Общие сведения об инженерных машинах

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРНЫХ МАШИНАХ КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН Классификация. В современном производстве используется большое число инженерных машин и механизмов, различающихся между собой по различным признакам, в том числе: по назначению, конструкции, принципу действия, размерам, рабочим параметрам и др. Основы классификации современных инженерных машин и специального навесного оборудования. По назначению, т.е. технологическому признаку, машины подразделяются на: - транспортные;для приготовления, транспортирования, транспортирующие; укладки и уплотнения бетонных и растворных - погрузочно-разгрузочные; смесей; - грузоподъемные; для уплотнения грунтов; - землеройные; для ремонта и содержания дорог; - для свайных работ; для отделочных работ; ручные машины. Каждая из этих групп машин делится на подгруппы, например, в составе машин для земляных работ можно выделить экскаваторы, бульдозеры, скреперы, грейдеры и др. В свою очередь, внутри подгрупп машин отдельные их типы различаются конструкцией узлов или машин в целом (экскаваторы одноковшовые и многоковшовые, причем первые могут быть с прямой и обратной лопатой, грейфером, драглайном, погрузчиком, а многоковшовые — роторными или цепными, с продольным или поперечным копанием и т.п.). Каждый тип машины имеет ряд типоразмеров (моделей или марок), близких по конструкции, но отличающихся по отдельным параметрам, например, по вместимости ковша, радиусу или глубине копания, размерам, массе, мощности, производительности. При изготовлении машин одного типоразмера широко используются стандартные детали, узлы и унифицированные сборочные единицы. По режиму работы, или принципу действия, различают - машины периодического (цикличного) и непрерывного действия. К первым относятся машины, выполняющие свою работу посредством периодического и многократного повторения одних и тех же рабочих и холостых операций с цикличной выдачей продукции. К ним относятся экскаваторы, бульдозеры, скреперы, монтажные краны и др. Машины непрерывного действия выполняют рабочие операции непрерывно (без холостых операций) и выдают или транспортируют продукцию непрерывным потоком, К ним относятся многоковшовые цепные и роторные экскаваторы, землесосные снаряды, бетононасосы, растворонасосы, конвейеры и др. Машины цикличного действия отличаются универсальностью и приспособленностью к работе в различных производственных условиях, а машины непрерывного действия — высокой производительностью. По степени подвижности машин они делятся на переносные, стационарные и передвижные, в том числе прицепные, полуприцепные и самоходные. По типу ходового устройства - машины на гусеничном, автомобильном, рельсовом ходу, шагающие и комбинированные. По виду силового оборудования машины бывают работающие от электрических и двигателей внутреннего сгорания. Электрические всегда готовы к работе, но для них требуются источники электроэнергии, двигатели внутреннего сгорания при наличии топлива (бензинового или дизельного) являются полностью автономными и не зависят от источников энергии, в чем их определенное преимущество. Многие машины имеют комбинированный привод с использованием гидравлических и пневматических двигателей. К таким относятся дизель-электрические, дизель-гидравлические или пневматические, электрогидравлические, электропневматические и др. По количеству двигателей машины бывают одномоторные, когда все механизмы работают от одного двигателя, и многомоторные, когда для каждого из них предусмотрен свой двигатель. По системам управления различают машины с механическим, гидравлическим, электрическим и комбинированным управлением посредством соответствующих устройств. По степени универсальности выпускаются машины универсальные, т.е. многоцелевого назначения, оснащенные различными видами съемного рабочего оборудования, и имеющие только один вид такого оборудования. К многоцелевым, например, относятся универсальные одноковшовые экскаваторы, имеющие различные виды съемных, рабочих органов (прямая лопата, обратная, драглайн, грейфер, кран и т.п.), а к одноцелевым — дробильные машины, бетоно - и растворонасосы. По степени автоматизации различают машины с механизированным управлением, с автоматизированным управлением, с автоматизированным управлением при помощи микропроцессоров и мини-ЭВМ. В последние годы появились строительные манипуляторы и работы, а также роботизированные машины и комплексы. С целью облегчения систематизации и выбора машин, на практике на все выпускаемые машины желательно иметь единую для всех отраслей систему индексации, в соответствии с которой каждой машине присваивается свой индекс или марка, включающие буквенные и цифровые обозначения. Буквенная часть индекса указывает на вид машин, а цифровая — на технические их характеристики. Например: НМТЗ-562335 Лекция 01 1 ЭО - экскаватор одноковшовый; СО - машина для отделочных работ; ЭТР - экскаватор траншейный роторный; ТЛ - лебедка; ЭТЦ - экскаватор траншейный цепной; ТМ - погрузчик многоковшовый; ДЗ - землеройно-транспортная машина; ТО - погрузчик одноковшовый; ДП - машина для подготовительных работ и ТП - подъемник; разработки мерзлых грунтов; ТК - конвейер, питатель; КС - кран стреловой; КО - машина для уборки и очистки городов; КБ - кран башенный; ИЭ - машина ручная электрическая; СП - оборудование для погружения свай; ИП - машина ручная пневматическая; БМ - машина бурильная; ИВ - вибратор и т. д. После цифровой части индекса, указывающей на техническую характеристику машины, могут быть также приведены дополнительные буквы, обозначающие вид ее специального исполнения, а также порядковую модернизацию машины и другие дополнительные сведения. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЗАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ СТРОИТЕЛЬСТВА Основные виды строительно-монтажных работ, их механизация и основные показатели оценки ее уровня В строительстве различают подготовительные, земляные, дорожные, транспортные, погрузочноразгрузочные, бетонные, свайные, отделочные, кровельные, санитарно-технические, электромонтажные и другие виды работ. В настоящее время строительные работы выполняются преимущественно с использованием машин, благодаря их высокой производительности по сравнению с работами, выполняемыми вручную. Это приводит к сокращению сроков строительства и снижению связанных с этим затрат. В то же время в строительстве имеются некоторые технологические процессы или отдельные операции, в которых еще сохранился ручной труд, в основном, из-за нецелесообразности их механизации. Производственные процессы, в которых заняты машины, называют механизированными, а их обеспеченность машинами — механизацией, по отношению к которой машины также называют средствами механизации. Различают полную и частичную механизацию. В первом случае все технологические операции процесса выполняются машинами, а во втором на отдельных операциях используется также ручной труд. В настоящее время для выполнения одних и тех же видов инженерных работ используются различные типы и модели машин. Например, в строительной практике при планировании организации работ приходится решать задачи оптимального выбора средств механизации для наиболее эффективного выполнения инженерных работ. Подобные задачи возникают также при комплектовании парков машин для выполнения инженерных работ более долгосрочного периода. В этих случаях ориентируются на показатели, наиболее существенными из которых являются: производительность труда на одного рабочего, численно равная отношению общего объема работ, выполненных в течение смены, к общему числу рабочих, занятых на этих работах; стоимость единицы продукции, равная сумме всех денежных затрат, связанных с ее производством; доля ручного труда, оцениваемая отношением объема или стоимости работ, выполненных вручную, к общему объему (стоимости) работ или отношением количества рабочих, занятых на ручных работах, к общему их числу. Эффективность механизации будет тем выше, чем больше первый показатель и ниже два других. Эти показатели также зависят от таких основных параметров машин как их масса, мощность приводного двигателя и др. Так, при выполнении монтажных работ машинами малой мощности производительность труда в 8—13 раз больше того же показателя при использовании ручного труда, а в случае применения машин большой мощности это отношение может возрасти в 50—100 раз. Отношение стоимостей 1 т смонтированных машинами и вручную конструкций составит 0,4... 