PROCEdURA doboru ELEmENTóW hybrydowego ELEkTROmEChANiCzNEgO NAPędU mechanizmów RObOCzYCh żurawia SAmOjEzdNEgO

PRACE instytutu LOTNiCTWA 221 s. 121 132 Warszawa 2011 PROCEdURA doboru ELEmENTóW hybrydowego ELEkTROmEChANiCzNEgO NAPędU mechanizmów RObOCzYCh żurawia SAmOjEzdNEgO MIchał PaNufNIk Instytut Lotnictwa Streszczenie Artykuł zawiera metodologię doboru komponentów hybrydowego elektromechanicznego napędu mechanizmów roboczych dla systemu w skład którego wchodzą: silnik spalinowy wysokoprężny akumulator elektrochemiczny kwasowy oraz maszyna elektryczna prądu stałego. Procedura bazuje na przepływie energii pomiędzy komponentami systemu uwzględniając sprawności poszczególnych elementów. Jako dane wejściowe wykorzystano cykl mechanizmów roboczych żurawia samojezdnego KRUPP 25GMT. Jako obiekt obliczeń wybrano żuraw samojezdny firmy krupp model 25GMT. Jest to maszyna wykorzystującą 3-osiowe podwozie samochodowe wyposażone dodatkowo w cztery podpory o napędzie hydraulicznym. Na podwoziu zamontowano ramę obrotową z wciągarką główną oraz pomocniczą. Obrót zapewniony jest dzięki siłownikom hydraulicznym umożliwiającym ruch w zakresie 360. Na podwoziu znajduje się także mechanizm wychylania wysięgnika. koła przedniej osi są skrętne co stanowi standard w tego rodzaju konstrukcjach. Operatorzy maszyny mają do dyspozycji dwie kabiny: kierowcy zlokalizowaną w przedniej części żurawia oraz operatora żurawia umieszczoną w tylnej części maszyny na ramie obrotowej. Przeniesienie napędu na koła odbywa się za pośrednictwem 6-biegowej skrzyni przekładniowej. Dodatkowo dostępny jest reduktor pozwalający na poruszanie się w trudnym terenie. Maksymalna prędkość jazdy żurawia w trybie transportowym wynosi 60 km/h dodatkowym atutem maszyny jest wysuwana przeciwwaga pozwalająca na zachowanie stateczności żurawia przy dużych obciążeniach. Parametry techniczne rozpatrywanego żurawia są następujące [5]: moc silnika ZS-172/2650 kw/obr/min masa własna żurawia 28000 kg maksymalna masa udźwigu 25000 kg kąt obrotu wysięgnika 360 maksymalna prędkość obrotu wysięgnika-15 obr/min

122 MIchał PaNufNIk maksymalna prędkość podnoszenia przy obciążeniu maksymalnym-11 m/min czas wychylenia w górę (dół) wysięgnika-50 (30) s. Wysięgnik podstawowy żurawia ma konstrukcję teleskopową wychylaną przy pomocy siłownika hydraulicznego. Do wysuwania 3 członów wysięgnika służą dwa siłowniki umieszczone wewnątrz konstrukcji teleskopowej. Długość całkowita wysięgnika przy maksymalnym wysuwie wynosi 252 m. Opcjonalny wysięgnik pomocniczy dołączony do głównego zapewnia zwiększenie długości o 51 m. Na rysunku 1 przedstawiono schemat układu napędowego żurawia Rys. 1. Schemat układu napędowego żurawia samojezdnego KRUPP 25GMT [5] gdzie: 1 silnik napędowy ZS o mocy 172 kw prędkość obrotowa w granicach od 550 do 2460 obr/min maksymalny moment obrotowy 750 Nm przy 1200 obr/min zużycie paliwa wynosi 60 dm3/h podczas jazdy i 15 dm3/h podczas pracy dźwignicowej 2 sprzęgło jednotarczowe suche 3 6-biegowa skrzynia przekładniowa wszystkie biegi za wyjątkiem wstecznego są zsynchronizowane 4 8 9 wały napędowe przegubowe 5 dwubiegowa skrzynia rozdzielcza napędzająca bezpośrednio tylne mosty napędowe reduktor do jazdy w terenie zapewnia dodatkowe przełożenie 1:21 6 7 mosty napędowe tylne 10 pompy hydrauliczne zasilane ze skrzyni rozdzielczej zasilające układy nadwozia oraz podpory. cykl pracy mechanizmów roboczych został przedstawiony w tabeli 1 oraz na rysunku 2. Składa się on z następujących ruchów roboczych: zmiana wysięgu obrót podnoszenie i opuszczanie. Moc oporów ruchu jest tożsama z oporami stawianymi przez pompy hydrauliczne napędzające mechanizmy robocze maszyny. Zaś źródłem energii jest silnik spalinowy pojazdu zasilający odbiorniki poprzez skrzynię rozdzielczą.

