W hydrostatycznych przekładniach bezstopniowych moment obrotowy i moc z ogniwa napędowego (pompy) do ogniwa napędzanego (silnika hydraulicznego) jest przenoszona za pomocą płynu przez rurociągi. Moc N, kW, przepływu płynu jest określona przez iloczyn wysokości podnoszenia H, m, przez natężenie przepływu Q, m3 / s:
N = HQpg / 1000,
gdzie p jest gęstością cieczy.
Przekładnie hydrostatyczne nie mają wewnętrznego automatyzmu, do zmiany przełożenia wymagany jest ACS. Jednak przekładnia hydrostatyczna nie wymaga mechanizmu cofania. Jazdę wsteczną uzyskuje się poprzez zmianę połączenia pompy z przewodami tłocznym i powrotnym, co powoduje obrót wału silnika w przeciwnym kierunku. W przypadku pompy o zmiennej prędkości nie jest wymagane sprzęgło rozruchowe.
Przekładnie hydrostatyczne (a także napędowe) w porównaniu z ciernymi i hydrodynamicznymi mają znacznie szersze możliwości układowe. Mogą stanowić część kombinowanej przekładni hydromechanicznej połączonej szeregowo lub równolegle z przekładnią mechaniczną. Ponadto mogą stanowić część kombinowanej przekładni hydromechanicznej, gdy silnik hydrauliczny jest zamontowany przed przekładnią główną - rys. a (oś napędowa z przekładnią główną, dyferencjałem, półosie zachowane) lub silniki hydrauliczne zamontowane w dwóch lub wszystkich kołach - rys. a (są uzupełnione skrzyniami biegów, które pełnią funkcje głównego biegu). W każdym razie układ hydrauliczny jest zamknięty, a pompa ładująca jest w nim zawarta, aby utrzymać nadciśnienie w przewodzie powrotnym. Ze względu na straty energii w rurociągach zwykle uważa się za celowe zastosowanie przekładni hydrostatycznej o maksymalnej odległości pomiędzy pompą a silnikiem hydraulicznym 15...20m.
Ryż. Schematy przekładni dla pojazdów z przekładniami hydrostatycznymi lub elektrycznymi:
a - przy użyciu kół silnikowych; b - przy użyciu osi napędowej; H - pompa; GM - silnik hydrauliczny; Г - generator; EM - silnik elektryczny
Obecnie przekładnie hydrostatyczne są stosowane w małych pojazdach amfibii, np. „Jigger” i „Mule”, w pojazdach z aktywnymi naczepami, w małych seriach wywrotek o dużej ładowności (dmc do 50 t) oraz w eksperymentalnych autobusach miejskich.
Powszechne stosowanie przekładni hydrostatycznych jest ograniczone głównie ich wysokim kosztem i niewystarczająco wysoką sprawnością (około 80…85%).
Ryż. Schematy hydromaszyn wolumetrycznego napędu hydraulicznego:
a - tłok promieniowy; b - tłok osiowy; e - ekscentryczność; y - kąt pochylenia bloku
Spośród całej gamy maszyn hydraulicznych wolumetrycznych stosuje się głównie maszyny hydrauliczne śrubowe, zębate, łopatkowe (łopatkowe), tłokowe - do samochodowych przekładni hydrostatycznych, hydrauliczne tłokowe promieniowe (rys. A) i tłokowe osiowe (rys. B). Pozwalają na zastosowanie wysokiego ciśnienia roboczego (40...50 MPa) i posiadają możliwość regulacji. Zmianę dopływu (natężenia przepływu) płynu zapewnia się dla maszyn hydraulicznych z tłokami promieniowymi poprzez zmianę mimośrodu e, dla tłoka osiowego kąt y.
Straty w hydraulicznych maszynach wolumetrycznych dzielą się na wolumetryczne (nieszczelności) i mechaniczne, te ostatnie obejmują straty hydrauliczne. Straty w rurociągu dzielą się na straty tarcia (są proporcjonalne do długości rurociągu i kwadratu prędkości płynu w przepływie turbulentnym) oraz lokalne (rozszerzenie, skurcz, obrót przepływu).
Przekładnie hydrostatyczne, wykonane zgodnie z zamkniętym obwodem hydraulicznym, znajdują szerokie zastosowanie w napędach jezdnych urządzeń specjalnych. Są to głównie maszyny, w których ruch jest jedną z głównych funkcji np. ładowacze czołowe, spycharki, koparko-ładowarki, kombajny rolnicze,
forwardery i harwestery leśne.
