книги из ГПНТБ / Багиров Д.Д. Двигатели внутреннего сгорания строительных и дорожных машин

чением частоты вращения возрастает кинетическая энергия махо­ вика. Например, на режиме нагрузки экскаватора увеличение номинальной частоты вращения двигателя от пн = 1700 об/мин до пи = 2100 об/мин при одном и том же оптимальном приведен­ ном моменте инерции обеспечивает повышение выходной мощности двигателя примерно на 5%.

Недостатком «маховиковой» трансмиссии, кроме трудности в компоновке машины, является то, что она не защищает двигатель от возможных перегрузок при резком возрастании момента со­ противления (например, при упоре рабочего органа машины в ка­ кое-либо препятствие).

Большое распространение на строительных и дорожных ма­ шинах получают гидродинамические трансмиссии (гидротрансфор­ маторы и гидромуфты).

Гидротрансформаторы обладают различной степенью прозрач­ ности. При наличии абсолютно непрозрачного гидротрансформа­ тора двигатель работает на постоянном скоростном режиме в лю­ бом диапазоне изменения нагрузок, преодолеваемых машиной. Гидротрансформатор должен подбираться так, чтобы двигатель работал на номинальном режиме.

При наличии гидротрансформатора, обладающего некоторой прозрачностью, колебания нагрузки, преодолеваемой машиной, передаются на коленчатый вал, но значительно смягченными, в силу чего колебания скоростного режима двигателя гораздо меньше, чем при механической трансмиссии. Совмещение харак­ теристик такого гидротрансформатора и двигателя должно произ­ водиться таким образом, чтобы обеспечить на всех режимах на­ грузки работу двигателя вблизи номинального режима.

Гидротрансформаторы с большой степенью прозрачности це­ лесообразно устанавливать лишь на некоторые транспортные ма­ шины, например легковые автомобили с карбюраторными двига­ телями, с тем чтобы на режимах разгона улучшить динамические качества машин за счет использования высокого коэффициента приспособляемости двигателей. На строительных и дорожных ма­ шинах следует применять гидротрансформаторы либо полностью

127

с определенными трудностями. Гидротрансформатор с малой сте­ пенью прозрачности разгружает двигатель при низких нагрузках на выходном валу, что позволяет осуществить отбор мощности от двигателя на привод вспомогательных агрегатов.

Таким образом, гидротрансформатор, обладающий способ­ ностью к автоматическому изменению крутящего момента в зави­ симости от нагрузки, преодолеваемой машиной, и высокими за­ щитными свойствами при условии правильного подбора к двига­ телю может существенно улучшить показатели работы двигателя и машины в целом и увеличить срок их службы.

Как показали испытания, на режиме нагрузки экскаватора, соответствующем работе прямой лопатой на грунтах II группы, выходная мощность двигателя при применении непрозрачного гидротрансформатора повышается примерно на 14% по сравне­ нию с мощностью двигателя при механической трансмиссии. Однако ввиду того, что к. п. д. гидротрансформатора зависит от его скоростного режима и максимальное его значение не превы­ шает 90%, удельный расход топлива в этом случае на 4—5% выше, чем при механической трансмиссии.

Темп износа двигателя при наличии гидротрансформатора снижается примерно на 50% по сравнению с темпом износа дви­ гателя без гидротрансформатора.

Как показали исследования, неустановившаяся нагрузка не оказывает существенного влияния на характеристику гидротранс­ форматора.

На рис. 85 показаны графики изменения средней за цикл мощ­ ности и топливной экономичности дизеля Д-75 при изменении его загрузки в случае работы на режиме нагрузки экскаватора с пря­ мой лопатой с различными типами трансмиссий, построенные по данным авторов. В зоне относительно низких загрузок примене­ ние механической трансмиссии достаточно эффективно, однако при высоких загрузках предпочтение следует отдать «маховико­ вой» или гидродинамической трансмиссиям.

