Комплексы для испытаний сложный механический систем

Энергоэффективность в ОПК: новые тенденции

С недавнего времени в общую тенденцию пытаются вписаться и консервативные отрасли, в число которых входят предприятия оборонного комплекса.

Среди основных задач внедрения на предприятиях ОПК энергоэффективных технологий:

• ✓ Использование инновационного оборудования
• ✓ Оптимизация структуры энергоснабжения
• ✓ Создание объектно-ориентированных испытательных комплексов

Ряд специалистов предприятий, в том числе компании «РУСЭЛПРОМ-Мехатроника» (ранее ВНИИЭлектропривод, МВЗ им. М.Л. Миля), многие годы работают над созданием электромеханических комплексов для машиностроения на основе энергоресурсосберегающих технологий.

Цель: испытание сложных трансмиссий с редукторами транспортных средств.

Области применения:

• ★ Авиационная промышленность
• ★ Судостроение
• ★ Тракторная отрасль
• ★ Автомобильная и автобронетанковая промышленность
• ★ Железнодорожный транспорт

Электромеханические комплексы: принцип рекуперации

В комплексах используются электрические машины и в качестве привода, и в качестве нагружающего устройства.

Как это работает?

Машина нагружения работает в режиме генератора. Создавая в испытуемом объекте нагрузочные крутящие моменты, она питает электроэнергией привод.

Результат:

Таким образом, в комплексах до 70–75% той энергии (топлива), которая обычно теряется в нагружающих устройствах, используется полезно, обеспечивая их высокую экономичность.

Преимущества стендовых испытаний перед натурными

Следует отметить, что стендовые испытания по сравнению с натурными имеют целый ряд преимуществ.

Наиболее существенные:

• ✔️ Возможность на стадии разработки агрегата всесторонне проверять заложенные в его конструкцию решения и своевременно находить и устранять дефекты
• ✔️ Определение вплоть до разрушения ресурса работы как опытных, так и серийных агрегатов
• ✔️ Выявление основных причин аварий транспортных средств путем моделирования реальных режимов
• ✔️ Значительное сокращение времени и стоимости испытаний
• ✔️ Полная автоматизация процесса испытаний

Безопасность. Точность. Экономия.

Стенды для вертолетных трансмиссий: от МИ-38 до Ка-226

Специалистам в авиастроении известно: одними из наиболее сложных механических систем являются силовые редукторы и трансмиссии вертолетов.

Это обуславливает и сложность создания установок для их стендовых испытаний.

Известные установки обладают целым рядом недостатков:

Комплекс для МИ-38: 10 МВт мощности

На рис. 1 представлена схема электромеханического комплекса для испытаний силовой установки тяжелого вертолета семейства МИ.

Рис. 1. Схема электромеханического комплекса для испытаний силовой передачи вертолета МИ-38 (мощность нагружения 10 МВт, напряжение 10 кВ)

Комплекс включает:

• ★ Редуктор несущих винтов
• ★ Хвостовая трансмиссия
• ★ Промежуточный редуктор
• ★ Хвостовой редуктор
• ★ Нагрузочный генератор хвостовой трансмиссии (600 кВт)
• ★ Нагрузочные генераторы 5×2000 кВт
• ★ Приводные асинхронные электродвигатели 2×4000 кВт
• ★ Приводные электродвигатели постоянного тока (2×1000 кВт)
• ★ Устройства воспроизведения вращающегося вектора сил

Комплекс обеспечивает:

1. Воспроизведение нагрузок на силовую часть вертолета, адекватных реальным условиям пилотирования
2. Возможность реализации предельных нагрузок вплоть до разрушения без риска для человека
3. Точное определение ресурса работы опытных и серийных узлов и агрегатов
4. Полностью автоматизированный процесс испытаний
5. Энергоресурсосбережение и отсутствие вредных выбросов
6. Повышение качества и надежности проводимых испытаний
7. Сокращение эксплуатационных расходов и времени на испытания

Одной из решаемых проблем является определение оптимальных по потерям энергии силовых структур комплекса.

В основу построения таких структур в компании «Русэлпром-Мехатроника» приняты схемы взаимной нагрузки электрических машин.

Поскольку испытания вертолетных трансмиссий проводятся при постоянной частоте вращения по основной координате – передаваемой мощности, то изменяемой координатой можно считать нагрузочный крутящий момент.

Использование координаты тока в контуре нагружения недопустимо: в режимах работы при частотах, близких к резонансу, изменение тока и крутящего момента не адекватно.

Поэтому для комплексов используются датчики крутящего момента различного типа.

Еще одна важная проблема связана с тем, что силовая часть вертолета содержит в своем составе упругие звенья со сравнительно малой жесткостью.

Эта особенность значительно усложняет задачу создания комплексов с требуемыми статическими и динамическими характеристиками: в сочетании с инерционными массами электрических машин образуется система с ярко выраженными колебательными свойствами.

Для нормального функционирования испытательных установок были разработаны способ и устройства демпфирования механических колебаний низкой частоты, обеспечивших адекватность результатов полетным нагрузкам трансмиссии и редукторов.