0,6 в случае применения машин малой мощности и в 3—4 раза меньше этого отношения в случае Применения машин большой мощности. Из этого сравнения еще не следует однозначный вывод о более высокой эффективности машин большой мощности. Их целесообразно использовать на массовых инженерных работах, так как при ограниченных объемах этих работ, рассредоточенных по различным строительным объектам, и большой стоимости их перебазировок можно получить противоположный результат. Следует также весьма осторожно относиться к такому показателю как доля ручного труда, который в ряде случаев без связи с другими показателями не столько проясняет оценку уровня механизации, сколько усложняет ее. Рассмотрим это на примере механизации отрывки траншей с применением траншейного экскаватора производительностью 500 м 3/ч. Предположим, что доля ручного труда в этом процессе (очистка вручную траншеи от осыпавшегося грунта) составляет 0,5 %. Следовательно, уровень механизации в этом случае составит 99,5 %. На первый взгляд эта цифра свидетельствует о весьма высоком уровне механизации. Оценим теперь долю ручного труда по отношению числа рабочих, занятых ручным трудом, к общему их числу, предположив, что экскаватор обслуживается одним машинистом. При указанной выше доле ручного труда в 0,5 % ежечасно из траншеи будет вынуто примерно 2,5 м 3 грунта вручную. При средней выработке 0,5 м 3/ч на одного рабочего-ручника для выполнения этого объема работ потребуется 5 рабочих, что по отношению к общему числу рабочих 5+1=6 составит 5/6 • 100 % = 83,3 %. Другими словами, на каждого механизатора при указанном выше уровне механизации потребуется 5 рабочих, занятых ручным трудом. Производительность труда на одного рабочего составит (500 + 2,5) / 6 = 83,75 м3/ч. Даже незначительное (на 0,1 %) снижение доли ручного труда при прочих равных условиях НМТЗ-562335 Лекция 01 2 приведет к сокращению рабочих-ручников на одного человека и увеличению производительности труда до (500 + 2) / 5 = 100,4 м3, что почти на 20 % выше прежнего показателя. При переходе от ручного труда к машинному эффект достигается благодаря техническому перевооружению занятых в строительном процессе рабочих — замене примитивных ручных инструментов (лопат) машиной (экскаватором), соответствующей современному техническому уровню. Наиболее полно уровень механизации можно оценить стоимостью единицы продукций, комплексно учитывающей все издержки строительного производства. В случае использования в строительном процессе только одной машины этот показатель преобразуется в удельные приведенные затраты Zуд=Z/Пэ где Пэ — годовая эксплуатационная производительность машины; Z=C+EK — годовые приведенные затраты; С — текущие затраты, равные себестоимости годового объема продукции машины; Е— коэффициент эффективности капитальных вложений; К — единовременные капитальные вложения на создание или покупку машины. Коэффициент К зависит от срока службы машины и составляет от 0,1...0,15 для крупных машин до 0,4...0,5 для машин малой мощности. Если в строительном процессе занято несколько машин, то при расчете приведенных затрат под Z понимают их суммарные затраты. Более высокой эффективности применения машин (их высокой производительности, минимальному расходу энергии, эксплуатационных материалов и инструментов при их работе, минимальным затратам времени и других ресурсов на ремонт, техническое обслуживание и перебазирование машин, минимальному числу машинистов и другого обслуживающего персонала) соответствуют меньшие удельные затраты. В механизации строительства существует также понятие малой механизации с использованием ручных машин, механизмов, приспособлений и оснастки, упрощающих и облегчающих ручной труд и повышающих его производительность. Комплексная механизация Все виды инженерных работ делятся на технологические процессы, а эти, в свою очередь — на операции, выполняемые последовательно (цикличные процессы) или одновременно (непрерывные процессы). В случае разнообразных операций они выполняются различными машинами, увязанными между собой по производительности, и в совокупности образующими комплект. Примером может служить комплект машин, состоящий из экскаватора, разрабатывающего грунт в котловане, и нескольких самосвалов, занятых вывозкой разработанного грунта. Технологический процесс с использованием указанного комплекта, не утрачивая своей самостоятельности, может быть составной частью более сложного технологического процесса, включающего, например, разрыхление прочного грунта гидромолотом перед его экскаваторной разработкой. В этом случае указанный выше комплект машин вместе с гидромолотом образует комплекс. Для выполнения работ на одном месте могут быть использованы комбайны, число и разнообразие рабочих органов которых должно соответствовать числу и характеру выполняемых операций. Комбайн может быть представлен также комплектом машин, управляемых автоматически с единого пульта. Примером может служить комплекс машин для строительства автомобильных дорог, состоящий из профилировщика основания для образования дорожного корвута, конвейера-перегружателя для погрузки вынутого из корвута грунта в автосамосвалы, распределителя каменных материалов основания, катков для их уплотнения, бетоноукладчика для укладки на основание слоя бетона, арматурной тележки и погружателя в бетон арматурной сетки, машины для финишной операции, нарезчика и заливщика швов. Наиболее высокой формой механизации инженерных работ является комплексная механизация, при которой все основные и вспомогательные, тяжелые и трудоемкие операции и процессы выполняются комплексно с помощью машин, механизмов и оборудования, отвечающих передовому техническому уровню, взаимоувязанных по производительности, обеспечивающих заданный темп (сроки) всего процесса и наивысшие в данных условиях технико-экономические его показатели — наиболее высокую производительность труда при наименьшей стоимости работ. Комплексная механизация не исключает ручного труда, но только на нетрудоемких операциях при условии, что при этом общий темп работ не будет снижен и что механизация этих операций нецелесообразна как по экономическим соображениям, так и с целью облегчения труда. В составе комплексов различают ведущие, вспомогательные и резервные машины. Ведущие машины выполняют технологически взаимосвязанные операции строительного процесса, вспомогательные машины, способствуют выполнению ведущими машинами основных функций и повышению их производительности, резервные машины предназначены для обеспечения надежности функционирования комплекса. Например, при строительстве дорожных насыпей в комплекс машин обычно входят в качестве: - ведущих машин — одноковшовые экскаваторы, разрабатывающие грунт в карьерах, автомобилисамосвалы для доставки грунта из карьеров в насыпь, бульдозеры, автогрейдеры и самоходные или прицепные катки для разравнивания и уплотнения грунта в насыпи; - вспомогательных — бульдозеры, ковшовые погрузчики и автогрейдеры, занятые на содержании в исправности землевозных дорог, планировщики откосов и рыхлители на тракторах для рыхления прочных и мерзлых грунтов; - резервных — машины по номенклатуре ведущих машин (по одному экземпляру каждого вида). Ведущие машины в составе комплекса могут быть технологически соединены последовательно, параллельно и комбинированно (рис.1). При последовательном соединении простой одной машины вызывает простой всего комплекса; при параллельном — отдельные машины работают независимо одна от НМТЗ-562335 Лекция 01 3 другой, поэтому простой какой-либо машины вызывает только потерю темпа работ, но не простой комплекса. Рис.1. Схема соединения машин в комплексе: а — последовательное; б — параллельное; в - комбинированное; А—Д — ведущие машины комплекса Уровень комплексной механизации данного вида работ оценивают процентным отношением объема работ, выполненных комплексно-механизированным способом, к общему объему работ. Кроме вышеприведенных показателей механизации работ для сравнительной оценки эффективности комплексной механизации используют такие показатели как: механовооруженность труда — стоимость занятых в технологическом процессе машин, отнесенная к одному рабочему; энерговооруженность труда — количество энергии, потребляемой в процессе выполнения инженерных работ, приходящееся на один отработанный человеко-час или на одного рабочего. Производительность инженерной машины Производительность является важнейшей выходной характеристикой машины. Ее определяют количеством продукции, произведенной машиной в единицу времени. Различают расчетную (она же теоретическая или конструктивная), техническую и эксплуатационную производительность. Под расчетной (теоретической, конструктивной) производительностью ПР понимают производительность за 1 час непрерывной работы при расчетных скоростях рабочих движений, расчетных нагрузках на рабочем органе и расчетных условиях работы. Для машин цикличного действия с порционной выдачей продукции ПР =3600Q/tЦ где ПР — расчетная производительность, м/ч, м2/ч, м3/ч, т/ч, шт./ч и т.п.; Q — расчетное количество продукции в одной порции, м, м2, м3, т, шт. и т.п.; tЦ — расчетная продолжительность рабочего цикла, с. Для машин непрерывного действия ПР =3600FV где F — расчетное количество продукции на 1 метре длины ее потока, м/м, м2/м, м3/м, т/м, шт./м и т.п.; V — расчетная скорость потока, м/с. Расчетные скорости должны соответствовать максимальной мощности установленного на машине двигателя, расчетные нагрузки — нормальному режиму работы машины, а расчетные условия отражать наиболее характерные для данной машины условия работы. Теоретическую производительность рассчитывают на стадии разработки конструкторской документации на машину, используя для этого нормативные значения расчетных параметров и расчетных условий. Для определения производительности машины в конкретных производственных условиях вводят две новые категории этого показателя — техническую и эксплуатационную производительность. Под технической производительностью ПТ понимают максимально возможную в данных производственных условиях производительность при непрерывной работе машины. Эту категорию производительности применяют, в основном, для оценки максимальных технологических возможностей машин при комплектовании комплектов и комплексов. В случае отсутствия данных, отражающих условия работы на конкретном объекте используют выработанные практикой и зафиксированные в нормативных документах коэффициенты, устанавливающие зависимость между расчетной и технической производительностью для различных производственных условий: kТ = ПТ/ ПР. Под эксплуатационной производительностью П Э понимают фактическую производительность машины в данных производственных условиях с учетом ее простоев и неполного использования ее технологических возможностей. Эту категорию производительности определяют как частное от деления фактического объема произведенной продукции QΣ на продолжительность нахождения машины на рабочей площадке (чистого времени работы машины, сложенного с временем всех простоев) ТОБЩ (ч), в течение которого эта продукция производилась: ПЭ = QΣ / ТОБЩ. Эксплуатационную производительность обычно используют для взаиморасчетов заказчика с подрядчиками. Для анализа эффективности работы машины в конкретных производственных условиях пользуются коэффициентами использования машины во времени kВ и использования технологической возможности (или технической производительности) машины kП KВ = TМ/TОБЩ; kП = ПЭ/ПT-kВ = kТ kВ, где ТМ — продолжительность чистой работы машины (за вычетом простоев), ч. В качестве примера определим все перечисленные выше категории производительности и коэффициенты kТ, kВ и kП за смену для башенного крана грузоподъемностью 12 т при расчетной продолжительности рабочего цикла 60 с, если в течение смены (8 ч) он поднял грузы суммарной массой НМТЗ-562335 Лекция 01 4 800 т. Средняя продолжительность рабочего цикла в конкретных условиях составила 90 с, а суммарная продолжительность всех простоев — 3,5 ч. Башенный кран является машиной цикличного действия, поэтому его расчетную производительность определим по формуле: ПР= 3600·12/60 =720 т/ч. Техническая и эксплуатационная производительность соответственно: ПТ = 3600·12/90 = 480 т/ч; ПЭ= 800/8 = 100 т/ч. Коэффициенты можно определить следующим образом: kТ = 480 / 720 = 0,67 kВ = (8 - 3,5) / 8 = 0,56; kП = 100 / (480 • 0,56) = 0,37. Общие требования к машинам, машинным комплектам и структуре парков машин Общие требования к машинам, машинным комплектам и структуре парков машин вытекают из необходимости обеспечения высокой эффективности их использования в строительстве, т.