На некоторых строительных и дорожных машинах применяют гидромуфты. Трансмиссии с гидромуфтами обладают почти полной прозрачностью, однако предохраняют двигатель от заглохания, трансмиссию — от нагружения крутильными колебаниями дви­ гателя, а также облегчают управление машиной. В отличие от гидротрансформатора гидромуфта не обладает свойством авто­ матически регулировать крутящий момент. К. п. д. трансмиссии

128

с гидромуфтой из-за наличия «скольжения» на 3—5% ниже, чем к. п. д. механической, следовательно и производительность ма­ шины также ниже. Эффективно применение гидромуфт в сочета­ нии с дополнительными маховиками.

Гидрообъемная трансмиссия: двигатель внутреннего сгора­ ния — насос — гидродвигатель или гидроцилиндр в зависи­ мости от способа регулирования ее элементов может обладать той или иной степенью прозрачности. При насосе с нерегулируемой подачей трансмиссия обладает полной прозрачностью. Такая транс­ миссия в некоторой степени защищает двигатель от динамических перегрузок и заглохания. При применении насоса с регулируемой подачей можно добиться полной непрозрачности трансмиссии. При этом можно получить благоприятную (близкую к гиперболи­ ческой) зависимость крутящего момента от частоты вращения, т. е. характеристику почти постоянной мощности на выходном валу трансмиссии. Это обеспечивает автоматическое регулирова­ ние крутящего момента. Диапазон регулирования трансмиссии значительно расширяется при одновременном регулировании гидромотора. Таким образом, по своим свойствам данная транс­ миссия аналогична трансмиссии с непрозрачным гидротрансфор-

матором, но сложнее последней. Гидрообъемная трансмиссия удобна при компоновке ее на машине.

В реальных схемах из-за некоторой инерционности системы регулирования практически всегда имеется определенная прозрач­ ность трансмиссии в пределах степени нечувствительности регули­ рующего механизма.

Для уменьшения габарита и веса гидрообъемных трансмиссий рационально по возможности повышать давление рабочей жидко­ сти.

В связи с большим количеством прецизионных элементов для обеспечения хороших показателей надежности необходима высо­ кая культура изготовления и сборки агрегатов гидрообъемной трансмиссии.

Применяемые на строительных и дорожных машинах электри­ ческие трансмиссии, основным преимуществом которых является удобство компоновки машин, могут быть трех видов: 1) дизель— генератор—электродвигатель постоянного тока; 2) дизель—гене­ ратор—электродвигатель переменного тока; 3) дизель—генератор переменного тока — электродвигатель постоянного тока.

Машины постоянного тока гораздо лучше поддаются регулиро­ ванию, чем машины переменного тока. Однако их надежность меньше, чем надежность машин переменного тока из-за наличия коллекторов. Это же обстоятельство ограничивает и скорость вращения машин постоянного тока, что делает их более громозд­ кими и тяжелыми при одинаковой мощности с машинами перемен­ ного тока. Машины постоянного тока имеют и большую стоимость изготовления из-за необходимости использования в них цветных металлов.

Все это послужило причиной создания схем 3-го вида (пере­ менно-постоянного тока), сочетающих в себе надежный и компакт­ ный генератор переменного тока с хорошо поддающимся регулиро­ ванию тяговым электродвигателем (электродвигателями) постоян­ ного тока. В качестве тяговых обычно применяют электродвига­ тели либо последовательного, либо независимого возбуждения. Выполнение электрических трансмиссий переменно-постоянного тока стало возможным благодаря созданию силовых кремниевых вентилей для выпрямления тока большой силы (до 500 А).

При определенной системе возбуждения генератора и электро­ двигателя можно добиться полной непрозрачности и автоматич­ ности регулирования крутящего момента на выходном валу элек­ трических трансмиссий постоянного и переменно-постоянного тока. Все же из-за трудности создания такой безынерционной си­ стемы регулирования обычно применяют схемы, допускающие не­ которое колебание скоростного режима дизеля (до 5% от номиналь­ ного частоты вращения коленчатого вала). В простейших схемах (например, применяемых на экскаваторах), где отсутствует спе­ циальный возбудитель генератора, колебание частоты вращения под влиянием изменения преодолеваемой машиной нагрузки до­

130

стигает 30% от номинальной частоты вращения коленчатого вала.

