Система энергосберегающего контурного прогрева элементов гидропривода
SYSTEM OF ENERGY-SAVING CONTOUR HEATING OF HYDRAULIC DRIVE ELEMENTS

Изобретение относится к машиностроению, а именно к гидроприводу машин, работающих в полевых условиях, в частности к элементам гидропривода.
Опыт эксплуатации машин в условиях низких отрицательных температур, а также анализ статистических данных показывает, что около 70% всех отказов приходится на узлы и детали гидропривода, что объясняется не обеспечением тепловых режимов работы элементов гидропривода (гидроцилиндры, гидромоторы, гидронасосы, гидрораспределители и клапанная аппаратура), в связи с использованием гидрофицированных машин в холодных климатических условиях.
При отрицательных температурах окружающей воздуха, необходим прогрев элементов гидропривода перед началом работы машины.
Известна система предпусковой тепловой подготовки ДВС и гидропривода машин [Патент РФ 2258153 С1, МПК F02N 17/06, опубл. 10.08.2005 г.], состоящая из контура тепловой подготовки двигателя и контура тепловой подготовки гидропривода. Контур тепловой подготовки гидропривода включает в себя гидробак с теплообменником для разогрева масла, тепловой аккумулятор, насос гидрораспределитель, гидроцилиндр, причем штоковая и бесштоковая полости гидроцилиндра соединены дополнительной гидролинией с вентилем. Указанная особенность позволяет повысить скорость тепловой подготовки, как двигателя машины, так и гидропривода после длительной стоянки в условиях низких температур окружающего воздуха. Технический результат реализуется путем прямого перетекания разогретой в гидробаке рабочей жидкости (от теплообменника и теплового аккумулятора) по дополнительной гидролинии, соединяющей штоковую и бесштоковую полости гидроцилиндра. Открытый вентиль дополнительной гидролинии позволяет разогретому маслу свободно перетекать по полостям гидроцилиндра, что сокращает время на разогрев элементов гидропривода.
Недостатком данной системы является необходимость прогрева рабочей жидкости в гидробаке, перед тем как начать прогрев гидроцилиндров. Это увеличивает время прогрева гидроцилиндров. Также недостатком указанной конструкции является наличие дополнительно вынесенной на поверхность гидроцилиндра гидролинии с вентилем. Указанная гидролиния является как дополнительным гидравлическим сопротивлением, так и потребителем (рассеивателем) тепла разогретого масла. При вытеснении холодной рабочей жидкости прогретой рабочей жидкостью, необходимо преодолеть большие гидравлические сопротивления.
Известен гидроцилиндр [Патент РФ №2351810, F15B 21/04 (2006/01) опубл. 10.04.2009 г.], содержащий корпус, соединенные поршень и шток, штоковую и бесштоковую полости. Поршень имеет проходной канал, в шток встроены дистанционно управляемый клапан и втулка, также имеющая проходной канал. При разогреве гидропривода дистанционно управляемый клапан воздействует на втулку так, что вызывает ее перемещение до совмещения штоковой и бесштоковой полостей гидроцилиндра посредством объединения проходных каналов поршня и втулки.
Недостатком данной системы является сложность конструкции клапана и необходимость в прогреве рабочей жидкости в гидробаке, перед прогревом гидроцилиндра. Это увеличивает время тепловой подготовки гидропривода.
Известен гидродвигатель [Патент РФ №94649 U1, МПК F15B 21/04 опубл. 27.05.2010 г.] содержащий корпус гидроцилиндра, нагревательный элемент, теплоизоляцию. Прогрев осуществляется за счет использования нагревательного элемента. На гидродвигатель намотан нагревательный элемент, подключенный к источнику электрического тока. При контакте нагревательного элемента с корпусом гидродвигателя происходит передача тепла.
