Республика Беларусь является одной из крупных в мире производителей карьерных автомобилей особо большой грузоподъемности. К началу 80-х годов предприятие выпускало шесть тысяч тяжёлых самосвалов ежегодно, и это составляло 50 процентов общемирового производства данной техники.
В самосвалах БелАЗ нет батареи, поэтому схема электромеханической трансмиссии соответствует последовательному гибриду: ДВС вращает генератор, и дальше энергия передается электрическим путем с помощью тягового привода.
Тяговый электропривод самосвала предназначен для:
– создания регулируемых тяговых усилий на ведущих колесах самосвала путем преобразования механической энергии дизельного двигателя в электрическую энергию, а также автоматического регулирования электрической энергии и обратного преобразования в механическую;
– создания регулируемых тормозных усилий на ведущих колесах при стандартном и форсированном электрическом торможении. При стандартном электрическом торможении усилия формируются за счет регулируемого преобразования кинетической энергии, запасенной самосвалом в процессе движения, в электрическую. Преобразование кинетической энергии осуществляется посредством перевода тяговых электродвигателей в генераторный режим работы и создания на их валах тормозных моментов. Электрическая энергия, генерируемая электродвигателями, преобразуется в тормозных резисторах в тепловую энергию с последующим рассеянием в окружающей среде. Форсированное электрическое торможение осуществляется для повышения эффективности торможения при скоростях движения самосвала ниже 20 – 25 км/ч и обеспечения полной его остановки. Тормозные усилия при форсированном электрическом торможении, кроме указанного для стандартного электрического торможения, формируются за счет дополнительного потребления энергии от дизель-генераторной установки.
Типичная структура тягового для привода колес самосвала БелАЗ показана на рис. 11.18.
ДВС вращает генератор, который вырабатывает электроэнергию. Синхронный или асинхронной генератор, вырабатывает переменный ток. После генератора ток поступает в преобразователь, который преобразует переменный ток в постоянный, а также уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. В преобразователе имеется блок управления возбудителем, который регулирует ток в обмотке возбуждения генератора и тем самым подстраивается под разную частоту вращения ДВС и снимаемую мощность.
После преобразователя генератора ток поступает на шину постоянного тока. Постоянное напряжение далее поступает на преобразователи тяговых электродвигателей (ТЭД), которые представляют собой инверторы, такие же, какие используются в обычных преобразователях частоты. Затем постоянное напряжение снова преобразуется в переменное и питает тяговые электродвигатели ведущих колес, которые приводят в действие бортовые редукторы колес.
В новых разработках БелАЗ в структуру электрооборудования добавляется высоковольтная АКБ, при этом энергия с блока тормозных резисторов используется для дальнейшего использования (рекуперация).
В число основных компонентов электропривода входит также система автоматического управления (САУ), в которую входят две подсистемы: система программного управления (СПУ) и система автоматического регулирования (САР). Система автоматического управления предназначена для управления силовой коммутационной аппаратурой и задания режимов работы системы автоматического регулирования. Система автоматического регулирования предназначена для формирования тяговых и тормозных характеристик самосвала посредством сравнения задающих сигналов и сигналов обратной связи, поступающих от датчиков электрических и механических параметров. Она предназначена также для регулирования токов возбуждения тягового генератора и тяговых электродвигателей в функции сигналов рассогласования между указанными сигналами.
Специалисты завода БелАЗ и сотрудники созданной на автотракторном факультете БНТУ исследовательской лаборатории и автор этих строк – принимали непосредственное участие в разработке и испытании отечественной антиблокировочной системы, электродинамических тормозов автомобилей особо большой грузоподъемности БелАЗ в карьерах Якутии, Заполярного круга, Печенгоникеля.
Карьерный самосвалов большой грузоподъёмностью 130 тонн БелАЗ-75131 можно отнести к самой распространенной модели, который используется в более 50 странах мира. На автомобиле впервые использовалась новая прогрессивная разработка – тяговый электропривод колес (рис. 11.19).
Он родоначальник семейства карьерных самосвалов гибридного привода ведущих колес с высокомоментным мотором постоянного тока от бортовой электростанции (генератор – дизельный ДВС). В состав гибридной системы входит: дизельный ДВС, электропривод переменно-постоянного тока с генератором, два тяговых электродвигателя, редуктор электромотор-колесо, системы преобразования переменного тока в постоянный, а также регулирования и обеспечения электродинамического торможения автомобиля, микропроцессорной системой управления и приборами контроля. Эта бесступенчатая схема передачи энергии стала превосходно сочетаться с мощностными, скоростными характеристиками автомобиля. Параметры системы привода оптимизируются алгоритмом системы управления.
Планетарный редуктор мотор-колеса двухступенчатый, с прямозубыми шестернями и передаточным числом – 30,36. Он на выходе уменьшает частоту вращения электродвигателя и, в соответствии с передаточным числом, увеличивает крутящий момент на ведущих колесах (рис. 11.20).
В дальнейшем была разрешена еще одна проблема , благодаря использованию нового типа электрических моторов. Двигатель привода колес постоянного тока долго удерживал свои позиции, оставаясь наиболее часто используемым приводом для создания бесступенчатой передачи крутящего момента. Его слабое место — коллекторный узел, работа и обслуживание которого накладывала массу ограничений в их применении.
