ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МАШИНЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ
HYDRAULIC MACHINE WITH HYDROSTATIC TRANSMISSION

Изобретение относится к землеройно-транспортным и строительно-дорожным машинам, в частности к гусеничным и колесным бульдозерам, погрузчикам, автогрейдерам, скреперам, экскаваторам, грузоподъемным машинам, корчевателям, рыхлителям, дорожным каткам и т.д.
Известна гидравлическая система гусеничного бульдозера с гидростатической трансмиссией (ГСТ), именуемой также гидрообъемной трансмиссией (ГОТ), содержащая три регулируемых реверсивных аксиально-поршневых гидронасоса, два из которых соединены гидролиниями с нерегулируемыми гидромоторами, связанными с бортовыми редукторами, снабженными тормозами, а третий гидронасос соединен с гидроцилиндрами рабочих органов навесного оборудования через распределительное устройство, выполненное с возможностью его переключения на гидролинии нерегулируемых гидромоторов [1].
Ее недостатком является отсутствие управления навесным оборудованием бульдозера при повышенных скоростях его движения, когда третий гидронасос задействован в ГСТ.
Наиболее близкой к предложенной является гидравлическая система гусеничного трактора-бульдозера с ГСТ, содержащая три гидронасоса, два из которых выполнены регулируемыми реверсивными аксиально-поршневыми и образующими гидроконтуры с соответствующими гидромоторами, связанными с бортовыми редукторами, снабженными тормозами, а третий гидронасос через распределительное устройство образует гидроконтур с гидроцилиндрами рабочих органов навесного (рабочего) оборудования, причем все гидроконтуры выполнены автономными, а сами гидронасосы установлены последовательно на одном валу с приводным двигателем и жестко соединены друг с другом [2].
Недостатками этой гидросистемы являются пониженная надежность ее работы и сложность компоновки на машине, что обусловлено повышенным числом использованных компонентов, отсутствуем механического разъединения бортовых редукторов и дублирующей системы фильтрации рабочей жидкости, применением сложных по конструкции аксиально-поршневых гидромоторов, а также другими особенностями ее конструктивного исполнения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение во всех вариантах его исполнения, является повышение надежности работы гидросистемы. Дополнительными техническими результатами являются упрощение компоновки системы на машине, а также расширение ее функциональных возможностей.
В гидросистеме землеройно-транспортной или строительно-дорожной машины с гидростатической трансмиссией (ГСТ, ГОТ), содержащей по меньшей мере три гидронасоса, первый и второй из которых выполнены регулируемыми реверсивными и с соответствующими гидромоторами и бортовыми редукторами образуют гидрообъемные (гидростатические) передачи трансмиссии, а третий гидронасос через распределительное устройство связан гидролиниями с гидроцилиндрами и/или гидромоторами рабочего оборудования, указанные технические результаты достигаются за счет того, что в этой гидросистеме дополнительно реализовано по меньшей мере одно из следующих технических решений:
а) гидромоторы гидрообъемных передач трансмиссии выполнены двухскоростными или двухсекционными с дискретно переключаемыми рабочими объемами;
б) бортовые редукторы выполнены с возможностью механического разъединения, обеспечивающего возможность буксировки машины при неработающем двигателе машины и неподвижных входных валах бортовых редукторов;
в) дополнительно установлен четвертый гидронасос, который гидролиниями соединен с гидромотором вала отбора мощности машины, причем этот гидронасос и/или этот гидромотор выполнен/выполнены с пропорциональным или дискретным управлением;
г) в гидролинии слива рабочей жидкости с гидроконтуров трансмиссии и/или с гидроконтура рабочего оборудования в гидробак или в гидробаке у входа этой линии установлен фильтр и/или обратный клапан, причем всасывающие гидролинии насоса/насосов подпитки гидронасосов гидрообъемных передач трансмиссии подключены к указанному фильтру и/или обратному клапану в точке, в которой их наличие приводит к возникновению избыточного давления;
д) система фильтрации рабочей жидкости содержит фильтр, установленный в дренажной линии, приспособленной для передачи рабочей жидкости в гидробак, и/или во всасывающей гидролинии, присоединенной к гидробаку, а также фильтр в заливной горловине гидробака и по меньшей мере один дополнительный фильтр, установленный в гидролинии, по которой рабочая жидкость поступает на элемент/элементы гидросистемы, обладающий/обладающие повышенной чувствительностью к загрязнениям;
е) гидромоторы трансмиссии или соединенные с ними бортовые редукторы содержат встроенные тормоза или тормоза установлены между выходным валом каждого гидромотора трансмиссии и входным валом бортового редуктора;
ж) гидронасосы, включая гидронасос привода вала отбора мощности, установлены на раздаточном или разветвляющем редукторе, входной вал которого соединен с двигателем машины через упругую муфту.
