2.3.2. Специальные краны и монтажные агрегаты

В строительстве мостов созданы и применяются следующие серии отечественных специальных кранов.

Консольные краны. Железнодорожные консольные краны марок ПВК-70, ГЭК-80, ГЭПК-130У предназначены для установки на опоры цельнопролетных или укрупненных блоков пролетных строений длиной до 45 м железнодорожных мостов. Недостатками кранов такого типа являются: большой их собственный вес; нагрузка на ось в рабочем положении до 400 кН и в связи с этим повышенные требования к подготовке пути; необходимость в ряде случаев устройства предмостовых тупиков.

Кроме того, для монтажа балочных пролетных строений длиной до 34,2 м, массой до 52,5 т и блоков опор может применяться облегченный сборно-разборный консольный кран СРК-НЛ-50. Собственная масса крана составляет 54 т, рабочая нагрузка на ось – не более 200 кН.

Консольно-шлюзовые краны. В отличие от консольных кранов, оказывающих значительные воздействия на путь, консольно-шлюзовые краны в процессе работы занимают стационарное положение вдоль моста, имея опору, как правило, над опорами моста. Созданный новый монтажный комплекс ЖШ-110 для пролетных строений железнодорожных мостов, включающий консольно-шлюзовой кран, лишен основных недостатков консольных кранов. Помимо крана, в состав комплекса входит кран-перегружатель ПЖ-63 и транспортные тележки с мотовозом, обеспечивающие механизацию всего транспортно-монтажного процесса.

Рис. 2.6. Кран консольный сборно-разборный СРК-НЛ-50

1– противовес, 2 – автомобильный тягач на комбинированном ходу, 3 – платформа крана, 4 – ходовая тележка, 5 – пролетное строение, 6, 7 – соответственно главный и вспомогательный полиспаст

Ранее были созданы и широко применялись различные консольно-шлюзовые краны для монтажа железобетонных балок и блоков автодо­рожных мостов. В итоге многолетних процессов использования и модер­низации кранов выделились два параметрических ряда кранов: краны КШМ-35, КШМ-40, КШМ-63, МКШ-35, МКШ-40, МКШ-63 – для монтажа цельнопролетных балок длиной 21, 24, 33 м; МСШК-2х50, МСШК-2х60 и др. – для навесного монтажа поперечно-члененных коробчатых блочных пролетных строений.

Консольно-шлюзовые краны имеют большое распространение и в зарубежной практике, где их разрабатывают и применяют в основном для конкретных конструкций.

При строительстве мостов с небольшими пролетами находят приме­нение агрегаты, совмещающие в себе функции консольно-шлюзового кра­на, сваебойной и монтажной установки. К примеру, агрегат АМК-15 пред­назначен для забивки свай, установки насадок опор и балок пролетных строений длиной до 15 м, массой до 26 т. Основой агрегата является консольная стрела, заимствованная от крана КШМ-63, и копровая стрела – от копра СП-49В под дизель-молот для свай массой до 6 т, длиной до 16 м. Достоинством такого агрегата является работа «пионерным» способом, т.е. с готового моста, что не требует вспомогательных устройств.

Кабельные краны в мостостроении применяют в основном для строительства виадуков через глубокие ущелья и овраги.

Плавучие краны выполняют разнообразные работы: сооружение русловых опор, монтаж пролетных строений, погрузочно-разгрузочные, дноуглубительные, вспомогательные работы. Плавучие краны применяют следующих видов: речные и морские самоходные полноповоротные и неповоротные краны; специализированные сборно-разборные краны, обычно несамоходные и неповоротные; сухопутные краны различного типа, установленные на плавсредствах.

Самоходные речные и морские краны. Плавучие краны общего назначения выпускаются серийно для производства различного рода пор­товых работ. Мостостроители привлекают эти краны к выполнению работ по сооружению опор (для этого, как правило, достаточна грузоподъем­ность крана 5... 16 т) и монтажу пролетных строений кранами высокой гру­зоподъемности – до 1000 т и более.

Специализированные сборно-разборные краны. Отечественные краны этого типа предназначены и серийно выпускались специально для мостовых организаций. Они просты по конструкции: представляют собой плашкоут с треугольной стрелой, вращающейся только в вертикальной плоскости, т.е. шевр-краны (ПКР-80). На стрелу сборно-разборного крана можно навешивать копровую стрелу, превращая его в плавучий копер. Но эти краны несамоходные и неповоротные, их перемещение происходит якорными лебедками. В силу этого краны имеют малую маневренность и производительность, требуют специальных расчалочных устройств, сужающих фарватер на реке и препятствующих судоходству (рис. 3). Плавучие краны первой и третьей групп являются более предпочтительными.

