Волков Строительные машины. Среднее профессиональное образование
 Скачать 5.2 Mb.
|
|
Глава 3. ПРИВОДЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН. СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 3.1. Общие понятия и определения Приводом называют энергосиловое устройство, приводящее в движение машину. Привод состоит из источника энергии (силовой установки), передаточного устройства (трансмиссии) и системы управления для приведения в действие механизмов машины, а также для их отключения. Силовой установкой называют комплект, состоящий из двигателя и обслуживающих его устройств. Например, в случае двигателя внутреннего сгорания — топливного бака, устройств для охлаждения, отвода выхлопных газов и т. п. Трансмиссии могут быть механическими, электрическими, гидравлическими, пневматическими и смешанными. Только в механических и смешанных трансмиссиях на их механических участках механическое движение передается без его преобразования в другие формы энергии. Во всех других случаях вращательное движение выходного вала двигателя силовой установки с помощью электрогенераторов, гидравлических или пневматических насосов преобразуется соответственно в электрическую энергию, энергию движения рабочей жидкости или энергию сжатого воздуха, которая поступает к электро-, гидро- или пневмодвигате- лям, повторно преобразующим ее в механическое движение. Все указанные двигатели входят в состав трансмиссий. Соответственно различают электрические, гидравлические и пневматические трансмиссии. Обычно свое наименование привод получает по типу двигателя силовой установки {от карбюраторного двигателя, дизельный), виду используемой энергии внешнего источника (электрический, пневматический) или типу трансмиссии (гидравлический, дизель- электрический и т.п.). Если на машине установлено нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов и все они приводятся в движение от одного двигателя, то привод называют одномоторным или групповым. Если же часть или все рабочие органы, или исполнительные механизмы приводятся от собственных двигателей, то привод называют многомоторным. При индивидуальном приводе исполнительных механизмов трансмиссионные двигатели могут питаться энер гией от одного генератора (насоса), индивидуально — каждый двигатель от своего генератора (индивидуальный привод) или по смешанной схеме. В случае использования индивидуального электрического привода каждый электродвигатель, приводящий в движение соответствующий рабочий орган или исполнительный механизм, может питаться непосредственно от электросети. В последнее время на машинах с несколькими рабочими органами или исполнительными механизмами используют преимущественно индивидуальный привод, обладающий более высоким коэффициентом полезного действия (КПД) по сравнению с групповым приводом, простотой и агрегатностью конструкции, лучшей приспособленностью к автоматизации управления, лучшими условиями эксплуатации и ремонта. При оценке эффективности приводов строительных машин предпочтение следует отдавать тем приводам, которые имеют меньшие габаритные размеры и массу, обладают высокой надежностью и готовностью к работе, высоким КПД, просты в управлении, более приспособлены к автоматизации управления, обеспечивают независимость рабочих движений и возможность их совмещения. Рассмотрим более подробно сущность понятия передачи движения рабочему органу машины в условиях преодоления им внешних сопротивлений. Основная составляющая этих сопротивлений определяется, прежде всего, свойствами преобразуемого материала и характером процесса преобразования. Например, при работе водоотливной насосной установки внешними сопротивлениями будут: сила тяжести поднимаемой воды и силы трения при ее передвижении по трубопроводам. В этом случае сопротивления практически неизменны во времени. При разработке грунта ковшом экскаватора, отвалом бульдозера и другими машинами сопротивления копанию нарастают от минимального до максимального значения, многократно повторяясь в процессе каждой операции копания. 33 В условиях постоянных или слабо изменяющихся во времени внешних сопротивлений привод работает в спокойном режиме практически с постоянной скоростью на его выходном звене. При изменяемых во времени внешних сопротивлениях, кроме внутренних сопротивлений, к ним добавляются динамические составляющие, обусловленные внешней (.