Рис. 2. Тяжелый вертолет

На валы несущих и хвостовых винтов кроме крутящего момента воздействует при работе изгибающий момент (вращающийся вектор сил).

Для имитации такого воздействия на валы созданы специальные гидравлические устройства и разработаны датчики усилий – это решение еще одной проблемы.

Ка-226: экономия 1,68 млн рублей

Специалисты НПЦ «РУСЭЛПРОМ-Мехатроника» и МВЗ им. М.Л. Миля совместно с предприятиями авиационной промышленности за прошедшие годы внедрили ряд испытательных комплексов, подтвердивших их высокую эффективность.

Одной из последних разработок стал комплекс для испытаний трансмиссий выпускаемых ОАО «Камов» вертолетов серии Ка, выполненных с соосной несущей системой.

Рис. 3. Вертолет Ка-226

Стенд предназначен для проведения:

• ✓ Приемо-сдаточных испытаний
• ✓ Квалификационных технологических испытаний
• ✓ Государственных испытаний
• ✓ Сертификационных испытаний трансмиссий

На рис. 4 представлена структурная схема силовой электрической части стенда:

• М1, М2 – электродвигатели приводные 600 кВт, 1500 об/мин
• G1, G2 – генераторы нагрузочные 500 кВт, 1500 об/мин
• ТР1–ТР7 – силовые трансформаторы
• ТП1–ТП7 – тиристорные преобразователи постоянного тока
• ДМ1–ДМ4 – датчики крутящего момента
• ПК – переключающий контактор
• ВР-226, ВР-226Н – редукторы
• Г – генератор бортовой сети

Рис. 4. Структурная схема силовой электрической части стенда для испытания трансмиссии

Создание энергосберегающего электромеханического комплекса, который придет на смену натурному, запланировано на 2013-2014 год.

Что это дает?

При этом в отличие от натурных, создающих шум и вредные выбросы отработанных газов, стенд при испытаниях трансмиссий не нарушает экологию окружающей среды.

Технические решения защищены патентами.

Стенды для авиадвигателей: ЦИАМ и ЦАГИ

Модернизация У-107 и УИН-300

Для аэродинамических исследований и градуировки приемников воздушного давления и температуры авиационных двигателей в центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ), являющимся государственным научным центром Российской Федерации, используются испытательные стенды У-107 и УИН-300.

В их составе:

• ✦ Рабочая камера аэродинамической трубы с соплом и диффузором
• ✦ Входной и выходной газовоздушные тракты
• ✦ Ускорители
• ✦ Маслосистема
• ✦ Система водяного охлаждения

Рабочая камера предназначена для установки в ней исследуемого объекта и создания перед ним равномерного потока воздуха с требуемыми характеристиками (температурой, плотностью и т.п.).

На входе в рабочую камеру установлено профильное сопло, а на выходе диффузор.

Изменение давления воздуха в аэродинамической трубе создается путем регулирования частоты вращения привода вентилятора.

Для обоих испытательных стендов их привод реализован на основе электродвигателей постоянного тока с независимым возбуждением.

Ценность метрологических результатов исследований в аэродинамической трубе определяется в основном точностью и стабильностью поддержания частоты вращения привода вентилятора.

Поэтому для повышения класса точности результатов исследований была выполнена специалистами НПЦ модернизация стендов с заменой электроприводов постоянного тока и аналоговых систем управления на цифровые.

Модернизация электроприводов стендов У-107 и УИН-300 обеспечила:

• ★ Высокую точность стабилизации
• ★ Широкий диапазон регулирования частоты вращения вентиляторов
• ★ Повышение метрологических результатов исследований
• ★ Резкое повышение эксплуатационной надежности системы за счет внедрения средств диагностирования

ЦАГИ: 6 турбокомпрессоров по 12 МВт

Стенд ФГУП ЦАГИ (Жуковский) имеет в своем составе:

• ✓ Главный привод турбокомпрессора мощностью 100 МВт, 10 кВ аэродинамической трубы
• ✓ Шесть дополнительных турбокомпрессоров мощностью 12 МВт, 10 кВ каждый

Последние обеспечивают различные изменения в основном потоке аэродинамической трубы.

В 2005 году специалистами НПЦ была проведена модернизация электроприводов шести турбокомпрессоров мощностью 12 МВт, 10 кВ каждый с заменой преобразователей частоты на современные.

Опыт эксплуатации в течение последних лет показал высокую надежность электроприводов турбокомпрессоров.

Центробежная установка МИИТ: асинхронный привод 250 кВт

В Московском институте инженеров транспорта (МИИТ) для определения технологических показателей и качества материалов полотна железных дорог используется центробежная установка ЦБУ.

На ее основе моделируются и решаются задачи:

• ✦ По оценке устойчивости откосов и склонов
• ✦ Определение осадок деформирующихся и потенциально-опасных насыпей
• ✦ Проверка эффективности различных способов их усиления
• ✦ Воздействия динамических поездных нагрузок

Ценным качеством подобного моделирования является то, что все технологические условия эксплуатации материалов в ЦБУ выполняются заметно быстрее по сравнению с натурными испытаниями.

