Конец 2010-х годов: мировой финансовый кризис ударил по России, курс доллара вырос в 1,5 раза. Объем рынка строительно-дорожной техники в целом и в бульдозерной тематике, в частности, упал в 5–7 раз, впоследствии начав расти только в 2011 г. Но как известно, кризис – это и лучшее время для роста, и для принятия нестандартных решений. Руководство «ДСТ-УРАЛ» принимает решение о разработке нового серийного бульдозера, способного полностью заменить устаревшую конструкцию с механической трансмиссией.
В то время на рынке бульдозеров легкого и среднего класса, как в мире, так и России, преобладали машины с классической гидромеханической трансмиссией либо с устаревшей механической. Конструкторами завода был проведен глубокий анализ преимуществ и недостатков всех видов трансмиссий. В результате выбор пал на гидростатическую трансмиссию (по-научному правильно называть ее гидрообъемным приводом передачи мощности, но из-за перевода с английского языка прижился термин именно ГСТ – гидростатическая трансмиссия).
В тот момент в России были попытки сделать массовый бульдозер с ГСТ: в начале 2000-х годов был разработан ТС10 «Добрыня» производства ЧСДМ (г. Челябинск), позже документация на эту машину была передана на ХТЗ (г. Харьков) и в «Орёлдормаш» (г. Орёл), где появилась модернизированная версия Б-100. Но эти машины не выдержали проверку временем и к 2010 г. уже практически не выпускались.
Среди мировых производителей полностью на ГСТ-приводе свои трактора делали фирмы Liebherr, Case, John Deere и New Holland. Крупнейшие производители в лице Caterpillar и Komatsu, а также массовые производители китайских тракторов данную трансмиссию на тот момент всячески критиковали и в своей технике практически не использовали. Но как показало время, гидростатический привод доказал свою конкурентоспособность как в экономическом, так и в эксплуатационном плане, и сейчас все больше новых тракторов выпускается с таким видом трансмиссии, увеличивается их общая доля рынка.
В чем же преимущества гидростатической трансмиссии? Начать стоит с описания принципа работы: ГСТ бульдозера – это гидрообъемная передача с закрытым замкнутым гидроконтуром (в этом основное отличие от популярного экскаваторного варианта трансмиссии, где контур открытый). В состав трансмиссии входят два гидронасоса и два гидромотора (по одному на каждый борт, в более тяжелых бульдозерах, начиная от 40 т, количество агрегатов может быть увеличено). Насосы преобразуют механическую энергию вращения вала ДВС в энергию потока масла под определенным давлением, передавая мощность посредством рукавов высокого давления гидромоторам. Те преобразуют энергию обратно в механическое вращение, приводя в действие исполнительный механизм – приводной редуктор. Сам гидравлический контур закрыт, жидкость в нем обновляется примерно на 10% каждую минуту с помощью специальных клапанов промыва и насосов подпитки, тем самым контур охлаждается и очищается. Это помогает избежать больших сечений РВД подвода и отвода жидкости от приводного контура и компактно разместить всю трансмиссию.
Одним из ключевых достоинств ГСТ является возможность плавного бесступенчатого изменения передаточного отношения в широком диапазоне частот вращения, что позволяет намного эффективнее использовать крутящий момент двигателя машины по сравнению со ступенчатым приводом во всем диапазоне нагрузок и скоростей машины. Объем насосов регулируется пропорционально от нуля до максимума, что делает возможным плавный разгон машины с места без применения сцепления. А пропорциональное уменьшение объема гидромоторов позволяет реализовать разгон машины до транспортной скорости без разрыва потока мощности, рывков и потерь.
Благодаря электронному контролю всей трансмиссии и топливоподачи ДВС даже значительное и резкое изменение нагрузки не влияет на выходную частоту вращения, поэтому машина сама держит обороты ДВС на нужном уровне согласно требуемой нагрузке, что позволяет существенно экономить топливо в условиях высокой маневренности бульдозера и непрерывности тягового усилия. Когда нагрузка с бульдозера снимается, обороты двигателя автоматически падают до холостых. При этом ГСТ позволяет обеспечить максимальную тягу машины даже на низкой скорости и низких оборотах ДВС.
Большим достоинством гидростатической трансмиссии является простота реверсирования гусениц с возможностью разворота на месте с нулевым радиусом, что дает исключительную маневренность машине.
Отсутствие механической связи ДВС и приводных редукторов позволяет сильно упростить кинематическую схему, существенно облегчить компоновку машины на этапе разработки, упростить ремонтные и обслуживающие мероприятия, значительно повысить надежность. Количество элементов сведено к минимуму – их всего два: гидронасос и гидромотор, тогда как в ГТР это сам гидротрансформатор, планетарная коробка передач, главная передача, многодисковый бортовой фрикцион и гидравлический привод дифференциального поворота. В случае поломки весь ремонт осуществляется путем замены гидронасоса или гидромотора в сборе (что достаточно быстро), а затем дефектовки вышедшего из строя агрегата на стенде. Учитывая, что данные агрегаты производит множество мировых компаний, обеспечивается поддержание конкурентной среды среди поставщиков, а значит, низкий уровень цены при высоком уровне качества.
Недостатком гидростатической трансмиссии можно считать более низкий КПД по сравнению с механической или гидромеханической передачей. Однако по сравнению с трансмиссиями, включающими коробки передач, ГСТ оказывается экономичнее, проще и быстрее. Также ранее применение ГСТ ограничивали цена изделия, требования к маслам и сложность реализации электронного управления. Однако со временем совершенствование технологий механообработки и широкое распространение синтетических масел, производимых под заранее заданные параметры использования, развитие микроэлектроники, позволившее реализовывать сложные алгоритмы управления ГСТ, позволили значительно снизить себестоимость такого вида привода.
