Глава 4. Привод машин для земляных работ

4.1. СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ МАШИН И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ ТРЕБОВАНИЯ

Привод — это система, состоящая из силового оборудо­вания, трансмиссии (передач) и системы управления, обеспечи­вающих приведение в действие рабочих органов и движителей машин.

По системе приводов машины для земляных работ можно разде­лить на машины с групповым (однодвигательным) приводом и машины с индивидуальным приводом исполнительных механизмов.

В машинах с групповым приводом все исполнительные меха­низмы привода рабочих органов и движителей приводятся в дви­жение от одного двигателя с помощью системы фрикционных, кулачковых и других типов муфт. В машинах с индивидуальным приводом все основные исполнительные механизмы приводятся в движение от самостоятельных двигателей.

Групповой привод характеризуется: громоздкостью конструк­ции механических передач; необходимостью применения большого количества фрикционных и других муфт и управляемых тормозов, затрудняющих обеспечение необходимой надежности привода; большими трудностями в обеспечении агрегатного и модульного создания машин; трудностями технического обслуживания и ремонта приводов и их автоматизацией.

Этих недостатков в значительной мере лишена система приводов с индивидуальными двигателями. Поэтому в последние годы все большее распространение в этих машинах получали системы приводов исполнительных механизмов от индивидуальных двига­телей.

Приводы машин для земляных работ должны:

обеспечивать автономность силового оборудования (первичного двигателя) от источника энергии, что особенно важно для мобиль­ных землеройных, землеройно-транспортных, грунтоуплотняющих и специальных планировочных машин;

обладать высоким КПД;

обеспечивать минимальные размеры и массы при высокой надежности;

обеспечивать простоту реверсирования исполнительных меха­низмов, независимость и возможность совмещения всех движений рабочих органов и движителей и широкое регулирование их ско­ростей;

обеспечивать работу машин в районах с холодным (при темпера­туре воздуха до —60 °С) и тропическим (при температуре воздуха до 40 °С) климатом.

Дополнительные требования к приводам вытекают из режимов работы приводов в отдельных типах машин. В первую очередь они сводятся: к обеспечению необходимых перегрузочных способностей привода, характеризуемых обычно соотношениями максимального M_max и номинального M_HOM крутящего момента (M_max/M_HOM) и максимальной частоты вращения n_max на холостом ходу и n_ном при номинальной нагрузке (n_max/n_ном); к необходимой форме механической характеристики М = f (n); к оптимальной плав­ности нарастания движущих и тормозных моментов и ограничения от динамических перегрузок при стопорении рабочих органов и движителей при упоре в препятствия (см. гл. 6).

4.2. СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

В качестве основного силового оборудования в большин­стве типов машин для земляных работ, требующих полной автоном­ности от источника энергии, используют тепловые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В машинах, не требующих полной автономности от источника энергии, например, мощных экскава­торах и других машинах, работающих в карьерах на добыче полез­ных ископаемых, используют электродвигатели и электрогенера­торы. Кроме ДВС и электродвигателей к силовому оборудованию машин можно отнести комбинированные силовые установки: ДВС— электрогенератор — электродвигатели, обеспечивающие индиви­дуальный электропривод исполнительных механизмов от автоном­ного источника энергии; ДВС (или электродвигатели) — гидро­насосы, обеспечивающие гидропривод исполнительных механиз­мов; ДВС (или электродвигатель) — компрессорная установка, обеспечивающая пневмопривод механизмов.

Двигатели внутреннего сгорания применяются в машинах, как правило, дизельные и реже карбюраторные из числа исполь­зуемых на тракторах, автомобилях и тягачах. Мощность дизелей, применяемых на землеройно-транспортных машинах, достигает

1000—1200 кВт. Эти дизели обладают относительно высоким КПД (32—37%), сравнительно невысокой удельной массой (3—5 кг/кВт) и расходом горючего [0,2—0,25 кг/(кВт-ч)1. Долговечность этих дизелей достигает 8000—10 000 ч работы при правильной экс­плуатации. К недостаткам дизелей в приводе машин следует отнести затруднения с эксплуатацией их при низких температурах и большую чувствительность к перегрузкам, связанную с его жесткой механической характеристикой M = f (п) (рт 4.1), определяющей зависимость крутящего момента от числа обооотов. На рис. 4.1 линией ABC показана механическая характерис-тика при статических режимах нагружения. Из характерисеики видно, что при работе дизеля на регуляторной ветви АВ наблюда­ется линейная зависимость М — f (n), а при работе на безрегуля-торной ветви BC изменение M = f (n) носит параболический харак­тер. Коэффициент приспособляемости (перегрузки) дизелей для этого типа Mmax/MHOM невелик и лежит обычно в пределах 1,05 — 1,15. Соотношение частоты вращения, характеризующей основные точки рабочей ветви характеристики дизелей, в среднем составляет п_ном/п_х = 0,9 и nmax/nном = 0,65. Штриховая линия CDO на рис. 4.1 дает примерную картину характеристики M = f (n), когда двигатель останавливается при перегрузке свыше Mmax. Значения M₀ и п₀ в большей степени зависят от теплового и общего состояния дизеля и могут колебаться в широких пределах. Ориен­тировочно они могут определяться как m_o/m_ном = 0,2—0,3 и n0/nном = 0,2—0,25.

Действительная механическая характеристика дизелей при работе в динамических условиях нагружения может существенно отличаться от характеристики ABC, полученной при статических нагрузках. Такая характеристика регуляторной ветви при резком увеличении и уменьшении внешних нагрузок имеет вид петли AEBFA. Площадь этой петли увеличивается с повышением интен­сивности изменения внешней нагрузки. В случае стопорения двига­теля при перегрузках его динамическая характеристика будет примерно описываться кривой AECDO или в первом приближении в функции времени стопорения M = f (t_CT) может быть представ­лена полуволной синусоиды.

К общим недостаткам ДВС следует отнести большие инерцион­ные массы маховика, которые при отсутствии муфты предельного момента в трансмиссии или гидротрансформатора могут приводить к большим динамическим нагрузкам при стопорениях рабочих органов (см. гл. 6).

