Строительные и дорожные машины и основы автоматизации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Ульяновский государственный технический университет И. Ф. ДЬЯКОВ СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ И ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» направления подготовки «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы» и «Промышленное и гражданское строительство» направления подготовки « Строительство» Ульяновск 2007 УДК 69.057-002.51-52 (075) ББК 38.6 -5 я 7 Д93 Рецензенты: кафедра ЖБиКК Казанского государственного архитектурностроительного университета; д-р техн. наук, проф. Марийского государственного технического универститета Ю. Н. Сидыганов Дьяков, И. Ф. Д93 Строительные и дорожные машины и основы автоматизации : учебное пособие / И. Ф. Дьяков; /Ульян. гос. техн. ун-т. − Ульяновск : УлГТУ, 2007. – 516 с. ISBN 978-5-9795-0110-9 Изложены общие тенденции развития и требования, предъявляемые к строительным и дорожным машинам, сведения об экологической безопасности, а также основы использования технических средств автоматизации с основами теории автоматического регулирования в производстве строительных и дорожных машин. Приводятся перспективные конструкции машин с применением микропроцессоров для автоматизации их управления, методы оптимального выбора их в условиях эксплуатации. Для специалистов и студентов, обучающихся по специальностям «Подъемнотранспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» направления подготовки «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы и промышленное и гражданское строительство» направления подготовки «Строительство». УДК 69.057.- 002.51-52 (075) ББК 38.6 – 5 я 7 ISBN 978-5-9795-00 © И. Ф. Дьяков, 2007 © Оформление. УлГТУ, 2007 ВВЕДЕНИЕ Предлагаемое учебное пособие представляет собой изложение курса «Строительные машины и основы автоматизации» на основе опыта преподавания в Ульяновском техническом университете для специальности «Промышленное и гражданское строительство». Оно содержит необходимые сведения по назначению, устройству и рабочим процессам строительных машин. В отличие от других учебников и учебных пособий по этому курсу приведены подробные сведения о средствах малой механизации, а также изложены основы автоматизации строительных машин и оборудования для приготовления бетонных смесей и растворов. Требования, предъявляемые к машинам, механизмам и устройствам, технологическому оборудованию, с каждым годом возрастают. Эти требования, обусловленные общим техническим прогрессом, могут быть удовлетворены только при достаточном оснащении средствами автоматизации машин, позволяющем освободить человека от постоянного и непосредственного управления технологическим процессом [2, 3, 11, 14]. Теоретической базой для изучения предмета являются знания, полученные при изучении предметов: «Эксплуатация строительных машин и оборудования», «Общая электротехника с основами электроники», «Подъемнотранспортные строительные машины и оборудование». Изучение строительных машин является залогом успешного освоения таких основополагающих для инженеров-строителей, как «Технология строительного производства» и «Организация строительства». В результате изучения курса будущие специалисты должны знать принцип работы машины и основные элементы средства автоматизации строительных машин и технологических установок, а также уметь обеспечивать правильную их эксплуатацию, так как в области развития строительного и дорожного машиностроения предусматриваются создание и выпуск систем машин для обеспечения комплексной механизации и автоматизации работ в промышленном, жилищном, сельскохозяйственном, гидротехническом и дорожном строительстве. Несмотря на высокий уровень комплексной механизации отдельных видов работ [1], достигнутая эффективность строительства в целом отстает еще от запланированных уровней [5]. В значительной мере это является результатом неправильного формирования парков машин в строительных организациях, недостаточной долговечностью и надежностью и низком уровнем организации использования и технической эксплуатации строительных машин [8]. Изложенный материал поможет студентам получить основные сведения по строительным машинам, необходимые инженеру-строителю для организации механизированного производства строительных работ, глубоко изучить современные научные методы выбора машин и основы их эксплуатации. 4 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН 1.1. Общие тенденции развития и требования, предъявляемые к машинам Направления развития машин зависят как от области их применения, так и от общих тенденций научно­технического прогресса в машино­ строении [12]. К наиболее характерным направлениям развития строитель­ ного и дорожного машиностроения относятся: 1) повышение в экономически оправданных пределах единичной мощно­ сти машин и оборудования; 2) гидрофикация машин путем замены механических приводов гидроме­ ханическими и гидрообъемными приводами; 3) автоматизация систем управления, контроля и обеспечения безопасно­ сти работы машин на основе применения микропроцессорной техники и ро­ ботов; 4) снижение материало­и энергоемкости машин, повышение их ресурса и надежности на основе совершенствования методов расчета и конструирова­ ния и применения новых материалов с лучшими физико­механическими свойствами и характеристиками; 5) повышение требований к эргономике и технической эстетике машин и оборудования на основе более полного учета физических и функциональных возможностей человека­оператора, управляющего машиной; 6) создание двигателей с форсированными режимными характеристиками, обеспечивающие сокращения времени разгона машины, соответственно уве­ личения ее производительности; 7) повышение скоростей движения, главным образом транспортных ско­ ростей, что также позволяет увеличить производительность машин; 8) конструирование машин и оборудования из унифицированных блоков­ модулей, что позволяет ускорить процесс создания машины и сократить вре­ мя ее простоев в ремонтах; 9) широкая унификация и стандартизация техники с целью увеличения темпов ее производства, сокращения простоев, связанных с ремонтом и тех­ ническим обслуживанием, а также улучшения качества изготовления узлов и деталей машин; 10) увеличение номенклатуры сменных рабочих органов для расширения области применения машин данного типа; 5 11) создание мобильных машин на короткобазных шасси, позволяющих улучшить их маневренность, что имеет большое значение при выполнении строительно­монтажных работ в стесненных условиях. Все возрастающие объемы земляных работ требуют создания мощных, высокопроизводительных машин. Существуют следующие пути решения этой задачи. 1. Установка на машинах более мощных двигателей; такое решение, как правило, связано с увеличением общей массы и габаритных размеров машины. 2. Создание машин, работающих по двухдвигательной схеме (например, двухдвигательные скреперы), когда один двигатель устанавливается на тяга­ че, а другой на прицепе. При этом можно получить более компактные конст­ рукции, сохранив хорошую маневренность, скоростные качества и проходи­ мость машины. Машины, выполненные по двухдвигательной схеме, имеют соответственно две гидромеханические трансмиссии, каждая из которых состоит из гидро­ трансформатора, коробки передач, карданного вала и главной передачи, рас­ положенных в ведущих мостах тягача и прицепа. Управление обоими двигате­ лями и передачами осуществляется из кабины оператора, установленной на тягаче; при необходимости один из двигателей может быть отключен от транс­ миссии. 3. Соединение двух и более машин в один агрегат по схеме «тандем» или «катамаран». При использовании первой схемы машины устанавливают одну за другой так, что сзади идущая машина толкает впереди идущую, и таким образом тяговые усилия всех машин суммируются. По такой схеме работают, в частности, скреперные поезда. Агрегаты, составленные по схеме «катамаран», состоят из двух параллельно движущихся тракторов, связанных между собой общим рабочим органом, например, отвалом. По схеме «катамаран» работают бульдозеры (в США фирмой «Катерпиллер» создан такой агрегат, работающий с бульдозерным отвалом шириной 12,2 м и высотой 1,8 м). Чтобы наилучшим образом удовлетворить требования, предъявляемые к современной строительной и дорожной технике, необходимо совершенствовать основные части машин (силовые установки, передачи, исполнительные меха­ низмы, рабочее оборудование, ходовую часть), что приводит к новым компоно­ вочным решениям. В качестве силовых установок вместо бензиновых двигателей все чаще применяют дизельные двигатели. Они работают на более дешевом и менее ток­ сичном топливе, имеют более высокий коэффициент полезного действия. Пре­ имущества дизелей особенно заметны при установке их на машинах тяжелого класса. Одним из средств повышения тяговых свойств машин является установка индивидуальных двигателей на их колесах; такой тип привода получил назва­ 6 ние «мотор­колесо». Конструктивное исполнение его может быть различ­ ным. Электродвигатели или гидромоторы, развивающие большой вращаю­ щий момент (такие двигатели называются «высокомоментными»), встраивают в колесо или устанавливают рядом с ободом колеса без редуктора. В противном случае привод «мотор­колесо» состоит из двигателя и редуктора с обычной или планетарной зубчатой передачей. В приводах с электродвигателями по­ стоянного тока энергия к ним через систему электрических цепей подводит­ ся от тягового генератора постоянного тока, приводимого от дизеля тягача. В гидравлических приводах колесные гидромоторы питаются от гидрона­ сосов, которые приводятся в действие от главного двигателя машины. Опыт показывает, что дизель­электрические приводы с мотор­колесами и электро­ двигатели целесообразно использовать на самых тяжелых машинах, тогда как объемный гидропривод находит применение и на небольших машинах [ 1, 2]. Современные требования к приводам землеройных и землеройно­ транспортных машин сводятся к следующим: – широкий диапазон преобразования вращающего момента, обеспечивающе­ го большие тяговые усилия при малых скоростях движения; – изменение скорости движения в зависимости от сопротивлений движению без останова двигателя; – по возможности бесступенчатое регулирование скорости движения и плавное трогание с места; – возможность реверсирования, т. е. изменения направления движения. Этим требованиям в большой степени удовлетворяют гидравлические приво­ ды, которые в строительных и дорожных машинах приходят на смену тради­ ционным механическим приводам. Несмотря на более низкий КПД, гидрав­ лические приводы механизмов машин и их рабочего оборудования лучше, чем механические приводы, работают в условиях резких колебаний тяговых уси­ лий, изменения направления движения. Гидродинамический привод (гидротрансформатор и переключаемая под нагрузкой передача) обусловливает совершенно определенную компоновку агрегатов в конструкции машины. В этом отношении более предпочтительны­ ми оказываются гидрообъемные и электрические приводы, элементы которых имеют между собой гибкую связь, что позволяет расширить возможности конструктора при компоновке привода и машины в целом. Развитие гидрав­ лических землеройных машин идет по пути создания гидросистем высокого давления с регулируемыми поршневыми насосами при рабочем давлении 30 ...45 МПа. В последние годы значительно увеличился выпуск машин с шарнирно­ сочлененной ходовой рамой, состоящей из двух или трех секций, соединенных 7 между собой шарнирами (с вертикальными ходовой рамой осями), позволяю­ щими секциям рамы поворачиваться одной относительно другой в горизонталь­ ной плоскости. Некоторые зарубежные фирмы начали выпуск гусеничных ма­ шин с шарнирно­сочлененной рамой (рис. 1.1). Рис.1. 1. Схема погрузчика с четырехгусеничным ходом и шарнирно­сочлененной ходовой рамой: 1,9 – движители; 2, 8,12, 13 – звездочки; 3– двигатель; 4– портал; 5 – ковш; 6 – стрела; 7– гидроцилиндр; 10, 15 – оси; 11, 14 – тележки На передней секции рамы на портале 4 крепится стрела 6 с ковшом 5, на задней секции рамы устанавливается двигатель 3 и кабина оператора. Каж­ дый гусеничный движитель состоит из тележек с рамами 11 и 14, подвешенных к соответствующей секции ходовой рамы на осях 10 и 15; направляющих колес 8 и 13 и ведущих колес (звездочек) 12 и 2, которые приводятся от двигателя ма­ шины; ведущие колеса сообщают движение гусеницам 9 и 1. Два передних дви­ жителя имеют стабилизирующие гидроцилиндры 7. Каждая из четырех гусенич­ ных тележек может, поворачиваясь на своей оси, перемещаться относительно хо­ довой рамы, хорошо приспосабливаясь к неровностям поверхности качения. Землеройными машинами одного из наиболее распространенных типов явля­ ются экскаваторы – одноковшовые, многоковшовые и роторные. Современные одноковшовые экскаваторы легкого и среднего классов имеют гидравлический привод хода и рабочего оборудования, поэтому совершенствование их конструк­ ций во многом связано с совершенствованием конструкций гидроприводов и улучшением качества гидроаппаратуры. Традиционно применявшиеся на экска­ ваторах гусеничные хода в настоящее время заменяют гусеничными ходами трак­ торного типа, имеющими значительно меньшую массу и большую надежность. В качестве базы для полноповоротных одноковшовых экскаваторов, а также многоковшовых и роторных экскаваторов используют, в основном, собственные шасси, так как экскаваторы, созданные на базе промышленных тракторов, имеют существенно большую массу и на 30 ... 50 % большую стоимость. В последнее время значительно расширяются области применения экскава­ торов. При этом, кроме основного рабочего оборудования обратной и прямой лопат, их снабжают драглайном, валочно­пакетирующим устройством для сре­ зания, повала и пакетирования деревьев, грейферными захватами для пере­ грузки сыпучих, кусковых и длинномерных грузов, буровым оборудованием и др. 8 На рис. 1.2 показаны некоторые сменные рабочие органы, применяемые на экс­ каваторах. Рис.1.2. Сменные рабочие органы экскаватора: а – ковш обратной лопаты: б – ковш для рытья канав; в – ковш с рыхлителем; г – рыхлитель; д – отвал; е,ж,з – грейферные захваты; и – шнековый бур; к – гидромолот Совершенствование конструкций бульдозеров характеризуется расширением их типоразмерного ряда, содержащего гусеничные машины с двигателем мощ­ ностью 18...600 кВт и в перспективе до 1200 кВт и колесные машины с двигателем мощностью 50...400 кВт и в перспективе до 900 кВт. Машины сред­ него и тяжелого классов оборудуют бульдозерным отвалом, навешиваемым впе­ реди базового трактора, и рыхлителем, навешиваемым сзади трактора. В качестве базовых машин для бульдозерно­рыхлительного оборудования наиболее предпоч­ тительными являются промышленные гусеничные тракторы, имеющие классиче­ скую компоновку – переднее расположение двигателя и заднее размещение ка­ бины оператора. Такие тракторы обеспечивают хорошую видимость как передне­ го, так и заднего оборудования и не вызывают зарывание передней части маши­ ны при работе на мягких грунтах. Управление рабочим оборудованием у со­ временных бульдозеров, в основном, гидравлическое. Поэтому базовые трак­ торы имеют гидросистему для независимого подъема и перекоса отвала, а так­ же управления рыхлителем. Увеличение усилий для заглубления и выглубле­ ния отвала достигается путем повышения давления рабочей жидкости в гидро­ системе до 35 МПа и выше. Для повышения надежности отвалов бульдозеров и снижения энергоемко­ сти копания грунтов особое внимание необходимо обращать на выбор рацио­ нального профиля рабочей поверхности отвалов. Совершенствование конструкций базовых гусеничных тракторов связано, главным образом, с улучшением компоновочной схемы трактора и конструк­ 9 ции его ходовой части. Характерна в этом отношении схема ходовой части трактора, показанного на рис.1.3, а. Вал ведущих звездочек 2 (рис.1.3, б) располагается выше натяжных колес 5 и 1, вследствие чего гусеничный об­ вод ходовой части принимаем форму треугольника. . Рис. 1.3. Компоновочное решение гусеничного хода базового трактора бульдозера: а) – общий вид бульдозера; б) – схема гусеничного движителя; 1,5 – натяжные колеса; 2– ведущая звездочка; 3, 4 – катки Верхняя ветвь гусеницы опирается на два поддерживающих катка 3 и 4. Угол, образованный основанием и задней ветвью гусеницы, набегающей на ведущую звездочку, изменяется от 30 до 90°, а угол  обхвата ведущей звез­ дочки гусеницей от 115 до 130°. Вынесение вверх и вперед ведущих звездочек и конечной передачи дает возможность снизить нагрузки от воздействия неровностей поверхности ка­ чения и, как следствие, уменьшить их износ и вероятность повреждения при работе на скальных породах. Кроме того, описанная компоновка ходовой час­ ти базового трактора позволяет уменьшить высоту расположения основных узлов трансмиссии, повысив устойчивость машины в продольном и попереч­ ном направлениях, и одновременно с этим увеличить высоту расположения кабины оператора, улучшив обзорность при работе машины. При разработке скреперов все большее место занимает создание мощных самоходных двухдвигательных машин с ковшом вместимостью 25...40 м3 и двигателями суммарной мощностью 800 кВт и выше. Выпускают скреперы с дизель­электрическим приводом и мотор­колесами. Увеличивается выпуск скреперов с принудительной загрузкой ковша с помощью скребкового цепно­ го элеватора и с принудительной разгрузкой грунта выталкивателем бульдо­ зерного типа. Элеватор приводится от гидродвигателя через планетарный ре­ дуктор. Совершенствование конструкций автогрейдеров во многом связано с вне­ дрением систем управления поворотом машины, позволяющих улучшить ее ма­ невренность и устойчивость при работе на склонах. Все большее распростра­ нение получают автогрейдеры с шарнирно­сочлененной рамой; в этом случае поворот автогрейдера осуществляется как за счет поворота в плане передних управляемых колес, так и за счет «складывания» рамы в плане, что позволяет 10 значительно уменьшить площадь, необходимую для разворота машины. Ориги­ нальную схему поворота имеет одна из моделей автогрейдера шведской фирмы «Vо1vо» («Вольво»). У этой машины управляемыми являются передние колеса и задний ведущий мост, установленный на упорном подшипнике. Воздействуя на систему рулевого управления машины, можно одновременно поворачивать передние колеса и изменять в плане угол поворота заднего моста на 15° в обе стороны. Такое решение позволяет сохранить большое тяговое усилие при движении машины на поворотах и вместе с тем обеспечивает ее хорошую ма­ невренность. В автогрейдерах применяют, в основном, механические и гидромеханиче­ ские трансмиссии. Но в последнее время некоторые зарубежные фирмы начали использовать и гидрообъемные трансмиссии. В таких машинах главный дви­ гатель (дизель) приводит в действие гидронасосы, которые подают рабочую жидкость к гидромоторам, сообщая им вращение; от гидромоторов приводят­ ся ведущие колеса машины. Гидрообъемные трансмиссии получают все большее распространение в до­ рожно­строительных и других машинах, например в пневмоколесных погруз­ чиках. Они обладают хорошей тяговой характеристикой и позволяют незави­ симо изменять скорость движения каждой стороны ходовой части без разрыва потока мощности. При этом колесная машина может перемещаться вперед, назад или разворачиваться на месте так же, как и гусеничная; такой способ поворота имеет особенные преимущества для малогабаритных строительных и дорожных машин, предназначенных для работы в стесненных условиях. Для производства строительно­монтажных работ все большее применение находят самоходные пневмоколесные краны на базе грузовых автомобилей, а также мощные самоходные краны с многосекционной телескопической стрелой на многоосном шасси автомобильного типа (рис.1.4, а) и краны с телескопиче­ ской и решетчатой стрелами на специальном пневмоколесном шасси. На неко­ торых самоходных кранах большой грузоподъемности устанавливают башен­ но­стреловое оборудование (рис.1.4, б). Оно позволяет значительно увели­ чить высоту подъема груза и радиус его перемещения. Рис.1.4. Общий вид кранов на пневмоколесном ходу: а) − на многоосном шасси автомобильного типа; б, в) – на специальном пневмоколесном шасси 11 На самоходных кранах последних выпусков для привода всех механизмов применяют гидравлические системы с аксиально­поршневыми насосами и ре­ дукторами, от которых приводятся во вращение барабаны грузовой и стрело­ вой лебедок и поворотная платформа крана. В самоходных пневмоколесных кранах средней грузоподъемности для подъема и опускания стрелы часто ис­ пользуются гидроцилиндры, что значительно упрощает конструкцию рабоче­ го оборудования стрелы, так как при этом не нужно применять стреловую ле­ бедку и стреловой полиспаст для изменения вылета стрелы. Все большее внимание при проектировании и создании новой техники уделяется вопросам снижения материалоемкости конструкций. Эта задача ре­ шается как конструкторскими, так и технологическими средствами путем при­ менения легких и вместе с тем прочных материалов, использования прогрессив­ ной технологии для изготовления сборочных единиц и деталей машины, вы­ бор рациональных форм профилей для несущих конструкций, применения ак­ тивных рабочих органов, действие которых основано, например, на использо­ вании вибрационного, виброударного или взрывного эффектов. К машинам и механизмам предъявляют следующие основные требова­ ния: социальные; конструктивные, эксплуатационные и экологические. Социальные требования состоят в обеспечении удобства работы в маши­ нах, для чего предусматривают защиту рабочих от вибрационных и атмо­ сферных воздействий, удобное размещение приборов, безопасные условия труда. Различают активную, пассивную и послеаварийную безопасность. Под ак­ тивной безопасностью понимают комплекс эксплуатационных свойств, спо­ собствующих предотвращению аварийных ситуаций. К этим свойствам отно­ сят динамические и тормозные качества, устойчивость против заноса и опро­ кидывания, обзорность, обеспеченность сигнализацией и приборами, преду­ преждающими о критических ситуациях, надежность и долговечность эле­ ментов, разрушение которых может привести к аварии, обеспеченность зву­ ковой и световой сигнализацией при взаимодействии с другими участниками строительных процессов, а также автоматическими устройствами безопасно­ сти и блокировки. Чаще всего потеря устойчивости в поперечном направле­ нии при работе мобильных машин возникает при действии боковых сил, ко­ торыми могут быть: центробежная сила при движении машины на поворотах или при вращении поворотной платформы экскаваторов и кранов; боковая составляющая «массы» машины при движении по поверхности с поперечным уклоном; боковая составляющая внешней нагрузки. Обзорность – одно из важнейших свойств активной безопасности. Поэто­ му машина должна обеспечивать операторам хорошую видимость рабочих органов и окружающих их участков рабочей среды. Для мобильных машин, взаимодействующих с другими машинами комплекса в пределах строитель­ 12 ной площадки, обзор должен быть круговым. В ночное время обзорность за­ висит от освещенности рабочего пространства, которая должна соответство­ вать установленным нормам. Для обеспечения видимости через окна при осадках и во всем диапазоне температур на окна устанавливают стеклоочи­ стители, отмыватели и устройства, исключающие обледенение и запотевание стекол. Безопасности работы машины способствуют приборы звуковой и све­ товой сигнализации о нарушениях в тормозной системе, указатели грузового момента у кранов, креномеры, установка муфт предельного момента, уст­ ройств блокировки и др. Пассивная безопасность при возникновении аварийной ситуации должна исключать или хотя бы снижать травматизм экипажа. Это достигается в ос­ новном за счет повышения прочности и жесткости конструкции кабины, при­ менения безосколочных стекол, установки на окнах защитных решеток, при­ менения ремней безопасности и т. п. Послеаварийная безопасность требует от конструкции машин обеспечения быстрого выхода или эвакуации людей из аварийной машины. Для этого в верхней части кабины делают специальный люк. Конструктивные требования заключаются в том, что узлы машины, их компоновка, система управления должны иметь высокую надежность, долго­ вечность, допускать удобную замену деталей, а также быть хорошо приспо­ собленными к техническому обслуживанию. Эксплуатационные требования объединяют все требования к машинам, так как в процессе эксплуатации выявляются: работоспособность, надеж­ ность, технологичность, экономичность, эргономичность. Работоспособность − это состояние машин, при котором они способны выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно­ технической документацией. Надежность − это свойство машин выполнять заданные функции, сохра­ няя во времени значения установленных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам в условиях эксплуатации, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность машин зависит от необходимой наработки, которая может исчисляться в мото­часах, километрах пробега, часах работы. В последнее время рекомендуют учиты­ вать надежность в киловатт­часах (кВт∙ч) вместо мото­часов или километров пробега, так как киловатт­час имеет более тесную корреляционную связь (на 37%) с отказами, чем с километрами пробега или мото­часами. Технологичность машины оценивают по минимальным затратам средств, времени и труда в производстве, эксплуатации и ремонте [5]. Экономические требования заключаются в том, что стоимость единицы получаемой продукции должна быть минимальной. Это достигается при наи­ меньшей стоимости машины и малых эксплуатационных расходов, но при наибольшей ее производительности. 13 Высокопроизводительное использование машин в строительстве зависит как от организации, так и от условий их эксплуатации по времени: 1. Уровень использования машин по времени Т фак k и  100 , (1.1) Т реж где Т фак  фактическое время работы машины, ч; Т реж  продолжительность рабочего времени, установленная режимом работы, ч. 2. Коэффициент использования календарного времени – отношение чис­ ла часов рабочего времени, приходящегося на одну среднесписочную маши­ ну, к продолжительности календарного периода T k k  маш 100 (1.2) Т кал 3. Коэффициент использования внутрисменного времени. Это есть отно­ шение числа часов работы машины в течение смены к общей установленной продолжительности смены Т р.см kв  100. (1.3) Т см 4. Коэффициент сменности работы машины. Это есть отношение числа ча­ сов работы в день к продолжительности смены Т р.дн k см  100 . (1.4) Т см 5. Фактический средний коэффициент сменности (1.5) k см ф  ксм N cp Dcp / N об Dоб  , где N ср D cp ­ среднее количество машино­дней работы в году; N об D об  общее количество машино­дней работы в году. Эргономические свойства отражают соответствие конструкции машины гигиеническим условиям жизнедеятельности и работоспособности человека, а также его антропометрическим, физиологическим и психофизическим каче­ ствам. Эти же свойства оказывают влияние на напряженность труда человека, а следовательно, и на безопасность работы и производительность. Оптималь­ ное положение тела человека повышает точность и скорость его моторных действий, обеспечивает возможность длительной непрерывной работы без утомления. Поэтому оно должно находиться в положении, близком к состоя­ нию функционального покоя, при равномерном распределении массы по площади его опорных поверхностей, а спинка сиденья должна плотно приле­ гать к телу на грудном и пояснично­крестецовом участках позвоночника. Ор­ ганы управления располагают в пределах рабочей зоны рук машиниста. Для 14 удобной посадки людей различного роста кресла должны иметь регулировку для перемещения сиденья по высоте. Органы управления располагают в таком порядке, который обеспечивает возможность быстрого поиска нужного органа без зрительного контроля. Расположение и освещение рабочего места на машине должны обеспечивать оператору в положении сидя видимость всех объектов наблюдения. Для сни­ жения физического утомления машиниста величины усилий, необходимых для приведения в действие органов управления, не должны вызывать чувства усталости при пользовании ими. Применение автоматизации управления и автоматических передач сокращает число операций на педалях и рукоятках управления, что снижает утомляемость машиниста. Рациональное оснащение рабочего места машиниста приборами, контролирующими состояние маши­ ны, а также характеристики микроклимата в значительной мере определяют габариты кабины. Оптимальные характеристики микроклимата в кабине ма­ шиниста приведены в табл. 1.1 (ГОСТ 12.1.005—96). Помещение кабины должно быть герметичным для исключения проникновения в него оксида уг­ лерода и других токсических веществ, а также пыли. Таблица 1.1 Характеристики микроклимата в кабине машиниста Период года Холодный Теплый Температура воздуха, оС ­23...16 +25...18 Влажность, % 40...60 60...40 Скорость движения воздуха, м/с 0,2...0,3 0,2...0,3 Оценить микроклимат и комфортность на рабочем месте можно по таким параметрам, как температура воздуха в кабине оператора, относительная влажность воздуха и скорость его движения. Имеется некоторый диапазон значений этих параметров, образующих так называемую зону «теплового эф­ фекта», который необходимо постоянно поддерживать на рабочем месте опе­ ратора. Для определения зоны «теплового комфорта» можно воспользоваться номограммой, показанной на рис. 1.5. Рис.1.5. Номограмма для определения зоны «теплового комфорта» в кабине оператора 15 Для этого измеряют температуру в кабине оператора при сухом и влажном Т в воздуха. Затем через деления на левой и правой шкалах, соответствующих измеренным температурам, например через деления 24,5 о С на левой шкале и 14 о С на правой, проводят прямую линию. Если точка ее пересечения с лини­ ей, соответствующей измеренной скорости воздуха, например 1 м/c, находит­ ся в пределах зоны «теплового комфорта», очерченной на номограмме, то микроклимат в кабине можно считать удовлетворительным. Антропометрические требования, определяющие соответствие размеров, геометрии и конструкции рабочего места, например, кабины машины, антро­ пометрическим характеристикам оператора, т. е. форме, размерам и массе его тела, а также физиологически рациональным позам оператора на рабочем месте при управлении машиной. Важным показателем, влияющим на условия и безопасность труда опера­ тора, является обзорность с рабочего места, которая характеризуется коэффи­ циентами горизонтальной К глр и вертикальной К верт обзорности Ê ãîð  Àâèä / Àîáù  Àìàø ; К верт   д /  nh , где Àâèä  видимая с рабочего места оператора часть общей площадки; Àîáù  общая площадь площадки, для которой измеряется обзорность; Àìàø  площадь проекции машины на опорную площадку;  д ,  тр  дейст­ вительный и требуемый угол обзорности. Угол обзорности определяют как сумму двух углов 1 и  2 . Первый обра­ зован горизонталью, проходящей на уровне глаз сидящего оператора, и исхо­ дящим из той же точки лучом, направленным вверх и проходящим через верхнюю кромку лобового окна кабины, либо через головку стрелы рабочего оборудования машины при верхнем положении стрелы. Угол  2 образован той же горизонталью и направленным вниз лучом, проходящим через ниж­ нюю точку лобового окна, либо через режущую кромку рабочего органа при его нижнем положении. Угол обзорности вперед не должен быть меньше 220 о ; оператор должен видеть основание (дорогу) на расстоянии не менее 3 м впереди машины, а также хорошо видеть ее рабочие органы. Для комплексного определения эргономических свойств машины часто используют метод экспертных оценок. При применении этого метода каждо­ му эргономическому показателю, например, усилиям на рычагах и педалях управления, уровням вибрации и шума, микроклимату в кабине и т. д., при­ сваивается свой весовой коэффициент кi (при этом для всех n показателей n  ki  1) . Каждый весовой коэффициент умножают на число баллов, простав­ i 1 ленное экспертами для данного показателя (число баллов тем больше, чем 16 лучше микроклимат, меньше усилия на рычагах и педалях, ниже уровня виб­ рации и шума), и их произведения суммируют. Чем выше полученная сумма, тем выше в целом эргономические свойства машины. Физиологические требования, определяющие соответствие параметров машины силовым и скоростным возможностям оператора в процессе управ­ ления машиной, учитывающие возраст, пол и тренированность оператора. Экологические требования. Содержание СО не должно превышать в каби­ не 20 мг/м3, а CO2 — 0...10 мг/м3. Вредное влияние шума и вибрации на ма­ шиниста должно быть ограничено. Предельный допустимый уровень шума на месте машиниста согласно ГОСТ 12.1.003−96 не должен превышать 85 дБ. Предельные допустимые характеристики вибрации на рабочем месте опреде­ лены стандартом. Работа машины должна исключать вредное ее влияние на работающих поблизости людей и окружающую природу. Количество токси­ ческих веществ, поступающих в атмосферу с выхлопными газами от двигате­ ля машины, должно быть ограничено предельными значениями по ГОСТ 12.1.005—96. Cуммарный массовый выброс i­го загрязняющего вещества машинами n  ri   M 1i  M 2i  K ris т, (3.19) j 1 где М 1i , M 2i  масса выбросов i­го загрязняющего вещества на один кВт∙ч энергии двигателя, которые приведены в табл.3.10; K ris  коэффициент, учи­ тывающий влияние технического состояния машины на массовый выброс i­ го загрязняющего вещества ( Ê ris  k rco  1,75; k rcí  1,48; krNO2  1,0; k rso2  1,15; k rpb  1,15 ). Для машин с дизельными двигателями Ê ris  ( K rco  1,6; K rcH  2,1; K rno  1,0; K c  1,9; K rso  1,15 ). Для того чтобы оценить фактическое состояние машины, нужно взять от­ ношение фактической суммарной токсичности Мф к ее нормативному Мнорм значению. Это и будет коэффициент (К) приспособленности машины к ок­ ружающей среде. Если выбросы равны нормируемым, то, очевидно, К= 1; если меньше нормируемых, он больше единицы; если больше нормируемых, он меньше единицы, табл.1. 2. 17 Таблица 1.2 Выбросы токсичных веществ в зависимости от режима работы двигателя Режим работы Содержание токсичных веществ в отработавших Коэффициент двигателя или газах приспособлен­ автомобиля Углеводороды, Монооксид Оксиды азота, ности углерода, % мг/м 3 мг/м 3 Холостой ход Средняя скорость движения Разгон Торможение 500 4 10 1 200 1 1000 0,19 50 3000 0,5 2 1000 5 0,61 1,91 Эстетические свойства машины должны способствовать формированию положительных эмоций, следовательно, и повышению работоспособности обслуживающего персонала. С целью снижения выбросов с отравляющими веществами используют нейтрализаторы. 1.2. Структура каталитического конвертора Каталитический нейтрализатор осуществляет очистку отработавших га­ зов двигателей с искровым зажиганием (в настоящее время нейтрализаторы также используются и в дизельных двигателях). Его размещают как можно ближе к двигателю для быстрого нагрева до рабочей температуры. Нейтрали­ затор занимает место переднего глушителя, его снабжают устройствами, ко­ торые, кроме очистки отработавших газов, обеспечивают снижение шума вы­ пуска. В зависимости от размера двигателя предусматривают установку одно­ го или большого числа глушителей. На V­образных двигателях левые и правые ряды цилиндров часто имеют свои нейтрализаторы или глушители, которые затем соединяются вместе с образованием одного большого глушителя. Выпускные трубы обеспечивают объединение всех выпускных окон в головке цилиндров в один или большее число выпускных коллекторов, а также соединяют между собой каталитиче­ ский нейтрализатор и глушители. Объем труб, а также тип соединений влия­ ют на мощность и акустические параметры двигателя. Поэтому система вы­ пуска двигателя с большими рабочими объемами часто имеет две выпускные трубы. Трубы, каталитический нейтрализатор и глушители соединяются по­ средством втулок фланцев. Во многих системах все их основные компоненты сварены между собой с образованием одного элемента. Система выпуска крепится к днищу машины с использованием упругих элементов, так как вибрации от выпускных труб, 18 вызываемые выпуском отработавших газов, могут передаваться в кабину и повышать шумность. Шум выпуска у среза выхлопной трубы может также привести к возникновению резонансных колебаний кабины. Общий объем глушителей должен быть приблизительно в 3…8 раз больше рабочего объема двигателя. Масса системы выпуска может колебаться от 8 до 40 кг. Каталитический нейтрализатор содержит керамические блочные носители с покрытием из активного каталитического вещества. Для компенсации раз­ личных коэффициентов теплового расширения у стали, из которой изготав­ ливается корпус нейтрализатора, и керамического материала и для защиты блочного носителя от ударных нагрузок и вибраций применяются два типа упругих монтажных элементов в виде проволочной сетки, изготовленной из термостойкой нержавеющей стали. Альтернативой керамическому монолитному блоку является металличе­ ский каталитический нейтрализатор. Он изготавливается из гофрированной металлической фольги толщиной 0,05 мм, шамота и соединяется твердым припоем при высокой температуре. Поверхность фольги покрывается дейст­ вующим катализатором. Благодаря тонким стенкам фольги в тех же габари­ тах, что и у керамического нейтрализатора, может быть размещено большее число каналов. Это приводит к меньшему сопротивлению прохождения отра­ ботавших газов. Рассмотрим цилиндрический конвертор диаметром d и длиной l , вклю­ чающего в себя N каналов. Сечение каналов имеет форму равнобочной тра­ пеции с основаниями a 1 и a 2 и высотой h, тогдa площадь сечения одного канала (1.6) A1  (a1  a2 ) / 2h , периметр сечения канала (1.7) р1  a1  a 2  a 2  a1 2  4h 2 ; площадь поверхности одного канала 2   (1.8) s1   a1  a2  a1  a2  4h 2 l ,   взаимосвязь общего числа каналов в конверторе с параметрами одного канала d 2 N ; 2a1  a2 h площадь внутренней поверхности всего конвертора  s удельная поверхность  2 d 2l d 2l a1  a2   4h2 ;  Ns1   2h 2a1  a2 h 19 2 а1  а2  а2  а1 2  4h 2  , s уд    (1.9) Vкон 2a1  a2  h где Vкон  объем конвертора. Из полученных уравнений можно отметить, что чем больше h – расстоя­ ние между витками ленты, тем меньше внутренняя площадь поверхности ка­ талитического блока. Чем меньше размеры трапеции (величины а 1 и а 2 ) и чем ближе трапеция к треугольнику, тем больше удельная поверхность и из­ менение концентрации по длине каталитического конвертора. Рассмотрим один канал квадратного сечения длиной dl и единичный объем газа, двигающийся по каналу с линейной скоростью  г = 70…100 м/с. Вели­ чина линейной скорости в каждом канале одинаковая и определяется исход­ ным количеством выхлопных газов Q (cм 3 /с) и площадью сечения конвертора А кон (см 2 ), тогда Q 4Q г  = . Aкон d 2 Скорость конверсии  (изменение концентрации) СО, NO 2 в этом эле­ менте объема будет определяться   dc / dt . В большинстве случаев гетеро­ генно­каталитических процессов допустимо принять, что реакция конверсии в целом протекает как реакция первого порядка. В этом случае скорость про­ цесса пропорциональна концентрации вещества, находившегося в единице объема ( V ) в первой степени, и площади поверхности катализатора, прихо­ дящейся на эту же единицу объема (т. е. удельной поверхности s уд ), с коэф­ фициентом пропорциональности, равным эффективной константе скорости к эф . Тогда скорость конверсии равна s dc  k эф cs уд . (1.10) dt В каждом канале устанавливается стационарное состояние, и концентра­ ция С i в каждой точке по его длине l представляет собой временную разверт­ ку поведения изолированной зоны, где t = l/  г . После подстановки значения t в выражение (1.10) и интегрирования полученное уравнение в пределах от 0 до l при изменении концентрации компонентов на этом пути от начальной ñ î до текущей с ñ dc l 4k 4k эф c ýô   dl или (1.11) ln   l.   co a г ñî c 0 a ã После преобразований из (1.11) можно получить уравнение, показываю­ щее, как убывает концентрация токсичных компонентов по длине канала и конвертора в целом 20  4k эф  c  co exp  l. (1.12)  a г  Из этого следует, что концентрация компонентов в каждом отдельном ка­ нале и конверторе в целом убывает по длине одинаково. Наибольшее количе­ ство токсичных компонентов должно нейтрализоваться на начальном участке каталитического блока. Начиная с некоторой длины конвертора, концентра­ ция компонентов будет убывать незначительно. Длина конвертора, на кото­ рой прореагирует 98% всей начальной концентрации компонента, может быть найдена из уравнения (1.11) 4k эф c ln  ln 0,98   l , co a г откуда после преобразований ln 0,98 г а , l 4к эф или с учетом линейной скорости единичного объема 2,02  10 2 Q  a l . d 2 k эф С увеличением диаметра конвертора и числа каналов в нем уменьшается линейная скорость движения газовой смеси. Для уменьшения длины конвер­ тора следует уменьшать скорость газов в каждом канале, увеличивая диаметр каталитического блока, либо уменьшать размер канала. На размеры катали­ тического блока влияет эффективная константа скорости процесса. В каждом канале конвертора химическая реакция между компонентами газовой смеси протекает на его стенках. Поэтому прежде чем прореагировать, реагенты должны продиффундировать из центра потока к каталитической по­ верхности сквозь слой инертных газов и уже образовавшихся продуктов кон­ версии. Рассмотрим одно из поперечных сечений канала конвертора при устано­ вившемся стационарном распределении концентрации реагирующих газов. При этом поток вещества, движущийся в результате диффузии через площадь А в направлении z к стенке в единицу времени и соответствии с законом Фи­ ка, равен dc J d  D  A , dz где D – коэффициент диффузии компонента. Градиент концентраций, устанавливающийся в поперечном сечении прямо­ угольного канала dc/dz, можно приближенно записать через конечные вели­ чины концентраций и расстояния, на котором диффундирует компонент 21 dc 2c1  c   , dz a где с – концентрация компонента в центре потока; с 1 – концентрация этого же компонента вблизи реакционной поверхности стенки канала; а/2 – поло­ вина стороны прямоугольника, на котором происходит данное снижение кон­ центрации. С учетом этого диффузионный поток к стенке можно записать в виде 2d c  c1 s Jd  , (1.13) a другой поток – поток вещества, превращающегося на поверхности катализа­ тора в продукты за счет химической реакции в единицу времени составит (1.14) J ch  k гет c1 s , где к гет – константа скорости собственно гетерогенной химической реакции, которая определяется природой реагирующих веществ, составом катализато­ ра и зависит от температуры; А – площадь поверхности, на которой происхо­ дит химическая реакция. Приравнивая правой части уравнений (1.13) и (1.14), получаем 2d c  c1 À = k гет c1s = к эф с s, a или после преобразований 1 1 а (1.15)   0,5 . к эф к гет d Таким образом, эффективная константа скорости к эф в уравнении (1.15) определяется, в соответствии с (1.11), скоростью гетерогенной химической реакции, коэффициентом диффузии компонентов, а также расстоянием, кото­ рое должны преодолеть молекулы токсичных газов до каталитической по­ верхности. Увеличивая размер каждого канала, будет замедляться диффузия и уменьшаться эффективная константа скорости конверсии. Для подобных процессов известно, что диффузия компонентов в острые углы реактора и к удаленным от центра потока поверхностям (каналы с узким вытянутым сече­ нием) будет проходить заметно дольше, и эффективность этих поверхностей для нейтрализации оказывается низкой. На рис.1.6 приведены некоторые примеры сечений каналов. Из их сравне­ ния видно, что в круглых каналах поверхность равнодоступна. Однако про­ межутки между окружностями так же имеют труднодоступные острые углы. Поэтому доступность всей поверхности канала для диффузии можно достиг­ нуть оптимизацией параметров конвертора. Имея целевую функцию в виде заданной эффективности нейтрализации и используя вышеперечисленные за­ висимости, можно легко получить выражения, связывающие длину, диаметр и параметры канала конвертора. Константа скорости гетерогенной реакции, 22 так же как и коэффициент диффузии, увеличиваются с повышением темпера­ туры (по уравнению Аррениуса). Однако наиболее сильная зависимость кон­ станты скорости гетерогенной реакции остается от структуры и химического состава используемого катализатора. Технологический процесс заключается в нанесении на готовый субстрат (носитель) каталитического покрытия с высо­ кой точностью. Смесь высокодисперсных окислов металлов (Al, Ce, Zr и др.) с удельной площадью до 160 м 2 на грамм, пропитывают химическими реа­ гентами и растворами солей драгоценных металлов (Pt, Rh, Pd), при этом об­ разуются нерастворимые соединения драгоценных металлов, которые осаж­ даются на поверхности оксидов. Рис.1.6. Схемы сборки катализаторов Указанную смесь смешивают с водой, и полученный раствор (суспензию) наносят на внутреннюю поверхность керамического субстрата с последую­ щей сушкой и высокотемпературным обжигом. Данные операции произво­ дятся на специализированной автоматической линии. При обжиге происходит полное восстановление драгоценных металлов, которые закрепляются на по­ верхности высокодисперсных оксидов в виде образований, размером не более нескольких десятков атомов. Финская компания «Кемира» разработала новый тип катализатора, его намечено осуществлять в двух основных модификациях: трехкомпонентные и катализаторы окисления. Новая система состоит из металлической подложки, тонкого грунтовочного покрытия, каталитически активного вещества и обо­ лочки. Оболочка изготавливается из хромистой стали. В качестве подложки используют металлическую основу (ферритовой хромо­алюминиевой стали с добавлением редкоземельных элементов) вместо керамики. Высокая проч­ ность металла и хорошая обрабатываемость дают возможность изготовить стенки преобразователя достаточно тонкими, что в результате обеспечивает общее увеличение геометрической площади металлической подложки. Благо­ даря малой толщине (0,04 мм без покрытия), конструкция подложки может быть изготовлена таким образом, что эффективное поперечное сечение зна­ чительно выше, чем при использовании керамического материала. Эффек­ тивное поперечное сечение без покрытия составляет 91%. 23 Каталитические нейтрализаторы создают дополнительный шум при нали­ чии узких каналов, по которым распространяется газ, из­за чего образуется множество небольших источников шума. При проектировании выпускной системы каталитический нейтрализатор должен быть проработан так, чтобы избежать высоких уровней сопротивления проходу отработавшего газа, кото­ рые в значительной мере влияют на вибрационные характеристик всей систе­ мы, а также на мощностные показатели двигателя. 1.2. Совершенствование структуры парка и классификация машин Под структурой парка машин понимается количественное соотношение между машинами одного и того же функционального назначения, но разными по своим производственным возможностям (например, количественное соотно­ шение между погрузчиками малой, средней и большой грузоподъемности) и между машинами разного функционального назначения (например, количествен­ ное соотношение между одноковшовыми погрузчиками и экскаваторами, между экскаваторами и скреперами и т. д.). От того, насколько данная структура парка удовлетворяет потребностям строительного объекта, во многом зависят эффек­ тивность использования техники и стоимость выполняемых ею работ. Поэтому с точки зрения эксплуатации важно обеспечить не только высокое качество и необ­ ходимые параметры и характеристики какого­то определенного типа машин, но и необходимые (оптимальные) пропорции между различными видами техники для данной отрасли народного хозяйства. Так, например, для разработки мерзлых грунтов можно использовать ди­ зель­молоты или буровые машины, либо мощные рыхлители, работающие вме­ сте с траншеекопателями. Однако производительность машин и стоимость выпол­ няемых работ в обоих случаях будут не одинаковы: производительность дизель­ молотов или буровых машин ниже, а стоимость производимых ими работ в 5…6 раз выше. Следовательно, отсутствие мощных рыхлителей и соответствующего количества траншеекопателей не позволяет применить передовые технологиче­ ские приемы для разработки мерзлых грунтов и неизбежно приводит к сниже­ нию основных экономических показателей. Вместо одноковшовых строительных экскаваторов, которые обычно работают вместе с бульдозерами, разравнивающими грунт, и с самосвалами, отвозящими грунт, наиболее эффективным является применение одноковшовых погрузчиков, которые могут работать без бульдозеров и самосвалов, перемещая грунт в ковше к месту разгрузки. К тому же погрузчики с ковшами такой же вместимостью, что и ковши экскаваторов, имеют в 1,3...2 раза меньшую массу (и, следователь­ но, меньшую материалоемкость),чем экскаваторы. Поэтому, если промышленно­ 24 стью выпускается слишком большое число одноковшовых экскаваторов и малое число погрузчиков, то это невыгодно для народного хозяйства, так как при этом снижается производительность машин и повышается стоимость работ. То же самое характерно и для скреперов, применение которых при опреде­ ленных условиях может оказаться значительно выгоднее, чем одноковшовых экскаваторов, так как скрепер без помощи бульдозеров и транспортных средств может разрабатывать и разравнивать грунт и транспортировать его в ковше на некоторое расстояние. При большом объеме земляных работ экономически це­ лесообразно использовать мощные скреперы с ковшом большой, а не малой и средней вместимости, что позволяет уменьшить число скреперов и количество операторов, управляющих ими; последнее весьма важно с точки зрения эконо­ мии трудовых ресурсов. Невыгодным может оказаться и слишком большое чис­ ло гусеничных бульдозеров или гусеничных экскаваторов и погрузчиков по сравнению с теми же машинами на пневмоколесном ходу, так как последние имеют меньшую материалоемкость, лучшую маневренность, они более быст­ роходны, чем гусеничные машины, и могут собственным ходом перемещаться по хорошим дорогам. Таким образом, наряду с повышением качества и технического уровня строительных и дорожных машин, одновременно должна решаться и другая задача — совершенствование структуры парка и классификация строитель­ ных и дорожных машин. Решение этих задач является неотъемлемой частью решения общей проблемы интенсификации использования техники на строи­ тельной площадке и повышения на этой основе производительности труда и экономии трудовых и материальных ресурсов. Классификация машин. Основой для наиболее общей классификации ма­ шин и оборудования могут служить основные виды работ. Исходя из этого, машины можно разделить на следующие основные классы: транспортные, транспортирующие и погрузо­разгрузочные; грузоподъемные; машины и оборудование для земляных работ; оборудование для свайных работ; для дробления, сортировки и мойки каменных материалов; машины и оборудова­ ние для приготовления, транспортирования бетонов и растворов и уплотне­ ния бетонной смеси; для отделочных работ; ручной механизированный инст­ румент, предназначенный для выполнения различных видов работ в строи­ тельстве. Классы машин делятся на отдельные группы, типы, типоразмеры в соответствии с технологическим назначением, характером рабочего процесса, общим конструктивным решением и техническими параметрами. Например, машины для земляных работ делятся на группы по характеру рабочего про­ цесса: землеройные (экскаваторы), отрывающие и перемещающие грунт на небольшие расстояния, определяемые конструктивными элементами маши­ ны; землеройно­транспортные (бульдозеры, скреперы, грейдеры, грейдер­ элеваторы), разрабатывающие грунт во время движения и перемещающие его на определенное расстояние; для гидравлической разработки грунта (земле­ 25 сосы, гидромониторы); рыхлители твердых и мерзлых грунтов; грунтоуплот­ няющие; буровые; для подготовки площадки (вспомогательные) – корчевате­ ли, кусторезы, камнеуборочные и др. Многие группы машин делятся на типы, например экскаваторы – одноковшовые канатные и гидравлические. В свою очередь большинство типов машин по главным параметрам подразделяется на типоразмеры. Главным параметром может служить, например, вместимость ковша (экс­ каваторы), максимальная грузоподъемность (краны) или масса машины, мощность силовой установки и т. п. Например, одноковшовые экскаваторы имеют шесть типоразмеров с ковшами вместимостью q = 0,25; 0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5 м3. Кроме деления машин по указанным признакам и параметрам в за­ висимости от режима рабочего процесса строительные машины подразделя­ ются на два больших класса: циклического действия и непрерывного дейст­ вия. Например, в экскаваторе одноковшовом циклического действия непо­ средственно процесс копания грунта занимает 25...30 % от времени рабочего цикла, в остальное время производятся операции поворота платформы и вы­ грузки грунта. В то же время экскаватор непрерывного действия непрерывно разрабатывает грунт и одновременно транспортирует его. Достоинствами машин циклического действия являются их универсальность и приспособ­ ленность к работе в различных условиях. Достоинства машин непрерывного действия – их большая производительность и лучшие технико­экономические показатели при специальных условиях работ. Около 80 % машин в строитель­ стве имеют собственное ходовое оборудование. По типу ходового оборудова­ ния они подразделяются на гусеничные, пневмоколесные, рельсовые, колес­ ные и шагающие. Строительные и дорожные машины делят также на универсальные, спо­ собные быстро менять рабочее оборудование и выполнять различного рода работы, и специальные, предназначенные для выполнения одного специаль­ ного вида работ. Последние в определенных условиях работы обеспечивают более высокие технико­экономические показатели. По роду используемой энергии силовой установкой строительные машины делятся на электрические и работающие от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Первые обладают большей готовностью к работе по сравнению со вторыми. Важным преиму­ ществом вторых перед первыми является их автономность от источника энер­ гии. Существует еще классификация на отдельные типы машин по различным конструктивным особенностям. Все мобильные строительные машины можно представить как системы, состоящие из следующих основных частей: силово­ го оборудования, трансмиссии, рабочего оборудования, ходового оборудова­ ния и системы управления. В свою очередь, эти части обычно состоят из от­ дельных агрегатов и сборочных единиц, а последние — из деталей. Кроме структурных схем для машин принято различать также их конструктивные и 26 кинематические схемы, а для машин с гидро­ и электроприводами также схе­ мы их гидро­ и электроприводов. Конструктивные схемы определяют принципиальное устройство – конструкцию машин. Кинематические схемы показывают взаимосвязи элементов механическо­ го привода. Схемы гидро- и электроприводов показывают взаимосвязи гидравличе­ ских и электрических систем в приводе. Для составления кинематических и гидравлических схем используют ус­ ловные обозначения. Основные части строительных и дорожных машин (за исключением рабочего оборудования), а также их агрегаты, сборочные еди­ ницы и детали имеют много общего. Поэтому в данной главе рассмотрены общие сведения, касающиеся общих частей машин и основных технико­ экономических показателей машин. 