Привод строительной машины это

3.1. Общие понятия и определения

Приводом называют энергосиловое устройство, приводящее в движение машину. Привод состоит из источника энергии (сило­вой установки), передаточного устройства (трансмиссии) и сис­темы управления для приведения в действие механизмов маши­ны, а также для их отключения.

Силовой установкой называют комплект, состоящий из двига­теля и обслуживающих его устройств. Например, в случае двигате­ля внутреннего сгорания — топливного бака, устройств для ох­лаждения, отвода выхлопных газов и т. п.

Трансмиссии могут быть механическими, электрическими, гид­равлическими, пневматическими и смешанными. Только в меха­нических и смешанных трансмиссиях на их механических участ­ках механическое движение передается без его преобразования в другие формы энергии. Во всех других случаях вращательное дви­жение выходного вала двигателя силовой установки с помощью электрогенераторов, гидравлических или пневматических насо- | сов преобразуется соответственно в электрическую энергию, энергию движения рабочей жидкости или энергию сжатого воз­духа, которая поступает к электро-, гидро- или пневмодвигате-лям, повторно преобразующим ее в механическое движение. Все указанные двигатели входят в состав трансмиссий. Соответствен­но различают электрические, гидравлические и пневматические трансмиссии.

Обычно свое наименование привод получает по типу двигате­ля силовой установки (от карбюраторного двигателя, дизельный), виду используемой энергии внешнего источника (электрический, I пневматический) или типу трансмиссии (гидравлический, дизель- ‘ электрический и т.п.).

Если на машине установлено нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов и все они приводятся в движение от одного двигателя, то привод называют одномоторным или группо­вым. Если же часть или все рабочие органы, или исполнительные механизмы приводятся от собственных двигателей, то привод на­зывают многомоторным. При индивидуальном приводе исполнитель­ных механизмов трансмиссионные двигатели могут питаться энер-

гией от одного генератора (насоса), индивидуально — каждый дви­гатель от своего генератора (индивидусыьный привод) или по сме­шанной схеме. В случае использования индивидуального электри­ческого привода каждый электродвигатель, приводящий в движе­ние соответствующий рабочий орган или исполнительный меха­низм, может питаться непосредственно от электросети. В последнее время на машинах с несколькими рабочими органами или испол­нительными механизмами используют преимущественно индиви­дуальный привод, обладающий более высоким коэффициентом по­лезного действия (КПД) по сравнению с групповым приводом, простотой и агрегатностью конструкции, лучшей приспособлен­ностью к автоматизации управления, лучшими условиями эксплу­атации и ремонта.

При оценке эффективности приводов строительных машин предпочтение следует отдавать тем приводам, которые имеют мень­шие габаритные размеры и массу, обладают высокой надежно­стью и готовностью к работе, высоким КПД, просты в управле­нии, более приспособлены к автоматизации управления, обеспе­чивают независимость рабочих движений и возможность их со­вмещения.

Рассмотрим более подробно сущность понятия передачи дви­жения рабочему органу машины в условиях преодоления им внеш­них сопротивлений. Основная составляющая этих сопротивлений определяется, прежде всего, свойствами преобразуемого матери­ала и характером процесса преобразования. Например, при рабо­те водоотливной насосной установки внешними сопротивления­ми будут: сила тяжести поднимаемой воды и силы трения при ее передвижении по трубопроводам. В этом случае сопротивления практически неизменны во времени. При разработке грунта ков­шом экскаватора, отвалом бульдозера и другими машинами со­противления копанию нарастают от минимального до максималь­ного значения, многократно повторяясь в процессе каждой опе­рации копания.

