ТРАКТОР С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ РАБОЧЕГО ОРГАНА (ВАРИАНТЫ)
TRACTOR WITH ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION AND HYDRAULIC DRIVE OF WORKING MEMBER (EMBODIMENTS)

Предлагаемая группа изобретений относится к области машиностроения и может использоваться в гусеничных и колесных тракторах различных тяговых классов, применяемых в качестве базы для машинно-тракторных агрегатов (МТА), выполняющих различные виды работ в промышленном и дорожном строительстве, горнодобывающей отрасли и в сельском хозяйстве.
Известен тракторный агрегат, в котором сельскохозяйственное прицепное орудие содержит насос, приводимый в действие от вала отбора мощности (ВОМ) трактора. Корпус насоса образует поддон, использующийся в качестве резервуара для жидкости, подаваемой насосом в гидравлический контур (US 2018084705 A1, А01В 59/00, А01М 7/00, В05В 9/00, В05В 9/04, 29.03.2018).
Его недостатком является повышенная сложность прицепного орудия, обусловленная необходимостью установки на него гидравлического насоса.
Поскольку трактор агрегатируется, как правило, с широкой гаммой разнообразных орудий, технически и экономически более оправданным является размещение насоса не на каждом орудии, а на тракторе.
Это техническое решение реализовано в тракторе с электромеханической силовой передачей (трансмиссией), предпочтительно, с гусеничными движителями, содержащшем двигатель внутреннего сгорания (ДВС), мотор-генератор, электрически связанный с тяговыми электродвигателями, оппозитно расположенными относительно продольной оси трактора. Трактор имеет силовые кабели (шины), системы электрического управления и охлаждения, а также гидросистему привода рабочих органов, используемых в составе оборудования трактора. Валы тяговых электродвигателей связаны с гусеничным движителем. Их свободные концы соединены с насосами гидросистемы рабочего (технологического) оборудования, благодаря чему достигается возможность использования различного рабочего оборудования без изменения конструктивных параметров трактора (RU 2531531 С1, B60L 11/12, В60K 6/00, 20.10.2014).
Недостатком этого технического решения является ограниченные функциональные возможности гидравлического привода рабочих органов. Это обусловлено тем, что скорость вращения и, соответственно, производительность насосов зависит от скоростей вращения валов тяговых электродвигателей. В частности при неподвижном тракторе, когда отсутствует вращение валов тяговых электродвигателей и насосов, перемещение рабочих органов невозможно.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному техническому решению и принятым за прототип является трактор с электромеханической (электрической) трансмиссией, содержащий ДВС с установленным на нем генератором, блок управления (контроллер), управляемый насос гидросистемы навесного оборудования, раму трактора и ходовую часть с опорными катками, гусеницами и ведущими колесами. При работе трактора ДВС вращает вал генератора и вал гидравлического насоса, прикрепленного к генератору со стороны, противоположной ДВС (RU 2696634 C1, B62D 55/12, В60K 17/32, 05.08.2019.)
В этом тракторе обеспечивается независимость привода рабочего органа от скорости движения трактора.
Однако размещение насоса консольно и соосно с генератором на его корпусе со стороны, противоположной стороне его крепления к ДВС, приводит к тому, что вибрации и удары, воздействующие на насос, передаются на корпус генератора, что приводит к его деформации и к возникновению несимметрии воздушного зазора между ротором и статором, вследствие чего возникают дополнительные радиальные силы взаимодействия между ротором и статором и дополнительным нагрузки на подшипники генератора. Передача потока мощности от ДВС к насосу через генератор приводит к увеличению нагрузок на его вал и подшипники.
Увеличение нагрузок на вал, корпус и подшипники генератора приводит к снижению ресурса работы, вибропрочности, ударопрочности и надежности генератора и трактора в целом.
