36
2.2. Основы эффективного использования средств обслуживания и заряда накопителей мобильных электроагрегатов 39
2.3. Моделирование и оптимизация режима работы постов зарядки накопителей мобильных электроагрегатов 44
2.4. Моделирование и оптимизация режима работы технического отдела по диагностированию и техническому обслуживанию 52
2.5. Обеспечение надежной работы средств обслуживания и мобильных электроагрегатов 58
2.6. Выводы по главе 2 77
3. Экспериментальные исследования 78
3.1 Программа экспериментальных исследований 78
3.2 Методика определения уровня заряда тяговой аккумуляторной батарей 80
3.3. Устройство дистанционной диагностики 132
4. Результаты моделирования и оптимизации работы технических отделов предприятия технического сервиса 139
4.1. Результаты оптимизации режима работы постов зарядки накопителей мобильных электроагрегатов 139
4.2. Результаты моделирования и оптимизации работы отдела по технической эксплуатации мобильных электроагрегатов 143
4.3. Обеспечение надежной работы мобильных электроагрегатов и зарядных станций 146
4.4. Определение экономических показателей 158
4.5. Выводы по главе 4 165
Общие выводы 166
Список литературы
- Создание, производство и эксплуатации мобильных электроагрегатов на транспорте
- Основы эффективного использования средств обслуживания и заряда накопителей мобильных электроагрегатов
- Методика определения уровня заряда тяговой аккумуляторной батарей
- Результаты моделирования и оптимизации работы отдела по технической эксплуатации мобильных электроагрегатов
Введение к работе
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 сфере; поддержание требуемого уровня работоспособности техники при ее эксплуатации путем рационального сочетания ремонтно-обслуживающей базы предприятий и технических центров по сервисному обслуживанию техники; значительное повышение безопасности и улучшение условий труда операторов машин за счет снижения запыленности, шума и вибраций на рабочем месте.
Объективная необходимость создания спечиализированных предприятий возникает там, где производители сельскохозяйственной продукции, небольшие транспортные предприятия, транспортные подразделения промышленных предприятий, индивидуальные владельцы транспортно-технологических средств бывают не в состоянии самостоятельно справиться со всем объемом работ по обслуживанию соответствующей техники, а также не охвачены элементами сети материально-технического обеспечения. При этом в зависимости от конкретных производственно-технических и конъюнктурных условий возникают самые разные формы аренды или проката недостающей техники и найма соответствующих специалистов. Такая форма деятельности характерна не только для сельского хозяйства. Любая мастерская по обслуживанию бытовой техники населения или предприятия автосервиса и проката также являются аналогами подобной деятельности.
Необходимость создания специализированных предприятий технического сервиса и соответствующих технических отделов в их составе вызвана коренными изменениями в районных организациях и хозяйствах в процессе перехода к различным формам собственности. Произошло разукрупнение и экономическое ослабление значительной части ранее мощных колхозов и совхозов, автотранспортных предприятий при одновременном образовании более мелких акционерных обществ разных типов, фермерских
хозяйств, индивидуальных, перевозчиков и других видов хозяйственной деятельности. Параллельно происходит увеличение производства и использования на предприятиях новых видов техники, оснащенных тяговым электроприводом с накопителями энергии, с соответствующим существенным усложнении конструкции.
Появление новых предприятий как сельскохозяйственных, так и промышленных приводит к росту количества находящихся в эксплуатации коммерческих мобильных электроагрегатов, будут увеличиваться абсолютные объемы работ по поддержанию их в исправном состоянии. Именно поэтому вопросы организации и проведения качественного технического обслуживания и текущего ремонта мобильных электроагрегатов имеют принципиальное значение для обеспечения бесперебойного обеспечения перевозок в условиях напряженного ритма работы предприятий.
Основным условием длительного существования специализированных
предприятий технического сервиса является взаимная выгодность, как для
самих обслуживающих предприятий, так и для обслуживаемых клиентов.
