Zastosowanie zamkniętego hydrostatycznego napędu obu gąsienic w transporterze gąsienicowym

W Chinach coraz powszechniej stosuje się transportery gąsienicowe z zamkniętym hydrostatycznym napędem obu gąsienic, zwłaszcza w spycharkach gąsienicowych, ciągnikach gąsienicowych i transporterach gąsienicowych. Rozwiązanie to zapewnia szereg korzyści: ogranicza przenoszenie na silnik uderzeń od podłoża; pozwala osiągać wyższe prędkości jazdy; umożliwia bezstopniową regulację prędkości, dostosowaną do różnych warunków pracy; zapewnia płynny rozruch, także w wymagających zastosowaniach; eliminuje złożoną przekładnię mechaniczną, zmniejszając masę maszyny; a dzięki dużej uniwersalności podzespołów hydraulicznych ułatwia modyfikację maszyny bazowej. Korzyści z zamkniętego napędu hydrostatycznego są szczególnie widoczne w dużych maszynach gąsienicowych o wysokiej mocy. Mimo że układ hydrauliczny wymaga wysokiego ciśnienia i dużego przepływu, jego podzespoły, osprzęt i zbiornik oleju są mniejsze niż w otwartym układzie hydraulicznym o tej samej mocy, co ułatwia rozmieszczenie elementów w maszynie. Poniżej przedstawiono informacje opracowane na podstawie wieloletniego doświadczenia autora w projektowaniu napędów hydrostatycznych, z myślą o innych specjalistach z branży.

1. Budowa układu

Standardowo zamknięty hydrostatyczny napęd obu gąsienic składa się ze sterowanej hydraulicznie lub elektronicznie pompy o zmiennej wydajności i silników hydraulicznych o stałej chłonności. Aby sprostać wymaganiom dotyczącym różnych prędkości jazdy i siły uciągu, czasem stosuje się silniki o przełączanej chłonności. Rysunek 1 przedstawia podstawową budowę zamkniętego hydrostatycznego układu napędu obu gąsienic, obejmującego dźwignie sterujące, pompy, silniki, przekładnie redukcyjne i inne podzespoły.

2. Dobór dźwigni sterującej do pompy o zmiennej wydajności

Podczas projektowania kluczowy jest dobór charakterystyki sterowania pompy zależnością wydajności od ciśnienia (napięcia) oraz charakterystyki regulacji ciśnienia w obwodzie sterowania pilotowego lub obwodzie elektrycznym. W pełnohydraulicznych pojazdach z napędem obu gąsienic strefa nieczułości charakterystyki ciśnieniowej sterowania pompą powinna być nieco większa. Ogranicza to niezamierzone reakcje pompy wywołane drganiami dźwigni sterującej i poprawia jazdę na wprost. Im większe nachylenie charakterystyki, tym lepiej można ograniczyć czułość skrętu: pompa skręca przy małej wydajności, co zmniejsza prędkość skrętu i opory bezwładności, ograniczając ryzyko zgaśnięcia silnika. Zazwyczaj charakterystyka regulacji ciśnienia dźwigni sterującej ma dwa warianty. Przy projektowaniu układu początkowe ciśnienie (napięcie) po przekroczeniu strefy nieczułości powinno być niższe niż maksymalne ciśnienie (napięcie) odpowiadające wydajności pompy w tej strefie (punkt f). Umożliwia to płynny rozruch maszyny od 0 km/h. Ciśnienie zasilania sterowania pilotowego (napięcie zasilania) powinno przewyższać ciśnienie (napięcie) odpowiadające maksymalnej wydajności pompy, aby zapewnić pełny zakres bezstopniowej regulacji jej wydajności. W układach sterowanych hydraulicznie ciśnienie zasilania powinno zwykle być o około 5 × 10⁵ Pa wyższe od ciśnienia odpowiadającego maksymalnej wydajności pompy. Pomaga to zapobiec wahaniom prędkości maszyny powodowanym drganiami dźwigni podczas szybkiej jazdy. Skok dźwigni odpowiadający bezstopniowej zmianie wydajności pompy powinien być jak największy. Jak pokazano na rysunku 2, w porównaniu z charakterystyką II charakterystyka III zwiększa skok dźwigni odpowiadający bezstopniowej zmianie wydajności pompy (odcinek nj > odcinka mi), z zastrzeżeniem ograniczeń zakresu ruchu dźwigni. Nachylenie odcinka proporcjonalnego powinno być jak najmniejsze. Przy takim samym skoku sterowania Δs zmiana wydajności pompy jest większa dla charakterystyki II niż dla charakterystyki III (Δq2 < Δq3). W praktyce charakterystyka II sprawia, że sterowanie jest zbyt czułe, natomiast charakterystyka III zapewnia lepsze wyczucie. Ponadto przy zastosowaniu charakterystyki III maksymalne ciśnienie (napięcie) odcinka proporcjonalnego (punkt c) powinno być zbliżone do maksymalnego ciśnienia sterującego (napięcia) odpowiadającego charakterystyce wydajność–ciśnienie (napięcie) pompy (punkt h). Aby poprawić skrętność i zwrotność maszyny oraz ograniczyć nadmierne opory skrętu przy małym promieniu, zużycie mocy silnika i ryzyko jego zgaśnięcia, można ograniczyć wydajność pompy. Zazwyczaj ogranicza się podczas skrętu ciśnienie zasilania sterowania pilotowego (lub napięcie zasilania), tak aby było niższe od ciśnienia sterującego (napięcia) odpowiadającego maksymalnej wydajności pompy. Wartość graniczną należy dobrać do parametrów maszyny, tak aby zapobiec zgaśnięciu silnika.