е. получения наибольшей производительности при наименьших затратах. Важнейшими требованиями, предъявляемыми к машинам, являются требования обеспечения благоприятных условий работы машинистов и обслуживающего персонала. Эти требования определяют содержание социальной приспособленности машин, основой которой являются их эксплуатационные, эргономические, эстетические и экологические свойства. К эксплуатационным свойствам, способствующим предотвращению аварийных ситуаций, относят: динамические и тормозные качества; устойчивость против опрокидывания и заносов; обзорность; обеспеченность сигнализацией и приборами для предупреждения возможных критических ситуаций, а также для взаимодействия с другими участниками сооружения объекта; надежность элементов, разрушение которых может привести к аварии; обеспеченность автоматическими устройствами безопасности и блокировки. Эргономические свойства машины заключаются в соответствии ее конструкции гигиеническим условиям жизнедеятельности и работоспособности человека, его антропометрическим, физиологическим и психофизическим требованиям, нормированным действующими стандартами. Антропометрические требования предполагают положение тела машиниста в кабине, близком к состоянию функционального покоя при равномерном распределении его веса по площади опорных поверхностей. При этом повышается точность и скорость его моторных действий, обеспечивается возможность длительной непрерывной работы без значительного утомления. Физиологические требования сводятся к обеспечению оптимальных условий на рабочем месте машиниста (температуры, влажности, скорости обдува воздухом и его химического состава, уровней шума и вибрации). Этими требованиями обеспечивается необходимый уровень работоспособности и внимания машиниста, поддержание высокого уровня производительности машины. Согласно действующим стандартам температура в кабине машиниста должна находиться в пределах 16...25 ˚С, влажность — 40...60%, скорость воздуха — 0,2... 0,5 м/с, содержание СО не более 20 мг/м 3, а SiO2 — не более 10 мг/м3, предельный уровень шума на месте машиниста не должен превышать 85 дБ. Пути развития и повышения качества инженерных машин и оборудования Основной и первостепенной задачей, стоящей перед создателями и производителями инженерных машин и оборудования в нашей стране на ближайшие десятилетия, будет повышение их качества, и конкурентоспособности на мировом рынке. Следует ожидать, что дальнейшее развитие приводов будет идти по пути улучшения их качественных показателей с целью повышения КПД, долговечности и надежности, снижения материалоемкости, более полной автоматизации систем управления приводами и работой машин в целом за счет поиска и применения новых более прочных и износостойких материалов, новых технологий упрочнения деталей и особенно поверхностей трения, подверженных быстрому износу, а также новых технологий изготовления, обеспечивающих высокую точность изделий. Можно ожидать, что уже в ближайшие 15...20 лет долговечность применяемых в инженерных машинах двигателей внутреннего сгорания, гидронасосов, гидродвигателей и гидроаппаратуры может быть повышена в 1,7—2 раза, а их габаритные размеры и удельная материалоемкость снижены не менее чем на 30...40 %; на 20...25 % снизится также расход топлива. В качестве силовых установок для стационарных и малоподвижных инженерных машин и оборудования будут оставаться электродвигатели. Однако их электроприводы в целом претерпят серьезные качественные изменения в сторону уменьшения материалоемкости и увеличения долговечности, надежности и коэффициента полезного действия за счет широкого применения новых высококачественных изоляционных, проводниковых и других материалов, а также более высоких технологий их изготовления. Наибольшей эффективности в области совершенствования приводов инженерных машин и оборудования в текущем столетии можно ожидать от автоматизации систем их управления, которая будет развиваться в направлении разработки и внедрения более совершенных автоматизированных эргатических (человеко-операторных), жестких автоматических неадаптивных и адаптивных микропроцессорных систем управления. По-видимому, внедрение двух последних видов систем управления станет доминирующим. Функции машинистов инженерных машин будут постепенно сводиться к функциям операторов, подобных работе пилотов современных летательных аппаратов, диспетчеров тепловых и атомных энергетических установок. Это потребует подготовки новых кадров машинистовоператоров со среднетехническим и высшим образованием. Конкурентоспособность инженерных машин и оборудования в первую очередь будет обеспечиваться современными пультами управления, включающими дисплейные системы информации от большого числа контролируемых параметров, НМТЗ-562335 Лекция 01 5 обеспечивающих безопасную работу машин, диагностирование технического состояния их основных агрегатов и узлов, наработку, учет их производительности и др. Также основными направлениями повышения качества инженерных машин и оборудования будут оптимизация существующих конструкций и поиски новых решений их рабочего оборудования и рабочих органов, благодаря чему энергоемкость рабочих процессов может быть снижена на 40...50% с одновременным повышением долговечности рабочих органов не менее чем в 2—2,5 раза. В части несущих (рамных) конструкций, а также металлоконструкций рабочего оборудования инженерных машин следует ожидать уменьшения их массы за счет применения сталей с высоким пределом прочности, оптимизации и создания конструкций из равнопрочных элементов, внедрения автоматической сварки с дополнительной технологической обработкой. В качестве самоходных машин для изготовления на их базе инженерных машин (экскаваторов, кранов и др.) будут применяться специальные пневмоколесные шасси большой грузоподъемности с высокими транспортными скоростями. В качестве гусеничных движителей преимущественное распространение получат движители тракторного типа. Задачи по улучшению социальной приспособленности инженерных машин и оборудования станут одними из важнейших и окажут существенное влияние на конкурентоспособность инженерной техники. В русле стремительного развития средств автоматизации в ближайшие годы будут решаться задачи по созданию роботизированных комплексов машин как для выполнения определенных видов инженерных работ, так и для возведения зданий и сооружений в целом. Техническая эксплуатация Техническая эксплуатация инженерных машин — это комплекс мероприятий, обеспечивающих поддержание машин в работоспособном состоянии, включающих их приемку и ввод в эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт, хранение и учет по эксплуатации. Приемке подлежат машины новые, после ремонта или монтажа, а также машины, передаваемые одной организацией другой. При приемке проверяют наличие установленной документации — паспорта, технического описания и инструкции по эксплуатации, а для машин, находящихся под контролем органов Госгортехнадзора, кроме того, также документации, устанавливаемой этими органами; комплектность машины, инструмента и запасных частей; техническое состояние машины путем осмотра и испытаний на холостом ходу и под нагрузкой. Машины, на которые распространяются требования Госгортехнадзора, при приемке и сдаче в эксплуатацию подвергаются полному техническому освидетельствованию, включающему статические и динамические испытания. Новые и капитально отремонтированные машины перед сдачей в эксплуатацию подвергаются эксплуатационной обкатке в режимах, устанавливаемых предприятием-изготовителем. По завершении обкатки выполняют все крепежные и контрольно-регулировочные работы, устраняют замеченные неисправности, заменяют смазку и эксплуатационные жидкости. Для обеспечения работоспособного и исправного состояния инженерных машин в течение всего их срока службы в плановом порядке проводят комплекс организационно-технических мероприятий, составляющих систему планово-предупредительного технического обслуживания и ремонтов (ППР). Система называется плановой потому, что все ее мероприятия выполняются по разработанному плану, а предупредительной потому, что входящие в нее мероприятия носят профилактический характер, т.