Куда идет масло, когда машинист двигает джойстики? Управляй стрелой, рукоятью, ковшом и поворотом и смотри, как насосы делят поток между цилиндрами.
Дизель крутит насосы, насосы подают масло к распределителям. Машинист двумя джойстиками двигает золотники, и каждый золотник открывает путь к своему потребителю: цилиндрам стрелы, рукояти и ковша или гидромоторам поворота и хода. Сила цилиндра зависит от давления, скорость от того, сколько масла в него пришло. Главная трудность в том, что масла на все сразу не хватает: когда машинист одновременно поднимает стрелу и поворачивает, насосам приходится делить поток. Как его делить, решает схема машины.
Давление дает силу, расход дает скорость, а насосы ограничивают сумму расходов. Вывод первых двух формул в механике, в темах «Закон Паскаля и гидродомкрат» и «Гидроцилиндр». Здесь они применены к настоящей машине.
С какой силой цилиндры поднимают стрелу?
Давление действует на всю площадь поршня. Стрелу поднимают два цилиндра сразу, поэтому площадь удваивается. Давление ограничено настройкой предохранительного клапана (тема 5.3).
Как быстро движется цилиндр?
Масло, пришедшее в цилиндр, освобождает себе место, отталкивая поршень. Чем больше площадь, тем медленнее движение при том же расходе. Поэтому огромные цилиндры карьерной машины требуют огромных насосов.
Как поделить масло, если его не хватает?
В системе с делением потока за каждым золотником стоит компенсатор, и все запросы урезаются в одной пропорции k. Все движения замедляются одинаково, и ковш идет по той траектории, которую задал машинист.
Масло, как вода, течет туда, где сопротивление меньше. Если стреле нужно 200 бар, а повороту 150, насос поднимет давление только до 150, и почти все масло уйдет в поворот. Стрела начнет двигаться, только когда поворот дойдет до упора или разгонится.
Компенсатор за каждым золотником сам прикрывает путь к легкому потребителю, выравнивая перепад на всех золотниках. Тогда расход через каждый золотник зависит только от того, насколько открыт золотник, то есть от джойстика (формула щели из темы 5.2).
У Komatsu PC4000 четыре одинаковых насоса на общем редукторе, вместе до 4140 л/мин при 310 бар. У Liebherr R 9400 четыре насоса для оборудования по 751 л/мин и отдельные два для поворота: поворот не отбирает масло у стрелы.
Копание, подъем с поворотом, выгрузка, возврат: у карьерного экскаватора цикл около 30 секунд. Каждая секунда на цикле это несколько тысяч тонн за смену. Скорость цилиндров прямо зависит от подачи насосов.
Самосвал грузоподъемностью 220 т экскаватор с ковшом 22 м³ загружает за 4–5 ковшей. Если насос изношен и подача упала на 10 %, растет время погрузки и простой всего парка самосвалов.
Механик засекает время полного хода цилиндра рукояти без нагрузки и сравнивает с нормой из руководства. Медленнее нормы значит износ насоса, утечки в цилиндре или неверная настройка регулятора.
На высоте 3000–4000 м дизель теряет мощность из-за разреженного воздуха. Регулятор насосов должен это учитывать, иначе на тяжелом копании двигатель будет «садиться».
У многих экскаваторов есть переключатель режимов: мощный, экономный, точный. Он меняет предел мощности насосов и обороты двигателя, то есть ту самую гиперболу p · Q из темы 5.4.
Так же устроены фронтальные погрузчики, буровые станки и краны-манипуляторы: несколько потребителей, ограниченный поток, и схема решает, как его делить.
Подача насосов и настройки клапанов взяты из открытых данных производителей: PC4000 4 насоса, всего 4140 л/мин, 310 бар; R 9400 4 × 751 л/мин при 320 бар и 2 × 390 л/мин на поворот. Размеры цилиндров, наибольшие расходы на каждую функцию и давления нагрузки оценочные, для наглядности. Регулятор мощности идеальный: насосы берут не больше 90 % мощности двигателя, остальное уходит на вентилятор и потери. Разные давления разных насосов не учтены: все насосы работают на общий коллектор с одним давлением. Без компенсаторов масло идет строго к самой легкой нагрузке, в жизни деление мягче. Кинематика стрелы, рукояти и ковша нарисована упрощенно, масса и инерция не учтены, скорости поворота и хода пересчитаны из паспортных значений пропорционально расходу.