Строительные машины и основы автоматизации

БЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К МАШИНАМ

Каждая машина состоит из сборочных единиц (элементов), вы­полняющих определенные функции при ее работе: силового обору­дования (одного или нескольких двигателей) для получения механи­ческой энергии; рабочего оборудования для непосредственного воздействия на перерабатываемый материал и выполнения заданно­го технологического процесса; ходового оборудования (у перенос­ных и стационарных машин оно отсутствует) для передвижения ма­шины и передачи ее веса и рабочих нагрузок на опорную поверхность; передаточных механизмов (трансмиссии), связываю­щих рабочее и ходовое (у самоходных машин) оборудование с сило­вым; системы управления для запуска, останова и изменения режи­мов работы силового оборудования, включения, выключения, реверсирования, регулирования скоростей и торможения механиз­мов и рабочего органа машины; несущей рамы для размещения и за­крепления на ней всех узлов и механизмов машины. Сборочные еди­ницы многих строительных машин унифицированы.

Машина представляет собой устройство, совершающее полез­ную работу с преобразованием одного вида энергии в другой. Она состоит из ряда механизмов различного назначения, объединенных общим корпусом, рамой или станиной. Механизмы включают в се­бя узлы в виде законченных сборочных единиц, представляющих со­вместно работающие детали. Деталь является частью машины, изго­товленной в основном из однородного по наименованию и марке материала без использования сборочных операций. Их подразделя­ют на простые (заклепка, штифт, шпонка), сложные (распредели­тельный вал, корпус редуктора и двигателя), общего (болты, валы, зубчатые колеса) и специального назначения, применяемые в раз­личных видах машин (крюки кранов, корпуса ковшей экскаваторов, поршни насосов).

Основными требованиями, предъявляемыми к деталям, являют­ся простота их форм, экономичность (стоимость материала, затраты на изготовление и эксплуатацию) и надежность (способность сохра­нять во времени свою работоспособность). Работоспособность же определяют, как по отдельным, так и совместным показателям прочности, износостойкости, теплостойкости,' жесткости, устойчи­вости и виброустойчивости. Значения необходимых показателей за­висят от условий работы деталей (для крепежных деталей — проч­ность, для ходового винта — износостойкость). Однако главным показателем для большинства деталей является прочность — свой­ство детали сопротивляться изменению формы (разрушению) под воздействием внешних нагрузок.

Наиболее распространенными способами оценки прочности де­талей являются: 1) сравнение расчетных напряжений от действую­щих нагрузок с допускаемыми напряжениями а < [ст] и т < [х], где а, [<т], и т, [х] — соответственно расчетное и допускаемое нормальное или касательное напряжения; 2) сравнение действительного коэффи­циента запаса прочности л с допускаемым [л], причем всегда п > [/г].

Допускаемые напряжения определяют по формулам [ст] = <7пРед/[л] и [х] = Хпрсд / [и], где Спред и Хпрсд — предельные нормальные и каса­тельные напряжения, при достижении которых нарушается нор­мальная работа детали, т. е. появляются трещины, деформации, раз­рушения.

Допускаемый коэффициент запаса прочности включает в себя ряд коэффициентов

[л] = [лі] [л2] [лз],

где [п] — коэффициент учитывающий точность определения дейст­вующих на деталь нагрузок и возникающих в ней напряжений; [/гг] — коэффициент, учитывающий однородность физико-механических свойств материала детали; [лз] — коэффициент, учитывающий специ­фические требования безопасности работы детали.

Напряжения от действующих на детали нагрузок могут быть по­стоянными и переменными по времени. Переменные напряжений, в свою очередь, делятся на симметричные, асимметричные, знакопо­стоянные, знакопеременные и пульсирующие.

При расчетах деталей машин на прочность при постоянных или переменных напряжениях в качестве предельного напряжения при­нимают соответствующие пределы прочности и выносливости (при растяжении, сжатии, изгибе и кручении), а также коэффициенты за­паса прочности по табличным данным. Для определения требуемых размеров детали выполняют проектный расчет по допускаемым на­пряжениям, а затем уточненный проверочный расчет по коэффици­ентам запаса прочности.

Надежность деталей зависит от изготовления (точность обра­ботки), и качества используемого материала, а также правильного выбора видов и режимов работы деталей.

