Гибридные экскаваторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Гибридные экскаваторы

Еще в 2009 г. компания Caterpillar приняла решение о разработке концептуальных образцов с гибридными приводами двух типов. Оба привода должны были рекуперировать энергию, которая в обычных экскаваторах рассеивается, - энергию торможения вращающейся надстройки. Одна гибридная конструкция создавалась на основе электрического оборудования, другая - на базе гидравлических узлов.

В обычном экскаваторе, когда оператор отпускает рычаг включения механизма поворота надстройки и вращение надстройки начинает замедляться, надстройка продолжает поворачиваться по инерции и вращать гидромотор поворота, заставляя его работать в режиме насоса. Создается поток масла, который не имеет выхода, под действием давления в контуре открывается перепускной клапан, и масло сливается в гидробак. В контуре гидросистемы создается сопротивление, под действием которого гидромотор поворота постепенно останавливается, часть кинетической энергии вращения превращается в тепло и рассеивается.

Эта теряющаяся энергия может быть аккумулирована и превращена в полезную работу с помощью системы рекуперации энергии торможения. В системе, построенной на основе электрооборудования, обычно используется электродвигатель поворота, который при торможении надстройки начинает работать в режиме генератора и заряжает аккумуляторную батарею или конденсатор. Аккумулированная таким образом энергия затем используется для ускорения вращения надстройки или для помощи двигателю внутреннего сгорания (ДВС) в приводе главных гидронасосов.

В системе, построенной на основе гидравлического оборудования, поток масла, который создается гидромотором поворота (работающим во время торможения поворачивающейся надстройки в режиме насоса), аккумулируется в гидроаккумуляторе высокого давления, содержащем азот (а не открывает перепускной клапан). Из аккумулятора поток масла может направляться на привод гидромотора поворота надстройки для увеличения скорости поворота.

«Сердцем» гидравлической рекуперирующей энергию торможения системы мод. 336Е Н является «Клапан рекуперации энергии торможения поворота» SERV, который работает как электронный контролер количества масла, проходящего между гидромотором поворота надстройки и гидроаккумулятором, и в то же время координирует величину потока масла от гидронасоса. Расход потока, протекающего через SERV, зависит от режима работы машины и составляет порядка 200-300 л/мин.

Системы рекуперации обоих типов уменьшают нагрузку на основной гидронасос, что в свою очередь снижает нагрузку на ДВС и обеспечивает существенную экономию топлива.

После серии исследований специалисты Caterpillar сделали заключение: выгоднее использовать систему на основе гидравлических узлов: гидравлическое оборудование, рекурперирующее, аккумулирующее и повторно использующее энергию, минимально увеличивает стоимость машины (около 9% по сравнению со стоимостью мод. 336Е). К тому же гидравлическая система менее сложна и более надежна по сравнению с электрической. Поскольку гидросистема позволяет рекуперировать доступную энергию с 90%-ным к.п.д., она предоставляет большие возможности для экономии топлива (у мод. 336Е Н расход в среднем меньше на 25% по сравнению с мод. 336Е), и таким образом вложения в гибридный привод окупятся быстрее. Гибридный экскаватор на 98% состоит из тех же деталей, что и серийная машина.

Одной из последних перспективных разработок компании Caterpillar является гидравлический экскаватор Cat 336E H с гибридным приводом. Модель впервые была представлена еще в октябре 2012 г, а в этом году стала доступна для покупателей.

Основной особенностью экскаватора Cat 336E H является гибридная гидравлическая система, обеспечивающая экономию топлива посредством улавливания и повторного использования энергии. Достигаемая в результате этого топливная эффективность на 50% превышает аналогичный показатель модели 336D. Среди преимуществ, которые дает эта система, - снижение расходов на топливо, снижение токсичности выхлопных газов и сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу. Как утверждает производитель, все это достигается без ущерба для производительности, надежности, прочности и удобства эксплуатации в самых разных условиях.

Caterpillar строит планы по дальнейшему расширению модельного ряда гибридных экскаваторов. На очереди еще две модели - 336F H и 336D H.

Как и 336E H, модели 336F H и 336D H оснащены гибридным электронным программируемым насосом Cat (ESP). Модель 336F H будет оснащаться двигателем Cat C9.3 ACERT™, соответствующим требованиям стандартов на выбросы загрязняющих веществ Tier 4 Final/Stage IV. На экскаваторе 336D H будет устанавливаться двигатель Cat C9 ACERT, предназначенный для эксплуатации в странах, не применяющих стандарты на выбросы загрязняющих веществ Tier 4 Final/Stage IV.

Основные составляющие технологии, применяемые в 336E H.

С целью экономии топлива конструкция модели 336E H была задумана относительно простой и создана с использованием трех основных технологий:

1. сокращение расхода топлива благодаря управлению мощностью двигателя с помощью включенного в стандартную комплектацию электронного программируемого (ESP) насоса Cat;

2. оптимизация производительности при помощи клапана запатентованной системы адаптивного управления (ACS) Cat;

3. повторное использование энергии при помощи гидравлической гибридной системы поворота, которая сохраняет энергию торможения механизма поворота платформы в аккумуляторах, а затем высвобождает эту энергию при ускорении поворота платформы.