В условиях постоянных или слабо изменяющихся во времени внешних сопротивлений привод работает в спокойном режиме практически с постоянной скоростью на его выходном звене. При изменяемых во времени внешних сопротивлениях, кроме внут­ренних сопротивлений, к ним добавляются динамические со­ставляющие, обусловленные внешней (механической) характери­стикой привода — функциональной зависимостью между его силовым и скоростным факторами на выходном звене. Обычно эти факторы связаны между собой обратной зависимостью — чем больше внешнее сопротивление, тем меньше скорость движения выходного звена. Такая зависимость представлена на рис. 3.1 для случая вращательного движения выходного звена привода, где через Г, со и л обозначены соответственно вращающий момент, угловая скорость и частота враще­ния выходного звена. Если, напри­мер, на временном интервале Д/ со­противление возрастает от Г, до Т₂, то, согласно внешней характери­стике привода, угловая скорость снижается за то же время с со ] до со₂ — выходное звено вращается с замедлением. Согласно второму за­кону механики этому замедлению соответствует пропорциональный ему динамический момент проти­воположного внешнему сопротив­лению направления. Складываясь с внешним сопротивлением, ди­намический момент уменьшает его значение. Природа этого явле­ния заключается в том, что движущаяся система при снижении скорости расходует накопленную в ней энергию на преодоление возрастающих внешних сопротивлений.

С уменьшением внешних сопротивлений скорость со возраста­ет, ускорение положительно, а поэтому динамический момент также положителен, т.е. с возрастанием скорости энергия приво­да расходуется на преодоление внешних сопротивлений и на на­копление энергии в движущейся системе. Таким образом, при­вод как бы выравнивает приведенное к его выходному звену со­противление с одновременным снижением скорости при возраста­нии внешнего сопротивления и ее увеличением при снижении пос­леднего. Такая приспособленность привода к условиям его нагру-жения будет тем больше, чем больше момент инерции враща­ющихся масс привода и чем меньше первая производная/= dT/d(a, называемая жесткостью механической характеристики привода. Ха­рактеристики с высокими значениями этой величины называют жесткими, а с низкими значениями — мягкими. Степень жест­кости механической характеристики определяется, прежде всего, типом двигателя. Жесткость/может быть понижена за счет вклю­чения в состав привода дополнительных устройств, в частности — гидротрансформатора (см. гл. 5).

Для характеристики режимов работы привода отдельных меха­низмов и машин в целом пользуются отношениями максимальных значений усилий (вращающих моментов) Р_тах (Г_тах) и скоростей t>_max (co_max) на выходном звене привода к их средним значениям соот­ветственно Р_ср(Т_ср) и v_cp (со_ср), продолжительностью включений (ПВ) в процентах от общего времени работы машины и количеством вклю­чений KB в час. В зависимости от степени изменения этих парамет­ров, которые колеблются в пределах T_mm/T_cp = 1,1. 3,0 (для враща­тельного движения), ПВ = 15. 100 %, KB = 10. 600, режимы нагру-жения многих машин и их механизмов условно подразделяют на

легкий, средний, тяжелый и весьма тяжелый. Для некоторых ма­шин, например строительных кранов, для определения режимов работы используют также другие дополнительные факторы. Важ­ной характеристикой привода, определяющей его способность пре­одолевать сопротивления, значительно превышающие их средние значения, является коэффициент перегрузочной способности к_пер — отношение максимального момента 7^ по механической характе­ристике привода к его номинальному значению Т_н.

3.2. Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) относятся к группе тепловых двигателей. В ДВС химическая энергия топлива, сгора­ющего в рабочих полостях цилиндров, преобразуется в механиче­скую энергию.

История создания ДВС восходит к середине XIX в., когда в 1860 г. французским механиком Э.Ленуаром был сконструирован первый прак­тически пригодный газовый ДВС. В 1876 г. немецкий изобретатель Н.От-то построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель. Пер­вый бензиновый карбюраторный двигатель был построен в России О.С.Костовичем в 80-х гг. XIXв., а первый дизельный двигатель — не­мецким инженером Р.Дизелем в 1897 г., впоследствии (1898—1899 гг.) усовершенствованный на заводе Л. Нобеля в Петербурге. С этого време­ни дизельный двигатель становится наиболее экономичным ДВС. В 1901 г. в США был разработан первый трактор с ДВС. В то же время братьями О. и У. Райт был построен первый самолет с ДВС, начавший свои поле­ты в 1903 г. В том же году русские инженеры установили ДВС на судне «Вандал», создав первый теплоход. Первый поездной тепловоз был со­здан в 1924 г. в Ленинграде по проекту Я. М. Гаккеля.

