ГИДРОПРИВОД БУЛЬДОЗЕРА

Полезная модель относится к гидроприводам землеройно-транспортных машин, а именно к гидроприводам поворота и поперечного перекоса отвала бульдозера.
Известна гидросистема управления рабочим органом бульдозера, включающая трехсекционный распределитель и соединенные с ним гидроцилиндры отвала и регулирования угла резания, в которой рабочие полости сжатия гидроцилиндров отвала и регулирования угла резания соединены между собой посредством магистрали, оснащенной золотником и регулируемым дросселем, а противоположные полости соединены с одной из секций распределителя (АС СССР №604919, МПК E02F 3/66, опубл. 30.04.78, бюл. №16).
Из описания работы гидросистемы следует, что она осуществляет автоматическое регулирование глубины копания в зависимости от силы сопротивления на рабочем органе путем подъема или опускания отвала бульдозера, при этом, с увеличением силы сопротивления на рабочем органе выше наперед заданной величины происходит вытягивание штоков гидроцилиндров регулирования угла резания, что может привести к увеличению этого угла и еще большему заглублению отвала. Это объясняется тем, что с учетом незначительности объема вытесняемой из штоковых полостей названных гидроцилиндров рабочей жидкости, его может быть недостаточно для эффективной работы системы с учетом веса отвала с грунтом, поднимаемого давлением рабочей жидкости, поступающей из названных полостей, противодействия вытягиванию штоков гидроцилиндров сил сжатия их пружин, гидросопротивления дросселя и распределителя. То есть гидросистема управления отвалом бульдозера обладает значительной инерционностью, что существенно влияет на ее работоспособность с учетом изменения сил сопротивления при работе.
Известен бульдозер, включающий базовый трактор, отвал, толкающие брусья и гидросистему, содержащую гидроцилиндры подъема и опускания отвала и гидроцилиндры управления углом резания с их распределителями; гидросистема бульдозера снабжена гидроуправляемыми трехпозиционными гидрораспределителями, выполненными с проходными каналами в средней и крайней позициях и с запертыми каналами в промежуточных позициях, и расположенными вдоль осей гидроцилиндров управления углом резания жестко смонтированными на них гидродатчиками, через которые последние соединены с толкающими брусьями, при этом гидродатчики выполнены в виде двухштоковых гидроцилиндров, полости которых сообщены с управляющими полостями пятипозиционных гидрораспределителей, полости гидроцилиндров управления углом резания последовательно соединены с напорной и сливной магистралями через дополнительные каналы своих гидрораспределителей… (АС СССР №1276766, МПК E02F 3/76, 9/22, опубл. 30.04.78, бюл. №16).
Приведенная схема гидропривода, способная обеспечить равномерное распределение усилия по гидроцилиндрам управления угла резания и толкающим брусьям, отличается повышенной сложностью. Незначительный эффект повышения производительности от равномерного распределения усилия между названными элементами не покрывает существенных затрат на модернизацию гидропривода серийного бульдозера.
Известен гидропривод бульдозера, включающий гидроцилиндры наклона отвала, жестко соединенный с одним из них гидроцилиндр перекоса отвала, гидроцилиндры подъема-опускания отвала и гидрораспределители, отличающийся тем, что, с целью увеличения производительности бульдозера за счет повышения точности фиксации отвала в горизонтальном положении, гидропривод снабжен жестко соединенным со свободным гидроцилиндром наклона отвала дополнительным гидроцилиндром перекоса отвала… (АС СССР №1229286, МПК E02F 9/22, опубл. 07.05.86, бюл. №17).
Недостатком прототипа является то, что его конструкция не предусматривает автоматического изменение угла резания при разработке грунта на установленной глубине, что приводит к необходимости преодолевания больших сопротивлений грунта резанию и трению ножа о грунт, а следовательно, к повышению энергозатрат и снижению производительности.
При этом вопрос установки оптимальных углов резания, связанный с минимизацией сопротивления грунта копанию, не рассматривается в совокупности с динамическими свойствами движителя.
Общий недостаток приведенных схем гидропривода заключается в нерациональном использовании гидравлической энергии при небольших внешних нагрузках (холостых движениях) силовых гидроцилиндров, что не позволяет увеличить скорость втягивания их штоков при подъеме отвала и снижает производительность машины.
