Рекуперативный гидропривод лесовозного автомобиля с прицепом
RECUPERATIVE HYDRAULIC DRIVE OF A FORESTRY VEHICLE WITH A TRAILER

Изобретение относится к лесному и сельскохозяйственному машиностроению, в частности к гидроприводам лесных манипуляторов и лесовозных автомобилей.
Известно энергоэкономичное гидравлическое устройство, содержащее гидроцилиндр, сливную и напорную гидромагистрали, гидравлический аккумулятор, гидрораспределитель, насос и гидробак (Патент №295212 Германия; F15B 1/02; опубл. 24.10.91).
Недостатком данной схемы является то, что она не обеспечивает надежную работу устройства при снижении или отсутствии давления в гидроаккумуляторе.
Известно устройство для восстановления энергии, содержащее гидроцилиндр, сливную и напорную гидромагистрали, гидравлический аккумулятор, гидрораспределитель, насос и гидробак (Международная заявка РСТ №9613669; F15B 11/064; опубл. 09.05.96).
Недостатком данного устройства является сложность его конструкции.
Известен рекуперативный гидропривод лесовозного автомобиля, содержащий рекуперативные механизмы стрелы, рукояти, опорно-поворотного устройства гидроманипулятора, оснащенные подпружиненными мультипликаторами давления, кинематически соединенными с плунжерами гидроцилиндров высокого давления, рекуперативный механизм колес, оснащенный реверсивными обратимыми гидромоторами колес, автоматически управляемыми гидрораспределителями, рекуперативный механизм подвески, оснащенный гидроцилиндрами, обратными клапанами, дросселями, гидрораспределители, редукционные клапаны, гидронасос, гидробак, фильтр, разгрузочный автоматический клапан, пневмогидравлический аккумулятор, всасывающие, сливные и напорные гидромагистрали (Патент №2668093 РФ; A01G 23/00, B66F 9/22; опубл. 26.09.2018). Принят за прототип.
Однако указанный рекуперативный гидропривод не предусматривает использование энергии, получаемой от механизма рекуперации и накапливаемой в пневмогидравлическом аккумуляторе при трогании, разгоне, торможении лесовозного автомобиля с прицепом на лесовозной дороге, что приводит к повышенному расходу топлива.
Изобретение решает задачу снижения расхода топлива лесовозного автомобиля с прицепом.
Это достигается тем, что в рекуперативном гидроприводе лесовозного автомобиля с прицепом, содержащем рекуперативные механизмы стрелы, рукояти, опорно-поворотного устройства гидроманипулятора, оснащенные подпружиненными мультипликаторами давления, кинематически соединенными с плунжерами гидроцилиндров высокого давления, рекуперативный механизм колес, оснащенный реверсивными обратимыми гидромоторами колес, автоматически управляемыми гидрораспределителями, рекуперативный механизм подвесок, оснащенный гидроцилиндрами, обратными клапанами, дросселями, причем рекуперативные механизмы посредством гидрораспределителей соединены с гидрорамагистралями, связывающими их с гидронасосом, гидробаком, фильтром, разгрузочным автоматическим клапаном и пневмогидравлическим аккумулятором, согласно изобретению, дополнительно содержатся рекуперативный механизм тягово-сцепного устройства, снабженный гидроцилиндром, штоковая и нештоковая полости которого с помощью последовательно соединенных дросселя и двух обратных клапанов раздельно присоединены к всасывающей и напорной гидромагистралям, а также гидроцилиндры аутригеров, нештоковые и штоковые полости которых посредством гидрораспределителей соединены с гидромагистралями, причем нештоковые - с напорной, а штоковые - с всасывающей.
На фиг. 1 изображена схема размещения рекуперативных механизмов на лесовозном автомобиле с прицепом; на фиг. 2 - гидравлическая схема рекуперативного гидропривода лесовозного автомобиля с прицепом.