Краны на самоподъемных платформах. Плавучие самоподъемные платформы являются эффективным вспомогательным сооружением, в пер­вую очередь, для возведения опор. Самоподъемная платформа имеет плашкоут и опорные колонны с подъемными установками. Платформу транспортируют к месту сооружения опоры, где затем временно расчаливают. После этого работой подъемных домкратов при упоре опорных колонн в грунт дна производится подъем плашкоута над водой. Опорные колонны могут иметь внизу башмаки либо заглубляться в грунт. Поднятый над водой плашкоут превращается в стационарную рабочую площадку, которая может служить для установки различных грузоподъемных кранов, размещения складов, оборудования и прочего оснащения.

Лекция 7

2.3.3. Электропривод компрессорных установок и станций

Для сжатия, нагнетания и перекачки природного и попутного газа используются компрессорные установки. По принципу действия они делятся на объемные и динамические. К объемным компрессорам относятся поршневые, мембранные, винтовые и роторные. В них давление газа повышается за счет уменьшения пространства, в котором находится газ. К динамическим компрессорам относятся центробежные и осевые компрессоры. В них давление повышается при непрерывном движении газа за счет энергии, сообщаемой газу лопаткам вращающегося ротора. Все компрессоры подразделяются по эксплуатационным параметрам – давлению и подаче. Различают компрессоры низкого (на 0,2–1 МПа), среднего (на 1–10 МПа) и высокого (10–100 МПа) давления. По значению подачи компрессоры подразделяются на малые (до 0,015 м³/с), средние (от 0,015 до 1,5 м³/с), крупные (> 1,5 м³/с).

На рис.2.7 изображен винтовой компрессор ВВ-32/5.5У3 (ВВ-32/5.5М1У3) Казанского компрессорного завода, предназначенный для работы в составе бурового станка как источник сжатого воздуха. Установка автоматическая. Электродвигатель типа 4АН315М2С (DАБ-450S-2УХЛ2) на напряжение 380 (6000) В. Производительность компрессора – 0,542 м³/с (32,5 м³/мин.), давление начальное – 0,1012 МПа, конечное – 0,539 МПа, температура конечная 110 С, потребляемая мощность 187 кВт, масса 4320 (3564 кг). Для управления винтовыми компрессорами Казанским НПФ «Интеграл» разработан контроллер КУ ВКМ, который обеспечивает через порты RS-232 и RS-485 измерение 8 параметров с погрешностью измерений 1 %. Контроллер имеет 2 дискретных ввода/вывода. Степень защиты IP44 по ГОСТ14255-69, исполнение УХЛ4, У2, У3, устойчивость к механическим воздействиям группы М3, М6, М18 по ГОСТ 17616.1–90.

Рис. 2.7

В компрессорах часто используются синхронные двигатели (СД), поскольку СД способен работать с опережающим током, выполняя функцию источника реактивной мощности, обеспечивает минимум установленной мощности в случае, если выбор габаритов двигателя диктуется не нагревом, а перегрузочной способностью. За счет изменения тока возбуждения перегрузочная способность может быть поднята до 4,5–5-кратного значения, или снижена. СД в компрессоре обеспечивает демпфирование колебаний, вызываемых пульсациями момента сопротивления и равномерное распределение фаз кривошипно-шатунных механизмов. В компрессоре 4ВМ10 120/9 применяется ЭД типа ДС 17-26-12КУХЛ4, синхронный, трехфазный, 650 кВА, соs = 0,9; КПД = 94,5 %. На повышение соs  требуется конденсаторная батарея с реактивной мощностью 156 квар и емкостью 138 мкФ.

Центробежная компрессорная установка ЗГУ2-38/9.5–28–К предназначена для сжатия природного газа в газотурбинной установке ГТЭ-90 на 60 и 100 МВт, центробежный компрессор «Аэроком» 43-120/9 ОМ5 (Казанского компрессорного завода) (рис. 2.8) используется в космическом комплексе морского базирования – «Sea Launch» Европейского космического агентства.

Рис. 2.8

На нефтепромысловых компрессорных станциях применяют преимущественно поршневые компрессоры, а также ротационные и центробежные. Они имеют мощности Р = 160–180 кВт, подачу Q = 0,2–0,4 м³/с при рабочем давлении 0,4–5 Мпа. Они применяются для повышения давления газа или воздуха, закачиваемого в пласт. Они снабжены приводными ЭД на n = 365 об/мин через клиноременную передачу. Чаще всего используются АДКЗ во взрывонепроницаемом исполнения типа ВАО, В или Вр для мощностей 132 – 315 кВт на 600–3000 об/мин и на 6 кВ/160–220 кВт.

