JOURNAL OF KONES 2006 NO 1

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 1
RESEARCHES OF HYDROKINETIC TORQUE CONVERTER ZM130
IN FIXED STATES
Zbigniew Pawelski
Lodz University of Technology
Vehicle Research Institute
ul. ĩeromskiego 116, 90-924 àódĨ, Poland
tel.: +48 42 6312392, fax: +48 42 6312398
e-mail: [email protected]
Abstract
Researches were leaded in Vehicle Research Institute on state with electric power transmission witch
frequency converter and with recuperation energy to main, which was built in 2005 year thank the objective
grant from the State Committee for Scientific Research. The state was intended to researches of power
transmission systems and its components, with constant and variable ratio. On the state there is possible to lead
researches which let to describe static and dynamic properties necessary to work out appropriate control
systems in microprocessor technique.
The research stand can work with one of three accessible modes of work. Each of it has different quantities
to characterize points of work:
- motor rpm, generator rpm,
- motor torque, generator rpm,
- motor rpm, generator torque.
The operator starts work with choose of suitable visualization program CITECT, which simultaneously
controls work of electrical converter and makes tables available to operator for determine of research cycle.
Stand can be start in freely adjust point of work with adjust rpm and torque or cycle, which parameters can be
put into table of research cycle realization in visualization program.
The researches were led with step rotation speed change of turbine’s shaft (for full range of kinematical
ratio) and fixed rotation speed of pomp’s shaft (series for 1500, 1600 and 1700 rpm).
Keywords: hydrokinetic torque converter, researches, stable conditions
BADANIA PRZEKàADNI HYDROKINETYCZNEJ ZM130 W
STANACH USTALONYCH
Streszczenie
Badania przeprowadzono w Instytucie Pojazdów na stanowisku z elektrycznym ukáadem napĊdowym z
przemiennikami czĊstotliwoĞci, ze zwrotem energii do sieci, które zbudowano w 2005r dziĊki dotacji celowej
Komitetu BadaĔ Naukowych. Przewidziano je do badaĔ ukáadów napĊdowych pojazdów oraz podzespoáów,
zarówno o staáym jak i zmiennym przeáoĪeniu. Na stanowisku mogą byü prowadzone badania zarówno dla
okreĞlenia wáasnoĞci statycznych jak i dynamicznych, niezbĊdnych do opracowania odpowiednich ukáadów
sterowania w technice mikroprocesorowej.
Stanowisko moĪe pracowaü w jednym z trzech wybieranych trybów pracy. W kaĪdym z nich są inne
wielkoĞci okreĞlające punkt pracy. Są to:
- obroty silnika, obroty prądnicy,
- moment silnika, obroty prądnicy,
- obroty silnika, moment prądnicy.
Wybór pracy operator dokonuje przez uruchomienie odpowiedniego programu wizualizacyjnego CITECT,
który jednoczeĞnie steruje pracą falowników i udostĊpnia operatorowi tabele dla zadawania cyklu badaĔ.
Z. Pawelski
Stanowisko moĪna uruchomiü w dowolnie ustawionym punkcie pracy o zadanych obrotach i momencie lub w
cyklu, którego parametry wpisuje siĊ do tabeli realizacji cyklu badaĔ w programie wizualizacyjnym.
Badania przekáadni ZM130 przeprowadzono przy skokowej zmianie prĊdkoĞci kątowej waáu turbiny (w
peánym zakresie zmian przeáoĪenia kinematycznego, z przyrostami zarówno dodatnimi jak i ujemnymi) i staáej
prĊdkoĞci kątowej waáu pompy (serie dla 1500, 1600 i 1700 obr/min). Zaplanowano skoki o wartoĞciach: 50,
100, 150 oraz 200 [obr/min]. W pracy zamieszczono przykáadowe wyniki z badaĔ.
Sáowa kluczowe: przekáadnia hydrokinetyczna, badania, stany ustalone
1.Obiekt badaĔ
Obiektem badaĔ jest przekáadnia hydrokinetyczna ZM 130, stosowana w áadowarkach
budowlanych i kopalnianych, bĊdąca na wyposaĪeniu Instytutu Pojazdów, Fot. 1.