Недостатком указанной системы является использование источников электрической энергии. В условия автономного функционирования машин возможность использования электроэнергии ограничено. Низкая энергоэффективность т.к., используются внешние источники энергии. Отсутствует процесс повторного использования отводящегося тепла, от двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Известна система тепловой подготовки элементов гидропривода [Патент РФ 2569862, МПК F15B 21/00(2006.01), опубл. 27.11.2015], которая содержит ДВС, к системе охлаждения которого присоединены трубопроводы, термостат, соединенный с радиатором. Трубопровод соединен с термостатом. Через трубопровод присоединен насос, который соединен с двухпозиционным распределителем. От двухпозиционного распределителя трубопроводы и соединены с рубашкой гидродвигателя. Термостат имеет два положения (охлаждение ДВС через радиатор или прогрев рубашки гидродвигателя 9). Корпус рубашки может быть несъемным (имеет любое общеизвестное неразъемное соединение) или съемным (имеет любое общеизвестное разъемное соединение), гибким (может состоять из композиционных материалов, обладающих влагоизоляционными свойствами и имеющих хорошую теплопроводность, способных выдержать рабочее давление в системе) или жестким (состоит из влагостойких материалов с хорошей теплопроводностью, способных сохранять свою форму, в рабочем режиме и в режиме стоянки).
Недостатками указанной системы является то, что перед локальным прогревом гидроцилиндра, необходимо сначала прогреть ДВС до рабочей температуры. Повышение температуры охлаждающей жидкости, происходит медленней, чем повышение температуры выхлопных газов и выхлопной системы машины. Высокая требовательность к соединительным узлам и их целостности(герметичности), для снижения вероятность возникновения утечек охлаждающей жидкости. Необходим контроль за уровнем охлаждающей жидкости, необходима замена стандартного насоса охлаждающей жидкости на высокопроизводительный. Отсутствует возможность прогрева гидронасоса. Имеется только один контур прогрева гидросистемы. Риск, работы ДВС диапазона рабочей температуры.
Наиболее схожим изобретением является устройство обогрева предохранительных клапанов ассенизаторской машины с помощью выхлопных газов [Патент РФ 2603876, МПК F16K 49/00, F02G 5/02, F01N 5/02, F01N 13/08, B60K 13/04, опубл. 10.12.2016], которое имеет заслонку в глушителе, после закрытия заслонки выхлопные газы направляются через гибкий рукав к тройнику с регулирующим краном, а от тройника с регулирующим краном в две стороны по двум гибким рукавам, один из которых к тройнику и далее к теплообменникам предохранительных клапанов, а второй - к коаксиальному резервуару. Предохранительные клапаны находятся внутри отдельных друг от друга теплообменников. Теплообменники имеют электромагнитные клапаны, которые управляются с помощью электрических сигналов и имеют три положения для направления выхлопных газов (в окружающую среду, в приемные шланги или закрыты). Электромагнитные клапаны переводятся в закрытое положение после перевода заслонки в открытое положение. В гибком рукаве между глушителем и тройником имеется тройник с регулирующим краном для забора выхлопных газов в коаксиальный резервуар. Коаксиальный резервуар находится в нижней точке данного устройства. Ввиду того что при низкой температуре конденсат может замерзнуть, коаксиальный резервуар выполнен с двойными стенками, отработавшие газы направляются между стенками и таким образом обогревает конденсат, который удаляется посредством крана.
Недостатками данного устройства является, то что отсутствует прогрев гидродвигателей. Отсутствует прогрев гидронасоса. Отсутствует возможность изменения контуров прогрева с перенаправлением всего объема выхлопных газов к обогреваемому элементу гидросистемы.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является сокращение затрат ресурсов (топлива и времени) на разогрев элементов гидропривода машин, работающих в полевых условиях при отрицательных температурах, путем оснащения элементов гидропривода (гидроцилиндра и гидронасоса) системой контурного прогрева элементов гидропривода выхлопными газами от ДВС машины.
Технический результат предлагаемой системы энергосберегающего контурного прогрева элементов гидропривода, заключается в повышении эффективности тепловой подготовки за счет использования тепла выхлопных газов ДВС для прогрева.
