УДК 62-252.1

Сравнение концепций электропривода управления вариатором барабана с гидравлическим приводом

Музыченко Анна Николаевна – студентка магистратуры Донского государственного технического университета.

Басакин Захар Евгеньевич – студент магистратуры Донского государственного технического университета.

Аннотация. Рассмотрены вопросы построения приводов управления скоростью вращения барабана комбайна на основе управления встроенным в нее вариатором с помощью гидравлической и электрической систем. Описаны проблемы, с которыми можно столкнуться при их использовании: передачи и распределения мощности по рабочим механизмам машин; загрязнения; использования избыточной мощности. Рассмотрены конструкции гидравлического привода и электропривода. На основе метода анализа иерархий проведено сравнение концепций гидравлического и электрического приводов

Ключевые слова: гидравлический привод, электропривод, концепция, вариатор, барабан, конструкция, машиностроение, проблемы, преимущества, недостатки, метод анализа иерархий.

Введение

Сейчас в машиностроении для управления вариаторами барабанов используются гидравлические приводы. Но концепция гидравлического привода может создавать некоторые проблемы: энергия, вырабатываемая единственным источником её производства, двигателем, распространяется по разным рабочим элементам. Это актуальная проблема – передачи и распределения мощности по рабочим механизмам машин. Широкое применение имеют бесступенчатые передачи, но они имеют достаточно много недостатков: большие габариты, масса, цена, ограниченный диапазон регулирования. [1]

Также гидравлика считается грязным механизмом. Чаще всего происходит конструктивно обусловленное загрязнение. Избежать такого типа загрязнения гидравлических жидкостей сложнее всего. Несмотря на все старания основной части производителей, вся новая техника поставляется, уже имея в механизме какое-либо конструктивно обусловленное загрязнение, всегда будут обнаруживаться остаточные загрязнения, образующиеся в процессе работы механизма. Оборудование изначально будет выпущено с начальной степенью загрязнения, а в процессе сборки степень загрязнения еще больше увеличится. Как бы ни контролировались условия производства, внутрь конечного продукта неизбежно попадут загрязнения. [2]

В сравнении с гидравлическим приводом, использование электропривода не приводит к таким серьёзным загрязнениям, мощность не передаётся на рабочие механизмы гидравлики, диапазон регулирования может быть шире, но при использовании этой концепции могут возникать свои проблемы. При использовани электроприводов также могут быть использованы бесступенчатые передачи. Недостатком электропривода является то, что при работе вариатора избыточная мощность поглощается генератором (до 25% мощности), вследствие чего изменяется передаточное отношение. Причем максимальное поглощение происходит на больших передаточных значениях вариатора, то есть при разгоне, когда требуется повышенный крутящий момент. Также мощности генератора комбайна может не хватить на обеспечение работы такого устройства. [3]

Описание конструкциигидравлического привода управления вариатором на примере комбайна «Дон»

Вариатор позволяет регулировать скорость движения комбайна вперед независимо от частоты вращения двигателя. Это позволяет оператору замедлять или ускорять ход по мере необходимости, чтобы учесть различия в толщине посева. На рисунке 1 приведён пример конструкции вариатора привода барабана комбайна «Дон», основанного на гидравлической конструкции. [4]

Рисунок 1. Вариатор привода барабана комбайна «Дон»

В состав ведущего шкива входят: подвижный диск (13), неподвижный диск (14), которые закреплены вместе со шкивом (15) привода молотилки на ступице (17) при помощи болтов (16).Подвижный диск перемещается только в осевом направлении. В состав механизма управления вариатором входят: плунжерный гидроцилиндр (19) и конус, закреплённый на проточке гидроцилиндра. Конус соединён с подвижным диском (13) при помощи трёх специальных болтов (18), на которых внутри блока шкивов установлены пружины (22). Шток гидроцилиндра на валу (21) битера зафиксирован с помощью шайбы (20) и гайки.

В состав ведомого шкива входят: подвижный диск и неподвижный диск, которые кинематически связаны кулачковыми полумуфтами (6). Подвижный диск может перемещаться по оси с одновременным поворотом.

