CC BY
38
^ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
УДК 621.22-546
ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПРИВОДА
М.М. Карпенко1, Л.Е. Пелевин2, М. Богдявичус3
1,3Вильнюсский Технический Университет им. Гедиминаса (ВГТУ), LT-10105, Литва, г. Вильнюс, ул. Плитинес, 27;
2Киевский Национальный Университет Строительства и Архитектуры (КНУСА),
03680, Украина, г. Киев, Воздухофлотский проспект, 31.
В статье рассматривается повышение эффективности использования вилочного погрузчика класса IV-VII (с двигателем внутреннего сгорания) посредством внедрения предлагаемой гидравлической энергосберегающей системы. Проводится оценка перспективности ее использования на примере погрузчика HANGCHA CPCD160N-XG35. Проведен анализ и расчет базовой гидравлической системы и предлагаемой гидросистемы погрузчика. В результате определена годовая экономия топлива и сделаны выводы касательно повышения топливной экономичности погрузчика с системой энергосбережения по сравнению с базовой системой.
Ключевые слова: Энергосбережение, гидравлический привод, вилочный погрузчик, расход топлива, цикл работы.
PROSPECT OF USING A HYDRAULIC POWER-SAVING DRIVE
M.M. Karpenko, L.Ye. Pelevin, M. Bogdevicius
Vilnius Gediminas Technical University (VGTU), LT-10105, Lithuania, c. Vilnius, Plytines st., 27;
Kiev National University of Construction and Architecture (KNUCA),
03680, Ukraine, c. Kiev, Povitroflotskyi Avenue, 31.
The article considers the increase in the efficiency of using a forklift loader of IV-VII class (with an internal combustion engine) by introducing the proposed hydraulic energy-saving system of the working equipment. Assesses the prospects of its use as an example the loader HANGCHA CPCD160N-XG35. Carried out analysis and calculation of the basic hydraulic system and the proposed hydraulic system of the loader. As a result, the calculation of the annual fuel economy has been made and conclusions have been reached on improving the fuel efficiency of a forklift truck with an energy-saving system in comparison with the base system.
Keywords: Energy saving, hydraulic drive, forklift, fuel consumption, work cycle.
Введение
Во многих областях производства широкое распространение имеют различные машины, предназначенные для погрузки, выгрузки материалов и объектов. Расходы на погрузку и разгрузку, включая перегрузки при транспортировке, составляют в среднем 25 - 30% общей стоимости. Используемые для этих работ вилочные погрузчики наряду с преимуществами (маневренность, возможность получения больших удельных усилий, масса и стоимость) имеют ряд недостатков, в том числе и большие энергетиче-
ские затраты привода. С каждым годом идет постоянное совершенствование и оптимизация данной техники, ее рабочих органов и приводов. В последнее время широкое распространение в данных машинах получил гидропривод. Однако его высокая энергоемкость, которая потребляет почти всю мощность двигателя, и невысокое значение коэффициента полезного действия (КПД) 60 - 80%, делает актуальным и необходимым проведение исследований в направлении повышения эффективности использования гидропривода.
1 Карпенко Микола - докторант кафедры Мобильной техники и железнодорожного транспорта, ВГТУ, тел.: +370 606 58 323, e-mail: mykola.karpenko@vgtu.lt;
2Пелевин Леонид Евгеньевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Строительных машин им. Ю.О. Ветрова, КНУСА, , тел.: +38063 641 00 82, e-mail: pelevin.leonid@ukr.net;
3Марийонас Богдявичус - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Мобильной техники и железнодорожного транспорта, ВГТУ, тел.: +370 698 18 490, e-mail: marijonas.bogdevicius@vgtu.lt
■ Амортизационные отчисления
■ Зарплата машаниста
■ Затраты на топливо
■ Затраты на ТО
■ Затраты перебазировки
■ Затраты на смазочные материалы
■ Сменная оснастка
■ Накладные расходы
■ Плановые накопления
■ Налоги
■ Прочие затраты
Рисунок 1 - Диаграмма средней стоимости одного машино-часа эксплуатации вилочного погрузчика
Основной материал
Вилочные погрузчики класса ГУ-УГГ (с двигателем внутреннего сгорания) - незаменимая техника для промышленных цехов, строительных площадок и складских помещений, где существует актуальная необходимость транспортировки и штабелирования разнообразных грузов на внутрипроизводственной территории. Обусловлено это высокой универсальностью (использованием сменного рабочего оборудования) и возможностью их использования в различных условиях работ и различных областях применения. В результате чего происходит постоянное увеличение количества погрузчиков, а также повышение их мощностей, технического уровня, что в свою очередь еще больше расширяет область их использования [1]. При этом постоянно растут и требования к данной технике основными из которых являются: производительность, экологичность, надежность и малая энергоемкость.
