Силовое оборудование строительных машин

Энергетическое оборудование дорожно-строительных машин. Двигатели и их классификация. Силовое оборудование дорожно-строительных машин. Привод рабочего оборудования. Электрические двигатели переменного и постоянного тока. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Классификация и принципиальное устройство (ДВС). Основные недостатки и их устранение в агрегате с муфтой сцепления и коробкой передач.

Силовые установки строительных машин отличаются по типу и количеству двигателей, входящих в их состав. Наибольшее при­менение имеют в строительстве двигатели электрические и вну­треннего сгорания. По количеству двигателей различают одномо­торное силовое оборудование и многомоторное.

Поскольку силовое оборудование приводит в движение пере­даточные механизмы, рабочее и ходовое оборудование, его часто называют приводом.

Многомоторный привод может состоять из однотипных двигате­лей, обычно электрических переменного тока, каждый из которых обслуживает механизм, обеспечивающий выполнение одного како­го-либо движения. Примером может служить силовое оборудова­ние башенных кранов, в составе которого имеются автономные электродвигатели, получающие каждый в отдельности питание от сети переменного тока рабочим напряжением 220 и 380 В и обслу­живающие независимо друг от друга механизмы подъема груза, изменения вылета стрелы или передвижения грузовой каретки, поворота стрелы с крюком или башни с прикрепленной к ней стре­лой, передвижения крана по рельсовым путям.

Другим вариантом многомоторного привода является примене­ние комбинированного силового оборудования, принципиальной схемой структуры которого является наличие первичного двигате­ля (как правило, дизельного или электрического), генератора и вторичных двигателей (обычно электрических и в ряде случаев гидравлических или пневматических).

В зависимости от типа первичного и вторичного двигателей комбинированное силовое оборудование называют комбинирован­ным электросиловым, дизель-электрическим, дизель- или электро- гидравлическим, дизель- или электропневматическим и т. д.

Выбор типа силового оборудования определяется механическим режимом работы рабочей машины и технико-экономическими расчетами.

Особые требования предъявляют к силовому оборудованию рабочие машины с тяжелым механическим режимом работы.

Это объясняется тем, что указанные машины (одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, кусторезы, мощные краны и др.) весь­ма часто в связи с возникновением большого сопротивления на режущей кромке или крюке рабочего органа испытывают повы­шенные нагрузки, вызывающие на рабочем валу значительный крутящий момент.

Как известно, увеличение крутящего момента при постоянной скорости движения рабочего органа (число оборотов рабочего вала n=const) требует пропорционального увеличения мощности двигателя N, что видно из выражения

N = М_кр n / 955 000,

где N — мощность, кВт; М_кр — крутящий момент, Н/см.

Так как в машинах с тяжелым механическим режимом работы: максимальный крутящий момент превышает средний в несколько раз, указанные машины должны снабжаться двигателем с боль­шим запасом мощности.

При этом значительно возрастают стоимость машины и расход энергоресурсов, что вызовет увеличение себестоимости единицы продукции, величины удельных капитальных вложений и размера приведенных удельных затрат. Поэтому необходимо, чтобы двига­тель, устанавливаемый на машинах с тяжелым режимом работы, обладал саморегулирующей способностью или, как говорят в этом случае, «мягкой» внешней характеристикой.

Двигатели с такой характеристикой при повышении сопротив­ления движению рабочего органа машины могут автоматически, уменьшать скорость (число оборотов) и за счет этого увеличивать крутящий момент.

Мягкой внешней характеристикой обладают электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения (сериесные электродвигатели), у которых обмотка якоря последовательно со­единена с обмоткой возбуждения.

Несмотря на наличие мягкой характеристики и ряд других положительных качеств (реверсивность, способность работать с большой перегрузкой), паросиловые установки применя­ют в строительных машинах. Причиной является их громоздкость, большая масса, низкий экономический КПД (3—7% без паропе­регревателей и конденсаторов, 8—13% с пароперегревателями), значительный расход топлива и воды, сложность снабжения водой самоходных машин, длительность подготовки к пуску и т. д.

При многомоторном приводе каждый двигатель приводит, как правило, в движение один механизм (индивидуальный привод). В то же время имеются схемы, в которых один механизм приво­дится в движение двумя двигателями и наоборот.

В качестве примера можно привести одноковшовый экскава­тор ЭКГ-4, 6, у которого механизм вращения рабочего оборудова­ния кабины обслуживают два электродвигателя и в то же время два механизма (подъема ковша и подъема стрелы) получают дви­жение от одного двигателя.