Электродвигатели в приводе машин можно применять как пере­менного тока, работающие непосредственно от внешней сети 380— 220 В или через трансформатор, так и постоянного тока, питаю­щиеся от специальных генераторов постоянного тока или с помощью тиристорных преобразователей.

На рис. 4.2 представлены механические характеристики для асинхронных электродвигателей: кривая 1 — статическая харак-

Рис*. 4 1. Механическая характеристи­ка дизелей

Рис. 4 2 Механические характеристики асинхронных электродвигателей пере­менного тока

теристика, отвечающая короткозамкнутым двигателям и двигате­лям с фазным ротором без дополнительных сопротивлений в цепи ротора; кривые 2—7 — возможное семейство характеристик, полу­чаемых при введении в цепь ротора дополнительных сопротивле­ний. Перегрузочная способность М_Шах/Мном У электродвигателей, применяемых в этих машинах, лежит в пределах 2,0—3,0. Относи­тельное значение стопорного момента mq/mhom = 0,9—1,6.

Учитывая, что минимальное время стопорения приводов у боль­шинства машин лежит в пределах долей секунд, а частота питаю­щего тока в электроприводах на переменном токе 50 Гц, то, как правило, механические характеристики электродвигателей пере­менного тока в процессе стопорения механизмов привода мало отличаются от статических. В первом приближении закон измене­ния момента в функции времени стопорения М = f(i_c-i) для них может быть принят по полуволне синусоиды.

На рис. 4.3, α представлен ряд возможных пусковых и тормоз­ных характеристик асинхронных электродвигателей, используемых в приводе механизмов машин, которые имеют сравнительно неболь­шие моменты инерции в сравнении с инерцией двигателя (меха­низмы подъема, тяги, напора, перемещения экскаваторов и т. п.), а на рис. 4.3, б также для механизмов привода рабочего оборудо­вания, обладающих большой инерцией (механизмы поворота экскаваторов и т. п.).

В характеристиках, приведенных на рис. 4.3, а, видно, что в процессе разгона крутящий момент с помощью пускового реостата может изменяться, например, по ломаной линии 0—1—2—3—4—5—

6—7—8, выходя на участке 7—8 на естественную характеристику. Здесь М'р, М''р и Мр обозначают максимальный, минимальный и средний моменты электродвигателя при разгоне, a M_cp — средний момент сопротивлений. Следует отметить, что вследствие большой жесткости естественной характеристики часто в качестве рабочих используют поомежуточные характеристики (5—6, 3—4), получае­мые введением в цепь ротора постоянного сопротивления. В при­воде также применяют реле максимального тока, обеспечивающие автоматический перевод электродвигателя на работу по промежу­точной характеристике при перегрузках,

Тормозить механизм можно изменяя скорости до нуля по линии 8—20—21 путем включения в цепь ротора дополнительного сопро­тивления или противовключением электродвигателя при изменении момента по линии 13—14—19—15, или выключая электродвига­тель (линия 13—12—0) и включая механический стопорный тормоз.

На рис. 4.3, б Мр mах и M_T max обозначены максимальные моменты электродвигателя при разгоне и торможении механизмов. Разгон электродвигателя происходит здесь по линии 0—/—2—3— 4—5—6 с выходом на рабочую характеристику на участке 5—6, которая получается введением в цепь ротора постоянного сопро­тивления. Торможение противовключением осуществляется по линии 7—8—9—10—11—12—13 с выходом на рабочую характе­ристику на участке 12—13, где момент двигателя обычно превы­шает его момент при разгоне. Для обеспечения характеристик торможения, не отличающихся от характеристик разгона, приме­няют электродинамическое торможение двигателя путем переклю­чения питания обмоток статора двигателя на питание постоянным током.

Рис 4 3. Пусковые и тормозные характеристики асинхронных электродвигателей в приводе машин

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором наиболее просты, надежны и удобны в управлении. Однако в процессе

работы они имеют большой пусковой ток и не имеют достаточных возможностей регулирования скоростей в зависимости от нагрузки. Поэтому их применяют обычно в приводах вспомогательных меха­низмов, а также в приводах малой мощности.

К общим недостаткам приводов с электродвигателями на пере­менном токе следует отнести значительные трудности обеспечения плавного нарастания крутящего момента при разгоне и торможе­нии механизмов.

Электродвигатели постоянного тока обеспечивают необходимые плавность пуска и торможения механизмов и жесткость характе­ристики. Обычно их используют в приводе экскаваторов средней и большой мощности, а также в приводе мотор-колес мощных землеройно-транспортных машин. В экскаваторах средней мощно­сти наиболее часто применяют привод по системе трехобмоточный генератор—двигатель (ТГ — Д) с электромагнитными (Г — Д с МУ) усилителями.

В экскаваторах большой мощности применяют преимущест­венно приводы по системе генератор — двигатель с электромашин­ными усилителями (Г — Д с ЭМУ) и смешанные системы управле­ния.

Необходимая форма механической характеристики М = f (n) в приводе по системе ТГ — Д (рис. 4.4, а) достигается подбором ампер-витков трех обмоток возбуждения генератора: независимой, шунтовой и сериесной обмотки обратной связи.

Подбором ампер-витков обмотки возбуждения обеспечивается (рис. 4.4, б) изменение кривой намагничивания генератора U = = f (A W), предопределяющей его механическую характеристику М = f (п). Значительная мощность системы управления приводом, осуществляемая путем введения сопротивлений в цепь обмоток возбуждения при работе командоконтроллером, появление ползу­чих скоростей при нулевом положении командоконтроллера, обусловленных остаточным магнетизмом генератора, и нестабиль­ность механической характеристики, связанная с изменением тем­пературных режимов и электромагнитной инерцией обмоток управления, предопределили применение системы ТГ — Д в основном на карьерных экскаваторах средней мощности.

Следует отметить, что в приводе по системе ТГ — Д могут существенно различаться статическая и динамическая механиче­ские характеристики. При стопорении или интенсивном торможе­нии исполнительного механизма и рабочего органа максимальный момент электродвигателя может значительно (в 1.3—1,5 раза) превышать стопорный статический момент (при n = 0).

