Экономный холодильный транспорт. Рекуперативная система торможения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Зимнев Р.В. 1Гатауллин А.Т. 1Притула Д.Е. 1Перепелица Б.П. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейн

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейн

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность:

В связи с постоянно увеличивающимся транспортным потоком в области перевозки скоропортящихся и других видов грузов, рефрижераторы как основные мобильные агрегаты, стали пользоваться повышенным спросом.

Автомобильный холодильный транспорт в настоящее время используется не только для внутригородских перевозок, но и на дальние расстояния. Они оснащены компрессорной холодильной установкой, которая работает за счет энергии сжигаемого в двигателе топлива.

Проблема:

Транспортировка скоропортящихся грузов является одним из самых энергозатратных видов перевозок. Проблемой является то, что объем топливного бака автомобиля ограничен, водитель должен учитывать не только расход топлива на доставку скоропортящегося груза, но и обеспечение его сохранности. При увеличении объема бака, увеличивается масштабность взрыва бака при аварии

Мы задумались, как можно сократить расход топлива. А что если функционирование системы рефрижератора будет обеспечиваться от отдельной батареи, которая будет заряжаться путем рекуперации. При торможении машины энергия расходуется в ходе контакта тормозных колодок и тормозных дисков, стирая их, т.е. просто «в никуда», но ведь ее можно вернуть.

Цель: создание демонстрационной модели на базе конструктора LEGO для решения проблем перевозки скоропортящихся продуктов.

Задачи:

Исследовать способ перевозки скоропортящихся продуктов

Изучить конструкцию и принцип работы авторефрижератора

Изучить устройство и принцип работы рекуперативной системы торможения в автомобиле

Исследовать популярные модели рефрижераторов

Изучить и рассчитать расход топлива

Объединить два набора Spike Prime и Mindstorm, придумать систему

Создание схему модели

Создание модели авторефрижератора

Создание рекуперативной системы на базе конструктора Spike Prime

Создание программы в ПО Spike Prime и Mindstorms

При оформлении проекта мы использовали идеи из большой книги LEGO MINDSTORMS EV3[1]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [2]

Глава 1. Рекуперативная система

Использование в автомобильном транспорте

Как эффективнее использовать кинетическую энергию разогнавшегося автомобиля. Когда водитель нажимает на тормоз, то вся энергия автомобиля, уходит впустую. Кинетической энергией можно подзаряжать батареи, в последующем расходуя такую мощность на разгон автомобиля. Это позволяет добиться экономии топлива и улучшения показателей динамики.[6]

Такие автомобили с системой рекуперации энергии получили специальные батареи, в которых накапливается заряд, и специальные дополнительные электромоторы, работающие в паре с основным силовым агрегатом на жидком топливе. У многих простых модификаций батареи и электромоторы отсутствуют, а сгенерированная рекуперацией энергии используется на подзарядку аккумулятора и подпитку электросети в автомобиле. Чаще всего такая система рекуперации используется на гибридных автомобилях, в которых параллельно имеются как электромоторы, так и небольшой двигатель внутреннего сгорания. Во время разгона используется полная мощность, как от доступных электромоторов, так и двигателя внутреннего сгорания. А уже разогнавшись машина получает энергию исключительно от электромоторов, батарея которых подпитывается не только во время зарядки от стационарной сети, но и при нажатии на педаль тормоза, когда кинетическая энергия с помощью специального устройства рекуперации переводится в зарядку для аккумуляторов.[3]

1.2 Устройство системы

Говорить об определенной смехе устройства рекуперативного торможения смысла нет, так как у каждого производителя она своя. Тем более не меньше зависит от марки и устройства самого автомобиля. Проще всего данный механизм реализован на гибридных автомобилях, поэтому возьмем их за пример устройства и в дальнейшем принципа работы.

В основной перечень деталей системы рекуперативного торможения, гибридного автомобиля входит:

электродвигатель генератор;

передаточные механизмы;

двигатель внутреннего сгорания;

инвертор;

аккумуляторная батарея;

сцепление;

электронный блок управления.

В зависимости от модели и доработок инженеров, в перечень так же могут входить дополнительные механизмы, датчики замера скорости и прочее, что способствует стабильной и качественной работе системы.

