Проектирование строительных и дорожных машин

ЧАСТЬ II. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ АГРЕГАТОВ И СИСТЕМ МАШИН

14.Силовой агрегат

14.1.Общие сведения

Силовой агрегат, состоящий из двигателя и обслуживающих его агрегатов, предназначен для получения механической мощности, необходимой для преодоления внешних сил сопротивления движению машины.

На самоходных технологических машинах применяют двигатели внутреннего сгорания, положительными чертами которых являются автономность, экономичность и высокая удельная мощность. Эти качества двигателей внутреннего сгорания, несмотря на не вполне удачную скоростную характеристику, ставят их вне конкуренции по сравнению с двигателями других типов. Двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию сгорающего топлива в механическую энергию вращения коленчатого вала. Далее эта энергия передается через трансмиссию на ведущие колеса и гусеничные движители машины.

Так как на строительно-дорожных машинах в силу ряда преимуществ получили почти исключительное распространение двигатели с воспламенением от сжатия (дизели), дальнейший материал относится именно к этому типу двигателей внутреннего сгорания.

Обслуживающие двигатель агрегаты входят в системы, обеспечивающие питание топливом и воздухом, охлаждение, смазку, подогрев

изапуск двигателя. Эксплуатационно-технические характеристики

икачество этих систем определяют надежность, экономичность и эффективность работы двигателя при различных режимах и условиях эксплуатации машины. В соответствии с этим обслуживающие двигатель системы и агрегаты в любых дорожных и климатических условиях должны обеспечивать:

получение от двигателя максимальной мощности;

экономичность и приемистость двигателя;

поддержание требуемого теплового режима работы;

281

надежную и эффективную смазку;

надежную и эффективную очистку воздуха, поступающего

вдвигатель;

быстрый подогрев и запуск;

удобство эксплуатации и технического обслуживания.

На рис. 14.1 представлен примерный вид общего энергетического баланса современного двигателя гусеничной машины, работающего при полной подаче топлива. Из общего количества тепла Qт, выделяемого при сгорании топлива, около двух третей отводится охлаждающей жидкостью (Qж), маслом (Qм), отработавшими газами (Qг)

ирассеивается в окружающее пространство (Qр) корпусом двигателя

идругими агрегатами и деталями моторной установки. И только одна треть (Qе) превращается в эффективную механическую работу вращения коленчатого вала. При работе двигателя на частичных характеристиках относительная величина тепловых, а также механических

ибарботажных потерь в двигателе значительно возрастает.

Рис. 14.1. Общий вид энергетического баланса двигателя: n – текущая частота вращения двигателя в об/мин;

nN – частота вращения при максимальной мощности

282

Высокие динамические качества машины (большие ускорения при разгоне, возможность преодоления сложных препятствий, быстрый поворот с любым радиусом) обеспечиваются большой удельной мощностью

где Nеmax – максимальная эффективная мощность двигателя, кВт;

т– масса машины, т.

Всовременных строительных машинах удельная мощность достигает 15 кВт/т, что достаточно для получения приемлемых значений тяговых характеристик машины. В отдельных случаях эта величина бывает значительно выше.

Повышение мощности современных двигателей внутреннего сгорания может быть достигнуто за счет наддува – увеличения весового заряда воздуха и топлива, поступающих в цилиндры двигателя. Наддув осуществляется нагнетателями с механическим, газотурбинным или комбинированным приводом от двигателя. Благодаря относительной простоте конструкции, автоматичности регулирования режима работы нагнетателя и высокому КПД наиболее широкое применение в настоящее время находит газотурбинный наддув, способный обеспечить повышение мощности двигателя на 25–30 % при давлениях наддува 150–200 кПа (1,5–2,0 кГ/смг). Дальнейшее повышение давления наддува нецелесообразно в связи со значительным ростом затрат мощности в нагнетателе и температуры воздуха (или смеси), поступающего в двигатель. Исключение составляют сложные системы наддува с комбинированным приводом и охладителями, применяющиеся на стационарных двигателях большой мощности.

Экономичная работа двигателя гарантирует производительный расход топлива и обеспечивает самоходной машине необходимый запас хода. Топливная экономичность двигателя оценивается величиной удельного расхода топлива, которая для дизелей составляет 220–300 г/(кВт-ч), для бензиновых двигателей – 280–380 г/(кВт-ч). Под запасом хода понимается наибольшее расстояние в км, которое можно пройти при одноразовой заправке топливом. Для большинства транспортных машин, прежде всего колесных, запас хода составляет 400–500 км.

