Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

УДК 69.057-002.51-52 (075) ББК 38.6 -5 я 7

Д93

Рецензенты: кафедра ЖБиКК Казанского государственного архитектурностроительного университета; д-р техн. наук, проф. Марийского государственного

технического универститета Ю. Н. Сидыганов

Дьяков, И. Ф.

Д93 Строительные и дорожные машины и основы автоматизации : учебное пособие / И. Ф. Дьяков; /Ульян. гос. техн. ун-т.

− Ульяновск : УлГТУ, 2007. – 516 с.

ISBN 978-5-9795-0110-9

Изложены общие тенденции развития и требования, предъявляемые к строительным и дорожным машинам, сведения об экологической безопасности, а также основы использования технических средств автоматизации с основами теории автоматического регулирования в производстве строительных и дорожных машин. Приводятся перспективные конструкции машин с применением микропроцессоров для автоматизации их управления, методы оптимального выбора их в условиях эксплуатации.

Для специалистов и студентов, обучающихся по специальностям «Подъемнотранспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» направления подготовки «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы и промышленное и гражданское строительство» направления подготовки «Строительство».

УДК 69.057.- 002.51-52 (075) ББК 38.6 – 5 я 7

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемое учебное пособие представляет собой изложение курса «Строительные машины и основы автоматизации» на основе опыта преподавания в Ульяновском техническом университете для специальности «Промышленное и гражданское строительство». Оно содержит необходимые сведения по назначению, устройству и рабочим процессам строительных машин. В отличие от других учебников и учебных пособий по этому курсу приведены подробные сведения о средствах малой механизации, а также изложены основы автоматизации строительных машин и оборудования для приготовления бетонных смесей и растворов.

Требования, предъявляемые к машинам, механизмам и устройствам, технологическому оборудованию, с каждым годом возрастают. Эти требования, обусловленные общим техническим прогрессом, могут быть удовлетворены только при достаточном оснащении средствами автоматизации машин, позволяющем освободить человека от постоянного и непосредственного управления технологическим процессом [2, 3, 11, 14].

Теоретической базой для изучения предмета являются знания, полученные при изучении предметов: «Эксплуатация строительных машин и оборудования», «Общая электротехника с основами электроники», «Подъемнотранспортные строительные машины и оборудование». Изучение строительных машин является залогом успешного освоения таких основополагающих для инженеров-строителей, как «Технология строительного производства» и «Организация строительства».

В результате изучения курса будущие специалисты должны знать принцип работы машины и основные элементы средства автоматизации строительных машин и технологических установок, а также уметь обеспечивать правильную их эксплуатацию, так как в области развития строительного и дорожного машиностроения предусматриваются создание и выпуск систем машин для обеспечения комплексной механизации и автоматизации работ в промышленном, жилищном, сельскохозяйственном, гидротехническом и дорожном строительстве.

Несмотря на высокий уровень комплексной механизации отдельных видов работ [1], достигнутая эффективность строительства в целом отстает еще от запланированных уровней [5]. В значительной мере это является результатом неправильного формирования парков машин в строительных организациях, недостаточной долговечностью и надежностью и низком уровнем организации использования и технической эксплуатации строительных машин [8]. Изложенный материал поможет студентам получить основные сведения по строительным машинам, необходимые инженеру-строителю для организации механизированного производства строительных работ, глубоко изучить современные научные методы выбора машин и основы их эксплуатации.

