ДП вариант гидропередачи одноковшового экскаватора (1219860), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Рисунок 11. Срок службы компонентов гидравлического экскаватора: а) по рекомендациям завода; б) достигнутые в Северной Канаде; в) достигнутые в Якутии.
Исследованиями предприятия ООО «МОГОРМАШ» был интегрирован опыт применения карьерных гидравлических экскаваторов с технологическими режимами эксплуатации в сложных горно-технических условиях горных предприятий Крайнего Севера. При использовании рекомендаций, улучшающих качество обслуживания гидравлических машин, обеспечено значительное повышение коэффициента готовности гидропривода до значений 0,95-.98, в том числе за счет увеличения ресурса гидравлических машин и компонентов на 25-85% (рисунок.11).
Удельная производительность гидравлических экскаваторов априори выше на 10-14 % за счет повышенных усилий копания и гибких технологических схем применения.
2. Разработка варианта гидропередачи одноковшового экскаватора с гидроаккумулятором и гидравлическим баком под давлением.
2.1 Обзор рекуперирующих систем строительных машин
Развитие в области машиностроительной гидравлики достигло значительных результатов. Машины с гидравлическим приводом в наше время являются наиболее совершенными образцами строительной техники, высокое качество которых очень ценится при эксплуатации. Более 100 фирм-производителей, как отечественных, так и зарубежных, поставляют на рынок экскаваторную технику, наиболее прогрессивными из них являются зарубежные фирмы. Высоким качеством своих машин известны такие иностранные фирмы, как японские HITACHI, Komatsu, Kato, Furukawa, американские Caterpillar, Mustang Manufacturing Company, Trencor Inc, John Deere, английские JCB, Hanix. Следует отметить особое отношение немецких производителей, таких как Hydrema, LIEBHERR, к качеству и степени очистки рабочих жидкостей, точности изготовления элементов гидросистем. Повышают качество своих машин и отечественные экскаваторостроители, такие как Уралвагонзавод им. Ф.Э.Дзержинского, ЗАО Эксмаш, завод "КОВРОВЕЦ", которые как правило покупают комплекты гидрооборудования за рубежом.
Уровень качества современных строительных машин, в частности, экскаваторов очень высок, машины удобны в управлении, обладают высокой точностью исполнения операций, высокопроизводительны, а применение новых материалов, усовершенствованных агрегатов, иновационных технологий позволяет использовать их в регионах с экстремальными условиями эксплуатации и даже на Дальнем Востоке.
Конечно, существует ещё много проблем, которые решаются производителями строительной техники. Климатические и грунтовые условия, в которых работают экскаваторы, наличие ударных и динамических нагрузок требуют соответствующего уровня качества конструкционных материалов. Особенно важно оптимизировать применение материалов для металлоконструкций машин, по критерию их работоспособности в конкретных условиях эксплуатации. В современных условиях (с учётом стоимости) часто используются стали 09Г2С, 10ХСНД и другие, которые обеспечивают достаточную надёжность и прочность при работе машины в северных условиях и при больших динамических нагрузках.
Высокий уровень готовности гидрофицированных машин к работе должен быть обеспечен соответствующими параметрами гидропривода в условиях сезонных и даже суточных изменений температуры. Быстрый гарантированный запуск машины и устойчивая работа привода с минимальными энергопотерями требует применения специальных устройств и более совершенных рабочих жидкостей.
Необходимо отметить тенденцию к применению энергосберегающих и ресурсосберегающих технологий. Ведущие производители строительной техники (Комацу, Катерпиллер, Терекс и др.) /15/ широко применяют передовые гибридные передачи. (Любая вещь смешанного происхождения или состава может называться гибридом. В более узком понимании гибрид – это единый функционирующий узел, в котором совмещаются разнородные технологии). Достаточно давно применяют и эффективно работают гидропередачи и дизель-электрический приводы на мощных землевозах, поскольку в них совмещаются механический и гидравлический или электрический способы передачи энергии, однако на практике подобные конструкции редко называют гибридными. Более конкретное определение дает компания Caterpillar: «Гибрид – это машина, оснащенная оборудованием, способным рекуперировать, аккумулировать и отдавать энергию во время работы».
Применение устройств, использующих свойства трёх стихий позволяет рекуперировать энергию попутных нагрузок, аккумулировать её и и добавлять к основному потоку энергии в период больших нагрузок, что повышает кпд передачи и снижает расход топлива.