Fot. 1. Przekáadnia hydrokinetyczna ZM 130
Pic. 1. Hydrokinetic torque converter ZM 130
Przekáadnia ta jest przekáadnią trójwirnikową, jednozakresową, o staáej charakterystyce,
zapewniając pracĊ w zakresie przeáoĪenia kinematycznego 0 d ik d 0.9. W obudowie
przekáadni znajduje siĊ 5 kóá zĊbatych do napĊdu pomp hydrostatycznych, które podczas
badaĔ nie byáy obciąĪone.
Badania przekáadni hydrokinetycznej ZM 130 miaáy na celu wyznaczenie charakterystyki
bezwymiarowej dla róĪnych prĊdkoĞci kątowych waáu pompy, oraz uzyskanie zaleĪnoĞci
opisujących pracĊ w nieustalonych warunkach ruchu, spowodowanych skokową zmianą
prĊdkoĞci kątowej waáu turbiny.
128
RESEARCHES OF HYDROKINETIC TORQUE CONVERTER ZM130 IN FIXED STATES
2. Opis stanowiska
Na wyposaĪenie stanowiska badawczego skáadają siĊ, Fot. 2:
1. dwa silniki: napĊdzający i hamujący, typu SXCe 315 S2s firmy EMIT, o mocy
znamionowej 160 [kW] i momencie znamionowym 515 [Nm], przystosowane do
zasilania z przemiennika czĊstotliwoĞci,
2. dwa przemienniki,
3. czĊstotliwoĞci ACS800 firmy ABB, które w sekcji zasilającej mają mostek
prostowniczy oraz filtr wejĞciowy dla ograniczenia zakáóceĔ harmonicznych w
zewnĊtrznej sieci elektrycznej,
4. sterownik PLC AC31 firmy ABB, wyposaĪony w: kartĊ Ethernet, moduá Profibus, 24
wejĞcia cyfrowe, 16 wyjĞü cyfrowych, 8 wejĞü analogowych, 8 wyjĞü analogowych, z
moĪliwoĞcią rozbudowy,
5. program wizualizacji CITECT dla 100 zmiennych, przystosowany dla potrzeb
stanowiska przez firmĊ Automatyka i Elektronika Przemysáowa z àodzi.
Fot. 2. Widok stanowiska do badaĔ podzespoáów napĊdowych
Pic. 2. The few of power transmission system researches place
W ukáadzie zastosowano dwie maszyny elektryczne, które cechuje praca odwracalna, tzn.
mogą pracowaü zarówno jako silnik jak i jako prądnica. Ponadto ukáad napĊdowy
charakteryzuje siĊ wspólną szyną napiĊcia DC. Jest to niezmiernie istotna cecha, która
pozwala na przekazywanie energii elektrycznej z maszyny elektrycznej pracującej jako
prądnica do maszyny pracującej jako silnik, Rys. 1. Tym sposobem z zewnĊtrznej sieci
elektrycznej do ukáadu doprowadzana jest energia tylko na pokrycie strat, wielokrotnie
mniejsza niĪ krąĪąca w roboczym ukáadzie napĊdowym. Przykáadowo, podczas badaĔ na tym
stanowisku przekáadni hydrokinetycznej ZM 130 z mocą obciąĪeniową 150 [kW], pobór
mocy z sieci wynosiá ok. 18 [kW].
129
Z. Pawelski
Rys. 1. System napĊdów ze wspólną szyną napiĊcia DC
Fig. 1. The drives system with DC voltage common rail
Zastosowany ukáad napĊdowy firmy ABB charakteryzuje:
1. Bardzo szybka odpowiedĨ napĊdu; czas narastania momentu na wale silnika w zakresie
10÷90% momentu znamionowego to nie wiĊcej niĪ 5 [ms].
2. DokáadnoĞü statyczna regulacji prĊdkoĞci bez sprzĊĪenia zwrotnego od waáu silnika nie
gorsza niĪ 10% znamionowego poĞlizgu silnika.
3. DokáadnoĞü dynamiczna regulacji prĊdkoĞci bez sprzĊĪenia zwrotnego od waáu silnika
nie mniejsza niĪ 0.4 [%/s].
4. Znamionowy moment napĊdowy silnika uzyskiwany w peánym zakresie regulacji od
zerowej prĊdkoĞci obrotowej oraz moĪliwoĞü zadawania i dokáadnej regulacji momentu
napĊdowego bez koniecznoĞci stosowania sprzĊĪenia zwrotnego od waáu silnika.
5. NieliniowoĞü regulacji momentu na wale silnika nie gorsza niĪ +/-4% momentu
znamionowego silnika dla ukáadu pracującego w otwartej pĊtli regulacji (bez sprzĊĪenia
zwrotnego od waáu silnika).