Описание конструкции электропривода управления вариатором

Для управления вариатором также могут использоваться электроприводы. Пример конструкции с электроприводом приведён на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема вариатора с применением электропривода

Изменение частоты вращения вентилятора и натяжения ремня контрпривода вариатора производится электроприводом (1), который вращает в прямую и обратную сторону втулку (18). Установленный на втулке (18) на подшипниках (16) упор (5) упирается пальцами в подвижный шкив (12). Числовую величину частоты вращения вентилятора показывает экран дисплея бортового компьютера в кабине молотилки. [5]

Сравнение преимуществ и недостатков концепций электропривода и гидравлического привода с помощью метода анализа иерархий

Чтобы сравнить концепцию электропривода и концепцию гидравлического привода, воспользуемся методом анализа иерархий (МАИ) [6], составим таблицу с соотношением следующих положительных параметров: свободное распространение энергии двигателя, устойчивость к загрязнениям и адекватное использование мощности двигателя. На основе вышесказанных данных, субъективно оценим важность каждого параметра по отношению параметра из строки к параметру из столбца по шкале, где 1 означает, что оба параметра равны, 9 значит, что первый параметр во всём важнее второго, 1/9 означает, что наоборот второй параметр во всём важнее первого. Остальные числа варьируются между этими степенями сравнения. Составим таблицу 1 на основе своих оценок.

Таблица 1. Сравнение параметров по МАИ

	Свободное распространение энергии двигателя	Устойчивость к загрязнениям	Адекватное использование мощности двигателя
Свободное распространение энергии двигателя	1	2	1
Устойчивость к загрязнениям	1/2	1	1/2
Адекватное использование мощности двигателя	1	2	1

Вычислим значения приоритетов на основе алгоритмов МАИ. Для свободного распространения энергии двигателя приоритет равен 0,4, для устойчивости к загрязнениям приоритет равен 0,2, для адекватного использования мощности двигателя приоритет равен 0,4.

Субъективно оценив, что распространение энергии двигателя в гидравлическом приводе в 5 раз хуже, чем в электроприводе, устойчивость к загрязнениям в гидравлическом приводе в 9 раз хуже, чем в электроприводе, а адекватное использование мощности двигателя в гидравлическом приводе в 5 раз лучше, чем в электроприводе, получим значения по параметрам для альтернатив. Для этого надо выполнить вычисления для всех 3 параметров по отдельности. Получены данные, приведённые в таблице 2. С помощью этих данных можно будет вычислить итоговые приоритетные значения для каждой из альтернатив, что позволит сравнить альтернативы.

Таблица 2. Приоритеты для альтернатив по МАИ

	Гидравлический привод	Электропривод
Свободное распространение энергии двигателя	0,17	0,83
Устойчивость к загрязнениям	0,1	0,9
Адекватное использование мощности двигателя	0,83	0,17

Получим итоговые значения: для гидравлического привода – 0,42, для электропривода – 0,58.

Заключение

По результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1. Рассмотрены конструкции гидравлического привода и электропривода управления вариатором барабана комбайна.
2. На основе МАИ, концепция электропривода лучше концепции гидравлического привода управления вариатором барабана.
3. Проблема концепции гидравлического привода заключается в высокой степени загрязнений при его работе и в передаче мощности по частям гидравлического механизма.
4. Проблема концепции электропривода заключается в возможности активного расхода электроприводом энергии, вырабатываемой генератором, что может привести к нехватке энергии или неустойчивости его работы.

Список литературы

1. Батырбеков Д.К. Обоснование параметров и режимов работы гидравлического вариатора бесступенчатой передачи // CyberLeninka [Электронный ресурс]. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obosnovanie-parametrov-i-rezhimov-raboty-gidravlicheskogo-variatora-besstupenchatoy-peredachi.
2. Шесть видов загрязнения гидравлических жидкостей // Donaldson [Электронный ресурс]. – URL: https://www.donaldson.com/ru-ru/engine/filters/technical-articles/six-types-hydraulic-fluid-contamination/.
3. Дружков В.В. Бесступенчатый электромашинный гибридный вариатор с цифровым управлением [Электронный ресурс]. – URL: https://patents.google.com/patent/RU2362687C1/ru.
4. Вариатор привода барабана комбайна «Дон» // Железный-Конь.РФ [Электронный ресурс]. – URL: https://железный-конь.рф/variator-privoda-barabana-kombajna-don.html.
5. Исследование механизмов управления вариаторами зерноуборочных самоходных комбайнов / Н. В. Чаус // Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления: материалы IX Международной межвузовской научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов, Гомель, 28–29 апр. 2009 г. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2009. – С. 58 - 60.
6. Курбанова Э.Р. Метод анализа иерархий: характеристика // CyberLeninka [Электронный ресурс]. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metod-analiza-ierarhiy-harakteristika.