механической) характеристикой привода — функциональной зависимостью между его силовым и скоростным факторами на выходном звене. Обычно эти факторы связаны между собой обратной зависимостью — чем больше внешнее сопротивление, тем меньше скорость движения выходного звена. Такая зависимость представлена на рис. 3.1 для случая вращательного движения выходного звена привода, где через Т, со и п обозначены соответственно вращающий момент, 2 Волков угловая скорость и частота вращения выходного звена. Если, например, на временном интервалеAt сопротивление возрастает от Тх до Т2, то, согласно внешней характеристике привода, угловая скорость снижается за то же время с Ш| до со2 — выходное звено вращается с замедлением. Согласно второму закону механики этому замедлению соответствует пропорциональный ему динамический момент противоположного внешнему сопротивлению направления. Складываясь с внешним сопротивлением, динамический момент уменьшает его значение. Природа этого явления заключается в том, что движущаяся система при снижении скорости расходует накопленную в ней энергию на преодоление возрастающих внешних сопротивлений. С уменьшением внешних сопротивлений скорость а> возрастает, ускорение положительно, а поэтому динамический момент также положителен, т. е. с возрастанием скорости энергия привода расходуется на преодоление внешних сопротивлений и на накопление энергии в движущейся системе. Таким образом, привод как бы выравнивает приведенное к его выходному звену сопротивление с одновременным снижением скорости при возрастании внешнего сопротивления и ее увеличением при снижении последнего. Такая приспособленность привода к условиям его нагру- жения будет тем больше, чем больше момент инерции вращающихся масс привода и чем меньше первая производная/=dT/do), называемая жесткостью механической характеристики привода. Характеристики с высокими значениями этой величины называют жесткими, а с низкими значениями — мягкими. Степень жесткости механической характеристики определяется, прежде всего, типом двигателя. Жесткость/может быть понижена за счет включения в состав привода дополнительных устройств, в частности — гидротрансформатора (см. гл. 5).  Рис. 3.1. График внешней (механической) характеристики привода Для характеристики режимов работы привода отдельных механизмов и машин в целом пользуются отношениями максимальных значений усилий (вращающих моментов) Р^ (7^) и скоростей vmax (gw) на выходном звене привода к их средним значениям соответственно Рср (Гср) и fcp («ьр), продолжительностью включений (ПВ) в процентах от общего времени работы машины и количеством включений KB в час. В зависимости от степени изменения этих параметров, которые колеблются в пределах Ттзх/Тср = 1,1... 3,0 (для вращательного движения), ПВ = 15... 100 %, KB = 10...600, режимы нагру- жения многих машин и их механизмов условно подразделяют на легкий, средний, тяжелый и весьма тяжелый. Для некоторых машин, например строительных кранов, для определения режимов работы используют также другие дополнительные факторы. Важной характеристикой привода, определяющей его способность преодолевать сопротивления, значительно превышающие их средние значения, является коэффициент перегрузочной способности — отношение максимального момента Ттлх по механической характеристике привода к его номинальному значению ТИ. 3.2. Двигатели внутреннего сгорания Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) относятся к группе тепловых двигателей. В ДВС химическая энергия топлива, сгорающего в рабочих полостях цилиндров, преобразуется в механическую энергию. История создания ДВС восходит к середине XIX в., когда в 1860 г. французским механиком Э. Ленуаром был сконструирован первый практически пригодный газовый ДВС. В 1876 г. немецкий изобретатель Н.От- то построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель. Первый бензиновый карбюраторный двигатель был построен в России О. С. Костовичем в 80-х гг. XIX в., а первый дизельный двигатель — немецким инженером Р.Дизелем в 1897 г., впоследствии (1898—1899 гг.) усовершенствованный на заводе Л. Нобеля в Петербурге. С этого времени дизельный двигатель становится наиболее экономичным ДВС. В 1901 г. в США был разработан первый трактор с ДВС. В то же время братьями О. и У. Райт был построен первый самолет с ДВС, начавший свои полеты в 1903 г. В том же году русские инженеры установили ДВС на судне «Вандал», создав первый теплоход. Первый поездной тепловоз был создан в 1924 г. в Ленинграде по проекту Я.