УСТРОЙСТВО УРАВНОВЕШИВАНИЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ СТРЕЛОВОЙ МАШИНЫ Российский патент 2002 года по МПК E02F9/22 

Изобретение относится к стреловым землеройным, погрузочно-разгрузочным, горным и др. машинам циклического действия.

Известно устройство рекуперации энергии стреловой машины [1], включающее преобразование потенциальной энергии сил тяжести рабочего оборудования в потенциальную энергию сжатого газа в пневмогидроаккумуляторе при опускании стрелы и использование этой энергии при подъеме стрелы, содержащее гидроцилиндры подъема стрелы, дополнительный гидроцилиндр, пневмогидроаккумулятор, дополнительный распределитель.

Однако известное устройство обладает следующими недостатками: оно не позволяет получить эффективное уравновешивание сил тяжести рабочего оборудования на всем диапазоне угла поворота стрелы, отсутствует возможность подзарядки пневмогидроаккумулятора при работе, сигналом открытия гидроклапана служит давление в гидромагистрали насоса, что приводит к постоянному включению системы при работающем двигателе.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство рекуперации энергии, представленное в работе [2], содержащее рабочее оборудование, основные гидроцилиндры, один из которых используется как дополнительный гидроцилиндр, пневмогидроаккумулятор, обратный клапан, гидромагистрали.

Недостатком устройства является то, что в качестве дополнительного гидроцилиндра используется один из основных путем соединения его с пневмогидроаккумулятором. Это приводит к невозможности согласовать характеристики пневмогидроаккумулятора (снижение давления при разрядке) с характером изменения плеча основных гидроцилиндров, практически постоянного при повороте стрелы. Вследствие этого в основном и дополнительном гидроцилиндрах могут возникать разные усилия и давления, создающие дополнительные скручивающие моменты. Эффект рекуперации энергии, полученный в начале подъема рабочего оборудования, когда пневмогидроаккумулятор полностью заряжен, сопровождается потерями в конце подъема, когда пневмогидроаккумулятор разряжен, а компенсирующее давление в основном гидроцилиндре возрастает до значений, превышающих давление при обычной работе (без устройства рекуперации), это снижает общую эффективность работы машины.

Задачей изобретения является создание устройства для уравновешивания рабочего оборудования, которое позволяет значительно повысить эффективность работы машины за счет снижения потерь энергии на подъем рабочего оборудования, повысить надежность системы и увеличить общий КПД.

Указанный технический результат достигается тем, что на всем диапазоне угла поворота стрелы положение уравновешивающего гидроцилиндра выбрано так, что уменьшение давления в пневмогидроаккумуляторе при подъеме стрелы компенсируют увеличением плеча уравновешивающего гидроцилиндра, при этом степень уменьшения давления в пневмогидроаккумуляторе при подъеме стрелы регулируют подключением газовых баллонов к газовой полости пневмогидроаккумулятора. В предлагаемом устройстве дополнительный гидрораспределитель выполнен двухпозиционным, одна из позиций которого соединяет пневмогидроаккумулятор и поршневую полость уравновешивающего гидроцилиндра, другая - рабочие полости уравновешивающего гидроцилиндра со сливом, газовая полость пневмогидроаккумулятора соединена с газовыми баллонами, устройство компенсации утечек рабочей жидкости выполнено в виде гидроклапана минимального давления.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид стреловой машины с устройством уравновешивания рабочего оборудования, в котором уравновешивающий гидроцилиндр расположен между основными гидроцилиндрами стрелы. На фиг.2 показан общий вид машины с устройством уравновешивания рабочего оборудования, в котором уравновешивающий гидроцилиндр расположен на консольной части стрелы по другую сторону от основных гидроцилиндров. На фиг. 3 представлен график зависимости сил тяжести рабочего оборудования, приведенных к штоку уравновешивающего гидроцилиндра, выраженных в единицах давления (МПа) на поршне от угла ϕ поворота стрелы. На фиг.4 показана зависимость минимального давления разрядки пневмогидроаккумулятора P_min от объема подключенной газовой полости V. На фиг.5 показана схема гидропривода уравновешенного рабочего оборудования стреловой машины.

Устройство уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины содержит ходовое оборудование 1 с опорно-поворотной платформой 2, к которой шарнирно присоединена стрела 3. Основные 4 и уравновешивающий 5 гидроцилиндры шарнирно соединены со стрелой 3 и опорно-поворотной платформой 2. Основные гидроцилиндры 4 гидролинией 6 соединены через основной гидрораспределитель 7 с гидронасосом 8. Гидролинии 9, 10 через обратный клапан 11 и гидроклапан минимального давления 12 соединяют гидролинию 6 и пневмогидроаккумулятор 13, газовая полость которого соединена с газовыми баллонами 14. Уравновешивающий гидроцилиндр 5 соединяется с пневмогидроаккумулятором 13 дополнительным гидрораспределителем 15. Сливная гидромагистраль 16 через предохранительный клапан 17 соединяет пневмогидроаккумулятор 13 с баком.