В предшествующем развитии данной техники снижение эксплуатационных расходов за счет уменьшения топливного расхода не имело важного значения по сравнению с другими проблемами ее совершенствования. В наше время, в связи с постоянным ростом цен на энергоносители, это становится одной из приоритетных задач повышения эффективности использования погрузчиков [2].
Расчет средней стоимости одной машино-часа эксплуатации вилочного погрузчика представлены в виде диаграммы на рисунке 1, согласно [3].
Как видно из диаграммы, затраты на топливо составляют почти половину (44%) от всех затрат на один машино-час эксплуатации погрузчиков. При этом учитывая постоянство роста цен на топливо (энергоноситель), при расчете одного машино-часа эксплуатации погрузчика также будут увеличиваться, затраты на топливо.
Чаще всего в данной технике в качестве рабочего оборудования используется гидропривод. Причем, гидропривод в некоторых типах машин применяется не только для управления рабочим оборудованием, но и для привода ходового, рулевого и т.д. управления. В результате гидропривод все больше и больше затрачивает мощность двигателя внутреннего сгорания, поэтому и возникает потребность в оптимизации гидропривода с точки зрения потребления энергии двигателя. Использование различных технических решений в области энергозатрат [4], использование энергосберегающих систем [5], судя по мировым публикациям, может дать значительную экономию топлива.
Одним из способов снижения энергопотребления является уменьшение динамических воздействий на энергетическую установку. Это может быть достигнуто введением упругодемп-фирующих элементов в гидропривод погрузчика или в систему устройств преобразования энергии (двигатель - насос, насос - гидроцилиндр). Например, введение их в силовые цилиндры погрузочного манипулятора грузоподъемностью 0,8 т позволило снизить энергозатраты на 7... 12% за счет снижения пиковых забросов давления в гидравлическую систему на переходных режимах и, соответственно, снижения динамического воздействия на гидронасос [6, 7].
Также часто, как энергосбережение в гидроприводе применяют новейшие системы распределения энергопотоков (управления). Функционирования потока распределительных систем позволяет обеспечить оптимальный технологический процесс работы машины, повисеть эффективность применения и уменьшить затраты на холостые работы гидравлической системы [8,9,10].
Использование же в рабочем цикле рекуперированной энергии позволит экономить значительные энергоресурсы. Накопление энергии
может производиться во время опускания груза, при холостых перемещениях рабочего органа или же в других случаях, например, при торможении всего агрегата [11].
Проанализировав, различные мировые технические решения в области энергосбережения в гидроприводе погрузчиков, предложена энергосберегающая система на базе вилочного погрузчика НАШСНА СРСБ160]-Х035 (см. рисунок 2).
Рисунок 2 - Внешний вид вилочного дизельного погрузчика Иа^еИа СРСБ160]]-Х035
На рисунке 3 представлена принципиальная гидравлическая схема энергосберегающей системы погрузчика, на которую подана заявка на полезную модель Украины [12].
Рисунок 3 - Энергосберегающая гидравлическая система вилочного погрузчика
Суть работы гидравлической системы энергосбережения заключается в том, что при работе гидроцилиндры 1, рабочего оборудования, и гидроцилиндр перекоса 2 (может быть исключен из схемы) питаются от энергосберегающей гидравлической системы. Рабочая жидкость из бака 3 попадает в насос-моторов 4 и 5 через
магистрали 6 и далее на входы каналов Ь и с трехпозиционного распределителя 7 (рисунок 4, а), который находится во II положении, рабочая жидкость попадает в поршневые полости гидроцилиндров 1, штоки которых выдвигаются. При включении распределителя 7 в I положение, в положение опускания рабочего органа, рабочая жидкость с поршневых полостей гидроцилиндров 1 через канал а распределителя 7 попадает в обводную магистраль 8 и далее через делитель потока 9 направляется на входы насос-моторов. Установленные обратные клапаны 10 препятствуют слива рабочей жидкости в гидробак 3. При этом один из насос-моторов 4 подает рабочую жидкость в штоковые полости гидроцилиндров 1 через канал Ь распределителя 7, а второй 5 на слив через канал с к сливной магистрали 11. Далее, жидкость, через односторонний клапан 12 до канала й трехпозиционного двух канального золотника 13 (рисунок 4, б), в положении II пропускает жидкость через канал / к гидроцилиндра 2, при этом происходит высовывание его штока. При изменении положения золотника 13 в I происходит слив жидкости из канала d к каналу е и далее через систему фильтрации 14 в бак с гидравлической жидкостью 3. В III положении золотника 13 происходит слив в канал е как с канала й и с канала / и стрела 2 втягивается. Слив обеспечивает компенсацию разницы между объемом подачи рабочей жидкости в штоковые полости с поршневых полостей гидроцилиндров 1. Также в это время насосы-моторы 4 и 5 работают, как генераторы и через валы отбора вращают генератор, питая электрическую аккумуляторную систему питания нагрузки (если таковая присутствует).