Генератор и насос обычно имеют по два подшипника. Поэтому в случае жесткого соединения валов генератора и насоса образуется статически неопределимая система в виде балки на четырех опорах. Это приводит к необходимость точного центрирования валов генератора и насоса и к возникновению дополнительных нагрузок на подшипники из-за несоосности и деформации валов генератора и насоса при работе трактора, либо к необходимости применения компенсирующих муфт для соединения валов, что приводит к усложнению и увеличению габаритных размеров этой конструкции.
Из анализа аналогов и прототипа следует, что в предшествующем уровне техники не решена техническая проблема создания гусеничного трактора с электромеханической трансмиссией и гидравлическим приводом рабочего органа, отличающегося простотой конструкции, независимостью работы привода рабочего оборудования (рабочих органов) от скорости движения трактора и повышенными значениями ресурса работы, вибропрочности, ударопрочности и надежности. Задачей изобретения является создание такого трактора.
Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является повышение ресурса работы, вибропрочности, ударопрочности и надежности трактора без усложнения его конструкции и при сохранении независимости работы привода рабочего органа от скорости движения трактора.
В первом варианте трактора с электромеханической трансмиссией и гидравлическим приводом рабочего органа, содержащем ДВС, вал или маховик которого непосредственно или через передаточное устройство механически соединен с валом генератора, преобразующего по меньшей мере часть механической энергии ДВС в электрическую энергию, передаваемую на силовые шины, тяговые электродвигатели, обеспечивающие привод ведущих колес или гусениц, один или несколько контроллеров, соединенных с силовыми шинами и с тяговыми электродвигателями и предназначенными для управления этими тяговыми электродвигателями и передачу на них электрической энергии с силовых шин, а также насос гидравлического привода рабочего органа (далее в тексте - насос), этот технический результат достигается за счет того, что вал насоса непосредственно, или через указанное передаточное устройство, или через дополнительное передаточное устройство механически соединен с валом или маховиком ДВС таким образом, что поток механической энергии, передаваемой от ДВС этому насосу, не проходит через генератор.
Во втором варианте трактора, содержащего аналогичные функциональные узлы, этот технический результат достигается за счет того, что он дополнительно содержит электрический привод вала отбора мощности (ВОМ), выполненный с возможностью передачи механической энергии на вал гидравлического насоса привода рабочего органа.
В частных вариантах реализации трактора указанный технический результат достигается также за счет того, что:
- вал генератора соединен с маховиком или валом ДВС со стороны его маховика, а насос установлен впереди ДВС и его вал соединен с носком коленчатого вала ДВС;
- соединения валов генератора и насоса с ДВС обеспечивают передачу на них механической энергии ДВС со стороны его маховика, причем эти соединения реализованы, в частности, с помощью раздаточного редуктора, прикрепленного к ДВС, к выходным валам которого присоединены генератор и насос, и выполненного, в частности, с передаточными отношениями, по меньшей мере одно из которых меньше единицы;
- валы генератора и насоса расположены соосно с коленчатым валом ДВС, причем насос расположен между генератором и ДВС;
- вал насоса соединен с ДВС и выполнен с возможностью присоединения к нему генератора с противоположной стороны этого насоса, или насос и генератор имеют общий вал, или вал генератора проходит внутри полого вала насоса и прикреплен к нему;
- корпус насоса прикреплен к корпусу генератора, прикрепленного к раме трактора или к картеру маховика ДВС, либо корпус насоса прикреплен к раме трактора или картеру маховика ДВС, а корпус генератора прикреплен к корпусу насоса;
- генератор установлен соосно с коленчатым валом ДВС, а ось вала насоса параллельна, пересекается или скрещивается с осью коленчатого вала ДВС, причем привод насоса осуществляется с помощью ременной, цепной или зубчатой передачи, ведущая часть которой размещена между генератором и ДВС;
- электрический привод ВОМ содержит электродвигатель привода ВОМ, управляемый с помощью указанного или дополнительного контроллера, и редуктор ВОМ;
- механическая энергии на вал насоса от электродвигателя привода ВОМ передается непосредственно от этого электродвигателя, от выходного вала ВОМ или дополнительного выходного вала редуктора ВОМ, выполненного в виде раздаточного редуктора;