Еще одним недостатком ГСТ-привода можно считать предвзятое отношение к нему со стороны эксплуатирующих организаций. Но опробовав новые технологии, назад уже никто не хочет возвращаться. Еще недавно все автолюбители боялись ставить автоматическую коробку передач, предпочитая механику. Сейчас механических коробок передач практически не осталось, а автоматы используют не только на легковом транспорте, но и на большегрузных машинах, внедорожных самосвалах, автобусах и т. д. Причем эти машины успешно работают в диапазоне температур от +50 до –50 °С. В аналогичных условиях работает и бульдозер ГСТ, причем проблем не возникает как в трансмиссии, так и в электронной системе управления.
Бытует также ошибочное мнение, что для ГСТ необходимо только иностранное, самое дорогое и специализированное масло. Это не так, качество отечественных масел давно подтверждено, они соответствуют мировым стандартам качества, и эксплуатация возможна во всем температурном диапазоне. Заводом была проведена большая работа по изучению темы смазочных материалов, на текущий момент руководством по эксплуатации разрешается применение масел около 50-ти производителей, из которых пять отечественных. В качестве дополнительной меры защиты работа бульдозера с ГСТ построена таким образом, что контроллер запрещает движение на слишком холодном масле, а подогрев от –50° до оптимальной температуры происходит в автоматическом режиме в течение 15–20 минут.
Выбор ГСТ с электронным управлением, с учетом всех описанных преимуществ, подтолкнул завод «ДСТ-УРАЛ» разработать полностью электронную систему управления всеми остальными системами машины, что позволило легко реализовывать и внедрять любые программы по управлению машиной, получать удаленный доступ и контроль параметров, существенно упростить управление машиной, адаптировать ее под оператора. Все это помогло существенно снизить требования к квалификации бульдозериста, и теперь для управления машиной ему достаточно лишь двух джойстиков: левый отвечает за все движение, правый за навесное оборудование.
В итоге все вышеописанные преимущества позволили технике «ДСТ-УРАЛ» прочно занять свою нишу на дорожно-строительном рынке СНГ, с каждым годом завод наращивает выпуск конкурентной продукции и внедряет передовые технологии контроля и управления машинами.
Что такое гидравлическая трансмиссия
Гидравлическая трансмиссия — совокупность гидравлических устройств, позволяющих соединить источник механической энергии (двигатель) с исполнительными механизмами машины (колесами автомобиля, шпинделем станка и т.д.)
Гидротранмиссию также называют гидравлической передачей. Как правило в гидравлической трансмиссии происходит передача энергии посредством жидкости от насоса к гидромотору (турбине).
В зависимости от типа насоса и мотора (турбины) различают гидростатическую и гидродинамическую трансмиссии.
Гидростатическая трансмиссия
Гидростатическая трансмиссия представляет собой объемный гидропривод.
В представленном ролике в качестве выходного звена использован гидродвигатель поступательного движения. В гидростатической трансмиссии используется гидродвигатель вращательного движения, но принцип работы, по-прежнему остается основанным на законе гидравлического рычага. В гидростатическом приводе вращательного действия рабочая жидкость подается от насоса к мотору.
В зависимости от рабочих объемов гидромашин могут изменяться момент и частота вращения валов. Гидравлическая трансмиссия обладает всеми достоинствами гидравлического привода: высокой передаваемой мощностью, возможностью реализации больших передаточных чисел, осуществления бесступенчатого регулирования, возможностью передачи мощности на подвижные, перемещающиеся элементы машины.
Способы регулирования в гидростатической трансмиссии
Регулирование скорости выходного вала в гидравлической трансмиссии может осуществлять путем изменения объема рабочего насоса (объемное регулирование), или с помощью установки дросселя либо регулятора расхода (параллельное и последовательное дроссельное регулирование). На рисунке показана гидротрансмиссия с объемным регулированием с замкнутым контуром.
Гидротрансмиссия с замкнутым контуром
Гидравлическая трансмиссия может быть реализована по замкнутому типу (закрытый контур), в этом случае в гидросистеме отсутствует гидравлический бак, соединенный с атмосферой.
В гидравлических системах замкнутого типа регулирование скорости вращения вала гидромотора может осуществляться путем изменения рабочего объема насоса. В качестве насос-моторов в гидростатической трансмиссии чаще всего используют аксиально-поршневые машины.
Гидротрансмиссия с открытым контуром
Открытой называют гидравлическую систему соединенную с баком, который сообщается с атмосферой, т.е. давление над свободной поверхностью рабочей жидкости в баке равно атмосферному. В гидротрасмиссиях отрытого типа возможно реализовать объемное, параллельное и последовательное дроссельное регулирование. На следующем рисунке показана гидростатическая трансмиссия с отрытым контуром.
Где используют гидростатические трансмиссии?
Гидростатические трансмиссии используют в машинах и механизмах где необходимо реализовать передачу больших мощностей, создать высокий момент на выходном валу, осуществлять бесступенчатое регулирование скорости.
Гидростатические трансмиссии широко применяются в мобильной, дорожно-строительной технике, экскаваторах бульдозерах, на железнодорожном транспорте — в тепловозах и путевых машинах.