4

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ

ИДОРОЖНЫХ МАШИН

1.1.Общие тенденции развития и требования, предъявляемые

кмашинам

Направления развития машин зависят как от области их применения, так и от общих тенденций научно­технического прогресса в машино­ строении [12]. К наиболее характерным направлениям развития строитель­ ного и дорожного машиностроения относятся:

1) повышение в экономически оправданных пределах единичной мощно­ сти машин и оборудования;

2)гидрофикация машин путем замены механических приводов гидроме­ ханическими и гидрообъемными приводами;

3)автоматизация систем управления, контроля и обеспечения безопасно­ сти работы машин на основе применения микропроцессорной техники и ро­ ботов;

4)снижение материало­и энергоемкости машин, повышение их ресурса и надежности на основе совершенствования методов расчета и конструирова­ ния и применения новых материалов с лучшими физико­механическими свойствами и характеристиками;

5)повышение требований к эргономике и технической эстетике машин и

оборудования на основе более полного учета физических и функциональных возможностей человека­оператора, управляющего машиной;

6) создание двигателей с форсированными режимными характеристиками, обеспечивающие сокращения времени разгона машины, соответственно уве­ личения ее производительности;

7) повышение скоростей движения, главным образом транспортных ско­ ростей, что также позволяет увеличить производительность машин;

8) конструирование машин и оборудования из унифицированных блоков­ модулей, что позволяет ускорить процесс создания машины и сократить вре­ мя ее простоев в ремонтах;

9) широкая унификация и стандартизация техники с целью увеличения темпов ее производства, сокращения простоев, связанных с ремонтом и тех­ ническим обслуживанием, а также улучшения качества изготовления узлов и деталей машин;

10) увеличение номенклатуры сменных рабочих органов для расширения области применения машин данного типа;

5

11) создание мобильных машин на короткобазных шасси, позволяющих улучшить их маневренность, что имеет большое значение при выполнении строительно­монтажных работ в стесненных условиях.

Все возрастающие объемы земляных работ требуют создания мощных, высокопроизводительных машин. Существуют следующие пути решения этой задачи.

1. Установка на машинах более мощных двигателей; такое решение, как правило, связано с увеличением общей массы и габаритных размеров машины.

2. Создание машин, работающих по двухдвигательной схеме (например, двухдвигательные скреперы), когда один двигатель устанавливается на тяга­ че, а другой на прицепе. При этом можно получить более компактные конст­ рукции, сохранив хорошую маневренность, скоростные качества и проходи­ мость машины.

Машины, выполненные по двухдвигательной схеме, имеют соответственно две гидромеханические трансмиссии, каждая из которых состоит из гидро­ трансформатора, коробки передач, карданного вала и главной передачи, рас­ положенных в ведущих мостах тягача и прицепа. Управление обоими двигате­ лями и передачами осуществляется из кабины оператора, установленной на тягаче; при необходимости один из двигателей может быть отключен от транс­ миссии.

3. Соединение двух и более машин в один агрегат по схеме «тандем» или «катамаран». При использовании первой схемы машины устанавливают одну за другой так, что сзади идущая машина толкает впереди идущую, и таким образом тяговые усилия всех машин суммируются. По такой схеме работают, в частности, скреперные поезда. Агрегаты, составленные по схеме «катамаран», состоят из двух параллельно движущихся тракторов, связанных между собой общим рабочим органом, например, отвалом. По схеме «катамаран» работают бульдозеры (в США фирмой «Катерпиллер» создан такой агрегат, работающий с бульдозерным отвалом шириной 12,2 м и высотой 1,8 м).

Чтобы наилучшим образом удовлетворить требования, предъявляемые к современной строительной и дорожной технике, необходимо совершенствовать основные части машин (силовые установки, передачи, исполнительные меха­ низмы, рабочее оборудование, ходовую часть), что приводит к новым компоно­ вочным решениям.

В качестве силовых установок вместо бензиновых двигателей все чаще применяют дизельные двигатели. Они работают на более дешевом и менее ток­ сичном топливе, имеют более высокий коэффициент полезного действия. Пре­ имущества дизелей особенно заметны при установке их на машинах тяжелого класса.

Одним из средств повышения тяговых свойств машин является установка индивидуальных двигателей на их колесах; такой тип привода получил назва­

6

ние «мотор­колесо». Конструктивное исполнение его может быть различ­ ным.