6. NieliniowoĞü regulacji momentu na wale silnika nie gorsza niĪ +/-1% momentu
znamionowego silnika dla ukáadu pracującego w zamkniĊtej pĊtli regulacji (ze
sprzĊĪeniem zwrotnym od waáu silnika).
Stanowisko moĪe pracowaü w jednym z trzech wybieranych trybów pracy. W kaĪdym z
nich są inne wielkoĞci okreĞlające punkt pracy. Są to:
- obroty silnika, obroty prądnicy,
- moment silnika, obroty prądnicy,
- obroty silnika, moment prądnicy.
Wybór pracy operator dokonuje przez uruchomienie odpowiedniego programu
wizualizacyjnego CITECT, który jednoczeĞnie steruje pracą falowników i udostĊpnia
operatorowi tabele dla zadawania cyklu badaĔ. Stanowisko moĪna uruchomiü w dowolnie
ustawionym punkcie pracy o zadanych obrotach i momencie lub w cyklu, którego parametry
wpisuje siĊ do tabeli realizacji cyklu badaĔ w programie wizualizacyjnym, Fot. 3.
Cykl moĪe skáadaü siĊ z 12 etapów, w których zadaje siĊ:
- obroty (od -3000 do 3000 [obr/min]),
- moment (od -515 do 515 [Nm]),
- sposób zadawania wartoĞci skokowo, narastająco lub malejąco,
- czas trwania etapu od 0.1 do 6500 [s].,
- okres modulacji momentu od 0.001 do 30 [s].,
- amplitudĊ modulacji do peánego zakresu ustawieĔ. Operator przez zadanie
amplitudy modulacji róĪnej od zera moĪe uruchomiü modulacjĊ wartoĞci
zadawanego momentu przebiegiem sinus o okresie od 50 [ms] do 30 [s]. WartoĞü
chwilowa modulacji jest dodawana do wartoĞci podstawowej staáej [skokowo], lub
zmiennej [narastająco] i ograniczana do zakresu wartoĞci od –515 [Nm] do +515
[Nm].
130
RESEARCHES OF HYDROKINETIC TORQUE CONVERTER ZM130 IN FIXED STATES
W trakcie realizacji cyklu w komputerze z wizualizacją, do pliku jest zapisywany co
okreĞlony czas w przedziale od 0.5 do 99 [s] rekord danych aktualnych.
Fot. 3. Widok ekranu monitora do programowania i obsáugi zadaĔ
Pic. 3. The few of monitor screen for tasks operation and programming
Podczas badaĔ prĊdkoĞü kątową waáu turbiny zmieniano skokowo, z przyrostami zarówno
dodatnimi jak i ujemnymi. Zaplanowano skoki o wartoĞciach: 50, 100, 150 oraz 200
[obr/min]. Wykonano seriĊ badaĔ przy staáej prĊdkoĞci kątowej waáu pompy odpowiednio:
1500, 1600 oraz 1700 [obr/min]. Na rysunkach poniĪej przedstawiono przykáadowe wyniki z
badaĔ.