Основными материалами для изготовления деталей машин явля­ются стали, чугуны, цветные металлы и сплавы. Стали применяют углеродистые (детали машин и металлические конструкции) и леги­рованные (ответственные детали), а чугуны — серые (широкое ис­пользование, в том числе корпуса редукторов), белые (тормозные колодки, отвалы, наконечники зубьев ковшей экскаваторов) и ков­кие. Цветные металлы, такие как медь, цинк, свинец, олово, алюми­ний и другие, используют в основном в сплавах: бронзах, латунях, баббитах, силуминах и т. д. Основное достоинство этих сплавов — сравнительно небольшая масса, коррозийная стойкость, хорошие антифрикционные и технологические свойства, электропроводность и т. п.

Широко используются в строительных машинах и неметалличе­ские материалы: резина (шины, амортизаторы, элементы упругих муфт, ремни, детали уплотнения), кожа (амортизаторы, манжеты, прокладки, ремни), графит (токосъемные щетки, смазка трущихся поверхностей), асбест, металлокерамика и различные виды пласт­масс. Последние обладают рядом основных преимуществ перед ме­таллами: легкостью, прочностью, тепло - и электроизоляцией, стой­костью к действию агрессивных сред (щелочей, масел, бензина), фрикционностью и антифрикционностью (в зависимости от назна­чения детали), шумо - и вибропоглощающими свойствами, сравни­тельно небольшой трудоемкостью изготовления деталей, более низ­кой стоимостью и т. д. Из пластмасс изготавливают зубчатые колеса, шкивы, канатные блоки, вкладыши подшипников, втулки, корпусные детали, элементы электрооборудования и т. п. Однако еще более широкое применение ограничивается их склонностью к «старению» (изменение механических и линейных характеристик в процессе эксплуатации).

Определенные требования, наряду с деталями, предъявляются к сборочным единицам и к самим машинам. Основные требования, характеризующие одновременно качество строительных и дорож­ных машин, можно представить рядом показателей: назначения, надежности, стандартизации и унификации, безопасности, техноло­гичности, транспортабельности, а также экологические, эргономи­ческие, эстетические, патентно-правовые и экономические.

Качество — обобщенная способность машины удовлетворять определенным потребностям, связанным с их назначением.

1. Назначение характеризуется свойствами машины, определяю­щими основные функции (для выполнения которых она предназна­чена) и обусловливающими область их применения. К этой группе относят следующие показатели:

• классификационные, определяющие один или несколько ос­новных параметров (передаточное число редуктора, вместимость ковша экскаватора, скрепера, грузоподъемность кранов, размеры отвала бульдозера и т. п.);

• функциональные и технической эффективности (обеспечение максимально возможной производительности при работе в любую погоду, любое время суток и года, минимальной стоимости едини­цы продукции при работе в конкретных производственных услови­ях). а также качества выполняемой работы;

• конструктивные, определяющие основные проектно-конструк - торские решения машины (габаритные и присоединительные разме­ры; рабочее давление в гидросистеме; мощность привода; усилие на рабочем органе; скорости рабочих органов; ширина, глубина и радиус действия; тип ходового устройства и привода; наличие эле­ментов автоматики; приспособленность к меняющимся условиям эксплуатации; возможность работать в стесненных условиях; доста­точно высокая маневренность, проходимость, мобильность и устой­чивость; минимальная масса; простота и прочность конструкции, легкость ее технического обслуживания и ремонта).

Маневренность — способность машины передвигаться и разво­рачиваться с минимальным радиусом поворота в стесненных усло­виях стройплощадок и при транспортировании.

Проходимость — способность машины преодолевать различные неровности местности, небольшие водные преграды, двигаться по грунтам со слабой несущей способностью и снежному покрову. Она характеризуется видом ходового оборудования, силой тяги, удель­ным давлением на опорную поверхность (грунт, дорожное покры­тие), величиной дорожного просвета (расстоянием от нижней точки машины до опорной поверхности), а у колесных машин радиусами продольной и поперечной проходимости.

Мобильность — способность машины к достаточно быстрому перемещению с объекта на объект с минимальной трудоемкостью перевода ее из транспортного положения в рабочее и обратно.

Устойчивость — способность машины противостоять действию сил, стремящихся опрокинуть ее при рабочем процессе и перемеще­ниях на подъемах, спусках и косогорах.

2. Надежность характеризует общее свойство машины сохранять свою работоспособность во времени и включает в себя такие поня­тия как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохра­няемость.

Работоспособность — состояние машины, при котором она спо­собна выполнять заданные функции и сохранять значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической до­кументацией.

Безотказность — свойство машины непрерывно сохранять ра­ботоспособность в течение некоторого времени или некоторой на­работки. Она в свою очередь, характеризуется:

• сопротивляемостью элементов конструкции разрушению, из­носу, коррозии и т. п.;

• стабильностью физико-механических свойств конструкцион­ных материалов;

• стабильностью рабочих процессов в сборочных единицах, аг­регатах и системах.

