Устройство гидравлики экскаватора: узлы и схема

Экскаватор копает не за счет мускульной силы двигателя, а за счет давления масла в замкнутом контуре. Дизель крутит насос, насос гонит масло к цилиндрам и моторам, а те превращают давление жидкости в усилие на ковше. Разберем, из каких узлов состоит эта система, как она устроена и что чаще всего в ней ломается.

Зачем экскаватору гидравлическая система

Гидропривод выбрали не случайно. Он передает большие усилия через тонкие рукава высокого давления, а не через громоздкие валы и шестерни, как в механической трансмиссии. Один и тот же насос питает сразу несколько потребителей: стрелу, рукоять, ковш, поворот платформы, ход гусениц. При этом каждый узел можно регулировать независимо, плавно меняя скорость от нуля до максимума простым отклонением джойстика.

Второй плюс — компактность. Гидроцилиндр диаметром 12-16 см способен развивать усилие в десятки тонн, а электродвигатель или механический привод с той же отдачей занял бы в разы больше места. Поэтому гидравлика стоит не только на экскаваторах, но и на большей части строительной техники. Общие принципы такой системы разобраны в статье про Гидравлическая система спецтехники: как устроена и работает, здесь же речь пойдет именно про экскаваторный контур с его особенностями.

Из чего состоит гидравлика экскаватора: основные узлы

Полный контур собирается из шести групп элементов.

Гидробак — резервуар для масла с сапуном, заливной горловиной и сливными пробками, часто выполняет роль охладителя за счет большой площади стенок.
Гидронасос — механический «сердечник» системы, преобразует крутящий момент двигателя в поток масла под давлением.
Гидрораспределитель (золотниковый блок) — направляет поток к нужному потребителю и регулирует скорость его движения.
Гидроцилиндры стрелы, рукояти и ковша — линейные исполнительные механизмы.
Гидромоторы хода и поворота платформы — вращательные исполнительные механизмы.
Рукава высокого давления, трубопроводы, фильтры и клапаны — соединяют узлы между собой и защищают систему от перегрузок и загрязнений.

Все это связано в несколько параллельных контуров: отдельно контур стрелы, рукояти и ковша, отдельно контур хода и поворота. На современных машинах часть контуров может объединяться через сумматор потока, чтобы одновременно копать и разворачиваться без потери скорости.

Гидронасос: типы и принцип работы

Насос — это узел, который задает и давление, и производительность всей системы. На экскаваторах встречаются три основные схемы.

Шестеренные насосы — самая простая и дешевая конструкция. Две шестерни в плотном корпусе перегоняют масло из зоны всасывания в зону нагнетания за счет вращения зубьев. Такие насосы ставят на мини-экскаваторы и вспомогательные контуры, где не требуется высокое давление и переменная подача.

Пластинчатые насосы работают за счет подвижных пластин в роторе, которые под действием центробежной силы прижимаются к эксцентричному корпусу статора. Они тише шестеренных и позволяют менять рабочий объем, но на тяжелой технике встречаются реже.

Аксиально-поршневые насосы — основной вариант для полноповоротных гидравлических экскаваторов среднего и крупного класса. Несколько поршней движутся возвратно-поступательно внутри блока цилиндров, который вращается вокруг наклонной шайбы. Меняя угол наклона шайбы, насос регулирует подачу масла без изменения оборотов двигателя — это и есть механизм переменной производительности, который экономит топливо на холостых операциях и выдает максимальный поток под полной нагрузкой.

На большинстве машин используется сдвоенный насос: два независимых потока питают разные контуры, что позволяет одновременно двигать стрелу и рукоять без взаимного «проседания» скорости.

Гидрораспределитель и клапаны: как управляются потоки масла

Гидрораспределитель — это блок золотников, каждый из которых отвечает за свой потребитель: стрелу, рукоять, ковш, поворот, левую и правую гусеницу. Когда оператор отклоняет джойстик, золотник смещается и открывает проход маслу в нужную полость цилиндра или мотора, одновременно соединяя противоположную полость со сливом в бак.

Чем сильнее отклонен рычаг, тем больше открывается проходное сечение золотника и тем выше скорость движения рабочего органа. Это и есть пропорциональное управление, которое дает экскаваторщику плавный, а не рывками, контроль над ковшом.