Механическая характеристика электродвигателя при этом будет располагаться между статической характеристикой / и предельной характеристикой 2. В режимах же разгона механизмов привода и рабочих органов (рис. 4.4. в) максимальный динамиче­ский момент, наоборот, может не достигать максимального абсо­лютного статического момента и в этих случаях механические

Рис. 4.4. Характеристики привода по системе ТГ—Д

характеристики будут лежать между кривыми 1 и 3. Отличие дина­мических характеристик от статических определяется электро­магнитной инерционностью обмоток возбуждения генератора и их самоиндукцией и взаимоиндукцией. ,

На рис. 4.4, в приведены кривые, характеризующие процессы изменения крутящего момента двигателя во времени М = f (t) применительно к разгону механизма поворота и механизмов подъема, напора, тяги и передвижения (рис. 4.4, г) одноковшовых экскаваторов. На этих рисунках через М_с обозначен момент от сил сопротивления на механизмы привода. Необходимая плавность нарастания крутяшего момента, определяемая временем t₀ (см. рис. 4.4, в) при разгонах и торможениях механизмов и влияющая на динамические нагрузки (см. гл. 6), в приводах по системе ТГ — Д достигается достаточно просто путем соответствующего выключения командоконтроллером (точки 1, 2 на рис. 4.4, в) пусковых сопротивлений в системе управления. Линия ОАВ на этом рисунке показывает возможное приближенное представле­ние характеристики электродвигателя привода M = f (t) на перво­начальном этапе.

Приводы машин для земляных работ по системе ГД с МУ, ГД с ЭМУ и смешанными системами управления обеспечивают наибо-

Рис. 4.5. Характеристики привода по системе Г—Д с ЭМУ и ГД с МУ

лее благоприятные механические характеристики для электро­двигателей (рис. 4.5, а). Механическая характеристика ЛВС может варьироваться в широких пределах в зависимости от назначения привода путем изменения углов наклона прямых А В и BC. Жест­кую ветвь характеоистики (BC) используют, например, в приводе поворота платформы для сокращения продолжительности этого движения, а мягкую ветвь (АВ) при M_B = (0,7—0,6) Mmax для привода напорных механизмов прямых лопат.

Время t₀ (рис. 4.5, б) плавного нарастания момента при разгоне регулируется достаточно просто в необходимых пределах.

К достоинствам приводов механизмов машин для земляных работ от электродвигателей следует отнести высокую готовность к работе в любых температурных условиях. Общим недостатком является большая удельная масса электродвигателей и аппаратов управления, которая достигает 10 кг/кВт при приводе на перемен­ном токе и 15—20 кг/кВт при приводе на постоянном токе.

Из числа комбинированных силовых установок наибольшее распространение, особенно в последние 35—40 лет, получили установки, состоящие из ДВС и гидронасосов для машин малой и средней мощности, требующих полной автономности, и из элек­тродвигателей и гидронасосов для машин средней мощности, не требующих полной автономности от источника питания. Широ­кому внедрению гидропривода способствовало создание достаточно долговечных малогабаритных гидронасосов и гидромоторов, рабо­тающих при давлениях до 45—50 МПа, удельная масса которых достигает 0,1—0,2 кг/кВт, при хорошем КПД, достигающем η = == 0,85—0,9.

В машинах для земляных работ для гидропривода применяют насосы объемного действия, которые по способу подачи (вытесне­ния) жидкости делят на шестеренные, поршневые, лопастные (пластинчатые) и винтовые. Наиболее широкое применение для основных силовых передач получили аксиально-поршневые и радиально-поршневые насосы. Для привода машин небольшой мощности и второстепенных механизмов также достаточно успешно

применяют нерегулируемые по объему шестеренные насосы, рабо­тающие обычно при давлениях до 15—20 МПа и мощностях до 30—40 кВт.

По количеству генерируемых потоков рабочей жидкости на­сосные силовые установки различают одно-, двух-, трех- и четы-рехпоточные. По типу объемного регулирования потоков насосы бывают нерегулируемые, ступенчато-регулируемые, с непрерыв­ным регулированием по различным законам. Первые, наиболее простые, применяют обычно в приводах небольшой мощности, с дроссельным регулированием скоростей и усилий, при котором имеют место значительные потери энергии в теплоту. Насосы с объемным регулированием, более сложные и дорогие, применяют для приводов более мощных и сложных машин и обеспечивают высокий КПД. Механические характеристики гидропривода с насо­сами постоянной подачи могут быть близкими к прямой АВ (рис. 4.5, а), отвечающей закону M = M_max = const. Наклон участка ВС к оси абсцисс может быть достаточно различным в широких пределах. Механическая характеристика M = f (n) насо­сов переменной подачи выражается его внешней характеристикой, определяющей изменения давления ρ в зависимости от изменения подачи Q насоса.

Гиперболический характер изменения М = f (n) при постоян­ной мощности насоса показан на рис. 4.6. Диапазон объемного регулирования скоростей у насосных установок обычно колеблется в пределах 1,5—3.

Компрессорные установки состоят из приводного ДВС или электродвигателя, компрессора и системы воздухоподготовки. Их применяют в основном для пневмопривода ручных бурильных машин, пневмомолотков для дробления твердых .и мерзлых пород, пневмопробойников и др., а также в системах управления маши­нами.

Установки могут быть стационарные, устанавливаемые на машинах, а также переносные, прицепные и самоходные. Приме­няемые компрессоры обычно обеспе­чивают давление до 0,8 МПа. По принципу действия их разделяют на поршневые, ротационные и вин­товые.

Поршневые компрессоры бывают одно- и многопоршневые с одно- и многоступенчатым сжатием.

Рис. 4 6. Механическая харак­теристика насоса переменной по­дачи при постоянной мощности

Компрессоры малой производи­тельности (до 1 м³/мин) изготовляют с одноступенчатым сжатием, при более высокой производительности с двухступенчатым сжатием, обеспе­чивающим больший (на 10—15%) КПД и большую долговечность. Ротацион-

Рис. 4.7. Схема компрессорной установки с системой воздухоподготовки

ные и винтовые компрессоры, как правило, имеют меньшие раз­меры и массу в сравнении с поршневыми, но более сложны в изготовлении. Передвижные компрессорные установки, исполь­зуемые для привода машин для земляных работ, как правило, выпускают производительностью до 10 м^э/мин при давлении до 0,8 МПа.

