СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ МАШИНЫ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В ЛЕСНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
PROCEDURE AND DEVICE FOR TRANSFER OF POWER OF MACHINE USED IN FORESTRY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу передачи мощности лесозаготовительной машины в соответствии с преамбулой пункта 1 формулы.
Изобретение также относится к устройству для передачи мощности лесозаготовительной машины в соответствии с преамбулой пункта 9 формулы.
Уровень техники
Для передачи мощности перемещающихся рабочих машин, что в данном контексте относится, в частности, к лесозаготовительным машинам, по мере развития технологии использовалось несколько различных устройств. В случае лесозаготовительных машин передачу мощности в зависимости от цели использования можно разделить на два основных класса; с одной стороны, передачу мощности для перемещения самой рабочей машины, так называемой пропульсивной мощности, и, с другой стороны, передачу мощности для исполнительных устройств, входящих в состав рабочей машины, таких как загрузчики, подъемники, валочные головки и т.п.
С начала механической лесозаготовки известны полностью механические решения по передаче мощности, которые основываются на различных переключателях и механических трансмиссиях, что позволяет осуществлять грубое управление направлением движения и скоростью транспортного средства. В этих более ранних лесозаготовительных машинах загрузка фрагментов древесины, таких как бревна, выполнялась вручную или посредством механических подъемных приспособлений, работающих с помощью тросов, например стреловых подъемных систем на базе лебедки.
Значительным прорывом в области технологии лесозаготовительных машин фактически явилась реализация передачи мощности через рабочую среду под давлением, что в данном контексте относится главным образом к гидравлической трансмиссии в устройстве, применяемом для погрузки и обработки древесины. В результате этого был создан так называемый гидравлический поворотный стреловой загрузчик. Фактически гидравлическая трансмиссия заняла положение самого распространенного способа передачи мощности в стреловых компонентах движущихся рабочих установок. Использование гидравлической технологии в этих случаях объясняется высокой удельной мощностью, гибкими способами ее приложения в движущихся компонентах и возможностью простого достижения больших усилий при сохранении управляемости и контроля.
Для обеспечения плавной регулировки скорости при передаче мощности, в свою очередь, были разработаны и получили известность схемы гидродинамической трансмиссии, оснащенные так называемым гидротрансформатором. Помимо гидротрансформатора передача мощности рабочей установки может также реализовываться с применением автоматической трансмиссии, в частности, включая как компонент, аналогичный гидротрансформатору, так трансмиссию, плавно функционирующую с несколькими значениями передаточного отношения.
Решения по передаче мощности на основе гидротрансформатора все еще используются в трансмиссиях высокой мощности, например в лесозаготовительных машинах, где они применяются для трелевки цельных стволов деревьев. Кроме этого гидродинамическая трансмиссия по-прежнему широко используется в горных машинах, к примеру в самосвалах.
Однако в лесозаготовительных машинах, где применяется так называемый метод CTL (Cut-to-Length; разрезание по заданной длине), несколько лет назад произошел переход к использованию в основном гидростатической трансмиссии в качестве движущей трансмиссии по причине ее лучшей маневренности и более хороших тормозных характеристик. Гидростатическая трансмиссия может также более гибко встраиваться в конструкцию машины, чем описанная выше гидродинамическая трансмиссия. Реализация такой гидростатической движущей трансмиссии может состоять, к примеру, из специфического для колес гидравлического двигателя или гидростатического/механического решения, при котором гидростатическая трансмиссия, обычно состоящая из гидравлического насоса и гидравлического двигателя, из которых, по меньшей мере, один компонент обычно имеет регулируемый объем, располагается между первичным источником мощности рабочей установки и традиционной механической трансмиссией.
Однако недостатком гидростатической трансмиссии может считаться ее низкая эффективность, особенно на высоких скоростях. Кроме этого эффективность значительным образом варьируется в зависимости от нагрузки.