При одномоторном и групповом приводах отбор мощности про­изводится с помощью приводимых в движение машинистом муфт (кулачковых, фрикционных, гидравлических и др.). При индиви­дуальном приводе двигатели соединяются с механизмами, не управляемыми упругими муфтами.

Одномоторный привод дешевле в изготовлении, позволяет за­менить в зависимости от условий работы двигатель одного типа другим (например, дизель-электродвигателем). Вместе с тем при одномоторном приводе затрудняется управление отдельными механизмами, усложняется кинематическая схема машины в свя­зи с наличием большого количества управляемых муфт и необхо­димостью применения редукторов скоростей и реверса (для регу­лирования скорости и перемены направления движения. Это при­водит к утяжелению механизмов, часто к случайному распределе­нию мощности, перегрузкам отдельных механизмов и двигателя. Увеличивается износ передаточных механизмов и затрудняется их ремонт.

Многомоторный привод, особенно с индивидуальными электро­двигателями, не имеет указанных недостатков, позволяет регули­ровать работу каждого механизма независимо от остальных, пред­ставляет большие возможности для автоматизации управления и совмещения отдельных движений, кроме того, упрощается управ­ление машиной, ее обслуживание и ремонт, увеличивается срок службы: отдельных узлов и деталей.

Вместе с тем при многомоторном приводе возрастают установ­ленная мощность двигателей и стоимость машины.

Двигатели внутреннего сгорания устанавливают, как правило, на самоходных машинах с одномоторным приводом (экскавато­рах, кранах, бульдозерах, погрузчиках и др.).

Преимущество их использования заключается в том, что для их работы не требуют­ся внешние источники энергии, что обеспечивает передвижение и работу машины в любых условиях.

Недостатками двигателей внутреннего сгорания являются не­возможность непосредственного реверсирования, необходимость применения коробки скоростей для регулирования крутящего мо­мента и относительно малый моторесурс (число часов работы до полного износа), а также невозможность пуска их под нагрузкой и работы с перегрузкой.

В строительных машинах в основном применяют дизельные двигатели, работающие на тяжелом топливе (соляровое масло, дизельное топливо). Карбюраторные двигатели, работающие на легком топливе (бензин), применяют только на машинах на базе автомобилей грузоподъемностью до 4 т или их узлов (автомобиль­ные краны грузоподъемностью 3—5 т, автопогрузчики и др.) и на ряде дорожных машин.

Широкое распространение дизельных двигателей по сравнению с карбюраторными объясняется рядом преимуществ:

· коэффициент полезного действия дизельных двигателей в зави­симости от их конструкции и мощности составляет 30—40%, а бензиновых—20—30%, в связи с чем расход топлива на едини­цу мощности в 1ч у дизельных двигателей примерно на 40% меньше; дизельное топливо менее дефицитно и дешевле бензина; дизельные двигатели более надежны в работе и менее опасны в пожарном отношении.

Следует отметить и некоторые недостатки дизельных двигате­лей, к которым относится увеличение примерно в 1, 5 раза их мас­сы на единицу мощности по сравнению с бензиновыми двигателя­ми, а также сложность пуска в холодное время года.

Электропривод по сравнению с двигателями внутреннего сго­рания имеет ряд достоинств: простота обслуживания и удобство управления, возможность дистанционного и автоматического управления, простота и надежность в эксплуатации и относитель­но небольшие затраты на ремонт, постоянная готовность к работе независимо от температуры воздуха, отсутствие расхода энергии в перерывах, возможность реверсирования и применения этих дви­гателей при индивидуальном приводе.

Основными недостатками являются необходимость наличия ис­точника электроэнергии и питающей электрической сети соответ­ствующего напряжения, а также значительные единовременные затраты на подводку тока. Следует учесть, что наличие на пло­щадке разветвленной сети проводов и шлейфа (гибкого кабеля) затрудняет передвижение самоходных машин по площадке. При­менение электродвигателей для самоходных машин возможно только в условиях передвижения этих машин по ограниченной, и фиксированной трассе (например, башенные краны). Необходи­мо отметить, что масса электродвигателей на единицу мощности больше массы бензиновых двигателей на 40—50% и дизельных — на 15—25%.

