ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНАЯ МАШИНА С ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ Российский патент 2015 года по МПК F15B21/14 

Изобретение относится к бульдозерам, погрузчикам и другим землеройно-транспортным машинам (ЗТМ) с гидростатической трансмиссией.

Известен бульдозер на базе гусеничного трактора с гидростатической трансмиссией и гидравлической системой управления рабочим (навесным) оборудованием. Он содержит двигатель внутреннего сгорания (ДВС), три гидронасоса, два из которых выполнены регулируемыми реверсивными аксиально-поршневыми и образующими гидроконтуры с соответствующими гидромоторами, связанными с бортовыми редукторами и снабженными стояночными тормозами, а третий гидронасос через распределительное устройство образует гидроконтур с гидроцилиндрами рабочего оборудования [1].

Его недостатком является пониженная производительность и топливная экономичность машины, обусловленная отсутствием накопителя энергии, позволяющего снизить отбор мощности от ДВС в наиболее нагруженных режимах его работы.

Наиболее близкой к предложенной является ЗТМ с гидростатической трансмиссией (ГСТ), содержащая гидромоторы и гидронасосы трансмиссии, ДВС и гидропривод рабочего оборудования. По меньшей мере, один гидромотор в зависимости от варианта реализации трансмиссии непосредственно, через бортовые фрикционы или дифференциальный механизм поворота связан с бортовыми редукторами, соединенными с ведущими звездочками или колесами ходовой части машины [2]. Машина содержит также накопитель энергии, выполненный в виде гидроаккумулятора или пневмоаккумулятора (ресивера), который используется, соответственно, для управления коробкой передач или тормозами машины [2, стр.336, 497].

Ограниченное функциональное применение накопителя энергии в этой машине не позволяет добиться существенного повышения ее производительности.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение во всех вариантах его исполнения, является повышение производительности землеройно-транспортной машины (ЗТМ) в режиме разработки и транспортирования грунта.

Дополнительными техническими результатами являются повышение топливной экономичности и приспособленности машины для работы в зимних условиях.

B ЗТМ с ГСТ, содержащей ДВС, установленный на раме машины и функционально соединенный, по меньшей мере, с одним гидронасосом трансмиссии, по меньшей мере, один гидромотор трансмиссии, функционально соединенный с гидронасосом, по меньшей мере, два бортовых редуктора, выходные валы или корпуса которых соединены с ведущими колесами или звездочками ходовой части машины, а входные валы непосредственно, через передаточные элементы, через бортовые фрикционы или через дифференциальный механизм поворота, функционально соединены, по меньшей мере, с одним гидромотором трансмиссии, гидропривод или электрогидропривод рабочего оборудования машины, включающий в себя, по меньшей мере, гидронасос рабочего оборудования, функционально соединенный с ДВС, распределительное устройство и гидроцилиндры, приспособленные для перемещения рабочего оборудования машины, а также накопитель энергии и, по меньшей мере, один электронный модуль, приспособленный для управления ДВС, по меньшей мере, одним гидронасосом и/или гидромотором трансмиссии, указанные технические результаты достигаются за счет того, что в этой ЭТМ дополнительно реализовано, по меньшей мере, одно из следующих технических решений:

- по меньшей мере, с одним гидронасосом трансмиссии, гидромотором трансмиссии, бортовым редуктором, гидронасосом рабочего оборудования и/или ДВС соединен дополнительно установленный электромотор, соединенный с накопителем энергии через коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него, причем электромотор приспособлен для преобразования электроэнергии накопителя энергии в механическую энергию и их передачи тому узлу ЗТМ, с которым он соединен, при этом с ДВС, гидронасосом трансмиссии, гидромотором трансмиссии, бортовым редуктором и/или гидронасосом рабочего оборудования соединен дополнительно установленный электрогенератор, приспособленный для заряда указанного накопителя энергии;

- с гидронасосом трансмиссии, гидромотором трансмиссии, гидронасосом рабочего оборудования, бортовым редуктором и/или с ДВС соединен электромотор-генератор, приспособленный для заряда накопителя энергии и/или соединенный с накопителем энергии через коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него, и осуществляющий преобразование электроэнергии накопителя энергии в механическую энергию, передаваемую тому узлу ЗТМ, с которым он соединен;

- к гидролинии гидронасоса трансмиссии, гидромотора трансмиссии и/или гидронасоса рабочего оборудования, подключен накопитель энергии, выполненный в виде гидроаккумулятора, причем это подключение выполнено с возможностью заряда гидроаккумулятора от давления в гидролинии и последующей обратной передачи накопленной энергии в ту гидролинию, к которой он подключен;

- к гидролинии гидронасоса трансмиссии, гидромотора трансмиссии и/или гидронасоса рабочего оборудования через регулирующий гидроаппарат, соединенный с электронным модулем, подключен накопитель энергии, выполненный в виде гидроаккумулятора, причем электронный модуль приспособлен для формирования сигналов управления регулирующим гидроаппаратом таким образом, что при пониженных значениях нагрузки или тягового усилия машины осуществляется заряд гидроаккумулятора, а при повышенных значениях нагрузки или тягового усилия машины осуществляется передача энергии от гидроаккумулятора в гидролинию;

- к гидролинии гидронасоса трансмиссии и/или рабочего оборудования через регулирующий гидроаппарат подключен накопитель энергии, выполненный в виде гидроаккумулятора, причем гидронасос трансмиссии и/или рабочего оборудования выполнен с возможностью работы в режиме гидромотора и создания крутящего момента, достаточного для запуска ДВС под управлением электронного модуля;