Кроме того, с целью достижения указанных технических результатов в гидросистеме машины, в частности:
- двухскоростные гидромоторы гидрообъемных передач трансмиссии выполнены в виде двух последовательно соединенных нерегулируемых шестеренных гидромоторов или в виде двухсекционного шестеренного гидромотора с возможностью подключения/отключения отдельных гидромоторов или секций или их переключения с параллельного (низкая скорость машины) на последовательное (высокая скорость) соединение;
- для управления тормозами используется клапан, который выполнен с возможностью подачи на управляющие входы тормозов давления, создаваемого по меньшей мере одним насосом подпитки (управление внешним сигналом), или с возможностью автоматического включения тормоза, если давление в гидролинии или в гидромоторе соответствующей гидрообъемной передачи трансмиссии снижается до установленной величины;
- гидронасос привода вала отбора мощности содержит дополнительный гидронасос подпитки гидроконтура этого привода, который дополнительно используется для создания давления в системе управления распределительным устройством и тормозами.
Применение в предложенной гидравлической системе двухскоростных шестеренных гидромоторов трансмиссии, которые по сравнению с аксиально-поршневыми имеют значительно более простую конструкцию, обеспечивает повышение ее надежности.
Реализация бортовых редукторов с механическим разъединением для обеспечения возможности буксировки машины независимо от наличия давления в гидролинии управления тормозами позволяет отказаться от применения гидравлических элементов управления тормозами при неработающем двигателе внутреннего сгорания (ДВС), в том числе автономного источника энергии для управления тормозами, что также повышает надежность гидросистемы.
Создание избыточного давления на всасывающей гидролинии насосов подпитки путем подключения этой линии к дополнительному фильтру и/или обратному клапану снижает вероятность возникновения кавитации и, соответственно, повышает надежность работы гидросистемы. К этому же результату приводит применение дополнительных фильтров, обеспечивающих более тонкую фильтрацию рабочей жидкости перед их подачей на наиболее чувствительные к загрязнениям элементы гидросистемы.
Применение тормозов, которые по усмотрению разработчика встраиваются в гидромоторы, бортовые редукторы или устанавливаются между выходным валом гидромотора трансмиссии и входным валом бортового редуктора, предоставляет свободу выбора их конструкции и, соответственно, позволяет обеспечить как повышение надежности, так и упрощение компоновки.
Реализация вала отбора мощности на основе гидрообъемного (гидростатического) привода также повышает надежность машины и упрощает ее компоновку за счет устранения механической связи приводного ДВС с ВОМ и подавления динамических нагрузок путем регулирования гидронасоса и/или гидромотора. К повышению надежности за счет подавления динамических нагрузок и крутильных колебаний приводит также применение упругой муфты для соединения ДВС с раздаточным (разветвляющим) редуктором гидромоторов.
Реализация механического разъединения бортовых редукторов, позволяющего осуществлять буксировку машины при неработающем двигателе и при отсутствии давления в системе управления, а также реализация привода вала отбора мощности (ВОМ) расширяет функциональные возможности системы.
Поэтому отличительные признаки предложенного технического решения находятся в прямой причинно-следственной связи с техническими результатами, на достижение которых направлено изобретение.
На чертеже изображена упрощенная схема гидравлической системы машины.
Гидростатическая (гидрообъемная) трансмиссия землеройно-транспортной или строительно-дорожной машины, например гусеничного бульдозера, с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) 1 содержит две гидрообъемные (гидростатические) передачи 2, 3, каждая из которых содержит регулируемый реверсивный гидронасос 4, гидромотор 5 и бортовой редуктор 6.
Выходной вал каждого бортового редуктора 6 связан с ведущей звездочкой (на гусеничной машине) или с ведущим колесом (на колесной машине).