W układach hydraulicznych takich maszyn regulacja przepływu płynu roboczego realizowana jest w szerokim zakresie zarówno przez pompę jak i silnik hydrauliczny. Zamknięte obwody hydrauliczne są często wykorzystywane do napędzania korpusów roboczych o ruchu obrotowym: betoniarek, wiertnic, wciągarek itp.
Rozważmy typowy strukturalny obwód hydrauliczny maszyny i wybierzmy w nim kontur hydrostatycznej transmisji suwu. Istnieje wiele konstrukcji zamkniętych przekładni hydrostatycznych, w których układ hydrauliczny obejmuje pompę o zmiennej wydajności, zwykle tarczę krzywkową, oraz silnik o zmiennej wydajności.
Silniki hydrauliczne są stosowane głównie z tłokiem promieniowym lub tłokiem osiowym z nachylonym blokiem cylindrów. W urządzeniach małogabarytowych często stosuje się silniki hydrauliczne osiowo-tłokowe z tarczą krzywkową o stałej objętości roboczej oraz maszyny hydrauliczne gerotorowe.
Wydajność pompy jest kontrolowana przez proporcjonalny hydrauliczny lub elektrohydrauliczny układ pilota lub bezpośrednie sterowanie serwo. Automatyczna zmiana parametrów silnika hydraulicznego w zależności od działania zewnętrznego obciążenia w sterowaniu pompą
stosowane są regulatory.
Na przykład regulator mocy w hydrostatycznych przekładniach jezdnych pozwala maszynie zwolnić bez interwencji operatora, jeśli występują narastające opory ruchu, a nawet zatrzymać ją całkowicie bez dopuszczenia do zgaśnięcia silnika.
Regulator ciśnienia zapewnia stały moment obrotowy korpusu roboczego we wszystkich trybach pracy (na przykład siła skrawania młyna obrotowego, świdra, frezu wiertniczego itp.). W każdej kaskadzie sterowania pompą i silnikiem hydraulicznym ciśnienie sterujące nie przekracza 2,0-3,0 MPa (20-30 bar).
Ryż. 1. Typowy schemat hydrostatycznej transmisji sprzętu specjalnego
Na ryc. 1 przedstawia wspólny układ przekładni hydrostatycznej przesuwu maszyny. Pilotowy układ hydrauliczny (układ sterowania pompą) zawiera zawór proporcjonalny sterowany pedałem przyspieszenia. W rzeczywistości jest to zawór redukcyjny sterowany mechanicznie.
Jest zasilany przez pompę pomocniczą do systemu uzupełniania nieszczelności (uzupełniania). W zależności od stopnia wciśnięcia pedału, zawór proporcjonalny reguluje wielkość przepływu pilotowego wchodzącego do cylindra (w wersji rzeczywistej - nurnik) w celu kontrolowania nachylenia podkładki.
Ciśnienie sterujące pokonuje opór sprężyny cylindra i obraca podkładkę, zmieniając przemieszczenie pompy. W ten sposób operator zmienia prędkość maszyny. Odwrotny przepływ mocy w układzie hydraulicznym, tj. zmiana kierunku ruchu maszyny odbywa się za pomocą elektromagnesu „A”.
Elektrozawór „B” steruje regulatorem silnika hydraulicznego, który ustala jego maksymalne lub minimalne przemieszczenie. W trybie transportowym ruchu maszyny ustawiana jest minimalna objętość robocza silnika hydraulicznego, dzięki czemu rozwija on maksymalną częstotliwość obrotów wału.
W okresie wykonywania przez maszynę operacji technologicznych o dużej mocy ustawiana jest maksymalna objętość robocza silnika hydraulicznego. W takim przypadku wytwarza maksymalny moment obrotowy przy minimalnej prędkości wału.
Po osiągnięciu maksymalnego poziomu ciśnienia w obwodzie mocy 28,5 MPa kaskada sterująca automatycznie zmniejszy kąt nachylenia myjki do 0° i zabezpieczy pompę oraz cały układ hydrauliczny przed przeciążeniem. Wiele maszyn mobilnych z przekładnią hydrostatyczną ma rygorystyczne wymagania.
Muszą mieć dużą prędkość (do 40 km/h) w trybie transportowym i pokonywać duże siły oporu podczas wykonywania operacji technologicznych o dużej mocy, tj. rozwijać maksymalną siłę pociągową. Przykłady obejmują ładowarki kołowe, maszyny rolnicze i leśne.
Hydrostatyczne przekładnie jazdy tych maszyn wykorzystują silniki o zmiennym przechyle. Z reguły ta regulacja jest przekaźnikowa, tj. zapewnia dwie pozycje: maksymalne lub minimalne przemieszczenie silnika hydraulicznego.
