СХЕМА КОМБИНИРОВАННОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ НАЗЕМНОГО РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

РЕАЛИЗУЕМАЯ СХЕМА КОМБИНИРОВАННОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ НАЗЕМНОГО РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА, ВЫПОЛНЯЮЩЕГО ЗАДАЧИ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

П.В. Дружинин, В.В. Сергеев, Р.В. Романенко

Научно-исследовательский институт военно-системных исследований материально-технического обеспечения Вооруженных сил Российской Федерации.

Наука и военная безопасность. 2018. № 1 (12)

В статье рассмотрен анализ реализуемых схем комбинированных силовых установок с электроме­ханической трансмиссией в подвижных объектах, их преимущества и недостатки, предлагаемая и реа­лизуемая схема комбинированной силовой установки с электромеханической трансмиссией наземного робототехнического комплекса, выполняющего задачи материально-технического обеспечения.

Введение

При создании военной техники учиты­ваются требования действующей Военной доктрины Российской Федерации о подго­товке к участию во всех видах войн и воору­женных конфликтов с применением оружия и оружия массового поражения. В связи с

этим концептуальный подход к созданию новых образцов военных гусеничных машин (далее – ВГМ) базируется на обеспечении ее высокой универсальности, позволяющей решать разнотипные боевые задачи во всех видах боевых действий в различных природ­но-климатических условиях.

Данные требования к ВГМ определили их развитие 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 перспектив ныя ВГМ;
• расширение возможностей диагностирования и контроля систем.

Одним из актуальных способов для решения вышеуказанных задач является при­менение в составе ВГМ комбинированных силовых установок с электромеханической трансмиссией.

Они представляют собой сложную систе­му устройств, находящихся в тесной взаимос­вязи и функционирующих как единое целое, но отличающихся по типу и принципам взаи­модействия основных элементов.

Анализ реализуемых схем комбини­рованных силовых установок

Современные комбинированные силовые установки включают двигатель внутреннего сгорания (далее - ДВС) или двигатель-генераторные агрегаты и тяговые накопители энергии, которые совместно с комбинирован­ными электромеханическими трансмиссиями строятся по принципу последователь ной тли параллельной архитектуры, а также но схема «сплит», реализующей последовательно-параллельную систему.

Рассмотрим три структурные схемы ком­бинированной силовой установки (далее – КСУ) с электромеханической трансмиссией (далее - ЭМТ).

При торможении транспортного средства, движении на спуске, механическая энергия движения рекуперируется через систему управления в буферный источник. Основными преимуществами систем электропривода, выполненных по последовательной схеме, являются отсутствие механической связи между ДВС и ведущими колесами, что позволяет работать ДВС в любой точке своих характеристик, в том числе в пределах области максимальной эффективности, так же упрощается кинематическая схема трансмиссии.

Последовательная схем комбинированной силовой установки

В последовательной схеме (рия.1) ДВС работает в паре с генератором, а тепловом энергия топлива, преобразованная в элек­трическую, через систему управления посту­пает для питания тягового электродвигате­ля, который преобразует ее в механическую для привода ведущих колес транспортного средства. Энергия буферного источника тока через ту же систему управления ком­пенсирует недостаток ее при работе тягового электропривода в наиболее тяжелых режи­мах движения: разгон, ускорение, форсиро­вание, поворот, преодоление подъемов или препятствий и т.д.

— Механическая связь

- - -à Электрическая связь

Рис. 1. Схема последовательной структуры комбинированной силовой установки

Параллельная схема комбинированной силовой установки

В параллельной схеме (рис. 2) в отличие от последовательной применяется тяговый электродвигатель, вал которого взаимосвязан с валом ДВС. Режим работы буферного источника аналогичен режиму работы в последовательной схеме. Энергия, необходимая для привода ведущих колес, реализуется параллельными потоками от ДВС и тягового электродвигателя. Параллельная схема характеризуется относительно небольшими массогабаритными параметрами и более высоким КПД, однако обеспечить стабильность режима работы ДВС при параллельной схеме невозможно.

Сокращение расхода топлива достигается в основном за счет уменьшения рабочего объема ДВС, а также усложняется общее управление приводом.

Смешанная схема компоновки комбинированной силовой установки

В смешанной схеме (рис. 3) валы ДВС и тягового электродвигателя взаимно связаны, но не жесткой конструкцией, а через несимметричный планетарный дифференциал. Достоинством смешанной схемы является возможность обеспечения практически постоянного, экономического режима ДВС, а также возможность перераспределения мощности между ДВС, электродвигателем и ведущими колесами при минимальных потерях.

— Механическая связь

- - -à Электрическая связь

Рис. 2. Схема параллельной структуры

комбинированной силовой установки

— Механическая связь

- - -à Электрическая связь

Рис. 3. Схема смешанной структуры

комбинированной энергосиловой установки

Повышенная эффективность данной схемы обусловливается взаимосогласованностью параметров машин, а также алгоритмов системы управления ими. Недостатками данной схемы является необходимость в устройстве механического сопряжения агрегатов силовой установки, которое должно одновременно реализовывать функции непрерывно изменяющегося передаточного числа трансмиссии, преобразованию, распределению и передаче потоков энергии ДВС, электродвигателя и генератора.

Рассмотренные выше схемы комбинированных силовых установок обладают своими преимуществами и недостатками. Выбор структурной схемы взаимодействия компонентов комбинированной силовой установки должен основываться на предназначении транспортного средства.

