РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ГИДРОПРИВОД

Полезная модель относится к гидравлическим рекуперативным приводам мобильных машин и технологического оборудования, работающих в цикличном режиме, и может быть использована в качестве гидропривода подъемного механизма.
Известна рекуперативная вспомогательная гидросистема базового автомобиля автокрана, которая содержит соединенные с коробкой отбора мощности через электромагнитное сцепление с валом объемного реверсивно-обратимого гидронасоса с присоединенными гидролиниями, посредством которых он подсоединен к напорной и сливной магистралям, регулируемый дроссель, манометр и гидробак, а также пневмогидроаккумулятор, сообщенный через обратный клапан с напорной магистралью, снабженный клапаном-выключателем, краном и гидрозамком (патент РФ № 111494, МПК В60Т 1/10, опубл. 2011 г.).
Однако в данном техническом решении осуществляется дроссельное регулирование, которое отличается низкой энергоэффективностью регулирования, а также невозможностью адаптации к внешней нагрузке. Кроме того, в гидроприводе происходит восполнение только потенциальной энергии от потока рабочей жидкости, регулируемого дроссельной системой, поэтому устройство рекуперации энергии работает недостаточно эффективно, по сравнению, например, с объемным регулированием.
Известен принятый в качестве прототипа рекуперативный гидропривод цикличного действия, преимущественно для экскаваторов, кранов и других машин, включающий маховики, гидропневмоаккумулятор, реверсивные регулируемые насосы, которые при торможении исполнительных механизмов работают в моторном режиме, раскручивая маховик. В устройстве для пополнения силового гидропневмоаккумулятора без применения специального подпиточного насоса применена система обратных клапанов, соединяющих напорные гидролинии с полостями гидропневмоаккумуляторов в момент защиты гидропривода от перегрузки (авт.св. СССР № 149067, МПК E02F 9/22, E02F 3/28, F16H 41/00, опубл. 1962 г.).
Недостаток известного гидропривода состоит также в использовании при его работе объемно-дроссельного регулирования, которое не способно раскрыть весть потенциал используемых рекуперативных устройств, в случае работы, например, подъемных механизмов, а также в том, что управление реверсивными насос-моторами осуществляется в ручном, а не в автоматическом режиме, тем самым снижается эффективность от использования гидропривода.
Технической задачей полезной модели является повышение степени рекуперации энергии за счет использования как кинетической энергии присоединенной массы маховика и потенциальной энергии гидропневмоаккумулирующего устройства, так и опускающегося груза в случае использования гидропривода в подъемных механизмах при одновременном оптимальном подборе элементов гидропривода и обеспечении автоматического режима регулирования.
Решение поставленной задачи достигается тем, что рекуперативный гидропривод подъемного механизма, содержащий две объемные реверсивно-обратимые регулируемые гидромашины, связанные с приводным двигателем и установленные параллельно друг другу, и одну объемную нерегулируемую гидромашину, которые соединены между собой гидролиниями с образованием замкнутого гидравлического контура, имеющего клапанную и аккумулирующую системы, последняя выполнена в виде по меньшей мере одного маховика, соединенного с валом одной из объемных реверсивно-обратимых регулируемых гидромашин, а также по меньшей мере в виде одного гидропневмоаккумулятора, установленного в одной из гидролиний связи объемных реверсивно-обратимых регулируемых гидромашин с объемной нерегулируемой, при этом выходной вал последней связан с валом исполнительного механизма, согласно полезной модели выходной вал одной объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины связан с одной стороны с маховиком, а с другой стороны - с другой объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашиной, которая одновременно связана с валом приводного двигателя, при этом клапанная система выполнена в виде двух параллельно установленных относительно друг друга напорно-предохранительных клапанов с возможностью перепуска рабочей жидкости из перегруженной гидролинии замкнутого гидравлического контура в менее нагруженную, а объемная нерегулируемая гидромашина выполнена объемной реверсивно-обратимой.
Поставленная техническая задача решается тем, что объединяются два типа аккумулирующих устройств, способных рекуперировать как кинетическую энергию маховика, так и потенциальную энергию гидропневмоаккумулятора и дополнительно опускаемого груза, а также используются объемные реверсивно-обратимые гидромашины для осуществления объемного регулирования с увеличением эффективности работы гидропривода в результате обеспечения автоматического режима регулирования.