е. направлены на предупреждение износа оборудования и внезапных выходов его из строя. Основными документами системы ППР являются: техническая документация предприятий-изготовителей, обобщающие их рекомендации по техническому обслуживанию и ремонту и разработанные на их базе годовой план и месячные планы-графики технического обслуживания и ремонта машин. В составе мероприятий ППР различают техническое обслуживание, текущий ремонт и капитальный ремонт. Время работы от начала эксплуатации машины до первого капитального ремонта, измеренное в часах работы машины, называют межремонтным циклом, а число часов работы машины между одноименными техническими обслуживаниями или ремонтами — периодичностью технических обслуживании и ремонтов. Периодичность проведения технических обслуживании и ремонтов определяется наработкой машины, измеряемой в часах. Рекомендациями по организации технического обслуживания и ремонта инженерных машин установлены нормы периодичности и число технических обслуживаний и ремонтов, их средняя трудоемкость и продолжительность. Так, для одноковшовых экскаваторов 4-й размерной группы продолжительность межремонтного цикла составляет 12000 ч. За это время экскаваторы проходят 72 технических обслуживания и семь текущих ремонтов с определенной для каждого из них периодичностью. Наиболее эффективно техническое обслуживание (кроме ежесменного) и ремонты проводить силами специализированных служб или предприятий. Специализированные службы (ремонтно-эксплуатационные базы) имеют участки диагностирования и специализированные посты и участки для ремонта гидропневмоаппаратуры и наиболее ответственных узлов машин — двигателей, коробок передач, редукторов, мостов и т.п. Техническое обслуживание на рабочем месте машины проводят с помощью мобильных средств — передвижных станций технического обслуживания, оснащенных необходимым, в том числе диагностическим, оборудованием и специализированным по типам машин. Техническое обслуживание (ТО), проводимое в процессе эксплуатации машин, предупреждает появление неисправностей и отказов. Различают ТО ежесменное, периодическое (трех уровней — ТО-1, ТО-2 и ТО-3), сезонное, а также при хранении и транспортировании, при обкатке, перед началом эксплуатации. НМТЗ-562335 Лекция 01 6 Ежесменное ТО проводится машинистом строительной машины перед началом и в конце рабочей смены. В состав обслуживания входят работы по смазке машины, предусмотренные картой смазки, контрольный осмотр перед пуском в работу рабочих органов машины, ходовой части, системы управления, тормозов, приборов безопасности, освещения. Периодичные, плановые ТО проводят через определенные промежутки времени, устанавливаемые предприятием-изготовителем. Они включают: очистку и мойку машины, осмотр и контроль состояния деталей, агрегатов, систем электро-, гидро- и пневмопривода, рабочего оборудования с целью выявления неисправностей и устранения обнаруженных дефектов, крепежные, контрольно-регулировочные и смазочные работы. При проведении ТО-1 в него включаются все работы ежесменного обслуживания (ЕО), при ТО-2 — все работы ТО-1, а работы ТО-3 совмещают с текущим ремонтом. Сезонное ТО проводится два раза в год при подготовке машин к работе в период последующего сезона (летнего и зимнего). При сезонном ТО в системах машины (тормозной, охлаждения, смазки, гидропривода и др.) заменяют эксплуатационные масла и жидкости с промывкой систем, устанавливают или снимают утепления, дополнительные устройства для запуска двигателей и т.п. При постановке машин на хранение их очищают и моют, окрашивают поврежденные участки, проводят очередное ТО, промывают гидравлическую и тормозную системы и заполняют их новыми эксплуатационными жидкостями, на подверженные коррозии металлические части наносят антикоррозионную смазку, защищают машину от атмосферных осадков. В процессе хранения проводят периодическое консервационное обслуживание. Важное значение при ТО придается техническому диагностированию, проводимому с использованием специальных диагностических средств и заключающемуся в проверке исправности машины и (или) ее составных частей, поиске дефектов, сборе данных для прогнозирования остаточного ресурса или вероятности безотказной работы в межконтрольный период. По результатам диагностирования принимаются решения о возможности дальнейшей эксплуатации машины с назначенным ресурсом или о необходимости проведения текущего или капитального ремонта. Широкое применение технического диагностирования позволяет переходить от системы ППР к системе технического обслуживания и ремонта машин по потребности. Ремонт машин проводят с целью поддержания и восстановления их исправного и работоспособного состояния путем устранения повреждений. Ремонт может быть текущим и капитальным. Различают также плановые, неплановые, аварийные и восстановительные ремонты. Текущий ремонт выполняется в плановом порядке, а также по потребности согласно результатам диагностических осмотров. Его проводят в процессе эксплуатации инженерных машин для обеспечения их работоспособного состояния до следующего капитального или текущего ремонта. Текущий ремонт состоит в замене или восстановлении узлов и агрегатов (кроме базовых) с частичной разборкой машины и проведении регулировочных работ. При этом выполняются все виды работ по ТО. Ремонтные работы включают также сварку, слесарные и станочные работы, нанесение наплавок на изношенные поверхности деталей. Основной метод текущего ремонта — агрегатный, при котором неисправные сборочные единицы заменяют новыми или восстановленными в стационарных условиях. Таким образом, при агрегатном ремонте на машине выполняют только демонтаж требующих ремонта сборочных единиц, монтаж и регулировочные работы, благодаря чему сокращается время пребывания машины в ремонте. Агрегатный ремонт требует наличия оборотных агрегатов (обменного фонда) в соответствии с их потребностью при эксплуатации парка машин. Обменный фонд создается за счет покупки, изготовления и сборки новых и восстановления старых узлов и агрегатов. Капитальный ремонт проводится для восстановления работоспособного состояния инженерных машин и их отдельных узлов с заменой или восстановлением агрегатов, включая базовые. Капитальный ремонт предусматривает восстановление технико-экономических параметров машин и проводится на специализированных заводах или базах механизации. Основанием для его проведения являются следующие признаки: повреждение базового узла (детали) — станины, рамы, несущего кузова, устранимое только путем полной разборки машины; необходимость замены двух и более сложных агрегатов — двигателя, сложных редукторов, коробок перемены передач и др. Различают обезличенный (агрегатный) и необезличенный капитальные ремонты. При необезличенном ремонте отремонтированные узлы и детали устанавливают на ту же машину. Структура технологической машины Обязательными составными частями любой технологической, транспортирующей и грузоподъемной машины являются: привод, состоящий из силовой установки, передаточных устройств (трансмиссии) и системы управления; один или несколько рабочих органов и рама (несущие конструкции). У передвижных машин имеется, кроме того, ходовое устройство, соединенное с рамой машины, называемой в ряде случаев шасси. Ведение технологических процессов названными машинами происходит в результате движения их рабочих органов, которое сообщается им от силовой установки через трансмиссию. Иногда конечное звено трансмиссии входит в состав сборочной единицы машины вместе с ее рабочим органом. Например, рабочим органом ленточного конвейера служит конвейерная лента, которая приводится в движение от приводного барабана, по существу являющегося конечным звеном трансмиссии, но входящего в состав собственно конвейера (без привода). В подобных случаях конечное звено трансмиссии называют исполнительным механизмом. НМТЗ-562335 Лекция 01 7 Движения рабочего органа могут быть простыми, как, например, вращение лопастного вала растворосмесителя при перемешивании компонентов приготовляемого строительного раствора, и сложными, как, например, движения ковша гидравлического одноковшового экскаватора на разных операциях экскавационного рабочего цикла (поворот ковша относительно неподвижной рукояти, поворот рукояти с фиксированным на ней ковшом, одновременный поворот ковша и рукояти и т.д.). Сложное движение рабочего органа есть результат сложения относительного (поворот ковша относительно рукояти) и переносного (поворот рукояти, стрелы, поворотной платформы) движений. Механизмы, обеспечивающие переносные движения, кинематически связаны с рабочим органом и по существу относятся к трансмиссии, но по указанной выше причине их принадлежности к одной с рабочим органом сборочной единице (в данном случае — группе сборочных единиц) они являются исполнительными механизмами. Таким образом, движение рабочему органу может передаваться непосредственно от силовой установки через трансмиссию или через исполнительные механизмы в форме переносных движений. Примером машины с несколькими рабочими органами может служить траншейный роторный экскаватор, у которого землеройный рабочий орган — ротор приводится в движение от силовой установки через трансмиссию непосредственно, а конвейерная лента транспортирующего рабочего органа — отвалообразователя, кроме того, через исполнительный механизм — приводной барабан. Для включения в действие машины и ее отдельных механизмов, включая силовую установку, а также НМТЗ-562335 Лекция 01 8 для их остановки служит система управления Транспортные машины, как правило, не имеют рабочих органов. Взаимодействующие с транспортируемым материалом кузова и платформы этих машин пассивны, а груз перемещается только за счет движения ходовых устройств. Структурная схема технологической, транспортирующей или грузоподъемной машин при передаче движения рабочему органу через трансмиссию непосредственно или с помощью исполнительных механизмов Структурная машины схема транспортной Кроме перечисленных обязательных составных частей на машинах могут быть установлены дополнительные (вспомогательные) устройства, например, выносные опоры в конструкциях пневмоколесных кранов, экскаваторов и т. п. Приводы инженерных машин, включающие силовую установку, передаточные устройства и систему управления, а также ходовые устройства обладают конструктивной и функциональной общностью, что позволяет изучать их независимо от видов