Строительные машины и основы автоматизации

СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

В качестве основного силового оборудования строительных ма­шин применяют электродвигатели переменного и постоянного тока с питанием от внешней силовой сети и двигатели внутреннего сгора­ния, не зависящие от внешних источников энергии. Электро­двигатели приводят в действие переносные (ручные) передвиж­ные и стационарные машины, длительное время работающие на од­ном месте (башенные, козловые и мостовые краны, смесительные установки, конвейеры, насосные установки, и т. п.). Электродвигате­ли преобразуют электрическую энергию в механическую. Они ха­рактеризуются постоянной готовностью к работе, простотой пуска, управления и реверсирования, сравнительно небольшими габарита­ми и массой, экономичностью, простотой эксплуатации и надежно­стью в работе, способностью выдерживать кратковременные пере­грузки, пригодностью для индивидуального привода механизмов машин. Основной их недостаток — зависимость от внешнего источ­ника энергии.

Двигатели внутреннего сгорания применяют в ос­новном в самоходных строительных машинах. Их достоинствами являются автономность от внешних источников энергии, высокая экономичность, небольшой вес, приходящийся на единицу мощно­сти, постоянная готовность к работе. В двигателях внутреннего сго­рания тепловая энергия сжигаемого в смеси с воздухом топлива пре­образуется в механическую энергию вращающегося коленчатого вала. При сгорании сжатой движущимся поршнем топливовоздуш­ной смеси в цилиндре двигателя продукты сгорания (газы) расширя­ются, давят на поршень, который через шатун передает усилие на коленчатый вал, заставляя его вращаться. Вал двигателя соединяет­ся с трансмиссией машины гидравлической или фрикционной муф­той.

По виду потребляемого топлива и способу его воспламенения различают карбюраторные двигатели, работающие на бензине или газе с воспламенением топливовоздушной смеси, приготовленной в карбюраторе, электрической искрой, и дизели, работающие на ди­зельном топливе с воспламенением топливовоздушной смеси в ре­зультате ее нагрева при сжатии в цилиндрах. Дизели получили пре­имущественное распространение благодаря большей (в 1,3...1,5 раза) экономичности, более высокому (на 30...40%) КПД и способ­ности работать на более дешевом топливе.

К недостаткам двигателей внутреннего сгорания относятся: не­возможность реверсирования (изменения направления вращения ва­ла) и пуска под нагрузкой, сравнительно небольшой диапазон непо­средственного регулирования скорости и крутящего момента, большая чувствительность к перегрузкам, сложность пуска при низ­ких температурах, сравнительно малый срок службы (3000...4000 ч), высокая стоимость эксплуатации.

Различают одно - и многомоторные приводы. При одномотор­ном приводе движение механизмам и рабочему органу машины пе­редается от основного двигателя (дизеля) через механическую трансмиссию. При многомоторном приводе каждый механизм и ра­бочий орган машины приводится в действие индивидуальным дви­гателем. Многомоторный привод применяется в машинах с боль­шим количеством механизмов и может быть электрическим при питании индивидуальных электродвигателей от внешней сети и комбинированным автономным, при котором основной двигатель (дизель) приводит в действие генератор, питающий током индиви­дуальные электродвигатели (дизель-электрический привод), гидрав­лические насосы, нагнетающие рабочую жидкость в гидравлические двигатели (дизель-гидравлический привод), компрессор, питающий сжатым воздухом пневматические двигатели (дизель-пневматиче - ский привод) и т. п. Многомоторный привод упрощает кинематику машин (отсутствуют сложные и громоздкие механические трансмис­сии), обеспечивает в широком диапазоне плавное бесступенчатое регулирование скоростей механизмов и рабочего органа, позволяет автоматизировать управление машинами.