Указанный технический результат достигается тем, что система энергосберегающего контурного прогрева элементов гидропривода, имеет гидробак, который соединен напорной гидролинией с регулируемым гидронасосом, гидронасос соединен гидролиний с гидрораспределителем. Гидрораспределитель соединен гидролиниями с гидроцилиндром. Гидрораспределитель с гидробаком соединен сливной гидролинией. ДВС, в своей выхлопной системе имеет тройники с заслонками. Тройники соединены между собой трубопроводом. Тройник имеет заслонку и разделяет трубопровод на два контура. Первый контур: тройник соединен трубопроводом с дополнительным корпусом гидронасоса, в дополнительном корпусе имеется заглушка. Второй контур: тройник соединен с дополнительным корпусом гидроцилиндра с помощью трубопровода. В дополнительном корпусе имеется заглушка. Принцип действия заглушки в дополнительном корпусе гидроцилиндра такой же, как у заглушки в дополнительном корпусе гидронасоса. Заглушки имеют регулировку усилия открытия. Регулировка может осуществляться как вручную, так и с помощью автоматики (любым общеизвестным способом). В трубопроводе, между тройниками установлен нагнетатель. Дополнительный корпус гидронасоса и дополнительный корпус гидроцилиндра может быть несъемным (иметь любое общеизвестное неразъемное соединение) или съемным (имеет любое общеизвестное разъемное соединение), гибким (может состоять из композиционных материалов, обладающих теплоизоляционными свойствами и имеющих низкую теплопроводность, способных выдержать рабочее давление в системе) или жестким (состоит из материалов с низкой теплопроводностью, способных сохранять свою форму в рабочем режиме и в режиме стоянки). Дополнительный корпус гидроцилиндра и дополнительные корпуса гидроцилиндра, соединены трубопроводами с выхлопной системой ДВС.
Изобретение поясняется схемой, где на фигуре 1 - изображена схема на которой представлен гидронасос и гидродвигатель на стадии прогрева. Горячие выхлопные газы обозначены широкими светлыми стрелками. Выхлопные газы отдавшие свое тепло, показаны тонкими черными пунктирными стрелками.
На фигуре 2 изображен тройник 16 с заслонкой 3 в открытом положении 3.1.
На фигуре 3 изображен тройник 15 с заслонкой 10 в открытом положении 10.1.
Система энергосберегающего контурного прогрева элементов гидропривода, содержит штатную гидросистему машины, которая имеет гидробак 9, который соединен напорной гидролинией 7 с регулируемым гидронасосом 4, гидронасос 4 соединен гидролиний с гидрораспределителем 11. Гидрораспределитель 11 соединен гидролиниями с гидроцилиндром 12. Гидрораспределитель 11 с гидробаком 9 соединен сливной гидролинией 8. ДВС 1, в своей выхлопной системе имеет тройники 15 с заслонкой 10. Трубопровод 2 одним концом соединен с тройником 15, вторым концом трубопровод 2 соединен с тройником 16, тройник 16 имеет заслонку 3 (на фигуре 1 указана, как 3.1. - направляя к гидронасосу, 3.2. к гидроцилиндру) и разделяет трубопровод 2 на два контура. Первый контур: тройник 16 соединен трубопроводом 17 с дополнительным корпусом 5 гидронасоса 4, в дополнительном корпусе 5 имеется заглушка 6. Второй контур: тройник 16 соединен с дополнительным корпусом 13 гидроцилиндра 12 с помощью трубопровода 18. В дополнительном корпусе 13 имеется заглушка 14. Принцип действия заглушки 14 в дополнительном корпусе 13 гидроцилиндра 12 такой же, как у заглушки 6 в дополнительном корпусе 5 гидронасоса 4. Заглушки 6, 14 имеют регулировку усилия открытия. Регулировка может задаваться как вручную, так и с помощью автоматики (любым общеизвестным способом). Принцип действия заслонки 3 в тройнике 16 такой же, как и заслонки 10, в тройнике 15.
В трубопроводе 2, который расположен между тройником 15 и тройником 16 установлен нагнетатель 19.
