Гибридная система в экскаваторах

«Гибрид» против обычного экскаватора

Что такое «гибрид»?

Применительно к современному рынку землеройной техники термин «гибрид» означает, что помимо дизельного двигателя экскаватор оснащается комплектом устройств, способных преобразовывать энергию, полученную при выполнении рабочих операций. В течение смены экскаватор в каждом цикле повторяет одни и те же действия (осуществляется поворот надстройки, подъем и опускание стрелы и т.д.), а это означает, что процессы разгона и торможения многократно повторяются. Это дает широкие возможности для рекуперации энергии, которая или аккумулируется, или немедленно используется.

Какие варианты существуют?

Источник фото: istk.ru Гибридный экскаватор Komatsu третьего поколения HB3650LC-3

Решения, которые активно применяются на рынке автотранспорта, не совсем подходят для сегмента землеройной техники. Так, при разработке гибридных автомобилей используют равноправное объединение ДВС и электродвигателя (в результате получают так называемые «полные гибриды»). В случае со строительной техникой ДВС остается главным силовым агрегатом, а электродвигатель играет вспомогательную роль.

«Неполные гибриды» также существуют в нескольких вариантах. Размещение ДВС и электродвигателя может быть параллельным (в этом случае они работают одновременно, дополняя друг друга) или последовательным (механическая энергия ДВС преобразуется в электрическую энергию генератора, после чего снова переходит в механическую). При производстве экскаваторов предпочтение отдается первому способу, «последовательные гибриды» встречаются в сегменте бульдозеров и погрузчиков.

Если сравнивать экскаваторы и, например, фронтальные погрузчики, то здесь можно найти и другое значительное отличие: в первом случае в основном используется энергия, вырабатываемая при повороте платформы машины, во втором — аккумулируемая при торможении машины.

Как это работает?

Несмотря на схожесть основных принципов, каждый из производителей гибридных экскаваторов ведет собственные разработки, результаты которых могут значительно отличаться. Так, если в технике Komatsu энергия механического движения (если быть более точным, то инерции движения) используется для приведения в действие электродвигателя поворота, то компания Caterpillar не стала отказываться от классического гидромотора. Но в любом случае за оптимальным распределением и направлением потоков энергии следит электронная система управления.

Komatsu: будущее за электромоторами

Источник фото: komatsu.eu Гибридный экскаватор Komatsu второго поколения HB215LC-2

Компания Komatsu, которая представила свою первую разработку в сфере гибридных технологий в 2008 году, успела выпустить уже несколько поколений инновационных экскаваторов. Объединяет их то, что гидромотор поворота, который используется для вращения надстройки в стандартных моделях, в гибридных заменен на электромотор. В число «гибридных компонентов» также входят мотор-генератор (способен работать в режимах генератора или электродвигателя, расположен между дизелем и гидронасосом привода рабочего оборудования), инвертор (его задача — преобразовывать переменный ток в постоянный) и конденсатор.

Кратко опишем механизм работы «гибрида». После отключения мотора поворота, его вращение продолжается под действием инерции поворачивающейся надстройки. Получаемая генератором энергия через инвертор поступает в аккумулирующий конденсатор, после чего используется для двух целей. Во-первых, она может направляться обратно в электромотор поворота для придания ускорения надстройке. Во-вторых, с ее помощью увеличивают мощность двигателя (мотор-генератор, соединенный с ДВС, начинает работать как электромотор), также становится возможным быстрее набирать требуемые обороты и снижать нагрузку на дизель за счет вспомогательного питания гидронасосов.

К сказанному можно добавить, что на гибридных экскаваторах Komatsu устанавливаются дизельные двигатели меньшего типоразмера, чем на стандартных машинах: требуемым уровнем мощности машину совместно обеспечивают дизель и электродвигатель. Также стоит отметить, что такие компоненты, как шасси, гидросистема, рабочее оборудование, аналогичны тем, что используются в обычных моделях.

Caterpillar: гидромотор — надежная классика

Источник фото: cat.com Первый гибридный экскаватор Caterpillar — модель 336E H

Поиски оптимального решения американские конструкторы начали в 2009 г., и в итоге было решено остановиться на технологии, отличной от той, что применяет Komatsu. На данный момент компания Caterpillar использует гидравлический способ аккумулирования кинетической энергии. Специалисты руководствовались несколькими соображениями: доработка гидравлического оборудования не так значительно увеличивает стоимость техники, к тому же можно избежать излишнего, по мнению производителя, усложнения конструкции. Также отмечается, что в число дополнительных затрат добавляется лишь обслуживание гидроаккумулятора (периодичность ТО такая же, как у гидроцилиндров стрелы).

