Рекуперативные системы привода рабочего оборудования дорожно-строительных машин

08.06.2016

Рекуперация (от англ. to recuperate - восстановить, возобновить) энергии движущихся частей привода и рабочего оборудования машин является эффективным средством ресурсосбережения. Наиболее активно используют рекуперативные (или рекуперационные) приводы в машинах циклического действия, например, в одноковшовых экскаваторах, кранах, погрузчиках, а также в других машинах с циклическим характером последовательно выполняемых операций, поскольку потери энергии в рабочем цикле достигают 50 % (для одноковшового гидравлического экскаватора).
Большинство мобильных машин и оборудования ведущих производителей оснащены гидроприводом, который имеет сравнительно низкий КПД. Для повышения его энергоэффективности применяют разнообразные методы и средства. В их числе установка аккумулирующих систем, замена дроссельного регулирования объемным управлением, использование многопоточных насосов с разгрузкой отдельных секций, применение электронных систем пропорционального управления, регулирование гидронасосов с использованием энергосберегающих механизмов, а также применение различных способов рекуперации энергии при подъеме-опускании рабочего оборудования и торможении движущихся масс.
Наиболее эффективным средством энергосбережения мобильных машин с гидроприводом рабочего оборудования являются рекуперативные системы с аккумулятором необходимой энергоемкости. Для гидравлических одноковшовых экскаваторов (самых распространенных дорожностроительных машин) такие системы следует разделить на четыре группы:
1) механические:
- с противовесами;
- с пружинными или торсионными аккумуляторами;
2) тепловые:
- с тепловыми аккумуляторами;
3) гидравлические:
- с гидроаккумуляторами;
- с дополнительными гидронасосом и гидромоторами;
4) комбинированные:
- с электрогидроагрегатами.
Самыми простыми являются механические аккумуляторы, снижающие затраты при работе рабочего оборудования. На рисунке 10.2 представлена принципиальная схема экскаватора (ЭО-4540), снабженного противовесом. Рабочее оборудование в виде телескопической стрелы 8 с ковшом 3 обратной лопаты уравновешено противовесом, которым служит его привод 6, подвешенный к раме 4 экскаватора с помощью подвески 5. В этом варианте противовес практически полностью уравновешивает рабочее оборудование, что значительно снижает затраты энергии на выполнение рабочего процесса.
Рекуперативные системы привода рабочего оборудования дорожно-строительных машин

Примером пружинного аккумулятора энергии может служить конструкция, представленная на рисунке 10.3. Тарельчатые пружины 2 уравновешивают рабочее оборудование экскаватора, снижая энергозатраты на копание ковшом 3 обратной лопаты.
Рекуперативные системы привода рабочего оборудования дорожно-строительных машин

Более эффективными, но и более сложными по конструкции являются гидравлические рекуперативные системы. Имеется два варианта реализации рекуперативных гидросистем;
1) установка на валу ДВС гидронасоса для подкрутки маховика через дополнительный гидромотор и накопления энергии попутных нагрузок в двух дополнительных насосах-моторах, которая затем используется в нагруженных циклах работы экскаватора;
2) гидросистемы с накапливанием энергии в гидроаккумуляторе при опускании стрелы экскаватора с последующим использованием запасенной энергии для ускорения подъема рабочего оборудования. В качестве примера использования гидроаккумулятора в сочетании с дополнительным гидроцилиндром можно привести схему, представленную на рисунке 10.4. Стрела 1 снабжена рабочим гидроцилиндром 4 и вспомогательным плунжерным гидроцилиндром 5 одностороннего действия. При подъеме рабочего оборудования рабочую жидкость подают в поршневую полость основного гидроцилиндра 4 и в поршневую полость вспомогательного гидроцилиндра 5 (по гидролинии 6 через обратный клапан 7 в гидроаккумулятор 9 и по достижении в клапане 8 заданного давления жидкости). Таким образом, подъем рабочего оборудования производят совместными усилиями двух гидроцилиндров. При этом избыток рабочей жидкости поступает в штоковую полость гидроцилиндра 4, масло через обратный клапан 10 из гидроцилиндра 5 попадает в аккумулятор 9. Обратный клапан 7 отсоединяет заряженный аккумулятор от поршневой полости гидроцилиндра 4, который в это время соединен со сливом.
Рекуперативные системы привода рабочего оборудования дорожно-строительных машин