Рекуперативный гидропривод лесовозного автомобиля с прицепом (фиг. 1, 2) состоит из рекуперативных механизмов стрелы 1, рукояти 2, опорно-поворотного устройства 3 гидроманипулятора, рекуперативных механизмов колес 4, подвесок 5, тягово-сцепного устройства 6, гидроцилиндров 35 и 36 аутригеров, гидрораспределителей 7-11, насосно-аккумуляторного узла 12, всасывающих 44 и 48, сливных 47 и 49, напорных 45 и 46 гидромагистралей. Рекуперативные механизмы стрелы 1, рукояти 2 и опорно-поворотного устройства 3 гидроманипулятора аналогичны по конструкции и включают гидроцилиндр 13, подпружиненный мультипликатор давления 14, гидроцилиндр высокого давления 15, обратные клапаны 16-18 и регулируемый редукционный клапан 19. Рекуперативный механизм 3 опорно-поворотного устройства гидроманипулятора также содержит управляемые гидроцилиндры 20-23, поршни которых соединены попарно зубчатыми рейками 24, 25, и вал-шестерню 26 поворота колонны гидроманипулятора, подпружиненные мультипликаторы давления, гидроцилиндры высокого давления, обратные и регулируемые редукционные клапаны. Рекуперативный механизм 4 колес автомобиля включает реверсивные обратимые гидромоторы 27, напорную 46 и сливную 47 гидромагистрали, а также аппараты управления в виде гидрораспределителей 52 и 53. Рекуперативный механизм 5 подвесок автомобиля представляет собой установленные в каждой подвеске гидроцилиндр 28, обратные клапаны 31-34 и дроссели 29, 30, которые все вместе в подвеске выполняют также и функции амортизатора. Рекуперативный механизм 6 тягово-сцепного устройства автомобиля состоит из гидроцилиндра 43, обратных клапанов 37-40 и дросселей 41, 42. Насосно-аккумуляторный узел 12 включает пневмогидравлический аккумулятор 50, разгрузочный автоматический клапан 51, соединенный с двигателем 55 автомобиля гидронасос 54, обратный клапан 56, фильтр 57 и гидробак 58.
Работа рекуперативного гидропривода лесовозного автомобиля с прицепом заключается в следующем.
Рекуперативный механизм 1 стрелы гидроманипулятора функционирует за счет потенциальной энергии положения стрелы с рукоятью и грузом и работает следующим образом. После захвата манипулятором пачки сортиментов из штабеля шток гидроцилиндра 13, управляемого гидрораспределителем 9, выдвигается и поднимает стрелу с грузом на необходимую высоту, а затем стрела с помощью опорно-поворотного устройства поворачивается для погрузки сортиментов в автомобиль. При этом рабочая жидкость из напорной гидромагистрали 45 одновременно поступает через обратный клапан 18 в нештоковые полости гидроцилиндра 13 и гидроцилиндра подпружиненного мультипликатора давления 14, а также, минуя обратный клапан 18, - в штоковую полость гидроцилиндра подпружиненного мультипликатора давления 14. Причем параметры подпружиненного мультипликатора давления 14 и регулируемого редукционного клапана 19 подобраны по величине такими, чтобы они надежно обеспечивали срабатывание регулируемого редукционного клапана 19 только после срабатывания подпружиненного мультипликатора давления 14. После переключения гидрораспределителя 9 в «плавающее» положение нештоковые и штоковые полости гидроцилиндра 13 и гидроцилиндра подпружиненного мультипликатора давления 14 становятся сообщающимися, и стрела с пачкой сортиментов опускается под собственным весом на грузовую платформу автомобиля. В этом случае часть рабочей жидкости сначала из гидроцилиндра 13 под давлением поступает в нештоковую полость гидроцилиндра подпружиненного мультипликатора давления 14, выдвигает поршень со штоком и сжимает пружину мультипликатора. Под воздействием кинематически соединенного штока подпружиненного мультипликатора давления 14 с плунжером гидроцилиндра высокого давления 15 рабочая жидкость из гидроцилиндра высокого давления 15 через обратный клапан 17 под увеличенным давлением, равным соотношению площадей поршня и штока подпружиненного мультипликатора давления 14, вытесняется в напорную гидромагистраль 45 и пневмогидравлический аккумулятор 50. Неиспользованная подпружиненным мультипликатором давления 14 часть рабочей жидкости, оставшаяся в нештоковой полости гидроцилиндра 13, поступает в его штоковую полость через регулируемый редукционный клапан 19 и золотник гидрораспределителя 9. После разгрузки очередной пачки сортиментов в кузов автомобиля гидрораспределитель 9 переводится оператором в положение «подъем», и рабочий цикл стрелы повторяется.
