ОБРАТИМЫЙ ГИДРОПРИВОД ИЗМЕНЕНИЯ ВЫЛЕТА СТРЕЛЫ ГРУЗОПОДЪЕМНОГО МЕХАНИЗМА

Техническое решение относится к грузоподъемной технике, в частности, к судовым кранам с гидроцилиндровым приводом изменения положения грузовой стрелы. Заявляемое техническое решение также может быть использовано в грузоподъемных узлах дорожных, строительных и сельскохозяйственных машин, в нажимных устройствах прокатных станов, прессов и т.п.
В статье М.М.Валдаева «Гидравлические приводы судовых палубных кранов» (книга «Судостроение» Л. 1973 г.) рассматривается устройство привода для изменения вылета стрелы судового крана с помощью исполнительного гидроцилиндра, запитанного от насоса по схеме открытого контура с использованием золотникового трехпозиционного гидрораспределителя, Гидросистема изменения вылета стрелы представляет собой составную часть (ветвь) общего, более сложного гидропривода судового крана, однако, достаточную для пояснения сути предлагаемого технического решения.
Для подъема стрелы золотник гидрораспределителя перекладывается в одно из крайних положений, обеспечивая поступления рабочей жидкости от насоса по напорной магистрали в поршневую полость гидроцилиндра, одновременно соединяя его штоковую полость со сливом гидросистемы крана, и, наоборот, - при необходимости опускания стрелы золотник гидрораспределителя перекладывается в другое крайнее положение, при этом поршневая полость гидроцилиндра соединяется со сливом, а штоковая - с напорной магистралью насоса. Обе полости исполнительного гидроцилиндра снабжены гидрозамками, обеспечивающими защиту стрелы от самопроизвольного сползания под действием собственной массы и навешенного груза, когда золотник гидрораспределителя находится в среднем положении и полости гидроцилиндра отсоединены от напорной магистрали насоса. При перекладке золотника под действием потока рабочей жидкости гидрозамки срабатывают, пропуская поток рабочей жидкости в одну из полостей и соединяя вторую со сливом. Кроме гидрозамков контур снабжен предохранительными и обратными клапанами, устройствами теплового контроля рабочей жидкости и иной разгрузочно-предохранительной гидроаппаратурой, необходимой для нормальной работы контура.
К недостаткам известного технического решения относится то, что в контуре такой гидросистемы имеется разность объемных скоростей потоков рабочей жидкости в напорной магистрали насоса и магистрали слива из исполнительного гидроцилиндра, что является причиной произвольной «просадки» стрелы с навешенным грузом и нежелательных толчков и ударов, предшествующих началу ее перемещения при изменении вылета. Степень проявления описываемого явления в рассматриваемом аналоге напрямую зависит от расхождения объемных скоростей потока, при этом величина объемной скорости в нагнетательной магистрали насоса и, следовательно, скорость перемещения стрелы ограничена его производительностью, в то время как скорости потока слива из исполнительного гидроцилиндра при ее опускании зависят от степени сжатия рабочей жидкости в замкнутой полости гидроцилиндра под действием собственной массы стрелы и навешенного на ней груза, величина объемной скорости в этой магистрали может достигнуть существенной величины. Величина объемной скорости слива может быть понижена за счет исскуственного увеличения гидравлического сопротивления этой магистрали, например, путем установки дополнительных дросселей, при этом их воздействие на поток рабочей жидкости приводит к ее нагреву и необходимости последующего охлаждения в теплообменных устройствах. С ростом грузоподъемности стрел и скоростей их перемещения происходит внедрение новых конструкций стрел, замена прямых стрел шарнирными (RU 2241633 от 10.12.2002), телескопическими (RU 2262464 от 20.10.2005) и более сложными конструкциями с увеличением числа исполнительных гидроцилиндров. Проблема рассеивания тепловой энергии слива из этих гидроцилиндров становится все более существенной, требующей увеличения производительности теплообменников, роста необходимого объема для рабочей жидкости в гидросистеме привода и расходов на их обслуживание.
