Применение LS - технологии в современной строительно-дорожной технике

 Исследования, проведенные в ряде отраслей промышленности, показывают, что заводы и фирмы выпускают гидромашины, гидроприводы и гидроаппаратуру с высокими удельными показателями, в том числе и высокими значениями к.п.д., а при использовании этого же гидрооборудования в системах гидропривода общий к.п.д. заметно понижается. При этом, наблюдается не только перерасход энергии, но и снижение показателей надежности и долговечности гидросистем и машин ввиду циркуляции в них “потерянной” мощности, которая интенсивно изнашивает силовые элементы гидромашин. Проведем анализ на примере гидропривода строительных и дорожных машин.
             Схемы источников питания в решающей степени определяют функциональные и энергетические характеристики гидросистем и гидроприводов. Так, широко распространенные однопоточные гидросистемы постоянного расхода, построенные на базе одного насоса (рис. 1.1), характеризуются наибольшей простотой, низкой стоимостью, но для обеспечения совместной работы нескольких исполнительных гидродвигателей во взаимно независимых скоростных режимах (совмещение рабочих операций в машине) применяются дросселирующие гидрораспределители.

                                    Рис. 1.1 Однопоточная гидросистема постоянного расхода  

Характерным примером несовершенства использования в гидроприводе  дроссельного разделения потока является схема, показанная на рис. 1.1. Предположим, что схема применена в гидроприводе подъемно-транспортной машины. Здесь ГД1 выполняет возвратно-поступательное движение (например, подъем стрелы крана на рис. 1.2), а ГД2 вращательное движение (например, используется в механизме грузовой лебедки). Система питается от насоса с ве-личиной подачи Q и значением рабочего давления Р. При изменении позиции дросселирующего золотника 2 в любое из рабочих положений, расход подается на гидромотор ГД2, имеющий определенную величину нагрузки на исполнительном органе. При этом, возникает перепад давления на дроссе-лирующем элементе золотника, от которого зависит величина расхода на гидромоторе Q2 и величина давления P2. При неизменном положении золотника и при отсутствии противодавления со стороны гидродвигателя,  бу-дет наблюдаться постоянная величина расхода Q2 и давления Р2.

             Если нагрузка на штоке гидроцилиндра ГД1 много больше, чем нагрузка ГД2, то при одновременном изменении положения обоих золотников 1 и 2, давление, поддерживаемое в гидроприводе системе, поскольку она однопоточная, будет равно давлению для преодоления нагрузки наиболее нагруженного гидродвигателя (в данном случае, ГД1). При этом, расход, подаваемый к гидромотору ГД2, будет отличен от необходимой величины Q2, поскольку он полностью зависит от величины перепада давления на золотнике 2. Таким образом, требуемая скорость гидромотора ГД2 не сохраняется постоянной при одновременном использовании ГД1 и ГД2.
             Следовательно, совмещение рабочих операций в подобной гидросистеме невозможно, т.к. не выполяется сохранение требуемых рабочих параметров в процессе работы.
             Передовые зарубежные фирмы непрерывно совершенствуют схемные решения  гидросистем СДМ и гидроприводов, направленные на реализацию совмещения рабочих операций для однопоточных систем, при улучшении энергетических показателей в целом. Так постепенно внедряются и на отечественный рынок такие системы, как Load Sensing (чувствительные к нагрузке).

Обоснование необходимости модернизациигидросистем СДМ

           В настоящее время требования, предъявляемые к строительно-дорожной технике, становятся все более жесткими. Современные СДМ характеризуются высокой энерговооруженностью, универсальностью, большой разветвленностью гидрокоммуникаций, большим количеством гидродвигателей, необходимостью широкого совмещения рабочих операций при обеспечении регулируемых стабильных скоростей рабочих органов СДМ вне зависимости от нагрузки с одной стороны и возможностью подведения всей мощности первичного приводного двигателя к отдельным исполнительным гидродвигателям с другой стороны. Широкое совмещение операций СДМ является основным требованием, определяющим эффективность СДМ.
            К тому же, многочисленная мобильная техника и гидроприводы до сих пор использует устаревший гидропривод, который требует огромных затрат на эксплуатацию и обслуживание. Такой гидропривод уже давно не выполняет современных требований по качеству, производительности, надежности и безопасности работы.
             Благодаря использованию гидрораспределителей, гидроприводов и насосов работающих на принципе “ чувстви-тельный к нагрузке” (Load Sensing), стало возможным выполнение любых требований заказчика, предъяв-ляемых к мобильной строительно-дорожной технике. Особенностью таких систем в гидрораспределителе является то, что позиция основного золотника распределителя всегда пропорциональна величине расхода при любых рабочих условиях, независимо от давления, действующего со стороны гидродвигателя или величины подаваемого расхода. Т.е. скорость нескольких гидродвигателей, действующих одновременно, сохраняется постоянной независимо от изменения давления в гидросистеме. Эта особенность LS систем является основополагающим фактором в процессе работы, поскольку время, затрачиваемое на работу СДМ, существенно сокращается, что несомненно имеет особое место в работе СДМ.
             Кроме того, LS системы также обладают следующими преимуществами:
- энергоэкономичностью;
- повышают сроки между техобслуживанием;
- снижают потери энергии;
- обладают пониженной шумностью;
             В целом использование системы с управлением LS (Load sensing) взамен обычной повышает динамику всех подвижных частей гидропривода, существенно увеличивает общий КПД системы, что ведет к снижению экономических затрат, ускоряет рабочий процесс, а также упрощает его. К тому же стоит отметить, что особое внимание в таких системах уделено безопасности рабочего процнсса, которая стоит на более высоком уровне по сравнению с традиционными системами управления.

