CC BY
0
УДК 62-5
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-11-75-76
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГИБРИДНЫХ ПРИВОДОВ В МОБИЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
А.В. Пузанов
Показано, что условия эксплуатации мобильной техники специального назначения определяют широкий спектр разнородных воздействий. К приводам основного движения и управления возимым оборудованием предъявляются все более жесткие требования. Установлено, что повышение эксплуатационных характеристик возможно посредством гибридизации приводов.
Ключевые слова: мобильная техника, гидропривод, электропривод, гибридный
привод.
Гибридный принцип организации приводов основного движения и работы вспомогательного оборудования - современный тренд развития, в том числе мобильной техники специального назначения (МТСН) [1, 2], такой как, например, броневой гусеничный транспортер пехоты MARDER с ГП 2х2 или колесный VT с ГП 8x8 германской фирмы «Magnet-Moto» (рис. 1), которые сделаны в порядке программы „Перспективные боевые системы" (FCS - Future Combat System's) [3].
Рис. 9. Гибридные бронетранспортеры фирмы «Magnet-Moto»
Перспективы развития МТСН направлены, прежде всего, на повышение боевой эффективности как отдельных образцов техники, так и подразделений, в состав которых они входят.
Боевая эффективность (БЭ) представляет собой качественный показатель, который определяет степень соответствия вооружения и военной техники (ВВТ) целевым установкам военного превосходства, а также способность выполнять боевые задачи. Концептуальное определение боевой эффективности заключается в обобщённой способности вооружённых сил достигать желаемого результата в боевом столкновении с противником в определённых условиях театра военных действий.
75
С практической точки зрения, удобнее оперировать частными составляющими, такими как вероятность выполнения боевой задачи, поражения типовой цели и т.п. Эти показатели закладываются в тактико-техническое задание на изделия на этапе их разработки и проектирования, уточняются в процессе испытаний.
Отдельные показатели БЭ имеют приоритетное значение по сравнению с другими тактико-техническими характеристиками и не должны противоречить друг другу или игнорироваться. Для определения численных значений этих показателей проводятся процедуры разноуровневого моделирования, включая типовые ситуации с учётом межвойскового взаимодействия [4].
Основные характеристики БЭ, такие как боевая мощь, мобильность и применимость, призваны однозначно определять необходимые боевые наступательные и оборонительные качества вооружения. Остальные характеристики - сохранение боеспособности и внезапность - находятся в более сложной взаимосвязи с базовыми боевыми свойствами образцов. Так, для повышения внезапности необходимо улучшить мобильность вооружения, которое должно обладать минимальной заметностью перед применением. С другой стороны, скрытность вооружения определяет его живучесть, которая обеспечивает сохранение боеспособности при воздействии средств поражения противника. Таким образом, в ситуациях дуэли сохранение живучести и боеспособности зависит как от боевой мощи вооружения, так и от его мобильности.
Из вышеизложенного следует, что боевые возможности, мобильность, применимость и живучесть являются необходимыми и достаточными характеристиками вооружения и военной техники для раскрытия их функционального назначения. Эти основополагающие аспекты боевой эффективности используются для оценки степени адаптации вооружения и военной техники к различным боевым условиям и успешности выполнения боевых задач [5].
Повышение БЭ применительно к МТСН реализуется улучшением мобильной боевой эффективности (высокая динамика скоростей и минимальная (ползучая) скорость) и снижением заметности (в видимом и инфракрасном спектрах).
Реализация снижения заметности осуществляется в нескольких аспектах. Во-первых, использование минимальной скорости движения, сопоставимой со скоростью колебания листьев, позволяет эффективно маскироваться и осуществлять скрытное перемещение. Во-вторых, отключение двигателя внутреннего сгорания (ДВС) снижает акустическую заметность. В-третьих, применение системы рекуперации энергии позволяет уменьшить тепловыделение и, следовательно, снизить заметность в инфракрасном диапазоне.
Помимо системы движения, высокие требования к динамике предъявляются к системам наведения и стабилизации основного и вспомогательного вооружения.
Увеличение времени работы на предельных режимах способствует увеличению ресурса и надёжности элементов привода. Дублирование систем повышает надёжность привода и общую живучесть специальной техники.
Проблемы существующих приводов. Повышение тактико-технических и эксплуатационных характеристик МТСН в числе прочего реализуется за счет повышения удельной мощности приводов: силомо-ментных и скоростных компонентов. При этом актуальными направлениями являются аккумуляция и рекуперация энергии движения и торможения. В гидравлических системах это реализуется максимально просто за счет газогидравлических аккумуляторов, в электроприводах - за счет аккумуляторов и суперконденсаторов. Однако процессы аккумуляции и рекуперации энергии в электроприводах обладают более низкой эффективностью и большим временем. Для обеспечения требуемых скоростей движения электроприводы следует проектировать с гораздо большим запасом мощности, что, прежде всего, приводит к увеличению их массы и снижению удельной мощности.
Перспективы развития. На современном этапе развития приводов основного движения и вспомогательного оборудования мобильных машин повышенный интерес вызывает альтернативный, преимущественно гибридный привод. Для условий движения машин с высокой цикличностью такой привод в первую очередь обеспечивает понижение расхода топлива, возможность рекуперации энергии торможения и использования ДВС меньшего объема [6].
