Компоненты погрузчиков

Продолжаем публикацию перевода отдельных глав из книги «100 лет вилочному погрузчику», выпущенной бельгийской компанией TVH (100 Years Forklift Trucks. Belgium: TVH Forklift Parts N.V., 2005). Настоящая статья посвящена некоторым наиболее важным компонентам погрузчиков разных типов.

Электродвигатель

Главным компонентом вилочного электропогрузчика, ответственным за производительность, безусловно, нужно считать силовой агрегат. В настоящее время в индустрии производства этого вида напольного транспорта явственно прослеживается тенденция к использованию двигателей переменного тока. С самого начала создания электропогрузчиков и до 1990-х годов в их конструкции применяли обычные двигатели постоянного тока (DC): достойной альтернативы им в тот период просто не было. Только после 1990 г. в промышленное производство погрузчиков почти одновременно пришли два новых типа двигателей: переменного тока низкого напряжения (АС-двигатель) и электродвигатель c независимым возбуждением (Separately Excited Motor, SEM). У SEM-агрегатов отсутствуют контакторы направления дви­жения. Ослабление возбуждения для ускорения больше не нужно, и торможение осуществляется регенеративно. В изготовлении двигатель с независимым возбуждением мало отличается от обычного DC-двигателя. Кроме этого двигатель и управление в этом случае не должны специфически соответствовать друг другу, поэтому в традиционной промышленности производства погрузчиков АС-двигатель несколько отодвинут на второй план. Тем не менее с конца 1990-х конструкторы вновь обратили внимание на эту конструкцию электропривода. Действительно, АС-двигатели технологичны в изготовлении и имеют целый ряд определенных преимуществ. В частности, в них не используются угольные щетки, которые надо регулярно заменять вследствие истирания о коллектор. Поэтому такие двигатели не требуют обслуживания и могут быть сделаны герметичными, т. е. полностью защищенными от попадания в них пыли, грязи или влаги.

К тому же благодаря высокочастотному управлению АС-двигатели обеспечивают лучший возврат (рекуперацию) электроэнергии. Впервые такие двигатели стала применять на моделях своих вилочных погрузчиков с противовесом известная немецкая компания Still.

Электронные системы

Техника управления двигателем также полностью изменилась. С 1920-х по 1950-е годы при производстве погрузчиков применяют Carbon Pile – систему управления, которая состоит из нескольких угольных колец в качестве сопротивления и последовательно включает их в цепь питания двигателя движения. При нажатии на педаль скорости угольные кольца прижимаются, в результате чего уменьшается электрическое сопротивление и увеличивается скорость машины.

Следующей ступенью развития (с конца 1940-х до начала 1960-х годов) стал барабанный контроллер, который при нажатии педали скорости замыкал определенные участки металлического сопротивления. Благодаря изменению сопротивления регулировалась скорость вращения ротора двигателя. Другим техническим решением, которое нашло применение в 1950-е годы, стала система из многих выключателей, которые через микропереключатели педали скорости включали и отключали пусковое сопротивление с различными шагами. В начале 1960-х годов при производ­стве вилочных погрузчиков стали применять электронные системы управления на тиристорах или с выключателями нагрузки и SCR-управлением (Silicon Controlled Rectifier). Системы управления SCR сравнительно громоздкие, поскольку, чтобы включать или выключать в них главный тиристор, необходим комплексный контур с конденсаторами и индуктивной катушкой.