Премьера первого гибридного экскаватора Caterpillar состоялась в 2013 г. Гидромотор поворота, который был сохранен в конструкции машин, получает питание от гидронасоса. Когда оператор отпускает рычаг, ответственный за включение функции поворота, и питание перестает поступать в гидромотор, вращение надстройки замедляется, но еще некоторое время она движется по инерции. Одновременно продолжается вращение гидромотора, который в это время начинает работать в режиме насоса. До этого момента перечисленные процессы аналогичны тем, что происходят в стандартных экскаваторах. Но далее есть существенное отличие: обычно поток масла останавливается в выключенном гидронасосе системы, и в результате создаваемого сопротивления гидромотор останавливается, а получаемая кинетическая энергия превращается в тепло и рассеивается. В случае же с гибридными экскаваторами поток масла направляется через специальный клапан SERV на зарядку азотного аккумулятора, а затем — на привод гидромотора поворота.

Источник фото: cat.com Разработка 2015 года — гибридный экскаватор 336F L/LN XE

В состав «начинки» экскаваторов Caterpillar входит также гибридный электронный программируемый насос ESP и система адаптивного управления ACS. К их функциям относится обеспечение плавного перехода энергии между двигателем и аккумулятором, а также управление мощностью дизеля. Благодаря установке главного гидронасоса большего типоразмера и, соответственно, увеличению гидропотока, стала возможной более эффективная работа двигателя на низких оборотах.

Другие производители

Свои разработки в данной сфере ведут такие компании, как Hitachi, Volvo и Kobelco. Особенности моделей каждого из производителей описывать не будем, в качестве примера других технологий приведем лишь экскаваторы Hitachi. В данном случае используются сразу два мотора поворота: гидравлический и электрический. Первый отвечает за вращение надстройки, второй выступает в качестве генератора и впоследствии играет роль «помощника» для гидромотора.

Источник фото: hitachicm.eu Последняя разработка Hitachi — гибридный экскаватор ZH210-6

В завершение отметим, что помимо экономии топлива, гибридные технологии уменьшают вредное воздействие на атмосферу и уменьшают уровень шума. И чем больше и энергичней вращается надстройка экскаватора, тем больше электроэнергии вырабатывается.

Гибридные экскаваторы — новые технологии

С применением гибридных технологий, производство землеройной техники вышло на принципиально новый уровень. Применительно к экскаваторам термин «гибрид» означает, что помимо дизельного двигателя экскаватор оснащается комплектом устройств,способных преобразовывать энергию, полученную при выполнении рабочих операций.

В течение смены экскаватор в каждом цикле повторяет одни и те же действия: поворот надстройки, подъем и опускание стрелы и другие. Иными словами процессы разгона и торможения многократно повторяются. Это дает широкие возможности для аккумуляции, или немедленного использования энергии.

Варианты «гибридов»

• Полные гибриды — равномерное объединение двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя. Применяются в автотранспорте, поскольку для землеройной и строительной техники ДВС остается силовым агрегатом, а электродвигатель играет вспомогательную роль.
• Гибриды с параллельным размещением ДВС и электродвигателя — ДВС и электродвигатель работают одновременно, дополняя друг друга. Предпочтительный вариант при производстве экскаваторов.
• Гибриды с последовательным размещением ДВС и электродвигателя — механическая энергия силового агрегата преобразуется в электрическую энергию генератора и обратно в механическую энергию. Чаще встречаются при производстве бульдозеров и погрузчиков.

Существуют различия и применительно к виду землеройной техники. К примеру, во фронтальных погрузчиках используется энергия, которая вырабатывается при торможении машины. В экскаваторах обычно аккумулируется энергия, вырабатываемая при повороте платформы машины.

Несмотря на схожесть основных принципов, каждый из производителей гибридных экскаваторов ведет собственные разработки, результаты которых могут значительно отличаться. Гибридные технологии применяют такие крупные мировые компании как: Komatsu, Caterpillar, Schafer, Dооsаn, Hitachi.

Концепция Komatsu

Первая разработка Komatsu в сфере гибридных технологий была представлена в 2008 году. С того времени уже выпущено несколько поколений инновационных экскаваторов. Все модели объединяет электромотор, используемый для вращения надстройки. Стандартные модели оснащаются гидромотором.

Гибридные компоненты также включают:

• электромотор — используется для вращения надстройки и полностью заменяет гидромотор поворота;
• мотор-генератор — работает в режимах генератора или электродвигателя, расположен между дизелем и гидронасосом привода рабочего оборудования;
• инвертор — преобразовывает переменный ток в постоянный;
• конденсатор.