Полезная модель поясняется чертежом, где показана гидравлическая схема рекуперативного гидропривода.
Рекуперативный гидропривод содержит приводной двигателя 1, связанный с двумя объемными реверсивно-обратимыми регулируемыми гидромашинами 2 и 3, установленными параллельно друг другу, и одну объемную нерегулируемую гидромашину 4. Гидромашины 2, 3, 4 соединены между собой гидролиниями 5 и 6 с образованием замкнутого гидравлического контура. Последний имеет в своем составе клапанную и аккумулирующую системы (на чертеже не обозначены). Аккумулирующая система выполнена в виде по меньшей мере одного маховика 7 и одного гидропневмоаккумулятора 8 с его системой 9 управления. Причем маховик 7 соединен с валом (на чертеже не обозначен) одной из объемных реверсивно-обратимых регулируемых гидромашин 2 и 3, а именно с валом гидромашины 3, а гидропневмоаккумулятор 8 установлен в одной из гидролиний, например гидролинии 6 связи объемных реверсивно-обратимых регулируемых гидромашин 2 и 3 с объемной нерегулируемой гидромашиной 4. Причем упомянутая гидромашина 4 выполнена объемной реверсивно-обратимой, а ее выходной вал связан с валом (на чертеже не обозначен) исполнительного механизма 10. При этом выходной вал одной обратимой реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины, а именно гидромашины 3, связан с одной стороны с маховиком 7, а с другой стороны - с другой объемной реверсивно-обратимой гидравлической машиной 2. Последняя одновременно связана с валом приводного двигателя 1. Клапанная система гидропривода выполнена в виде двух параллельно установленных относительно друг друга с помощью гидролиний 11 и 12 напорно-предохранительных клапанов 13 и 14 с возможностью перепуска рабочей жидкости в процессе регулирования из перегруженной гидролинии 5 или 6 замкнутого гидравлического контура в менее из них нагруженную.
Рекуперативный гидропривод дополнительно содержит систему охлаждения, которая в данной заявке не рассматривается.
Рекуперативный гидропривод, применяемый для подъемного механизма, работает следующим образом.
В штатном режиме при подъеме груза исполнительным механизмом 10 подъем производится за счет ранее накопленной энергии в гидропневмоаккумуяторе 8 и на маховике 7. При этом объемная реверсивно-обратимая регулируемая гидромашина 2 работает в насосном режиме, а приводной двигатель 1 компенсирует потери на трение. Источником кинетической энергии является маховик 7, передающий кинетическую энергию через вал объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины 3 на вал объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины 2, объемная реверсивно-обратимая нерегулируемая гидромашина 4 работает в моторном режиме. Поддержание постоянного перепада давления в гидроприводе осуществляется гидропневмоаккумулятором 8 и контролируется системой 9 управления.
В начальный момент времени регулятор объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины 2, переходя через нулевую подачу, меняет направление течения рабочей жидкости. При этом направление вращения вала объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины 3 остается неизменным. Рабочая жидкость поступает к объемной реверсивно-обратимой нерегулируемой гидромашине 4 по гидролинии 5. Объемная реверсивно-обратимая нерегулируемая гидромашина 4 работает в моторном режиме, приводя в движение исполнительный механизм 10. При этом скорость перемещения груза регулируется изменением рабочего объема гидромашины 2. Сплошность и неразрывность потока рабочей жидкости поддерживается гидропневмоаккумулятором 8. Торможение груза осуществляется вследствие уменьшения рабочего объема объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины 2. При уменьшении рабочего объема в гидролинии 6 образуется масляный «клин», давление в гидролинии 6 станет максимально возможным, давление в гидролинии 5 понизится. Масляный «клин» при этом тормозит работу объемной реверсивно-обратимой нерегулируемой гидромашины 4, а следовательно, уменьшает скорость подъема груза исполнительным механизмом 10.
При опускании груза исполнительным механизмом 10, необходимо регулятор объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины 2 перевести через нулевую подачу в рабочий режим, изменяя направления течения рабочей жидкости, а именно из гидролинии 5 в гидролинию 6 замкнутого гидравлического контура. Гидропневмоаккумулятор 8 при этом полностью разряжен, давление в гидролинии 6 минимальное, давление в гидролинии 5 максимальное. Вращения вала объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины 2 поддерживается за счет энергии, накопленной маховиком 7.