- накопитель энергии выполнен в виде гидроаккумулятора, который, по меньшей мере, через один клапан последовательности, пропускающий поток жидкости в гидроаккумулятор, если давление в гидролинии превышает предварительно установленную величину, подключен, по меньшей мере, к одной гидролинии гидронасоса трансмиссии, гидромотора трансмиссии и/или гидроцилиндра рабочего оборудования, гидроаккумулятор дополнительно, по меньшей мере, через один регулирующий гидроаппарат подключен к гидролинии гидронасоса трансмиссии, гидромотора трансмиссии и/или гидронасоса рабочего оборудования с возможностью передачи рабочей жидкости в эту линию, причем регулирующий гидроаппарат выполнен в виде обратного клапана или имеет вход управления, который соединен с электронным модулем;

- накопитель энергии выполнен в виде маховика, соединенного с валом гидромотора трансмиссии или первичным валом бортового редуктора посредством муфты, управляющий вход которой соединен с электронным модулем;

- электронный модуль выполнен с возможностью формирования внешней скоростной характеристики ДВС таким образом, что при движении машины передним ходом реализуется характеристика двигателя постоянной мощности с повышенными значениями мощности и коэффициента приспособляемости ДВС по крутящему моменту, а при движении задним ходом реализуется скоростная характеристика, соответствующая наименьшему удельному расходу топлива при более низком значении мощности;

- ДВС оснащен турбокомпрессором с обратимым электроприводом ротора, а накопитель электроэнергии соединен с этим электроприводом через коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него, причем электронный модуль выполнен с возможностью управления обменом энергией между обратимым электроприводом ротора и накопителем энергии таким образом, что при движении машины задним ходом и/или при малой нагрузке машины или ДВС осуществляется заряд накопителя энергии, а при движении машины передним ходом при работающем гидроприводе рабочего оборудования и/или при повышенной нагрузке машины или ДВС осуществляется передача энергии от накопителя энергии к электроприводу, приспособленному для соответствующего повышения давления наддува;

- машина дополнительно содержит автономный источник энергии, выполненный в виде дополнительного бензинового, дизельного или газового ДВС или газовой турбины, механически соединенного/соединенной с соответствующим электрогенератором, гидронасосом и/или компрессором, приспособленным для заряда соответствующего накопителя энергии;

- машина дополнительно содержит преобразователь энергии механических вибраций, ударов или колебаний, по меньшей мере, одного узла или агрегата машины в электрическую и/или гидравлическую энергию, приспособленный для заряда накопителя энергии.

Кроме того, в различных вариантах реализации ЗТМ указанные технические результаты достигаются за счет того, что в ней:

- электронный модуль выполнен с возможностью формирования сигналов управления, по меньшей мере, одним регулирующим гидроаппаратом и/или электрическим коммутирующим устройством таким образом, что при движении машины задним ходом осуществляется передача энергии от гидронасоса трансмиссии, гидронасоса рабочего оборудования и/или от электрогенератора или электромотора-генератора, соответственно, в гидравлический или электрический накопитель энергии, а при движении машины передним ходом с возможностью формирования этих сигналов управления из условия суммирования мощности, передаваемой от накопителя энергии, с мощностью гидронасоса трансмиссии и/или рабочего оборудования;

- накопитель энергии выполнен в виде гидроаккумулятора, электрического аккумулятора или электрического аккумулятора с конденсатором и соответственно соединен, по меньшей мере, с одной гидролинией гидронасоса трансмиссии, гидронасоса рабочего оборудования и/или гидромотора трансмиссии, или подключен, по меньшей мере, к одной цепи электрогенератора и/или электромотора-генератора, соответственно, через регулирующий гидроаппарат, управляющий вход которого подключен к электронному модулю, или через коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него, причем электронный модуль приспособлен для формирования указанного сигнала из условия ограничения или прекращения заряда накопителя энергии при повышенной нагрузке ДВС, при повышенном тяговом усилии машины, при движении машины передним ходом, во время работы привода перемещения рабочего оборудования и/или во время поворота машины;

- накопитель энергии выполнен в виде аккумулятора и электрохимического конденсатора, подключенного к аккумулятору непосредственно или через коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него;

- электронный модуль содержит, по меньшей мере, один электронный блок, реализованный на основе микроконтроллера, к которому подключены органы управления двигателем, трансмиссией и рабочим оборудованием машины, датчики параметров работы машины и панель оператора с установленными на ней символьными, графическими и/или цифровыми индикаторами;

- электронный блок содержит силовой электронный коммутатор вентильного электромотора, электрогенератора, электромотора-генератора или обратимого электропривода ротора.

Указанные отличительные признаки заявленного изобретения характеризуют, в первую очередь, реализацию гибридной моторно-трансмиссионной установки ЗТМ.

Из области техники известно построение гибридных силовых установок транспортных машин на основе механических трансмиссий с дополнительным электромотором-генератором, соединенным с ДВС или трансмиссией машины и преобразующим механическую энергию в электрическую, накапливаемую в аккумуляторе и/или суперконденсаторе, и наоборот. Известны также машины с электрическими трансмиссиями и накопителями энергии, в которых энергия торможения машины преобразуется в электрическую и далее используется для запуска ДВС и разгона машины. Целью применения таких силовых установок является повышение топливной экономичности и снижение загрязнений окружающей среды.

В предложенном техническом решении гибридная силовая установка реализована на базе гидростатической (гидрообъемной) трансмиссии и с иной целью - в первую очередь, для повышения производительности машины в режиме копания и транспортирования грунта.

Режимы работы ЗТМ и транспортных машин существенно отличаются. Тяговое усилие ЗТМ используется не только на перемещение ЗТМ, но и на копание и перемещение грунта. Тяговая нагрузка ЗТМ более динамична и является управляемой - при подъеме/опускании рабочего оборудования (отвала бульдозера, ковша погрузчика и т.д.) происходит уменьшение/увеличения тяговой нагрузки ЗТМ. Кроме того, для ЗТМ характерны цикличные режимы работы. Бульдозер, например, осуществляет набор и транспортирование грунта при движении передним ходом, а затем осуществляется его откат задним ходом. Преимущественно в циклическом режиме работает также погрузчик.