В компрессорных установках, как правило, имеется воздухо-подготовительная аппаратура (рис. 4.7), обеспечивающая очистку сжатого воздуха от посторонних примесей и стабильное давление на входе в пневмодвигатели. Атмосферный воздух вначале прохо­дит через фильтр-воздухонагнетатель 1, затем по всасывающему трубоприводу 2 поступает в компоессор 14. В нагретый в ком­прессоре сжатый воздух насосом 4 по трубопооводам 3 впрыски­вают охлажденное масло. Охлажденная масловоздушная смесь, пройдя через открытый обратный клапан 13, по нагнетательному трубопроводу 12 поступает в воздухосборник 5.

В воздухосборнике масловоздушная смесь проходит через маслоотделитель 11 и клапан 6, регулирующий минимальное давле­ние. После этого чистый воздух попадает в раздаточную колонку 9 с вентилями 8 для потребления сжатого воздуха и клапаном 7 для стравливания воздуха. Кроме этого, на воздухосборнике уста­новлен предохранительный клапан 10. Воздухосборники изготов­ляют и испытывают в соответствии с требованиями Правил Гос-гортехнадзора СССР по устройству и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

4.3. ТРАНСМИССИИ

Трансмиссии — это устройства, обеспечивающие пере­дачу движения от силовой установки к исполнительным механиз­мам и рабочим органам машины. Они позволяют изменять по вели-

чине и направлению скорости, крутящие моменты и усилия. По способу передачи энергии трансмиссии бывают механические, элек­трические, гидравлические, пневматические и комбинированные.

В машинах для земляных работ наиболее распространенными являются механические, гидравлические и комбинированные трансмиссии. Одним из основных показателей эффективности работы трансмиссий является их КПД и реализуемое передаточное отношение i при определенных их размерах, массе и надежности. К важным показателям трансмиссии относится степень прозрач­ности, под которой понимают ее способность передавать колебания внешней нагрузки силовой установке.

Механические трансмиссии включают в себя механические передачи, муфты, тормоза и другие элементы, обеспечивающие передачу движения. Наибольшее применение в трансмиссиях машин для земляных работ имеют зубчатые передачи, обеспечиваю­щие высокий КПД, передачу больших мощностей, необходимые передаточные отношения и необходимую надежность. В последние годы в приводе этих машин все большее распространение находят многопоточные планетарные зубчатые передачи, обеспечивающие меньшие размеры, массу и больший КПД по сравнению с обычными зубчатыми передачами с неподвижными осями колес.

Планетарные передачи находят широкое применение в коробках передач трансмиссий базовых тягачей, в колесных и гусеничных погрузчиках, скреперах, бульдозерах, дорожных катках, траншей­ных экскаваторах, а также в механизмах привода поворота, хода и лебедок одноковшовых экскаваторов и в других машинах.

В МИСИ им. Куйбышева, например, разработан ряд планетар­ных модулей для применения в приводе различных типов строи­тельных и дорожных машин, в том числе и в машинах для земля­ных работ.

В основу конструкции ряда положена однорядная планетарная передача типа 2К-Н (рис. 4.8). Центральное колесо 1 здесь вра­щает три сателлита 3, посаженные на подшипники 5, которые закреплены на осях 4 в водиле 2. Сателлиты обкатываются вокруг центрального эпициклического колеса 6.

Предложенный ряд модулей из шести типоразмеров, различаю­щихся радиусом расположения сателлитов r = 40, 50, 80, 90, 112 и 125 мм, позволяет охватить основную номенклатуру этих машин малой и средней мощности.

Для механизмов машин для земляных работ с большими пере­даточными отношениями (t > 100), например механизмы поворота экскаваторов непрерывного действия, механизмы привода гусе­ничных движителей, перспективны к применению также волновые зубчатые передачи, обеспечивающие возможность получения пере­даточного отношения в одной зубчатой паре для силовых передач до i = 400 и КПД до 0,85—0,9 [12].

Однако следует отметить, что планетарные и волновые зубча­тые передачи требуют более высокой точности при их изготовлении

в сравнении с обычны­ми рядными зубчатыми передачами.

Большое значение в механических трансмис­сиях имеют обычно фрикционные муфты, приводящие в движе­ние те или иные испол­нительные механизмы или служащие в каче­стве предохранительных устройств для снижения динамических нагрузок, встречающихся при сто-порении рабочих орга­нов.

Рис. 4.8. Модульная планетарная передача

Опыт исследования машин для земляных работ показывает, что наиболее приемлемыми фрикционными предохранительными муфтами могут являться дисковые и колодочные пневмокамерные муфты [7, 8], которые при правильном их проектировании способны наиболее стабильно ограничивать крутящий момент, а при использовании их в каче­стве приводных наряду с пневматическим управлением могут обе­спечивать необходимую плавность включения механизмов, устра­няющую динамические нагрузки.

Гидравлические трансмиссии. К гидравлическим относят гид­родинамические и гидрообъемные трансмиссии.

Гидродинамические трансмиссии включают в себя гидромуфты и гидротрансформаторы. В трансмиссиях машин для земляных работ наибольшее применение получили гидротрансформаторы. Характерной особенностью этих передач является отсутствие полной связи между ведущими и ведомыми частями передачи. Движение от ведущей к ведомой частям передается рабочей жидко­стью, воздействующей на лопасти рабочих колес. Поэтому гидро­динамические передачи служат в качестве предохранительных устройств от динамических нагрузок в приводах машин.

Гидромуфты (рис. 4.9, а) состоят только из двух колес — ведущего (насосного) 4 и ведомого (турбинного) 3. На валу гидро­муфты установлено уплотнение /, обеспечивающее герметизацию корпуса муфты 2 и вала.