Rys. 2. Zapis wyników z badaĔ podczas przyrostu prĊdkoĞci kątowej waáu turbiny o 50 [obr/min]
Fig. 2. Save of the researches results while increasing the angular speed of the turbine shaft by 50 RPM
131
Z. Pawelski
Rys. 3. Zapis wyników z badaĔ podczas przyrostu prĊdkoĞci kątowej waáu turbiny o 100 [obr/min]
Fig. 3. Save of the researches results while increasing angular speed of the turbine shaft by100 RPM
Rys. 4. Zapis wyników z badaĔ podczas przyrostu prĊdkoĞci kątowej waáu turbiny o 150 [obr/min]
Fig. 4. Save of the researches results while increasing angular speed of the turbine shaft by150 RPM
132
RESEARCHES OF HYDROKINETIC TORQUE CONVERTER ZM130 IN FIXED STATES
Rys. 5. Zapis wyników z badaĔ podczas przyrostu prĊdkoĞci kątowej waáu turbiny o 200 [obr/min]
Fig. 5. Save of the researches results while increasing angular speed of the turbine shaft by200 RPM
Rys. 6. Zapis wyników z badaĔ podczas skoku ujemnego prĊdkoĞci kątowej waáu turbiny o 200 [obr/min]
Fig. 6. Save of the researches results while negative jump of angular speed of the turbine shaft by 200 RPM
CharakterystykĊ bezwymiarową przekáadni ZM130, dla róĪnych prĊdkoĞci kątowych
waáu pompy, przedstawia Rys. 7. Otrzymane z badaĔ krzywe moĪna opisaü nastĊpującymi
równaniami, przykáadowo np.:
133
Z. Pawelski
II stopnia:
- dla prĊdkoĞci kątowej waáu pompy ZB=1500 [obr/min]
przeáoĪenie dynamiczne id :
id = 3,74 ik2 -5,95 ik +3,26 ,
sprawnoĞü K :
K= -1,89 ik2 +2,28 ik ,
wspóáczynnik momentu O
O = -0,00153 ik2 +0,00145 ik +0,00134 ,
- dla prĊdkoĞci kątowej waáu pompy ZB=1700 [obr/min]
przeáoĪenie dynamiczne id :
id = 3,02 ik2 -5,37 ik +3,20 ,
sprawnoĞü K :
K = -2,18 ik2 +2,41 ik ,
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
IV stopnia:
- dla prĊdkoĞci kątowej waáu pompy ZB=1500 [obr/min]
przeáoĪenie dynamiczne id :
id = -1.37 ik4-1.15 ik3 +6,68 ik2 -7,06 ik +3,34 ,
(6)
sprawnoĞü K:
K = -4,17 ik4 +9,08 ik3 -7,85 ik2 +2,43 ik ,
(7)
wspóáczynnik momentu O
O = -0,00629 ik4 +0,00658 ik3 -0,00239 ik2 +0,000966 ik +0,00139 ,
(8)
- dla prĊdkoĞci kątowej waáu pompy ZB=1700 [obr/min]
przeáoĪenie dynamiczne id :
(9)
id = -6,79 ik4 +9,99 ik3 -1,46 ik2 -4,76 ik +3,18 ,
sprawnoĞü K :
K = -3,83 ik4 +8,40 ik3 -7,61 ik2 +3,45 ik .
(10)
Krzywe aproksymujące 4 stopnia dokáadniej odwzorowują charakterystyki badawcze, Rys.
7.
Rys. 7. Charakterystyki bezwymiarowe przekáadni hydrokinetycznej przy prĊdkoĞci kątowej waáu pompy
ZB = 1500 oraz 1700 [obr/min]
Fig. 7. The non-dimensional characteristics of hydrokinetic torque converter by angular pomp shaft speed ZB =
1500 and 1700 RPM
134
RESEARCHES OF HYDROKINETIC TORQUE CONVERTER ZM130 IN FIXED STATES
3
0,8
0,7
2,5
2
0,5
1,5
0,4
sprawnoĞü
przeáoĪenie dynamiczne
0,6
Serie1
Serie1
Serie2
Serie2
0,3
1
0,2
0,5
0,1
0
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
przeáoĪenie kinematyczne
Rys. 8. Przebieg przeáoĪenia dynamicznego oraz sprawnoĞci podczas skokowej zmiany prĊdkoĞci kątowej turbiny
o 200 [obr/min]
Fig. 8. The courses of dynamic ratio and efficiency while jump change of angular turbine shaft speed by
200 RPM
1.
2.
3.
4.
Analizując przedstawione powyĪej wyniki badaĔ moĪna stwierdziü:
wysoką powtarzalnoĞü potwierdzoną przykáadowo na Rys. 8 – pomiary zaznaczone
trójkątami pokrywają siĊ z zaznaczonymi linią ciągáą.
stany ustalone są wartoĞciami Ğrednimi z zagĊszczoną liczbą punków.
stany przejĞciowe miĊdzy, zagĊszczonymi punktami, przy narastaniu skokowo prĊdkoĞci
kątowej turbiny przebiegają poniĪej linii stanów ustalonych, a podczas skoków ujemnych
powyĪej tej linii. Im mniejsza wartoĞü skoku tym mniejsza „histereza”.
Ze wzrostem przeáoĪenia kinematycznego naleĪy spodziewaü siĊ zmiany parametrów
dynamicznych; Ğwiadczy o tym wiĊksze odchylenie od linii stanów ustalonych.
Literatura
[1] Máudzik, K., Badania przekáadni hydrokinetycznej ZM130 w stanach ustalonych i
nieustalonych. Praca dyplomowa wykonana pod kierunkiem Zbigniewa Pawelskiego.
135