Соответственно, у ЗТМ в отличие от транспортной машины можно прогнозировать изменение тягового усилия и, следовательно, нагрузки трансмиссии и ДВС. В частности, при движении машины задним ходом (во время отката) эта нагрузка меньше, чем при движении передним ходом. Опускание рабочего органа (отвала, ковша и т.д.) прогнозируемо приведет к заглублению рабочего органа в грунт и к соответствующему увеличению тяговой нагрузки.

Предложенное техническое решение базируется на учете технологических особенностей работы ЗТМ в режиме набора и транспортирования грунта при создании машины, имеющей повышенную производительность.

Для этого согласно отличительным признакам настоящего изобретения используются различные варианты реализации накопителя энергии (гидроаккумулятор, электрический аккумулятор, суперконденсатор, механический маховик). Заряд этого накопителя осуществляется от гидроконтура трансмиссии, гидроконтура рабочего оборудования, дополнительно установленного электрогенератора или электромотор-генератора в те интервалы времени, когда нанагрузка на ДВС, трансмиссию или машину в целом относительно невелика. Далее энергия накопителя передается в гидроконтур ГСТ, рабочего оборудования либо непосредственно на ДВС или бортовые редукторы через имеющиеся гидромашины или при помощи дополнительно установленного электромотора.

Обмен энергией между накопителем энергии и трансмиссией, ДВС и гидросистемой рабочего оборудования под управлением коммутирующего устройства, в том числе входящего в состав электронного модуля, или регулируемого гидроаппарата, работающего под управлением электронного модуля, позволяет стабилизировать режимы работы ДВС, а также сократить время его работы не в оптимальных режимах. В частности, обеспечивает снижение дисперсии крутящего момента нагрузки на ДВС, а также накопление энергии во время отката ЗТМ, когда ДВС недогружен, с последующей отдачей этой энергии во время рабочего хода. Это приводит к увеличению среднего значения тяговой мощности машины и повышению ее производительности.

Реализация различных характеристик ДВС при рабочем ходе и откате машины позволяет в максимальной степени использовать его возможности как для заряда накопителя энергии, так и для создания тягового усилия ЗТМ.

Оборудование ДВС системой подкрутки ротора турбокомпрессора на наиболее тяжелых, переходных и неустановившихся режимах, в том числе при включении привода рабочего оборудования и при движении ЗТМ передним ходом, обеспечивает стабилизацию коэффициента избытка воздуха и уменьшение времени переходных процессов, что приводит к улучшению основных параметров ДВС, влияющих на эффективность его работы, и повышает производительность ЗТМ.

В формуле изобретения представлены признаки, выраженные в виде альтернативы. Реализация землеройно-транспортной машины (ЗТМ) с любым выбранным альтернативным признаком либо с несколькими альтернативными признаками, выбранными в их любом сочетании, в совокупности с другими признаками изобретения обеспечивает получение одного и того же технического результата - повышение производительности землеройно-транспортной машины (ЗТМ) в режиме разработки и транспортирования грунта при одновременном повышении топливной экономичности и приспособленности машины для работы в зимних условиях.

В подпункте а) независимого пункта формулы изобретения описано применение, по меньшей мере, одного дополнительного электромотора, обеспечивающего передачу энергии от накопителя на гидронасос трансмиссии, и/или гидромотор трансмиссии, и/или бортовой редуктор, и/или гидронасос рабочего оборудования, и/или ДВС. Передача механической энергии на любое из перечисленных устройств приводит к прямому или косвенному суммированию выходных мощностей ДВС и дополнительного электромотора, что приводит к увеличению тяговой мощности и производительности ЗТМ в режиме копания и перемещения грунта. При этом, с точки зрения передачи этой мощности, не имеет принципиального значения, с каким устройством соединен вал дополнительного электромотора. На машине могут быть также установлено несколько дополнительных электромоторов, осуществляющих передачу энергии накопителя на перечисленные устройства. Например, одновременно на ДВС и на два гидромотора трансмиссии. В этом случае происходит суммирование мощностей, передаваемых дополнительными электродвигателями от накопителя энергии на перечисленные устройства ЗТМ.

Электрическая энергия, необходимая для заряда накопителя энергии, согласно подпункту а) независимого пункта формулы изобретения получается с помощью, по меньшей мере, одного дополнительно установленного электрогенератора. Он может быть соединен с гидронасосом трансмиссии, и/или гидромотором трансмиссии, и/или гидронасосом рабочего оборудования, и/или бортовым редуктором, и/или с ДВС. Назначение этого электрогенератора (электрогенераторов) - передача избыточной энергии ДВС, трансмиссии или привода рабочего оборудования в накопитель энергии в те интервалы времени, когда ЗТМ не осуществляет копание и транспортирование грунта и имеется избыток этой энергии. Указанные альтернативные признаки характеризуют различные варианты присоединения дополнительного генератора (генераторов) и, соответственно, различные способы съема избыточной энергии. С точки зрения аккумулирования избыточной энергии не имеет принципиального значения, с каким именно устройством механически соединен дополнительный генератор - с гидронасосом трансмиссии, гидромотором трансмиссии, гидронасосом рабочего оборудования, бортовым редуктором или с ДВС. На машине может быть также установлено несколько дополнительных генераторов, механически соединенных с любыми из перечисленных устройств. В этом случае осуществляется суммирование выходных мощностей дополнительных электрогенераторов с помощью коммутирующего устройства и передача суммарной мощности на накопитель энергии.

