Строительные машины

Раздел: Строительство

На строительных машинах применяют следующие виды силовых установок: а) электрические двигатели постоянного и переменного тока; б) двигатели внутреннего сгорания — карбюраторные, работающие на легком топливе (бензине), и дизели, работающие на дизельном топливе; в) гидравлический привод; г) пневматический привод; д) комбинированный привод — дизель-электрический, дизель-пневматический, дизель- или электрогидравлический. У машин с комбинированным приводом, например дизель-электрическим, энергетической установкой является дизель, который приводит в движение генератор переменного или постоянного тока, питающий энергией отдельные электродвигатели исполнительных механизмов.

Могут быть и более сложные комбинации приводов, например дизель-электрогидравлический. Такой привод применяется у современных самоходных скреперов, где источником энергии является дизель который приводит в движение генератор электрического тока, питающий током отдельные встроенные электродвигатели ходовых колес (мотор-колёса), а подъем и опускание ковша и другие рабочие движения осуществляются гидравлическими цилиндрами.

Двигатель машины вместе с ее трансмиссией образует привод. По количеству силовых установок на машине различают одномоторный (групповой) и многомоторный (индивидуальный) приводы. У машин с одномоторным приводом переключение механизмов и изменение направления их вращения осуществляются соответственно муфтами и реверсом. При многомоторном приводе муфты включения отсутствуют, а каждый основной механизм снабжается индивидуальным двигателем, приводящим в движение соответствующий механизм. Реверсирование осуществляется изменением направления вращения вала двигателя.

На выбор привода машины влияют режим ее работы и характер изменения внешних нагрузок, которые могут быть переменными и постоянными. Переменные нагрузки могут иметь разную степень неравномерности.

Режим работы машины определяется колебаниями нагрузки по величине и времени, т. е. величиной амплитуды и частотой колебаний,' продолжительностью нагрузки, количеством включений в единицу времени, скоростью и ускорением движений, реверсивностью, продолжительностью непрерывной работы.

В зависимости от режима работы строительные машины разделяются на следующие группы ( 1):

1. Машины с легкт? режимом работы (рис 1, а) (отношение максимальной нагрузки к средней составляет 1,1 —1,3), с постоянной скоростью и нереверсивностью рабочих движений при числе включений 20—30 в час (редко - 50). К ним относятся бетоносмесители, раство- росмесители, цилиндрические грохоты, конвейеры, центробежные

насосы, компрессоры и воздуходувки. В качестве силового оборудования Для этих машин пригодны приводы всех типов.

2.         Машины со средним режимом работы { 1, б) (отношение максимальной нагрузки я средней составляет 1,5—2,5), характеризуются наличием частых и резких пиков при переменной скорости нереверсивного или относительно1 редко реверсируемого движения при коэффициенте включения до 100 и числе включений до 200 в час. К этим машинам относятся прицепные и полуприцепные скреперы, тягачи скреперов с дизель гидравлическими и дизель-электрическими трансмиссиями, грейдер-элеваторы, струги, камнедробилки, краны, многоковшовые экскаваторы и погрузчики.

3.         Машины с тяжелым режимом работы ( 1, в) (отношение максимальной нагрузки к средней составляет 2—3), характеризуются наличием частых (иногда 15—20 в секунду) и резких пиков нагрузки при непрерывно изменяющейся скорости реверсивного движения при числе включений до 1000 в час и более К этой группе машин относятся одноковшовые экскаваторы, бульдозеры толкачи и тягачи скреперов, самоходные скреперы с механическими трансмиссиями и другие машины.

4.         Машины с очень тяжелым режимом работ ы ( 1, г) ударного или вибрационного действия.

Тип привода отличается формой механической внешней характеристики, представляющей собой зависимость крутящего момента М от частоты вращения п ( 2),

Реальные внешние характеристики силовых установок для строительных и дорожных машин имеют внешние характеристики, отличающиеся от идеальной ( 2).

Электрический привод. В механизмах современных строительных машин применяют электрические приводы переменного и постоянного тока, Наиболее распространен электропривод на трехфазном переменном токе частотой 50 Гц. В этих приводах используют общепромышленные асинхронные электродвигатели, имеющие, в зависимости от номинальной мощности, либо короткозамкнутый ротор при мощности до 10 кВт, либо ротор с контактными кольцами (фазовый) при мощности до 150 кВт.

