СИСТЕМА ТЕПЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ ГИДРОПРИВОДА

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и, в частности, к системам охлаждения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и тепловой подготовки гидропривода машин, и может быть использовано при эксплуатации машин в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха.
Опыт эксплуатации машин в условиях низких температур, а также, анализ статистических данных, показывает, что около 70% всех отказов и поломок приходится на узлы и детали гидросистемы, это объясняется возрастанием вязкости масла при низкой температуре. Поэтому для безотказной работы машин в таких условиях проблема тепловой подготовки и обеспечения рабочего диапазона температуры масла гидропривода является одной из главных. Тепловая подготовка гидропривода связана со значительным расходом энергии, как от внутренних, так и внешних источников тепла, дефицит которой очевиден. Особенно в условиях автономного функционирования машин в районе Крайнего Севера вдали от баз механизации, где отсутствуют постоянные источники тепловой, электрической энергии и теплые помещения.
Повлиять на тепловой режим гидрооборудования можно установкой систем тепловой подготовки, эффективность которых определяется мощностью, местом расположения на машине, временем тепловой подготовки. Основными показателями эффективности систем тепловой подготовки гидропривода является: энергоемкость, масса, скорость тепловой подготовки и обеспечение надежности работы.
В процессе преобразования ДВС тепловой энергии в механическую в установившемся рабочем режиме используется приблизительно 35...40% тепловой энергии. Остальные 50...70% введенной с топливом теплоты теряется вследствие теплообмена массы ДВС и охлаждающей жидкости с окружающей средой (до 33%), уносится в окружающую среду с отработавшими газами (до 26%), а также неполноты сгорания топлива и неучтенные потери (до 11%).
Потери энергии в ДВС обусловлены самой конструкцией. Все выше изложенное приводит к обоснованию возможности использования избыточного тепла.
Известна система, регулирования температуры рабочей жидкости транспортного средства (А.с. 1144901 СССР, МКИ4, В 60 К 13/04, Р 15 В 21/04, опубл. 1985), состоящая из масляного бака с теплообменником и термодатчиком, насоса с приводом от ДВС, выхлопная труба которого имеет подвижную и неподвижную заслонки и сообщается с теплообменником, датчика давления, установленного во всасывающем трубопроводе насоса и
связанного с задатчиком давления через блок сравнения, который через последовательно включаемые усилитель, преобразователь и исполнительное устройство связан с устройством управления ДВС, и гидрораспределителя. При низкой температуре и, соответственно, высокой вязкости рабочей жидкости подвижная заслонка закрыта, и отработавшие газы от ДВС поступают в теплообменник, разогревая рабочую жидкость в баке. При излишне высоких оборотах вала насоса рассогласование показаний датчика и задатчика приводит к уменьшению частоты вращения этого вала. По мере повышения температуры рабочей жидкости то же рассогласование обратной полярности приводит к увеличению частоты его вращения.
Известна система подогрева гидравлического масла землеройной машины (пат. 2027079 РФ, МПК5 Р 15 В 21/04, опубл. 1995), содержащая систему выхлопа двигателя внутреннего сгорания и гидросистему машины. С целью предварительного подогрева масла при запуске гидросистемы и поддержания ее рабочей температуры при эксплуатации машины при низких температурах от коллектора выхлопной трубы выполнен отвод, в котором снаружи установлена вторая теплоизолированная труба, герметично соединенная с первой, пространство между которыми заполнено теплоносителем и соединено гидравлически с гидронасосом и далее с регулируемым делителем потока, один выход которого соединен с теплообменниками, выполненными в виде перегородок основного гидробака. Другой выход делителя потока соединен с теплообменником кабины оператора. В гидробаке установлено температурное реле, соединенное с информационным табло в кабине оператора и с гидробаком привода насоса перекачки теплоноситель. В трубопроводе коллектора и отводной трубе установлены путевые заслонки, имеющие общий привод поворота от электромагнита.
Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, являются: малая скорость тепловой подготовки гидросистемы; ограничение прогрева гидросистемы подогревом жидкости в гидробаке.