В рассматриваемых аналогах судовых кранов (RU2241633 и RU2262464) гидроцилиндры запитаны от насосов постоянной производительности, что затрудняет плавное регулирование скорости перемещения стрел при выполнении грузовых операций и требует включения в контур гидропривода дополнительной разгрузочно-предохранительной гидроаппаратуры, управляющей объемной скоростью потока рабочей жидкости, подаваемой в исполнительные гидроцилиндры. При выполнении данными кранами операций подъема груза, требующих незначительных перемещений стрел с малыми скоростями, постоянный по величине поток рабочей жидкости на выходе насоса становится избыточным, а его избыточная гидравлическая энергия должна быть преобразована дополнительной разгрузочно-предохранительной гидроаппаратурой в тепловую, с соответствующим нагревом рабочей жидкости. Во время удержания тяжело нагруженной стрелы от «просадки» перед началом ее движения, после открытия гидрозамков, недостаток гидравлической энергии потока на выходе насоса приводит к возникновению неравенства в объемных скоростях потоков в нагнетательных и сливных магистралях.
Известно устройство судового крана RU2262464 от 20.10.2005 г., гидравлический привод изменения вылета стрелы которого содержит пневмогидроаккумулятор, компенсирующий недостаток гидравлической энергии потока на выходе насоса постоянной производительности при движении тяжело нагруженной стрелы. Потребление пневмо-гидроаккумулятором избыточной энергии на зарядку позволяет расширить скоростной диапазон выполняемых перемещений без дополнительного нагрева рабочей жидкости, однако расширение скоростного диапазона перемещения стрелы в этом случае незначительно и на технико-экономическую эффективность судовых кранов существенного влияние не оказывает.
Известны технические устройства, расширяющие диапазон скоростей перемещения рабочих органов стреловых кранов за счет использования насосов переменной производительности, разгрузочно-регулирующая гидроаппаратура при этом встроена в насос, что позволяет снизить гидравлические потери потока в нагнетательной магистрали. Подобное техническое решение реализовано в гидроприводе грузовой лебедки судового крана с использованием насоса переменной производительности (статья М.М. Валдаева «Гидравлические приводы судовых палубных кранов», книга «Судостроение» Л. 1973). Известно также устройство изменения вылета телескопической стрелы в грузоподъемном кране (RU 2179144 от 10.02.2002), в котором нагнетательная магистраль запитки исполнительных гидроцилиндров содержит насосы переменной и постоянной производительности, а также пневмогидроаккумулятор, но при этом суммарный слив рабочей жидкости из исполнительных гидроцилиндров стрелы сбрасывается напрямую в бак гидросистемы, а накопленная тепловая энергия этого потока рассеивается затем в теплообменнике.
Наиболее близким устройством того же назначения по совокупности признаков заявляемому является «Гидросистема грузоподъемного крана с гидравлическим приводом управления» (патент на полезную модель RU 64192 от 27.06.2007 г.), принятая за прототип. Гидропривод изменения вылета стрелы прототипа содержит исполнительный гидроцилиндр с гидрозамком, нагнетательную сливную магистраль, направлением потоков рабочей жидкости в которых управляет трехпозиционный гидрораспределитель. В гидроприводе предусмотрено два режима работы. В режиме нормальной работы нагнетательная магистраль запитана от насоса постоянной производительности, всасывающая магистраль которого соединена с баком гидросистемы. В этот же бак сбрасывается весь слив от исполнительного гидроцилиндра.
В режиме ускоренного перемещения стрелы к нагнетательной магистрали подключается параллельно второй насос постоянной производительности.
Недостатком известного технического решения, принятого за прототип, является сбрасывание в бак гидросистемы потока рабочей жидкости с накопленной гидравлической энергией, сливающейся из полости исполнительного гидроцилиндра при движении стрелы. К недостаткам прототипа следует отнести ступенчатое изменение скорости перемещения, что отрицательно сказывается на ходе выполнения грузовых операций, их динамике, вызывает дополнительные толчки и удары в гидросистеме привода, сигнальную работу ограничителей грузоподъемности. Примененная в прототипе разгрузочно-предохранительная система гидроуправления потоком рабочей жидкости дополнительно дросселирует этот поток, вызывая его нагрев, что отрицательно сказывается на производительности насосов и их объемных к.п.д.
Задачами предлагаемого технического решения являются:
- использование накопленной при перемещении грузовой стрелы гидравлической энергии потока рабочей жидкости при сливе ее из исполнительных гидроцилиндров привода перемещения стрелы;
- улучшение динамики выполняемых грузовых операций путем плавного регулирования скоростей перемещения грузовой стрелы без дополнительного дросселирующего воздействия на поток рабочей жидкости в нагнетательной магистрали и ее нагрева;
- повышение объемного к.п.д. насоса переменной производительности в режиме его обратимости.