1.5. Общая характеристика приводов и силового оборудования машин Привод – это совокупность силового оборудования, трансмиссии и сис­ тем управления, обеспечивающих приведение в действие механизмов маши­ ны и рабочих органов. По системе приводов строительные машины подразде­ ляются на машины с групповым и многомоторным приводом. Во первых, привод всех механизмов исполнительных рабочих органов осуществляется с помощью муфт, тормозов и механических передач. Во­вторых, каждый ис­ полнительный механизм приводится в движение от индивидуального элек­ тро­, гидро­ или пневмодвигателя. Возможность обеспечения более высокого КПД, простоты и агрегатности конструкции, автоматизации, лучших условий эксплуатации и ремонта предопределяет преимущественное применение на строительных машинах индивидуального привода механизмов. Общими тре­ бованиями, предъявляемыми к приводу большинства строительных и дорож­ ных машин, являются: автономность силового оборудования от внешнего ис­ точника энергии, обеспечение минимальных габаритов, массы, большая на­ дежность и готовность к работе, высокий КПД, простота реверсирования ме­ ханизмов и регулирования скоростей и рабочих усилий, обеспечение плавно­ сти включения механизма, независимость рабочих движений при возможно­ сти их совмещения, простота автоматизации системы управления, реализация блочных и агрегатных конструкций элементов привода. Дополнительные требования определяются режимом работы машины, который в основном ха­ рактеризуется отношением максимальных крутящих моментов (нагрузок) к средним Т max / Tcp , отношением максимальных частот вращения (скоростей) к средним  max / cp , продолжительностью времени включения привода 27 (ПВ) в процентах от общего времени работы машины и количеством включе­ ний в час (КВ). В зависимости от степени изменения этих параметров, кото­ рые колеблются для многих машин в пределах Т max / Tcp =1,1...3,0, ПВ=15...100 %, КВ=10...600, режимы нагружения многих машин и их отдель­ ных механизмов привода условно подразделяют на легкий, средний, тяжелый и весьма тяжелый. Исходя из этих условий для многих машин также требует­ ся, чтобы у приводов была высокая перегрузочная способность, способность ограничивать максимальные нагрузки, мягкая механическая характеристика, определяемая существенным изменением крутящего момента привода при изменении его угловой скорости. Вид привода должен соответствовать усло­ виям работы машины [9]. Мощность привода, необходимая для выполнения рабочих операций, (1.16) Ðï  Fc èëè Pï  Tñ , где Fc , Tñ – усилие и момент сопротивления, преодолеваемые исполнитель­ ными механизмами; υ,   линейная и угловая скорости этих механизмов. Силовое оборудование. В качестве силового оборудования на строитель­ ных и дорожных машинах используются обычно тепловые двигатели внут­ реннего сгорания (ДВС), как правило, дизельные, и реже − бензиновые [11, 12]. Рис.1.7. Продольный и поперечный разрез двигателя Мощность дизелей (рис. 1.7), применяемых на тяжелых землеройно­ транспортных машинах, достигает 1000...1200 кВт. Дизельные двигатели об­ ладают относительно высоким КПД (30...37%), сравнительно невысокими удельной массой (3...4 кг/кВт) и расходом горючего (0,180...0,220 кг/(кВт∙ч). Поперечный разрез двигателя показан на рис.1.7. К недостаткам дизельных двигателей в приводе машин следует отнести затруднения запуска двигателя 28 при эксплуатации при низких температурах и большую чувствительность к перегрузкам, связанную с его жесткой механической характеристикой. На­ грузочная и скоростная характеристики приведены на рис.1.8. Механическая характеристика дизельного двигателя, определяемая изме­ нением крутящего момента на валу и соответствующим усилием на рабочем органе в функции частоты его вращения и соответствующей скорости рабоче­ го органа, характеризуется кривой 1 на рис. 1.9. а) б) Рис.1.8. Регуляторная (а) и скоростная характеристики (б)дизеля Рис. 1.9. Механические характеристики силового оборудования: 1−дизеля; 2−электродвигателя переменного тока с фазным ротором;2´− электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором;3− электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением; 4−электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением; 5−трехобмоточный генератор­двигатель постоянного тока (ТГ—Д); 6 − ге­ нератор­двигатель с электромашинным усилителем (Г—Д с ЭМУ); 7−нерегулируемого гидронасоса; 8− регулируемого гидронасоса Кривая 1 показывает, что в основной рабочей зоне характеристики крутя­ щий момент нарастает от 0 до величины Т н при очень незначительном изме­ нении частоты вращения. При дальнейшем изменении частоты вращения вала до момента начала опрокидывания (заглохания) двигателя крутящий момент возрастает незначительно – на 8...13%. В машинах, не требующих автономно­ сти от внешнего источника энергии, в качестве силового оборудования ис­ 29 пользуют электродвигатели переменного или постоянного тока. Электродви­ гатели переменного тока, питающиеся обычно от электросети напряжением 380...220 В с нормальной частотой 50 Гц, конструктивно просты, дешевы, на­ дежны и удобны в эксплуатации, поэтому наиболее широко применяются в качестве силового оборудования на строительных машинах. Электродвигате­ ли с короткозамкнутым ротором наиболее просты, надежны и удобны в управлении. Однако в процессе их работы они имеют большой пусковой ток. Эти двигатели, механическая характеристика которых на рис. 1.8 представ­ лена кривой 2', не имеют также достаточных возможностей регулирования скоростей в зависимости от нагрузки. Поэтому наиболее часто их применение ограничивается небольшими мощностями—до 8...10 кВт. Асинхронные элек­ тродвигатели переменного тока с фазным ротором, механическая характери­ стика которых представлена на рис. 1.4 кривой 2, позволяют с помощью включения дополнительных сопротивлений в цепь ротора получить, кроме того, характеристики с различными степенями жесткости и способностью ре­ гулирования скорости от нагрузки. Эти характеристики обеспечивают удов­ летворительные условия пуска и торможения механизмов. Асинхронные электродвигатели обладают высокой перегрузочной способностью, опреде­ ляемой отношением максимального момента к номинальному, т. е.   Tmax / Tíîì . Для электродвигателей общего назначения   1,8...2,2 , а для элек­ тродвигателей специального кранового исполнения   2,5...3,4. Недос­ таток асинхронных электродвигателей – их высокая чувствительность к коле­ баниям напряжения в питающей сети, что имеет место на стройплощадке. В грузоподъемных машинах, требующих точной остановки и плавной посадки грузов, применяют также двухскоростные асинхронные короткозамкнутые двигатели с соотношением скоростей 2; 8/3; 3; 10/3. В приводе ручных машин для снижения массы электродвигателей осуще­ ствляют их питание напряжением повышенной частоты. Так, переход с по­ мощью специальных преобразователей на питание электродвигателей с час­ тотой 50 на 400 Гц уменьшает массу электродвигателей в 3,5 раза. Примене­ ние высокочастотных двигателей, имеющих жесткую характеристику, удобно для ручных машин с высокими скоростями рабочих органов, в которых изме­ нение нагрузки одновременно не должно существенно влиять на частоту вращения вала. В приводе ручных машин часто применяют однофазные коллекторные двигатели, обладающие высокой удельной мощностью на единицу массы и мягкой механической характеристикой, обеспечивающей изменение скорости рабочего органа при росте на нем нагрузки. Двигатель малочувствителен к колебаниям напряжения в питающей сети, устойчиво работает в режиме час­ тых пусков, может включаться в сеть постоянного тока и переменного без 30 преобразователей. К недостаткам таких двигателей следует отнести их боль­ шую стоимость из­за наличия коллектора и щеток, а также необходимость высококвалифицированного обслуживания. Среди различных типов электродвигателей особо можно выделить одно­ фазный электромагнитный вибродвигатель. Отличаясь простотой конструк­ ции и высокой надежностью в работе, электродвигатель производит непо­ средственное преобразование электромагнитной энергии в механическую с возвратно­поступательным движением. Это определяет основную область их применения в молотках и перфораторах, а также в качестве универсальных вибровозбудителей в вибропитателях, дозаторах, виброгрохотах, вибрацион­ ных насосах. Электродвигатели постоянного тока обеспечивают лучшую плавность пуска и торможения механизмов по сравнению с двигателями переменного тока. Как видно из рис. 1.9, двигатели с последовательным возбуждением об­ ладают мягкой (кривая 3), с параллельным возбуждением — жесткой (кривая 4) механическими характеристиками. Однако эти двигатели имеют большую удельную массу (кг/кВт) по сравнению с асинхронными двигателями и могут работать в условиях строительства в основном от специального генератора постоянного тока или тиристорных преобразователей. Поэтому их примене­ ние на строительных машинах ограничено. Наиболее широко используют двигатели постоянного тока в экскаваторах средней и большой мощности с ковшами вместимостью от 4 м3 и более. В этом случае двигатели чаще всего работают в системах: трехобмоточный генератор –двигатель (ТГ – Д), генера­ тор – двигатель с электромашинным усилителем (Г – Д с ЭМУ) или с магнит­ ным усилителем (Г–Д с МУ). Механические характеристики этих силовых установок (кривые 5 и 6 на рис. 1.9) относятся к числу мягких характеристик, у которых скорость приводимых рабочих органов существенно изменяется по мере изменения рабочей нагрузки. В переходных режимах пуска и торможе­ ния эти установки обеспечивают необходимую плавность. Поэтому, несмотря на большую удельную массу этих силовых установок, которая в 1,5...2,5 раза больше других, их наиболее целесообразно применять на экскаваторах сред­ ней и большой мощности. Кроме двигателей внутреннего сгорания и элек­ тродвигателей к силовому оборудованию строительных машин относятся также комбинированные силовые установки: ДВС − электрогенератор, обес­ печивает электропривод механизмов от автономного источника энергии; ДВС (или электродвигатель) − гидронасос обеспечивает гидропривод механизма; ДВС (или электродвигатель) − компрессор (компрессорная установка) обес­ печивает пневмопривод механизмов. Новыми элементами в этих установках являются гидронасосы и компрессоры. Гидронасосы, применяемые в приводе строительных машин, по способу подачи жидкости подразделяются на шестеренчатые аксиально­поршневые и лопастные (рис. 1.10). Шестеренчатые насосы (рис. 1.10, а) состоят из корпу­ 31 са 3 и зубчатых колес 1 и 2. Одно из колес приводится в движение от двига­ теля, второе − вращается свободно на оси. Принцип работы насоса основан на том, что зубья, входя в зацепление, засасывают жидкость из соответствующей камеры и выталкивают жидкость из впадин между зубьями в нагнетательную камеру. всасывание а) б) в) Рис. 1.10. Схемы гидравлических насосов: а) – шестеренчатый; 1, 2 – ведомая и ведущая шестерни; 3– корпус; б) – аксиально­ поршневой; 3– цилиндр; 4– поршень; 5 – шток; 6– шайба; 7– крышка; в) − лопастной; 3 – корпус; 8 – ротор; 9 – пластины Шестеренчатые насосы имеют постоянную подачу жидкости и работают чаще всего в диапазоне 500...2500 мин­1. Их КПД в зависимости от частоты вращения, давления и вязкости жидкости составляет 0,65...0,85. Эти насосы широко применяются в основном при давлениях до 10 МПа и мощностях до 30...40 кВт. Производительность (подача) (см3/мин) шестеренчатых насосов, (1.17) Q  2 z m 2bn, где z - число зубьев ведущей шестерни; т – модуль зацепления шестерни; b – ширина шестерни, см; п – частота вращения ведущей шестерни, мин­1. Принцип действия аксиально­поршневого насоса состоит в том, что от ва­ ла насоса приводится во вращение относительно оси I – I наклонная шайба 6 и связанные с ней шарнирно шатуны 5 поршней 4, расположенных на диа­ метре Вш. Вследствие наклона шайбы к оси насоса ее вращение вызывает од­ новременно возвратно­поступательное перемещение поршней в цилиндрах. При этом за одну половину оборота шайбы каждый поршень совершает пол­ ный ход в одном направлении, а за вторую половину оборота совершает ход в обратном направлении. С помощью распределителя 7 при ходе поршня влево полость цилиндра сообщается с линией нагнетания гидросистемы, а при об­ ратном ходе – с линией всасывания. Подача такого насоса зависит от угла на­ клона шайбы  . В регулируемых насосах угол  изменяется с помощью спе­ циальной системы управления, поддерживая постоянную мощность, отдавае­ мую насосом. Подача (см3/мин) аксиально­поршневых насосов, Q  0,785d 2 iD6 ntg , (1.18) 32 где d - диаметр цилиндров, см; i – число цилиндров; D6 – диаметр окружно­ сти по центрам цилиндров, см; п – частота вращения вала насоса, мин ­1. Из формулы (1.18) видно, что при  =0 наклонная шайба и блок цилинд­ ров вращаются вокруг оси 1–1, не сообщают поршням возвратно­ поступательного движения, и производительность насоса Q = 0. В нерегулируемых аксиально­поршневых насосах угол  не изменяется. Такие насосы более просты по конструкции и дешевы. Однако при их уста­ новке для регулирования скоростей механизмов привода, так же как и при шестеренчатых насосах, требуется включение в гидросистемы специальных дроссельных устройств, снижающих КПД привода. На рис. 1.8 кривые 7 и 8 характеризуют примерные механические харак­ теристики нерегулируемых и регулируемых гидронасосов. Характеристика регулируемых гидронасосов 8 обеспечивает на рабочих режимах использова­ ние постоянно полной мощности двигателя. Аксиально­поршневые насосы работают при давлениях до 40...50 МПа, имеют производительность до 750 л/мин и частоту вращения выходного вала 1000...3000 мин­1, КПД насосов колеблется примерно от 0,85 до 0,9. Лопастной насос (рис. 1.10, в) состоит из корпуса 3, ведущего вала и экс­ центрично расположенного на валу ротора 8, в пазах которого перемещаются пластины 9. При вращении ротора между лопастями, которые прижимаются к корпусу пружинами, образуются камеры, переносящие жидкость из полости всасывания В в полость нагнетания Н. При этом чем больше эксцентриситет ротора е, тем больше подаваемый объем жидкости. В результате выноса жид­ кости из полости всасывания в ней образуется вакуум, засасывающий жид­ кость из бака. Подача (см3/мин) лопастных насосов, 2 ), Q  2nb(rc2  r p (1.19) ­1 где п – частота вращения ротора, мин ; b – ширина пластин, см; rc, rp– радиусы статора (корпуса) и ротора, см. Лопастные насосы работают при давлениях 16...18 МПа при КПД  = 0,8...0,85. На рис.1.11 изображен радиально-поршневой гидромотор со звездообразным расположением поршней. С одной стороны из корпуса 4 гид­ ромотора выходит шлицевой конец эксцентрикового вала 11, а с другой к не­ му крепится распределитель торцевого типа, состоящий из крышки 10, реак­ тивного 6, распределительного 7 и опорного 8 дисков. Распределительный диск приводится во вращение промежуточным валом 12, соединенным шпильками с эксцентриковым валом. В корпусе гидромотора установлены пять цилиндров 1 с отверстиями, вмонтированные в крышки 4. Рабочая жид­ кость от насоса подается через отверстия распределителя 5, потом во внут­ ренние каналы корпуса 9, крышки 4 и сферических дисков 3, которые соединены в требуемой последовательности с гидроцилиндрами. Так как 33 поршни, как и цилиндры, выполнены в виде полых цилиндрических стака­ нов с отверстиями, то рабочая жидкость действует непосредственно на сфе­ рические поверхности эксцентрикового вала и за счет его эксцентриситета создает на валу вращающий момент. Рис.1.11. Радиально­поршневой насос со звездообразным расположением порш­ ней: а) − поперечный и б) − продольный разрезы; 1­ цилиндр; 2­поршень; 3– сферический диск; 4– крышка; 5, 6, 7– распределители; 8– опорный диск; 9– корпус; 10– крышка; 11– эксцентриковый вал; 12– промежуточный вал Расчет и выбор параметров гидропривода машин, исполнительные орга­ ны которых непосредственно или через редуктор (с передаточным числом u ред ) приводятся от гидромотора, производят в такой последовательности: 1) по заданной скорости v исп.о движения исполнительного органа опреде­ ляют частоту вращения n м вала гидромотора nм  v исп.о u ред 2 rисп.о , где rисп.о  радиус исполнительного органа; 2) по заданному или предварительно определенному вращающему моменту, численно равному моменту М исп.о сил сопротивления на исполнительном ор­ гане, находят потребный момент (Нм) на валу гидромотора М м  М исп.о ./u ред ; 3)рассчитывают перепад давления р м в гидромоторе по приближенному соотношению р м  0,9 р ном , где рном  номинальное давление в гидросистеме (Па); 34 4) находят необходимый рабочий объем Vм (м 3 ) гидромотора Vм  Мм ; 0,159р м м 5) по величине Vм выбирают гидромотор, имеющий рабочий объем Vì  Vì ; номинальной и максимальной частоты вращения вала n ì, íîì , n ì max ; номинальной и максимальной мощности píîì , ðmax ; 6) определяют расход жидкости (м 3 /c), проходящей через гидромотор (обычно эту величину находят для максимальной частоты вращения вала гидромотора, соответствующей максимальной скорости исполнительного ор­ гана) Q н  Vм n м / v м , где  v м  объемный КПД гидромотора; 7) рассчитывают объем (м 3 ) насоса, исходя из расхода рабочей жидкости, потребляемой гидромотором. Принимают Q н  Q м ; n н  n м . Тогда Vн  Qн , n н v н где  v н  объемный КПД насоса. Поршневой компрессор (рис. 1.12) имеет цилиндр 2, в котором движется поршень. Возвратно­поступательное движение поршня обеспечивается при­ водимым от двигателя коленчатым валом 6 и шатуном 5. На крышке цилинд­ ра имеются автоматически действующие всасывающий и нагнетательный клапаны 3 и 4. При движении поршня вниз от верхней «мертвой» точки в ци­ линдре создается разрежение, клапан 3 открывается и происходит всасывание наружного воздуха. При движении поршня вверх клапан 3 закрывается, и воздух в цилиндре сжимается. Давление в цилиндре достигает опре Всасывание Нагнетание деленой величины (обычно 0,8 МПа), клапан 4 от крывается, и сжатый воздух выталкивается из ци­ линдра по воздуховоду в воздухосборник. За один оборот коленчатого вала происходит полный цикл компрессора − всасывание воздуха, сжатие его и на­ гнетание. Поршневые компрессоры бывают одно­ и многоцилиндровые с одно­ и многоступенчатым сжатием. Для обеспечения более долговечной рабо­ ты компрессор снабжают системой жидкостного или воздушного охлаждения. Рис.1.12.Схема поршневого Компрессоры, применяемые в строительных ма­ 1– поршень компрессора; 2– цилиндр; 3, 4 – клапаны 35 шинах, как правило, имеют более простую и дешевую воздушную систему охлаждения. При наиболее распространенном давлении воздуха, используе­ мого в пневматических строительных машинах (до 0,8 МПа) и производи­ тельности до 1 м/мин, компрессоры изготовляют с одноступенчатым сжатием как простые и дешевые, при более высокой производительности – с двух­ ступенчатым сжатием, обеспечивающим компрессору более высокий КПД (на 10...15 %) и большую долговечность. Ротационные компрессоры (рис. 1.13) представляют собой цилиндр 8, в котором вращается эксцентрично расположенный ротор 9. В пазах ротора расположены лопатки 7, которые при вращении под действием центробеж­ ных сил плотно прижимаются к внутренней поверхности цилиндра. Впрыскивание масла Рис. 1.13. Схема ротационного маслокомпрессора: 1…5– полости Между лопатками и цилиндром образуются полости­ячейки 1...6, в ко­ торых происходят процессы всасывания воздуха 1...2, его сжатия 3...4 и на­ гнетания в воздухосборник 5...6. В период сжатия воздуха во внутреннюю полость компрессора автоматически впрыскивается масло, которое охлаждает сжатый воздух, смазывает трущиеся детали и улучшает компрессию, образуя масловоздушную смесь. Промышленностью выпускаются передвижные ро­ тационные компрессоры производительностью до 10 м/мин с давлением до 0,8 МПа. Винтовые компрессоры (рис. 1.14) представляют собой два ротора 2 и 3 винтообразной формы, помещенные в корпус и соединенные зубчатыми ко­ лесами 4 и 5, синхронизирующими вращение роторов. Один из винтов явля­ ется ведущим, другой − ведомым. Рис. 1.14. Общий вид винтового компрессора со снятой крышкой: 1– корпус; 2,3 – роторы; 4, 5 – зубчатые колеса 36 Винты имеют постоянное поперечное сечение и помещаются в цилиндри­ ческих расточках корпуса, которые пересекаются между собой, образуя в по­ перечном сечении фигуру восьмерки. Зубья, образующие винты, в попереч­ ном сечении очерчены специальными выпуклыми и вогнутыми кривыми и имеют профиль, создающий теоретически беззазорное зацепление. Действи­ тельные зазоры определяются точностью изготовления. В корпусе насоса с противоположных торцов по диагонали расположены всасывающий и нагне­ тательный патрубки. За один оборот ведущего винта происходит подача в нагнетательный патрубок нескольких порций воздуха, число которых опре­ деляется числом зубьев ведущего винта. При высоких скоростях вращения число порций воздуха, выталкиваемых в единицу времени, достаточно велико и колебание давления в воздухопроводе становится незаметным. Компрес­ сорные передвижные станции с винтовыми компрессорами имеют произво­ дительность до 10 м3/мин при давлении до 0,8 МПа. В компрессорных уста­ новках, как правило, имеется воздухоподготовительная аппаратура (рис. 1.15), обеспечивающая очистку сжатого воздуха от посторонних примесей и стабильное давление на входе в пневмодвигатели. Атмосферный воздух вначале проходит через фильтр­воздухоочиститель 1, затем по всасывающему трубопроводу 2 поступает в компрессор 14. В на­ гретый в компрессоре сжатый воздух насосом 4 по трубопроводам 3 впры­ скивают охлажденное масло. Охлажденная масловоздушная смесь, пройдя через открытый обратный клапан 13 по нагнетательному трубопроводу 12, поступает в воздухосборник 5. В воздухосборнике масловоздушная смесь проходит через масловлагоотделитель 11 и клапан 6, регулирующий мини­ мальное давление. После этого чистый воздух попадает в раздаточную ко­ лонку 9 с вентилями 8 для потребления сжатого воздуха и клапаном 7 для стравливания воздуха. Рис. 1.15. Схема воздухоподготовительной аппаратуры компрессорной установки: 1– фильтр; 2, 3, 13– трубопроводы; 4– насос; 5– воздухосборник; 6, 10– клапаны; 7– кла­ пан; 8– вентиль; 9– колонка; 11– масловлагоотделитель; 14– компрессор 37 Кроме этого, на воздухосборнике устанавливается предохранительный клапан 10. Воздухосборник изготовляют и испытывают в соответствии с тре­ бованиями Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работаю­ щих под давлением. Привод ручных машин осуществляется непосредственно от пневматиче­ ских двигателей, в которых энергия сжатого воздуха преобразуется в механи­ ческую энергию. Их выполняют обычно в едином корпусе с ручной машиной. При этом применяют двигатели: поршневые − мощностью 0,4...4 кВт с час­ тотой вращения до 3000 мин­1; турбинные − мощностью до 0,4 кВт при часто­ те вращения до 15000 мин­1 и ротационные − мощностью 2...3 кВт с частотой вращения до 20000 мин­1. Малая удельная масса ротационных двигателей (кг/кВт), которая примерно в 10 раз меньше, чем у поршневых, а также про­ стота их конструкций и несложное реверсирование обеспечили им широкое применение. Положительным свойством пневматических двигателей для многих ручных машин является также их мягкая механическая характеристи­ ка. 1.6. Трансмиссии строительных и дорожных машин Трансмиссии — это устройства, обеспечивающие передачу движения от силовой установки к исполнительным механизмам и рабочим органам маши­ ны. Они позволяют изменять по величине и направлению скорости, крутящие моменты и усилия. По способу передачи энергии трансмиссии подразделяют на механические, электрические, гидравлические, пневматические и комби­ нированные. Наиболее распространены механические, гидравлические и комбинированные трансмиссии. Одним из основных показателей эффектив­ ности работы трансмиссий является их КПД [10] (1.20)   ри, м / рc, у , где р и,м, р с,у – мощность исполнительного механизма и силовой установки рабочего органа. Передаточное отношение (1.21) i  с, у / и, м , где с, у , и, м – угловые скорости вращения силовой установки и исполни­ тельного механизма рабочего органа. К важным показателям трансмиссии относится их степень прозрачности, под которой понимается способность трансмиссии передавать колебания внешней нагрузки силовой установке. 38 Механические трансмиссии. Они включают в себя механические переда­ чи, муфты, тормоза и другие элементы, обеспечивающие передачу движения. Механические передачи по принципу работы делят на: передачи трением с непосредственным контактом тел качения (фрикционные) и с гибкой связью (ременные) ; передачи зацеплением с непосредственным контактом (зубчатые и червячные) и с гибкой связью (цепные). В фрикционных передачах движение осуществляется с помощью сил трения скольжения. Сила трения скольжения для движущегося тела 1 (рис. 1.16) относительно поверхности 2 со скоростью V составит (1.22) F  fQ , где f – коэффициент трения; Q – нормальное усилие, действующее в контак­ те Значение f зависит от материала трущихся пар, смазки и других парамет­ ров. Рис. 1.16. Схема к определению сил трения скольжения Ориентировочно для трения без смазки стали по чугуну f = 0,12...0,18, стали или чугуна по фрикционной пластмассе и коже f = 0,25...0,45, для тре­ ния стальной пары в масле f = 0,03...0,05. Реакция одного тела на другое К при движении отклоняется на угол трения р. Так как F  Qtg , то f  tg , от­ куда   arctgf . Схемы простейших фрикционных передач с постоянным передаточным отношением показаны на рис. 1.17. Рис. 1.17. Схемы фрикционных передач: а) –с цилиндрическими катками; б) –с коническими катками Необходимое усилие прижатия Q трущихся катков для передачи полезного окружного усилия F определяется по формуле (1.22): 39 (1.23) Q   F/f , где  – коэффициент запаса сцепления, принимаемый для силовых передач равным 1,25...1,5. В связи с упругим проскальзыванием ведомого катка его окружная ско­ рость (1.24)  2   , где  – коэффициент, учитывающий упругое скольжение; для передач, рабо­ тающих без смазки,  = 0,995...0,99;  – окружная скорость ведущего катка. Передаточное отношение фрикционной передачи (рис. 1. 16) (1.25) i  n1 / n2  d 2 / d1 , где п1 и п2 – частоты вращения ведущего и ведомого тел качения. При выполнении одного из тел качения с переменным радиусом качения можно получить фрикционную передачу с переменным передаточным отно­ шением (вариатор). К достоинствам таких передач следует отнести простоту формы тел качения и равномерность вращения. К недостаткам относятся большие нагрузки на валы и подшипники, необ­ ходимость в применении специальных прижимных устройств и опасность по­ вреждения и быстрого износа поверхностей в случаях буксования тел каче­ ния. Простейшая ременная передача (рис. 1.18) состоит из ведущего и ведомо­ го шкивов и ремня, надетого на шкивы с натяжением и передающего окруж­ ные усилия с помощью сил трения. 1 1 Рис. 1.18. Схема простейшей ременной передачи: 1– плоскоременная; 2– клиноременная; 3– круглого сечения; 4– поликлиноременная Ремни выполняют плоскими 1, клиновыми 2, поликлиновыми 4 и кругло­ го сечения 3. Необходимым условием работы ременной передачи является натяжение ремня, которое должно сохраняться в условиях эксплуатации. На­ тяжение осуществляется перемещением одного из шкивов, натяжным роли­ ком (рис. 1.19, а) или пружиной, автоматическим устройством, обеспечиваю­ щим регулирование натяжения в зависимости от нагрузки. 40 Рис. 1.19. Схемы ременных передач: а) − с натяжным роликом; б) − с перекрещивающемся ремнем; в) − с перпендикулярными осями Ременные передачи, как правило, применяют для передачи движения па­ раллельными валами, вращающимися в одну сторону (открытые передачи). В легких передачах благодаря закручиванию ремня возможна передача движе­ ния между параллельными валами, вращающимися в разные стороны (рис. 1.19, б) и между перпендикулярными осями (рис. 1.19, в). Основными требованиями, предъявляемыми к ремням, являются: необхо­ димая прочность при переменных напряжениях и износостойкость; достаточ­ ный коэффициент трения со шкивом; невысокая изгибная жесткость. Этим требованиям удовлетворяет высококачественная кожа, однако вследствие де­ фицитности применяется редко. Наиболее распространенными являются про­ резиненные тканевые ремни, имеющие достаточно высокую нагрузочную способность, удовлетворительную долговечность при работе со скоростями до 30 м/с. Основным несущим элементом этих ремней является высокопроч­ ная хлопчатобумажная ткань – бельтинг. В последние годы стали чаще при­ менять ремни из синтетических материалов, допускающие рабочие скорости до 75 м/с и 20 имеющие значительно большие прочность и долговечность. В некоторых случаях используют ременные передачи мощностью до 3000 кВт с передаточным отношением до 20. Величина полезного окружного усилия F , передаваемого ременной пере­ дачей, в соответствии с формулами Эйлера определится как разность натяже­ ния в набегающей S1 и сбегающей S2 ветвях передачи (см. рис. 1.17): (1.26) F  S1  S 2 , (1.27) S1 / S2  ef , где е  основание натурального логарифма; f - коэффициент трения между ремнем и шкивом;  − угол обхвата шкива ремнем. Передачи с клиновыми ремнями обладают большей тяговой способностью за счет клинового эффекта. В этом случае в формуле (1.27) вместо коэффици­ ента трения следует подставлять значение приведенного коэффициента, ко­ 41 торый для стандартных ремней составляет f пр  3 f . Межосевые расстояния а (см. рис. 1.18) рекомендуется принимать: для плоскоременных передач оптимальная величина aопт  2( D1  D2 ) ; (1.28) для клиноременных передач минимальная и максимальная величины со­ ответственно a min  0,55( D1  D2 )  h ; (1.29) amax  2( D1  D2 ) , (1.30) где D1 и D2− диаметры шкивов; h − толщина ремня. Передаточное отношение ременной передачи с учетом наличия упругого скольжения ремня по шкивам i  n1 / n2  D2 /( D1 ), (1.31) где  – коэффициент, учитывающий относительное упругое скольжение рем­ ня;  = 0,99...0,98. Работоспособность ременных передач определяется их тяговой способно­ стью и долговечностью ремней. Исходя из экспериментальных значений по скольжению ремней коэффициент тяги   F /( S1  S 2 )  F /( 2 S 0 ), где S0 − величина начального натяжения ремней. При допускаемых для ремней напряжениях по полезной нагрузке |  F | величина полезного окружного усилия на шкиве для плоскоременных пере­ дач F  A F c / k , (1.32) где А – площадь поперечного сечения ремня; с – коэффициент, зависящий от условий натяжения ремня, расположения передачи, отношения h/D1, угла об­ хвата шкива ремнем  , скорости ремня; k − коэффициент, учитывающий ре­ жим нагрузки; k = 1...1,6. Для клиноременных передач соответственно (1.33) F  zF 0 c / k , где z − число ремней в передаче; F0 −допускаемая полезная нагрузка на ре­ мень; с − коэффициент, зависящий от угла обхвата  и скорости ремня. Достоинствами ременных передач являются: простота конструкции, воз­ можность передачи движения на большие расстояния, способность предохра­ нять механизмы привода от перегрузок за счет проскальзывания. К недостат­ кам относятся большие габариты передачи и недостаточная долговечность ремней. При эксплуатации ременных передач во избежание резкого снижения тягового усилия необходимо следить, чтобы смазка не попадала на шкивы и ремень передачи. 42 Зубчатые передачи. Эти механизмы с помощью зубчатого зацепления пе­ редают или преобразуют движение с изменением угловых скоростей и мо­ ментов. Зубчатые передачи между параллельными осями (рис. 1.20, а...в, ж) осуществляются цилиндрическими колесами с прямыми, косыми и шеврон­ ными зубьями. Передачи между пересекающимися осями (рис. 1.20, г, д) осуществляются коническими колесами, передачи между перекрещивающи­ ми осями − винтовыми колесами, 1.20, е). Для преобразования вращательно­ го движения в поступательное и наоборот служат зубчатые колеса с рейкой, рис.1.20, з. Для обеспечения высокой несущей способности зубчатых колес на контактную и изгибную прочность зубьев, а также на износ целесообразно применять в качестве материалов стали, закаливаемые до высокой твердости (НRC 55 …62). В массовом и крупносерийном производстве наиболее широко применяют для тяжелонагруженных передач низкоуглеродистые легированные стали, подверженные цементации и последующей закалке (ст. 15Х, 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ, 25ХГТ и др.). Для получения особо износостойких поверхностей ко­ лес применяют среднеуглеродистые легированные стали типа 38Х2МЮА, 38Х2Ю, 40Х2НМЛ, 4ХФА, которые подвергаются азотированию. Рис. 1.20. Виды зубчатых колес: а − цилиндрические прямозубые; б −линдрические косозубые; в −цилиндрические шевронные; г − конические прямозубые; д − конические с круговым зубом; е − винтовые; ж − с внутренним зацеплением; з − с реечным зацеплением Для зубчатых колес, изготовляемых в условиях мелкосерийного или ин­ дивидуального производства, при отсутствии жестких требований к габари­ там и массе применяют улучшаемые стали до твердости НВ 300...350. Чистовое нарезание в этом случае проводят после термической обработки, что исключает необходимость их шлифования. При этом применяют средне­ углеродистые стали типа сталь 40, 45, 50, 50Г, 35ХГС, 40Х и др. Для колес больших диаметров используют стальное литье из среднеуглеродистых ста­ лей 35Л, 50Л, а также легированных сталей 40ХЛ, З0ХГСЛ, 50ГС и т. п. Для 43 тихоходных и преимущественно крупногабаритных и открытых передач при­ меняют также чугуны марок от СЧ21−40 и выше. Передаточное число обыч­ ных цилиндрических передач с неподвижными осями колес может достигать u =6...8. Червячные передачи (рис.1.21) передают вращение между перекрещи­ вающимися осями и относятся к зубчатовинтовым передачам. Они состоят из винта — червяка 1 с трапецеидальной или близкой к ней резьбой и косозубо­ го червячного колеса 2 с зубьями особой формы, получаемой в результате взаимного огибания с витками червяка. В отличие от винтовых передач осу­ ществляется линейный контакт. Передаточное число u или передаточное отношение i определяется из ус­ ловия, что за каждый оборот червяка червячное колесо поворачивается на число зубьев, равное числу заходов червяка, т. е. (1.34) u =z 2 / z1 , i =n1/ n2 где z 1 и z2 − число заходов червяка и число зубьев колеса; п1 и n 2 −частоты вращения червяка и колеса, мин ­1 . Рис.1.21. Схема червячных передач: а) обычное зацепление; б) глобоидное зацепление: 1– червяк; 2– червячное колесо В строительных машинах червячные передачи применяются с передаточ­ ным числом u=8...60 при количестве заходов червяка соответственно 4...1. При этом η =0,9...0,65. Для повышения КПД червячной пары за счет сниже­ ния сил трения зубья колеса делают из антифрикционного материала − каче­ ственной бронзы, а зуб червяка закаливают и шлифуют. Вследствие низких КПД червячные передачи используют в основном в передачах с небольшими мощностями – 40...50 кВт и реже до 200 кВт при скоростях до 15 м/с. 44 Основными параметрами червячной передачи являются шаг рt (мм) и мо­ дуль т (мм). Межцентровое расстояние червячной передачи т z1 ( + z 2 ), (1.35)  = 2 tg где  – угол подъема витков червяка. Расчет межцентрового расстояния и размеров зуба ведется исходя из кон­ тактной и изгибной прочности применительно к червячному колесу, изготов­ ленному обычно из бронзы или чугуна, обладающих меньшей прочностью по сравнению со стальным червяком. Кроме прямых червяков с различными профилями зубьев, изготовляются вогнутые, так называемые глобоидные ох­ ватывающие зубья колеса на некоторой дуге (рис. 1.21, б). Такие червячные передачи обладают высокой несущей способностью вследствие большого ко­ личества зубьев, находящихся одновременно в зацеплении. Однако они более сложны в изготовлении, монтаже и регулировке, осо­ бенно после некоторого износа зубьев колеса. Цепные передачи (рис.1.22) предназначаются для передачи движения ме­ жду двумя параллельными валами при достаточно большом расстоянии меж­ ду ними. Передача состоит из ведущей 1 и ведомой 2 звездочек и цепи 3, ох­ ватывающей их. Рис.1.22. Схема цепной передачи (а) и конструкция втулочно­роликовой цепи (б): 1, 2− ведущая и ведомая звездочки; 3− цепь; 4− валик; 5− пластина; 6−втулка; 7− внутренняя пластина; 8− ролик Кроме этих основных элементов имеются натяжное и смазочное устройст­ ва, а также ограждения. В строительных машинах в качестве приводных це­ пей наиболее широко применяют втулочно­роликовые цепи (б), состоящие из валиков, на которых насажены наружные пластины 5 и свободно поворачи­ вающиеся втулки 6. На втулки напрессованы внутренние пластины 7 и сво­ бодно посажены ролики 8. В качестве тяговых цепей в конвейерах, рабочих органах цепных экскаваторов используются обычно длиннозвенные втулоч­ ные цепи. 45 К достоинствам цепных передач относят: возможность передачи движе­ ния на значительные расстояния; меньшие, чем у ременных передач, габари­ ты; отсутствие скольжения; достаточно высокий КПД  = 0,98...0,94, воз­ можность легкой замены цепи. К недостаткам цепных передач относят: сравнительно быстрый износ шарниров, работающих в условиях попадания абразива; требуют более слож­ ного ухода − смазки, регулировки в сравнении с клиноременными передача­ ми; значительные вибрации и шум при достаточно высоких скоростях и не­ высокой точности элементов конструкции. Основные параметры цепи определяются из шага р . Делительные диамет­ ры звездочек определяют      d1  ð /  sin  ; d 2  ð /  sin  . z1  z2    Передаточное число u  z2 / z1 . Межосевое расстояние a   30...50  t . Величина допускаемой окружной полезной нагрузки F   ê bâí d ï /K ý , где к   допускаемая величина давления в шарнирах. Для втулочно­ роликовых цепей в зависимости от шага и скорости цепи принимается к   14...35 МПа; bвн  ширина цепи; d ­ диаметр шарнира; K э  ко­ эффициент, учитывающий условия смазки, регулировки, режим нагружения и другие условия эксплуатации цепи, K э = 1,2...3. Мощность, передаваемая од­ ной цепью Pò  F υ/1000, где υ – скорость цепи. Кроме обычных зубчатых передач с неподвижными осями колес в по­ следние годы в строительных машинах стали применять передачи с переме­ щающимися осями колес — называемые планетарными (рис. 1.23). В этих передачах сателлиты 1 движутся относительно центрального коле­ са 2. Оси сателлитов закрепляются в звене h , называемом водилом. Ведущим или ведомым звеном в данной передаче могут служить любые из централь­ ных колес или водило. Наиболее часто в качестве ведущего звена использует­ ся солнечное колесо, а ведомого – водило, или внешнее центральное колесо 2. Если в планетарной передаче все звенья являются подвижными, то такая пе­ редача приобретает свойства дифференциала, когда два звена являются веду­ щими (или ведомыми) и одно звено ведомым (или ведущим). 46 Рис.1.23. Кинематические схемы планетарных передач: а)­ с одним внутренним зацеплением: 1­сателлиты; h­ водила; 2­ центральное колесо; 4­ эпициклическая шестер­ ня; б)­ с двумя внутренними зацеплениями: 1, 3­ сателлиты; 2, 4 ­ коронные шестерни; в)­ 1, 3­ сателлиты; 4, 5­ эпициклические шестерни Конструкция однорядной планетарной передачи в модульном варианте (рис. 1.24) может быть приспособлена для различных типов планетарных ре­ дукторов. Вид А Рис. 1.24. Модульная планетарная передача: 1–центральное колесо; 2– ось водилы; 3– водила; 4– сателлиты; 5– эпициклическая шестерня; 6, 8 – кольца; 7–подшипники Центральное колесо 1 вращает три сателлита 4, посаженные на подшип­ ники 7, закрепленные на осях 2 водилы 3. Сателлиты обкатываются вокруг эпициклического центрального колеса 5. Кольца 6 и 8 служат креплением подшипников сателлитов. Основным достоинством планетарных передач является многопоточность передачи энергии несколькими зубчатыми парами одновременно. Поэтому планетарные передачи обладают меньшими габаритами и массой. Кроме того, они имеют повышенный КПД и обеспечивают получение более высоких пе­ 47 редаточных отношений. К недостаткам можно отнести более высокие требо­ вания к качеству их изготовления и монтажу (условия сборки, соосности и соседства). Передаточное число планетарной передачи, выполненной по схеме, изо­ браженной на рис. 1.23, а, от колеса 2 к водилу h при закрепленном зубчатом колесе 4 z u 2( 4h)  1  4 , (1.36) z2 где z 4 и z 2 – число зубьев колес 4 и 2. Для такой схемы передаточное число изменяется в пределах 3…9. Для схе­ мы, показанной на рис.1.23,б, передаточное число от водила h к колесу внут­ реннего зацепления 2 при закрепленном зубчатом колесе 4 1 u h( 42)  . 1  z1 z 4 /  z 2 z3  Диапазон изменения u h42 составляет 8…30. Для схемы, показанной на рис.1.23, в, при передаче вращения от колеса 2 к колесу 5 при неподвижном зубчатом колесе 4  z  1  4  z2  ( 4) u 25  . z2 z 4 1 z 5 z1 4  составляет 20…500. Крутящий момент на ведо­ Диапазон изменения u 25 мом звене механизма Т 2 равен произведению момента на ведущем звене Т1 на передаточное число u12 и на коэффициент полезного действия 12 между этими звеньями Т 2  T1u1212 . Если в механизмах, показанных на рис.1.23, колесо 4 сделать подвижным, то они превращаются в дифференциальный ме­ ханизм, широко применяемого в различных самоходных машинах. Механиз­ мы, составленные из двух­трех планетарных ступеней, позволяют обеспечить высокие передаточные отношения при больших значениях КПД. В качестве отдельных передач в машинах применяют редукторы, коробки скоростей, коробки отбора мощности, реверсы. На рис.1.25 приведены схемы наиболее распространенных зубчатых цилиндрических, конических передач и червячных редукторов. Коробки передач, так же как и редукторы, широко применяют в качестве отдельных узлов механических передач в строитель­ ных машинах. 48 Рис. 1.25. Наиболее распространенные схемы редукторов: а)– 2­х ступен­ чатые цилиндрические; б) – 3­х ступенчатые цилиндрические; в) –2­х ступенчатые с коническим и цилиндрическим колесами; г) – червячный Коробка передач — это механизм, выполненный, как правило, в отдель­ ном корпусе. Она служит для ступенчатого изменения передаточного отно­ шения, которое осуществляется путем переключения зубчатых передач. По числу элементов управления, включаемых на каждой ступени изменения ско­ рости выходного звена, различают коробки передач с одним, двумя элемен­ тами и более, включаемыми на каждой ступени изменения скорости. На рис. 1.26 приведены схемы простейших ступенчатых коробок передач. Рис.1.26. Схемы коробки передач трактора: а) 1− первичный вал; 2− рычаг пере­ ключения передач; 3, 6− вилки; 4,5,7 − шестерни первой второй и третьей передачи; 8 − шестерня заднего хода; 9− коническая шестерня главной передачи; 10,12, 13 − блок шесте­ рен; 14− картер коробки передач; б) − схема включения первой передачи; в) − схема вклю­ чения второй передачи; г) − схема включения заднего хода Ступенчатые коробки передач выполняются шестеренчатыми, с неподвиж­ ными осями и планетарными. Основным показателем коробки передач явля­ ется число передач переднего и заднего хода и диапазон изменения переда­ точных чисел. Гусеничные тракторы имеют большее число передач заднего 49 хода, в основном 2…4, что связано с использованием их на землеройных ра­ ботах при челночном движении . Большое число передач требует многоваль­ ной конструкции коробки. Для получения увеличенного числа передач при небольшом числе шестерен и коротких валах применяют коробки передач с двух­, трехпарным зацеплением умноженного типа, рис.1.27. Рис.1.27. Коробка передач умноженного типа: 1­ первичный вал; 2, 9, 10, 17, 19, 25, 27, 35 и 37 – подшипники качения; 3 − блок шестерен первой и второй передач каждой группы; 4 – промежуточный вал; 5− шестерня промежуточного вала второй группы пере­ дач; 6− шестерня промежуточного вала первой группы передач; 7− шестерня третьей шес­ той и девятой передач; 8 – шестерня промежуточного вала третьей, шестой и девятой пе­ редач; 11− рычаг переключения передач; 12 – стопор; 13 – заливная горловина; 14 – проб­ ка; 15 – вторичный вал; 16 – стакан подшипника; 18 и 20 – спускная пробка; 21 − регули­ ровочные прокладки; 22 – сферическая шайба; 23 – корпус коробки передач; 24 – стакан упорных подшипников; 26 – сапун 28 – шестерня вторичного вала первой группы передач (замедленных); 29 – ведущая шестерня группы замедленных передач; 30 − маслоразбрыз­ гивающая шестерня; 31− промежуточная шестерня заднего хода; 32− шестерня вала за­ медленных передач; 33 − вал замедленных передач; 34− шестерня удвоителя – второй и третьей групп передач; 36− шестерня промежуточного вала третьей группы передач Такая коробка представляет собой двухвальную, трех,­ четырехскорост­ ную коробку, соединенную последовательно с редуктором, переключаемым на нормальный и ускоренный ряд передач. В коробке передач предусмотрен еще ряд замедленных передач, благодаря чему общее число передач передне­ го хода достигает 9, а заднего 3. Недостатком коробки передач умноженного типа является трудность подбора скоростей (поскольку скорости замедленно­ 50 го ряда связаны со скоростями ускоренного ряда постоянным множителем − отношением передаточных чисел редуктора­удвоителя) и сложность пере­ ключения: требуется два рычага (один для передач, другой для удвоителя) или механизм со сложным движением. В конструкцию трансмиссии входит центральная передача (или главная). Центральная передача служит для увеличения и передачи крутящего мо­ мента раздаточному механизму − механизму поворота гусеничного трактора или дифференциалу колесного трактора, распределяющему крутящий момент на правую и левую стороны трактора. Схемы коробок передач с неподвижными осями и одним элементом управления представляют собой параллельное независимое соединение не­ скольких механизмов, число которых равно количеству получаемых ступеней изменения скорости. Каждый из этих механизмов может быть включен с по­ мощью муфты. Одновременное включение двух механизмов и более недо­ пустимо. Энергия при включении одного из элементов управления передает­ ся последовательно через зубчатые пары соответствующего механизма. Кроме коробки передач в механизмах привода часто имеются также спе­ циальные раздаточные коробки, которые обычно с помощью зубчатых пере­ дач осуществляют разветвление привода движения на отдельные рабочие ме­ ханизмы. К положительным свойствам механических трансмиссий в целом можно отнести сравнительную простоту конструкций, небольшую массу и стоимость, возможность обеспечения достаточной надежности в работе для большинства элементов. К их недостаткам относятся значительные потери энергии в фрикционных муфтах и тормозах, их достаточно быстрый износ, ступенчатое изменение скоростей и усилий, сложность компоновки передач при большом числе скоростей и трудности автоматизации управления рабо­ чим процессом. Устранению многих из указанных недостатков способствова­ ло совершенствование конструкций и широкое внедрение в строительных машинах гидромеханических трансмиссий, являющихся соединением меха­ нических и гидравлических трансмиссий. Гидравлические трансмиссии. К гидравлическим относят гидродинамиче­ ские и гидрообъемные трансмиссии. Гидродинамические трансмиссии вклю­ чают в себя гидромуфты или гидротрансформаторы. Характерной особенностью этих передач является отсутствие жесткой связи между ведущими и ведомыми частями передачи. Движение от ведущей к ве­ домым частям передается за счет кинетической энергии рабочей жидкости, воздействующей на лопасти рабочих колес. Поэтому гидравлические переда­ чи служат в качестве предохранительных устройств от динамических пере­ грузок в приводах машин. При резком трогании с места ГДМ снижает дина­ мические нагрузки в трансмиссии в 1,5…4,5 раза, при разгоне в 2,5…3 раза. Гидромуфты (рис. 1.28) состоят только из двух колес — ведущего (насос­ ного 4) и ведомого (турбинного 3). Гидродинамические муфты (ГДМ), в от­ 51 личие от гидродинамического трансформатора (ГДТ) имеют только два рабо­ чих колеса − насосное и турбинное и не трансформируют крутящего момента, т. е. Ì ò  Ì í . Лопасти рабочих колес ГДМ радиальные. Число лопастей на­ сосного колеса больше, чем турбинного, с целью уменьшения пульсации по­ тока рабочей жидкости и исключения вибраций. Рабочая полость ГДМ запол­ няется турбинным маслом на 85…90 % ее объема, что обеспечивает возмож­ ность его свободного расширения при нагреве и испарении. Для охлаждения ГДМ на наружной поверхности ее кожуха выполняют лопасти, обеспечи­ вающие циркуляцию воздуха в отсеке корпуса трансмиссии в котором распо­ ложена ГДМ. Этот отсек сообщается атмосферой. На валу гидромуфты предусмотрена установка уплотнения 1, обеспечи­ вающего герметизацию корпуса муфты 2 и вала. Насосное колесо приводит во вращение жидкость, находящуюся в рабочей полости. Под воздействием центробежной силы она отбрасывается к периферии колеса и попадает на ло­ пасти турбинного колеса, оказывая на них давление. Потеряв часть энергии на преодоление сопротивления вращению турбинного колеса, жидкость по его полости течет к центру гидромуфты, где оно вновь переходит на насосное колесо, и цикл его движения повторяется. Относительная скорость, скла­ дываясь с переносной скоростью и движения с насосным колесом, дает в сумме абсолютную скорость схода жидкости с насосного колеса (рис. 1.28, а). Скорость (с) направлена под углом к лопастям турбинного колеса. Этот угол увеличивается с ростом разности угловых скоростей колес и, следовательно, больше будет силовое воздействие жидкости на лопастные колеса и крутя­ щий момент, передаваемый гидромуфтой Крутящий момент (Н∙м) на ведомом валу Ò2  D 5 12 , (1.37) где  , – коэффициент крутящего момента;  – плотность жидкости, кг/м3; D – максимальный диаметр рабочей полости, м; 1 – угловая скорость насос­ ного колеса, рад/с. Рис. 1.28. Схемы гидродинамических передач: а)– гидромуфта; 1–уплотнение; 2– муфта; 3,4–насосное и турбинное колеса;б)– гидротрансформатор; 1– муфта; 2– реактор; 3, 4– насосное и турбинное колеса 52 Для наиболее распространенных конструкций гидромуфт номинальный коэффициент крутящего момента  ном = (2,0...3,2)10 3 . Он соответствует но­ минальному скольжению S ном = ( 1 ­  2 )/ 1 =0,04...0,06 и соответственно но­ минальному КПД  ном   2 / 1 = 0,96. ..0,94. Для предохранения двигателя, ведомых механизмов и рабочего оборудования от внешних перегрузок при­ меняют предохранительные гидромуфты, в которых отношение максималь­ ного крутящего момента к номинальному Т мах / Т ном соответствует отношению  мах / ном и равно 1,8...3,0. При использовании гидромуфты пуск двигателя можно производить без отключения трансмиссии, так как вначале крутящий момент, передаваемый гидромуфтой и зависящий от квадрата угловой скоро­ сти насосного колеса, мал. На рис. 1.29 приведены основные характеристики гидромуфт, определяющие изменение крутящих моментов и КПД в функции частоты вращения. Кривые Т3 и Тн обозначают характер изменения крутяще­ го момента соответственно в замкнутых и незамкнутых гидромуфтах при по­ стоянной частоте вращения двигателя п е . К замкнутым относятся гидромуф­ ты, у которых рабочий объем жидкости не меняется в зависимости от разви­ ваемого в ней давления. Рис.1.29. Характеристики гидромуфты с дизельным двигателем В незамкнутых – регулируемых гидромуфтах рабочая камера соединена с атмосферой или органами питания. Величина  характеризует КПД гидро­ муфты. Точка К. соответствует критическому значению крутящего момента, при котором характеристика незамкнутой муфты будет изменяться вследст­ вие уменьшения количества жидкости в рабочей камере. Величины Т1 и Т2 − соответственно механические характеристики двигателя внутреннего сгора­ ния (дизеля) и ведущего вала гидромуфты. Гидротрансформаторы (см. рис. 1.30) в отличие от гидромуфты имеют не менее трех лопастных колес: насосное 3, турбинное 4 и реакторное 2. 53 Рис.1.30. Общий вид гидротрансформатора: 1−корпус редуктора отбора мощности; 2 − маховик двигателя; 3 − зубчатый венец; 4 − зубчатый диск; 5−первичный вал редуктора; 6− разбрызгивающая шестерня; 7− корпус гидротрансформатора; 8 − турбинное колесо; 9 − насосное колесо; 10−направляющий аппарат; 11 − ведомый вал; 12− подпиточное отверстие; 13 – ведущий вал В обычном гидротрансформаторе (ГДТ) реактор неподвижен, в универ­ сальном реактор установлен на обгонной муфте 1. При малых нагрузках реак­ тор вращается свободно под действием потока жидкости и не воспринимает крутящий момент. В этом случае гидротрансформатор работает как гидро­ муфта, когда с уменьшением нагрузки КПД увеличивается. Крутящие моменты на насосном Т1 и турбинном Т2 колесах гидротрансфор­ матора с помощью соответствующих коэффициентов 1 и 2 определяются аналогично гидромуфте: Т 1  1 12 D 5 , (1.38), 2 5 Т 2  К1 1 D , (1.39) где К  Т 2 /Т 1 − коэффициент трансформации. Различают два вида гидротрансформаторов – непрозрачные и прозрачные. На рис. 1.31 приведены характеристики гидротрансформаторов. При больших нагрузках на выходном валу (К> 1) гидротрансформатор работает в режиме редуктора, уменьшая частоту вращения выходного вала по отноше­ нию к частоте вращения входного вала. Изменение частоты вращения и кру­ тящего момента происходит автоматически бесступенчато при изменении внешнего сопротивления – с увеличением внешнего сопротивления снижает­ ся частота вращения выходного вала и соответственно увеличивается вра­ щающийся момент М т , что позволяет лучше преодолевать возросшие сопро­ тивления. Но во всем диапазоне изменения выходных параметров гидро­ трансформатора частота вращения и вращающийся момент на валу двигателя, 54 с которым связан вал насосного колеса, практически не изменяются, что бла­ гоприятно сказывается на его работе. Рис. 1.31. Характеристики гидротрансформатора: Т 1н и Т 2н − механические характеристики непрозрачного гидротрансформатора; Т 1п и Т 2п − механические характеристики прозрачно­ го универсального гидротрансформатора;  н и  у − КПД неуниверсального и универсального гидротрансформаторов Характеристика прозрачного гидротрансформатора показана на рис.1.31. От рассмотренной выше она отличается тем, что вращающийся момент М н на входном валу гидротрансформатора не остается постоянным при измене­ нии момента М т : увеличение момента М т вызывет увеличение момента М н , а следовательно, и момента на валу двигателя. Такой гидротрансформатор уже полностью не защищает двигатель от перегрузок, но зато позволяет мак­ симально использовать его тяговые возможности. Важным параметром ГДТ является коэффициент прозрачности П . Степень прозрачности гидротрансформаторов оценивается коэффициентом прозрачности П гт , равным отношению вращающегося момента Òí  ê ãò max  при работе гидротрансформатора в режиме трогания, т. е. в режиме, когда тур­ бинное колесо еще заторможено Òò max , nò  0 , к моменту Òí ê ãò 1 при рабо­ те гидротрансформатора в режиме, когда наступает равенство моментов на входном и выходном валах (Òí  Òò и К гт  1) : Òí Ê ãò max  . Ï ãò  Òí Ê ãò1  Обычно считают, что гидротрансформаторы, для которых П гт =1...1,2, яв­ ляются непрозрачными, для которых П гт = 1,3…1,5 относят к малопрозрач­ ным при П гт > 1,5 прозрачные. Если П гт >1, то прозрачность прямая, а если П гт < 1, – обратная. На прозрачность большое влияние оказывает расположе­ ние рабочих колес в круге циркуляции и профиль лопастей насосного колеса. Прозрачность оказывает влияние на характеристики совместной работы дви­ 55 гателя с ГДТ. У прозрачного ГДТ коэффициент момента насосного колеса í переменный, зависящий от передаточного отношения. Поэтому нагрузочные характеристики ГДТ Òí  f  í  представляют собой пучок квадратичных па­ рабол, что обеспечивает работу двигателя на всех возможных режимах и по­ зволяет использовать его приспособляемость. Однако у тракторных дизель­ ных двигателей коэффициент приспособляемости небольшой (  ì  1,05...1,15) , поэтому на тракторах целесообразнее применять непро­ зрачные или малопрозрачные ГДТ, позволяющие более полно использовать мощность двигателя. В качестве расчетных режимов работы гидротрансфор­ матора принимают режимы, близкие к  гт max  , которым соответствуют мо­ мент на турбинном колесе Òò ð  , коэффициент трансформации К гт р  и пере­ даточное число u гт р  . Для того чтобы машина с гидродинамической трансмиссией обладала наиболее высокими тяговыми и скоростными качествами, необходимо, чтобы двигатель и гидротрансформатор работали на согласованных друг с другом расчетных режимах: для двигателей внутреннего сгорания это режимы, близ­ кие к режиму максимальной мощности, а для гидротрансформаторов – к ре­ жиму максимального КПД. Согласование совместной работы двигателя и гидротрансформатора осуществляется как путем выбора нужных параметров и характеристик гидротрансформатора, так и путем установки между двига­ телем и гидротрансформатором согласующего редуктора, позволяющего либо понижать частоту вращения вала насосного колеса по сравнению с частотой вращения вала двигателя (такой редуктор называется понижающим или за­ медляющим, его передаточное число u cp >1), либо повышать частоту враще­ ния вала насосного колеса (такой редуктор называется ускоряющим, его пе­ редаточное число u cp < 1). В соответствии с этим вал двигателя с валом на­ сосного колеса гидротрансформатора может быть соединен напрямую, без редуктора, или через редуктор. В зависимости от схемы соединения двигателя с гидротрансформатором между режимными параметрами двигателя, приведенными к валу насосного колеса, и параметрами последнего имеют место следующие соотношения: а) при соединении вала двигателя с валом насосного колеса напрямую, ко­ гда вся мощность, развиваемая двигателем, передается через гидротранс­ форматор Òä.