Одним из основных условий эффективного функционирования технических
отделов является организация их работы на современных принципах
оптимального проектирования производственных процессов по критериям
ресурсосбережения и высокой производительности. Несмотря на
существенные количественные различия между указанными ранее техническими отделами в составе специализированного предприятия технического сервиса по технической эксплуатации машин, материально-техническому обеспечению, их объединяет то общее свойство, что они являются системами обслуживания. Соответственно для них можно разработать общие научные принципы оптимального функционирования, обеспечивающие высокие экономические показатели как для самих специализированных предприятий технического сервиса, так и для заказчиков.
Из изложенного следует, что разработка методов обоснования эффективных характеристик и специализации технических отделов специализированных предприятий технического сервиса является актуальным вопросом, имеющим высокое научное и практическое значение
Создание, производство и эксплуатации мобильных электроагрегатов на транспорте
Возрождение электромобилей происходит на качественно новой основе, вначале как автомобиля с КЭУ, получившего технико-экономическое обоснование в рамках программы «Partnership for a New Generation of Vehicle» (далее PNGV). Анализ возможных решений, позволяющих достичь поставленную этой программой цель трехкратного снижения расхода топлива показал, что в автомобилях необходимо использование дополнительных ТЭД-генератора и буферного накопителя, позволяющих начинать движение с помощью электротяги и сохранять энергию движения, накапливая её в буферном источнике при торможении автомобиля, т.е. необходимо использование КЭУ. Энергоустановка перспективных мобильных электроагрегатов должна быть комбинированной, состоящей, по меньшей мере, из двух источников: источника тока энергии (ДВС и ЭХГ - электрохимический генератор) [47] и буферного источника мощности (наиболее предпочтительно использование суперконденсатора; при этом отпадает необходимость его обслуживания, а также заряда от внешнего источника электроэнергии). В КЭУ удается совместить положительные свойства отдельных источников - высокую удельную энергию источника энергий и высокую удельную мощность буферного источника, получая недостижимые для аккумуляторных установок совокупные показатели при несравнимо более низкой стоимости (на один-два порядка) и существенно (в 2-3 раза) массе энергоустановке. Источники энергии, характеризуемые высокой удельной энергией, позволяют обеспечить требуемые энергоемкость и запас хода электромобиля. Источники мощности характеризуются высокой удельной мощностью, они позволяют обеспечить пиковые и кратковременные мощностные показатели электромобиля, динамику его движения. Энергоемкость источников мощности должна быть достаточна для покрытия относительно кратковременных перегрузок при разгоне, при движении на подъеме, а также для приема регенерируемой энергии движения.
Гибридные автомобили - перспективный сегмент мирового рынка автомобилей. Важнейшим из социально-экономических требований, предъявляемых к городским транспортным средствам, является главным образом снижение расхода жидкого топлива, повышение эксплуатационных и экономических показателей, уменьшение загрязнения атмосферы отработанными газами. Реализация этих требований на практике весьма затруднительна, так как улучшение одних показателей, как правило, приводит к ухудшению других. Примером могут послужить автомобиль и электромобиль.
Разработка и создание мобильных электроагрегатов с комбинированной энергоустановкой призваны найти компромиссное решение: с одной стороны, уменьшить потребление жидкого топлива и загрязнений окружающей среды по сравнению с автомобилем, оснащенным только двигателем внутреннего сгорания, а с другой - максимально повысить технико-эксплуатационные и экономические показатели. Причем на первом месте стоят такие КЭУ, которые состоят из обычного теплового двигателя (ДВС, работающего на бензине, дизельном топливе, газе или альтернативном виде топлива), генератор и буферного накопителя электрической энергии (аккумуляторная батарея или блок конденсаторов). То есть из источников, один из которых рассчитан на длительную реализацию энергии, а второй на кратковременное использование при преодолении «пиковых» уровней нагрузок. Мощность комбинированной энергетической установки, реализуемых для целей тяги, можно условно разделить на две составляющие, первая из которых при движении транспортного средства тратится на преодоление его сопротивлению качения и сопротивления воздуха, а вторая на увеличение его кинетической энергии. При этом первая, сравнительно небольшая по величине, использует часть времени каждого цикла, но изменяется в довольно узких пределах, вторая, в несколько раз больше первой, наоборот, реализуется лишь в течение части цикла (разгон, преодоление подъема). Комбинирование источников энергии позволяет в полной мере реализовать их положительные качества: большую энергоемкость одних и большую мощность других. В результате, появляется возможность использования стационарного (или близкого к стационарному) режима работы теплового двигателя, в котором он характеризуется наиболее высокой топливной экономичностью и низким уровнем выбросов отработавших газов. При этом динамические характеристики (разгоны) автомобилей с КЭУ, как правило, лучше, что объясняется более благоприятным протеканием кривой крутящего момента у электромашины, чем у ДВС. Заряженная буферная батарея позволяет выключать тепловой двигатель на остановках транспортного средства. А наличие электродвигателя и буферной батареи способствует сохранению энергии механического движения транспортного средства при его торможении (рекуперативное торможение), что также экономит топливо.