Кроме золотников, в распределителе и рядом с ним стоит несколько типов клапанов:

предохранительный клапан ограничивает максимальное давление в контуре и сбрасывает излишек масла обратно в бак, защищая насос и рукава от разрыва;
обратные клапаны не дают маслу течь в обратную сторону, когда золотник закрыт;
тормозные и противоударные клапаны в цилиндрах стрелы удерживают груз при отказе питания и гасят гидроудар при резкой остановке.

Именно предохранительный клапан чаще всего первым сигнализирует о проблеме: если он стравливает масло раньше времени, экскаватор теряет усилие на ковше при полной нагрузке двигателя.

Гидроцилиндры и гидромоторы: рабочие органы

Гидроцилиндр двойного действия — это труба (гильза) с поршнем внутри и штоком, который выходит наружу через переднюю крышку с уплотнениями. Масло подается попеременно то в поршневую, то в штоковую полость, поэтому цилиндр одинаково уверенно и толкает, и тянет. На экскаваторе таких цилиндров минимум три: подъем стрелы, поворот рукояти, поворот ковша, у машин с грейферным оборудованием или дополнительным навесным инструментом их может быть больше.

Диаметр гильзы и рабочее давление определяют усилие на штоке. У стрелового цилиндра экскаватора массой 20 тонн диаметр поршня обычно составляет 120-140 мм, что при давлении 300 бар дает усилие в районе 30-40 тонн.

Гидромоторы устроены похоже на насосы, только работают в обратную сторону: поток масла заставляет их вращаться, а не наоборот. Гидромотор поворота платформы через редуктор крутит венец поворотной опоры, гидромоторы хода вращают ведущие звездочки гусениц через бортовые редукторы. На большинстве экскаваторов моторы хода двухскоростные: на низкой передаче машина держит момент для преодоления подъема, на высокой — едет быстрее по ровной площадке.

Гидравлическое масло и рабочее давление

Масло в этой системе не просто смазка, а рабочее тело, которое передает энергию. От его вязкости и чистоты напрямую зависит ресурс насоса и точность управления.

Рабочее давление в основном контуре современных гидравлических экскаваторов среднего и тяжелого класса держится в диапазоне 300-380 бар. У мини-экскаваторов и легких моделей оно обычно ниже, порядка 200-250 бар, что связано с меньшими нагрузками и упрощенной конструкцией насоса.

Для заправки используют минеральные гидравлические масла классов вязкости HVLP 46 или HVLP 68 — конкретную марку и класс всегда указывает завод-изготовитель в руководстве по эксплуатации. Для холодного климата берут менее вязкое масло, чтобы избежать масляного голодания насоса при пуске на морозе.

Чистота масла критична не меньше вязкости. Частицы абразива размером в несколько микрон, попавшие в зазоры золотника или в поршневую пару насоса, за считанные часы работы превращают точный узел в источник утечек и падения давления. Поэтому в контуре стоит минимум один, а часто два-три фильтра: на линии всасывания, на сливе и иногда на напоре.

Виды гидравлических систем экскаваторов

По принципу регулирования подачи масла гидравлические системы экскаваторов делятся на несколько типов.

Системы с постоянной подачей используют нерегулируемый насос, а лишний поток при частичной нагрузке сбрасывается через предохранительный клапан в бак. Это просто и дешево, но неэффективно: часть энергии двигателя уходит впустую в виде тепла.

Системы с переменной подачей (load sensing) отслеживают реальную нагрузку на каждом контуре и подстраивают производительность насоса под текущую потребность. Насос выдает ровно столько масла, сколько нужно в данный момент, что заметно экономит топливо и снижает нагрев системы.

Открытый и закрытый контур. В открытом контуре, который используется почти на всех экскаваторах, масло после совершения работы возвращается в общий бак и снова забирается насосом. В закрытом контуре, чаще применяемом для гидромоторов хода на некоторых моделях, масло циркулирует между насосом и мотором напрямую, а бак используется только для подпитки и компенсации утечек.

Выбор схемы влияет на топливную экономичность, стоимость обслуживания и ремонтопригодность машины, поэтому при подборе техники стоит уточнять у продавца, какая система стоит на конкретной модели.

Частые неисправности гидравлики и их признаки

Большинство поломок гидравлики укладывается в несколько типовых сценариев.