На фиг.1, 2 дополнительно показаны точка О - шарнир крепления стрелы на портале поворотной платформы, точка А - шарнир вершины стрелы, угол ϕ - координата положения стрелы при работе, h₁, h₂, h₃ - плечи уравновешивающего гидроцилиндра в нижнем, среднем и верхнем положениях.

На фиг.1 и фиг.2 показаны общие виды эквивалентных схем уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины, поэтому все последующие описания в равной мере относятся к обеим схемам без каких-либо ограничений.

Физическая сущность процессов, реализованных в устройстве уравновешивания, состоит в следующем.

Приведение сил тяжести рабочего оборудования осуществляют к уравновешивающему гидроцилиндру. Приведенная сила Т на штоке уравновешивающего гидроцилиндра изменяется при подъеме стрелы согласно формуле

где - сумма моментов сил тяжести G_i всех элементов рабочего оборудования относительно оси О вращения стрелы 3;
h - плечо уравновешивающего гидроцилиндра.

Уравновешивание приведенной силы Т силой гидростатического давления осуществляют рабочей жидкостью, подведенной к уравновешивающему гидроцилиндру от пневмогидроаккумулятора
T=P•S, (2)
где Р - давление рабочей жидкости в пневмогидроаккумуляторе;
S - площадь поршня уравновешивающего гидроцилиндра.

Начальное положение уравновешивающего гидроцилиндра выбирают так, чтобы уменьшение давления в пневмогидроаккумуляторе при подъеме стрелы компенсировать увеличением плеча уравновешивающего гидроцилиндра.

При этом степень уменьшения давления в пневмогидроаккумуляторе при подъеме стрелы регулируют подключением газовых баллонов к газовой полости пневмогидроаккумулятора согласно формуле

где Р_н - начальное давление зарядки пневмогидроаккумулятора;
V_н - начальный объем газовой полости пневмогидроаккумулятора;
V - объем подсоединяемых газовых баллонов;
V_ГЦ - объем уравновешивающего гидроцилиндра;
n - показатель политропы, n = 1,29-1,30 для Р=20 МПа.

На фиг. 3 показаны кривые давлений, подтверждающие эффективность устройства уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины на примере экскаваторов 4-й, 5-й размерных групп. Верхняя линия P₁ соответствует максимально выдвинутому рабочему оборудованию при копании на максимальном радиусе. Нижняя линия Р₂ соответствует движению стрелы при полностью подвернутом ковше на минимальном радиусе копания. Линия Р на фиг.3 соответствует характеру изменения давления в пневмогидроаккумуляторе при изменении угла ϕ поворота стрелы. Кривая Р давления в пневмогидроаккумуляторе находится между кривыми P₁ и P₂, что подтверждает эффективность уравновешивания рабочего оборудования на всем диапазоне угла поворота стрелы.

На фиг.4 по формуле (3) построена зависимость минимального давления разрядки пневмогидроаккумулятора Р_min от объема V подключенных газовых баллонов. Из графика видно, что при увеличении объема подключаемых газовых баллонов давление разрядки P_min приближается к давлению Р_mаx в начале подъема стрелы. Таким образом, подключение газовых баллонов к пневмогидроаккумулятору является эффективным средством уменьшения давления разрядки пневмогидроаккумулятора.

Работа устройства уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины происходит следующим образом. Рабочие операции - опускание стрелы в забой, поворот рукояти, заполнение ковша грузом, разгрузка ковша - совершаются обычным образом и описанию не подлежат.

Для подъема рабочего оборудования с заполненным ковшом включают основной гидрораспределитель 7 вниз. Рабочая жидкость от насоса 8 через гидрораспределитель 7 по гидролинии 6 подается в поршневые полости основных гидроцилиндров 4 - начинается процесс поворота стрелы 3.

Одновременно при включении основного гидрораспределителя 7 происходит включение дополнительного гидрораспределителя 15, который переключается в правую рабочую позицию и соединяет поршневую полость уравновешивающего гидроцилиндра 5 с пневмогидроаккумулятором 13. В результате поворот стрелы 3 и подъем рабочего оборудования осуществляют совместным действием основных 4 и уравновешивающего 5 гидроцилиндров. Уравновешивающий гидроцилиндр 5 преодолевает силы тяжести рабочего оборудования, а основные цилиндры 4 осуществляют подъем полезного груза в ковше. После окончания поворота стрелы 3 основной гидрораспределитель 7 приводят в запертое положение, одновременно дополнительный гидрораспределитель 15 также приводят в запертое положение, которое показано на фиг.5. Стрела 3 удерживается в поднятом положении основными гидроцилиндрами 4.