Рисунок 4 - Распределители энергосберегающей гидравлической системы: а - трехпозиционный распределитель; б - двухканальный золотник
Данное техническое решение, позволяет, использовать рекуперацию энергии гидравлической жидкости при опускании груза или рабочих органов, не используя приводной мощности, как в традиционных машинах, при этом происходит повышение надежности гидропривода благодаря отсутствию гидравлических аккумуляторов. Использование данной энергосберегающей системы гидропривода обеспечивает снижение энергопо-
требления так как в половине цикла насосы работают как моторы-генераторы заряжая электрические аккумуляторы (если такие присутствуют) или просто не потребляют мощности дизельного двигателя, а общая энергия погрузчика за полный цикл процесса подъема-опускания будет стремиться к минимуму, так как не затрачивается приводная мощность на опускание.
С помощью метода математического моделирования проанализирован процесс работы энергосберегающей гидравлической системы погрузчика при опускании рабочего оборудования спроектированной в программе БШИуёгаи-Неи.
В ходе работы сравнивались и сопоставлялись энергозатраты при использовании гидравлической системы погрузчика НАКОСИЛ СРСБ160К-Х035 (наиболее близкой к предлагаемой системы) [13,14] и предлагаемой энергосберегающей гидравлической системы [12].
С помощью математического и компьютерного моделирования системы энергосбережения были проведены исследования о влиянии энергосберегающей системы на показатели работы погрузчика.
Принимается процесс работы погрузчика в следующем варианте:
- Погрузчик загружает объект и возвращается к месту загрузки с одновременным опусканием рабочего органа.
- Принимается включенная постоянно передача и движение происходит за счет увеличения расхода топлива двигателем внутреннего сгорания.
- Ход штоков рабочего оборудования (гидроцилиндры подъема/опускания) согласно техническим данным составляет 1,5 м.
При опускании рабочего оборудования в поршневых полостях гидроцилиндров давление изменяется по зависимости, приведенной на рисунке 5.
Как видно из графика на рисунке 5, давление в поршневых полостях гидроцилиндров рабочего оборудования при пустом опускании находится в пределах 5 МПа, вначале опускании и 12МПа с грузом (для имитации вес груза принимается 3т.). Далее, при опускании, величина давления снижается из-за разницы давления в поршневой и штоковой полостях (в сторону выравнивания) и в опущенном положении достигает значения 2 МПа и 4МПа, соответственно. Именно это давление (от 5 до 2 МПа и от 12 до 4 МПа) использует система энергосбережения.
Для оценочных показателей эффективности применения энергосберегающей гидравлической системы принималось следующее:
- Мощность (Np, кВт), затрачиваемая в момент опускания рабочего органа на привод насос-моторов [3]:
Np = 10-3(Pouñ - Pm) • б, h + ...
... + 10-3(Po„t 2 - Pln ) • 62 h, (1)
где Pouti - давление на выходе из первого насоса, определяемое с учетом потерь, Па;
Pout2 - давление на выходе из второго насоса, определяемое с учетом потерь, Па;
Pin - давление на входе в насосы, определяемое с учетом потерь, Па;
Qi - подача первого насоса, м3/с;
Q2 - подача второго насоса, м3/с;
П, - полный КПД первого насоса;
П2 - полный КПД второго насоса.
