САМОХОДНАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ МАШИНА
SELF-PROPELLED CONSTRUCTION MACHINE

Изобретение относится к самоходной строительной машине, содержащей ходовую часть, колеса или гусеничные движители.
В дорожном строительстве используются самоходные строительные машины различной конструкции. К этим машинам относятся известные дорожно-фрезерные машины, ресайклеры или стабилизаторы. С помощью известных дорожно-фрезерных машин снимаются имеющиеся слои верхнего строения пути, а с помощью известных ресайклеров существующие дорожные покрытия восстанавливаются. Известные стабилизаторы служат для подготовки нижнего строения для дорожного строительства. Кроме того, в качестве самоходных строительных машин известны так называемые карьерные комбайны для отбойки угля или горной породы.
Вышеупомянутые самоходные строительные машины содержат вращающийся фрезерный или режущий барабан, с помощью которого снимается материал.
Привод фрезерного или режущего барабана требует относительно большой мощности двигателя. Когда фрезерный или режущий барабан натыкается на особенно твердый материал, мощность, необходимая для привода барабана, может стать настолько большой, что приводной двигатель испытывает перегрузку. Наряду с перегрузкой приводного двигателя при встрече фрезерного или режущего барабана с особенно твердым материалом вследствие ударной нагрузки встает проблема перегрузки элементов привода, а также структуры строительной машины. Эта проблема встает, в частности, в случае карьерного комбайна.
Приводной двигатель в известных строительных машинах является двигателем внутреннего сгорания, в частности дизельным двигателем, характеристика которого описывается типичной механической характеристикой.
Двигатель внутреннего сгорания работает с определенной частотой вращения, причем опасность заключается в глушении двигателя при перегрузке.
Для передачи приводной мощности с двигателя внутреннего сгорания на колеса или гусеничные движители служит первая ветвь передачи мощности, в то время как для передачи приводной мощности с двигателя внутреннего сгорания на фрезерный или режущий барабан служит вторая ветвь передачи мощности. Обе ветви передачи мощности имеют соответствующие передаточные системы.
Известны самоходные строительные машины, в которых передаточная система ветви передачи мощности для передачи приводной мощности на колеса содержит гидростатическую передачу. Для предотвращения перегрузки двигателя внутреннего сгорания для регулируемой гидростатической передачи предусмотрено регулирующее устройство для регулирования предельной нагрузки.
В ЕР 0497293 А1 описывается способ регулирования предельной нагрузки гидростатического привода для строительной машины. Гидростатический привод содержит приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания гидронасос с регулируемым объемом подачи, который через подсоединенную гидросистему приводит в действие гидростатический двигатель. При угрозе перегрузки двигателя внутреннего сгорания объем подачи гидронасоса сокращается. Регулирование осуществляется в зависимости от фактической частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, измеряемой датчиком частоты вращения на выходном валу двигателя.
Регулирующие устройства для гидростатических приводов строительных машин известны, например, из ЕР 0736708 В1.
В основу изобретения положена задача усовершенствования эксплуатации самоходной строительной машины при большой нагрузке.
Решение этой задачи осуществляется согласно изобретению с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения, касающихся устройства и, соответственно, способа. Предпочтительные варианты выполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Самоходная строительная машина согласно изобретению отличается тем, что передаточная система для передачи приводной мощности с узла привода, содержащего по меньшей мере один двигатель внутреннего сгорания, на рабочий узел, содержащий по меньшей мере один рабочий агрегат, не имеет обычной муфты переключения передач, с помощью которой может подключаться рабочий узел, а располагает гидродинамической передачей, содержащей первичный и вторичный валы. Гидродинамическая передача имеет то преимущество, что она в значительной степени работает без износа и демпфирует толчки и удары.
Гидродинамические передачи в автомобилях и локомотивах специалисту в общем известны. Эти гидродинамические передачи отличаются от гидростатических передач тем, что передача мощности происходит при больших частотах потока и при низком давлении.
Турбомуфты, работающие по принципу гидродинамической передачи силы, отличаются тем, что между первичным и вторичным валами существует разница в частоте вращения (проскальзывание). Это проскальзывание при крутящем моменте, полагаемом постоянным, с увеличением частоты вращения вала уменьшается, а при частоте вращения, полагаемой постоянной, с увеличением крутящего момента увеличивается.
У строительной машины согласно изобретению регулирующее устройство выполнено таким образом, что приводная мощность, передаваемая по первой ветви передачи мощности с узла привода на колеса или гусеничные движители, регулируется таким образом, что разница в частоте вращения между первичным и вторичным валами гидродинамической передачи второй ветви передачи мощности соответствует заданной величине. Тем самым, с одной стороны, гарантируется, что двигатель внутреннего сгорания узла привода в диапазоне предельных нагрузок не перегрузится, а, с другой стороны, что самоходная строительная машина под ударной нагрузкой не испытает никакой перегрузки элементов привода, а также структуры строительной машины.