Недавно были проанализированы способы электрической реализации передачи движущей мощности для различных рабочих установок, в соответствии с которыми передача мощности может быть реализована либо частично, либо даже полностью на основе электрической схемы. Интерес к электрической трансмиссии в особенности возрос по причине ее высокой эффективности и возможности использования электрических двигателей для торможения и в этой связи даже для их применения в плане рекуперации энергии. Соответственно, известны тяжелые рабочие установки, такие как горные и карьерные машины, передача движущей мощности в которых реализована полностью электрически. С другой стороны, также известны гибридные решения, например, для легковых автомобилей, в которых эффект передачи движущей мощности достигается частично посредством электрического двигателя, а частично за счет традиционного двигателя внутреннего сгорания. Пример такого решения приведен в патенте ЕР 1034968.
Однако при анализе лесозаготовительных машин можно сделать вывод, что замена гидростатической трансмиссии электрической трансмиссией не обязательно приводит к серьезному увеличению общей эффективности лесозаготовительной машины. Она также не обеспечивает другие особенно важные преимущества в рабочей среде лесозаготовительной машины. На практике для реализации такой передачи движущей мощности потребовались бы, по меньшей мере, две параллельные высокопроизводительные трансмиссионные системы в лесозаготовительной машине.
В случае лесозаготовительных машин, в частности, проблемы, вызываемые электрической трансмиссией, являются прежде всего результатом очень высоких требований по мгновенной мощности со стороны различных стреловых систем, подъемников, погрузчиков, валочных устройств и других деревообрабатывающих устройств к первичному источнику мощности рабочей установки. Таким образом, обнаруживается, что первичный источник мощности работает в ситуации, когда источник питания с точки зрения максимальной мощности, требуемой для лесозаготовительной машины, нагружается очень неравномерно. В течение части рабочего времени лесозаготовительной машины источник питания даже имеет весьма незначительную частичную нагрузку.
Упомянутые выше функции различных стреловых систем, подъемников, погрузчиков, валочных устройств и других деревообрабатывающих устройств лесозаготовительной машины, однако, чрезвычайно трудно реализовать без передачи гидравлической мощности, передаваемой через рабочую среду под давлением. В этих случаях преимущество гидравлической трансмиссии, в частности, заключается в ее очень большой удельной мощности и хорошей регулируемости. Более того, упомянутые выше гидравлически реализованные функции наиболее часто являются очень критическими с точки зрения функционирования и производительности лесозаготовительной машины Например, при изучении форвардера обнаружено, что погрузчик в нем используется в течение значительной части рабочего времени, что предъявляет высокие требования к источнику питания.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается, таким образом, в создании способа и устройства для его реализации в качестве абсолютно нового типа решения вышеупомянутых проблем, связанных с недостатками известных из уровня техники устройств. Данная задача решается с помощью способа и устройства для передачи мощности лесозаготовительной машины, охарактеризованных в формуле изобретения.
Если говорить более конкретно, способ по изобретению в основном характеризуется признаками отличительной части пункта 1 формулы. Устройство для реализации способа согласно изобретению, в свою очередь, в основном характеризуется признаками отличительной части пункта 9 формулы.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.
Соответственно, изобретение основано на идее реализации передачи мощности лесозаготовительной машины путем преобразования, по меньшей мере, части мощности, вырабатываемой первичным источником мощности лесозаготовительной машины, например, с помощью электрического генератора, в электрическую энергию. Эта электрическая энергия может сохраняться в устройстве аккумулирования и использоваться повторно, предпочтительно для генерации мощности, передаваемой через рабочую среду под давлением, например, с помощью гидравлического насоса. Особенно предпочтительно, чтобы электрическая энергия сохранялась в требуемом месте в батарее, расположенной в рабочей машине, или в другом известном устройстве, которое позволяет накапливать электрическую энергию, или в комбинации этих устройств, откуда она может при необходимости использоваться.
Изобретение дает значительные преимущества. Соответственно, оно позволяет увеличить общую эффективность лесозаготовительной машины и в то же время упрощает ее конструкцию, обеспечивая более легкую, чем раньше, установку компонентов в конструкцию лесозаготовительной машины. Кроме этого решение в рамках изобретения обеспечивает более равномерную нагрузку первичного источника мощности в лесозаготовительной машине несмотря на то, что мгновенный уровень мощности, требуемый на различных этапах работы лесозаготовительной машины, может значительно варьироваться.