Проведенный анализ конструктивных схем взаимодействия основных элементов КСУ, их преимуществ и недостатков, а также основных требований к разработке перспективных образцов ВГМ позволил сделать вывод о том, что наиболее рационально использовать последовательную схему КСУ. Реализация данной схемы позволяет максимально обеспечить выполнение заданных требований к перспективным образцам ВГМ.

Именно такой тип схемы комбинированной силовой установки с электромеханической трансмиссией (рис. 4) сегодня разрабатывается коллективом 23 го НИО НИИ (ВСИ МТО ВС РФ) и ООО «Станкомаш» для роботизированной платформы на базе легкобронированного гусеничного шасси, в качестве транспортера переднего края, выполняющего задачи материально-технического обеспечения.

Рис. 4. Структурная схема КСУ с ЭМТ наземного роботизированного комплекса военного назначения:

ВК – ведущие колеса; ДВС – двигатель внутреннего сгорания; ЭБУД электронный блок управления двигателем; ИУС-Ш – информационно-управляющая система шасси; ППТ – педаль подачи топлива; ПТС – педаль тормозной системы, Г – генератор; И –инвертор с коммутатором цепей обмоток возбуждения; ВИ – вспомогательный инвертор; НЭ – накопитель энергии (аккумуляторная батарея или накопитель конденсаторного типа); ТЭД – тяговый электродвигатель; БР – бортовой редуктор

К основным составным частям макетного образца относятся:

– корпус и ходовая часть МТЛБу;

– система управления (БИУС движения)

– аппаратно-программное средство, предназначенное для управления движением образца, технического диагностирования электронных и электрических систем, защиты электрооборудования;

– комбинированная силовая установка, включающая в себя двигатель внутреннего сгорания, генератор вентильный индукторный тяговый и блок накопителей энергии;

– электротрансмиссия, состоящая из распределенной микропроцессорной системы управления, силовых преобразователей электрической энергии, двух тяговых электродвигателей, соединенных через редуктор с ведущими колесами.

Компоновка размещения составных частей электромеханической трансмиссии макетного образца наземного робототехнического комплекса военного назначения

представлена на рис. 5

Рис. 5. Компоновка размещения КСУ с электромеханической трансмиссией макетного образца НРТК ВН:

1 - тяговые электродвигатели;

2 - силовые преобразователи электрической энергии;

3 - гибридная энергоустановка;

4 - блок накопителей энергии;

5 - электронная система управления

Характерные особенности данной транс­миссии:

- 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 и реализации полностью цифрового шасси с возможностью диагностики и дистан­ционного управления;

- сочетание в электромеханической трансмиссии этого типа функций элементов механической трансмиссии, что существен­но упрощает конструкцию трансмиссии, увеличивает ее надежность и ремонтопри­годность;

- обеспечение бесступенчатого регулиро­вания скорости, и снижение расхода топлива на 20-25%, и повышение тем самым таких показателей, как быстроходность, экономич­ность, динамичность, манёвренность и как следствие увеличение в целом боевого свой­ства - подвижности.

Выводы:

- предлагаемая компоновочная схема размещения КСУ с электромеханической трансмиссией позволяет рационально ис­пользовать внутренние объемы НРТК ВН для подвоза боеприпасов и топлива к подраз­делениям на передовой, находящимся под ог­нем противника (рис. 6);

Рис. 6. Дистанционная выгрузка боеприпасов с наземного робототехнического комплекса военного назначения

- последовательная схема комбиниро­ванной силовой установки с электромеха­нической трансмиссией позволяет ДВС ра­ботать в любой точке своих характеристик в том числе в пределах области максималь­ной эффективности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бахмутов С.В. Конструктивные схемы автомо­билей с гибридными силовыми установками, учебное пособие / С.В. Бахмутов. А.Л. Карунин, В.В. Ломакин. - Москва : МГТУ «МАМИ», 2007. - 72 с.
2. Шеремет И.Б. Система общих технических тре­бований к видам вооружения и военной технике / И.Б. Шеремет. НА.. Рудианов. B.C. Хрущев // Наземные робототехнические комплексы. Общие ТТХ - Москва : МО РФ. 2015. - 79 с.
3. Степанов Ю.А. Система вооружения и воен­ной техники, часть 2, учебное пособие / Ю.А. Степа­нов. B.C. Стативка, С.Г. Дубинин - Санкт-Петербург : BA МТО, 2017. - 660 с.
4. Сергеев В.В. Приоритетные направления созда­ния робототехнических комплексов МТО / В.В. Сергеев, Н. Колоколов. В.Л. Матушкин // Научные проблемы МТО ВС РФ: сборник научных трудов - Санкт-Петер­бург : изд-во политехнического университета, 2017. -231-237.
5. Сергеев В.В. Применение РТК ВН для МТО войск (сил) / В.В. Сергеев. И.В. Гречушкин. В.Л. Матушкин // Научные проблемы военно-системных исследований: сб. науч. тр. - СПб.: изд-во политехнического универси­тета. 2017. - С.114-122.

Дружинин Петр Владимирович - доктор технических наук профессор, старший научный сотрудник: Сергеев Владис­лав Владимирович - кандидат биологических наук доцент кафедры технического обеспечения и тактики), начальник 23 научно-исследовательского отдела.

Романенко Роман Владимирович - соискатель на ученую степень кандидата технических наук, адъюнкт. 23-й научно-исследовательский отдел Научно-исследовательского института военно-систем­ных исследований материально-технического обеспечения Во­оруженных сил Российской Федерации.