Подпружиненный мультипликатор давления 14, кроме основной функции рекуперации энергии, выполняет одновременно и роль демпфера, снижая пиковые значения давления рабочей жидкости в гидроприводе, неизбежно возникающие при переходных процессах работающей стрелы. В частности, в моменты пуска, останова стрелы и в ряде других случаев резкое импульсное увеличение давления рабочей жидкости в гидроприводе стрелы эффективно снижается за счет срабатывания подпружиненного мультипликатора давления 14, а выделяемая при этом энергия также полезно используется путем ее рекуперации, аналогично описанному выше способу.
Вследствие идентичности устройства и принципа работы рекуперативные механизмы рукояти 2 и опорно-поворотного устройства 3 гидроманипулятора аналогичны работе рекуперативного механизма 1 стрелы. Отличие в работе рекуперативного механизма 3 опорно-поворотного устройства заключается лишь в одновременном срабатывании не одного, а четырех попарно связанных с помощью зубчатых реек 24 и 25 поршней управляемых гидроцилиндров 20, 23 и 21, 22. При этом благодаря зубчатому соединению реек 24, 25 и вала-шестерни 26 осуществляются повороты колонны гидроманипулятора вокруг вертикальной оси в обе стороны. Рекуперация энергии в опорно-поворотном устройстве осуществляется за счет демпфирования динамических нагрузок, действующих на колонну, стрелу и рукоять как при холостом движении, так и с пачкой сортиментов в моменты начала и конца поворотов гидроманипулятора.
Принцип действия рекуперативного механизма 4 колес автомобиля основан на аккумулировании энергии при цикличном движении лесовозного автомобиля с прицепом в режиме разгон-торможение, когда его кинетическая энергия движения полезно используется при торможении. Рекуперативный механизм 4 колес автомобиля работает следующим образом. При трогании с места и разгоне лесовозного автомобиля с прицепом гидравлическую энергию реверсивные обратимые гидромоторы 27 колес получают как от гидронасоса 54, так и от пневмогидравлического аккумулятора 50. При торможении или движении лесовозного автомобиля с прицепом накатом под уклон гидрораспределитель 53 автоматически полностью или частично переключает напорную гидромагистраль 46 на пневмогидравлический аккумулятор 50, который в этом случае подзаряжается от реверсивных обратимых гидромоторов 27, работающих в режиме насосов. При этом рекуперация энергии торможения автомобиля осуществляется с помощью гидрораспределителя 52, который автоматически отсоединяет реверсивные обратимые гидромоторы 27 от сливной гидромагистрали 47 и соответственно от гидробака 58, а с помощью гидрораспределителя 53 гидронасос 54 может быть переведен в режим холостого хода. При такой работе рекуперативного механизма 4 колес автомобиля развиваемая мощность двигателя 55 автомобиля может оставаться постоянной и значительно сниженной по величине.
Работа рекуперативного механизма 5 подвесок автомобиля основана на использовании энергии колебаний рамы лесовозного автомобиля и рамы прицепа и заключается в следующем. При движении по лесовозной дороге лесовозный автомобиль с прицепом под действием своих масс и массы грузов испытывает вертикальные перемещения от наезда колес на неровности поверхности дороги, а также от продольных и поперечных наклонов рам лесовозного автомобиля и прицепа под действием сил инерции при разгоне, торможении и поворотах. Вследствие этого штоки и поршни гидроцилиндров 28 периодически совершают вертикальные возвратно-поступательные движения. Так, движение поршня вверх (вправо на фиг. 2) сопровождается вытеснением части рабочей жидкости из нештоковой полости гидроцилиндра 28 через дроссель 29 и обратный клапан 31 в напорную гидромагистраль 45, в результате чего подзаряжается пневмогидравлический аккумулятор 50. Одновременно с этим, за счет разряжения, штоковая полость гидроцилиндра 28 заполняется рабочей жидкостью из гидробака 58 через всасывающую гидромагистраль 44 и обратный клапан 34. Аналогично, при движении поршня гидроцилиндра вниз (влево на фиг. 2), рабочая жидкость из штоковой полости вытесняется в пневмогидравлический аккумулятор 50 через обратный клапан 33 и напорную гидромагистраль 45, а нештоковая полость, за счет разряжения, заполняется рабочей жидкостью из гидробака 58 через всасывающую гидромагистраль 44 и обратный клапан 32. Далее рабочий цикл механизма рекуперации 5 подвесок автомобиля повторяется.
