Рекуперативный гидропривод лесовозного автомобиля
RECUPERATIVE HYDRAULIC DRIVE OF LOGGING TRUCK

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 DE №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 его достаточно сложная конструкция.
Известен рекуперативный гидропривод лесного манипулятора, содержащий оснащенные подпружиненными мультипликаторами давления гидроцилиндры стрелы, рукояти и опорно-поворотного устройства гидроманипулятора, гидрораспределители, обратные клапаны, гидронасос, гидробак, фильтр, разгрузочный автоматический клапан, пневмогидравлический аккумулятор, сливную и напорную гидромагистрали (Патент №2461182 РФ, A01G 23/00, B25J 13/00, опубл. 20.09.2012). Принят за прототип.
Однако указанный рекуперативный гидропривод не предусматривает использование энергии, получаемой от механизмов рекуперации и накапливаемой в пневмогидравлическом аккумуляторе при цикличном движении колес автомобиля в режиме разгон-торможение, при колебаниях рамы автомобиля во время движения, что приводит к повышенному расходу топлива.
Изобретение решает задачу повышения надежности и снижения расхода топлива лесовозного автомобиля.
Это достигается тем, что в рекуперативном гидроприводе лесовозного автомобиля, содержащем оснащенные подпружиненными мультипликаторами давления гидроцилиндры стрелы, рукояти и опорно-поворотного устройства гидроманипулятора, гидрораспределители, обратные клапаны, гидронасос, гидробак, фильтр, разгрузочный автоматический клапан, пневмогидравлический аккумулятор, сливную и напорную гидромагистрали, согласно изобретению, штоки подпружиненных мультипликаторов давления кинематически соединены с плунжерами дополнительно установленных гидроцилиндров высокого давления, причем нештоковые полости гидроцилиндров соединены с нештоковыми полостями подпружиненных мультипликаторов давления и посредством параллельно установленных обратных, редукционных клапанов и гидрораспределителей соединены с напорной гидромагистралью, а их штоковые полости соединены посредством гидрораспределителей с всасывающей гидромагистралью, при этом полости гидроцилиндров высокого давления соединены посредством обратных клапанов с всасывающей и напорной гидромагистралями, также содержатся реверсивные обратимые гидромоторы колес, приводимые в действие гидронасосом с приводом от двигателя автомобиля и управляемые с помощью установленных в их напорных и сливных гидромагистралях автоматически управляемых гидрораспределителей, кроме этого имеются гидроцилиндры подвески, штоковые и нештоковые полости которых раздельно с помощью последовательно соединенных дросселя и двух обратных клапанов присоединены к всасывающей и напорной гидромагистралям.
На фиг. 1 изображена схема размещения рекуперативных механизмов на лесовозном автомобиле; на фиг. 2 - гидравлическая схема рекуперативного гидропривода лесовозного автомобиля.
Рекуперативный гидропривод лесовозного автомобиля (фиг. 1, 2) состоит из рекуперативных механизмов 1-5, гидрораспределителей 6-8, насосно-аккумуляторного узла 9, всасывающих 32 и 36, сливных 35 и 37, напорных 33 и 34 гидромагистралей. Рекуперативные механизмы стрелы 1, рукояти 2 и опорно-поворотного устройства 3 гидроманипулятора аналогичны по конструкции и включают гидроцилиндр 10, подпружиненный мультипликатор давления 11, гидроцилиндр высокого давления 12, обратные клапаны 13-15 и регулируемый редукционный клапан 16. Рекуперативный механизм 3 опорно-поворотного устройства, также состоит из управляемых гидроцилиндров 17-20, поршни которых соединены попарно зубчатыми рейками 21, 22, и вала-шестерни 23 поворота колонны гидроманипулятора, а также подпружиненных мультипликаторов давления, гидроцилиндров высокого давления, обратных и регулируемых редукционных клапанов. Рекуперативный механизм 4 колес автомобиля включает реверсивные обратимые гидромоторы 24, напорную 34 и сливную 35 гидромагистрали, а также аппараты управления в виде гидрораспределителей 40 и 41. Рекуперативный механизм 5 подвески автомобиля представляет собой установленные в каждой подвеске гидроцилиндр 25, обратные клапаны 28-31 и дроссели 26, 27, которые все вместе в подвеске выполняют также и функции амортизатора. Насосно-аккумуляторный узел 9 включает пневмогидравлический аккумулятор 38, разгрузочный автоматический клапан 39, соединенный с двигателем 43 автомобиля гидронасос 42, обратный клапан 44, фильтр 45 и гидробак 46.