машин. ПРИВОДЫ ИНЖЕНЕРНЫХ МАШИН. СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 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 пневмодвигателям, 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 энергией 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 инженерных 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 сущность понятия передачи движения рабочему органу машины в условиях преодоления им внешних сопротивлений. Основная составляющая этих сопротивлений определяется, прежде всего, НМТЗ-562335 Лекция 01 9 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. В условиях постоянных или слабо изменяющихся во времени внешних сопротивлений привод работает в спокойном режиме практически с постоянной скоростью на его выходном звене. При меняемых 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.7 для случая вращательного движения выходного звена привода, где через T, ω и n обозначены соответственно вращающий момент, угловая скорость и частота вращения выходного звена. Если, например, на временном интервале Δt сопротивление возрастает от T1 до T2, то, согласно внешней характеристике привода, угловая скорость снижается за то же время с ω1 до ω2 - 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 ω 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 Рис.7. График внешней сопротивление с одновременным снижением скорости при (механической) характеристики возрастании внешнего сопротивления и ее увеличением при привода снижении последнего. Такая приспособленность привода к условиям его нагружения будет тем больше, чем больше момент инерции вращающихся масс привода и чем меньше первая производная f=dT/dω, 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 f может быть понижена за счет включения в состав привода дополнительных устройств. Для характеристики режимов работы привода отдельных механизмов и машин в целом пользуются отношениями максимальных значений усилий (вращающих моментов) Рмах (Тмах) и скоростей vмах (ωмах) на выходном звене привода к их средним значениям соответственно Рср (Tср) и vср (ωср), продолжительностью включений (ПВ) в процентах от общего времени работы машины и количеством включений КВ в час. В зависимости от степени изменения этих параметров, которые колеблются в пределах Тмах/Тср = 1,1…3,0 (для вращательного движения), ПВ = 15…100 %, КВ = 10... 600, режимы нагружения 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 kпер - отношение максимального момента Тмах по механической характеристике привода к его номинальному значению Тн. 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.Отто 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 1903г. 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.8 и 9) при перемещениях в них поршней 4, приводящих во вращение коленчатый вал 7 через шатуны 2 во время рабочего хода и приводимых в движение коленчатым НМТЗ-562335 Лекция 01 10 валом на всех других этапах рабочего цикла. В приводах инженерных машин применяют многоцилиндровые карбюраторные и дизельные (дизели) двигатели с четырьмя (рис.10), шестью, восемью или двенадцатью цилиндрами, работающими на жидком топливе - бензине : (карбюраторные двигатели) или дизельном топливе (дизели). Рис.8. Схема работы карбюраторного двигателя четырехтактного Рис.9. Схема работы четырехтактного дизеля 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 сгорании газов и их выпуск). Часть рабочего цикла, совершаемого за ход поршня в одном направлении, называют тактом. В приводах инженерных машин, кроме малых машин, применяют обычно четырехтактные двигатели, у которых рабочий цикл совершается за четыре такта или за два оборота коленчатого вала. Рис.10. Схемы четырехтактных двигателей: а — четырехцилиндровый; б — шестицилиндровый; в - восьмицилиндровый Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя представлен схемой (см. рис.8). В течение первого такта (см. рис.8,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.8,б ) поршень, также приводимый коленчатым валом, перемещается снизу вверх, сжимая находящуюся в цилиндре рабочую смесь при закрытых впускном 6 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.8,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.8,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.9) 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.10) в один и тот же момент времени все они находятся на разных стадиях (тактах) рабочего цикла. Так, например, если в первом цилиндре НМТЗ-562335 Лекция 01 11 четырехцилиндрового двигателя (см. рис.10,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 коленчатом 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 механическое 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 которой 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 характеристикой двигателя (рис.11). Из семейства скоростных ветвей 1, 2, З и т.д. первая, соответствующая максимальной подаче топлива в рабочие цилиндры двигателя, называется внешней, а все другие, при уменьшенной подаче топлива - промежуточными. Регуляторной 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 Тмах и соответствующая ему частота пмах, а также частота холостого хода п0. Как и для привода в целом, отношение kпер = Тмах / Тн называют коэффициентом перегрузочной способности. Для дизелей обычно kпер = 1,1...1,15. Рис.11. Типовые механические Представленные на рис.11 характеристики не учитывают влияния характеристики дизеля 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 времени t зависит от многих факторов, прежде всего, от сопротивлений на рабочем органе. При спокойной внешней нагрузке (рис.12,а) ее максимальное значение Тмах незначительно отличается от среднего значения Тср, что позволяет работать дизелю вблизи рабочей точки с номинальным моментом Тн, при частоте вращения, близкой к пн. При этом полезно используемая мощность будет наибольшей. В случае значительного превышения внешних сопротивлений над средним (рис.12,б) во избежание остановки двигателя, рабочую НМТЗ-562335 Лекция 01 12 точку на механической характеристике дизеля (см. рис.11), 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 нагружения (см. рис.12,б). При этом также будет изменяться частота вращения коленчатого вала в диапазоне пн < 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.12,б, является неэффективным. Рис.12. Типовые графики внешней нагрузки, приведенные к валу двигателя: а— при спокойной внешней нагрузке; б— при значительном повышении внешней нагрузки 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 Электрические двигатели В приводах инженерных машин применяют электродвигатели переменного и постоянного тока. Асинхронные электродвигатели переменного тока, короткозамкнутые 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.13, где через Т и n, 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, соответствующими 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; п = n0) и (Т= Тк; п = nк). Момент Т = Тн 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 Тн на естественной характеристике: kпер=Тк/Тн составляет 1,7...2,0 (для короткозамкнутых двигателей до 2,4), а для двигателей кранового типа - 2,3... 3,0. Частота вращения вала двигателя n на рабочем участке механической характеристики изменяется незначительно, в связи с чем естественную механическую характеристику Рис.13. Естественная (3) и пусковые асинхронного двигателя можно считать жесткой. (реостатные) (1 и 2) характеристики Момент Тп при n=0 называют пусковым. Его отношение к асинхронного электродвигателя номинальному моменту Тн 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. Так, например, при включении в цепь ротора двух пусковых сопротивлений, которым соответствуют искусственные характеристики 1 и 2, момент при пуске будет изменяться от Т1 до Т2, которые называют 13 НМТЗ-562335 Лекция 01 моментами отсечки. После включения двигателя он будет работать на характеристике 1. При этом момент будет уменьшаться от ТА (не обязательно совпадающего с Т2) до Т1), а частота вращения вала увеличиваться от нуля до nВ 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 nС с одновременным уменьшением момента до Т = Т1, а после отключения второго сопротивления переходит на естественную характеристику 3 в точке С' с координатами (Т2; nC). Пуск заканчивается по достижении точки на естественной характеристике с моментом, равным моменту внешних сопротивлений ТD. Маршрут пуска показан на рис.13 стрелками. Обязательным условием пуска является условие Т1 > ТD. В противном случае уже на первом этапе (участок АВ) частота п = nB 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 момента ТD, в частности, путем отключения трансмиссии или исполнительного механизма от двигателя. Искусственные характеристики, обладающие меньшими жесткостями по сравнению с естественной, используются в качестве рабочих характеристик, когда необходимо плавно изменять скорости рабочих движений. Короткозамкнутые двигатели запускаются и работают только на естественной характеристике. Электродвигатели постоянного тока обеспечивают большую плавность пуска и торможения механизмов по сравнению с двигателями переменного тока. На рис.14,а представлены механические характеристики приводов, работающих по системе трехобмоточный 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 сериесной. На рис. 14,б показана механическая характеристика привода постоянного тока по системе генератор - двигатель с а б электромашинными усилителями, применяемого Рис.14. Механические характеристики приводов на экскаваторах большой мощности. Такие постоянного тока 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. Рис.15. Электродвигатели переменного тока асинхронный с короткозамкнутым ротором (а) и с фазным ротором (б, в), постоянного тока (г): 1 - ротор: 2 - обмотка статора; 3, 14 - корпус; 4 - пакет из электротехнической стали; 5 - вал; 6 - контактные кольца; 7 - обмотка фазного ротора; 8 - пакет фазного ротора; 9 - коллектор; 10 щетки; 11 - якорь; 12 - главный полюс; 13 катушка обмотки возбуждения; 15 - подшипниковый щит; 16 - вентилятор; 17 - обмотка якоря Общие сведения о трансмиссиях Трансмиссиями называют устройства для передачи движения от силовой установки нескольким потребителям энергии — рабочим органам и движителям ходовых устройств машин. Механические трансмиссии состоят из передач - механизмов для передачи непрерывного вращательного или поступательного движения, а также для преобразования одной формы движения в другую (вращательного в поступательное и наоборот). При единственном потребителе передача превращается в трансмиссию. Иногда понятия передачи и трансмиссии отождествляют, распространяя этот термин также на все другие (немеханические) виды трансмиссий. 