Иллюстрация совместной работы гидрораспределителя и насоса с управлением LS

            В основе работы системы LS лежит поддержание постоянного перепада давления на дросселирующих элементах гидросистемы. В основном, такими элементами являются специально расточенные кромки золотника пропорционального гидрораспределителя. Излишки расхода при дроссели-ровании сливаются через предохранительный клапан в бак, что приводит к потери энергии в системе.
Известно, что величина расхода подводимого к гидродвигателю зависит только от перепада давления (2.1.1):    

                                     Q = C_e•A•(2•(ΔP/ρ))^½

где Q - величина расхода, м³/с;
      С_е - коэффициент расхода;
      А - площадь сечения, м² ;
      ∆Р - перепад давления, Па;
      ρ - плотность рабочей жидкости, кг/м³.
             Поэтому целью поддержания постоянной величины расхода является сохранение постоянного перепада давления. Рассмотрим работу системы LS на упрощенной схеме (рис. 2.1.1)

            Система состоит из насоса регулируемой подачи (Н) с регулятором постоянного перепада давления (КН), гидроцилиндров А и В, дросселирующих золотников ДРЗ₁ и ДРЗ₂, клапанов постоянного перепада давления КД1 и КД2, а также управ ляемого обратного клапана ПР, предохранительного клапана ПК и манометров.
             При включении насоса Н, давление подется на золотники ДРЗ₁ и ДРЗ₂ гидропривода. Но, поскольку, сечения дроссельных элементов остаются закрытыми, то связанное с этим повышение давления в системе воздействует на регулятор насоса КН и устанавливает минимальное значение подачи насоса, достаточное для смазки системы и восполнения внутренних утечек.
             При увеличении сечения дросселя ДРЗ₁, давление P_A1 до него мгновенно падает. Клапан КД1 фиксирует это падение давления.
             Если давление Р_А1 меньше, чем Р_А + Р_прА, то компенсатор КД1 открывается и пропускает расход, достаточный для восстановления условия Р_А1 = Р_А + Р_прА.
             В свою очередь, открытие клапана КД1 становится причиной падения давления Р₁. Поэтому регулятор насоса КН под действием усилия пружины Р_пр (с настройкой 20 бар) увеличивает подачу насоса, восстанавливая разницу Р₁ = Р_А + Р_пр.
             Из этих условий равенства можно заключить, что ∆Р_А = Р_А1 - Р_А = Р_прА, и ∆Р = Р₁ - Р_А = Р_пр. Отсюда следует, что ∆Р_кд1 = Р₁ - Р_А1 = Р_пр - Р_прА, т.е. перепад давления через клапан КД1 (назовем его ∆Ркд1) сохраняется постоянным и равным разности настроек пружин клапана давления КД1 и регулятора насоса КН (Р_пр - Р_прА = 20 -7 =13 бар).
             В целом же, перепад давления через клапан давления КД1 и дросселирующий золотник ДРЗ₁ также сохраняется постоянным и равен ∆Р = Р₁ - Р_А = Р_пр = 20 бар, т.е. настройке пружины регулятора насоса Р_пр.
             Все значения давления могут быть зафиксированы с помощью манометров, установленных в линии.
             При открытии проходного сечения золотника ДРЗ₂ гидропривода расход подается на гидроцилиндр В, нагрузка которого много меньше, чем А (50 бар), поэтому сигнал LS в виде давления, подводимый к регулятору насоса, блокируется обратным клапаном ПР, поскольку давление на обратном клапане выше со стороны гидроцилинра А. Т.о. постоянный перепад давления через ДРЗ₂ сохраняется при помощи только клапана давления КД2. Аналогично сказанному выше, перепад давления ∆Р_В = Р_прВ = 7 бар.
             Соответственно скорость гидроцилиндра В также сохраняется постоянной независимо от любого изменения давления в линии. В случае многократного превышения давления на гидроцилиндре В, сработает обратный клапан ПР, и регулятор насоса КН будет регулировать расход жидкости, подаваемый к гидроцилиндру В.