Кроме того, ручное управление золотниками гидрораспределителей, по сравнению с гидравлическим и гидроэлектрическим управлением, снижает точность позиционирования штоков гидроцилиндров рабочего оборудования и не способствует повышению производительности гидропривода.
Вышерассмотренные схемы не предусматривают в своем составе гидропривод рыхлителя, что сужает диапазон их использования за счет исключения совместной работы бульдозерно-рыхлительного оборудования.
Известна гидросистема бульдозера с системой аккумулирования и возврата энергии, содержащая насос, фильтр, гидрораспределитель навесного оборудования, гидроцилиндр подъема-опускания отвала, подключенный к гидролинии штоковой полости гидроцилиндра пневмогидроаккумулятор и два дополнительных двухпозиционных гидрораспределителя с ручным управлением («Строительные и дорожные машины», №3/2012, с. 33-37).
Из описания работы гидросхемы следует, что периодическая зарядка пневмогидроаккумулятора рабочей жидкостью, поступающей под давлением от насоса, происходит не на этапах копания и перемещения грунта, а лишь на этапе обратного хода бульдозера. К тому же обеспечивающие работу пневмогидроаккумулятора гидрораспределители имеют ручное управление.
Таким образом, рассматриваемая гидроаккумулирующая схема бульдозера не является окончательной и имеет резервы повышения производительности работы путем сокращения длительности рабочего цикла за счет быстродействия выполнения операций при небольших внешних нагрузках (холостых движениях) силовых гидроцилиндров. Целесообразно, чтобы зарядка пневмогидроаккумулятора производилась при каждом переводе золотника гидрораспределителя силовых гидроцилиндров в нейтральную позицию в процессе работы. При полном заряде пневмогидроаккумулятора и нейтральной позиции названного золотника должна быть предусмотрена периодическая разгрузка насоса. Ручное управление приводом может быть заменено на более эффективное с точки зрения производительности гидро- или гидроэлектрическое управление.
Объектом исследования является гидравлический привод адаптивным рабочим органом (в автоматическом и ручном режимах) бульдозера с гидромеханической трансмиссией, позволяющая повысить производительность машины по данным научно-технической литературы до 16,7% («Строительные и дорожные машины», №2/2010, с. 29-31). Адаптивность рабочего органа бульдозера выражается в автоматическом выборе оптимального угла резания грунта отвалом бульдозера в зависимости от физико-механических свойств и условий разработки грунта, при этом оптимальный диапазон углов резания составляет 30…40°. Вопрос установки оптимальных углов резания, связанный с минимизацией сопротивления грунта копанию, рассматривается в совокупности с динамическими свойствами движителя. Система управления рабочим органом с изменяемым углом резания должна обеспечивать работу бульдозера в режиме номинальной силы тяги, что соответствует 10%-му буксованию движителя.
С точки зрения обеспечения необходимого быстродействия процесса реагирования на изменение грунтовых условий в процессе копания грунта заявляемая схема гидропривода работает совместно со схемой электронного управления гидромеханической трансмиссией базового трактора, при этом гидроцилиндры изменения угла резания отвала бульдозера управляются автоматически посредством сигналов от электронного блока управления, т.е. от цепей управления гидромеханической трансмиссией трактора или вручную. Это дает возможность автоматического регулирования тягового усилия движителя базового трактора в зависимости от внешних нагрузок без разрыва потока мощности. В качестве обратной связи по изменяемой внешней нагрузке, служащей для формирования управляющих сигналов при работе машины, используются, прежде всего, текущее значение тяговой мощности машины, изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя и крутящего момента на нем. Такая система управления обеспечивает перекрытие передач, назначение которого состоит в том, чтобы иметь некоторый запас динамического фактора, необходимый для поддержания постоянной скорости движения машины при переключении передач.
В процессе автоматического режима переключения передач можно в любой момент вмешаться посредством ручного переключения передач.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение производительности бульдозера.
Поставленная задача решается путем изменения в автоматическом режиме угла резания отвала бульдозера в диапазоне оптимальных значений при разработке грунта на установленной глубине с учетом тяговой характеристики трактора (на режиме номинальной силы тяги, что соответствует 10%-му буксованию движителя), увеличения скорости холостых движений рабочего оборудования и применения гидроэлектрического управления золотниками гидрораспределителей.