14 НМТЗ-562335 Лекция 01 Движение от силовой установки (двигателя) может передаваться рабочему органу передачей (трансмиссией) непосредственно, как, например, в ручной электросверлильной машине, или через исполнительные механизмы, как, например, у одноковшового экскаватора машины цикличного действия, исполнительными механизмами которого являются механизмы привода стрелы, рукояти, ковша, поворотной' платформы и ходового устройства. Каждый исполнительный механизм обеспечивает простое движение рабочего органа. Складываясь в определенных сочетаниях на различных стадиях рабочего цикла (операциях), простые движения (кроме движения хода) образуют сложное движение рабочего органа ковша. Другим примером разветвленной трансмиссии может служить привод рабочих органов траншейного роторного экскаватора - машины непрерывного действия. В рабочем режиме его землеройному рабочему органу — ротору сообщается сложное движение, состоящее из двух простых движений: вращения относительно собственной оси, передаваемого через привод ротора (относительное движение), и поступательного движения за тягачом, передаваемого через привод ходового устройства (переносное движение). Кроме того, отдельной ветвью трансмиссии движение передается по замкнутому контуру ленте отвального конвейера для перемещения разгруженного из ковшей ротора грунта в сторону от траншеи. Следует усвоить, что усилие или крутящий момент на ведомом звене трансмиссии зависят от внешнего сопротивления, а те же силовые характеристики ведущего звена, кроме того, от внутренних параметров трансмиссии (передаточного отношения и КПД). Для функционирования, например, трансмиссии для передачи вращательного движения необходимо, чтобы момент на ведущем звене, соответствующий внешнему сопротивлению, не превышал бы допустимого активного момента привода. Скоростные параметры обычно задаются приводным двигателем (на ведущем звене передачи). В ряде случаев скорость является функцией реализуемого двигателем крутящего момента. Дальнейшее изложение трансмиссий инженерных машин обусловлено особенностями их структуры и содержания, в связи с чем ниже будут рассмотрены только виды механических передач. Все другие виды трансмиссий (электрические, гидравлические, пневматические) целесообразно рассматривать совместно с системами управления в составе соответствующих приводов. По конструктивному исполнению элементов передач, участвующих в преобразовании параметров движения, различают фрикционные, ременные, зубчатые, червячные, цепные и канатные передачи. В передачах первых двух видов движение от ведущего к ведомому звену передается за счет сил трения на контактных поверхностях сцепляющихся друг с другом ведущего и ведомого звеньев. Эти передачи относятся к передачам движения трением. В зубчатых, червячных и цепных передачах движение передается за счет силового воздействия зацепляющихся друг с другом элементов ведущего звена на элементы ведомого. Эти передачи составляют группу передач движения зацеплением. Канатные передачи образуют особую группу для передачи движения закрепленным на ведущем звене канатом. Они будут рассмотрены отдельно при изучении устройства и принципа работы полиспастов. Из-за наличия в ременных, цепных и канатных передачах гибких связей - соответственно ремней, приводных цепей и канатов их называют передачами с гибкой связью. Функциональные связи элементов механических передач обычно представляют кинематическими схемами. На кинематических схемах конкретных моделей машин указывают скорости (линейные или угловые) движения составных элементов трансмиссии, а также формирующие их параметры, например, числа зубьев зубчатых колес. Во всех других случаях эти данные опускают. Фрикционные передачи Во фрикционных передачах (рис.16) ведущее и ведомое звенья - цилиндрические или конические катки жестко посажены на вращающиеся в подшипниках валы и прижаты друг к другу. При вращении ведущего катка, приводимого двигателем или предшествующей передачей, ведомому катку сообщается вращение за счет сил трения, возникающих на контактной поверхности. Линейная скорость ведомого катка в зоне контакта из-за упругого проскальзывания отстает от линейной скорости ведущего катка ё Рис.16. Фрикционные передачи с цилиндрическими (а) и коническими (б) катками б а Фрикционные передачи просты по форме рабочих поверхностей катков, но, из-за необходимости создания больших контактных усилий, нуждаются в специальных прижимных устройствах. Поэтому их валы и подшипники испытывают повышенные нагрузки, а тела качения подвержены износу, особенно при буксовании. Фрикционные передачи применяют в приводах небольшой мощности, в частности в конструкциях вариаторов — устройствах для бесступенчатого изменения скорости вращения ведомого НМТЗ-562335 Лекция 01 15 катка, одна из конструктивных схем которого представлена на рис.17. Вариатор представляет собой двухступенчатую фрикционную передачу, в которой промежуточный каток является одновременно ведомым для первой ступени и ведущим - для второй. Передаточное отношение вариатора может изменяться бесступенчато в зависимости от изменения угла наклона α оси вращения промежуточного катка. При этом с увеличением первого диаметра (d1) уменьшается второй (d2) и наоборот. Изменением угла α достигается требуемое передаточное отношение. Рис.17. Конструктивная схема вариатора Рис.18. Ременная передача (а) и типы ремней: б — плоские; в — клиновые; г — круглого сечения; д — зубчатые; е — поликлиновые Ременные передачи Ременная передача (рис.18,а) состоит из двух закрепленных на валах шкивов и охватывающего их ремня, надетого на шкивы с натяжением. Движение передается за счет сил трения в парах ведущий шкив ремень и ремень - ведомый шкив. В ременных передачах применяют следующие типы ремней: плоские, клиновые, круглого сечения, зубчатые и поликлиновые. Наибольшее распространение в приводах инженерных машин получили передачи с плоскими и клиновыми ремнями. Плоские ремни применяют в передачах с передаточным отношением не более i= 4, а клиновые ремни до i = 6...8 и скоростях ремня до 30м/с. Узкие клиновые ремни допускают работу при скоростях до 40...50 м/с. В одном комплекте может быть установлено до восьми клиновых ремней. Недостатком многоременных передач является неодинаковая вытяжка ремней в процессе эксплуатации, из-за чего они загружаются неравномерно. Этот фактор учитывают при расчете числа ремней в комплекте с введением специального коэффициента снижения несущей способности ремней от 5...10 % соответственно при двух—шести и более ремнях. Этого недостатка лишены поликлиновые ремни с высокопрочным полиэфирным кордом, которыми заменяют несколько клиновых ремней, комплектно устанавливаемых на шкивах. Поликлиновые ремни имеют от 2 до 20 ребер. Передаточное отношение передач с поликлиновыми ремнями достигает 15 при скорости 40...50 м/с. Круглоременные передачи применяют в слабо нагруженных приводах, в частности, механизмах приборов. Зубчатые ремни •отличаются от других наличием на их внутренней поверхности зубьев, обеспечивающих постоянство передаточного отношения без проскальзывания, бесшумность работы, возможность работы в масле. В отличие от передач со всеми другими типами ремней, передающими движение за счет сил трения между ремнем и шкивами, зубчато-ременные передачи реализуют принцип передачи движения зацеплением. По этому признаку они более близки к цепным передачам. Зубчатые ремни применяют в передачах большой мощности (до 400 кВт) при скорости до 80 м/с. Обязательным условием функционирования ременной передачи является ее натяжение путем перемещения одного из шкивов натяжным роликом (рис.19) или пружиной, автоматическим устройством, регулирующим натяжение в зависимости от внешней грузки и т.