М. Гаккеля. В ДВС все процессы сгорания топлива, выделения теплоты и превращения ее в механическую энергию происходят в рабочих цилиндрах 5 (рис. 3.2 и 3.3) при перемещениях в них поршней 4, приводящих во вращение коленчатый вал 1 через шатуны 2 во время рабочего хода и приводимых в движение коленчатым валом на всех других этапах рабочего цикла. В приводах строительных машин применяют многоцилиндровые карбюраторные и дизельные (дизели,) двигатели с четырьмя (рис. 3.4), шестью, восемью или двенадцатью цилиндрами, работающими на жидком топливе — бензине (карбюраторные двигатели) или дизельном топливе (дизели). ДВС является сложным механическим устройством, состоящим из корпуса, кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения, систем смазки, охлаждения, питания, зажигания (для карбюраторных двигателей), пуска, впуска и выпуска. Рабочим циклом или рабочим процессом ДВС называют последовательность периодически повторяющихся процессов (впуск, сжатие и сгорание топлива, расширение образовавшихся при сго-   а б в г Рис. 3.2. Схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя рании газов и их выпуск). Часть рабочего цикла, совершаемого за ход поршня в одном направлении, называют тактом. В приводах строительных машин, кроме малых машин, применяют обычно четырехтактные двигатели, у которых рабочий цикл совершается за четыре такта или за два оборота коленчатого вала. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя представлен схемой (см. рис. 3.2). В течение первого такта (см. рис. 3.2, а) приводимый коленчатым валом 1 через шатун 2 поршень 4 перемещается вниз, всасывая в рабочую полость цилиндра 5 через открытый впускной клапан 6 топливо-воздушную смесь из паров бензина и воздуха, поступающую из карбюратора — специального устройства для ее приготовления. На втором такте (см. рис. 3.2, б) поршень, также приводимый коленчатым валом, перемещается снизу вверх, сжимая находящуюся в цилиндре рабочую смесь при закрытых впускном б и выпускном 8 клапанах. Вследствие сжатия рабочей смеси ее давление и температура повышаются, чем создаются хорошие условия для ее сгорания. В конце такта смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 7. Образовавшиеся в результате сгорания рабочей смеси газы, увеличиваясь в объеме, создают повышенное давление в рабочей камере, воздействуя на поршень, который вследствие этого совершает рабочий ход — движение вниз (третий такт, см. рис. 3.2, в), передавая усилие через палец 3 и шатун 2 коленчатому валу, заставляя его вращаться и через соединенную с ним трансмиссию, приводить в движение рабочий орган или исполнительные механизмы. На четвертом, заключительном такте (см. рис 3.2, г) поршень перемещается коленчатым валом вверх, выталкивая отработавшие газы из рабочей полости цилиндра через открытый выпускной клапан 8 в атмосферу. У дизеля топливо-воздушная смесь образуется непосредственно в рабочей полости цилиндра из впрыскиваемого через форсунку 7 (см. рис. 3.3) распыленного дизельного топлива и всасываемого из атмосферы через клапан 6 воздуха. Порядок движений поршня и клапанов на всех четырех тактах рабочего цикла такой же, как и у карбюраторного двигателя. Воздух поступает в рабочую полость через открытый клапан 6 в течение первого такта. Топливо впрыскивается топливным насосом через форсунку 7 в конце второго такта — сжатия при закрытых клапанах 6 и 8. Смешиваясь с воздухом, при дальнейшем сжатии топливо прогревается, частично испаряется и самовоспламеняется. В дальнейшем работа дизеля аналогична работе карбюраторного двигателя. При установке на коленчатом валу нескольких цилиндров (см. рис. 3.4) в один и тот же момент времени все они находятся на разных стадиях (тактах) рабочего цикла. Так, например, если в первом цилиндре четырехцилиндрового двигателя (см. рис. 3.4, а) происходит рабочий ход, то в четвертом цилиндре при таком же положении поршня — впуск рабочей смеси (для карбюраторных двигателей) или всасывание воздуха (для дизелей), второй цилиндр работает на сжатие рабочей смеси, а третий — на выпуск отработавших газов. Таким образом, рабочий ход осуществляется последовательно цилиндрами 1, 3,2 и 4. При этом за счет энергии рабочего хода одного цилиндра преодолеваются как внешние сопротивления, так и сопротивления перемещениям поршней других цилиндров, находящихся в других стадиях рабочего цикла двигателя. Чем больше цилиндров установлено на двигателе, тем более равномерно вращение коленчатого вала. С той же целью на колен-  а б в г Рис. 3.3. Схема работы четырехтактного дизеля в Рис. 3.4. Схемы четырехтактных двигателей: а — четырехцилиндровый; б — шести цилиндровый; в — восьмицилиндровый чатом валу устанавливают маховик, накапливающий энергию на интервалах ускоренного вращения коленчатого вала и отдающий ее в движущуюся механическую систему при замедлениях. Как следует их описанных рабочих процессов ДВС, теплота сгорающего в рабочей полости топлива преобразуется в механи- ческое движение только на третьем такте, которому должны предшествовать такты впуска и сжатия. Это означает, что для начала работы ДВС его коленчатый вал следует привести во вращение внешней силой. Запустить карбюраторный двигатель небольшой мощности можно от руки вращением коленчатого вала рукояткой, палец которого сцепляется с храповиком на переднем конце вала. Более мощные ДВС запускают установленным на машине электродвигателем постоянного тока, называемым стартером и питаемым от аккумуляторной батареи. Дизели средней и большой мощности запускают с помощью вспомогательного карбюраторного двигателя, обычно одноцилиндрового двухтактного, установленного на основном дизеле и запускаемого в свою очередь стартером. Рабочий процесс двухтактного двигателя отличается от работы четырехтактного тем, что у него горючая смесь поступает в рабочую камеру в начале хода сжатия, а отработавшие газы удаляются в конце рабочего хода продувкой потоком горючей смеси. Пуск ДВС при низкой температуре окружающего воздуха затруднен из-за повышенной вязкости смазочного масла, повышенного сопротивления при проворачивании коленчатого вала, а также из-за низкой температуры горючей смеси или воздуха в конце сжатия. Для облегчения и ускорения пуска применяют пусковые подогреватели с целью нагрева охлаждающей жидкости и смазочного масла, устройства для облегчения воспламенения топлива или горючей смеси (электрофакельные подогреватели воздуха и электрические свечи накаливания) и устройства для облегчения проворачивания вала (декомпрессионные механизмы для открывания впускных, иногда выпускных клапанов и снижения тем самым давления воздуха в цилиндрах при вращении коленчатого вала). Основными показателями работы ДВС являются: мощность и крутящий момент на коленчатом валу, часовой и удельный расход топлива, характеризующие экономичность двигателя, эффективный КПД, характеризующий совершенство конструкции ДВС. Удельным расходом топлива называют отношение его часового расхода к мощности на коленчатом валу. Под эффективным КПД понимают отношение указанной выше мощности к затраченной теплоте использованного топлива. Дизели обладают более высоким эффективным КПД (0,35...0,45) по сравнению с карбюраторными двигателями (0,26...0,32), а также более низким удельным расходом топлива [190...240 г/(кВт-ч) при 280... 320 г/(кВт ч)] у карбюраторных двигателей. В выхлопных газах дизелей содержится меньше токсичных веществ. К недостаткам дизелей относятся: затруднения в запуске при низких температурах, высокая чувствительность к перегрузкам, а также большая масса. Зависимость крутящего момента Т на коленчатом валу ДВС от частоты вращения вала п называют механической характеристи кой двигателя (рис. 3.5). Из семейства скоростных ветвей 1, 2, J и т.д. первая, соответствующая максимальной подаче топлива в рабочие цилиндры двигателя, называется внешней, а все другие, при уменьшенной подаче топлива — промежуточными. Ре- гуляторной ветвью 4 с помощью специального устройства — регулятора отсекаются участки скоростных ветвей при больших частотах п. Основными параметрами механической характеристики дизеля (на внешней скоростной ветви) служат: номинальные момент Тн и частота вращения коленчатого вала пн, максимальный момент Ттах и соответствующая ему частота пт, а также частота холостого хода п0. Как и для привода в целом (см. под- разд. 3.1), отношениеkntp= Ттях/Тн называют коэффициентом перегрузочной способности. Для дизелей обычно кпер = 1,1... 1,15. Представленные на рис. 3.5 характеристики не учитывают влияния маховика. Из двух текущих параметров работы дизеля — момента на коленчатом валу Т и частоты его вращения п — первый однозначно определяется внешней нагрузкой, характер изменения которой во времениt зависит от многих факторов, прежде всего, от сопротивлений на рабочем органе. При спокойной внешней нагрузке (рис. 3.6, а) ее максимальное значениеTmax незначительно отличается от среднего значения Тср, что позволяет работать дизелю вблизи рабочей точки с номинальным моментом Тн, при частоте вращения, близкой к пК. При этом полезно используемая мощность будет наибольшей. В случае значительного превышения внешних сопротивлений