Istnieją jednak przekładnie hydrostatyczne, które wymagają proporcjonalnej kontroli przemieszczenia silnika hydraulicznego. Przy maksymalnym przemieszczeniu moment obrotowy jest generowany przy wysokim ciśnieniu hydraulicznym.
Ryż. 2. Schemat działania sił w silniku hydraulicznym przy maksymalnej objętości roboczej
Na ryc. 2 przedstawia wykres działania sił w silniku hydraulicznym przy maksymalnej objętości roboczej. Siła hydrauliczna Fg jest rozkładana na osiowe Fо i promieniowe Fр. Siła promieniowa Fp wytwarza moment obrotowy.
Dlatego im większy kąt α (kąt pochylenia bloku cylindrów), tym większa siła Fp (moment obrotowy). Ramię siły Fp, równe odległości od osi obrotu wału do punktu styku tłoka w klatce silnika hydraulicznego, pozostaje stałe.
Ryż. 3. Schemat działania sił w silniku hydraulicznym przy przechodzeniu do minimalnej objętości roboczej
Gdy kąt pochylenia bloku cylindrów maleje (kąt α), tj. objętość robocza silnika hydraulicznego dąży do swojej wartości minimalnej, siła Fp, a w konsekwencji moment obrotowy na wale silnika hydraulicznego również maleje. Schemat działania sił w tym przypadku pokazano na ryc. 3.
Charakter zmiany momentu obrotowego jest wyraźnie widoczny z porównania wykresów wektorowych dla każdego kąta nachylenia bloku cylindrów silnika hydraulicznego. Takie sterowanie objętością roboczą silnika hydraulicznego znajduje szerokie zastosowanie w napędach hydraulicznych różnych maszyn i urządzeń.
Ryż. 4. Schemat typowego sterowania silnikiem hydraulicznym wciągarki
Na ryc. 4 przedstawia schemat typowego sterowania silnikiem hydraulicznym wciągarki. Tutaj kanały A i B są portami roboczymi silnika hydraulicznego.
W zależności od kierunku ruchu przepływu mocy płynu roboczego przewidziany jest w nich obrót bezpośredni lub odwrotny. W pokazanej pozycji silnik ma maksymalną przemieszczenie. Objętość robocza silnika hydraulicznego zmienia się, gdy sygnał sterujący jest dostarczany do jego portu X.
Przepływ pilotujący płynu roboczego, przechodzący przez zawór sterujący, oddziałuje na tłok wyporowy bloku cylindrów, który obracając się z dużą prędkością, szybko zmienia wartość objętości roboczej silnika hydraulicznego.
Ryż. 5. Charakterystyka sterowania silnikiem hydraulicznym
Wykres na ryc. 5 przedstawia charakterystykę sterowania silnika hydraulicznego, ma on liniową funkcję odwrotną. Często w skomplikowanych maszynach do napędzania części roboczych stosuje się oddzielne obwody hydrauliczne.
Jednocześnie niektóre z nich wykonane są według otwartego schematu hydraulicznego, inne wymagają zastosowania przekładni hydrostatycznych. Przykładem jest w pełni obrotowa koparka łopatowa. W nim obrót stołu obrotowego i ruch maszyny zapewniają silniki hydrauliczne z
grupa zaworów.
Strukturalnie skrzynka zaworowa jest instalowana bezpośrednio na silniku hydraulicznym. Zasilanie obwodu przekładni hydrostatycznej z pompy hydraulicznej pracującej na otwartym obwodzie hydraulicznym odbywa się za pomocą zaworu hydraulicznego.
Ryż. 6. Schemat hydrostatycznego obwodu przekładni zasilanego z otwartego układu hydraulicznego
Zapewnia przepływ mocy płynu roboczego do obwodu przekładni hydrostatycznej w kierunku do przodu lub do tyłu. Schemat takiego obwodu hydraulicznego pokazano na rys. 6.
Tutaj zmiana objętości roboczej silnika hydraulicznego realizowana jest za pomocą nurnika sterowanego suwakiem sterującym. Suwak pilota może być sterowany zewnętrznym sygnałem sterującym przesyłanym przez kanał X lub wewnętrznym sygnałem z rozdzielacza OR.
Zaraz po doprowadzeniu do przewodu ciśnieniowego układu hydraulicznego przepływu mocy płynu roboczego, rozdzielacz „OR” otwiera dostęp do sygnału sterującego do końca suwaka sterującego i otwierając okienka robocze kieruje porcja płynu do tłoka napędu bloku cylindrów.