п. По сравнению с плоскоременными клиноременные передачи требуют меньшего натяжения ремней благодаря тому, что за счет расклинивающего эффекта они имеют более высокий приведенный Рис.19. Натяжение ремня роликом коэффициент трения. При прочих равных параметрах клиноременные передачи требуют натяжения в 1,6—2,2 раза меньше чем плоскоременные передачи. Достоинствами ременных передач являются: простота конструкции, возможность передачи движения на большие расстояния, способность предохранять механизмы от перегрузок за счет проскальзывания 16 НМТЗ-562335 Лекция 01 ремня по шкивам. К их недостаткам относятся большие габаритные размеры, недостаточная долговечность ремней, частичная или полная неспособность работать при попадании на ремень и шкивы смазки. Зубчатые передачи Зубчатая передача состоит из двух посаженных на валы зубчатых колес, меньшее из которых называют шестерней, а большее - колесом. Для передачи вращательного движения между двумя валами с параллельными осями применяют цилиндрические колеса с прямыми (рис.20,а и ж), косыми (рис.20,б) и шевронными (рис.20.,в) зубьями; между валами с пересекающимися осями - конические колеса с прямыми (рис.20,г) или круговыми (рис.20, д) зубьями; между валами с неперекрещивающимися осями - винтовыми колесами (рис.20,е). Для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот служит зубчато-реечная передача (рис.20,з). Передача, в которой зубья колеса находятся на его внутренней поверхности (рис.20,ж), называется передачей внутреннего зацепления. Рис.20. Виды зубчатых передач: а, б, в — цилиндрические колеса с прямыми, косыми и шевронными зубьями соответственно; г, д — конические колеса с прямыми и круговыми зубьями; е — винтовые колеса; ж — передача внутреннего зацепления; з— зубчато-реечная передача Зубчатые передачи получили наибольшее распространение в приводах инженерных машин благодаря малым габаритным размерам по сравнению с другими механическими передачами, высокому КПД (η = 0,97...0,99),, большой долговечности и надежности, постоянству передаточного отношения, обусловленному отсутствием проскальзывания между сопрягаемыми кинематическими парами, возможности применения в широком диапазоне моментов, скоростей и передаточных отношений. К их недостаткам относится шум при работе на значительных скоростях и в случае недостаточно качественного исполнения. Наиболее часто этот недостаток проявляется в передачах с прямозубыми колесами. Передачи с косозубыми тесами (см. рис.20,б) работают более плавно и менее шумно благодаря большему числу одновременно зацепляющихся пар зубьев. Обычно их применяют при окружных скоростях более 2 м/с. Недостатком этих передач является передача осевых нагрузок на валы, требующая установки их на подшипники, способные воспринимать эти нагрузки. Этого недостатка лишены передачи с шевронными колесами (см. рис.20,в), представляющими собой два зеркально ориентированных косозубых колеса в одной детали. Осевые нагрузки каждой половины такого колеса взаимно уравновешиваются без их передачи на валы. Недостатком шевронных колес является более сложная технология их изготовления. Червячные передачи Червячные передачи служат для передачи вращательного движения между перекрещивающимися валами, чаще под прямым углом. Передача состоит из винта 1 (рис.21), называемого червяком, и червячного колеса 2 с зубьями на своем ободе. Ведущим звеном в передаче является обычно червяк. НМТЗ-562335 Лекция 01 17 б а Рис.22. Червяк с цилиндрической (а) и торовой (б) делительными Рис.21. Червячная поверхностями передача В сечении в плоскости вращения червячного колеса и проходящего через ось вращения червяка червячная передача подобна зубчато-реечной передаче (см. рис.20,з). Червяк (рис.22,а) представляет собой винт с трапецеидальным профилем витков. Стандартный угол профиля в осевом сечении составляет α = 20°. Кроме червяков с цилиндрической делительной поверхностью применяют также глобоидные червяки (рис.22,б) с торовой делительной поверхностью, охватывающей часть зубьев червячного колеса. Передачи с глобоидными червяками обладают более высокой по сравнению с обычными червяками несущей способностью вследствие большего числа зубьев червячного колеса, одновременно находящихся в зацеплении. Однако они более сложны в изготовлении, монтаже и регулировке, особенно после некоторого износа зубьев колеса. Ради увеличения контактных поверхностей в паре червяк - колесо и снижения за счет этого контактных давлений зубья колеса выполняют охватывающими червяк в его поперечном сечении рис.22,б. Для несиловых передач, например, в приводах приборов, червячное колесо может быть выполнено также с цилиндрическим ободом (верхняя часть рис.22,а). Ведущим органом в червячной передаче обычно является червяк. обратимость движения - от червячного колеса к червяку - возможна только при условии, когда угол подъема винтовой линии оказывается больше угла трения в сопрягаемой кинематической паре. Передачи, не обладающие этим свойством (обычно с однозаходными червяками), называют самотормозящимися, что означает невозможность самопроизвольного раскручивания червяка (ведущего звена передачи) внешними нагрузками, приложенными к валу червячного колеса. Достоинствами червячных передач, способствующими их широкому распространению в приводах инженерных машин, является: бесшумность работы, возможность получения больших передаточных отношений при малых габаритных размерах передачи, высокая точность перемещений, возможность обеспечения самоторможения. К их недостаткам относятся: сравнительно низкий КПД, небольшие передаваемые мощности (до 70 кВт), повышенный износ витков червяка и зубьев колеса, необходимость применения дорогостоящих материалов (бронзовые венцы червячных колес) для уменьшения коэффициента трения контактирующих поверхностей. Цепные передачи служат для передачи вращательного движения между двумя параллельными валами при значительном расстоянии между ними. Передача (рис.23) состоит из двух звездочек 1 и 3 и охватывающей их цепи 2 В инженерных машинах в качестве приводных цепей чаще применяют втулочно-роликовые (рис.24,а), реже зубчатые (рис.24,б) цепи. Оба вида цепей могут быть однорядными и многорядными, для передачи движения несколькими параллельными потоками. Втулочно-роликовые цепи применяют при скоростях до 20 м/с, а зубчатые - до 25 м/с Последние работают с меньшей вибрацией и шумом, в связи с чем их называют бесшумными. Цепные передачи Рис.23. Схема цепной передачи Основными параметрами приводных цепей являются: шаг t и разрушающая нагрузка. Форма зубьев звездочек зависит от типа и размеров цепи. НМТЗ-562335 Лекция 01 18 б а в Рис.24. Втулочно-роликовая (а) и зубчатая (б) приводные цепи; (в) форма зубьев звездочек для зубчатых цепей Валы и оси Вращающиеся элементы передач устанавливают на валах и осях. Вал (рис.25), являясь для посаженной на него детали (зубчатого колеса, звездочки, шкива и т.п.) поддерживающим звеном, в то же время передает крутящий момент либо от силовой установки ведущему звену первой передачи трансмиссии, либо от ведомого звена последней передачи трансмиссии исполнительному механизму или рабочему органу. Во всех случаях вал вращается вместе с поддерживаемыми им звеньями, для чего его соединяют с этими звеньями посредством шпонок — призматических, клиновых или сегментных стержней и пластин, закладываемых в продольные пазы вала и ступицы — центральной части соединяемой с валом детали, или шлицевых соединений — равномерно расположенных по окружности цилиндрической поверхности вала и ступицы пазов и выступов. По несущей способности шпоночное соединение уступает шлицевому. Его применяют в малонагруженных мелкосерийных изделиях. Шпоночное или шлицевое соединение может быть неподвижным — без возможности осевого перемещения соединяемых деталей относительно друг друга и подвижным — с возможностью такого перемещения. Вращающееся звено передачи может быть выполнено вместе с валом как единая деталь. Различают прямые, коленчатые и гибкие валы. В трансмиссиях инженерных машин применяют преимущественно прямые валы. в Рис.25. Валы: а — прямые; б — коленчатые; в — гибкие б Коленчатые валы применяют, в частности, в коленчато - рычажных механизмах, например в двигателях внутреннего сгорания. Гибкие валы служат для передачи вращающего момента между узлами машин и агрегатами, меняющими свое взаимное положение три работе, например, в механизированном ручном инструменте, вибраторах, приборах дистанционного управления и контроля и т.п. Гибкий вал состоит из сердечника и нескольких плотно навитых на него слоев проволок с противоположной навивкой смежных слоев. Для защиты от повреждений, загрязнений и сохранения на валу смазки, а также защиты обслуживающего персонала от захвата вращающимся валом, его заключают в невращающуюся металлическую, резиновую или тканевую броню. Ось не передает вращающего момента, а только поддерживает одно или несколько вращающихся звеньев передачи. Подшипники скольжения (рис.26) в общем случае состоят из корпуса 2 и установленных в нем вкладышей 1, на которые опираются цапфы осей или валов. Форма рабочих поверхностей подшипников соответствует форме цапф вала. Корпус подшипников выполняют из чугуна, реже из стали. Вкладыши изготовляют из антифрикционных материалов (баббитов, свинцовистых бронз, чугунов, металлокерамики, пластмасс и др.), которые заливают или наплавляют на стальную, чугунную или бронзовую основу. По направлению действия нагрузок подшипники делят на радиальные, радиально-упорные и упорные. При вращении оси или вала в подшипнике цапфа скользит по его внутренней поверхности. Чтобы уменьшить трение, износ, нагрев и повысить КПД, трущиеся поверхности смазывают. По конструкции подшипники скольжения разделяют на неразъемные и разъемные. В первом случае вкладыши изготовляют в виде втулок (рис.26,а), которые запрессовывают или крепят с помощью винтов к неразъемным корпусам. В разъемных подшипниках (рис.26,б) устанавливают обычно два вкладыша. Расчет подшипников скольжения ведется по среднему давлению, создаваемому между цапфой и вкладышем. НМТЗ-562335 Лекция 01 19 Подшипники скольжения применяют в быстроходных валах, валах большого диаметра и сложной конфигурации, при установке которых они должны разъединяться; при ударных и вибрационных нагрузках, в воде, агрессивных средах и при большом загрязнении. Рис.26. Подшипники скольжения Муфты представляют собой устройства, соединяющие валы, оси, стержни, трубы, канаты и т.д. Рассмотрим муфты для соединения валов. Они различаются между собой по конструкции, назначению, принципу действия и управления. По назначению муфты служат для: • соединения двух валов, расположенных на одной геометрической оси или под углом друг к другу; • соединения вала с зубчатым колесом, шкивом ременной передачи и другими деталями; • компенсации несоосности валов, что вызвано неточностью изготовления или монтажа; • включения и выключения одного из валов при постоянном вращении другого; • предохранения узла или машины от перегрузки; • уменьшения динамических нагрузок; •обеспечения возможности одному из валов перемещаться вдоль оси и т.