Электродвигатели устанавливают на машины с легким и сред­ним механическим режимом работы: стационарные и не часто, перебрасываемые с одной площадки на другую и в пределах пло­щадки, самоходные, работающие с привязкой к определенной зоне (объект, участок в карьере, линейные сооружения и т. д.).

Кроме того, их применяют в качестве вторичных двигателей в машинах с комбинированным силовым оборудованием.

Наибольшее применение в электрических приводах строитель­ных машин имеют асинхронные электродвигатели переменного, трехфазного тока: с короткозамкнутым ротором мощностью до. 10 кВт, применяемых, как правило, во вспомогательных механиз­мах, и с контактными кольцами при большей мощности в основ­ных механизмах подъема (груза, ковша), поворота, передвиже­ния и др.

На крупных экскаваторах, кранах, земснарядах с тяжелым режимом работы применяют в качестве вторичных двигателей электродвигатели постоянного тока, имеющие, как это было ука­зано выше, мягкую внешнюю характеристику.

Для привода машин с повторно-кратковременным режимом работы (подъемники, краны, экскаваторы) выпускают крановые электродвигатели, обладающие значительной перегрузочной спо­собностью М_мах / M_ном = 2, 5 / 3, 0.

Выбор крановых электродвигателей происходят в соответствии со значением требуемой мощности и с учетом продолжительности; их включения в общей длительности работы машины в процентах (ПВ = 15; ПВ = 25; ПВ = 40%). С увеличением ПВ от одного и того же двигателя можно получить меньшую мощность.

В современных электроинструментах применяют асинхронные электродвигатели повышенной частоты (200 Гц вместо нормаль­ных 50 Гц) и коллекторные универсальные двигатели постоянного или переменного однофазного тока.

В связи с большим числом оборотов (до 16 000 об/мин) эти электродвигатели имеют значительно меньшие габариты и мень­шую массу.

В комбинированном силовом оборудовании первичный двига­тель и вторичные отличаются типом или основными параметрами.

В качестве первичных применяют или электрические двигате­ли переменного тока высокого напряжения, получающие ток непо­средственно от сети (так называемые сетевые электродвигатели), или дизельные, редко бензиновые.

Сетевые электродвигатели применяют для мощных экскавато­ров, работающих в условиях передвижения по ограниченной тер­ритории (карьер) или в линейном строительстве (рытье маги­стральных каналов). В то же время дизельные первичные двига­тели ставят, как правило, на стреловые краны, передвижение кото­рых обычно не ограничивается определенной территорией.

В качестве вторичных двигателей, приводящих непосредствен­но в действие механизмы машины, применяют электродвигатели постоянного или переменного тока, гидравлический или пневмати­ческий привод.

Электродвигатели постоянного тока имеют массу и габаритные размеры в 1, 5—2, 5 раза больше привода любого другого типа. Вместе с тем благодаря наличию мягкой внешней характеристики их широко применяют в качестве вторичных двигателей на маши­нах с тяжелым механическим режимом работы (мощные экскава­торы и краны).

Электродвигатели переменного тока применяют в качестве вто­ричных двигателей на автомобильных кранах грузоподъемностью 5—10 т и ряде других машин; их преимущество в том, что можно при наличии благоприятных условий (работа на складе и др.) отключать дизельный двигатель автомашины и питать вторичные двигатели непосредственно от сети переменного тока рабочего напряжения.

Если вторичный двигатель электрический, то между первичным и вторичным ставят генератор, который преобразует электриче­скую или механическую энергию, передаваемую первичным двига­телем (электрическим переменного тока высокого напряжения или дизельным), в электрическую энергию переменного или постоянно­го тока рабочего напряжения.

Если в качестве вторичного двигателя используют гидравличе­ский или пневматический привод, то вместо генератора или электрического трансформатopa устанавливают гидронасос (при гид­равлическом приводе) или компрессор (при пневматическом при­воде).

Гидравлический привод бывает двух типов: гидрообъемный (гидростатический) и гидродинамический.

Гидрообъемный применяют для управления рабочими органа­ми машины (ковшом экскаватора и скрепера, отвалом бульдозера и автогрейдера и т. д.) непосредственно или через систему управ­ления путем включения и выключения фрикционных муфт, тормо­зов и других элементов, входящих в систему управления.

В качестве рабочей жидкости используют смесь масел с гли­церином.

Жидкость, подаваемая насосом, поступает или в гидромотор, или в исполнительные цилиндры через распределители (обычно золотниковые).