Работа рекуперативного гидропривода лесовозного автомобиля 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 10, управляемого гидрораспределителем 6, 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 33 одновременно поступает через обратный клапан 15 в нештоковые полости гидроцилиндра 10 и гидроцилиндра подпружиненного мультипликатора давления 11, а также, минуя обратный клапан 15, - в штоковую полость гидроцилиндра подпружиненного мультипликатора давления 11. Причем параметры подпружиненного мультипликатора давления 11 и регулируемого редукционного клапана 16 подобраны по величине такими, чтобы они надежно обеспечивали срабатывание регулируемого редукционного клапана только после срабатывания подпружиненного мультипликатора давления 11. После переключения гидрораспределителя в «плавающее» положение нештоковые и штоковые полости гидроцилиндра 10 и гидроцилиндра подпружиненного мультипликатора давления 11 становятся сообщающимися, и стрела с пачкой сортиментов опускается под собственным весом на грузовую платформу автомобиля. В этом случае часть рабочей жидкости вначале из гидроцилиндра 10 под давлением поступает в нештоковую полость гидроцилиндра подпружиненного мультипликатора давления 11, выдвигает поршень со штоком и сжимает пружину мультипликатора. Под воздействием кинематически соединенного штока подпружиненного мультипликатора давления 11 с плунжером гидроцилиндра высокого давления 12 рабочая жидкость из гидроцилиндра высокого давления 12 через обратный клапан 14 под увеличенным давлением, равным соотношению площадей поршня и штока подпружиненного мультипликатора давления, вытесняется в напорную гидромагистраль 33 и пневмогидравлический аккумулятор 38. Неиспользованная подпружиненным мультипликатором давления 11 часть рабочей жидкости, оставшаяся в нештоковой полости гидроцилиндра 10, поступает в его штоковую полость через регулируемый редукционный клапан 16 и золотник гидрораспределителя 6. После разгрузки очередной пачки сортиментов в кузов автомобиля гидрораспределитель 6 переводится оператором в положение «подъем», и рабочий цикл стрелы повторяется.
Подпружиненный мультипликатор давления 11, кроме основной функции рекуперирования 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 11, 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 21 и 22 поршней управляемых гидроцилиндров 17, 20 и 18, 19. При этом благодаря зубчатому соединению реек 21, 22 и вала-шестерни 23 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 колеса основан на аккумулировании энергии при цикличном движении автомобиля в режиме разгон-торможение, когда его кинетическая энергия движения полезно используется при торможении. Механизм работает следующим образом. При трогании с места и разгоне автомобиля гидравлическую энергию реверсивные обратимые гидромоторы 24 колес получают как от гидронасоса 42, так и от пневмогидравлического аккумулятора 38. При торможении или движении автомобиля накатом под уклон гидрораспределитель 41 автоматически полностью или частично переключает напорную гидромагистраль 34 на пневмогидравлический аккумулятор 38, который в этом случае подзаряжается от реверсивных обратимых гидромоторов 24, работающих в режиме насосов. При этом рекуперация энергии торможения автомобиля осуществляется с помощью гидрораспределителя 40, который автоматически отсоединяет реверсивные обратимые гидромоторы 24 от сливной гидромагистрали 35 и соответственно от гидробака 46, а с помощью гидрораспределителя 41 гидронасос 42 может быть переведен в режим холостого хода. При такой работе рекуперативного механизма 4 развиваемая мощность двигателя 43 автомобиля может оставаться постоянной и значительно сниженной по величине.
Работа рекуперативного механизма 5 подвески основана на использовании энергии колебаний рамы автомобиля и заключается в следующем. При движении по лесовозной дороге автомобиль под действием своей массы и массы груза испытывает вертикальные перемещения от наезда колес на неровности поверхности дороги, а также от продольных и поперечных наклонов рамы автомобиля под действием сил инерции при разгоне, торможении и поворотах. Вследствие этого штоки и поршни гидроцилиндров 25 периодически совершают вертикальные возвратно-поступательные движения. Так, движение поршня вверх (вправо на фиг. 2) сопровождается вытеснением части рабочей жидкости из нештоковой полости гидроцилиндра 25 через дроссель 26 и обратный клапан 28 в напорную гидромагистраль 33, в результате чего подзаряжается пневмогидравлический аккумулятор 38. Одновременно с этим, за счет разряжения, штоковая полость гидроцилиндра 25 заполняется рабочей жидкостью из гидробака 46 через всасывающую гидромагистраль 32 и обратный клапан 31. Аналогично, при движении поршня гидроцилиндра вниз (влево на фиг. 2), рабочая жидкость из штоковой полости вытесняется в пневмогидравлический аккумулятор 38 через обратный клапан 30 и напорную гидромагистраль 33, а нештоковая полость, за счет разряжения, заполняется рабочей жидкостью из гидробака 46 через всасывающую гидромагистраль 32 и обратный клапан 29. Далее рабочий цикл механизма рекуперации подвески повторяется.
Кроме рекуперации энергии, совместная работа гидроцилиндров 25, дросселей 26, 27 и обратных клапанов 28-31 позволяет подвеске автомобиля 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 26 при движении колеса и соответственно поршня гидроцилиндра 25 вверх и через дроссель 27 -при движении колеса и поршня вниз.
В процессе работы рекуперативного гидропривода лесовозного автомобиля защита рекуперативных механизмов от превышения заданной величины давления рабочей жидкости в напорных гидромагистралях 33 и 34, при полностью заряженном пневмогидравлическом аккумуляторе 38, осуществляется с помощью предохранительных клапанов, предусмотренных в гидрораспределителях 6-8, и разгрузочного автоматического клапана 39, установленного в насосно-аккумуляторном узле 9.
Таким образом, повышение эффективности лесовозного автомобиля достигается за счет следующих преимуществ, обеспечиваемых предлагаемой конструкцией рекуперативного гидропривода. Он позволяет использовать в лесовозном автомобиле двигатель значительно меньшей мощности (минимум на 30-40%) и соответственно снизить расход топлива и токсичность выхлопных газов. Это достигается за счет аккумулирования в насосно-аккумуляторном узле рекуперативными механизмами стрелы, рукояти, опорно-поворотного устройства, колес и подвески автомобиля и последующего полезного использования накопленной энергии как при движении автомобиля, так 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 за счет снижения динамических нагрузок на детали и узлы его трансмиссии, ходовой части и гидроманипулятора.