Основы эффективного использования средств обслуживания и заряда накопителей мобильных электроагрегатов
Методы научного исследования определяются особенностями самих объектов исследования и характером изменения действующих на них факторов. Как указано ранее в главе 1, основными объектами исследования являются мобильные электроагрегаты с автономным электроснабжением, источники и накопители энергии, предприятия, эксплуатирующие электромобильную технику в зоне обслуживания (от небольших индивидуальных до крупных), нуждающиеся в процессе производственной деятельности в различных видах обслуживания.
Обобщенная структурная схема взаимосвязанного функционирования обслуживаемых предприятий-клиентов и предприятия технического сервиса, специализирующегося на работе с электромобильной техникой представлена нарис. 2.1.
Из структурной схемы наглядно видно, что от обслуживаемых предприятий-клиентов или индивидуальных клиентов в технические отделы предприятия технического сервиса в общем случае поступают заявки или требования на выполнение трех существенно различающихся видов работ, включая выполнение работ по технической эксплуатации техники, по материально-техническому снабжению и по учебно-консультационной деятельности.
Соответственно в структуре предприятия технического сервиса также должны быть созданы технические отделы, которые бы обеспечивали своевременное и качественное выполнение заявок каждого вида. Деятельность технических отделов должна быть организована таким образом, чтобы они были конкурентоспособными и экономически прибыльными как для самого предприятия технического сервиса, так и для клиентов. Только при таком условии возможно образование соответствующей постоянной клиентуры и требуемых для эффективной работы объемов выполняемых услуг.
Эффективная деятельность технических отделов предприятия технического сервиса может быть реализована на основе современных научных ме тодов оптимального проектирования производственных процессов на принципах ресурсосбережения и высокой производительности. Соответственно теоретическая глава работы должна быть посвящена разработке таких научных методов.
Общей характерной чертой взаимосвязанного функционирования обслуживаемых клиентов и сервисных отделов сервисного центра является наличие источников заявок или требований и исполнителей этих заявок. Следовательно, имеет место типичная система обслуживания, принципы организации работы которой зависят от характера потока заявок или требований.
С учетом возможного множества работающих независимо друг от друга обслуживаемых клиентов с различными возделываемыми сельскохозяйственными культурами в различающихся природно-производственных условиях, различными объемами грузоперевозок и режимов работы напольного транспорта можно предположить, что поступающий от них поток заявок на выполнение соответствующих работ будет случайным в вероятностном смысле. Соответственно и методы исследования взаимосвязанного функционирования обслуживаемых клиентов и технических отделов предприятия технического сервиса должны быть также вероятностными.
Из приведенного описания следует, что в соответствии с общими принципами исследования операций [13, 117] технические отделы предприятия технического сервиса являются типичными системами массового обслуживания. Основная задача при этом заключается в установлении эффективных соотношений между количеством поступающих за единицу времени заявок и производительностью или пропускной способностью соответствующего технического отдела.
Сложность при этом заключается в том, что из-за случайного характера поступления заявок по времени возможны как образование очереди этих заявок с соответствующим ожиданием, так и простои работников и оборудования технических отделов предприятия технического сервиса из-за отсутствия заявок. Разрабатываемые научные методы должны обеспечить минимальные потери от этих простоев как для клиента, так и для предприятия технического сервиса.