Для опускания стрелы 3 в забой в положение копания одновременно включают основной гидрораспределитель 7 вверх и дополнительный гидрораспределитель 15 в рабочее положение. Рабочая жидкость от насоса 8 через основной гидрораспределитель 7 подается в штоковые полости основных гидроцилиндров 4, а из поршневых - сливается в гидробак, начинается опускание стрелы 3. Рабочая жидкость из поршневой полости уравновешивающего гидроцилиндра 5 поступает в пневмогидроаккумулятор 13, осуществляя его зарядку. Процесс опускания стрелы 3 прекращается одновременным переключением основного 7 и дополнительного 15 гидрораспределителей в запертое положение. Таким образом, при опускании стрелы 3 происходит преобразование потенциальной энергии сил тяжести рабочего оборудования в потенциальную энергию сжатого газа в пневмогидроаккумуляторе 13.

Устройство зарядки пневмогидроаккумулятора 13 рабочей жидкостью, содержащее клапан минимального давления 12, обратный клапан 11 и гидромагистрали 9, 10, работает следующим образом. Устройство вступает в работу первый раз после сборки элементов уравновешивающего устройства при изготовлении машины. При этом пневмогидроаккумулятор 13 не имеет рабочей жидкости (пневмогидроаккумулятор 13 и газовые баллоны 14 заполнены газом под начальным давлением). Зарядку пневмогидроаккумулятора 13 рабочей жидкостью производят путем включения основного гидрораспределителя 7 на подъем (вниз). При первом подъеме стрелы клапан минимального давления 12 находится в открытом положении, и рабочая жидкость из напорной гидролинии 10 через обратный клапан 11 и клапан минимального давления 12 поступает в рабочую полость пневмогидроаккумулятора 13, заряжая его рабочей жидкостью до давления настройки клапана 12. Клапан 12 перекрывает гидромагистраль 10 после окончания процесса зарядки, что свидетельствует о приведении уравновешивающего механизма в рабочее состояние.

Предлагаемое устройство целесообразно использовать на стреловых машинах с циклическим характером рабочего процесса, когда чередуются процессы подъема и опускания рабочего оборудования. Устройство позволяет сберечь топливо, расходуемое на подъем рабочего оборудования, повысить общий КПД и эффективность эксплуатации машины.

Литература
1. Авторское свидетельство 1830404, кл. Е 02 F 9/22, БИ 28, 1993.

2. Авторское свидетельство 804793, кл. Е 02 F 9/22, БИ 6, 1981.

Изобретение относится к стреловым землеройным, погрузочно-разгрузочным, горным и другим машинам циклического действия. Задачей изобретения является повышение эффективности работы машины за счет снижения потерь энергии, повышение надежности и общего КПД. Устройство уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины содержит дополнительный гидрораспределитель, управляющий уравновешивающим гидроцилиндром, газовые баллоны, соединенные с пневмогидроаккумулятором, напорную гидролинию, соединяющую через обратный клапан и клапан минимального давления гидролинию пневмогидроаккумулятора и напорную гидролинию основных гидроцилиндров, предохранительный клапан, сливную гидромагистраль, при этом начальное положение уравновешивающего гидроцилиндра выбрано так, что на всем диапазоне угла поворота стрелы уменьшение давления в пневмогидроаккумуляторе при подъеме компенсируют увеличением плеча уравновешивающего гидроцилиндра. Степень уменьшения давления пневмогидроаккумулятора при подъеме стрелы регулируют подключением газовых баллонов к газовой полости пневмогидроаккумулятора. 5 ил.

Устройство уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины, содержащее рабочее оборудование, основные гидроцилиндры, уравновешивающий гидроцилиндр, пневмогидроаккумулятор, газовые баллоны, основной и дополнительный гидрораспределители, устройство компенсации утечек рабочей жидкости, предохранительный клапан, отличающееся тем, что дополнительный гидрораспределитель выполнен двухпозиционным, одна из позиций которого соединяет пневмогидроаккумулятор и поршневую полость уравновешивающего гидроцилиндра, другая - рабочие полости уравновешивающего гидроцилиндра со сливом, устройство компенсации утечек рабочей жидкости выполнено в виде гидроклапана минимального давления, подключенного в гидролинию, содержащую обратный клапан и соединяющую гидролиниями рабочую полость пневмогидроаккумулятора с напорной магистралью основных гидроцилиндров.