Гидравлическая система содержит также третий гидронасос 7 рабочего (навесного) оборудования, который через распределительное устройство (гидрораспределитель) 8 связан гидролиниями с поршневыми гидроцилиндрами двухстороннего действия с односторонним штоком и/или с регулируемыми или нерегулируемыми гидромоторами рабочего оборудования 9.
Гидрораспределитель (распределительное устройство) 8 может иметь несколько сервогидроуправляемых или сервоэлектрогидроуправляемых рабочих секций, включая одну напорную и одну сливную. В первую рабочую секцию может быть встроен общий предохранительный клапан.
Например, на бульдозере секции гидрораспределителя предназначены для управления подъемом/опусканием, перекосом и поворотом отвала в плане. Секция подъема/опускания отвала обладает возможностью включения плавающего положения отвала путем соединения штоковой и поршневой полостей гидроцилиндров между собой и сливом.
Гидрораспределитель 8 представляет собой агрегат золотникового типа с параллельным соединением исполнительных органов и собран из отдельных унифицированных секций. В его секции дополнительно могут быть встроены клапаны перегрузки и вакуумные клапаны. Клапаны перегрузки предназначены для сглаживания экстремальных динамических нагрузок в гидросистеме и в металлоконструкциях машины, например, вследствие удара, когда поршневые и штоковые полости цилиндров заперты (не работают). Вакуумные клапаны служат для исключения появления разрежения в полостях исполнительных механизмов (гидроцилиндрах и гидромоторах) в результате либо быстрого перемещения оборудования (быстрее, чем позволяет поток жидкости), либо вследствие их силового перемещения в запертом состоянии.
Рабочая жидкость от насоса 7 посредством рукава подводится к напорным секциям гидрораспределителя 8. При нейтральной позиции всех золотников рабочая жидкость по центральному переливному каналу свободно проходит на слив в сливную секцию и оттуда в сливную гидролинию. Если в рабочей позиции находится хотя бы один из золотников, то центральный переливной канал перекрывается и рабочая жидкость поступает в один из двух рабочих отводов данной секции, а из второго (противоположного) рабочего отвода - в соответствующий сливной канал.
Поступление рабочей жидкости в исполнительный механизм 9 зависит от величины перемещения рабочего золотника соответсвующей секции гидрораспределителя 8, т.е. от давления в линии управления, которое устанавливается блоком (аппаратом) сервогидравлического управления (на чертеже условно не показан).
Насосы 4, 7 установлены на раздаточном или разветвляющем редукторе и приводятся во вращение от приводного двигателя 1 через упругую муфту 10. Эти насосы могут быть также соединены последовательно (объединены в тандем).
Гидромоторы трансмиссии 5 или соединенные с ними бортовые редукторы 6 содержат встроенные тормоза 11. Тормоза 11 могут быть также установлены между выходным валом каждого гидромотора 5 и входным валом бортового редуктора 6.
Гидромоторы 5 с целью упрощения конструкции могут быть выполнены шестеренными двухскоростными с дискретно переключаемым рабочим объемом. Например, они могут быть выполнены в виде двухсекционного тандема с гидрораспределителем, осуществляющим параллельное (на малой скорости движения машины) или последовательное (при работе на повышенной скорости) соединение этих секций. Гидрораспределитель, осуществляющий переключение скоростей (рабочего объема) моторов, может управляться внешним сигналом (например, оператором машины или сигналом, поступающим от контроллера трансмиссии) либо может быть выполнен с возможностью автоматического переключения насоса на максимальный рабочий объем в случае, если давление в гидроконтуре или гидромоторе гидрообъемной передачи трансмиссии превышает установленную величину.
Дополнительно, в зависимости от вариантов исполнения гидросистемы каждая гидрообъемная передача может содержать насос подпитки 12 ее гидроконтура, конструктивно объединенный, в частности, с гидромотором 4.
Насосы подпитки 12 через обратные клапаны 13, 14 компенсируют утечки рабочей жидкости в гидронасосах 4 и гидромоторах 5, а также создают подпор во всасывающей линии каждого гидромотора 4 гидрообъемной передачи для устранения кавитации и, следовательно, обеспечивают повышение рабочей частоты вращения насоса 4 и уменьшение проходных сечений его каналов.