Для таких причин нарушения работоспособности как коррозия, облучение, действие внешних температурных факторов и т. п., время работы до отказа оценивается календарной продолжительностью ра­боты машины (месяцы, годы) и называется сроком службы до отказа, а регламентированное время работы машины — сроком службы.

Для большинства машин основное значение имеет продолжи­тельность работы (в отработанных часах) или выполненный объем (число циклов, масса или объем переработанных материалов, про­изводительность и т. п.), поэтому время работы до отказа в этом слу­чае называется наработкой на отказ, а регламентированное время работы машины — ресурсом.

Отказ — нарушение работоспособности машины. Все виды от­казов делятся на две группы:

А — из-за нарушения элементов (поломки, деформации, износ, обрыв проводов, короткое замыкание и т. п.);

Б — вследствие нарушения качеств функционирования (наруше­ние регулировок, засорение гидросистемы, течь в местах соедине­ния шлангов и т. п.).

Отказы классифицируются:

• по частоте — единичные и повторяющиеся;

• по взаимосвязям — первичные (независимые) или вторичные (зависимые), вызванные действиями другого отказа;

• по условиям возникновения — возникшие при выполнении ос­новных функций или при хранении, транспортировке, на холостом пробеге;

• по уровню внешних воздействий — при нормальных или не­нормальных (отклонение от правил техобслуживания и управления, при недопустимых нагрузках и т. п.) условиях работы;

• по внешним проявлениям — явные (быстрое обнаружение) и скрытые (время обнаружения выше установленных норм);

• по виду — легкие (разрушение прокладки), средние (вызывают остановку машины для ремонта), тяжелые (значительные разруше­ния);

• по сложности устранения — требуют проведения технического обслуживания, текущего или капитального ремонта;

• по способности к восстановлению — устраняемые в эксплуата­ционных или стационарных условиях;

• по возможности прогнозирования — прогнозируемые (диагно­стическими приборами от изменения параметров, наработки, воз­раста) или непрогнозируемые;

• по характеру изменения параметров — постепенные (начина­ются сразу после начала работы машины, зависят от длительности работы и связаны с процессами износа, коррозии, усталости и пол­зучести материалов); внезапные (сочетание неблагоприятных факто­ров и случайных внешних воздействий, превышающих возможности машины к их восприятию, возникают через некоторые случайные промежутки времени, не зависят от состояния машины и длительно­сти предыдущей работы, а процесс протекает быстро) и сложные (включают особенности предыдущих отказов, время возникнове­ния — величина случайная, а скорость процесса зависит от сопро­тивляемости элементов машины);

• по последствиям — отказы функционирования (связаны с по­вреждениями отдельных элементов машины, которая не может вы­полнять свои функции: выкрошился зуб шестерни, насос не подает масло в систему, не заводится двигатель внутреннего сгорания) или параметрические (машина может выполнять свои функции, но рабо­тает за пределами своих технических требований — характеристик: загазованность воздуха, падение КПД передачи, снижение давления в рабочей жидкости гидросистемы). Оба вида отказов могут быть как постепенными, так и внезапными (в последнем случае отказ бу­дет параметрическим, если потеряна точность работы машины или ее элементов, и функциональным, если произошло заклинивание од­ного из механизмов).

Долговечность — свойство машины сохранять работоспособ­ность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

Предельное состояние машины возникает при невозможности ее дальнейшей эксплуатации.

В строительных машинах различают три группы элементов, от­личающихся характеристиками предельных состояний:

А — невосстанавливаемые элементы после первого отказа (пру­жины, подшипники качения, зубчатые колеса, уплотнения, тормоз­ные накладки);

Б — восстанавливаемые элементы и простые системы, имею­щие в эксплуатации более одного отказа. Их работоспособность до предельного состояния поддерживается регулировкой, очист­кой, заменой элементов и т. д. Предельное состояние — отказ, вы­зывающий необходимость в восстановительном или капитальном ремонте;

В — сложные системы (машины в целом). Работоспособность их до предельного состояния поддерживается в результате проведения мероприятий по техническому обслуживанию и текущему ремонту. ( Предельное состояние наступает при возникновении необходимости в капитальном ремонте или списании машины.

Ремонтопригодность — приспособленность машины к предупре­ждению, обнаружению и устранению причин повреждений (отказов) Ірутем проведения технического обслуживания и ремонтов.