283

Сложность создания надежной и совершенной моторной установки строительной машины обусловлена тем, что двигатель большой мощности (500–1000 кВт и выше) вместе с обслуживающими его вспомогательными системами должен быть размещен в ограниченных габаритах корпуса. Наличие топливных и масляных агрегатов и магистралей, горячих поверхностей выхлопных труб требует обеспечения пожарной безопасности. Ограниченность места вызывает необходимость строгого учета габаритов и взаимного расположения отдельных агрегатов, полной герметизации систем, надежной вентиляции моторного отделения.

От двигателя, установленного в машине, к ведущему валу трансмиссии подводится свободная мощность Nд, величина которой на 10–20 % ниже эффективной мощности Nе, определяемой во время испытаний двигателя на тормозном стенде. Основными факторами, влияющими на снижение мощности при установке двигателя в машине, являются снижение срднего эффективного давления в цилиндрах двигателя в связи с повышенным сопротивлением на впуске (воздухоочистка) и выпуске (глушение шума выпуска, эжекционные системы) из двигателя, а также затраты механической мощности на обслуживающие агрегаты. Таким образом, можно написать

Nä Ne Nì .ó ,

где Nм.у – затраты мощности, связанные с работой обслуживающих двигатель агрегатов моторной установки.

Величина Nм.у является одним из основных оценочных показателей качества агрегатов моторной установки в целом. Чем меньше Nм.у, тем больше свободная мощность двигателя Nд, тем выше тяговые и экономические показатели гусеничной машины.

Основным потребителем мощности, теряемой в моторной установке, является вентилятор системы охлаждения двигателя. При работе двигателя на оборотах пN, соответствующих его максимальной мощности Nеmax вентилятор потребляет мощность NвN = = (0,06–0,15)Nеmах. При другой частоте вращения двигателя приближенно можно считать

284

где Nв – мощность, потребляемая вентилятором при оборотах двигателя п.

Сопротивление в воздухоочистителях приводит к снижению мощности двигателя на режиме Nеmах на величину NвоN = (0,02–0,04)Nеmах. При другой частоте вращения двигателя, работающего на внешней характеристике:

Противодавление на выпуске из двигателя, связанное с работой глушителей шума, также приводит к снижению мощности двигателя. На режиме Nеmах будет NвыпN = (0,02–0,03) Nеmax.

При другой частоте вращения двигателя, работающего с полной подачей топлива:

На рис. 14.2 изображена внешняя характеристика двигателя гусеничной машины и представлен характер изменения потерь мощности в моторной установке в зависимости от оборотов двигателя. Очевидно, что повышение свободной мощности двигателя, а следовательно, и тяговых характеристик машины, может быть достигнуто за счет уменьшения потерь в агрегатах моторной установки: уменьшения сопротивлений в воздухоочистителе и на выпуске, повышения КПД вентилятора.

Относительным оценочным показателем экономичности моторной установки является КПД

величина которого может изменяться в широких пределах в зависимости от режима работы двигателя.

285

Продольное расположение двигателя применяется на многих машинах, т. к. при этом связь с трансмиссией получается наиболее простой. Однако во всех случаях при продольном расположении двигателя получается большая длина моторного отделения, а в трансмиссии обязательно применяется коническая пара. Поперечное расположение двигателя в этом отношении имеет преимущество: значительно сокращается длина моторного отделения, но связь двигателя с трансмиссией усложняется.

К раме или корпусу машины двигатель крепится жестко или при помощи резиновых подушек. Все агрегаты системы моторной установки располагаются по возможности ближе к двигателю с целью сокращения длины соединительных трубопроводов и наиболее рационального использования объема моторного отделения. При коротких трубопроводах уменьшаются вибрации, вызывающие поломки и нарушение плотности в местах соединений, уменьшается их сопротивление и повышается надежность систем, обслуживающих двигатель.

Агрегаты моторной установки, требующие периодического обслуживания или используемые во время эксплуатации машины (топливные и масляные фильтры и насосы, воздухоочистители, краны и т. д.), должны располагаться в свободно доступных местах, что при плотной компоновке моторного отделения является задачей весьма трудной.

Для размещения топливных баков в машине используются ободные объемы, остающиеся после установки двигателя, трансмиссии и других крупных агрегатов. Часть топливных баков для увеличения емкости системы питания может быть установлена снаружи машины. В специальных случаях эти баки должны быть легкосъемными.