Гидравлический привод применяется в большинстве современ­ных строительных машин (экскаваторов, кранов, подъемников, по­грузчиков, бульдозеров, скреперов и др.) для передачи мощности от основного двигателя к рабочему органу и исполнительным механиз­мам, а также в системах управления машин. В гидроприводе, на­зываемом объемным или статическим, используется энергия прак­тически несжимаемой рабочей жидкости (минеральное масло), нагнетаемой гидравлическими насосами. Основными достоинства­ми гидравлического привода являются: высокий КПД, экономич­ность, удобство управления и реверсирования, способность обеспе­чивать большие передаточные числа, бесступенчатое независимое регулирование в широком диапазоне скоростей исполнительных ме-

ханизмов, простота преобразования вращательного движения в поступательное, предохранение двигателя и механизмов от перегру­зок, компактность конструкции и надежность в работе. Гидро­привод включает следующие основные элементы: насосы, баки с рабочей жидкостью, гидравлические двигатели поступательного (гидравлические цилиндры) и вращательного (гидромоторы) дейст­вия, гидравлические распределители, распределяющие потоки рабо­чей жидкости от насосов к гидроцилиндрам или гидромоторам, фильтры и соединительные трубопроводы и регулирующие устрой­ства. В гидродвигателях давление рабочей жидкости, создаваемое гидронасосом, преобразуется в поступательное движение поршня со штоком или во вращательное движение ротора, связанных с рабо­чим органом.

На рис. 1.32 показана принципиальная схема объемного гидро­привода отвала бульдозера. Рабочая жидкость всасывается из бака 2 через фильтр I гидронасосом 3, которым нагнетается через рас­пределительное устройство 5 в одну из полостей гидравлических двигателей — гидроцилиндров 8. Под давлением жидкости начина­ют перемещаться поршни гидроцилиндров со штоками и шарнирно связанный с ними бульдозерный отвал 9. При этом рабочая жид­кость из противоположных полостей гидроцилиндров вытесняется поршнями в сливную магистраль 12, соединенную через распредели­тель с баком. На напорной магистрали 4 установлен предохрани­тельный клапан И, отрегулированный на определенное давление и
сбрасывающий избыток жидкости в сливную магистраль при давле­нии превышающем установленное. Привод насоса осуществляется от основного двигателя машины.

В гидроприводах строительных машин широко применяют шес­теренные и роторно-поршневые насосы и гидромоторы. Насосы преобразуют механическую энергию привода в энергию потока ра­бочей жидкости и характеризуются развиваемым давлением и пода­чей (производительностью). Гидромоторы преобразуют энер­гию потока рабочей жидкости в механическую, вращая приводные валы механизмов, и характеризуются развиваемым крутящим мо­ментом и частотой вращения вала.

Шестеренные насосы выполняют с внешним и внутренним зацеплением пар шестерен, составляю­щих одну, две или три сек­ции насоса. Наиболее рас­пространены односекцион­ные насосы типа НШ (рис. 1.33) с внешним зацеп­лением шестерен, имеющих от 6 до 12 зубьев. Ведущая 4 и ведомая 5 шестерни вы­полняются заодно с вала­ми 1, установленными на

подшипниках скольжения 3 в корпусе 2 со всасывающей и нагнета­тельной полостями. При вращении шестерен рабочая жидкость из бака засасывается во всасывающую полость, заполняет пространст­во между зубьями и переносится в нагнетательную полость, откуда выдавливается в напорную магистраль зубьями шестерен, вступаю­щими в зацепление. Насосы типа НШ развивают давление до 15 МПа. Они просты по конструкции, малогабаритны и имеют не­высокую стоимость. Основные недостатки — сравнительно малый КПД (0,6...0,75) и небольшой срок службы при работе с высоким давлением. Эти насосы развивают подачу порядка 400...500 л/мин при частоте вращения вала 2000 мин-'.

В шестеренных гидромоторах энергия рабочей жидкости, подво­димой к шестерням от насоса, преобразуется в крутящий момент выходного вала.