В системах транспорта газа применяют центробежные компрессоры на Q = 1,5–3 м³/с при рабочем давлении 0,68–5,7 МПа с ЭД на 3000 об/мин. Применяются в основном СД на 6 и 10 кВ, серии СТДП.

Промысловые компрессорные станции для закачки газа или воздуха в пласт, где устанавливаются до 16 компрессоров, являются энергоемкими потребителями. Они относятся к I категории энергоснабжения, поскольку при их остановке нарушается технологический режим добычи нефти.

К общепромышленным механизмам, в которых используется насосное оборудование, относятся землеройные снаряды (таблица 2.3).

Таблица 2.3

Показатель	6Н3	8Н3	3ГР-8	5ГР-8	8ГР-8	12У-10
Производительность, м3/ч	400	800	50	150	400	600-900
Максимальный напор, м	27	25	15	33	36.7	80-85
Диаметр патрубка, мм: - всасывающего - напорного	200 150	250 200	80 72	125 100	200 150	300 200
Габариты, мм - длина - ширина - высота	1750 950 740	2280 1200 1170	1411 485 625	1865 856 850	2550 950 1195	1895 1085 1135
Мощность электродвигателя, кВт	75	110	40	100	125	320
Масса, кг	1260	2130	385	860	2225	1600

2.3.4. Электроприводы металлообрабатывающих станков

Металлорежущие станки предназначены для придания обрабатываемой заготовке требуемой формы путем снятия стружки и классифицируются по различным признакам:

- по универсальности: универсальные, предназначенные для выполнения различных операций на деталях, разнообразных по размерам и форме; специализированные – для обработки однотипных деталей; специальные – для обработки лишь одного вида изделий;

- по степени автоматизации: с ручным управлением; автоматические; полуавтоматические;

- по точности: нормальной точности – класс Н; повышенной точности – класс П; высокой точности – класс В; особо высокой точности – класс А; особо точные – класс С;

- по массе: легкие – < 1 т, средние – < 10 т, тяжелые > 10 т;

- по видам обработки: токарные, фрезерные, сверлильные, шлифовальные, зубо- и резьбонарезающие, строгальные.

Модель станка обеспечивается тремя или четырьмя цифрами, из которых первая – группа, вторая – разновидность станка, третья и четвертая – характеризует один из важнейших для эксплуатации размеров. Например, токарно-револьверный станок мод. 1336А: 1 – токарный, 3 – револьверный, 36 – диаметр обрабатываемого прутка, А – модификация.

Токарный центр NCY 500 международной фирмы TAJMAC-ZPS имеет технические характеристики: максимальный обрабатываемый диаметр 650 мм, максимальная длина вала 1150 мм, пределы частот вращения 40–3600 об/мин, мощность двигателя 42 кВт, максимальный крутящий момент 1695 Нм, ускоренные перемещения 25 м/мин, инструментальная головка имеет 12 позиций, время индексирования 0,31 сек., масса станка 11 т.

Относительные движения заготовки и режущего инструмента, в результате которых осуществляется процесс резания, называется основными. Основные движения разделяются на главное, при котором инструмент производит резание металла, и движение подачи, которое обусловливает перемещение инструмента или обрабатываемой заготовки для снятия нового слоя металла. Основные движения могут быть как вращательными, так и возвратно-поступательными и сообщаться как заготовке, так и инструменту. Например, главными движениями являются: вращение заготовки в станках токарной группы, перемещение заготовки в строгальных и расточных станках, вращение инструмента во фрезерных и шлифовальных станках. Движением подачи является поступательное перемещение инструмента относительно заготовки в станках токарной, строгальной и шлифовальной групп или заготовки относительно инструмента в расточных, фрезерных и шлифовальных.

Кроме основных движений, в станках имеются вспомогательные движения, непосредственно не участвующие в процессе резания, но способствующие ему или выполняющие вспомогательные операции, обеспечивающие работу станка. Они осуществляют подачу охлаждающей смазочной жидкости, зажим и отжим заготовки и механизмов станков, автоматический подвод и отвод инструментов, автоматический контроль размеров в процессе обработки и т.д. Основные и вспомогательные движения на станках выполняются от электро- и гидроприводов, иногда вручную.

