В гидрообъемных бесступенчатых передачах крутящий момент и мощность с ведущего звена (насоса) на ведомое звено (гидромотор) передается жидкостью по трубопроводам. Мощность N, кВт, потока жидкости определяется произведением напора H, м, на расход Q, м3/с:
N = HQpg / 1000,
где р - плотность жидкости.
Гидрообъемные передачи не обладают внутренним автоматизмом, для изменения передаточного числа требуется САУ. Однако для гидрообъемной передачи не нужен механизм реверса. Задний ход обеспечивается изменением соединения насоса с линиями нагнетания и возврата жидкости, что заставляет вал гидромотора вращаться в обратном направлении. При регулируемом насосе не нужна муфта начала движения.
Гидрообъемные передачи (как и электропередачи) по сравнению с фрикционными и гидродинамическими имеют гораздо более широкие компоновочные возможности. Они могут быть частью комбинированной гидромеханической коробки передач при последовательном или параллельном соединении с механическим редуктором. Кроме того, они могут быть частью комбинированной гидромеханической трансмиссии, когда гидромотор установлен перед главной передачей - рис. а (сохранен ведущий мост с главной передачей, дифференциалом, полуосями) либо в двух или во всех колесах установлены гидромоторы - рис. а (они дополнены редукторами, выполняющими функции главной передачи). В любом случае гидросистема является замкнутой, причем в нее включен насос подпитки для поддержания избыточного давления в линии возврата. Из-за потерь энергии в трубопроводах обычно считают целесообразным применение гидрообъемной трансмиссии при максимальном расстоянии между насосом и гидромотором 15… 20 м.
Рис. Схемы трансмиссий автомобилей с гидрообъемными или с электрическими передачами:
а - при использовании мотор-колес; б - при использовании ведущего моста; Н - насос; ГМ - гидромотор; Г - генератор; ЭМ - электромотор
В настоящее время гидрообъемные передачи применяются на малых автомобилях-амфибиях, например «Джиггер» и «Мул», на автомобилях с активными полуприцепами, на небольших сериях большегрузных (полной массой до 50 т) самосвалов и на опытных городских автобусах.
Широкое применение гидрообъемных передач сдерживается в основном их высокой стоимостью и недостаточно высоким КПД (около 80…85%).
Рис. Схемы гидромашин объемного гидропривода:
а - радиально-поршневой; б - аксиально-поршневой; е - эксцентриситет; у - угол наклона блока
Из всего многообразия объемных гидромашин: винтовых, шестеренных, лопастных (шиберных), поршневых - для автомобильных гидрообъемных передач в основном находят применение радиально-поршневые (рис. а) и аксиально-поршневые (рис. б) гидромашины. Они позволяют использовать высокое рабочее давление (40… 50 МПа) и могут быть регулируемыми. Изменение подачи (расхода) жидкости обеспечивается у радиально-поршневых гидромашин изменением эксцентриситета е, у аксиально-поршневых - угла у.
Потери в объемных гидромашинах делят на объемные (утечки) и механические, к последним относят и гидравлические потери. Потери в трубопроводе делят на потери трения (они пропорциональны длине трубопровода и квадрату скорости жидкости при турбулентном течении) и местные (расширение, сужение, поворот потока).
Гидростатические трансмиссии, выполненные по
закрытой гидросхеме, нашли широкое применение в приводах хода
спецтехники. В основном это машины, у которых движение является одной из
основных функций, например, фронтальные погрузчики, бульдозеры,
экскаваторы-погрузчики, с/х комбайны,
лесозаготовительные форвардеры и харвесторы.
В гидросистемах таких машин регулирование потока рабочей жидкости осуществляется в широком диапазоне как насосом, так и гидромотором. Закрытые гидросхемы часто используются для привода рабочих органов вращательного движения: бетоносмесители, буровые установки, лебедки и т.п.
Рассмотрим типовую структурную гидросхему машины и выделим в ней контур гидростатической трансмиссии хода. Существует много исполнений закрытых гидростатических трансмиссий, в которых гидросистема включает насос с переменным рабочим объемом, обычно с наклонной шайбой, и регулируемый гидромотор.
Гидромоторы в основном используются радиально-поршневые или аксиально-поршневые с наклонным блоком цилиндров. В малогабаритной технике часто применяются аксиально-поршневые гидромоторы с наклонной шайбой с постоянным рабочим объемом и героторные гидромашины.
Управление рабочим объемом насоса осуществляется пропорциональной
гидравлической или электрогидравлической пилотной системой или прямым
сервоуправлением. Для автоматического изменения параметров
гидродвигателя в зависимости от действия внешней нагрузки в управлении
насосом
используются регуляторы.