-валы электродвигателя привода ВОМ и насоса расположены соосно с ведущим валом редуктора ВОМ и механически соединены с ним;
- насос расположен между электродвигателем привода ВОМ и редуктором ВОМ или электродвигатель привода ВОМ расположен между насосом и редуктором ВОМ;
- насос установлен таким образом, что ось его вала параллельна, пересекается или скрещивается с осью вала электродвигателя привода ВОМ, или входного вала редуктора ВОМ, или выходного вала ВОМ, являющегося ведущим валом ременной, или цепной, или зубчатой передачи привода вала насоса;
- насос выполнен съемным и приспособлен для присоединения к выходному валу ВОМ, к электродвигателю привода ВОМ или к дополнительному выходному валу редуктора ВОМ;
- передаточное устройство и/или дополнительное передаточное устройство выполнено в виде муфты, механического редуктора, цепной передачи, ременной передачи, карданного вала, торсиона или комбинации этих устройств;
- для обеспечения вспомогательных устройств трактора гидравлической и/или электрической энергией трактор содержит дополнительный насос и/или дополнительный генератор, соединенный с маховиком или валом ДВС, валом насоса, валом тягового электродвигателя или валом электродвигателя привода ВОМ;
- трактор дополнительно содержит ВОМ с механическим или гидравлическим приводом.
Между совокупностью указанных существенных отличительных признаков независимых и зависимых пунктов формулы во всех вариантах изобретения и достигаемым одним и тем же техническим результатом существует прямая причинно-следственной связь.
Обусловлено это тем, что все варианты реализации трактора в предложенной группе изобретений образуют единый изобретательский замысел, а именно, реализация всех отличительных признаков независимых и зависимых пунктов позволяет исключить передачу механической энергии на вал насоса через генератор, причем независимо от режимов работы тяговых электродвигателей.
Все варианты конструкции трактора, изложенные в независимых и зависимых пунктах формулы изобретения, обеспечивают реализацию привода насоса независимо от скорости движения трактора, исключают необходимость закрепления насоса на свободном конце генератора и прохождение потока механической энергии на этот насос через генератор.
Отсутствие насоса на свободной стороне генератора обеспечивает снижение нагрузок на корпус, вал и подшипники генератора, исключает возникновение статически неопределимой системы (балки в виде соединенных между собой валов насоса и генератора на четырех опорах - подшипниках), что упрощает конструкцию за счет исключения требований к несоосности этих валов и уменьшает нагрузки на вал, подшипники и корпус генератора. Благодаря этому реализация отличительных признаков изобретения обеспечивает повышение ресурса работы, вибропрочности, ударопрочности и надежности работы трактора без усложнения его конструкции и при сохранении независимости работы привода рабочего органа от скорости движения трактора.
Техническая сущность, промышленная применимость и принцип действия предложенных вариантов трактора с электромеханической трансмиссией и гидравлическим приводом рабочего органа поясняются чертежом, на котором показана упрощенная схема трактора.
Он содержит раму (корпус, остов) 1, в которой размещены бортовой источник электрической энергии, выполненный в виде ДВС 2 и электрического тягового генератора 3. Вал или маховик ДВС непосредственно или через передаточное устройство (муфту, механический редуктор, цепную или ременную передачу, карданный вал 4 (показан на чертеже), торсион или комбинацию этих устройств) механически соединен с валом генератора 3.
Механический редуктор может быть цилиндрическим, коническим, червячным, планетарным, волновым, спироидным или комбинированным с постоянным или изменяемым передаточным отношением, а муфта - самоуправляемой, управляемой или неуправляемой (постоянно действующей) жесткой, компенсирующей, упругой или сцепной.
Генератор преобразует часть механической энергии ДВС в электрическую энергию. Переменное выходное напряжение генератора с помощью контроллера генератора или силового выпрямителя 5 преобразуется в постоянное напряжение, например с номинальным напряжением 375V или 540V, и предается на силовые шины 6. К ним могут быть подключены накопитель энергии 7 (батарея аккумуляторов или конденсаторов, инерциальный накопитель) и тормозной резистор со своим устройством управления (на чертеже условно не показан).