Достигнутое таким образом выполнение требований к мгновенным пиковым значениям мощности позволяет значительным образом уменьшить размеры первичного источника мощности по сравнению с известными решениями. Это серьезное преимущество, например, с точки зрения общей экономии топлива лесозаготовительной машины и ее веса. Естественно, источник мощности более малых размеров также обеспечивает снижение нагрузки лесозаготовительной машины, уровня шума и вибрации, вызванного источником мощности, что приводит к конструктивным преимуществам.
Соответственно, изобретение позволяет направлять значительно большую мощность в систему, особенно во время кратковременных пиковых потребностей в мощности со стороны деревообрабатывающих устройств в лесозаготовительной машине, чем позволило бы расчетное максимальное значение мощности одного первичного источника мощности, без прерывания остальных операций лесозаготовительной машины. Это возможно, поскольку требуемая дополнительная мощность может быть получена в форме электрической энергии, хранящейся в зарядных устройствах. При необходимости эта электрическая энергия может далее преобразовываться в гидравлическую мощность, которая передается в деревообрабатывающее устройство с помощью гидравлического насоса, приводимого в действие, например, электрическим двигателем.
В случае описываемого типа перед производителем лесозаготовительной машины возникает возможность оптимизировать размер первичного источника мощности для своих целей. Такой первичный источник мощности может действительно функционировать с максимально возможной эффективностью, например, с наиболее подходящей скоростью вращения и нагрузкой. Это также приводит к вышеупомянутому снижению потребления топлива, что приобретает все большее значение с точки зрения владельца и пользователя лесозаготовительной машины, поскольку цены на топливо продолжают расти. Оптимально равномерная и хорошо прогнозируемая нагрузка первичного источника мощности также позволит упростить выполнение ужесточающихся правил по регулированию выбросов.
Поскольку решение в рамках изобретения позволяет выполнять электрическую передачу, по меньшей мере, части мощности, требуемой для реализации гидравлических функций, ближе к точке использования в конструкции рабочей машины, это также в значительной степени позволяет избегать сложных для реализации линий среды под давлением. Помимо конструктивных проблем в таких линиях всегда возникают потери потока и имеется тенденция уменьшения эффективности передачи мощности.
С другой стороны, удивительным преимуществом изобретения является возможность расположения насосов, регулирующих клапанов и устройств лесозаготовительной машины, связанных с системой передачи мощности через рабочую среду под давлением, в одной или нескольких компактных схемах на расстоянии от первичного источника мощности. Это местоположение может быть связано, например, с контейнером для среды под давлением. Такое расположение оказывает значительный эффект на уменьшение уровня шума, например, в кабине управления форвардера, поскольку шумные насосы и клапаны могут быть помещены в некоторых случаях в основание подъемника в лесозаготовительной машине в отличие от известных устройств или даже внутри контейнера для среды под давлением в системе. Соответственно, различные компоненты, связанные с этой системой передачи мощности через рабочую среду под давлением, могут располагаться даже в частях шасси лесозаготовительной машины, отличных от частей, в которых расположены кабина управления и первичный источник мощности.
В известных решениях должны быть установлены с помощью механических соединительных элементов в непосредственной близости от первичного источника мощности один или несколько насосов для создания давления в рабочей среде для передачи мощности для реализации различных функций лесозаготовительной машины. Это приводило к большой и громоздкой конструкции в непосредственной близости от первичного источника мощности, причем установка этой конструкции на шасси лесозаготовительной машины часто представляла определенные трудности. Благодаря решению в рамках изобретения эта конструкция теперь может быть децентрализована. Поскольку сам первичный источник мощности может быть реализован в малогабаритном варианте, то место его расположения в лесозаготовительной машине также может быть изменено.
Другие преимущества, обеспечиваемые изобретением, следуют из подробного описания конкретных вариантов его осуществления.
Краткое описание чертежей
Далее подробно описываются некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
на фиг.1 представлено схематическое изображение устройства для передачи мощности и управления работой исполнительного устройства;
на фиг.2 представлен альтернативный вариант реализации устройства по фиг.1 и
на фиг.3 представлен вид сбоку лесозаготовительной машины.