PROceDuRa DObORu elementów hybrydowego elektromechanicznego NaPęDu... 123 Tab. 1. Parametry energetyczne i trakcyjne żurawia podczas cyklu pracy mechanizmów roboczych Rys. 2. Wykres zależności mocy oporów ruchu w fazach cyklu mechanizmów roboczych badanego żurawia (ze względu na zerową moc oporów ruchu w fazach 1 i 13 pominięto je) Procedura doboru hybrydowego elektromechanicznego napędu mechanizmów roboczych żurawia samojezdnego składa się z kolejnych etapów obliczeń odnoszących się do ogólnych założeń tej metody oraz do poszczególnych elementów układu (silnik spalinowy akumulator elektrochemiczny oraz maszyna elektryczna). Schemat przepływu mocy źródła wtórnego przedstawia rysunek 3. W tabeli 1 oraz na rysunku 2 pokazano moc oporów ruchu w funkcji czasu w cyklu pracy mechanizmów roboczych. Można wyróżnić zarówno wartości dodatnie jak i ujemne które stanowią moc którą można teoretycznie odzyskać. Do obliczeń nie zostały uwzględnione fazy 1 i 13 (rozkładanie i składanie podpór) ponieważ występują one jedynie na początku i końcu całej pracy żurawia a nie w każdym z jego cykli. Przy założeniu że odzysk energii nie jest możliwy (dla faz 8 i 12) wartość średnia mocy cyklu wynosi:

124 MIchał PaNufNIk N = N t + N t + N t + N t + N t + N t sr t2 + t3 + t4 + t5 + t6 + t7 + t8 + t9 + t10 + t11 + t12 8612 8 N sr = = 27 1 kw. kw 317 6 2 2 3 3 6 6 7 7 10 10 11 11 (1) Rys. 3. Schemat przepływu mocy źródła wtórnego w układzie w którym: N średnia moc wyładowania liczona na wale pomp N średnia rzeczywista moc wyładowania liczona na zaciskach akumulatora elektrochemicznego N a2 średnia moc ładowania liczona na wale silnika N a2 średnia rzeczywista moc ładowania akumulatora elektrochemicznego S sp silnik spalinowy A k akumulator elektrochemiczny M/G maszyna elektryczna prądu stałego W tabeli 2 przedstawiono wartości teoretyczne mocy na wejściu akumulatora elektrochemicznego przy założeniu że został zastosowany silnik o mocy 271 kw. Wartości te są różnicą pomiędzy mocą konieczną do dostarczenia do układu hydraulicznego maszyny roboczej w każdej z faz cyklu a mocą średnią obliczoną z pomocą równania 1. Graficzne przedstawienie owych wyników można zobaczyć na rysunku 4. Tab. 2. Wartości teoretyczne mocy na wejściu akumulatora elektrochemicznego przy założeniu że został zastosowany silnik spalinowy o mocy 271 kw Wartości ujemne mocy teoretycznej (N2 N3 N6 N7 N10 N11) przedstawione na rysunku 4 oznaczają moce akumulatora przeznaczone do napędu mechanizmów roboczych maszyny przez pompy hydrauliczne liczone na ich wałach. Wartości dodatnie (N4 N5 N8 N9 N12) natomiast oznaczają moce przeznaczone do doładowywania akumulatora elektrochemicznego.