Если фрезерный или режущий барабан самоходной строительной машины натыкается на особенно твердый материал, приводная мощность или скорость подачи строительной машины сокращается, так что двигатель внутреннего сгорания не перегружается. При этом гидродинамическая передача работает с постоянным проскальзыванием.
1
2
Для строительной машины согласно изобретению несущественно, как осуществляется регулирование приводной мощности, передаваемой на колеса или гусеничные движители. В предпочтительном варианте выполнения, в котором первая ветвь передачи мощности содержит передаточную систему, имеющую регулируемую гидростатическую передачу, регулируемая гидростатическая передача регулируется таким образом, что разница ∆=n-n в частоте вращения между первичным и вторичным валами гидродинамического привода соответствует заданной величине. В случае привода, содержащего генератор и электродвигатель, приводная мощность может регулироваться, например, с помощью преобразователя частот.
Предпочтительный вариант выполнения изобретения предусматривает устройство, с помощью которого могут задаваться различные режимы работы, в частности, первый и второй режимы работы. Задание может осуществляться вручную с помощью блока ввода или автоматически с помощью блока управления. Устройство для задания обоих режимов работы выполнено таким образом, что регулирующее устройство в первом режиме работы дезактивировано, а во втором режиме работы - активировано. Следовательно, регулирование согласно изобретению может быть включено или отключено. Таким образом, работу машины с определенным проскальзыванием в гидродинамической передаче ветви передачи мощности для привода рабочего узла можно предусматривать лишь в том случае, если имеет место угроза перегрузки рабочего узла.
В первом режиме работы, при котором регулирующее устройство дезактивировано, может происходить обычное регулирование предельной нагрузки. Если вдруг из-за более твердой породы скорость подачи строительной машины пришлось бы уменьшить на определенную величину, можно осуществить переключение на второй режим работы, в котором регулирующее устройство активировано. Переключение может происходить автоматически, если частота подачи сравнивается с заданной предельной величиной. В случае опускания ниже предельной величины осуществляется переключение с первого рабочего режима на второй. Следовательно, происходит переключение с регулирования предельной нагрузки на регулирование частичной нагрузки.
Для регулирования согласно изобретению несущественно, какую конструкцию имеет гидродинамическая передача. Решающим является лишь то, чтобы передача имела проскальзывание, зависящее от частоты вращения или крутящего момента. Следовательно, могут быть использованы все гидродинамические передачи, известные специалисту. В особенно предпочтительном варианте выполнения изобретения гидродинамической передачи является турбомуфта.
Передаточная система ветви передачи мощности для передачи приводной мощности узла привода на колеса или гусеничные движители, предпочтительно, содержит по меньшей мере один гидронасос с регулируемым объемом подачи, соединенный посредством гидравлических линий по меньшей мере с одним гидромотором для привода колес или гусеничных движителей. В этом варианте выполнения объем подачи гидронасоса с помощью регулирующего устройства устанавливается таким образом, что разница в частоте вращения между первичным и вторичным валами гидродинамической передачи для передачи приводной мощности с узла привода на рабочий узел соответствует заданной величине.
Для изобретения не имеет решающего значения, как выполнена регулируемая гидростатическая передача трансмиссии для привода колес или движителей. Решающее значение имеет только то, чтобы передача была регулируемой, так чтобы приводная мощность строительной машины изменялась. Наряду с гидродинамической передачей передаточная система ветви передачи мощности для передачи приводной мощности с узла привода на рабочий узел имеет и другие передачи. Предпочтительно, чтобы эта ветвь передачи мощности имела также передачу с гибкой связью, приводной элемент которой соединен с вторичным валом гидродинамической передачей, а элемент отбора мощности - с рабочим агрегатом рабочего узла.
Передаточная система ветви передачи мощности для передачи приводной мощности с рабочего узла на колеса или гусеничные движители может иметь также другие передачи, в частности насосную распределительную передачу для привода других агрегатов строительной машины, например подъемных колонн для установки по высоте, частичных приводов для управления или водяного насоса.