Роторно-поршневые насосы и гидромоторы разделяют на акси­ально-поршневые и радиально-поршневые. Аксиально-поршневые насосы (рис. 1.34, а) и гидромоторы имеют одинаковую конструк­цию и состоят из вращающегося цилиндрового блока 5, поршней 3 со штоками 2, приводного вала 1 и неподвижного распредели­тельного диска 6. По окружности блока расположены восемь ци­

линдров 4. При вращении блока, наклоненного к оси приводного вала под у^лом а = 15+30°, поршни вращаются вместе с блоком и одновременно движутся возвратно-поступательно в его цилиндрах, попеременно засасывая рабочую жидкость из гидробака и' вытал­кивая ее в напорную магистраль. Жидкость засасывается и нагне­тается поршнями через дуговые окна 8 в распределительном диске 6. Перемычки между окнами отделяют полость всасывания от по­лости нагнетания. При вращении блока отверстия 7 цилиндров соединяются либо со всасывающей, либо с напорной магистраля­ми. Угол наклона а качающего блока определяет ход поршней и подачу насоса.

Различают нерегулируемые (постоянной подачи) насосы, у кото­рых угол а постоянный, и регулируемые (переменной подачи) насо­сы. у которых угол а можно плавно изменять в процессе работы. При изменении угла а будут обратно пропорционально изменяться подача Q (или производительность насоса) и давление р, развивае­мое насосом, при неизменной мощности насоса Р, так как Р = pQ. Причем, если этот угол изменить на противоположный, то насос из­менит направление подачи жидкости также на противоположное. Регулируемые аксиально-поршневые насосы, снабженные устройст­вами для поворота оси блока в зависимости от давления в системе, используют для автоматического регулирования усилия и скорости рабочего органа или исполнительного механизма машины при ко­лебаниях внешней нагрузки. В гидроприводах одноковшовых экска­ваторов и стреловых самоходных кранов применяют сдвоенные ак­сиально-поршневые насосы, установленные в одном корпусе. Такие насосы нагнетают рабочую жидкость обычно в две напорные маги­страли. Современные аксиально-поршневые насосы унифицирова-

ны, имеют высокий КПД (0,96...0,98) и развивают рабочее давление до 35 Мпа; производительность их достигает 1000 л/мин, а частота вращения — до 3000 мин-1.

При использовании аксиально-поршневого насоса в качестве гидромотора по его напорной магистрали от насоса нагнетается рабочая жидкость, и ее давление на поршни преобразуется во вра­щение приводного вала. Отработанная жидкость отводится от гид­ромотора по сливному трубопроводу. Для реверсирования гидро­мотора меняют местами нагнетательный и сливной трубопроводы или изменяют направление потоков жидкости в них на противопо­ложное.

Основными элементами радиально-поршневых насосов и гид­ромоторов являются неподвижный статор и несоосный с ним вра­щающийся ротор с цилиндрами, в которых движутся поршни. На принципиальной схеме радиально-поршневого насоса (рис. 1.34, б) условно показаны один цилиндр и поршень. Ось Ог ротора 10 сме­щена относительно оси 0 статора 11 на величину экс­центриситета е, благодаря че­му при вращении ротора поршень 12 движется возврат­но-поступательно в цилиндре 13. При движении поршня от точки В к точке А и одновре­менно от оси Ог происходит всасывание рабочей жидкости из гидробака через всасываю­щий канал 9, а при дальней­шем движении поршня от точки А к точке Дик оси Ог — нагнетание жидкости в напорный канал 15. Необхо­димое плотное прижатие

поршня К статору обеспечива - Рис. 1.35. Радиально - поршневой

ется пружинои 14 или напо - гидромотор

ром ' жидкости, подводимой

под поршень. Подачу насоса регулируют изменением эксцентриси­тета е. Реверсирование насоса осуществляется изменением положе­ния эксцентриситета путем перемещения статора, в результате чего действия полостей всасывания и нагнетания меняются на обрат­ные. Радиально-поршневые насосы имеют 1...9 поршней, развива­ют рабочее давление до 25 МПа и v обеспечивают подачу

5.. .500 л/мин при частоте вращения ротора 25... 100 с-1.