Трансмиссия с машинами переменного тока при частотном регу­ лировании также может быть непрозрачной, однако эти системы регулирования в настоящее время -из-за сложности и большого числа элементов обладают низкой надежностью. Работы по созда­ нию машин с частотным регулированием пока не вышли из ста­ дии экспериментальных. Без частотного же регулирования элек­ трическая трансмиссия переменного тока по своему влиянию на работу дизеля аналогична механической трансмиссии с фрик­ ционной муфтой, допускающей проскальзывание (до 5%), и обла­ дает полной прозрачностью. Недостатком этой схемы является то, что при пуске асинхронного электродвигателя создаются высокие пиковые нагрузки на дизель.

Многопоточная гидромеханическая или электромеханическая трансмиссия, в которой одна часть мощности передается через гидроили электропередачу, а другая часть — через механиче­ скую трансмиссию, передает нагрузку аналогично трансмиссиям рассмотренных выше типов, но с иной степенью прозрачности.

К дизелям и их системам при работе с прогрессивными транс­ миссиями предъявляются особые, дополнительные требования. Так, для уменьшения габаритов гидротрансформатора и генера­ тора переменного тока, а также повышения эффективности «махо­ виковой» трансмиссии желательно иметь быстроходные дизели. При наличии непрозрачной трансмиссии и постоянной работы дизеля на номинальном режиме необходима повышенная эффектив­ ность системы охлаждения. Повышенной эффективностью должна обладать и система пуска, так как при наличии электрических и гидравлических трансмиссий значительно увеличивается крутя­ щий момент, потребный для прокручивания вала дизеля, соеди­ ненного с генератором, гидротрансформатором или насосом.

При соединении дизеля с генератором коленчатый вал должен быть рассчитан на восприятие дополнительных крутильных колеба­ ний, возникающих при работе генератора. Повышенные требова­ ния в этом случае должны быть предъявлены и к регулятору ди­ зеля. Для трансмиссии с генератором переменного тока необ­ ходимо поддержание строго постоянной частоты вращения дизеля.

При работе на генератор регулятор дизеля должен иметь не­ большую степень неравномерности и нечувствительности во избе­ жание «забросов» частоты вращения при резких спадах нагрузки от максимального до нулевого значения, что часто бывает в реаль­ ных условиях эксплуатации машин.

На основании технико-экономического анализа можно реко­ мендовать при мощности до 200 л. с. механическую, «маховико­ вую» и гидрообъемную, при мощности 200—600 л. с. — гидродина­ мическую и при мощности свыше 600 л. с. — электрическую трансмиссию,

132

НАМИ 053-А2» мощностью 280 л. с., самосвал БелАЗ-549В с вер­ толетным двигателем ТВ-2-117 мощностью 1200 л. с. и др.

Для дизелей мощностью до 250* л. с. следует рекомендовать

более высокой мощности при гарантировании заводом достаточно высокого моторесурса ограничения этих параметров не требуется.

Все двигатели должны быть оборудованы всережимными регу­ ляторами. Степень нечувствительности регуляторов должна нахо­ диться в пределах 0,01—0,03. Степень неравномерности регуля­ торов должна быть 0,04—0,10 при мощности 20—250 л. с., 0,03— 0,06 при мощности 250—800 л. с., 0,02—0,04 при мощности свыше 800 л. с. При наличии прозрачной трансмиссии для машин, дви­ гатели которых работают при резко переменной нагрузке (бульдо­ зеры, экскаваторы и др.), значение степени неравномерности должно находиться ближе к верхнему пределу, а для машин, дви­ гатели которых работают при менее неустановившейся нагрузке (автогрейдеры, погрузчики и др.),— ближе к нижнему пределу. Следует широко применять двухимпульсное регулирование подачи топлива в зависимости не только от угловой скорости коленча­ того вала, но и углового ускорения (системы регулирования с до­ полнительной обратной связью).

Дизели и их системы должны допускать неограниченную по времени работу на номинальном режиме с кратковременными перегрузками (переходами на корректорную ветвь характери­ стики) до 20% общего времени работы.

Значение коэффициента приспособляемости дизелей должно быть не менее 1,15 при мощности 20—250 л. с., не менее 1,10 при мощности 250—800 л. с., не менее 1,05 при мощности свыше 800 л. с. Значение коэффициента приспособляемости карбюратор­ ных двигателей должно быть не менее 1,25.

