+Привод

Дополнительный привод самоходных землеройно-транспортных машин – коробка передач с переключением под нагрузкой

Когда в этой статье автор говорит о самоходных землеройно-транспортных машинах, имеются в виду бульдозеры, скреперы, самосвалы, автогрейдеры, крупногабаритные фронтальные погрузчики и даже катки на пневматическом ходу. Это машины, у которых максимальная скорость может доходить до 60 км/час.

Структура привода у всех этих машин начинается с двигателей внутреннего сгорания. Дизельные двигатели обладают свойством, которое чрезвычайно важно для работы землеройных машин. В случае дизельных двигателей крутящий момент увеличивается, когда обороты двигателя падают в широком диапазоне значений, например, когда возникает препятствие, и поэтому машины с дизельным двигателем способны преодолеть это препятствие без остановки двигателя, а после преодоления препятствия двигатель может восстановить свои первоначальные обороты.

На левой диаграмме на рис. 1 представлены кривые мощности и крутящего момента бензинового двигателя, на правой диаграмме – соответствующие кривые дизельного двигателя. Видно, что мощность обоих двигателей примерно одинакова. Кривая мощности дизельного двигателя отличается от кривой бензинового двигателя тем, что она более изогнута и достигает более высоких значений при более низких оборотах двигателя.

Рис. 1. Сравнение характеристик бензиновых и дизельных двигателей

Разница между двумя двигателями, однако, становится намного более отчетливой при сравнении кривых крутящего момента. Крутящий момент бензинового двигателя почти вдвое меньше, чем у дизельного двигателя. Также можно видеть, что крутящий момент увеличивается с уменьшением оборотов двигателя. Конечно, нужно отметить, что рабочий объем дизельного двигателя почти в два раза больше. Из-за более низких оборотов, с которыми дизельный двигатель работает в землеройных машинах, эти двигатели тяжелее и имеют бóльшие размеры, чем бензиновый двигатель с такой же мощностью.

Число оборотов дизельных (как и вообще ДВС) ограничено, у дизелей землеройных машин диапазон оборотов заканчивается примерно на 2000 об/мин. Для того чтобы реализовать более широкий диапазон скоростей движения и более высокие скорости движения, диапазон рабочих оборотов двигателя недостаточен. К тому же кроме такого ограничения возможностей варьирования скорости движения машины есть еще ограничение по крутящему моменту. Поэтому в конструкции силовой передачи за двигателем устанавливается коробка передач. Как показал многолетний опыт эксплуатации землеройно-транспортных машин, самый эффективный до настоящего времени – гидродинамический привод (передача).

Рис. 3. Схема гидродинамического привода

Гидродинамический привод

В гидродинамическом приводе дизельный двигатель дополняется гидродинамическим трансформатором. Этот гидротрансформатор заменяет муфту сцепления. Гидротрансформатор находится между двигателем и коробкой передач с переключением под нагрузкой. Такая трансмиссия обеспечивает переключение передач под нагрузкой, поскольку в переключении передач всегда участвуют две многодисковые муфты сцепления и благодаря этому поток мощности прерывается только на миллисекунды. Многодисковые муфты сцепления работают за счет подачи давления на диски от гидросистемы.

Тут хотелось бы отметить, что, хотя поток мощности прерывается на миллисекунды, связь между двигателем и коробкой все-таки теряется. Могу из личного опыта сказать, какие последствия могут при этом возникать. Коллектив молодых инженеров разработал коробку передач с переключением под нагрузкой для привода подъемного механизма судостроительного крана, чтобы увеличить скорость подъема небольших грузов. Вопреки моим сомнениям опыт был реализован. При подъеме груза была переключена скорость. В результате груз упал вниз и даже коробку передач вырвало из креплений.