ïð .í  Òí ; n ä.ïð.í  n í ; Ðä.ïð .í .  Ðí , где Òä.ïð .í . , n ä.ïð.í , Ðä.ïð .í . − вращающий момент, частота вращения и мощность двигателя, приведенные к валу насосного колеса; б) при той же схеме соединения валов двигателя и насосного колеса, но при отборе части мощности Ро на привод вспомогательных механизмов 56 Òä.ïð .í  Òí ; n ä.ïð.í  n ä ; Ðä.ïð .í .   Ðí , где   коэффициент использования мощности двигателя   Ðä  Ðî /Pä ; в) при соединении двигателя с гидротрансформатором через согласующий редуктор и при отсутствии отбора мощности Òä.ïð .í  Òí u ñ.ð  ñ. ð ; n ä.ïð.í  n ä /u c.ð ; Ðä.ïð .í .  Ðä ñ. ð. , где с. р.  КПД согласующего редуктора; г) при соединении двигателя с гидротрансформатором через согласующий редуктор и отборе части мощности Òä.ïð .í  Òí u ñ.ð  ñ. ð ; n ä.ïð.í  n ä /u c.ð ; Ðä.ïð .í .   Ðä ñ. ð. . Характеристики совместной работы ГДТ с двигателем оказывают большое влияние на технико­экономические показатели машины. Желаемое совмеще­ ние их характеристик можно обеспечить двумя способами: либо применени­ ем согласующей механической зубчатой передачи, позволяющей использо­ вать выбранный ГДТ, либо разработать нового ГДТ, геометрически подобно­ го выбранному прототипу. В первом случае необходимо определить переда­ точное число согласующей передачи uc.n. . Передаточное число согласующей передачи u c.n. 3 í   ä 2 Da5 , îòá Òä ñ.ï . где  ä   коэффициент изменения угловой скорости на расчетном режиме работы при совмещении нагрузочной параболы; îòá  коэффициент, учиты­ вающий отбор мощности двигателя на привод различных механизмов и сис­ тем, осуществляемый до ГДТ;  ñ.ï .  КПД согласующей передачи. Мягкая выходная механическая характеристика гидротрансформатора Ì Ò  f (ï ) способствует широкому использованию гидромеханических пере­ дач с применением гидротрансформаторов в землеройных, землеройно­ транспортных машинах и всевозможных погрузчиках, где с ростом внешней нагрузки на рабочем органе или движителях целесообразно автоматическое уменьшение рабочей скорости, приводящее к большей чувствительности в управлении машиной, а также к уменьшению стопорных динамических на­ грузок, появляющихся при встрече с препятствием рабочего органа или дви­ жителей. Гидрообъемные трансмиссии являются более совершенными по сравнению с гидромеханическими трансмиссиями, выполняемыми на базе гидромуфт или гидротрансформаторов. В конструкцию гидрообъемных трансмиссий входят гидронасосы и гидромоторы, гидроцилиндры, направляющие, регули­ 57 рующие и вспомогательные устройства и соединяющие их рабочие гидроли­ нии высокого (напорного) и низкого (сливные, всасывающие, подпиточные) давления. Схемы гидроцилиндров одно-(а) и двустороннего действия с одно-(б) и двусторонним (в) штоком приведены на рис. 1.32, а конструкция на рис.1.33. а) б) в) Рис. 1.32. Схемы гидроцилиндров: а) − одностороннего и б) −двустороннего действия; в) −двусторонним штоком; 1− корпус; 2 − шток; 3 − штуцер для подвода рабочей жидко­ сти; 4 −поршень; 5 − уплотнительные манжеты; 6−возвратная пружина; 7 −уплотнения штока Гидроцилиндр представляет собой корпус (трубу) с тщательно обработан­ ной внутренней поверхностью. Внутри гильзы перемещается поршень 4, имеющий резиновые манжетные уплотнения 3, 7 и 8, которые предотвращают перетекание жидкости из полостей цилиндра, разделенных поршнем, и обес­ печивают съем грязи. Рис. 1.33. Конструкция гидроцилиндра: 1– шток; 2− крышка; 3, 7, и 8 – резиновые манжеты; 4– поршень; 5– штуцер; 6 – крышка с отверстием Усилие от давления на поршень передается через шток 1. С двух сторон корпуса укреплены крышки 2 и 6 с отверстиями. В крышке 6 крепится шту­ цер 5. Отверстия в крышке и штуцере служат для подвода и отвода рабо­ чей жидкости. Скорость перемещения штока цилиндра зависит от направ­ ления подачи жидкости. Если жидкость от насоса подается в подштоковую полость, то скорость перемещения штока  п  4Q /(Dц2 м ) ; (1.40) усилие на штоке Fп  (Dп2 / 4)   м , (1.41) где Q − производительность насоса; Dп − диаметр цилиндра;  −давление жидкости;  м = 0,97 − механический КПД. 58 При поступлении жидкости в штоковую полость гидроцилиндра скорость перемещения поршня при той же подаче насоса увеличивается:  ш  4Q /  Dц2  d ш2 , усилие при выдвижении одностороннего штока (рис.132, а)  D 2  d 2 F1   ï  ð1  ð 2   øò ð 2  ì , (1.42) 4 4   где d ш − диаметр штока; р1 , р2  давление в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра. При вытягивании штока D 2  d 2 F 2   ï  ð2  ð1   øò ð2  ì . 4  4  При P1  0 усилие втягивание штока   2  Dï2  d øò F 2 ð2 ì . 4 Для гидроцилиндров с двусторонним штоком (рис.1.32, б)    Dï2  dø2 ò    Dn2  d ø2 ò   F2  F2  ð1  ð2   ì . 4 4   Если подавать жидкость в обе полости одновременно, то поршень будет перемещаться в сторону штока со скоростью (1.43) vø ò  4Q/  Dï2 v  . Для увеличения хода штока применяют телескопические гидроцилиндры (рис.1.32,в), которые в сдвинутом положении имеют небольшие размеры. Усилия, необходимые для выдвижения штока F1 и втягивание F1 первой сту­ пени, определяются выражениями: F1  p1 A1 м ; F1  p 2 A3 м , а усилия, необходимые для выдвижения штока (F2 ) и втягивания  F2  вто­ рой ступени F2  p 2 A2 м ; F2  p3 A4 ì , где Ai  i  1, 2, 3, 4   активная площадь поршня. Из выражения (1.40) при известных значениях Vп и Аi определяют расход жидкости Q . Скорость поршня при одинаковой подаче жидкости в поршне­ вую и штоковую полости гидроцилиндра будет разной, так как в первом слу­ чае Аi  Aп , а втором случае Аi  Aц  f шт , где Ац , f шт  соответственно пло­ щади поршня и штока. Очевидно, что при подаче жидкости в штоковую по­ лость, т. е. при обратном ходе поршня, его скорость больше, чем при прямом 59 ходе в Ац / А п  f in  раз. Следовательно, при обратном ходе расход жидкости, что поступающей в штоковую полость, что вызывает повышение давления жидкости при сливе. Во избежание этого сечения трубопроводов, подклю­ ченных к поршневой полости (к линии слива), должны быть больше сечений трубопроводов, подключенных к штоковой полости. Мощность (кВт), развиваемую поршнем гидроцилиндра, определяют в за­ висимости от усилия F (Н) на штоке гидроцилиндра и скорости поршня Vп (м/с): Рц  FVп /1000 . Посредством гидроцилиндров можно обеспечить не только поступатель­ ное, но и вращательное движение. Для этого их соединяют с зубчато­ реечными, канатно­блочными, цепными, винтовыми или кривошипно­ шатунными механизмами. Направляющие гидроаппараты обеспечивают пуск, остановку и изменение направления потока рабочей жидкости в гидролиниях полным открытием или закрытием рабочего проходного сечения. Основными параметрами этих гидроаппаратов является условный проход, номинальное давление и номинальный поток. К основным направляющим гидроаппаратам относятся гидрораспределители, гидроклапаны и гидрозамки. Гидрораспределители служат для переключения и направления потоков рабочей жидкости, реверсирования движения и фиксирования гидродвигате­ лей в определенном положении. Они автоматически переключают систему на холостой ход по окончании рабочего хода. Гидрораспределители обеспечи­ вают управление несколькими исполнительными гидродвигателями. Если гидрораспределитель состоит из отдельных секций, то его называют секционным. В этом случае в каждой секции расположен один золотник. В гидрораспределители обычно встраивают различные клапаны — предо­ хранительные, обратные, подпиточные, антикавитационные и др. Гидрорас­ пределители имеют устройства для возврата рукояток управления в исходное положение или фиксации их в заданных положениях. Ими можно управлять вручную или с помощью гидравлических или электрогидравлических серво­ устройств, позволяющих упростить управление, снизить усилия на рукоятках управления и повысить точность выполнения операций. Гидрораспределители, предназначенные для автоматического, дистанци­ онного и кнопочного управления, состоят из электромагнита, пере­ мещающего вспомогательный золотник, который включает главный золот­ ник. По схеме разгрузки насоса при нейтральном положении золотников гид­ рораспределители делят на два типа − с открытым и закрытым центрами. Гидрораспределитель с открытым центром при нейтральном положении зо­ лотников позволяет жидкости из полости нагнетания по каналу в корпусе пе­ ретекать в сливную полость. 60 Гидрораспределители применяют как для параллельной, так и последова­ тельной схем соединения гидродвигателей. При параллельной схеме можно к одному насосу подключать одновременно несколько гидродвигателей. Тогда подача насоса Q1  Q2  Q2  ...Q2n , (1.44) n где Q’2…,Q 2 – расходы рабочей жидкости через гидродвигатели. Давление в гидросистеме устанавливается в соответствии с наименее на­ груженным двигателем. При последовательной схеме (рис. 1.34) гидродвигатели (гидромоторы) 5 и 6 включаются так, что жидкость по гидролинии 1 из насоса через распредели­ тель 3 вначале поступает в гидродвигатель 5, слив из которого через гидро­ распределитель 4 подключается к следующему гидродвигателю 6 и затем на слив по гидролинии 7. Рис. 1.34. Схема последовательного подключения гидромоторов Если рабочие площади гидродвигателей одинаковы на входе и выходе из гидродвигателя, то Q1  Q2. /  Q2//  ...  Q2п , (1.45) а давление, развиваемое насосом, ограничивается гидроклапаном 2 с точно­ стью 1   2/   2//  ...   2п , // где  2/ , ... ,  2 – перепады давления на гидродвигателях. При индивидуальной схеме можно включить только один гидродвигатель. С включением первого гидродвигателя по движению потока напорная гидро­ линия отключается от всех остальных золотников. В реальных системах гид­ ропередач используют комбинации перечисленных схем. Гидроклапаны (рис. 1.35) представляют собой различные запорные устрой­ ства: шариковые, конические, золотниковые. 61 Рис. 1.35. Схемы гидроклапанов: а − шариковый; б −конический; в − золотниковый; 1 −седло клапана; 2 − запирающий элемент; 3 − пружина Выбор запорного устройства зависит от назначения клапана, величины проходного потока и давления. Обратные гидроклапаны обеспечивают движение рабочей жидкости только в одном направлении. В другом направлении запирающий элемент гидрокла­ пана плотно прижат к седлу клапана давлением рабочей жидкости. Имею­ щаяся в клапане пружина не препятствует движению жидкости в противопо­ ложном направлении. Она предназначена для правильной посадки запираю­ щего элемента в седле. Обратные гидроклапаны применяют для защиты насо­ сов от резкого повышения давления, вызываемого нагрузками на рабочем ор­ гане, а также для формирования направлений потоков рабочей жидкости в гидролиниях. Их устанавливают последовательно с фильтрами. Подпиточный клапан является разновидностью обратного гидроклапана, который устанавливают в подводящей гидролинии гидродвигателя или в гид­ рораспределителе. Он обеспечивает заполнение гидролинии рабочей жидко­ стью во избежание кавитации. Подпитка гидродвигателя происходит за счет сил инерции или внешних сил от сливной гидролинии под давлением 0,05...0,5 МПа. Гидрозамки представляют собой управляемые обратные кла­ паны, которые позволяют запирать систему, а при необходимости пропускать жидкость в обоих направлениях. Поэтому они, кроме обратного клапана, включают в себя шток и поршень для управления клапаном. Гидрозамки ус­ танавливают, например, между гидродвигателем и гидрораспределителем, чтобы надежно фиксировать положение рабочего органа. Регулирующая гидроаппаратура предназначается для изменения расхода или давления рабочей жидкости путем частичного открытия проходных ка­ налов. К регулирующим гидроаппаратам относят гидроклапаны давления (предохранительные и редукционные), дроссели и регуляторы потока рабочей жидкости. Предохранительные гидроклапаны служат для ограничения давления, вос­ принимаемого гидродвигателем от большой внешней нагрузки. Для этого они пропускают рабочую жидкость из напорной гидролинии в сливную. Редукционные клапаны (рис. 1.36) используют для поддержания понижен­ ного давления на отдельных участках системы. С. 62 Рис. 1.36. Схема редукционного клапана: А, С – полости напора и давления; 1– клапан; 2– канал . Полость А соединена с напорным трубопроводом. Давление в полости А, преодолевая усилие пружины и силу давления в полости С, открывает клапан 1. При этом жидкость из полости высокого давления перетекает в полость низкого давления до тех пор, пока давление в трубопроводе низкого давления не поднимется до определенного значения. После этого давление жидкости через канал 2 сообщится полости Под действием давления в полости С золотник переместится и перекроет доступ жидкости из линии высокого давления. Гидродроссели с постоянным или регулируемым гидравлическим сопро­ тивлением служат для регулирования расхода жидкости в гидролиниях. На рис. 1.37 показан регулируемый гидродроссель с обратным клапаном. Он предназначен для ограничения потока жидкости в одном направлении и сво­ бодного пропуска потока в другом. Кроме указанных элементов, объемные гидротрансмиссии включают в себя кондиционеры рабочей жидкости, гидро­ баки, гидроаккумуляторы и гидролинии. Гидробаки − емкости для хранения, отстоя и охлаждения рабочей жидкости, циркулирующей в гидроприводе. Гидробак сообщается с атмосферой через сапун, представляющий собой воздушный фильтр. Рис. 1.37. Гидродроссель регулируемый с обратным клапаном: 1 – уплотнение; 2 – тарелка; 3 – пружина; 4 – запорный элемент; 5 – поворотный корпус; 6 – кольцо со шкалой; 7 – неповоротный корпус. Гидроаккумуляторы – гидроемкости, служащие для аккумулирования и возврата энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением. Давление в 63 гидроаккумуляторе создается в результате сжатия и расширения рабочего га­ за или упругой деформации пружины. Гидроаккумуляторы накапливают энергию в периоды частичной недогруз­ ки гидропривода и отдают ее в периоды интенсивной нагрузки гидродвигате­ лей. Они используются также для уменьшения пульсации давления в гидро­ линиях, для восполнения утечек и т. п. Кондиционеры служат для поддержания чистоты рабочей жидкости и ее температуры в заданных пределах. К ним относятся очистители (фильтры и сепараторы), теплообменники и радиаторы. По качеству фильтрации, обу­ словленному размером и количеством твердых частиц, пропущенных фильт­ рами, последние подразделяют на фильтры грубой очистки (пропускают час­ тицы до 0,1 мм), нормальной очистки (пропускают частицы до 0,01 мм), тон­ кой очистки (пропускают частицы до 0,005 мм) и особо тонкой очистки (про­ пускают частицы до 0,001 мм). В строительных машинах применяют прово­ лочные, сетчатые и бумажные фильтры. Для улучшения фильтрации рабочих жидкостей вместо фильтров стали использовать специальные центрифуги. Как показывает практика, тщательная очистка рабочих жидкостей значитель­ но увеличивает долговечность элементов гидропривода. Гидролинии состоят из труб, по которым жидкость поступает от насоса к распределительной аппаратуре и гидродвигателям. Жесткие гидролинии вы­ полняют, как правило, из стальных бесшовных труб. Подвижные части с ус­ тановленными на них элементами гидропривода соединяют гибкими рукава­ ми высокого давления. Для предотвращения вытекания жидкости и предо­ хранения ее от загрязнения при разъединении трубопроводов применяют са­ мозапирающиеся соединения с двумя шариковыми клапанами. К рабочей жидкости в гидроприводе строительных машин предъявляются высокие требования. Она должна быть хорошо смазывающим материалом, не вызывать коррозии металлов, с которыми она контактирует, обладать свойст­ вами, которые не изменяются во время эксплуатации и от температуры. Кро­ ме того, рабочая жидкость не должна образовывать пены и содержать ве­ ществ, выпадающих в осадок, должна быть безопасной в пожарном отноше­ нии и не токсичной. Наиболее полно отвечают этим требованиям масла, по­ лучаемые из низкозастывающих фракций нефти с соответствующими при­ садками: загущающими, антиокислительными, антипенными, противоизнос­ ными, антикоррозионными. В строительных машинах, работающих при температуре окружающего воздуха 318...228 К, применяют в основном специальные рабочие жидкости: МГ­30 – в качестве летнего сорта для районов с умеренным климатом и все­ сезонного сорта для южных районов страны; ВМГЗ – для всесезонной экс­ плуатации в районах Крайнего Севера и в качестве зимнего сорта в районах с умеренным климатом. 64 Схемы объемного гидропривода зависят от типа строительной машины, характера выполняемых ею операций и технико­экономических показателей. Гидропривод может быть выполнен так, что одновременно могут произво­ диться два или несколько движений гидродвигателей. Для этой цели осуще­ ствляется параллельное или последовательное включение гидродвигателей. Однако более совершенными являются многонасосные системы, в которых каждый насос питает один или группу гидродвигателей. При этом совмеще­ ние движений гидродвигателей, питаемых различными насосами, не вызыва­ ет затруднений. Для более полного и рационального использования мощно­ стей гидрооборудования, установленного на машине, применяют различные регуляторы и системы, позволяющие объединять потоки жидкости, посту­ пающие от насосов к одному из гидродвигателей. В качестве примера рассмотрим типичную схему двухпоточного объемно­ го гидропривода универсального одноковшового пневмоколесного экскава­ тора (рис. 1.38). Основные механизмы приводятся в движение от двухсекци­ онного автоматически совместно регулируемого аксиально­поршневого насо­ са 1. Потоки рабочей жидкости от секций А и Б насоса 1 питают соот­ ветственно гидрораспределительные блоки 6 и 18 секционного типа с про­ точной разгрузкой насоса и параллельным питанием гидродвигателей, за ис­ ключением рабочей секции золотникового распределителя (ЗР)7, имеющей раздельное от секций (ЗР)4, (ЗР)5 и (ЗР)6 питание за счет использования про­ межуточной секции К04. Если все золотники блока 6 находятся в нейтраль­ ном положении (как показано на рис. 1.38), то поток от секции А насоса объе­ диняется с потоком от секции 5, и блок 18 питается полным потоком от на­ сосной установки. При включении любого из золотников блока 6 потоки жидкости от секции А и Б разъединяются, причем слив из блока 6 направля­ ется в бак, а блок 18 питается только потоком от секции 5. Таким образом, гидромотор 8 поворота платформы может питаться только потоком от секции А, в то время как в управляемый от блока 18 гидромотор 13 передвижения и гидроцилиндры привода рукоятки 10, стрелы 14 и ковша 16 обратной лопаты подается полный поток от секций Л и Б при работе каждого из этих гидро­ двигателей без совмещения с другими операциями. При включении золотника секции ЗР1, управляющего гидромотором 8, в гидроцилиндры 10, 14 и 16 подается поток жидкости только от секции Б. Зо­ лотник секции ЗРЗ дает возможность совмещать движение рукояти (гидроци­ линдр 10) с движением стрелы (гидроцилиндр 14) или ковша (гидроцилиндр 16) при независимом управлении каждым из совмещаемых движений. Слив от блоков 6 и 18 поступает в бак через золотник 27, который позволяет на­ правлять рабочую жидкость непосредственно в фильтры 25 (при низкой тем­ пературе окружающего воздуха) или через охладитель 26. 65 Рис. 1.38. Двухпоточная схема объемного гидропривода одноковшового пневмоколесного экскаватора Количество фильтров 25, параллельно установленных в сливной гидроли­ нии, определяется необходимостью обеспечивать минимальное сопротивле­ ние потоку жидкости. Кроме основного сдвоенного насоса 1 в этой системе гидропривода используется еще шестеренный насос 24 постоянной объемной подачи, устанавливаемый на дизеле и питающий через гидрораспределитель 22 следящей системы гидроцилиндр 20 поворота управляемых ходовых ко­ лес. В напорные секции блоков 6 и 18 встроены отрегулированные на рабочее давление предохранительные клапаны, ограничивающие давление в секциях А и Б насоса 1, а также обратные клапаны. Давление насоса 24 ограничивается предохранительным клапаном 23, а в рабочих линиях гидромоторов привода поворота 8 и хода 13 цилиндров 10 и 14 − клапанами блоков 7, 11, 12 и 15, присоединенными к соответствующим рабочим секциям блоков 6 и 18. Для контроля настройки предохранительных клапанов в напорных линиях насосов установлен манометр 4, который может поочередно подключаться к напорным линиям секций А и Б насоса 1 и насоса 24. Давление в сливной гидролинии контролируют с помощью манометра 5, а температуру рабочей жидкости − преобразователя 2 и указателя 3 температу­ ры. Схема гидропривода, кроме показанного на рис.1.38, подключения гидро­ двигателей с оборудованием обратной лопаты обеспечивает также работу экскаватора погрузчиком и грейфером. При работе грейфером рабочие гидро­ линии 9 резервной секции ЗР2 используются для управления гидроцилиндром подъема (опускания) верхней части составной стрелы, секция ЗР6— для управления гидроцилиндром 17 челюстей грейфера, а дополнительный гид­ рораспределитель 21— для управления гидроцилиндром 19 поворота грейфе­ 66 ра в плане. При этом гидроцилиндр 19 приводится в движение от вспомога­ тельного насоса 24 и управляется секцией ЗР8. 1.7. Ходовое оборудование строительных и дорожных машин Ходовое оборудование строительных машин состоит из ходового уст­ ройства – движителей, механизма передвижения и опорных рам или осей. По типу применяемых движителей ходовое оборудование делят на гусеничное (рис. 1.39, а), шинноколесное (рис. 1.39, б), рельсоколесное и шагающее (рис. 1.39, в). Рис. 1.39. Разновидности ходового оборудования строительных машин: а) − гусе­ ничные; б) − пневмоколесные; в) −шагающие; 1– гусеничные; 2– гусеничные с катками; 3– многогусеничные; 4– полужесткие; 5,6– колесные с одним и двумя ведущими мостами; 7– трехосный с 2­мя ведущими осями; 8– трехосный со всеми ведущими осями; 9,10 – многоосные с четырмя ведущими осями; 11– эксцентрик; 12– опора Движители передают нагрузку от машины на опорную поверхность и пе­ редвигают машины. Механизмы передвижения обеспечивают привод движи­ телей при рабочем и транспортном режимах. У многих строительных машин (землеройно­транспортных, многоковшовых экскаваторов, передвижных кранов и др.) ходовое оборудование участвует непосредственно в рабочем процессе, обеспечивая при этом дополнительные тяговые усилия. Современ­ ные самоходные строительные машины, имеющие массу до нескольких ты­ сяч тонн, предназначены для передвижения в различных дорожных условиях, транспортные скорости у некоторых шинноколесных и рельсоколесных ма­ шин достигают нескольких десятков километров в час. Рабочие скорости часто должны плавно регулироваться от максимальных значений до нуля. Давление на грунт у различного типа строительных машин меняется от 0,03...0,05 до 0,5...0,7 МПа. Тяговые усилия на движителях у большинства строительных машин обеспечиваются в пределах 45...60 % от их массы, пре­ вышая у некоторых в рабочих режимах их общую массу. Обеспечение ма­ 67 шиной необходимых величин давления на грунт, тягового усилия и клиренса (расстояния от поверхности дороги до наиболее низкой точки ходового обо­ рудования) характеризует ее проходимость, т. е. способность передвигаться в разнообразных условиях эксплуатации. Проходимость машин в существенной степени сказывается на их основ­ ных технико­экономических показателях. Важным показателем ходового оборудования машин является также их маневренность, под которой понима­ ется способность машин изменять направление движения — маневрировать. Маневренность характеризуется радиусами поворота, вписываемостью ма­ шин в угловые проезды и размерами площадки, необходимой для обратного разворота. Для обеспечения разнообразных требований эксплуатации строи­ тельных машин применяют различное ходовое оборудование. Гусеничное ходовое оборудование (см. рис. 1.39, а). Его широко применя­ ют как для строительных машин малой мощности массой 1...2 т, так и для машин самой большой мощности с массой в сотни и тысячи тонн. Оно обес­ печивает возможность воспринимать значительные нагрузки при сравнитель­ но низком давлении на грунт, большие тяговые усилия и хорошую маневрен­ ность. Недостатками гусеничного хода являются значительная масса (до 35 % от всей машины), большая материалоемкость, недолговечность и высокая стои­ мость ремонтов, низкие КПД и скорости движения, невозможность работы и передвижения на площадках и дорогах с усовершенствованными покрытия­ ми. Машины на гусеничном ходу передвигаются своим ходом, как правило, только в пределах строительных площадок, к которым их доставляют авто­ мобильным, железнодорожным или водным транспортом. Гусеничное ходо­ вое оборудование может быть двух­ и многогусеничным (рис. 1.39, поз. 3). В строительных машинах с массой до 1000 т применяется наиболее простое и маневренное двухгусеничное оборудование. Для машин большей массы ис­ пользуют сложные многогусеничные системы, у которых число гусениц дос­ тигает 16. По степени приспосабливаемости к рельефу пути различают гусе­ ницы жесткие, мягкие 2, полужесткие и с опущенным или поднятым колесом 4. У жестких гусениц (рис. 1.40) опорные катки 7 непосредственно соедине­ ны с несущей балкой гусеницы. Этот тип подвески наиболее прост и дешев, он обеспечивает более равномерное распределение давления на грунт. Вследствие того, что жесткая гусеница не приспосабливается к неровностям пути и не амортизирует ударные нагрузки при езде по неровному и жесткому основанию, скорость передвижения машин при таких гусеницах обычно не превышает 5 км/ч. Для лучшей приспосабливаемости гусениц к неровностям грунта опорные катки объединяют в балансирные тележки (см. рис. 1.38, поз. 2) и вводят демпфирующие пружины или рессоры. Для лучшей работы машины в зимних условиях или в грунтах с низкой несущей способностью и 68 плохим сцеплением на звеньях гусеничной ленты применяют съемные шипы или шпоры. Рис. 1.40. Конструкция гусеницы:1 – ведущее колесо; 2 – винт; 3 – звено гусеничной лен­ ты;4,7 – поддерживающие и опорные катки; 5 –ходовая рама; 6 – стопор; 8 – несущая балка гусеницы; 9 – натяжное устройство; 10 – направляющее колесо Привод гусениц осуществляется ведущими колесами. Для зацепления с ве­ дущим колесом используются реборды звеньев или отверстия в них. Для компенсации износа и вытяжки звеньев гусеничные ленты натягиваются с помощью устройства 9 на направляющем колесе. В последние годы для рабо­ ты машин на заболоченных грунтах со слабой несущей способностью приме­ няют гусеничное ходовое оборудование с резинометаллическими гусеница­ ми. Такая гусеница выполнена из специальной резиновой ленты, армирован­ ной высокопрочной несущей проволокой с штампованными звеньями. Эта гусеничная лента имеет меньшую массу, лучшую приспосабливаемость к грунтовым условиям и проходимость машины, не нарушает дерновый покров. Тип привода машины и требования к ее скорости и маневренности предопре­ деляют конструкцию механизма передвижения. При одномоторном механи­ ческом или гидромеханическом приводе привод гусениц часто осуществляют с помощью конических зубчатых передач, цепных передач и кулачковых муфт и тормозов, обеспечивающих разворот машины только относительно одной из гусениц. Для большей маневренности гусеничных машин, выпол­ ненных на базе тракторов, для включения и выключения гусениц служат спе­ циальные фрикционные бортовые муфты сцепления. При включении гусениц в разных направлениях в этом случае достигается разворот машины на месте. Такое качество достигается и при индивидуальном приводе машин, когда ка­ ждая из гусениц приводится в движение отдельным электро­ или гидродвига­ телем, имеющим возможность для разворотов машин на месте включаться в разных направлениях. Шинноколесное (пневмоколесное) ходовое оборудование (см. рис. 1.39, б). Оно выполняется обычно двухосным с одной 5 или двумя 6 ведущими осями. Более тяжелые машины выполняются трехосными с двумя 7 или всеми 8 ве­ дущими осями, четырех­ 9 и многоосными 10. Основные достоинства пнев­ моколесного ходового оборудования определяются возможностью развивать высокие транспортные скорости, приближающиеся к скоростям грузовых ав­ томобилей, что придает им большую мобильность, а также большей долго­ 69 вечностью и ремонтопригодностью по сравнению с гусеничным ходовым оборудованием. Важной характеристикой колесных машин является колесная формула, состоящая из двух цифр; первая обозначает число всех колес, вторая — число приводных. Наиболее распространены машины с колесными формулами 4Х2 (см. рис. 1.39, б, поз. 5), 4Х4 (см. рис. 1.38, б, поз. 6), с большим количеством общих и ведущих осей применяются реже — в основном на тяжелых авто­ грейдерах и кранах. С ростом числа приводных колес в ходовом устройстве улучшаются проходимость и тяговые качества машины, но усложняется ме­ ханизм привода передвижения. Свойства шинноколесного ходового оборудования в значительной степе­ ни зависят от конструкции шин (рис. 1.41). На машине, как правило, устанав­ ливают шины одного типоразмера, поэтому часто на наиболее нагруженных осях устанавливают сдвоенные колеса. Для улучшения проходимости исполь­ зуют шины большого диаметра, широкопрофильные и арочные. При этом проходимость улучшается за счет большей опорной поверхности и развитым грунтозацепам. Такие шины дают возможность работать машине на слабых и рыхлых грунтах и на снегу. При работе арочных шин на твердых грунтах и дорогах с твердым покрытием сопротивление перемещению машины увели­ чивается, а срок службы шин резко уменьшается. Рис. 1.41. Типы шин: (а) − камерные; (б) − бескамерные; (в) − протекторы: 1− для земляных работ; II− то же, в каменных карьерах; III− противобуксующие; IY− универсальные; (г) − арочные Маркируются шины обычного профиля двумя цифрами через тире (на­ пример, шина 320...508 мм или 12.00—20"). Первое число – ширина профиля шины, второе – внутренний (посадочный на обод) диаметр шины в милли­ метрах или дюймах. В обозначение шины широкого профиля входят три чис­ ла в миллиметрах: наружный диаметр, ширина профиля и посадочный диа­ 70 метр обода, например, шина (1500 Х 660 Х 635 мм). Для улучшения проходи­ мости машин, снижения сопротивления передвижению и износа шин в по­ следние годы в строительных машинах стали применять регулирование дав­ ления воздуха в шинах из кабины машиниста. В этом случае при движении машины по рыхлому или влажному грунту давление воздуха в шинах снижают, уменьшая соответственно давление на грунт и улучшая тяговые качества и проходимость. При передвижении ма­ шин по твердым дорогам давление в шинах повышается, что ведет к сниже­ нию сопротивления движению и увеличению долговечности шин. Указанное регулирование давления в шинах можно автоматизировать с помощью при­ менения микропроцессоров. Срок службы шин может быть увеличен за счет правильного выбора типа шин специальных устройств для соответствующих условий их эксплуатации. В зависимости от условий работы и скоростей движения машины, опреде­ ляющих динамичность, выбираются и допускаемые нагрузки на колеса. На­ пример, при прочих равных условиях, если нагрузку на колесо при скорости передвижения машины 50 км/ч принять за 100 %, то при скорости продвиже­ ния 8 км/ч нагрузку можно увеличить примерно в полтора раза, а при скоро­ сти, близкой к нулю, увеличить в два раза. Это, например, очень важно для работы пневмоколесных кранов в операциях перемещения их с грузом на стройплощадке. Шинноколесное ходовое оборудование строительных машин может иметь механический, гидравлический, электрический и комбиниро­ ванный приводы колес. Наиболее распространенными являются механиче­ ский, гидромеханический и гидрообъемный приводы. В механических и гид­ ромеханических приводах наиболее распространен привод ведущих колес, объединенных в мосты попарно через дифференциалы. Это обеспечивает вы­ сокие скорости движения без проскальзывания. К недостаткам такого привода следует отнести то, что колеса одного мос­ та могут развивать только равные тяговые усилия, величины которых опреде­ ляются максимальным тяговым усилием колеса, находящегося в худших по сцеплению дорожных условиях. Для устранения этого недостатка при движе­ ниях с низкими скоростями в сложных дорожных условиях применяют уст­ ройства для блокировки дифференциалов. Привод колес без дифференциалов обеспечивает простоту конструкции и более высокие тяговые усилия, но при поворотах машины и движении по неровной поверхности колеса проскальзы­ вают вследствие разности скоростей. При этом увеличиваются расход энер­ гии и износ шин. В последние годы в строительных машинах начали применять индивиду­ альный привод каждого колеса от своего гидро­ или электродвигателя – при­ вод с мотор­колесами. Последнее представляет собой самостоятельный блок, состоящий из двигателя, муфты, планетарного редуктора, тормоза и колеса. Применение гидропривода с давлением от 16 МПа и выше позволяет при 71 низкомоментных гидродвигателях создать очень компактные, встроенные в обод колеса конструкции, конкурирующие с другими типами приводов. При­ менение мотор­колес упрощает компоновку машин, улучшает ее маневрен­ ность и проходимость за счет того, что каждое колесо может служить при­ водным и управляемым (поворотным). Применение гидравлических мотор­ колес с регулируемыми насосами и гидромоторами позволяет регулировать скорости от нескольких метров в час (рабочие движения) до десятков кило­ метров в час (транспортные режимы). Рельсоколесное ходовое оборудование. Оно обеспечивает низкое сопро­ тивление передвижению, восприятие больших нагрузок, простоту конструк­ ции и невысокую стоимость, достаточную долговечность и надежность. Же­ сткие рельсовые направляющие и основания обеспечивают возможность вы­ сокой точности работы машины. Главными недостатками этого хода являют­ ся: малая маневренность, сложность перебазировки на новые участки работ, дополнительные затраты на устройство и эксплуатацию рельсовых путей. Этот вид ходового оборудования применяют для башенных и железнодорож­ ных кранов, цепных и роторно­стреловых экскаваторов, а также для экскава­ торов­профилировщиков. Шагающее ходовое оборудование. Оно имеет несколько конструктивных решений. Оно выпускается как с механическим, так и гидравлическим приво­ дом. На рис. 1.39, в показан в качестве примера кривошипно­эксцентриковый механизм привода хода. В положении 11 ходовые лыжи (одна лыжа заштри­ хована) вместе с расположенными на них рельсами эксцентрикового меха­ низма подняты вверх и опирание машины на грунт происходит через круглую базу машины. При этом положении машина может поворачиваться с лыжами на опорно­поворотном устройстве в любую сторону на 360°. В позиции 12 лыжи передвинулись на половину шага вперед (вправо) и опустились на ос­ нование. В позиции 13 эксцентриковым механизмом поднята вся машина и передвинута на половину шага вперед. В позиции 14 машина передвинута еще на полшага вперед и опущена на грунт. В следующей позиции, при пово­ роте кривошипа на четверть оборота, лыжи вместе с механизмом займут свое исходное положение. Шагающий ход обеспечивает низкие удельные давле­ ния на грунт и высокую маневренность, так как поворот машины заменен по­ воротом платформы. Основным недостатком шагающего хода являются его малые скорости передвижения (обычно до 0,5 км/ч). Этот вид ходового обо­ рудования применяют преимущественно на мощных экскаваторах­ драглайнах. Тяговый расчет. При тяговом расчете необходимо выяснить сопротивле­ ние передвижению машины и тяговые возможности ее механизма по двигате­ лю привода и по сцеплению движителей с грунтом. Сопротивления передви­ жению, которые должны быть преодолены механическим приводом и колес­ ным или гусеничным движителем [6], 72 W  W р  Wпер  Wпов  W у  Wи  Wв , (1.46) где W р – сопротивление от рабочего органа машин; Wпер – сопротивление пе­ редвижению (перекатыванию) движителей; Wпов – сопротивление повороту машины; W у , Wи , Wв – противления уклона местности, инерции при разгоне и ветра. Сопротивление от рабочего органа зависит от назначения и типа машины, характера выполняемых работ, конструкции рабочего органа и других фак­ торов. Для землеройных машин сопротивление резанию грунта W p  k p Bh ,   где kp  коэффициент сопротивления резанию k р  400...1000 МПа; B  длина отвала, м; h  средняя толщина снимаемой стружки, м. ( h  qк н / lbk раз , где q  емкость ковша; k н  коэффициент наполнения; l  длина заполнения; b  ширина срезаемой стружки; k paз  коэффициент раз­ рыхления). Сопротивления перемещению (перекатыванию) движителей вследствие большого количества факторов, влияющих на его значение, определить ана­ литически с достаточной точностью затруднительно. Поэтому W  fG (1.47) где f – коэффициент сопротивления передвижению движителей, средние значения которого для некоторых видов опорных поверхностей приведены в табл. 1.3; G м – сила тяжести машины. Сопротивления повороту для гусеничных машин определяются затратами энергии на срезание и смятие грунта гусеницами и трением заторможенной гусеницы. При перемещении по рыхлому вязкому грунту можно принять Wпов =(0,4...0,7) Wпер . Сопротивление повороту колесных машин, передвигающихся по твердым основаниям, обычно не учитываются из­за малых значений. При езде по рыхлому грунту можно принять Wпов = (0,25...0,5) Wпер . Со­ противление движению машины от уклона местности W ó  ±G sin  (1.48) где  – угол подъема пути машины; знак «+» соответствует движению ма­ шины на подъем, знак «–» – под уклон. 73 Таблица 1.3 Значения коэффициентов сопротивления передвижению и коэффициентов сцепления Вид опорной поверхности Асфальт сухой Грунтовая дорога: сухая укатанная грязная, влажная Грунт: уплотненный Песок: влажный сухой Снег: рыхлый укатанный Болото Бетон Шиноколесный движитель шины высокого шины низкого давления давления Гусеничный движитель f 0,015..0,02  f 0,7...0,8 0,02 0,02...0,06 0,13...0,25 0,6...0,7 0,025...0,035 0,4...0,6 0,1...0,3 0,15...0,2 0,15...0,25 0,06...0,07 0,12...0,15 0,5...0,6 0,10...0,20 0,4... 0,6 0,10...0,15 0,5...0,7 0,08 0,1...0,4 0,4...0,5 0,3...0,6 0,06...0,15 0,25...0,3 0,2...0,30 0,4...0,5 0,2...0,4 0,05...0,1 0,6... 0,7 0,15...0,2 0,4..,0,5 0,4...0,5 0,05...0,1 — 0,015...0,02 0,15...0,2 0,25...0,3 — 0,7...0,8 0,2...0,4 0,3...0,5 0,1 0,7...0,8 0,1.,.0,25 0,04...0,06 0,3 0,06 0,1...0,30 0,03...0,05 0,25 0,02  0,7...0,8 f  0,8...1,0 0,25...0,35 0,4...0,6 0,15 0,5...0,6 Сопротивление от инерции при разгоне I   Wи   m  2  a , (1.49) r   где т – масса машины; I – момент инерции приводимых в движение вра­ щающихся масс механизма привода движителей; r – радиус приводного ко­ леса; а – ускорение разгона машины. Сопротивление от давления ветра (1.50) W  Aqâ , где A – суммарная подветренная площадь машины; qв – давление ветра. В тяговых расчетах большинства машин для земляных машин на строй­ площадке могут не учитываться отдельно инерционные силы и силы ветра которые имеют небольшую величину по сравнению с основными составляю­ щими. Могут не учитываться также сопротивления подъему и повороту, так как при этом копание не производится. Сопротивление передвижению в про­ цессе копания W  W p  fG (1.51) где f1 − коэффициент сопротивления передвижению при копании, который можно принимать в первом приближении f1 = (1,1...1,3) f . 74 В транспортных режимах не учитываются рабочие усилия на машине. Со­ противления передвижению определяются дорожными условиями, при этом одновременное действие сопротивлений повороту и подъему в машинах для земляных работ обычно исключается. Действие ветра принимается по рабо­ чему состоянию. Условие движения любой машины записывается уравнением W  Fод  Fо,сц , (1.52) где Foд − окружная сила всех движителей машины (приводных колес, гусе­ ниц), получаемая от двигателей привода; Fо, сц − суммарная окружная сила всех движителей по условию сцепления их с основанием. Окружную силу движителя Fok можно определить по величине крутящего момента двигателя Tu (1.53) Fok  e тр тр , rc где Te  крутящий момент двигателя; uтр  передаточное число трансмис­ сии; тр  КПД трансмиссии ( тр  0,85...0,90 для колесного движителя, тр  0,68...0,72 для гусеничного движителя); rc  силовой радиус колесного движителя или радиус начальной окружности ведущей звездочки гусенично­ го движителя, или по мощности двигателя Pu Fok  e ò ð ò ð , кН rc ne где Pe  мощность двигателя, кВт; n e  частота вращения коленчатого вала. Окружная сила по сцеплению движителя с грунтом Fo, cö  G (1.54) где   коэффициент сцепления движителя с основанием, по которому пере­ двигается машина (см. табл. 1.2). В случае, если наступает условие Fо,сц  Fо,д,  W , (1.55) машина не может двигаться, так как происходит буксование движителей. Если же возникает условие Fî ,ñö  Fî ,ä,  W , (1.56) то машина также не будет двигаться вследствие недостаточного тягового усилия, развиваемого приводом ходового механизма. 75 1.8. Технико-экономические показатели землеройнотранспортных машин Наиболее важными показателями строительных и дорожных машин явля­ ются производительность, маневренность, проходимость, устойчивость, на­ дежность и экономичность. Отношение объема строительной продукции ко времени ее создания харак­ теризует один из важных показателей машин – производительность. Различают следующие виды производительности: 1.Теоретическая производительность. Определяется при расчетных скоро­ стях рабочих движений в расчетных условиях работы, в условном материале. Для машин циклического действия q Ï öò  3600  ì , (1.57) tö где q­ количество единиц продукции, выполненной машиной за один рабочий цикл, м 3 или т; tц  продолжительность рабочего цикла, с;  ì  плотность материала. Для машин непрерывного действия, выдающих продукцию непрерывным потоком (1.58) П н  3600 q υ  ì , где υ – скорость движения материала. Для машин непрерывно­циклического действия, выдающих продукцию от­ дельными порциями q Ï íòö  3600 υ  м , (1.59) l где l ­ расстояние между порциями материала. 2. Эксплуатационная производительность определяется с учетом всех пе­ рерывов в работе машины, фактических или запланированных в рабочее время. Для расчета плановых технико­экономических показателей машины ис­ пользуют годовую производительность П Гэ  П iT Ф Г ки , (1.50) где Фг  годовой фонд рабочего времени; к и  коэффициент использования рабочего времени. По величине П г определяют среднюю выработку одного рабочего ПГ , (1.51) В nсм n раб 76 где n см  число смен работы в году; n раб  среднее количество рабочих, об­ служивающих машину в течение смены. Затраты труда на единицу продукции является величиной, обратной сред­ ней выработки. С целью снижения затрат труда машина должна иметь высо­ кие технико­экономические показатели, которые в первую очередь зависят от сокращения непроизводительных затрат машинного времени; улучшения ис­ пользования мощности двигателя; применения средств автоматизации и др. Применение средств автоматизации возможно в следующих случаях [4]: 1. Разработка системы передачи информации, которая обеспечивает непре­ рывный поток необходимых сведений с минимальным разрывом по времени между событием и получением информации. 2. Разработка электронного моделирования с применением математической статистики. 3. Разработка методики оптимизации структуры парка машин. 4. Повышение производительности машин за счет разработки автоматиза­ ции приводов. 5. Разработка теории рабочих процессов (для создания нормы выработки). 6. Разработка общей теории создания новых машин­орудий на базе унифи­ кации. 7. Создание научно обоснованной теории надежности и долговечности ма­ шин. Снижению стоимости единицы продукции в значительной мере способст­ вует уменьшение затрат на ремонт и техническое обслуживание машин, хра­ нение и транспортирование. Поэтому при создании новых машин и их модер­ низации необходимо добиваться повышения их эффективности использова­ ния, долговечности, ремонтопригодности и сохранности. Значительное влияние на эксплуатационную производительность машин оказывают показатели тягово­скоростные характеристики. Тяговые характеристики. Цель построения тяговой характеристики ма­ шины заключается в определении и представлении в графической форме из­ менения тяговой мощности PT, часового расхода топлива GT, удельного рас­ хода топлива g е, действительной скорости движения υд, коэффициента буксо­ вания δк и тягового КПД η Т в функции силы тяги F т на рабочем органе при изменении ее от нулевого значения (холостой ход машины) до максимальной величины на разных передачах при установившемся режиме работы на гори­ зонтальной поверхности. Для построения тяговой характеристики землеройно­транспортной маши­ ны необходимы следующие исходные данные: – регуляторная характеристика двигателя в функции крутящего момента; –передаточные числа и механический КПД трансмиссии; –общий и сцепной вес машины; 77 – колесная схема машины и тип шин колесного движителя; – расчетные грунтовые условия, зависящие от характера выполняемых опе­ раций. Необходимые построения целесообразно производить в следующем порядке: 1. Во второй четверти системы координат (рис.1.42) наносим регуляторную характеристику двигателя в функции крутящего момента Tе. Рис. 1.42. Построение тяговой характеристики землеройно­транспортной машины с механической трансмиссией 2. В первой четверти системы координат, предназначенной для размещения тяговой характеристики колесной машины, строим кривую коэффициента буксования движителя  в функции силы тяги Т, подсчитывая значения δ по формуле n  F  F     А    B  100% , (1.62) R R       где F – сила тяги, которой соответствует искомая величина буксования δ; R – нормальная реакция грунта на движитель; А, В, п – коэффициенты, зависящие от вида движителя, а также типа шин, давления воздуха и грунтовых условий (табл. 1.4). Таблица 1.4 Значения коэффициентов А, В, п колесного движителя с пневматической шиной на связных грунтах Состояние грунта Относительная Значения коэффициентов при давлении воздуха в пневматиче­ влажность грун­ ской шине в МПа та 0,1 0,2 w/w 0 w /w 0 А В n А В n Рыхлый (на­ сыпной) 0,4 0,6 0,67 0,11 2,79 1,00 0,12 2,97 0,11 5,15 0,12 6,58 6 6 78 Продолжение табл. 1.4 1,17 0,13 2,73 1,33 0,14 2,53 0,67 0,09 1,50 1,00 0,10 2,31 1,17 0,12 2,56 1,33 0,15 2,81 0,67 0,09 5 0,7 4 0,8 Плотный (свеже­ срезанный) 0,4 8 0,13 6,29 0,14 6,68 0,09 2,34 0,10 5,48 0,12 7,76 0,15 10,03 5 4 8 0,6 6 0,7 Состоя­ ние грунта 4 0,8 Относительная Значения коэффициентов при давлении воздуха в пневматиче­ влажность грун­ ской шине в МПа та 0,3 0,4 0,5 w/w 0 w /w 0 А В n А В n А В n 0,40 Плотный (свеже­ срезанный) 1,00 0,10 0,60 1,17 0,12 0,70 1,33 0,80 0,15 4 6 2,81 8 9,25 0,09 0,10 114,79 6 27,35 4 0,12 0,15 3,38 0,09 8 0,10 14,40 24,47 6 70,82 4 0,12 0,15 3,73 8 18,10 42,18 6 210,28 4 Коэффициент буксования для гусеничной машины 0,0333   ÊÐ  , 2 1  1,377   ÊÐ где  КР − текущее значение коэффициента использования сцепления, которое определяется по формуле: êð  Fkp / G где Fkp – крюковое усилие (берутся 6…10 значений от FКР MIN до FКР MAX ); G – сила тяжести землеройной машины. Для построения кривой буксования колесного движителя с пневматической шиной на плотном несвязном грунте при относительной влажности w/wbn= 0,4 … 0,6 или w/wo= 0,67…1,0 и давлении воздуха в шине р  0,30 … 0,50 МПа следует принимать А = 0,20, В = 3,68, п = 3. Для гусеничного движите­ ля на связном плотном свежесрезанном грунте при w = (0,7…1,0) w0 A = 0,05, В == 1,76, п = 12. 79 3. Здесь же наносим лучевую диаграмму, которая устанавливает зависи­ мость окружной силы от величины крутящего момента двигателя (1.53): Из формулы (1.53) видно, что для каждой передачи искомая зависимость будет представлять собой прямую, проходящую через начало координат, если ηм считать постоянным. При построении лучевой диаграммы достаточно най­ ти только одну точку для каждой передачи при произвольном значении кру­ тящего момента двигателя и соединить ее с началом координат. На тяговой характеристике эта зависимость, как и прочие, показана только для одной пе­ редачи. 4. Определяем силу сопротивления качению землеройной машины (1.63) Ff= f G , где f – коэффициент сопротивления движению (по табл. 1.4 и 1.5), и отклады­ ваем найденное значение по оси абсцисс вправо от начала координат. Таблица 1. 5 Значения коэффициентов сопротивления качению и сцепления пневматических шин колесного движителя на различных поверхностях качения Относительеная Давление воздуха в пнневматической шине, МПа влажность 0,1 0,2 0,3 0,4 грунта f 0,4 0,6 0,7 08 0,4 0,6 0,7 0,8 0,5  /0 f  f   f 0,5  f Грунт связный рыхлый (насыпной) 0,67 0,10 0,83 0,14 0,75 0,17 0,70 0,18 1,00 0,11 0,82 0,15 0,72 0,18 0,66 0,19 1,17 0,12 0,80 0,16 0,68 0,19 0,62 0,21 1,33 0,12 0,77 0,18 0,61 0,21 0,53 0,23 Грунт связный плотный (свежесрезанный) 0,67 0,05 0,94 0,04 0,89 0,04 0,87 0,04 1,0 0.05 0,89 0,05 0,80 0,06 0,75 0,06 1,17 0,06 0,84 0,06 0,07 0,07 0,63 0,08 1,33 0,07 0,75 0,08 0,55 0,09 0,43 0,10 Грунт несвязанный плотный (свежесрезанный) 0,83 0,06 0,78 0,06 0,70 0,07 0,65 0,08 Асфальтобетонное покрытие 0,03 0,90 0,02 0,82 0,02 0,76 0,02 f  0,67 0,63 0,58 0,47 0,19 0,20 0,22 0,24 0,65 0,61 0,44 0,44 0,85 0,71 0,58 0,34 0,05 0,07 0,11 0,11 0,84 0,69 0,53 0,26 0,62 0,09 0,60 0,72 0,02 0,70 Таблица 1.6 Значения коэффициентов сопротивления движению и сцепления с гусеничного движителя с различными поверхностями качения Вид поверхности качения Грунтовая сухая f 0,06 … 0,07 φ 0,9 1,0 80 Слежавшаяся пахота Свежевспаханный грунт Песок влажный сухой 0,08 …0,09 0,10 … 0,l2 0,15 0,6 0,7 0,5 0,4 Полученную точку O1 можно принять за начало координат силы тяги, по­ скольку F = Fк – Ff . (1.64) 5. Строим кривую изменения действительной скорости движения машины υд в функции силы тяги F Т . Для этого, задаваясь значением силы тяги (от­ резок 01), из точки 1 восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с лучом Рк. Через полученную точку 2 проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с кривыми регуляторной характеристики двигателя (точки 3, 4 и проектируя точку 5 на ось абсцисс, находим частоту вращения коленчато­ го вала двигателя, соответствующую заданному значению силы тяги. Опреде­ лив величину коэффициента буксования при этом же режиме работы зем­ леройной машины (через точку 6 проводим горизонталь до пересечения с осью ординат), подсчитываем значение действительной скорости движения rn  (1.65)  д  0,105 C e 1  K . uM  100  Найденное значение υд показано точкой 7. Выполнив указанные расчеты при различных значениях силы тяги, строим по точкам кривую υд = υд (T Ò ). (1.66) 6. Строим кривую изменения тяговой мощности РT в функции силы тяги FT . Для этого подсчитываем Р т  Fт υ д /1000. Задаемся значением F Т и принимаем (по графику) соответствующую этому значению величину действительной скорости υд. Выполнив расчеты, можно построить по точкам искомую кривую. 7. Строим кривую изменения часового расхода топлива GT в функции силы тяги FТ . Расход топлива GT, соответствующий заданному значению силы тя­ ги, можно найти, спроектировав точку 4 на ось абсцисс. Найденное значение GT показано точкой 8 на тяговой характеристике. Как и в предыдущих случа­ ях, для получения искомой кривой необходимо все построение выполнить при различных значениях тяги. 8. Строим кривую изменения удельного расхода топлива gT на 1 кВт∙ч в функции силы тяги по уравнению G g T  1000 T , г/кВт∙ч, PT 81 где GT − расход топлива в кг/ч; PT − тяговая мощность землеройной машины в кВт. 9. Строим кривую изменения тягового КПД в функции силы тяги FТ , поль­ зуясь зависимостью P (1.67) T  T . Pe Предварительно построим кривую зависимости Pe = Pe FТ  уже рассмот­ ренным способом. Так, например, при заданном значении FТ находим Pe, проектируя точку 3 на ось абсцисс. Найденное значение Pe на тяговой харак­ теристике обозначено точкой 11. Построив таким образом кривую мощности двигателя в функции силы тя­ ги, по соотношению ординат PT и Pe строим кривую зависимости тягового КПД землеройной машины в функции силы тяги. Значение ηТ, обозначенное на тяговой характеристике точкой 12, соответствует значению силы тяги, оп­ ределяемому отрезком 01. Аналогичным образом строим тяговую характеристику и на других пере­ дачах. На рис. 1.43 показано построение тяговой характеристики землеройной машины. Рис.1. 43. Тяговая характеристика землеройной машины Если в состав трансмиссии землеройной машины входит гидродинами­ ческая передача, то предварительно необходимо построить выходную харак­ теристику «системы двигатель – гидродинамическая передача». Принимая выходную характеристику за исходную и сопоставляя ее с характеристикой движителя, можно построить тяговую характеристику землеройной машины. При этом методика построения остается прежней. Для получения высоких тя­ говых качеств землеройных машин с гидромеханической трансмиссией целе­ сообразно, чтобы рациональный режим работы колесного движителя совпа­ дал с рациональным режимом системы «двигатель – гидродинамический трансформатор» на первой рабочей передаче. 