В ДВС все процессы сгорания топлива, выделения теплоты и превращения ее в механическую энергию происходят в рабочих цилиндрах 5 (рис. 3.2 и 3.3) при перемещениях в них поршней 4, приводящих во вращение коленчатый вал 1 через шатуны 2 во вре­мя рабочего хода и приводимых в движение коленчатым валом на всех других этапах рабочего цикла. В приводах строительных машин применяют многоцилиндровые карбюраторные и дизельные (дизе­ли) двигатели с четырьмя (рис. 3.4), шестью, восемью или двенад­цатью цилиндрами, работающими на жидком топливе — бензине (карбюраторные двигатели) или дизельном топливе (дизели).

ДВС является сложным механическим устройством, состоящим из корпуса, кривошипно-шатунного механизма, механизма газо­распределения, систем смазки, охлаждения, питания, зажигания (для карбюраторных двигателей), пуска, впуска и выпуска.

[ ^ Рабочим циклом или рабочим процессом ДВС называют после­довательность периодически повторяющихся процессов (впуск, сжатие и сгорание топлива, расширение образовавшихся при сгорании газов и их выпуск)|Часть рабочего цикла, совершаемого за ход поршня в одном направлении, называют тактом,, В приводах строительных машин, кроме малых машин, применяют обычно четырехтактные двигатели, у которых рабочий цикл совершается за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.

[Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя пред­ставлен схемой (см. рис. 3.2). В течение первого такта (см. рис. 3.2, а) приводимый коленчатым валом 1 через шатун 2 поршень 4 пере­мещается вниз, всасывая в рабочую полость цилиндра 5 через от­крытый впускной клапан 6 топливо-воздушную смесь из паров бензина и воздуха, поступающую из карбюратора — специального устройства для ее приготовления. На втором такте (см. рис. 3.2, б) поршень, также приводимый коленчатым валом, перемещается снизу вверх, сжимая находящуюся в цилиндре рабочую смесь при закрытых впускном ^ Удельным расходом топлива называют отношение его часового расхода к мощности на коленчатом валу.

Под эффективным КПД понимают отношение указанной выше мощности к затраченной теплоте использованного топлива. Дизели обладают более высоким эффективным КПД (0,35. 0,45) по срав­нению с карбюраторными двигателями (0,26. 0,32), а также более низким удельным расходом топлива [190. 240 г/(кВт-ч) при 280. 320 г/(кВт-ч)] у карбюраторных двигателей. В выхлопных газах дизелей содержится меньше токсичных веществ. К недостаткам ди­зелей относятся: затруднения в запуске при низких температурах, высокая чувствительность к перегрузкам, а также большая масса.

Зависимость крутящего момента Г на коленчатом валу ДВС от частоты вращения вала п называют механической характеристикой двигателя (рис. 3.5). Из семейства скоростных ветвей /, 2, 3 и т.д. пер­вая, соответствующая максимальной подаче топлива в рабочие цилинд­ры двигателя, называется внешней, а все другие, при уменьшенной по­даче топлива — промежуточными. Ре-гуляторной ветвью 4 с помощью спе­циального устройства — регулятора отсекаются участки скоростных вет­вей при больших частотах п. Основ­ными параметрами механической ха­рактеристики дизеля (на внешней скоростной ветви) служат: номи­нальные момент Т_н и частота вращения коленчатого вала п_н, мак­симальный момент Г_тах и соответствующая ему частота п_т, а так­же частота холостого хода п₀. Как и для привода в целом (см. под-разд. 3.1), отношение А;_пер = Т_тах/Т_н называют коэффициентом пере­грузочной способности. Для дизелей обычно к_пер = 1,1. 1,15. Пред­ставленные на рис. 3.5 характеристики не учитывают влияния ма­ховика.