Komatsu оснащает свои гибридные экскаваторы дизельными силовыми агрегатами меньшего типоразмера, чем устанавливает на стандартных моделях, поскольку требуемым уровнем мощности машину совместно обеспечивают дизель и электродвигатель. Такие компоненты, как шасси, гидросистема, рабочее оборудование, аналогичны тем, что используются в обычных моделях.

Caterpillar выбирает надежную классику — гидромотор

В Caterpillar обратили внимание на «гибриды» в 2009 году. Американские конструкторы остановились на технологии, отличной от той, что применяет Komatsu. Сегодня при сборке гибридных экскаваторов Caterpillar использует гидравлический способ аккумулирования кинетической энергии.

Специалисты руководствовались несколькими соображениями: доработка гидравлического оборудования не так значительно увеличивает стоимость техники, к тому же можно избежать излишнего, по мнению производителя, усложнения конструкции.

Стоит отметить, что в число дополнительных затрат добавляется лишь обслуживание гидроаккумулятора, с той же периодичностью ТО, что и у гидроцилиндров стрелы. Демонстрация первого гибридного экскаватора Caterpillar состоялась в 2013 году.

Гибридная начинка экскаваторов Caterpillar включает:

• специальный клапан SERV;
• зарядку азотного аккумулятора;
• гибридный электронный программируемый насос ESP;
• систему адаптивного управления ACS.

В конструкции «гибридов» Caterpillar был сохранен гидромотор поворота, получающий питание от гидронасоса, преобразующего энергию следующим образом: поток масла направляется через специальный клапан SERV на зарядку азотного аккумулятора, а затем — на привод гидромотора поворота.

К их функциям гибридного электронного программируемого насоса ESP и системы адаптивного управления ACS относится обеспечение плавного перехода энергии между двигателем и аккумулятором, а также управление мощностью дизеля. Особенностью американских машин является то, что на гибридных экскаваторах Caterpillar устанавливают главный гидронасос большего типоразмера.

Гибридные экскаваторы Hitachi

Основное отличие японских «гибридов» — оснащение машин сразу двумя силовыми агрегатами поворота: гидравлическим и электрическим. Гидравлический мотор отвечает за вращение надстройки, а электрический мотор выступает в качестве генератора и впоследствии играет вспомогательную роль для гидромотора. Свои разработки в данной сфере также ведут такие крупные мировые машиностроительные компании, как Volvo, Dооsаn, Kobelco.

Эффект от использования гибридных технологий в производстве экскаваторов

Недавно представленные конструкции с реализованными гибридными системами позволяют увеличивать экономичность отдельных видов техники более чем на 20%, при этом, абсолютно не снижая их производительности. Топливная эффективность (количество горючего, затраченного на 1 тонну перемещенного материала) также улучшается: у гибридной версии она более чем на 50% превосходит аналогичный показатель экскаватора предыдущего поколения.

В дополнение меньшему расходу топлива гибридная технология делает машину еще и экологически чистой, снижая выбросы CO и парниковых газов. Уровень шума также становится меньшим: благодаря электронному управлению скоростью и поддержке со стороны электродвигателя основной дизель меньше времени находится на высоких оборотах, делая машину более тихой в эксплуатации. Гибридная концепция не останавливается в своем развитии, не за горами новый качественный скачок.

Гибридные экскаваторы

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 большие 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.

Одной из последних перспективных разработок компании Caterpillar является гидравлический экскаватор Cat 336E H с гибридным приводом. Модель впервые была представлена еще в октябре 2012 г, а в этом году стала доступна для покупателей.

Основной особенностью экскаватора Cat 336E H является гибридная гидравлическая система, обеспечивающая экономию топлива посредством улавливания и повторного использования энергии. Достигаемая в результате этого топливная эффективность на 50% превышает аналогичный показатель модели 336D. Среди преимуществ, которые дает эта система, — снижение расходов на топливо, снижение токсичности выхлопных газов и сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу. Как утверждает производитель, все это достигается без ущерба для производительности, надежности, прочности и удобства эксплуатации в самых разных условиях.

Caterpillar строит планы по дальнейшему расширению модельного ряда гибридных экскаваторов. На очереди еще две модели — 336F H и 336D H.

Как и 336E H, модели 336F H и 336D H оснащены гибридным электронным программируемым насосом Cat (ESP). Модель 336F H будет оснащаться двигателем Cat C9.3 ACERT™, соответствующим требованиям стандартов на выбросы загрязняющих веществ Tier 4 Final/Stage IV. На экскаваторе 336D H будет устанавливаться двигатель Cat C9 ACERT, предназначенный для эксплуатации в странах, не применяющих стандарты на выбросы загрязняющих веществ Tier 4 Final/Stage IV.