Общепромышленные асинхронные двигатели получили широкое' распространение из-за простоты их устройства. Они применяются для строительных машин с длительно-непрерывным режимом работы (конвейеры, питатели, сортировки и т. п.). Для привода машин с повторно-кратковременным режимом работы (строительные краны,ч экскаваторы) применяют специальные крановые асинхронные электродвигатели трехфазного тока, обладающие значительной перегрузочной способностью, напряжением 220 и 380 В, с короткозамкнутый ротором и с контактными кольцами. Двигатели выпускаются в закрытом и защищенном исполнениях.

Для электрического вращательного инструмента применяют специальные двигатели трехфазного тока повышенной частоты. Эти двигатели при одинаковых габаритах имеют более высокую частоту вращения, а следовательно, и большую мощность, чем двигатели, работающие на общепромышленной частоте. Для питания таких двигателей нужны специальные генераторы повышенной частоты. Кроме того, в легком электрифицированном инструменте (электросверлилках и др.) применяют универсальные коллекторные двигатели, работающие как на однофазном переменном, так и на постоянном токе.

Общепромышленные электродвигатели трехфазного тока допускают кратковременную перегрузку, просты в управлении, однакр скорость их не регулируется, а при пуске создаются значительные пусковые моменты, что приводит к повышенным динамическим нагрузкам в механизмах.

Крановые электродвигатели переменного тока с контактными кольцами удовлетворительно работают при частых пусках и торможениях, допускают регулировку угловой скорости.

В условиях нормальной работы строительных кранов достаточен предел регулирования К 3, обеспечиваемый пусковыми ступенями реостата. Однако длительное фиксирование промежуточных скоростей затруднительно. В специальных схемах управления крановыми электродвигателями обеспечивается устойчивый предел регулирования К «а* 10.

В некоторых самоходных кранах применяют системы электроприводов с управляемыми полупроводниками — так называемый тиристорный привод, разработанный в последние годы. При его использовании можно обеспечить достаточно простыми методами частотное регулирование кранового электропривода.

При работе электродвигателя с переменной мощностью Ni в периоды 11 установочная мощность его определяется исходя из эквивалентного нагрева по формуле среднеквадратичной мощности:

 Максимальный момент двигателя, выбранного исходя из среднеквадратичной мощности, должен быть достаточен для преодоления внешних сопротивлений в период пуска на любом цикле работы машины.

Электропривод постоянного тока применяется при необходимости регулирования в широком диапазоне частот вращения, глубокого плавного регулирования скорости (например, скорости посадки монтажных элементов). С этой целью привод на постоянном токе осуществляют обычно по системе генератор—двигатель (Г—Д).

Обычно электродвигатели постоянного тока используют в комбинированных дизель-электрических приводах экскаваторов, кранов средней и большой мощности, в мотор-колесах землеройно-транспорт- ных машин и т. п.

Перегрузочная способность электродвигателей постоянного тока 2—3 для двигателей с параллельным возбуждением и 3,5—5,0 для двигателей с последовательным возбуждением.

При применении системы Г—Д диапазон регулирования может быть доведен до 20, однако в нормальном исполнении агрегата предел устойчивости регулирования ~10. При необходимости расширения диапазона регулирования используют электромашинные усилители (например, в экскаваторах большой мощности).

Привод от двигателей внутреннего "сгорания используется главным образом на мобильных машинах (землеройных, землеройно- транспортных и др.). Широкое применение этих двигателей на таких машинах объясняется их главным достоинством — автономностью, т. е. независимостью от внешнего источника энергии, что увеличивает маневренность машины, а также быстрой готовностью к работе и малой массой. Недостатками двигателей внутреннего сгорания являются: незначительные пределы регулирования по внешней характеристике, жесткие требования, предъявляемые к качеству топлива^ сравнительно небольшой моторесурс (3000—4000 ч), чувствительность к перегрузкам, трудность эксплуатации при низких температурах, невозможность непосредственного реверсирования При применении турботрансформаторов (гидротрансформаторов) и электромагнитных муфт ( 3) многие из указанных недостатков устраняются, но увеличиваются потери мощности на скольжение.