В начальный момент времени груз опускается под собственным весом, переводя объемную реверсивно-обратимую нерегулируемую гидромашину 4 из моторного режима в насосный, соответственно объемная реверсивно-обратимая регулируемая гидромашина 2 работает в моторном режиме, а ее регулятор увеличивает рабочий объем до максимально допустимого. В дальнейшем для регулирования скорости опускания груза и создания противодавления рабочий объем объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины 2 уменьшается регулятором.
Режим торможения осуществляется гидроприводом за счет уменьшения рабочего объема объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины 2 посредством регулятора давления согласно упрощенной формуле (1), скорость вращения вала объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины 2, при этом увеличивается:
,
н
н
где n и q - частота вращения вала и рабочий объем гидромашины, работающей в насосном режиме;
м
м
n и q - частота вращения вала и рабочий объем гидромашины, работающей в моторном режиме.
Принимаем следующие допущения:
- КПД объемных реверсивно-обратимых гидромашин 2 и 3 равен 1;
- торможение груза в крайних положениях осуществляется с минимальной скоростью.
Так как валы объемных реверсивно-обратимых регулируемых гидромашины 2, 3 и маховика 7 общие, то при увеличении частоты вращения вала объемной реверсивно-обратимой регулируемой гидромашины 2 увеличивается и частота вращения маховика 7, соответственно происходит восполнение кинетической энергии в гидроприводе. Восполнение потенциальной энергии гидропривода происходит за счет перехода объемной реверсивно-обратимой нерегулируемой гидромашины 4 в насосный режим. Этот переход осуществляется по причине работы привода с сопутствующей нагрузкой, поэтому масляный «клин», образующийся в гидролинии 6,образуется практически сразу, препятствуя самоопусканию груза, и, как следствие, к моменту полной остановки груза гидропневмоаккумулятор 8 полностью заряжен.
Работа гидропривода может быть описана уравнением (2) баланса мощностей:
м
н
где N=N - мощности на валу мотора и насоса,
- мощность от гидропневмоаккумулятора 8;
- расход рабочей жидкости в гидропневмоаккумуляторе 8;
п
Δр - перепад давления в гидропневмоаккумуляторе 8;
- мощность на валу маховика 7;
- момент на валу маховика 7;
- частота вращения вала маховика 7.
При определенном соотношении кинетической и потенциальной энергий рекуперативный гидропривод с помощью объемных реверсивно-обратимых регулируемых гидромашин 2 и 3, а также маховика 7 способен работать в автоколебательном режиме. Для этого необходимо соблюдение следующих неравенств, которые следуют из баланса мощностей уравнение (2):
Когда гидропривод начинает работать согласно формуле (4), проводной двигатель 1 переходит из режима компенсации потерь в рабочий режим.
При превышении давления в гидролинии 5 выше допустимого значения открывается клапан 14, и рабочая жидкость поступает в гидролинию 6. При повышении давления в гидролинии 6 выше допустимого значения срабатывает клапан 13, и рабочая жидкость поступает в гидролинию 5.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в использовании сразу двух видов рекуперируемой энергии, что достигается благодаря использованию сразу двух типов аккумулирующих устройств - маховика 7 и гидропневмоаккумулятора 8 и дополнительно от опускаемого с помощью исполнительного механизма 10 груза, а также благодаря использованию объемных реверсивно-обратимых гидромашин 2, 3 и 4. В результате происходит дополнительное повышение эффективности от использования устройств рекуперации энергии, а именно исполнительного механизма 10, связанного с грузом, а также повышается эффективность управления рекуперативным гидроприводом и подъемным механизмом за счет автоматического управления объемными реверсивно-обратимыми регулируемыми гидромашинами 2, 3, которое осуществляется регулятором давления, установленным в этих гидромашинах.
Таким образом, полезная модель позволяет повысить степень рекуперации энергии за счет использования как кинетической энергии присоединенной массы маховика и потенциальной энергии гидропневмоаккумулирующего устройства, так и опускающегося груза в случае использования гидропривода в подъемных механизмах при одновременном оптимальном подборе элементов гидропривода и обеспечении автоматического режима регулирования.