Гидравлический экскаватор Cat® 336E H с гибридным приводом обеспечивает высокую производительность и экономию топлива

Основной особенностью нового экскаватора Cat ® 336E H является инновационная гибридная гидравлическая система, обеспечивающая экономию топлива посредством улавливания и повторного использования энергии. Достигаемая в результате этого топливная эффективность на 50% превышает аналогичный показатель модели 336D. Среди преимуществ, которые дает эта система, — снижение расходов на топливо, снижение токсичности выхлопных газов и сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу. Все это достигается без ущерба для производительности, надежности, прочности и удобства эксплуатации в самых разных условиях.

Модель 336E H была представлена в октябре 2012 г., а в феврале текущего года открылась служба заказов. Первые машины будут поставлены производителем в марте 2013 г. Кен Грей (Ken Gray), менеджер по международным продажам больших гидравлических экскаваторов с электрическим приводом, работающий в отделе экскаваторов Caterpillar, сообщил, что клиенты стали проявлять большой интерес к модели 336E H с момента ее появления: «Заказчики проявили очень высокую заинтересованность в модели 336E H. Они не только приходят в салоны дилеров, чтобы получить больше информации о машине, но и размещают заказы. Первый заказ мы получили 17 октября, на следующий день после презентации модели».

Грей отметил также, что заказчики интересуются планами компании Caterpillar, касающимися расширения модельного ряда экскаваторов на основе гибридных технологий. «Нас очень часто спрашивают, когда будут доступны другие модели с гибридным приводом и какие это будут машины. На данном этапе я не буду разглашать все подробности стратегии нашего развития, скажу только, что скоро мы представим еще две модели гидравлических экскаваторов с гибридным приводом, 336F H и 336D H».

Как и модель 336E H, модели 336F H и 336D H оснащены гибридным электронным программируемым насосом Cat (ESP). Модель 336F H будет оснащаться двигателем Cat C9.3 ACERT™, соответствующим требованиям стандартов на выбросы загрязняющих веществ Tier 4 Final/Stage IV. На модели 336D H будет устанавливаться двигатель Cat C9 ACERT, предназначенный для эксплуатации в странах, не применяющих стандарты на выбросы загрязняющих веществ Tier 4 Final/Stage IV. «Мы разработали насыщенную программу развития модельного ряда, и вслед за этими двумя моделями будут выпускаться и новые машины, — говорит Грей. — Мы планируем оснащать гибридным приводом те модели, модернизация которых может принести заказчикам дополнительную выгоду: снижение расходов на владение и эксплуатацию, что способствует более успешному развитию бизнеса. Наша цель — гарантировать, что при использовании техники Cat прибыль заказчиков будет больше, чем при использовании любой другой техники».

Использование модели 336E H позволяет снизить расходы на владение и эксплуатацию
По словам г-на Грея, ни одна из доступных коммерческих технологий не обеспечивает такую плотность мощности, как гидравлический привод, и именно поэтому компания Caterpillar выбрала эту технологию, чтобы обеспечить существенную экономию топлива. «Мы использовали стандартные гидравлические компоненты Cat, чтобы обеспечить экономию за счет роста масштабов производства, в результате чего удалось достичь существенного снижения затрат наших клиентов на владение моделью 336E H. Кроме того, они ничего не теряют в плане надежности, производительности, мощности, силы, скорости и эффективности работы машины. Дополнительным приятным преимуществом стало снижение уровня шума».

Основные составляющие технологии, применяемой в 336E H
С целью экономии топлива конструкция модели 336E H была задумана относительно простой и создана с использованием трех основных технологий: 1) сокращение расхода топлива благодаря управлению мощностью двигателя с помощью включенного в стандартную комплектацию электронного программируемого (ESP) насоса Cat; 2) оптимизация производительности при помощи клапана запатентованной системы адаптивного управления (ACS) Cat; 3) повторное использование энергии при помощи гидравлической гибридной системы поворота, которая сохраняет энергию торможения механизма поворота платформы в аккумуляторах, а затем высвобождает эту энергию при ускорении поворота платформы.

Дополнительная информация об инновационном клапане системы адаптивного управления (ACS)
По сравнению с системами управления других производителей, доступными в настоящее время на рынке, система Caterpillar ACS обеспечивает интеллектуальное управление ограничениями расхода и потоком жидкости в системе. Являясь «мозгом» гидравлической гибридной системы, система адаптивного управления (ACS) содержит большое количество алгоритмов, обеспечивающих плавное управление рабочим оборудованием без потери мощности. Благодаря наличию системы адаптивного управления (ACS) и интеграции электронного программируемого насоса (ESP) с гибридной системой операторы не замечают изменений в управлении, гидравлической мощности и грузоподъемности машины.