Электродвигатели или гидромоторы, развивающие большой вращаю­ щий момент (такие двигатели называются «высокомоментными»), встраивают в колесо или устанавливают рядом с ободом колеса без редуктора. В противном случае привод «мотор­колесо» состоит из двигателя и редуктора с обычной или планетарной зубчатой передачей. В приводах с электродвигателями по­ стоянного тока энергия к ним через систему электрических цепей подводит­ ся от тягового генератора постоянного тока, приводимого от дизеля тягача.

В гидравлических приводах колесные гидромоторы питаются от гидрона­ сосов, которые приводятся в действие от главного двигателя машины. Опыт показывает, что дизель­электрические приводы с мотор­колесами и электро­ двигатели целесообразно использовать на самых тяжелых машинах, тогда как объемный гидропривод находит применение и на небольших машинах [ 1, 2].

Современные требования к приводам землеройных и землеройно­ транспортных машин сводятся к следующим:

– широкий диапазон преобразования вращающего момента, обеспечивающе­ го большие тяговые усилия при малых скоростях движения;

– изменение скорости движения в зависимости от сопротивлений движению без останова двигателя;

– по возможности бесступенчатое регулирование скорости движения и плавное трогание с места;

– возможность реверсирования, т. е. изменения направления движения. Этим требованиям в большой степени удовлетворяют гидравлические приво­ ды, которые в строительных и дорожных машинах приходят на смену тради­ ционным механическим приводам. Несмотря на более низкий КПД, гидрав­ лические приводы механизмов машин и их рабочего оборудования лучше, чем механические приводы, работают в условиях резких колебаний тяговых уси­

лий, изменения направления движения.

Гидродинамический привод (гидротрансформатор и переключаемая под нагрузкой передача) обусловливает совершенно определенную компоновку агрегатов в конструкции машины. В этом отношении более предпочтительны­ ми оказываются гидрообъемные и электрические приводы, элементы которых имеют между собой гибкую связь, что позволяет расширить возможности конструктора при компоновке привода и машины в целом. Развитие гидрав­ лических землеройных машин идет по пути создания гидросистем высокого давления с регулируемыми поршневыми насосами при рабочем давлении 30

...45 МПа.

В последние годы значительно увеличился выпуск машин с шарнирно­ сочлененной ходовой рамой, состоящей из двух или трех секций, соединенных

7

между собой шарнирами (с вертикальными ходовой рамой осями), позволяю­ щими секциям рамы поворачиваться одной относительно другой в горизонталь­ ной плоскости. Некоторые зарубежные фирмы начали выпуск гусеничных ма­ шин с шарнирно­сочлененной рамой (рис. 1.1).

Рис.1.1.Схема погрузчикас четырехгусеничным ходом ишарнирно­сочлененной ходовой рамой:1,9 – движители;2,8,12,13– звездочки;3– двигатель;4– портал;

5 – ковш; 6 – стрела;7– гидроцилиндр;10,15 – оси;11,14 – тележки

На передней секции рамы на портале 4 крепится стрела 6 с ковшом 5, на задней секции рамы устанавливается двигатель 3 и кабина оператора. Каж­ дый гусеничный движитель состоит из тележек с рамами 11 и 14, подвешенных к соответствующей секции ходовой рамы на осях 10 и 15; направляющих колес 8 и 13 и ведущих колес (звездочек) 12 и 2, которые приводятся от двигателя ма­ шины; ведущие колеса сообщают движение гусеницам 9 и 1. Два передних дви­ жителя имеют стабилизирующие гидроцилиндры 7. Каждая из четырех гусенич­ ных тележек может, поворачиваясь на своей оси, перемещаться относительно хо­ довой рамы, хорошо приспосабливаясь к неровностям поверхности качения.