W zależności od ciśnienia w przewodzie tłocznym, przemieszczenie silnika hydraulicznego zmienia się z normalnego położenia w kierunku jego zmniejszenia (wysoka prędkość / niski moment) lub zwiększenia (niska prędkość / wysoki moment). W ten sposób przeprowadzana jest kontrola
ruch.
Jeśli szpula zaworu mocy zostanie przesunięta w przeciwne położenie, zmieni się kierunek przepływu mocy. Zawór rozdzielczy OR przesunie się w inne położenie i wyśle sygnał sterujący do suwaka sterującego z innej linii w obwodzie hydraulicznym. W ten sam sposób odbywa się regulacja silnika hydraulicznego.
Oprócz elementów sterujących ten obwód hydrauliczny zawiera dwa zawory kombinowane (antykawitacyjne i przeciwwstrząsowe) przystosowane do ciśnienia szczytowego 28,0 MPa oraz układ wentylacyjny płynu roboczego, przeznaczony do jego wymuszonego chłodzenia.
Artykuł dotyczy opracowania przekładni buldożerów gąsienicowych o klasie ciągu 10...15 t na gąsienicach.
Najpierw trochę historii. Sama koncepcja „spychacza” powstała pod koniec XIX wieku. i oznaczało potężną siłę, która pokonuje wszelkie bariery. Koncepcję tę zaczęto przypisywać traktorom gąsienicowym w latach 30. XX wieku, w przenośni charakteryzując moc pojazdu gąsienicowego z zamocowaną z przodu metalową osłoną, poruszającą glebę. Jako bazę pierwotnie zastosowano ciągnik rolniczy z główną cechą - gąsienicą, zapewniającą maksymalną przyczepność do podłoża. Gąsienica jest zdefiniowana jako niekończąca się szyna. Rosyjscy naukowcy mieli coś wspólnego z jego wynalazkiem, podobnie jak ze wszystkimi kluczowymi fundamentalnymi odkryciami. Jeden z pierwszych patentów został zarejestrowany w Rosji około 1885 roku.
Jedną z cech gąsienicy jest możliwość skrętu poprzez wyłączenie jednego z torów lub zablokowanie go lub zamienienie go w tor przeciwbieżny. Na ryc. 1 przedstawia typowy schemat przekładni mechanicznej, która została zastosowana w pierwszych spycharkach gąsienicowych i jest w użyciu do dziś.
Zalety tego schematu
- prostota konstrukcji urządzenia, wydajność ponad 95%, niski koszt i minimalny czas poświęcony na naprawy. |
 |
W okresie szybkiego wzrostu gospodarki światowej w latach 1955-1965. oraz równolegle z rozwojem technologii obróbki skrawaniem i przemysłu chemicznego, kilku producentów spycharek gąsienicowych zastosowało przekładnię hydromechaniczną (HMT). Został zbudowany na bazie konwertera momentu obrotowego (GTR), który do tego czasu stał się powszechny w lokomotywach spalinowych. HMT na buldożerach był poszukiwany przede wszystkim w klasie ciężkiej: ponad 15 ton ciągu i charakteryzuje się zdolnością do uzyskania maksymalnego momentu przy zerowej prędkości, to znaczy przy maksymalnej przyczepności gąsienicy do podłoża i maksymalnej opór poruszającej się masy gleby. Jedyną i krytyczną wadą, oprócz złożoności technologicznej, pozostały wysokie straty mechaniczne - 20...25% dla jednostopniowego GTE, który jest stosowany w zdecydowanej większości w buldożerach gąsienicowych wykorzystujących HMT. Schemat przekładni hydromechanicznej pokazano na ryc. 2.
Zalety tego schematu- maksymalna możliwa trakcja na torach, prostsze sterowanie w porównaniu z przekładnią mechaniczną, elastyczne połączenie silnika z torem.
Konieczność stosowania drogich planetarnych przekładni i zwolnic jest spowodowana przenoszeniem wyższego momentu obrotowego niż w manualnej skrzyni biegów - nawet dwukrotnie. Schemat GMT jest obecnie stosowany przez wiodących producentów spycharek gąsienicowych Komatsu i Caterpillar. Tylko Czelabińska Fabryka Traktorów zapewnia znaczny udział przekładni mechanicznych, produkując prawie niezmienioną kopię Caterpillar z lat 60. przez ponad 50 lat.