82 Следовательно, для осуществления такого согласования необходимо, что­ бы работа колесного движителя на режиме номинальной силы тяги Fн (соот­ ветствующей буксованию 20%), мощность PТ на валу турбинного колеса и КПД ηгт гидродинамического трансформатора имели достаточно высокие значения. Поскольку значения Р Tmax и ηгт мах, как правило, не совпадают, то выбор рациональной степени загрузки по величине крутящего момента М т на валу турбинного колеса нужно определять, исходя из анализа параметров характе­ ристики совместной работы. При этом необходимо иметь в виду следующее. Если при работе колесного движителя автогрейдера на режиме М н загрузка гидродинамического трансформатора составит F T max, то тяговые качества ав­ тогрейдера окажутся самыми высокими. Если же значение F н будет соответ­ ствовать ηгт мах , то режим работы землеройной машины окажется рациональ­ ным с точки зрения уменьшения потерь мощности в гидродинамическом трансформаторе. Таким образом, когда при F Tmax значение ηгт близко к максимальному, то целесообразно согласовывать номинальный режим работы колесного движи­ теля с режимом F T мах. В том случае, когда при указанном режиме работы гидродинамического трансформатора ηгт имеет недостаточно высокое значение, следует согласо­ вание режимов работы колесного движителя назначать по некоторым проме­ жуточным значениям F T и ηгт, проведя всесторонний анализ параметров ха­ рактеристики совместной работы. При выполнении тягового расчета землеройной машины необходимо в пер­ вую очередь установить оптимальные соотношения между мощностью двига­ теля, параметрами гидродинамического трансформатора, передаточным чис­ лом механической части гидромеханической трансмиссии и весом машины. Часть из указанных параметров должна быть задана, а недостающие опреде­ лены с помощью тягового расчета. Предположим, что известны регуляторная характеристика двигателя, безразмерная характеристика гидродинамического трансформатора, а также полный вес G и сцепной вес Gсц землеройной маши­ ны, определяем передаточное число гидромеханической трансмиссии, обес­ печивающее эффективную работу землеройной машины на первой рабочей передаче u MT в такой последовательности. 1. Во втором квадранте (рис.1.44) размещаем выходную характеристику системы двигатель – гидродинамический трансформатор в функции крутяще­ го момента вала турбинного колеса МТ. 2. Назначаем расчетные грунтовые условия, типичные для проектируемой землеройной машины. 3. В первом квадранте строим кривую коэффициента буксования колесного движителя автогрейдера по формуле (1.62 ), полагая Fсц = R. 83 4. Рассчитываем по формуле силу сопротивления качению колес землерой­ ной машины и наносим на график. 5. Определяем рациональный режим работы гидродинамического транс­ форматора по максимальным значениям РTmax,  гт mах или промежуточному значению в зависимости от вида землеройной машины и особенностей вы­ ходной характеристики. Предположим, что в данном случае за рациональный режим принят режим  гт шах. Устанавливаем расчетное значение крутящего момента вала турбинного колеса, соответствующего назначенному рациональному режиму работы гид­ родинамического трансформатора Т òð . Рис.1. 44. График к расчету передаточного числа механической части трансмиссии первой рабочей передачи землеройной машины 6. Откладываем δ = 20% и находим значение номинальной силы тяги Fн землеройной машины. 7. Восстанавливая перпендикуляр из точки а1 и проводя горизонталь через точку а2, получим точку а3. Если через начало координат окружной силы ко­ лесного движителя — точку О1 и точку а3 — провести прямую, то она будет представлять собой луч F к, устанавливающий зависимость между окружной силой и крутящим моментом M т. 8. Определяем передаточное число на первой рабочей передаче Fí  F f (1.68) Uì 1  rC , Òòð  ì где rс – силовой радиус колесного движителя; ηм – механический КПД меха­ нической части гидромеханической трансмиссии. 84 9. Определяем скорость движения. Величина теоретической скорости дви­ жения землеройной машины на первой рабочей передаче υT1 при работе гид­ родинамического трансформатора на режиме M тр будет r n (1.69)  Т 1  0 ,105 C ТР . U M1 Величина скорости холостого хода землеройной машины  дх  0 ,105 rC n ТХ , U M1 (1.70) где птх – частота вращения вала турбинного колеса гидродинамического трансформатора при работе землеройной машины на холостом ходу. 10. Проверяем устойчивость работы землеройной машины исходя из усло­ вия, что при тяговой перегрузке остановка происходит вследствие полного буксования ведущих колес, а не вследствие остановки турбинного колеса, т. е. Fм > Fφ > φGСЦ. Для этой цели через точку а4 проводим горизонталь, а через полученную точку а5 — вертикаль и находим значение Fм. При расчете iM1 по приведенной выше методике это условие, как правило, соблюдается. Если получится, что Fм ≤ Fφ, то необходимо изменить значение iM1, основываясь на условиях ус­ тойчивой работы землеройной машины. Основой для оценки динамических и экономических качеств землеройно­ транспортных машин служат тяговые характеристики (рис. 1.42 и 1.43). Располагая тяговой характеристикой, можно для каждой рабочей переда­ чи установить следующие оценочные показатели (значения силы тяги) дина­ мических и экономических качеств машин при различных характерных зна­ чениях силы тяги: тяговую мощность PT, коэффициент буксования δ, дейст­ вительную скорость движения υд, тяговый КПД ηт , часовой GT и удельный gT расход топлива, запас силы тяги. Последний показатель находят как разность между максимальной силой тяги, определяемой условиями сцепления колесного движителя с поверхно­ стью качения Fφ или максимальным крутящим моментом двигателя Тм, и си­ лой тяги при данном режиме работы машины F. Между некоторыми из перечисленных характерных значений сил тяги земле, землеройно­транспортных машин при работе на свежесрезанном связ­ ном грунте с влажностью около 0,55 от верхнего предела пластичности суще­ ствуют следующие соотношения: F η = (0,50…0,55) F φ; F p = (0,70…0,73) F ; Fд мах = (0,73÷0,75) F ; F p ≈ FН . Т Т Как известно, различают скорости движения землеройно­транспортных машин теоретические и действительные. Первые не учитывают потери скоро­ сти движения в результате буксования колесного движителя и поэтому при прочих равных условиях зависят только от частоты вращения коленчатого вала двигателя. 85 Перечислим характерные значения скоростей движения землеройно­ транспортных машин: скорость движения на холостом ходу υx, номинальная скорость движения υH (действительная скорость движения при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя и δ = 20%), расчетная скорость движения (теоретическая скорость, соответствующая номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя). Целесообразно основные оценочные показатели тяговых и топливно­ экономических качеств, перечисленных выше, определять так (рис.1.45): Рис.1.45. Графический расчет производительности и топливной экономичности землеройно­транспортной машины непрерывного резания грунта на примере автогрейдера на режиме максимальной тяговой мощности Ð т  p Ò a1a2 ,äPT a1a5 ,TPT a1a7 , GTPT a1a3 , gTPT a1a4  ; на режиме максимального тягового КПД Рη  b1b2 ,д b1b6 ,GT b1b3 , gT b1b4  ; на режиме максимальной мощности двигателя, Ð ð å  ð e c1c2 ,äNe c1c4 ,Tðe c1c7 , GTðe c1c3 , gTðe c1c5  . С помощью тяговой характеристики землеройно­транспортных машин непре­ рывного резания грунта можно определять их производительность по объему вырезанного или разрыхленного грунта и топливную экономичность. 1. Во второй четверти системы координат (рис.1.45) наносим регуляторную характеристику двигателя в функции крутящего момента. 86 2. В первой четверти системы координат строим тяговую характеристику землеройно­транспортной машины. 3. В четвертой четверти системы координат строим номограмму для опре­ деления проекции площади сечения вырезаемой стружки грунта на плос­ кость, перпендикулярную к направлению движения SГ в координатах SГ и F Т . Для этого вниз по оси ординат наносим шкалу значений SГ , осью абсцисс служит уже ранее нанесенная шкала значений FÒ . По уравнению находим Sà  FÒ , м2 kð (1.71) и производим построение. Поскольку рассматриваемая зависимость выражается прямой, проходящей через начало координат силы тяги – точку O1, значения SГ достаточно опреде­ лить при любой величине Ti нанеся найденное значение на график, соединив полученную точку с началом координат. При построении лучевой диаграммы необходимо задаваться различными значениями k, чтобы охватить возможные грунтовые условия, встречающиеся при работе землеройно­транспортной машины. 4. В третьей четверти системы координат строим номограмму для опреде­ ления теоретической часовой производительности по объему вырезанного грунта Пт при различных скоростях движения υд. Для построения этой номо­ граммы воспользуемся координатами ПТ и ST. Шкалу значений ПТ наносим на оси абсцисс влево от начала координат; шкала SГ остается прежней. Для по­ строения искомой зависимости воспользуемся выражением (1.72) П Т  1000S Г  д , м 3 / ч. Задаваясь различными значениями υд, строим номограмму аналогично предыдущей. Она будет представлять собой также пучок прямых, проходя­ щих через начало координат. 5. В этой же четверти системы координат вниз по оси ординат наносим шкалу удельного расхода топлива gT и по уравнению G qT  T , Ï T в координатах ПТ и gT строим кривые теоретического расхода топлива на 1 м3 вырезаемого грунта в зависимости от часового расхода топлива GT. На графи­ ке эти кривые построены при трех значениях часового расхода топлива 15; 17,5 и 20 кг/ч. 6. Находим эксплуатационную производительность ПЭ=k1 k2 k3 k4ПТ = kЭПТ, где kЭ = k1 k2 k3 k4,– эксплуатационный коэффициент, учитывающий: k1 – ко­ эффициент, учитывающий потери грунта при его перемещении из забоя на рабочий орган; k2 – коэффициент, учитывающий необходимость снижения ис­ 87 пользуемой мощности двигателя при его непрерывной и длительной работе (k2 = 0,9÷0,95); k3 – коэффициент использования землеройно­транспортной машины по времени; k4 – коэффициент, учитывающий влияние системы управления на производительность землеройно­транспортной машины. Задаемся определенным значением ПТ, откладываем его по шкале (напри­ мер, 300 м3/ч) и назначаем наименьшее возможное значение коэффициента kЭ (например, 0,75). Располагая этими исходными данными, пользуясь приве­ денной выше формулой, находим, что ПЭ = 0,75∙300= 225 м3/ч. Это значение откладываем на той же шкале производительности и через полученную точку а1 проводим прямую, перпендикулярную к оси абсцисс. На этой прямой от­ кладываем отрезок а1а2 произвольной длины, а затем точку а2 соединяем на­ клонной прямой с точкой а3. Отрезок ага3 разбиваем на равномерную шкалу, крайние значения которой будут kЭ = 1,0; kЭ= 0,75. Затем соединяем точки шкалы kЭ с началом координат прямыми лучами. Наконец, через деление шкалы ПТ проводим прямые, параллельные отрезку а2а3. Построив такой график для любой землеройно­транспортной машины не­ прерывного резания грунта (автогрейдера, скрепера, бульдозера, грейдер­ элеватора, струга, рыхлителя, канавокопателя и др.), можно решить целый ряд задач, связанных с оценкой их эксплуатационно­технических показателей и выбором рациональных режимов работы. Используя построенный график, рассмотрим возможные методы решения наиболее характерных задач. Предположим, что требуется определить эксплуатационную производи­ тельность автогрейдера ДЗ­144А при работе на первой передаче с использо­ ванием режима максимальной тяговой мощности, если сопротивление грунта К = 500 МПа, a kЭ = 0,75. Обозначив точкой а5 максимальное значение тяго­ вой мощности автогрейдера на первой передаче РT , опустим из нее перпен­ дикуляр на ось абсцисс и найдем силу тяги колесного движителя, соответст­ вующую заданному режиму работы (точка а8). Определив по графику F Т = 5000 H, найдем часть силы тяги Fр, которая расходуется непосредственно на резание грунта, пользуясь известной зависимостью F Р  FТ   f  R  WПР  WВ  WВО  , (1.73) где ∑R − суммарная нормальная реакция грунта на все колеса автогрейдера; Wnp − сопротивление перемещению призмы волочения грунта; We − сопро­ тивление трения при движении грунта вверх по отвалу; We0 − сопротивление трению при движении грунта вдоль по отвалу. Выполнив необходимые рас­ четы, определим, что Fр = 5000 − 2500 = 2500 Н. Значение Fр откладываем по оси абсцисс вправо от начала координат (точка а9). По величине FP можно определить проекцию площади сечения вырезаемой стружки грунта на плоскость, перпендикулярную к направлению движения автогрейдера SГ. Для этого через точку а9 проводим вертикаль до 88 пересечения с лучом К = 500 МПа. Через полученную точку а10 проводим го­ ризонталь, с тем чтобы она пересекала шкалу SГ (точка а11) и луч υд = 2,5 км/ч (точка а14), так как при заданном режиме работы автогрейдера действи­ тельная скорость движения составляет примерно 2,5 км/ч, в чем можно убе­ диться, если через точку а6 провести горизонталь до пересечения со шкалой υд (точка а7). Положение точки а11 на шкале SГ определит сечение стружки грунта. Проведя вертикаль через точку а14 на шкале ПТ (точка а15) найдем теоре­ тическую производительность автогрейдера. Она составит 1250 м3/ч. Для определения эксплуатационной производительности при заданном значении ka = 0,75 проводим наклонную линию аи а17 до пересечения с лучом, соответствующим заданному значению кэ = 0,75. Проведя вертикаль через точку а17 до пересечения со шкалой Пт (точка а18), найдем искомую величину эксплуатационной производительности автогрейдера, равную 925 м3/ч. Для определения удельного расхода топлива gT предварительно нужно ус­ тановить часовой расход топлива двигателем. Это можно сделать, если через точку а4 провести горизонталь до пересечения с кривой G Т регуляторной ха­ рактеристики (точка а19), из этой точки восстановить перпендикуляр к шкале GT и затем по ней найти часовой расход топлива, который будет равен 17,5 кг/ч. Продолжив вертикаль а14 а15 до пересечения с кривой GT = 17,5 кг/ч и проведя через точку пересечения а13 горизонталь до шкалы gT (точка а12), найдем удельный расход топлива. Он составит 13,0 г на 1 м3 грунта, вырезан­ ного отвалом автогрейдера. Аналогичным способом можно найти SГ, ПЭ, gT для различных режимов работы землеройных машин на разных передачах и дать обоснование об оп­ тимальном режиме. При оценке технического уровня и качества строительных машин кроме перечисленных выше используют еще и другие показатели, например показа­ тель экономической эффективности использования машин. Оценка экономи­ ческой эффективности производится по обобщенному показателю суммарных приведенных затрат. 3 = С + Е н К, (1.74) где С − текущие затраты – себестоимость годового объема продукции маши­ ны; К – единовременные капитальные вложения на создание машины; Е н нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, устанав­ ливаемый соответствующими методиками. Для сравнения вариантов машин, используемых на одних и тех же работах, обычно пользуются не суммарной годовой величиной приведенных затрат, а их удельной величиной, принимаемой как отношение приведенных затрат к годовой эксплуатационной производительности. Эффективная работа маши­ ны будет соответствовать минимуму приведенных затрат. Для обеспечения 89 этого положения необходимо добиваться, чтобы производительность машины была максимальной, а затраты времени на перемещение машины между объ­ ектами, расход энергии, эксплуатационные материалы, а также на ремонты, техническое обслуживание и управление – минимальными. Контрольные вопросы по первой главе. 1. Требования, предъявляемые к строитель­ ным и дорожным машинам. 2. По какой схеме работают бульдозеры с отвалом шириной 12,2 м и высотой 1,8 м фирмы США «Катерпиллер»? 3. По каким показателям оценивают уровень использования машин в условиях эксплуатации. 4. Какие должны быть характери­ стики микроклимата в кабине машиниста ? 5. Как определить коэффициент приспособ­ ляемости машины к окружающей среде ? 6. Для какой цели используют на машинах ката­ лизаторы ? 7. Какие сечения каналов у катализатора ? 8. Что понимаем под структурой парка машин ? 9.Что применяется в качестве силового оборудования строительных и до­ рожных машин. 10. Чем отличается регуляторная характеристика двигателя от скорост­ ной? 11. Чем отличается акисально­поршневой насос от радиально­поршневого ? 12. Какие разновидности компрессоры существуют. 13. Из каких элементов состоят трансмиссии ?. 14. Как определяют работоспособность ременных передач . 15. Какие виды зубчатых колес используют в трансмиссии машины ? 16. Что такое планетарная передача и каковы ее пре­ имущества ? 17. Чем отличается передаточное число от передаточного отношения ? 18. Чем отличается гидромуфта от гидротрансформатора ? 19. Как оценивается степень про­ зрачности гидротрансформатора ? 20. Какие виды гидротрансформаторов используют в машинах.? 21. Из каких элементов состоит ходовое оборудование строительных машин ? 22. Какие шины используются для улучшение проходимости машины ? 23. Приведите ос­ новы тягового расчета машины? 24. Назовите основные технико­экономические показате­ ли строительных машин ? 2. ТРАНСПОРТНЫЕ, ТРАНСПОРТИРУЮЩИЕ И ПОГРУЗОЧНОРАЗГРУЗОЧНЫЕ МАШИНЫ 2.1. Общая характеристика транспортирования строительных грузов В строительстве для перевозки грузов используются наземный, водный и воздушный виды транспорта.[2, 3]. Свыше 90 % перевозок на объекты строи­ тельства осуществляется наземным транспортом: автомобильным, железно­ дорожным и трубопроводным. Выбор типа транспортных средств определя­ ется характером и количеством перемещаемых грузов, дальностью перевозок и временем, отведенным на их доставку. Автомобильный транспорт. Это наиболее мобильный и массовый вид транспорта. С его помощью строительные грузы доставляются без перегрузок непосредственно на строительные объекты. На долю автомобильного транс­ порта, тракторов и колесных тягачей приходится более 82 % перевозок грун­ та, строительных материалов, длинномерных грузов, строительных конструк­ 90 ций, технологического оборудования и строительных машин. Расходы только на автомобильный транспорт составляют 12...15 % стоимости строительно­ монтажных работ, достигая в отдельных случаях и значительно больших ве­ личин. Различают автомобильный транспорт общего назначения и специализированный. К транспортным средствам общего назначения относятся грузовые автомобили, прицепы и полуприцепы с бортовыми не опрокидывающимися открытыми платформами, а также седельные тягачи, используемые для пере­ возки всех видов грузов, кроме жидких, без тары. Автомобиль или седельный тягач в сцепе с прицепом или полуприцепом называют автопоездом. Специа­ лизированными транспортными средствами являются грузовые автомобили, прицепы и полуприцепы, предназначенные для перевозки определенного ви­ да груза (труб, ферм, панелей, массовых штучных грузов в контейнерах и т. п.). Использование специализированных транспортных средств обеспечивает высокую эффективность перевозок, сохранение качества перевозимых грузов, внедрение передовых методов организации и управления транспортным про­ цессом. Железнодорожный транспорт. Железнодорожным транспортом осущест­ вляют массовые перевозки строительных грузов и оборудования при сосредо­ точенном строительстве крупных объектов с расстоянием перевозки не менее 200 км. Им выполняют внешние, внутрикарьерные, технологические перевоз­ ки. Транспортирование грузов по железным дорогам осуществляется в ваго­ нах общего назначения (полувагонах, платформах, крытых) и специального назначения (цистернах, вагонах­самосвалах). Выбор типа вагонов ведется с учетом различных требований: сохранности перевозимого груза, механизации погрузки и выгрузки, необходимостью взвешивания и т. д. Грузоподъемность подвижного состава определяется допустимой нагрузкой оси вагонов на рельсы. Водный транспорт. Им строительные грузы перемещаются на речных и морских судах. Речные суда используются на внутренних водных путях меж­ ду речными и морскими портами при сосредоточенном строительстве круп­ ных объектов в прибрежных районах и имеющих специальные портовые со­ оружения, где грузы перегружаются на автомобильный и железнодорожный транспорт. Грузовые речные суда в зависимости от наличия силовой установ­ ки бывают самоходные и несамоходные. Внутренний водный транспорт, особенно при использовании судов повы­ шенной грузоподъемности, может обеспечить высокую провозную способ­ ность при сравнительно меньших, чем железнодорожный и автомобильный, капитальных затратах на один километр водного пути и тем самым сущест­ венно разгрузить железные дороги, особенно при их сезонной загрузке. Воздушный транспорт (грузовые самолеты, вертолеты и дирижабли). Его применяют при строительстве в труднодоступных районах страны (За­ 91 падная Сибирь, Крайний Север) при отсутствии наземных и водных путей или при невозможности их использования по климатическим условиям. Наибольшее применение получили вертолеты. Грузы располагают внутри фюзеляжа, а негабаритные грузы или в случае отсутствия посадочной пло­ щадки — на системе внешних подвесок. Грузоподъемность, дальность и ско­ рость полета зависят от взлетной массы вертолета, по которой они разделя­ ются на классы. Вертолеты различных классов стали все шире использоваться при сооружении высотных объектов (телебашен, ретрансляторов, доменных печей, труб и др.), а также при установке на фундаменты колонн, реакторов, опор линий электропередач. Они оборудованы системой внешних подвесок, а для удобства ведения монтажных работ – дополнительной кабиной, из кото­ рой пилотом­оператором ведется управление вертолетом и операциями по монтажу конструкций. Максимальная взлетная масса вертолетов составляет примерно 43 т, максимальная масса груза на внешней подвеске –11 т. Конвейеры и пневмотранспортные установки также относятся к основ­ ным видам транспортирующих машин, применяемых в строительстве. Кон­ вейерами перемещают сыпучие кусковые материалы, штучные грузы, а также пластичные смеси бетонов и растворов. В пневмотранспортных установках мелкий или порошкообразный материал перемещается по трубам во взве­ шенном в потоке воздуха состоянии или в специальных контейнерах с заклю­ ченным в них материалом. Свойство многих порошкообразных и пылевидных материалов – приобретать подвижность при насыщении их воздухом – широ­ ко используется в разгрузчиках цемента, автоцементовозах и других маши­ нах. 2.2. Грузовые автомобили, тракторы, пневмоколесные тягачи Грузовыми автомобилями, тракторами, пневмоколесными тягачами и созданными на их основе прицепными и полуприцепными транспортными средствами общего и специального назначения осуществляются основные пе­ ревозки строительных грузов в строительстве. Кроме того, автомобили, трак­ торы и тягачи используются как тяговые средства прицепных и полуприцеп­ ных строительных машин, а также в качестве базы для кранов, экскаваторов, бульдозеров, погрузчиков, бурильных установок, коммунальных и других машин. Автомобили, тракторы, тягачи изготовляются серийно, поэтому многие их сборочные единицы широко используются в конструкциях различных строи­ тельных машин. Грузовые автомобили. Основными частями грузового автомобиля массо­ вого производства являются двигатель, кузов 2 и шасси 3 (рис. 2.1). Шасси включает силовую передачу (трансмиссию), несущую раму, на которой уста­ новлены двигатель, кабина, передний и задние мосты с пневмоколесами; уп­ 92 ругая подвеска, соединяющая мосты с рамой, механизм управления и элек­ трооборудование. По конструкции кузова различают автомобили общего назначения и спе­ циализированные. Автомобили общего назначения имеют кузов в виде неоп­ рокидывающейся открытой платформы с откидными бортами для перевозки любых видов грузов, специализированные — для перевозки определенного вида груза. Рис. 2.1. Грузовые автомобили общего назначения: а)– с открытой платформой и бортами: 1− двигатель; 2− кузов; 3− рама; б) – тягач с седельно­сцепным устройством: 1− рама; 3− надрамник; 4− седельно­сцепное устройство Кроме того, грузовые автомобили классифицируются по типу двигателя, проходимости, грузоподъемности и другим факторам. На грузовых автомо­ билях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине или газе, на тяжелом топливе (дизельные), газотурбинные. Ди­ зельные двигатели получили преимущественное распространение, газотур­ бинные применяют на автомобилях очень большой грузоподъемности. В за­ висимости от грузоподъемности мощность двигателей автомобилей общего назначения 60...220, а автомобилей тягачей достигает 500 кВт. Автомобили повышенной и высокой проходимости в зависимости от типа движителя разделяются на колесные, колесно­гусеничные, на воздушной по­ душке и автомобили­амфибии. Внедорожные автомобили применяют на стройках и разработках полезных ископаемых открытым способом и исполь­ зуются на дорогах со специальным основанием. Основным базовым параметром, по которому классифицируются грузовые автомобили, является номинальная грузоподъемность, устанавливаемая заво­ дом­изготовителем. Существующая структура отечественных грузовых авто­ мобильных транспортных средств классифицируется в соответствии с норма­ лью ОН 025 270 – 66, табл. 2.1. Таблица 2.1. Классификация и система обозначения грузовых автомобилей Полная мас­ са, т. Бортовые До 1,2 13 Тягачи 14 Эксплуатационное назначение Самосвалы Цистерны Фургоны 15 16 17 Специальные 19 93 1,2 до 2,0 2.0 до 8,0 8,0 до 14,0 14,0до 20,0 20,0 до 40,0 Свыше 40,0 23 33 43 53 63 73 24 34 44 54 64 74 25 35 45 55 65 75 26 36 46 56 66 76 27 37 47 57 67 77 29 39 49 59 69 79 Первая цифра обозначает класс АТС по полной массе для грузового авто­ мобиля, прицепа или полуприцепа. Вторая цифра указывает на тип АТС: 3 – грузовой бортовой автомобиль или пикап; 4 – седельный тягач; 5– самосвал; 6–цистерна; 7–фургон; 8– резервная цифра; 9– специальное АТС. Третья и четвертая цифры индексов указывают на порядковый номер модели, пятая цифра – модификация автомобиля, шестая – вид исполнения: 1– для холод­ ного климата: 6– экспортное исполнение для умеренного климата; 7 – экс­ портное исполнение для тропического климата. Некоторые АТС имеют в своем обозначении приставку 01, 02, 03 и др. Это указывает на то, что базовая модель имеет модификации. Право присвоения цифрового индекса представлено Научно­исследовательскому институту (НАМИ). Перед полным цифровым индексом ставится через дефис буквен­ ное обозначение (марка) завода изготовителя Газ, ЗИЛ. КрАЗ. КамАЗ, Урал. УАЗ. Главным параметром, определяющим конструкцию автомобиля, является нагрузка на одиночную ось. Правилами дорожного движения установлены предельные нагрузки на одиночную ось автомобиля — 100 кН для дорог с усовершенствованным покрытием и 60 кН для общей дорожной сети. Эти требования не распространяются на внедорожные автомобили. Для обеспече­ ния высокой проходимости и требований по нагрузке на ось бортовые авто­ мобили и седельные тягачи выпускаются с двумя, тремя ведущими осями и более (рис. 2.1, б). Такие автомобили получили большое распространение. Прицепы и полуприцепы разделяются на прицепы, буксируемые автомоби­ лем с помощью дышла (одно­, двух­ и многоосные), прицепы­роспуски для перевозки длинномерных грузов, полуприцепы, буксируемые седельными тя­ гачами. Седельные тягачи изготовляют на базе шасси бортового автомобиля, но с укороченной базой (рис. 2.1, б). На раме 3 такого тягача укрепляется опорная плита с седельно­сцепным устройством 4, которое воспринимает на­ грузку от полуприцепа и передает ему тяговое усилие, развиваемое двигате­ лем автомобиля. По грузоподъемности грузовые автомобили разделяются на автомобили малой, средней, большой и особо большой (внедорожные автомобили) грузо­ подъемности. Грузоподъемность наиболее распространенных грузовых авто­ мобилей с бортовой платформой составляет: типа ЗИЛ — 6500 кг, типа Ка­ мАЗ — 8000...11 000 кг, типа МАЗ—12 000 кг, типа КрАЗ — 14 500 кг. На 94 рис. 2.2. приведены схемы силовых передач с одной и несколькими ведущими осями. Крутящий момент от двигателя (рис. 2.2, а) к ведущим колесам 8 пе­ редается через силовую передачу. Она состоит из постоянно замкнутой фрик­ ционной муфты (сцепления) 2, выключение которой позволяет отключать двигатель при переключении передач, ступенчатой коробки перемены пере­ дач 3 с переменным передаточным числом для согласования крутящего мо­ мента на колесах 8 с моментом сопротивления движению и обеспечения дви­ жения автомобиля задним ходом, карданного вала 4, главной передачи 5, со­ стоящей из двух конических зубчатых колес и увеличивающей крутящий мо­ мент на ведущих колесах, дифференциала 6, позволяющего колесам вращать­ ся с различной частотой на криволинейных участках пути, и двух полуосей 7, передающих вращение закрепленным на них колесам. Главная передача, дифференциал и полуоси, закрепленные в кожух, называются ведущим мостом. Дифференциал устроен следующим образом (рис. 2.2,г). На внутренних концах полуосей 7 закреплены полуосевые конические шестерни 15. Концы полуосей с полуосевыми шестернями входят в коробку дифференциала 14. К коробке дифференциала прикреплена ведомая шестерня 5, с которой сцепле­ на ведущая шестерня главной передачи. В коробке установлены шестерни­ сателлиты 13, которые сцеплены одновременно с обеими полуосевыми шес­ тернями 15 и могут вращаться в цапфах. При прямолинейном движении автомобиля по ровной дороге полуоси 7 с шестернями 15 будут вращаться с одинаковой скоростью, равной скорости коробки 3, а шестерни­сателлиты 13 остаются неподвижными относительно своей оси. Рис. 2.2. Силовые передачи грузовых автомобилей: а) − с колесной формулой 4Х2; 6) − с колесной формулой 6Х4; в) − с колесной формулой 6Х6; г) − схема дифференциала; 1– двигатель; 2–маховик; 3– коробка передач; 4– кардан­ ный вал; 5– коническая шестерня; 6, 10, 12 − дифференциалы; 7– полуоси; 8– колесо; 9– управляемые колеса; 11– раздаточная коробка; 13–сателлиты; 14– корпус дифференциа ­ ла; 15– полуосевые шестерни 95 При движении автомобиля по криволинейному участку дороги сателлиты 13 перекатываются по замедлившей свое вращение полуосевой шестерне 15, а вторая полуосевая шестерня за счет вращения сателлитов13 начнет вращаться быстрее. В результате колесо, катящееся по внутренней кривой, будет вра­ щаться медленнее, чем колесо, катящееся по внешней кривой и проходящее за одно и то же время больший путь. Автомобиль оборудуется тормозной системой для снижения скорости и ос­ тановки машины и рулевой системой для изменения направления движения посредством поворота передних управляемых колес 9. На тяжелых машинах рулевой механизм оснащается гидроусилителем, снижающим усилие на ру­ левом колесе. На рис. 2.2, б показана схема силовой передачи трехосного автомобиля с двумя ведущими мостами 10, (колесная формула 6 Х 4), а на рис. 2.2, б и в тремя ведущими мостами (колесная формула 6 Х 6), передний мост 12 являет­ ся одновременно управляемым и ведущим. Движение к ведущим мостам пе­ редается посредством карданных валов от коробки перемены передач через раздаточную коробку 11, позволяющую включать передний ведущий мост при преодолении трудных участков пути во время движения по проселочным дорогам и бездорожью. Силы и моменты, действующие на автомобиль при прямолинейном движении. При движении на автомобиль действуют различные силы и момен­ ты. Для анализа процесса движения, действующие силы делят на движущие, направление которых совпадает с направлением вектора скорости центра масс, и силы сопротивления, направление которых противоположно этому вектору. При таком делении допускаются некоторые условности, поскольку в различных случаях движения одни и те же силы могут быть направлены либо по движению, либо против. Условно к движущим силам относят полную ок­ ружную силу или полную тяговую силу. Все остальные силы, действующие на автомобиль, считают силами сопротивления. Силы сопротивления движе­ нию разделяют соответственно причинам, вызывающим их возникновение. Сила сопротивления воздуха возникает в результате трения об поверхности автомобиля, разряжения за автомобилем и вихреобразования. При движении автомобиля воздух, расположенный впереди, сжимается и выталкивается ту­ да, где давление меньше, т. е. вверх, вниз и в стороны, тем самым образуется относительное разряжение. Эта область с пониженным давлением затем за­ полняется воздухом, и образуются вихри. Чем больше площадь поперечного сечения, тем больше количества возду­ ха вынуждено огибать автомобиль. Наибольшая площадь поперечного сече­ ния автомобиля называется площадью миделя. Составляющая силы сопро­ тивления воздуха, зависящая от этой площади и называют аэродинамическим сопротивлением, оно является основной частью всей силы сопротивления воздуха. Составляющая полной аэродинамической силы направлена по про­ 96 дольной оси автомобиля. Элементарные аэродинамические силы, действую­ щие в каждой точке поверхности автомобиля, различны по величине и на­ правлению. Равнодействующую от элементарных аэродинамических сил на­ зывают полной аэродинамической силой и выражают в виде Fw  cw Aq , где cw  безразмерный коэффициент полной аэродинамической силы; A  площадь миделя, м 2 (принимается лобовая площадь, равная площади проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную его продольной оси); q  0,5 вv w2  скоростной напор, равный кинетической энергии кубическо­ го метра воздуха, движущегося со скоростью движения автомобиля относи­ Р ат тельной воздушной среды;  в   плотность воздуха; Pат  ат­ 21,1 Т о мосферное давление; Т  температура окружающей среды в К. Полный аэродинамический момент выражают M w  mw Aq b , где mw  безразмерный коэффициент аэродинамического момента; b  ли­ нейный размер по ширине, равной колее в автомобиле. Силы Fw и M w можно разложить по осям системы координат, связанной с автомобилем так, что ее начало (т. О) совпадало с центром масс, а оси ОХ и ОУ направлены по продольной и поперечной осям автомобиля. Тогда проек­ ция силы на оси ОХ - сила сопротивления воздуха (сила лобового сопротив­ ления) выражена Fw x  0,5 cx в А Vw2 . (2.1) Для проекции Fw y (боковая аэродинамическая сила) вместо cx используют коэффициент ( cy ), для проекции Fw z (подъемная сила)  (cz). Сопротивле­ ние воздуха принято рассматривать в виде сосредоточенной силы, прило­ женной в точке, называемой центром парусности автомобиля. Расстояние от опорной поверхности до центра парусности называется высотой центра парусности hв . Проекцию M w  0,5mw вAВVw2 называют моментом крена. Под действи­ ем боковой аэродинамической силы Fw y и поворачивающего момента M w происходит изменение курсового угла и боковое смещение центра масс авто­ мобиля, а под действием суммы моментов Fw y hв  M w x и Fw x hв  M w y про­ исходит перераспределение нормальных реакций. Удобно считать силу Fw y приложенной не в центре масс, а в некоторой точке сw y , расположенной от­ носительно центра масс на таком расстоянии lм , что точку c w y называют 97 боковым метацентром, рис. 2.3. Используя формулу Fw  0,5cx вAVw2 , найдем lм  аzB / c , где B  колея автомобиля; az, c  коэффициенты, являющиеся функциями угла натекания  н  arcsinv a sin  / v w  , где v a  скорость автомобиля; Vw  скорость ветра;   угол между v a и Vw ; C  f( н )  0,04...0,05  линия зависимости легковых автомоби­ лей и автобусов и c  0,07...0,08  для грузовых; az  пропорционален н . Рис.2.3. Схема аэродинамических сил Можно найти такую точку сб , расположенную на расстоянии lб от точки с приложения, в которой боковые силы при нейтральном положении колес не приводят к повороту автомобиля, так как угол увода передних колес равен углу увода задних, т.е.  1   2 . Она называется точкой нейтральной поворачиваемости. При совпадении метацентра с этой точкой lб  lм ауст  0 . lб  lм  ку 1  ку 2 ky 1  ky 2 . Сила Fw может быть представлена несколькими составляющими: сопро­ тивление формы; обусловлено разностью между повышенным фронтальным давлением, возникающим перед автомобилем, и пониженным давлением, вы­ званным завихрением позади него. Решающее значение при этом имеет фор­ ма таких частей, как капот, крылья, ветровое стекло, крыша, боковые стенки; внутреннее сопротивление, создаваемое потоками воздуха, проходящими внутри автомобиля для вентиляции или обогрева кузова; сопротивление по­ верхностного трения, вызываемое силами вязкости пограничного слоя воздуха, движущегося у поверхности автомобиля, и зависящее от размера и шероховатости этой поверхности; ин­ дуктируемое сопротивление, вызываемое взаимодействием сил, действующих в направлении продольной оси автомобиля (подъемной) и перпендикулярно 98 этой оси (боковой); дополнительное сопротивление, создаваемое различны­ ми выступающими частями: фарами, указателями поворота, номерными зна­ ками. Обычно коэффициенты лобового сопротивления определяют опытным пу­ тем продувки автомобиля в аэродинамической трубе, рис. 2.4. Установленный в трубе вентилятор создает поток воздуха, обтекающий модель, помещенную в рабочую часть трубы. Специальным весовым уст­ ройством измеряется сила. Наиболее рациональной и прием­ лемой с аэродинамической точки зрения формы кузова, можно дать определенные рекомендации автомобиль должен иметь в передней части в плане скругленные углы; передняя часть сред­ ней высоты на виде сбоку иметь скруг­ ленную форму и понижение в на­ правлении вперед; ветровое стекло в пла­ не должно скругленное; крыша в плане Рис.2.4. Схема определения должна несколько сужающая вперед и на­ аэродинамической силы зад от средней стойки или иметь постоян­ ную ширину. Должны быть обеспечены плавные переходы от крыши к задней панели и багажнику. Допускается грань в месте перехода крыши к заднему скату. Пол кузова цельный с выступающими механизмами. Уменьшение со­ противления воздуха для грузовых автомобилей может достигаться за счет скругления углов в местах перехода от лобовой плоскости к верхней и боко­ вым поверхностям, установки лобового стекла с наклоном, увеличения вы­ пуклости передней панели, а также путем применения специальных аэроди­ намических приспособлений, улучшающих обтекание автомобиля или авто­ поезда воздухом. В идеальном виде дополнительное аэродинамическое при­ способление для седельного тягача можно представить в виде обтекателя, ус­ тановленного на крыше тягача, и гибкой оболочки, закрывающей зазор между тягачом и полуприцепом. Поскольку основное воздушное сопротивление движению автопоезда создается за счет воздуха (рис.2.5), обтекающего каби­ ну и набегающего на переднюю стенку полуприцепа, установка отклонителя на крыше кабины, направляющего основной поток воздуха выше передней стены полуприцепа, может дать значительный эффект. На рис.2.5, б схематично показаны различные аэродинамические приспо­ собления, применяемые на грузовых автомобилях, а также процентное уменьшение коэффициента сопротивления, полученное по результатам испы­ таний в аэродинамической трубе. В расчетах тягово­скоростных свойств автомобилей обычно используют не коэффициент обтекаемости, который оп­ ределяется в основном формой автомобиля, а коэффициент сопротивления воздуха, которым учитываются и другие сопротивления, не зависящие непо­ средственно от формы автомобиля. 99 Приняв  в =const , на уровне моря 1,225 кг/м 3 , можно обозначить 0,5cx  в = к в - коэффициент обтекаемости и считать зависящим только от формы кузова и углов натекания. Коэффициент kв эквивалентен силе сопро­ тивления воздуха, действующей на 1 м 2 площади автомобиля при относи­ тельной скорости 1 м/c. б) а) Рис.2. 5. Характер обтекания воздухом (а) и приспособления для уменьшения аэродинамического сопротивления грузовых автомобилей (б) Между коэффициентами cx и kв существует численная зависимость kв  0,61сх , он имеет размерность Нс 2/м 4 . Приближенные значения kв и cx для различных автомобилей при углах натекания и атаки, равных нулю, приведены ниже: cx kв 1. Автобусы капотной компоновки 0,75…0,9 0,35…0,55 вагонной компоновки 0,6… 0,75 0,35…0,45 2. Грузовые автомобили бортовые 0,9…1.15 0,5 …0,70 с кузовом «фургон» 0,8… 1,0 0,5 …0,6 При движении автомобиля в неподвижной воздушной среде относительная скорость воздуха v w  v , аэродинамическая сила Fw  kв Аv 2 . Произведе­ ние kвА называют фактором обтекаемости. Приближенно площадь лобо­ вого сопротивления грузовых автомобилей A  knBH , где kn  поправоч­ ный коэффициент (1,05…1,1) для грузовых и (1,1 …1,2) для легковых авто­ мобилей. При наличии ветра относительная скорость v w равна геометрической сум­ ме скоростей v a автомобиля и v в ветра, т. е. v w  v a2  v в2  2v av в cos  , где   угол между направлением ветра и продольной осью автомобиля. 100 Коэффициент kв в этом случае должен соответствовать углу натекания  н  arcsinv в sin  / v w  . При встречном ветре   0, v w  v a  v в , тогда Fw  kв А v a  v в 2 . При попутном ветре   180град, Fw  kв А v a  v в 2 . Сила сопротивления подъему автомобиля (F h ) — составляющая силы тя­ жести автомобиля, направленная параллельно опорной поверхности и прило­ женная в центре масс автомобиля на высоте h g . Если углы подъемов считать положительными, а спусков — отрицательными, сила сопротивления подъе­ му определяется выражением: Fh  G a sin  , где   угол подъема. Крутизну профиля характеризуют уклоном — тангенсом угла наклона плоскости дороги к горизонтальной плоскости. В дорожной документации уклон обычно выражают в тысячных (промилле, %). При расчетах движения автомобиля уклон обозначают буквой I и задают в тысячных, сотых (про­ центах) или непосредственно значением тангенса угла уклона. Например, ук­ лон одной и той же крутизны может быть обозначен: f =30 %; I =3 % или I = 0,03. Последнее обозначение является предпочтительным. Поскольку обычно уклоны дороги невелики, принимают sin   i; Fh  iGa . В ря­ де случаев при расчетах тягово­скоростных свойств автомобиля целе­ сообразно рассматривать совместно сопротивление качению и сопротивле­ ние подъему. Сумма этих сопротивлений называется сопротивлением дороги (2.2) F  Fh  Ff  f  i G a   Ga , где F  коэффициент сопротивления дороги. Обычно значение сопротивления дороги, при котором должны быть обес­ печены требуемые тягово­скоростные свойства автомобилей, определяют в техническом задании на их проектирование. Сила сопротивления разгону автомобиля Fj   это сила его инерции dv Fj  ma . dt Схема сил, действующих на автомобиль­тягач, изображена на рис. 2.6. 101 Рис. 2.6. Силы и моменты, действующие на автомобиль­тягач при прямолинейном движении На рисунке показан наиболее общий случай, когда автомобиль­тягач уско­ ренно движется на подъем крутизной 0,03. При изображении сил приняты следующие основные допущения: дорожные условия под правыми и левыми колесами одноименных мостов автомобиля одинаковы, поэтому все силы, действующие на мост, могут быть приведены к его середине; автомобиль симметричен относительно продольной оси; нормальные составляющие ре­ акции дороги приложены в середине контактной поверхности, а их смещение учтено в моментах сопротивления качению колес мостов. Все силовые факторы, действующие на автомобиль­тягач, можно раз­ делить на три группы: движущие; сопротивления движению; нормальные к направлению движения. К первой группе относится окружная сила на ведущих колесах Fk . Вторую группу составляют: М f  моменты сопротивления качению колес автомоби­ ля; Fв  сила сопротивления воздуха; F i — продольная составляющая силы тяжести автомобиля; Fjx–сила сопротивления поступательному ускорению масс автомобиля; Fnx – продольная составляющая силы сопротивления при­ цепа. У одиночного автомобиля сила сопротивления прицепа отсутствует. К третьей группе относятся: Rz 1 , Rz 2  нормальные реакции дороги; G а cos  – нормальная составляющая веса автомобиля; Fnz – нормальная составляющая силы сопротивления прицепа (крюковая нагрузка).Силы, входящие в эту группу, направлены перпендикулярно к вектору скорости автомобиля. По­ этому их влияние на динамику движения автомобиля не непосредственное, а косвенное. Окружная сила и мощность на ведущих колесах. Окружная сила на веду­ щих колесах возникает в результате того, что к ведущим колесам подводится через трансмиссию крутящий момент от двигателя. В настоящее время на автомобилях в основном применяются двигатели внутреннего сгорания. Их мощностные свойства принято оценивать скорост­ ными характеристиками, представляющими зависимость эффективной мощ­ 102 ности или крутящего момента на коленчатом валу при установившемся ре­ жиме работы от частоты вращения двигателя. Скоростная характеристика, полученная при полной подаче топлива, называется внешней скоростной характеристикой, а полученные при неполной подаче топлива − частичными. Скоростные характеристики определяют на специальных тормозных стендах. При этом обычно непосредственно находят зависимости эффективного мо­ мента двигателя от частоты его вращения, а мощность определяют расчетом. Частичные скоростные характеристики получают при определенном по­ ложении органа, регулирующего подачу топлива. У карбюраторных двигате­ лей таким органом является дроссельная заслонка, а у дизельных двигателей − пружина регулятора. Поэтому частичные характеристики у карбюраторных двигателей соответствуют открытию дроссельной заслонки на определенный угол, а у дизельных − определенному натяжению пружины регулятора (опре­ деленному положению педали подачи топлива). На рис. 2.7 показаны типовые внешние характеристики бензинового и дизельного двигателей. Частичные характеристики бензинового и дизельного двигателей разли­ чаются значительно. При неизменном проходном сечении дросселя и измене­ нии нагрузки на бензиновом двигателе зависимость момента от частоты его вращения подобна зависимости, полученной при максимальном проходном сечении дросселя. Рис. 2.7. Скоростные характеристики двигателей: а — карбюраторного; б — дизельного У дизельных двигателей изменение натяжения пружины регулятора рав­ носильно изменению максимальной частоты вращения двигателя. Поэтому линии, характеризующие связь между частотой вращения двигателя и кру­ тящим моментом при постоянном положении педали подачи топлива, оказы­ ваются практически параллельными аналогичной зависимости при полной подаче топлива. При очень малой подаче топлива для вращения двигателя необходимо, чтобы крутящий момент, подводимый извне, был равен моменту сопротив­ ления вращению двигателя. В этом случае считается, что двигатель работает в тормозном (пассивном) режиме. Таким образом, область возможных режимов работы двигателя (соотношений между частотой вращения двигателя и кру­ тящим моментом на коленчатом валу) оказывается ограниченной: сверху – 103 внешней скоростной характеристикой двигателя, снизу — внешней тормоз­ ной. Область режимов работы двигателя ограничена также справа и слева: справа – максимальной, а слева - минимальной устойчивой частотой враще­ ния коленчатого вала. Поскольку внешняя характеристика определяет предельные режимы ра­ боты двигателя, именно она является наиболее существенной при оценке ско­ ростных свойств автомобиля. Важнейшими параметрами внешней скоростной характеристики двигателя являются: Р e max  максимальная эффективная мощность (кВт); Te max  мак­ симальный крутящий момент (кН∙м); Tepe  крутящий момент при мак­ max симальной мощности (кН ∙м); nemax  максимальная частота вращения ко­ ленчатого вала двигателя (мин  1 ); п e p  частота вращения коленчатого ва­ e ла при максимальной мощности (мин  1 ); п eТ e  частота вращения коленча­ того вала при максимальном крутящем моменте (мин  1 ); kТе  коэффициент приспособляемости по моменту: kТ е  Т е max / Te p ; (2.3) e где k – коэффициент приспособляемости по частоте вращения: k  ne p / neТ . e (2.4) е У бензиновых двигателей, имеющих ограничитель частоты вращения, мак­ симальная частота вращения коленчатого вала при движении автомобиля с максимальной скоростью может на 10...20 % превосходить частоту ne p , со­ e ответствующую максимальной мощности двигателя. Ограничитель, уста­ навливаемый с целью повышения долговечности бензиновых двигателей, включается в работу на той части внешней характеристики, где мощность практически не возрастает с увеличением частоты вращения коленчатого ва­ ла. Это соответствует neo = (0,8...1) n p . Поэтому при расчетах внешней ха­ рактеристики за максимальную мощность принимается та, которая была бы получена при отсутствии ограничителя. Мощность, соответствующая началу работы ограничителя, будем обозначать Peo . Максимальная частота в этом случае будет иметь место при работе двигателя без нагрузки. Обычно она на 5...15 % выше neo . Внешняя характеристика дизельного двигателя в рабочем диапазоне час­ тот вращения не достигает максимума, и максимальное значение мощности соответствует началу работы регулятора. По известной зависимости мощности двигателя от частоты вращения ко­ ленчатого вала можно найти и крутящий момент двигателя 104 Т е  (60Ре)/(2 ne). Если известны характеристики двигателя, принятого к установке на ав­ томобиль, необходимо их использовать при выполнении тягово­ динамических расчетов. Часто при проектировании автомобиля характери­ стики двигателя неизвестны, и тогда расчет ведут по приближенным скорост­ ным характеристикам. Для построения приближенных скоростных характеристик автотракторных двигателей используем формулу Ф. Л. Хлыстова 2 3   ni   ni   ni   ni    c   d  , Pe  Pe max a  b (2.5)        n pe  n n n  pe   pe   pe    где a, b, c, d  коэффициенты, значения которых зависят от типа и конструк­ ции двигателя; Pe , ni  текущие значения мощности и частоты вращения ко­ ленчатого вала двигателя. Для нахождения коэффициентов a, b, c, d можно воспользоваться формула­ ми, обозначив Òå max /Te p  y и nÒe / n ð å  x , тогда e  a  y  3xy  4 x 2  2 x 3  1 ; 3 1  x   1 ; b  (6 y  x  x 2 ) 3 1  x  d  3  2 y  x  1 1  x 3 1 3 1  x ; c  3 y  3xy  4 x  4  (2.6) Подставляя численные значения координат произвольных точек в уравне­ ние (2.5), после преобразований получим уравнение, в котором коэффициен­ ты выражены числовыми значениями. Поскольку уравнение (2.5) имеет об­ щий характер, оно должно удовлетворяться и в точке ne  n pe . Если из правой части уравнения (2.5) вынести за скобки n i /np e , после преобразования получим выражение для построения зависимости крутящего момента от уг­ ловой скорости вращения коленчатого вала, где   n / 30 2   e    e     c  . (2.8) Te  T p e  a  b          p e   pe    Приняв е  Т е и Òp  Òåmax , с учетом соотношений (2.1) и (2.2) имеем å второе уравнение к  а  b/ р е  c /  2р е . Выразим через эти коэффициенты nТе и Te max . Для этого воспользо­ max вавшись формулой (2.3), определим dTe / dne и, приравняв ее нулю, найдем 105 nТе Подставляя значение nТе max  bn pe / 2c . в равенство (2.6), получим max   Te max  Te a  b 2 /4с  , (2.9) при ne  n pe должно выполняться равенство dPe / dne  0 , откуда a  2b  3c  4d  0 для двигателей, снабженных ограничителем или регуля­ тором частоты вращения (дизель). Из условия наличия экстремума функции (2.8) при  e   е и соответственно равенства нулю производной Те  b e  c  dTe  TeP  2 de  0 .  e    e e e Pe Pe   Pe Решение системы уравнений (2.5), (2.7) и (2.8) дает k kTe 2  k   1 2k  kTe  1 k 2 k  1 a  ; b ; c   Te . (2.10) k 2  k   1 k 2  k   1 k 2  k   1 Поскольку в характеристиках двигателей обычно приводятся значения Pe max,nPe,Te max и nTe , по формулам (2.9), (2.10) можно построить внеш­ нюю характеристику двигателя. Ориентировочно значения коэффициентов приспособляемости могут быть приняты для карбюраторных двигателей: кТе = 1,05... 