Р,МПа
/ 1 1
2
0 0,3 0,6 0,9 1,2 ¡tM
Рисунок 5 - Изменение давления в поршневых полостях гидроцилиндров: 1 - с грузом на рабочем оборудовании; 2 - без груза на рабочем оборудовании
В результате программного расчета в БтИуёгаиНе представлены графики, на рисунке 6, которые отображают затрачиваемую мощность на привод насос-моторов гидросистемы в зависимости от хода штока гидроцилиндров, полученные в результате оценочных показателей эффективности применения энергосберегающей гидравлической системы.
Расположение графиков в положительной половине системы координат, означает, что насосы вырабатывают мощность и снижают нагрузку на двигатель, а в отрицательной, что они потребляют мощность двигателя.
Как видно, у базового погрузчика, не оборудованного системой энергосбережения, имеют место затраты мощности. За исключением небольшого участка в начале процесса, так как идет переход двигателя с холостых на рабочие обороты опускания, что объясняется невысокими скоростями движения рабочей жидкости, идущие на привод насосов гидросистемы.
N^¡<817)
20
10
-10
-20
-30
\ 3 0, 5 0,. Э "Ъ
\2
О, =■
Рисунок 6 - Затрачиваемая мощность на привод насос-моторов в зависимости от хода штока гидроцилиндров: 1 - с энергосберегающей системой; 2 -без энергосберегающей системы
Для погрузчика сз энергосберегающей системой период работы насосов в режиме выработки мощности составляет около 70 % от всей продолжительности работы при опускании. Период, когда происходит потребление мощности насосами гидросистемы, объясняется значительными сопротивлениями, возникающими в гидравлической системе вилочного погрузчика в конце рабочего цикла.
- Значение мгновенного временного расхода топлива (О, л/ч) на привод насос-моторов [1,2]:
О,
1000•р
(2)
3600
IО, (I )й1.
(3)
Рисунок 7 - Мгновенно часовой расход топлива на привод насосов в процессе опускания
рабочего оборудования в зависимости от хода штока гидроцилиндров: 1 - с энергосберегающей системой; 2 - без энергосберегающей системы
При работе вилочного погрузчика, не оборудованного системой энергосбережения, затраты топлива на привод насосов за период опускания рабочего оборудования составляют 0,0078 л (знак минус на рисунке 8 означает, что топливо затрачивается).
,10 ~3л
где де - удельный расход топлива двигателем УС6Б1602-Т10, который установлен на НАШСНА СРСБ160]]-Ха35, де = 225г/(кВт- ч); р - плотность дизельного топлива, р = 860 кг/м3 [15];
На рисунке 7 представлены графики, отражающие величину мгновенного часового расхода топлива на привод насосов в процессе опускания рабочего оборудования в зависимости от хода штока гидроцилиндров.
Части графиков, расположенные в отрицательной области системы координат, отражают потребление мощности насосами, что ведет к расходу топлива. Части же графиков, расположенные в положительной области системы координат, отражают работу насосов в режиме гидромоторов, вырабатывающих мощность или не потребления, что ведет к дополнительной экономии топлива.
Цикловая затрата топлива (О2, л) [1,2] на привод насос-моторов за период опускания рабочего оборудования (период работы энергосберегающей системы):
2 0
-2 -4 -6
-8 -10
11
Рисунок 8 - Цикловая затрата топлива на привод насос-моторов за период опускания рабочего оборудования (период работы энергосберегающей системы): 1 - с энергосберегающей системой; 2 - без энергосберегающей системы
В случае эксплуатации базового погрузчика с системой энергосбережения не только исключаются затраты мощности и топлива на привод насосов в период цикла опускания рабочего оборудования, но и вырабатывается дополнительная мощность, которая позволяет на 0,0015л за технологический цикл снизить расход топлива. В результате величина снижения расхода топлива в случае применения системы энергосбережения за период ее работы может составить
Г
0
0,0093л. Если задаться продолжительностью рабочего цикла погрузчика, к примеру 45 с., то за один час эксплуатации, снижение затрат топлива при использовании погрузчика, оборудованного системой энергосбережения, может составить около 0,744 л.
Это составляет 3,1 % максимального часового расхода топлива дизельного погрузчика НАКОСНА СРСБ1601Ч-Ха35 (24 л/ч согласно данным завода изготовителя). Тогда снижение расхода топлива за 8-часовую смену составит около 5,96 л, что в годовых масштабах, при годовой наработке машины 3000 ч, может дать экономию топлива в пределах 2232 л.