Осуществление изобретения
Далее будут описаны некоторые предпочтительные варианты осуществления передачи мощности лесозаготовительной машины в соответствии с настоящим способом и устройством со ссылкой на вышеупомянутые чертежи. Устройство состоит из конструктивных компонентов, обозначенных на чертежах номерами, при этом номера на чертежах соответствуют ссылочным номерам, использованным в настоящем описании.
На фиг.1 показано базовое решение настоящего устройства для передачи мощности лесозаготовительной машины. Это устройство представлено в качестве примера в лесозаготовительной машине 1 в соответствии с фиг.3, содержащей переднее и заднее шасси 2 и 3, шарнирно соединенные друг с другом. Переднее шасси включает в себя кабину 4 управления лесозаготовительной машины для управления первичным источником 5 мощности, предназначенным для генерации мощности, необходимой для перемещения и управления лесозаготовительной машиной и ее исполнительными устройствами. На фиг.3 эти исполнительные устройства представлены загрузчиком 6 и соединенным с ним грейфером 7. Компоненты устройства, электрические линии и линии передачи рабочей среды под давлением на фигурах показаны лишь схематически, в упрощенном виде, для иллюстрирования структуры и функционирования устройства.
В отличие от традиционных вариантов в настоящем устройстве для передачи мощности, по меньшей мере, часть мощности, генерируемой первичным источником 5 мощности, направляется в генератор 8, известный per se, где механическая мощность, сгенерированная первичным источником мощности, преобразуется в электрическую энергию. Часть этой энергии немедленно используется для управления лесозаготовительной машиной 1 для ее перемещения из одного местоположения в другое и для управления другими маломощными управляющими и рабочими системами. Однако часть сгенерированной электрической энергии предназначена для сохранения в течение более короткого или более длительного времени в одном или нескольких устройствах 9 аккумулирования электроэнергии, которые представлены традиционными батареями 10, конденсаторами 11 большой емкости или другими устройствами 12, подходящими для аккумулирования электроэнергии, на фиг.1. На этой фигуре также показан блок 13 управления электрической энергией, связанный с устройствами аккумулирования и предназначенный для управления их зарядом и разрядом.
Основной задачей устройств 10-12, предназначенных для аккумулирования электроэнергии, является направление, при необходимости, по меньшей мере, части электрической энергии из устройства 9 в одно или несколько устройств 14 преобразования с целью использования хранящейся электрической энергии для генерации мощности, передаваемой рабочей средой под давлением, в одном или нескольких местоположениях. Соответственно, в устройстве согласно изобретению предусмотрены блоки генерации энергии, работающие параллельно первичному источнику 5 мощности лесозаготовительной машины 1. С другой стороны, энергия, сгенерированная первичным источником мощности, может таким образом преобразовываться в электрическую энергию и использоваться немедленно, например, для управления лесозаготовительной машиной. Соответственно, лесозаготовительная машина может использоваться в течение ограниченного периода времени без работы первичного источника мощности. С другой стороны, электрическая энергия из устройства 9 аккумулирования может предпочтительным образом применяться для удовлетворения кратковременно увеличивающихся потребностей в энергии.
В последнем случае указанная увеличивающаяся потребность в энергии может быть удовлетворена либо немедленно с помощью электрической энергии из устройства 9, либо, в качестве альтернативного варианта, эта электрическая энергия преобразуется в мощность, передаваемую через рабочую среду под давлением, с помощью средств, предусмотренных в лесозаготовительной машине 1 для этой цели, предпочтительно в гидравлическую энергию для управления исполнительными устройствами лесозаготовительной машины. Естественно, можно преобразовывать электрическую энергию, применяемую для управления лесозаготовительной машиной, в гидравлическую энергию, например, путем использования устройства 14 преобразования, связанного с колесами 15 лесозаготовительной машины.