Функции дополнительного электромотора и дополнительного генератора могут быть совмещены в одном устройстве - электромотор-генераторе. В этом случае отбор избыточной энергии для передачи ее в накопитель энергии, а также последующая передача энергии накопителя на ДВС, трансмиссию или привод рабочего оборудования, может осуществляться при взаимодействии электромотор-генератора как с одним и тем же, так и с различными перечисленными устройствами. Например, электромотор-генератор может передавать избыточную энергию ДВС в накопитель энергии и затем (в другой интервал времени) передавать (возвращать) ее также в ДВС, передавать в накопитель энергии избыточную энергию гидромотора трансмиссии и затем передавать ее в этот же гидромотор и т.д. Возможна также реализация ЗТМ, в которой отбор избыточной энергии и передача ее от накопителя осуществляются на различные устройства из числа перечисленных (гидронасос трансмиссии, гидромотор трансмиссии, гидронасос рабочего оборудования, бортовой редуктор, ДВС) в любом сочетании. В этом случае на ЗТМ устанавливается два и более электромотор-генератора, механически соединенных с перечисленными устройствами. Суммирование их мощностей осуществляется аналогичным образом.

Если накопитель энергии выполнен виде гидроаккумулятора, то, как указано в подпункте в) независимого пункта формулы изобретения, он может быть подключен к гидролинии гидронасоса трансмиссии, и/или гидромотора трансмиссии, и/или гидронасоса рабочего оборудования. Смысл этого подключения заключается в передаче избыточной гидравлической энергии от указанных устройств в гидравлический накопитель в те интервалы времени, когда имеется этот избыток (при малой или встречной нагрузке ЗТМ). При этом, аналогичным образом, может осуществляться подключение либо только к одной гидролинии, либо одновременно к нескольким указанным гидролиниям в их любом сочетании. Обратная передача накопленной энергии также может осуществляться в любую гидролинию или одновременно в несколько гидролиний в любом сочетании. В этом случае с помощью гидравлических устройств осуществляется суммирование энергии ДВС и накопителя, что также приводит к повышению производительности ЗТМ в режиме разработки и транспортирования грунта.

Указанный обмен энергией между гидравлическими устройствами и гидравлическим накопителем энергии, как описано в подпунктах г) и е) независимого пункта формулы изобретения, может осуществляться в зависимости от нагрузки, тягового усилия ЗТМ или величин давления в этих гидравлических узлах, что повышает результативность этого обмена энергией.

В подпункте к) независимого пункта формулы изобретения изложен вариант реализации ЗТМ с дополнительным бензиновым, дизельным, газовым ДВС или газовой турбиной с дополнительным гидронасосом и/или электрогенератором. Вид используемого топлива и, соответственно, конструкция дополнительного источника энергии, не влияет на технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение. Равным образом, не имеет значения, какого вида энергия (электрическая, гидравлическая или одновременно электрическая и гидравлическая) вырабатывается дополнительным источником энергии. В зависимости от вида этой энергии осуществляется ее передача в соответствующее устройство ЗТМ либо одновременно в несколько этих устройств в любом сочетании. При этом осуществляется суммирование энергии ДВС и дополнительного источника энергии, что также приводит к повышению производительности ЗТМ.

На ЗТМ может также использоваться преобразователь энергии механических вибраций, ударов или колебаний каких-либо узлов или агрегатов (устройств) машины в электрическую и/или гидравлическую энергию, которая используется для заряда накопителя энергии. Далее возможны различные варианты передачи накопленной энергии на различные устройства ЭТМ для увеличения ее мощности в режиме разработки и перемещения грунта.

В пункте 2 формулы изобретения конкретизируется, в каком именно интервале времени осуществляется передача энергии в накопитель. Перечисленные варианты обмена этой энергии не влияют на энергетический баланс и при любом варианте их реализации (в любом сочетании) обеспечивают повышение производительности ЗТМ.

В пункте 3 формулы изобретения конкретизируется исполнение накопителя энергии и приводятся различные способы управления передачей энергии, направленные на достижение указанного технического результата.

В пункте 5 формулы изобретения приведены различные варианты исполнения панели оператора. Она может содержать как один из перечисленных видов (типов) индикаторов - символьные, графические, цифровые, либо одновременно несколько перечисленных индикаторов в любом сочетании. Например, панель оператора может содержать графический дисплей (экран) и символьные индикаторы с пиктограммами для отображения состояния дискретных параметров работы ЗТМ. Предоставление информации машинисту о режимах работы машины независимо от формы этого предоставления дает возможность повысить точность управления ЗТМ, что повышает ее производительность.

По указанным причинам отличительные признаки предложенного технического решения находятся в прямой причинно-следственной связи с техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение.

На чертеже представлена упрощенная схема ЗТМ с ГСТ.

ЗТМ содержит ДВС 1, установленный на раме машины, один или два гидронасоса трансмиссии 2 (обозначены на чертеже как 2.1 и 2.2), которые механически соединены с ДВС 1 непосредственно, через упругую муфту или раздаточный редуктор, по меньшей мере, один гидромотор трансмиссии 3 (на чертеже показаны два гидромотора 3.1 и 3.2), по меньшей мере, два бортовых редуктора 4 (по числу ведущих колес или ведущих звездочек) со стояночными тормозами 5, выходные валы или корпуса которых соединены с ведущими колесами или звездочками 6 ходовой части машины, а входные валы непосредственно, через передаточные элементы (муфты, валы и т.п.), через бортовые фрикционы или дифференциальный механизм поворота функционально соединены, по меньшей мере, с одним гидромотором 3 трансмиссии.

Машина содержит также гидропривод или электрогидропривод рабочего оборудования машины, включающий в себя гидронасос 7 рабочего оборудования, функционально соединенный с ДВС 1 непосредственно, через раздаточный редуктор, муфту или через гидронасосы трансмиссии 2 (при их соединении по тандемной схеме), а также распределительное устройство 8.