Гидродинамическая трансмиссия
В гидродинамических трансмиссиях для передачи мощности используются динамические насосы и турбины. Рабочая жидкость в гидравлических трансмиссиях подается от динамического насоса к турбине. Чаще всего в гидродинамической трансмиссии используются лопастные насосное и турбинное колесо, расположенные непосредственно друг напротив друга, таким образом, что жидкость поступает от насосного колеса сразу к турбинному минуя трубопроводы. Такие устройства объединяющие насосное и турбинное колесо называются гидромуфтами и гидротрансформаторами, которые не смотря на некоторые похожие элементы в конструкции имеют ряд отличий.
Гидромуфта
Гидродинамическую передачу, состоящую из насосного и турбинного колеса, установленных в общем картере называют гидромуфтой. Момент на выходном валу гидравлической муфты равен моменту на входном валу, то есть гидромуфта не позволяет изменить вращающий момент. В гидравлической трансмиссии передача мощности может осуществляться через гидравлическую муфту, которая обеспечит плавность хода, плавное нарастание крутящего момента, снижение ударных нагрузок.
Гидротрансформатор
Гидродинамическая передача, в состав которой входят насосное, турбинное и реакторное колеса, размещенные в едином корпусе называется гидротрансформатором. Благодаря реактору, гидротрасформатор позволяет изменить вращающий момент на выходном валу.
Гидродинамическая передача в автоматической коробке передач
Самым известным примером применения гидравлической передачи является автоматическая коробка передач автомобиля, в которой может быть установлены гидромуфта или гидротрансформатор. По причине более высоко КПД гидротрансформатора (по сравнению с гидромуфтой), он устанавливается на большинство современных автомобилей с автоматической коробкой передач.
Что такое трансмиссия машин гидростатическая
15.3. Гидростатические приводы
Гидростатическая передача в легковых автомобилях до настоящего времени не применяется, поскольку она дорога и ее КПД относительно низок. Наиболее часто она используется в специальных машинах и транспортных средствах. В то же время гидростатический привод имеет много возможностей для применения; он особенно пригоден для трансмиссии с электронным управлением.
Принцип гидростатической передачи состоит в том, что источник механической энергии, например двигатель внутреннего сгорания, приводит гидронасос, подающий масло в тяговый гидравлический двигатель. Обе эти группы соединены между собой трубопроводом высокого давления, в частности, гибким. Это упрощает конструкцию машины, отпадает необходимость применения многих зубчатых колес, шарниров, осей, поскольку обе группы агрегатов могут быть расположены независимо друг от друга. Мощность привода определяется объемами гидронасоса и гидродвигателя. Изменение передаточного отношения в гидростатическом приводе бесступенчатое, его реверсирование и гидравлическая блокировка весьма просты.
В отличие от гидромеханической передачи, где соединение тяговой группы с преобразователем крутящего момента жесткое, в гидростатическом приводе передача усилий производится только через жидкость.
В качестве примера работы обеих трансмиссий рассмотрим переезд автомобиля с ними через складку местности (дамбу). При въезде на дамбу у автомобиля с гидромеханической трансмиссией возникает буксование гидротрансформатора, в результате чего при постоянной частоте вращения скорость автомобиля снижается. При спуске с вершины дамбы двигатель начинает действовать как тормоз, однако направление буксования гидротрансформатора меняется и поскольку гидротрансформатор имеет низкие тормозные свойства при таком направлении буксования, автомобиль разгоняется.
У гидростатической передачи при спуске с вершины дамбы гидродвигатель выполняет функцию насоса и масло остается в трубопроводе, соединяющем гидродвигатель с насосом. Соединение обеих групп привода происходит через находящуюся под давлением жидкость, которая обладает той же степенью жесткости, что и упругость валов, сцеплений и зубчатых колес в обычной механической трансмиссии. Разгона автомобиля поэтому при спуске с дамбы не произойдет. Гидростатическая передача особенно пригодна для автомобилей повышенной проходимости.
Принцип гидростатического привода показан на рис. 124. Привод гидронасоса 3 от двигателя внутреннего сгорания производится через вал 1 и наклонную шайбу, а регулятором 2 управляют углом наклона этой шайбы, что изменяет подачу жидкости гидронасосом. В случае, изображенном на рис. 124, шайба установлена жестко и перпендикулярно оси вала А и вместо нее наклоняется корпус насоса 3 в кожухе 4. Масло подается из гидронасоса по трубопроводу 6 в гидродвигатель 5, имеющий постоянный объем, а из него — вновь возвращается по трубопроводу 7 в насос.
Рис. 124. Схема гидростатического привода: 1 — вал приводного двигателя; 2 — регулятор привода; 3 — регулируемый гидронасос; 4 — кожух насоса; 5 — тяговый гидродвигатель; 6 и 7 — трубопроводы
Если гидронасос 3 расположен соосно валу 1, то подача масла им равна нулю и гидродвигатель в этом случае блокирован. Если насос наклонен вниз, то он подает масло в трубопроводе 7 и оно возвращается в насос по трубопроводу 6. При постоянной частоте вращения вала 1, обеспечиваемой, например, регулятором дизеля, управление скоростью и направлением движения автомобиля производится всего лишь одной рукояткой регулятора.
В гидростатическом приводе можно использовать несколько схем регулирования:
насос и двигатель имеют нерегулируемые объемы. В этом случае речь идет о «гидравлическом вале», передаточное отношение является постоянным и зависит от отношения объемов насоса и двигателя. Такая трансмиссия для применения в автомобиле неприемлема;
насос имеет регулируемый, а двигатель — нерегулируемый объем. Этот способ наиболее часто применяется в транспортных средствах, так как предоставляет большой диапазон регулирования при относительно простой конструкции;
насос имеет нерегулируемый, а двигатель — регулируемый объем. Эта схема неприемлема для привода автомобиля, поскольку с ее помощью нельзя обеспечить торможение автомобиля через трансмиссию;
насос и двигатель имеют регулируемые объемы. Такая схема предоставляет наилучшие возможности регулирования, но весьма сложна.
