ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРОЦИЛИНДР РЕКУПЕРАТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, а конкретно к дорожным, строительным и подъемно-транспортным машинам, имеющим гидравлические системы, в состав которых входят силовые гидро- и электродвигатели.
Предлагаемое устройство может быть применено для преобразования энергии потока жидкости в механическую и электрическую, аккумулируя ее в конструкции гидрофицированных и гибридных машин, работающих в условиях значительных динамических нагрузок воспринимаемых рабочим оборудованием, рабочие органы которых воздействуют на грунт и близкие по физико-механическим свойствам материалы.
Известны силовые конструкции для гашения колебаний виброизолируемых объектов, содержащие инерционный механизм, две опоры, механическую передачу, корпус, в котором установлен вертикальный винт с гайкой, взаимодействующий с маховиком. [РФ №2142586, Кл F16F 7/10, B60G 13/18, 10.12.1999] (Волгоградский государственный технический университет Рябов И.М.; Новиков В.В.)
Недостатком известного устройства является то, что маховик, выполненный в виде цилиндра внутри корпуса, не обеспечивает создание осевых инерционных сил на опорах конструкции при торможении, что снижает эффективность работы. Кроме того, маховик при высоких частотах относительных перемещениях опор вследствие своей инерционности будет практически блокировать механизм и ухудшать плавность хода выходного звена. Так же к недостаткам можно отнести невозможность преобразования гидравлической энергии в механическую и электрическую, невозможность рекуперировать энергию потока рабочей жидкости, низкую надежность в сопряженных механизмах и сложность применения в гидравлических приводах экскаваторов.
Известна другая конструкция силового гидроцилиндра для передачи механической энергии потоку рабочей жидкости, содержащий опоры качения поршня и штока которого выполнены разборными, состоящими из двух неподвижных самоустанавливающихся стаканов с вкладышами, подвижных полумуфт, попарно соединенных центрирующими пружинами, сепараторов с подпружиненными направляющими роликами, а также упорных размерных шайб (см. а.с. 1807256, МКИ F15B 15/14. Гидроцилиндр. Д.Ю. Кобзов и др., 1993.).
Недостатком известного оборудования является невозможность преобразовать силы гидравлического сопротивления в полезную работу и аккумулировать энергию рабочей жидкости гидропривода. Полезная работа выполняется только за счет создаваемого давления жидкости, большая часть которой затрачивается на преодоление сил сопротивления при трении. Так же к недостаткам известной модели прототипа следует отнести затруднение в осуществлении соосности сопряжений и сложность изготовления обойм с рекомендуемым углом α между опорными наклонными поверхностями последних и стаканов поршневой и штоковой опор качения. Недостатком известного гидроцилиндра является отсутствие демпфера - ограничителя, что при максимальном выходе штока гидроцилиндра способствует удару о верхнюю крышку.
Наиболее близким техническим решением полезной модели, принятым за прототип, является инерционный гидроцилиндр эффективного действия, опоры качения поршня и штока которого выполнены разборными, состоящими из цилиндрического корпуса в котором на качающихся опорах установлен маховик с фрикционным диском (РФ №141434, МПК F15B 15/22. Инерционный гидроцилиндр эффективного действия. В.Н. Кузнецова, В.В. Савинкин, 2014, бюл. №16.).
i
i
i
Недостатком известного устройства является невозможность рекуперировать силы гидравлического сопротивления в полезную работу, а так же преобразовать в электрическую энергию и аккумулировать ее. Отсутствует возможность уравновешивать центры масс рабочего оборудования, при выполнении землеройных работ, с учетом их сил тяжести. Полезная работа предложенного маховика не значительна, требует значительных масс маховика, а при преодолении сил сопротивления трения, работа сопровождается большим выделением тепла. Так же к недостаткам известного прототипа следует отнести затруднение в осуществлении интеграции и адаптации с рекуперативными системами энергии, сложность изготовления инерционного модуля с рекомендуемыми силовыми характеристиками (F, M, J ω, ε и др.). Недостатком известного гидроцилиндра является ограниченная возможность регулирования гасящих колебаний от масс оборудования, отсутствие следящих датчиков скорости, момента, давления в модулях, что при максимальных нагрузках увеличивает энергоемкость процесса разработки грунта и исключает возможность эффективно использовать силы сопротивления.