Насосное колесо приводит во вращение жидкость, находящуюся в рабочей полости. Под воздействием центробежной силы она отбрасывается к периферии колеса и попадает на лопасти турбин­ного колеса, оказывая на них давление. Потеряв часть энергии на преодоление сопротивления вращению турбинного колеса,

жидкость по его лопасти течет к центру гидромуфты, где вновь переходит на насосное колесо, и цикл его движения повторяется. Относительная скорость W, складываясь с переносной скоростью и движения с насосным колесом, дает в сумме абсолютную скорость С схода жидкости с насосного колеса. Скорость C направлена под углом к лопасти турбинного колеса. Этот угол увеличивается с ростом разности угловых скоростей колес и, следовательно, повышается крутящий момент, передаваемый гидромуфтой. Крутящий момент (Н*м) на ведомом валу

М = λρD⁵ω₁², (4.1)

где λ — коэффициент, характеризующий крутящий момент; ρ — плотность жидкости, кг/м³; D — максимальный диаметр рабочей полости колес, м; ω₁ — угловая скорость насосного колеса, рад/с.

Для наиболее распространенных конструкций гидромуфт номи­нальный коэффициент λ_ΗΟΜ = (2,0—3,2) 10^-3. Он соответствует номинальному скольжению колес муфты S_НОМ = (ω₁ — ω₂)/ω₁ = = 0,04—0,06 и соответственно номинальному КПД муфты η_ΗΟΜ = = 0,96—0,94.

При использовании в приводе гидромуфт ДВС можно пускать без отключения трансмиссии, так как вначале крутящий момент, передаваемый гидромуфтой и зависящий от квадрата угловой ско­рости насосного колеса, мал.

Гидротрансформаторы (рис. 4.9, б) в отличие от гидромуфты имеют не менее трех лопастных колес: насосное 3. турбинное 4 и реактор 2.

Рис. 4.9. Схема гидромеханических передач:

о — гидромуфты, б — гидротрансформатора

В обычном гидротрансформаторе реактор неподвижен, в уни­версальном реактор установлен на обгонной муфте /. При малых нагрузках реактор вращается свободно под действием потока жидкости и не воспринимает крутящий момент. В этом случае

Рис. 4.10. Механические характеристи­ ки гидротрансформатора: M_1H и M_2Н — характеристики непрозрач­ ного гидротрансформатора; M_lП и M_3П — механические характеристики прозрачного универсального гидротрансформатора;

η_Н.У и η_у — КПД неуниверсального и универсального гидротрансформаторов

гидротрансформатор работает как гидромуфта, т. е. с умень­шением нагрузки увеличива­ется КПД.

Крутящие моменты на насос­ном M₁ и турбинном M₂ колесах

гидротрансформатора с помощью соответствующих коэффициентов

λ₁ и λ₂ определяются аналогично гидромуфте:

M₁ = λ₁ρ⁵ω₁²; (4.2)

M₂ = Κλ₁ρ⁵ω₁², (4.3)

где К — коэффициенты трансформации, K = M₂/M₁.

На рис. 4.10 приведены основные характеристики гидротранс­форматоров. При больших нагрузках на выходном валу (К > 1) гидротрансформатор работает в режиме редуктора, автоматически бесступенчато уменьшая частоту вращения выходного вала. Мягкая выходная механическая характеристика гидротрансформаторов M₂ = f (n) способствует широкому применению трансмиссии с гид­ротрансформаторами в землеройных, землеройно-транспортных машинах, погрузчиках и в колесных грунтоуплотняющих катках, т. е. там, где с ростом нагрузок на рабочих органах или движителях целесообразно автоматическое уменьшение рабочих скоростей, обеспечивающих большую чувствительность в управлении маши­ной и уменьшение стопорных динамических нагрузок, появляю­щихся при встрече рабочего органа или движителя с препятствием.

Гидрообъемные трансмиссии более совершенны по сравнению с гидромеханическими трансмиссиями, выполняемыми на базе гидромуфт и гидротрансформаторов. В состав гидрообъемных трансмиссий, кроме гидронасосов, создающих один или несколько потоков рабочей жидкости и имеющих устройства для их объемного регулирования, входят также: гидродвигатели (гидромоторы и гидроцилиндры), приводящие в движение рабочие органы и движи­тели и обеспечивающие трансформацию гидравлической энергии в механическую; устройства коммутации потоков гидравлической энергии (гидрораспределители и гидроклапаны); соединительные линии — проводники гидравлической энергии (трубопроводы, ру­кава высокого давления, коллекторы); вспомогательные устрой­ства гидропривода неосновных рабочих механизмов (выносных опор и т. п.), кондиционирования рабочей жидкости (фильтры,

кондиционеры, бак), подпитки насосов и гидродвигателей, гидро­аккумуляторы.

В конструкциях машин для земляных работ чаще всего приме­няют гидромашины шестеренного, аксиально- и радиально-порш-невого типов, которые используют в одном случае как насосы, а в другом как гидромоторы вращательного действия.

Применяемые гидроцилиндры могут быть выполнены как одно­стороннего, так и двустороннего действия. Используемые в гидро­объемных трансмиссиях машин типы коммутаций характеризуются в первую очередь возможностью объединения потоков от силовой насосной установки для питания гидродвигателей отдельных меха­низмов машины и типами питания (параллельным, последователь­ным, раздельным и их комбинациями) гидродвигателей в группе. Типы коммутаций могут отличаться также особенностями исполь­зования потоков от насосов и гидродвигателей отдельных механиз­мов при их работе с попутными нагрузками (насосное и безнасосное опускание рабочего оборудования, пассивное или рекуперативное торможение и т. п.).

Обычно коммутация гидравлической энергии в гидрообъемных трансмиссиях осуществляется в гидрораспределительных блоках.

К рабочей жидкости в гидроприводе предъявляются высокие требования. Она должна быть хорошо смазывающим материалом, не вызывать коррозии материалов, с которыми она контактирует, и обладать свойствами, которые не изменяются во время эксплуа­тации от температуры. Кроме того, рабочая жидкость не должна образовывать пены и содержать веществ, выпадающих в осадок, должна быть безопасной в пожарном отношении и нетоксичной. Наиболее полно этим требованиям отвечают масла, получаемые из низкозастывающих фракций нефти с соответствующими присад­ками: загущающими, антиокислительными, антипенными, про-тивоизносными, противокоррозионными.

В машинах для земляных работ, работающих при температуре окружающего воздуха 45 — (—45) °С, применяют в основном спе­циальные рабочие жидкости МГ-30 (ТУ 38-1-01-50—70) — в ка­честве летнего сорта для районов с умеренным климатом и всесезон-ного сорта для южных районов страны; ВМГЗ (ТУ 38-101479—74) — для всесезонной эксплуатации в районах с холодным климатом и в качестве зимнего сорта в районах с уме­ренным климатом.