На строительных машинах применяют как дизельные, так и карбюраторные двигатели. Однако дизели применяются чаще: они более экономичны; их к. п. д. равен 25—37%, тогда как у карбюраторных двигателей он не превышает 18—25%; расход топлива у дизелей на 40—50% ниже, чем у карбюраторных двигателей.

На машинах для земляных работ применяют главным образом автомобильные и тракторные дизели. Автомобильные дизели хорошо приспособлены к переменным режимам работы, но не могут длительное время работать с максимальной мощностью. При установке их на машинах для земляных работ из-за тяжелых условий работы рекомендуется дефорсировать их по мощности на 40—50%. При соблюдении этого условия моторесурс дизеля остается примерно таким же, как и при установке его на автомобиле. Тракторные дизели могут длительное время работать на режиме максимальной мощности и при неустановившейся нагрузке. Однако они имеют большую массу и хуже приспосабливаются к переменной нагрузке.

Выпускаемые в настоящее время дизели отличаются широким диапазоном частот вращения при малом изменении расхода горючего, что позволяет применять один и тот же дизель в зависимости от режима работы машины при различных частотах вращения, обеспечивающих разные мощности и степени форсировки.

Гидравлический привод строительных машин выполняется в виде силовых гидростатических (объемных) или гидродинамических передач, энергоносителем в которых является рабочая жидкость — минеральное масло. Использование гидропривода для механизмов машины может быть различным. В соответствии с этим машины могут быть:

а)         гидравлическими — все основные механизмы имеют гидропривод;

б)        неполностью гидравлическими — гидропривод используется для рабочего оборудования, но не для всех основных механизмов; в) ги- дрофицированными — гидропривод используется для отдельных основных механизмов.

Гидростатическая передача (объемный гидропривод) состоит из: 1) объемного насоса, который преобразует механическую энергию двигателя в энергию потока рабочей жидкости; 2) силового гидроцилиндра или ротационного гидравлического двигателя, которые преобразуют энергию потока жидкости в механическую энергию исполнительного органа машины, и 3) устройств и механизмов, обеспечивающих управление гидроприводом и его регулирование.

Основными параметрами каждого насоса являются подача Q, напор Н и мощность N.

Различают полезную (эффективную) и потребляемую мощности насоса, подведенные к его валу.

В гидростатических передачах рабочие органы получают движение за счет изменения объема замкнутого пространства, заполняемого жидкостью, поэтому такие передачи называют объемными.

Объемные гидроприводы ( 4) получили широкое применение в приводах и системах управления строительных машин, а также для передачи усилий исполнительным органам машин; кроме того, объемный гидропривод используется для управления вспомогательными механизмами (муфтами, тормозами, передачами и т. п.)

Для выполнения поступательного движения применяют силовые цилиндры (гидроцилиндры) двух- или одностороннего действия. В первом случае жидкость подается под давлением попеременно с одной и с другой стороны поршня, а во втором — с одной стороны, как это принято в вертикально установленных гидроцилиндрах, например, для подъема стрелы у крана, где движение поршня вниз происходит под действием силы тяжести стрелы. Гидроцилиндры двойного

действия в основном состоят из корпуса, изготовленного из цельнотянутой стальной трубы, поршня из чугуна или полиэтилена, стального штока и стальных (литых) крышек. Внутреннюю поверхность цилиндра шлифуют и полируют, а шток хромируют и полируют.

В гидроцилиндрах одностороннего действия иногда шток и поршень выполняют одного диаметра; такая деталь называется плунжером. Телескопические цилиндры, являющиеся разновидностью цилиндров одностороннего действия, применяют редко, только при необходимости выполнения значительных ходов.

Гидроприводы вращательного действия применяют для ходового оборудования, для механизмов поворота экскаваторов, для элеватора скрепера, а в ротационных рабочих органов машин.

Основными параметрами объемного гидропривода являются рабочее давление жидкости р (в кгс/см2); расход жидкости Q (в л/мин или в м3/ч); мощность, передаваемая энергоносителем при помощи насоса (в л. с. или кВт); к. п. д. привода.

Параметрами выходного звена являются: для гидропривода вращательного действия — крутящий момент Мы (в кгс-м) и частота вращения вала гидромотора пь, (в об/мин), а для гидропривода поступательного действия — сила G на штоке гидроцнлиндра (в кгс) и скорость его передвижения vn (в)м/с).

