Заменят ли электрические приводы гидравлические
А ранее компания Bobcat представила первый в мире (как утверждается) полностью электрический погрузчик с бортовым поворотом мод. S7X. Заметим также, что Bobcat не единственная компания, использующая возможности электрических приводов для создания полностью электрических машин.
Еще в 2022 году компания Komatsu опубликовала отчет об испытаниях полностью электрического мини-экскаватора PC33E-6 с приводом от электродвигателя и трансмиссии, и всех силовых механизмов рабочего оборудования. Питание осуществляется от литий-ионных батарей емкостью 35 кВт.ч. В том же году компания продемонстрировала опытный образец полностью электрического компактного фронтального колесного погрузчика, спроектированный и изготовленный совместно с компанией Moog Inc. (США), известной своими разработками электрических, электрогидравлических и гидравлических приводов для аэрокосмической и оборонной промышленности. Вместо гидроцилиндров погрузчик оснащен электрическими приводами (внешне похожими на привычные гидроцилиндры) рабочего оборудования и системы рулевого управления. Как заявил представитель компании-разработчика, электрические приводы с интеллектуальным управлением обеспечивают отличную управляемость и высокий КПД: свыше 80%, тогда как КПД дизель-гидравлических систем обычно не превышает 30–40%. К тому же потери мощности при передаче на расстояние в традиционных гидросистемах доходят до 40–60%, тогда как в электроприводах такие потери составляют менее 20%.
Оператор вряд ли заметит существенную разницу во внешнем виде полностью электрической машины и в том, как она работает по сравнению с дизель-гидравлической машиной, утверждают разработчики полностью электрических машин. Тем не менее у каждого из этих двух типов машин имеются свои преимущества и ограничения/ недостатки.
Преимущества электроприводов
Зачем переходить на электрические приводы в строительной отрасли, где гидравлические приводы являются нормой для всех видов техники? И станут ли электроприводы применяться шире на строительных машинах будущего?
КПД. Возможно, одним из главных аргументов в пользу полностью электрических машин является то, что у них выше КПД, они потребляют меньше энергии. Как уже говорилось, потери энергии при передаче на расстояние в гидравлических приводах могут быть довольно большими, а переход на полностью электрический привод может повысить общий КПД (и рентабельность работы) машины. Исследование полностью электрического мини-экскаватора Komatsu показало, что КПД машины повысился до 57% по сравнению с КПД 30% у обычных гидравлических мини-экскаваторов.
К тому же по мере износа прецизионных пар в компонентах гидропривода увеличиваются зазоры в них и возрастают утечки жидкости, то есть снижается объемный КПД и ухудшаются прочие рабочие характеристики.
Гидравлическое масло. Гидроприводы очень чувствительны к загрязнению рабочего масла и требуют достаточно высокой культуры обслуживания. Загрязнение рабочего масла абразивными частицами приводит к быстрому износу элементов прецизионных пар в гидравлических агрегатах и выходу их из строя. Электроприводу не нужны ни гидравлическое масло, ни фильтры.
Точность и гибкость управления. Еще одним аргументом в пользу электрических приводов, как отметил вице-президент компании Bobcat, является высокая адаптируемость и точность управления движениями машины при использовании интеллектуальных систем с обратной связью, которой не всегда можно достичь с помощью гидравлики. «Вы получаете информацию о текущей нагрузке на привод, а также о положении привода, и это было некоторой технической проблемой в гидравлике в течение многих лет – всегда знать положение гидропривода», – добавил он.
На полностью электрических машинах существуют широкие возможности автоматизации и программирования процессов управления и легче контролировать параметры управляемости. «У машины есть различные настройки, которые оператор может установить и которые он может мгновенно изменить, чтобы сделать управление более удобным. Еще одна новая функция электроприводов – автоматическое выравнивание ковша. «Мы всегда знаем положение цилиндра привода и поэтому можем автоматически выравнивать ковш без дополнительного оборудования», – рассказал специалист-разработчик.