В 1980-е годы сделан еще один важный шаг: начинается использование микропроцессоров, которые изобрели в 1971 г. Faggin, Hоff и Mazor. C внедрением микропроцессоров управление стало более компактным и быстродействующим. Микропроцессоры могут также быстрее обнаруживать отклонения в работе двигателя и тем самым быстрее выполнять необходимое регулирование. Был создан и выключатель нагрузки – биполярный транзистор. Вообще, транзистор изобрели в 1947 г. Bardeen, Brattain и Shockley, но до этого он не мог переключать высокое напряжение тяговых аккумуляторных батарей (АКБ). Новый выключатель нагрузки легче срабатывает, чем SCR-управление, ему не нужен комплексный контур включения главного тиристора. Система управления с биполярным транзистором к тому же меньше и дешевле. Правда, и она не лишена недостатков, один из которых – и достаточно существенный – то, что система может работать только при невысоком напряжении, не более 36 В. С появлением на рынке другого вида выключателя нагрузки – на основе силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник MOSFET (Metal Oxid Silicon Field Effect Transistor) управление
не только облегчилось, он и срабатывает очень быстро и без потерь энергии, его можно без проблем подключать параллельно и таким образом регулировать даже большое напряжение, а значит, применять на тяжелых вилочных погрузчиках. Выключатели MOSFET пригодны для регулировки напряжения АКБ до 96 В. В настоящее время для переключения такого высокого напряжения применяют другую технику – на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor). Она почти так же легко срабатывает, как MOSFET, и столь же надежна, как SCB-управление.

С внедрением этих технических новшеств системы управления стали компактней, эффективней, мощней и надежней, а их стоимость – ниже. Благодаря применению высокочастотной техники в зарядных устройствах АКБ можно заряжать за кратчайшее время до максимально больших значений тока. В частности, метод Pitstop позволяет провести зарядку во время обеденной паузы и других перерывов в работе погрузчика, а значит, АКБ можно эксплуатировать более продолжительное время или, наоборот, для выполнения той же работы может быть выбрана АКБ меньшей емкости.

Применение электронных систем на вилочных погрузчиках с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) прежде всего повышает производительность, безопасность, комфорт и удобство пользования машиной, поскольку электроника своевременно предупреждает о возникновении опасных ситуаций. Примерами таких систем может служить Curve Speed Reduction, разработанная немецкой компанией Jungheinrich (элемент безопасности, который улучшает устойчивость машины к опрокидыванию, снижая ее скорость в зависимости от угла поворота) или System for Active Sаfеtу (SAS) японского концерна Toyota. В системе SAS управление осуществляется электроникой на основе данных, поступающих от датчиков, например, высоты подъема груза, скорости движения и угла поворота машины. Как только значение какого-либо из параметров или их совокупности достигает критической величины, компьютер выдает сигнал на стопорение маятникового движения задней оси с помощью гидроцилиндра.

Электрические кабельные соединения сегодня также имеют принципиально иной вид. Благодаря новым разработкам в области электроники нашли применение схемы последовательной передачи информации. В конце XX столетия это привело к созданию шины обмена данных Can-bus, в которой вместо обычной многожильной кабельной стренги имеется всего два провода для связи и передачи цифровой информации и два провода для подвода напряжения (при использовании внешнего источника питания). Данные принимаются электронными системами вилочного погрузчика и в цифровой форме передаются по каналу связи. Каждый пакет данных имеет свой собственный, неизменный адресный код, который распознается «интеллектуальной» внешней станцией, благодаря чему информация попадает к нужной системе или узлу погрузчика, где включает освещение, увеличивает частоту вращения двигателя и т. п. Эти особенности Can-bus-систем предоставляют совершенно новые возможности получать дополнительную информацию, например, о сбоях в работе агрегатов или их перегрузке.

Такие шины обмена данными повсеместно стали промышленным стандартом. Типичными примерами применения электроники на вилочных погрузчиках с ДВС стали система управления двигателем, основанная на Can-bus-системе, и электронное управление, которое сейчас входит в серийную комплектацию прежде всего тяжелых вилочных погрузчиков.