Например, регулятор мощности в гидростатических трансмиссиях хода позволяет без вмешательства оператора снизить скорость машины при возрастающем сопротивлении движению и даже полностью остановить ее, не позволяя двигателю заглохнуть.
Регулятор давления обеспечивает постоянный крутящий момент рабочего органа при всех режимах работы (например, силу резания вращающейся фрезы, шнека, шарошки буровой установки и т.п.). В любых каскадах управления насосом и гидромотором пилотное давление не превышает 2,0-3,0 МПа (20-30 бар).
Рис. 1. Типовая схема гидростатической трансмиссии спецтехники
На рис. 1 показана распространенная схема гидростатической трансмиссии хода машины. В пилотную гидросистему (систему управления насосом) включен пропорциональный клапан, управляемый педалью хода. Фактически это механически управляемый редукционный клапан.
Он питается от вспомогательного насоса системы восполнения утечек (подпитки). В зависимости от степени нажатия на педаль пропорциональный клапан регулирует величину пилотного потока, поступающего в цилиндр (в реальной конструкции – плунжер) управления наклоном шайбы.
Давление управления преодолевает сопротивление пружины цилиндра и поворачивает шайбу, изменяя величину рабочего объема насоса. Таким образом, оператор изменяет скорость машины. Реверс силового потока в гидросистеме, т.е. изменение направления движения машины осуществляется соленоидом «А».
Соленоид «В» управляет регулятором гидромотора, который устанавливает максимальный или минимальный его рабочий объем. В транспортном режиме движения машины устанавливается минимальный рабочий объем гидромотора, благодаря которому он развивает максимальную частоту вращения вала.
В период выполнения машиной силовых технологических операций устанавливается максимальный рабочий объем гидромотора. В этом случае он развивает максимальный крутящий момент при минимальной частоте вращения вала.
При достижении уровня максимального давления в силовом контуре 28,5 МПа управляющий каскад автоматически уменьшит угол наклона шайбы до 0° и защитит насос и всю гидросистему от перегрузки. Ко многим мобильным машинам с гидростатической трансмиссией предъявляются жесткие требования.
Они должны обладать высокой скоростью (до 40 км/ч) в транспортном режиме и преодолевать большие силы сопротивления при выполнении силовыхтехнологических операций, т.е. развивать максимальную тяговую силу. Примером могут служить колесные фронтальные погрузчики, сельскохозяйственные и лесозаготовительные машины.
В гидростатических трансмиссиях хода таких машин используются регулируемые гидромоторы с наклонным блоком цилиндров. Как правило, это регулирование релейное, т.е. обеспечивает две позиции: максимальный или минимальный рабочий объем гидромотора.
Вместе с тем существуют гидростатические трансмиссии, которые требуют пропорционального управления рабочим объемом гидромотора. При максимальном рабочем объеме крутящий момент генерируется при высоком давлении в гидросистеме.
Рис. 2. Схема действия сил в гидромоторе при максимальном рабочем объеме
На рис. 2 изображена схема действия сил в гидромоторе при максимальном рабочем объеме. Гидравлическая сила Fг раскладывается на осевую Fо и радиальную Fр. Радиальная сила Fр создает крутящий момент.
Поэтому, чем больше угол α (угол наклона блока цилиндров), тем выше сила Fр (крутящий момент). Плечо действия силы Fр, равное расстоянию от оси вращения вала до точки контакта поршня в обойме гидромотора, остается постоянным.
Рис. 3. Схема действия сил в гидромоторе при движении к минимальному рабочему объему
Когда угол наклона блока цилиндров уменьшается (угол α), т.е. рабочий объем гидромотора стремится к своему минимальному значению, сила Fр, а следовательно, крутящий момент на валу гидромотора также уменьшается. Схема действия сил в этом случае показана на рис. 3.
Характер изменения крутящего момента наглядно виден из сравнения векторных диаграмм для каждого угла наклона блока цилиндров гидромотора. Подобное управление рабочим объемом гидромотора широко используется в гидроприводах различных машин и оборудования.
Рис. 4. Схема типового управления гидромотором силовой лебедки
На рис. 4 показана схема типового управления гидромотором силовой лебедки. Здесь каналы А и В являются рабочими портами гидромотора.
В зависимости от направления движения силового потока рабочей жидкости в них обеспечивается прямое или реверсивное вращение. В показанной позиции у гидромотора максимальный рабочий объем. Рабочий объем гидромотора меняется при подачеуправляющего сигнала в его порт Х.