Сущность полезной модели заключается в том, что гидропривод снабжен дополнительным двухкаскадным гидрораспределителем, в котором гидрораспределитель первого каскада имеет электромагнитное управление золотником от цепей управления гидромеханической трансмиссией трактора, гидрораспределитель второго каскада имеет гидроуправляемый золотник, а также пневмогидравлическим аккумулятором, соединенным через обратные клапаны с напорной и сливной гидролиниями, причем последняя содержит два переливных клапана, один из которых управляет давлением пневмогидравлического аккумулятора, а второй соединен через клапан с логической функцией «ИЛИ» с гидролиниями управления гидрораспределителем. Кроме того, гидропривод снабжен магистралью гидроуправления золотниками гидрораспределителей, питаемой от пневмогидравлического аккумулятора, давление в которой поддерживается редукционным клапаном, установленным на выходе пневмогидравлического аккумулятора.
Таким образом, новым техническим решением в схеме гидропривода бульдозера является обладающая быстродействием гидроэлектрическая система управления гидроцилиндрами наклона отвала (изменения угла резания), работающая в автоматическом режиме совместно с электронной системой управления гидромеханической трансмиссией базового трактора (или в ручном режиме) и позволяющая увеличить производительность бульдозера за счет поддержания оптимального угла резания, при котором сопротивление грунта резанию имеет минимальное значение, а также использование пневмогидравлического аккумулятора, позволяющего увеличить скорость втягивания штоков силовых гидроцилиндров при подъеме отвала, сокращая длительность рабочего цикла по сравнению с прототипом, повышая производительность бульдозера, и одновременно питает линию гидроуправления золотниками гидрораспределителей.
Гидроуправление золотниками гидрораспределителей позволяет снизить усилие на рычагах по сравнению с механическим управлением и обеспечить точное позиционирование рабочего органа, что также повышает производительность бульдозера за счет сокращения рабочего цикла.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема гидропривода бульдозера.
1
2
Гидропривод бульдозера состоит из насоса 1 для подачи рабочей жидкости, соединенного напорной гидролинией 2 через распределитель За с силовыми гидроцилиндрами 4 подьема-опускания отвала бульдозера, которые шарнирно связаны с трактором и отвалом. Пневмогидравлический аккумулятор 5 соединен с напорной 2 и сливной 6 гидролиниями через обратные клапаны 7 и 8. В сливную гидролинию 6 вмонтированы два переливных клапана 9 и 10. Клапан 9 (автомат разгрузки насоса) управляет давлением пневмогидравлического аккумулятора, а клапан 10 соединен через клапан 11 с логической функцией «ИЛИ» и управляется давлением, подводимым по гидролиниям 12 и 13 от блоков гидроуправления 14 (рабочие отводы O и O), давление питания блоков гидроуправления подводится от пневмогидравлического аккумулятора 5.
Для исключения падения давления в полостях силовых гидроцилиндров 4 подьема-опускания рабочего оборудования служит обратный клапан 15.
Рабочая жидкость размещена в гидробаке 16. Очистка рабочей жидкости производится в магистральном фильтре 17, снабженным перепускным клапаном 18. Максимальное давление в гидроприводе рабочего оборудования ограничивается предохранительным клапаном 19 (величина давления контролируется манометром 20). Давление рабочей жидкости в пневмогидравлическом аккумуляторе контролируется манометром 21.
5
6
Гидроцилиндр 23 перекоса отвала соосно жестко соединен с одним из гидроцилиндров 25 наклона отвала (изменения угла резания) и снабжен гидрозамком 24, который удерживает угол перекоса отвала в заданном положении при нейтральном положении золотника гидрораспределителя 3в, предотвращая перетечки рабочей жидкости между полостями этого гидроцилиндра. Гидроуправление золотником гидрораспределителя 3в осуществляется блоком управления 28 (рабочие отводы O и O).