При нынешних ценах на дизельное топливо (на сентябрь 2017) (22.74 грн./л. в Украине, 1,044 у. е./л. в Литве и 38,07 рубл./л. в Российской Федерации) это составляет: 50756 грн./г., 2331 у.е./г., 84973 рубл./г., соответственно.
Полученные результаты показывают, что использование предложенной гидравлической системы энергосбережения позволяет повысить топливную экономичность машины, следовательно, снизить издержки на ее эксплуатацию.
Выводы
Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Использование системы энергосбережения основанной на использовании потенциальной энергии рабочего оборудования, позволит оптимизировать и повисеть эффективности применения гидропривода, избегая значительных потерь энергии.
2. Использование предложенной энергосберегающей системы дает возможность снизить часовой расход топлива на 3,1% от первоначального его значения, равного 24 л/ч (согласно данным завода изготовителя), что в годовых масштабах может составить 2232 л.
3. Установленные закономерности способствуют разработке принципов и методов создания новых гидроприводов с максимально эффективным использованием потенциальной энергии рабочего оборудования, для повышения производительности роботы и повешения экономических показателей в частности в области затрат топлива.
Литература
1. Базанов, А.Ф. Самоходные погрузчики / А. Ф. Ба-занов, Г. В. Забегалов. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Машиностроение, 1979. - 406 с.
2. Чебанов, Л. С. Эффективность применения погрузчиков в строительстве / Л. С. Чебанов. - Киев: Будивельник, 1987. - 80 с.: ил.
3. Бужинский А. Д. Эффективность применения энергосберегающей системы погрузчика / А.Д. Бужин-сикй. Вестник Белорусско-Российского университета. 2008, №4 (21), с.11-18.
4. T. Horberry, T.J. Larsson, I. Johnston, J. Lambert, Forklift safety, traffic engineering and intelligent transport systems: a case study, Applied Ergonomics 35 (2004) 575-581.
5. Якушев, А.Е. Исследование энергосберегающих систем/ А.Е. Якушев // Строительные и дорожные машины. - 2003. - № 12. - С. 35-38.
6. Несмиянов И.А., Лапынин Ю.Г. Улучшение динамических характеристик гидропривода погрузчика. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2001. №6. С.36-37.
7. Несмиянов И.А., Хавронин В.П. Эластичный привод гидронасоса как способ снижения энергопотребления гидромашин. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2007. №6. С.45-46.
8. Пелевин Л.Е., Карпенко Н.Н. /Нечеткое определение границ полной управляемости гидроприводом за счет собственных ресурсов/ Транспортные и транс-портно-технологические системы: материалы Международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2016. - с. 238-242
9. Пелевш Л.£., Карпенко М.М., Чемерис В.В. /Метод нечикого визначення границь повноï керова-носп пдроприводу будiвельних машин за рахунок власних ресурав в умовах його планового розвитку/ Зб. "Прнич^ будiвельнi, дорожш та мелюрапвш ма-шини", вип. 86. Всеукрашський збiрник наукових праць. Кшв, 2015, с. 27-33.
10. Пелевш Л.£., Карпенко М.М. /Теоретичш засади управлшня системою розподшу енергопотоюв у пд-ро- та пневмоприводах/ Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета: сб. науч. тр. / Харьк. нац. автомоб.- дор. ун-т; - Харьков : ХНАДУ, 2016. - Вып. 73. - C. 48-51.
11. Щемелев, А. М. Проектирование гидропривода машин для земляных работ / А.М. Щемелев. - Могилев: ММИ, 1995.
12. Пелевин Л.Е., Горбатюк Е.В., Карпенко М.М., Азенко А. В. заявка на полезную модель Украины № u201611809 от 22.11.16 "Энергосберегающая гидравлическая система"
13. [Электронный ресурс]. URL: http://www.hcforklift.com/ products/icforklifttruck (дата обращения 05.08.17).
14. [Электронный ресурс]. URL: http://www.bmg-ural.ru/catalog/vilochnyie-pogruzchiki/diselnye/12,0-16,0T/ (дата обращения 05.08.17).
15. Г0СТ-32511-2013 (EN 590:2009), ISO 3170:2004. Топливо дизельное ЕВРО. Межгосударственный стандарт. Технические условия. Введ. 2015-01-01. М. Изд-во стандартов, 2015, 32 с.