Независимые измерительные клапаны системы адаптивного управления (ACS) способны управлять ограничениями для входного и выходного потоков каждого контура машины, обеспечивая максимальную производительность. Такая система адаптивного управления исключает необходимость использования дополнительных клапанов для регенерации потоков, поступающих в гидроцилиндры стрелы, рукояти и ковша, а также гидрораспределителя точного поворота платформы, так как сама поддерживает такие функции. Так как система встроена в гибридную систему поворота, она позволяет осуществлять точное и плавное управление и повысить производительность оператора. Кроме того, система адаптивного управления имеет функцию управления подогревом и обеспечивает автоматический подогрев гидравлического масла и системы клапанов в холодное время года, что также позволяет повысить производительность и увеличить срок службы компонентов машины. Это способствует снижению расходов на владение и эксплуатацию.

Экономия топлива и возврат вложений в гибридные технологии
Заказчикам гарантируется снижение расхода топлива 336E H на величину до 25% по сравнению со стандартным экскаватором 336E и до 50% — по сравнению с моделью 336D при эксплуатации в самых разных условиях. Все три составляющие технологии — сохранение, оптимизация и повторное использование — объединены с целью максимальной экономии топлива при выполнении различных задач. Точное время возврата начальных инвестиций в модель 336E H будет зависеть от цен на топливо, областей применения машин и количества часов эксплуатации машины в год. При текущих ценах на топливо и использовании 336E H на высокопроизводительных работах по оценкам Caterpillar клиенты могут рассчитывать на возврат инвестиций в эту модель гибридного экскаватора в течение всего лишь одного года, хотя обычно это занимает до 18 месяцев.

Проверка и испытания
Компания Caterpillar проводит строгие испытания для подтверждения расхода топлива, управляемости, надежности и производительности модели 336E H и используемых ею технологий. Проверенные в работе, надежные компоненты гидравлических систем Cat служат основой для создания новых инновационных конструкций машин.

«Мы подвергаем машины тщательным проверкам в соответствии с процессами, которые позволили нам создать самый надежный экскаватор из всех экскаваторов, соответствующих требованиям стандарта Tier 4, — продолжает Грей. — Мы проводим наши стандартные — очень строгие — испытания машины на прочность, когда на ней выполняются миллионы обычных циклов работы, в ходе которых проверяется работа всех компонентов и систем, в том числе и в условиях повышенной вибрации и экстремальных температур». Грей добавил, что модель 336E H соответствует и даже превосходит все ожидания по отношению к ее производительности, включая самые высокие требования заказчиков, рассчитывающих на высокую производительность экскаваторов Cat.

Рассказывает Рэнди Петерсон (Randy Peterson), руководитель отдела разработки новейших технологий в области рабочего оборудования и систем рулевого управления: «Можно сказать, мы хватались за любую возможность, способную обеспечить максимальную производительность машины, необходимую нашим заказчикам, и они оценили это очень высоко. Операторы, работающие на экскаваторах, отмечают, что машины отличаются высокой надежностью, быстротой, точностью управления и мощностью, а также удивительно низким уровнем шума».

Петерсон добавил, что результаты эксплуатации экскаваторов модели 336E H в Калифорнии «более чем впечатляют». Заказчики применяют экскаваторы для выполнения самых разных работ: рытья траншей, загрузки самосвалов, профилирования и подъема тяжелых грузов. По словам Петерсона эти машины работают более девяти месяцев, и за это время они позволили добиться феноменальной экономии топлива. При повышении производительности экономия топлива достигает 20-35% в сравнении с машинами заказчика, не оснащенными гибридным приводом. Заказчики также отмечают, что машины с гибридным приводом отличаются лучшей управляемостью.

На полигоне в Пеории компания Caterpillar провела испытания модели 336E H, используя ее для погрузки самосвалов на одном уровне под углом 90° и 180°, рытья траншей и погрузки с уступа. Испытания показали, что вне зависимости от области применения заказчики гарантированно получат снижение расхода топлива до 25% по сравнению с расходом стандартного экскаватора 336E и до 50% — по сравнению с моделью 336D. Такой результат является доказательством того, что три основные технологии, используемые в данной модели, работают на сокращение расхода топлива даже при низком уровне энергии поворота.

Двигатель, топливо и ходовая часть
Модель 336E H оснащается двигателем Cat C9.3 ACERT, предназначенным для работы на дизельном топливе с очень низким содержанием серы или на смеси биодизельного топлива B20. Высокий расход жидкости гидросистемы рабочего оборудования и высокое давление срабатывания главного предохранительного клапана способствует выработке высокой гидравлической мощности. Экскаватор 336E H может работать с ковшом вместимостью до 3,33 куб. ярда (2,55 м3), а также использовать для работы самое разное навесное оборудование: от гидроножниц и мультипроцессоров до гидравлических дробилок и рыхлителей.