Распределительное устройство (гидрораспределитель) 8 связано гидролиниями с поршневыми гидроцилиндрами двухстороннего действия с односторонним штоком 9 и/или с регулируемыми или нерегулируемыми гидромоторами рабочего оборудования. Этот гидрораспределитель (распределительное устройство) 8 может иметь несколько сервогидроуправляемых или сервоэлектрогидроуправляемых рабочих секций, включая напорную и сливную.

Например, на бульдозере секции гидрораспределителя предназначены для управления подъемом/опусканием, перекосом и поворотом отвала в плане, а также для включения плавающего положения отвала путем соединения штоковой и поршневой полостей гидроцилиндров 9 между собой и сливом.

Гидронасосы трансмиссии 2 и навесного оборудования 7 могут быть соединены последовательно (объединены в тандем, как это показано на чертеже).

Гидравлические системы трансмиссии и рабочего оборудования ЗТМ содержат также различные устройства защиты, например предохранительные, редукционные, переливные, обратные и другие клапаны, условно не показанные на чертеже.

Машина содержит также, по меньшей мере, один электронный модуль 10, приспособленный для управления ДВС, по меньшей мере, одним гидронасосом 2 и/или гидромотором 3 трансмиссии, и накопитель энергии 11.

С гидронасосом трансмиссии 2, гидромотором трансмиссии 3, бортовым редуктором 4, гидронасосом рабочего оборудования 7 и/или с ДВС 8 может быть соединен, по меньшей мере, один электрогенератор, электромотор или электромотор-генератор 12 (на чертеже показан как 12.1…12.4), который непосредственно или через коммутирующее устройство 13 соединен с накопителем энергии 11, который в данном случае выполнен в виде электрического аккумулятора или электрического аккумулятора с суперконденсатором.

Если накопитель энергии 11 выполнен в виде гидроаккумулятора, то он непосредственно или через регулирующий гидроаппарат 14 подключен, по меньшей мере, к одной гидролинии гидронасоса трансмиссии 2, гидромотора трансмиссии 3, гидронасоса 7 или гидроцилиндров 9 рабочего оборудования.

Под гидроаппаратом в данном случае подразумевается гидрораспределитель, клапан, дроссель или иное гидроустройство, предназначенное для управления потоком рабочей среды (ГОСТ 17752-81). Гидроаппарат в зависимости от конструктивного исполнения машины и системы ее управления может быть неуправляемым или иметь гидравлическое, механическое или электрическое управление. В частности, он может быть выполнен в виде электрогидрораспределителя, обратного клапана, регулируемого дросселя, клапана последовательности, пропускающего поток жидкости в том случае, если давление на входе в клапан либо давление в некотором постороннем потоке достигает определенного значения, и т.д.

ДВС 1 может быть оснащен турбокомпрессором 15 с обратимым электроприводом ротора 16 на основе вентильной электромашины, который через коммутирующее устройство 13 соединен с накопителем энергии 11.

Коммутирующее устройство 13 в общем случае выполнено в виде набора силовых электронных или электромеханических ключей или аналоговых регуляторов тока или напряжения, управление которыми осуществляется от электронного модуля 10. Коммутирующее устройство 13 может также входить в состав электронного модуля 10.

Этот модуль 10 содержит, по меньшей мере, один электронный блок, реализованный на основе микроконтроллера, к которому подключены органы управления двигателем 1, трансмиссией и рабочим оборудованием машины, датчики параметров работы машины и панель оператора с установленными на ней символьными, и/или графическими, и/или цифровыми индикаторами.

Датчики рабочих параметров ЗТМ могут включать, в частности, датчики угловой скорости двигателя и гидромоторов трансмиссии, датчики направления движения и тягового усилия машины, положения ее рабочего оборудования, давления и температуры рабочей жидкости в гидросистемах трансмиссии и навесного оборудования и т.д.

Электронный блок модуля 10 может содержать силовой электронный коммутатор вентильной электрической машины 12, 16.

На машине может быть установлен также автономный источник энергии (на чертеже условно не показан), выполненный в виде дополнительного бензинового, дизельного, газового ДВС или газовой турбины, соединенного/соединенной с соответствующим электрогенератором и/или гидронасосом, подключенным через коммутирующее устройство 13 или регулирующий гидроаппарат 14 к накопителю энергии 11 соответствующего типа. Управление автономным источником энергии, коммутирующим устройством 13 или регулирующим гидроаппаратом 14 (в части величины вырабатываемой энергии и направления ее передачи) осуществляет электронный модуль 10.

Кроме того, на машине может быть установлен преобразователь механической энергии механических вибраций, ударов и/или колебаний какого-либо узла или агрегата машины в электрическую и/или гидравлическую энергию, приспособленный для заряда накопителя энергии 11. Он может быть выполнен, например, в виде электродинамического преобразователя ударных нагрузок на опоры (амортизаторы) ДВС 1 в электрическую энергию.

Гидростатическая трансмиссия, именуемая также гидрообъемной (ГСТ, ГОТ), может быть выполнена по раздельно- или нераздельно-агрегатной системе. В первом случае предусматривается применение отдельно размещенных гидронасосов и гидромоторов. При этом в большинстве случаев используется один или два аксиально поршневых гидронасоса 2 и два или четыре регулируемых или нерегулируемых гидромотора 3 (по числу ведущих колес или звездочек).

ГСТ, выполненная по нераздельно-агрегатной системе, содержит размещенные в одном кожухе один гидронасос 2 и один гидромотор 3, устанавливаемые на машине вместо сцепления или гидротрансформатора и коробки передач, которые применяются на машинах с механической и гидромеханической трансмиссией.