Технической задачей полезной модели является повышение энергоэффективности.
Указанный технический результат достигается тем, что предложено энергоэффективное устройство рекуперативного действия, содержащее цилиндрический корпус, поршень со штоком, сферы качения поршя, направляющие качения штока, внутри штока расположен винтовой стержень, взаимодействующий с шариковой гайкой, закрепленной на штоке, рекуператор, при этом на конце винтового стержня после подшипника качения размещен совмещенный датчик скорости и крутящего момента, а рекуператор выполнен в виде: ротора, закрепленного на шлицах винтового стержня и статора, размещенных в камере рекуператора.
Возможность достижения технического результата обеспечивается тем, что в корпусе энергоэффективного устройства в нижней части установлен электропривод который позволяет автоматически максимально эффективно корректировать перемещение штока с учетом перераспределения давления жидкости в поршневой полости, создаваемое сопротивлением рабочего оборудования обеспечивая дополнительную силу не зависящую от мощности гидронасоса, а на нижней части вала установлен совмещенный датчик скорости и крутящего момента который обеспечивает синхронность работы двух приводов (электрический и гидравлический) в зависимости от динамических нагрузок; кинематическое соединение поршня и винтового стержня по средствам шариковой гайки обеспечивает преобразование поступательного движения поршня во вращательное движение ротора рекуператора. Таким образом, при повышении нагрузки в штоковой полости (поршень перемещается вниз) электропривод работает как рекуператор (генератор).
Сущность полезной модели поясняется ниже следующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид энергоэффективного устройства рекуперативного действия при динамическом нагружении. Энергоэффективное устройство содержит посадочное отверстие для пальца 1, подшипник качения 2, датчик скорости и крутящего момента (совмещенный) 3, ротор 4, который закреплен на шлицах стержня 6 и обеспечивает возбуждение ЭДС между статором 5, который размещен в камере рекуператора 7. Разделительная перегородка 9 выполняет роль ребра жесткости в котором размещен промежуточный подшипник 8. Подвод и отвод рабочей жидкости осуществляется через впускной и выпускной штуцер прямого хода 10, размещенного на корпусе цилиндра. Винтовой стержень 11 выполняющий роль передаточного механизма с элементами редуктора имеет поршень 15 с уплотнительными кольцами 12 и сферами качения 13. Шариковая гайка 14 расположена в корпусе штока и находится в зацеплении с винтовым стержнем 16. Шток энергоэффективного устройства 17 выполнен полым и находится в сопряжении с направляющей втулкой 18, имеющей направляющие качения 19 и центрирующие каналы 20 конфузорной и диффузорной формы. Шариковая гайка 14 и опора обеспечивают осевое вращение винта 16 с минимальным сопротивлением, что повышает надежность работы винтовой пары. Поскольку винтовая пара имеет малый шаг, обеспечивается большое передаточное отношение. Поэтому ротор 4 и статор 5 имеют небольшие габаритные размеры и массу.
ст
Осевое вращение ротора 4 в статоре 5 осуществляется под действием хода поршня. Скорость вращения ротора больше скорости собственного хода на величину шага винтовой нарезки стержня 16. В нижней части корпуса на валу ротора 4 закреплен комбинированный датчик скорости и крутящего момента 3, что синхронизирует работу механической и гидравлической части заявляемого устройства. Датчик скорости и крутящего момента 3 позволяет корректировать добавочную силу необходимую для перемещения поршня 15 при действии дополнительных сил оборудования. Для возможности автоматического обеспечения оптимального зазора между поршнем 15 и нижней или верхней крышкой гидроцилиндра выполнена винтовая проточка стержня 16 определенной длины l. Возможность компенсировать неравномерность динамических нагрузок и сил тяжести масс оборудования предусмотрена рекуперативная система с ротором 4 и статором 5, совмещенным датчиком скорости и момента 3 и датчиком давления в поршневой полости 21. Угол наклона винтовой проточки α винтового стержня 16 и шариковой гайки 14 регламентирует скорость движения штока без стопорения и заклинивания, а так же предопределяет угловое ускорение ротора рекуператора. Датчик давления в поршневой полости 21 соединен с рекуператором проводами проходящие в гофрированном пыльники 22 и соединенные с разъемом для подключения к источнику питания 23.