Схемы объемного гидропривода машин для земляных работ зависят от типа машин, характера их рабочих процессов и требова­ний к технико-экономическим показателям. Гидропривод может быть выполнен так, что одновременно могут производиться два или несколько движений гидродвигателей при однопоточной насос­ной установке. В этом случае осуществляется параллельное или последовательное включение гидродвигателей. Однако более совре­менными с точки зрения КПД, обеспечения наибольшей произво­дительности и других технико-экономических показателей для

машин средней и большей мощности являются многонасосные (многопоточные) системы, в которых каждый насос питает один или группу гидродвигателей. При этом совмещение движений гидродвигателей, питаемых различными насосами, не вызывает затруднений.

Наиболее сложные схемы объемного гидропривода у машин для земляных работ имеют универсальные одноковшовые экскава­торы (см. п. 9.4).

4.4. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Система управления машин для земляных работ состоит обычно из пульта управления с расположенными на нем приборами, рукоятками, педалями, кнопками, системы передач в виде рычагов, тяг, золотников, трубопроводов, электропроводов и т. п., а также дополнительных устройств, позволяющих контролировать работу двигателей, механизмов привода, рабочего оборудования и др. Для удобства управления машиной и улучшения условий работы операторов пульты управления на всех мобильных строительных машинах размещены, как правило, в специальных кабинах.

Системы управления существенно влияют на производитель­ность машины и на утомляемость оператора. Поэтому к ним предъ­является ряд эргономических и других требований (см. п. 2.6). Системы управления должны обеспечивать надежное и быстрое приведение в действие рабочих органов, механизмов передвижения и др., плавность их включения и выключения, безопасность, лег­кость и удобство работы оператора. В системе управления для обеспечения управления машины необходимо предусматривать минимальное количество рукояток, педалей и кнопок управления. Положение органов управления машиной должно давать оператору представление о направлениях движения рабочих органов. Сис­тема управления должна обеспечивать простоту, надежность и минимальное количество регулировок.

Системы управления классифицируют по назначению, способу передачи энергии и степени автоматизации.

По назначению различают системы управления тормозами, муфтами, двигателями, положением рабочего органа, движителями и т. п.

По способу передачи энергии системы управления бывают механическими (рычажными) электрическими, гидравлическими, пневматическими и комбинированными.

По степени автоматизации системы управления бывают не­автоматизированными, полуавтоматическими и автоматическими.

Неавтоматизированные системы могут быть непосредственного действия или с усилителями (сервоприводом). В первом случае оператор управляет только рычагами и педалями. Во втором случае для воздействия на объект управления используют допол­нительные (электрический, гидравлический или пневматический)

Рис. 4.11. Система управления ленточным тормозом непосредственного действия

источники энергии. Роль оператора здесь сводится лишь к включе­нию и выключению элементов привода системы управления. В полуавтоматических системах автоматизированы отдельные элементы системы управления. В полностью автоматической сис­теме оператор лишь подает сигналы о начале или окончании рабо­ты, а также о настройке системы на определенную программу управления рабочим процессом машины.

Основными показателями качества работы системы управления являются усилия и ход рычагов и педалей управления и соответ­ственно усилия, развиваемые на исполнительном органе, скорость движения рабочего звена исполнительного органа, число и продол­жительность (ПВ%) включений в час, быстрота срабатывания и КПД.

Системы управления непосредственного действия на примере рычажно-механического и гидравлического управления тормозом показаны на рис. 4.11. В рычажно-механической системе управле­ния (рис. 4.11, а) усилие Ρ от ноги на педаль А увеличивается рычажной системой l₁ — l₆ и на конце ленты Б тормоза превра­щается в усилие ρ₁.

Передаточное отношение рычажной системы управления

(4.4)

где S_П — ход педали A; h — ход конца ленты Б. Усилие на конце ленты

P₁ = Pi_yη, (4.5)

где η — КПД рычажной системы.

В рычажно-гидравлической системе управления (рис. 4.11,6) усилие Ρ от ноги на педали 6 управления через гидроцилиндр 5 по трубопроводу 4 передается в рабочий цилиндр 3, поршень

которого через рычаг 8 воздействует на сбегающий конец тормоз­ной ленты 1 и создает усилие p1. Пружины 2 и 7 служат для воз­врата системы управления в исходное положение после снятия ноги с педали управления. Передаточное отношение

i_y = i_Рi_Г, (4.6)

где i_p,i_Г — передаточные отношения рычажной и гидравлической систем;

i_Г, = d₂²/d₁², (4.7)

здесь d₁ и d₂ — соответственно диаметры цилиндров управления 5 и 3.

Схемы управления, приведенные на рис. 4.11, применяют обыч­но для машин небольшой мощности при сравнительно небольших количествах включений механизма в час. Усилие на педаль управления здесь не должно превышать 100—120 Н.

Мощность на управление не должна превышать средних (при длительной работе 50—60 Вт) физических возможностей машинис­та. В системе управления непосредственного действия положи­тельной является возможность плавного регулирования машинис­том процесса управления исполнительным механизмом.

В большинстве мобильных машин для облегчения труда маши­нистов применяют, как правило, системы управления с усилите­лями гидравлического, пневматического и электрического дей­ствия. Здесь часть мощности силовой установки машины исполь­зуется в системе управления для включения исполнительных рабочих органов рабочего оборудования и механизмов.

В качестве усилителей в гидросистемах управления целесооб­разно применять объемные гидропередачи (см. п. 4.3). Для пре­дотвращения пульсаций рабочей жидкости и поддержания ее давления на определенном уровне используют гидроаккумуля­торы. Давление в системах гидроуправления обычно лежит в пре­делах 5—16 МПа. Схемы систем управления в машинах с гидро­объемными трансмиссиями включаются непосредственно в схемы гидропривода.

Гидравлические системы управления обладают одним сущест-венным недостатком — быстрым (t₀ = 0,03—0,12 с) нарастанием давления рабочей жидкости в исполнительных органах и, как следствие, резким их включением и возникновением существенных динамических нагрузок в элементах конструкции (см. п. 6.2).