Эффективность гидравлических насосов/моторов имеет много возможностей для улучшения, особенно при работе на малых перемещениях. Эти улучшения могут быть достигнуты за счет оптимизации существующих конструкций, включая поверхности трения, или за счет новых конструкций, специально предназначенных для обеспечения высокой эффективности в широком рабочем диапазоне. Другим подходом к повышению эффективности является внедрение цифровых интегрированных систем управления клапанами для создания регулируемых насосов/моторов из гидромашин с фиксированным рабочим объемом. Одна из областей, где подобные цифровые клапаны были бы особенно полезны, - управление реверсивным гидравлическим агрегатом. При использовании обычного гидравлического агрегата это требует компромиссов в конструкции системы клапанов.
Примером реализации подобного подхода является сервопривод CLDP фирмы «Voith Turbo» (рис. 2).
Рис. 10. Сервопривод CLDP
Модуль, состоящий из насоса, привода, блока управления, аккумулятора и фильтра, образует полностью децентрализованный гидравлический контур без связующих с центральной насосной установкой трубопроводов.
Гибридный привод, позволяющий независимо регулировать скорость вращения и крутящий момент на колесах или приводных звездах гусениц, может быть использован для улучшения управляемости динамикой транспортного средства (ТС), поскольку ранее проводились работы по динамическому управлению ТС в основном за счет применения тормозных систем к определенным колесам, что, по своей сути, неэффективно. Кроме того, высокие моменты гидромашин позволяют значительно увеличить разницу крутящего момента между колесами, тем самым обеспечивая антиблокировочную систему торможения без фрикционных тормозов. Такая архитектура трансмиссии потенциально может привести к появлению совершенно новых возможностей динамического управления ТС [7]. Это свидетельствует о значительном научно-исследовательском потенциале в направлении разработки агрегатов, которые эффективно работают в этом режиме. Благодаря постоянному развитию и оптимизации эта трансмиссия предлагает привлекательную альтернативу для максимизации энергоэффективности.
Возможно проведение модернизаций существующих электроприводов введением дополнительной системы гидропривода с газогидравлическим аккумулятором (например, замкнутого моноблочного исполнения без насосной станции). Тем самым обеспечивается повышение динамики в зо-
нах эксплуатационного разгона-торможения. Разумеется, необходим анализ варианта дополнения системы гибридным компонентом или наращивание удельной мощности существующей системы.
Заключение. Основное преимущество гибридных приводов - в рекуперации энергии. Это свойство повышает время автономной работы.
Следующим преимуществом является возможность повышения динамики за счет комбинаций приводов различной физической природы посредством параллельного или последовательного подключения в различной комбинации, а также за счет моментального подключения рекуперированной энергии или ее аккумулирования.
Применение нескольких источников энергии позволяет использовать высокодинамичные режимы, «спящий режим», а также кумулятивный эффект от нескольких типов приводов. Все это обеспечивает качественное повышение эксплуатационных параметров.
Чтобы конкурировать с электрическими гибридами, гидравлические машины должны быть более эффективными, компактными и легкими, чем большинство распространенных сегодня машин. Обычно используемые аксиально-поршневые машины с переменным рабочим объемом просты в управлении, но их эффективность при небольшом рабочем объеме недостаточна.
Таким образом, выигрыш в эффективности применительно к мобильной бронетехнике - от переменного режима работы на различных типах привода в зависимости от максимального значения их КПД применительно к режимам основного движения, стабилизации вооружения при движении, выстреле и смене диспозиции.
Список литературы
17. Hybrid electric propulsion for military vehicles - overview and status of the technology [Электронный ресурс]. URL: https://www.ffi. no/en/publications-archive/hybrid-electric-propulsion-for-military-vehicles-overview-and-status-of-the-technology (дата обращения: 22.11.2023).
18. Electric tank: prospects for the use of electric propulsion in ground combat equipment [Электронный ресурс]. URL: https://en.topwar.ru/171974-ielektricheskij -tank-perspektivy-primenenija-i elektrodvizhenij a-v-nazemnoj -boevoj-tehnike.html (дата обращения: 22.11.2023).
19. Зубов В. Перспективы развития вооружений. Боевая система будущего // Обозрение армии и флота. 2009. № 3. С. 44-47.
20. Васильченков В.Ф., Ивченко Д.И., Андреев М.В. Боевые свойства как основа для обоснования тактико-технических требований к военной автомобильной технике // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 3. С. 161-170. DOI 10.24412/20716168-2021-3-161-170.
21. Бонин Л.С. Боевые свойства и эффективность вооружения и военной техники // Военная мысль. 2005. № 1. С. 65-68.
22. Михайлов В.В., Снитков А.Г. Возможности автоматического управления гидромеханической трансмиссией и биротативной электромашиной // Наука и техника. 2014. №1 [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vozmozhnosti-avtomaticheskogo-upravleniya-gidromehanicheskoy-transmissiey-i-birotativnoy-elektromashinoy (дата обращения: 22.11.2023).
23. Bowns D.E., Vaughan N.D., Dorey R.E. Design Study of a Regenerative Hydrostatic Split Power Transmission for a City Bus // I Mech E Hydrostatic Transmissions for Vehicle Application. 1981. P. 29-38.
Пузанов Андрей Викторович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ковров, Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева
PROSPECTS FOR THE USE OF HYBRID DRIVES IN SPECIAL-PURPOSE MOBILE
EQUIPMENT
A.V. Puzanov
The operating conditions of special-purpose mobile equipment determine a wide range of heterogeneous impacts. Increasingly stringent requirements are being imposed on the drives of the main movement and control of the transported equipment. Performance improvement is possible through hybridization of drives.
Key words: mobile equipment, hydraulic drive, electric drive, hybrid drive.
Puzanov Andrey Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kovrov, Kovrov State Technological Academy named after V.A. Degtyarev
