книги из ГПНТБ / Смирнов, В. И. Строительные машины учебник

при давлении жидкости на поршень со стороны штока

Р = Р ——

где р — давление рабочей жидкости; D — диаметр цилиндра;

d — диаметр штока;

т] — механический к. и. д. гидроцилиндра, равный 0,92—0,99.

Рис. 5-8. Схемы гидромоторов:

а — шестеренный; б — лопастный; в — аксиально-поршневой; г — радиально-поршневой

Гидродвигатели вращательного движения выпускаются четы­ рех типов (рис. 5-8): шестеренные, лопастные, аксиально-порш­ невые и радиально-поршневые.

Шестеренные гидродвигатели (рис. 5-8, а), имеющие внутри корпуса 1 шестерни 2 и 3, наиболее просты по устройству, обла­ дают малыми габаритами и весом, достаточно надежны и долго­ вечны. Вместе с тем по сравнению с другими гидродвигателями они развивают ограниченный крутящий момент (40—70 н-м) и используются поэтому для привода механизмов с малым тяговым усилием.

Лопастные гидродвигатели (рис. 5-8,6) имеют ротор 1 с лопа­ стями 3, установленный в корпус 2 эксцентрично. Рабочая жид­

■9.0

кость, поступая под давлением в серповидное пространство, воз­ действует на лопасти ротора и заставляет его вращаться. Вы­ пускаемые нашей промышленностью лопастные гидродвигатели типа МГ-16-1 развивают крутящий момент от 20 до 150 н-м.

В гидроприводах строительных машин главным образом ис­ пользуются низкомоментные аксиально-поршневые гпдродвигатели, развивающие крутящий момент до 1000 н-м при числе оборотов более 100 в минуту, и высокомоментные радиально-поршневые гидродвигатели с крутящим моментом до 30 000 н-м при числе оборотов менее 100 в минуту.

У аксиалыю-поршневого гидродвигателя (рис. 5-8, в) привод­ ной вал 1 жестко связан с диском 2, расположенным под углом 1 к цилиндровому блоку 4. Шарнир 3, так же как и шатуны порш­ ней 5, фиксирован относительно диска. При поступлении рабочей жидкости в цилиндры цилиндровый блок начинает вращаться и вместе с ним вращается приводной вал.

Радиально-поршневой гидродвигатель (рис. 5-8, г) имеет не­ сколько цилиндров 3, расположенных под углом друг к другу. Поршни 2 этих цилиндров соединяются шатунами с кривошипом 1

шатуны вращают приводной вал. Повышение крутящего момента возможно за счет увеличения размеров поршней.

Высокомоментные поршневые гпдродвигатели осуществляют силовой привод машин без редукторов, упрощая тем самым кон­ структивную компоновку машин. В тяжелых автогрейдерах, само­ ходных скреперах, экскаваторах и других строительных машинах данные двигатели позволяют наиболее целесообразно осуществлять привод их ходовых устройств по схеме «гидродвигатель — ведущее колесо».

Крутящий момент Л1К, развиваемый гидродвпгателем, рассчи­ тывается по формуле

УИК= l,59pqr) н-м,

где р — давление рабочей жидкости, равное в силовых приводах

650—3200 н[см2\

q — расход жидкости, см2[об\

^ — к. п. д. гидродвигателя (0,92—0,95).

Из формулы видно, что величина крутящего момента зависит от давления и расхода жидкости. Для бесступенчатого регулиро­ вания момента и скорости в широком диапазоне питание гидро­ двигателя осуществляется от насосов регулируемой (переменной) производительности.

Большинство рассмотренных гндродвигателей являются обра­ тимыми, т. е. могут работать как насосы. В качестве рабочей жидкости гидропривода используются АМГ-10, веретенное АУ и трансформаторное масла.

91

При выборе рабочих жидкостей руководствуются указаниями инструкций завода-изготовителя. Важное значение для обеспече­ ния работоспособности агрегатов гидропривода имеет тщательная очистка масла от посторонних механических примесей и надежное уплотнение соединений трубопроводов и шлангов.

Применение гидродвигателей на строительных машинах позво­ ляет использовать индивидуальный привод механизмов машины. По сравнению с электрическими двигателями гидродвигатели на 10—15% меньше по габаритам, на 15—20% легче, более просты в управлении и имеют надежную смазку. К недостаткам данных двигателей относятся необходимость в высокой точности изготов­ ления деталей, зависимость работы от качества масла и состоя­ ния уплотнений, некоторое снижение эксплуатационных парамет­ ров при низких температурах.

Пневмодвигатели, как и гидродвигатели, используются для передачи поступательного и вращательного движения. В первом случае они выполняются в виде цилиндра с поршнем или камеры с упругой диафрагмой, прогибающейся под давлением воздуха.