Все приводы в металлорежущих станках классифицируются по видам движения: приводы главного движения; приводы подачи; приводы вспомогательных движений. При использовании в приводе электродвигателя они являются ЭП. Электропривод главного движения имеет электродвигатель и коробку скоростей или редуктор в качестве устройства, передающего движение исполнительному органу станка. Возможно отсутствие передающего устройства, когда двигатель сочленяется непосредственно с исполнительным органом. До настоящего времени наиболее распространенными приводами главного движения станков являются приводы от одно- и многоскоростных АД с КЗ ротором со ступенчатым механическим регулированием скорости путем переключения шестерен коробки скоростей. В современных конструкциях коробок скоростей переключения производятся дистанционно различными устройствами, из которых наибольшее распространение получили: системы с функциональными многодисковыми электромагнитными муфтами, встраиваемыми в коробку скоростей (например, в токарных станках небольших и средних размеров); системы с электрическими исполнительными двигателями (например, в расточных станках); системы с гидравлическими механизмами (например, в карусельных станках).

Использование электропривода переменного тока со ступенчатым механическим регулированием скорости резания не может во всех случаях обеспечить полную производительность. Кроме того, применение коробки скоростей со сложной кинематической снижает точность работы станка и увеличивает его стоимость. Поэтому основным направлением развития приводов главного движения является электромеханическое регулирование частоты вращения привода при двухступенчатой коробке скоростей с дистанционным переключением и регулируемым ЭП постоянного тока.

В электроприводах подач двигатель осуществляет перемещение инструмента или изделия для обеспечения процесса резания. Подача на станках осуществляется различными способами, но наибольшее распространение получил привод с передачами винт-гайка или шестерня-рейка. В последние годы широкое распространение получили высокомоментные ЭД постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, рассчитанные на установку непосредственно на ходовой винт, что существенно сократило механическую часть привода, снизило момент инерции и повысило КПД. ЭП вспомогательных движений не требуют регулирования скорости и осуществляются АД.

Основными технологическими требованиями к электроприводам и системам управления станками являются обеспечения: широкого круга технологических режимов обработки с использованием современного режущего инструмента; максимальной производительности; наибольшей точности обработки; высокой чистоты обрабатываемой поверхности; высокой степени повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии (стабильности). Удовлетворение этим и другим требованиям зависит от мощности главного привода и электромеханических свойств приводов подач и систем управления. Мощность, развиваемая при резании, определятся скоростью резания и усилиями резания. Усилия резания f_z определяются подачей и глубиной резания при неизменных материалах и геометрии резца и заготовки. Для приводов главного движения наиболее рациональным является способ регулирования скорости с постоянной мощностью, так как бόльшим скоростям резания соответствуют меньшие усилия резания, а меньшим скоростям – бόльшие усилия. Диапазон регулирования частоты вращения определяется пределами скоростей резания и диаметров обрабатываемых изделий. Рациональная обработка изделий из того же материала, но разных диаметров, требует постоянной скорости, м/мин.

v = frdn/1000 = const . (2.1)

Соблюдение условия v = const достигается регулированием скорости привода с диапазоном регулирования, определяемым диапазоном диаметров.

Динамические характеристики электропривода по нагрузке определяют точность и чистоту обработки изделия, а также стойкость инструмента. Устойчивый процесс резания при необходимой точности и чистоте поверхности возможен, если параметры настройки привода обеспечивают при набросе номинального момента нагрузки максимальный провал скорости не более 10 % при времени восстановления, меньше 0,25 с. Расширение технологических возможностей станков и, в первую очередь, многооперационных (обрабатывающих центров), а также освоение нового твердосплавного и быстрорежущего инструмента обеспечили возможность проведения на одном станке различных технологичных операций: фрезерования, сверления и растачивания; точения, сверления и т.д. Это, в свою очередь, привело к усложнению электроприводов подач вследствие увеличения вращающего момента на валу двигателя, расширения диапазона рабочих подач и установочных перемещений, увеличения быстродействия привода.

В последние годы существенно изменилась конструкция станков вследствие значительного сокращения механической части приводов подач. В ряде случаев стала возможной установка высокомоментных и шаговых двигателей, имеющих меньшие габариты, непосредственно на ходовой винт. Исключение коробки передач привело также и к повышению КПД и снижению момента инерции электромеханического привода. В связи с этим снизилась нагрузка на двигатель при холостых перемещениях. В большинстве современных станков средних размеров нагрузка на ЭД при рабочих подачах без резания составляет не более 20–30 % номинальной.

