Универсальный гидропривод сельскохозяйственных машин

Введение. Внедрение и функциональное расширение гидроприводов на автотракторной технике влечет увеличение их удельной мощности [1]. Флагманы иностранного сельскохозяйственного, дорожного, промышленного машиностроения оборудуют свои изделия гидросистемами, мощность которых значительно превышает 70 кВт [2, 3].

Актуализация гидросистем для обеспечения работы внешних потребителей сельскохозяйственных машин в большом диапазоне режимов – одна из главных задач развития гидросистем.

В связи с тем, что разработчики мобильных энергосредств находятся в жёстких рамках по массогабаритным, топливным и прочим показателям, создание такой техники идет по пути внедрения универсальных гидросистем [4, 5].

Такие «централизованные» системы работают от единых источников энергии и кондиционеров [6, 7].

Важным показателем современных гидравлических приводов является внедрение регулируемых насосов, которые значительно расширяют потенциал гидропривода путем улучшения технико-экономических показателей. В этом случае привод всего оборудования обеспечивается одним насосом. При этом во время изменения расхода рабочей жидкости объемные потери столь малы, что их можно не учитывать [8].

Но, несмотря на более чем вековое развитие и совершенствование гидропривода, научные изыскания с целью создания универсальных и более экономичных моделей активно ведутся в разных странах мира.

Методика исследований. Значительная масса сельскохозяйственных машин, оборудованных гидравликой, обладают независимыми гидравлическими приводами центральных узлов, ходовой и рабочей частей.

Большим минусом этих конструкций является невозможность изменения частоты вращения вала гидромотора привода рабочего оборудования, так как этот параметр зависит от износа узлов и деталей гидропривода, температуры масла. Но источники гидравлической энергии могут функционировать при разной частоте вращения вала гидропривода. Так, например, рабочее оборудование машин сельскохозяйственного назначения работает при скорости вращения вала насоса от 540 до 3000 и более об/мин. Еще одним значительным недостатком является невозможность реверса и остановки гидромоторов ведущих колес и оборудования трактора [9, 10].

Для увеличения рабочих диапазонов гидравлического привода сельскохозяйственных машин предлагается гидропривод, который включает в себя насос (работает от двигателя), гидромотор (приводит во вращения ходовые колеса), гидромотор для рабочих потребителей и регулятор частоты вращения гидромотора. В данной схеме задействованы регулируемый насос и клапан разности давлений с логическим элементом. Между гидромотором и регулируемым насосом стоит клапан разности давлений. Пружинная часть последнего соединена с регулятором скорости, а противоположная – с логическим элементом и далее с напорной гидролинией. Гидромотор навесного оборудования также контактирует с регулируемым насосом через регулятор. На сливе имеется распределитель с обратным клапаном. Дроссель с обратным клапаном установлен параллельно регулятору.

В результате обеспечивается возможность обратного вращения гидромотора, его затормаживание, плавное изменение частоты вращения привода полезного оборудования сельскохозяйственной машины.

На рисунке 1 приведено устройство такого гидропривода.

Источник энергии 1 через регулируемый насос 2 соединен с гидромотором 3 гидролиниями 4, 5 посредством клапана разности давлений 6, а также с гидромотором 7 через регулятор скорости 8 и гидролинии 4, 5, 9. Противоположная от пружинной полость 10 клапана соединена с гидролиниями 4 и 5 посредством логического элемента 11. Пружинная часть 12 клапана контактирует с гидролинией 9. Регулятор скорости 9 включает в себя регулируемый дроссель 13. Также схема включает в себя обратные клапаны 14, 15 и распределитель 16. Гидролинии 4 и 9 соединяются дросселем 17 и обратным клапаном 18. Схема оборудована предохранительными клапанами 19, 20. Гидроцилиндр 21 с распределителем 22 управляют подачей регулируемого насоса 2. Система подпитки состоит из насоса 23 и системы клапанов (переливного 24, обратных 25, 26).

Рисунок 1 – Устройство гидропривода

Результаты исследований и их обсуждение. Сельскохозяйственная машина может работать в трех режимах:

• 1)    перемещение машины (рабочее оборудование не задействовано);

• 2)    стационарное положение машины (рабочее оборудование задействовано);

• 3)    перемещение машины при работе оборудования.

Вышеизложенные режимы работы проанализируем в процессе тяги, торможения гидроприводом и реверса.

В транспортном режиме работы сельскохозяйственной машины дроссель закрыт. Давление рабочей жидкости по гидролинии 4 и логическому элементу воздействует на полость 10 клапана. Соответственно золотник перемещается влево. Масло направляется на гидромотор через клапан и гидролинию 4. Незначительная часть масла из полости 10 идет в гидролинию 5 на всасывание насоса.