Самопроизвольное опускание стрелы под собственным весом или весом груза чаще всего вызвано износом уплотнений поршня в гидроцилиндре либо негерметичностью золотника в распределителе — масло медленно перетекает из рабочей полости, и стрела «садится».

Падение усилия на ковше при исправном двигателе обычно указывает на неисправный или разрегулированный предохранительный клапан, который стравливает давление раньше расчетного порога, либо на износ насоса.

Кавитация насоса возникает, если на всасывающей магистрали не хватает масла — из-за низкого уровня в баке, забитого фильтра или подсоса воздуха через неплотное соединение. Внешне это проявляется характерным гулом или треском в насосе и быстрым падением его ресурса, вплоть до задира деталей.

Перегрев масла выше 80-90 градусов ускоряет старение присадок и снижает вязкость, из-за чего растут внутренние утечки во всех узлах сразу — экскаватор в целом становится «вялым».

Течи на рукавах высокого давления и фитингах — самая частая и заметная проблема, обычно связана с истиранием оплетки РВД о раму или соседние детали, а также с естественным старением резины.

Обслуживание гидросистемы: на что обратить внимание

Регулярное обслуживание гидравлики сводится к нескольким простым, но обязательным правилам.

Уровень масла проверяют ежедневно перед началом смены, при этом стрела и рукоять должны находиться в положении, указанном в инструкции — обычно полностью выдвинутыми и опущенными на землю.

Фильтры гидросистемы меняют чаще, чем масло: каждые 250-500 моточасов против 1000-2000 моточасов для самого масла. Экономия на фильтрах напрямую бьет по ресурсу насоса, потому что именно фильтр не пускает абразив в самые нагруженные узлы.

Рукава высокого давления осматривают на предмет потертостей, вздутий и подтеков после каждой смены, а меняют по состоянию либо по регламенту производителя, даже если внешне рукав выглядит целым — резина стареет и теряет эластичность независимо от нагрузки.

Плановое техническое обслуживание экскаватора включает проверку давления в контурах манометром, контроль затяжки соединений и состояния сапуна гидробака — подробный порядок таких работ описан в статье про Техническое обслуживание экскаватора. Своевременная диагностика обходится в разы дешевле, чем замена насоса или гидроцилиндра после серьезного отказа.

Коротко о главном

Гидравлика превращает мощность двигателя в давление масла, а давление — в усилие на ковше, стреле и ходовой части.
Основные узлы системы: гидробак, насос, распределитель, гидроцилиндры, гидромоторы, рукава и фильтры.
На тяжелых экскаваторах чаще стоит аксиально-поршневой насос с регулируемой подачей, на легкой технике — шестеренный.
Рабочее давление в основном контуре современных экскаваторов — 300-380 бар, у мини-моделей ниже, 200-250 бар.
Самопроизвольное опускание стрелы, падение усилия на ковше и течи РВД — самые частые сигналы неисправности гидравлики.
Фильтры меняют чаще масла, а уровень и состояние рукавов проверяют ежедневно перед сменой.

Часто задаваемые вопросы

Какое давление в гидросистеме экскаватора? У современных гидравлических экскаваторов рабочее давление в основном контуре достигает 300-380 бар, у мини-экскаваторов и легкой техники обычно 200-250 бар.

Какое масло заливают в гидравлику экскаватора? Минеральное гидравлическое масло определенного класса вязкости, чаще HVLP 46 или 68. Конкретную марку и вязкость завод указывает в руководстве, для холодного климата берут менее вязкое масло.

Почему стрела экскаватора самопроизвольно опускается? Чаще всего причина в износе уплотнений гидроцилиндра или негерметичности золотника распределителя, из-за чего масло уходит из полости цилиндра под весом стрелы.

Какие насосы используют в гидравлике экскаватора? На легкой технике и погрузчиках ставят шестеренные насосы, на полноповоротных экскаваторах основной насос обычно аксиально-поршневой регулируемый, он держит высокое давление и меняет подачу под нагрузкой.

Как часто менять гидравлическое масло в экскаваторе? Обычно раз в 1000-2000 моточасов или по регламенту производителя, а фильтры гидросистемы меняют чаще, каждые 250-500 моточасов, чтобы не допустить кавитации насоса.