Дополнительный корпус 5 и дополнительный корпус 13 могут быть несъемным (иметь любое общеизвестное неразъемное соединение) или съемным (имеет любое общеизвестное разъемное соединение), гибким (может состоять из композиционных материалов, обладающих теплоизоляционными свойствами и имеющих низкую теплопроводность, способных выдержать рабочее давление в системе) или жестким (состоит из материалов с низкой теплопроводностью, способных сохранять свою форму в рабочем режиме и в режиме стоянки).
Изобретение работает следующим образом После запуска ДВС 1, необходимо дождаться, когда ДВС 1 начнет работать на устойчивых оборотах. После этого для прогрева гидронасоса 4 заслонка 10 в тройнике 15 становится в положение 10.2 и направляет горячие выхлопные газы ДВС 1 через трубопровод 2 к тройнику 16. Заслонка 3 в тройнике 16 устанавливается в положение заслонки 3.1, которое направляет горячие выхлопные газы через трубопровод 17 в дополнительный корпус 5 гидронасоса 4. Горячие выхлопные газы ДВС 1 прогревают гидронасос 4, и за счет давления вновь поступающих горячих выхлопных газов, выходят в окружающую среду через заглушку 6. При выходе выхлопных газов в окружающую среду заглушка 6 принимает открытое положение 6.1. Заслонки 3, 10 могут управляться любым общеизвестным способом (например, электроуправление, тросовое управление).
Для прогрева гидроцилиндра 12 заслонка 10 в тройнике становится в положение 10.2 и направляет горячие выхлопные газы через трубопровод 2 к тройнику 16. Заслонка 3 в тройнике 16 устанавливается в положение 3.2. и направляет горячие выхлопные газы через трубопровод 18 в дополнительный корпус 13 гидроцилиндра 12. Горячие выхлопные газы прогревают гидроцилиндр 12, и за счет давления вновь поступающих горячих выхлопных газов, выходят в окружающую среду через заглушку 14. Открытое положение такое же, как у заглушки 6.
Имеется возможность вручную или с помощью автоматики (любым общеизвестным способом) в заглушках 6, 14 регулировать усилие открытия заглушек 6, 14. Чем больше усилие открытия, тем дольше выхлопные газы ДВС 1, находятся внутри дополнительных корпусов 5, 13, тем быстрее осуществляется прогрев гидронасоса 4 и гидроцилиндра 12.
Для одновременного прогрева гидронасоса 4 и гидроцилиндра 12 необходимо заслонку 10 перевести в положение 10.2, а заслонку 3 в тройнике 16 перевести в промежуточное положение, между положением 3.1 и положением 3.2. Выхлопные газы ДВС 1, направляются и в дополнительный корпус 5 гидроцилиндра 4 и в дополнительный корпус 13 гидроцилиндра 12.
После прогрева гидросистемы заслонка 10 в тройнике 15, становится в положение 10.1 и выхлопные газы ДВС 1, выходят напрямую, через штатную выхлопную систему. При этом заглушки 6, 14, находятся в закрытом положении (например, 6.2)
С целью охлаждения гидравлической системы (например, при выполнении высокой интенсивности работ) имеется возможность включить нагнетатель 12. Нагнетатель 12 осуществляет забор, воздуха из окружающей среды, и прогоняет его через систему энергосберегающего контурного прогрева элементов гидропривода. При включенном нагнетателе заслонка 10 в тройнике 15 находится в положении 10.1. Путь движения нагнетаемого воздуха такой же, как у выхлопных газов ДВС 1 при прогреве гидравлической системы машины.
Для охлаждения гидронасоса 4 необходимо заслонку 3, перевести в положения 3.1. Для охлаждения гидроцилиндра 12, необходимо заслонку 3 перевести в положение 3.2. Для охлаждения гидронасоса 4 и гидроцилиндра 12 одновременно необходимо заслонку 3, перевести в промежуточное положение между 3.1 и 3.2.
Охлаждение гидронасоса 4 и гидроцилиндра 12 происходит за счет того, что тепло от них принудительно отводится в окружающую среду. С помощью потока воздуха, нагнетаемого нагнетателем 19, через трубопроводы 17, 18 соответственно.