Из всех разработок рекуперативных систем доведен до серийной продукции (иди опытных образцов) метод безнасосного опускания стрелоподъемного механизма. В частности, компании «Nobas-Nordhausen», «Саsе-Роlkain», ОАО «Ковровец» и др. используют этот рекуперативный метод опускания стрелы в одноковшовых экскаваторах. Имеется два варианта его реализации:
1) соединение поршневой полости гидроцилиндра стрелы со сливной гидролинией через регулируемый дроссель и подпитка штоковой полости цилиндра из сливной гидролинии. Этот вариант использован в приводах экскаваторов ЭО-3323А и ЭО-4125. Безнасосный режим опускания стрелы обеспечен применением дополнительного гидрораспределителя, управление которым осуществляют от отдельной линии управления;
2) объединение поршневой и штоковой полостей гидроцилиндра стрелы через П-образный канал и соединение со сливной гидролинией через регулируемый дроссель. На рисунке 10.5 представлена рекуперативная система гидропривода экскаватора Э-4225А. В режиме безнасосного опускания стрелы экскаватора поршневая полость цилиндра 1 соединена с его штоковой полостью через П-образный канал и со сливной гидролинией 11 через дроссель 3. В канал встроен обратный клапан 4 с дросселем 3 со стороны штоковой полости гидроцилиндра 1. Золотник 5 удерживается в таком положении гидроупором 8, а поток рабочей жидкости освобождается для выполнения совмещаемых с опусканием стрелы операций. Клапан 4 и регулируемый дроссель 3 в сливном канале обеспечивают быстрое опускание стрелы.
Рекуперативные системы привода рабочего оборудования дорожно-строительных машин

При переводе золотника в нейтральное положение клапан и дроссель обеспечивают фиксированное положение рабочего оборудования экскаватора. Гидроупор 8 останавливает золотник в позиции II, что позволяет зафиксировать безнасосный режим и перейти к насосному режиму. Клапан 4, встроенный в П-образный канал, остается от крытым при малых потоках рабочей жидкости в режиме свободного перемещения стрелы, когда положение стрелы задано положением рукояти.
Для более эффективного сокращения рабочего цикла и экономии энергии при опускании рабочих органов компанией «Caterpillar» на экскаваторе модели 325CL установлены две рекуперативные системы - и для стрелы, и для рукояти.
В ряде гидравлических систем, помимо рекуперации энергии попутных нагрузок, делаются попытки использовать теряемую (переходящую в тепло) энергию переходных процессов. В качестве примера одного из вариантов рекуперативной системы на рисунке 10.6 приведена гидросхема блока рекуперации энергии попутных нагрузок, а также рекуперации потерь переходных процессов. Ее основой являются два пневмогидравлических аккумулятора: 1 - для накопления энергии гравитационных сил с изменяемой настройкой входного давления; 2 - для накопления энергии инерционных сил и возвращенной энергии переходных процессов с постоянным значением входного давления. Они соединены между собой перепускным обратным клапаном 3, который срабатывает при достижении в аккумуляторе 2 максимального давления рабочей жидкости, а также соединены со сливной гидролинией С через обратный клапан 4. Сливная линия С соединена с гидробаком одноходовым двухпозиционным гидрораспределителем 5 с дистанционным электромагнитным управлением через электромагнит Э1. С помощью обратного клапана 6 сливная линия С соединена со всасывающей линией В гидронасоса 7, в которой установлен обратный всасывающий клапан 8.
Рекуперативные системы привода рабочего оборудования дорожно-строительных машин

Энергия рабочей жидкости, накопленная в аккумуляторах 1 и 2, через золотник 9 при срабатывании электромагнита ЭЗ поступает в гидролинию рекуперации Р. которая связана со всасывающей линией В насоса 7.
Рассмотренный блок можно подсоединить к гидроприводу машины в точке А (окончание сливной линии) и в точке Б (всасывающей линии).
Следует отметить, что к настоящему времени эти конструкции не вышли за рамки экспериментальных разработок, поэтому пока не налажено серийное производство оборудования с гидроприводом, обеспечивающим рекуперацию энергии гравитационных и инерционных сил, а также переходных процессов.
В комбинированных электрогидравлических системах используют упомянутые ранее последовательные и параллельные гибриды, которые обеспечивают накопление энергии попутных нагрузок при помощи мощных аккумуляторных батарей.
В настоящее время наибольшие успехи по рекуперации энергии достигнуты для одноковшовых экскаваторов, т.е. машин циклического действия. Вместе с тем, имеются значительные резервы для расширения этого направления ресурсосбережения. По данным работ, при эксплуатации экскаватора с обратной лопатой полезное использование энергии составляет всего около 51 %, Включая подъем стрелы - около 15 %, поворот рукояти -более 17 % и поворот ковша - около 16 %. С другой стороны, наибольшие потери энергии в гидроприводе рабочих органов возникают в гидрораспределителях (при дроссельном регулировании скоростей рабочего хода) - 20 % и в первичных предохранительных клапанах - более 17 %, а также в сливных гидролиниях - около 8 %, в исполнительных механизмах и вторичных предохранительных клапанах - более 4 %. Поэтому создание гидропривода с эффективной системой рекуперации энергии является одним из главных резервов рационального использования энергоресурсов экскаваторов. Вполне очевидно, что это направление ресурсосбережения имеет весьма обнадеживающие перспективы не только для дорожно-строительных машин циклического действия, но и для машин непрерывного действия.