Ниже более подробно поясняется пример выполнения изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:
фиг.1 изображает пример самоходной строительной машины и большую фрезу в разрезе,
фиг.2 - обе ветви передачи мощности для привода колес или гусеничных движителей и рабочего узла самоходной строительной машины в упрощенном схематичном виде,
фиг.3 - крутящий момент, передаваемый гидродинамической передачей в зависимости от разницы в частоте вращения между первичным и вторичным валами гидродинамической передачи и
фиг.4 - крутящий момент в зависимости от частоты вращения двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.1 в качестве примера самоходной строительной машины изображена так называемая большая фреза для фрезерования дорожных покрытий из асфальта, бетона и т.п. Большая фреза содержит установленную на ходовой части 1 раму 2 машины с постом 2А управления. Ходовая часть 1 фрезерной машины содержит, например, четыре гусеничных движителя 1А, 1В, установленные с передней и задней сторон по обе стороны транспортного средства. Вместо гусеничных движителей могут быть предусмотрены также колеса. Гусеничные движители 1А, 1В закреплены на подъемных колоннах 3, установленных на раме 2 машины.
Дорожно-фрезерная машина располагает рабочим узлом 4, имеющим рабочий агрегат 4А. В случае рабочего агрегата речь идет о фрезерном барабане 4А, снабженном фрезерными зубцами. Фрезерный барабан 4А установлен на раме 2 машины между передними и задними гусеничными движителями 1А, 1В.
Для привода фрезерного барабана 4А фрезерная машина располагает узлом 5 привода, содержащим двигатель 5А внутреннего сгорания. Двигатель 5А внутреннего сгорания наряду с фрезерным барабаном 4А приводит в действие также гусеничные движители 1А, 1В, а также другие агрегаты фрезерной машины.
На фиг.2 изображены обе ветви передачи мощности для передачи приводной мощности узла 5 привода на колеса или гусеничные движители 1А, 1В и на фрезерный барабан 4А. На фиг.2 колеса или гусеничные движители изображены лишь схематично.
Частота вращения двигателя внутреннего сгорания 5А задается водителем транспортного средства обычным образом с помощью педали 17 акселератора. Во время работы строительной машины водитель транспортного средства задает посредством педали 17 акселератора частоту вращения, с которой двигатель внутреннего сгорания с экономической точки зрения эксплуатируется оптимально. Вместо педали 17 акселератора может быть предусмотрен также установочный рычаг.
Для передачи приводной мощности с узла 5 привода на гусеничные движители 1А, 1В служит первая ветвь I передачи мощности 5, в то время как для передачи приводной мощности с узла 5 привода на фрезерный барабан 4 служит вторая ветвь II передачи мощности. Обе ветви I и II передачи мощности содержат соответствующие передаточные системы 6, 7, подробно описываемые ниже.
Приводной вал 8 двигателя внутреннего сгорания 5А соединен с помощью насосной распределительной передачи 9 с первичным валом 10А гидродинамической передачи 10, в частности турбопередачи. Вторичный вал 10В гидродинамической передачи 10 соединен с приводным элементом 11А передачи 11 с гибкой связью, элемент 11В отбора мощности которой соединен с приводным валом 4АВ фрезерного барабана 4А. Следовательно, фрезерный барабан 4А приводится во вращение механически от двигателя внутреннего сгорания 5А с помощью гидродинамической передачи 10 и передачи 11 с гибкой связью. Между передачей 11 с гибкой связью и фрезерным барабаном 4А может быть предусмотрена еще и планетарная передача 21.
Механизмом для перемещения у фрезерной машины является гидравлический привод. Насосная распределительная передача 9 посредством вала 12 соединена с гидронасосом 13, объемный расход которого устанавливается в зависимости от сигнала управления. Гидронасос 13, в свою очередь, посредством гидравлических линий 14 соединен с гидромотором 15, приводящим в действие гусеничные движители 1А, 1В. Вместо гидронасоса и гидромотора могут быть предусмотрены также несколько гидронасосов и/или несколько гидромоторов, предусмотренных для отдельных гусеничных движителей. Такие системы привода специалисту известны.
1
2
1
2
1
2
Перестановочный механизм для установки объема подачи гидронасоса 13 подробно не показан. Установка объема подачи гидронасоса 13 осуществляется в зависимости от сигнала управления регулирующего устройства 16. Регулирующее устройство 16 по линии 16А соединено с датчиком 17А, индицирующим положение педали 17 акселератора. Кроме того, регулирующее устройство 16 по линии 16В соединено с датчиком 18 частоты вращения, установленным на первичном валу 10А гидродинамической передачи 10. По линии 16С регулирующее устройство 16 соединено с датчиком 19 частоты вращения, установленным на вторичном валу 10В гидродинамической передачи 10. Датчик 18 частоты вращения измеряет число n оборотов на первичном валу 10А, а датчик 19 частоты вращения - число n оборотов на вторичном валу 10В гидродинамической передачи 10. Регулирующее устройство 16 рассчитывает по числам n и n оборотов разницу ∆=n-n в частоте вращения, соответствующую проскальзыванию гидродинамической передачи 10.