Давление насосов подпитки 12 непосредственно или через обратные клапаны 15, 16 подается также на клапан управления 17 тормозами 11 и используется для питания аппарата управления рабочим (навесным) оборудованием и, соответственно, для управления связанным с ним распределительным устройством (гидрораспределителем) 8, а также для питания гидроаппаратуры регулирования гидронасосов 4 и гидромоторов 5 (на чертеже условно не показана). Неиспользованная в подпитке рабочая жидкость через предохранительный клапан 16 уходит на слив в дренаж.
Для предохранения гидрообъемных передач трансмиссии 2, 3 от пиковых давлений в каждом из ее гидроконтуров установлены обратно-предохранительные предохранительные клапаны 18, 19.
Поскольку подача насосов подпитки 12 превышает утечки, образующиеся во всасывающих линиях, излишки рабочей жидкости, нагретой после выхода из гидромоторов 5, через золотниковые распределители 20 и переливные клапаны 21, именуемые клапанами промывки (прополаскивания), поступают к охладителю (радиатору) 22 и далее на слив в гидробак 23. Для защиты радиатора 22 от повреждений при низких температурах установлен предохранительный клапан 24.
В гидрообъемных передачах трансмиссии 2, 3 и гидроконтуре рабочего оборудования используется общая рабочая жидкость, общий гидробак 23 и общая система охлаждения рабочей жидкости с общим радиатором 22.
В гидролинии слива рабочей жидкости с гидроконтуров трансмиссии и/или рабочего оборудования в гидробак 23 либо непосредственно в гидробаке 23 у входа этой линии установлен фильтр 25 и/или обратный клапан 26.
Для сохранения работоспособности гидросистемы в случае засорения фильтра 25 установлен фильтр более грубой степени очистки 32 и соответствующие переключающие клапаны.
Система фильтрации рабочей жидкости в общем случае содержит фильтр 25, установленный в дренажной линии, по которой рабочая жидкость поступает в гидробак 23, фильтр 27 во всасывающей гидролинии с соответствующим предохранительным клапаном 28, фильтр в заливной горловине гидробака 29, а также дополнительные фильтры (на чертеже условно не показаны), установленные в гидролиниях, по которым рабочая жидкость поступает на элементы гидросистемы, обладающие повышенной чувствительностью к загрязнениям (например, на выходах насосов подпитки 12 или на входах в гидрораспределители 8, 17).
В гидросистеме машины может быть реализован гидрообъемный (гидростатический) привод 30 вала отбора мощности (ВОМ). В этом случае устанавливается четвертый гидронасос, например аксиально-поршневой, который гидролиниями связан с гидромотором ВОМ. Гидромотор может быть аксиально-поршневым, пластинчатым или шестеренным. Для обеспечения возможности регулирования скорости вращения ВОМ этот гидронасос, гидромотор либо гидронасос и гидромотор одновременно выполнены с пропорциональным или дискретным управлением.
Гидрообъемный (гидростатический) привод 30 ВОМ может содержать насос подпитки его гидроконтура, который также может быть использован для создания давления в системе управления распределительным устройством 8 и тормозами 11.
К гидролинии, давление в которой используется для управления распределительным устройством 8 и клапаном 17 управления тормозами 11, дополнительно может быть подключен гидропневматический (газогидравлический) аккумулятор 31, обеспечивающий стабилизацию давления в системе управления.
Для обеспечения возможности буксировки машины при отсутствии давления в линии управления тормозами (например, при неработающем двигателе 1 или неисправном насосе подпитки 12) в бортовых редукторах 6 предусмотрена возможность механического разъединения - снятия шлицевых валов солнечных шестерен со стороны наружных крышек бортового редуктора (на чертеже условно не показано).
Тормоза машины выполнены с гидравлическим управлением. Это управление осуществляется с помощью клапана с использованием либо внешнего сигнала, либо автоматически. В первом случае для управления тормозом используется давление насоса подпитки. Во втором случае тормоз включается автоматически встроенными пружинами, если давление в гидрообъемной передаче трансмиссии снижается до установленной величины.
Гидростатическая трансмиссия машины обеспечивает передачу крутящего момента от двигателя 1 к ведущим колесам или гусеницам, а также изменение величины и направления крутящего момента. Гидронасосы 4 и гидромоторы 5 управляются оператором машины с помощью аппаратов управления, которые непосредственно или через дополнительный контроллер соединены с управляющими элементами гидронасосов 4 и гидромоторов 5.