Применение гидростатической передачи позволяет отрегулировать выходную мощность вплоть до остановки выходного вала. При этом даже на крутом спуске можно остановить автомобиль перемещением рукоятки регулятора в нулевое положение. В этом случае трансмиссия гидравлически заблокирована и необходимость в применении тормозов отпадает. Для движения автомобиля достаточно передвинуть рукоятку вперед или назад. Если в трансмиссии используется несколько гидродвигателей, то соответствующим их регулированием можно достичь реализации работы дифференциала или его блокировки.
В гидростатической трансмиссии отсутствует целый ряд агрегатов, например, коробка передач, сцепление, карданные валы с шарнирами, главная передача и др. Это выгодно с позиции снижения массы и стоимости автомобиля и компенсирует достаточно высокую стоимость гидравлического оборудования. Все сказанное, в первую очередь, относится к специальным транспортным и технологическим средствам. В то же время, с точки зрения экономии энергии, гидростатическая трансмиссия имеет большие преимущества, например, для применения в автобусах.
Выше уже упоминалось о целесообразности аккумулирования энергии и получаемом энергетическом выигрыше, когда двигатель работает с постоянной частотой вращения в оптимальной зоне своей характеристики и его частота вращения не изменяется при переключении передач или изменении скорости автомобиля. Отмечалось также и то, что вращающиеся массы, соединенные с ведущими колесами, должны быть как можно меньше. Говорилось, кроме того, о преимуществах гибридного привода, когда при разгоне используются наибольшая мощность двигателя, а также мощность, накопленная в аккумуляторе. Все эти преимущества удается легко реализовать в гидростатическом приводе, если в его системе разместить гидроаккумулятор высокого давления.
Схема такой системы представлена на рис. 125. Приводимый двигателем 1 насос 2 с постоянным объемом подает масло в аккумулятор 3. Если аккумулятор заполнен, регулятор давления 4 подает импульс электрон-ному регулятору 5 об остановке двигателя. Из аккумулятора масло под давлением подается через центральное управляющее устройство 6 к гидродвигателю 7 и из него сбрасывается в масляный бак 8, из которого вновь забирается насосом. У аккумулятора имеется ответвление 9, предназначенное для питания дополнительного оборудования автомобиля.
Рис. 125. Схема гидростатического привода с аккумулятором давления: 1 — приводной двигатель; 2 — гидронасос; 3 — гидроаккумулятор; 4 — датчик давления; 5 — электронный регулятор; 6 — центральное управляющее устройство; 7 — гидродвигатель; 8 — масляный бак; 9 — привод дополнительного гидрооборудования; 10 — редукционный клапан
В гидростатическом приводе обратное направление движения жидкости можно использовать для торможения автомобиля. В этом случае гидродвигатель забирает масло из бака и подает его под давлением в аккумулятор. Таким способом можно аккумулировать энергию торможения для дальнейшего ее использования. Недостаток всех аккумуляторов состоит в том, что любой из них (жидкостный, инерционный или электрический) имеет ограниченную емкость, и если аккумулятор заряжен, он больше не может накапливать энергию, и ее избыток должен быть сброшен (например, преобразован в теплоту) так же, как и в автомобиле без аккумулирования энергии. В случае гидростатического привод эта проблема решается применением редукционного клапана 10, который при наполненном аккумуляторе перепускает масло в бак.
У городских маршрутных автобусов благодаря аккумулированию энергии торможения и возможности зарядки жидкостного аккумулятора во время остановок двигатель можно было бы отрегулировать на меньшую мощность и при этом обеспечить соблюдение необходимых ускорений при разгоне автобуса. Такая схема привода позволяет экономично реализовать движение в городском цикле, описанное в 6.2 и изображенное на рис. 36.
Гидростатический привод можно удобно скомбинировать с обычной зубчатой передачей. В качестве примера приведем комбинированную трансмиссию автомобиля. На рис. 126 дана схема такой трансмиссии от маховика двигателя 1 к редуктору 2 главной передачи. Крутящий момент через цилиндрическую зубчатую передачу 3 и 4 подводится к поршневому насосу 6 с постоянным объемом. Передаточное отношение цилиндрической передачи соответствует IV-V передачам обычной механической коробки передач. При вращении насос начинает подавать масло в тяговый гидродвигатель 9 с регулируемым объемом. Наклонная регулирующая шайба 7 гидродвигателя соединена с крышкой 8 корпуса трансмиссии, а корпус гидродвигателя 9 соединен с ведущим валом 5 главной передачи 2.
Рис. 126. Комбинированная гидростатическая передача автомобиля: 1 — маховик; 2 — редуктор главной передачи; 3 и 4 — шестерни целиндрической зубчатой передачи; 5 — вал-шестерня главной передачи; 6 — гидронасос объема; 7 — регулирующая шайба тягового гидродвигателя; 8 — крышка корпуса трансмиссии; 9 — тяговый гидродвигатель с регулируемым объемом
При разгоне автомобиля шайба гидродвигателя имеет наибольший угол наклона и масло, нагнетаемое насосом, создает большой момент на валу. Помимо этого на вал действует и реактивный момент насоса. По мере разгона автомобиля наклон шайбы уменьшается, следовательно, уменьшается и крутящий момент от корпуса гидродвигателя на валу, однако давление масла, подаваемого насосом, увеличивается и, следовательно, возрастет и реактивный момент этого насоса.