Для передачи вращательного движения используются главным образом лопастные и радиально-поршневые п^евмодвигатели (рис. 5-8,6, г) .-Двигатели данного типа приводятся в работу сжа­ тым воздухом с давлением 60—80 н/см2, создаваемым компрессо­ ром.

Низкое давление воздуха не позволяет передавать большие усилия. В связи с этим пневмодвигатели применяются в основном в пневматических системах управления строительных машин, обес­ печивая плавное и надежное включение и выключение их меха­ низмов, а также для силового привода механизмов небольшой мощ­ ности (пневматический инструмент, пневмолебедкн и др.), рабо­ тающих во взрывоопасных условиях.

Глава 6

ТРАНСМИССИЯ, ХОДОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

ИСИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

§6-1. Трансмиссия строительных машин

Двигатели строительных машин развивают крутящий момент, в большинстве случаев недостаточный для преодоления действую­ щих на машину нагрузок. Кроме того, число оборотов их часто не соответствует рабочим скоростям рабочих органов машины. По­ этому между двигателем и рабочим органом машины устанавли­ вается трансмиссия (силовая передача). Она представляет собой систему узлов и агрегатов, служащих для передачи усилия от дви­ гателя на рабочие органы, а также для изменения его величины и направления в зависимости от режима работы машины.

92

По конструкции трансмиссии строительных машин делятся на механические, гидравлические, электрические и комбинированные (гидромеханические и электромеханические). По характеру изме­ нения усилий и скорости на исполнительном механизме транс­ миссии бывают ступенчатые и бесступенчатые.

Трансмиссия является важнейшей частью строительной маши­ ны, оказывающей существенное влияние на ее технико-эксплуата­ ционные качества. Она должна обладать высоким к. п. д., обеспечи­ вать надежность привода и удобство управления машиной, предохранять двигатель от перегрузок и т. д.

Механические трансмиссии

В механических трансмиссиях (рис. 6-1) изменение величины и направления передаваемого момента, а также реверсирование движения производится при помощи различного типа редукторов.

Если по характеру работы машины необходимы разные ско­ рости и крутящие моменты, один из зубчатых редукторов выпол­ няется в виде коробки передач для ступенчатого изменения крутя­

Общее передаточное число механической трансмиссии опреде­ ляется по формуле

где / ь г2, г'з, . . . , i„ — передаточные отношения последовательно включенных редукторов и передач трансмиссии.

93

сии, определяемый как произведение к. п. д. ее эле­ ментов,

ГЫ = Ъ - Ч г - Ъ ■ ■ ■ \ , -

Достоинствами механической трансмиссии являются простота устройства, надежность в эксплуатации и высокий к. п. д. (до 0,85—0,90). К основным недостаткам относятся сложность кинематической схемы машины, большая металлоемкость и ступен­ чатость изменения крутящего момента.

Гидравлические трансмиссии

На строительных машинах нашли применение два типа гидрав­ лических трансмиссий — гидродинамические и гидрообъемные.

Рис. 6-2. Гидромуфта:

о — схема; б — внешняя характеристика

Г и д р о д и н а м и ч е с к и е т р а н с м и с с и и характеризуются наличием гидромуфты (турбомуфты) или гидротрансформатора (турботрансформатора), в которых крутящий момент от ведущих деталей к ведомым передается за счет динамического (скорост­ ного) напора рабочей жидкости.

Гидромуфта (рис. 6-2) состоит из насосного колеса 4, соединен­ ного с валом 1 двигателя, и турбинного колеса 3, установленного на ведомом валу 5. Оба колеса имеют радиальные лопатки и по­ мещены в общий кожух 2, заполненный маслом.

94

Насосное колесо приводится во вращение валом двигателя. При этом рабочая жидкость захватывается лопатками насосного колеса и под действием центробежных сил отбрасывается к периферии. Здесь она с большой скоростью перетекает на лопатки турбинного колеса и заставляет его вращаться. Затем жидкость снова возвра­ щается в насосное колесо.

Угловая скорость турбинного колеса всегда меньше, чем насос­ ного, т. е. гидромуфта работает с пробуксовкой, характеризуемой коэффициентом скольжения Ке­

гле со 1, а>2 — угловые скорости насосного и турбинного колес.

Наибольшего значения коэффициент скольжения достигает в момент трогания машины. Работа гидромуфты с пробуксовкой вызывает потери мощности на нагрев жидкости и снижение к. п.д.

На рис. 6-2,6 представлена внешняя характеристика гидромуф­ ты, показывающая зависимость передаваемого момента М и к. п.д.г) от угловой скорости турбинного колеса со2Из характеристики вид­ но, что к. п. д. увеличивается пропорционально числу оборотов тур­ бины и достигает 0,95. Крутящий момент на турбинном колесе при этом равен моменту на насосном колесе.