Для поддержания в сети (независимо от расхода жидкости в данный момент) постоянного давления используют пружинный или воздушный аккумулятор, накапливающий жидкость в пе­риод малого расхода и отдающий ее в периоды большого расхода.

От одного насоса можно передавать движение одному или не­скольким гидроцилиндрам.

Достоинства гидрообъемного привода: возможность осущест­вления не только подъемных и тяговых усилий, но и создания по­стоянного напора на рабочий орган, что особенно важно для экс­каватора, бульдозеров, скреперов и других машин; простота, на­дежность и компактность конструкции; бесшумность работы; удобство управления и реверсирования; автоматическое выключе­ние механизмов при перегрузках благодаря установке клапанов предельного давления; незначительное число изнашиваемых дета­лей и относительно небольшой износ; уменьшение по сравнению с машинами с механическим приводом массы на 20—25%; высо­кий коэффициент полезного действия.

Недостатки гидрообъемного привода: громоздкость конструк­ции при больших мощностях в связи с большим диаметром ци­линдров и при больших перемещениях рабочих органов в связи с большой длиной штоков; затруднения при ремонте и эксплуата­ции в полевых условиях (особенно зимой); при низких температу­рах рабочая жидкость (масло) густеет, что снижает эффектив­ность работы машины.

Гидродинамические передачи в отличие от гидрообъемных по­зволяют в зависимости от усилия на рабочих органах машины регулировать число оборотов рабочего вала.

Различают два вида гидродинамических передач: турбомуфты и турботрансформаторы.

Турбомуфта (рис. Х.1) состоит из насосного колеса, насажен­ного на ведущем валу, приводимого во вращение от двигателя, и турбины, насаженной на ведомый вал. Оба вала расположены соосно с небольшим зазором.

Оба колеса турбомуфты помещены в корпус, заполненный жид­костью (масло, дизельное топливо). При вращении насосного колеса жидкость сбрасывается на лопатки турбинного колеса, при­водя его в движение.

Число оборотов насоса всегда больше числа оборотов турбины.

Силовые установки с турбомуфтами снижают динамические на­грузки в системе, защищают двигатель от перегрузок и гасят кру­тильные колебания.

Основным недостатком турбомуфт является невозможность изменения крутящего момента двигателя в зависимости от нагруз­ки, в связи с чем их целесообразно применять для машин, у кото­рых колебания, нагрузки незначительны и перегрузки бывают ред­ко и носят случайный характер.

В отличие от турбомуфт турботрансформаторы позволяют ав­томатически и бесступенчато преобразовывать крутящий момент на ведомом валу за счет изменения его скорости. При повышении нагрузки на рабочем органе крутящий момент на ведомом валу автоматически увеличивается по сравнению с крутящим моментом двигателя в несколько раз (в 4—5 и до 10 раз).

Турботрансформатор (рис. Х.2) имеет помимо насосного и турбинного колес направляющий аппарат, который увеличивает скорость движения жидкости и изменяет направление ее движе­ния. В результате значение момента на турбине изменяется.

Турботрансформаторы, таким образом, обеспечивают регули­рование скорости (крутящих моментов, повышение использования

мощности двигателя при переменных нагрузках на исполнитель­ных механизм, предохраняют от перегрузок двигатель, в связи с чем применяются на машинах с тяжелым режимом работы, на которых установлены дизельные двигатели (одноковшовые строи­тельные экскаваторы, бульдозеры и др.).

Следует отметить, что турбомуфта по сравнению с турботранс­форматором имеет более простую конструкцию и более высокий КПД (0, 95 вместо 0, 85 у турботрансформатора).

Пневматический привод по схеме и принципу работы аналоги­чен гидрообъемному приводу и применяется в основном в свае­бойных паровоздушных молотах, пескоструйных аппаратах, пнев­матических инструментах и для пневматического транспортирова­ния пылевидных вяжущих строительных материалов (цемента,, алебастра и др.). В последнее время используется в системах управления много строительных машин, в частности экскавато­ров.

Достоинства пневматического привода: простота устройства, неограниченный запас воздуха и несложность его транспортировки в сжатом состоянии, плавность передачи усилия.

Недостатки пневматического привода: малое давление в сети и громоздкость в связи с этим исполнительных цилиндров, затруд­нительность передачи по указанной причине большой мощности, чрезмерное нагревание воздуха при сжатии, значительный расход электроэнергии и дизельного топлива на получение сжатого воз­духа, низкий КПД, сложность определения места утечки сжатого воздуха.