1,45; к = 1,5...2,5; для дизельных: кТе = 1,1...1,5; к = 1,45...2. Чем больше к , тем шире диапазон устойчивой работы двигателя. Если увеличение нагрузки вызывает умень­ шение частоты вращения вала в пределах n е Р ... neT , то двигатель авто­ е e max матически приспосабливается к изменению нагрузки, т. е. работает устойчи­ во. Коэффициент приспособляемости бензинового двигателя в сильной сте­ пени зависит от его литровой мощности – отношения максимальной мощно­ сти к рабочему объему цилиндров двигателя V л (рис. 2.8). Рис. 2.8. Зависимость коэффициентов приспособляемости бензинового двигателей от их литровой мощности 106 Пределы изменения нагрузки на двигатель, соответствующей его устойчи­ вой работе, т. е. способности автоматически приспосабливаться к изменениям нагрузки на колесах оценивают запасом крутящего момента Т езап( %)  где TePe    Тезап  Те max  TePe 100/TePe = Te max / TePe  1 100,  9550Pe max / nePe  крутящий момент, соответствующий nePe . Необходимо учитывать, что при стендовых испытаниях двигатель ком­ плектуется дополнительным оборудованием (глушитель, вентилятор, ради­ атор, компрессор и др.) в соответствии с принятыми в каждой стране стандар­ тами. Полученная при испытаниях мощность двигателя приводится к нор­ мальным условиям: атмосферному давлению 760 мм рт. ст. и температуре 15°С. Условия работы двигателя, установленного на автомобиле, отличаются от стендовых: двигатель работает с другими впускными и выпускными си­ стемами; на нем устанавливаются дополнительные механизмы, на привод ко­ торых затрачивается определенная мощность; двигатель работает при другом температурном режиме. Поэтому мощность двигателя, установленного на ав­ томобиле, несколько меньше полученной при стендовых испытаниях. При использовании для тягово­скоростных расчетов стендовых внешних характе­ ристик значения мощности, соответствующие определенным частотам вра­ щения коленчатого вала, уменьшают путем умножения на коэффициент кс , зависящий от типа двигателя и автотранспортного средства. В приближенных расчетах можно принимать кс = 0,85. ..0,9. При работе на неустановившемся режиме мощность, отдаваемая двигателем, меньше мощности на устано­ вившемся режиме. Это обусловлено динамикой наполнения цилиндров воз­ духом и парами топлива и тепловой инерцией двигателя. Из эксперимен­ тального графика, приведенного на рис. 2.9, видно, что уменьшение момента двигателя при работе на неустановившихся режимах невелико (не более 3 %) и примерно линейно зависит от ускорения вращения коленчатого вала: d e Т е   еТ е , dt где  e  коэффициент коррекции момента при перехода от установившегося режима на неустановившийся:  e = 0,001. ..0,002. Зная параметры двигателя Pe,Te , можно найти мощность и момент, подводимые к ведущим колесам. Используя теорему об изменении кинетической энергии, можно записать (2.11) dT/dt  Pe  PТ  Р к , где T  0,5J me2  кинетическая энергия системы двигатель­трансмиссия; J m  момент инерции маховика и связанных с ним деталей. Подставляя зна­ чение dT/dt в равенство (2.11) и решая относительно Pk , найдем 107 d e . (2.12 dt Для характеристики потерь на трение трансмиссии удобнее пользоваться КПД трансмиссии Т , который связан с мощностью Р к и РТ зависимостью Т  Р к/Pk  PТ  . Определив РТ и подставив в равенство (2.12), получим de Pk  (Pe  J me )Т , (2.13) dt где е  kuT ; uT  ukuouд ; uТ  передаточное число трансмис­ сии; uk  передаточное число коробки передач; uo, uд  передаточное чис­ ло главной и дополнительной передач. Подставляя значение е в уравнение (2.13) и выражая все мощности в ки­ ловатт­часах, получим Pk  Pe  J m  kuТ2 dk / dt10 3 Т . Заменяя мощности произведениями моментов на соответствующие угловые скорости и принимая во внимание, что е  кuТ , получим d k Т к  Т е uТТ - J m uт2  Т . dt При разгоне автомобиля часть момента двигателя затрачивается на разгон маховика и связанных с ним деталей. Поэтому ведущим колесам автомобиля от трансмиссии передается Pk  Pe  PÒ  J me   Рис.2.9. Зависимость крутящего мо ­ мента двигателя от углового укорения вала  d e J m d e  uTT . Т к  Т е 1   е  dt Te dt   Таким образом, сила, обеспечивающая движение автомобиля, – окружная сила на ведущих колесах при неустановившемся режиме может быть найдена по формуле: 108 n J d TeuTT de u k , (2.14)   eTe  J m  T T   k rk rk dt r dt i 1 k где п – число ведущих колес. При установившемся движении Fk  Teuтт /rk . Если двигатель работает по внешней характеристике, а движение авто­ мобиля является установившимся, окружная сила на ведущих колесах ока­ зывается наибольшей для данного режима движения. Такую окружную силу называют полной. В ряде случаев максимальное значение окружной силы на ведущих ко­ лесах определяется сцеплением колес с дорогой. В этих условиях максималь­ ный реализуемый колесом крутящий момент находится по формуле Т к max    f Rzrk . Fki  Если считать, что коэффициенты сцепления под колесами моста одинако­ вы, окружная сила ведущих колес моста, ограниченная сцеплением Fk , мо­ жет быть найдена по выражению: Fk  T / rk    f Rz2 , где Rz2  нормальная реакция дороги, действующая на колеса ведущего мос­ та автомобиля. В практических расчетах потерями, связанными сопротивлением качению колес, пренебрегают, т. е. окружную силу ведущих колес моста принимают равной силе тяги Fk = Rz . Наибольшие потери мощности имеют место в коробках передач, раздаточных коробках, главных передачах, колесных ре­ дукторах. Потери мощности в отдельных механизмах и трансмиссии в целом могут быть найдены экспериментально на специальных испытательных стен­ дах или путем испытаний автомобилей. Суммарная мощность, теряемая в трансмиссии Ртр  1  т Ре  aт V  bт V2 , (2.15) где aт, bт  коэффициенты, зависящие от числа механизмов в трансмиссии, их конструкции, включенной передачи, массы автомобиля. Учитывая выражение (2.15), запишем к m l (2.16) т  зп карпод  aт v  bтv 2 / Pe ,   где k, m, l - число соответственно зубчатых пар, карданных шарниров, подшипников. При выбеге (нейтральное положение в коробке передач) в формуле (2.16) Ре  0, т теряет смысл, и потери в трансмиссии удобнее определять силой Fтр, приведенной к ведущим колесам. Силу Fтр определяют эксперимен­ 109 тально методом выбега при вывешенных колесах автомобиля. Она описыва­ ется линейной зависимостью Fтр  Fтро  ктр V , где Fтр o  сила трения в трансмиссии при скорости, близкой к нулю (Н); ктр  коэффициент, учитывающий влияние скорости на силу трения (Нс/м). Поскольку гидравлические потери мощности практически не зависят от передаваемого крутящего момента, они могут быть найдены эксперименталь­ но путем измерения момента, необходимого для прокручивания незагру­ женного редуктора. Гидравлические потери во всей трансмиссии автомобиля обычно определяют экспериментально совместно с потерями в подшипниках ведущих колес, прокручивая трансмиссию с заданной скоростью при выве­ шенных ведущих колесах. Тракторы гусеничные и колесные (рис. 2.10). Рис. 2.10. Тракторы: а – гусеничный с передним расположением двигателя; б – гусеничный с задним располо­ жением двигателя; в – пневмоколесный с передними управляемыми колесами; г – с шарнирно­сочлененной рамой Их используют для перемещения тяжелых грузов по грунтовым и времен­ ным дорогам. Агрегатируются они с бортовыми и саморазгружающимися прицепами, а также с прицепными и навесными строительными машинами (скреперами, бульдозерами, экскаваторами, кранами­трубоукладчиками и др. Гусеничные тракторы обладают малой нагрузкой на грунт и большой силой тяги. Поэтому они имеют более высокую проходимость, чем колесные. Мак­ симальная скорость их перемещения составляет 12 км/ч. Колесные тракторы более маневренны, имеют большую транспортную скорость − 40 км/ч. Давле­ ние на грунт колесных машин 0,2...0,35 МПа, гусеничных 0,1 МПа. Главным параметром тракторов является максимальное усилие на крюке, по которому их разделяют на классы. Максимальное усилие на крюке измеряют при ско­ рости 2,6...3 км/ч для гусеничных и 3,0...3,5 км/ч — для колесных. Усилие на 110 крюке гусеничных тракторов примерно равно их массе, а колесных − 0,5...0,6 от массы. Промышленностью выпускаются тракторы сельскохозяйственного типа классов тяги 6, 9, 14, 20, 30, 40, 50, 60, 90, 150 и 250 кН и промышленного ти­ па классов тяги 100, 150, 200, 250, 350, 500 кН. Тракторы промышленного ти­ па изготовляются различных модификаций, т. е. с учетом установки на них погрузочного, бульдозерного, рыхлительного, кранового и другого оборудо­ вания. Мощность двигателей тракторов достигает 800 кВт, а иногда и более. Трактор состоит из рамы, силовой передачи, гусеничного или колесного движителя и управления. Кроме того, все тракторы комплектуются гидравли­ ческой системой для привода навесного или прицепного рабочего оборудова­ ния. У пневмоколесных тракторов с шарнирно­сочлененными полурамами (рис. 2.10, г) каждая из полурам опирается на ведущий и управляемый мосты. Поворот передней полурамы относительно задней осуществляется с помо­ щью двух гидроцилиндров на угол до 40 ° в каждую сторону. Такие тракторы обладают большей маневренностью по сравнению с тракторами с передней управляемой осью. Силовая передача трактора существенно отличается от силовой передачи автомобиля. В ней отсутствует дифференциал, а поворот машины осуществляется торможением одной из гусениц. Силовые передачи тракторов выполняются механическими, гидромеханическими и электриче­ скими. В состав механической силовой передачи гусеничного трактора (рис. 2.11, а) входят: дисковая фрикционная муфта сцепления 2, коробка перемены передач 3, карданный вал 5, главная передача 6, бортовые фрикционы 7 с ленточными тормозами 8, бортовые редукторы 9, соединенные с ведущими звездочками гусениц 10. На гусеничной раме 4 установлены ведомые звез­ дочки с натяжным устройством гусеничной цепи. Бортовые редукторы уве­ личивают крутящий момент на ведущих звездочках. Бортовые фрикционы представляют собой многодисковые фрикционные муфты, которые в замкну­ том (включенном) состоянии обеспечивают прямолинейное движение трак­ тора. Изменение направления движения достигается частичным или полным выключением одного из бортовых фрикционов с одновременным торможе­ нием его ведомых дисков с помощью ленточного тормоза. Ленточные тор­ моза используются также для торможения обеих гусениц при движении на уклонах и как стояночные тормоза. Для плавного бесступенчатого регулиро­ вания скорости в широком диапазоне в зависимости от внешней нагрузки си­ ловая передача дополняется гидравлическим ходоуменьшителем, позволяю­ щим работать на пониженных (до 1 км/ч) скоростях. 111 Рис. 2.11. Силовые передачи тракторов: а − гусеничного; б − колесного; 1– двигатель; 2–муфта сцепления; 3– карданный вал; 4– коробка передач; 5– главная передача; 6 – фрикционы; 7– ленточный тормоз; 8– бортовой редуктор; 9 – колеса В состав механической передачи колесного трактора (рис. 2.12, б) с пе­ редним расположением двигателя 1 входят фрикционная муфта сцепления 2, карданный вал 3, коробка передач 4, главная передача 5, бортовые фрикцио­ ны 6 с ленточными тормозами 7, бортовые редукторы 8, передающие враще­ ние пневматическим колесам 9. В силовых передачах гусеничных и колесных тракторов, одно­ и двухос­ ных тягачей, специальных шасси одноковшовых погрузчиков, самоходных кранов автомобильного типа широко применяют гидродинамические переда­ чи. В таких передачах вместо муфты сцепления устанавливают гидравличе­ ский трансформатор, а жесткую кинематическую связь между двигателем и ведущими колесами (звездочками гусениц) заменяют жидкостной. Такие си­ ловые передачи называются гидромеханическими. При больших сопротивлениях движению (при трогании с места, движении на подъем или в трудных дорожных условиях) используется способность гидротрансформатора увеличивать крутящий момент двигателя с высоким коэффициентом трансформации. По мере снижения сопротивления движе­ нию постепенно снижается трансформация момента, плавно возрастает ско­ рость ведущих колес, а работа трансформатора переходит в режим с более высоким КПД. При этом переключение передач осуществляется автоматиче­ ски, т. е. высшие передачи включаются только тогда, когда вторичный вал достигает определенной частоты вращения. При этом двигатель работает в режиме максимальной мощности, а переключение передач происходит без разрыва крутящего момента. Отсутствие жесткой кинематической связи дви­ гателя с ведущими звездочками снижает динамические нагрузки на двига­ тель, повышает долговечность двигателя и силовой передачи. В гусеничных тракторах с электрической силовой передачей момент ве­ дущим звездочкам гусениц сообщается тяговым электродвигателем постоян­ ного тока через бортовые фрикционы и редукторы. Тяговый электродвигатель получает питание от генератора, вращаемого дизелем трактора. Система при­ 112 вода дизель—генератор—двигатель значительно упрощает кинематическую схему силовой передачи (отсутствуют коробка перемены передач, карданные валы), а главное − обеспечивает в широких пределах бесступенчатое регули­ рование скорости движения и момента в зависимости от внешней нагрузки. Гидромеханическая и электрическая силовые передачи наиболее полно отве­ чают режиму работы тракторов с прицепным и навесным рабочим оборудо­ ванием строительных машин. Пневмоколесные тягачи. Такие одно­ и двухосные тягачи предназначены как базовые машины для работы с различного рода прицепным (одноосные) и навесным и прицепным (двухосные) рабочим оборудованием строительных машин (рис. 2.12). Рис. 2.12. Прицепное и навесное оборудование одно­ и двухосных тягачей: а – скрепер; б – землевоз; в – кран; г – цистерна для цемента и жидкостей; д – тяжеловоз; е – крантрубоукладчик; ж – траншейный экскаватор; з – корчеватель; и – бульдозер; к – рыхлитель; л – погрузчик Пневмоколесные тягачи обладают высокими тяговой характеристикой, транспортными (до 50 км/ч и более) скоростями, большим диапазоном рабо­ чих скоростей, хорошей маневренностью, что способствует достижению вы­ сокой производительности строительных машин, создаваемых на их базе. Пневмоколесные тягачи собирают из узлов и деталей серийного произ­ водства тракторов и тяжелых автомобилей при широкой степени унифика­ ции, что делает их конструкцию более долговечной. Мощность дизелей тяга­ чей достигает 900 кВт при нагрузке на ось 750 кН и более, что обеспечивает реализацию одного из главных направлений развития строительной техники −создания машин большой единичной мощности. Одноосный тягач (рис. 2.13, а) состоит из шасси, на котором установлены двигатель 6, силовая передача, два ведущих колеса, кабина и опорно­сцепное устройство. Опорно­сцепное устройство выполнено в виде стойки 2, которая может качаться вокруг продольной горизонтальной оси, закрепленной в раме 113 тягача, что позволяет полуприцепу перекашиваться относительно тягача в вертикальной плоскости. Соединяется полуприцеп с тягачом вертикальным шкворнем 3. Поворот тягача относительно оси полуприцепа обеспечивается двумя гидроцилиндра­ ми 4 на угол до 90 ° в обе стороны. Оба ведущих колеса являются одновре­ менно и управляемыми. Коробку передач и гидротрансформатор часто мон­ тируют в одном корпусе, что делает конструкцию более компактной. От раз­ даточной коробки через вал 12 приводится в действие один или несколько масляных насосов 5, обеспечивающих работу исполнительных органов полу­ прицепной машины. Управление тягачом и прицепным оборудованием осу­ ществляется гидрораспределителем.1 Рис. 2.13. Одноосный тягач: а) – общий вид; б) – кинематическая схема: 1–гидрораспределитель; 2– опорно­сцепное устройство; 3– шкворень; 4– гидроцилиндр; 5– насос; 6­ двигатель; 7– раздаточная коробка; 8– гидротрансформатор; 9– коробка пере­ дач; 10, 12 – карданные валы; 13 – полуоси; 14– планетарный редуктор Двухосные тягачи состоят из двух полурам, шарнирно сочлененных между собой. Поворот полурам, так же как и одноосного тягача, осуществляется с помощью двух гидроцилиндров двустороннего действия. Тягачи имеют один или два ведущих моста, одну или две двигательные установки. Силовая пере­ дача к ведущим колесам аналогична рассмотренной выше. Коробки передач одно­ и двухосных тягачей трехступенчатые при одина­ ковых скоростях движения передним и задним ходом. Последнее особенно важно для машин цикличного действия, требующих особой маневренности при частом реверсировании рабочих движений (одноковшовые фронтальные погрузчики, бульдозеры и др.). В последние годы одно­ и двухосные тягачи комплектуются мотор­колесами с шинами до 3 м в диаметре и шириной более 114 1 м с автоматически изменяющимся в зависимости от дорожных условий дав­ лением воздуха. Мотор­колесо представляет собой самостоятельный агрегат с гидравличе­ ским или электрическим двигателем и планетарным редуктором, встроенным в колесо. Рабочие двигатели питаются от масляных насосов или генератора, приводимых в действие основным двигателем тягача. Система управления двигателями мотор­колес позволяет каждому из них сообщать различные по величине моменты и частоту вращения, а при разворотах ­ и направление вращения, что особенно важно при работе в сложных дорожных условиях. 2.3. Специализированные транспортные средства Специализированные транспортные средства применяют в соответствии с их назначением и видом груза: для перевозки грунта, сыпучих грузов, бето­ нов и растворов, битума, топлива (автомобили­самосвалы, керамзитовозы, ав­ тобетоносмесители, авторастворовозы, автобитумовозы, топливовозы), по­ рошкообразных грузов (автоцементовозы, известковозы), строительных кон­ струкций (панелевозы, фермовозы, плитовозы, сантехкабиновозы), длинно­ мерных грузов (трубовозы, плетевозы, металловозы), строительных грузов в контейнерах (контейнеровозы), технологического оборудования и строитель­ ных машин (тяжеловозы). Специализированные транспортные средства представляют собой прицепы и полуприцепы к базовым автомобилям и седельным тягачам средней и большой грузоподъемности с разрешенной нагрузкой на одиночную ось 60 и 100 кН (автомобили и тягачи с колесной формулой 6Х2 и 6Х4). Конструкция таких транспортных средств учитывает особенности перевозки и физические свойства грузов, сохранение качества грузов, комплексную механизацию по­ грузки и выгрузки. Главным параметром специализированных транспортных средств принята полная масса транспортного средства с грузом. Использова­ ние специализированного транспорта способствует дальнейшему развитию индустриальных методов строительства, снижению себестоимости перевозок, росту производительности транспортных средств. Ниже приводятся конст­ руктивные схемы и технологические возможности отдельных видов специа­ лизированного транспорта. Автомобили-самосвалы и автопоезда. Различают автомобили­самосвалы общего назначения и специальные карьерные самосвалы. Автомобили­ самосвалы общего назначения (рис. 2.14) изготовляют на базе серийных гру­ зовых автомобилей (иногда с укороченной базой). 115 Рис. 2.14. Автомобили­самосвалы общего назначения: а) КрАЗ −с кузовом ковшовой формы; б) ЗИЛ− с откидной задней стенкой; 1–двигатель; 2– кузов; 3– гидроподъемник; 4– насос; 5–карданный вал; 6– коробка передач Их используют для перевозки грунта из котлованов, нерудных строитель­ ных материалов от карьеров, причалов и железнодорожных станций на пред­ приятия строительной индустрии и на сооружаемые дороги. Кроме того, ав­ томобили­самосвалы используют для перевозки асфальтовой массы, строи­ тельного мусора и других навалочных грузов. Загрузка автомобилей­ самосвалов производится обычно экскаватором, погрузчиком или из бункера. Кузов 2 самосвалов прямоугольной, трапециевидной или корытообразной формы делается опрокидным с углом наклона до 60°. Различают самосвалы с задней разгрузкой, т. е. опрокидыванием только назад, с боковой разгрузкой на одну или обе стороны и с трехсторонней разгрузкой. Опрокидывание кузова осуществляется с помощью гидравлического подъ­ емника, состоящего из одного или двух гидроцилиндров 3 одностороннего действия, питаемых насосной установкой 4, приводимой от двигателя 1 через коробку отбора мощности 6 автомобиля карданными валами 5. Управление опрокидыванием кузова осуществляется из кабины. При этом положения гидрораспределителя обеспечивают принудительный подъем ку­ зова, фиксирование его на любом уровне и плавное опускание кузова под действием собственной массы, при котором происходит слив масла в бак че­ рез клапан с определенным проходным сечением. Грузоподъемность серийно выпускаемых отечественной промышленностью самосвалов составляет 10...12 т при полной массе автомобиля с грузом 19...23 т. Грузоподъемность специальных карьерных самосвалов достигает 300 т, так как они предназна­ чены для работы вне дорог общей дорожной сети и их осевые нагрузки могут превышать действующие весовые ограничения. При перевозке массовых грузов применяют автопоезда (рис. 2.15). 116 Рис.2.15. Общий вид автопоезда КамАЗ­5410+ОдАЗ 9370: а)− тягач; б)−прицеп Использование автопоездов вместо одиночных автомобилей­самосвалов позволяет повысить выработку на среднесписочную машину, снизить расход топлива, уменьшить число водителей. Автопоезда создают на базе автомоби­ лей­самосвалов и унифицированных автомобильных прицепов­самосвалов и полуприцепов­самосвалов к седельным тягачам, имеющим общие конструк­ тивные признаки. Гидроцилиндры прицепов действуют от гидравлической системы базового автомобиля. Автомобили­самосвалы, предназначенные для использования в качестве тягачей, оснащаются стандартными буксирными устройствами, а также гидро,­ пневмо­ и электровыводами для подключения соответствующих систем прицепов. Разгрузка кузовов самосвала и промежу­ точных прицепов ведется на две (боковые), а заднего – на три (боковые и зад­ нюю) стороны. Грузоподъемность автопоезда, выполненного, например, на базе автомобиля с колесной формулой 6Х4 типа КамАЗ, составляет 11 т (пол­ ная масса 19 т), прицепа полной массой 16 т и полуприцепа −25 т. Конвейеры. В строительстве используют передвижные и стационарные ленточные конвейеры, перемещающие грузы на сравнительно небольшие расстояния. Передвижные ленточные конвейеры изготовляют длиной 5, 10 и 15 м. Они оборудуются колесами для перемещения вручную или в прицепе к тягачу. Стационарные ленточные конвейеры для удобства монтажа составляют из отдельных секций длиной 2...3 м и общей протяженностью 40...80 м. Ленточ­ ные конвейеры широко используются как транспортирующие органы в кон­ струкциях траншейных и роторных экскаваторов, бетоноукладчиков и дру­ гих машин, где их параметры определяются параметрами основной машины. Основным транспортирующим и тяговым органом ленточного конвейера (рис. 2.16, а) является бесконечная прорезиненная лента 4, огибающая два ба­ рабана — приводной 6 и натяжной 2. 117 Рис. 2.16. Ленточный конвейер: а − схема конструкции; б − роликоопоры; в) − натяжное устройство; 1– натяжное устройство; 3– загружатель; 5,8 – роликоопоры; 9– редуктор; 10– двигатель Поступательное движение ленты с грузом создается силами трения, дейст­ вующими в зоне контакта ленты с приводным барабаном. Вращение барабан получает от приводного электродвигателя 10 через редуктор 9. Для увеличе­ ния тягового усилия рядом с приводным барабаном устанавливают откло­ няющий. Верхняя рабочая и нижняя холостая ветви поддерживаются верхни­ ми 5 и нижними 8 роликоопорами. В целях получения наибольшей произво­ дительности конвейеров их верхние роликоопоры делают желобчатой формы, при прохождении по которым лента той же ширины способна нести больше материала по сравнению с плоской (рис. 2.16, 6). Для предотвращения провисания ленты между роликоопорами, а также для увеличения тягового усилия лента предварительно натягивается посред­ ством винтового или грузового натяжного устройства. В конвейерах ленты выполняют функции тягового и грузонесущего эле­ мента. Согласно уравнению Эйлера зависимость между натяжением Sнб гибкого тягового органа в точке набегания его на приводной барабан и его натяжением Sсб в точке сбегания с барабана имеет вид Sнб  Sc, e f , (2.1) где е = 2,718 — основание натурального логарифма; f  коэффициент трения между гибким тяговым элементом и поверхностью барабана;   угол обхвата барабана (канатоведущего шкива) гибким тяговым элементом, рад. При установившемся движении гибкого тягового элемента тяговое (окруж­ ное) усилие на приводном элементе определяется по разности натяжений Sнб и Sсб .   Fo  S нб  S сб  S сб e f  1 . (2.2) 118 Из этого уравнения следует, что тяговое усилие, сообщаемое гибкому тя­ говому органу, может быть повышено путем увеличения начального натяже­ ния тягового элемента, равного Sсб , угла обхвата  или коэффициента трения f между гибким тяговым и приводным элементами. На ленточных отвальных конвейерах часто применяется инерционная раз­ грузка, при которой материал разгружается в основном за счет сообщаемой ему кинетической энергии и отбрасывается в сторону от машины на значительное расстояние. Это расстояние, так же как и характер траектории движения частиц материала или груза при сходе с конвейера, можно заранее определить. Для системы, изображенной на рис.2.17, соста­ вим дифференциальные уравнения движения гру­ за: mx  0; my  ­mg y   g , где m  масса перемещае­ или x  0; мого груза. Интегрируя эти уравнения при начальных условиях – при t  0 , x  vн , y  0 (здесь v н  начальная скорость груза), находим Рис.2.17. Расчетная схема конвейера x  v н ; y  ­gt . Последние уравнения интегрируем при t  0, x  0, y  H (здесь Н  максимальная высота падения груза): x  v н t; y  Н  gt 2 /2 Для составления уравнения троектории движения груза после схода с конвейера исключим из первого выражения время t  x/v н и подставим его во второе; тогда получим y  H­ g 2v н2 x2 Эта зависимость представляет собой уравнение параболы. Как видно из схе­ мы, при x  l , y  0 ; если эти условия подставим в уравнение параболы, то найдем максимальную дальность l отбрасывания груза (2.3) l  v н 2H/g . Из выражения (2.3) следует, что дальность отбрасывания груза тем боль­ ше, чем выше его начальная скорость в момент схода его с конвейера и чем больше высота Н или наклон конвейера к горизонту. При перемещении насыпных грузов на ленточных конвейерах распреде­ ленную массу q грузонесущего элемента находят q  A , 119 где A  площадь поперечного сечения материала, расположенного на длине 1 м. На рис.2.18 показана схема сил, действующих на верхнюю (груженую) и нижнюю (холостую) ветви тягового элемента, опирающиеся при своем дви­ жении на опоры качения. На прямолинейных участках сопротивления (Н) движению гибкого тягового элемента равны: для верхней ветви Wгр  q  q т gL  o cos   q  q т gL sin  ; для нижней (холостой) ветви Wx  qт gL o cos   qт gL sin  , где q, qт  распределение массы перемещаемого груза и тягового органа; L k  длина конвейера;  o ,  o  суммарные коэффициенты сопротивления движе­ нию для верхней и нижней ветвей тягового элемента;   угол наклона кон­ вейера к горизонту. Сопротивление движению при огибании гибким тяговым элементом при­ водных и направляющих барабанов определяется по формуле, в которой пер­ вым членом определяются сопротивления трения в опорах барабанов, а во втором – сопротивления перегиба гибкого тягового элемента, зависящие от жесткости лент и от сопротивления трения в сочленениях W  R o dц D   cж Si 1  S i  , где R o  Si 1  Si  sin  / 2  реакция в опорах барабана, огибаемого гибким тяговым элементом;   угол обхвата барабана гибким тяговым элементом; S i 1 , S i  натяжения в набегающей и сбегающей ветвях гибкого тягового эле­ мента; D, d ц  диаметр барабана и его цапфы;   коэффициент трения в цап­ фах; с ж  коэффициент жесткости гибкого тягового элемента. Рис.2.18.Схема для определения сопротивлений движения конвейера: а) − схема сил; б) – схема сил в рабочем положении; в) – угол обхвата шкива 120 Принимая для упрощения  о   о , получаем W  q  2q т gL o  qgH . Натяжение в отдельных точках гибкого тягового элемента определяют пу­ тем последовательного обхода его замкнутого контура, считая, что натяже­ ние Si 1 в каждой последующей по ходу точке контура равно натяжению S i в предыдущей точке плюс сопротивление Wi ­ i 1 между этими точками Si 1  S i  Wi  i 1 . Перед расчетом замкнутый контур тягового элемента разбивается на после­ довательные участки, границы которых отмечаны цифра­ ми 1, 2 (см. рис.2.19). Отсчет натяжений начинаем от точки 1 сбегания тягового элемента с приводного барабана; в этой точке натяжение задаем, ис­ ходя из экспериментальных данных, или определяем по формуле, зная допускае­ мое провисание f гибкого тягового элемента между роликами а холостой вет­ ви для ленточных конвейеров S сб  S1  S min q т gl o2  , 8f (2.4) где lo  расстояние между роликами, м; Si  натяжение в точке 1. В соответствии с указанным правилом натяжения в остальных точках тя­ гового элемента будут равны: S 2  S1  W1 2 ; S3  S 2  W2  3 ; S 4  S нб  S 3  W3  4 . Необходимое начальное натяжение гибкого тягового элемента обеспечи­ вается натяжным устройством конвейера, с помощью которого регулируется осевое расстояние между приводным и отклоняющим барабанами. Как вид­ но из схемы на рис. 2.18, а натяжное устройство должно обеспечить уси­ лие Fнат  S 2  S 3 или, с учетом выражений, полученных для S2 и, S 3 , Fнат  S 2  S 3  W2  3  2 S 2  W2  3  2 S1  2W1 2  W2  3 , Заменяя в этом уравнении S1 по формуле (2.4), находим Fнат  q т gl 2o  2 W1­ 2  W2  3 . 8f При расчете усилия натяжения принимаем f  0,01...0,03 lo . Как видим, максимальное натяжение гибкого тягового элемента имеет место в точке его набегания на приводной барабан. 121 Необходимое тяговое усилие на приводном элементе конвейера опреде­ ляют с учетом сопротивления W , возникающего при огибании приводного элемента лентой: Fo  S нб  Sсб  W  . Соответствующий этому тяговому окружному усилию момент на валу двигателя привода конвейера М д  Fo D / 2u  , где u,   передаточное число и КПД привода. При пуске двигателя имеют место дополнительные сопротивления от инерции вращающихся частей привода и поступательно движущихся частей конвейера. Для их преодоления на валу двигателя необходимо создать избы­ точный момент M изб, д , равный:  m D2  М изб .д   б 2б  J д   0,105nд t p ,  5,7u     где m б , масса вращающихся частей барабана; D б  диаметр барабана;   коэффициент, учитывающийся вращающихся масс двигателя; J д  мо­ мент инерции вращающихся частей двигателя; n д  частота вращения вала двигателя; t p  время разгона двигателя. Пусковой момент на валу двигателя М п  М д  М изб.д . Двигатель выбирают по мощности для установившегося режима работы конвейера Рд  Fo v р.о / 1000  и проверяют на перегрузку при пуске по отношению М п /M д < 1,5, где v p.o  скорость движения рабочего (тягового) органа. Загрузка транспортируемого материала на ленту производится через спе­ циальную воронку 3. Съем материала может производиться через приводной барабан или в промежуточных пунктах с помощью специальных сбрасываю­ щих устройств. Для предотвращения самопроизвольного обратного хода ленты после оста­ новки конвейера на валу приводного барабана устанавливается тормоз. Угол наклона конвейера зависит от подвижности транспортируемого материала и коэффициента трения в движении материала о транспортерную ленту. Для таких материалов, как шлак, песок, щебень, он обычно составляет 16...20°. Для транспортирования строительных материалов применяют тканевые прорезиненные ленты, состоящие из нескольких слоев (прокладок) ткани (бельтинга). Ширина и число прокладок ленты стандартизированы. Растяги­ вающую нагрузку воспринимают только тканевые прокладки, которые изго­ 122 товляют из хлопчатобумажных или из более прочных синтетических волокон. Ширина ленты ленточных конвейеров зависит от производительности и ее скорости. У серийно выпускаемых конвейеров она составляет 0,4...1,6 м. Ско­ рости конвейеров, используемых для транспортирования наиболее распро­ страненных строительных материалов, находятся в пределах 0,8...2,5 м/с. Конвейеры специального назначения, являющиеся транспортным органом многоковшовых экскаваторов, землеройных комплексов и других машин, имеют ширину ленты до 3,2 м при скорости 8 м/с. В конвейерах большой длины и производительности прочность прорези­ ненной ленты с прокладками из синтетических волокон оказывается недоста­ точной. В этих случаях применяют несколько последовательно расположен­ ных самостоятельных конвейеров, составляющих общую длину трассы, а для тягового и несущего органов в ряде случаев применяют резинотросовые лен­ ты, у которых в качестве прокладок использованы тонкие стальные прово­ лочные канаты при 6...8­кратном запасе прочности. При транспортировании на дальние расстояния применяют также конвейе­ ры с раздельным тяговым и несущим органами. В качестве тягового органа используют стальные канаты или цепи, а несущего − облегченную прорези­ ненную ленту специальной формы, опирающуюся на тяговый канат или тяго­ вую цепь. Производительность ленточных конвейеров (т/ч) П=3600 А р.о , (2.9) где А — площадь поперечного сечения потока материала, м2;  — плотность материала, т/м3. Для обеспечения требуемой производительности необходимо, чтобы ши­ рина ленты (м)   В  k  /  р.о , (2.10) где k — коэффициент, учитывающий изменение площади поперечного сече­ ния материала на желобчатой ленте (для трехроликовой опоры с углом на­ клона боковых роликов  '=20 и 30° соответственно принимают равным 0,05 и 0,04). При транспортировании крупнокусковых материалов ширина ленты должна исключить их рассыпание и удовлетворять следующему требованию: В  2а мах +0,2 м, (2.11) где а мах − максимальный размер кусков, м. Таким образом, при известной ширине ленты ее прочность определяется количеством прокладок в ней и допустимой нагрузкой на единицу ширины одной прокладки: i  Sнаб /( ВК ) , (2.12) 123 где К − допустимое усилие на разрыв 1 см ширины одной прокладки, Н/см. При эксплуатации конвейерная лента вытягивается. Относительное удли­ нение ленты при разрыве прокладок доходит до 20...30 %. Поэтому для уст­ ранения большой вытяжки ленты применяют 10...12­кратный запас прочно­ сти. Допустимое усилие на разрыв принимают 60 Н/см для хлопчатобумаж­ ных и 300 Н/см − для синтетических бельтингов. Лента не должна проскальзывать по барабану. Для устранения пробуксов­ ки ленты увеличивают угол обхвата барабана или коэффициент трения, а при недостаточности этих мер применяют дополнительное натяжение каждой ветви ленты. Мощность двигателя конвейера должна быть достаточной для возможно­ сти запуска случайно остановившегося груженого конвейера. Для этого не­ обходимо, чтобы средний пусковой момент двигателя превышал суммарный момент статических и динамических сопротивлений конвейера, действую­ щих в период пуска. Пластинчатые конвейеры. При транспортировании материалов с острыми кромками, например для подачи крупнокускового камня в дробилки, приме­ няют пластинчатые конвейеры (рис. 2.19, а), у которых тяговым органом яв­ ляются две бесконечные цепи 3, огибающие приводные 4 и натяжные 2 звез­ дочки. Рис. 2.19. Конвейеры с цепным тяговым органом: а) – пластинчатый; б) – скребковый; 1– цепь; 2,4 – звездочки; 5– скребок К тяговым цепям прикрепляют металлические пластины, перекрываю­ щие друг друга и исключающие просыпание материала между ними. Пла­ стинчатые конвейеры применяют также для перемещения горячих материа­ лов, деталей и изделий на заводах строительных конструкций. В цепных конвейерах цепи чаще всего выполняют функции тягового эле­ мента, а грузонесущими элементами могут быть ковши, пластины или специ­ альные траверсы, соединенные со звеньями цепи. В отличие от лент и кана­ 124 тов тяговые цепи при равномерном вращении приводной звездочки с часто­ той n мин 1 перемещаются неравномерно, их движение сопровождается про­ дольными и вертикальными колебаниями, период которых соответствует времени поворота звездочки на один зуб t  60/ nz  , где z  число зубьев звездочки. При этом возникает переменное по знаку продольное ускорение тяговой цепи j   n 2 pц /180 , где pц  шаг цепи. Ускорение в свою очередь вызывает динамические нагрузки. Считают, что расчетная динамическая нагрузка S дин , действующая по ходу цепи, равна ут­ роенному произведению приведенной массы m движущейся цепи и груза на продольное ускорение S дин  3mj . С учетом этого тяговое усилие, передаваемое цепи, несколько снижается Fo  S наб  Sсб  S дин . Скребковые конвейеры. Разновидностью конвейеров с цепным тяговым органом являются скребковые конвейеры (рис. 2.19, б). Они отличаются от пластинчатых тем, что на тяговых цепях 3 закреплены скребки 5, а нижняя рабочая ветвь погружена в открытый неподвижный желоб и при своем дви­ жении перемещает материал. Ковшовые конвейеры. Такие конвейеры перемещают материал в ков­ шах в вертикальном или наклонном (под большим углом) направлениях на высоту до 50 м. Ковшовый конвейер (рис. 2.20) представляет собой замкну­ тый тяговый орган 4 в виде ленты или двух цепей, огибающий приводной 6 и натяжной 1 барабаны (при цепном органе − звездочки), на котором закрепле­ ны ковши 3 с шагом Т. Рис.2. 20. Ковшовый конвейер: а)− схема конструкции; б) −мелкий полукруглый ковш; 125 в) − глубокий полукруглый ковш; г) − остроугольный; 1, 6 – ведущий и ведомый бараба­ ны; 2 – смотровая площадка; 3 – ковш; 4 – тяговый орган; 5 – кожух; 7 – люк Рабочий орган вместе с ковшами размещен в металлическом кожухе 5. За­ грузка материала осуществляется через загрузочный 2, а разгрузка − через разгрузочный 7 башмаки. Различают быстроходные со скоростью от 1,25 до 2,0 м/с конвейеры для транспортирования порошкообразных и мелкокуско­ вых материалов и тихоходные со скоростью 0,4...1,0 м/с для транспортирова­ ния крупнокусковых материалов. В зависимости от вида транспортируемого материала применяют мелкие и глубокие полукруглые ковши, монтируемые на тяговом органе с шагом 300…600 мм, и остроугольные ковши, распола­ гаемые вплотную друг к другу. Заполнение ковшей быстроходных конвейеров происходит при прохожде­ нии ими загрузочного башмака зачерпыванием, а в тихоходных − путем за­ сыпания материала в ковш. Разгрузка ковшей быстроходных конвейеров осуществляется при огибании ими приводного барабана под действием цен­ тробежных сил, а у тихоходных под действием силы тяжести (гравитацион­ ная разгрузка). При гравитационной разгрузке остроугольных ковшей материал скатыва­ ется по передней стенке впереди идущего ковша, в результате чего снижается сила удара его о разгрузочный башмак. Производительность ковшового конвейера (т/ч) определяется по формуле производительности для машин непрерывного действия с порционной выда­ чей материала: П  0,6qk н п , (2.17) где q – вместимость одного ковша, л; k н – коэффициент наполнения ковша, принимаемый для мелких 0,6, для глубоких – 0,8 и для остроугольных ковшей 3 – 0,8;  – плотность материала, т/м ; п = 60 /T – число разгрузок в минуту;  – скорость ковшей, м/с; T– шаг расстановки ковшей, м. Ковшовые конвейеры имеют малые габариты, но требуют постоянного кон­ троля за равномерностью загрузки их материалом. Винтовые конвейеры. Винтовые конвейеры применяются для горизонталь­ ного или наклонного (под углом до 20°) транспортирования сыпучих, куско­ вых и тестообразных материалов на расстояние до 30...40 м и имеют произ­ водительность 20...40 м3/ч. Конвейер (рис. 2.21, а) представляет собой желоб 4 полукруглой формы, внутри которого в подшипниках 5 вращаетсявинт3 126 Рис.2.21. Винтовые конвейеры: а) –винт полукруглой формы; б) – сплошной; в) – ленточный ; д) –лопастной; г) – фассоный винт; 1– двигатель; 2– редуктор; 3– винт; 4– желоб; 5– подшипник; 6,7 – люки Вращение винту сообщается электродвигателем 1 через редуктор 2.Загрузка материала производится через загрузочное отверстие 6, а выгрузка − через выходное отверстие 7 с задвижкой. Конструкция винта, частота его враще­ ния, а также коэффициент заполнения желоба зависят от вида транспорти­ руемого материала. Сплошной винт (рис. 2.21, б) применяют для хорошо сыпучих материалов (цемента, мела, песка, гипса, шлака, извести в порошке) при коэффициенте заполнения желоба k н =0,25...0,45, частоте вращения вин­ та 90...120 мин­1. Ленточный и лопастной винты (рис. 2.21, б, д) применяют для транспорти­ рования кусковых материалов крупного гравия, известняка, негранулирован­ ного шлака) при k н = 0,25...0,40 и частоте 60...100 мин 1 . Для транспортиро­ вания тестообразных, слежавшихся и в влажных материалов (мокрой гли­ ны, бетона, цементного раствора) применяют фасонный и лопастной винты (рис. 2.21, г, д) при частоте вращения 30...60 мин­1 и k н =0,15...0,30. Производительность горизонтального винтового конвейера (м3/ч) зави­ сит от средней площади сечения потока материала и скорости его движения вдоль оси П  3600 D 2 k н , 4 (2.18) где D – диаметр винта, м;  – скорость движения материала вдоль оси конвей­ ера, м/с. В случае перемещения материалов при угле наклона конвейера 5° произво­ дительность его снижается на 10 %, при угле наклона 10° − на 20 %, при угле наклона 20° − на 35 %. Диаметры винтов стандартизированы и составляют 0,15...0,6 м. Шаг винта t  D для горизонтальных и t  0,8D для наклонных конвейеров. При частоте вращения двигателя п и шаге винта t  D (где D диаметр винта) скорость движения материала (м/с) вдоль оси   tn / 60 . 127 Для пропуска через конвейер кускового материала необходимо, чтобы шаг винта был больше максимального размера куска в 4...6 раз для рядового ма­ териала и в 8...10 раз для сортированного. Вибрационные конвейеры. Вибрационные конвейеры основаны на принци­ пе значительного снижения сил внутреннего трения между частицами сыпу­ чих материалов и вязких смесей, а также внешнего трения об ограждающие поверхности при сообщении материалу колебаний с определенной частотой и амплитудой. Источником колебаний служат электромагнитные возбудители или вибраторы с механическим приводом (эксцентриковые, кривошипно­ шатунные). Колебания материалу сообщаются через жесткий орган в виде трубы или желоба. Материалы можно перемещать под уклон, по горизонтали, а также под углом вверх. Общий вид конвейера показан на рис. 2.22. При высоких или среднечастотных колебаниях наклонный желоб при ка­ ждом колебании переходит из положения I в положение II и вновь возвраща­ ется в положение I. При этом частица материала, расположенная в точке А, перемещается вместе с желобом в точку 5 и при резком возвращении желоба в исходное положение окажется в точке В, расположенной выше точки A, со­ вершая за каждое колебание скачкообразное движение по транспортирующе­ му органу. Рис. 2.22. Вибрационный конвейер В строительстве вибрационные конвейеры используются для транспорти­ рования материалов равномерным потоком на небольшие расстояния, напри­ мер при дозировании инертных материалов или при загрузке конвейеров. Вертикальное движение вибрационного желоба описывается дифференци­ альным уравнением my  Fц sin t  G  Fст  , где m  масса колеблющихся частей желоба; Fц  возмущающая сила, созда­ ваемая вибратором;   угловая частота колебаний вальца; G −сила тяжести вальца; Fст  статическая «пригрузка», создаваемая статической силой упру­ гости подвесок вальца, обычно Fст  G . Разделив обе части дифференциального уравнения на m , запишем в виде y  Fц m sin t  G  Fст . m (2.19) 128 Интегрируя уравнение (2.19), находим y   ydt   Fц m cost  G  Fcт t c. m Постоянную интегрирования получим из начальных условий: при t  0 скорость y  0 ; тогда c  Fц / m  и y  Fц m (1  cost )  G  Fcт gt . m Этим уравнением определяется скорость колебательного движения вальца, которое сопровождается его отрывом и ударом об желоб. Динамический ко­ эффициент удара равен а 2 sin  , кд  g cos где a  амплитуда;   угол между осью грузонесущего органа и направлением колебаний;   угол наклона конвейера к горизонту. Расчетное значение скорости удара v уд можно найти из условия: при cost  1 ; t  2 , откуда t  2 /  . Виброжелобы. При подаче бетонной смеси к месту укладки ее в соору­ жение применяют виброжелобы (рис. 2.23). Корпус вибрационного желоба 1 с помощью подвески 2 присоединен к несущей конструкции. Колебания кор­ пусу сообщаются укрепленным на нем вибратором 3. Рис. 2.23. Вибрационный желоб: 1− корпус; 2− подвеска; 3− вибратор 2.4. Установки для пневматического транспортирования материала Пневмотранспортными установками перемещают сыпучие материалы по трубам с помощью сжатого или разреженного воздуха. Применение пнев­ мотранспортных установок для погрузки, разгрузки и перемещения таких строительных материалов, как цемент, песок, известь, опилки и др., позволяет значительно повысить производительность труда, ликвидировать пыление и загрязнение материалов в пути, полностью механизировать процесс загрузки и выгрузки, создать условия для автоматизации транспортных процессов. Ус­ 129 тановки пневматического транспортирования выгодно отличаются отсутстви­ ем движущихся частей, возможностью применения труб небольшого диамет­ ра, прокладываемых по любой пространственной трассе на значительные рас­ стояния при высокой производительности. Недостатками пневматического транспорта являются большой удельный расход воздуха и высокая энергоемкость процесса (1...5 кВт∙ч/т), а также по­ вышенный износ элементов оборудования при транспортировании абразив­ ных материалов. Однако повышенная энергоемкость пневмотранспортных установок в значительной степени компенсируется перечисленными преиму­ ществами. По принципу работы пневмотранспортные установки делятся на установки всасывающего и нагнетательного действий (рис. 2.24). Установки всасывающего действия (рис. 2.24, а). В таких установках за­ грузка и транспортирование материала производятся в результате разрежения воздуха в транспортном трубопроводе 2, создаваемого вакуум­насосом 8. Ма­ териал в транспортный трубопровод поступает через сопла. При этом воз­ можны загрузка материала из нескольких мест и транспортировка его в одно место. Рис. 2.24. Принципиальные схемы пневмотранспортных установок: а) – всасывающего действия; 1− сопла; 2− трубопровод; 3− осадительная камера; 4− за­ твор; 5− бункер; 6− фильтр; 7− труба; 8− насос; б) − нагнетательного действия; 9−воздухоприемник; 10− компрессор; 11− воздухосборник; 12− затвор; 13− загружатель; 14− трубопровод; 15−осадительная камера; 16− шлюзовой затвор; 17− бункер; 18− фильтр Из транспортного трубопровода материал поступает в осадительную камеру 3, где частицы материала выпадают из потока воздуха в результате резкого снижения скорости воздуха при расширении выходного сечения и через шлюзовой затвор 4 высыпаются в бункер 5. Воздух проходит дальнейшую очистку в фильтрах 6 и в очищенном от материала виде поступает в вакуум­ насос 8 и далее в атмосферу через трубу 7. Разряжение воздуха в трубопрово­ де уменьшается по направлению движения материала. Соответственно изме­ 130 няется и скорость воздуха. В установках всасывающего типа она минимальна у сопла и максимальна у вакуум­насоса. Перепад давлений во всасывающих установках составляет 0,03...0,04 МПа, в результате его транспортирование возможно на небольшие расстояния. Установки нагнетательного действия (рис. 2.24,6). В таких установках перемещение материала происходит под действием избыточного давления, создаваемого компрессором 10. Материал из бункера подается в загружатель 13, откуда он через затвор 12 под давлением сжатого воздуха по транспорт­ ному трубопроводу 14 поступает в осадительную камеру 15 и через шлюзо­ вой затвор 16 в бункер 17. Воздух, пройдя фильтры 18, выбрасывается в ат­ мосферу. Для сжатия и нагнетания воздуха применяются компрессоры с давлением до 0,8 МПа и производительностью воздуха до 100 м 3 / мин. Заса­ сываемый компрессором из атмосферы воздух через воздухоприемник 9 очищается от пыли и далее поступает в воздухосборник 11, который пред­ назначен для определенного запаса сжатого воздуха и равномерного переме­ щения материала по трубам. В установках нагнетательного действия наибольшее применение получи­ ли загружатели, выполненные в виде пневмовинтового насоса (рис. 2.25). Рис.2.25 Пневмовинтовой насос: 1−двигатель; 2−воронка; 3−винт; 5−корпус; 6− клапан; 7−камера; 8− транспортный трубопровод Он состоит из цилиндрического корпуса 5, винта 3 с переменным шагом, вращаемого двигателем 1,и смесительной камеры 7. Вследствие уменьшения шага винта материал по мере его прохождения к смесительной камере по­ степенно уплотняется, препятствуя просачиванию сжатого воздуха в загру­ зочную воронку 2. Степень уплотнения материала регулируется клапаном 6. В смесительную камеру по трубопроводу поступает сжатый воздух от ком­ прессора. Материал, попадая в струю сжатого воздуха, смешивается с ним и далее поступает в транспортный трубопровод 8 (см. на рис. 2.24, б поз. 14). Недостатком пневмовинтовых насосов является быстрый износ винта и корпуса насоса. Для повышения надежности корпус насоса футеруют сменными гильзами 4. Скорость воздуха, поступающего в загружатель, 131 должна быть достаточной для поддержания массы частиц материала G во взвешенном состоянии. скоростью витания называют такую скорость верти­ кального воздушного потока, при которой сила тяжести перемещае­ мой частицы уравновешивается скоростным напором потока G  T , где T  аэродинамическая сила. Скорость витания зависит от формы, размеров и массы транспортируемого материала. d 3 Выразив G  g м , где d −средний диаметр частицы материала; 6  м  плотность материала, а аэродинамическая сила T  c в A ш Vв2 , где с  0,23  аэродинамический коэффициент;  в  плотность воздуха; Аш  площадь поперечнего сечения трубопровода; Vв  скорость витания воздуха. d 3 Тогда g м = c в A ш Vв2 , скорость витания 6 d м . Vв  5,35 D в Необходимое количество воздуха при заданной производительности П , Qв  3,6 в  где   коэффициент концентрации смеси. При этом диаметр трубопровода равен Qв . D 3600Vв2 в В установках нагнетательного типа скорость воздуха на выходе из трубо­ провода превышает начальную скорость вследствие падения давления в системе до атмосферного. Перепад давлений в высоконапорных установках составляет 0,4...0,6 МПа, что создает возможность транспортирования на зна­ чительные (до 2 км) расстояния при производительности установок до 200...300 м 3 /ч. Пневматические разгрузчики. Пневморазгрузчики предназначены для раз­ грузки из вагонов и транспортирования в емкости порошкообразных мате­ риалов. Их выпускают всасывающего и всасывающе­нагнетательного дейст­ вия. Принцип действия этих разгрузчиков одинаков и основан на заборе и транспортировании материала под действием вакуума, создаваемого и под­ держиваемого в системе вакуум­насосом. Принципиальное различие между ними заключается в способах транспортирования материала от смесительной камеры в силосы: в разгрузчиках всасывающего типа используются механические насосы; в разгрузчиках всасывающе­нагнетательного действия применено пневматическое транспортирование. 132 Разгрузчик всасывающего действия (рис. 2.26) состоит из заборного уст­ ройства 1, гибкого транспортного цементовода 2, осадительной камеры 3, ва­ куум­насоса 6. Рис. 2.26. Пневматический разгрузчик цемента всасывающе­нагнетательного действия: 1– заборное устройство; 2– цементовод; 3– осадительная камера; 4– пневмовинтовой насос; 5–смесительная камера; 6– вакуум­насос Заборное устройство 1 устанавливается в разгружаемый вагон. Оно смон­ тировано на самоходной двухколесной тележке с индивидуальным приводом каждого колеса. На тележке установлены вращающиеся диски для рыхления цемента и всасывающие сопла. По цементоводу 2 цемент поступает в осади­ тельную камеру 3, где отделяется от воздуха. Камера выполняется в виде за­ крытой емкости цилиндрическо­конической формы. Транспортный трубопровод вводится в емкость по касательной, в резуль­ тате чего частицы цемента прижимаются к стенкам емкости, теряют скорость и опускаются в нижнюю ее часть, где расположен затвор для выпуска мате­ риала. Дальнейшее перемещение цемента в силосы осуществляется механи­ ческими (шнековыми) насосами. Дальность подачи не превышает 12 м. После освобождения от цемента воздух проходит дополнительную очист­ ку в фильтрах, расположенных в верхней части осадительной камеры, после чего он поступает в вакуум­насос и далее выбрасывается в атмосферу. Очист­ ка фильтров от цементной пыли производится обратным потоком атмосфер­ ного воздуха или с помощью встряхивающего механизма. Производитель­ ность разгрузчиков 20...50 м 3 /ч при дальности транспортирования материала до 50 м. Автоцементовозы. Их применяют для доставки цемента с цементных заводов и элеваторов на стройки и предприятия строительной индустрии. автоцементовоз (рис. 2.27) представляет собой цистерну­полуприцеп 2 к ав­ томобильному седельному тягачу, установленную под углом 6...8° в сторону разгрузки и оснащенную системой загрузки и выгрузки цемента. Во время стоянки без тягача цистерна­полуприцеп опирается на выдвижные опоры 3. Внутри цистерна оборудована аэролотком 15, представляющим собой жело­ бы, на которые натянута пористая ткань. 133 Рис.2.27. Общий вид автоцементовоза: 1– люк; 2– цистерна; 3– опора Загрузка осуществляется через люк 1 и самостоятельно. Принцип самоза­ грузки основан на действии установки всасывающего типа, рис. 2.28. Обору­ дование для загрузки состоит из заборного сопла 6 с гибким шлангом 7, рас­ пределительной трубы 9, вакуум­насоса 4 и фильтров 5. Вакуум­насос приво­ дится в действие от двигателя автомобиля и может работать в режиме насоса при загрузке и в режиме компрессора при разгрузке. Воздух очищается от цемента в фильтрах 11 и 5. В цистерне установлены сигнализатор уровня цемента 10 и манометр 12. Воздушная система снабжена обратными 13 и 14 и предохранительным 16 клапанами. При разгрузке через аэролоток в цистерну от насоса­компрессора подается сжатый воздух. При достижении рабочего давления 0,15...0,20 МПа открывается разгрузочный кран 8, к шаровой головке которого присоединяется шланг. Рис. 2.28. Способ самозагрузки цементовоза: 4– компрессор; 5, 11– фильтр; 6– сопло; 7– трубопровод; 8– кран; 9– распределительная труба; 10– сигнализатор уровня цемента; 12– манометр; 13,14, 16 – клапаны Насыщенный воздухом цемент приобретает подвижность и подается в склады хранения на высоту до 25 м. Производительность выпускаемых авто­ цементовозов 3, 5, 8, 13 и 22 т/ч. 134 2.5. Погрузочно-разгрузочные машины Погрузочно­разгрузочные машины в строительстве применяют для по­ грузки штучных и сыпучих грузов, разгрузки их с транспортных средств, а также для перемещения и складирования в пределах строительной площадки. Они представляют собой преимущественно самоходные колесные или гусе­ ничные подъемно­транспортные машины. По принципу выполнения рабочих операций погрузочно­разгрузочные машины делят на машины цикличного и непрерывного действия. Первые яв­ ляются универсальными и могут применяться в различных условиях благода­ ря наличию многих видов рабочего оборудования; вторые применяют на объ­ ектах с большим объемом работ по погрузке, перемещению и разгрузке сы­ пучих строительных материалов, а также там, где рабочий процесс должен быть непрерывным. В зависимости от назначения погрузочно­разгрузочные машины разде­ ляют на погрузчики для штучных грузов — автопогрузчики и для сыпучих грузов − одно − и многоковшовые погрузчики. Для разгрузки материалов с железнодорожного подвижного состава ис­ пользуют разгрузчики узкоспециального назначения различных конструкций, например, со скребковым, бурофрезерным, всасывающим рабочими органа­ ми. Автопогрузчики. Основным видом рабочего оборудования автопогруз­ чиков является вилочный захват, который подводят под груз или штабель из отдельных мелких грузов, установленный на подставках. С помощью вилоч­ ных погрузчиков перегружают и транспортируют штучные железобетонные изделия, поддоны с кирпичом, оборудование, длинномерные пиломатериалы, профильный металл. Вилочные автопогрузчики изготовляют на базе автомобильных узлов (мос­ тов, коробок передач, рулевого управления, тормозных устройств и др.) с двигателями внутреннего сгорания или с электродвигателями, работающими от аккумулятора. Все агрегаты (рис. 2.29, а) монтируются на ходовой раме, которая опирается на передний 12 и задний 11 мосты погрузчика. В отличие от обычного автомобиля у вилочных погрузчиков двигатель и управляемые колеса располагаются сзади, а ведущий мост со сдвоенными пневмоколесами — спереди. Это обусловлено тем, что передняя часть погрузчика восприни­ мает нагрузку от рабочего оборудования и груза. Ходовое оборудование по­ грузчиков приспособлено для работы на площадках с твердым покрытием. Заднее расположение управляемых колес создает погрузчику хорошую ма­ невренность. 135 Подъемная часть погрузчика — грузоподъемник (рис. 2.29, б) состоит из шарнирно укрепленной на раме погрузчика основной вертикальной рамы 2, выдвижной внутренней рамы 4 и грузовой каретки 8 с вилочным захватом 5. Рис. 2.29. Вилочный автопогрузчик: а) – общий вид; б) – кинематическая схема: 1− гидроцилиндр; 2 − рама; 3–поршень; 4− внутренняя рама; 5−вилочный захват; 6−подвижная рама; 7 − звездочка; 8 − грузовая каретка; 9 − цепь; 10 – шток; 11, 12 − передний и задний мосты Для надежного захвата груза основная рама подъемника может отклонять­ ся вперед от вертикальной плоскости на угол 3...4 о , а для обеспечения устой­ чивости в транспортном положении — на 12...15° назад, что осуществляется с помощью двух гидравлических цилиндров. Выдвижная рама перемещается по направляющим основной рамы гидравлическим цилиндром 1. Корпус гид­ роцилиндра опирается на нижнюю поперечину основной рамы, а поршень 3 и шток 10 шарнирно связаны с верхней балкой выдвижной рамы 6. Одновре­ менно по направляющим рамы перемещается грузовая каретка с помощью обратного цепного полиспаста. Последний образован двумя пластинчатыми цепями 9, перекинутыми через звездочки 7, установленными на верхней бал­ ке подвижной рамы 6. Концы цепей закреплены на основной раме и на грузо­ вой каретке. Благодаря этому грузовая каретка движется с удвоенной скоро­ стью и проходит путь в два раза больший, чем ход выдвижения штока гидро­ цилиндра. Поступательное движение штоков гидроцилиндров рабочего оборудова­ ния вилочного автопогрузчика создается давлением жидкости насосов, при­ водимых во вращение двигателем автопогрузчика. Для уменьшения усилий управления в систему управляемых колес подключен специальный гидроуси­ литель рулевого управления. Для привода гидроусилителя рулевого управле­ ния установлен насос. Управление гидроусилителем сблокировано с рулевой колонкой и осуществляется автоматически. Вилочные погрузчики выпускаются грузоподъемностью 3...5 т с высотой подъема груза до 6 м и скоростью перемещения с грузом до 20 и без груза до 40 км/ч. Автопогрузчики оборудуются различными съемными видами рабо­ чего оборудования — грейфером (охватом) для бревен, ковшом для сыпучих 136 грузов, крановой стрелой и другими приспособлениями, расширяющими об­ ласть их применения. Так, для работы с длинномерными грузами, с которыми обычный погрузчик не приспособлен работать, применяют автопогрузчики с боковым расположением грузоподъемника. Грузоподъемник поворачивается относительно продольной оси, а длинномерный груз вилочным захватом ук­ ладывается на боковые кронштейны вдоль машины и в таком положении транспортируется в узких проходах складов. Многоковшовые погрузчики. Они относятся к машинам непрерывного действия. Их применяют для погрузки в транспортные средства сыпучих и мелкокусковых материалов (песка, гравия, щебня, шлака, сколотого льда и снега), а также для засыпки траншей грунтом. Многоковшовые погрузчики монтируют на самоходном гусеничном или пневмоколесном шасси, в конст­ рукции которого используются детали и узлы тракторов и автомобилей. По конструкции рабочего органа различают погрузчики шнекоковшовые, роторные, дисковые и с подгребающими лапами. Шнекоковшовый рабочий орган имеет шнековый питатель и ковшовый элеватор для подачи материала на ленточный конвейер. Роторные погрузчики разрабатывают материал ша­ ровыми или ковшовыми фрезами. В дисковых погрузчиках материал подается двумя дисками, вращающимися во встречном направлении. Подгребающие лапы подают материал на конвейер благодаря специальной кинематике дви­ жения. Главным параметром многоковшовых погрузчиков является произво­ дительность. Их выпускают производительностью 40, 80, 160, 250 м3/ч с вы­ сотой погрузки 2,4...4,2 м. Многоковшовый погрузчик с шнекоковшовым органом (рис. 2.30) состоит из следующих основных узлов: пневмоколесного шасси 1 с обеими ведущими осями, наклонного ковшового конвейера 3 с винтовым (шнековым) питателем 4, ленточного поворотного в плане и в вертикальной плоскости конвейера 2. Для лучшей подачи материала к питателю на раме ковшового конвейера ус­ тановлен отвал 5. Ковшовый конвейер устанавливается в рабочее и транс­ портное положения с помощью двух гидроцилиндров 6. При поступательном движении погрузчика материал винтовым питателем подается в непрерывно вращающийся ковшовый конвейер и далее через приемное устройство и лен­ точный конвейер в транспорт. Поворотные движения ленточного конвейера позволяют изменять высоту загрузки, а также загружать подвижной состав по обе стороны от продольной оси погрузчика. 