При уменьшении угла наклона шайбы до 0° насос гидравлически блокирован и передача крутящего момента от маховика к главной передаче будет осуществляться только парой шестерен; гидростатический привод будет выключен. Это улучшает КПД всей трансмиссии, так как гидродвигатель и насос отключены и вращаются в заблокированном положении вместе с валом, с КПД, равным единице. Кроме того, исчезают износ и шум гидроагрегатов. Этот пример — один из многих, показывающих возможности применения гидростатического привода. Масса и размеры гидростатической передачи определяются величиной максимального давления жидкости, которое в настоящее время достигло 50 МПа.
Почему Komatsu использует в линейке два вида трансмиссии: гидростатическую и гидромеханическую
Какой должна быть трансмиссия бульдозеров: гидростатической или гидромеханической? Какая из них удобнее в работе, для каких целей? Это один из давних споров между пользователями и даже между производителями техники. Komatsu решила этот спор, использовав в линейке бульдозеров оба варианта, но в технике разного назначения. И вот почему.
Для начала сравним, как работают обе системы.
Гидромеханическая трансмиссия — это гидротрансформатор плюс обычная шестеренчатая коробка передач. Автоматическая, как на бульдозерах Komatsu 16-й серии, или с переключением в ручном режиме, как на бульдозерах 12-й серии. Ключевой элемент — гидротрансформатор, который преобразует и увеличивает тягу относительно тяги, которую выдает двигатель. Например, если двигатель выдает 100 Н·м, то на выходе из турбинного колеса получаем тягу до 240 Н·м. Это огромный плюс гидромеханики, но в этом и ее проблема. Такой режим трансформации достигается только при высокой степени пробуксовки гидротрансформатора, когда турбинное колесо стоит, а насосное очень быстро крутится. При этом возникают внутренние потери на трение жидкости внутри гидротрансформатора, резко снижается КПД. Зато тяга максимальна.
В гидростатике два ключевых элемента: насос, который преобразует энергию двигателя в движение жидкости, и гидромотор, который приводит в движение гусеницы. Гидротрансформатора нет, то есть тяга меньше, зато выше КПД.
Из этого следует разница в назначении машин с этими типами трансмиссии.
Бульдозеры с гидромеханикой — это инструмент для тяжелых работ, где требуется высокая тяга. В первую очередь это горная промышленность, работа в карьерах. Максимальная тяга часто полезна и для тяжелых строительных работ, например при подготовке площадок для кустовых месторождений, то есть при работе на мерзлом грунте. Это бульдозеры Komatsu D65EX-16, D155A-5, D275A-5, D375A-6.
Тяжелый бульдозер Komatsu D375A-6 трудится на известняковом карьере в Дании
Ниша бульдозеров на гидростатике — дорожные и коммунальные работы. Специфика задач в этих видах деятельности требует максимальной маневренности и экономичности техники. При постоянных передвижениях с относительно малой нагрузкой себестоимость работы техники на гидростатической трансмиссии будет ниже, например из-за меньшего расхода топлива. Поэтому модели Komatsu для строительства дорог и городских работ оснащены насосами и гидромоторами. Это D39EX/PX-22 и D37EX/PX-22.
Но есть модель, техническое решение которой вызывает самые бурные обсуждения как минимум потому, что это самая распространенная, популярная модель в линейке бульдозеров Komatsu. Это D65-16 в спецификациях EX/PX/WX.
Двадцатитонный D65 — универсал. Он популярен у строителей в нефтегазовой сфере, его можно встретить на песчаных, щебеночных и угольных карьерах, его используют в дорожном строительстве и даже порой на крупных городских проектах. Причем часто, если у компании — владельца техники есть сразу несколько проектов, бульдозер переводят с одной задачи на другую и он продолжает эффективно трудиться. Например, из карьера — на строительство дороги. И в D65 стоит гидромеханическая коробка передач.
Часть стандартных работ, где обычно задействован «шестьдесят пятый», — это именно те работы, про которые выше говорилось, что на них чаще используют технику с гидростатикой. Вот, например, видео, где на дорожных работах бок о бок трудятся Komatsu D65EX-12 с гидромеханической коробкой передач и машина примерно этого же класса от другого производителя (на гидростатике).
Бульдозер Komatsu D65EX-12 на дорожных работах рядом с машиной на гидростатике
Давайте обозначим критерии, по которым можно сравнить эффективность эксплуатации на схожих задачах машин с разными типами трансмиссии:
- производительность
- экономичность в работе
- надежность
- ремонтопригодность
- затраты на эксплуатацию
Производительность бульдозеров
На вскрыше скальной породы гидромеханика однозначно полезнее гидростатики. На задачах, где не требуется максимальное тяговое усилие, у гидростата с замкнутым контуром значительно выше КПД за счет меньших потерь энергии. Эксплуатанты отмечают и большую управляемость: бульдозер может поворачивать во время перемещения грунта. Но это могут делать и бульдозеры на гидромеханике с гидросистемой поворота HSS, например D65EX-16.
Экономичность
При цикличных перемещениях с коротким плечом гидростатика выигрывает.
При постоянном движении с определенной скоростью гидромеханика оказывается экономичнее.
Ресурс трансмиссии и общая надежность техники
Гидростатическая трансмиссия — более сложная система. Если просто сравнить ресурс насоса и гидротрансформатора,- последний оказывается более надежным. Но все зависит от производителя, оператора и механиков. Качественный гидронасос при грамотной эксплуатации и профессиональном сервисе полностью отрабатывает свой ресурс, как и гидротрансформатор.
Но в сложных условиях бульдозер на гидромеханике будет трудиться без помех, тогда как к гидростату придется относиться с большой осторожностью или вовсе нельзя будет работать на технике с ним.