Другая часть механической энергии ДВС преобразуется в гидравлическую энергию с помощью одного или нескольких гидравлических насосов 8, 9, 10, входящих в состав одного или нескольких гидравлических приводов одного или более рабочих органов.
Под рабочими органами в данном случае подразумеваются различные рабочие или технологические машины (орудия), в агрегате с которыми, т.е. в составе машинно-тракторного агрегата (МТА), трактор выполняет полезную работу.
МТА, в зависимости от способа использования мощности ДВС трактора, могут быть тяговыми (плуги, отвалы бульдозеров или грейдеров, транспортные прицепы и т.д.), тягово-приводными (прицепные и навесные комбайны, например, картофелеуборочные, сеялки, коммунальные машины, скреперы со скребковой загрузкой) и приводными (насосные и генераторные установки, тракторные краны, экскаваторы, подъемники, стационарные сельхозмашины и т.д.).
Под гидравлическим приводом (гидроприводом) подразумевается совокупность устройств, предназначенных для перемещения или приведения в движение этих рабочих или технологических машин посредством гидравлической энергии. Гидропривод может быть гидродинамическим или объемным с поступательным, вращательным или поворотным движением его выходного звена (гидроцилиндр, гидромотор).
Вал каждого насоса непосредственно или передаточное устройство 3, 11, 12, выполненное в виде муфты, механического редуктора, цепной или ременной передачи, карданного вала, торсиона или комбинации этих устройств, соединен с соответствующим приводным валом.
Это соединение может осуществляться с помощью того же передаточного устройства, которое используется для присоединения генератора. Например, с помощью карданного вала 4, как это показано на чертеже, или раздаточного редуктора, устанавливаемого на ДВС.
Возможно также присоединение насоса к ДВС или к приводу ВОМ через дополнительное передаточное устройство, например муфту 11 или ременную передачу 12.
В раме трактора размещены также тяговые электродвигатели 13, 14, соединенные с бортовыми редукторами 15, 16 и обеспечивающие привод ведущих колес или гусениц 17, 18 трактора.
Генератор 3 и тяговые электродвигатели 13, 14 могут быть вентильно-индукторными (ВИД, ВИГ, ВРД, ВРГ, ВИРД, ВИРГ и т.д.), именуемыми в зарубежной технической литературе как «Switched Reluctance Motor» (SRM) или «Switched Reluctance Generator» (SRG), с постоянными магнитам на роторе или асинхронными.
Между тяговыми электродвигателями 13, 14 и бортовыми редукторами 15, 16 могут быть установлены стояночные и/или рабочие тормоза с электромеханическим, электрогидравлическим, гидравлическим, электропневматическим, пневматическим или механическим управлением. Например, могут быть установлены гидравлически управляемые нормально замкнутые дисковые стояночные тормоза, автоматически замыкающиеся под действием пружин при отсутствии давления в контуре управления этими тормозами и размыкающиеся при подаче этого давления перед началом движения трактора. Эти тормоза могут быть установлены внутри бортовых редукторов 15, 16 или на свободных концах валов тяговых электродвигателей 13, 14.
На тракторе возможны различные варианты установки одного или нескольких насосов 8, 9, 10 привода рабочего органа (рабочих органов).
В частности, насос 8 может быть установлен впереди ДВС и непосредственно или через дополнительное передаточное устройство (муфту 11) соединен с носком коленчатого вала ДВС 2. В этом случае вал генератора 3 соединяется с ДВС со стороны его маховика.
Возможно также соединение валов генератора и насоса между собой и с ДВС со стороны его маховика. В частности, с помощью раздаточного редуктора, прикрепленного к картеру маховика ДВС, к выходным валам которого присоединены генератор и насос.