Рекуперативное торможение – в широком понимании это физический процесс замедления или остановки движения массы, например, движущегося фронтального погрузчика, вращающейся надстройки экскаватора или опускающейся стрелы экскаватора, и преобразования кинетической энергии в другую форму энергии, которая может аккумулироваться или использоваться немедленно для выполнения полезной работы. Энергия инерции механического движения используется для приведения в действие электродвигателя, работающего в режиме генератора, или гидромотора, работающего как гидронасос. При работе строительной техники – экскаваторов, погрузчиков и других – процессы разгона и торможения повторяются в каждом цикле с периодичностью в несколько десятков секунд, и это огромный потенциал для экономии энергии и, следовательно, топлива.
Сегодня существует два подхода при разработке концептуальных образцов с гибридными приводами. Основная задача привода - рекуперировать энергию, которая в обычных экскаваторах рассеивается. Это энергия торможения поворотной платформы и опускания основной стрелы и рукояти. Одна гибридная концепция существует на основе электрического оборудования, другая – на базе гидравлических узлов.
В обычном экскаваторе, при переводе рычага включения механизма поворота в нейтральное положение вращение платформы замедляется, создается запертый поток масла. Давления в контуре гидросистемы увеличивается, создается сопротивление, под действием которого гидромотор поворота постепенно останавливается, затем открывается перепускной клапан и масло сливается в гидробак. При этом часть кинетической энергии вращения превращается в тепло и рассеивается. Такая же, примерно, картина происходит при опускании стрелы и рукояти.
Потери энергии значительны и могут быть аккумулированы и превращены в полезную работу с помощью системы рекуперации энергии торможения.
Электрический гибрид в системе, построенной на основе электрооборудования, обычно используется электродвигатель поворота, который при торможении надстройки начинает работать в режиме генератора и заряжает аккумуляторную батарею или конденсатор. Аккумулированная таким образом энергия затем используется для ускорения вращения надстройки или для помощи двигателю внутреннего сгорания (ДВС) в приводе главных гидронасосов.
В системе, использующей гидравлику, энергия потока масла, который создается гидромотором поворота (работающим во время торможения поворотной платформы в режиме насоса), накапливается в гидроаккумуляторе высокого давления, содержащем азот. Из гидроаккумулятора поток масла направляется на привод гидромотора поворота платфомы в начальной фазе поворота и для увеличения скорости поворота.
Количество масла, проходящего между гидромотором поворотной платформы и гидроаккумулятором, а также поток масла от гидронасоса контролирует клапан рекуперации энергии торможения поворота SERV, который является «сердцем» гидравлической рекуперирующей энергию торможения системы. Расход потока рабочей жидкости, протекающего через SERV составляет порядка 200–300 л/мин (у Cat 336Е Н) и зависит от режима работы машины.
При опускании стрелы необходимо погасить энергию падения стрелы, причём останов должен быть мягким, во избежание гидроударов. Применяя гидроаккумуляторы, поглощаем и накапливаем энергию при торможении рабочего органа в конце волны размаха и отдаём её в фазе ускорения размаха.
Обе системы рекуперации разгружают основной гидронасос, что снижает нагрузку на ДВС, тем самым увеличивая его ресурс, и обеспечивают существенную экономию топлива.
Специалисты Caterpillar пришли к выводу, что выгоднее использовать систему на основе гидравлических узлов: гидравлическое оборудование, рекурперирующее, аккумулирующее и повторно использующее энергию, минимально увеличивает стоимость машины. К тому же гидравлическая система менее сложна и более надежна по сравнению с электрической. Поскольку гидросистема позволяет рекуперировать доступную энергию с 90%-ным к.п.д., она предоставляет большие возможности для экономии топлива. Гибридный экскаватор на 98% состоит из тех же деталей, что и серийная машина.
Кроме внедрения системы рекуперативного торможения конструкторы преследовали еще две цели: экономия топлива и оптимизация производительности. Экономия топлива достигается в основном за счет использования энергии аккумулированной гидравлической жидкости для вращения поворотной платформы.
Но ещё конструкторы снизили обороты ДВС до 1500 об/мин ( обычно, например у Cat 336Е, - 1800 об/мин), применив основной гидронасос с большим рабочим объёмом. Вращаясь с более низкой частотой и он обеспечивает такой же расход жидкости, как и насос у Cat 336Е. Гидронасос стал чувствительнее на потребности в изменении подачи.
Программу электронной системы управления ДВС гибридного экскаватора изменили, чтобы сместить максимальную мощность двигателя на более низкие обороты.
Гибридная машина работает тише, также должен увеличится ресурс, благодаря более низким оборотам двигателя.
Таким образом гидравлический гибрид имеет существенный потенциал по увеличению долговечности и экономии топлива при выполнении любых видов работ.