Стандартная усиленная ходовая часть 336E H и противовес массой 5,4 амер. т (4,9 т) в совокупности создают исключительно надежную платформу для копания, подъема грузов и использования рабочего оборудования. Удлиненная стрела для тяжелых условий эксплуатации может использоваться в комбинации с рукоятью длиной 10,5 фута (3,2 м) или 12,8 фута (3,9 м).

Дополнительные функции
Рабочее место оператора экскаватора 336E H отличается комфортом и низким уровнем шума, что положительно сказывается на эффективности работы оператора. Доступны сиденья с пневматической подвеской и подогревом. Джойстики можно отрегулировать в соответствии с предпочтениями оператора, в том числе выбрать схему изменения управления на мониторе. Машина также оснащается автоматической системой климат-контроля, обеспечивающей стабильное поддержание заданной температуры в кабине.

Модель 336E H спроектирована с учетом снижения трудоемкости обслуживания и обладает такими преимуществами, как доступ с уровня земли к основным точкам обслуживания, электрический топливоподкачивающий насос топливной системы, вынесенный кран для слива воды и отстоя из топливной системы и индикатор уровня топлива для предотвращения переполнения топливного бака. В числе прочих средств обеспечения безопасности модель 336E H обладает встроенной конструкцией защиты при опрокидывании (ROPS), противоскользящими поверхностями, программируемыми галогенными фарами, верхним и нижним окнами, которые можно легко хранить в кабине, большим потолочным люком и системой камер заднего вида.

Технические характеристики гидравлического экскаватора 336E H

Эксплуатационная масса, макс.	82 000 фунтов (37 200 кг)	More Less
Номинальная полезная мощность (SAE)	308 л.с. (230 кВт)	More Less
Макс. глубина копания, стандарт.	24 фута 7 дюймов (7490 мм)	More Less
Макс. глубина копания, длинн.	26 футов 10 дюймов (8190 мм)	More Less
Расход жидкости гидросистемы, макс.	150 галл./мин (570 л/мин)	More Less
Давление в гидросистеме, осн.	5076 фунтов/кв. дюйм (35 000 кПа)	More Less
Макс. давление	5366 фунтов/кв. дюйм (37 000 кПа)	More Less

Сайты, посвященные участию компании Caterpillar в выставке bauma 2013 в Мюнхене::
Английский сайт:: http://www.uk.cat.com/bauma
Немецкий сайт:: http://deutschland.cat.com/bauma

Изображение 1

Изображение 2

Примечание для редакторов: компания Caterpillar выпускает свои изделия и услуги на каждый из своих региональных рынков через разные интервалы времени. Компания Caterpillar прилагает все усилия для того, чтобы информация о продукции предоставлялась только после получения подтверждения о ее наличии в соответствующем регионе от дилерской сети, заводов и маркетинговых филиалов компании. Тем не менее, убедительная просьба к редакторам проверять наличие продукции и ее технические характеристики у местных дилеров.

Информация для прессы

Представители средств рекламы Cat Trade Press

Гибридные приводы в дорожно-строительном машиностроении

Развитие гибридных приводов (иногда их называют гибридными силовыми агрегатами или просто гибридами) связано с необходимостью снижения расхода топлива в двигателях внутреннего сгорания и ужесточением экологических норм на эмиссию отработанных газов. Наибольшие успехи достигнуты в области автотранспортных средств, производители которых используют гибридные приводы различных типов.

В дорожно-строительном машиностроении гибридные приводы (ГП) пока распространены в меньшей степени, что связано с тяжелыми условиями эксплуатации дорожно-строительной техники, в том числе с необходимостью реализации больших тяговых усилий. Их устанавливают, как правило, на машины циклического действия, в частности, на фронтальные одноковшовые погрузчики, одноковшовые экскаваторы и бульдозеры, а также на погрузчики и краны.

Гибридным называют привод, содержащий не менее двух источников энергии (двигателей), которые взаимно дополняют друг друга в зависимости от режима нагружения. В основе современного ГП лежит сочетание двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя (ЭД), оснащенных электронной системой управления, которая перераспределяет потоки энергии от ДВС и ЭД. Следует отметить, что разработка ГП стала возможной только благодаря современным достижениям в области электронных систем управления.
Прототипами ГП можно считать дизель-электрические силовые установки различных машин (в том числе одноковшовых экскаваторов, погрузчиков, кранов), которые имеют повышенную надежность узлов за счет значительного снижения количества трущихся деталей в электрических трансмиссиях. Традиционный дизель-электрический привод содержит первичный двигатель — ДВС, который через электрогенератор приводит ЭД исполнительного механизма. Отметим, что в таком приводе отсутствует возможность перераспределения энергии между ее источниками в зависимости от режима эксплуатации машины.