Из двух текущих параметров работы дизеля — момента на ко­ленчатом валу ^ Т и частоты его вращения п — первый однозначно определяется внешней нагрузкой, характер изменения которой во времени t зависит от многих факторов, прежде всего, от со­противлений на рабочем органе. При спокойной внешней нагруз­ке (рис. 3.6, а) ее максимальное значение Г_тах незначительно отли­чается от среднего значения Т_ср, что позволяет работать дизелю вблизи рабочей точки с номинальным моментом Т_И, при частоте вращения, близкой к п_н. При этом полезно используемая мощ­ность будет наибольшей. В случае значительного превышения вне­шних сопротивлений над средним (рис. 3.6, б) во избежание ос­тановки двигателя, рабочую точку на механической характери­стике дизеля (см. рис. 3.5), соответствующую Т_ср, приходится вы­бирать ниже номинальной, жертвуя при этом эффективным КПД. Текущая рабочая точка по моменту будет все время менять свое положение на регуляторной ветви, соответственно характеру на-гружения (см. рис. 3.6, б). При этом также будет изменяться час­тота вращения коленчатого вала в диапазоне п_н T_D. В противном случае уже на первом этапе (участок АВ) частота п = п_в не будет достигнута, а, следовательно, первое со­противление не будет отключено, и дальнейшая работа возможна только на искусственной характеристике 2. При необходимости указанное условие обеспечивается снижением момента T_D, в част­ности, путем отключения трансмиссии или исполнительного ме­ханизма от двигателя.

Искусственные характеристики, обладающие меньшими жест-костями по сравнению с естественной характеристикой, могут быть также использованы в качестве рабочих характеристик, ког­да необходимо плавно изменять скорости рабочих движений. Ко-роткозамкнутые двигатели запускаются и работают только на ес­тественной характеристике.

В приводах грузоподъемных машин для плавной посадки гру­зов, например, на монтаже конструкций, а также для ускоренно­го опускания грузозахватных устройств, применяют двухскорост-ные асинхронные двигатели с соотношением скоростей 2:1; 8:3; 3:1; 10:3.

Ручные машины с электрическим приводом подключают к элек­тросети через преобразователи частоты с 50 на 400 Гц, что позво­ляет уменьшить их массу в 3,5 раза. Часто в приводах ручных ма­шин используют однофазные коллекторные электродвигатели с вы­сокой удельной мощностью на единицу массы и мягкой механи­ческой характеристикой. Коллекторные двигатели мало чувстви­тельны к колебаниям напряжения в питающей сети, устойчиво работают в режиме частых пусков, могут включаться в сеть без преобразователей. К их недостаткам можно отнести: высокую сто­имость и необходимость их обслуживания специалистами высо­кой квалификации.

Электродвигатели постоянного тока обеспечивают большую плавность пуска и торможения механизмов по сравнению с дви­гателями переменного тока. На рис. 3.8, а представлены механи­ческие характеристики приводов, работающих по системе трех-обмоточный генератор — двигатель. Они применяются, в част­ности, на экскаваторах средней мощности. Форма характеристи­ки может быть изменена соответствующим подбором ампер-вит­ков трех обмоток генератора: независимой, шунтовой и сериес-ной. На рис. 3.8, б показана механическая характеристика приво­да постоянного тока по системе генератор — двигатель с элект­ромашинными усилителями, применяемого на экскаваторах большой мощности. Такие характеристики имеют участки малой и повышенной жесткости, что позволяет применять их как в при­водах рабочих органов или исполнительных механизмов, требу­ющих плавности изменения скоростей рабочих движений, так и при стабильной скорости, независящей от изменения внешней нагрузки.

1. Что такое привод машины? Из чего он состоит?

2. Обоснуйте преимущественное применение строительных машин с автономными двигателями перед машинами, работающими от внешней энергетической сети. В каких производственных условиях для привода строительных машин используют энергию электро- и пневмосети? В ка­ких случаях для привода малых машин применяют компрессоры?