Воздухоочистители располагают в местах наименьшей запыленности воздуха и как можно ближе к двигателю, чтобы уменьшить сопротивление трубопроводов и занимаемый ими объем.

Размещение водяных и масляных радиаторов определяется выбранной системой охлаждения. Как правило, их располагают у воздухопритоков крыши корпуса. Воздух, поступая в моторное отделение, проходит через радиаторы, омывает агрегаты установки и выбрасывается наружу. Часть воздуха направляется к воздухоочистителям и идет на питание двигателя. Циркуляция воздуха обеспечивается вентилятором.

287

Техническое обслуживание агрегатов моторной установки осуществляется через люки, расположенные в крыше корпуса (над двигателем и воздухоочистителями) и в днище (под водяным и масляным насосами).

14.2. Системы питания двигателя

Питание двигателя обеспечивается топливной и воздушной системами питания. Образование тепловой энергии газов, преобразуемой в механическую работу, происходит вследствие воспламенения

исгорания топлива при большом давлении и высокой температуре. Качество топливовоздушной смеси и степень наполнения ею цилиндров определяют основные характеристики двигателя и машины

ив значительной степени влияют на надежность и безотказность работы двигателя. Поэтому топливо и воздух должны подаваться в цилиндры двигателя всегда в строго определенном количестве в зависимости от режима работы и всегда тщательно очищенными от посторонних примесей.

Топливная система питания. Топливоподающая (топливная) система двигателя предназначена для размещения, очистки и подачи топлива к насосу высокого давления в нужном количестве и с достаточным давлением на всех режимах движения машины при любой температуре окружающего воздуха.

Втопливную систему в общем случае входят узлы, размещенные в корпусе машины (топливный бак, топливный насос низкого давления, фильтры, топливопроводы низкого давления), и узлы, установленные на двигателе (топливный насос высокого давления, форсунки, топливопроводы высокого давления). При компоновке моторной установки решаются задачи, связанные с топливной системой низкого давления.

Для обеспечения нормальной работы топливной системы ко всем узлам предъявляются требования: герметичность, надежность, малый вес и габариты, коррозийная стойкость, малые гидравлические сопротивления.

Общий вес (или объем) заправляемого топлива определяется заданным запасом хода каждой конкретной машины. Применяются топливные баки различных емкостей и конфигурации, они разделяются на внутренние, устанавливаемые в корпусе машины, и до-

288

полнительные – наружные. Топливо из наружных баков расходуется в первую очередь. Топливная схема питания предусматривает сообщение баков между собой и обеспечивает нормальную работу системы питания при повреждении любого бака. Баки свариваются из листовой стали. Во избежание коррозии внутренние поверхности баков бакелитируются, покрываются цинком или лудятся. Для повышения жесткости на стенках баков выштамповываются желоба (зиги), а внутри бака устанавливаются несплошные перегородки.

Баки заправляются топливом через заливные горловины, снабженные сетчатым фильтром. После заливки топлива горловина закрывается резьбовой пробкой. В нижней части внутренних баков имеются отстойники. Приемный топливопровод присоединяется к баку выше отстойника. Слив топлива из бака производится через отверстие с пробкой и клапаном при помощи специального ключатрубки со шлангом.

Воздушное пространство баков соединяется с атмосферой через дренажное устройство, которое должно исключать возможность попадания огня в полость бака и вытекание топлива из бака при резких толчках машины, а также обеспечивать очистку воздуха, поступающего в бак.

Замер количества топлива в баке обычно производится измерительным стержнем, который опускается в бак через заливную горловину или специальное отверстие, а также при помощи электрических указателей уровня топлива.

Перед запуском двигателя заполнение системы топливом и подача топлива к насосу высокого давления осуществляются при помощи ручного насоса. Наиболее широкое применение нашли ручные топливоподкачивающие насосы мембранного типа.

Содержащиеся в топливе механические примеси (абразивная пыль) вызывают повышенный износ, а иногда и заедание прецизионных пар топливного насоса высокого давления и форсунок (плунжер – гильза; распылитель – игла распылителя). Повышенный износ прецизионных пар приводит к неравномерной подаче топлива в цилиндры и снижению мощности двигателя. Попавшая в топливо вода способствует электрохимической коррозии деталей топливной аппаратуры, а в зимнее время может привести к образованию ледяных пробок в топливопроводах и прекращению подачи топлива.

289