137 Рис. 2.30. Многоковшовый погрузчик со шнекоковшовым рабочим органом: 1−пневмоколесный шассии; 2, 3 − конвейеры; 4 – питатель; 5 – отвал; 6 − гидроцилиндр Поступательная скорость погрузчика выбирается в зависимости от высо­ ты штабеля материала и производительности. Все основные механизмы, кро­ ме привода ковшового конвейера, приводятся в действие с помощью гидро­ цилиндров двустороннего действия, работающих от средств для строитель­ ных грузов. Контрольные вопросы по второй главе. 1. Охарактеризуйте основные типы транспорт­ ных средств для строительных грузов?. 2. Начертите схему силовой передачи с колесной формулой 4х2 ?. 3. Объясните принцип действия дифференциала ?. 4. Какие силы дейст­ вуют при движении транспортного средства ?. 5. Как определяют аэродинамическую силу, действующую на транспортное средство ?. 6. Начертите скоростные характеристики дви­ гателей: карбюраторного и дизельного ?. 7. Запишите условия, необходимые для движения автомобиля и трактора ?. 8. Как определяют тяговый диапазон трактора ?. 9. Как осущест­ вляется поворот одноосного тягача ?. 10. Приведите схемы ленточных, ковшовых, винто­ вых конвейеров и напишите формулы производительности каждого из них ?. 11. Как опре­ деляют силу натяжения гибкого тягового элемента конвейера ?. 12. Назовите область при­ менения в строительстве и принцип действия оборудования для пневматического транс­ портирования ?. 13. Что является основным видом рабочего оборудования автопогрузчи­ ков ?. 14. По конструкции рабочего органа различают следующие погрузчики ?. 15. Назна­ чение, устройство и рабочий процесс одно­ и многоковшовых погрузчиков ?. 3. ГРУЗОПОДЪЕМНЫЕ МАШИНЫ 3.1. Назначение и классификация В строительстве грузоподъемные машины используют для перемещения строительных материалов, монтажа строительных конструкций, погрузоч­ 138 но­разгрузочных операций на складах строительных материалов, монтажа и обслуживания технологического оборудования в процессе его эксплуатации. По характеру работы – это машины цикличного действия. Главным па­ раметром грузоподъемных машин является грузоподъемность, под которой понимают наибольшую допустимую массу груза, включая массу съемного грузозахватного приспособления, на подъем которой она рассчитана. Грузо­ подъемность выражают в единицах массы (кг, т). В отличие от массы сила тяжести груза (вес тела) зависит от ускорения свободного падения и выража­ ется в единицах силы (Н, кН). Кроме того, грузоподъемные машины характе­ ризуются зоной обслуживания, определяемой пролетом или вылетом груза, высотой подъема груза, скоростями рабочих движений, массой, показателями потребляемой мощности и опорными нагрузками. Грузоподъемность некоторых грузоподъемных машин, например, стре­ ловых кранов, изменяется в зависимости от вылета. Вылетом называется рас­ стояние от оси вращения поворотной части крана до оси грузоподъемного ор­ гана. Поэтому такие краны характеризуют грузовым моментом (кН∙м), т. е. произведением силы тяжести груза на вылет груза, которое является, пример­ но, постоянным. По назначению грузоподъемные машины делят на следующие группы: вспомогательные, строительные подъемники, строительные краны, специаль­ ные краны трубоукладчики. Вспомогательные грузоподъемные машины. К ним относятся домкраты, строительные лебедки, подвесные лебедки (тали и электротали). Они состоят преимущественно из одного механизма и осуществляют вертикальное (домкраты, строительные лебедки, тали) или горизонтальное (тягальные 138 лебедки) по рельсовым путям или направляющим перемещение грузов. В них используется ручной и механический приводы. Строительные краны. Это наиболее сложные и универсальные грузоподъемные машины для перемещения штучных грузов, строительных конструкций и технологического оборудования по пространственной траектории различной протяженности и конфигурации. Они различны по конструктивному исполнению, изготовляются в виде консольных (стреловых) или пролетных конструкций, стационарными или передвижными и соответственно различными зонами обслуживания. К консольным кранам относятся стационарные мачтовые и мачтовостреловые краны, башенные, стреловые самоходные краны и специальные краны-трубоукладчики; к пролетным – мостовые, козловые и кабельные краны. Стационарные стреловые краны перемещают грузы в пределах круга или сектора, охватываемого стрелой. Башенные стреловые поворотные краны передвигаются по рельсовым путям и перемещают груз в пределах прямоугольника, длина которого равна длине путей, а ширина — двойному вылету крана. Наличие башни позволяет поднимать и монтировать крупнообъемные конструкции. Стреловые самоходные краны (автомобильные, пневмоколесные, гусеничные, на специальных шасси автомобильного типа, тракторные) перемещаются по земле и обслуживают площадь любой конфигурации. Пролетные козловые и мостовые краны передвигаются по специальным подкрановым путям и обслуживают зону в виде прямоугольника. Кабельные краны перемещают грузы вдоль каната, натянутого между опорами. В зависимости от подвижности опор зона их обслуживания – линия, сектор или прямоугольник. На металлических конструкциях кранов устанавливают несколько крановых механизмов. Типовыми крановыми механизмами являются: механизм подъема груза, включающий грузовую лебедку, полиспаст и грузозахватный орган; механизм передвижения крана или какой-либо его части; механизм вращения поворотной части; механизм изменения вылета. Для привода механизмов кранов применяют двигатели внутреннего сгорания, гидравлические, электрические двигатели переменного и постоянного тока. Для всех крановых механизмов характерен повторно-кратковременный режим работы (чередование работы и пауз), характеризуемый относительной продолжительностью включения (ПВ). Под ПВ понимают отношение суммарного времени работы механизма в заданный период (%) к продолжительности этого периода, принимаемого для механизмов равным 1 ч. Правилами Госгортехнадзора для грузоподъемных кранов установлены легкий, средний и тяжелый режимы работы, для которых ПВ составляет соответственно 15, 25 и 40 %. При оценке режима работы механизмов кранов учитывают также интенсивность использования их во время эксплуатации (по числу циклов за срок службы), использование грузоподъемности и другие факторы. Так, к легкому режиму (классу) нагружения относят постоянную работу крана с грузом меньше номинального, 139 к весьма тяжелому режиму — постоянную работу с грузом, близким к номинальному. Домкраты. В строительстве домкраты используют при монтажных и ремонтных работах для подъема груза на небольшую высоту, воздействуя на груз снизу. Наиболее распространены реечные, винтовые и гидравлические домкраты. Реечный домкрат. Он состоит из корпуса 1 (рис. 3.1), в котором по направляющим перемещается рейка 2, имеющая поворотную головку 3 и лапу 4. Рейка с грузом поднимается или опускается вращением рукоятки 5 через зубчатые передачи 6. Для безопасной работы домкрат оборудован грузоупорным тормозом, который действует следующим образом. Вал 7 и зубчатое колесо 8 имеют винтовую нарезку. Между торцовыми поверхностями втулки и рукоятки расположено храповое колесо 9 с собачкой. При подъеме груза рукоятка перемещается по резьбе влево, заклинивает храповое колесо и через зубчатую передачу выдвигает рейку вверх, поднимая груз. По окончании подъема груза вал рукоятки фиксируется собачкой храпового колеса, препятствующей вращению вала в обратную сторону. Рис. 3.1. Реечный домкрат: а) – общий вид; 1– корпус; 2– рейка; 3– головка; 4– лапа; 5– рукоятка; б) – грузоупорный тормоз При опускании груза рукоятка вращается в обратную сторону и одновременно перемещается по резьбе вправо, освобождая храповое колесо. Под действием момента от силы тяжести груза через зубчатую передачу втулка зубчатого колеса ввинчивается в рукоятку, зажимает храповое колесо и препятствует свободному падению груза. Процесс опускания груза состоит из чередующихся падений и остановок. В отрегулированном тормозе (минимальном зазоре между храповиком и рукояткой) неравномерность опускания груза практически не ощущается. Усилие F на рукоятке при подъеме груза Q (Н) определяется из уравнения моментов относительно оси шестерни, связанной с рейкой: F  Qd o /(2 Ru ) (3.1) где d o – диаметр начальной окружности шестерни, м; R – длина рукоятки, м; 140 и – общее передаточное число зубчатой передачи;  = 0,65...0,85 – КПД передачи. При ручном приводе и кратковременной работе усилие на рукоятке допускается не более 200 Н, а при непрерывной – не более 80 Н. Грузоподъемность реечных домкратов − до 6 т, высота подъема – до 0,6 м. Винтовой домкрат. Он состоит из корпуса 1 (рис. 3.2) с бронзовой гайкой 8, винта 2 с прямоугольной или трапецеидальной резьбой, грузовой головки 3 и рукоятки 6 с трещоткой. Рукоятка свободно надета на круглую часть винта. Трещотка представляет собой колесо с зубьями, надетое на квадратную часть винта, и собачку 7. В зависимости от направления винта собачку поворачивают на оси 5 в одно из крайних положений, где собачка удерживается стопором 9 с пружиной 10. Винтовые домкраты не требуют дополнительных устройств для удержания груза, так как винтовая пара (винт–гайка) – самотормозящаяся. В самотормозящихся передачах угол подъема винтовой линии  меньше угла трения (обычно 4...6°). Это одновременно является и недостатком таких передач, так как у них КПД всегда меньше 0,5. Рис. 3.2. Винтовой домкрат: 1– корпус; 2– винт; 3– грузовая головка; 4– трещотка; 5–ось; 6– рукоятка; 7– собачка; 8– гайка; 9– стопор; 10– пружина Грузоподъемность винтовых домкратов – до 50 т, высота подъема до 0,35 м. При грузоподъемности более 20 т усилие на рукоятке становится значительным и поэтому рукоятка с трещоткой заменяется червячной передачей, а ручной привод − машинным. Усилие F (Н) на рукоятке при ручном вращении винта, нагруженного силой Q (Н) при среднем радиусе винта r , длине рукоятки R и КПД домкрата  определяется из выражения F  Qrtg (   ) /( R ) . (3.2) Гидравлический домкрат. Домкрат (рис. 3.3) состоит из цилиндра 6, являющегося одновременно его корпусом, поршня 5, насоса 1, всасывающего 3, нагнетательного 4 и спускного 7 клапанов. При ручном приводе насос и бак 2 с жидкостью объединены с корпусом домкрата. Рабочей жидкостью служит 141 минеральное масло или незамерзающая смесь (вода, смешанная со спиртом или глицерином). Рукояткой 8 плунжеру насоса сообщается возвратно-поступательное движение. Рис. 3.3. Гидравлический домкрат: а ) − с ручным приводом; 1− насос; 2 −жидкость; 3,4, 7 − всасывающий, нагнетательный и спусковой клапаны; 5 − поршень; 6− цилиндр; 8 − рукоятка; б) − тянущий для натяжения стержней: 9− гайка; 10 −шток; 11 − цилиндр; 12 − поршень; 13 − стойка; 14 − упорная плита При движении плунжера вправо цилиндр насоса через всасывающий клапан заполняется жидкостью, а при движении влево жидкость под давлением через нагнетательный клапан поступает под поршень основного цилиндра. Усилие на рукоятке ( Р ), необходимое для подъема груза (Н) (рис. 3.3, а), P  Qd 2 l1 /( D 2 l 2 ) . (3.3) Из формулы следует, что выигрыш в силе пропорционален соотношению квадратов диаметров поршней и плеч рукоятки. Гидравлические домкраты с ручным приводом имеют грузоподъемность до 200 т и высоту подъема до 0,18...0,2 м. При машинном приводе жидкость в цилиндр домкрата подается от отдельного гидравлического насоса, а грузоподъемность одиночного домкрата может достигать 500 т. При машинном приводе несколько домкратов могут быть приведены в действие от одной насосной станции и осуществлять подъем крупных сооружений. Для натяжения стержней или канатов при монтаже предварительно напряженных конструкций применяют тянущие домкраты (рис. 3.3, б). Такой домкрат состоит из цилиндра 11, штока 10 с поршнем 12, стойки 13 и упорной плиты 14. На конце штока имеется гайка 9 для соединения его со стержнем. Домкрат закрепляют в стойке, служащей упором. При подаче масла в домкрат шток вместе с поршнем перемещается, производя натяжение стержня. Тянущие домкраты развивают усилия 630 и 1000 кН при ходе штока 315 и 400 мм и работают от насосной станции с рабочим давлением 40 МПа. Строительные лебедки. Строительные лебедки используют при монтаже строительных конструкций и оборудования, для перемещения тяжелых грузов на строительных площадках, а также в качестве механизмов кранов, 142 подъемников, копровых установок и других строительных машин. Лебедки классифицируют: по назначению – на подъемные (для подъема грузов) и тяговые (для горизонтального перемещения грузов); по виду привода — на приводные и ручные; по числу барабанов — на одно-, двухбарабанные и без барабана (с канатоведущим шкивом, рычажные). Барабанные лебедки с ручным приводом. Их изготовляют с тяговым усилием на первой скорости 5...80 кН, канатоемкостью барабана 50...200 м. Кинематическая схема монтажной барабанной лебедки с ручным приводом дана на рис. 3.4, а. Лебедка состоит из барабана 1, открытых зубчатых передач 3, дискового грузоупорного тормоза 4, смонтированных на параллельных валах, опирающихся на подшипники, закрепленных в боковинах станины 2. Подъем и опускание груза осуществляются вращением рукояток 6. Для увеличения скорости подъема легких грузов служит зубчатый перебор 5, изменяющий передаточное число зубчатой передачи. Безопасность работы обеспечивается дисковым грузоупорным тормозом. Ручные лебедки рассчитываются на работу одного, двух, четырех человек одновременно. При кратковременной (до 5 мин) работе усилие одного рабочего на рукоять длиной 400 мм принимается до 200 Н, а коэффициент одновременности действия двух человек – 0,8, четырех – 0,7. Зависимость между моментом на барабане Т б и моментом, созданным на рукоятке Т р= F l при КПД механизма  и передаточном числе и, определяется уравнением Т б= Т рu . Приводные лебедки. По кинематической связи двигателя с барабаном приводные лебедки разделяются на электрореверсивные (3.4,б) и фрикционные, (3.4, в). В фрикционных лебедках (рис.3.4, в) возможна работа нескольких барабанов от одного двигателя, включаемых поочередно с помощью фрикционных муфт 14. Рис. 3.4. Кинематические схемы строительных лебедок: а) –монтажной с ручным приводом; 1- барабан; 2-станина; 3,5- зубчатая передача; 4- тормоз; 6-рукоятка; б)- электрореверсивной: 7– двигатель; 8– муфта; 9– тормоз; 10– редуктор; 11- барабан; в) – фрикционной двух барабанной: 12– храповой механизм; 13– муфта; 14 – зубчатая передача 143 Такое чередование включения барабанов в фрикционных лебедках возможна работа нескольких барабанов необходимо, например, в канатноскреперных установках для придания скреперному ковшу возвратнопоступательного движения: при наборе ковша один из барабанов включен, а другой свободно вращается и стравливает намотанный на него канат; при возвратном движении ковша включается второй и свободно вращается первый. При использовании лебедки в качестве грузоподъемного механизма нереверсируемый двигатель используется только для подъема (перемещения) груза. Опускание груза осуществляется под действием силы тяжести при отсоединении барабана от трансмиссии. Скорость опускания регулируется обычно ленточными спускными постоянно замкнутыми тормозами 13. Для предупреждения случайного опускания груза лебедки снабжаются храповыми устройствами 12, связанными с барабанами и управляемыми рукоятками. В электрореверсивных лебедках связь между двигателем и барабаном неразмыкаемая жесткая, в фрикционных она осуществляется с помощью фрикционной муфты. Электрореверсивная лебедка. Она состоит из электродвигателя 7, упругой муфты 8, тормоза 9, зубчатого редуктора 10, барабана 11 и пусковой аппаратуры, установленных на сварной раме. При работе лебедки закрепляются на фундаменте. Тяговые усилия наиболее часто применяемых однобарабанных электрореверсивных лебедок составляют 3,2...125 кН при скорости каната 0,5...0,1 м/с и канатоемкости 80...800 м. В комбинации с полиспастами их используют для подъема различных по массе грузов при выполнении строительно-монтажных работ. Электрореверсивными лебедками комплектуются строительные подъемники, краны и другие машины. Общий вид грузовой лебедки козлового крана представлен на рис. 3.5. В качестве двигателей в лебедках применяют асинхронные крановые двигатели с фазным ротором, управляемые с помощью командоконтроллеров или двигатели повышенного скольжения типа АОС с магнитными пускателями. Лебедки оборудуются двухколодочными постоянно замкнутыми стопорными тормозами. Тормозным шкивом служит половина упругой муфты, закрепленной на валу редуктора. Растормаживание тормозов осуществляется короткоходовыми электромагнитами или электрогидротолкателями, включаемыми одновременно с включением электродвигателя. Спуск груза осуществляется принудительным реверсированием двигателя. При этом скорость опускания несколько выше скорости подъема груза. Для ускорения монтажных операций, особенно с легкими грузами, на лебедках применяют двухколодочные тормозы с дополнительной растормаживающей педалью (рис. 3. 6). При нажатии на педаль 1 происходит поднятие тормозного груза 2 или сжатие тормозной пружины, и груз опускается под действием собственной массы. Основными параметрами электрореверсивной лебедки, определяющими грузоподъемность, высоту и скорость подъема груза, мощность двигателя, надежность тормозного 144 устройства, усилие в канате наматываемом на барабан Sб, скорость наматывания каната  к и канатоемкость барабана L. Рис. 3.5. Грузовая лебедка козлового крана: а) − общий вид; б) − кинематическая схема; I − редуктор; 1 − тормоз; 3 − муфта; двигатель; 5 − барабан Эти параметры с учетом сведений, изложенных в гл. 1, связаны между собой следующими зависимостями. Натяжение Sб(Н) в зависимости от типа подвески (одиночная, сдвоенная), кратности полиспаста uпол и КПД полиспаста  пол определяется по формуле S б  (Q  q ) g /(u пол пол ) , (3.4) где Q – масса груза, кг; q – масса грузозахватного устройства, кг. Рис. 3.6. Схема двухколодочного тормоза с растормаживающей педалью: 1− педаль; 2− тормозной груз Стальной проволочный канат (для механизмов подъема – канаты крестовой по Гостехнадзору n = 5,0; 5,5; 6,0 соответственно для легкого, среднего и 145 тяжелого режимов работы. Минимально допустимый диаметр барабана для легкого, среднего и тяжелого режимов работы выбирают по диаметру каната dк из соотношения Dб = (е − 1)dк, где å  коэффициент, учитывающий тип грузоподъемной машины и режим работы ( å  16...25) . Длина каната, наматываемая на барабан, зависит от высоты подъема груза Н и кратности полиспаста u пол . Кроме того, для ослабления натяжения каната в месте его крепления на барабане оставляют свободными полтора—два витка каната. Тогда длина каната (м) L  H u пол  (1,5...2,0) ( Dб  d к ) . (3.5) Канат может навиваться на барабан в один или несколько слоев. Рабочая длина барабанов (м): при однослойной навивке (нарезном барабане) lб  Lt /[ ( Dб  d к )] , (3.6) где t = dк (2...3) мм – шаг навивки; при многослойной навивке l б  ld к /[m( Dб  md к )] , (3.7) где т – число слоев навивки; Dб  md к – средний диаметр навивки. Скорость наматывания каната, навиваемого на барабан (м/с), при скорости подъема груза  r определится как  к   r u пол . Мощность двигателя (кВт) Р  S б к /(1000 леб ) , (3.8) где  леб = б ред – КПД лебедки, определяемый произведением КПД барабана и редуктора. По полученному значению мощности подбирают крановый электродвигатель с продолжительностью включения (ПВ), соответствующей режиму работы механизма. Редуктор подбирают по передаточному числу, режиму работы, синхронной скорости вращения и мощности двигателя. Передаточное число редуктора u ред  nдв / nб , где n дв – частота вращения двигателя, мин-1, nб  60 к /(Dср ) – частота вращения барабана. Межосевое расстояние между входным и выходным валами редуктора должно быть достаточным для размещения двигателя и барабана. Тормоз выбирают по тормозному моменту (Н∙м) на приводном валу с учетом коэффициента запаса торможения kT , равного 1,5; 1,75; 2,0 соответственно для легкого, среднего и тяжелого режимов работы подъемного механизма M T  kT M б ред / u ред . (3.9) Работа тормоза будет долговечной, если удельное давление р (МПа) фрикционных обкладок на тормозной шкив меньше допустимого р  Р / A ≤  р , (3.10) где Р  М Т /( fDш ) – нормальное давление между колодкой и шкивом, Н; 146 f = 0,35...0,45 – коэффициент трения для вальцованных асбестовых лент по стальному шкиву; А  Dш Bш   / 360 – площадь (м2) фрикционной обкладки; Dш , Вш – диаметр и ширина тормозного шкива, м;  =70° – угол обхвата шкива колодкой тормоза. Допустимое удельное давление для стопорных колодочных тормозов не должно превышать 0,6...0,7 МПа. Подвесные лебедки (тали и электротали). Подвесные лебедки, или тали, предназначены для подъема (опускания) и перемещения груза в горизонтальном направлении. В зависимости от привода разделяются на ручные и с электрическим приводом. Ручные тали. Ручные тали подвешивают к потолочным балкам, треногам или другим устройствам с помощью крюка 5. Грузоподъемность ручных талей 0,5...5 т, высота подъема до 3 м. Тяговым органом в ручных талях (рис. 3.7) является грузовая пластинчатая или овально-звеньевая цепь 1, охватывающая звездочку 3, жестко связанную с червячным колесом 4 червячного редуктора. Для увеличения КПД червячного зацепления применяют червячную двухзаходную передачу, не являющуюся самотормозящей, поэтому на валу червяка 7 устанавливают дисковый или Рис.3.7.Ручная червячная таль: конический грузоупорный тормоз 2. 1, 8– цепь;2– тормоз;3–звездочка; Вращение червяка осуществляется цепным 4– червячный редуктор; 5– крюк колесом 6 с помощью цепи 8. Грузоподъемность; 6– цепное колесо; 7– червяк тали Q (т) при усилии, прилагаемом к цепи F (Н), передаточном числе передачи и, КПД передачи  , радиусах цепной звездочки r и цепного колеса R, определяется по формуле Q  2 FuR /(103 gr ) . Таль с электрическим приводом. Такая таль (рис. 3.8, а) представляет собой компактную подвесную электрическую лебедку, которая кроме механизма подъема груза 2 с крюковой подвеской имеет самостоятельный механизм передвижения 1 от отдельного электродвигателя. Электротали перемещаются по монорельсовым путям прямолинейного или замкнутого контура. Управление электроталями осуществляется с пола с помощью кнопочного пульта, подвешенного на гибком кабеле. Механизм подъема электротали (рис.3.8, б) состоит из корпуса 9, в котором размещены асинхронный короткозамкнутый крановый электродвигатель, встроенный в барабан 10, редуктор 7, дисковый электромагнитный тормоз 4 и крюковой подвески 8 с 147 ограничителями высоты подъема груза. Корпус подвешен к ходовым тележкам. Опускание груза осуществляется реверсированием электродвигателя. Рис.3.8. Электроталь: а) общий вид: 1– механизм передвижения; 2– механизм подъема груза; б) кинематическая схема: 3– вал; 4– электромагнитный тормоз; 5– пружина; 6– электромагнит; 7– редуктор; 8– крюкавая подвеска; 9– корпус редуктора; 10– барабан; 11– двигатель Дисковый электромагнитный тормоз действует автоматически. При включении электродвигателя электромагниты 6, включенные в его цепь, разъединяют диски, и вал 3 вращается свободно. При отключении электродвигателя катушки электромагнитов и диски тормоза сжимаются пружинами 5, фиксируя груз. Механизм передвижения (на схеме не показан) состоит из приводной и неприводной тележек, объединенных общей траверсой. Цилиндрические катки направляют движение ходовой тележки вдоль ездовой балки, а скобы – подхваты предотвращают падение тележки в случае поломки осей у катков. Приводная тележка состоит из двух конических катков, редуктора и электродвигателя. Электротали имеют грузоподъемность 0,25...5 т, скорость подъема груза 8 м/мин, скорость передвижения 20 м/мин и высоту подъема до 6 м. Изготовляются также электротали грузоподъемностью 10 т с высотой подъема груза до 20 м. Электротали используют для обслуживания складских, производственных помещений и монтажных площадок. Их применяют для комплектации комбинированных однобалочных козловых и полукозловых кранов. Иногда для получения большей грузоподъемности кран укомплектовывают двумя спаренными электроталями. Строительные подъемники. Строительные подъемники предназначены для подъема груза и людей на этажи зданий при отделочных и ремонтных работах. Грузы размещаются в ковшах, кабинах и на площадках, движущихся в жестких направляющих в вертикальном или близком к вертикальному направлениях. Строительные подъемники по назначению делятся на грузовые и грузопассажирские, а по конструкции направляющих — на мачтовые, шахтные и струнные. Грузовые мачтовые подъемники (рис. 3.9). Их устанавливают снаружи возводимого здания. Подъемник состоит из следующих основных сборочных единиц: опорной рамы 7, мачты 4 с направляющими блоками, каретки 6, грузовой 148 платформы 7, электрореверсивной лебедки 3 и электрооборудования 2. По направляющим мачты перемещается каретка с грузовой платформой. Канат барабана электрореверсивной лебедки огибает направляющие блоки 8 каретки и крепится к мачте, состоящей из отдельных, по мере возведения зда гния секций. При высоте мачты более 10 м ее крепят к стене здания опорами 5. Опорную раму оборудуют пневмати- ческими колесами; для перемещения подъемника вручную или в прицепе к тягачу. Подъемники устанавливают на основании так, чтобы грузовая платформа приходилась против оконных проемов, а длинная сторона ее располагалась вдоль стены здания или перпендикулярно ей. В первом случае на платформе можно поднимать Рис.3.9. Грузовой подъемник: а−схма длинномерные материалы. Современные подъемника; б− схема механизма подъе- подъемники с высотой подъема груза 17 м и ма в- выдвижная платформа: 1-рама; более выполняются с выдвижной площад4- каретка;3– лебедка; 5–опора; кой 10 с приводом 9 или другими устройс6–2-7,10– платформа; 8–блок; твами, обеспечивающими перемещение 9– пульт управления груза в оконный проем для удобства разгрузки и предотвращения травматизма. Подъемники оборудуются выключателями, отключающими двигатель лебедки по достижении платформой нужного уровня, а также автоматическими аварийными ловителями различных типов для остановки платформы при обрыве грузового каната. Путь свободного падения кабины до начала действия ловителей не должен превышать 250 мм. Путь замедления до полной остановки зависит от скорости и типа ловителей. У отдельных конструкций подъемников он не превышает 100 мм. Управление подъемниками производится только с одной площадки, пульты управления, расположенные на других уровнях, в это время отключаются. Грузовые мачтовые подъемники общего назначения могут поднимать и подавать в оконные и дверные проемы зданий высотой до 16 этажей грузы массой 0,3...0,5т. В практике строительства высотных зданий грузоподъемность специальных подъемников достигает до 1,6 т с высотой подъема до 200 м. Разновидностью мачтовых строительных подъемников являются бесканатные подъемники. Они выполняются в виде одно- или двухстоечной мачты, к направляющим которой прикреплены зубчатые рейки. С рейками находятся в постоянном зацеплении приводные шестерни механизма подъема, располагаемого на платформе. Реечный привод значительно облегчает наращивание мачты и направляющих подъемника. Грузопассажирские строительные подъемники. При строительстве высотных зданий для подъема грузов и людей применяют строительные грузопассажирские подъемники. Они могут обслуживать здания высотой до 30 этажей (110 м) при грузоподъемности 0,5...1,0 т. По конструкции грузопассажирские подъемники подобны лифтам, с той лишь разницей, что 149 кабина у них располагается сбоку мачты, а не внутри шахты как в лифтах. Грузопассажирский подъемник (рис. 3.10) состоит из мачты 1 с направляющими, блоков 4 на головке мачты, кабины 5, закрепленой на подвижной каретке, противовеса 2, основания с установленной на нем лебедкой Кабины подъемников оборудуются выдвижной площадкой и ограничителями, обеспечивающими безопасность при высадке людей и разгрузке материалов. Пульт управления кабиной и выдвижения площадки Рис. 3.10. Грузопассажирский располагают внутри кабины. Все строительные подъ- строительный подъемник: емники выполняются и эксплуатируются в соответствии с Правилами устройства и безопасной Рис.3.10: Подъемние: а−общий эксплуатации лифтов Гостехнадзора. Не довид; б−схема канатоведения: 1− пускается оголения проводов высокого напряжения. мачта; 2− противовес; 3, 4− Они оборудуются ловителями, приводимыми в шкивы; оборудуются ловителями, приводимыми в действие ограничителями скорости, концевыми выключателями и сигнализацией. Допуска в работу все подъемники подлежат к регистрации в органах технадзора и подвергаются техническому освидетельствованию, согласно установленному сроку проведения осмотра. 3.2. Мачтовые и мачтово-стреловые краны Мачтовые и мачтово-стреловые краны являются стационарными кранами, что ограничивает область их применения. Их используют главным образом для монтажа сборных конструкций и технологического оборудования крупных строительных объектов. Мачтовые краны. У мачтового крана поворотная мачта опирается на рамуфундамент и дополнительно прикрепляется к зданию или расчаливается вантами. На мачте устанавливается поворотная стрела — укосина. Для подъема груза используют имеющуюся в распоряжении лебедку, к которой в зависимости от требуемой грузоподъемности подбирают полиспаст. Мачтово-стреловые краны по виду крепления мачты делятся на вантовые и подкосные. Вантовые мачтово-стреловые краны. Такой кран (рис. 3.11) состоит из мачты 9, стрелы 8, грузового 6 и стрелового 3 полиспастов, опорной рамы 11, лебедок 14 и вант 2. 150 Рис.3.11. Вантовый мачтово-стреловой кран: а) – общий вид; б) – нижняя опора; в)−оголовок; г− график грузоподъемности: 1− неподвижная опора; 2− вант; 3,6,7− стреловой грузовой полиспасты; 4− гусек; 5- полиспаст; 8− стрела; 9− мачта; 10− поворотный круг; 11− опорная рама; 12, 13 – блоки; 14−лебедка; 15−шаровая пята Подносные мачтово-стреловые краны опираются на основание 1 (рис. 3.12). а) б) Рис. 3.12. Подкосный мачтово-стреловой кран а) и схема к расчету натяжений в вантах крана б): 1– опора; 2– балка; 3,4– подкосы; 5–соединения; 6,8– полиспасты; 7–стрела; 9–поворотный круг Стрела 7 удерживается в наклонном положении стрелоподъемным полиспастом 6 шарнирным соединением 5 с жесткой пространственной конструкцией, образованной мачтой 4, горизонтальными балками 2 и подкосами 3. 151 Мачта вместе со стрелой опирается на поворотный круг 9 и может поворачиваться относительно подкосов и горизонтальных балок на угол до 240°. Отсутствие вант у подкосных кранов позволяет делать стрелу в 1,5...2 раза длиннее мачты. Схема канатоведения грузового 8 и стрелоподъемного 6 полиспастов, конструкция опор, приводы механизма подъема груза, изменения вылета стрелы и вращения крана подобны описанным ранее. Подкосные мачтовостреловые краны изготовляются грузоподъемностью 5...20т с одинаковыми значениями ее на всех вылетах. Расчет натяжений в вантах (рис. 3.12, б). При действии на мачту натяжения стрелового полиспаста одна часть вант разгружается, провисание их увеличивается, другая часть вант дополнительно нагружается, в результате чего мачта наклоняется. Наклону мачты не препятствует шаровая опора. При большом числе вант задача является статически неопределимой. В приближенных расчетах предполагают, что вся нагрузка (Н) воспринимается одной вантой, находящейся в плоскости стрелы, ее определяют из суммы моментов относительно опоры (Ql  PR ) g  WH , (3.11) Sв  h cos  где Q – масса груза и крюковой подвески; Р – масса мачты и стрелы; W – ветровая нагрузка рабочего состояния на кран и груз; l – вылет груза; R и Н – координаты центра масс крана. В действительности мачта удерживается несколькими вантами с различным натяжением. Натяжение наиболее нагруженной ванты S = Sвk1, где k1 – коэффициент, зависящий от числа вант; его принимают при 4 вантах равным 1,0; при 6… 0,67; при 8…0,5; при 10−0,4; при 12…0,3. Стальные проволочные канаты для вант подбирают по разрывному усилию при запасе прочности не менее 3,5. 3.3. Башенные краны Башенный кран — это грузоподъемная машина со стрелой, закрепленной в верхней части вертикальной башни и выполняющая работу по перемещению и монтажу конструкций за счет сочетания рабочих движений: подъема и опускания груза, изменения вылета, передвижения самого крана по рельсам и поворота стрелы с грузом. Большая обслуживаемая рабочая зона, определяемая длиной подкрановых рельсовых путей и двойным вылетом груза, в сочетании с большим подстреловым пространством обусловили широкое использование башенных кранов как основной грузоподъемной машины для выполнения строительно-монтажных работ в гражданском, промышленном и энергетическом строительстве. Типы и параметры башенных кранов определяются их технологическим назначением. Параметры башенных кранов регламентируются стандартами. Главным параметром башенного крана является грузоподъемность, т.е. наибольшая масса груза на соответствующем 152 вылете. Поскольку грузоподъемность стреловых кранов переменна, ее характеризуют грузовым моментом. К основным параметрам относятся минимальный и максимальный вылеты, высота подъема и глубина опускания крюка, скорости рабочих движений, габариты, масса крана, показатели мощности и опорные нагрузки. В жилищном и гражданском строительстве применяют краны грузоподъемностью 3...10 т с вылетом до 25 м и высотой подъема крюка до 50 м. Краны для высотного строительства имеют грузоподъемность от 6,3 до 12,5 т, вылет до 45 м и высоту подъема крюка до 150 м. В промышленном строительстве, например, при сооружении корпусов главных зданий и монтаже технологического оборудования электростанций применяют специальные монтажные краны грузоподъемностью до 80 т с грузовым моментом до 15 000 кН∙м, вылетом 25...45 м, высотой подъема 50...80 м. Применительно к конкретным условиям строительства на основе базовых моделей изготовляются краны различных исполнений (с укороченными или удлиненными стрелами и башнями, краны-погрузчики, для работы в различных климатических условиях и др.). Каждая базовая модель крана или ее исполнение снабжается грузовысотной характеристикой, представляющей зависимость грузоподъемности от высоты подъема и вылета, используемой при выборе крана или его оборудования при эксплуатации. Башенные краны разделяются на передвижные по рельсовым путям, стационарные (приставные), прикрепленные к возводимому сооружению, и самоподъемные, устанавливаемые на каркасные конструкции зданий и перемещаемые по нему в вертикальном направлении. По способу изменения вылета крюка различают башенные краны с подъемной стрелой и краны с горизонтальной балочной стрелой. По типу башен башенные краны выпускают с поворотной и неповоротной башней. Базовые модели башенных кранов обозначаются буквами КБ (кран башенный) и цифрами (рис. 3.13). Рис. 3.13. Система индексации башенных кранов 153 Первая цифра указывает размерную группу по грузовому моменту, две вторые — порядковый номер базовой модели, имеющей поворотную или неповоротную башню, четвертая — номер исполнения, отличающийся от базовой модели, например длиной стрелы, высотой подъема, величиной максимальной грузоподъемности. После цифр может указываться обозначение очередной модернизации (А, Б, В) и климатическое исполнение для холодного, тропического и тропического влажного климата (ХЛ, Т, ТВ). Большинство моделей башенных кранов выполняется по единой конструктивной схеме с максимальным использованием унифицированных узлов и механизмов, а также устройствами для плавного пуска и торможения механизмов и посадки грузов с малой скоростью. В последние годы получило развитие наиболее прогрессивное направление производства башенных кранов – модульная система, включающая проектирование, изготовление и эксплуатацию кранов. Сущность модульной системы состоит в создании семейства башенных кранов разнообразных исполнений на базе узкого ряда базовых унифицированных узлов – модулей (как механизмов, так и металлоконструкций). Модульная система способствует снижению затрат на проектирование, развитию специализации производства и, как следствие, снижению себестоимости изготовления и повышению надежности модулей, уменьшению эксплуатационных расходов на техническое обслуживание и ремонт. Наибольшее применение в строительстве получили башенные краны с поворотной башней (платформой). По сравнению с кранами с неповоротной башней они имеют меньшую массу, так как расположение механизмов и балласта в нижней части крана понижает положение его центра тяжести и точки приложения равнодействующей ветровой нагрузки. Кроме того, они отличаются малыми сроками монтажа и демонтажа, удобством транспортирования и технического обслуживания. Башенные краны с поворотной башней. Башня крана 2 (рис. 3.14) крепится к поворотной платформе 4, которая через опорно-поворотное устройство 6 опирается на ходовую часть 5. На поворотной платформе размещаются: противовес 7, грузовая 8, стреловая 9 лебедки и механизм вращения поворотной платформы 3. Стрела 1 крепится шарнирно к башне и удерживается канатными тягами 12, которые через направляющие блоки соединены с подвижной обоймой стрелового полиспаста 10. Подъем и опускание груза выполняются грузовым полиспастом 13 с помощью грузовой лебедки и крюковой подвески. Управление краном ведется из кабины 11. В башенных кранах для механизма подъема груза в зависимости от грузоподъемности применяют одиночные и сдвоенные полиспасты двух, трех, четырех и большей кратности. Крюковые подвески состоят из грузового крюка, траверсы, двух боковых щек, осей с установленными на них блоками. 154 Рис.3.14. Башенный кран с поворотной башней: а)− схема крана с подъемной стрелой; б)− схема запасовки грузового каната подъема стрелы; в) − то же, при двухкратном полиспасте; г) − схема крана с горизонтальной и наклонной с переломом балочной стрелой; д) − схема запасовки тягового каната при горизонтальной стреле; е) то же, грузового каната; ж) − то же, при наклонной с переломом балочной стреле; 1−стрела; 2− башня; 3−механизм вращения; 4− поворотная платформа; 5− ходовая часть; 6− опорно-поворотное устройство; 7− противовес; 9,10 − стреловая лебедка и полиспаст; 11− кабина; 12− тяга; 13− полиспаст; 14−электрореверсивная лебедка; 15−блоки Грузовой крюк крепится в траверсе на упорном подшипнике, благодаря чему он может свободно поворачиваться и предохранять грузовой канат от закручивания. Число блоков в подвеске определяется кратностью полиспаста, а также необходимостью изменения ее для повышения грузоподъемности крана без увеличения мощности грузовой лебедки. В некоторых конструкциях кранов с большой высотой подъема груза применяют подвески с разнесенными блоками (см. ниже рис. 3.14, поз. 15) для предотвращения каната от закручивания. Изменение вылета груза осуществляется наклоном стрелы (рис. 3.14, а) или перемещением каретки с грузом вдоль горизонтальной стрелы (рис. 3.14, б). При оборудовании крана горизонтальной балочной стрелой грузовая каретка перемещается вдоль стрелы с помощью тяговой электрореверсивной лебедки 14, расположенной на стреле или на поворотной платформе. Тяговый канат навивается на барабан лебедки, а свободных его конца огибают направляющие блоки и крепятся с разных сторон к каретке 15 (рис. 3.14, д). На каретке размещены блоки грузового каната. При перемещении каретки блоки обкатываются по грузовому канату и груз, не изменяя положения по высоте, 155 перемещается вдоль стрелы (рис. 3.14, е). При необходимости изменения вылета груза наклоном стрелы грузовая каретка фиксируется на стреле. Высота подъема груза при горизонтальной стреле ниже, чем при наклонной. Однако горизонтальное перемещение груза вдоль стрелы требует меньшей энергии, чем перемещение этого груза подъемом всей стрелы и одновременно упрощает операции по наводке монтажного элемента на место монтажа. У кранов с наклонной стрелой при изменении вылета груз одновременно изменяет свое полоение и по высоте. Для устранения этого недостатка неоходимо обеспечить горизонтально перемещение груза при изменении вы лета стрелы. На рис. 3.14, б, в представлена схема канатоведения грузового каната при четырех- и двухкратном полиспасте. Один конец грузового каната закреплен на грузовом барабане, а второй − на стреловом барабане меньшего диаметра в обратном по отношению к стреловому направлении. При изменении вылета крюка грузовой канат будет сматываться (или наматываться) со стрелового барабана при неизменном по высоте положении крюка. Балочная стрела с грузовой кареткой может быть установлена и в наклонном с переломом в 30° положении. При этом грузовая каретка по приведенной на рис. 3.14, ж схеме может перемещаться по наклонной стреле при сохранении горизонтального хода груза и увеличенной высоте его подъема. Однако изготовление кранов с нижним расположением опорно поворотного устройства, у которых вращается весь кран, кроме его ходовой части, при большой грузоподъемности с большой высотой подъема груза приводит к значительному увеличению всей массы крана. Поэтому башенные краны грузоподъемностью более 10 т изготовляются с неповоротной башней и вращающейся только верхней частью крана. Кран с неповоротной башней и горизонтальной стрелой (рис. 3.15). Башня крана 1 через опорную часть − раму 2 или портал − установлена на ходовые тележки 3, которые перемещают кран по рельсовому пути. На опорной части расположен балласт 4, обеспечивающий устойчивость крана в рабочем и нерабочем состояниях. Поворотная головка 12 опирается на верхнюю секцию башни через опорно-поворотное устройство 6. Стрела 14 и противовесная консоль 7 шарнирно закреплены на поворотной головке и удерживаются растяжками 10. На противовесной консоли размещены грузовая лебедка 9, лебедка передвижения противовеса 11 и противовес 8, уравновешивающий верхнюю часть крана. По нижнему поясу стрелы перемещается грузовая каретка 15 с помощью тяговой лебедки 13, размещенной внутри корневой секции стрелы. Для подъема груза применяют двукратные (рис. 3.15, д) или четырехкратные (рис. 3.15, г) грузовые полиспасты, обеспечивающие различные грузовые характеристики. Запасовка канатов механизмов передвижения и грузовой каретки показана на рис. 3.15, б, в. Кран КБ-6742А с неподвижной башней имеет свыше десяти исполнений, отличающихся высотой башни, длиной стрелы и грузовой характеристикой, что обусловило его широкое применение 156 для механизации строительно-монтажных работ при возведении высотных жилых и административных зданий, а также промышленных объектов. Рис. 3.15. Башенный кран с неповоротной башней: а) – схема крана; схемы запасовки канатов; б) – перемещения противовеса; в) – перемещения каретки; г) – подъема груза при четырехкратном полиспасте; д) – то же, при двукратном полиспасте; е) – график грузоподъемности; 1−башня; 2- рама; 3− ходовые тележки; 4− балласт; 5− монтажная стойка; 6− опорно-поворотное устройство; 7− противовесная консоль; 8− противовес; 9 − грузовая лебедка; 10 − растяжки; 11− лебедка передвижения противовеса; 12 − поворотная головка; 13 − тяговая лебедка; 14 − стрела; 15− грузовая каретка Приставные (стационарные) башенные краны (рис. 3.16). Их применяют при строительстве высотных сооружений (высотой 150 м и более). Они выполняются с поворотной головкой, горизонтальной стрелой и перемещающейся по ней грузовой кареткой. Приставные краны монтируют на фундаменте, который может быть специальным или являться частью фундамента здания. Увеличение высоты башни кранов осуществляется методом подращивания снизу или методом наращивания ее сверху промежуточными секциями, длина которых составляет 2,5…7 м. У приставных кранов и кранов с неповоротной башней, имеющих значительную высоту подъема крюка, наращивание ведется методом сверху. При наращивании башни две крайние верхние секции крепят к монтажной стойке 2 и расстыковывают между собой. Предварительно промежуточная секция 4 поднимается крюковой подвеской и навешивается на выдвижную раму 3. Монтажной лебедкой 7 верхняя часть крана с оголовком, стрелой и противовесной консолью перемещается вверх по направляющим стойки и в образовавшееся между расстыкованными секциями пространство ручной лебедкой заводится новая промежуточная секция. Башня крана крепится к зданию с помощью закладных рам 1, монтируемых между двумя секциями (рис.3.16, в). 157 Рис.3.16. Приставной (стационарный) кран: а) −схема крана; б) −схема запасовки каната; в) −крепление крана к зданию; г) − запасовка каната монтажного полиспаста; 1−закладная рама; 2− монтажная стойка; 3− выдвижная рама; 4− промежуточная секция; 5, 6− лебедка; 7− монтажная лебедка У башенных кранов, башня которых охвачена порталом (см. рис. 3.15), применяют метод подращивания секций башни снизу, при котором очередная промежуточная секция заводится снизу, пристыковывается к башне и с помощью монтажной лебедки выдвигается вверх. Метод подращивания проще, так как работы ведутся с земли, но требует более мощных лебедок для подъема башни. Рис. 3.17 . Специальный монтажный кран с грузовым моментом 10 000 кН∙м: а) − схема крана; б)− график грузоподъемности и высоты подъема крюка; L − высота подъема вспомогательного крюка; II−то же, основного крюка; III−грузоподъемность при четырехкратном полиспасте; IV −то же, при двукратном полиспасте; V− грузоподъемность вспомогательного крюка; 1− башня; 2− машинное отделение; 3− опорная диафрагма; 4− подпятник; 5− ходовая тележка; 6− портал; 7− противовес; 8− консоль; 9− полиспаст; 10−стрела; 11− удлинитель; 12,13 − полиспаст вспомогательного и главного подъема; 14− опорные катки Самоподъемные краны. Их изготовляют грузоподъемностью до 15 т с грузовым моментом до 3300 кН∙м. Вертикальное перемещение крана осуществляется следующим образом (рис. 3.18). 158 Рис. 3.18 . Схема перемещения самоподъемного крана: а )− исходное положение; б )− подъем обоймы; в) − подъем крана; 1− башня; 2 − подвижная обойма; 3,4 − упоры; 5− лебедка Башня крана 1 опирается на опорные балки с откидными упорами 3 и охвачена вертикально подвижной обоймой 2, также снабженной откидными упорами 4, но в другой плоскости. Специальной лебедкой 5 обойма снимается с упоров и поднимается на высоту двух этажей и вновь устанавливается на упоры. После этого башня и опорные балки снимаются со своих упоров, подтягиваются на высоту двух этажей и устанавливаются на каркас здания. Демонтаж крана ведется в обратной последовательности. При такой конструкции крана не требуется большая длина башни. Самоподъемные краны применяются на строительстве зданий с металлическим каркасом. При возведении крупных промышленных объектов — доменных печей, главных корпусов мартеновских цехов, тепловых, атомных и гидроэлектрических станций — используется блочный метод монтажа, при котором значительная часть работ ведется на площадках укрупнительной сборки. Это позволяет при монтаже металлических и сборных конструкций и оборудования перейти к схемам, близким к работе поточных линий. При блочном методе последовательно ведутся разгрузка и сортировка строительных конструкций, укрупнительная сборка их и установка блоков и оборудования в проектное положение. Для выполнения монтажных работ используются монтажные гусеничные, козловые, а также специальные монтажные башенные краны большой грузоподъемности. Специальные монтажные башенные краны. Такие краны изготовляются с грузовым моментом 10 000...15 000 кН∙м в нескольких исполнениях, в том числе для гидротехнического строительства. Краны располагают таким образом, чтобы они могли работать раздельно – каждый в своей зоне и 159 совместно – при установке наиболее тяжелых блоков и технологического оборудования. Схема башенного крана с грузовым моментом 10 000 кН∙м представлена на рис. 3.17. Конструкция крана существенно отличается исполнением металлоконструкций и механизмов. Поворотная часть крана опущена внутрь портала 6. Портал состоит из цилиндра, трех опорных ног и опорной диафрагмы 3. На опорной диафрагме портала установлены подпятник 4 и цевочное колесо механизма вращения. Башня крана 1 опирается на подпятник и на горизонтальные опорные катки 14, установленные в диафрагме секции башни, обкатывающиеся по кольцевому рельсу цилиндра. Портал опирается на ходовые тележки 5, каждая из которых передвигается по двухколейному рельсовому пути. Он служит также для размещения на нем балласта и пропуска под краном железнодорожного подвижного состава. Краны такого типа снабжаются стрелами 10 с удлинителями (гуськами) 11 и оборудуются механизмами с полиспастами главного 13 и вспомогательного подъема 12. Грузоподъемность вспомогательного подъема постоянна на всех вылетах. У большинства моделей кранов вылет изменяется наклоном стрелы с помощью стреловой лебедки и стрелового полиспаста 9. Для уравновешивания стрелы и груза кран снабжен противовесной консолью 8 и противовесом 7. Лебедки крана, пускорегулирующая аппаратура и пульт управления краном размещаются в машинном отделении 2, опоясывающем башню и вращающемся вместе с ней. Стреловые колесно-рельсовые краны (СКР). Отличительной особенностью СКР является наличие у них башеннострелового оборудования (шарнирносочлененных стрел) и специальных рельсовых путей, ширина колеи которых достигает 15 м. Эти краны имеют грузоподъемность 30...100 т при грузовом моменте 15 000....30 000 кН∙м. Большие значения вылетов (6,6...31 м) и высот подъема груза (30...145 м) достигаются при наибольшей грузоподъемности. Так, кран с грузовым моментом 30000 кН∙м способен поднять груз 100 т на высоту 107 м при вылете 30 м. Большая грузоподъемность при значительных вылетах и высоте подъема груза создает экономическую целесообразность применения таких кранов на новом строительстве или при реконструкции промышленных объектов и предприятий, например для монтажа конструкций угольных ГРЭС с блоками 800 и 1000 МВт, зданий котлоагрегатов и аппаратных отделений АЭС и др. Башенные краны имеют многодвигательный электропривод с питанием от внешней электросети напряжением 220/380 В через кабель и токоприемник. Всеми механизмами крана управляет машинист из кабины, в которой размещена аппаратура управления. Рабочие движения башенных кранов выполняются с помощью механизмов подъема груза, изменения вылета, поворота и передвижения. Для механизмов подъема груза и изменения вылета применены электрореверсивные лебедки (см. рис. 3.4, б; 3.5). Регулирование скорости подъема и опускания груза в электрореверсивных лебедках с 160 двигателями переменного тока возможно только в ограниченных пределах, определяемых жесткой внешней механической характеристикой крановых асинхронных двигателей. Вместе с тем развивающиеся тенденции в укрупнении монтажных элементов и ограничении допусков на их монтаж требуют от грузоподъемных машин плавной посадки строительных конструкций на место установки. С этой целью в электрореверсивных лебедках, используемых в кранах в качестве механизмов подъема грузов, применяют тормозные генераторы (вихревые тормоза), двигатели с частотным регулированием скорости на переменном токе или двигатели постоянного тока, позволяющие получить значительно большие пределы регулирования скоростей, повышать скорости подъема и опускания малых грузов и пустого крюка, осуществлять плавное регулирование скорости при подъеме и торможении груза. Электрореверсивная лебедка с тормозным генератором и характеристика тормозного генератора показаны на рис. 3.19. Рис. 3.19. Кинематическая схема электрореверсивной лебедки с тормозным генератором (а) и характеристика тормозного генератора (б) Тормозной генератор монтируется на противоположной от двигателя 3 стороне редуктора. Статор генератора 1 жестко закреплен на корпусе редуктора, а ротор 2 − с ротором электродвигателя и вращается вместе с ним. При вращении ротора генератора в постоянном магнитном поле неподвижного статора в нем создается в результате взаимодействия полей тормозной момент, пропорциональный скорости вращения ротора и регулируемому току возбуждения обмоток статора. При наложении характеристики генератора на внешнюю механическую характеристику двигателя получают совместные характеристики с плавно изменяющимися малыми скоростями опускания груза. В некоторых конструкциях башенных кранов для механизма подъема груза используют две электрореверсивные лебедки, совместная работа которых значительно расширяет диапазон рабочих скоростей (см. рис. 3.17, б). По такой схеме возможна совместная работа барабанов 5 и 6 в одном или разных направлениях, работа только одного барабана при заторможенном втором. В монтажных кранах большой грузоподъемности применяют многоскоростные лебедки с несколькими двигателями и барабанами. На рис. 3.20 показана схема такой грузовой лебедки крана с грузовым моментом 10 000 кН ∙ м. 161 Рис. 3.20. Схема многоскоростной лебедки с несимметричным дифференциалом: 1, 12 – барабаны; 2,11– двигатель; 3,10– зубчатая муфта; 4, 9 – колодочные тормоза; 5– редуктор с несимметричным дифференциалом; 6– дифференциал; 7,8 – валы несимметричного дифференциала; 1– ось Кинематическая схема основана на применении редуктора 5 с несимметричным дифференциалом 6. Электродвигатели 2 и 11 посредством зубчатых муфт 3 и 10 соединены с валами 7 и 8 несимметричного дифференциала. На валах двигателя установлены колодочные тормоза 4 и 9. На выходных валах редуктора смонтированы барабаны 1 и 12, свободно вращающиеся на оси 13. В лебедке, изготовленной по этой схеме, возможно получить четыре скорости в каждом направлении: первая — при вращении обоих двигателей в одном направлении; вторая — при вращении только двигателя 2; третья — при вращении только двигателя 11; четвертая — при вращении двигателей 2 и 11 в противоположных направлениях. Опорная часть передвижных башенных кранов (рис. 3.21,а) включает нижнюю ходовую раму 3, шарнирные кронштейны 2 и четыре ходовые тележки. Рис.3.21. Опорная часть передвижения башенного крана: а) – общий вид; б)- схема балансирных тележек; в)– схема механизма передвижения; 1– тележки;2– кронштейн; 3– нижняя ходовая рама;4– опорно-поворотное устройство; 5– тяга; 6– зубчатая передача; 7– колеса; 8– редуктор; 9– муфта с тормозом; 10– двигатель 162 В рабочем положении ходовые тележки удерживаются тягами 5 в соответствии с шириной рельсового пути. В транспортном положении тележки устанавливают вдоль продольной оси, уменьшая ширину неповоротной части крана. Шарнирное крепление тележки с ходовой рамой обеспечивает крану возможность перемещения по криволинейному пути и не требует демонтажа тележек при переводе крана в транспортное положение. Для лучшего вписывания в кривые участки пути приводные ходовые тележки располагают по одной стороне крана. Ходовые тележки (приводные и неприводные) могут иметь два, три и большее число ходовых колес (рис. 3.21, 6). Для равномерного распределения нагрузок между колесами они объединяются в балансирные тележки. Механизм передвижения приводных ходовых тележек (рис. 3.21, б) состоит из электродвигателя 10, муфты с тормозом 9, редуктора 8 и открытой зубчатой передачи 6, приводящей во вращение ходовые колеса 7. На нижней ходовой раме укреплено опорно-поворотное устройство 4, которое воспринимает вертикальные и горизонтальные усилия от поворотной части крана. Механизм вращения (рис.3.22, а, б) состоит из двигателя 2, цилиндрического или планетарного редуктора 1 и тормоза 3. Выходная шестерня механизма 4, установленного на поворотной платформе, находится в постоянном зацеплении с неподвижным зубчатым венцом и заставляет поворачиваться платформу вокруг оси 1–1. Рис. 3.22. Кинематические схемы механизмов вращения: а) − с цилиндрическим планетарным редуктором; б) − с червячным редуктором; в) − с канатным приводом от электрореверсивной лебедки; 1 – редуктор; 2− муфта; 3− тормоз Механизмы вращения тяжелых монтажных башенных кранов выполняются с цевочным зацеплением поворотного венца с выходным колесом редуктора или с канатным приводом, принципиальные схемы которых представлены на рис. 3.23, в. Они снабжаются муфтами предельного момента, срабатывающими при действии на кран чрезмерных инерционных и ветровых нагрузок. 