Наиболее эффективными для решения подобных задач являются общие методы теории массового обслуживания [13, 117], что подтверждается и исследованиями [58, 29, 3, 68, 76, 88 и др.] применительно к обслуживанию сельскохозяйственной техники.
Особенно эффективны методы ТМО при наличии в системе обслуживания марковского случайного процесса, когда потоки событий, переводящие систему из одного состояния в другое, являются пуассоновскими без последействия.
Указанные ранее примеры практического применения методов ТМО к исследованию сельскохозяйственных производственных процессов свидетельствуют о принципиальной возможности применения этих методов и в данном случае.
Конкретное применение намеченных общих принципов решения оптимизационных задач повышения эффективности работы технических отделов предприятий технического сервиса в соответствии со структурной схемой на рис. 2.1 показано в последующих подразделах.
Методика определения уровня заряда тяговой аккумуляторной батарей
Оперативный непрерывный контроль степени заряженности батареи, а значит и остаточного запаса хода электромобиля (ЭМ) является одной из важных проблем эксплуатации ЭМ. Это связано, во-первых, с необходимостью рационального использования энергии тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ) и, с другой стороны, длительностью процесса восстановления энергии ТАБ (заряда ТАБ), а значит необходимостью гарантий возврата ЭМ к зарядной станции.
Для определения степени заряженности ТАБ было предложено две методики. Первая основывалась на описанной ранее [128] способе диагностирования тяговых аккумуляторов ЭМ, использующем методы идентификации параметрам схемы замещения по динамическим характеристикам.
Дальнейшее развитие этой работы шло по пути уточнения условий применяемости разработанной методики, всестороннего анализа точности идентификации и факторов ее повышающих. Были расширены экспериментальные исследования с целью получения более представительной статистики. Их результаты подвергались более глубокой обработке и анализу. Конечной целью этих исследований являлось создание регрессивной диагностической модели свинцово-кислотной аккумуляторной батареи [37], использующей некоторые выбранные косвенные диагностические параметры, адекватно отражающие изменение разрядной емкости аккумуляторов, как в процессе разряда, так и в процессе старения.
Вторая методика предполагает использование уравнения Пейкерта для определения степени заряженности ТАБ в каждый момент времени аналогично тому, как это как это делается при моделировании АБ в нестационарных режимах нагружения.
Математическая модель для определения остаточной разрядной емкости свинцово-кислотных аккумуляторных батарей В [21] была предложена модель свинцово-кислотной аккумуляторной батареи в виде дифференцированного уравнения динамики, описывающего переходной процесс включения батареи на некоторую нагрузку ZH(S) = rH+SLH (3.1) mxpUH + m2p2UH (0 + m2iH (t) + m4piH (t) + m5p2iH (t) + m6p3iH (t) = AUH (t), где mi, ...,Шб - диагностические параметры, определяемые параметрами схемы замещения аккумуляторной батареи (структурными параметрами). Щ = ГфСЧс+ГНСп т2 = ГНГфСпСЧс Щ =га+гн+гф Щ =га(і"„си +гфсчс) + гигф{си +cqc) + L6 +LH (3.2) ms = raW»c„cqc -(rHcB + W)-(L6 +LJ (3.3) m6 =(L5+Ln)r HcHcqc (3.4) ra - общее активное сопротивление батареи (сопротивление токовыводов, электродов и электролита), гп - активная составляющая концентрационной поляризации, гф - активная составляющая активационной поляризации (фара-деевское сопротивление), сп - емкостная составляющая концентрационной поляризации, cqc - емкостная составляющая активационной поляризации (емкость двойного электрического слоя «электрод-электролит»), ЬБ, LH - индуктивности батареи и нагрузки, р = d I dt оператор дифференцирования, S -оператор интегрального преобразования Лапласа, Uи (t), LH (t) - напряжение и ток нагрузки.