При торможении гидромотор функционирует в режиме насоса, подавая масло в насос.

При этом последний начинает работать в качестве гидромотора. В полости 10 клапана возникает давление. Золотник, вытесняя жидкость, перемещается влево. Когда гидромотор 3 работает в режиме насоса, давление в гидролинии 4 падает. Она становится всасывающей.

Для заднего хода сельскохозяйственной машины нужно гидролинию 5 соединить с гидромотором 3. При этом насос обеспечивает в гидролинии 5 давление, которое через логический элемент 11 возникает в полости клапана, откуда поступает в гидролинию 4 через дроссель с клапаном. Распределитель открыт. Рабочая жидкость идет в насос из гидромотора 3. Обратный клапан запирает жидкость и не дает ей идти на гидромотор 7.

Для работы оборудования в стационарном положении машины давление, создаваемое насосом по гидролинии 4 и регулятор скорости 8, идет в гидромотор 7. Скорость вала последнего изменяется регулируемым дросселем 13. Остановка рабочего оборудования трансмиссией обеспечивается гидромотором, который в качестве насоса направляет масло в насос. В этом случае последний начинает работать в качестве гидромотора. Слив из насоса идет на гидромотор посредством открытого регулятора скорости по гидролиниям 4 и 9. Обратный клапан 14 запирает масло, препятствуя поступлению его в гидромотор.

Обратное перемещение рабочего оборудования обеспечивается переводом распределителя в положение, которое соединяет гидромотор 7 и гидролинию 5, минуя обратный клапан. Насос нагнетает давление в гидромотор 7. Масло поступает на всасывание насоса.

Работа оборудования в транспортном режиме машины характеризуется скоростью вращения вала гидромотора 7 путем изменения проходного сечения дросселя. При бесступенчатом повышении давления насоса машина начинает перемещение. Лишнюю рабочую жидкость, которая не проходит через регулятор, гидролиния 4 направляет через клапан в гидромотор 3 привода ходовых колес. Давление рабочей жидкости между гидромоторами 3 и 7 дросселируется с помощью клапана разности давлений и регулятором скорости.

Принцип действия гидропривода заключается в следующем. Давление от насоса возрастает. Клапан находится в закрытом положении, а регулятор скорости – в открытом. Рабо- чая жидкость идет в гидромотор 7. Как только гидромотор 7 выходит на свой номинал, излишки масла через клапан идут в гидромотор 3. Тем самым скорость вращения вала гидромотора 7 поддерживается на постоянном уровне. Также она может регулироваться дросселем по заданной программе. Скорость перемещения сельскохозяйственной машины изменяется насосом.

Изменение скорости вращения валов гидромоторов происходит уменьшением или увеличением подачи насоса. С целью замедления гидромоторов подачу насоса уменьшают. Из-за снижения расхода рабочей жидкости гидромоторы 3 и 7 выполняют функцию насосов и дают давление в насос через гидролинию 5. Обратные клапаны 14 и 15 не дают маслу попасть в заторможенный гидромотор при работе второго, позволяя соблюдать технику безопасности.

На рисунке 2 представлены законы изменчивости частоты вращения валов гидромоторов n p0 и сельскохозяйственной машины n 0 , n 1 и n 2 в зависимости от выбора угла регулирования. Допускаем, что предельная частота вращения валов 3000 об/мин (транспортная скорость сельскохозяйственной машины – 15 км/ч). Объем гидромотора рабочего оборудования на 0,5 меньше, чем объем насоса. Объем гидромотора ходовой и насоса одинаков.

Скорость вращения вала гидромотора, приводящего во вращение ходовые колеса, напрямую связана с углом регулирования насоса и изменяется по линии ОВ. Скорость вала гидромотора рабочего оборудования при этом равна нулю (n p0 = 0).

Рисунок 2 – Изменение скорости вращения валов гидромоторов от угла регулирования насоса

Шкала справа показывает связь скорости вращения вала гидромотора ходовых колес в зависимости от поступательной скорости машины. При n p0 = 3000 об/мин масло идет в гидромотор рабочего оборудования (угол регулирования насоса α = 15°). При α > 15° масло идет на привод ходовой. Связь скорости вращения гидромотора ходовой от угла регулирования насоса отображает линия ED.

Выводы. Создание универсального гидропривода в настоящее время неизбежно влечет изменение комплексных, системных подходов при его разработке и модернизации. Это позволит обеспечить высокие технические параметры машины и ее необходимую конкурентоспособность на мировых рынках.

Таким образом, централизованное устройство гидропривода с одним регулируемым насосом делает схему универсальной благодаря плавному и бесступенчатому изменению рабочих режимов сельскохозяйственной машины и его рабочего оборудования, позволяет осуществлять реверс и остановку машины. При этом улучшаются экономические и энергетические показатели машины.