3.4. Стреловые самоходные краны Стреловые самоходные краны широко используются при производстве строительно-монтажных и погрузочно-разгрузочных работ. Основным достоинством стреловых самоходных кранов является автономность их 163 привода, способность быстрого перебазирования с одного объекта на другой, большое разнообразие сменного оборудования. Стреловые самоходные краны классифицируют по типу ходового оборудования и привода, по исполнению и виду стрелового оборудования. По типу ходового оборудования их разделяют на краны автомобильные, пневмоколесные, на специальном шасси автомобильного типа, гусеничные, на короткобазовом шасси, на тракторах и прицепные. По типу привода краны бывают с одно- и многомоторным (индивидуальным) приводом. Чаще применяют многомоторный привод — электрический, дизель-электрический, гидравлический или комбинированный (с различными типами привода отдельных механизмов). По исполнению и виду стрелового оборудования стреловые самоходные краны выпускаются с невыдвижными (постоянной длины), выдвижными и телескопическими стрелами. Длина выдвижных стрел изменяется без нагрузки, телескопических − с нагрузкой на крюке. Телескопические стрелы в сочетании с гидроприводом преимущественно применяют в конструкциях автомобильных кранов и кранов на специальном шасси автомобильного типа, так как благодаря взаимному перемещению секций относительно друг друга обеспечивается наводка монтажного элемента на место установки, в том числе и в труднодоступных местах. Длину стрел изменяют вставкой дополнительных секций или установкой управляемых гуськов. На стреловых кранах широко используется башенностреловое оборудование. Паспортная грузоподъемность всех стреловых кранов (кроме гусеничных) может быть реализована только при работе на выносных опорах, когда ходовое оборудование полностью освобождается от нагрузки. При работе без выносных опоргрузоподъемность снижается в несколько раз. Движение самоходных кранов с грузом допускается со значительными ограничениями по грузоподъемности и скорости, указываемой в технической характеристике крана, и только при стреле, расположенной вдоль оси ходовой части крана. Кранам, выпускаемым заводами Минстройдормаша, присваивается индекс, состоящий из двух букв — КС (кран стреловой) и четырех цифр, рис. 3.23. Цифры означают: первая — размерную группу, вторая — тип ходового оборудования, третья — исполнение стрелового оборудования, четвертая — порядковый номер модели. После цифр в индексе могут указываться очередная модернизация (А, Б, В) и климатическое исполнение (ХЛ, Т, ТВ). Так, индекс КС-8362ХЛ означает: кран стреловой грузоподъемностью 100 т, пневмоколесный с гибкой подвеской, второй модели в северном исполнении. Действует и другая индексация, например, МКГ-25БР — монтажный кран гусеничный, грузоподъемностью 25 т с башенностреловым оборудованием и раздвижными гусеницами, СКГ-63А − стреловой кран гусеничный, грузоподъемностью 63 т, модернизация А. 164 Рис. 3.23. Система индексации стреловых самоходных кранов Автомобильные краны. Автомобильные краны (рис.3.24) выпускаются грузоподъемностью 4; 6,3; 10 и 16 т. Их монтируют на двух- или трехосном шасси серийно выпускаемых грузовых автомобилей. Привод всех механизмов автомобильных кранов осуществляется от двигателя автомобиля. Рис.3.24. Общий вид автомобильного крана в транспортном положении По типу привода различают автомобильные краны с механическим (преимущественно малых типоразмеров), гидравлическим и электрическим приводом. Механическая часть гидравлического привода показана на рис.3.25. Рис.3.25. Схема привода крана АК – 3562А: 1– привод гидронасоса; 2– коробки передач; 3– рукоятка подъема и опускание груза; 4– рукоятка подъема и опускание стрелы; 5– рукоятка поворота платформы; 6– распределитель; 7– стреловая лебедка; 8– грузовая лебедка; 9– механизм вращения платформы; 10– выходная шестерня; 11– опорно-поворотное устройство; 12– гидродвигатель; 13– бак масляный 165 Кроме основной стрелы краны оснащаются удлиненными стрелами, стрелами с гуськами, башенно-стреловым оборудованием, а гидравлические краны — телескопическими выдвижными стрелами. В зависимости от массы поднимаемого груза и вылета стрелы, краны могут работать на выносных опорах или без них, перемещаться с грузом в пределах строительной площадки, масса которого меньше номинального на соответствующем вылете, со скоростью до 5 км/ч при положении груза вдоль оси крана («стрела назад») и поднятом на высоту не более 0,5 м. При механическом приводе движение от двигателя рабочим механизмам передается через систему промежуточных передач. При этом скорость рабочих движений регулируют частотой вращения двигателя и коробками перемены передач, а направление вращения – коническими и цилиндрическими реверсами. Для управления механизмами (муфтами, тормозами) применяют пневматическую систему управления, действующую от компрессора, приводимого в работу от двигателя автомобиля. Для снижения нагрузок на шасси автомобиля и обеспечения его устойчивости шасси I усиливают дополнительной рамой 4, которую оборудуют выносными опорами 3 и 8, стабилизирующим устройством 6, блокирующим подвеску автомобиля при работе крана. Поворотная платформа 9 вращается на роликовом опорно-поворотном устройстве 7, закрепленном на дополнительной раме. На поворотной платформе кроме стрелы размещены противовес 10, двуногая стойка 11, реверсивно-распределительный механизм 13, механизм вращения 14, грузовая 15 и стреловая 12 лебедки, кабина крановщика и электрооборудование. Крутящий момент двигателя через коробку перемены передач, коробку отбора мощности 2 и промежуточный редуктор 5 передается реверсивнораспределительному механизму 13 и далее при переключении муфт в распределительной коробке – механизму вращения 14, грузовой 15 и стрелоподъемной 12 лебедкам. Кинематическая схема позволяет совмещать операции подъема груза с поворотом поворотной платформы. Гидравлический и электрический приводы существенно упрощают кинематическую схему крана, расширяют технологические возможности крана и обеспечивают более глубокое регулирование скоростей рабочих движений. На рис. 3.26 показан общий вид крана на шасси автомобиля ЗИЛ. Основным видом рабочего оборудования является стрела, состоящая из подвижных и неподнижной секций. Передвижение подвижной секции производится гидроцилиндром 2 двустороннего действия. Для увеличения подстрелового пространства на подвижной секции устанавливают гуськи разной длины и под различными углами к ее продольной оси. Изменение угла наклона стрелы производится параллельно действующими гидроцилиндрами 3 с фиксацией их штоков в заданном положении гидрозамками. Подъем и опускание груза осуществляются грузовой лебедкой, состоящей из гидромотора 10, редуктора 8, барабана 9 и нормально замкнутого тормоза. 166 Рис.3.26. Общий вид автомобильного крана и кинематическая схема привода: 1,4− рамы; 2− коробка отбора мощности; 3, 8− выносные опоры; 5− промежуточный редуктор; 6− стабилизатор; 7− опорно-поворотное устройство; 9− поворотная платформа; 10− противовес; 11− двуногая стойка; 12,15− лебедки; 13− реверсивно-распределительный механизм; 14− механизм вращения Механизм вращения 7 состоит из гидромотора 6, редуктора 4, на выходном валу которого установлена шестерня, входящая в зацепление с неподвижным венцом опорно-поворотного круга. Фиксирование механизма поворота осуществляется тормозом 5. Гидравлический насос 11 приводится в движение от двигателя автомобиля 14 через коробку передач 13 и редуктор отбора мощности 12. Система привода и управления им допускает совмещение операций: подъем и опускание груза — с подъемом и пусканием стрелы, с поворотом платформы, с выдвижением и втягиванием секции телескопической стрелы; подъем и опускание стрелы — с выдвижением и втягиванием ее секции, с поворотом платформы; поворот платформы — с выдвижением и втягиванием секции стрелы. При дизель-электрическом приводе каждый механизм имеет индивидуальный электродвигатель, получающий энергию от генератора трехфазного тока, вращаемого двигателем автомобиля. Автомобильные краны оснащаются устройствами, обеспечивающими их безопасную эксплуатацию: ограничителями грузоподъемности, высоты подъема крюка, угла наклона стрелы, указателями крена и грузоподъемности. Пневмоколесные краны. Они имеют грузоподъемность 25, 40, 63 и 100 т. Большая грузоподъемность пневмоколесных кранов в сочетании со значительными высотой подъема (до 55 м) и вылетом крюка (до 38 м) обусловили их широкое использование на строительстве промышленных предприятий, сооружений, тепловых электростанций и установке технологического оборудования. На рис. 3.27 показана схема стрелового самоходного крана. 167 Рис.3.27. Схема стрелового самоходного крана Исходя из основных размеров, принимается решение при эксплуатации о длине стрелы. Минимальный и максимальный углы наклона стрелы  min и  max определяются из зависимостей Rmin  f me ; sin  max  . L L Изменяя значение угла  , можно определить Ri и Qi sin  min  Ri  L sin  i ; L  M îïð  Gñòð  sin  i  f  b  2  . Qi  L sin  i  f  b Опрокидывающий момент M îïð относительно ребра опрокидывания, возникающий от веса груза Q и веса стрелы Gñòð , исходя из условия обеспечения устойчивости при различных вылетах, должен быть величиной постоянной. Ветровая нагрузка Wãð на груз условно прикладывается к оголовку стрелы и действует параллельно плоскости, на которой установлен кран Wãð = ðÀãð , где p  распределенная ветровая нагрузка на единицу расчетной площади груза; Àãð  расчетная площадь груза. Распределенную ветровую нагрузку находят из выражения p  qo kc , где q o  скоростной напор ветра на высоте 10 м от поверхности земли; ê  поправочный коэффициент возрастания скоростного напора, имеющий в зависимости от высоты конструкции H следующие значения: до 10 м , ê  1,0 ; 10…20, ê  1,32 ; 20…30, ê  1,5 ; 30…40, ê  1,7 ; 40…50, ê  1,8 ; 50…60, ê  1,9 ; ñ  аэродинамический коэффициент, имеющий следующие значения: ферма и сплошная балка ñ  1,4 ; кабины кранов, грузы ñ  1,2 ;   коэффициент перегрузки, равен 1,1;   коэффициент, учитывающий динамический характер приложения ветровой нагрузки: для кранов можно принимать   1. 168 Скоростной напор в зависимости от скорости определяют по шкале Бофорта, табл.3.1. Таблица 3.1. Баллы по шкале Бофорта 3 4 5 6 8 Характер ветра Слабый Умеренный Свежий Сильный Шторм Сильный шторм Скорость, м/с 3,4…5,2 5,3….7,4 7,5 … 9,8 9,9 … 12,4 15,3 … 18,2 18,3… 21,5 Скоростной напор, 2 Н/м 7 … 17 18,…34 20… 35 61… 96 148 …210 210 …290 Пневмоколесный кран состоит из двух основных частей: поворотной и ходовой, соединенных между собой опорно-поворотным устройством. На поворотной части крана располагаются рабочее оборудование, силовая установка, механизм главного и вспомогательного подъема груза, механизм изменения вылета стрелы, механизм вращения поворотной части и кабина управления. Рабочим оборудованием крана служит основная решетчатая стрела, удлиненные вставками стрелы с управляемыми и неуправляемыми гуськами различных размеров, а также башенно-стреловое оборудование. Все механизмы крана имеют индивидуальный электрический привод постоянного тока по системе Г−Д. Силовая установка обеспечивает глубокое регулирование рабочих скоростей в широком диапазоне путем изменения напряжения генератора, питающего якори двигателей, что особенно существенно для механизмов подъема груза и передвижения крана при выполнении монтажных операций. Ходовая часть крана состоит из сварной ходовой рамы, опирающейся на ведущие и управляемые мосты автомобильного типа, и выносных опор. Количество мостов (2...5) зависит от грузоподъемности крана. При большой грузоподъемности мосты крана объединяются в балансирные тележки с жесткой подвеской к ходовой раме. Управление передвижением из кабины машиниста и жесткая подвеска мостов ограничивают скорость передвижения крана до 18 км/ч. В рабочем положении кран опирается на выносные опоры. Допускается работа крана без выносных опор и передвижение его с грузом на крюке в соответствии с грузовой характеристикой крана. На рис. 3.28 показан общий вид мощного пневмоколесного крана грузоподъемностью 100 т, схемы канатоведения при работе с основным и сменным оборудованием, характеристики грузоподъемности для некоторых его видов, а на рис. 3.29 − кинематические схемы силовой установки и механизмов. Кран оборудован основной стрелой длиной 15 м. Длину последней с помощью секций можно увеличивать до 26, 25, 30, 40, 50 и 55 м. Стрелы 169 длиной 20...40 м оснащают неуправляемым гуськом; длиной 45...55 м − управляемым. Рис. 3.28. Пневмоколесный кран грузоподъемностью 100 т: а) – схема конструкции; б) — схема запасовки канатов механизмов главного подъема; в) – то же, вспомогательного подъема; г) – графики грузоподъемности; д) – схема запасовки канатов стрелоподъемного механизма; 1 – барабан лебедки главного подъема; 2 – то же, вспомогательного подъема Гуськи крана состоят из отдельных секций длиной по 5 м каждая. При работе крана без гуська лебедки основного и вспомогательного подъемов используются для подъема основного груза; при оборудовании управляемым гуськом лебедка главного подъема обеспечивает изменение вылета гуська. Силовая установка состоит из дизеля, вращающего основной 2 и вспомогательный 3 генераторы, насоса 5 гидравлической системы управления выносными опорами. При длительной работе на площадке вместо дизеля используют электрический двигатель 4, питаемый от сети переменного тока. Основной генератор обеспечивает работу двигателей основного и вспомогательного подъемов, стрелоподъемного механизма и механизма передвижения. Вспомогательный генератор питает двигатель механизма вращения. Механизмы кранов состоят из рабочих двигателей, редукторов, соединительных муфт и тормозов и исполнительных органов (барабанов, зубчатых колес). Кинематическая схема крана позволяет совмещать следующие операции: подъем и опускание груза на крюке главного подъема с поворотом крана; подъем и опускание стрелы с подъемом и опусканием груза; подъем и опускание груза крюком вспомогательного подъема с поворотом крана. 170 Рис. 3.29. Кинематические схемы механизмов пневмоколесного крана: а ) –силовой установки; б ) –механизма вращения; в) –механизма вспомогательного подъема; г) – механизма главного подъема; д) – стрелоподъемного механизма; 1– двигатель; 2,3 – генераторы; 4– электродвигатель; 5– гидравлический насос Пневмоколесный кран транспортируется собственным ходом, на буксире к тягачу или по железной дороге. Краны на специальных шасси автомобильного типа. По своему технологическому назначению краны данного типа должны обеспечивать эффективную работу на рассредоточенных объектах, иметь большую грузоподъемность, хорошую проходимость и маневренность в условиях строительной площадки. В современных конструкциях кранов эти требования реализуются путем применения специальных шасси автомобильного типа, гидравлического привода механизмов крана и телескопических стрел, что создает им значительные преимущества по сравнению с пневмоколесными кранами с решетчатыми стрелами. Грузоподъемность кранов на специальных шасси 25...500 т, скорость передвижения 60...70 км/ч. По конструкции специальные шасси существенно отличаются от обычных шасси автомобиля числом приводных и управляемых осей, их распределением на базе конструкцией подвесок и управления. Для удовлетворения требований о предельной нагрузке на ось специальные шасси изготовляют многоосными (3...8 осей). Число приводных осей назначают, исходя из условий достижения проходимости при движении по стройплощадке, а число управляемых осей выбирается из расчета минимального радиуса поворота, достаточного для вписывания крана в существующую дорожную сеть. На рис. 3.30 показан общий вид крана грузоподъемностью 120 т на шестиосном шасси с колесной формулой 12×8 с четырьмя управляемыми осями. 171 Рис.3.30. Стреловой кран на специальном шасси грузоподъемности 120 т: 1– шасси; 2– телескопическая стрела; 3– гидроцилиндр; 4–поворотная часть; 5–лебедка Отличительной особенностью кранов на специальных шасси является также наличие у них двух силовых установок, из которых одна размещена на шасси 1, а вторая — на поворотной части крана 4. Силовая установка, расположенная на шасси, обеспечивает передвижение крана и привод гидравлических насосов для управления выносными опорами 6. Силовая установка поворотной части крана обеспечивает работу крановых механизмов. Она состоит из дизеля, гидравлических насосов (одного или нескольких), питающих через гидрораспределители гидравлические моторы лебедок главного и вспомогательного подъемов 5, и механизма вращения крана. Кроме того, эти насосы питают гидроцилиндры подъема стрелы 3 и гидроцилиндры выдвижения секций телескопической стрелы 2. Гидропривод кранов позволяет получить широкий диапазон скоростей рабочих движений механизмов за счет совмещения расходов жидкости двух напорных линий по параллельной или последовательной схеме, а также совмещение рабочих движений в разных вариантах. Управление рабочими операциями крана производится из кабины, расположенной на поворотной части. Механизмы лебедок состоят из одного или двух гидромоторов, цилиндрических редукторов, встроенных в барабаны, колодочных или дисковых тормозов. Телескопические стрелы конструктивно выполняются из трех (у кранов грузоподъемностью 25 и 40 т) и четырех (у кранов грузоподъемностью 63 и 100 т) секций и оснащаются удлинителями различных размеров. Выдвижение секций осуществляется гидроцилиндрами, а последней секции — канатным приводом. При работе крана вся нагрузка от собственной силы тяжести и массы груза воспринимаются выносными опорами, при этом горизонтальность платформы контролируется системой автоматики. Отечественной промышленностью выпускаются краны на специальных шасси грузоподъемностью 25, 40, 63 и 100 т. Краны на короткобазовом шасси. Они бывают двухосными, с обеими ведущими и управляемыми осями и базой в пределах 1,8...2,0 м, имеют малый радиус поворота и предназначены для работы в стесненных условиях. Гидравлические насосы приводятся от коробки отбора мощности привода шасси. Краны изготовляются грузоподъемностью 6,3...10, 16 и 25 т. 172 Гусеничные краны. Применение для стреловых кранов гусеничного ходового оборудования привело к созданию монтажных гусеничных кранов с большой номенклатурой их по грузоподъемности — 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250 т. Гусеничные краны работают без выносных опор и могут передвигаться в пределах строительной площадки в любом направлении со скоростью 0,5...1,0 км/ч. Высокая маневренность, а также большая грузоподъемность обусловили их широкое применение в различных отраслях строительства на объектах с большими и, в том числе, с рассредоточенными объемами работ для монтажа укрупненных конструкций и технологического оборудования. Эти качества создали гусеничным кранам высокую конкурентную способность по отношению к специальным башенным кранам, требующим устройства подкрановых путей. На рис. 3.31 приведена конструктивная схема монтажного гусеничного крана с различными видами рабочего оборудования. Он состоит из поворотной платформы, опирающейся через опорно-поворотное устройство на ходовую часть крана. На поворотной платформе монтируются рабочее оборудование, силовая установка, механизмы стреловой и грузовых (основного и вспомогательного подъема) лебедок, механизм вращения и управления краном. Гусеничные краны изготавливаются с механическим и электрическим приводом. Ходовая часть гусеничных кранов состоит из неповоротной рамы, опирающейся на две приводные гусеничные тележки с многоопорными гусеничными звеньями, обеспечивающими низкие (до 0,1 МПа) удельные давления на грунт. Привод каждой гусеницы состоит из тихоходного электрического двигателя, редукторов, ведущей звездочки гусеницы и тормоза. Для увеличения опорного контура при работе поперек гусениц у ряда моделей гусеничных кранов применяют раздвижные гусеничные тележки. Рис. 3.31. Гусеничный кран грузоподъемностью 160 т: а) − основная стрела; б)− удлиненная стрела; в)− башенно-стреловое оборудование; г)− графики грузоподъемности; 1 − с основной стрелой; 2 − с башенно-стреловым оборудованием 173 Козловые краны. Козловые краны разделяют на монтажные и общего назначения. Краны общего назначения имеют грузоподъемность до 5 т, монтажные − до 500 т. Размеры пролета и высоты подъема груза устанавливают в зависимости от технологического назначения. Несущей конструкцией козлового крана (рис. 3.32) является мост 2 с двумя опорами 7. По мосту крана перемещается грузовая тележка 3 с грузозахватным устройством. Опоры крана устанавливаются на ходовые тележки 8, каждая из которых перемещается по двурельсовому пути. Мосты кранов малой (до 5 т) грузоподъемности изготовляют в виде пространственной трехпоясной фермы и ездовой балки двутаврового профиля, по которой передвигается электроталь. Мосты кранов средней и большой грузоподъемности выполняются в виде четырехпоясной решетчатой фермы прямоугольного или трапецеидального сечения. Грузовая тележка этих кранов может перемещаться по нижнему или верхнему поясу моста. Распространены комбинированные конструкции кранов, у которых по верхнему поясу перемещается грузовая тележка основного, а по нижнему — вспомогательного механизма 9 меньшей грузоподъемности. Мосты кранов выполняются с консолями и без них. Длина консолей достигает 25...30% от длины пролета. В этом случае тележка вспомогательного подъема перемещается по всей длине пролетного строения. При больших пролетах одна из опор крана обычно жестко соединяется с мостом, а другая — шарнирно. Шарнирная опора устраняет опасность заклинивания ходовых тележек при температурных изменениях или изменении положения подкрановых путей. При небольших пролетах обе опоры могут быть жесткими. Рис. 3.32. Козловой кран грузоподъемностью 100 т: а− схема крана; б − схема запасовки канатов механизма передвижения тележки; в − то же, механизма подъема груза; 1− лебедка; 2− мост; 3− грузовая тележка; 4− полиспаста; 5− траверс; 6− кабина оператора; 7− опора; 8− ходовые тележки; 9− механизм подъема; 10,11, 12, 13 – лебедки 174 Передвижение грузовой тележки вдоль моста осуществляется с помощью канатов и электрореверсивной лебедки (рис. 3.33,6). Механизм подъема имеет два полиспаста 4, расположенных симметрично с обеих сторон моста и работающих на общую траверсу 5. Верхние блоки полиспастов установлены в подшипниках тележки, а нижние — на траверсе. У тяжелых монтажных кранов для достижения малых скоростей посадки груза для механизма подъема применяют четыре лебедки (рис. З.З3, в). При такой подвеске скорости подъема (опускания) можно изменять в широких пределах путем включения всех лебедок, либо лебедок 10 и 11 или 12 и 13, либо лебедок 10 и 11 в одну сторону, а лебедок 12 и 13 — в другую. Для уменьшения нагрузки на мост грузовые и тяговые лебедки располагают на опорах или на жестких поперечных балках, соединяющих стойки опоры. Управление краном осуществляется из кабины 6. На ходовых тележках устанавливают противоугонные захваты с раздельным приводом. Анемометр при ураганном ветре автоматически включает в работу двигатель захвата. Представленный на схеме козловой монтажный кран используется при монтаже котлов тепловых электростанций при открытой установке оборудования и имеет грузоподъемность главного подъема 100т, вспомогательного 10 т, высоту подъема 37,5 м, пролет 31 м, массу 225 т. Большинство козловых кранов − самомонтирующиеся. Мост крана стреловым краном укладывают на шпальные клетки, одновременно устанавливают на рельсы ходовые тележки, стойки опор соединяют шарнирно с поясом моста и тележками, затем левые и правые стойки стягивают посредством лебедки и устанавливают кран в рабочее положение. Стойки опор внизу соединяют жесткими поперечинами (затяжками опор крана). Полукозловые краны. Такие краны (рис. 3.33) обычно устанавливают на большой высоте и передвигают по путям 4, уложенным на строительных конструкциях здания, например, на этажерке главного корпуса ТЭС для монтажа систем пылеприготовления и золоулавливания. Несущий мост 3 и жесткая опора 5 выполнены в виде Г-образных жестких рам. В связи с тем что нагрузка от крана воспринимается каркасом здания, они должны иметь малую массу. Уменьшение массы крана достигается снижением подвижной нагрузки на мост крана, для чего лебедки механизма подъема 2 и механизма передвижения 1 грузовой тележки устанавливаются на жесткой опоре. В теплоэнергетическом строительстве используются полукозловые краны грузоподъемностью 10...30 т с пролетом 11...28 м и высотой подъема 16...60 м. В связи с большой высотой установки полукозловых кранов их рассчитывают на большую ветровую нагрузку и обязательно снабжают противоугонными захватами автоматического действия. 175 Рис. 3.33. Полукозловой кран: 1− механизм передвижения; 2− механизм подъема; 3− несущий мост; 5− жесткая опора Мостовые краны. Эти краны применяют в строительстве электростанций и других объектов при сооружении фундаментов, монтаже оборудования и строительных конструкций. По завершению строительства они остаются в качестве «штатного оборудования» для обслуживания технологического оборудования в процессе эксплуатации. Мостовой кран (рис. 3.34) состоит из двух основных частей — моста 2 и грузовой тележки 3. Мост крана представляет собой металлическую конструкцию, опирающуюся на ходовые колеса, которые приводятся в действие механизмом передвижения моста 6. Последний установлен непосредственно на мосту и осуществляет горизонтальное перемещение крана по рельсовому пути, уложенному на подкрановые балки здания. По конструкции моста различают одно- и двухбалочные мостовые краны. Однобалочные краны выполняют грузоподъемностью до 10 т с небольшим пролетом (5...17 м). При большой грузоподъемности мост крана выполняют из двух продольных балок коробчатого или таврового сечения, соединенными концевыми балками. На продольных несущих балках моста передвигается грузовая тележка. Она состоит из рамы, опирающейся на ходовые колеса, механизмов подъема груза 4 и передвижения 5. В мостовых кранах грузоподъемностью более 20 т применяют два механизма подъема груза − главный и вспомогательный; грузоподъемность вспомогательного в 3...5 раз меньше главного механизма подъема. Все три механизма мостового крана − механизм подъема груза, передвижения моста и передвижения тележки − имеют самостоятельные двигатели и приводятся в действие независимо друг от друга. Их выполняют по обычным схемам: двигатель − муфта − тормоз − редуктор − исполнительный орган (ходовое колесо или барабан лебедки). Управление краном ведется из кабины оператора, подвешенной к мосту крана. 176 Рис. 3.34. Мостовой кран: 1−кабина оператора; 2−мост; 3− грузовая тележка; 4,5 − механизм подъема груза и передвижения; 6 − передвижения моста Мостовые краны в энергетическом строительстве имеют большую грузоподъемность главного и вспомогательного подъемов при относительно небольших пролетах и высоте подъема крюка. Так, для обслуживания главных залов ГРЭС применяют краны грузоподъемностью 100 − для главного и 20 т − для вспомогательного подъема при пролетах 20...23 м и высоте 20...25 м. Грузоподъемность кранов машинных залов ГЭС достигает 400 − для главного и 100 т −для вспомогательного подъемов при примерно аналогичных значениях высот и пролетов. Кабельные краны. В кабельном кране (рис. 3.35) грузовая тележка 6 перемещается тяговым канатом 5 по стальному проволочному несущему канату 3 специальной конструкции, натянутому между двумя мачтами 1. Мачты крана растянуты вантами 2, прикрепленными к якорям. Грузовой канат 4 образует полиспаст 8 между блоками на грузовой тележке и на крюковой подвеске. Один конец этого каната закреплен на мачте, а другой – на барабане грузовой лебедки. Натяжение несущего каната обеспечивается полиспастом 7. Между мачтами натянут также поддерживающий канат, на котором размещены устройства для удержания всех канатов на определенном расстоянии друг от друга и относительно несущего каната. Лебедки крана размещены в машинном отделении на опорах мачт. По степени подвижности мачт различают кабельные краны: с обеими неподвижными мачтами; с качающимися мачтами в обе стороны на угол до 8°; с обеими подвижными на тележках мачтами, передвигающимися по рельсовым путям; с одной подвижной мачтой, передвигающейся по дуге окружности, и др. В зависимости от степени 177 подвижности мачт зона обслуживания представляет линию, прямоугольник или сектор круга. Рис. 3.35. Кабельный кран: 1− мачта; 2− ванта; 3− несущий канат; 4−грузовой канат; 5- тяговый канат; 6− грузовая тележка; 7, 8−полиспасты Кабельные краны используют для транспортирования строительных материалов через водные препятствия, при строительстве и реконструкции действующих предприятий, подаче крупных блоков, бетона, закладных деталей к объектам ГЭС и прочим труднодоступным местам, где применение других грузоподъемных машин затруднено или становится невозможным. К достоинствам кабельных кранов относится также большая протяженность зоны обслуживания — от 250...400 до 1000 м. Высота подъема груза определяется конкретными условиями рельефа местности и габаритами сооружения. Она назначается такой, чтобы при максимальной стреле провисания несущего каната груз свободно проходил над возводимым или реконструируемым сооружением. Грузоподъемность кабельных кранов 5...15 т, а в отдельных случаях может достигать 25 т и более. Недостатком кабельных кранов являются колебания несущего каната в вертикальной плоскости в результате изменения стрелы провисания при кратковременном снятии нагрузки (например, при разгрузке грейфера, опорожнении бадьи с бетоном и др.), а также необходимость постоянного контроля за натяжением несущего каната и вант. 3.5. Использование грузоподъемных машин Использование грузоподъемных машин в строительстве регламентируется требованиями строительных норм и правил и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов, контроль за соблюдением которых возложен на органы Госгортехнадзора. Эти требования направлены на обеспечение длительной работы грузоподъемных машин с максимально возможной 178 производительностью и обязательное выполнение правил техники безопасности − обеспечение устойчивости кранов, оборудование их устройствами безопасности, систематическое проведение технического освидетельствования кранов и грузозахватных органов и др. Производительность строительных кранов. Среднечасовая эксплуатационная производительность (т/ч) строительных кранов характеризуется массой поднятых грузов за один машино-час: П э.ч  60QkT k в / tц , (3.12) где Q – грузоподъемность, т; k Т – коэффициент использования крана по грузоподъемности; kв – то же, по времени (значения kr и kв в принимают в зависимости от типа рабочего оборудования: при крюковом оборудовании k Т =0,8...0,9, kв=0,75...0,9; при грейферном k Т = 0,8...0,9, kв=0,85...0,95); tц – продолжительность рабочего цикла, мин; tц= tм + tp.o, где tм – средняя продолжительность машинного времени цикла, приведенная к конкретным условиям эксплуатации (высота подъема груза, угол поворота крана, длина горизонтального перемещения проекции груза при изменении вылета, расстояние передвижения крана в течение цикла и др.), определяемая с учетом совмещенных движений механизмов, мин; tp.o – средняя продолжительность ручных операций по строповке, наводке и установке груза в проектное положение, определяемая видом грузозахватных устройств, типом монтажных элементов и квалификацией монтажников, мин. В общем случае (рис. 3.36) t ц  2[ H / v г  l1 / v1  l 2 / v 2   /( 360 n )] k  t p .o , (3.13) где Н=Н1+h, − высота подъема груза, м; Н1 − высота монтажного здания, м; h − расстояние от верхней отметки здания до низа груза, м; vг − скорость подъема (опускания) груза, м/мин; l1 − средний путь каретки, стрелы (при изменении вылета), м; l2 −средний путь крана, м; V 1 − скорость изменения вылета, м/мин; V2 − скорость передвижения крана, м; α − угол поворота крана (стрелы), град; k − коэффициент, учитывающий совмещение операций; п − частота вращения крана (стрелы), мин-1. Годовую эксплуатационную производительность можно определить через среднечасовую по формуле П э.г  П э.чТ  к в , (3.14) где Т– рабочее время крана в году, ч; kв – коэффициент использования внутрисменного времени, принимаемый на основании статистических данных; усредненное значение kв = 0,86. Для определения эффективности использования для всего списочного парка кранов установлены директивные нормы выработки кранов, исчисляемые в тоннах на 1 т грузоподъемности крана. Например, для стреловых самоходных кранов грузоподъемностью 25 т годовая директивная норма выработки при монтаже металлоконструкций составляет 155 т на 1 т грузоподъемности. 179 Рис. 3.36. Схема к определению среднего машинного времени Устойчивость кранов. Степень устойчивости свободно стоящих кранов, определяемая коэффициентами устойчивости, представляет собой отношение удерживающего момента к опрокидывающему. Нагрузки, создающие опрокидывающий момент в этих кранах, как правило, приложены за пределами опорного контура, а сила тяжести крана, приложенная внутри опорного контура, создает соответственно удерживающий момент. При разных положениях рабочего оборудования изменяются координаты его центра тяжести, значения действующих сил и их плечи, а следовательно, значения опрокидывающих и удерживающих моментов. Коэффициенты устойчивости и методика их определения регламентированы правилами Гостехнадзора, а для башенных кранов — ГОСТ 13994—91. Различают грузовую (во время работы) и собственную (в нерабочем состоянии) устойчивость. Проверку устойчивости производят в условиях, когда сочетание действующих на кран нагрузок наиболее неблагоприятно с точки зрения возможности опрокидывания крана. Согласно правилам Госгортехнадзора значения коэффициентов грузовой и собственной устойчивости должны быть не менее 1,15. При проверке грузовой устойчивости считают, что кран стоит на наклонной площадке, подвержен действию ветра, поворачивается, одновременно тормозится опускаемый груз и движущийся кран (рис. 3.37, а). Коэффициент грузовой устойчивости К r  M G   M uн  М в  / M Q  1,15 , (3.15) где M G  Gg[(b  c) cos   h1 sin  −момент, создаваемый силой тяжести частей крана относительно ребра опрокидывания; Mин  Мин.гр Мин.кр.гр  Мц – суммарный момент сил инерции и груза, возникающих в процессе торможения 180 крана и груза, и центробежной силы при вращении крана с грузом, М в  Wкр  Wгр L –момент, создаваемый ветровой нагрузкой рабочего состояния на кран и груз, действующий параллельно плоскости, на которой установлен кран; M Q  Qq ( A  b) – момент, создаваемый номинальным весом груза относительно ребра опрокидывания. Рис. 3.37. Схемы к проверке устойчивости стрелового крана: а — грузовой; б — собственной Сила инерции при торможении опускающегося груза Fин.гр  Qv / t , где v – скорость установившегося движения груза; t — время торможения. Опрокидывающий момент от этой силы M ин.гр  Fин.гр ( А  b). При торможении движущегося крана силы инерции возникают от массы крана и груза, которые направлены горизонтально вдоль пути перемещения крана. Опрокидывающий момент от этих сил M ин ,кр ,гр ,  Gvh / t  QvL / t , где v и t – скорость передвижения и время торможения крана. Во время поворота крана возникает горизонтально направленная 2 центробежная сила F  Q r , создающая опрокидывающий момент М ц  FL, где ω = πn/30 − угловая скорость крана; п – частота вращения крана. Под действием центробежной силы груз отклоняется от вертикали на угол β, и радиус вращения груза превысит вылет крана r  A  Htg . Тогда центробежная сила F  Q 2 n 2 A /(900  n 2 H ). (900  n 2 H ). Опрокидывающий момент этой силы M ц  Qn 2 HhL(900  n 2 H ). Коэффициенты грузовой устойчивости определяются для двух расчетных положений стрелы: 1) стрела направлена в сторону уклона и перпендикулярна 181 ребру опрокидывания; 2) стрела направлена в сторону уклона, но расположена под углом 45° к ребру опрокидывания (в плане). Правилами Гостехнадзора допускается проверка грузовой устойчивости крана без учета дополнительных нагрузок. При этом кран считается установленным на твердой горизонтальной площадке в безветренной зоне, на крюке подвешен груз для данного вылета стрелы, а механизмы крана не совершают движений. Коэффициент грузовой устойчивости определяется как отношение момента, создаваемого весом всех частей крана, к моменту, создаваемому рабочим грузом, относительно того же ребра опрокидывания. В этом положении должно соблюдаться условие K г  М G / M Q  1,4. При проверке собственной устойчивости (рис. 3.37, б) считают, что кран стоит на наклонной площадке в нерабочем состоянии, стрела установлена вдоль пути, вылет — минимальный, кран подвержен действию только ветра. Коэффициент собственной устойчивости K c  M G / M В  1,15, (3.16) М G –момент, создаваемый массой крана относительно ребра где опрокидывания; М B – момент ветровой нагрузки нерабочего состояния. Для стреловых самоходных кранов автомобильных, пневмоколесных, гусеничных, кроме того, проверяется устойчивость при движении на участках пути с продольным и поперечным уклонами. Устройства безопасности. Строительные краны оборудуются устройствами безопасности, к которым относятся ограничители грузоподъемности, ограничители рабочих движений, указатели наклона, анемометры, упоры, противоугонные захваты и др. В стреловых кранах применяют в основном ограничители грузоподъемности электромеханического типа ОГП-1. Ограничитель состоит из релейного блока с датчиками фактической и предельной нагрузок (рис. 3.38). Датчик фактической нагрузки представляет собой динамометр 3 в виде упругого кольца 5, деформация которого передается на рычажный потенциометр 4. Динамометр включают в систему канатов 1 стрелового полиспаста и стержней 2, так как усилие в нем зависит от веса груза, стрелы и вылета крюка. Датчиком предельной нагрузки является потенциометр 12, положение ползуна которого устанавливается рычажной системой 6, 7, 9, 10, 11 зависимой от угла наклона стрелы 8. Зависимость электрического сигнала от угла поворота стрелы создается профилем кулачка, установленного в датчике. Потенциометры 4 и 12 и поляризованное реле нагрузки 13 соединены по схеме электрического моста, питаемой постоянным током напряжением 12 В. 182 Рис. 3.38. Ограничитель грузоподъемности электромеханического типа: а — схема включения ограничителя; б − датчик фактической нагрузки; в − установка датчика предельной нагрузки; г − схема электрического моста; 1,2−система канатов и стержней; 3− динамометр; 4,12− рычажные потенциометры; 5− упругое кольцо; 6, 7, 9, 10, 11 − рычажная система;13 − реле нагрузки Работа ограничителя грузоподъемности основана на принципе сравнения усилия, измеряемого датчиком нагрузки, с предельно допустимым, задаваемым датчиком вылета (предельной нагрузки). При массе поднимаемого груза меньше допустимой мостовая схема не уравновешена и через катушку реле нагрузки (РН) проходит ток. Если фактическая нагрузка превысит допустимую, то изменится направление тока в катушке реле, что приведет к размыканию контактов реле и отключению крана. В кранах с гидроприводом датчик фактической нагрузки приводится в действие гидроцилиндром, соединенным трубопроводом с поршневой и штоковой полостями цилиндра подъема стрелы, давление в котором определяется величиной вылета стрелы и массой поднимаемого груза. Ограничители рабочих движений снабжаются автоматически действующими устройствами, концевыми выключателями для остановки механизмов подъема груза, передвижения, поворота или изменения вылета стрелы в крайних положениях (например, высоты подъема крюка или его опускания ниже установленной отметки). После срабатывания такие ограничители не препятствуют движению механизма в обратном направлении. Ходовые тележки рельсовых кранов, работающих на открытом воздухе, оборудуются противоугонными захватами. Сменные грузозахватные устройства при техническом освидетельствовании подвергают осмотру и испытанию под нагрузкой, превышающей на 25 % их номинальную грузоподъемность. Осмотр траверс − через каждые 6 мес., захватов −1 мес., строп − 10 дн. Перебазировка строительных кранов. Она включает демонтаж, перевозку, монтаж (для рельсовых − монтаж кранового пути, устройство заземления и т. п.), испытание и сдачу в эксплуатацию. Продолжительность перебазировки 184 зависит от типа и конструкции крана, вида транспорта и качества дорог. Перебазировка кранов осуществляется своим ходом, на тяжеловозах, на буксире, автотранспортом и по железной дороге. Автомобильные краны перебазируются своим ходом (до 150 км), по железной дороге без разработки или с частичной разборкой. Пневмоколесные краны перебазируются своим ходом (до 50 км), на буксире или по железной дороге. При буксировке габариты крана не должны превышать по ширине и высоте 4,2 м, по длине с тягачом − 28 м. Тормозная система крана подключается к тормозной системе тягача. При грузоподъемности 25 т и более перед транспортированием краны разбирают. Гусеничные краны транспортируются собственным ходом (до 10 км), на тяжеловозах и по железной дороге. При грузоподъемности до 20 т по железной дороге транспортирование кранов осуществляют без разборки, но со снятой стрелой. При большей грузоподъемности кран разбирают на составные части, соблюдая требования габарита подвижного железнодорожного состава. Башенные краны транспортируют двумя способами: легкие и средние модели – в собранном и сложенном виде без разборки, тяжелые модели – укрупненными элементами. Монтаж башенных кранов. До монтажа крана выполняют комплекс подготовительных работ, к которым относятся: укладка подкрановых путей, устройство защитного заземления, подвод электрической энергии, проверка монтажных приспособлений и другие операции. Способы монтажа зависят от конструкции крана. Монтаж башенных кранов осуществляют в соответствии с инструкцией по сборке, монтажу и испытанию, прилагаемой к паспорту каждого крана. Типовая последовательность монтажных операций для основных типов кранов следующая. Краны с поворотной платформой монтируют путем подъема сложенных вместе башни и стрелы посредством собственных механизмов и вспомогательного стрелового крана. На строительную площадку эти краны доставляют на автомобильном тягаче и подкатной тележке в собранном виде, но со снятыми промежуточными секциями башни, головной секцией стрелы, кабиной и противовесом. Тягач с краном въезжает на подкрановый путь и с помощью стрелового крана башню опускают на козлы, удаляют тягач и подкатные тележки (рис. 3.40, а). На кран устанавливают кабину и противовес, стреловой лебедкой поднимают башню и фиксируют ее в вертикальном положении (рис. 3.40, б). Состыковывают секцию стрелы, стреловой лебедкой поднимают стрелу. Грузовой лебедкой осуществляют подращивание башни. Для этого заводят промежуточную секцию башни, состыковывают ее с подвижной обоймой и вместе с промежуточной секцией поднимают вверх, стыкуя ее с фланцами башни (рис. 3.40, в). Дальнейшее подращивание башни ведется аналогично. Башенные краны с неповоротной башней собирают из укрупненных элементов посредством монтажного стрелового крана и собственных механизмов с наращиванием башни. Вначале устанавливают на рельсовый путь ходовые тележки, монтируют ходовую раму, укладывают бал, 185 ласт, устанавливают башню, на ее верхней секции укрепляют опорноповоротное устройство вместе с поворотным оголовком и кабиной. Рис. 3.40. Схема монтажа башенных кранов с поворотной платформой серии КБ: а — начало монтажа; б — подъем башни со стрелой; в — подращивание башни Затем собирают стрелу и противовесную консоль, монтажным краном укрепляют их на поворотной части крана. После этого выполняют монтажные работы и наращивают секции башни с помощью монтажной стоики и монтажной лебедки. По завершении монтажных работ проверяют работу – механизмов крана, приборов безопасности и предъявляют кран к техническому освидетельствованию. Демонтаж кранов ведется в последовательности, обратной монтажу, с помощью собственных механизмов, а также дополнительных стреловых кранов и приспособлений. Контрольные вопросы по третьей главе. 1. Устройство домкратов, лебедок и талей, область их применения. 2. Зарисуйте кинематическую схему лебедки с электрореверсивным приводом . 3. Почему тормоз грузовой лебедки устанавливают на валу электродвигателя ?. 4. Приведите зависимости для выбора каната, канатоемкости барабана, тормозных устройств и мощности двигателя. 5. Принцип работы ручной тали. 6. Как работает тормоз электротали ?. 7. Схемы конструкции основных типов башенных кранов. 8. Приведите схему индексации башенных кранов.9. Отличительные признаки башенных кранов.10. Что представляет мобильный башенный кран ?. 11. Привести схему многоскоростной лебедки с несимметричным дифференциалом. 12. Какие механизмы вращения применяют в монтажных кранах большой грузоподъемности. 13. Схема индексации стреловых самоходных кранов. 14. Назначение реверсивного механизма на кранах. 15. Привести схему стрелоподъемного механизма пневмоколесного крана. 16. Привести схему запасовки канатов механизма передвижения тележки. 17. Область применения мостового крана. 18. Как осуществляются передвижения грузовой тележки кабельного крана ?. 19. Приведите уравнение производительности строительных кранов. 20. Как определяют устойчивость крана ?. 21 Чем отличается коэффициент грузовой устойчивости от собственной ?. 22. Какое условие при проверке собственной ус- , 186 тойчивости должно соблюдаться. 23. Приведите схему ограничителя грузоподъемности в стреловых кранах. 24. Какова последовательность монтажа башенного крана?. 4. МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ 4.1. Общая характеристика рабочего процесса Земляные работы являются составной частью строительства большинства инженерных сооружений. Они включают в себя: отрывку котлованов, траншей и мелиоративных каналов; возведение насыпей, плотин; устройство закрытых проходок в грунте в виде шахт и туннелей под различные подземные сооружения; бурение горизонтальных, наклонных и вертикальных скважин при бестраншейной прокладке трубопроводов под насыпями железных и шоссейных дорог, для установки свайных опор в плотных грунтах, для закладки зарядов взрывчатых веществ при разработке грунтов взрывом и т. п. По характеру рабочего процесса, составу операций и последовательности их выполнения земляные сооружения делят на выемки и насыпи. Выемка образуется в результате удаления излишков грунта за ее пределы, а насыпь – путем отсыпки грунта, внесенного извне, с его послойным уплотнением. Последняя операция обусловлена необходимостью восстановления плотного состояния грунта в насыпи, которое было им утрачено при отделении от массива вследствие разрыхления. Удаленный из выемок грунт укладывают в отвалы, а для отсыпки насыпей его доставляют из карьеров или резервов, расположенных вблизи сооружаемой насыпи. Если выемки чередуются с насыпями, как, например, в дорожном строительстве, то извлекаемый из выемок грунт обычно используют для отсыпки насыпей. Для каждой из перечисленных технологических схем производства земляных работ − выемка-отвал, резерв-насыпь − характерны операции отделения грунта от массива, его перемещения и отсыпки. При возведении насыпей добавляется операция уплотнения грунта, а общей для насыпей и выемок является планировочная операция, которой эти инженерные сооружения доводятся до проектных размеров. При планировке срезаются выступы и засыпаются впадины подобно разработке резервов и отсыпке насыпей, но только в размерах микрорельефа планируемой поверхности. Ту же структуру рабочего процесса имеет разработка карьеров строительных материалов (песка, гравия и т. п.), а также добыча полезных ископаемых открытым способом. Отличие заключается в том, что ни выемка, (забой), ни отвал не являются инженерными сооружениями, а планировку дна карьера (подошвы забоя) выполняют лишь для удобства передвижения по нему машин и подготовки устойчивого основания для их работы. Отделение грунта от массива (разрушение) и является основной операцией процесса его разработки. Существуют следующие способы производства земляных работ: , 187 – механический, разработка грунтов производится путем разрушения зубьями; – гидравлический, разработка грунтов производится струей воды под напором; – взрывной, разрушение производится газами; – химический, при котором отделение грунта от массива связано с переводом в жидкое состояние. Наибольшее распространение в строительстве (около 85 % от общего объема земляных работ) получил механический способ разрушения грунтов, при котором грунт отделяется от массива вследствие контактного силового воздействия на него землеройного рабочего органа. Энергоемкость этого способа составляет 0,05...0,6 кВт∙ч/м3. Прочные грунты и горные породы разрушают взрывом с использованием взрывчатых веществ, которые закладывают в специально пробуренные скважины. Этот способ наиболее дорогой, но позволяет существенно сократить сроки производства работ. Около 12 % грунтов разрабатывают гидромеханическим способом путем отделения грунта от массива струей воды под высоким давлением или в сочетании с механическим способом. Энергоемкость процесса составляет 0,15...2 кВт∙ч/м3. Рабочие органы машин, предназначенные только для отделения грунта от массива механическим способом, используют лишь в случае разработки весьма прочных грунтов на стадии их предварительного разрыхления. Большей частью рабочие органы также перемещают и отсыпают грунт в отвалы, насыпи или транспортные средства, выполняя эти операции после отделения грунта от массива и его захвата или совмещая полностью или частично перечисленные операции во времени. Грунт может перемещаться к месту отсыпки только за счет движений рабочего органа или за счет перемещения всей машины. В конструкциях землеройных машин непрерывного действия завершающую стадию транспортирования грунта выполняет специальный транспортирующий орган, например, типа ленточного конвейера. Отсыпают грунт путем освобождения от него рабочего или транспортирующего органа в конце транспортной операции. В случае гидромеханической разработки грунт переносится к месту намыва в потоке воды, а при взрывном способе он отбрасывается в стороны расширяющимися газами, образующимися вследствие взрыва. Грубую планировку земляных поверхностей выполняют теми же землеройными рабочими органами путем более четкой координации их движения, а для точной планировки применяют специальные рабочие органы или машины. Уплотнение грунта заключается в компактной укладке его частиц, вследствие чего уменьшается объем грунта и увеличивается его плотность. Для этого применяют специальные машины и оборудование. Частично грунт может уплотняться также перемещающимися по его поверхности транспортными средствами. В общем комплексе работ на строительном объекте земляные работы чаще всего выполняют раньше других. В этом случае им предшествует , 188 подготовка строительной площадки — удаление камней, срезка кустарника, корчевка пней, планировка и засыпка ям и т. п. Большую часть этих работ выполняют землеройными машинами, оборудованными специальными рабочими органами. В связи с этим машины для подготовительных работ рассматривают вместе с машинами для земляных работ. К подготовительным работам также относят предшествующее разработке рыхление прочных и мерзлых грунтов. Машины для земляных работ классифицируют по назначению, режиму работы, степени подвижности и другим признакам. Классификация по назначению условна, поскольку приводы, ходовые устройства и другие структурные элементы современных машин позволяют использовать одну и ту же их базовую часть для работы с различными видами сменного рабочего оборудования, нередко различного по назначению. Универсальность машин существенно расширяет область их применения, способствует их лучшему использованию по времени, особенно в условиях небольших объемов однотипных работ, выполняемых строительной организацией, более эффективной организации технического обслуживания. Универсальные машины классифицируют по основным видам выполняемых ими работ, определяемым по технико-эксплуатационным, экономическим и другим соображениям. Различают землеройные машины для отрывки и перемещения грунта в пределах зоны досягаемости рабочего оборудования (одно- и многоковшовые экскаваторы), землеройнотранспортные машины для послойной разработки грунта и перемещения его на большие расстояния (бульдозеры, скреперы, грейдеры, грейдерэлеваторы), машины для подготовительных работ, машины и оборудование для уплотнения грунтов, для бурения скважин, в том числе в прочных и мерзлых грунтах при их разрушении взрывом, оборудование для гидромеханической разработки, а также машины и оборудование для разработки грунтов в особых условиях. Машины для планировочных работ относятся к группе землеройно-транспортных машин и частично к экскаваторам (экскаваторы-планировщики). По режиму работы рассматриваемые машины бывают цикличного и непрерывного действий. К последним относятся многоковшовые экскаваторы, некоторые виды землеройно-транспортных машин, оборудование для гидромеханической разработки грунтов, а также некоторые виды машин для работы в особых условиях. Остальные машины работают в цикличном режиме, выполняя операции рабочего цикла последовательно или с их частичным совмещением во времени. По степени подвижности машины для земляных работ относятся большей частью к передвижным самоходным или прицепным, за исключением некоторых видов оборудования для уплотнения грунтов, бурения скважин под взрыв, оборудования гидромеханизации, а также некоторых машин и оборудования для работы в особых условиях. Эти машины длительное время работают на одной строительной площадке, они не имеют собственных ходовых устройств и по этим признакам относятся к полустационар, 189 ным. По другим признакам на машины для земляных работ распространяются положения, приведенные ранее в общей классификации строительных машин. 