3. Dobór ciśnienia w układzie

W pojazdach z zamkniętym hydrostatycznym napędem obu gąsienic największe wymagane ciśnienie występuje zwykle podczas pokonywania oporów skrętu i może zostać przyjęte jako ciśnienie nastawcze układu. Przy jego doborze należy jednak uwzględnić nie tylko opory skrętu, lecz także parametry dostępnych podzespołów i osprzętu hydraulicznego, warunki pracy maszyny bazowej oraz koszty.

4. Dobór silnika hydraulicznego

Silniki hydrauliczne dwubiegowe są potrzebne, aby spełnić wymagania dotyczące prędkości jazdy i maksymalnej siły uciągu, a także zwiększyć sprawność układu hydraulicznego. Należy również odpowiednio dobierać silniki wysokoobrotowe i wolnoobrotowe o wysokim momencie obrotowym. Silniki wysokoobrotowe mogą być mniejsze i montowane wewnątrz przekładni redukcyjnej lub z nią zintegrowane. Najlepiej umieścić je wewnątrz gąsienicy, co poprawia właściwości jezdne maszyny. Silniki wolnoobrotowe o wysokim momencie obrotowym są większe. Aby zwiększyć zdolność maszyny do pokonywania przeszkód terenowych, silnik należy umieścić powyżej osi koła napędowego, z dala od podłoża.

5. Dobór pompy hydraulicznej

W miarę możliwości należy przyjąć wysoką prędkość obliczeniową pompy, najlepiej zbliżoną do jej prędkości znamionowej. Dzięki temu układ obejmujący pompę i silnik hydrauliczny będzie sprawny nawet przy zasilaniu z silnika pracującego na biegu jałowym. Maksymalną wydajność pompy dobiera się zwykle na podstawie niższego biegu silnika dwubiegowego, odpowiadającego mniejszej chłonności. Pozwala to ograniczyć wymaganą moc i zwiększyć sprawność przekładni.

6. Dobór osprzętu hydraulicznego do zamkniętego układu hydraulicznego wymaga uwzględnienia następujących kwestii: 1) Przewód ssawny powinien być możliwie krótki i mieć dużą średnicę wewnętrzną, aby ograniczyć ryzyko zasysania powietrza. Na przewodzie ssawnym można zamontować wyłącznie filtr o dużej przepustowości. Jeśli pozwala na to przestrzeń, warto zastosować zbiornik oleju hydraulicznego umieszczony wysoko, tak aby poziom oleju znajdował się powyżej króćca ssawnego pompy. Poprawia to warunki zasysania. Podczas podłączania przewodu ssawnego należy zwrócić szczególną uwagę na szczelność połączeń. Nieszczelność może powodować szarpanie maszyny, problemy z jazdą na wprost oraz uszkodzenia pompy i silnika. 2) Przewody spustowe pompy i silnika powinny mieć możliwie dużą średnicę wewnętrzną i prowadzić oddzielnie do zbiornika powrotnego. Nie należy montować filtra oleju na przewodzie spustowym. Pozwala to ograniczyć opory odpływu i zapobiega uszkodzeniu uszczelnień wałów pompy i silnika. W przeciwnym razie olej może przedostać się do układu hydraulicznego i połączonych podzespołów napędowych, powodując jego ubytek i zanieczyszczenie, a nawet poważną awarię układu.