Шаccи

«Дай мне точку опоры, на которой я мог бы стоять, и я поверну землю», – говорил Архимед. Действительно, опора – основа любого рычажного механизма. Это в равной мере относится к вилочному погрузчику: от его фронтальной и боковой устойчивости напрямую зависят его грузоподъемность и предельно допустимые нагрузки. Необходимая динамическая устойчивость достигается в случае, если шасси и надстройка сконструированы так, что все колеса машины постоянно контактируют с дорожным покрытием. Для этого нужны как можно бo’льшая колесная база и как можно более низкий центр тяжести. По этой причине у современных вилочных погрузчиков при одинаковой длине шасси диаметр колес меньше, а колесная база больше по сравнению с прежними моделями. Электропогрузчики, у которых АКБ расположена непосредственно на шасси посередине колесной базы, имеют очень низкий центр тяжести и благодаря этому высокую устойчивость. Статистика конца 1990-х годов показывает, что около 25,3% всех смертельных случаев, связанных с работой на вилочных погрузчиках, вызвано их опрокидыванием и лишь 14,4% – падением груза. Именно поэтому норматив Европейского Союза EN 1726 ставит перед изготовителями весьма жесткие требования: чтобы снизить риск бокового и фронтального опрокидывания при нормальной работе, вилочные погрузчики должны пройти нормативные испытания на устойчивость и не иметь остаточных деформаций.

Наивысшие требования по безопасности предъявляют к вилочным погрузчикам большой грузоподъемности и машинам, которые используют для работ на открытых площадках. Для них жесткое сварное цельное шасси является обязательным стандартом исполнения. При этом двигатель, коробка передач и дифференциал должны быть установлены как можно ниже. Серьезным прогрессом в обеспечении устойчивости погрузчиков стала система активной стабилизации SAS (Sуstem for active Stability), которой оборудуют 7-ю серию погрузчиков фирмы Toyota. SAS превентивно срабатывает в ситуациях, когда по­грузчику угрожает опрокидывание вбок, вперед или назад.

По сигналам от датчиков система анализирует, находится ли погрузчик в потенциально опасной ситуации, и при необходимости активирует функцию безопасности. Принцип работы сенсорного датчика, который используется для замеров отклонений машины в стороны, такой же, как спутниковой навигационной системы.

Аккумуляторные батареи

В процессе совершенствования электропогрузчиков их стали оснащать более тяжелыми АКБ, т. е. все большей емкости, по­этому производительность машин с появлением каждой новой модели по­стоянно возрастает. Так, предшествующие поколения вилочных по­грузчиков оснащали АКБ емкостью 200 А·ч, а сегодня их комплектуют аккумуляторными батареями емкостью от 600 до 750 А·ч, что увеличивает их грузоподъемность и время работы без подзарядки. Что касается принципа действия АКБ, то здесь не было особых прорывов, однако сами изделия стали больше и мощнее. Можно отметить и прогpeсc, достигнутый в отношении сокращения времени зарядки и организации циркуляции жидкости в батарее. Электроника используется для превентивного контроля АКБ и позволяет контролировать температуру, уровень жидкости в ячейках, дефекты ячеек и потоки энергии. С помощью высокочастотных зарядных устройств АКБ можно за короткое время заряжать до очень больших значений тока.

С 1990-х годов на рынке представлены батареи с циркуляцией кислоты. Благодаря прогрессу в технологии рекуперации теперь погрузчики могут работать более продолжительное время. Так, теперь АКБ сохраняет работоспособность в течение 8-часовой рабочей смены. Основной принцип не нов. Еще в 1980-е годы фирма Still создала систему, которая возвращала высвобождающуюся в процессе торможения погрузчика энергию обратно в аккумулятор. Таким образом может экономиться достаточно большой процент мощности АКБ.

В начале 1970-х годов фирма Clark, первый в мире изготовитель вилочных погрузчиков, реализовала возможность выбора между двумя значениями напряжения на вилочных погрузчиках с электроприводом. Это позволяет при необходимости передвигаться с большими скоростями, если оператор выберет режим максимальной мощности или режим экономии с пониженным энергопотреблением.

(Окончание следует)

Перевод с немецкого Л. Цинцевича

Редакция «СиТ» благодарит Харальда Кёльпина, генерального директора ООО «Форклифттракс», за помощь в подготовке статьи