Модель (3.13) была предложена для включения батареи из стационарного состояния, т.е. когда отсутствует начальный заряд емкостей Сп и Cqc. В случае невыполнения этого допущения для снятия неопределенностей в начальных условиях был предложен комбинированный тест, состоящий из предварительного разряда малым током (в течение нескольких десятков секунд) и основным тестовым разрядом. В этом случае в уравнение (3.1) добавляется еще два члена, отражающие ненулевые начальные условия. Подробно этот анализ дан в [128].
Однако даже в случае qqc (0) = qn (0) = 0 (qqc и qn соответственно начальный заряд конденсаторов Cqc и Cn ) уравнение (3.1) имеет достаточно сложную структуру, а матрица идентификации имеет большую размерность, что, как показано резко понижает точность определения параметров mb...,me. С целью упрощения модели, что помимо повышения точности приводит к упрощению алгоритма идентификации, было предложено производить разряд на чисто активную нагрузку гп. В этом случае модель при разряде из стационарного состояния имеет вид [128]. Муин (0 + M2pUH (0 + M3pUH (0 = -rHAUH (t) (3.5) где A =(rn +га)гпгфСпСчс; M2 = (rr+ra)(rqc + rnCn) + rfrr Cn + Cqc); мз=га+г„+гф.
Однако реальные батареи и реальные нагрузки всегда имеют собственные индуктивности. Поэтому возникает задача теоретической оценки их предельных величин, которая одновременно решает и важнейший вопрос о применимости временных динамических характеристик для идентификации.
Результаты моделирования и оптимизации работы отдела по технической эксплуатации мобильных электроагрегатов
В пределах данной задачи рассматривается последовательное прохождение обслуживаемых машин через посты диагностирования и технического обслуживания. Как показано в главе 2, такую систему сервисных отделов сервисного центра можно рассматривать как двухфазную СМО с ожиданием, на которую поступает практически неограниченный поток требований (рис. 2.2). Поскольку в разных предприятиях могут обслуживаться самые различные типы мобильных электроагрегатов, то основная задача моделирования и оптимиза ции заключается в получении таких обобщенных закономерностей и результатов, которые были бы применимы к любым типам машин в любых условиях в соответствии с равенствами (2.5)...(2.10).
Поскольку в настоящее время отсутствуют экономические показатели, связанные с определением Ст, Сфі и Сф2 в выражении критерия оптимальности (2.5), то можно пока ограничиться определением других технических показателей функционирования двухфазной системы диагностирования и технического обслуживания. К таким показателям относятся число объектов, находящихся соответственно в первой фазе (на диагностировании) т0і и во второй фазе (на техническом обслуживании) тог, а также соответствующие вероятности простоя указанных фаз Рої и Р02 в зависимости от соотношений Щ Х/[І\ и а2=А/и.2 между плотностью потока требований X и интенсивностями \±\ и \х2 обслуживания в каждой фазе.
Обобщенный график зависимости тої и тог соответственно от ai и а2 приведен на рис. 4.4. По графику в зависимости от щ можно определить значение тої в соответствии с формулой (2.6) и т02 в зависимости от а2. Значения тої и то2 с ростом соответственно оц и а2 возрастают по гиперболической зависимости.
Если задаться приемлемыми значениями тої и т02 с учетом производственных площадей, то можно определить соответствующие значения ai0 и а2о. Затем при заданной плотности потока требований XQ можно определить требуемые интенсивности обслуживания \i\0—Xola\0 и \і2о—ХоЛьо Например, если в каждой фазе можно расположить только две машины (moi 2, т02=2), то как показано на рис. 4.4, получим aio=a2o=0,65.
При плотности потока требований о=1,2 получим требуемые интенсивности обслуживания jiio=U20=Xo/aic=l,2/0,65=1,84.
Аналогичное решение можно выполнить и при разных значениях тої и тог- Например, если в первой фазе можно разместить две машины (тоі=2), а во второй - три (wc»2=3), то на графике (рис. 4.4) получим aio=0,65, a2o=0,745. При этом необходимы интенсивности обслуживания ц.1о=1,2/0,65=1,84 и ц.2о= 1,2/0,745=1,61. По значениям Ці0 и (і2о можно определить потребное количество постов, а также мастеров-диагностов и мастеров-наладчиков.