Регулирующее устройство 16 по линии 16D соединено с устройством 20 для задания двух режимов работы. Если водитель транспортного средства задает, например, первый режим работы, то регулирование согласно изобретению, которое еще будет подробно описано ниже, не активизировано, в то время как во втором режиме работы регулирование активизировано. Водитель транспортного средства будет активизировать регулирование согласно изобретению всегда тогда, когда существует опасность перегрузки двигателя внутреннего сгорания.
Опасность перегрузки или даже глушения двигателя внутреннего сгорания в принципе существует особенно тогда, когда фрезерный барабан натыкается на особенно твердый материал и колеса или гусеничные движители дорожно-фрезерной машины приводятся в действие на полную мощность.
1
2
Если регулирование активизировано, объемный расход гидронасоса 13 устанавливается регулирующим устройством 16 таким образом, чтобы разница (проскальзывание) ∆=n-n в частоте вращения была равна заданной величине. Эта величина может задаваться водителем транспортного средства. Задание этой величины может осуществляться, например, в непоказанном блоке ввода. Величина проскальзывания может вводиться, например, с клавиатуры или тому подобного. Блок ввода может задавать даже набор различных величин для проскальзывания, из которых водитель транспортного средства может выбрать одну величину. В простейшем случае блоком ввода может быть переключатель с несколькими положениями включения, который включается водителем транспортного средства для выбора определенного проскальзывания. Однако возможно также, чтобы для проскальзывания регулирующим устройством задавалась постоянная величина, которая не изменялась бы водителем транспортного средства.
1
2
На фиг.3 изображена зависимость крутящего момента, передаваемого гидродинамической передачей 10, от проскальзывания ∆=n-n для трех различных частот вращения двигателя внутреннего сгорания (2100, 1800 и 1500 [1/мин]). По оси X отложено проскальзывание [%], а по оси Y отложен крутящий момент [нм]. Оказывается, что при определенной частоте вращения с заданием определенного проскальзывания может передаваться определенный крутящий момент гидродинамической передачи. Если двигатель внутреннего сгорания вращается, например, с частотой вращения 2100/мин, то при задании проскальзывания около 1,6% передается крутящий момент порядка 3000 нм. Если для проскальзывания выбирается меньшая частота вращения, например 1800 или 1500/мин, то при том же проскальзывании около 1,6% передается меньший крутящий момент, составляющий около 2200 или 1300 нм.
В отличие от обычного регулирования предельной нагрузки регулирование согласно изобретению позволяет водителю транспортного средства задавать определенный крутящий момент путем установки определенного проскальзывания при определенной частоте вращения, которую водитель транспортного средства также может выбирать, не перегружая двигатель внутреннего сгорания. Водитель транспортного средства для оптимальной эксплуатации строительной машины может задавать проскальзывание и частоту вращения независимо друг от друга. Это будет подробно пояснено ниже.
Водитель транспортного средства сначала приведением в действие педали 17 акселератора или установочного рычага задает двигателю внутреннего сгорания 5А определенную частоту вращения. Во время нормального режима строительной машины управление 5В двигателем внутреннего сгорания 5А выдерживает частоту вращения, заданную водителем транспортного средства, насколько это позволяет мощность двигателя.
С заданием двигателю внутреннего сгорания определенной частоты вращения водитель транспортного средства задает также частоту резания, с которой вращаются фрезерные зубцы фрезерного барабана, приводимого во вращение двигателем внутреннего сгорания. Водитель транспортного средства может задавать частоту вращения двигателя внутреннего сгорания в зависимости от фрезеруемого материала. Водитель транспортного средства при более мягкой породе может задавать, например, большую частоту вращения, а при более твердой породе - меньшую частоту вращения, так чтобы фрезерный барабан при более твердой породе вращался медленнее, чем при более мягкой породе.
Если фрезерным зубцам фрезерного барабана пришлось бы вдруг наткнуться на особенно твердую породу, то у строительных машин при обычном регулировании предельной нагрузки на практике возникают проблемы. Допустим, что водитель транспортного средства для определенной твердости породы задает двигателю внутреннего сгорания определенную частоту вращения, а фрезерным зубцам тем самым определенную частоту резания. Когда затем фрезерные зубцы фрезерного барабана вдруг натыкаются на породу, которая тверже, чем порода, для которой водитель транспортного средства задал определенную частоту вращения, частоту подачи строительной машины для поддержания постоянства частоты вращения, соответственно, сокращается.