Электродвигатель, он же генератор работает двунаправлено. В одном случае механизм может генерировать электричество, перерабатывая кинетическую энергию, в другом случае – использовать накопленную энергию с батареи для режима ускорения. Само строение такого электродвигателя может существенно отличатся, аналогично, как и мощность. Передаточный механизм, устанавливаемый на разные узлы, так же играет немало важную роль. Именно за счет него передается усилие между разными составными механизмами системы рекуперативного торможения. (Рисунок 1.2.1, Приложения)

Что касается двигателя внутреннего сгорания, то особых отличий у него нет. В частности это синхронизированная работа с электродвигателем, а так же особенности конструкции для каждого производителя. Аналогично особых отличий по аккумуляторной батарее не будет, с характеристик важна емкость, скорость зарядки и ток. Минимум разницы будет в инверторе, основная его задача преобразовать один вид электричества в другой (чаще всего переменный в постоянный или с 12V на 45V).[5]

Неотъемлемой деталью системы рекуперативного торможения считается сцепление, благодаря ему, блок управления может подключать или выключать электродвигатель генератор, а так же задавать направление работы механизма (вырабатывать электроэнергию или потреблять из аккумулятора).

Последний и один из самых главных элементов – электронный блок управления. Именно он выполняет основную роль управления всеми элементами механизма, а так же решает когда и в каком направлении включать генератор рекуперативной системы. Помимо основных функций по управлению системой рекуперации тормозов, электронный блок управления ведет контроль:

1 скорости вращения колес;

2 поддержание работы электродвигателя;

3 поддержка крутящего момента двигателя внутреннего сгорания;

4 распределение тормозного усилия.

Как видим, устройство такого механизма не сложное, каждый из элементов выполняет поставленную задачу и несет важность в цепочке системы. Таким образом, не только уменьшается нагрузка на основной двигатель, но и увеличивается экономия топлива. [4]

1.3. Принцип работы

Принцип работы механизма двунаправленный, то есть он может, как вырабатывать электричество, так и потреблять. Вся работа механизма рекуперативного торможения начинается из оси автомобиля, как правило, это задняя ось. Электродвигатель, он же генератор может быть включен в трансмиссию или подсоединен к трансмиссии за счет передаточных механизмов. В момент торможения или езды накатом, электродвигатель переходит в режим генератора, тем самым вырабатывая электричество и преобразуя кинетическую энергию автомобиля. (Рисунок 1.3.1, Приложения) Полученное электричество подается на инвертор, он же в свою очередь преобразует (в данном случае может понижать или повышать) электроэнергию и подает на аккумуляторную батарею для накопления. (Рисунок 1.3.2, Приложения)

В данной цепочке могут быть установлены различные контроллеры, дополнительные преобразователи и другие вспомогательные механизмы, которые способствуют работе рекуперативного торможения. Стоит помнить, что в момент работы генератора (выработки электроэнергии) двигатель внутреннего сгорания отключается от трансмиссии, в отдельных моделях автомобилей система вовсе его может заглушить автоматически, тем самым экономить топливо.[4]

Глава 2. Авторефрижератор с рекуперативной системой торможения на базе конструктора Lego Mindstorms

2.1. Эксперименты. Приводная платформа

Эксперимент 1. Большие моторы

Для реализации проекта, нам необходимо было рассчитать путь торможения и определит, какие факторы на него влияют.

Мы создали приводную платформу на базе конструктора Lego Mindstorms. Модель перемещалась с помощью двух больших моторов. Мы создали программу, где тормозной путь выводится на экран, работает он следующим образом:

Энкодер сбрасывает градусы, тем самым обнуляя мотор.

Далее с помощью блока «Рулевое управление» платформа проезжает указанное количество времени.

Измеренное количество градусов передается с обеих моторов в блок математики, где суммируется

Итог выводится на экран блока EV3 (Рисунок 2.1.1, Приложения)

Мы провели ряд экспериментов, меняя продолжительность заезда.

Был сделан вывод: продолжительность заезда влияет на тормозной путь. Чем дольше едет платформа, тем больше будет тормозной путь.

После чего мы решили изменить скорость:

Вывод: на тормозной путь приводной платформы на больших моторах, влияет только продолжительность работы моторов, и никак не влияет скорость.

5.2. Эксперимент 2. Средний мотор

Мы заменили большие моторы на средний, так как он не содержит в себе редуктор.

Провели ряд экспериментов:

Вывод: тормозной путь приводной платформы на среднем моторе зависит как от продолжительности, так и от мощности мотора.

2.2. Создание модели

Для достижения нашей цели, нам понадобились два набора Lego Mindstorms и Lego Spike Prime. ПО Mindstorms – может измерять тормозной путь, он нам потребуется для перемещения авторефрижератора. Spike Prime – имеет датчик для измерения силы нажатия, будет демонстрировать рекуперативную систему, а также выполнять роль рефрижератора.

