Гидравлические приводы механического оборудования и технологических машин, применяемых в строительстве
Основная функция гидропривода, как и механической передачи, — преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки (преобразование вида движения выходного звена двигателя, его параметров, а также регулирование, защита от перегрузок и др.). Другая функция гидропривода — это передача мощности от приводного двигателя к рабочим органам машины (например, в одноковшовом экскаваторе — передача мощности от двигателя внутреннего сгорания к ковшу или к гидродвигателям привода стрелы, к гидродвигателям поворота башни и т.д.).
Гидропривод представляет собой своего рода «гидравлическую вставку» между приводным двигателем и нагрузкой (машиной или механизмом) и выполняет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ремённая передача, кривошипно-шатунный механизм и т. д.).
В общих чертах, передача мощности в гидроприводе происходит следующим образом:
1. Приводной двигатель передаёт вращающий момент на вал насоса, который сообщает энергию рабочей жидкости.
2. Рабочая жидкость по гидролиниям через регулирующую аппаратуру поступает в гидродвигатель, где гидравлическая энергия преобразуется в механическую.
3. После этого рабочая жидкость по гидролиниям возвращается либо в бак – в открытой схеме циркуляции, либо непосредственно к насосу – в закрытой схеме.
Гидроприводы могут быть двух типов: гидродинамические и гидростатические (объёмные):
- В гидродинамических приводах используется в основном кинетическая энергия потока жидкости.
- В гидростатических приводах используется потенциальная энергия давления рабочей жидкости.
Одна из особенностей, отличающая объёмный гидропривод от гидродинамического, — большие давления в гидросистемах. Так, номинальные давления в гидросистемах экскаваторов могут достигать 32 МПа, а в некоторых случаях рабочее давление может быть более 300 МПа, в то время как гидродинамические машины работают обычно при давлениях, не превышающих 1,5—2 МПа.
Основными достоинствами гидропривода применяемого на строительных машинах являются:
-меньшие массы и габариты гидропривода по сравнению с массой и габаритами механического и электрического приводов;
-возможность создания больших передаточных чисел в объемном гидроприводе;
-бесступенчатое регулирование скорости рабочих движений, дающее возможность повысить коэффициент использования приводного двигателя, упростить его автоматизацию и улучшить условия работы машиниста, удобство управления, которое характеризуется небольшой затратой энергии машиниста независимо от мощности привода и возможностью автоматизации не только отдельных операций, но и целых технологических процессов;
-надежное предохранение от перегрузок приводного двигателя, металлоконструкции и рабочих органов благодаря установке предохранительных и переливных гидроклапанов;
-простота взаимного преобразования вращательного и поступательного движений в системах насос-гидромотор и насос-гидроцилиндр;
-небольшая инерционность гидропривода, обеспечивающая его хорошие динамические свойства, увеличивающая долговечность машины и позволяющая включать и реверсировать рабочие движения за доли секунд. Время рабочего цикла при этом сокращается, вследствие этого повышается производительность машин.
В настоящее время гидравлический привод применяется на всех строительных машинах и роботизированных строительных комплексах и механизмах. Главная область применения гидростатического привода – необходимость больших и очень больших усилий (до 80.000 тонн) при относительно небольших скоростях перемещения (порядка 10 м/с, 3000 об/мин). Поэтому его и устанавливают на рабочие органы экскаваторов, бульдозеров, грейферов автокранов, манипуляторов и погрузчиков, а также как элемент трансмиссии в пневмоколёсных тягачах. Гидродинамический привод за счёт того, что не может обеспечить больших давлений, используется как часть трансмиссии у всех строительных компаний, за исключением Liebherr и некоторых машин John Deere.
На мировом рынке предлагаются бульдозеры, колесные и гусеничные погрузчики с тремя различными системами привода (традиционным гидродинамическим, применяющимся с 1955 г., гидростатическим и гидродинамическим с дифференциалом поворота), которые предусматривают соответственно разные системы управления и тормозов.
В конце 70-х годов компания Liebherr вместе с фирмой Linde разработала гидростатический привод и первая в мире оснастила им все свои бульдозеры. Его основными технологическими преимуществами являются: возможность бесступенчатого регулирования скорости трактора в интервале 0-11 км/час; перемещение грунта по кривой траектории; разворот (вращение) на месте.
Традиционный гидродинамический привод не обладает такими возможностями. Поэтому специалистами различных фирм, таких как Caterpillar, John Deere, JCB, была разработана сложная система гидродинамического привода с дифференциалом поворота, чтобы обеспечить требуемые технологические параметры.
На бульдозерах Liebherr с возрастанием нагрузки гидравлическая система получает дополнительно некоторую часть мощности двигателя, что компенсируется гидростатическим приводом за счет уменьшения скорости движения машины. При этом максимальное тяговое усилие остается в любой ситуации постоянным. Это регулирование осуществляется специальной электронной системой Litronic без участия водителя. В концепции гидродинамического привода с дифференциалом используется обычная тормозная система, которая при работе на откосах подвергается особо сильным нагрузкам и повышенному износу. Независимо от системы управления, гидродинамический привод с дифференциалом при возрастании нагрузки на гидравлику теряет как скорость, так и тяговое усилие. Для повышения тягового усилия механический привод может использовать только понижающую передачу. Еcли этого становится недостаточно, машина резко теряет скорость и существенно падает производительность.
При отсутствии тормозов и сцепления техобслуживание бульдозеров Liebherr дешевле и проще (на всех бульдозерах отсутствуют масленки). Срок службы подшипников гусеничной цепи составляет 12000-13000 мото-часов, их износ — 0,5 мм. Благодаря надёжности и более высокой производительности своих машин компания Liebher заслужила уважение в строительной, горной и дорожной сфере. Их машины поставляются в более 100 стран мира и составляют около 40% мирового рынка.
Независимо от системы управления, гидродинамический привод с дифференциалом при возрастании нагрузки на гидравлику теряет как скорость, так и тяговое усилие. Для повышения тягового усилия механический привод может использовать только понижающую передачу. Еcли этого становится недостаточно, машина резко теряет скорость и существенно падает производительность бульдозера.
Как всякой силе действия есть сила противодействия, так и у множества плюсов использования гидропривода есть свои минусы. К ним можно отнести:
1. Высокую стоимость, особенно гидроприводов с объемным регулированием. Следует заметить, что высокая стоимость - отчасти временное явление, связанное с мелкой серийностью производства гидроприводов.
2. Различный КПД у гидроприводов с различными способами регулирования. Причем у относительно дешевых приводов с дроссельным регулированием КПД весьма низок (0,2-0,3), у приводов с объемным регулированием в среднем 0.7-0.75. Для сравнения, электроприводы постоянного тока имеют КПД 0,55-0,6, высококачественные механические вариаторы до 0,8-0,85.
3. Зависимость механической характеристики и КПД от степени износа, от характера нагрузки на привод и от физических свойств жидкости
Эти обстоятельства в ряде случаев принуждают брать привод заведомо завышенной мощности, что естественно увеличивает его вес и габариты.
4. Относительная сложность агрегатов и высокая точность изготовления отдельных элементов и деталей гидропривода. Для его изготовления нужна высокая культура производства, высококвалифицированные рабочие. Гидроприводы не могут ремонтироваться в полевых условиях.
5. Использование в качестве рабочего элемента (как правило) горючих жидкостей (минеральных масел), что для военной техники является неблагоприятным обстоятельством.
7. Невозможность обеспечения длительной стоянки рабочего органа в заданном положении.