Мощность, передаваемая через рабочую среду под давлением, сгенерированная в устройстве 14 преобразования, предусмотренном в устройстве согласно изобретению, применяется, в частности, для управления устройством обработки древесины в лесозаготовительной машине 1, например подъемником с передачей мощности через рабочую среду под давлением, загрузчиком 6, стреловыми системами, или для использования устройства обработки древесины, например валочного устройства или грейфера 7, в качестве оконечного устройства. Естественно, можно также управлять этими устройствами только частично с помощью мощности, передаваемой через рабочую среду под давлением, которая генерируется в устройствах преобразования, или использовать ее только для управления исполнительным устройством, обеспечивающим одно рабочее движение устройства обработки древесины в лесозаготовительной машине.
Устройство 14 преобразования предпочтительно включает в себя насосный блок 16 для создания давления в среде, используемой в средствах передачи мощности через рабочую среду под давлением лесозаготовительной машины, и электрический двигатель 17 для приведения в действие указанного блока, который представляет собой, например, двигатель с постоянными магнитами или короткозамкнутый двигатель. Специальный блок 18 управления применяется для управления работой электрического двигателя. Если насосный блок относится к типу с регулируемым расходом, то создаваемый им объемный поток можно регулировать изменением как скорости вращения, так и вращательного объема. Если устройство преобразования, применяемое для создания мощности, передаваемой через рабочую среду под давлением, включает в себя насосный блок с фиксированным расходом, предпочтительно осуществлять регулировку его объемного потока путем установки скорости вращения электрического двигателя, применяемого для приведения в действие насосного агрегата. Скорость такого электрического двигателя управляется, например, преобразователем частоты, соединенным с системой. Это решение позволяет использовать в устройствах преобразования шестеренные насосы, имеющие небольшую стоимость, и другие насосы с фиксированным расходом, имеющие небольшую стоимость.
Если устройство 14 преобразования, применяемое для генерации гидравлической мощности, содержит насосный блок 16, имеющий регулируемый расход, для управления насосным блоком может использоваться электрический двигатель 17, предпочтительно вращающийся со скоростью вращения, оптимальной для данной цели.
Первичный источник 5 мощности лесозаготовительной машины 1 связан с генератором 8. Для достижения компактности генератор может даже быть встроен непосредственно в сам первичный источник мощности.
Особым преимуществом, достигаемым при использовании устройства, следует считать возможность расположения устройства 14 преобразования, применяемого для получения мощности, передаваемой через среду под давлением, почти в любом месте лесозаготовительной машины 1. Соответственно, по меньшей мере, одно устройство преобразования может быть размещено в непосредственной близости от контейнера для среды под давлением в лесозаготовительной машине. Устройство преобразования может даже устанавливаться внутри такого контейнера, причем шум, создаваемый этим устройством, будет в значительной мере ослабляться. Может быть также выбрано решение, при котором устройство преобразования и электрический двигатель 17 располагаются на заднем шасси 3 в лесозаготовительной машине. Такое разделение устройства преобразования и первичного источника 5 мощности упрощает конструкцию лесозаготовительной машины, особенно форвардера, обеспечивая лучшее, чем ранее, распределение веса лесозаготовительной машины.
Устройство 14 преобразования и насосные блоки 16 и электрические двигатели 17 могут даже располагаться в основании 19 загрузчика 6, установленного на заднем шасси 3, для предотвращения необходимости использовать длинные линии среды передачи давления.
Одно или несколько устройств 9 аккумулирования по фиг.1 и 2 предпочтительно размещаются внутри или в соединении с задним шасси 3 лесозаготовительной машины 1.
На фиг.2 показан альтернативный вариант осуществления настоящего устройства. Устройство включает в себя те же самые основные компоненты, что и на фиг.1, с использованием, однако, некоторых дополнительных функций. Соответственно, на фиг.2 показано устройство, в котором первичный источник 5 мощности лесозаготовительной машины 1 применяется не только для генерации электрической энергии, но также для генерации мощности, передаваемой через среду под давлением посредством гидравлического насоса 20, подключенного к первичному источнику мощности. Генерируемая таким образом мощность, передаваемая через среду под давлением, может использоваться как для управления лесозаготовительной машиной, так и для управления находящихся в ней устройств. Мощность, передаваемая через среду под давлением, может даже частично использоваться для управления теми же устройствами, применяемыми для обработки древесины, которые в противном случае приводятся в действие электрической энергией, генерируемой с помощью устройства 14 преобразования из мощности, передаваемой через среду под давлением.