PROceDuRa DObORu elementów hybrydowego elektromechanicznego NaPęDu... 125 Rys. 4. Wykres wartości teoretycznych mocy na wejściu akumulatora elektrochemicznego w funkcji czasu Strumienie mocy przepływające pomiędzy poszczególnymi elementami systemu cechują sie pewnymi stratami. Wynikają one ze sprawności poszczególnych elementów układu a także z typu transmisji mocy pomiędzy nimi. Wartości przyjęte w tej pracy są uśrednione dla całego rozpatrywanego cyklu pracy mechanizmów roboczych żurawia samojezdnego i wynoszą: η 1 = 096 sprawność przekładni mechanicznej podczas przepływu mocy od silnika spalinowego do maszyny elektrycznej η 2 = 098 sprawność przekładni mechanicznej podczas przepływu mocy od maszyny elektrycznej do pomp hydraulicznych η 3 = 09 sprawność maszyny elektrycznej zarówno podczas pracy silnikowej jak i prądnicowej η 4 = 05 07 sprawność akumulatora elektrochemicznego w zależności od warunków pracy. korzystając z wykresu 4 można zauważyć że wyładowywanie akumulatora elektrochemicznego zachodzi podczas faz: 2 3 6 7 10 i 11. Średnia moc wyładowania akumulatora (przy zastosowaniu silnika o mocy obliczonej wcześniej równej 271 kw) wynosi: N N t + N t + N t + N t + N t + N t = t + t + t + t + t +t + t + t + t + t + t 2 2 3 3 6 6 7 7 10 10 11 11 2 3 4 5 6 N a 1 5233 9 = = 16 5 kw. 317 6 7 8 9 10 11 12 uwzględniając sprawność przekładni mechanicznej oraz maszyny elektrycznej (η 2 i η 3 ) można obliczyć średnią rzeczywistą moc na wyjściu akumulatora elektrochemicznego: (2) Na 1 = 2 3 16 5 = = 18 7 kw. 098 09 (3)

126 MIchał PaNufNIk Podobnie można obliczyć średnią moc rzeczywistą ładowania akumulatora liczoną na wale silnika uwzględniając sprawności przekładni mechanicznej maszyny elektrycznej i akumulatora elektrochemicznego (1 3 i 4). Przedstawiono tutaj dwa przypadki zależne od sprawności akumulatora przyjmując w równaniu 4 sprawność równą 05 natomiast w równaniu 5 sprawność wynoszącą 07. a2 a2 18 7 = = = 43 3 kw. 096 09 05 1 3 4 18 7 = = = 30 9 kw. 096 09 07 1 3 4 (4) (5) W powyższych obliczeniach założono że w trakcie realizacji założonego cyklu mechanizmów roboczych moc uzupełniana w akumulatorze będzie równa średniej rzeczywistej mocy na jego wyjściu. korzystając z obliczeń przedstawionych w artykule dobrano silnik spalinowy wysokoprężny o następujących podstawowych parametrach[4]: producent Perkins model 404c-22 moc maksymalna 38 kw prędkość obrotowa mocy maksymalnej 3000 obr/min maksymalny moment obrotowy 1430 Nm prękość obrotowa momentu maksymalnego 1800 obr/min. Tab. 3. Zależność momentu obrotowego i mocy od prędkości obrotowej silnika firmy Perkins model 404C-22 [4] Należy założyć że silnik nie będzie działał z pełną swoją mocą. Jego punkt pracy będzie dobrany tak aby dostarczał on do układu moc 28 kw. W tabeli 3 przedstawiono charakterystykę momentu obrotowego oraz mocy silnika w funkcji jego prędkości obrotowej. analizując wartości mocy i czasu podczas poszczególnych faz cyklu można obliczyć moce na wejściu akumulatora elektrochemicznego przy założeniu że wykorzystano silnik o podanej mocy. Obliczenia przeprowadzane są analogicznie do tych których wyniki można obserwować w tabeli 2. Obliczenia dla silnika rzeczywistego Perkins 404c-22 zostały przedstawione w tabeli 4. Wartość mocy obliczonej we wzorze 1 jest znacząco mniejsza od założonej dla silnika rzeczywistego także i wartości mocy powinny się nieznacznie różnić. Graficzne przedstawienie tych wyników widoczne jest pod postacią wykresu na rysunku 5.