Для ликвидации этого недостатка проводятся значительные работы. Однако только в последнее время стали появ­ляться работоспособные устройства. Например, фирма Катерпиллер (США) в системе управления объемного гидропри­вода экскаваторов в последнее время применила специальный предохранительный клапан с устройством для плавного нарастания давления (рис. 4.12). Он представляет собой предохранительный клапан непрямого действия с автоматически плавным изменением

настройки от минимума до максимума. Для этого пружи­на 1 клапана-пилота может сжиматься с помощью плунже­ра 2, к которому через дрос­сель 3 подается жидкость под давлением по каналам 4 и 5 из задемпфированной полости 6 основного клапана. При интен­сивном нарастании давления в напорной линии клапана на­стройка изменяется от мини­мальной до максимальной до­статочно медленно, и поэтому уже при малых давлениях жид­кости клапан перепускает ра­бочую жидкость в сливную линию, задерживая рост дав­ления, срезая его отдельные пики и снимая забросы.

Рис. 4 12. Клапан плавного нараста­ния давления

Пневматические системы уп­равления также достаточно ши­роко применяют в машинах

для земляных работ. Давление в таких системах лежит обычно в пределах 0,7—0,8 МПа. Вследствие сжимаемости воздуха и установки дросселей нарастание давления в исполнительных орга­нах может легко регулироваться в необходимых оптимальных пределах (п. 6.2).

На рис. 4.13 приведена принципиальная схема пневматической системы управления, где компрессор 2 приводится в движение от двигателя 1. Воздух компрессором засасывается через воздухо­заборник 4 и фильтр 3 и через влагомаслоотделитель 6 нагнетается в аккумулирующую емкость — ресивер 7. При включении пнев­матических золотников управления 8 или 8' воздух поступает в пневмокамеру муфты или тормоза 9 или в пневмоцилиндр 14. В пневмокамерах тормозов в отличие от цилиндров функцию поршня выполняет резиновая диафрагма 12, соединенная со што­ком 10 и удерживаемая в нормальном положении пружиной 11. Быстрому возвращению диафрагмы и штока пневмокамеры в исходное положение при выключении, кроме пружины, способ­ствует клапан быстрого оттормаживания 13, выбрасывающий воздух в непосредственной близости от диафрагмы. Предохрани­тельный клапан 5 в системе настраивают на давление, превышаю­щее номинальное на 5—7%.

К недостаткам систем пневматического управления следует отнести необходимость тщательной очистки воздуха от механиче­ских примесей, масла и влаги. Несвоевременное удаление конденса­та из системы может приводить к ее замерзанию в холодное время.

Рис. 4.13. Принципиальная схема пневматического управления

В системах автоматизированного управления рабочими орга­нами, а также при рулевом управлении пневмоколесных машин находят применение следящие системы гидропривода. Следящей называют такую гидравлическую систему, которая имеет обратную связь, обеспечивающую усиление мощности.

В качестве примера на рис. 4.14 приведены схема и конструк­ция унифицированного гидроруля пневмоколесных машин для земляных работ, разработанная ВНИИстройдормашем. Гидроруль представляет собой рулевой механизм дозирующего типа с обрат­ной связью по объему рабочей жидкости и отсутствием механиче­ской связи с механизмом поворота машины. Основным параметром гидроруля является объем рабочей жидкости (подача), подаваемой за один оборот вала гидроруля. Для машин небольшой мощности гидроруль (рис. 4.14) выполнен в виде моноблочной конструкции по модульному принципу и состоит из трех модулей: распредели­тельного блока с золотником 2, рулевым валом 1 и винтовым дифференциальным устройством; планетарного редуктора 3 и дозатора-гидромотора 4. Золотник гидрораспределителя при пово- , роте вала гидроруля перемещается на равный ему угол.

Дозирующее устройство, выполненное в виде гидромотора обратной связи, подключаемого в соответствующую активную гидролинию исполнительного гидроцилиндра поворота колеса, позволяет следящей по объему рулевой системе контролировать объем рабочей жидкости, поступающей к исполнительному гидро­цилиндру. При этом обеспечивается пропорциональность дозируе­мого объема рабочей жидкости угловому перемещению вала гидро­руля. Такие гидрорули выполняют четырех типоразмеров с объе­мом подачи 125, 250, 500 и 1000 см³. Для машин большой мощности предусмотрен выпуск рулевых механизмов с объемом подачи 1500,

2000, 3000, 4000. 6000 и 8000 см³, состоящих из трех блоков — гидроруля, являющегося в данном случае блоком управления, усилителя потока и приоритетного клапана, связанных между собой, с источником питания, баком и исполнительными гидро­цилиндрами только гидролиниями.

Усилитель потока обеспечивает здесь пропорциональное увели­чение потока, поступающего от блока управления к исполнитель­ным гидроцилиндрам с коэффициентами усиления К_у = 6—12.

Приоритетный клапан обеспечивает совместное питание рабо­чего оборудования и рулевой системы от общего насоса с преиму-

Рис. 4.14. Схема (а) и конструкция (б) унифицированного гидроруля для пневмо­колесных машин:

н. с л, n — гидролинии напора, слива и поворота колес влево и вправо

щественным действием последней, а также ограничение давления в ней.

Эти гидрорули, имеющие небольшие размеры и массу, можно применять при скоростях движения машин до 60 км/ч. Они обес­печивают надежную работу на загрязненных рабочих жидкостях и имеют малую чувствительность к изменению вязкости и тем­пературы рабочей жидкости.

Одним из важных направлений повышения качества этих машин является автоматизация систем их управления, с помощью кото­рой можно не только повысить их производительность, но и в зна­чительной мере уменьшить применение ручного труда на всевоз­можных финишных операциях, а также существенно улучшить условия труда машинистов. В последние годы в этом направлении ведутся большие работы, направленные на автоматизацию управ­ления как отдельных машин, так и их комплексов, обеспечиваю­щих выполнение отдельных видов работ и строительство соору­жений.