Дополнительная информация об инновационном клапане системы адаптивного управления (ACS)

По сравнению с системами управления других производителей, доступными в настоящее время на рынке, система Caterpillar ACS обеспечивает интеллектуальное управление ограничениями расхода и потоком жидкости в системе. Являясь "мозгом" гидравлической гибридной системы, система адаптивного управления (ACS) содержит большое количество алгоритмов, обеспечивающих плавное управление рабочим оборудованием без потери мощности. Благодаря наличию системы адаптивного управления (ACS) и интеграции электронного программируемого насоса (ESP) с гибридной системой операторы не замечают изменений в управлении, гидравлической мощности и грузоподъемности машины.

Независимые измерительные клапаны системы адаптивного управления (ACS) способны управлять ограничениями для входного и выходного потоков каждого контура машины, обеспечивая максимальную производительность. Такая система адаптивного управления исключает необходимость использования дополнительных клапанов для регенерации потоков, поступающих в гидроцилиндры стрелы, рукояти и ковша, а также гидрораспределителя точного поворота платформы, так как сама поддерживает такие функции. Так как система встроена в гибридную систему поворота, она позволяет осуществлять точное и плавное управление и повысить производительность оператора. Кроме того, система адаптивного управления имеет функцию управления подогревом и обеспечивает автоматический подогрев гидравлического масла и системы клапанов в холодное время года, что также позволяет повысить производительность и увеличить срок службы компонентов машины. Это способствует снижению расходов на владение и эксплуатацию.

Экономия топлива и возврат вложений в гибридные технологии.

Заказчикам гарантируется снижение расхода топлива 336E H на величину до 25% по сравнению со стандартным экскаватором 336E и до 50% - по сравнению с моделью 336D при эксплуатации в самых разных условиях. Все три составляющие технологии - сохранение, оптимизация и повторное использование - объединены с целью максимальной экономии топлива при выполнении различных задач. Точное время возврата начальных инвестиций в модель 336E H будет зависеть от цен на топливо, областей применения машин и количества часов эксплуатации машины в год. При текущих ценах на топливо и использовании 336E H на высокопроизводительных работах по оценкам Caterpillar клиенты могут рассчитывать на возврат инвестиций в эту модель гибридного экскаватора в течение всего лишь одного года, хотя обычно это занимает до 18 месяцев.

Экономия топлива достигается главным образом за счет использования «бесплатной» энергии аккумулированной гидравлической жидкости для вращения надстройки, а также за счет снижения оборотов ДВС до 1500 об/мин, т. е. значительно ниже, чем у мод. 336Е (1800 об/мин). Программа электронной системы управления ДВС гибридного экскаватора была переработана, чтобы сместить максимальную мощность двигателя на более низкие обороты.

Двигатель, топливо и ходовая часть.

Модель 336E H оснащается двигателем Cat C9.3 ACERT, предназначенным для работы на дизельном топливе с очень низким содержанием серы или на смеси биодизельного топлива B20. ДВС гибридного экскаватора может работать при более низких оборотах, потому что в его гидросистеме использован главный гидронасос большего типоразмера, т. е. с большей подачей, что означает, что он может вращаться с более низкой частотой и при этом создавать такой же поток жидкости, как и насос в мод. 336Е. Новый гидронасос также быстрее реагирует на потребности в изменении подачи. Высокий расход жидкости гидросистемы рабочего оборудования и высокое давление срабатывания главного предохранительного клапана способствует выработке высокой гидравлической мощности. Экскаватор 336E H может работать с ковшом вместимостью до 2,55 м3, а также использовать для работы самое разное навесное оборудование: от гидроножниц и мультипроцессоров до гидравлических дробилок и рыхлителей.

Стандартная усиленная ходовая часть 336E H и противовес массой 4,9 т в совокупности создают надежную платформу для копания, подъема грузов и использования рабочего оборудования. Удлиненная стрела для тяжелых условий эксплуатации может использоваться в комбинации с рукоятью длиной 3,2 м или 3,9 м. экскаватор гибридный привод двигатель

Дополнительные функции

Рабочее место оператора экскаватора 336E H отличается комфортом и низким уровнем шума, что положительно сказывается на эффективности работы оператора. Доступны сиденья с пневматической подвеской и подогревом. Джойстики можно отрегулировать в соответствии с предпочтениями оператора, в том числе выбрать схему изменения управления на мониторе. Машина также оснащается автоматической системой климат-контроля, обеспечивающей стабильное поддержание заданной температуры в кабине. Модель 336E H спроектирована с учетом снижения трудоемкости обслуживания и обладает такими преимуществами, как доступ с уровня земли к основным точкам обслуживания, электрический топливоподкачивающий насос топливной системы, вынесенный кран для слива воды и отстоя из топливной системы и индикатор уровня топлива для предотвращения переполнения топливного бака. В числе прочих средств обеспечения безопасности модель 336E H обладает встроенной конструкцией защиты при опрокидывании (ROPS), противоскользящими поверхностями, программируемыми галогенными фарами, верхним и нижним окнами, которые можно легко хранить в кабине, большим потолочным люком и системой камер заднего вида.

Заключение

Преимущество в эффективности использования топлива у «гибрида» пропорционально интенсивности поворотов надстройки в процессе работы (так как при поворотах генерируется дополнительная электроэнергия). Благодаря меньшим затратам времени на рабочий цикл у гибридного экскаватора выше потенциальная производительность, чем у обычного экскаватора. Гидросистема «гибрида» работает быстрее благодаря «помощи», которую мотор-генератор оказывает дизелю. ДВС гибридного экскаватора меньше по мощности, но эффективность использования топлива у него гораздо выше. Стоимость гибридного экскаватора на 30% выше, чем обычного. Однако, по заявлению фирмы-производителя, эта разница в стоимости быстро окупается за счет экономии топлива.

Размещено на Allbest.ru