д. По принципу действия муфты делят на механические (основные муфты в инженерных машинах), электрические и гидравлические. По виду управления механические муфты подразделяют на неуправляемые (постоянно действующие), управляемые (сцепные), автоматические и специальные. Наиболее распространенные неуправляемые муфты делят на жесткие, компенсирующие самоустанавливающиеся и упругие. Жесткие муфты предназначены для жесткого соединения соосных валов и выполняются неразъемными (втулочные) и разъемными (фланцевые с плоскостью разъема, расположенной параллельно или перпендикулярно оси вала). Втулочная муфта состоит из втулки, закрепляемой на концах валов с помощью штифтов (рис.27,а), шпонок (рис.27,б) и шлиц. Они просты в изготовлении, но требуют точного совмещения осей валов и осевого перемещения одного или обоих валов при сборке или разборке. Фланцевые муфты (рис.27,в) состоят из двух полумуфт, соединенных болтами. В муфтах, где болты ставятся с зазором (вариант I), крутящий момент передается под воздействием момента трения, создаваемого затяжкой болтов, работающих на растяжение. Муфты, в которых болты ставятся без зазора и работают на срез (вариант II), способны передавать большие моменты и применяются для соединения валов диаметром до 200 мм. Компенсирующие самоустанавливающиеся муфты применяют для соединения валов, имеющих некоторые неточности взаимного расположения геометрических осей, вызванные погрешностями изготовления, монтажа, а также упругими деформациями валов. К ним относят зубчатые муфты (рис.27,г), состоящие из двух полумуфт с наружными зубьями и наружной обоймы с внутренними зубьями. Полумуфты устанавливают на концах валов, а их зубья сцепляют с зубьями обоймы. Зубчатые муфты за счет смещения сопряженных зубьев компенсируют осевые, радиальные и угловые смещения валов. Эти же функции выполняют и цепные муфты (рис.27,ж), состоящие из двух полумуфт в виде одинаковых цепных звездочек, которые одновременно охватывает однорядная, двухрядная роликовая или зубчатая цепь. Широкое применение имеют кулачково-дисковые, крестовые муфты, состоящие из двух полумуфт с прямоугольными пазами и среднего (плавающего) диска с крестообразно расположенными выступами (рис.27,д), а также муфты со скользящим вкладышем (рис.27,е). К недостаткам крестовых муфт относятся ограниченная скорость вращения и быстрый износ пазов полумуфт. Для соединения валов, наклоненных друг к другу под углом 45°, служат шарнирные муфты. Они разделяются на одинарные, состоящие из двух полумуфт-вилок, соединенных с помощью двух взаимно перпендикулярных шарниров (рис.27,з), и сдвоенные, позволяющие передавать вращение между параллельными и наклонными валами (рис.27,и). При необходимости осевого смещения валов во время работы их соединяют шарнирной сдвоенной муфтой с телескопическим промежуточным валом. Упругие муфты предназначены для уменьшения динамических нагрузок, передаваемых через соединяемые ими валы, а также для компенсации неточности расположения соединяемых валов. Различают муфты с неметаллическими (резина) и металлическими (стальные витые и пластинчатые пружины, пакеты пластин и пружин) упругими элементами. К первым относятся втулочно-пальцевая муфта (подобна по конструкции жесткой фланцевой муфте с установкой на болтах одной из полумуфт резиновых втулок) (рис.28,а), муфта с резиновой звездочкой (рис.28,б), муфта с упругой торообразной оболочкой (рис.28,в) и т.п. Муфты с металлическими упругими элементами применяют для передачи больших крутящих моментов, они имеют незначительные габариты, долговечны, но сложны и дороги в изготовлении. 20 НМТЗ-562335 Лекция 01 Рис.27. Жесткие-и компенсирующие муфты Рис.28. Упругие муфты Управляемые или сцепные муфты служат для соединения и разъединения валов в процессе работы машины с помощью механического, электрического, пневматического или гидравлического механизма управления. Различают муфты, в которых для передачи движения используется зацепление (кулачковые и зубчатые) и трение (фрикционные). Кулачковые и зубчатые муфты применяют для сцепления валов с практически равными угловыми скоростями. Кулачковая муфта (рис.29,а) состоит из двух полумуфт — неподвижной, жестко закрепляемой на одном валу, и подвижной, имеющей возможность перемещаться по направляющим шпонкам или шлицам вдоль оси другого вала при включении или выключении. На торцовых поверхностях полумуфт расположены кулачки треугольного, трапецеидального или прямоугольного профиля, входящие в зацепление в рабочем положении. При несимметричном профиле кулачков муфта является нереверсивной. Зубчатая сцепная муфта подобна по конструкции зубчатой компенсирующей муфте, но у нее наружная обойма выполняется подвижной. Фрикционные муфты служат для осуществления плавного соединения и разъединения нагруженных валов, которые могут вращаться с различными угловыми скоростями. В зависимости от формы рабочих поверхностей эти муфты разделяют на дисковые (одно- и многодисковые) (рис.29,б), конусные (с одинарным или двойным конусом, рис.29,в) и цилиндрические (колодочные, ленточные, пневмокамерные и др.) (рис.29,г). Соединение валов обеспечивается силой трения между рабочими поверхностями НМТЗ-562335 Лекция 01 21 неподвижных 7 и подвижных 2 полумуфт. При перегрузках между полумуфтами возможна пробуксовка, что позволяет использовать их как предохранительное устройство. Сцепляющиеся поверхности муфт изготовляют из закаленной стали, чугуна, текстолита и металлокерамики. Муфты могут работать со смазкой, которая уменьшает износ рабочих поверхностей и улучшает их разъединение под нагрузкой. При работе без смазки рабочую поверхность одной из полумуфт покрывают заменяемыми после изнашивания фрикционными накладками из металлокерамики или на асбестовой Рис.29. Сцепные муфты основе, имеющими высокий коэффициент трения (f=0,3...0,4). К фрикционным также относят электромагнитные дисковые и порошковые муфты с пневматическим и гидравлическим управлением. Для включения различных механизмов инженерных машин применяют специальные ленточные и пневмокамерные фрикционные муфты. Ленточные муфты используют для включения барабанов лебедок. Основным элементом таких муфт является стальная лента с прикрепленными к ней фрикционными накладками, расположенными внутри или снаружи фрикционного шкива. В ленточной муфте наружного типа (рис.30.) шкив 7, жестко соединенный с барабаном 8 лебедки, охватывается снаружи лентой 3 с фрикционными накладками. Барабан свободно вращается на валу 9, получающим вращение от двигателя. Один конец ленты шарнирно соединен с крестовиной 2, жестко закрепленной на валу, а другой - с двуплечим рычагом 4, поворот которого относительно крестовины осуществляется гидравлическим или пневматическим цилиндром б одностороннего действия. При подаче сжатого воздуха или масла по трубопроводу 1 в цилиндр, поворачиваемый его штоком рычаг затягивает ленту относительно шкива, и под действием сил трения вместе с крестовиной начинает вращаться барабан лебедки. Муфта выключается при снятом давлении в цилиндре возвратной пружиной 5, возвращающей рычаг в исходное положение. Пневмокамерные фрикционные муфты применяют для управления лебедками подъема ковша (груза), стрелы и механизмов реверса Рис.30. Ленточная муфта одноковшовых экскаваторов и стреловых самоходных кранов, для включения привода рабочего органа траншейных экскаваторов и т.п. Основным элементом пневмокамсрной муфты (рис.31) является пневмокамера 7, выполненная из резины и упрочняющих тканевых прокладок. Пневмокамера помещена внутри желоба обоймы б, ступица 9 которой жестко закреплена на валу 10. На этом же валу свободно вращается барабан 1 лебедки, с которым выполнен заодно шкив 2 муфты. Пневмокамера связана с компрессором через воздуховод 8 и вращающееся соединение, расположенное на валу. При подаче сжатого воздуха под давлением 0,5...0,7 МПа пневмокамера расширяется и прижимает колодки 5 с фрикционными накладками 3 к внутренней поверхности шкива, передавая крутящий момент барабану лебедки. При выключении муфты Рис.31. Пневмокамерная муфта колодки возвращаются в исходное положение под воздействием пластинчатых пружин 4. НМТЗ-562335 Лекция 01 22 К достоинствам таких муфт относятся плавность включения и отсутствие необходимости их регулировки. Недостатком является недолговечность камер. Автоматические самоуправляемые муфты делят на центробежные, обгонные и предохранительные. Центробежные муфты используют для автоматического соединения или разъединения валов при достижении ведущим валом заданной частоты вращения. Они представляют собой фрикционные муфты, сцепляющиеся и расцепляющиеся под действием центробежных сил. Обгонные муфты служат для передачи крутящего момента только в одном направлении и соединяют вал в том случае, когда скорость ведущего вала превысит скорость ведомого. Ведомый вал может свободно обгонять ведущий. Различают храповые и фрикционные обгонные муфты. Храповые муфты применяют редко в связи с резкими ударами при включении. Поэтому чаще используют бесшумные фрикционные шариковые или роликовые муфты. Такие муфты (рис.32,а) состоят из звездочки специальной конструкции 1 и обоймы (или шестерни) 2, представляющих собой две полумуфты, и шариков или роликов 3, Рис.32. Автоматические муфты которые расположены в пазах звездочки. Шарики (ролики) удерживаются в постоянном контакте с обоймой пружиной 5 с толкателем 4. Если ведущей является звездочка, соединение валов происходит только при вращении ее по часовой стрелке, а если ведущей является обойма (или шестерня), — против часовой стрелки. При обгоне звездочкой обоймы она сдвигается относительно обоймы по часовой стрелке, при этом шарики устремляются в сужающуюся часть паза и заклиниваются между полумуфтами. В случае противоположного вращения одной из ведущих полумуфт шарики перемещаются в широкую часть пазов и происходит разъединение валов. Предохранительные муфты применяют для защиты машины от перегрузок. Различают муфты с разрушаемыми и неразрушаемыми элементами. Наиболее распространенной является муфта с одним или двумя срезными штифтами, передающими крутящий момент от одной полумуфты к другой. При перегрузке штифты срезаются, разъединяя полумуфты. НМТЗ-562335 Лекция 01 23