Определенные достижения в этом направлении стали возмож­ными вследствие широкого применения гидропривода и электро­привода. Применяемые системы автоматизации управления в машинах для земляных работ можно разделить в основном на подсистему автоматизированного управления рабочими органами машин, подсистему автоматизированного управления работой сило­вой установки двигателей привода и трансмиссии и подсистему автоматизированной диагностики и контроля за работой отдельных агрегатов систем и узлов машины.

Автоматизация управления рабочими органами большинства машин (землеройно-транспортных машин, многоковшовых тран­шейных экскаваторов, одноковшовых экскаваторов с оборудова­нием для планировочных работ и т. п.), у которых основной задачей ставится планировка земляною сооружения с минимально допустимыми местными отклонениями от средней плоскости до ±5 см, выдерживание уклонов траншей или поверхностей насыпей и выемок до ±0,05, а при устройстве закрытого дренажа до ±0,0005 и др., в последнее время все более успешно осуществляется с по­мощью лазерных координаторов.

Принцип работы лазерных координаторов на примере обеспе­чения рабочим органом заданного уклона показан на рис.'4.15. Лазерный излучатель создает оптическую плоскость, относительно которой определяются высотные отметки точек поверхности участка, на котором работают машины. Лазерные системы управле­ния применяют для управления машин, работающих на расстоянии от лазерного излучателя обычно до 500 м.

Лазерные системы позволяют: автоматизировать управление группы машин по нескольким координатам с помощью одного излу­чателя; значительно снизить трудоемкость и повысить точность установки опорной линии или опорной плоскости; повысить устойчивость системы управления и за счет этого увеличить ско-

Риг 4 15. Схема управления рабочим органом землерой машины для выдер­живания уклонов и планировки:

1 — лазерный излучатель, 2 — луч, 3 — фотоприемник, 4 — блок усиления и выработки команд, 5 — электромагниты электрогидравлических золотников управления приводом рабочего органа

рость рабочего процесса. Широкое использование лазерных систем при автоматизации машин для земляных работ ограничивается в основном пока еще достаточно высокой их стоимостью.

Важными направлениями в усовершенствовании лазерных систем управления в машинах являются: оптимизация размещения фотоприемных устройств на рабочем оборудовании с учетом его конструкции, количества регулируемых координат и характера внешних возмущений; адаптации системы к изменению расстояния между управляемой машиной и излучателем; разработка систем управления группой машин по индивидуальным программам от одного излучателя; создание устройств пропорционального регу­лирования в системах электрогидравлического управления в комплексе с микропроцессорами.

Системы автоматизации управления силовыми установками привода этих машин в основном направлены на повышение КПД и коэффициента использования мощности установленных двигате­лей силовых установок и двигателей привода основных механиз­мов, что также способствует повышению производительности машин и снижению их энергоемкости. Решение этих задач в основ­ном осуществляется путем регулирования нагрузки и скорости Движения рабочих органов и двигателей машины для поддержания работы двигателей привода в оптимальных режимах, обеспечиваю­щих их максимальные КПД, номинальную мощность и минималь­ные амплитуду их колебаний.

К таким системам относятся автоматизированные системы гидро- или электроприводов машин, обеспечивающие поддержание оптимальных условий работы двигателей силовых установок неза­висимо от резко изменяющихся условий нагружения исполнитель­ных механизмов, а также рекуперацию энергии при торможении больших инерционных масс (поворот одноковшовых экскаваторов, опускание рабочего оборудования и т. п).

В последние годы для решения задач автоматизации, особенно для машин средней и большой мощности, все больше применяют микроэлектронику, микропроцессоры и бортовые ЭВМ. В системе автоматизированного управления машин для земляных работ, подсистема контроля за работой их отдельных агрегатов, систем и узлов должна обеспечивать проверку до 20—30 параметров, а у мощных машин и более. При использовании датчиков и стрелочных указателей обычного типа число контролируемых параметров ограничивается как площадью приборных панелей пульта управле­ния, так и психофизиологическими возможностями машиниста по считыванию и анализу показаний многих приборов. Поэтому традиционные системы контроля отображают уровень только части наиболее важных параметров.

Необходимость решения указанных проблем требует создания в кабинах машинистов бортовых контрольно-информационных систем (Б КИС) отображения информации также на базе микро­электроники. При этом в качестве основных направлений совер­шенствования БКИС можно отметить следующее: увеличение общего числа контролируемых параметров; введение автоматиче­ской светозвуковой сигнализации о достижении контролируемыми параметрами предельных состояний; минимизация потока инфор­мации одновременно представляемой оператору; применение мно­гофункциональных приборов с цифровой индексацией; создание специализированных приборов-советчиков, дающих машинисту необходимую информацию для оптимизации режимов работы машин.

Информация о предельных состояниях контролируемых узлов или систем в электронные устройства БКИС поступает обычно от аналоговых, контактных тензометрических и других датчиков (температуры, давления, уровня жидкости, засоренности филь­тров, положения элементов управления, скоростей, углов на­клона, нагрузок, напряжений и др.). Такие системы в зависимости от опасности возникающей неполадки или от размера отклонения параметра от нормы могут предусматривать двухуровневый кон­троль, когда машинист оповещается засвечиванием светофильтра определенного цвета и изменением громкости звука.

Контролируемые параметры часто разбивают на следующие три основные группы: предпускового контроля; эксплуатацион­ные, контролируемые постоянно во время работы; диагностиче­ские, облегчающие определение причин неполадок или указыва­ющие на необходимость технического обслуживания или ремонта машины.

К параметрам предпускового контроля обычно относят уровни масла в картере, топлива, рабочей и охлаждающей жидкостей, а также положение передач, муфт и тормозов трансмиссии.

В эксплуатационных параметрах различают аварийные и предупредительные. К аварийным относят, например, ми­нимальное давление масла в двигателях, максимальную

температуру охлаждающей и рабочей жидкости, максимальную частоту вращения вала двигателя, минимальный уровень жид­кости в системах управления муфтами и тормозами и в баке системы гидропривода, минимальное давление в тормозных ли­ниях, в ресивере рулевого управления, максимальный крен ма­шины относительно горизонта, максимальное напряжение бор­товой сети и др.

Выбор конкретных параметров и контролируемых значений при создании БКИС согласовывается обычно с потребителями. При этом следует учитывать требования и рекомендации между­народных стандартов ИСО 6011—78 и ИСО 6405—82.