Например, если речь о работе на горячем шлаке, то ходовой мотор может просто загореться вместе со всеми горючими жидкостями, которые он прокачивает.
А в эксплуатации при низких температурах гидромеханике нужно меньше времени для подготовки к работе, нет нужды трепетно соблюдать ритуал прогрева, ей не так страшны частые остановки двигателя на час-другой.
Гидросистема ходовой части очень требовательна к использованию низкотемпературных гидравлических жидкостей, и ее обязательно нужно прогреть перед движением. Если в сильный мороз это не сделать, а завести и сразу тронуть бульдозер с места, можно повредить сальники на валах насоса и мотора, гидрошланги и т. д.
Ремонтопригодность
Компоненты гидростата легче и быстрее заменяются хотя бы потому, что они меньшего размера, чем компоненты на механике. Если запчасти под рукой, склад близко или вообще на участке (на крупных проектах с сервисной поддержкой от дистрибьютора), то в среднем ремонт занимает одну смену. Из этого времени сама работа с гидронасосом или гидромотором — это 2–3 часа. С гидромеханикой процесс замены компонентов ощутимо тяжелее и дольше.
Затраты на эксплуатацию (включая ТОиР)
Гидротрансформатор и его КПП до ремонта служат дольше, чем гидромотор с гидронасосом. Хотя бы потому, что они менее требовательны к правильной эксплуатации, более неприхотливы. Ресурс компонентов у гидростата меньше, покупать и менять компоненты нужно несколько чаще. Так что, если сравнивать расходы за один и тот же промежуток времени, получается паритет между двумя системами.
Гидростатика vs гидромеханика: финальный подсчет
| Сравнение трансмиссий | Гидромеханика | Гидростатика |
|---|---|---|
| Производительность | Максимальное тяговое усилие, низкий КПД | Большая управляемость, маневренность, высокий КПД |
| Экономичность | Большее потребление топлива | Меньшее потребление топлива |
| Ресурс и общая надежность | Более простая система, ресурс больше, неприхотлива в эксплуатации | Более сложная система, ресурс меньше, требовательна к эксплуатации и сервису, особенно при низких температурах |
| Ремонтопригодность | Компоненты тяжелее, их физически сложнее и дольше заменять, ремонт и замена длятся дольше | Компоненты легче, их быстрее заменять, ремонт и замена длятся меньше |
| Затраты на эксплуатацию | Служит дольше | Служит меньше |
Резюмируем: в стоимости обслуживания и ремонта, в сложности этих процедур у гидростатики и гидромеханики примерный паритет, достоинства и недостатки обоих систем уравновешивают друг друга, если сравнивать эксплуатацию за более-менее продолжительный срок. Ключевая разница — в применении бульдозеров с этими системами: экономичность и высокий КПД против максимальной тяги и неприхотливости. Соответственно, выбор техники с тем или иным типом передачи крутящего момента двигателя зависит от задач владельца. Для тяжелых условий, для максимальных показателей по производительности и экономичности — однозначно, гидромеханика. Для более щадящей работы — гидростатика.
Это касается и «пограничного» случая с D65: если у компании задачи связаны в основном с городским и дорожным строительством, есть смысл выбрать более легкие модели D39 или D37 с гидростатической трансмиссией. Тем, кто работает на месторождениях, на Севере, прокладывает нефте- и газопроводы, для работы в карьерах может быть удобнее более неприхотливый и мощный D65. Также D65 с его гидромеханикой предпочтительнее для проектов, где много работы для рыхлителя.
Тем, кто совмещает разные типы работ, также есть смысл использовать технику на гидромеханике: она может оказаться менее экономичной на легких задачах, но вытянет там, где не справится бульдозер на гидростате.
Гидростатическая трансмиссия машин
Гидростатическая трансмиссия — это гидравлический привод с закрытым (замкнутым) контуром, в состав которого водят один или несколько гидравлический насосов и моторов. В российской и советской литературе для таких гидроприводов применяется другое название — гидрообъемная передача. Наиболее частое применение гидростатической трансмиссии — привод хода машин на колёсном или гусеничном ходу — где гидропривод предназначен для передачи механической энергии от приводного двигателя к мосту, колесу или ведущей звезде гусеничной машины, посредством регулирования подачи насоса и выходной тяговой мощности за счёт регулирования гидромотора.
Гидростатическая трансмиссия имеет массу преимуществ перед механическим приводом. Одно из достоинств — упрощение механической разводки по машине. Это позволяет получить выигрыш в надежности, ведь зачастую при большой нагрузке на машину карданы не выдерживают и приходится ремонтировать машину. В северных условиях это происходит ещё чаще при низких температурах. За счёт упрощения механической разводки удается так же освободить место для вспомогательного оборудования. Применение гидростатической трансмиссии может позволить полностью убрать валы и мосты, заменив их насосной установкой и гидромоторами с редукторами, встраиваемыми прямо в колеса. Либо, в более простом варианте, гидромоторы могут быть встроены в мост.
Первая из упомянутых схем, где гидромоторы встраиваются в колеса, может быть применима для колёсных машин, но более интересен вариант такого гидропривода для гусеничной техники. Для таких машин Danfoss разработал так же и систему управления на базе гидронасосов и гидромоторов серии 90, серии H1 и серии 51 — «Dual Path». Управление с помощью контроллера позволяет обеспечить комплексный контроль над машиной начиная от управления дизельным двигателем. В процессе работы система обеспечивает синхронизацию бортов для прямолинейного хода машины и бортовой поворот машины с помощью руля или электрического джойстика.
