Как гибридный экскаватор Caterpillar сам себя прорекламировал

Опытные экскаваторщики поочередно управляли гидравлическим экскаватором Caterpillar 336E и гибридным Cat336E H: копали траншею, загружали самосвалы и поднимали тяжелые грузы – перемещали бетонные кольца колодца.

Два метода энергосбережения

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 бо’льшие 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.

Что еще кроме рекуперативного торможения?

Однако инновации в конструкции мод. 336Е Н не ограничились только внедрением системы рекуперации энергии. При создании гибридного привода конструкторы преследовали еще две цели: экономия топ­лива и оптимизация производительности.

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.

Экскаваторщики-испытатели сначала отнеслись даже с некоторым недоверием к тому, что у двигателя мод. 336Е Н (Cat C9.3 ACERT) такие низкие обороты. «Я не мог себе представить, что двигатель может выдать высокую мощность на таких низких оборотах – 1500 об/мин. Но когда я начал работать, то совершенно забыл, что у двигателя низкие обороты, потому что никакого снижения мощности и производительности по сравнению с экскаватором мод. 336Е не чувствовалось. Однако при этом гибридная машина работает тише и, как мне кажется, благодаря более низким оборотам ресурс двигателя увеличится», – заметил один из них.

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.

«Во время работы не думаешь, что обороты двигателя стали ниже, – продолжил второй экскаваторщик, – потому что мощность машины, плавность и скорость движений оборудования такие, как нужно, хотя трудно поверить, что все это достигается при 1500 об/мин».

Оптимизация производительности обеспечивается в конструкции мод. 336Е Н за счет новой конструкции главного «Гидрораспределителя адаптивного управления» ACSV. Гидрораспределитель очень точно управляет работой гидросистемы экскаватора 336Е Н, перераспределяя потоки гидравлической жидкости в те контуры, где они более всего нужны, только тогда, когда они нужны, и непрерывно контролируя величины потоков, поступающих и выходящих из каждого контура.

Основное достижение создателей конструкции мод. 336Е Н заключается в том, что машина имеет существенный потенциал по экономии топлива при выполнении любых работ, при которых интенсивно поворачивается надстройка: чем больше она поворачивается, тем больше экономия топлива и быстрее окупаемость машины.

Как сказал один из экскаваторщиков-испытателей: «Главная забота оператора – копать грунт как можно больше и быстрее. Этого требует от него руководство, это его заработок. Об экономии топлива оператор не думает. Мы знаем, что у большинства современных экскаваторов имеется три режима работы: экономичный, стандартный и мощностной, но, копая грунт, всегда используем мощность машины по максимуму. Конечно, начальство озабочено экономией топлива, но рабочим не до того. Поэтому гибридный экскаватор кажется мне очень перспективным в плане экономии топлива. Экскаваторщик получает необходимую ему мощность и производительность, а руководство компании – экономию топ­лива».

Впечатления от мод. 336Е Н

Кабина гибридной машины произвела на операторов большое впечатление: «На такой машине да в такой кабине можно горы свернуть!» – эмоционально прокомментировал один из них.

Что касается рабочих характеристик, то оба испытателя на­шли, что гибридный экскаватор имеет преимущество и в скорости выполнения цикла, и в управляемости, особенно скоростью движений, и хотя представитель конструкторского коллектива компании утверждал, что разработчики мод. 336Е Н старались, чтобы ее рабочие характеристики были аналогичны обычному экскаватору, испытатели остались при своем мнении.

«Обе машины движутся плавно, обе мощные и дают все, что нужно, но скорость движений у гибридной машины явно выше. Может быть, это объясняется большей скоростью поворота надстройки, но у меня сложилось впечатление, что все ее движения быстрее, в том числе подъем стрелы и складывание рукояти», – рассказывал оператор-испытатель.

К его мнению присоединился и второй экскаваторщик: «По-моему гибридная машина движется более энергично. Мне хватало времени на опускание стрелы и раскладывание рукояти при повороте надстройки обычного экскаватора к траншее, но у гибридного это получалось явно быстрее. Поворот надстройки у обычного экскаватора – это как подъем на гору и затем спуск. У гибридного поворот происходит намного ровнее. Он быстрее набирает скорость при повороте».

«Первые пару раз я пролетел мимо траншеи при повороте, пока не привык к высокой скорости гибридного экскаватора, но затем приспособился к ритму. Погрузка самосвала тоже получалась у «гибрида» быстрее, и мне кажется, он немного лучше выполняет профилирование, на «гибриде» профилировать грунт легче», – добавил его коллега.

Оба экскаваторщика также сошлись во мнении, что «гибрид» имеет преимущество в управляемости: «Общее впечатление таково, что у «гибрида» управление точнее».

Третьим упражнением был подъем и перемещение бетонных колец от колодца. Обе машины работали в мощностном режиме, при котором повышается давление в гидросистеме и у обычного экскаватора уменьшается подача гидронасоса, снижаются обороты ДВС, а у гибридного этого не происходит.

«Заметное падение оборотов ДВС у стандартной машины создает впечатление, что его режим подъема тяжелых грузов более эффективен, чем у гибридного экскаватора. Но я не думаю, что это так на самом деле: когда работаешь на машине, истинное положение становится понятно намного лучше».

Один из операторов считает, что гибридный экскаватор имеет преимущество в управлении при выполнении подъема/ переноса тяжелых грузов: «Движения «гибрида» кажутся чуть плавнее при перетягивании бетонных колец по земле, что я делал иногда для того, чтобы приставить кольцо к трубе».