Радиально-поршневые гидромоторы аналогичны по устройству насосам. Высокомоментные радиально-поршневые гидромоторы

(Мкр > 1000 Н м, п < 16 с ') способны осуществлять привод рабочего органа или механизма машины непосредственно без промежуточ­ных механических передач. Такие гидромоторы применяют для привода рабочих органов траншейных экскаваторов, в механизмах поворота и передвижения гидравлических экскаваторов и кранов и т. п. Составные части радиально-поршневого гндромотора (рис. 1.35): статор 3 с профильными кольцами 2, ротор 5 с цилинд­рами н поршнями У, соединенными через траверсы 7 с роликами 6, и распределительное устройство. Ролики прокатываются по профиль­ным кольцам статора. При подаче рабочей жидкости от насоса че­рез распределитель и каналы в валу 4 под поршни, последние начи­нают выдвигаться и оказывать давление через траверсы и ролики на профильные кольца 2. Тангенциальные составляющие этого давле­ния заставляют ротор вращаться в направлении, указанном стрел­кой. Подпоршневые полости поршней, движущихся к центру вала, соединяются со сливной линией.

Г II д р о ц и л и н д р ы приводят в действие элементы рабочеі о оборудования машин с помощью подвижного звена в виде цилинд­ра 3 (рис. 1.36. а) или поршня 6 со штоком 10. Различают гпдроци - линдры одностороннего и двустороннего действия. У первых прину­дительное движение звена осуществляется под давлением жидкое і и только в одном направлении (рабочий ход), а возврат в исходное
положение — под действием пружины 12 (рис. 1.36, б) или веса пере­мещаемого элемента. У вторых, наиболее распространенных, под­вижное звено перемещается принудительно нагнетаемой жидкостью в противоположных направлениях (рис. 1.36, в—е). Гидроцилиндры двустороннего действия бывают с односторонним (рис. 1.36, в) и двусторонним штоком (рис. 1.36, д, е). При необходимости переме­щения подвижного звена на значительные расстояния (до 2,5...3 м) применяют телескопические гидроцилиндры (рис. 1.36, <)). Полость цилиндра, в которой расположен шток, называется штоковой, про­тивоположная — поршневой. Рабочая жидкость в поршневую и штоковую полости поступает соответственно через угловые штуце­ра і і и 8. Герметичное разделение штоковой и поршневой полостей обеспечивается уплотнениями (манжетами) 5 поршня. Утечке рабо­чей жидкости из штоковой полости препятствует уплотнение (ман­жета) 9. Хвостовые части 1 цилиндров и головки штоков имеют сфе­рические подшипники 2 для шарнирного крепления к элементам машин. Для смягчения ударов в конце хода поршня служит демпфи­рующий клапан 4. При обратном ходе поршня демпфером является упор 7. Основные параметры гидроцилиндров — внутренний диа­метр цилиндра, диаметр штока, ход поршня и номинальное дав­ление.

Усилие (МПа), развиваемое гидроцилиндром при подаче в по­лости:

поршневую

Fu=P^dV4’

штоковую

Fm=pn(d2a-d2m)/4,

гдер —давление рабочей жидкости, МПа; dn, dundm — соответствен­но диаметры поршня, цилиндра и штока, см.

Скорость движения (м/с) поршня (цилиндра) зависит от расхода рабочей жидкости Q

V = 4Q/(nd2aT[o5),

где г)0б = 0,8...0,95 — объемный КПД.