3. Что такое силовая установка машины? Из чего она состоит? Приве­дите пример.

4. Перечислите виды механических трансмиссий.

5. Какие трансмиссии передают движение с преобразованием энер­гии в другие формы, отличные от механической? Какие устройства обес­печивают эти преобразования?

6. Приведите классификацию трансмиссий для привода нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов. Какой вид привода имеет преимущественное применение в строительных машинах? Обо­снуйте ответ.

7. Какими основными показателями оценивают эффективность при­вода строительных машин?

8. От чего зависит внешнее сопротивление на рабочем органе? Каков характер этого сопротивления? Приведите примеры.

9. Что такое сопротивление движению рабочего органа? Из чего оно складывается? Что является источником динамического сопротивления? Как влияет на его формирование механическая характеристика приво­да? Как влияет динамическая составляющая на общее внешнее сопро­тивление?

10. Что такое жесткость механической характеристики привода? Ка­кие характеристики называют жесткими? мягкими?

11. Какими показателями пользуются для характеристики режимов работы машин и их механизмов? Приведите классификацию режимов.

12. Что такое коэффициент перегрузочной способности привода?

13. Какую энергию преобразуют двигатели внутреннего сгорания в механическое движение 9

14. Какие типы двигателей внутреннего сгорания применяют в при-водах строительных машин? На каких видах топлива они работают?

15. Что такое рабочий цикл или рабочий процесс двигателя внутренне­го сгорания? Что такое такт? Опишите рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Чем отличается от него рабочий цикл дизеля?

16. Для чего в конструкциях двигателей внутреннего сгорания приме­няют несколько рабочих цилиндров? Каков порядок их работы?

17. Каково назначение маховика в конструкции двигателя внутренне­го сгорания?

18. Назовите способы запуска двигателей внутреннего сгорания. Ка­кие для этого применяют устройства? Чем обусловлен затрудненный за­пуск двигателей внутреннего сгорания при низкой температуре окружа­ющего воздуха? Какие устройства применяют для облегчения запуска?

19. Какими основными показателями характеризуют работу двигате­лей внутреннего сгорания? Что такое удельный расход топлива, эффек­тивный КПД? Каковы их значения для дизелей и карбюраторных двига­телей?

20. Что такое механическая характеристика двигателя внутреннего сго­рания? Из каких ветвей она состоит? Как получаются промежуточные скоростные характеристики? Назовите характерные точки внешней ме­ханической характеристики. Что такое коэффициент перегрузочной спо­собности, каково его значение для дизелей?

21. Какая ветвь механической характеристики двигателя внутреннего сгорания является рабочей? К какому виду по жесткости она относится? Как влияет характер изменения внешней нагрузки во времени на поло­жение текущей точки на механической характеристике? Какие участки механической характеристики предпочтительны и почему?

22. Какие типы электрических двигателей применяют в приводах стро­ительных машин?

23. Назовите параметры электрической сети для питания двигателей переменного тока.

24. Какими преимуществами и недостатками обладают асинхронные двигатели?

25. Приведите механическую характеристику асинхронного электро­двигателя и опишите ее характерные точки. Что такое естественная и искусственная механические характеристики? Какой участок механиче­ской характеристики считается рабочим, к какому виду по жесткости он относится? Каковы значения коэффициента перегрузочной способно­сти асинхронных двигателей?

26. Что такое пусковой момент асинхронного двигателя? Каковы его значения для двигателей короткозамкнутых и с фазным ротором? Для чего в цепь ротора фазного двигателя включают дополнительные сопро­тивления? Какие механические характеристики им соответствуют? Опишите запуск электродвигателя с фазным ротором с использованием пус­ковых сопротивлений.

27. Для чего в приводах грузоподъемных машин применяют двухеко-ростные электродвигатели?

28. Какие электродвигатели применяют в приводах ручных машин? Каковы их особенности?

29. Какие типы двигателей постоянного тока применяют в приводах строительных машин? Каковы их механические характеристики? Чем ограничено их применение?

Источник