Трансмиссия может быть реализована как с закрытым, так и с открытым контуром циркуляции рабочей жидкости. В первом случае (показано на чертеже) она включает в себя, по меньшей мере, один главный контур, который содержит регулируемый реверсивный гидронасос 2, преимущественно регулируемый гидромотор 3, систему подпитки, обеспечивающую создание подпора во всасывающей линии для устранения кавитации и компенсацию утечек, систему предохранения трансмиссии от перегрузки, систему управления трансмиссией на основе электронного модуля 10, систему отвода избытка нагретой рабочей жидкости, прошедшей гидромотор на слив, и систему кондиционирования рабочей жидкости, включающей фильтр очистки, охладитель и гидробак.

Давление, создаваемое насосом подпитки гидроконтуров ГСТ, может быть использовано для питания системы управления машины, либо для этих целей может быть установлен дополнительный насос.

ГСТ обеспечивает передачу крутящего момента от ДВС 1 к ведущим колесам или гусеницам 6, а также изменение величины и направления крутящего момента. Гидронасосы 2 и гидромоторы 3 управляются оператором машины с помощью аппаратов (органов) управления, которые через электронный модуль 10 соединены с управляющими элементами гидронасосов 2 и гидромоторов 3.

Управление рабочим (навесным) оборудованием машины осуществляется оператором машины с помощью гидравлического или электрического аппарата управления рабочим оборудованием, подключенного к распределительному устройству 8 непосредственно (гидравлическое управление) или через электронный модуль 10 (электрогидравлическое управление).

При отсутствии сигналов управления движением машины нормально замкнутые тормоза 5 запрещают ее движение. После подачи оператором сигнала начала движения машины с помощью аппарата управления, электронный модуль 10 подает сигнал на электрически управляемый клапан (на чертеже условно не показан) тормозов. В результате этого масло под давлением из насоса подпитки подается в камеры тормозов 5. Тем самым тормоза размыкаются, разрешая движение машины.

Далее оператор с помощью этого аппарата управления задает направление и скорость движения ЗТМ. Электронный модуль 10, анализируя эти сигналы, соответствующим образом управляет объемами гидронасосов 2 и гидромоторов 3, а также подачей топлива в ДВС 1.

Сочетание задаваемой оператором скорости движения и текущего значения тяговой нагрузки, зависящего от положения рабочего оборудования (гидроцилиндров 9), определяет требующуюся тяговую мощность машины. Если ДВС и ГСТ ее обеспечивают, движение ЗТМ осуществляется с заданной скоростью. Если же выходной мощности ДВС и ГСТ оказывается недостаточно, электронный модуль 10, управляя гидронасосами 2 и гидромоторами 3, автоматически снижает скорость движения машины, обеспечивая реализацию максимальной тяговой мощности. Основной задачей управления ГСТ в этом случае является установление необходимого передаточного отношения от вала ДВС 1 к валу ведущих колес или звездочек 6.

Переход с одного режима управления к другому происходит автоматически.

Когда ЗТМ не перемещается или работает в условиях малой нагрузки, например движется на холостом ходу или задним ходом, не осуществляет набор и транспортирование грунта и т.д., и имеются предпосылки для недогрузки ДВС, имеется возможность обеспечить более эффективную работу ЗТМ за счет преобразования механической энергии ДВС в электрическую или гидравлическую энергию, ее накопления в накопителе энергии 11 и последующего использования для увеличения тягового усилия или скорости движения машины в наиболее нагруженных режимах ее работы.

Система накопления энергии предоставляет дополнительную энергию, помимо энергии ДВС, что позволяет предотвратить перегрузку или остановку двигателя и/или уменьшить снижение скорости движения ЗТМ, обеспечивая повышение ее производительности.

В случае применения гидравлического накопителя энергии 11 возможна передача в него рабочей жидкости только на пиках давления в гидросистемах трансмиссии и/или рабочего оборудования. Это дополнительно обеспечивает рекуперацию кинетической энергии при торможении машины (в этом случае гидромоторы ГСТ работают в режиме гидронасосов), а также повышение надежности гидросистем за счет снижения величин максимальных давлений в них.

Энергия, запасаемая в накопителе 11, может использоваться также для для прогрева и запуска ДВС 1, в том числе при работе машины в зимнее время, и/или для обеспечения работы других узлов и агрегатов машины - кондиционера, насоса системы циркуляции охлаждающей жидкости, рабочего освещения ЗТМ и т.д. Использование накопителя энергии 11 для запуска ДВС позволяет сократить время этого записка, что сокращает время простоя ЗТМ и, соответственно, повышает ее производительность.

К этому же результату приводит применение дополнительного автономного энергоагрегата, приспособленного для заряда накопителя энергии.

Для таких ЗТМ, как бульдозеры, в процессе разработки и перемещения грунта, особенно скального, характерны высокие динамические нагрузки на их узлы и агрегаты, включая рабочее оборудование. По этим причинам отдельные узлы и агрегаты закреплены на машине на амортизаторах, предназначенных для поглощения энергии воздействующих на них механических вибраций и ударов. Применение преобразователей этой энергии в электрическую и/или гидравлическую, ее передача в накопитель энергии и последующая передача двигателю или трансмиссии позволяет осуществить рекуперацию этой энергии и, соответственно, повысить производительность машины.

Настоящее изобретение не ограничивается рассмотренными вариантами его осуществления. Могут быть реализованы также различные модификации этих вариантов в пределах объема формулы этого изобретения.

Источники информации

1. RU 125662 U1, F16H 39/00, 10.03.2013.

2. Ксеневич И.П., Гуськов В.В., Бочаров Н.Ф. и др. Тракторы. Проектирование, конструирование и расчет. - М.: Машиностроение. 1991. - 544 с.