Рис. 5. Общий вид центробежной машины

Исследуемый материал ЦБУ помещается в две ее каретки 2 и 11, шарнирно подвешенные к коромыслу 4, которое закреплено на вертикальном валу 5 с нижней опорой 3 и приводится во вращение электродвигателем 10 через горизонтальный вал 9 и конический редуктор 6 с передаточным числом 3,37.

Центробежная камера выполнена в виде закрытого железобетонного котлована цилиндрической формы и является несущим корпусом для всей конструкции.

Вертикальный вал центрифуги в верхней части пустотелый. По пустотелой верхней части вала проходят трубопровод гидравлической системы и кабель с токосъемным устройством и скользящими контактами.

Результирующий приведенный момент инерции двигателя с учетом кареток с грузом 170 кг равен J = 1220 кг·м².

Центробежная установка является объектом регулирования с большим моментом инерции и малым статическим моментом, обусловленным только потерями на трение в подшипниках и редукторе и сопротивлением воздуха вращающимися кареткам.

Электропривод ЦБУ должен обеспечивать за 12 мин. плавный разгон центрифуги при максимальной ее загрузке до максимальной частоты вращения 320 об/мин.

В качестве привода ЦБУ выбран асинхронный частотно-регулируемый электропривод в составе:

• ★ Асинхронного электродвигателя типа 5АМ315М4УЗ, 250 кВт, 380 В, 442 А, 990 об/мин
• ★ Преобразователя частоты серии SINAMICS G150

Рис. 6. Однолинейная схема силовой части электропривода ЦБУ

Микропроцессорная система управления электроприводом бездатчикового по частоте вращения электродвигателя в составе преобразователя частоты реализована по структуре векторного управления.

Панель управления имеет:

• ☑️ Клавиши для ввода задания управляющих воздействий и переменных параметров электропривода
• ☑️ Дисплей для вывода текстовой информации и отображения текущих переменных
• ☑️ Сигнальные лампы для отображения режимов работы и состояния электропривода (включено, предупреждение, авария)

Терминал пользователя представляет собой набор клеммников, на которые подаются цифровые и аналоговые сигналы управления преобразователем частоты от внешних устройств – кнопок, реле, потенциометров, термодатчиков, а также выводятся сообщения о текущих значениях переменных электропривода.

Сигналы управления частотой вращения центрифуги могут поступать как от программно-задающего устройства терминала, так и от пульта ручного управления.

Наличие большого количества фиксированных заданий скоростей и удобной графической панели оператора позволяет:

• ✓ Осуществлять быстрое переключение между различными экспериментами на установке
• ✓ Наглядно отслеживать текущие значения координат электропривода в процессе эксперимента

В настоящее время планируется ввод испытательной установки в единый информационно-измерительный комплекс, предоставляющий возможности архивации и статистического анализа экспериментальных данных.

Результаты эксплуатации ЦБУ подтвердили ее надежность, энергетическую и технологическую эффективность.

На ее основе специалистами МИИТ проводятся испытания ряда грунтов, позволяющих предлагать более эффективные методы адаптации исследуемого материала к железнодорожным нагрузкам.

Итоги: надежность и экономия

За последние годы специалисты «Русэлпром-Мехатроника» разработали целый ряд стендов для испытания синхронных и асинхронных высоковольтных и низковольтных электродвигателей, работающих с преобразователями частоты.

Основные преимущества разработанных комплексов по сравнению с известными:

1. Высокая точность и быстродействие воспроизведения требуемых графиков нагрузки
2. Возможность точного повторения испытаний
3. Реализация предельных нагрузок вплоть до разрушения без риска для человека
4. Повышение надежности и стабильности работы комплексов
5. Полная автоматизация процессов испытания и независимость качества от квалификации обслуживающего персонала
6. Снижение трудовых затрат и улучшение условий эксплуатации
7. Малая потребляемая мощность (20...25%) из питающей сети по сравнению с мощностью нагружения, что обеспечивает значительную экономию электрической энергии на испытаниях

На предприятиях ОАО МВЗ им. М.Л. Миля (Москва), ОАО «Камов» (Москва), ОАО «Красный Октябрь» (С-Петербург), а также на серийных ремонтных заводах и базах работают комплексы для испытаний всей трансмиссии, а также комплексы для испытаний ее отдельных агрегатов.

Энергосберегающие испытательные комплексы — это не просто технология. Это будущее оборонной промышленности.

Г.М. Иванов, д-р техн. наук, проф., директор

(4922) 43-09-53, elprivivanov@mail.ru

Москва, НГЦ «Русэлпром - Мехатроника»

В.И. Новиков, канд.техн.наук, зам. гл. инженера

(495) 974-04-48, eIprivivanov@mail.ru

Москва, ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля»

О.И. Осипов, д-р техн. наук, проф., ведущий науч. сотр.

(495) 974-04-48, osipovoi2011@yandex.ru

Москва, МЭИ (ТУ), НПЦ «Русэлпром - Мехатроника»