Управление рабочим (навесным) оборудованием машины осуществляется оператором машины с помощью аппарата управления рабочим оборудованием и управляющего устройства (гидрораспределителя) 8.
В случае когда на распределитель 8 не приходит управляющих сигналов от оператора, масло проходит через него и идет в фильтр 25, встроенный в гидробак 23 или установленный на входе в него. Слив с рабочего контура до фильтра может быть объединен со сливом гидросистемы трансмиссии. Часть жидкости под небольшим избыточным давлением направляется на насосы подпитки 12, что позволяет продлить их ресурс благодаря исключению вакуума при холодном запуске машины. Другая часть жидкости отправляется в гидробак 23, где очищается гравитационным методом и далее охлаждается с помощью радиатора 22.
В случае засорения фильтроэлемента фильтра 25 открывается байпасный клапан, направляющий жидкость напрямую в гидробак 23. В случае недостатка жидкости в зоне всасывания при неисправности насоса навесного оборудования 7, аварии в системе слива и т.д, открывается всасывающий клапан, забирающий жидкость напрямую из бака через металлическую сетку грубой очистки - фильтр 32. Благодаря этому осуществляется защита трансмиссионных насосов 4, 12 от недостатка рабочей жидкости (масла).
Насосы 4 и гидромоторы 5 посредством четырех силовых рукавов высокого давления образуют основные закрытые контуры гидрообъемных передач 2, 3 трансмиссии 2, 3. В каждом контуре рабочая жидкость течет в обоих направлениях от насоса 4 до гидромотора 5 и затем возвращается в насос 4 в данном закрытом контуре. Каждая из гидравлических линий может быть под высоким давлением. В случае применения аксиально-поршневых гидронасосов 4 в рабочем режиме позиция наклонной шайбы каждого насоса определяет направление потока рабочей жидкости, а также гидролинию, находящуюся под высоким давлением. Давление в гидролинии низкого давления равно давлению в контуре подпитки.
Гидронасосам 4 и гидромоторам 5 необходимы дренажные линии для удаления горячей жидкости из дренажных полостей. Горячая рабочая жидкость, составляющая дренажные утечки, через сливной коллектор попадает в радиатор 22. Охлажденная жидкость возвращается обратно в гидробак 23 через общий слив в фильтре 27. Для предотвращения роста давления в дренаже гидромашин выше рекомендованного производителем при холодном запуске машины и большой кинематической вязкости рабочей жидкости, а также при засорении радиатора 22 установлен обратный клапан 24. Он позволяет предотвратить выдавливание уплотнений и манжет гидронасосов и гидромоторов.
До подачи оператором сигнала начала движения машины с помощью аппарата управления ГСТ нормально замкнутые тормоза 11 запрещают движение машины. После подачи оператором сигнала начала движения контроллер ГСТ подает сигнал на клапан 17, который подает масло под давлением из насоса подпитки 12 в камеры тормозов 11. Тем самым тормоза размыкаются, разрешая движение машины.
При отключении сигнала с контроллера на тормозной клапан 17 этот клапан переключается обратно, соединяя полости камер тормозов 11 с прямым сливом в гидробак. Давление сбрасывается, тормоза под воздействием пружин замыкаются.
Тормоза 11 могут также управляться в зависимости от величины давления в гидроконтурах ГСТ. В этом случае обеспечивается автоматическое замыкание тормоза 11 в случае падения давления в соответствующем гидроконтуре ГСТ.
На гидронасосах подпитки 12 могут быть установлены фильтры тонкой очистки рабочей жидкости, дублирующие основные фильтры 25, 27. Тем самым исключается попадание посторонних частиц (грязи) в замкнутые контуры 2, 3 ГСТ, что повышает надежность и ресурс работы гидронасосов и гидромоторов.
Управление приводом 30 вала отбора мощности осуществляется оператором машины с помощью соответствующего аппарата или пульта управления. При этом изменение направления и/или скорости вращения ВОМ осуществляется путем механического, гидравлического или электрогидравлического регулирования рабочего объема гидронасоса и/или гидромотора.
Заявленная гидравлическая система машины с гидростатической трансмиссией допускает также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.
Источники информации
1. RU 13188 U1, B60K 17/10, 27.03.2000.
2. RU 125662 U1, F16H 39/00, 10.03.2013.