Рабочее давление в объемных гидропередачах колеблется в широких пределах — от 70 до 25ркгс/см2; имеется общая тенденция повы-

-450 кгс/см2. С увеличением давления металлоемкость и стоимость гидросистем снижаются.

Гидродинамические передачи осуществляют передачу крутящего момента от вала двигателя на вал трансмиссии за счет изменения момента количества движения рабочей жидкости, протекающей в рабочих колесах, заключенных в общем корпусе, и возникающего при этом динамического давления жидкости, перемещаемой насосным колесом, на лопатки турбинного колеса. Ведущее рабочее колесо является насосным, а ведомое — турбинным.

Различают два вида гидродинамических передач: гидромуфты и гидротрансформаторы.

 Гидромуфта ( 5, а) имеет два рабочих колеса: насосное 1 и турбинное 2, установленных в общем корпусе 5, заполненном минеральным маслом. Насосное колесо насажено на ведущем валу 4, а турбинное — на ведомом 5. Вал насосного колеса соединяют с валом двигателя, а вал турбинного колеса — с трансмиссией. Насосное колесо при вращении увлекает лопастями за собой турбинное ко-

средством потока масла, которое циркулирует между колесами. В зависимости от размера гидромуфты осевой зазор между колесами составляет 3—15 мм.

При пуске двигателя насосное колесо начинает вращаться при неподвижном турбинном колесе, т. е. при скольжении между колесами, равном 100%. По мере разгона скольжение уменьшается до 3—5% и остается постоянным.

Наличие гидромуфты позволяет осуществлять пуск двигателя и остановку машины без отключения трансмиссии, обеспечивает плавный разгон и остановку машины, непрерывное нарастание скорости выходного вала от нуля до максимума при уменьшении внешней нагрузки и от максимума до нуля при увеличении внешней нагрузки до момента стопорения механизма. Благодаря наличию гидромуфты снижаются динамические нагрузки, двигатель предохраняется от перегрузки и гасятся крутильные колебания.

Недостатком применения гидромуфт является снижение к. п. д. при увеличении скольжения (так как при этом большая часть энергии расходуется на нагрев), а работа машин в тяжелом режиме при к. п. д. гидромуфты выше 0,7—0,75 невозможна вследствие значительного повышения нагрузки при стопо- рении турбинного колеса.

Внешняя характеристика гидромуфты ( 5, б) показывает, что ее к. п. д. увеличивается пропорционально частоте вращения турбинного колеса. Максимальное значение к. п. д. гидромуфты составляет 0,95.

Гидротрансформаторы ( 6) обладают положительными качествами гидромуфт и обеспечивают автоматическое изменение скорости ведомого вала в зависимости от передаваемой на него нагрузки. Кроме того, они автоматически регулируют крутящий момент и частоту вращения ведомого вала в зависимости от нагрузки, являются надежной защитой двигателя машины от перегрузки и сокращают время холостых ходов.

Пневматический привод как силовой применяется на строительных машинах в гидротехническом строительстве весьма ограниченно — в паровоздушных молотах для забивки свай, в механизированном пневмоинструменте, в системах управления некоторых машин для плавного включения механизмов в работу и т. п.

Пневматический прийод, как и гидравлический, выполняется в виде силовых ц и л и i гд рое (по р ш не вы х толкателей), а также в виде пневмокамер с диафрагмамийчротационных пневмодвигателей (турбинных и лопастных). В этом\приводе в качестве энергоносителя применяется сжатый воздух, ^ подаваемый поршневым, ротационным, а в последнее время и наиболее экономичным — винтовым компрессором. Так как давление воздуха, подаваемого компрессором, обычно не превышает 4—10 кгс/см2, диаметры силовых пневмоцилиндров значительно больше, чем гидравлического привода.

Пневматический привод работает мягче гидравлического, но в нем полезно используется только 60—70% давления, развиваемого компрессором, так как около 20% давления теряется на преодоление линейных и местных сопротивлений и до 15% — в воздухосборнике, выполняющем ту же роль, что и гидропневматический аккумулятор в системах гидравлического привода.

Поэтому определение площади поршня силового цилиндра производится по минимальному давлению рП1Ш = 0,65ршах, а расход воз- Духа — по максимальному давлению ртах. Номинальное давление р, которое должен создавать компрессор, обычно на 30% превышает Ртах. Так как по мере износа цилиндров компрессора давление, создаваемое им, падает.