Кроме рекуперации энергии, совместная работа гидроцилиндров 28, дросселей 29, 30 и обратных клапанов 31-34 позволяет подвескам лесовозного автомобиля и прицепа одновременно эффективно выполнять функции амортизаторов как индивидуально, так и в сочетании с традиционными упругими элементами (рессорами, пружинами, торсионами и др.). Эффект амортизации подвески достигается за счет дросселирования рабочей жидкости через дроссель 29 при движении колеса и поршня гидроцилиндра 28 вверх и через дроссель 30 при движении колеса и поршня гидроцилиндра 28 вниз.
Работа рекуперативного механизма 6 тягово-сцепного устройства автомобиля основана на использовании энергии, возникающей в сцепке при трогании лесовозного автомобиля с прицепом, его разгоне, торможении, а также при движении по неровностям лесовозной дороги. При движении лесовозного автомобиля с прицепом по лесовозной дороге под действием массы прицепа с грузом в тягово-сцепном устройстве возникают большие по величине знакопеременные нагрузки, которые приводят к тому, что шток и поршень гидроцилиндра 43 периодически совершают возвратно-поступательные перемещения. При трогании с места и разгоне лесовозного автомобиля с прицепом поршень гидроцилиндра 43 перемещается вправо (вверх на фиг. 2) и вытесняет часть рабочей жидкости из штоковой полости гидроцилиндра 43 через дроссель 41 и обратный клапан 37 в напорную гидромагистраль 45, в результате чего подзаряжается пневмогидравлический аккумулятор 50. Одновременно с этим, за счет разряжения нештоковая полость гидроцилиндра 43 заполняется рабочей жидкостью из гидробака 58 через всасывающую гидромагистраль 44 и обратный клапан 39. Аналогично при торможении лесовозного автомобиля с прицепом поршень гидроцилиндра 43 перемещается влево (вниз на фиг. 2), рабочая жидкость из нештоковой полости перемещается через дроссель 42 и обратный клапан 40 в напорную гидромагистраль 45 и пневмогидравлический аккумулятор 50, а штоковая полость за счет разряжения заполняется рабочей жидкостью из гидробака 58 через всасывающую гидромагистраль 44 и обратный клапан 39. Далее рабочий цикл рекуперативного механизма 6 тягово-сцепного устройства автомобиля повторяется.
В процессе работы рекуперативного гидропривода лесовозного автомобиля с прицепом защита рекуперативных механизмов от превышения заданной величины давления рабочей жидкости в напорных гидромагистралях 45 и 46, при полностью заряженном пневмогидравлическом аккумуляторе 50, осуществляется с помощью предохранительных клапанов, предусмотренных в гидрораспределителях 7-11, и разгрузочного автоматического клапана 51, установленного в насосно-аккумуляторном узле 12.
Такое исполнение рекуперативного гидропривода позволяет повысить эффективность лесовозного автомобиля с прицепом за счет использования в лесовозном автомобиле двигателя значительно меньшей мощности (минимум на 35-45%) и соответственно снижения расхода топлива и токсичности выхлопных газов. Это достигается за счет аккумулирования в насосно-аккумуляторном узле 12 рекуперативными механизмами стрелы 1, рукояти 2, опорно-поворотного устройства 3, колес 4, подвесок 5, тягово-сцепного устройства 6 лесовозного автомобиля с прицепом и последующего полезного использования накопленной энергии при использовании аутригеров, движении лесовозного автомобиля с прицепом и при погрузке и разгрузке сортиментов гидроманипулятором. По сравнению с механическим приводом гидравлический привод обеспечивает значительное упрощение конструкции и снижение металлоемкости трансмиссии лесовозного автомобиля из-за исключения в ней дорогостоящих и недостаточно надежных традиционных узлов таких, как: сцепление, коробка передач, раздаточная коробка, карданные валы и главная передача. Кроме этого, рекуперативный гидропривод, благодаря эффективному демпфированию и амортизации, позволяет существенно повысить надежность лесовозного автомобиля с прицепом за счет снижения динамических нагрузок на детали и узлы его трансмиссии, ходовой части и гидроманипулятора.