Реализовывать проект мы начали с создания приводной платформы, после чего усовершенствовали ее изменив привод на средний мотор. Движение двух передних колес происходит за счет среднего мотора, который передает энергию на кноб-колеса, тем самым меняя угол вращения. (Рисунок 2.2.1, Приложения) Далее с помощью зубчатой передачи энергия поступает на колеса. (Рисунок 2.2.2, Приложения)

Далее мы разработали чертеж, где определили расположение основных элементов. (Рисунок 2.2.3, Приложения)

После мы преступили к созданию механизма, который в дальнейшем будет связывающим звеном между Mindstorms и Spike. Механизм представляет собой реечную передачу, которая работает от второго среднего мотора. (Рисунок 2.2.4, Приложения) Мотор с помощью зубчатой угловой передачи, приводит в движение шестеренку на 16 зубьев, та перемещает реечку вперед-назад. При движении вперед, реечка нажимает на датчик силы нажатия Spike Prime. Чем дальше продвигается реечка, тем сильнее нажат датчик. (Рисунок 2.2.5, Приложения)

Охуждающей системой является средний мотор, на которого установлены лопасти. Он играет роль «вентилятора». (Рисунок 2.2.5, Приложения)

Фургон мы сделали из рамок, крышу и боковую стенку оставили открытой, чтобы можно было наблюдать за работой устройства. (Рисунок 2.2.6, Приложения)

При создании кабины мы разметили чертеж (Рисунок 2.2.7, Приложения), по которому вырезали шаблон и обклеили его подходящими иллюстрациями. (Рисунок 2.2.8, Приложения)

2.3. Управление моделью с помощью ПО Mindstorms и ПО Spike Prime

Мы объединили в нашем проекте два контролера. Поэтому программы запускаются одновременно.

Первая срабатывает программа Mindstorms, работает следующим образом (Рисунок 2.3.1, Приложения)

Первая часть отвечает за перемещение транспорта и измерение тормозного пути:

Энкодер сбрасывает значение среднего мотора до 0.

Далее авторефрижератор движется вперед, при помощи блока «Средний мотор» со скоростью 100 на протяжении 5 секунд. Важно отметить, что параметр «тормозить в конце» выключен

Полученное значение округляем до ближайшего

Выводим итог на экран на 2 секунды

Вторая часть отвечает за приведение в движение устройства, которое нажимает на датчик силы:

Измеренное количество градусов тормозного пути делим на 100

Значение отправляем в параметр «Градусы» среднего мотора

Мотор вращается нужное количество градусов, тем самым продвигая рейку на нужное расстояния, при этом нажимая датчик силы, с необходимым давлением

Вывод значения на экран блока

Вращение мотора в исходную позицию

Далее срабатывает программа Spike Prime. Датчик передает на контролер, измеренную силу нажатия в ньютонах. Далее с помощью команды из раздела «операции» значение умножается на 10 и выводится на мотор, отвечающий за охлаждение, в параметр «время». Таким образом сила нажатия, измеренная датчиком, переводится в время, которое работает рефрижератор. Чем дольше тормозной путь, тем дольше работает холодильная установка.

Заключение

Мы определили ряд проблем доставки скоропортящихся грузов, а так же выяснили что любое торможение штатной тормозной системой – это растраченная на нагрев воздуха энергия. Мы разработали инновационное решение - авторефрижератор с рекуперативной системой торможения.

Наша команда разработала демонстрационную модель на базе конструктора Lego. С помощью механизмов мы объединили два конструктора Mindstorms и Spike Prime. Таким образом, работа вентилятора в рефрижераторе зависит от пути торможения.

Так же мы поделились своим проектом с экспертом в области логистики приема компании «Шлюмберже» Бек Эдурду Сергеевечу.  Он сообщил что проблема нехватки топлива актуальна, подметил что нашей решение интересно тем, что рекуперация используется не только на электрогрузовиках, но и на авторефрижераторах на бензине и дизеле.

Мы считаем, что наш проект может быть реализован в дальнейшем. Система устанавливается в совершенно новых автомобилях, которые имеют либо гибридную силовую установку, либо один электродвигатель.  Значит, может осуществляться при сборе авторефрижератора. Система рекуперативного торможения является окупаемой альтернативой торможения с тормозными колодками, то есть дополнительных затрат не требует Данная установка позволяет: экономить на бюджете, экономить время, так как не требуется дополнительной подзаправки.

Список используемых источников

Лоренс Валк: Большая книга LEGO MINDSTORMS EV3; [пер. с англ. Черников С.В]. Издательство «Эсмо», 2017. - 400 с.;

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

https://autoflex59.ru/2021/07/06/sistema-rekuperativnogo-tormozheniya-energiyu-tormozheniya-v-delo/

https://www.autoopt.ru/articles/products/3998200

https://fastmb.ru/auto_shem/3670-rekuperativnoe-tormozhenie-sovremennyh-avtomobiley.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Рекуперативное_торможение

Приложения