Таким образом, гидромуфта не может увеличить крутящий мо­ мент, передаваемый двигателем. Кроме того, она вызывает умень­ шение к. п. д. трансмиссии, усложнение ее конструкции и требует надежного охлаждения при работе. Вместе с тем применение гидро­ муфт снижает динамические нагрузки и предохраняет двигатель от перегрузок, позволяет запускать и останавливать его под на­ грузкой. Они устанавливаются в механической трансмиссии строи­ тельных машин большой мощности, испытывающих резко перемен­ ные нагрузки (например, бульдозеров, экскаваторов, карьерных автомобилей, самосвалов и др.).

Гидротрансформатор простейшей конструкции (рис. 6-3, а) со­ стоит из двух рабочих колес (насосного 3 и турбинного 2) и реак­ тора 4. Все они имеют изогнутые по специальному профилю лопат­ ки, закрытые изнутри стенками. Эти стенки вместе с лопатками образуют замкнутые кольцевые полости (торы), в которых цирку­ лирует рабочая жидкость. Как и в гидромуфте, насосное колесо в гидротрансформаторе является ведущей деталью, а турбинное — ведомой. Реактор неподвижно соединен с корпусом гидротрансфор­ матора 1 или установлен на специальной муфте свободного хода 5, позволяющей вращаться реактору в сторону насосного колеса на определенном режиме работы. Корпус 1 обычно крепится к махо­ вику двигателя.

При работе гидротрансформатора рабочая жидкость последо­ вательно проходит от насосного колеса на турбинное и далее через реактор. Реактор, который называют в некоторых случаях направ-

95

ляющпм аппаратом, изменяет направление и увеличивает скорость проходящего потока жидкости. За счет этого гидродинамический напор жидкости на лопатки турбины увеличивается, и она вра­ щается под действием момента М2, создаваемого насосным коле­ сом (Mi) и реактором (Мр):

М 2 = М, + /Ир.

Рис. G-3. Гидротрансформатор:

а — схема работы; б — внешняя характеристика

При постоянном режиме работы двигателя, т. е. при М\ = const, момент реактора Жр изменяется в зависимости от числа оборотов

турбины (рис. 6-3,6). Максимального значения он достигает, когда угловая скорость турбины равна нулю, т. е. при трогании машины. По мере разгона турбины М р уменьшается и при угловой скорости ее, равной (0,6-г-0,8) ыц реактор перестает создавать положитель­ ный момент. Дальнейшее увеличение скорости вращения турбины приводит к возникновению в реакторе отрицательного момента, что вызывает уменьшение момента, подводимого к турбине, и сни­ жает к. п. д. гидротрансформатора.

Таким образом, гидротрансформатор способен автоматически изменять величину крутящего момента в зависимости от внешней нагрузки. Данные свойства гидротрансформатора характеризуются коэффициентом трансформации Ктр, который показывает степень увеличения крутящего момента на турбине по отношению к момен­ ту на насосном колесе при трогании машины:

Максимальное значение Ктр возникает при трогании маши­ ны с места, когда 0)2 = 0. Увеличение его достигается установкой не­ скольких турбинных колес или большим закруглением лопатцк.

96

ние к. п. д. при большем числе оборотов турбины, как уже отмеча­ лось, вызывается отрицательным влиянием реактора на данном режиме работы гидротрансформатора. Для исключения этого реак­ тор в большей части конструкций гидротрансформаторов, называе­ мых комплексными, устанавливается на муфте свободного хода, которая позволяет вращаться реактору в сторону вращения насос­ ного колеса. Начиная с этого момента (точка А, рис. 6-3,6), гидро­ трансформатор переходит на режим работы гидромуфты и его к. п. д. изменяется по прямой.

На ряде строительных машин (например, на пневмоколесном кране К-161) применяются так называемые опорожнивающиеся гидротрансформаторы. Масло из бака насосом подается принуди­ тельно. При отключении насоса масло удаляется из корпуса гидро­

изменять величину крутящего момента, подводимого к исполни­ тельному механизму, облегчается управление машиной, лучше используется мощность двигателя, обеспечивается плавное троганне и разгон машины, уменьшаются динамические нагрузки на ее детали и механизмы.

Массовое применение гидротрансформаторов ограничивается следующими их недостатками: малым диапазоном изменения вели­ чины крутящего момента и необходимостью поэтому применения в трансмиссии обычных зубчатых редукторов и коробок передач; меньшим, чем у механических трансмиссий, к. п. д.; сложностью конструкции и увеличением веса трансмиссий.

Наиболее целесообразно применять гидротрансформаторы на машинах большой мощности. В частности они используются на автосамосвале БелАЗ-540, шестнадцатитонном пневмоколесном кране К-161, пневмоколесном тягаче МАЗ-538 и т. д.