Изобретение относится к землеройно-транспортным машинам (ЗТМ) с гидростатической трансмиссий (ГСТ, ГОТ). ЗТМ содержит ДВС, гидронасосы и гидромоторы трансмиссии с бортовыми редукторами, гидропривод рабочего оборудования, а также электрический или гидравлический накопитель энергии, который через регулирующий гидроаппарат или электронное коммутирующее устройство подключен соответственно к гидролиниям трансмиссии или рабочего оборудования либо к электрическим цепям, по меньшей мере, одного электромотора, электрогенератора или электромотора-генератора. Обмен энергией между накопителем энергии и трансмиссией, ДВС и гидросистемой рабочего оборудования осуществляется под управлением электронного модуля и позволяет стабилизировать режимы работы ДВС, а также сократить время его работы не в оптимальных режимах. В том числе обеспечивает снижение дисперсии крутящего момента нагрузки на ДВС и накопление энергии во время отката (холостого хода) ЗТМ, когда ДВС недогружен, с последующей отдачей этой энергии во время рабочего хода. Изобретение обеспечивает повышение производительности ЗТМ в режиме разработки и транспортирования грунта, повышение ее топливной экономичности и приспособленности для работы в зимних условиях. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Землеройно-транспортная машина с гидростатической трансмиссией, именуемая в дальнейшем «машина», содержащая двигатель внутреннего сгорания, именуемый в дальнейшем «ДВС», установленный на раме машины, по меньшей мере, один гидронасос трансмиссии, функционально соединенный с ДВС и выполненный с возможностью преобразования, по меньшей мере, части механической энергии ДВС в гидравлическую энергию, по меньшей мере, один гидромотор трансмиссии, выполненный с возможностью преобразования этой гидравлической энергии в механическую энергию, по меньшей мере, два бортовых редуктора, выходные валы или корпуса которых соединены с ведущими колесами или звездочками ходовой части машины, а входные валы непосредственно, или через передаточные элементы, или через бортовые фрикционы, или через дифференциальный механизм поворота функционально соединены, по меньшей мере, с одним гидромотором трансмиссии, гидропривод или электрогидропривод рабочего оборудования машины, включающий в себя, по меньшей мере, гидронасос рабочего оборудования, функционально соединенный с ДВС, распределительное устройство и гидроцилиндры, приспособленные для перемещения рабочего оборудования машины, по меньшей мере, один электронный модуль, приспособленный для управления ДВС, по меньшей мере, одним гидронасосом и/или гидромотором трансмиссии, и накопитель энергии, отличающаяся тем, что в ней дополнительно реализовано, по меньшей мере, одно из следующих технических решений:
а) по меньшей мере, с одним гидронасосом трансмиссии, и/или гидромотором трансмиссии, и/или бортовым редуктором, и/или гидронасосом рабочего оборудования, и/или ДВС соединен дополнительно установленный электромотор, соединенный с накопителем энергии через коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него, причем электромотор приспособлен для преобразования электроэнергии накопителя энергии в механическую энергию, передаваемую гидронасосу трансмиссии, и/или гидромотору трансмиссии, и/или бортовому редуктору, и/или гидронасосу рабочего оборудования, и/или ДВС, при этом с гидронасосом трансмиссии, и/или гидромотором трансмиссии, и/или гидронасосом рабочего оборудования, и/или бортовым редуктором, и/или с ДВС соединен дополнительно установленный электрогенератор, который приспособлен для заряда указанного накопителя энергии;
б) по меньшей мере, с одним гидронасосом трансмиссии, и/или гидромотором трансмиссии, и/или гидронасосом рабочего оборудования, и/или бортовым редуктором, и/или ДВС соединен дополнительно установленный электромотор-генератор, приспособленный для заряда накопителя энергии и/или соединенный с накопителем энергии через коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него, и выполненный с возможностью преобразования электроэнергии накопителя энергии в механическую энергию, передаваемую гидронасосу трансмиссии, и/или гидромотору трансмиссии, и/или гидронасосу рабочего оборудования, и/или бортовому редуктору, и/или ДВС;
в) по меньшей мере, к одной гидролинии гидронасоса трансмиссии, и/или гидромотора трансмиссии, и/или гидронасоса рабочего оборудования подключен накопитель энергии, выполненный в виде гидроаккумулятора, причем указанное подключение выполнено с возможностью заряда гидроаккумулятора от давления в гидролинии и последующей обратной передачи накопленной энергии в гидролинию гидронасоса трансмиссии, и/или гидромотора трансмиссии, и/или гидронасоса рабочего оборудования;
г) по меньшей мере, к одной гидролинии гидронасоса трансмиссии, и/или гидромотора трансмиссии, и/или гидронасоса рабочего оборудования через, по меньшей мере, один регулирующий гидроаппарат, соединенный с электронным модулем, подключен накопитель энергии, выполненный в виде гидроаккумулятора, причем электронный модуль приспособлен для формирования таких сигналов управления регулирующим гидроаппаратом, при которых осуществляется заряд накопителя энергии, если нагрузка или тяговое усилие машины не превышают предварительно установленную величину, и передача энергии от гидроаккумулятора в гидролинию, если нагрузка или тяговое усилие машины превышают установленную величину;
д) по меньшей мере, к одной гидролинии гидронасоса трансмиссии и/или рабочего оборудования через регулирующий гидроаппарат подключен накопитель энергии, выполненный в виде гидроаккумулятора, причем гидронасос трансмиссии и/или рабочего оборудования выполнен с возможностью работы в режиме гидромотора и создания крутящего момента, достаточного для запуска ДВС, а вход управления регулирующего гидроаппарата подключен к электронному модулю;
е) накопитель энергии выполнен в виде гидроаккумулятора, который, по меньшей мере, через один клапан последовательности, пропускающий поток жидкости в гидроаккумулятор, если давление в гидролинии превышает предварительно установленную величину, подключен, по меньшей мере, к одной гидролинии гидронасоса трансмиссии, и/или гидромотора трансмиссии, и/или гидроцилиндра рабочего оборудования, гидроаккумулятор дополнительно, по меньшей мере, через один регулирующий гидроаппарат подключен к гидролинии гидронасоса трансмиссии, и/или гидромотора трансмиссии, и/или гидронасоса рабочего оборудования, с возможностью передачи рабочей жидкости в эту линию, причем регулирующий гидроаппарат выполнен в виде обратного клапана или имеет вход управления, который соединен с электронным модулем;