В электрических гибридах роль аккумулирующих устройств выполняют мотор-генераторы. Мотор-генератор преобразует электроэнергию и может работать в качестве электромотора и генератора. Он соединен с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) таким образом, что, работая в режиме электромотора, может увеличивать мощность ДВС или может помогать приводить в действие гидронасосы, уменьшая таким образом нагрузку на ДВС и экономя топливо. Работая в качестве генератора, мотор-генератор питает током другие электродвигатели машины или заряжает аккумулирующее устройство, например аккумуляторную батарею или конденсатор (прибор, который способен быстро аккумулировать и отдавать большие количества электроэнергии).
Гидравлический экскаватор Komatsu HB215LC-1 является примером электрической гибридной конструкции, в которой рекуперируется и аккумулируется кинетическая энергия торможения поворачивающейся надстройки. В отличие от обычных экскаваторов, в которых используется гидромотор поворота, в конструкции Komatsu применяется электромотор поворота. Если мотор поворота не включен и не получает питания, он вращается под действием инерции поворачивающейся надстройки машины, работает как генератор и тормозит движение надстройки. Генерируемый ток направляется в аккумулирующий конденсатор через преобразователь тока. Энергия из конденсатора затем может использоваться либо для питания электромотора механизма поворота в качестве вспомогательной – для создания ускорения при повороте, либо для питания мотор-генератора, работающего как электромотор и добавляющего до 60 л.с. к мощности ДВС и помогающего ДВС быстрее набирать обороты, а также приводящего в действие гидронасосы привода.
В гибридном экскаваторе Cat 336E H, рекуперативное торможение используется иначе – для аккумулирования кинетической энергии гидравлическим способом. Когда оператор отпускает рычаг включения поворота надстройки и гидромотор поворота перестает получать питание от гидронасоса, за счет инерции поворота надстройки гидромотор поворота приводится в движение и начинает работать как гидронасос, а надстройка замедляет движение.
В обычных экскаваторах поток масла от гидромотора поворота (работающего теперь как насос) останавливается в выключенном гидронасосе системы, создающем сопротивление в контуре, в результате останавливается гидромотор поворота. В ходе этого процесса, т. н. «гидростатического торможения», кинетическая энергия превращается в тепловую. Однако в экскаваторе мод. Cat 336E H данный поток масла направляется через «Клапан рекуперации энергии поворота» (Swing Energy Recovery Valve) на зарядку азотного аккумулятора: масло сжимает газ в аккумуляторе. Таким образом, кинетическая энергия инерции поворота аккумулируется для полезного использования, а за счет сопротивления потоку масла тормозится гидромотор поворота. Как утверждается, расход топлива у гибридной модели уменьшается до 25% по сравнению с машиной с традиционным силовым приводом, а производительность гибридной модели не уступает модели с ДВС.
Еще одна конструкция, позволяющая использовать энергию торможения надстройки при повороте, реализована в экскаваторе Hitachi New Generation ZH200 (выпущен в 2011 г.). В этой модели используются два гидромотора поворота надстройки (один электрический и один гидравлический), конденсатор и мотор-генератор. В процессе торможения поворачивающейся надстройки электромотор поворота работает как генератор и заряжает конденсатор, который затем питает электромотор поворота, помогающий гидромотору поворота быстрее поворачивать надстройку. Как утверждается, мотор-генератор соединен с гидронасосами и регулирует количество электрической энергии, аккумулируемой в конденсаторе, то есть мотор-генератор может и заряжать конденсатор, и помогать ДВС приводить в действие гидронасосы. Заявленное улучшение топливной экономичности гибридной модели – до 20%.
Гибридный привод экскаватора Kobelco SK-80H-2 (в 2010 г. выпущен на японский рынок) отличается тем, что в нем сочетаются элементы электрической и гидравлической систем. В конструкции есть генератор, который приводится от ДВС, генератор заряжает конденсатор и никель-металл-гибридный аккумулятор через преобразователь тока. Аккумулированная энергия направляется через обратный преобразователь тока на питание четырех электромоторов. Три из них приводят в движение гидронасосы, питая гидравлические контуры стрелы, рукояти/ ковша и механизма хода. Четвертый электромотор непосредственно работает в механизме поворота надстройки и, когда функционирует как генератор (при торможении поворачивающейся надстройки), заряжает конденсатор и аккумуляторную батарею.
К тому же в конструкции Kobelco используется пара электромотор/ гидронасос, которые приводят в действие стрелу через отдельный контур гидросистемы, причем, когда стрела опускается, кинетическая энергия замедления движения стрелы используется для подачи масла из контура стрелы на привод гидронасоса, который в данном случае работает в режиме гидромотора. Гидронасос/ мотор в свою очередь приводит в движение соединенный с ним электромотор, который здесь работает как генератор. Вырабатываемый электрический ток (как и ток от электромотора поворота надстройки) поступает в аккумулятор и конденсатор. Как утверждается, в некоторых случаях вся машина может работать только от электроэнергии – с выключенным ДВС, в результате экономится значительное количество топлива.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