Значение коэффициента снижения частоты вращения должно быть для всех двигателей в пределах 0,65—0,75. Номинальная ча­ стота вращения коленчатого вала должна быть для дизелей 1500— 3000 об/мин, для карбюраторных двигателей — 2000—3000 об/мин. Увеличение частоты вращения не только позволяет получать высо­ кие значения литровой мощности двигателя, но и расширяет воз­ можную зону работы гидродинамической трансмиссии (в случае ее применения) и существенно уменьшает габарит гидротрансфор­

133

Удельный расход топлива карбюраторных четырехтактных дви­ гателей не должен превышать 220, а двухтактных 350 г/л. с. ч. Расход масла не должен превышать 1 % расхода топлива.

Для обеспечения компактности двигателей и облегчения компо­ новки машин удельная масса дизелей не должна превышать:

Срок службы до капитального ремонта двигателей при работе на строительных и дорожных машинах должен быть для дизелей мощностью до 800 л. с. и карбюраторных двигателей не менее 3000 ч, что является сроком кратным или равным межремонтному циклу машины. Для дизелей мощностью свыше 800 л. с. (учитывая их высокую стоимость и работу, как правило, с непрозрачной трансмиссией) эта величина должна быть не менее 6000 ч.

Пуск дизелей должен осуществляться пусковым двигателем с электростартерным пуском (для дизелей мощностью менее 250 л. с.) или непосредственно электростартером.

Необходимо предусмотреть возможность установки на все дви­ гатели предпусковых подогревателей. Система подогрева должна обеспечивать пуск двигателя (с учетом всех подготовительных опе­ раций) при температуре не ниже +5° С за 3—4 мин; при темпера­ туре до —30° С за 20 мин; при температуре до —50° С не более, чем за 30 мин, а при температуре —60° С и скорости ветра до 15 м/с не более, чем за 40 мин.

Система охлаждения двигателей в обычном исполнении должна обеспечивать нормальный температурный режим при изменении температуры окружающего воздуха от 40° С до —40° С. Система охлаждения двигателя в тропическом исполнении должна быть ра­ ботоспособной при температуре до 55° С, а система охлаждения двигателя в северном исполнении должна быть работоспособна при температуре до —60° С.

Системы воздухоочистки, фильтрации масла и топлива должны обеспечить нормальную работу двигателя и гарантируемый заво- дом-изготовителем моторесурс при запыленности окружающего воздуха с концентрацией пыли до 2 г/м3. При этом фильтры не должны нуждаться в очистке чаще, чем один раз за смену.

Учитывая специфичность условий работы строительных и до­ рожных машин, их двигатели должны допускать длительную ра­ боту при продольном и поперечном уклоне 15° и кратковременную (1 мин) при продольном уклоне 30°.

На дизелях мощностью 20—200 л. с. должна быть предусмот­ рена возможность установки фрикционных муфт сцепления, а на дизелях мощностью 60—600 л. с. — возможность установки гидро­ трансформаторов, примыкающих к маховику.

Дизели мощностью свыше 600 л. с. должны допускать возмож­ ность непосредственного соединения с электрогенератором. Двига-

134

тели должны допускать отбор мощности от носка коленчатого вала с помощью промежуточного вала при мощности до 250 л. с. до 100% номинальной, а при мощности свыше 250 л. с. — до 50% но­ минальной.

Дизели мощностью до 60 л. с. должны допускать установку на­

Все двигатели должны быть снабжены системами, обеспечи­ вающими пуск, контроль за работой, управление двигателем и его остановку с места машиниста. Дизели мощностью свыше 800 л. с. должны быть, кроме того, оборудованы системами автоматиче­ ского контроля и защиты.

Двигатели должны быть просты по конструкции, удобны в ре­ монте и техническом обслуживании, требовать минимального ко­ личества регулировок, работать на автотракторных сортах горю­ че-смазочных материалов.

Необходимо снабжать заводы отрасли, производящей строи­ тельные и дорожные машины, полностью укомплектованными си­ ловыми установками, т. е. оборудованными (помимо двигателя) муфтой сцепления или гидротрансформатором, воздухоочистите­ лем, водяным и масляным радиаторами, системой предпускового подогрева, контрольно-измерительными приборами и электрообо­ рудованием, системой управления, топливным баком, капотом.