ж) по меньшей мере, один накопитель энергии выполнен в виде маховика, соединенного с валом гидромотора трансмиссии или первичным валом бортового редуктора посредством муфты, управляющий вход которой соединен с электронным модулем;
з) электронный модуль выполнен с возможностью формирования внешней скоростной характеристики ДВС таким образом, что при движении машины передним ходом реализуется характеристика двигателя постоянной мощности с повышенными значениями мощности и коэффициента приспособляемости ДВС по крутящему моменту, а при движении задним ходом реализуется скоростная характеристика, соответствующая наименьшему удельному расходу топлива при более низком значении мощности;
и) ДВС оснащен турбокомпрессором с обратимым электроприводом ротора, а накопитель энергии выполнен в виде электрического аккумулятора или электрического аккумулятора с конденсатором и соединен с обратимым электроприводом ротора через коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него, причем электронный модуль выполнен с возможностью управления обменом энергией между обратимым электроприводом ротора и накопителем энергии таким образом, что при движении машины задним ходом и/или при нагрузке машины или ДВС, не превышающей предварительно установленную величину, осуществляется заряд накопителя энергии, а при движении машины передним ходом, и/или при работающем гидроприводе рабочего оборудования, и/или при нагрузке машины или ДВС, превышающей предварительно установленную величину, осуществляется передача энергии от накопителя энергии к обратимому электроприводу ротора турбокомпрессора, приспособленному для соответствующего повышения давления наддува.
к) машина дополнительно оснащена автономным источником энергии, выполненным в виде дополнительного бензинового, или дизельного, или газового ДВС, или газовой турбины, соединенного/соединенной с соответствующим гидронасосом и/или электрогенератором, приспособленным для заряда соответствующего накопителя энергии, который через регулирующий гидроаппарат и/или коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него, соединен, соответственно, по меньшей мере, с одной гидролинией трансмиссии или рабочего оборудования машины и/или, по меньшей мере, с одним электромотором или электромотором-генератором, выполненным с возможностью преобразования электроэнергии накопителя энергии в механическую энергию, передаваемую гидронасосу трансмиссии, и/или гидромотору трансмиссии, и/или гидронасосу рабочего оборудования, и/или бортовому редуктору, и/или ДВС;
л) машина дополнительно содержит преобразователь энергии механических вибраций, или ударов, или колебаний, по меньшей мере, одного узла или агрегата машины в электрическую и/или гидравлическую энергию, приспособленный для заряда накопителя энергии, который через коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него, соединен, по меньшей мере, с одним электромотором или электромотором-генератором, выполненным с возможностью преобразования электроэнергии накопителя энергии в механическую энергию и ее передачи гидронасосу трансмиссии, и/или гидромотору трансмиссии, и/или гидронасосу рабочего оборудования, и/или бортовому редуктору, и/или ДВС.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что электронный модуль выполнен с возможностью формирования сигналов управления, по меньшей мере, одним регулирующим гидроаппаратом и/или электрическим коммутирующим устройством таким образом, что при движении машины задним ходом осуществляется передача энергии от гидронасоса трансмиссии, и/или от гидронасоса рабочего оборудования, и/или от электрогенератора или электромотора-генератора, соответственно, в гидравлический или электрический накопитель энергии, а при движении машины передним ходом с возможностью формирования этих сигналов управления из условия суммирования мощности, передаваемой от накопителя энергии, с мощностью гидронасоса трансмиссии и/или рабочего оборудования.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что накопитель энергии выполнен в виде гидроаккумулятора, или электрического аккумулятора, или электрического аккумулятора с конденсатором и, соответственно, соединен, по меньшей мере, с одной гидролинией гидронасоса трансмиссии, и/или гидронасоса рабочего оборудования, и/или гидромотора трансмиссии или подключен, по меньшей мере, к одной цепи электрогенератора и/или электромотора-генератора, соответственно, через регулирующий гидроаппарат, управляющий вход которого подключен к электронному модулю, или через коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него, причем электронный модуль приспособлен для формирования указанного сигнала из условия ограничения или прекращения заряда накопителя энергии при величине нагрузки ДВС, превышающей предварительно установленную величину, и/или при тяговом усилии машины, превышающем установленную величину, и/или при движении машины передним ходом, и/или во время работы гидропривода перемещения рабочего органа, и/или во время поворота машины.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что накопитель энергии выполнен в виде аккумулятора и электрохимического конденсатора, подключенного к аккумулятору непосредственно или через коммутирующее устройство, приспособленное для управления от электронного модуля или входящее в него.

5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что электронный модуль содержит, по меньшей мере, один электронный блок, реализованный на основе микроконтроллера, к которому подключены органы управления двигателем, трансмиссией и рабочим оборудованием машины, датчики параметров работы машины и панель оператора с установленными на ней символьными, и/или графическими, и/или цифровыми индикаторами.

6. Машина по п.5, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один электронный блок содержит силовой электронный коммутатор вентильного электромотора, электрогенератора, электромотора-генератора или обратимого электропривода ротора.