Лекция 2. Конструкция строительных машин. Часть первая.

Конструктивные составляющие строительных машин
Каждая машина состоит из деталей (элементов) и сборочных единиц, предназначенных для выполнения определенных функций в процессе работы машины.
По функциональному признаку в каждой машине различают следующие сборочные единицы:

• силовые установки (двигатели), являющиеся источником или преобразователем энергии в механическую работу;
• рабочее оборудование (рабочий орган), непосредственно осуществляющее технологическую операцию и имеющее непосредственное воздействие на перерабатываемый материал;
• ходовое оборудование (у самоходных машин), предназначенное для передвижения всей машины и передачи давления от веса машины и рабочих нагрузок на основание;
• функциональное оборудование, входящее в конструкцию машины и выполняющее определенную функцию (встроенные компрессоры, генераторы, вентиляторы, предпусковые подогреватели) ;
• передаточные механизмы (трансмиссию) для осуществления связи силового оборудования с рабочим оборудованием, а также с ходовым оборудованием самоходных машин при различных комбинациях скоростей, моментов и сил;
• систему управления, предназначенную для запуска и останова силового оборудования, а также для соединения и разъединения связи между силовым оборудованием, рабочим или ходовым оборудованием, а также в необходимых случаях для быстрого прекращения движения — торможения;
• несущую конструкцию (раму) машины, служащую для размещения и закрепления на ней всех элементов машины и сохранения их взаимного расположения между собой. У самоходных машин несущая конструкция передает давление от веса машины и рабочих нагрузок на основание через ходовое оборудование, а у стационарных—непосредственно через детали опорного устройства.

Рабочие органы строительных машин
Рабочий орган — та часть машины, при помощи которой выполняются рабочие операции. Основные параметры рабочего органа зависят от вида выполняемой операции и главного параметра машины. У некоторых рабочих органов за главный параметр машины принимают один из его параметров. Так, геометрическая емкость ковша одноковшового экскаватора является его главным параметром.
Рабочие органы землеройных, землеройно-транспортных, бурильных машин принято разделять на следующие группы:

• которые только отделяют грунт от массива или разрезают породу (зуб рыхлителя);
• которые отделяют и перемещают грунт по мере его отделения или перемещают породу после рыхления (отвал бульдозера);
• у которых после отделения грунта от массива он накапливается в емкостях и переносится в этих емкостях (ковш экскаватора, скрепера).

Силовые установки (приводы) машин
Силовая установка — та часть машины, которая приводит в движение механизмы машины. Она представляет собой агрегат, состоящий из двигателя и вспомогательных систем:

• питания (топливный бак, фильтры, трубопроводы),
• охлаждения (водяной насос, радиатор трубопроводов),
• управления (рычаги управления режимом двигателя, охлаждения),
• смазки;
• подмоторных рам.

Силовые установки разделяются на установки с одним двигателем и комбинированные. На установках с одним двигателем применяют следующие двигатели:

• внутреннего сгорания,
• дизельные или карбюраторные,
• электрические постоянного и переменного тока,
• пневматические.

Установки с комбинированным приводом бывают

• электрические по системе генератор — электродвигатель,
• дизель-электрические,
• дизель-гидравлические,
• дизель-пневматические.

Также приводы бывают одно- и многомоторные.
В одномоторном приводе одна силовая установка приводит в движение все механизмы. При таком приводе включают и выключают отдельные механизмы машины при помощи различных конструкций муфт, чаще всего фрикционных.

Достоинством одномоторного привода является то, что масса этого привода меньше, чем суммарная масса приводов многомоторного привода, а изготовить его проще и дешевле.

Недостаток одномоторного привода состоит в том, что при нем требуется большое количество трансмиссий, чтобы осуществить передачу движения отдельным механизмам. Кроме того, при одномоторном приводе нельзя получить независимое распределение мощности между приводимыми в движение механизмами.

При многомоторном приводе каждый механизм или группа их приводятся в движение отдельными двигателями. Чаще всего на машинах с многомоторным приводом двигатель внутреннего сгорания приводит в движение электрогенератор, который питает электроэнергией электроприводы отдельных механизмов. Двигатель внутреннего сгорания может приводить в движение гидронасос, который подает жидкость к гидродвигателям отдельных механизмов.

Достоинством многомоторного привода является то, что в нем можно регулировать работу отдельных механизмов независимо друг от друга, значительно сократить количество трансмиссий, легче осуществить автоматизацию.

Режимы работы силовых установок

Нагрузочные диаграммы при различных режимах работы машины:
а — легкий режим работы; б — средний; в — тяжелый; г — очень тяжелый; 1 — частота колебаний машины; 2 — изменение мощности

Режим машины зависит от:

• величины амплитуды и частоты колебаний нагрузки;
• количества включений в единицу времени;
• реверсивности движения;
• продолжительности непрерывной работы.

Различают четыре режима работы:

1. Легкий режим работы (рис. а)

• отношение максимальной нагрузки к средней составляет: 1,1 - 1,3
• скорость рабочих движений постоянна,
• нет реверсивности рабочих движений;
• число включений в 1 ч составляет 20—30, редко 50.

С такими режимами работают

• машины для уплотнения грунтов (кроме вибрационных),
• бетоносмесители,
• растворосмесители,
• цилиндрические грохоты,
• транспортеры.