1 Ремонтопригодность машин включает в себя следующие основ­ные понятия:

• доступность (удобство осуществления осмотра по регулировке и замене деталей руками и инструментом с отсутствием работ на ощупь и с минимальными объемами дополнительных работ и мини­мальной утомляемостью рабочих);

• контролепригодность (возможность контроля технического со­стояния элементов машин при профилактических мероприятиях, а также поиска отказавшего элемента или причины неисправности с помощью специальных методов и средств, к каковым относятся ди­агностическая аппаратура, индикаторы давления, температуры, за­грязненности фильтров и т. п.);

• легкосъемность (замена сборочных единиц или агрегатов с ми­нимальными затратами времени и труда, определяемая массой, га­баритами, системой крепления и конструкций разъемов съемного узла);

• взаимозаменяемость (характеризуется объемами пригоночных работ при установке однотипных элементов);

• блочность и агрегатность (возможность демонтажа и монтажа на машину сборочной единицы или агрегата без предварительной разборки его или смежного с ним узла);

• степень унификации (использование однотипных деталей и сборочных единиц в разных машинах, особенно на ограниченном пространстве применения последних).

Сохраняемость — свойство машины сохранять исправное со­стояние и работоспособность в течение и после срока хранения или транспортирования. Она характеризуется сопротивляемостью кон­струкций машины изменению характеристик элементов под воздей­ствием влажности, атмосферного давления, облучения, загрязненно­сти атмосферы, окружающей температуры, собственной массы при хранении и т. п. Высокие показатели сохраняемости достигаются ла­кокрасочным покрытием и герметизацией, применением специаль­ных заглушек и пробок, установкой опорных приспособлений, хра­нением в боксах и др.

Все показатели надежности носят вероятностный статистиче­ский характер.

3. Стандартизация и унификация характеризуют насыщенность машин стандартными, унифицированными и оригинальными дета­лями и сборочными единицами.

Стандартизация предусматривает введение обязательных норм — стандартов, которым должны соответствовать определен­ные детали, сборочные единицы и параметры машин при проекти­ровании, изготовлении и эксплуатации. По заводским и отраслевым нормам, государственным (ГОСТ) и международным (ИСО) стан­дартам выпускается большое количество деталей и узлов (крепеж­ные детали, подшипники, редукторы, гидроаппаратура, системы и приборы автоматизации), применяемых в машинах различного на­значения, а также устанавливаются вместимость ковша экскаватора, грузоподъемность трубоукладчика и др.

Конструкцию машин допускается изменять и совершенствовать. В соответствии с этим используется взаимозаменяемость деталей и узлов, позволяющая производить их сборку или замену без предва­рительной подгонки.

Взаимозаменяемость основана на широкой унификации, т. е. на рациональном сокращении номенклатуры однотипных деталей и сборочных единиц для применения их в разных машинах, а также и в однотипных машинах.

Наличие стандартов позволяет осуществить массовое изготовле­ние по новейшей технологии деталей и узлов, повышение их качест­ва (ведущее к надежности и долговечности) и снижение затрат времени, труда материалов и средств при проектировании, изготов­лении и эксплуатации машин.

4. Эргономические требования отражают взаимодействие челове­ка с машиной и делятся на:

• гигиенические — соответствие кабины условиям жизнедеятель­ности и работоспособности машиниста (размеры кабины, освещен­ность, вентиляция с фильтрами для очистки воздуха, вибрация, пы­ле - и газонепроницаемость и т. д.);

• антропометрические—соответствие рабочего места и его частей форме, BQcy и размерам тела машиниста (удобное, регулируемое-по высоте и горизонтали сиденье маши ниста, регулируемые подлокотни­ки, расстояние до рычагов, рукояток и кнопок управления и т. д.);

• физиологические и психофизические — соответствие рабочего места физиологическим свойствам машиниста и особенностям функционирования его органов чувств (скоростные и силовые воз­можности машиниста требуют легкое механизированное или авто­матизированное управление; пороги слуха, зрения и т. д.);

• психологические — соответствие рабочего места машины воз­можностям восприятия и переработки информации, соответствие закрепленным и вновь формируемым навыкам человека.

Частично эргономические требования представлены в требова­ниях безопасности.

5. Эстетические требования характеризуются информационной выразительностью (соответствие формы назначению), рационально­стью форм, целостностью композиции, совершенством производст­венного исполнения, соответствием современному стилю, внутрен­ней и внешней отделкой и окраской, согласованностью с окружающей средой, удобством расположения и четкостью испол­нения фирменных знаков, марок, указателей и т. п.