Указанного недостатка лишён асинхронный двигатель. Однако, и у него оказался свой недостаток — нагрев короткозамкнутой обмотки ротора, которая имеет свойство нагреваться, и возникала необходимость отведения тепла. Разработчики электропривода, создали для карьерного автомобиля синхронный двигатель без обмотки ротора https://dprom.online/mtindustry/tehnika-budushhego/. Инженеры назвали данное тяговое электрооборудование технологией будущего. Сегодня над созданием подобных систем работают сразу несколько производителей — среди них представители Российской Федерации, Республики Беларусь, США и Европы. Однако, в автомобилях БелАЗ, полюсный синхронный двигатель с комплексом интеллектуального управления применен впервые в карьерных автомобилях.
С электрическим приводом колес и ДВС заводом БелАЗ выпущено 12 серий автомобилей различной грузоподъемности, начиная с 110, 130 тонн и далее до 450 тонн.
Все карьерные самосвалы БелАЗ указанной серии оснащены тяговым электроприводом переменно-переменного тока, который имеет ряд преимуществ: в обслуживании с меньшими затратами из-за отсутствия механических узлов, чем, например, карьерные машины меньшей грузоподъемности с гидромеханической передачей. Производительность самосвала и тягово-динамические показатели выше, особенно в процессе преодоления затяжных уклонов.
В конструкции несущих элементов применены новые высокопрочные стали классом прочности 390 – 400 МПа, а в наиболее напряженных местах используются литые элементы. Источник: https://mining-media.ru/ru/article/transport/15785-obzor-serii-karernykh-samosvalov-belaz-.
Такую же схему гибрида имеет самый большой двухосный автомобиль в мире БелАЗ-75710 грузоподъемностью 450 тонн (рис. 11.21).
Силовая установка автомобиля дизель-электрическая, состоящая из двух дизельных ДВС, электрогенераторов и четырёх электродвигателей, установленных внутри ступиц колёс. Автомобиль имеет колесную формулу 4Х4 (8 колес, каждая шина массой 5,8 тонн).
ДВС имеют рабочий объемом 65 литров, мощность более 1700 кВт каждый, то есть 2300 лошадиных сил. Установлены также электрогенератор, мотор-колеса. Тяговая установка карьерного БелАЗа способна работать с четырьмя мотор-колесами и с двумя генераторами. Мощность каждого составляет 1700 кВт, а мотор-колес 1200 кВт. Подвеска используется гидропневматического типа. Автомобиль имеет два топливных бака, вместимость которых составляет 2800 л каждый. Максимальная скорость автомобиля 67 км/ч. На 100 км расходуется около 1300 л.
Тормозная система с гидравлическим приводом и газовым аккумулятором. Используется электродинамическая система торможения за счет возможности рекуперации энергии электромоторов, работающих, например, в режиме генератора при затяжном спуске. Выделенная электроэнергия при торможении может использоваться для подзарядки аккумуляторов, других пользователей энергии, а также на резисторы с принудительным их охлаждением.
Доступ к электродвигателям возможен без снятия колёс, что облегчает их обслуживание и ремонт. Управление каждым мотор-колесом автономно, в зависимости от нагрузки. Используется система электропривода переменного тока ММТ500, включает также шкаф управления с двумя инверторами ELFA, три вентилятора обдува и установку вентиляции тормозных резисторов . Для экономии топлива выработана схема наиболее эффективной работы двигателей: без груза самосвал может передвигается на одном из двигателей (для равномерного износа ресурса двигатели работают поочерёдно); при движении с грузом работают два ДВС.
В настоящее время специалистами БелАЗ разработан и создан беспилотный карьерный самосвал БелАЗ-75131R (рис. 11.22).
Автомобиль оснащён анализатором маршрутов, который работает при помощи навигационной спутниковой системой JPS/GLONASS, и с системой позиционирования самого карьера, а также сверяется с бортовой инерциальной системой позиционирования (рис. 11.23). Все три системы контролируются самодиагностикой, а в случае необходимости, они дублируются. Грузоподъемность самосвала составляет 130 тонн. Самосвалом-роботом никто не управляет. В него закладывают программу, в соответствии с которой он впоследствии и работает, по заданному маршруту следуя к местам погрузки и разгрузки, причем делая это в ограниченном по ширине коридоре движения, за границы которого не выходит. Погрешность определения координат с помощью спутниковых систем составляет 2-3 см. Окружающая обстановка оценивается с помощью лидаров, радаров и видеокамер, которые препятствуют наезду на неожиданно возникающие по маршруту следования препятствия и находятся с обоих сторон машины.
В настоящее время разработан проект роботизированного самосвала «робот будущего» (рис. 11.24). Это робот-челнок, который будет двигаться вперед-назад, избегая разворотов. Двигаясь вниз карьера, робот будет накапливать электроэнергию, расходуя ее двигаясь вверх карьера.
Обсуждается проект использования внешнего источника электрической энергии и, возможно, создания электромобиля особо большой грузоподъемности. Увеличивающиеся требования по снижению уровня загрязнения воздушной среды и ее электромагнитного фона будут продвигать и идею электромобиля-робота.
Инженеры завода БелАЗ считает, что создание в будущем таких единых карьерных комплексов (экскаватор + «отряд» самосвалов) под управлением одного оператора позволит не только оптимизировать работу в карьерах, но и значительно улучшить условия труда людей в отрасли и создаст условия для защиты окружающей среды.