Технический результат заявляемого устройства сводится к количеству возвращенной электрической энергии в питающую электросеть насоса, полученной путем преобразования накопленной при перемещении грузовой стрелы гидравлической энергии потока рабочей жидкости в электрическую с последующей рекуперацией ее приводным электродвигателем насоса, к экономии электрической энергии, расходуемой на охлаждение потока рабочей жидкости в теплообменниках, и затрат на содержание гидропривода.
Указанный результат достигается тем, что обратимый гидропривод изменения вылета стрелы содержит гидросистему с замкнутым контуром в составе насоса переменной производительности, гидрораспределитель изменения направления потока рабочей жидкости и исполнительные гидроцилиндры приводов с гидрозамками, отличающийся тем, что при изменении вылета стрелы сливные полости исполнительных гидроцилиндров с помощью гидрораспределителя соединяются с магистралью насоса переменной производительности, подающей рабочую жидкость в нагнетательные полости исполнительных гидроцилиндров, изменяющих вылет стрелы, при этом всасывающая магистраль насоса переменной производительности соединяется с баком гидросистемы с использованием подсасывающих клапанов.
Предлагаемое устройство обратимого гидропривода изменения вылета стрелы поясняется схемой, представленной на фиг.1. Гидропривод включает в себя насос переменной производительности 1, соединенный по схеме замкнутого контура с исполнительными гидроцилиндрами 2, изменяющими вылет стрелы. От произвольного слива рабочей жидкости исполнительные гидроцилиндры защищены гидрозамками 3, срабатывающими при подаче на них потока рабочей жидкости от насоса 1. Изменение направления потока рабочей жидкости в контуре обеспечивается переключаемым трехпозиционным гидрораспределителем 4. Нормальная работа замкнутого контура поддерживается различной разгрузочно-предохранительной гидроаппаратурой, в частности, клапанами обратным 5 и предохранительным 6, подсасывающими клапанами 7 и сливным баком гидросистемы 8. Вспомогательная гидроаппаратура подпитки, охлаждения контура, реле-давления и т.д. на схеме не показаны, как не оказывающие влияния на суть заявляемого устройства.
Заявляемое устройство работает следующим образом: при необходимости произвести перемещение стрелы с навешенным грузом, например, начать ее опускание, связанные между собой рычаг управления люлькой с насосом переменной производительности 1 и устройство переключения положения золотника гидрораспределителя одновременно переводятся в положение «Опускание». Появившийся на входе насоса 1 поток рабочей жидкости начнет поступать в штоковые полости исполнительных гидроцилиндров 2, одновременно этот поток поступит на гидрозамки 3 и откроет их. При открытии гидрозамков 3 сжатая под действием стрелы и навешенного груза рабочая жидкость из поршневой полости гидроцилиндров через гидрораспределитель 4, золотник которого сдвинут в крайнее положении, начнет поступать в магистраль, в которую насос 1 уже начал подавать рабочую жидкость, и в штоковые полости исполнительных гидроцилиндров уже будут поступать два потока рабочей жидкости: из насоса 1 и поршневых полостей исполнительных гидроцилиндров 2.
При перекладке рычага управления люлькой насоса и золотника гидрораспределителя 4 в положение «Подъем», уже в поршневые полости исполнительных гидроцилиндров будут поступать потоки из насоса и из штоковых полостей этих же гидроцилиндров. Соотношение количества гидравлической энергии (давления) в потоке, подаваемом насосом, и потоке слива из гидроцилиндров может быть различным...
Если оказывается, что давление сливного потока из гидроцилиндров окажется выше, то насос переменной производительности 1 обращается в режим гидродвигателя, начиная увеличивать скорость вращения мотора своего приводного электродвигателя. В момент достижения ротором электродвигателя значения синхронной скорости его статор начнет рекуперацию электрической энергии в питающую сеть. Процесс подачи электроэнергии в сеть будет продолжаться до тех пор, пока давления в потоке от насоса и слива из гидроцилиндров не выравняются.
Для повышения объемного к.п.д. насоса переменной производительности при сложении указанных потоков рабочей жидкости в нагнетательной магистрали контура и для уменьшения вредных кавитационных явлений во всасывающей магистрали насоса при недостаточности рабочей жидкости насос снабжен подсасывающими клапанами, обеспечивающими нормальный процесс всасывания при обратимости насоса.
Экспериментальные исследования предлагаемого технического устройства обратимого гидропривода изменения вылета стрелы с насосом переменной производительности, по сравнению с серийно выпускаемым насосом НК32, включенным по схеме замкнутого контура, позволяют возвратить в электросеть до 40% потребленной мощности за счет использования накопленной гидравлической энергии сжатого потока слива из исполнительных гидроцилиндров.