Способ автономного энергообеспечения приводных устройств строительных и подобных им машин

 

Изобретение относится к приводу в основном мобильных строительных и подобных им машин: коммунальных, лесозаготовительных, сельскохозяйственных и т.п. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности осуществления раздельного или совместного запуска всех двигателей, включая и ДВС, который целесообразно в данном многомоторном пневмогазовом приводе использовать только на привод ходовой части машин, отдавая все остальные функции другим двигателям. Для этого система энергообеспечения включает ДВС и двигатели рабочих органов (РО) с единым источником их питания от газобаллонной системы компримированного газа при подаче высоконапорного газа в двигатели РО. От них газ низкого давления поступает либо в ресивер использованного газа с последующим его восстановлением до высоконапорного состояния путем пропуска газа (например, через многоступенчатый тепловой компрессор), либо из газа низкого давления создают газомоторное топливо для нужд потребления ДВС. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к приводу в основном мобильных строительных и подобных им машин: коммунальных, лесозаготовительных, сельскохозяйственных и т.п.

Современные строительные машины в стационарном исполнении имеют электрический, и при своей сложности, многомоторный (многодвигательный) привод, а передвижные машины - многомоторный дизель-гидравлический привод [1]. В последнем случае схема привода получается конструктивно более сложной. Главенствующая роль в ней принадлежит двигателю внутреннего сгорания (ДВС) - это, образно говоря, “матка”, обеспечивающая работу всех остальных двигателей привода рабочих органов (РО) машины. Без него невозможно запустить ни один из вторичных двигателей. И в этом проявляется определенный недостаток дизель-гидравлического привода по сравнению с многомоторным электрическим. Второй недостаток многомоторного привода от ДВС состоит в нестабильности загрузки последнего на разных стадиях цикла работы машин.

Поясним это на примере работы скрепера [1], наиболее тяжелая стадия цикла работы которого - это копание грунта с набором его в ковш. Для скрепера емкостью ковша 10-15 м³ работа на этой стадии продолжается всего 3-4 минуты, за которые надо максимально “выложиться”, иначе при неполном наборе грунта дальнейшая чисто транспортная стадия работы машины уже ничего “не добавит” и весь рабочий ее цикл будет непроизводительным. В связи с этим при проектировании скреперов установленную мощность ДВС выбирают именно по копанию и тем самым работу по достижению заданной производительности выдерживают. Но в то же время проигрывают в вопросе полного использования мощности ДВС в транспортных стадиях работы скрепера, в особенности при передвижении его в незагруженном грунтом состоянии, когда при большой базе машины и плохом состоянии подвозных грунтовых дорог развивать повышенные скорости передвижения, даже при потенциальных возможностях ходового двигателя, не представляется возможным.

В связи с этим актуальной задачей данного изобретения является разработка такой системы автономного энергообеспечения строительных машин (СМ), при которой ДВС был бы связан только с механизмом передвижения машины, а все остальные приводные устройства ее РО имели бы свой источник энергообеспечения, а следовательно, были бы независимыми от ДВС. Иными словами, ставится задача замены существующего дизель-гидравлического привода на иной привод, по своим достоинствам приближающийся к многомоторному электрическому, у которого все двигатели можно включать в работу по отдельности в любой последовательности или совместно и когда выбор установленной мощности каждого двигателя определяется условием только его максимальной загрузки. Причем все это надо выполнить при уже устоявшихся конструкциях самих двигателей - ДВС, цилиндров возвратно-поступательного действия и вращателях.

Решение поставленной задачи может быть достигнуто только при успешном выборе энергоносителя для всех упомянутых и разных по конструкции и принципу действия двигателей.