По меньшей мере одно передаточное отношение раздаточного редуктора может быть выбрано меньше единицы, т.е. раздаточный редуктор при работе с генератором и/или насосом может быть мультипликатором. Повышение частоты вращения вала насоса и/или генератора при установленной величине его выходной гидравлической и/или электрической мощности позволяет уменьшить массу насоса и/или генератора и величину крутящего момента, передаваемого на его вал. Это приводит к уменьшению нагрузки на их валы и корпуса, что дополнительно обеспечивает достижение указанного технического результата.
Валы генератора и насоса могут быть расположены соосно с коленчатым валом ДВС. В этом случае насос расположен между генератором и ДВС. В частности, вал насоса соединен с ДВС, а генератор присоединен к насосу с его противоположной стороны. В других вариантах реализации трактора насос 9 и генератор 3 могут иметь общий вал, либо на тракторе может быть установлен насос с полым валом, внутри которого проходит вал генератора.
Генератор может быть прикреплен либо к раме трактора (например, установлен на лапах - амортизаторах), либо к картеру маховика ДВС. Насос в этом случае своим корпусом прикреплен к корпусу генератора. Возможно также крепление насоса к раме трактора или картеру маховика ДВС, а корпуса генератора - к корпусу насоса.
Если генератор 3 установлен соосно с коленчатым валом ДВС 2, то ось вала насоса может быть параллельна, а также может пересекается или скрещивается с его осью. В этом случае привод насоса осуществляется с помощью ременной, цепной или зубчатой передачи, ведущая часть которой размещена между генератором и ДВС.
Трактор может содержать ВОМ (англ. - РТО) 19 с механическим, гидравлическим или электрическим приводом. В состав последнего входят электродвигатель 20 и редуктор 21 этого привода. При этом, в зависимости от варианта исполнения привода ВОМ, механическая энергия может передаваться на вал насоса непосредственно от электродвигателя 20, от выходного вала ВОМ или дополнительного выходного вала редуктора ВОМ. В последнем случае редуктор ВОМ выполнен в виде раздаточного редуктора.
Валы электродвигателя 20 привода ВОМ и насоса 10 могут быть расположены соосно с ведущим валом редуктора 21 привода ВОМ и механически соединены с ним - объединены в тандем. В этом случае насос 10 расположен между электродвигателем 20 и редуктором 21. Возможно также размещение электродвигателя 20 привода ВОМ между насосом и редуктором ВОМ.
Если насос 10 закреплен на тракторе (установлен) таким образом, что ось его вала параллельна, пересекается или скрещивается с осью вала электродвигателя 20 привода ВОМ, входного вала редуктора 21 или выходного вала ВОМ 19, то механическая энергия на этот насос передается от соответствующего приводного вала с помощью ременной (показано на чертеже), цепной или зубчатой передачи.
Если трактор имеет ВОМ 19, то любой из насосов 8, 9, 10 может быть выполнен съемным или быстросъемным, т.е. с возможностью его установки на трактор без демонтажа и разборки других узлов и агрегатов трактора. В этом случае его конструкция предусматривает механическое присоединение, например, с помощью муфты, к выходному валу ВОМ 19, электродвигателю 20 или дополнительному выходному валу редуктора 21.
Для обеспечения вспомогательных устройств трактора гидравлической и/или электрической энергией трактор может содержать один или несколько дополнительных насосов и/или дополнительных генераторов 22, которые могут быть соединены с маховиком или валом ДВС (показано на чертеже), валом любого насоса 8, 9, 10, валом тягового электродвигателя 13, 14, ВОМ 19 или электродвигателя 20 привода ВОМ. К этим насосам/генераторам относятся, в частности, насосы гидроусилителя руля, привода поворота трактора, гидросистемы стояночных тормозов, системы смазки, а также генератор системы низковольтного электрооборудования трактора.
Для передачи электрической энергии с силовых шин 6 на тяговые электродвигатели 13, 14, а также для управления этими электродвигателями, трактор содержит контроллер (PC) 23, который может именоваться также силовым контроллером, частотным преобразователем, инвертором, силовым электронным блоком, блоком управления и т.д. Он реализован на основе микроконтроллера и силовых электронных ключей (транзисторов IGBT) и обеспечивает формирование и передачу на обмотки тяговых электродвигателей переменного напряжения или однополярных импульсов в зависимости от сигналов управления, поступающих на этот контроллер, в частности, по шине CAN 24.