над средним (рис. 3.6, б) во избежание остановки двигателя, рабочую точку на механической характеристике дизеля (см. рис. 3.5), соответствующую Тср, приходится выбирать ниже номинальной, жертвуя при этом эффективным КПД. Текущая рабочая точка по моменту будет все время менять свое положение на регуляторной ветви, соответственно характеру на- гружения (см. рис. 3.6, б). При этом также будет изменяться частота вращения коленчатого вала в диапазонеnH< п < п0, который для дизелей составляет примерно 0,1 пн. По этому показателю регуляторную ветвь механической характеристики дизеля считают жесткой, следствием чего использование мощности двигателя при внешних нагрузках типа представленной на рис. 3.6, б, является неэффективным.  Рис. 3.5. Типовые механические характеристики дизеля Влияние изменения внешней нагрузки во времени на характер работы двигателя будет тем большим, чем жестче характеристика трансмиссии, являющейся промежуточным звеном между двигателем и рабочим органом. Трансмиссия с податливыми звеньями как бы является фильтром колебаний внешней нагрузки при ее реактивном воздействии на двигатель — приведенная к коленчатому валу двигателя внешняя нагрузка оказывается сглаженной по сравнению с таковой на рабочем органе или исполнительном механизме. Степень такой фильтрации определяют понятием прозрачности трансмиссии. Весьма жесткую трансмиссию называют прозрачной, т. е. такой, которая пропускает через себя реактивную внешнюю нагрузку без изменений. Существуют устройства, называемые гидротрансформаторами и включаемые в трансмиссию по схеме последовательного соединения, момент на ведущем звене которых остается постоянным вне зависимости от момента на ведомом звене (от колебаний внешней нагрузки). Их называют непрозрачными, т.е. такими, которые не пропускают через себя колебания реактивной внешней нагрузки. Все другие податливые звенья и устройства, частично выравнивающие реактивную внешнюю нагрузку, называют полупрозрачными. 3.3. Электрические двигатели В приводах строительных машин применяют электродвигатели переменного и постоянного тока.  6 Рис. 3.6. Типовые графики внешней нагрузки, приведенные к валу двигателя: а — при спокойной внешней нагрузке; б — при значительном повышении внешней нагрузки Асинхронные электродвигатели переменного тока, короткозам- кнутые и с фазным ротором, называют также двигателями с контактными кольцами. Они обычно питаются от электросети напряжением 220 и 380 В с нормальной частотой 50 Гц. Эти двигатели конструктивно просты, дешевы, надежны и удобны в эксплуатации. Их недостатком является высокая чувствительность к колебаниям напряжения в питающей сети. Типовая механическая характеристика 3 асинхронного электродвигателя показана на рис. 3.7, где через Г и л, как и прежде, обозначены соответственно вращающий момент и частота вращения вала двигателя. Считается, что Двигатель работает на естественной механической характеристике, если он включен в сеть с напряжением и частотой, соответ ствующими указанным в его паспорте, а также если в его электрическую схему не включены дополнительные сопротивления. В противном случае получаем искусственную механическую характеристику. Рабочим является участок механической характеристики между точками с координатами (Т= 0; я = я0) и (Т= Тк\ п = ик). Момент Т = Т„ и частота вращения п = пн на этом участке являются номинальными, соответствующими наибольшему ресурсу двигателя. Перегрузочная способность асинхронных двигателей общего назначения определяется отношением максимального момента Тк к номинальному ТИ на естественной характеристике: кпер= ТК/Т„ составляет 1,7... 2,0 (для короткозамкнутых двигателей до 2,4), а для двигателей кранового типа — 2,3... 3,0. Частота вращения вала двигателя я на рабочем участке механической характеристики изменяется незначительно, в связи с чем естественную механическую характеристику асинхронного двигателя можно считать жесткой. Момент Тп при я = 0 называют пусковым. Его отношение к номинальному моменту Т„ для короткозамкнутых двигателей общего назначения составляет 1,0... 1,9, а для двигателей кранового типа 2,3...3,0. Для двигателей с фазным ротором это отношение составляет 0,5... 1,5, тогда как пусковой ток превышает номинальный в 5 —7 раз. Для уменьшения пускового тока этих двигателей в цепь обмотки ротора с помощью реостата включают дополнительные сопротивления. Каждому сопротивлению в цепи ротора соответствует своя искусственная механическая характеристика, называемая также реостатной.