Для привода этих машин можно применять любые двигатели.

2. Средний режим работы (рис. б)

• отношение максимальной нагрузки к средней составляет 1,5 - 2,5;
• скорость рабочих движений переменна,
• движения редко реверсивны;
• число включений в 1 ч достигает 200.

На таких режимах работают скреперы, тягачи, грейдер-элеваторы, дробилки, краны, многоковшовые экскаваторы и погрузчики.

3. Тяжелый режим работы (рис. в)

• отношение максимальной нагрузки к средней составляет 2 : 3;
• нагрузка имеет частые и резкие пики;
• скорости рабочих движений меняются прерывно,
• движения часто реверсивны; число включений в 1 ч до 1000 и более.

На таких режимах работают одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, толкачи и др.;

4. Очень тяжелый режим работы — носит ударный или вибрационный характер (рис. г).

Целесообразность применения того или иного двигателя для работы при различных режимах нагружения определяют с помощью механической внешней характеристики.

Кривую, построенную в координатах М и n, где М — крутящий момент; n — частота вращения; М = f (n) называют механической внешней характеристикой.

Ннаилучшей характеристикой является такая, при которой для всех значений частоты вращения мощность оставалась постоянной:

N = AMn = const

Кривая внешней характеристики, отвечающая этому треоованию, представляет собой гиперболу (кривая 1 на рис.). Если сравнивать различные характеристики, имеющие одну и ту же точку номинального режима (точка О на рис.), то их можно условно разбить на следующие категории:

• проходящие в зонах А и С — жесткие,
• в зонах В и D — так называемые мягкие.

Жесткость характеристики определяется по формуле

b = dM/dn

Характеристики, для которых

• b стремится к бесконечности, называют абсолютно жесткими (вертикальная прямая на рис.);
• при b = 40 - 10 — жесткими (прямая 3);
• при b <>

Другой характеристикой двигателя является запас крутящего момента, определяемый коэффициентом kзап:

kзап=(Mmax - Mном)/Мmax;

Также о приспособляемости двигателя можно судить по коэффициенту приспособляемости:

kп= Мmax/Мном.

Чем мягче характеристика, тем шире пределы изменения частоты вращения двигателя при изменении нагрузки, т. е. способность автоматически снижать частоту вращения при перегрузке с плавным увеличением крутящего момента.
Двигатели внутреннего сгорания
Двигатели внутреннего сгорания являются основным приводом всех транспортных землеройных и землеройно-транспортных машин. Эти двигатели разделяют на два типа:

• дизели, работающие на тяжелом дизельном топливе,
• карбюраторные, работающие на бензине.

Основное преимущество двигателей внутреннего сгорания состоит в том, что для них не требуется внешних источников питания.

Недостатками ДВС являются

• большая чувствительность к перегрузкам (для карбюраторных двигателей kп = 1,15 - 1,95, а для дизелей kп = 1,01 - 1,1);
• высокая стоимость эксплуатации;
• сравнительно малая долговечность - до 4000 часов работы.

Двигатели внутреннего сгорания применяют как с непосредственной механической передачей, так и с гидромуфтами и гидротрансформаторами, обеспечивающими защиту двигателя и всей конструкции от внешних перегрузок и сглаживающими расхождения между выходной характеристикой двигателя и требованиями, вытекающими из режима работы рабочего органа.

Электродвигатели переменного тока.
Такие двигатели особенно широко применяют в качестве привода стационарных строительных машин (бетоносмесителей, дробилок и др.).
Двигатель переменного тока имеет две разновидности:

• асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением; такие двигатели часто используются в строительных машинах.
  
• синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения; из синхронных двигателей наиболее часто применяюся шаговые моторы.
  

Этот вид силового оборудования отличает простота управления и обслуживания, малая стоимость, надежность в эксплуатации, способность выдерживать большие кратковременные перегрузки и возможность питания от обычной электросети.

Для машин, имеющих повторно-кратковременный режим работы (например, дробилок), применяют электродвигатели с коэффициентом приспособляемости kп = 3,
Применить эти двигатели для непосредственного привода землеройных, землеройно-транспортных и других машин, требующих регулирования частоты вращения в зависимости от нагрузки, до последнего времени не удавалось, так как внешняя характеристика их является весьма жесткой. Однако появление в 80-х годах биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) позволило реализовать эффективные способы управления мощными электродвигателями переменного тока. Наиболее применяемым из них является частотно-регулируемый привод.
Электродвигатели постоянного тока.
Разделяются на:

• Коллекторные двигатели постоянного тока.
• c возбуждением постоянными магнитами;
• c параллельным соединением обмоток возбуждения и якоря;
• c последовательным соединением обмоток возбуждения и якоря;
• cо смешанным соединением обмоток возбуждения и якоря;
• Бесколлекторные двигатели постоянного тока — электродвигатели, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора (ДПР), системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя (инвертора).

Они имеют мягкую внешнюю характеристику и являются наиболее пригодными для привода многих карьерных машин.

Недостаток их заключается в том, что такие двигатели не могут питаться от общей сети переменного тока.

Несмотря ряд недостатков, такие двигатели широко применяют как в одномоторном, так и многомоторном приводе.