При известных значениях а! и а2 по формулам (2.8) и (2.9) получим соответствующие вероятности простоя поста диагностирования Р01 и технического обслуживания Р02. Соответствующие графики зависимостей Рої и Р02 от он и а2 приведены на рис. 4.5.
Например, для первого случая при аіо=а2о=0,65 получим Р0і=Ро2=ХП как показано на рис. 4.5 стрелками.
При 0110=0,65, а2о=0,745 для определения Р01 значение ai0 откладываем по оси абсцисс, а а2о - на соответствующем луче. При этом получим РО/=0,26. Аналогичным образом при определении Р02 значение а2О=0,745 берем по оси абсцисс, а 0)0=0,65 - по лучу. При этом получим, как показано штриховыми линиями, Ро2=0Д66.
На основании приведенных зависимостей можно решить и обратную задачу (синтеза или проектирования) постов диагностирования и ТО. Для этого на рис. 4.5 задаемся желаемыми значениями P0i и Ро2 и определяем соответствующие им ai0 и а2о, затем на рис. 4.4 получим тої и тої и соответствующие им производственные площади.
Количество мобильных электроагрегатов в составе обслуживания одной зарядной станции ограничивается обычно 1...12 единицами и их техническое обслуживание осуществляется непосредственно на станции технического обслуживания.
Периодичность технического обслуживания транспортных средств определяется пробегом. В связи с этим методы выбора оптимального варианта системы технического обслуживания этих машин могут рассматриваться лишь в перспективе, когда количество машин существенно возрастет.
Более актуальным в данный период является выбор эффективного варианта повышения надежности зарядных станций и транспортных средств методами резервирования.
Предварительно определим эффективный вариант повышения надежности работы транспортных средств путем выбора потребного количества резервных узлов п и ремонтных рабочих или бригад с.
В качестве основного критерия эффективности выбран максимум вероятности безотказной работы .=(1-0-»«» (2.16)
Предварительно на основании анализа статистических данных были установлены основные узлы транспортного средства, на долю которых приходится подавляющая часть отказов.
Соответствующие данные приведены в таблице 4.2. Транспортное средство представляем состоящим из пятнадцати условных узлов с соответствующими долями отказов: ср{ = 0,348 , ср2 = 0,307 (ръ = 0,088 , Р4 = Ps = Рб = 037 (p7=0,02S, % = (рд = р10 = рп = 0,019 , (р12= з=0,014, (ры = 0,009, (р15 = 0,005.
По статистическим данным средняя наработка на отказ мобильного электроагрегата составляет tomK =36,3 моточаса [115].
По статистическим данным для средней продолжительности ремонта принято время tpeM =21 ч. Соответствующая интенсивность ремонта при этом со ставит // = —. Затем определено соотношение а = — = = 0,58. 21 /л 36,3
На основании приведенных исходных данных по критерию (2.16) выполнены соответствующие расчеты на ПК для всего возможного диапазона изменения количества резервных или запасных узлов п —1...6 при числе ремонтных рабочих с — 1 и с - 2.
Полученные результаты расчетов представлены на рис. 4.6. Из этих результатов следует, что наиболее эффективным вариантом повышения надежности мобильных электроагрегатов является наличие трех условных резервных узлов (пэ = 3) при двух ремонтных работах (сэ = 2) в расчете на одну машину.
Вероятность безотказной работы при этом составляет Р6отк = 0,992 при дефиците запасных узлов возможен также вариант решения при п = 2 и с — 2, когда Рботк= 0,973.
Такое значение Рботк при одном ремонтном рабочем (с = 1) достигается примерно при пяти запасных узлах (п = 5 ). По значению пэ = 3 и данных таблицы 4.2 можно определить потребность в резервных узлах каждого вида. Соответствующие результаты расчетов приведены в таблице 4.3. Аналогичным образом решается задача для зарядной станции с использованием соответствующей исходной информации для каждого вида.