Развитие ГП осуществляют в двух основных направлениях:

1) равноправное объединение ДВС с ЭД (так называемые «полные гибриды»);
2) оснащение ДВС вспомогательным ЭД («неполные гибриды»).

Первое направление, связанное с полными гибридами, активно развивается в области автотранспортных средств, однако пока не нашло развития в дорожно-строительном машиностроении из-за необходимости применения габаритных и тяжелых аккумуляторных батарей.

Второе направление развивается более успешно ведущими производителями дорожно-строительной техники. Имеется два основных варианта конструкций неполных гибридов:

— параллельное сочетание ДВС и ЭД («параллельные гибриды»);
— последовательное размещение ДВС и ЭД («последовательные гибриды»).

Параллельное сочетание ДВС и ЭД осваивают ведущие производители дорожно-строительной техники. Например, компании «Komatsu» и «Hitachi» (Япония), «Volvo» (Швеция), «Caterpillar» (США), «Atlas Weyhausen» (Германия) и др. выпускают машины с гибридными силовыми агрегатами. При таком сочетании источников энергии ЭД используют как дополнение к дизельному двигателю. Совместное функционирование дизельного и электрического двигателей в составе ГП позволяет каждому источнику энергии работать в оптимальном режиме, дополняя друг друга при различных условиях эксплуатации. ЭД практически мгновенно дает дополнительную мощность, не расходуя топливо и не загрязняя окружающую среду.

Все серийно выпускаемые машины для земляных работ с параллельным расположением источников энергии имеют тяговые электродвигатели постоянного тока. Например, такие приводы имеют гибридные экскаваторы компании «Komatsu». Машины первого поколения были выпущены компанией в 2008 году (модель РС200LС-8 Hybrid), второго поколения — в 2011 году. В конструкции экскаватора второго поколения (модель Komatsu НВ215LС-1) использованы ДВС, а также следующие электрические компоненты:

— электрический агрегат, способный работать в режимах генератора и двигателя (мотор-генератор);
— инвертор (преобразователь переменного тока в постоянный, т.е. трансформатор);
— аккумуляторная батарея (конденсатор);
— электродвигатель постоянного тока.

Мотор-генератор объединен с маховиком ДВС и располагается между дизелем и гидронасосом привода исполнительных механизмов (рабочих органов). При работе в режиме генератора мотор-генератор вырабатывает переменный ток и передает его в трансформатор, который преобразует переменный ток в постоянный и передает его в накопительный конденсатор. В свою очередь, конденсатор накапливает постоянный ток и отдает электроэнергию или электродвигателю, или мотор-генератору в зависимости от режима эксплуатации. Современные аккумуляторы гибридов иногда называют суперконденсаторами, поскольку их электрическая емкость превосходит емкость традиционных аккумуляторов на порядок и более.

На рисунке 10.1 представлена структурная схема параллельного гибрида и показаны два основных режима его работы:

первый — режим работы мотор-генератора как генератора отражен на структурной схеме сплошной линией: ДВС — М-Г — Тр — АБ — ЭД — ИМ;.
второй — режим работы мотор-генератора как электродвигателя отражен на схеме пунктиром: АБ — Тр — М-Г — ИМ + ДВС — ИМ.

Одна из главных особенностей ГП — это способность возвращать энергию, которая в традиционных приводах теряется безвозвратно. При замене гидропривода поворота платформы на гибридный вариант (по данным опытных испытаний упомянутых ранее гибридных экскаваторов компании «Komatsu») экономия топлива достигает 30-40 % в зависимости от вида строительных работ по сравнению со стандартными аналогами той же фирмы. ЭД гибрида преобразовывает механическую (кинетическую) энергию торможения при повороте платформы в электрическую. При торможении ЭД работает как генератор и через блок управления передает энергию торможения обратно в конденсатор. Она запасается в конденсаторе и используется для питания электродвигателя или мотор-генератора. Если электроэнергия поступает в мотор-генератор, он работает в режиме электродвигателя и помогает дизелю приводить в действие гидронасосы рабочих органов. Мотор-генератор способен развивать дополнительную мощность более 40 кВт.

Работу ГП регулирует электронная система управления, которая обеспечивает эффективное использование электроэнергии для функционирования машины в зависимости от условий эксплуатации в различных вариантах: мотор-генератор в режиме ЭД вместе с ДВС приводит механизмы или в режиме генератора заряжает накопительный конденсатор, а конденсатор передает электроэнергию ЭД или мотор-генератору.