На фиг.4 для двигателя внутреннего сгорания изображена характерная зависимость между крутящим моментом и частотой вращения. По оси X отложена частота вращения [1/мин], а по оси Y отложен крутящий момент [нм]. При обычном регулировании предельной нагрузки рабочие точки двигателя внутреннего сгорания в диапазоне предельных нагрузок задаются характеристикой крутящего момента - частоты вращения (крышеобразная кривая). Регулирование предельной нагрузки происходит таким образом, чтобы рабочие точки двигателя внутреннего сгорания в диапазоне предельных нагрузок располагались на крышеобразной кривой 200. Правда, водитель транспортного средства может задавать различные частоты вращения. Однако заданием определенной частоты вращения водитель транспортного средства задает также определенный крутящий момент, вытекающий из крышеобразной кривой.
Если частота вращения двигателя внутреннего сгорания и тем самым частота резания фрезерных зубцов в диапазоне предельных нагрузок выдерживается постоянной, фрезерные зубцы осуществляют фрезерование с чересчур высокой частотой, так что существует опасность повреждения фрезерных зубцов.
При обычном регулировании предельной нагрузки у водителя транспортного средства в принципе имеется возможность эксплуатации двигателя внутреннего сгорания в диапазоне предельных нагрузок с более низкой частотой вращения, т.е. с более низкой частотой резания фрезерных зубцов. Если водитель транспортного средства устанавливает для двигателя внутреннего сгорания более низкую частоту вращения, то в результате характерного для двигателя внутреннего сгорания соотношения между крутящим моментом и частотой вращения крутящий момент двигателя внутреннего сгорания возрастает. Однако на практике при чересчур большом крутящем моменте в результате ударной нагрузки элементы привода, а также структура строительной машины могут быть перегружены. Дело в том, что увеличение крутящего момента предполагает, что строительная машина уже своим собственным весом может создавать действующую на опорную поверхность достаточную силу, которая соответствует большому крутящему моменту.
1
2
В отличие от обычного регулирования предельной нагрузки регулирующее устройство 16 согласно изобретению предусматривает, чтобы регулируемая гидростатическая передача 13, 14, 15 регулировалась таким образом, т.е. чтобы скорость подачи строительной машины устанавливалась таким образом, чтобы проскальзывание ∆=n-n принимало заданную величину. Таким образом, водитель транспортного средства может задавать для проскальзывания определенную величину. При этом водитель транспортного средства может также изменять частоту вращения.
Путем задания определенного проскальзывания и изменения частоты вращения водитель транспортного средства может эксплуатировать двигатель внутреннего сгорания строительной машины в разных рабочих точках, располагающихся ниже крышеобразной кривой (фиг.4). Таким образом, обычного регулирования предельной нагрузки, при котором рабочие точки располагаются в диапазоне предельных нагрузок на крышеобразной кривой, не происходит. Следовательно, увеличение крутящего момента не связано с изменением частоты вращения (фиг.4).
На практике водитель транспортного средства при более твердой породе выберет меньшую частоту вращения, а при более мягкой породе - большую частоту вращения. Заданием определенного проскальзывания, которое водитель транспортного средства может устанавливать независимо от заданной частоты вращения, водитель транспортного средства может выбирать оптимальную рабочую точку, расположенную ниже крышеобразной кривой.
Допустим, что задается частота вращения 1800 [1/мин]. В этом случае водитель транспортного средства путем установки определенного проскальзывания для двигателя внутреннего сгорания может выбрать рабочие точки, расположенные на линии 100, показанной на фиг.4. При этом крутящий момент, устанавливающийся при заданной частоте вращения и заданном проскальзывании, следует из фиг.3.
Если водитель транспортного средства устанавливает большую или меньшую частоту вращения, он может эксплуатировать двигатель в рабочих точках, расположенных на фиг.4 слева или справа от линии 100. При этом взаимосвязь между частотой вращения, крутящим моментом, проскальзыванием снова вытекает из фиг.3 и 4. Следовательно, водитель транспортного средства может устанавливать все точки, расположенные в диапазоне частот вращения ниже крышеобразной кривой.
1
2
В качестве примера регулирования согласно изобретению предположим, что фрезерные зубцы фрезерного барабана натыкаются на более твердую породу. В этом случае регулированием согласно изобретению приводная мощность регулируется таким образом, чтобы проскальзывание ∆=n-n приняло заданную величину, т.е осталось постоянным. Это приводит к сокращению крутящего момента при частоте вращения, остающейся неизменной (фиг.3). Следовательно, фрезерные зубцы, хотя они эксплуатируются с той же частотой резания, имеют все же меньший крутящий момент.