Землеройными машинами одного из наиболее распространенных типов явля­ ются экскаваторы – одноковшовые, многоковшовые и роторные. Современные одноковшовые экскаваторы легкого и среднего классов имеют гидравлический привод хода и рабочего оборудования, поэтому совершенствование их конструк­ ций во многом связано с совершенствованием конструкций гидроприводов и улучшением качества гидроаппаратуры. Традиционно применявшиеся на экска­ ваторах гусеничные хода в настоящее время заменяют гусеничными ходами трак­ торноготипа, имеющимизначительно меньшую массуи большую надежность.

В качестве базы для полноповоротных одноковшовых экскаваторов, а также многоковшовых и роторных экскаваторов используют, в основном, собственные шасси, так как экскаваторы, созданные на базе промышленных тракторов, имеют существенно большую массу и на 30 ... 50 % большую стоимость.

В последнее время значительно расширяются области применения экскава­ торов. При этом, кроме основного рабочего оборудования обратной и прямой лопат, их снабжают драглайном, валочно­пакетирующим устройством для сре­ зания, повала и пакетирования деревьев, грейферными захватами для пере­ грузки сыпучих, кусковыхи длинномерных грузов, буровым оборудованиеми др.

8

На рис. 1.2 показаны некоторые сменные рабочие органы, применяемые на экс­ каваторах.

Рис.1.2.Сменныерабочие органыэкскаватора:

а – ковшобратнойлопаты:б– ковшдлярытьяканав;в– ковшсрыхлителем;г– рыхлитель; д– отвал;е,ж,з– грейферные захваты;и – шнековыйбур;к– гидромолот

Совершенствование конструкций бульдозеров характеризуется расширением их типоразмерного ряда, содержащего гусеничные машины с двигателем мощ­ ностью 18...600 кВт и в перспективе до 1200 кВт и колесные машины с двигателем мощностью 50...400 кВт и в перспективе до 900 кВт. Машины сред­ него и тяжелого классов оборудуют бульдозерным отвалом, навешиваемым впе­ реди базового трактора, и рыхлителем, навешиваемым сзади трактора. В качестве базовых машин для бульдозерно­рыхлительного оборудования наиболее предпоч­ тительными являются промышленные гусеничные тракторы, имеющие классиче­ скую компоновку – переднее расположение двигателя и заднее размещение ка­ бины оператора. Такие тракторы обеспечивают хорошую видимость как передне­ го, так и заднего оборудования и не вызывают зарывание передней части маши­ ны при работе на мягких грунтах. Управление рабочим оборудованием у со­ временных бульдозеров, в основном, гидравлическое. Поэтому базовые трак­ торы имеют гидросистему для независимого подъема и перекоса отвала, а так­ же управления рыхлителем. Увеличение усилий для заглубления и выглубле­ ния отвала достигается путем повышения давления рабочей жидкости в гидро­ системе до 35 МПа и выше.

Для повышения надежности отвалов бульдозеров и снижения энергоемко­ сти копания грунтов особое внимание необходимо обращать на выбор рацио­ нального профиля рабочей поверхности отвалов.

Совершенствование конструкций базовых гусеничных тракторов связано, главным образом, с улучшением компоновочной схемы трактора и конструк­

9

ции его ходовой части. Характерна в этом отношении схема ходовой части трактора, показанного на рис.1.3, а. Вал ведущих звездочек 2 (рис.1.3, б) располагается выше натяжных колес 5 и 1, вследствие чего гусеничный об­ вод ходовой части принимаем форму треугольника.

.

Рис. 1.3. Компоновочное решение гусеничного хода базового трактора бульдозера: а) – общий вид бульдозера; б)– схема гусеничного движителя;1,5 – натяжные колеса;

2– ведущая звездочка;3, 4 – катки

Верхняя ветвь гусеницы опирается на два поддерживающих катка 3 и 4. Угол, образованный основанием и задней ветвью гусеницы, набегающей на ведущую звездочку, изменяется от 30 до 90°, а угол обхвата ведущей звез­ дочки гусеницей от 115 до 130°.