1
2
7
8
Система управления гидроцилиндрами наклона отвала 25 (изменения угла резания) работает в автоматическом или ручном режимах. Она включает в себя дополнительный двухкаскадный гидрораспределитель 27, в котором гидрораспределитель первого каскада имеет электромагнитное (соленоидное) управление золотником от цепей управления C и C, а гидрораспределитель второго каскада снабжен гидроуправлением золотника: в автоматическом режиме - от гидрораспределителя первого каскада; в ручном режиме - посредством блока управления 28 (рабочие отводы O и O).
1
2
7
8
Гидроцилиндры наклона отвала 25 также оснащены гидрозамком 26 и управляются автоматически гидрораспределителем 27а по линиям управления C и C или вручную посредством гидрораспределителя 27б, гидроуправление золотником которого осуществляется блоком управления 28 (рабочие отводы O и O).
Шток гидроцилиндра 23 перекоса отвала шарнирно соединен с соответствующим толкающим брусом рабочего оборудования бульдозера, а корпус цилиндра соосно жестко соединен с одним из гидроцилиндров 25 наклона отвала, шток которого шарнирно соединен с отвалом бульдозера.
Второй гидроцилиндр наклона отвала 25 шарнирно установлен так, что его шток соединен с отвалом бульдозера, а корпус цилиндра - с соответствующим толкающим брусом. Поршневые и штоковые полости гидроцилиндров 25 соединены между собой гидролиниями по параллельной схеме, что обеспечивает синхронность движения их штоков. При выдвижении штоков гидроцилиндров 25 угол резания отвала бульдозера увеличивается, а при втягивании - уменьшается.
2
1
2
1
Питание блоков управления 14 и 28 гидравлической энергией производится от пневмогидравлического аккумулятора 5. Поддержание в блоках управления 14 и 28, требуемого давления осуществляется редукционным клапаном 29 (клапан поддерживает постоянное давление рабочей жидкости на выходе p независимо от ее давления на входе p при условии, что p<p).
Гидропривод бульдозера работает следующим образом.
При нейтральном положении золотника гидрораспределителя 3а рабочая жидкость от насоса 1 через гидролинию 2, гидрораспределитель 3а, гидролинию 6 и обратный клапан 8 (клапан 10 - закрыт) поступает в пневмогидравлический аккумулятор 5 и заряжает его. При полной зарядке пневмогидравлического аккумулятора открывается переливной клапан 9, соединяя сливную гидролинию 6 с гидробаком 16. В этом случае рабочая жидкость от насоса 1 по гидролинии 2 через гидрораспределитель 3а, сливную гидролинию 6 и переливной клапан 9 поступает в гидробак 16.
При работе гидроцилиндров 4 гидрораспределитель 3а устанавливается в одно из крайних положений. В это время рабочая жидкость от насоса 1 через обратный клапан 15 и гидрораспределитель 3а поступает в гидроцилиндры 4, перемещая их поршни.
При резании грунта в напорной гидролинии 2 поддерживается высокое рабочее давление, ограниченное предохранительным клапаном 19 (контролируется манометром 20), и скорость перемещения поршней определяется производительностью насоса.
При небольших внешних нагрузках (при холостых движениях), и соответственно малых рабочих давлениях, рабочая жидкость от пневмогидравлического аккумулятора 5 через обратный клапан 7 поступает в напорную гидролинию, в которой объединяется с рабочей жидкостью, поступающей от насоса. Скорость перемещения (втягивание) поршня при этом увеличивается пропорционально поступающей от пневмогидравлического аккумулятора жидкости. Этим достигается сокращение продолжительности рабочего цикла бульдозера и повышение его производительности.
Слив рабочей жидкости из гидроцилиндров 4 производится через гидрораспределитель 3а, сливную гидролинию 6 и переливной клапан 10, который открывается одновременно с гидрораспределителем 3а давлением управления в магистралях 12 и 13 через клапан с логической функцией «ИЛИ» 11. Открытие переливного клапана 10 исключает возможность создание напора в сливной магистрали 6, необходимого для зарядки пневмогидравлического аккумулятора, что, в свою очередь, может снизить усилие на штоках гидроцилиндров опускания отвала при разработке грунта.