6. Экологические требования учитывают вопросы, связанные с охраной окружающей среды при эксплуатации машин. К ним отно­сятся выявление возможностей механических (нарушение земной поверхности и растительности), химических (содержание и вероят­ность выбросов вредных частиц, газов, масел, топлива, излучений не только при эксплуатации, но и при хранении и транспортирова­нии), световых, звуковых, биологических, радиационных (расти­тельный и животный мир) и других воздействий на окружающую среду с целью их ограничения до допустимых пределов.

7. Безопасность должны обеспечивать конструкция машины, ме­ры и средства защиты людей, работающих на машине и рядом с ней при эксплуатации, монтаже-демонтаже, ремонте, хранении, транс­портировании, в зонах возможной опасности, в том числе в аварий­ных и послеаварийных ситуациях от механических (защита движу­щихся элементов машины кожухами, заносы и устойчивость, на поворотах и при вращении поворотных платформ, в продольном и поперечном направлениях против опрокидывания), электрических (замыкания в электроцепи), тепловых (разогреваемые строительные материалы, пар, повышенная температура воды, двигателя, сварка и наплавка) воздействий, ядовитых и взрывчатых паров, шумов, ра­диоактивных излучений и т. п.

Снижение травматизма достигается повышением прочности и жесткости конструкции кабины, использованием на них безоско - лочных стекол, установкой на окнах защитных решеток, а в по­толке — аварийного люка, обеспеченностью звуковой и световой сигнализацией и приборами, предупреждающими о критических ситуациях и при взаимодействии с совместно работающими рабо­чими, автоматическими устройствами безопасности и блокировки. Большое значение имеет обзорность, т. е. хорошая видимость и ос­вещенность рабочих органов и окружающих их участков рабочей среды, в том числе с круговым обзором для мобильных машин. На машине должны устанавливаться огнетушители, противоосколоч - ные козырьки, стеклоочистители, омыватели и устройства, исклю­чающие обледенение и запотевание стекол, обогревателей для холодного времени года, кондиционеров для жаркого и тропиче­ского климата и т. д.

8. Технологичность предусматривает оптимальное распределе­ние затрат материалов, средств, труда и времени при подготовке производства, изготовлении деталей, сборке и отделке узлов и ма­шины в целом, эксплуатации и ремонтах (в том числе удобство за­мены узлов и агрегатов), возможность использования прогрессив­ных технологий с автоматизацией процессов путем внедрения манипуляторов и промышленных роботов.

9. Транспортабельность машин и оборудования должна обеспе­чить их приспособленность к перемещению в пространстве на транспорте (автомобильном, железнодорожном, водном, воздуш­ном), с прицепом, на специальных транспортных средствах и своим ходом с минимальными затратами труда и времени на подготови­тельные операции (укладка в тару, упаковывание, частичный демон­таж, погрузка, крепление и т. п. с противоположными операциями после перевозки).

10. Патентно-правовые требования предусматривают патентные чистоту (оригинальные решения в конструкции машин) и защиту (заявки на изобретения в нашей стране, патенты в странах предпо­лагаемого экспорта) машин и являются основным фактором при оп­ределении их конкурентоспособности, для возможной реализации не только в стране, но и на внешнем рынке.

11. Экономические требования характеризуются ценой и эконо­мическим эффектом, определяемыми на стадиях проектирования, подготовки производства, изготовления, испытаний и эксплуатации при соответствующем увеличении производительности, снижении массы машины, стоимости перерабатываемой продукции и улучше­нии качества выполняемых работ.

Все вышеизложенные требования, предъявляемые к строитель­ным машинам и оборудованию, регламентируются соответствую­щими заводскими, отраслевыми, государственными и международ­ными правилами, нормами и стандартами.

Практически все машины состоят из ряда основных сборочных единиц, к которым можно отнести ходовое, силовое и рабочее обо­рудование, трансмиссии и системы управления, установленные, на общей раме (неповоротной, поворотной) или станине.

Каждая машина имеет ряд документов, без которых невозможно ее изготовление, эксплуатация и ремонт. Основными являются:

• чертеж общего вида — документ, определяющий конструкцию машины, взаимодействие ее основных частей и поясняющий прин­цип действия;

• сборочные чертежи и чертежи деталей — документы, изобра­жающие деталь и данные для ее изготовления и контроля (размеры, обработка, допуски, посадки) или сборочную единицу и данные для ее сборки и контроля;

• схемы — документы, на которых в виде условных обозначений показаны составные части машины и связи между ними (кинемати­ческая для механического привода, электрическая, гидравлическая, пневматическая и др.);

• техническое описание и инструкция по эксплуатации;

• инструкция по монтажу, демонтажу и перевозке (по необходи­мости).