Гидрораспределители управляют потоком жидкости, подаваемой в гидравлические двигатели, последовательностью их работы и обеспечивают отвод отработавшей жидкости из слив­ных полостей в бак. Кроме того, распределители раверсируют гидродвигатели и регулируют их скорость. Различают золотнико­вые, клапанные и крановые распределители. Наиболее распро­странены золотниковые распределители, управляющие потоком жидкости с помощью движущихся возвратно-поступательно зо -

лотников. По числу присоединенных каналов золотниковые рас­пределители делят на двух-, трех - и четырехходовые. (Для управ­ления гидродвигателями двустороннего действия применяют, как правило, четырехходовые распределители с четырьмя канала­ми (напор, слив и два рабочих отвода). По числу фиксированных положений золотника — рабочих позиций — различают трех - и четырехпозиционные распределители. Положения золотника трехпозиционного распределителя — два рабочих и одно ней­тральное, четырехпозиционного — два рабочих, одно нейтраль­ное и одно плавающее.

На рис 1.32 показано, как трехпозиционный четырехканальный распределитель 5 управляет подачей рабочей жидкости в гидроци­линдры 8 подъема отвала. С его помощью можно соединять напор­ную 4 и сливную 12 линии либо с трубопроводом 7 (см. рис. 1.32, б, рабочее положение Р рукоятки управления б), либо с трубопрово­дом 10 (см. рис. 1.32, в, положение Pi), реверсируя работу гидроци­линдров. В нейтральном положении золотника (положение Н) можно останавливать штоки гидроцилиндров 8 и связанный с ни­ми отвал 9 в любом положении, перекрывая оба трубопровода 7 и 10. При этом через клапан 11 соединяются напорная 4 и сливная 12 линии и непрерывно разгружается работающий насос.

Четырехсекционный распределитель обеспечивает четвертое — плавающее положение, при котором штоковая и поршневая полос­ти соединены со сливной линией, а подвижное звено (шток или ци­линдр) может свободно перемещаться под действием внешней на­грузки.

К регулирующим устройствам относятся клапаны различного назначения и дроссели. Давление в системе регулируют предохранительными и редукционными клапанами. Предохрани­тельные клапаны ограничивают максимальное давление, развивае­мое насосом, и срабатывают (открывающие) при давлении, превы­шающем номинальное на 10...15%, перепуская жидкость в сливную магистраль. Они защищают элементы гидропривода от перегрузок. Редукционные клапаны понижают давление подаваемой в систему жидкости до определенной величины независимо от давления, раз­виваемого насосом. Обратные клапаны пропускают поток жидко­сти только в одном направлении. Дроссели регулируют подачу жид­кости в гидродвигатели с целью изменения скорости подвижных звеньев гидроцилиндров или частоты вращения гидромоторов. Они представляют собой местные гидравлические сопротивления, уста­навливаются на трубопроводе, соединяющем сливную и напорную линии, и отводят часть потока в сливную линию, уменьшая подачу жидкости в гидродвигатель.

Гидродинамические передачи представляют собой гидромуфту или гидротрансформатор, которые устанавливаются
между основным двигателем и трансмиссией машины. Принцип действия таких передач основан на гидродинамической (т. е. через жидкость) связи между их ведущими и ведомыми элементами.

Гидромуфта (рис. 1.37, а) включает ведущее насосное 2 и ведомое турбинное колеса 3 со спиральными лопастями, установленные соот­ветственно на ведущем 1 и ведомом 4 валах и разде-

ленные между собой не­большим зазором. Колеса заключены в кожух 5, за­полненный маловязким маслом. При вращении ве­дущего вала лопасти на­сосного колеса сбрасыва-

ют рабочую жидкость на

лопасти турбинного коле - Рис. 1.37. Гидродинамические передачи са, заставляя его вращать­ся в том же направлении.

С лопаток турбинного колеса жидкость возвращается в насосное коле­со, образуя замкнутый поток. Гидромуфты характеризуются пример­ным равенством крутящих моментов на ведущем и ведомом валах и на­дежно предохраняют двигатель машины от перегрузок.