Устройство (пат. №2059049 РФ, кл. Е 02 F 9/20, 9/22; F 02 N 17/06, 1996) для прогрева силовой установки, которое имеет двигатель с системой охлаждения, контур циркуляции жидкого теплоносителя, включающий тепловой аккумулятор (ТА) из нескольких одинаковых секций, теплообменный аппарат, связанный с выхлопной трубой двигателя, насос, а также теплообменника в гидробаке гидросистемы и в поддоне картера. Секции ТА могут поочередно подключаться к контуру циркуляции жидкого теплоносителя. На входе ТА установлен многопозиционный кран с отводами в каждую секцию. В напорной линии насоса установлен трехходовой распределитель.
Недостатком устройств является малая скорость прогрева гидропривода и большие массогабаритные параметры.
Наиболее близким является система разогрева рабочей жидкости, состоящая из ДВС, гидробака, гидронасоса, при этом гидробак с теплообменником связан с выхлопной трубой ДВС, что позволяет разогревать рабочую жидкость (Карнаухов Н.Н. Приспособление строительных машин к условиям Российского Севера и Сибири. - М.: Недра, 1994. - с.352, с.60, рис.4.3).
Однако сложность данного способа в том, что необходимо внесение значительных изменений в конструкцию гидробака, это усложняет технологию его изготовления и затрудняет обслуживание в процессе эксплуатации.
В существующих гидроприводах машин элементы гидрооборудования разнесены по всей машине, в том числе гидронасос расположен отдельно от ДВС, при этом надо стремиться, чтобы гидронасос находился как можно ближе к источнику тепла, т.е. ДВС.
Поставленные задачи решаются за счет достижения технического результата, который заключается в повышении скорости тепловой подготовки гидропривода машины после длительной стоянки в условиях низких температур окружающего воздуха, а также обеспечении рабочего диапазона температуры масла в гидроприводе при работе машины.
В системе тепловой подготовки гидропривода машины, содержащая ДВС и контур циркуляции масла в гидроприводе, включающий гидронасос, масленый бак гидропривода, гидродвигатель и трубопроводы всасывания и нагнетания масла, особенностью является то, что в ДВС шатун соединен с поршнем через шток, гильза цилиндра имеет днище, к которому подведен гидротрубопровод всасывания масла из гидробака и трубопровод для нагнетания масла из штоковой полости гильзы цилиндра ДВС, к гидродвигателю, при этом в оба трубопровода встроены обратные клапаны для одностороннего движения масла при работе поршня, причем при выполнении поршнем тактов сжатия и выпуска происходит всасывание масла, при выполнении поршнем тактов впуска и расширения происходит нагнетание масла.
ДВС, представляет собой систему, выполняющую одновременно функции ДВС и гидронасоса. При этом гильза цилиндра ДВС, у нижней мертвой точки поршня, имеет трубопровод всасывания масла из масленого бака и трубопровод нагнетания масла к гидродвигателю. Для одностороннего движения масла в трубопроводах всасывания и нагнетания, при движении поршня ДВС, трубопроводы имеют обратные клапаны.
На фиг. изображена схема системы тепловой подготовки гидропривода, где ВМТ, НМТ - соответственно верхняя и нижняя мертвые точки.
Система тепловой подготовки гидропривода содержит контур циркуляции масла в гидроприводе машины: штоковую полость 1 цилиндра, поршень 2, трубопровод всасывания 3, трубопровод нагнетания 4, масленый бак 5 гидропривода, гидродвигатель 6, клапаны обратные 7 и 8, все элементы контура соединены трубопроводами. Привод коленчатого вала 9 от поршня 2 осуществляется за счет штока 10 и шатуна 11. Прямолинейное, возвратно-поступательное движение штока 10 обеспечивает герметичность гидропривода машины.
Система тепловой подготовки гидропривода работает следующим образом. При движении поршня 2 к верхней мертвой точке происходит всасывание холодного масла по трубопроводу 3 из масленого бака 5, в ДВС, который выполняет функции одновременно и гидронасоса при этом происходит нагрев масла от горячего ДВС. При движении поршня 2 к нижней мертвой точке происходит нагнетание горячего масла по трубопроводу 4 к гидродвигателю (гидроцилиндру) 6 через обратный клапан 8. Установленный обратный клапан 7 не позволяет маслу двигаться по всасывающему трубопроводу 3.
Таким образом, совмещение гидронасоса и ДВС в одну систему позволяет осуществить тепловую подготовку гидропривода через гидронасос, при быстрой теплоотдачи от ДВС, соответственно и скорости тепловой подготовки гидропривода, а также обеспечить рабочий диапазон температуры масла в гидроприводе машины, эксплуатируемой при низких отрицательных температурах.