Пилотный поток рабочей жидкости, проходя через золотник управления, воздействует на плунжер перемещения блока цилиндров, который, поворачиваясь с высокой скоростью, быстро изменяет величину рабочего объема гидромотора.
Рис. 5. Характеристика управления гидромотором
На графике на рис. 5 показана характеристика управления гидромотором, она носит линейный характер обратной функции. Часто в сложных машинах для привода рабочих органов используются раздельные гидравлические контуры.
При этом одни из них выполнены по открытой гидравлической схеме, другие
требуют использования гидростатических трансмиссий. В качестве примера
можно привести полноповоротный одноковшовый экскаватор. В нем вращение
поворотной платформы и движение машины обеспечивают гидромоторы с
группой клапанов.
Конструктивно клапанная коробка устанавливается непосредственно на гидромоторе. Питание контура гидростатической трансмиссии от гидронасоса, работающего по открытой гидросхеме, осуществляется с помощью гидрораспределителя.
Рис. 6. Схема контура гидростатической трансмиссии, питаемого из открытой гидросистемы
Он обеспечивает подачу силового потока рабочей жидкости в контур гидростатической трансмиссии в прямом или обратном направлении. Схема такого гидравлического контура показана на рис.6.
Здесь изменение рабочего объема гидромотора осуществляется плунжером, управляемым пилотным золотником. На пилотный золотник может действовать как внешний сигнал управления, передаваемый по каналу Х, так и внутренний от избирательного клапана «ИЛИ».
Как только в нагнетательную линию гидроконтура подается силовой поток рабочей жидкости, избирательный клапан «ИЛИ» открывает доступ сигналу управления к торцу пилотного золотника и он, открывая рабочие окна, направляет порцию жидкости в плунжер привода блока цилиндров.
В зависимости от величины давления в нагнетательной линии рабочий объем
гидромотора меняется от нормальной позиции в сторону своего уменьшения
(высокая скорость/низкий крутящий момент) или увеличения (низкая
скорость/высокий крутящий момент). Таким способом осуществляется
управление
движением.
Если золотник силового гидрораспределителя переместился в противоположную позицию, направление движения силового потока изменится. Избирательный клапан «ИЛИ» займет другую позицию и направит сигнал управления в пилотный золотник из другой линии гидроконтура. Регулирование гидромотора осуществится аналогично.
Помимо управляющих компонентов данный гидроконтур содержит два комбинированных (антикавитационный и антишоковый) клапана, настроенных на пиковое давление 28,0 МПа, и систему вентиляции рабочей жидкости, предназначенную для принудительного ее охлаждения.
В статье рассматривается вопрос развития трансмиссии гусеничных бульдозеров класса тяги 10…15 т на гусенице.
Для начала немного истории. Само понятие « бульдозер» возникло в конце XIX в. и означало мощную силу, преодолевающие любые барьеры. К гусеничным тракторам это понятие стали относить в 1930-е гг., образно характеризуя мощь гусеничной машины с закрепленным спереди металлическим щитом, перемещающим грунт. В качестве базы первоначально использовали трактор сельскохозяйственного назначения с главной особенностью - гусеничным ходом, обеспечивающим максимальное сцепление с грунтом. Гусеница определяется как бесконечный рельс. К изобретению ее, как и ко всем ключевым фундаментальным открытиям, имели отношение русские ученые. Один из первых патентов зарегистрирован в России около 1885 г.
Одной из особенностей гусеничного хода является возможность поворота за счет отключения одного из траков, или его блокирования, или включения его в противоход. На рис. 1 показана типовая схема механической трансмиссии, которую использовали и на первых гусеничных бульдозерах и применяют до сих пор.
Достоинства данной схемы
- простота конструкции агрегатов, к.п.д. более 95%, низкая стоимость и минимальные затраты времени на ремонт. |
 |
В период бурного роста мировой экономики в 1955-1965 гг. и развития технологий механообработки и химической отрасли параллельно несколько производителей гусеничных бульдозеров применили гидромеханическую трансмиссию (ГМТ). Она строилась на базе гидротрансформатора (ГТР), получившего к тому времени широкое распространение на тепловозах. ГМТ на бульдозерах была востребована в первую очередь в тяжелом классе: более 15 т тяги, и характеризуется возможностью получать максимальный момент на нулевой скорости, т. е. при максимальном сцеплении гусеницы с грунтом и максимальном сопротивлении перемещаемой массы грунта. Единственным и критичным недостатком помимо технологической сложности оставались высокие механические потери - 20…25% у одноступенчатого ГТР, применяемого в подавляющем большинстве на гусеничных бульдозерах с использованием ГМТ. Схема гидромеханической трансмиссии представлена на рис. 2.