В качестве примера можно привести гибридный привод «Deutz hibrid drive», установленный на фронтальный погрузчик немецкой фирмы «Atlas Weyhausen». Электрический агрегат включают для обеспечения потребности в пиковой мощности при низких и средних нагрузках. В режиме работы, когда необходима только часть мощности ДВС, аккумулятор заряжается в диапазоне номинальной выходной мощности дизельного двигателя, что способствует оптимизации расхода топлива. В режиме торможения энергия торможения направляется с электроагрегата на аккумулятор.

Таким образом, сочетание ДВС и ЭД имеет следующие особенности:

— гибридная силовая установка может работать как двигатель и как генератор;
— появляется возможность уменьшения мощности ДВС без снижения общей мощности силовой установки;
— снижается расход топлива и выбросов отработанных газов в атмосферу из-за уменьшения мощности дизельного двигателя;
— требуются незначительные изменения в конструкции дизельного двигателя без изменения конструкции машины;
— отпадает необходимость в генераторе и стартере.

Представления о характеристиках параллельного гибрида дают следующие цифры (на примере грузовиков компании «Volvo»): напряжение на аккумуляторной батарее составляет 600 В, мощность ЭД — 120 кВт, мощность ДВС — 300 кВт.

Неполные гибриды с последовательным расположением ДВС и ЭД (последовательные гибриды), строго говоря, не являются гибридами, к которым их традиционно причисляют. Конструкция такого привода обеспечивает последовательный переход механической энергии ДВС в электрическую энергию генератора и затем обратно в механическую при помощи ЭД, т.е. первичный двигатель приводит ЭД без обратной силовой связи, как в параллельных гибридах. Между тем, такие неполные гибриды находят все более широкое применение, поскольку существенно упрощают трансмиссионные передачи по сравнению с механическими аналогами.

В качестве примера последовательного гибрида можно привести привод хода бульдозера (модели D7E), выпущенного компанией «Caterpillar». В этом бульдозере первичным является дизельный ДВС, который через генератор переменного тока приводит два бортовых тяговых ЭД переменного тока. Каждый из них кинематически через бортовые редукторы (планетарного или традиционного типа) связан с ведущей звездочкой гусеничного движителя, осуществляя передвижение бульдозера. В таком варианте привода значительно упрощается трансмиссия, поскольку отпадает необходимость в коробке перемены передач, карданном вале и других элементах механических передач. По существу, ЭД переменного тока выполняют функции элементов бесступенчатой трансмиссии. Результаты технико-эксплуатационной оценки бульдозера с гибридным приводом хода показывают следующее:

— ДВС работает в достаточно узком диапазоне номинальной частоты вращения коленчатого вала (1450-1650 мин-1), что увеличивает ресурс машины в целом и повышает комплексные показатели надежности;
— упрощена система управления бульдозером благодаря эффективному использованию современной микропроцессорной и компьютерной техники для автоматизации рабочего процесса;
— бульдозер имеет высокую удельную производительность: он способен перемещать на 25 % больше грунта на каждый литр израсходованного топлива, чем бульдозер той же мощности с традиционным приводом;
— электрическая силовая установка содержит на 60 % меньше подвижных частей по сравнению с традиционной трансмиссией.

Другим примером неполного гибрида с последовательным расположением источников энергии может служить фронтальный погрузчик корпорации «Volvо» (моделей L220F и L240F). В его приводе использованы ДВС, а также следующие электрические компоненты:

— стартер-генератор;
— аккумуляторная батарея;
— электродвигатель переменного тока;
— электронная система управления.

Основой гибридного агрегата является интегрированный стартер-генератор (ISG) который устанавливают между дизелем и электротрансмиссией и подсоединяют к мощной аккумуляторной батарее. Он обеспечивает запуск дизельного двигателя, выполняя задачу традиционного электрического инерционного стартера. Отметим, что обычный стартер имеет в своём составе электродвигатель, редуктор, устройства сцепления и расцепления коленчатого вала ДВС с маховиком.

Стартер-генератор обеспечивает при необходимости автоматическое отключение дизеля, а затем практически мгновенный перезапуск за счёт батареи. Кроме того, он решает традиционную проблему дизельного двигателя, которая состоит в небольшом крутящем моменте при малой частоте вращения коленчатого вала. Стартер-генератор через электродвигатель увеличивает крутящий момент (до 700 Н*м) непосредственно из состояния покоя. Таким образом, генератор выдаёт фронтальному погрузчику дополнительно 50 кВт, что отражается на быстродействии исполнительных механизмов погрузчика.

Следует отметить, что использование гибридных установок повышает стоимость машин на 20-25 %, тем не менее, за счет упомянутых технико-экономических достоинств первоначальные финансовые вложения быстро окупаются в период эксплуатации.