И здесь в первую очередь следует обратить внимание на использование природного газа. По его применению в качестве газомоторного топлива (ГМТ) для ДВС в чисто транспортных средствах уже накоплен определенный опыт [2]. Причем природный газ как топливо может использоваться в трех видах: в сжиженном состоянии (СПГ), с помощью газогидратных образований и в виде компримированного газа (КПГ). СПГ хранится при давлениях, близких к атмосферному, а поэтому потенциальной энергией газового расширения, необходимой для привода цилиндров и вращателей, не обладает. Возможность использования газогидратных образований стала известно совсем недавно (заявка №2000110447/06 от 27.04.2000 по кл. F 02 B 43/00). Сущность этого нововведения состоит в использовании метана, растворенного в водяном льду при кристаллизации воды, причем газ на транспортном средстве получается благодаря плавлению или растворению газогидратного льда. Отсюда ясно, что это опять же может быть использовано только в качестве топлива для ДВС и не более. И остается только КПГ. Опыт использования его в качестве ГМТ для чисто транспортных средств составляет уже несколько десятилетий. Это наиболее доступное средство энергопитания дизелей, имеющее, правда, и определенный недостаток - значительно меньшую по сравнению с СПГ компактность при баллонном своем содержании. Чтобы уменьшить этот недостаток, стремятся увеличить давление КПГ в баллонах. В настоящее время оно составляет 20 мПа, однако имеются промышленные разработки на 40 мПа. Такой подход существенно повысит беззаправочный пробег машины и снизит габаритность и вес ее ГРС (газораспределительной системы), однако в то же время еще более уменьшит КПД использования самого КПГ как энергоносителя. Дело в том, что для питания дизелей нужно газ разряжать до давления, близкого к атмосферному, в результате чего КПГ, вышедший из ГБС (газобаллонная система), проходя через редукционную систему двигателя и переходя тем самым в состояние ГМТ, попросту теряет заключенную ранее в баллонах потенциальную энергию расширения, причем теряет впустую, ибо полезно ее расходовать в чисто транспортных средствах (автомобилях) фактически не на что. А вот в СМ есть на что и КПГ для СМ - это гораздо более значимое, чем КПГ для автомобилей. И возникает интересная ситуация: самоходная СМ конструктивно сложнее любого автомобиля, но условия использования на ней КПГ более благоприятны и главное - несравненно более экономичны, если их относить к суммарной мощности всех установленных на машине двигателей.

Из сказанного можно сделать важный вывод: все приводные устройства СМ могут иметь единое энергообеспечение от ГБС с КПГ, по при разном физическом состоянии энергоносителя: при высоком его напоре воздействовать на двигатели РО и, уже сбросив там давление, переходить в состояние ГМТ для ДВС. При этом сама СМ конструктивно может быть перекроена под схему привода, близкую к идеальной - многомоторной электрической. И ДВС уже не будет основным ведущим двигателем, а двигатели РО вторичными и им ведомыми. Все двигатели, как в электроприводе, будут равноправными.

Итак, речь идет о преобразовании принятого за прототип широко распространенного дизель-гидравлического многомоторного привода [1] при питании его дизеля от КПГ [2] в многомоторный пневмогазовый привод с дизелем, т.е. ДВС добавляется здесь уже как бы “в придачу”. Предложенный способ автономного энергообеспечения приводных устройств СМ поясняется схемой, приведенной на чертеже, где представлены: ГБС в виде нескольких основных баллонов сжатого газа, сборного ресивера использованного газа и резервного баллона, система управления пневмоприводами СМ (СУПрСМ), сами пневмоприводы в виде пневмоцилиндров и пневмовращателей, многоступенчатый тепловой компрессор (МТК), ДВС и трубопроводы газовых коммуникаций с запорными вентилями и редукторами, каждая совокупность положений которых соответствует определенному режиму работы данной системы. При этом запорным вентилям B_i и редукторам P_i присвоен порядковый номер (i=1,2,3…), определяющий их положение на трубопроводах. Каждый из этих элементов может находиться в двух положениях: “О” - открыт; “З” - закрыт. Так, к примеру, обозначение “В₃З” говорит о том, что вентиль №3 закрыт.