Вторая упомянутая выше схема применяется для тракторов или другой колёсной техники. Это гидропривод, в котором есть один гидронасос и один гидромотор, встраиваемый в ведущий мост. Для управления гидроприводом может использоваться как механическое или гидравлическое управление, так и самые передовые технологии электроуправления с использованием встроенного в гидронасос контроллера. Программа для управления таким гидроприводом так же может быть загружена в отдельно установленный контроллер MC024. Так же как для «Dual Path» система «Automotive» позволяет обеспечить управление не только гидростатической трансмиссией, но и двигателем по шине CAN . Электроуправление позволяет обеспечить ещё более плавное и точное регулирование скорости передвижения и тяговой мощности машины.
Недостатком же гидростатической трансмиссии можно считать не высокий КПД, который значительно ниже, чем у механической передачи. Однако по сравнению с механическими трансмиссиями, включающими коробки передач, гидростатическая трансмиссия оказывается экономичнее и быстрее. Происходит это по причине того, что в момент ручного переключения передач приходится отпускать и нажимать педаль газа. Именно в этот момент двигатель тратит много мощности, а скорость машины меняется рывками. Всё это негативно сказывается как на скорости, так и на расходе топлива. В гидростатической трансмиссии этот процесс происходит плавно и двигатель работает в более экономичном режиме, что повышает долговечность всей системы.
Для гидростатической трансмиссии Danfoss разрабатывает несколько серий гидронасосов и гидромоторов. Достаточно распространены в российской и зарубежной технике регулируемые аксиально-поршневые гидронасосы серии 90. Их производство началось ещё в годах прошлого столетия и сейчас это полностью отлаженная линейка оборудования. К преимуществам относятся компактность агрегатов, возможность исполнения тандемных насосных агрегатов и все варианты регулирования от механического до электрогидравлического на базе контроллерного управления системы PLUS+1.
В связке с гидронасосами серии 90 часто применяются регулируемые аксиально-поршневые гидромоторы с наклонным блоком серии 51. Способы регулирования рабочего объема у них так же могут быть разные. Пропорциональное электроуправление позволяет плавно регулировать мощность во всем диапазоне. Дискретное электроуправление позволяет работать в режимах малой и высокой мощности, что применяется либо для различного рода грунта, либо для езды по ровной или холмистой местности.
Однако насосы и гидромоторы серий 90 и 51 на данный момент считаются устаревшими. На смену им пришли гидронасосы и гидромоторы серии H1. Принципиальная схема их работы во многом аналогична гидравлическим насосам серии 90 и моторам серии 51 соответственно. Но по сравнению с ними конструкция была проработана с применением новейших технологий, было уменьшено количество деталей, что обеспечивает большую надежность, уменьшены габариты.
Так же существуют аксиально-поршневые гидронасосы и гидромоторы серий 40, 42 и MP1 которые применимы в гидростатической трансмисcии малой мощности, где рабочий объем гидронасоса не превышает 51 см 3 . Такие гидроприводы могут быть у малых коммунальных уборочных машин, мини-погрузчиков, косилок и другой малогабаритной техники. Зачастую в таком гидроприводе могут применяться героторные гидромоторы. Так в погрузчиках Bobcat применяются героторные гидромоторы TMT . Для другой техники применимы героторные гидромоторы серий OMT , OMV , а для совсем легкой технике серии OMR и OMS .
Объёмные гидропередачи или гидростатические трансмиссии
Трансмиссия это совокупность передаточных устройств от вала приводного двигателя до рабочих органов машины. Если одним из передающих звеньев является рабочая жидкость, то мы имеем дело с гидромеханической передачей.
Трансмиссии, в состав которых входят гидродинамический преобразователь момента (гидротрансформатор) и механический редуктор, принято называть гидромеханическими. В них энергия от насоса к турбине (в гидротрансформаторе) передаётся гидродинамическим взаимодействием потока жидкости и рабочих колёс машины, т.е. используется кинетическая энергия жидкости (скоростной напор).
Ранее широко применялся термин гидродинамический привод (или передача).
Если в состав трансмиссии входят объёмные гидромашины и используется энергия давления рабочей жидкости (гидростатический напор), то это гидрообъёмная трансмиссия (ГОТ) или гидростатическая(ГСТ).
Гидронасос с изменяемым рабочим объёмом, приводимый двигателем внутреннего сгорания (ДВС) создаёт гидростатический напор в системе, включающей не менее одного гидромотора. Проще говоря, гидронасос посредством рабочей жидкости управляет гидромотором, соединённым с полезной нагрузкой. Если рабочие объёмы насоса и гидромотора неизменны, то трансмиссия действует как редуктор для передачи мощности от ДВС к нагрузке. Но в этом случае использование объёмных гидроаппаратов бессмысленно, т.к. главные преимущества таких трансмиссий это:
* бесступенчатое регулирование скорости и крутящего момента;
* легкость реверсирования передачи;
* передача высокой мощности в компактном размере;
* обеспечивает более быстрый отклик, чем механические или электромеханические передач подобного типа;
* обладает низкой инерцией;
* точно поддерживает заданную скорость независимо от нагрузки;
* независимое расположение агрегатов трансмиссии, позволяющее наиболее целесообразно скомпоновать их на машине;
* может обеспечить активное торможение;
* высокие защитные свойства трансмиссии, т. е. надежное предохранение от перегрузок основного двигателя и системы привода рабочих органов благодаря установке предохранительных и переливах клапанов.
Это далеко не все преимущества, которыми обладают объёмные гидропередачи (ОГП) или гидрообъёмные трансмиссии (ГОТ). Как видите, термины гидрообъёмная трансмиссия и объёмная гидропередача выражают одно и то же понятие.