Т Тк Тк Т\ TD о пк я» Рис. 3.7. Естественная (3) и пусковые (реостатные) (/ и 2) характеристики асинхронного электродвигателя л,я„ и„ Так, например, при включении в цепь ротора двух пусковых сопротивлений, которым соответствуют искусственные характеристики 7 и 2, момент при пуске будет изменяться от Т{ до Т2, которые называют моментами отсечки. После включения двигателя он будет работать на характеристике 1. При этом момент будет уменьшаться от ТА (не обязательно совпадающего с Т2) до Ти а частота вращения вала увеличиваться от нуля до яв. При достижении последнего сопротивление, соответствующее характеристике 1, автоматически отключается, вследствие чего момент увеличивается до значения Т=Т2 с переходом на реостатную характеристику 2. При этом двигатель разгоняется до частоты пс с одновременным уменьшением момента до Т= Ти а после отключения второго сопротивления переходит на естественную характеристику 3 в точке С' с координатами (Г2; пс). Пуск заканчивается по достижении точки на естественной характеристике с моментом, равным моменту внешних сопротивленийTD. Маршрут пуска показан на рис. 3.7 стрелками. Обязательным условием пуска является условие Т\ > TD. В противном случае уже на первом этапе (участок АВ) частота п = лв не будет достигнута, а, следовательно, первое сопротивление не будет отключено, и дальнейшая работа возможна только на искусственной характеристике 2. При необходимости указанное условие обеспечивается снижением моментаTD, в частности, путем отключения трансмиссии или исполнительного механизма от двигателя. Искусственные характеристики, обладающие меньшими жест- костями по сравнению с естественной характеристикой, могут быть также использованы в качестве рабочих характеристик, когда необходимо плавно изменять скорости рабочих движений. Ко- роткозамкнутые двигатели запускаются и работают только на естественной характеристике. В приводах грузоподъемных машин для плавной посадки грузов, например, на монтаже конструкций, а также для ускоренного опускания грузозахватных устройств, применяют двухскорост- ные асинхронные двигатели с соотношением скоростей 2:1; 8:3; 3:1; 10:3. Ручные машины с электрическим приводом подключают к электросети через преобразователи частоты с 50 на 400 Гц, что позволяет уменьшить их массу в 3,5 раза. Часто в приводах ручных машин используют однофазные коллекторные электродвигатели с высокой удельной мощностью на единицу массы и мягкой механической характеристикой. Коллекторные двигатели мало чувствительны к колебаниям напряжения в питающей сети, устойчиво работают в режиме частых пусков, могут включаться в сеть без преобразователей. К их недостаткам можно отнести: высокую стоимость и необходимость их обслуживания специалистами высокой квалификации. Электродвигатели постоянного тока обеспечивают большую плавность пуска и торможения механизмов по сравнению с двигателями переменного тока. На рис. 3.8, а представлены механические характеристики приводов, работающих по системе трех- обмоточный генератор — двигатель. Они применяются, в частности, на экскаваторах средней мощности. Форма характеристики может быть изменена соответствующим подбором ампер-витков трех обмоток генератора: независимой, шунтовой и сериес- ной. На рис. 3.8, # показана механическая характеристика привода постоянного тока по системе генератор — двигатель с электромашинными усилителями, применяемого на экскаваторах боль- т т шой мощности. Такие характеристики имеют участки малой и повышенной жесткости, что позволяет применять их как в приводах рабочих органов или исполнительных механизмов, требующих плавности изменения скоростей рабочих движений, так и при стабильной скорости, независящей от изменения внешней нагрузки. Контрольные вопросы
|