Вместо одного (объединенного) контроллера 23 могут использоваться несколько контроллеров, в том числе встроенных в тяговые электродвигатели 13, 14.
Для управления электродвигателем 20 привода привод ВОМ может использоваться контроллер 23, либо дополнительный контроллер (СРТО) 25.
Трактор может содержать также микропроцессорный центральный контроллер (ЕС) 26, именуемый также контроллером верхнего уровня, главным контроллером, бортовым вычислителем и т.д., а также панель оператора (тракториста) (ОР) 27 с органами управления и индикации, датчики рабочих параметров трактора (PS) 28 (датчики температуры масла и охлаждающей жидкости ДВС, угловой скорости ДВС, давления в гидросистеме привода рабочего органа и т.д.), отдельный контроллер ДВС, а также другие устройства, условно не показанные на чертеже.
Предпочтительным вариантом реализации взаимодействия между собой всех электронных устройств трактора является их объединение с помощью мультиплексной шины CAN.
Предложенный трактор работает следующим образом.
ДВС 2 непосредственно или через передаточное устройство (например, карданный вал 4) вращает вал генератора 3. Вырабатываемое им переменное напряжение выпрямляется выпрямителем (контроллером генератора) 5 и поступает на силовые шины 6 и далее на силовой контроллер (блок управления) 6.
Тракторист с помощью органов управления, расположенных на панели 27, задает скорость и направление движения трактора. Контроллер верхнего уровня (центральный контроллер) 26 в соответствии с программой его работы после приема сигналов управления от оператора (тракториста) и анализа выходных сигналов датчиков рабочих параметров трактора 28 по шине CAN передает на контроллер 23 сигналы задания скорости вращения и/или крутящего момента каждого тягового электродвигателя 13, 14.
Контроллер 23 после получения этих сигналов формирует однополярные импульсы или переменное напряжение, поступающее на фазные обмотки тяговых электродвигателей 13, 14. По этим обмоткам начинает протекать электрический ток, что приводит к возникновению у тяговых электродвигателей крутящего момента, приводящего во вращение входные валы бортовых редукторов 15, 16 и ведущие колеса или гусеницы 17, 18 ходовой части трактора, в результате чего трактор начинает движение.
Контроллер 23 и тяговые электродвигатели 13, 14 обеспечивают бесступенчатое регулирование тягового усилия и скорости движения работающего трактора, а также его повороты и разворот на месте за счет задания различных, в том числе противоположных скоростей вращения валов тяговых электродвигателей по командам оператора (тракториста).
Торможение трактора осуществляется тяговыми электродвигателями с передачей энергии торможения в ДВС, в накопитель энергии 7 или в тормозные резисторы, а также с помощью тормозов, встроенных в бортовые редукторы 15, 16 или соединенные с валами тяговых электродвигателей 13, 14.
Одновременно ДВС 2 или электрический привод ВОМ непосредственно или через соответствующее передаточное устройство приводит во вращение вал насоса 8, 9 или 10 рабочего органа, обеспечивая передачу гидравлической энергии на исполнительный механизм привода и соответствующее поступательное, вращательное или поворотное движение рабочего органа. Например, подъем/опускание отвала бульдозера или плуга, вращение фрезы и т.д.
При этом из описания работы трактора следует, что привод любого насоса осуществляется независимо от скорости вращения тяговых электродвигателей. Кроме того, поток механической энергии, поступающий на насос, не проходит через генератор, а насос не закреплен на свободном конце генератора. Это обеспечивает повышение ресурса работы, вибропрочности, ударопрочности и надежности работы трактора без усложнения его конструкции и при сохранении независимости работы привода рабочего органа от скорости движения трактора.
Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных вариантов трактора с электромеханической трансмиссией и гидравлическим приводом рабочего органа возможны также иные варианты его реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.