PROceDuRa DObORu elementów hybrydowego elektromechanicznego NaPęDu... 127 Tab. 4. Wartości teoretyczne mocy na wejściu akumulatora elektrochemicznego przy założeniu że został zastosowany silnik spalinowy o mocy 28 kw Rys. 5. Wykres wartości teoretycznych mocy na wejściu akumulatora elektrochemicznego w funkcji czasu dla silnika 28 kw Średnia moc wyładowania w tym cyklu dla silnika 28 kw wynosi: N N t + N t + N t + N t + N t + N t = t + t + t + t + t +t + t + t + t + t + t 2 2 3 3 6 6 7 7 10 10 11 11 2 3 4 5 6 N a 1 7 8 9 10 11 12 5224 0 = = 16 1 kw. 317 6 (6) Rzeczywista moc na wyjściu akumulatora elektrochemicznego uwzględniająca sprawność przekładni mechanicznej oraz maszyny elektrycznej (η 2 i η 3 ) wynosi: Na 1 = 2 3 16 1 = = 18 3 kw. 098 09 (7)

128 MIchał PaNufNIk Dla założonych sprawności akumulatora elektrochemicznego wynoszących 05 oraz 07 średnią rzeczywistą moc ładowania akumulatora dla silnika 28 kw obrazują równania 8 oraz 9. 18 3 (8) a2 = = = 42 3 kw. 096 09 05 a2 18 3 = = = 30 2 kw. 096 09 07 1 3 4 Przekształcając odpowiednio wzór 8 lub 9 można otrzymać sprawność akumulatora elektrochemicznego dla przyjętej mocy silnika spalinowego: 18 3 4 = = = 076. N 28 0 96 0 9 s 1 3 Wartość obliczona we wzorze 10 odbiega od przyjętego wcześniej zakresu sprawności 4 = 05 07. Wartość 076 jest nierealna niemożliwa do zrealizowania przez współczesne mode - le akumulatorów trakcyjnych. Dalszy etap obliczeń ma na celu takie dobranie wartości wejściowych obliczeń aby obliczona sprawność akumulatora mieściła się w założonym zakresie. Silnik Perkins 404c-22 dysponuje mocą maksymalną 38 kw. Moc silnika 28 kw przyjęta w powyższych obliczeniach okazała się zbyt mała do uzyskania zadowalającej sprawności akumulatora. Obliczenia przeprowadzone w dalszej części pracy będą opierały się na założeniu że wykorzystana moc silnika wynosi 325kW co stanowi około 86% jego mocy maksymalnej. W tabeli 4 przedstawiono teoretyczne moce na wejściu akumulatora elektrochemicznego przy zastosowaniu silnika o założonej mocy. Graficzne przedstawienie tych wyników jest widoczne na rysunku 6. Średnia moc wyładowania w cyklu wynosi: N 1 3 4 N2 t2 + N6 t6 = t + t + t + t + t + t + t + t + t + t + t 47708 Na 1 = = 15 0 kw. 317 6 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Jak można było się spodziewać w stosunku do wersji obliczeń z zastosowaniem silnika 28 kw obecne założenia pozwalają na niższą średnia moc wyładowania podczas cyklu pracy. Obecnie jedynie w fazie 2 i 6 następuje większe od dostarczanego przez silnik zapotrzebowanie na moc. Pozostałe fazy cechujące się ujemną wartością mocy przy zastosowaniu silnika 28 kw obecnie jej nie posiadają. Tab. 5. Wartości teoretyczne mocy na wejściu akumulatora elektrochemicznego przy założeniu że silnik dostarcza moc 325 kw (9) (10) (11)