Рост составляющей от сил резания в общей нагрузке на привод подачи увеличил колебания нагрузки на электроприводе подачи при резании, что ужесточило требования к статической и динамической жесткости привода подачи. Увеличение скорости быстрых перемещений до 10 м/мин., снижение скорости установочных перемещений привело к значительному увеличению диапазона регулирования. Максимальная рабочая подача на современных многооперационных станках составляет 10–30 % скорости быстрых перемещений. Электроприводы, например, продольно-строгаль-ного станка должны обеспечивать: снятие стружки в течение рабочего (прямого) хода, поднятие резца при обратном ходе, перемещение стола. Поскольку при строгании резец испытывает ударную нагрузку, значения максимальных скоростей строгания не превосходят 75–120 м/мин (в отличие от скоростей шлифования и точения со скоростями до 2000 м/мин и более). Обычно при этом используется двухдвигательный ЭП. Применяется в таких станках обычно ЭП с ЭД постоянного тока независимого возбуждения и замкнутая система автоматического управления скоростью. В качестве управляемого преобразователя – реверсивный тиристорный преобразователь.

К ЭП предъявляются требования: подход детали к резцу с пониженной скоростью; врезание на пониженной скорости; разгон до рабочей скорости прямого хода; резание на скорости прямого хода; замедление до пониженной скорости (0,4 скорости прямого хода) перед выходом резца; выход резца из детали; замедление до остановки; разгон в обратном направлении до рабочей скорости обратного хода; возврат стола на холостом ходу со скоростью обратного хода; замедление до остановки (стол возвращается в исходное положение). При этом ЭП должен обеспечивать рекуперацию энергии в сеть при тормозных режимах. Разгоны и замедления должны проходить с постоянным ускорением и обеспечивать максимально возможные ускорения в переходных режимах. Статическая ошибка при резании не должна превышать 10 %. Должно обеспечиваться ограничение момента ЭП при механических перегрузках. Регулирование скорости принимается однозонным, т.е. управление изменением напряжения якоря двигателя при постоянном потоке возбуждения. Система управления ЭП реализуется на аналоговой элементной базе.

Лекция 8

Специализированные и уникальные общепромышленные механизмы

2.3.5. Буровые и строительные машины

По техническим возможностям отечественные буровые машины являются вполне удовлетворительными, но проигрывают зарубежным образцам в надежности. Поэтому в мостоотрядах преимущественное распространение получила буровая техника в основном японских фирм Kamo (PF 1200 и 50ТНС-VSIII), а также машины немецких фирм Бауэр и Бадэ. Навесное оборудование МБС-1.7А используется на отечественной бурильной установке. Приведем в таблице 2.5 технические характеристики буровых машин отечественного и зарубежного производства.

Таблица 2.5

Показатели	МБС-17А	БС-2	БМ-3061	Tellbor Германия	Casfgrande Италия	30THC-VS, Япония
Диаметр скважины, м	1,3; 1,7	1	0,6–1,5	0,9–2	1,5; 2,5	1,2–1.7
Глубина бурения, м	30	200	15–30	40	68	24–40
Масса, т	60	31	67	17	70	39

В таблице 2.6 – характеристики вибромолотов.

Таблица 2.6

Показатели	МШ-2М (РФ)	РЕ 26.02 (Германия)
Вынуждающая сила, макс., кН	94, 117	260
Мощность ЭД, кВт	2х30	100
Масса вибромашины, т	4.1	1.33

На рис. 2.9 и 2.10 представлены японская 50THC-VSIII и 50THC-VSV фирмы Като и отечественная МБС-1,7А бурильные машины

Рис. 2.9. Бурильные машины 50THC-VSIII и 50THC-VSV фирмы Като	Рис. 2.10. Навесное оборудование МБС-1,7А

На рис. 2.9: 1 – ходовая часть; 2 – поворотная платформа; 3 – лебедка; 4 – растяжки; 5 – мачта; 6 – оголовок мачты; 7 – люнет штанги; 8 – вертлюг; 9 – гусек мачты; 10 – бурильная штанга; 11 – гидроцилиндр по­дачи вращателя; 12 – вращатель; 13 – кольцо штанги; 14 – кабина; 15 – направляющее кольцо штанги; 16 – механизм качания обсадной трубы; 17; 18 – передние и задние выносные опоры; 19 – вторая кабина.

На рис. 2.10: 1 – кран-экскаватор; 2 – стрела; 3 – телескопическая штанга; 4 – ротор с электроприводом; 5 – грейфер; 6 – ковшовый бур.