Рис. 5. Гидротрансформатор и коробка передач с переключением под нагрузкой

При работе землеройно-транспортной машины сила инерции хода позволяет переключаться на более высокую скорость. По этой причине можно переключаться на более высокую передачу при работе вышеназванных машин и продолжать работу на более высокой скорости, если мощности двигателя достаточно для преодоления сил сопротивления.

КПД (коэффициент полезного действия) у гидродинамического привода ниже, чем у механического. Причиной этого является гидротрансформатор. Гидротрансформатор состоит из насоса и колеса турбины, а между ними расположен статор (реактор). Колесо насоса жестко соединено с маховиком дизельного двигателя и, следовательно, вращается с той же скоростью, что и двигатель. Вращение насосного колеса создает циркуляцию масла внутри корпуса трансформатора, масло попадает на статор и приводит в движение турбину.

Рис. 6. Муфта блокировки гидротрансформатора

Крутящий момент двигателя передается внутри гидротрансформатора без кинематической связи, что предотвращает внезапное резкое увеличение нагрузки на трансмиссию. Недостатком трансформатора является проскальзывание. Оно приводит к повышению температуры масла и всего агрегата и, следовательно, к уменьшению эффективности (КПД).

Рис. 7. Гидравлическая муфта в коробке передач с переключением под нагрузкой

В современных конструкциях гидротрансформаторов коэффициент увеличения крутящего момента может составлять 1:3, что означает, что выходной крутящий момент может быть в три раза выше входного крутящего момента. Это положительный эффект преобразователя, который позволяет машинам преодолевать препятствия без риска остановки двигателя вследствие перегрузки.

КПД используемых в настоящее время гидротрансформаторов составляет примерно 0,94 (94%). Для повышения эффективности была изобретена блокирующая муфта трансформатора, которая жестко соединяет колеса насоса и турбины. Начиная с определенного числа оборотов двигателя (обычно при оборотах двигателя в диапазоне от 80 до 90% от максимальных оборотов) и когда обороты насоса и колеса турбины совпадают, они жестко соединяются с помощью фрикционной муфты, то есть создается механическое соединение без гидравлических потерь.

Рис. 8. Диаграмма тягового усилия – входной скорости трансмиссии с переключением под нагрузкой и блокирующей муфтой

Благодаря действию фрикционной муфты КПД трансформатора становится 100%. В случае возникновения препятствия при работе бульдозера, когда частота вращения двигателя падает, муфта отключается и трансформатор переходит в гидродинамический режим работы. Далее в потоке передачи мощности за гидротрансформатором следует коробка передач с переключением под нагрузкой.

Коробка передач с переключением под нагрузкой представляет собой специальную конструкцию, в которой переключение передач может осуществляться под нагрузкой без прерывания потока мощности. Благодаря этому сила тяги не прерывается.

На рис. 10 показана схема расположения деталей. Эскиз из патента DD 266 832 от 1983 года, когда в ГДР было начато производство собственной коробки передач в качестве импортозамещения.

Рис. 10. Эскиз расположения компонентов коробки передач с переключением под нагрузкой (6 передач переднего хода, 3 передачи заднего хода)

На эскизе видны шесть гидравлических муфт (поз. 8, 9, 14, 15, 20, 22). Муфты исполнены сдвоенными и имеют зубчатое колесо. Как уже было сказано выше, в процессе переключения передач участвуют две муфты, одна муфта определяет направление вращения, а другая – передаточное отношение.

Литература

Zinke, H.-P.: Bergbaumaschinen im Einsatz – Erdbewegungsmaschinen im diskontinuierlichen Tagebaubetrieb; Berlin, epubli, 2. Auflage, 2018; ISBN 978-3746714639.

Цинке Х.-П.: Производительность горных машин; КазНИТУ им. Сатпаева, Алматы, 2009.

Кудайбергенов Р.К.: Горные, транспортные, стационарные машины открытых работ, изд. Бастау, Алматы, 2016.

Патентное описание DD 266 832; Ханс-Петер Цинке, 1983.