В предложенную систему включен МТК, по кл. МКИ F 04 B 19/24, его назначение - повышать давление уже использованного в пневмодвигателях газа для повторного его применения в тех же целях. Присутствие МТК становится необходимым, если данная система работает без ДВС. При работающем ДВС МТК может и отсутствовать. В этом случае весь газ низкого давления, прошедший через пневмодвигатели РО, сразу же будет направлен к ДВС. И все же отсутствие МТК в предложенной системе сужает широту режимности ее использования и общую эффективность - ведь МТК работает также от тепла сгорания газа. Предложенная энергосистема имеет следующие режимы ее функционирования:

1. Работа ДВС без пневмоприводов;

2. Работа ДВС и пневмоприводов;

3. Работа (кратковременная) пневмоприводов без работы ДВС;

4. Работа пневмоприводов без работы ДВС и с использованием МТК;

5. Работа ДВС и пневмоприводов с использованием МТК;

6. Полное опорожнение газовых баллонов в ДВС;

7. Заправка газовых баллонов от заправщика КПГ. Достижение указанных режимов работы в зависимости от положений вентилей и редукторов иллюстрируется таблицей.

Особый интерес представляют режимы 3 и 4, при которых, подключая к коленвалу ДВС уже работающий вращатель, прокручивают тем самым дизель “сзади”, а уже потом переходят на режимы 1, 2, 5. И это тоже существенное техническое достижение, облегчающее запуск дизеля в холодное время.

В предложенной энергосистеме при замене гидропривода на пневмопривод отпала необходимость в установке дорогостоящих и капризных при своей эксплуатации гидронасосов. Гидрораспределители заменены на пневмораспределители. Количество силовых цилиндров сохранилось, количество вращателей пополнилось еще одним, кинематически связанным с коленвалом ДВС, но это опять же то, что весьма полезно.

Полагаем, что данное техническое решение в полной мере соответствует всем критериям изобретения.

Отметим, что из технической и патентной литературы не известно применения в СМ высоконапорного пневмопривода их РО и тем более использования для этих целей КПГ. Известна лишь низконапорная (до 0,6 мПа) система пневмоуправления. Но эти вещи сопоставимы лишь по присутствию в них слова “пневмо” и не более. Все это позволяет утверждать, что данное предложение обладает мировой новизной.

Использование для всех двигателей единого энергоносителя от КПГ и возможность так называемого “обратного” их запуска - вначале двигателей РО, а потом уже и ДВС - это совершенно новый взгляд на решаемую проблему и в этом проявляется критерий “изобретательский уровень”.

Критерий “промышленная применимость” подтверждается возможностью технической осуществимости данного способа и его технико-экономическими достоинствами, которые проявляются в следующем:

- в повышении КПД использования самого энергоносителя КПГ - вначале его разряжают в пневмодвигателях РО, а уже оттуда направляют для использования в качестве ГМТ для ДВС;

- в работе предложенной системы энергопитания приводов на различных режимах, в том числе осуществляющих полную функциональную независимость двигателей РО от ДВС;

- в возможности частичного восстановления высоконапорного энергоносителя из газа низкого давления за счет его пропуска через МТК;

- в новых принципах проектирования СМ, когда ДВС становится рядовым двигателем и его кинематически связывают только с механизмом передвижения машины, а все остальное обслуживается независимыми от ДВС самостоятельными пневмодвигателями.

Последнее является, пожалуй, самым важным и принципиально новым достоинством предложенного способа.

Литература

1. С.С.Добронравов. Строительные машины и оборудование. Справочник. - М.: Высшая школа, 1991 г.

2. Ю.Н.Васильев и др. Транспорт на газе. - М.: Недра, 1992 г.

Формула изобретения

1. Способ автономного энергообеспечения приводных устройств строительных и подобных им машин путем трубопроводной подачи энергоносителей для питания основного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и двигателей привода рабочих органов (РО) машины, отличающийся тем, что работу всех приводных устройств осуществляют от единого источника энергопитания, в качестве которого выбирают размещаемый на машине в газобаллонной системе компримированный природный газ, который через управляемые запорные вентили подают совместно или по отдельности в любой последовательности на двигатели приводов РО и ДВС, причем газ низкого давления, уже прошедший через двигатели РО, при отсутствии надобности в его немедленном дальнейшем применении в качестве газового топлива для ДВС, направляют в ресивер использованного газа, откуда забирают его с повышением давления (например, через многоступенчатый тепловой компрессор) и подают в резервный баллон повторно сжатого газа.

2. Способ энергообеспечения приводных устройств по п.1, отличающийся тем, что в холодное время запуск ДВС облегчают подключением к его коленвалу уже работающего пневмовращателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1