Преимущества системы с управлением LS над обычной  гидросистемой

             Для сравнения рассмотрим работу элементарной гидросхемы и схемы, показаной выше на рис. 2.1.1
             На рис. 2.2.1 показана обычная гидросхема состоящая из насоса постоянной подачи (Н), гидродвигателя, дросселирующего золотника ДРЗ, предохранительного клапана ПК. Также на рис.2.2.1 показан график затрачиваемой мощности такой гидросистемы:

            Работа такой схемы довольно проста. Что касается графика, то нужно отметить, что максимальная затрачиваемая мощность такой системы, это полная площадь на графике,

                                            N_макс = P₀ x Q_н                                                                       

 где  Р₀ - настройка давления предохранительного клапана;
        Q_н - максимальная подача насоса;
             Мощность, затрачиваемая на перемещение гидродвигателя, т.е.полезная мощность:
              
                                              N_пол = P₂ x Q₂                                                

 где   Р₂ - давление у гидродвигателя;
          Q₂ - расход подаваемый к гидродвигателю;

          При повышении давления Р₁ и равенстве его давлению настройки клапана Р₀, клапан открывается и сливает излишки расхода в бак. Это выражается в значении “потерянной мощности”:

                                             N_пк = Р₁ х Q₂ = Р₁ - (Q_н - Q₂)                                        
            

           Также часть энергии теряется вследствие перепада давления на дроссельном элементе (рассеивается в тепло из-за повышенного сопротивления)

                                                N_др = Q₂ x (P₁ - P₂);                                               

           Таким образом, полная “потерянная” мощность такой системы выразится, как:
  

                N_пот = N_др + N_пк = Q₂ x (P₁ - P₂) + P₁ x (Q_н - Q₂) = P₁ x Q_н - Q₂ x P₂;                    

           Как видно из формулы, “потерянная” мощность возрастает при уменьшении давления P₂  и расхода Q₂ на гидродвигателе, т.е. при уменьшении скорости гидродвигателя. Это говорит о высоких энергозатратах и соответственно уменьшении энергоэкономичности системы, что может привести  к преждевременному износу основных элементов системы при эксплуатации гидропривода.
           Далее рассмотрим работу системы с управлением LS гидропривод. Гидросхема показана выше на рис 2.1.1 На рис.2.2.2 изображен график затрачиваемой мощности такой системы. 

            Полная затрачиваемая мощность такой системы, как и предыдущем случае равна:
                                                
                                                  N_макс = Qн _макс х Р₀;                                   

     причем предохранительный клапан ПК установлен в линии управления LS, поскольку при повышении давления P_1A или P_1B насос устанавливает необходимое значение подачи, предотвращая перегрузку систсмы.
             В данной схеме полезная мощность на гидродвигателях А и В (показана зеленым и оранжевым цветом) будет выглядеть следующим образом:
                
                                             N_пА = Q_A x P_A   и   N_пВ = Q_B x P_B,                    

где Q_A, P_A - расход и давление у гидродвигателя A;
        Q_B, P_B - расход и давление у гидродвигателя В;
             “Потерянная” энергия состоит из потерь мощности при управлении гидродвигателем А, вследствие перепада давления на дросселирующем элементеДРЗ₁ и клапане давления КД1, также потери энергии вследствии перепада давления через клапан КД2 (”потерянная” мощность N_дрВ).

                                             N_др = Q_н х ∆Р = Q_н х P_пр,                                      

где Q_н - максимальная подача насоса,
      Р_пр - настройка давления пружины регулятора насоса КН,

                                               N_дрВ = Q_B x (P_A - P_B),                                            

где P_A - P_B - разность давления нагрузки на гидродвигателях А и В,
       Q_B - расход у гидродвигателя B.
             Можно заключить, что при малой разнице давлений нагрузки на рабочих органах гидродвигателей достигаются минимальные потери мощ-ности, связанные с рассеиванием энергии жидкости в тепло. 

        Необходимо отметить, что, по - сравнению с обычной системой, система с управлением LS гораздо менее требовательна к затратам энергии, а “потерянная” мощность такой системы существенно меньше и зависит только от величины перепада давления и подачи насоса. Следовательно, сроки эксплуатации и энергоэкономичность гидросистемы, содержащей управление LS, многократно увеличиваются.