Вынесение вверх и вперед ведущих звездочек и конечной передачи дает возможность снизить нагрузки от воздействия неровностей поверхности ка­ чения и, как следствие, уменьшить их износ и вероятность повреждения при работе на скальных породах. Кроме того, описанная компоновка ходовой час­ ти базового трактора позволяет уменьшить высоту расположения основных узлов трансмиссии, повысив устойчивость машины в продольном и попереч­ ном направлениях, и одновременно с этим увеличить высоту расположения кабины оператора, улучшив обзорность при работе машины.

При разработке скреперов все большее место занимает создание мощных самоходных двухдвигательных машин с ковшом вместимостью 25...40 м3 и двигателями суммарной мощностью 800 кВт и выше. Выпускают скреперы с дизель­электрическим приводом и мотор­колесами. Увеличивается выпуск скреперов с принудительной загрузкой ковша с помощью скребкового цепно­ го элеватора и с принудительной разгрузкой грунта выталкивателем бульдо­ зерного типа. Элеватор приводится от гидродвигателя через планетарный ре­ дуктор.

Совершенствование конструкций автогрейдеров во многом связано с вне­ дрением систем управления поворотом машины, позволяющих улучшить ее ма­ невренность и устойчивость при работе на склонах. Все большее распростра­ нение получают автогрейдеры с шарнирно­сочлененной рамой; в этом случае поворот автогрейдера осуществляется как за счет поворота в плане передних управляемых колес, так и за счет «складывания» рамы в плане, что позволяет

10

значительно уменьшить площадь, необходимую для разворота машины. Ориги­ нальную схему поворота имеет одна из моделей автогрейдера шведской фирмы «Vо1vо» («Вольво»). У этой машины управляемыми являются передние колеса

изадний ведущий мост, установленный на упорном подшипнике. Воздействуя на систему рулевого управления машины, можно одновременно поворачивать передние колеса и изменять в плане угол поворота заднего моста на 15° в обе стороны. Такое решение позволяет сохранить большое тяговое усилие при движении машины на поворотах и вместе с тем обеспечивает ее хорошую ма­ невренность.

Вавтогрейдерах применяют, в основном, механические и гидромеханиче­ ские трансмиссии. Но в последнее время некоторые зарубежные фирмы начали использовать и гидрообъемные трансмиссии. В таких машинах главный дви­ гатель (дизель) приводит в действие гидронасосы, которые подают рабочую жидкость к гидромоторам, сообщая им вращение; от гидромоторов приводят­ ся ведущие колеса машины.

Гидрообъемные трансмиссии получают все большее распространение в до­ рожно­строительных и других машинах, например в пневмоколесных погруз­ чиках. Они обладают хорошей тяговой характеристикой и позволяют незави­ симо изменять скорость движения каждой стороны ходовой части без разрыва потока мощности. При этом колесная машина может перемещаться вперед, назад или разворачиваться на месте так же, как и гусеничная; такой способ поворота имеет особенные преимущества для малогабаритных строительных

идорожных машин, предназначенных для работы в стесненных условиях. Для производства строительно­монтажных работ все большее применение

находят самоходные пневмоколесные краны на базе грузовых автомобилей, а также мощные самоходные краны с многосекционной телескопической стрелой на многоосном шасси автомобильного типа (рис.1.4, а) и краны с телескопиче­ ской и решетчатой стрелами на специальном пневмоколесном шасси. На неко­ торых самоходных кранах большой грузоподъемности устанавливают башен­ но­стреловое оборудование (рис.1.4, б). Оно позволяет значительно увели­ чить высоту подъема груза и радиус его перемещения.

Рис.1.4. Общий вид кранов на пневмоколесном ходу:а) − на многоосномшасси автомобильного типа; б, в) – на специальном пневмоколесном шасси