PROceDuRa DObORu elementów hybrydowego elektromechanicznego NaPęDu... 129 Po uwzględnieniu sprawności przekładni mechanicznej (2) oraz sprawności maszyny elektrycznej (3) rzeczywista moc na wyjściu akumulatora elektrochemicznego wynosi: N = 2 3 15 0 = = 17 0 kw. 098 09 (12) Wykorzystując zależność 10 można obliczyć sprawność akumulatora elektrochemicznego dla przyjętej mocy silnika spalinowego 325kW: 17 0 4 = = = 061. N 32 5 0 96 0 9 s 1 3 (13) Obliczona we wzorze 13 sprawność zawiera się w granicach przyjętych na początku obliczeń i może być wykorzystywana do dalszych rozważań. Założona moc stanowiąca 86% mocy maksymalnej silnika spalinowego zapewni natomiast jego komfortowe warunki pracy nie narażając jednostki napędowej na przeciążenie. Rys. 6. Wykres wartości teoretycznych mocy na wejściu akumulatora elektrochemicznego w funkcji czasu dla silnika 38 kw Proces doboru akumulatora elektrochemicznego do napędu hybrydowego elektromechanicznego mechanizmów roboczych żurawia samojezdnego polega na znalezieniu maksymalnego poboru mocy z akumulatora elektrochemicznego i czasu w jakim jest on realizowany. W przypadku rozpatrywanym w pracy będzie to faza 2 cyklu roboczego. czas jej trwania wynosi 30 s. N = 2 3 89 8 = = 101 8 kw. 09809 (14) czas ładowania akumulatora elektrochemicznego w rozpatrywanym cyklu wynosi 2433 s (są to fazy gdzie moc na wejściu akumulatora jest dodatnia). zaś moc ładowania ma wartość 325 kw przy obliczonej sprawności η 4 = 061.

130 MIchał PaNufNIk Ilość energii zgromadzonej w akumulatorze zależy od czasu trwania fazy cyklu oraz ilości energii jaka zastaje przeznaczona na ładowanie akumulatora (w niektórych częściach cyklu moc jest przeznaczana także na doraźne zasilanie mechanizmów żurawia). Wykorzystując zależności 8 oraz 9 dla przyjętych wartości mocy silnika spalinowego oraz obliczonej sprawności akumulatora 4 średnia moc ładowania akumulatora w tym cyklu roboczym równa się: N ' a2 ' Na 1 = 1 3 4 17 0 = = 32 2 kw. 096 09 061 (15) Napięcie baterii akumulatorów powinno być dostosowane do silnika i wynosić 400 V. Moc i maksymalny pobór prądu w analizowanym cyku wynikający z mocy obliczonej we wzorze 14 wynosi: ' Na 1 101800 I (16) max = = = 242 4 A. U 420 Ak Przy przyjętym czasie maksymalnego poboru prądu i jego wartości pojemność akumulatora została obliczona z zależności 17 i powinna wynosić minimum 202 ah. Jest to wartość bardzo mała w porównaniu do produkowanych obecnie ogniw trakcyjnych. 242 4 30 Q = = 202 Ah. 3600 (17) Dobierając konkretny model akumulatora do przedstawionego w tej pracy układu Należy skorzystać z katalogów technicznych oferowanych przez firmy produkujące tego typu komponenty. Dobór akumulatora elektrochemicznego o znacznie większej niż wynikająca z obliczeń pojemności wynika z dostępności tego typu ogniw na rynku. akumulatory kwasowe o niższej pojemności dostępne są zazwyczaj jako rozruchowe co w przypadku rozpatrywanej aplikacji nie zapewni wymaganych parametrów trwałościowych. Z kolei zastosowanie dużo większej niż wymagana pojemności przyczyni się do zwiększenia trwałości baterii akumulatorów zwiększy niestety cenę oraz masę całej konstrukcji. Przy doborze silnika elektrycznego do omawianego w tej pracy układu skorzystano z katalogu silników firmy abb serii produktów DMI. Moc szczytowa silnika elektrycznego określona została na podstawie maksymalnych oporów ruchu podczas rozpatrywanego cyklu roboczego (tabela 1). Wartość ta wynosi 1223 kw. Przyjmując dopuszczalny współczynnik przeciążenia T MAX /T N = 160% można stwierdzić że moc silnika powinna wynosić minimum 764 kw. korzystając z powyższych danych został dobrany silnik o oznaczeniu 3SbM0033050-cca [3]. Jego podstawowe parametry są następujące: maksymalny prąd przeciążenia (I MAX /I N ) 180% maksymalny moment przeciążenia (T MAX /T N ) 160% moment bezwładności (J) 05 kgm 2 minimalna prędkość obrotowa przy stałym momencie (n 0 ) 10 obr/min moc uzwojenia wzbudzenia (P f ) 1200 W przepływ powietrza chłodzącego (V diss ) 025 m 3 /s napięcie stałe uzwojenia wzbudzenia (U fn ) 310 V napięcie zasilania (U N ) 420 V prędkość znamionowa (n) 2415 obr/min