Все эти системы и агрегаты следует изготавливать на специали­ зированных заводах. В противном случае их вынуждены создавать сами заводы-изготовители машин, от чего снижается качество систем и возрастают затраты на производство машин.

Высокой степени специализации необходимо также добиваться и в двигателестроении. Такие детали двигателей, как поршни, поршневые кольца и пальцы, шатунные и коренные подшипники, топливная аппаратура, фильтры и т. п. должны изготавливать на специализированных предприятиях с высоко автоматизирован­ ным производством. Эта специализация возможна при условии широкой унификации выпускаемых двигателей.

Выполнение сформулированных требований и создание пред­ лагаемого типоразмерного ряда унифицированных дизелей суще­ ственно повысит технико-экономические показатели строительно­ дорожных машин и позволит получить значительную экономию средств. '

2* Пути обеспечения основных технических требований

Для обеспечения высокого моторесурса двигателей строитель­ но-дорожных машин необходимо совершенствование конструкции и технологии производства основных деталей двигателей, повыше­ ние стабильности качества их изготовления и сборки, внедрение новых конструкционных материалов, а также совершенствование

135-

конструкций и улучшение качества изготовления вспомогатель­

ных агрегатов двигателей.

На долговечность двигателей в значительной мере влияет сте­ пень их форсирования, которая зависит как от конструкции, так и регулировки двигателя. В мировой практике широкое распро­ странение получила различная регулировка одних и тех же двига­ телей по мощности и частоте вращения в зависимости от назначе­ ния. Так, фирма Перкинс (Англия) выпускает дизели для уста­ новки на автомобили, сельскохозяйственные тракторы и строи­ тельно-дорожные машины, отличающиеся лишь регулировкой.Мощ­ ность ичастота вращения автомобильной модификации примерно на 20% выше, чем аналогичные параметры тракторной и на 30% выше, чем те же параметры модификации для строительно-дорожных ма­ шин. Фирма Дойтц (ФРГ) в каталогах не указывает мощности и частоты вращения некоторых двигателей, поскольку двигатель может быть отрегулирован на мощность и частоту вращения, необ­ ходимые потребителю. Отечественный дизель ЯМЗ-238 при уста­ новке на автомобиль развивает мощность 240 л. с. при 2100 об/мин. При установке же на тракторы дизель (при оборудовании его тур­ бонаддувом) регулируют на мощность 220 л. с. при 1700 об/мин, а при установке на экскаваторы — на мощность 130 л. с. при 1500 об/мин. Мощность дизеля ЯМЗ-240 при установке на автомо­ биль составляет 360 л. с., а при установке на землеройные ма­ шины — 310 л. с. Различные регулировки в зависимости от назна­ чения предполагается осуществлять и на подготавливаемых к про­ изводству дизелях типа 415/15.

Подобные регулировки и мощностной ряд по числу цилиндров не только повышают моторесурс, но и облегчают выбор двигателей для проектируемых машин и удешевляют производство двигателей в связи с его массовостью.

Благодаря выполнению указанных регулировок средние ско­ рости поршней подавляющего большинства зарубежных двигате­ лей строительных и дорожных машин лежат в пределах 8— 11 м/с при S/D — 1,10-т-1,25, а средние эффективные давления — в пре­ делах 6,5—8,0 кгс/см2 для дизелей без наддува и 10— 13 кгс/см2 для дизелей с наддувом.

Зарубежные фирмы, поставляющие дизели для строительных и дорожных машин, обращают большое внимание на очистку воз­ духа, поступающего в цилиндры. Так, фирма Берлие (Франция) применяет двойную очистку воздуха. Воздух проходит сначала через фильтр с масляной ванной, а затем через сухой сетчатый фильтр со сменной набивкой. Фирма Коматцу (Япония) применяет двойной сухой воздушный фильтр. Воздух предварительно очи­ щается сетчатым фильтром, а окончательно — инерционным мультициклонным фильтром. Двухступенчатая очистка воздуха приме­ няется и на отечественных двигателях. Для контроля уровня пыли в воздухоочистителе некоторые зарубежные машины снабжены специальным датчиком и прибором на пульте управления.

136