На фиг.2 также показана схема, в которой устройство 14 преобразования, используемое для генерации мощности, передаваемой через среду под давлением, включает в себя насосный блок 21, представляющий собой двигатель насоса, вращающийся в обоих направлениях. Электрический двигатель 17, приводящий в действие этот двигатель насоса, также используется для рекуперации энергии, в соответствии с чем он представляет собой генератор, который подает электрическую энергию в устройство 9 аккумулирования. В этом случае, например, когда нагрузка, гидравлически поддерживаемая в загрузчике 6, уменьшается, обратный поток в среде под давлением может использоваться таким образом, чтобы заключенная в нем энергия могла преобразовываться в электрическую энергию Естественно, производимая таким образом электрическая энергия может также направляться для использования электрическими приводами 22, входящими в систему, или сохраняться в устройстве аккумулирования электроэнергии.
Устройство для передачи мощности лесозаготовительной машины 1 в соответствии с фиг.1 и 2 функционирует следующим образом. Мощность, необходимая для перемещения и управления лесозаготовительной машиной и находящимися в ней приводами, генерируется в первичном источнике 5 мощности лесозаготовительной машины, а рабочие команды, передаваемые устройствами 23 управления, принимаются от пользователя лесозаготовительной машины. По меньшей мере, часть этой механической мощности, которая генерируется первичным источником мощности, управляемым блоком 24 управления двигателем (engine control unit, ECU), преобразуется с помощью генератора 8 в электрическую энергию, которая, по меньшей мере, частично сохраняется в одном или нескольких устройствах 9 аккумулирования электроэнергии, входящих в состав лесозаготовительной машины. Это хранение может быть кратковременным и долговременным. Такое устройство аккумулирования позволяет выполнять разряд электрической энергии, хранящейся в нем, даже в течение очень короткого времени, при необходимости, если потребность лесозаготовительной машины в энергии внезапно возрастает.
Когда требования к мощности лесозаготовительной машины 1 возрастают и превышают возможности генерации первичного источника 5 мощности, часть электрической энергии направляется из устройства 9 аккумулирования в одно или несколько устройств 14 преобразования. В таком устройстве преобразования электрическая энергия применяется для генерации мощности, передаваемой через среду под давлением, предпочтительно гидравлической мощности. Эта мощность, передаваемая через среду под давлением, направляется в один или несколько приводов, расположенных в разных местах лесозаготовительной машины. В приводе мощность, передаваемая через рабочей среду под давлением, используется для реализации функции, реализуемой за счет среды под давлением, или для улучшения функционирования. В результате мощность, передаваемая через рабочую среду под давлением, используется либо для полного, либо, по меньшей мере, для частичного управления, например, устройством, которое обрабатывает древесину в лесозаготовительной машине. Мощность, передаваемая через рабочую среду под давлением, может также использоваться для управления одним рабочим движением в деревообрабатывающем устройстве в составе лесозаготовительной машины. Решение обеспечивает высокую эффективность, поскольку такая система передачи мощности через среду под давлением может быть функционально оптимизирована для каждой функции.
Когда режим рекуперации энергии организован, по меньшей мере, в одном таком устройстве 14 преобразования электрической энергии, экономия топлива в лесозаготовительной машине 1 может быть в значительной степени увеличена. Способ рекуперации энергии таков, что структура вышеупомянутого устройства преобразования позволяет использовать его также для преобразования мощности среды передачи и для ее направления обратно в электрическую систему для использования электрическими приводами или для сохранения в устройстве 9 аккумулирования.
Для специалиста в этой области техники очевидно, что по мере развития технологии базовая идея вышеописанного способа и устройства для его осуществления может быть реализована многими путями. Следовательно, представленное решение и варианты его осуществления не ограничиваются описанными примерами, а могут варьироваться в пределах области, определенной формулой изобретения. Например, очевидно, что различные решения связаны с генератором, электрическим двигателем и компонентами хранения электроэнергии, которые отдельно в данном контексте не описываются.