Механическое переключение передач приводит к разрыву потока мощности и опасности срыва грунта колесами в момент включения передачи при движении по поверхностям с низкой несущей способностью. Поэтому на тех транспортных средствах, где механические передачи уже не способны эффективно и рационально решать задачи подвода и трансформации по заданным законам мощности от двигателя к рабочим органам или движителям транспортных средств нашли применение ГОТ. Это транспортно-технологические, лесотехнические и практически все строительно-дорожные машины. Кроме того, гидрообъёмные трансмиссии применяются на сельскохозяйственных машинах: зерноуборочных и кормоуборочных комбайнах, сельскохозяйственных и промышленных колесных и гусеничных тракторах. При работе на полях за счет плавного, без разрывов потока мощности, приложения крутящего момента к колесам достигается лучшее сохранение почвы.
Гидрообъёмные трансмиссии могут быть полнопоточными, когда вся мощность двигателя передается гидравлическим путем, и двухпоточными, где меньшая часть потока мощности (20…50%) передается гидравлическим путем, а остальная часть – механическим путем.
Одним из главных преимуществ полнопоточной ГОТ является возможность подведения раздельно регулируемого потока мощности индивидуально к каждому колесу или элементу движителя, независимо от его расстояния от насоса и положения в пространстве.
Первые попытки применения (ОГП) в трансмиссии автомобилей относятся к концу XIX века. В США Ч.Мэнли установил такую трансмиссию на грузовой автомобиль грузоподъёмностью 5т с бензиновым двигателем 17,6 кВт. С 1914 по 1918 гг. Объёмная гидропередача “Дженни-Вильямс” устанавливалась на английских танках и позже на грузовиках и маневровые тепловозах.
Однако низкий КПД, высокая стоимость, связанная со сложностью конструкции и необходимостью высокой точности изготовления, большие габариты и вес, отсутствие надёжных уплотнений не способствовали широкому применению ОГП.
Во второй половине 20-ого века бурное развитие науки и промышленности приводит к созданию конструкционных материалов, способных выдерживать большое давление. Появляется гидроаппаратура с рабочим давлением 45МПа (450атм). А, как известно, произведение давления на расход — это мощность ОГП. Поэтому выступает на передний план такой параметр преимуществ ОГП как энергоёмкость — строительный объём, приходящийся на единицу передаваемой мощности.
И вот уже благодаря простоте осуществления бесступенчатого регулирования выходной скорости и весовым характеристикам (отношение веса машины к её мощности) ОГП приобретают популярность и широко внедряются.
ГОТ получили применение в таких областях, где механическая трансмиссия и даже ГМП (гидромеханическая передача) не дают требуемого результата: самоходные многоколёсные тяжеловозы (грузоподъёмностью – 150…200 т.); тяжёлые самосвалы (свыше 50 т.); сочленённые колёсные и гусеничные машины; самоходные универсальные погрузчики; строительно-дорожные машины; механизмы поворота гусеничных машин; многоколёсные малотоннажные плавающие автомобили высокой проходимости (АВП); аэродромные тягачи; АВП с активными полуприцепами.
Специалисты ОАО «НАМИ-Сервис» совместно с объединениями «АМО-ЗИЛ» и НПО им. Лавочкина разработали и изготовили опытный образец 3-хосного автомобиля с полнопоточной гидрообъемной трансмиссией с использованием шасси ЗИЛ-49061 полной массой 12 тонн, оборудованной автоматической системой управления.
1 — колесный редуктор, 2 – бортовой редуктор, 3 – согласующий редуктор гидромотора, 4 – гидромотор, 5 – насос, 6 – редуктор насосной станции, 7 – ДВС, 8 – микропроцессор управления двигателя, 9 – микропроцессоры управления гидронасосами и гидромоторами
Гидрообъемная трансмиссия автомобиля 6х6 (см. рис.) — полнопоточная, регулируемая, с индивидуальным приводом каждого из колес движителя. Состоит из 3-х аксиально-плунжерных регулируемых, реверсивных и обратимых насосов A4VG125EP2 (поз. 5) с максимальным рабочим объемом ±125 см3 и 6-ти аксиально-поршневых регулируемых и обратимых гидромоторов A6VM160EP2 (поз. 4), имеющих максимальный рабочий объем 160 см3, минимальный — 36.16 см3 (силовой диапазон регулирования — 4.425), фирмы «BOSCH Rexroth» (Германия).
Каждый насос связан с 2-мя параллельно включенными гидромоторами, приводящими в движение колеса одной условной оси.
ГОТ выполнена по закрытой схеме. При движении по дорогам с твердым покрытием все 6 гидромоторов соединяются параллельно, а насосы вместе объединяются в общие магистрали с помощью клапанов кольцевания.
При проектировании «Гидрохода» были заложены: возможность движения накатом, нейтрали, торможения двигателем, стопорения на подъёме, «ползучей» скорости, буксировки, «раскачки», длительного упора в препятствие, преодоления рвов с вывешиванием колёс, движения по твёрдой дороге в дифференциальном режиме.
Использование ГОТ на городских автомобилях является перспективным с точки зрения экономии энергетических ресурсов. В результате применения гидроаккумулятора ГОТ позволяет осуществить рекуперацию энергии при торможении автомобиля и благодаря этому уменьшить расход топлива вплоть до 30 %. Одновременное снижение расхода топлива в результате использования двигателя на оптимальных режимах и рекуперации энергии, может составить до 40 %. Управление работой двигателя и ГОТ при этом осуществляется с помощью микропроцессора.