PROceDuRa DObORu elementów hybrydowego elektromechanicznego NaPęDu... 131 moc znamionowa (P) 86 kw prąd znamionowy (I N ) 226 a maksymalny moment obrotowy (T) 339 Nm sprawność (η) 887% Zagadnienie dopasowania poszczególnych elementów napędu hybrydowego elektromechanicznego porusza kwestię współpracy na różnych płaszczyznach komponentów dobranych wcześniej (silnik spalinowy akumulator elektrochemiczny i maszyna elektryczna prądu stałego). Mimo że dobór mocy komponentów systemu napędowego został obliczony we wcześniejszych rozdziałach należy rozpatrzeć go raz jeszcze tym razem patrząc na dobrane urządzenia jako współpracujący ze sobą system. Moce silnika spalinowego oraz maszyny elektrycznej zostały podane dla konkretnych ustalonych przez producenta wartości charakterystycznych. Zależność mocy od prędkości obrotowej silnika spalinowego została pokazana na tabeli 3 natomiast ta zależność dla maszyny elektrycznej pracującej w trybie silnikowym przedstawiona została na rysunku 7. Jest to krzywa typowa dla komutatorowych silników prądu stałego. Rys. 7. Zależność znamionowej prędkości obrotowej od mocy znamionowej dla silników elektrycznych typu DMI firmy ABB [3] Poniżej zostały ponownie przytoczone moce z jakimi według wcześniejszych obliczeń powinny pracować silniki elektryczny i spalinowy. Zostały także podane prędkości obrotowe potrzebne do uzyskania tych mocy: Silnik spalinowy: N = 325 kw n = 2200 obr/min Maszyna elektryczna: P = 764 kw (89% P znam ) n = 2145obr/min Prędkości obrotowe obu maszyn są niemal równe różnica wynosi około 2%. Jeżeli założymy że silnik elektryczny będzie obracał się z prędkością obrotową równą silnikowi elektrycznemu będzie on w stanie dostarczyć moc 783 kw co jest wartością większą niż założono w obliczeniach. Dzięki takiej konfiguracji układ będzie poddany mniejszym przeciążeniom mając do dyspozycji większą moc pochodzącą z silnika elektrycznego. Zniknie także problem połączenia wzajemnego wałów obu jednostek napędowych nie będzie potrzebna przekładnia dopa - sowująca prędkości obrotowe urządzeń.

132 MIchał PaNufNIk Podana wyżej metoda doboru elemtów układu może być zastosowana do większości aplikacji dla tego typu napędów. Podstawą jest ustalenie parametrów cyklu jako danych wejściowych do obliczeń. bibliografia [1] Ocioszyński J.: energetyka energooszczędnych układów napędowych maszyn roboczych. Oficyna Wydawnicza PW Warszawa 1994. [2] Panufnik M.: Właściwości wtórnego źródła energii w hybrydowym elektromechanicznym napędzie maszyn roboczych. Warszawa 2011. [3] katalog silników prądu stałego firmy abb. [4] katalog produktów firmy Perkins. [5] katalog maszyn firmy krupp. MIchał PaNufNIk Abstract PROceDuRe Of hybrid electromechanical DRIVe components SeLecTION for MObILe crane OPeRaTING MechaNISMS This article describes methodology of hybrid electromechanical drive components selection for mobile crane operating mechanisms which contains diesel engine electrochemical acid battery and DC electric machine. This procedure is basing on energy flow between system components having efficiency of each single element. As an input data KRUPP 25GMT mobile crane operating mechanisms cycle was used.