Гидротрансформатор (рис. 1.37, б) помимо насосного 2 и тур­бинного 3 колес имеет промежуточное направляющее неподвижное колесо (реактор) 6. Реактор воспринимает разность крутящих мо­ментов насосного и турбинного колес и обеспечивает получение ре­активного момента, воздействующего на турбинное колесо. Таким образом, на выходной вал 4 гидротрансформатора действуют два момента — крутящий момент приводного вала, передаваемый через поток жидкости, и реактивный момент, в сумме превышающие мо­мент на приводном валу. При уменьшении частоты вращения тур­бинного колеса с увеличением внешней нагрузки автоматически по­вышается реактивный и, следовательно, суммарный крутящий момент на выходном валу. Отношение максимального крутящего момента к моменту двигателя, называемое коэффициентом транс­формации, составляет 2,5...3,5. Применение гидротрансформаторов позволяет предохранять двигатели и трансмиссии машин от пере­грузок, улучшить эксплуатационные качества машин, автоматизи­ровать их работу и повысить производительность.

Пневматический привод использует энергию сжатого в компрес­сорах до 0,5...0,8 МПа воздуха и применяется в пневматических моло­тах, ручных пневмомашинах и вибраторах, для питания различной аппаратуры при отделочных работах, а также в системах управления машин для плавного включения механизмов в работу и их торможе­ния. Основными частями такого привода являются: компрессор с
приводным двигателем и воздухосборником (ресивером), пневмати­ческие двигатели вращательного и возвратно-поступательного дейст­вия, соединительные воздухопроводы, регуляторы давления и предо­хранительные клапаны, воздушные фильтры и масловодоотделители. Отработанный воздух из пневмодвигателей выбрасывается непосред­ственно в атмосферу. Компрессоры приводятся в действие от элек­тродвигателей и двигателей внутреннего сгорания. Компрессор с приводом и вспомогательной аппаратурой составляют компрессор­ную установку, которая может быть переносной и передвижной. Пе­редвижные установки, смонтированные на одноосных и двуосных те­лежках, прицепах, шасси грузовых автомобилей (самоходные установки), широко используют на строительно-монтажных работах. Переносные установки применяют в основном при выполнении отде­лочных (окрасочных) работ небольших объемов. Компрессоры по принципу действия разделяют на поршневые, ротационные, турбин­ные, диафрагмовые и винтовые. Поршневые компрессоры, получив­шие в городском строительстве наибольшее распространение, быва­ют одно - и двухступенчатого сжатия.

В компрессоре одноступенчатого сжатия (рис. 1.38, а) внутри ци­линдра 4 движется возвратно-поступательно поршень 3, шарнирно соединенный шатуном 2 с приводным коленчатым валом 1. На крышке цилиндра установлены подпружиненные автоматически действующие клапаны — всасывающий 5 и нагнетательный 7. При движении поршня вниз в цилиндре создается разряжение, при кото­ром поступающий через фильтр 6 атмосферный воздух открывает клапан 5 и заполняет цилиндр. При движении поршня вверх клапан 5 автоматически закрывается, и воздух в цилиндре начинает сжи­маться. Под давлением сжатого воздуха, достигшем определенной величины, открывается клапан 7, и сжатый воздух по воздуховоду поступает в воздухосборник 8, откуда через раздаточные краны по резиновым шлангам подводится к потребителям.

В компрессоре двухступенчатого сжатия (рис. 1.38, б) воздух сна­чала сжимается до 0,2...0,25 МПа в цилиндре 9 низкого давления, за-

тем, пройдя через холодильник (водяной или воздушный) 10, посту­пает в цилиндр 11 высокого давления, сжимается там до 0,8 МПа и подается в воздухосборник. В воздухосборнике создается запас сжа­того воздуха для равномерной (без пульсации) подачи сжатого возду­ха к потребителю, а также обеспечивается охлаждение и очистка воз­духа от воды и масла. Предохранительный клапан воздухосборника срабатывает при избыточном давлении и выпускает часть воздуха в атмосферу. Давление контролируется манометрами. Производитель­ность передвижных компрессорных установок 2... 20 м3/мин.