Достоинства данной схемы
- максимально возможная тяга на гусеницы, более простое управление по сравнению с механической трансмиссией, эластичная связь двигатель-гусеница.
Необходимость использовать дорогостоящие планетарные КП и бортовые редукторы вызвана передачей более высокого крутящего момента, чем в механической трансмиссии, - до двух раз. Схему ГМТ на сегодняшний день используют лидирующие производители гусеничных бульдозеров Komatsu и Caterpillar. Лишь Челябинский тракторный завод обеспечивает немалую долю механических трансмиссий, более 50 лет выпуская практически не изменившуюся копию Caterpillar 1960-х гг.
Следующей технологической ступенью развития трансмиссии гусеничных бульдозеров стало применение схемы « гидронасос (ГН) - гидромотор (ГМ)» под общим термином « гидростатическая трансмиссия» (ГСТ). Начало широкого использования ГН-ГМ было положено военными при совершенствовании приводов артиллерийских орудий, где требовалась высокая скорость перемещения подвижных частей, имеющих немалую инерционную массу, что исключало использование жесткой механической связи.
Трансмиссия именно такого типа сегодня преимущественно распространена на спецтехнике среднего и тяжелого класса : гидростатическую трансмиссию применяют все лидеры рынка экскаваторной техники. Применение ГСТ в экскаваторах связано с выполнением ими основной работы исполнительными механизмами с гидропередачей усилия. Распространению ГСТ также способствовало совершенствование технологий механообработки и широкое распространение синтетических масел, производимых под заранее заданные параметры использования, а кроме того, и развитие микроэлектроники, позволившее реализовывать сложные алгоритмы управления ГСТ. Схема гидростатической трансмиссии представлена на рис. 3.
Достоинства данной схемы:
- высокий к.п.д. - более 93%;
- максимально возможная тяга на гусеницы выше, чем у ГМТ, за счет меньших потерь;
- лучшая ремонтопригодность благодаря минимальному количеству агрегатов и их унификации разными производителями, в основном не выпускающими готовые гусеничные бульдозеры;
- это же обеспечивает минимальную стоимость агрегатов;
- максимально простое управление одним джойстиком, позволяющее без доработок реализовывать дистанционное управление, в том числе с помощью радиосвязи;
- эластичная связь двигатель-гусеница;
- малые габаритные размеры, что позволяет использовать высвободившееся пространство под навесное оборудование;
- возможность макроконтроля состояния всей трансмиссии по одному параметру - температуре рабочей жидкости;
- максимально возможная маневренность - нулевой радиус разворота за счет противохода траков;
- возможность 100%-ного отбора мощности на гидрофицированное навесное оборудование от штатного гидронасоса;
- возможность дешевой программной, а также технологической модернизации в ближайшем будущем за счет элементарного перехода на рабочую жидкость с новыми свойствами, полученными на основе нанотехнологий.
Косвенным подтверждением таких преимуществ является выбор ГСТ лидером немецких производителей спецтехники компанией Liebherr в качестве базовой в конструкции всей спецтехники, в том числе гусеничных бульдозеров. Таблица всех преимуществ, недостатков и особенностей эксплуатации различных типов трансмиссий, в том числе « новой» для Caterpillar и реально реализованной еще в 1959 г. заводом ЧТЗ на бульдозере ДЭТ-250 электромеханической трансмиссии, приведена на сайте www.TM10.ru Завода « ДСТ-Урал».
 |
 |
Конечно, читатели обратили внимание на предпочтения авторов статьи. Да, мы делаем свой выбор в пользу ГСТ и считаем, что именно такое решение позволит преодолеть технологическое отставание лидеров производства спецтехники в России и оторваться от восточного соседа - Китая, претендующего на легкое поглощение нашего рынка бульдозеров. Новый бульдозер ТМ с трансмиссией на компонентах Bosсh Rexroth класса тяги 13…15 т будет представлен « ДСТ-Урал» уже в июле. Рабочая масса нового бульдозера останется 23,5 т, мощность - 240 л.с. и максимальная тяга - 25 т, что с 5%-ным отставанием соответствует аналогу Liebherr PR744 (24 , 5 т, 255 л.с.). Еще раз напомним о существующих возможностях отечественного машиностроения. К примеру, мы первыми в мировой практике применили схему тележек на каретках качания в 10-м классе гусеничных бульдозеров на серийном выпуске. До этого ее могли себе позволить производители только в тяжелом классе этих машин массой более 30 т, где цены в разы выше. Рыночная цена бульдозера ТМ10 на каретках качания с гидростатической трансмиссией планируется не более 4,5 млн. руб.