ского напора (энергию давления) рабочей жидкости.

Основными элементами гидрообъемной трансмиссии являются насос и гидродвигатель, соединенные между собой трубопрово­ дами. В зависимости от типа гидродвигателя (см. гл. 5) эта транс­ миссия может передавать на механизм вращательное или посту­ пательное движение.

По типу соединения насоса с гидродвигателем различают от­ крытые и закрытые объемные гидропередачи. В открытой пере-

даче (рис. 6-4, а) двигатель вращает масляный насос 2, который засасывает рабочую жидкость из масляного бака 1 и подает ее к распределителю 5 под давлением до 1000—1500 н[см2. При нейтральном положении распределителя масло сливается обратно

вбак.

а)

Рис. 6-4. Гидрообъемные передачи: а — открытая; б — закрытая

При рабочем положении распределителя рабочая жидкость по одному из трубопроводов подается в гидроцилиндр 4 или в гидро­ двигатель. Из цилиндра (гидродвигателя) масло через распреде­ литель сливается в бак. Давление в системе ограничивается предо­ хранительным клапаном 3.

Таким образом, характерной особенностью открытой передачи является наличие распределителя, с помощью которого осущест­ вляется включение и выключение соответствующего механизма, а также изменение направления подаваемой жидкости и, следова­ тельно, направления движения исполнительного механизма. Такие передачи нашли применение на автогрейдерах, скреперах, бульдо­ зерах, строительных кранах с гидравлическим управлением рабо­ чими органами.

В закрытой объемной гидропередаче (рис. 6-4, б) насос 2, вра­ щаемый двигателем /, соединяется трубопроводами непосредствен­ но с гидромотором 3, и при работе машины имеет место замкнутый круг циркуляции рабочей жидкости от насосов к гидромотору и обратно. Изменение направления движения механизма осущест­ вляется путем изменения направления потока жидкости. Такая схема передачи требует дополнительной системы подпитки, имею­ щей отдельный масляный насос и бак. С помощью ее восполняется потеря масла из главной магистрали в случае утечки его через не­ плотности в соединениях трубопроводов.

98

Закрытая передача обычно применяется для привода ходовой части самоходных строительных машин (например, тягача Д-456).

Величина крутящего момента, передаваемого объемной гидро­ передачей, изменяется путем регулирования количества масла, нагнетаемого к гидромотору. Для этой цели на некоторых маши­ нах в дополнение к рассмотренным выше элементам в трансмис­ сию устанавливается дроссель или насос регулируемой производи­ тельности. С помощью дросселя уменьшается или увеличивается проходное сечение трубопровода и тем самым регулируется коли­ чество масла. Дросселирование потока жидкости мало приемлемо для машин большой мощности, так как вызывает большие потери энергии. Целесообразнее применять насосы регулируемой произво­ дительности, схожие по конструкции с аксиально-поршневыми гидромоторами (гл.-5). У них поршневой блок (см. рис. 5-8, в) мо­ жет поворачиваться относительно корпуса и изменять угол у. При изменении угла уменьшается или увеличивается ход поршней на­ соса и тем самым регулируется количество масла, нагнетаемого в систему. Оба рассмотренных способа обеспечивают бесступенча­ тое управление крутящим моментом в достаточно широких преде­ лах на всем диапазоне работы машины.

В объемной гидропередаче можно не устанавливать узлы меха­ нической трансмиссии (исключение составляют коробка отбора мощности для привода гидронасосов и приводной редуктор за гидромотором). Это намного упрощает трансмиссию машины.

Широкий диапазон изменения усилия на исполнительном меха­ низме при использовании гидрообъемной трансмиссии, удобство в управлении, возможность применения многомоторного привода и передачи энергии на привод прицепной машины, а также постоян­ ная смазка узлов этой трансмиссии определяют широкое внедре­ ние ее в конструкцию современных машин.

Электромеханические трансмиссии

В чистом виде электрические трансмиссии широкого примене­ ния на строительных машинах не получили. Их ведущий элемент обычно соединяется с механическим редуктором, обеспечивающим увеличение крутящего момента до требуемого значения. Такие передачи принято называть электромеханическими. Они исполь­ зуются на башенных кранах, экскаваторах и самоходных кранах с электроприводом, в машинах и прицепных агрегатах с моторколесами и т. д.

На рис. 6-5, а показана принципиальная схема электромехани­ ческой трансмиссии дизель-электрического трактора ДЭТ-250. В данном случае вращение на ведущие колеса гусениц 8 передает­ ся от электродвигателя 4 через центральную передачу 5, планетар­ ные механизмы поворота 6 и бортовые редукторы 7. Ток выраба­ тывается генератором 2, имеющим привод от дизеля 1 через редук­ тор 3.