Окружающие условия. Специалисты также отмечают практически постоянную готовность к работе электроприводов почти независимо от условий окружающей среды, тогда как характеристики гидроприводов существенно зависят от окружающих условий эксплуатации (температура, давление). Например, при низкой температуре гидравлическое масло в системе нужно сначала прогреть, чтобы его вязкость стала нормальной, а низкое давление может стать причиной возникновения кавитации в гидросистеме или выделения из жидкости растворенных газов.
С другой стороны, при большой влажности у электропривода могут возникнуть проблемы с пробоем электроизоляции и может потребоваться дополнительная гидроизоляция. Электрические системы могут быть подвержены воздействию электромагнитных полей, что может приводить к нежелательным сбоям и перебоям в работе.
Конструкция. По количеству компонентов преимущество за электроприводом – у гидропривода кроме электрической части присутствуют еще и гидронасос, и РВД. Кроме того, конструкции трансмиссий машин с электроприводом также упрощаются, возможно применение индивидуального привода для каждого колеса.
Экология. Негативное воздействие на окружающую среду однозначно выше у гидропривода – это риск утечек гидравлического масла во время работы машины и проблема с утилизации отработавшего масла. Кроме того, электроприводы работают тише гидравлических систем.
Техобслуживание. Электроприводы проще в установке, а техобслуживание электроприводу практически не требуется, тогда как гидропривод нуждается в регулярном и достаточно объемном обслуживании. Соответственно эксплуатационные расходы выше у гидропривода.
Каковы ограничения (недостатки) электроприводов?
Тем не менее в настоящее время существуют и некоторые ограничения возможностей электрических приводов, особенно по усилию, которое могут развивать линейные приводы.
Малое усилие и ускорение. Удельная мощность у гидравлических приводов в 3–5 раз выше, чем у электрических, причем данное преимущество возрастает с ростом передаваемой мощности. Поэтому электрические приводы применяются пока только на машинах легких классов мини и миди. О внедрении электроприводов на тяжелой технике речь пока не идет.
Быстродействие. Гидроприводы обладают высоким быстродействием. Операции пуска, реверса и останова выполняются гидроприводом значительно быстрее, чем электроприводами. Это обусловлено малым моментом инерции исполнительного органа гидродвигателя (момент инерции вращающихся частей гидромотора в 5–10 раз меньше соответствующего момента инерции электродвигателя).
Быстро увеличить скорость движений также лучше получается у гидросистем, электропривод пока более инерционный, и ускорение у него меньше, чем у гидропривода. Однако скорость движений у обеих технологий – гидравлической и электрической в итоге получается примерно одинаковой.
Больше объем. Как отмечают инженеры-разработчики, электрические приводы занимают больше места в конструкции машины, что может усложнить их компоновку. «Современные гидроцилиндры очень компактны. При использовании электрического привода вам потребуется механизм, чтобы перемещать его. В нашем погрузчике в цилиндрах используется шарико-винтовая передача с отдельным двигателем, поэтому они больше гидравлических по размерам, – рассказал представитель компании Bobcat. – Это одна из проблем сегодняшнего дня, но техника развивается, и я думаю, решения найдутся». Добавим, что обычно в электрических цилиндрах приводимый в действие электродвигателем ходовой винт своим вращательным движением поступательно перемещает гайку и тем самым создает толкающее или тянущее усилие для движения нагружающего компонента.
Стоимость. Кроме того, в нынешнем виде электроприводы дороже, чем хорошо проработанные и широко используемые гидравлические решения. Электрическим приводам требуются дорогие аккумуляторные батареи. Кроме того, срок службы батарей ограничен, и их необходимо периодически заменять.
Устойчивость к ударным нагрузкам выше у гидропривода (как и взрывозащищенность и искробезопасность) по сравнению с электроприводом.
Хотя полностью электрические машины, как правило, еще коммерчески недоступны, уже есть фирмы, купившие компактные электрические гусеничные погрузчики Bobcat T7X, и компания уже производит их промышленным способом.