Обоих операторов попросили сделать общий вывод. «Обе машины работают прекрасно, – сказал один, – усовершенствования машины с гибридным приводом впечатляют. Я мало знал о гибридных машинах до этого дня и совершенно не ожидал, что «гибрид» может так работать. По-моему, он выполняет все работы не хуже серийной машины и превосходит ее по общей производительности, особенно по скорости».

Второй присоединился к мнению коллеги: «Как уже было сказано, оператора не заботит экономия топлива. Его задача – «выдать кубометры грунта», ведь если работа не будет выполнена в срок, компания не получит денег от заказчика. Если бы мне пришлось выбирать машину для постоянной работы, я бы выбрал «гибрид», потому что у него выше производительность. Например, выполняя укладку труб в землю, гибридный экскаватор быстро себя окупит. По моему мнению, при всех прочих равных условиях, используя гибридный экскаватор, компания получит больше прибыли».

По расчетам специалистов Caterpillar, увеличение стоимости гибридного экскаватора по сравнению с серийной машиной может окупиться при выполнении большинства видов работ в течение 18 месяцев, а при самых выгодных обстоятельствах – даже за год, главным образом за счет экономии топлива. Оба экскаваторщика были убеждены, что «гибрид» также покажет бо’льшую производительность и при выполнении работ большого объема, что также должно ускорить окупаемость машины.

Специалисты считают, что эксплуатационные расходы на гибридный экскаватор, кроме топлива, будут такими же, как у серийной машины, за исключением, по-видимому, обслуживания гидроаккумулятора, который, по оценкам специалистов Caterpillar, будет обслуживаться с той же периодичностью, что и гидроцилиндры.

Первые экземпляры гибридного экскаватора мод. 336Е Н с весны 2013 г. уже доставляются с завода дилерам. Машины изготавливают в Японии. Еще две модели с гидравлическим гибридным приводом – 336F H и 336D H – находятся в разработке. В них используют такой же гидронасос Cat ESP, как и в мод. 336Е Н. Мод. 336F H укомплектуют двигателем С9.3 ACERT, соответствующим экологическим нормам Tier 4 Final. В мод. 336D H будет устанавливаться двигатель Cat C9 ACERT, предназначенный для стран, где экологические нормы пока ниже класса Tier  4  Final.

Альтернативное мнение: сроки окупаемости нового гибридного экскаватора Caterpillar

По словам представителей компании Caterpillar, расход топлива у гибридного экскаватора мод. 336Е Н будет меньше на 25% по сравнению с серийной мод. 336Е и до 33% по сравнению с мод. 336D. Увеличение цены гибридной модели по сравнению с серийным аналогом окупится самое меньшее за год, а более вероятно – за полтора года, в зависимости от цен на топливо и характера использования машины. Довольно привлекательная перспектива, не правда ли?

Но достаточно ли быстро окупятся вложения в приобретение гибридной машины? За счет экономии топлива нужно будет компенсировать примерно 9%-ное увеличение стоимости гибридной машины по сравнению с мод. 336Е. Увеличение цены вроде бы небольшое. Но, как известно, экскаваторы Caterpillar относятся к классу «премиум» и их рыночная цена выше, чем у машин многих других марок. Поэтому по сравнению с ценой экскаваторов других производителей 9%-ное увеличение может превратиться и в 14%, и в 19%, а это уже значительно для потребителей, которые ранее владели экскаваторами других марок. Соответственно срок окупаемости дополнительных вложений в гибридный Caterpillar для владельцев других марок экскаваторов увеличится.

Теперь рассмотрим техобслуживание. Несмотря на то, что в конструкции гибридной машины используются надежные компоненты и нет сложных схем с электродвигателями, гидроаккумулятору потребуется обслуживание с периодичностью приблизительно 5000–6000 моточасов (как у гидроцилиндров стрелы). Какова будет стоимость этого обслуживания (плюс обычные работы по двигателю и ходовой части), насколько увеличится стоимость владения по сравнению с серийным экскаватором? Это нужно еще выяснить и проанализировать. Будет ли новая система долговечной?

Как компания Caterpillar доказывает покупателю выгоду приобретения своих машин? Специалисты складывают высокое качество работы, стоимость владения и эксплуатационные затраты в течение всего срока службы машины, а также стоимость машины на вторичном рынке в один большой «пакет стоимости жизненного цикла», показывая расчетным путем, что за весь жизненный цикл затраты будут меньше, чем у других марок экскаваторов, несмотря на высокую начальную цену. Они также настойчиво говорят о высоком качестве услуг своей дилерской сети. Сеть и правда широкая и хорошо налажена, тут нечего возразить. В общем, это очень эффективная технология продаж. Многие из вас слышали: «Да, продажная цена наших машин немалая, но если подсчитать затраты и доход за весь жизненный цикл, вы останетесь в прибыли».

Caterpillar опустила подробности своих обширных испытаний гибридного экскаватора и подчеркивает, что «гибрид» будет выгоден «интенсивно использующим» его потребителям при «широкомасштабных работах». Это и является ключевым моментом. «Если срок окупаемости дополнительных затрат растягивается на два и более лет, значит, вы недостаточно интенсивно используете экскаватор», – говорит представитель Caterpillar.

Напрашивается простой вывод: если вы не копаете грунт интенсивно каждый день – мод. 336Е Н, видимо, не для вас. Если же вы постоянно «гоните объем» извлеченного грунта, в лице гибридного экскаватора вы получите подлинного «кормильца», особенно если вы перешли с серийного экскаватора Caterpillar на гибридный. В общем, прежде чем приобрести эту машину, посчитайте, сможете ли вы окупить затраты на нее и в какой срок.