Kolejnym krokiem technologicznym w rozwoju przekładni buldożerów gąsienicowych było zastosowanie schematu „pompa hydrauliczna (HP) – silnik hydrauliczny (GM)” pod ogólnym terminem „przekładnia hydrostatyczna” (GST). Początek powszechnego stosowania GN-GM został ustanowiony przez wojsko podczas ulepszania napędów dział artyleryjskich, gdzie wymagana była duża prędkość ruchu ruchomych części o znacznej masie bezwładności, co wykluczało zastosowanie sztywnego połączenia mechanicznego.
Przekładnia tego typu jest obecnie stosowana głównie w specjalistycznym sprzęcie klasy średniej i ciężkiej: przekładnia hydrostatyczna jest używana przez wszystkich liderów rynku wyposażenia koparek. Zastosowanie GST w koparkach wiąże się z wykonywaniem ich głównej pracy przez siłowniki z hydraulicznym przeniesieniem mocy. Upowszechnianiu GTS sprzyjało także doskonalenie technologii obróbki skrawaniem oraz szerokie zastosowanie olejów syntetycznych wytwarzanych dla zadanych parametrów użytkowania, a także rozwój mikroelektroniki, co pozwoliło na implementację złożonych algorytmów sterowania GTS. Schemat przekładni hydrostatycznej pokazano na ryc. 3.
Zalety tego schematu:
- wysoka wydajność - ponad 93%;
- maksymalna możliwa trakcja na torach jest wyższa niż w GMT ze względu na mniejsze straty;
- lepsza konserwacja ze względu na minimalną liczbę jednostek i ich unifikację przez różnych producentów, którzy na ogół nie produkują gotowych spycharek gąsienicowych;
- zapewnia to również minimalny koszt jednostek;
- najprostsze sterowanie jednym joystickiem, co pozwala na realizację zdalnego sterowania bez przeróbek, w tym z wykorzystaniem komunikacji radiowej;
- elastyczny link silnik-gąsienica;
- małe gabaryty, co pozwala wykorzystać uwolnioną przestrzeń na załączniki;
- możliwość makrokontroli stanu całej przekładni jednym parametrem - temperaturą płynu roboczego;
- maksymalna możliwa manewrowość - zerowy promień skrętu ze względu na przeciwny ruch gąsienic;
- możliwość 100% odbioru mocy dla osprzętu hydraulicznego od standardowej pompy hydraulicznej;
- możliwość taniego oprogramowania, a także modernizacji technologicznej w niedalekiej przyszłości dzięki elementarnemu przejściu na płyn roboczy o nowych właściwościach uzyskanych w oparciu o nanotechnologię.
Pośrednim potwierdzeniem tych zalet jest wybór GST przez lidera niemieckich producentów sprzętu specjalnego firmy Liebherr jako podstawy w projektowaniu wszelkiego sprzętu specjalnego, w tym spycharek gąsienicowych. Tabela wszystkich zalet, wad i cech działania różnych typów przekładni, w tym „nowej” dla Caterpillar i przekładni elektromechanicznej faktycznie wdrożonej w 1959 roku przez fabrykę ChTZ na spychaczu DET-250, znajduje się na stronie strona internetowa www.TM10.ru DST- Ural ”.
 |
 |
Oczywiście czytelnicy zwrócili uwagę na preferencje autorów artykułu. Tak, dokonujemy wyboru na korzyść GTS i wierzymy, że ta właśnie decyzja pozwoli nam przezwyciężyć zapóźnienie technologiczne liderów produkcji sprzętu specjalnego w Rosji i oderwać się od wschodniego sąsiada – Chin, które twierdzą, że łatwo przejąć nasz rynek buldożerów. Nowa spycharka TM z przekładnią opartą na komponentach Bosch Rexroth w klasie ciągu 13...15 t zostanie zaprezentowana przez DST-Ural w lipcu. Masa robocza nowego buldożera pozostanie 23,5 tony, moc - 240 KM. a maksymalny ciąg wynosi 25 ton, co przy 5% opóźnieniu odpowiada analogowi Liebherr PR744 (24,5 tony, 255 KM). Przypomnijmy raz jeszcze o istniejących możliwościach rodzimej inżynierii mechanicznej. Na przykład jako pierwsi na świecie zastosowaliśmy schemat wózków na wózkach wychylnych w 10. klasie spycharek gąsienicowych w produkcji seryjnej. Wcześniej producenci mogli sobie na to pozwolić jedynie w ciężkiej klasie tych maszyn ważących ponad 30 ton, gdzie ceny są wielokrotnie wyższe. Cena rynkowa spychacza TM10 na wózkach wahadłowych z przekładnią hydrostatyczną ma wynieść nie więcej niż 4,5 miliona rubli.