i
Устройство работает следующим образом. При разработке грунта экскаватором усилие сопротивление грунта передается на рабочий орган и оборудование. Динамические нагрузки так же воспринимают элементы гидропривода, наиболее напряженные из которых гидроцилиндр. Рабочая жидкость подается под давлением от 28-32 мПа через впускной штуцер прямого хода 10, за счет сил давления поршень 12 приходит в движение, совершая поступательное перемещение. При этом шариковая гайка 14 приводит в движение винтовой стержень 16, который, в свою очередь, ротор 4 статора 5, создавая электромагнитное поле в рекуперативной системе. Поршень 12, перемещаясь, обеспечивает поступательное движения штока 17 и передает усилие на рабочий орган дорожно-строительной машины. За счет применения направляющей втулки 18 с направляющими качения 19 снижается сила трения в сопряжениях, а конфузорно-диффузорные каналы 20 обеспечивают гидравлическую силу для соосного перемещения штока. При воздействии нагрузки и силы тяжести масс рабочего оборудования, шток 17 начинает незначительно перемещаться в положение ΔS (равное динамическому колебанию потока рабочей жидкости ΔP). При перемещении поршня 12 изменяется давление P в поршневой полости, величину которого оценивает датчик давления в поршневой полости 21. Одновременно шариковая гайка 14 через винтовые проточки преобразует поступательное движение поршня 12 во вращательное движение винтового стержня 16, а последний в свою очередь передает потенциал энергии ротору 4 статора 5. В этот момент в рекуператоре возникает не значительная ЭДС, равная изменению давления жидкости ΔP, которая создает вращение ротора 4. Датчик скорости и крутящего момента 3 улавливает указанные параметры и корректирует вращение ротора 4 в обратном направлении со скоростью достаточной для возврата поршня 12 в исходное состояние характеризующее положение рабочего оборудования экскаватора. Таким образом происходит перераспределение действующих сил колебательных процессов рабочего оборудования с использованием сил тяжести масс. При опускании стрелы экскаватора нагрузки от сил тяжести масс рабочего оборудования и давления системы поршень 12 перемещается вниз. Перемещаясь вниз поршень 12, через шариковую гайку 14, преобразует поступательное движение во вращательное движение винтового стержня 16, который в свою очередь передает энергию ротору 4 системе рекуперации. В этот момент рекуператор работает как генератор, т.е. рекуперирует энергию. В результате механическая и гидравлическая энергия преобразуется в электрическую и аккумулируется. При открытии перепускного клапана устройства под действием давления жидкости поршень 12 перемещается вверх приводя рабочее оборудование в рабочее состояние. При разработке грунта ковш встречает сопротивление резанию грунта, в этот момент давление в поршневой полости незначительно повышается и датчик давления 21 считывает изменения, далее для исключения нерационального расхода мощности и энергии гидропривода в работу включается рекуператор. Только в этом технологическом процессе он работает как усилитель. За счет с аккумулированной электроэнергии рекуператор создает дополнительную силу и крутящий момент на винтовом стержне 16 помогающие преодолеть возникшее сопротивление. Равномерность движения штока с постоянной скоростью обеспечивается углом наклона винтовой выточки и, соответственно, передаточным отношением, а также чувствительностью совмещенного датчика 3 синхронизирующий вращение ротора 4. Ход поршня 12 и штока 17 ограничивается длиной винтовой проточки, обеспечивая оптимальный безопасный зазор между поршнем и крышками гидроцилиндра, исключая биение о них.
Дальнейшая работа устройства осуществляется аналогично цикловой работе гидропривода экскаватора.
Использование заявленного энергоэффективного устройства рекуперативного действия обеспечивает максимальное использование кинетической энергии потока рабочей жидкости и рабочего оборудования, рекуперацию энергии рабочей жидкости и преобразование силы тяжести масс оборудования в механическую и электрическую энергию, что ведет к повышению доли полезной работы и энергоэффективности всего гидропривода экскаватора.