Гидрораспределитель 3а обеспечивает следующие фиксированные позиции золотника: «нейтрально-запертое» (показано на фиг. 1), две рабочие позиции (прямой и обратный ход), а также нейтральное «плавающее» (поршневые и штоковые полости гидроцилиндров 4 объединены между собой и соединены со сливом), при котором отвал бульдозера свободно опущен на грунт под собственным весом (планировочные работы при движении машины задним ходом).
3
4
Гидроцилиндр 22 подъема-опускания зуба рыхлителя управляется вручную посредством гидрораспределителя 3б, гидроуправление золотником которого осуществляется блоком управления 14 (рабочие отводы O и O).
При работе насоса рабочая жидкость под давлением одновременно подводится на вход двухкаскадного распределителя 27 и штоковую полость гидроцилиндров 25 наклона отвала, т.е. изменения угла резания.
При нейтральном положении золотников гидрораспределителей обоих каскадов рабочая жидкость уходит на слив в гидробак, при этом поршневые и штоковые полости каждого из двух гидроцилиндров 25 изменения угла резания объединены каналами и соединены со сливом, а в линиях гидроуправления золотником гидрораспределителя 27б второго каскада поддерживается одинаковое давление. При разгрузке насоса клапаном 9 питание линии гидроуправления распределителем 27б осуществляется от пневмогидравлического аккумулятора 5.
1
1
При уменьшении внешней нагрузки и соответствующей подаче управляющего электрического сигнала на соленоид C гидрораспределителя первого каскада 27а его золотник опускается вниз. В этом положении верхняя гидролиния управления золотником гидрораспределителя второго каскада 27б будет находиться под давлением насоса, а нижняя - соединена со сливом. В результате золотник этого гидрораспределителя также переместится вниз и направит поток рабочей жидкости под давлением насоса в поршневую полость цилиндров 25, штоковая же полость этих цилиндров постоянно связана с насосом. Ввиду различных площадей, воспринимающих давление рабочей жидкости, штоки начнут выдвигаться из цилиндров, увеличивая угол резания. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока подача управляющего электрического сигнала на соленоид C не прекратится, после чего золотники гидрораспределителей 27а и 27б возвращаются под действием пружин в нейтральное положение, выдвижение штоков из цилиндров прекращается.
2
2
При увеличении внешней нагрузки в процессе резания грунта бульдозером управляющий электрический сигнал поступает на соленоид Cгидрораспределителя первого каскада, что вызывает перемещение его золотника вверх. В этом положении нижняя гидролиния управления золотником гидрораспределителя второго каскада находится под давлением насоса, а верхняя - соединена со сливом. В результате золотник этого гидрораспределителя также переместится вверх и соединит поршневые полости гидроцилиндров 25 со сливом. Так как штоковые полости гидроцилиндров 25 постоянно находятся под давлением насоса, то их штоки будут втягиваться до тех пор, уменьшая угол резания, пока прекратится подача электрического сигнала управления на соленоид C.
Таким образом, осуществляется связь схемы автоматического управления углом резания отвала бульдозера со схемой электронного управления гидромеханической трансмиссией базового трактора.
7
8
Управление углом резания в ручном режиме осуществляется посредством блока гидроуправления 28 (рабочие отводы O и O).
Запирание одноименных полостей гидроцилиндров наклона отвала 25 осуществляется гидрозамком 26, позволяющим фиксировать установленный текущий угол резания отвала бульдозера при нейтральном положении золотников гидрораспределителя 27.
Заявляемая схема гидравлического привода рабочего оборудования позволит снизить сопротивление грунта копанию путем оптимизации угла резания грунта по минимальному сопротивлению (внешней нагрузке). Она позволит в автоматическом или ручном режимах более полно реализовать тягово-скоростные свойства бульдозера с целью повышения производительности. Применение гидромеханической трансмиссии обеспечивает более эффективную работу системы управления адаптивным рабочим органом и позволяет облегчить труд оператора вследствие сокращения числа переключений передач.
В случае поломки двигателя или насоса пневмогидравлический аккумулятор позволяет выполнить еще несколько переключений золотников в гидрораспределителе или снять реактивное давление в гидроцилиндрах. Пневмогидравлический аккумулятор также демпфирует колебание давления и компенсирует пиковые расходы рабочей жидкости, осуществляет разгрузку насоса, увеличивая его ресурс, и повышает КПД гидропривода.