4.2 Взаимодействие рабочего органа с грунтом Рабочие органы, с помощью которых грунт отделяется от массива (зубья ковшей, бульдозерных отвалов, рыхлителей – рис. 4.1, а), называют землеройными. В конструкциях землеройных и землеройно-транспортных машин, рабочий процесс которых состоит из последовательно выполняемых операций отделения грунта от массива, его перемещения и отсыпки, землеройные рабочие органы совмещают с транспортирующими — ковшами (экскаваторы, скреперы) или отвалами (бульдозеры, грейдеры), называя первые ковшовыми, а вторые — отвальными. Ковшовый рабочий орган представляет собой емкость с режущей кромкой, оснащенной зубьями (рис. 4.1, б...г, е) или без них (рис. 4.1, д, ж, з). Рис. 4.1. Основные виды рабочих органов машин для земляных работ: а–зуб рыхлителя; б...ж – экскаваторные ковши прямой и обратной лопат, драглайна, погрузчика, грейфера, планировщика; з – ковш скрепера; и – отвал бульдозера Ковши с режущими кромками без зубьев чаще всего применяют для разработки малосвязанных песков и супесей, а ковши с зубьями – в основном для разработки суглинков, глин и прочих скальных грунтов. В режиме разработки грунта ковш перемещается так, что его режущая кромка или зубья внедряются в грунт, отделяя его от массива. Разрыхлен, 190 ный грунт поступает в ковш для последующего перемещения в нем к месту разгрузки. Отвальные рабочие органы оборудуют в нижней части ножами (рис. 4.1, и), в этом случае их называют ножевыми. Для разрушения более прочных грунтов на ножи дополнительно устанавливают зубья. Рабочий процесс отвального рабочего органа аналогичен описанному выше. Режущая часть землеройного рабочего органа имеет форму заостренного клина (рис. 4.2), ограниченного передней 1 и задней 3 гранями. Линию пересечения этих граней 2 называют режущей кромкой. Параметрами режущего клина служат: угол заострения V, угол резания δ и задний угол θ. Углы δ и θ образуются наклоном соответственно передней и задней граней к направлению движения режущего клина, а угол заострения v= δ-θ. Рис. 4.2. Параметры режущего клина Внедряясь в грунт, режущий клин отделяет его часть, называемую стружкой. Форма и размеры последней зависят от вида разрабатываемого грунта (рис. 4.3, а,...,в). Рис. 4.3. Характерные формы грунтовых стружек при разработке пластичных (а); сыпучих (б) и скалывающихся (в) грунтов; поперечное сечение прорези в грунте после проходки режущего клина (г) После проходки режущего клина в грунте образуется выемка с трапецеидальным поперечным сечением, расширяющимся кверху (рис. 4.3, г). Грунт отделяется от массива по граничным поверхностям выемки путем сдвига по части периметра ВСDЕ и отрывом по поверхностям АВ и ЕF. Соотношения размеров поперечного сечения выемки различны для разных грунтов: скалывающимся связным грунтам соответствуют большие, а пластичным грунтам – меньшие расширения грунтовой прорези в ее верхней части. Экспериментально установлено, что для одних и тех же грунтов при определенной ширине режущей кромки b с увеличением толщины среза с приложенные к рабочему органу усилия растут медленнее площади поперечного сечения выемки. Такая закономерность, характеризуемая сниже, 191 нием энергоемкости рассматриваемого процесса при увеличении толщины среза, наблюдается до определенного предела с=скр, называемого критической глубиной резания. При дальнейшем увеличении толщины среза энергоемкость процесса возрастает. При этом изменяется в основном глубина центральной части прорези (штриховая линия на рис. 4.3, г), а размер по верхней части практически остается неизменным. Следовательно, для снижения энергоемкости разработки грунта толщину среза необходимо поддерживать на уровне ее критического значения. Этого добиваются как при эксплуатации машин путем управления рабочими движениями, так и при создании машин подбором соответствующей ширины режущей кромки землеройного рабочего органа. Обычно грунты разрабатывают послойно, снимая последующий слой после предыдущей проходки рабочего органа или серии таких проходок. Перед снятием очередного слоя, кроме первого, подлежащая разработке поверхность грунта представляет собой чередующиеся гребни и впадины, образованные в результате предыдущих проходок (рис. 4.4). При последующей разработке грунта по гребням (рис. 4.4, а) затрачивается меньше энергии, чем при разработке по впадинам (рис. 4.4, б) вследствие того, что во втором случае преодолеваются в основном сопротивления сдвигу грунта, которые по удельным значениям (на единицу площади поверхности, по которой происходит отделение грунта) значительно превосходят сопротивления отрыву грунта, характерные для первого случая. Рис. 4.4. Поперечные сечения грунтовых прорезей при послойной разработке грунтов с расположением режущих рабочих органов (зубьев) по гребням (а) и впадинам (б), образованным после предыдущей проходки Первая схема также предпочтительна по суммарной площади поперечного сечения отделенного от массива грунта, а следовательно, она обеспечивает более высокую производительность. Результаты этого анализа широко используются в практике разработки грунтов, а также при проектировании рабочих органов многоковшовых экскаваторов, где режущие элементы располагаются в определенном порядке, обеспечивающем минимум энергоемкости землеройного процесса. В рассмотренном взаимодействии режущего клина с грунтом предполагалось наличие на рабочем органе режущей кромки, что возможно только в случае острых режущих органов. В процессе эксплуатации землерой, 192 ные рабочие органы (зубья, режущие кромки ковшей, ножи бульдозерных отвалов и т. п.), взаимодействуя с грунтом, обладающим абразивными свойствами, изнашиваются и затупляются. При этом между передней и задней гранями режущего рабочего органа образуется поверхность, близкая к цилиндрической, без явно выраженной режущей кромки. При разработке грунта таким рабочим органом в зоне поверхности затупления образуется грунтовый нарост – ядро 1 (рис. 4.5), которое перемещается вместе с рабочим органом, как бы восполняя его изношенную часть. Перемещаемая вверх по передней грани режущего рабочего органа стружка будет отделяться от массива по поверхности, расположенной несколько выше следа рабочего органа в соответствии с формой и размерами грунтового ядра. Часть грунта 2 между поверхностью раздела и следом рабочего органа при проходке последнего уплотнится в оставшийся массив грунта. Из сравнения взаимодействия с грунтом острого и затупленного рабочих органов следует, что в последнем случае возникают дополнительные сопротивления уплотнению землеройного рабочего органа грунта и повышеРис. 4.5. Взаимодействие с грунтом грунта и повышенных сил трения между затупленного рабочего органа грунтом и уплотненным ядром, а также между ядром и отделяемой стружкой. С увеличением затупления режущего рабочего органа энергоемкость процесса разработки грунта возрастает. Для повышения износостойкости режущих рабочих органов переднюю грань упрочняют твердым сплавом в виде наплавок износостойкими электродами или напаек из металлокерамических твердосплавных пластин. Последние более эффективны по сравнению с наплавками. Они обладают высокой твердостью (несколько выше твердости оксида кремния, содержащегося в песчаных грунтах), но подвержены хрупкому разрушению при встрече с валунами. Упрочненные по передней грани землеройные рабочие органы обладают эффектом самозатачивания, который проявляется в том, что державка рабочего органа 1 (рис. 4.6), имеющая более низкую твердость по сравнению с упрочняющим слоем 2, изнашивается быстрее последнего (формы износа показаны на рис. 4.6 тонкими линиями), так что рабочий орган во все время работы остается практически острым с затуплением лишь по толщине упрочняющего слоя. Такие рабочие органы обеспечивают менее энергоемкую разработку грунта по сравнению с рабочими органами без упрочнения. Процессу отделения грунта от массива, называемому резанием, сопутствует перемещение грунта перед рабочим органом или нему. Совокупность этих процессов называют копанием. При копании рабочий орган воздействует на грунт силой F - (рис. 4.7), преодолевая сопротивления грунта R01 . Касательную составляющую последнего R01 (кН ) на направление движения рабоче- Рис. 4.6. Схема самозатачивания органа численно равную касательной силе землеройного рабочего органа , 193 копания, определяют выражением R 01  k 1bc , (4.1) где k1 – коэффициент пропорциональности, называемый удельным сопротивлением грунта копанию, кПа; при разработке песков, легких и средних супесей и суглинков одноковшовым экскаватором k1 =18...80 кПа, а при разработке тех же грунтов траншейным многоковшовым экскаватором k1 = 70...230 кПа; при разработке теми же способами тяжелых и очень тяжелых глин соответственно k1=220... 400 кПа и k1=650...800 кПа; b и с − ширина и толщина стружки, м. Рис.4.7. Схема сил рабочего По существу, удельным сопротивлением органа грунта копанию определяется трудность его разработки. По этому критерию, а также по средней плотности в плотном состоянии грунты делят на группы, используемые для определения норм выработки при механизированных земляных работах. Согласно этой классификации одни и те же грунты могут быть отнесены к различным группам в зависимости от того, какими машинами они разрабатываются. Это затрудняет сравнительную оценку землеройных машин, реализующих различные способы разработки грунтов, в связи с чем при проектировании и испытаниях указанных машин пользуются научно обоснованной классификацией не мерзлых землистых грунтов по методу проф. А. Н. Зеленина, в основу которой положена сопротивляемость грунтов внедрению в них плоского штампа — стержня (табл. 4.1). Таблица 4.1 Характеристики грунтов Категория грунта (по А. Н. Зеленину) I II Вид грунта Песок, супесь, суглинок мягкий, средней крепости влажный и разрыхленный без включений Суглинок без включений, гравий мелкий и средний, глина мягкая влажная или разрыхленная Плотность, Т/м3 Коэффициент разрыхления 1,2...1,5 1,08...1,17 1,4...1,9 1,14...1,28 , Удельное сопротивление резанию, кПа Удельное сопротвление копанию, кПа, при разработке грунта прямыми и обратными лопатами драглайнами 12...65 18…80 30…120 58…130 70…180 120…25 194 III IV V VI VII VIII Суглинок крепкий, глина средней крепости влажная или разрыхленная, аргиллиты и алевролиты Суглинок крепкий со щебнем или галькой, глина крепкая и очень крепкая влажная, Сланцы, конгломе раты, глина и лёсс отвердевшие, очень крепкие, мел, гипс, песчаники, известняки мягкие, скальные и мерзлые породы, хорошо взорванные Ракушечники и конгломераты, сланцы крепкие, известняки, песчаники средней крепости, мел, гипс, опоки и мергель очень крепкие Известняки, мерзлый грунт средней крепости Скальные и мерзлые породы, (куски неболее 0,3 ширины ковша) 1,6...2 1,24...1,3 120…200 160…280 220…40 1,9...2,2 1,26...1,37 180…300 220…400 280…49 2,2...2,5 1,3...1,42 280…500 330…650 400…75 2,2...2,6 1,4...1,45 400…800 450… 950 550..100 2,3...2,6 1,4...1,45 1000.. 3500 1200…4000 1400…4 500 2,5...2,8 1,4...1,6 220…250 230…31 - Согласно этой классификации грунты делят на восемь категорий, из которых первые четыре разрабатываются машинами в состоянии природной плотности, а для разработки грунтов V...VII категорий их предварительно разрыхляют, преимущественно взрывом. Нормальная составляющая сила сопротивления грунта копанию (кН) R02  R01 , (4.2) где ψ – коэффициент пропорциональности; например, для одноковшовых экскаваторов, работающих в однородных грунтах, ψ = 0,1...0,15; при рабо- , 195 те в неоднородных грунтах и тупой режущей кромке значения ψ увеличиваются в 1,5...2 раза и более. Боковая составляющая сопротивления грунта копанию F03 , численно равная боковой силе копания F3 , возникает лишь в случае разработки неоднородных по ширине режущей кромки грунтов, а также когда режущая кромка наклонена к направлению движения под углом, отличным от прямого — косое резание Влияние этих сил на энергетические характеристики процесса будет рассмотрено ниже при изучении взаимодействия с грунтом наклонного в плане отвала бульдозера. В случае необходимости выделения из усилия R 1 силы резания F р ее абсолютное значение (кН) F Р  k 1 bh , (4.3) где k1, – удельное сопротивление грунта резанию, кПа (см. табл. 4.1); b, h – ширина и толщина срезаемой стружки. Сила сопротивления перемещению призмы волочения  , Fnp  Vпр g м  F p f тр   коэффициент трения гдеVпр  объем грунта в призме волочения; f mp грунта по грунту в призме волочения;  м  плотность материала. Объем грунта в призме волочения в конце копания Vпр  ВН 2 кпроп , где В, Н  длина и высота отвала; к проп  коэффициент пропорциональности изменяется в пределах от 0,65 до 0,6 для связных и от 0,45 до 0,35 для несвязных (типа песков и супесей) грунтов. Толщина срезаемой стружки может быть определена по формуле h  qk н /(lн bk раз ) , где q  емкость ковша; k н  коэффициент наполнения; lн  длина заполнения; b  ширина срезаемой стружки; k раз  коэффициент разрыхления. При механической разработке осуществляются два процесса: резание и копания. Толщина стружки может изменяться по длине траектории. В процессе резания грунта рабочему органу сообщается движение в двух направлениях: вдоль забоя и перпендикулярно ей. Движение по первому направлению называется основным, так как в результате его срезается стружка. Движение по второму направлению называется движением подачи, определяющим толщину стружки и тем самым загрузку рабочего органа. Копанием называется процесс, включающий резание грунта и перемещение его разрушенной части перед рабочим органом. Как отмечалось выше, землеройные рабочие органы обычно объединяют с транспортирующими ковшовыми или отвальными органами, конструкция, форма и размеры которых должны удовлетворять требованиям землеройного процесса. Основным параметром ковша является его вме, 196 стимость, которая должна быть достаточной для накопления в нем грунта, отрытого за один рабочий цикл. Рассчитывая вместимость ковша, учитывают, что при разрыхлении грунт увеличивается в объеме. Это увеличение характеризуется коэффициентом разрыхления (см. табл. 4.1), равным отношению объемов грунта определенной массы после и до разрыхления. Ту же способность накапливать грунт перед отвальным рабочим органом оценивают длиной и высотой последнего, а также размерами боковых щек и открылков. При расчете этих размеров кроме разрыхляемости грунта учитывают его способность сохранять устойчивое положение в естественном откосе, характеризуемую либо крутизной откоса, равной отношению его заложения к высоте, либо углом естественного откоса по отношению к горизонту, который изменяется для сухих грунтов от 25° (для мелких песков) до 50° (для суглинков). С повышением влажности этот коэффициент уменьшается в большей мере для связных глинистых, растительных и торфянистых грунтов, составляя 14...15° в их мокром состоянии, в меньшей мере для малосвязных песке суглинков и гравия — 20...35°. Большая часть грунтов, особенно влажных, обладает способностью прилипать к рабочим поверхностям землеройных транспортирующих рабочих органов. При разгрузке часть грунта остается на внутренних поверхностях рабочего органа, вследствие чего уменьшается его вместимость, повышаются сопротивления перемещению грунта по рабочему органу, снижается производительность землеройной машины. Это свойство грунтов учитывают при конструировании и изготовлении землеройных рабочих органов, придавая им соответствующие формы, а также оборудуя их специальными очистными устройствами. В процессе эксплуатации землеройных машин их рабочие органы периодически очищают внешними средствами, кроме того, осуществляют газовую и жидкостную смазки рабочих поверхностей землеройных органов, их облицовку полимерами и др. Однако широкого промышленного применения последние три способа пока не получили из-за их дороговизны и сложной технологии производства. Описанное выше взаимодействие землеройных рабочих органов с грунтом справедливо главным образом для грунтов не мерзлого состояния. При замерзании свойства грунтов изменяются прежде всего из-за цементирующего влияния замерзшей воды, находящейся в их порах, повышаются их прочность, абразивность, связность. Разработка таких грунтов традиционными способами становится малоэффективной. 4.3. Экскаваторы Экскаватором называют землеройную машину, выполняющую операции по отделению грунта от массива и перемещению его в отвал или транспортные средства в пределах зоны досягаемости рабочего оборудования. Экскаваторы оборудуют одним или несколькими ковшами. В первом случае их называют одноковшовыми, во втором — многоковшовыми. , 197 Одноковшовые экскаваторы. Рабочий процесс одноковшового экскаватора (экскавация) состоит из последовательно выполняемых операций: отделения грунта от массива, заполнения им ковша, транспортирования грунта в ковше к месту разгрузки, разгрузки грунта из ковша, возвращения последнего в забой на исходную позицию. Совокупность этих операций составляет рабочий цикл экскаватора, в результате выполнения которого выдается одна порция продукции в объеме разгруженного из ковша грунта. По этому признаку в соответствии с принятой ранее классификацией строительных машин одноковшовые экскаваторы относят к машинам цикличного действия. По назначению одноковшовые экскаваторы делят на строительные – для выполнения земляных работ, погрузки и разгрузки сыпучих материалов; строительно-карьерные – для выполнения работ по назначению строительных экскаваторов, а также для разработки карьеров строительных материалов и добычи полезных ископаемых открытым способом; карьерные – для работы в карьерах; вскрышные – для снятия верхнего слоя грунта или горной породы перед карьерной разработкой; туннельные и шахтные − для работы под землей при строительстве подземных сооружений и разработке полезных ископаемых. Одноковшовые экскаваторы могут разрабатывать грунты выше 8 (рис. 4.7) и ниже 9 уровня своей стоянки соответственно рабочим оборудованием прямой и обратной лопат. Рис. 4.7. Базовая часть одноковшового экскаватора и основные виды рабочего оборудования: 1− кабина; 2− рама; 3,5−поворотная платформа; 4− движитель; 6−противовкс 7− двигатель; 8, 9− ковш прямой и обратной лопатой; 10− грейфер; 11, 12 − драглайна Для увеличения рабочей зоны, например, при разработке котлованов больших размеров, на погрузочных и разгрузочных, а также на вскрышных работах на экскаваторы устанавливают рабочее оборудование драглайна 12. Для отрывки глубоких котлованов, ям, колодцев используют рабочее оборудование грейфера 10, для планировочных работ — специальное планировочное оборудование и т. п. На экскаваторы может быть установлено также крановое, сваебойное и другое сменное рабочее оборудование — всего более 40 видов. Одноковшовый экскаватор может иметь только один вид рабочего оборудования или комплектоваться его сменными видами, устанавливаемыми , 198 на машину в зависимости от выполняемых работ. В первом случае экскаваторы называют специальными, а во втором – универсальными. К последним относится большинство строительных экскаваторов. В нашей стране более 90 % выпускаемых одноковшовых экскаваторов являются универсальными. Используемые на массовых разработках горных пород открытым способом специальные карьерные экскаваторы имеют только один вид рабочего оборудования — прямую лопату. Вскрышные экскаваторы имеют одинаковую с карьерными машинами базу и отличаются от последних главным образом размерами рабочего оборудования — ковшом большей вместимости, увеличенным его вылетом –расстоянием от оси вращения экскаватора до центра масс ковша. Это позволяет более полно использовать энергетические параметры силовой установки, прочностной ресурс машины и другие характеристики с целью получения наибольшей производительности на разработке вскрышных грунтов, менее прочных по сравнению с залегающей под ними горной породой. Для работы в карьерах широко применяют мощные шагающие драглайны, которые используют как на погрузке взорванной породы, так и на вскрышных работах. Карьерные и вскрышные экскаваторы, а также шагающие драглайны относятся к горным машинам. Однако их широко используют на строительстве крупных земляных сооружений, например плотин, дамб, водохранилищ, каналов и т. п. Одноковшовые экскаваторы различают по исполнению рабочего оборудования, элементы которого могут быть соединены между собой и с базой машины шарнирами и канатами или иметь жесткие шарнирные сочленения. Последние присущи гидравлическим экскаваторам. Жесткое сочленение позволяет более полно использовать массу экскаватора для реализации больших усилий на зубьях ковша, благодаря чему представляется возможным разрабатывать грунты с повышенными площадями поперечных сечений срезов; что существенно повышает производительность этих машин. Гидравлический привод одноковшовых экскаваторов обеспечивает рабочему оборудованию большую маневренность, позволяет выбирать более рациональные рабочие движения. Благодаря существенным преимуществам перед канатными машинами гидравлические экскаваторы в общем объеме производства одноковшовых экскаваторов в нашей стране составляют более 80 %. В отдельную группу по рассматриваемому признаку выделяют экскаваторы с телескопическим оборудованием, применяемым в конструкциях экскаваторов-планировщиков 11 (см. рис. 4.7), с помощью которых выполняют планировочные, зачистные и обычные экскавационные работы. Одноковшовые экскаваторы изготовляют как самоходные машины, способные передвигаться в пределах строительной площадки, а также при смене строительного объекта. Для передвижения по грунтам с пониженной несущей способностью применяют гусеничные ходовые устройства с увеличенной опорной поверхностью. При частой смене строительных объектов для придания экскаваторам большей мобильности их оборудуют пнев, 199 моколесными ходовыми устройствами, используя для этого также автомобильную или тракторную базу, или специальные шасси автомобильного типа. Карьерные и вскрышные экскаваторы оборудуют, как правило, гусеничными ходовыми устройствами, а мощные драглайны — шагающим ходом с развитой поверхностью опорной рамы, что позволяет снизить удельное давление машины на грунт до допустимых значений. По возможности вращения поворотной части различают полноповоротные (с неограниченными угловыми перемещениями) и неполноповоротные (с ограниченными угловыми перемещениями) экскаваторы. Неполноповоротными изготовляют лишь экскаваторы на базе пневмоколесных тракторов, все остальные одноковшовые экскаваторы изготовляют полноповоротными. По числу установленных двигателей различают одно- и многомоторные экскаваторы. К одномоторным относят также экскаваторы с несколькими двигателями, работающими на один вал. Одноковшовые строительные экскаваторы оборудуют преимущественно одномоторной силовой установкой с механическим, гидромеханическим или гидравлическим приводом. Лишь отдельные модели экскаваторов с канатной подвеской рабочего оборудования имеют многомоторный привод. Карьерные и вскрышные экскаваторы, а также шагающие драглайны оборудуют многомоторным электроприводом постоянного тока с питанием от сети высокого напряжения. Главным параметром одноковшового экскаватора является вместимость ковша, которая совместно с продолжительностью рабочего цикла определяет производительность экскаватора. Каждой вместимости строительного универсального экскаватора соответствует определенная размерная группа: Для других типов экскаваторов такое соответствие не регламентировано. На гидравлических экскаваторах устанавливают ковши больше или меньше приведенных вместимостей. По назначению и области применения одноковшовые экскаваторы можно разделить на четыре типа. – экскаваторы строительные общего назначения, оснащаемые ковшами вместимостью от 0,15 до 5 м 3 и находящие самое широкое применение в промышленном и жилищном строительстве. Обозначаются они индексом «ЭО»; – экскаваторы карьерные, гусеничные, используемые для добычи полезных ископаемых на открытых разработках и в карьерах. Машины оснащаются ковшами вместимостью от 2 до 8 м 3 и обозначаются ЭКГ; – экскаваторы вскрышные гусеничные, предназначенные для производства вскрышных работ на угольных разрезах и открытых разработках в горной промышленности, оснащаемые ковшами вместимостью от 6 до 160 м 3 . Такие машины обозначаются ЭВГ; – шагающие экскаваторы-драглайны ЭШ с большим вылетом крюка. Такие экскаваторы оснащаются ковшами от 4 до 200 м 3 . , 200 В соответствии с принятой в 1968 г. системой индексации одноковшовые строительные экскаваторы обозначают индексами, состоящими из двух заглавных букв ЭО (экскаватор одноковшовый универсальный) и через дефис обязательных четырех цифр, которые соответственно определяют: размерную группу экскаватора, тип ходового устройства, конструктивное исполнение рабочего оборудования, порядковый номер модели данного типа и исполнения. Для обозначения типа ходового устройства применяют индексы: 1 – гусеничное, 2 – гусеничное с увеличенной опорной поверхностью, 3 – пневмоколесное, 4 – специальное шасси автомобильного типа, 5 – шасси грузового автомобиля, 6 – на базе трактора и т. д., а исполнения рабочего оборудования: 1 – рабочее оборудование с канатной подвеской, 2 – то же, с жесткой подвеской, 3 – то же, телескопическое. Например, ЭО-4123 означает: экскаватор одноковшовый универсальный четвертой размерной группы (вместимость основного ковша 1,0 м3) с гусеничным ходовым устройством и жесткой гидравлической подвеской рабочего оборудования, модель 3. Буквами после цифр обозначают очередную модернизацию экскаватора А, Б, В и т. д. и специальное климатическое исполнение (ХЛ – северное, Т – тропическое, ТВ – тропическое влажное), рис. 4. 8. Рис.4.8. Структура индексация одноковшовых экскаваторов Строительные экскаваторы, выпущенные до 1968 г., имеют другую структуру индексов, например, Э-652Б, что означает: экскаватор одноковшовый универсальный с ковшом вместимостью 0,65 м3 второй модели, прошедший вторую модернизацию. Индексы карьерных и вскрышных экскаваторов строят по типу ЭГ-12 (экскаватор гидравлический с ковшом вместимостью 12 м3), ЭШ.20/90 (экскаватор-драглайн шагающий с ковшом вместимостью 20 м3 и стрелой длиной 90 м) и т. д. Различие экскаваторов по вместимости ковша велико от 0,15…0,25 до 200 м 3 . Универсальный одноковшовый неполноповоротный гидравлический экскаватор ЭО-2621А на базе пневмоколесного трактора «Беларусь» имеет емкость ковша 0,25…0,5 м 3 , мощность двигателя 50 кВт, рис. 4 9. , 201 Рис.4.9. Неполноповоротный гидравлический одноковшовый экскаватор ЭО 2621А на базе пневмоколесного трактора «Беларусь»: 1, 5,8,11− гидроцилиндры; 2− платформа; 3,4−опорно-поворотное устройство; 6− противовес; 7− отвал; 10− рукоять Независимо от вида рабочего оборудования, за исключением машин, изготовленных на базе пневмоколесных тракторов, все одноковшовые экскаваторы имеют структурно одинаковую базовую часть, состоящую из нижней рамы 5 (см. рис. 4.7) с ходовым устройством 4 и поворотной платформы 2 с кабиной I, силовой установкой 7 и противовесом 6. Поворотная платформа опирается на нижнюю раму и без ограничений поворачивается на ней с помощью опорно-поворотного устройства 3, по конструкции и принципу работы сходного с аналогичными устройствами для башенных и автомобильных кранов. Прямая лопата. Как уже отмечалось ранее, рабочее оборудование прямой лопаты применяют для экскавации грунтов выше уровня стоянки экскаватора. Строительные экскаваторы с этим видом рабочего оборудования имеют ковши вместимостью до 3,2 м3—с канатной и до 1,6 м3 – с гидравлической подвеской, а карьерные и вскрышные экскаваторы − до 20 м3. Рабочее оборудование экскаватора включает стрелу, рукоять и ковш со сплошной режущей кромкой в верхней части его лобовой стенки или оснащенной зубьями. У канатных экскаваторов (рис. 4.10, а) стрела 13 своей нижней частью (пятой) соединена цилиндрическим шарниром с поворотной платформой 1 в ее передней части, а верхней головной частью она подвешена канатом 4 стрелоподъемной лебедки 2 к двуногой стойке 3. С помощью этой лебедки изменяют угол наклона стрелы к плоскости опорной поверхности экскаватора в интервале 45...60°. Рукоять 10 с закрепленным на ней ковшом 7 опирается на стрелу через устройство 77, называемое седловым подшипником и позволяющее ей изменять свой вылет, а также поворачиваться относительно стрелы в одной с ней плоскости. Рукояти бывают однобалочными (рис. 4.10, б) при двухбалочной стреле и двухбалочными (рис. 4.10, б) при однобалочной стреле. Ковш представляет собой прямоугольную в плане емкость, слегка расширяющуюся книзу, с открывающимся днищем 8 (см. рис. 4.10, а), которое фиксируют в закрытом положении подпружиненным засовом, установленным внизу лобовой стенки ковша. Задней частью через проушины ковш крепят к рукояти, а его наклон к последней регулируют тягами 9, переставляя их из среднего поло, 202 жения в отверстия на рукояти ближе к ковшу при работе в плотных грунтах или дальше от ковша при работе в легких грунтах и в низких забоях, соответственно уменьшая или увеличивая угол резания. Через уравнительный блок 18 (рис. 4.10, б, в), установленный на задней стенке ковша (рис. 4.10, б) или на коромысле 24 (рис. 4.10, в), ковш подвешивают к полиспасту 6 подъемной лебедки 12. Рабочие движения канатных одноковшовых экскаваторов в режиме экскавации грунта обеспечиваются механизмами подъема ковша, напора, поворота и открывания днища ковша. Для выработки требований, предъявляемых к этим механизмам, рассмотрим рабочий процесс экскаватора. Рис.4.10. Одноковшовый экскаватор с рабочим оборудованием прямой лопаты: а− конструктивная схема; б,в− схемы напорных механизмов; г− кинематическая схема механизма открывания днища ковша; д− схема экскаватора с маятниковой подвеской рукояти к стреле; 1− поворотная платформа; 2− лебедка; 3− двуногая стойка; 4, 6− канат; 5− блок; 7−ковш; 8− днище ковша; 9−тяги; 10, 21− рукоять; 11− седловидный подшипник; 12,14−лебедки; 13− стрела; 15,22 −цепная передача; 16, 18, 29− блоки; 17, 19, 20,30− трос; 23− зубчатые колеса; 24− коромысло ковша; 25, 26, 27, 28− механизмы открывания и закрывания днища ковша; 31,32 – рычажные механизмы управления днищем ковша Для начала экскавации машину устанавливают ближе к забою и опускают ковш до уровня стоянки (рис. 4.11, положение 1). Далее, при совместной работе механизмов подъема и напора ковша последний перемещают по траектории 1, имеющей вид трохоиды, заполняя его грунтом, отделяемым от забоя. По заполнению ковша напорное движение заменяют на возвратное, незначительно отодвигая ковш от забоя, чтобы при последующем его боковом перемещении исключить задевание за забой. Далее поворотом платформы перемещают ковш с грунтом к месту разгрузки. В зависимости от взаимного расположения экскаватора и отвала или транспортного средства обычно одновременно с поворотным движением наводят ковш на цель, после чего открыванием днища его разгружают. Далее включают возвратное движение поворотного и напорного механизмов, а , 203 барабан подъемной лебедки растормаживают, давая ковшу возможность свободно опуститься до уровня стоянки экскаватора. Механизмы переключают на начало копания, когда ковш займет исходную позицию для выполнения следующего рабочего цикла. Новое исходное положение ковша не совпадает с предыдущим. Оно зависит от принятой схемы копания. Так, при работе веерной схемой каждое новое положение Б (рис. 4.10, б) выбирают как смежное с предыдущим А. Этого достигают смещением поворотного движения по отношению к предыдущему на угол  . Рис. 4.11. Схема разработки грунта одноковшовым экскаватором с рабочим оборудованием прямой лопаты: а) − вид экскаватора сбоку; б) − вид экскаватора сверху После отработки первого слоя забоя по всему фронту, определяемому углом  , исходное положение ковша I I (см. рис. 4.10, а) приближают к забою, перемещая далее ковш из этого положения по траектории 2, и т. д. После отработки забоя в пределах досягаемости рабочего оборудования (элемента забоя) экскаватор перемещают на новую стоянку. Толщина среза, а следовательно, сопротивление грунта копанию и текущее значение развиваемой силовой установкой мощности зависят от напорного перемещения, которое не остается постоянным при переходе от одной траектории к другой, а также при отработке различных по высоте забоев. При постоянной скорости этого движения, реализуемой экскаваторным приводом, требуемых напорных перемещений добиваются периодическим выключением этого движения в течение копания. Изложенное позволяет сформулировать следующие требования к механизмам экскаватора. Механизм подъема ковша должен обеспечивать подъем ковша, удерживать его в фиксированном положении, а также обеспечивать гравитационное опускание ковша. С этой целью для одномотор, 204 ных экскаваторов его выполняют в виде нереверсивной, а для многомоторных экскаваторов в виде реверсивной лебедок, оборудованных тормозами. Механизм напора должен обеспечивать перемещение рукояти в прямом (на забой) и возвратном (от забоя) направлениях, а также ее фиксирование на определенном вылете при временном отключении напора в процессе копания грунта и для удержания рукояти от произвольного опускания во время транспортной операции. Этот механизм выполняют в двух вариантах: при однобалочной рукояти – в виде реверсивной лебедки, при двухбалочной рукояти – в виде реверсивной зубчато-реечной передачи. По первому варианту (см. рис. 4.10, б) барабан 14 напорной лебедки, приводимый в прямое или возвратное вращение от силовой установки с помощью цепной передачи 15, устанавливают соосно с шарнирами пяты стрелы. Напорные канаты 19, обогнув блоки 16, установленные на стреле в ее средней части, закрепляются в хвостовой части рукояти, а канат возвратного движения 20 — в ее передней части, у ковша. Эта канатная система обеспечивает перемещение рукояти в направлении увеличения ее вылета и в возвратном при соответствующих вращениях барабана в прямом (по часовой стрелке) и возвратном направлениях. В большинстве случаев на экскаваторах с канатным напором свободную ветвь 17 подъемного каната закрепляют на напорном барабане (см. рис. 4.9, б), обеспечивая этим монотонную зависимость напорного усилия от подъемного — с увеличением сопротивления грунта копанию возрастает также усилие в подъемном полиспасте, а следовательно, и в ветви 17, в результате чего увеличивается крутящий момент на напорном барабане. Этим достигается плавная работа подъемного и напорного механизмов, легкость управления рабочими движениями ковша при копании. При врезании ковша в твердый грунт с поверхности земли, а также для выдвижения максимально подтянутой к головным блокам 5 рукояти с груженым ковшом, когда усилия в канате 17 недостаточно для ее выдвижения, дополнительно используют крутящий момент, передаваемый напорному барабану цепной передачей 15. По второму варианту (см. рис. 4.10, в) независимое от подъемного напорное движение рукояти передается от силовой установки через систему двух цепных передач 15 и 22 и пар шестерни 23 — зубчатые рейки 21, установленные на нижних полках балок рукояти. В любом варианте напорные механизмы оборудуют тормозами для фиксирования положения рукояти относительно стрелы. Механизм поворота должен обеспечивать прямое (на разгрузку) и возвратное (в забой) вращения поворотной платформы. С целью снижения непроизводительных затрат времени на поворотные движения, которые в среднем составляют более 2/3 продолжительности рабочего цикла, используют режимы ускоренного разгона и торможения. В режиме копания платформа должна быть зафиксирована в заданном положении с целью предотвращения ее самопроизвольного вращения от неуравновешенных относи, 205 тельно оси вращения сил, для чего в кинематическую схему привода вводят тормоз. Для открывания днища ковша применяют канатные механизмы. На рис. 4.12, представлена схема конструкции ковша. К задней стенке ковша приварены проушины для пальцев 4 и 10, соединяющих ковш с рукоятью 6 и днище ковша с его корпусом, а также проушина для пальца 11, на котором шарнирно смонтирована обойма 9 блока подъема ковша. Задняя и боковые стенки усилены поясами 12. Днище ковша может поворачиваться вокруг пальца 4. При вертикальном положении рукояти (ковш опущен) днище закрыто и в закрытом положении удерживается засовом 14. Конец засова входит в отверстие прилива 2 передней части стенки под пружины, укрепленной в стакане 15 на днище. Чтобы открыть днище, нужно поднять ковш и выдернуть засов из отверстия прилива. При этом под действием собственного веса и находящегося в ковше грунта днище открывается. Для выдергивания засова используется механизм, который показан на рис. 4.13. Рис.4.12. Ковш и однобалочная рукоять прямой лопаты: 1− корпус; 2 − прилив; 3 − днище; 4,7,10,11 − пальцы; 5 − тяга; 6 − рукоять; 8 − брус; 9 −обойма; 12 − пояс; 13 − зубья; 14 − засов; 15 − стакан На стреле экскаватора установлен мембранный пневмотолкатель 3, шток которого шарнирно соединен с рычагом 2, качающимся на пальце. На другом конце рычага 2 укреплен оттяжной блок 1, огибаемый канатиком 4. Рис.4.13. Механизм открывания днища ковша экскаватора ЭО-4112: 1−блок;2,5− рычаги; 3− мембранный пневмотолкатель; 4−канатик;6−цепь , 206 Один конец канатика навит на компенсирующий барабан, установленный на напорном барабане, а второй закреплен на рычаге 5, соединенным цепью 6 с рычагом засова днище ковша. Блок 1 удерживается в крайнем правом положении пружиной, а рычаг 5 оттягивается вправо пружиной рычага засова днища. Натяжение канатика регулируется гайкой. При подаче сжатого воздуха в мембранный пневмотолкатель блок перемещается, и канат, поворачивая рычаг, вытягивает засов днища. Ходовой механизм включается в работу редко – только для передвижения экскаватора на новую стоянку после отработки элемента забоя и в случае перебазирования экскаватора на новую строительную площадку. При этом обычно ограничиваются малыми скоростями передвижения. Более высокие скорости используют на машинах, часто меняющих рабочие места. Еще реже работает стрелоподъемный механизм. Его выполняют в виде реверсивной лебедки с червячным или другим приводом, в состав которого входит специальная обгонная муфта, предохраняющая от резкого падения стрелы, что может привести к аварии машины. В случае одномоторного привода передача движения отдельным рабочим механизмам осуществляется посредством зубчатых и цепных пар. Для включения отдельных кинематических цепей используют фрикционные и кулачковые муфты. Например, дисковой фрикционной муфтой 22 (рис. 4.14) подключают к дизелю 21 главную передачу, состоящую из цепной передачи 23 и системы зубчатых колес 24, 27 и 35. Рис. 4.14. Кинематическая схема одноковшового экскаватора:1…20 − механизм передвижения; 21,22 −двигатель с муфтой; 23, 24, 27, 30, 34, 36, 38 − цепные и зубчатые передачи; 25,26, 28−конусные муфты; 29 − вал реверса главной лебедки; 31− кулачковая муфта; 32, 39 − барабаны; 33− тормоз; 36, 37, 40, 41 − муфты с тормозами; 42− муфта , 207 Для включения барабана 39 механизма подъема ковша и цепной передачи 38 напорного механизма применяют ленточные фрикционные муфты 41 и 36 соответственно. Ковш фиксируют на заданной высоте тормозом 40, а на заданном вылете — тормозом 37. Опускается ковш гравитационно после растормаживания барабана 39. Для возвратного движения рукояти при отключенной муфте 36 сначала кулачковой муфтой двустороннего действия 31 включают цепную передачу 30, а затем конусной фрикционной муфтой 28 — вал 29 подключают к главной передаче Теми же муфтами включают барабан 32 для подъема стрелы. Удерживают стрелу в заданном положении тормозом 33, а опускают за счет гравитационных сил после растормаживания барабана 32 при включенной главной передаче. Частота вращения барабана 32 и, следовательно, скорость опускания стрелы ограничиваются при этом обгонной муфтой 42, с которой барабан 32 связан цепной передачей 34. Для вращения поворотной платформы относительно центральной цапфы 11 приводят во вращение шестерню 12, которая, обегая вокруг жестко соединенного с нижней рамой зубчатого венца 10, увлекает за собой поворотную платформу. Для этого включают кулачковую муфту 19 и соответственно направлению вращения платформы одну из конусных фрикционных муфт 25 или 26. Поворот платформы на разгрузку ковша обычно выполняют на пониженной скорости, установив блок зубчатых колес 15 и 16 в верхнее положение и введя в зацепление зубчатые колеса 16 и 17, а поворот в забой — на повышенной скорости при зацеплении зубчатых колес 15 и 14. Для работы в тормозном режиме используют тормоз 18. Ходовой механизм включают кулачковой муфтой 20 и одной из муфт 25 или 2 соответственно направлению движения — вперед или назад. Как и ранее, скорости движения регулируют положением блока зубчатых колес 15 и 16. В случае прямолинейного движения включают обе кулачковые муфты 3 и 6 на валу 5, обеспечивая передачу движения звездочкам гусеничных цепей 1 и 8 посредством цепных передач 2 и 7. Для изменения направления движения одну из кулачковых муфт 3 или 6 отключают, вследствие чего движение будет передаваться только одной звездочке гусеничной тележки при остановленной второй звездочке. Ходовой механизм оборудован тормозом 4 и управляемым стопорным устройством 9, используемым как стояночный тормоз для удерживания машины на наклонных стоянках и предотвращения ее откатывания во время экскавационных работ. При многомоторном приводе, особенно в случае индивидуального привода каждого механизма отдельным двигателем, кинематические схемы существенно упрощаются. Например, на дизель-электрическом экскаваторе седьмой размерной группы только два механизма – подъема ковша и подъема стрелы — приводятся от одного электродвигателя, все остальные механизмы имеют индивидуальный привод. Все электродвигатели – реверсируемые, благодаря чему отпадает необходимость в механическом ревер, 208 се. Объединение механизмов подъема ковша и стрелы в одну приводную группу обосновано весьма редким использованием стрелоподъемного механизма. Барабаны этих механизмов посажены на один вал и включаются раздельно фрикционными муфтами. Весь привод напорного механизма с зубчато-реечными парами (рис. 4.13, в) монтируется на стреле, чем обеспечивается его компактность. Так же компактно, в зоне шестерни, обегающей зубчатый венец, установлен на платформе механизм ее поворота. Ходовой механизм выполнен в виде двух четырехступенчатых редукторов, быстроходные валы которых с помощью кулачковых муфт подключены к электродвигателю, а тихоходные валы – к ведущим звездочкам гусеничной тележки. При прямолинейном движении экскаватора к электродвигателю подключают оба редуктора, а при поворотах один редуктор отключают и стопорят его тормозом. Каждая из тележек ходового устройства может также приводиться в движение независимо от другой собственным двигателем. В этом случае повышается маневренность машины. Так, при включении одного двигателя на прямое, а другого на возвратное движение можно обеспечить разворот экскаватора на одном месте относительно собственной оси. Недостатком раздельного привода ходовых тележек является повышенная суммарная установочная мощность электродвигателей по сравнению с приводом от одного двигателя. Эту мощность назначают из условия обеспечения поворотного движения только одним двигателем, в то время как второй двигатель, служащий для привода остановленной гусеницы, в этом движении не участвует. В случае же привода обеих гусеничных тележек одним электродвигателем при остановке одной гусеницы вся его энергия направляется на привод второй, движущейся гусеницы. Элементы рабочего оборудования гидравлической полноповоротной лопаты (рис. 4.13 , а) соединены между собой и с пилоном 2 поворотной платформы 7 шарнирно. Положение стрелы 3 относительно платформы и рукояти 4 относительно стрелы регулируется гидроцилиндрами 10 и 9. Соединение ковша 5 с рукоятью выполняют в двух вариантах: жестким с помощью шарнира и тяг 7 и шарнирным (рис. 4.13, б). По первому варианту ковш разгружают через донную часть после открывания днища 6 гидроцилиндром 8, а по второму варианту — поворотом ковша тем же гидроцилиндром. Поворотный ковш обеспечивает более эффективную разработку грунта в конце операции копания, его применяют также для планировки забоев. Структура рабочего цикла гидравлических прямых лопат такая же, как и у канатных экскаваторов с этим видом рабочего оборудования, но рабочие движения существенно проще: подъемное движение ковша обеспечивается поворотом рукояти, а напорное — опусканием стрелы. По характеру рабочих движений гидравлические экскаваторы имеют аналоги среди канатных машин третьей размерной группы (см. рис. 4.10, д), у которых рукоять 33 соединена со стрелой 13 шарнирно (маятниковая подвеска). , 209 Поворотный механизм гидравлической лопаты приводится в движение от низко- или высокомоментных гидромоторов (см.1.11). В случае привода от высокомоментного гидромотора его вал соединяют с ведущей шестерней поворотного механизма непосредственно или через зубчатую передачу с небольшим передаточным числом. Недостатком высокомоментных гидромоторов по сравнению с низкомоментными является большая масса, а преимуществом — большая надежность из-за меньшего числа структурных элементов и меньшая инерционность из-за отсутствия быстроходных звеньев, благодаря чему улучшаются условия разгона и торможения поворотной платформы. Гусеничные ходовые устройства полноповоротных гидравлических экскаваторов оборудуют, как правило, раздельным приводом на каждую гусеничную тележку. Оценка эксплуатационных качеств такого привода была дана выше. Привод пневмоколесных ходовых устройств выполняют как одномоторным от низкомоментного гидромотора через коробку передач на задний и передний мосты, так и раздельным на каждое колесо от высокомоментных гидромоторов. В последнем случае ходовые качества машины существенно повышаются. Общий вид и принципиальная схема гидравлического экскаватора показаны на рис.4.15. в) Рис.4.15. Общий вид экскаватора с гидравлической прямой лопатой с неповоротным (а) − поворотным (б) −ковшом и принципиальная (в) −гидравлическая схема: 1− платформа; 2− пилон; 3−стрела; 4− рукоять; 5− ковш; 6− днища ковша; 7− тяга; 8,9, 10− гидроцилиндры , 210 Гидроцилиндры рабочего оборудования и гидромоторы поворотного и ходового механизмов питаются рабочей жидкостью от насосов, установленных на поворотной платформе и приводимых во вращение двигателем внутреннего сгорания, обычно дизелем. Последний располагают в задней части платформы, сокращая за счет этого массу противовеса. В состав гидравлической системы входят также масляные баки, распределительная, регулирующая и контрольная аппаратура. Существуют некоторые особенности экскавации грунта прямыми лопатами, влияющие на производительность последних. Совмещение операций поворотного движения экскаватора на разгрузку с маневровыми движениями подъемного и напорного механизмов у канатных экскаваторов, а также поворотом стрелы и рукояти – у гидравлических, поворотного движения с разгрузкой, а также поворотного возвратного движения с опусканием ковша сокращает продолжительность цикла, увеличивая тем самым производительность машины. Возможность этих совмещений зависит от квалификации машиниста. При прочих равных условиях разгрузка в отвал всегда производительнее разгрузки в транспортное средство. В первом случае размер полосы разгрузки не имеет строгих ограничений, в связи с чем эту операцию можно начинать еще до окончания поворотного движения и, не останавливаясь, переключать его на возвратное. Во втором случае разгрузку можно начинать только после того, как ковш будет установлен в соответствующее положение, а начинать возвратное поворотное движение – после окончания разгрузки, иначе неизбежны потери (просыпание) грунта. Чтобы не повредить рессорную подвеску и кузов транспортного средства, грунт разгружают с небольшой высоты. При разгрузке скалистых грунтов сначала ковш плавно опускают на дно кузова, а затем, открыв днище, также плавно поднимают его. При отработке низких забоев, когда к концу копания грунт заполняет менее половины вместимости ковша, целесообразно дополнить его повторением операции копания, а при большем заполнении необходимо доводить цикл до конца с неполным ковшом. Для оценки эксплуатационных возможностей прямых лопат наряду с такими параметрами, как производительность, максимальное усилие на зубьях ковша и др., пользуются рабочими размерами (рис. 4.16). Рис. 4.16. Канатный одноковшовый экскаватор с рабочим оборудованием обратной лопаты: 1, 2 – лебедки; 3− стойка; 4, 7−канат; 5− рукоять; 6− ковш; 8− блок; 9− стрела , 211 К ним относятся: максимальный радиус Rmax и максимальная высота Hmax копания, максимальный Rmax и минимальный Rmin радиусы копания на уровне стоянки экскаватора, максимальные радиус Rразгр max и высота Hразгр max разгрузки. Радиусы отсчитывают от оси вращения экскаватора, а высоты – от уровня его стоянки. Максимальной высотой копания оценивают, в частности, предельную высоту забоя, который способен разрабатывать экскаватор, а максимальной высотой разгрузки – предельную высоту транспортных средств, которые могут работать в комплекте с экскаватором. Обратная лопата. Одноковшовые экскаваторы с рабочим оборудованием обратной лопаты предназначены для отрывки грунта ниже уровня стоянки (разработка котлованов, траншей). Выпускаемые отечественной промышленностью обратные лопаты ограничены вместимостью ковша 1,4 м3 для канатных машин и 2 м3 — для гидравлических. Создаются мощные карьерные гидравлические обратные лопаты. Рабочее оборудование обратной лопаты включает стрелу, рукоять и ковш. Рукоять 5 (рис. 4.16) канатного экскаватора соединена со стрелой 9 шарниром на конце последней, а ковш 6 укреплен на конце рукояти. Кроме основных зубьев, установленных на козырьке ковша, последний оборудуют также подрезными боковыми зубьями. При разработке траншей эти зубья подрезают боковые стенки, предупреждая заклинивание ковша. Применяют также ковши с полукруглыми днищами и режущей кромкой вместо зубьев. Рабочие движения ковша обеспечиваются изменением длин тягового 7 и подъемного 4 полиспастов. Последний образован канатом и блоками, установленными на конце рукояти и головной части дополнительной стойки 3, служащей для отклонения подъемных канатов от стрелы. Нижним концом дополнительная стойка шарнирно закреплена на поворотной платформе в ее передней части, а верхним подвешена канатами к двуногой стойке. Подъемный канат навивают на барабан 1 подъемной лебедки, а тяговый, через блок 8 на стреле,— на барабан 2 тяговой лебедки. После отрывки пионерной выемки, в которую можно опустить ковш, последний устанавливают в исходную позицию на дно выемки (положение 1) Подтягивая далее тяговый канат и опуская подъемный, перемещают ковш кверху, разрабатывая грунт зубьями или режущими кромками и заполняя им ковш (положение 11). По достижении ковшом верхнего обреза выемки при заторможенном тяговом барабане подъемным полиспастом поднимают рабочее оборудование над выемкой (положение 111). В таком его положении поворачивают платформу на разгрузку. В зависимости от требований, предъявляемых к размерам полосы разгрузки, в конце поворотного движения или несколько раньше отпусканием тягового каната и выбором подъемного выбрасывают рукоять с ковшом вперед (положение IV) и, опрокидывая ковш, разгружают его. Возвратный поворот совмещают с опусканием рабочего оборудования путем отпускания подъемного полиспаста (положение 1). Сложени, 212 ем поворотных движений стрелы и рукояти режущие кромки ковша или его зубья могут занять любое положение в границах контура АВСD, которым определяются основные рабочие размеры: Rмах, Rmin, Hmax, Нразгр мах.. При переоборудовании универсального экскаватора с прямой лопаты на обратную кроме установки соответствующего рабочего оборудования переоборудуют также напорный механизм в тяговый. Стрелоподъемную лебедку используют для установки в требуемое положение дополнительной стойки. У гидравлических экскаваторов второй – четвертой размерных групп обратная лопата является основным видом рабочего оборудования. Ее стрелу чаще всего выполняют из двух секций – коренной 2 (рис. 4.17, а) и удлиняющей 4 – соединенных между собой шарниром и тягой 3. Последнюю можно устанавливать на удлиняющей секции в отверстия I, II и III, изменяя тем самым длину стрелы (расстояние между шарнирами крепления коренной секции к поворотной платформе и рукояти 6 к удлиняющей секции). Соединение рукояти со стрелой и ковша 10 с рукоятью – шарнирное. Для управления поворотом стрелы, рукояти и ковша используют гидравлические цилиндры I, 5 и 7. При этом последний управляет поворотом ковша через коромысло 8 и тягу 9. Такая схема обеспечивает ковшу большие угловые перемещения. На некоторых экскаваторах применяют моноблочную стрелу Г-образной формы. В зависимости от прочности разрабатываемых обратной лопатой грунтов и видов выполняемых работ ее оборудуют ковшами 11...15 (рис. 4.17, б) различной вместимости и формы. В частности, ковши для дренажных работ 14 и для рытья узких траншей 15 выполняют в размерах и форме профиля разрабатываемой выемки. Рис.4.17. Гидравлическая обратная лопата: а)- общий вид экскаватора; б)- форма ковша; 1,5, 7− гидроцилиндры; 2,4 – коренная и удлиненная стрела; 3− тяга; 6− рукоять; 8− коромысло; 9− тяга; 10− ковш; 11,12, 13, 14, 15 – разновидности ковшей Рабочий процесс гидравлической обратной лопаты аналогичен описанному выше для канатных экскаваторов. Различие заключается в способе передачи движения ковшу, которое у гидравлических экскаваторов обеспечивается гидравлическими цилиндрами 1, 5 и 7. Характер движения , 213 ковша зависит от конкретных условий выполнения работ и в значительной мере определяется опытом машиниста. Чаще всего движения стрелы используют для установки ковша в исходное положение, а также для его перевода в транспортное положение. Для копания используют в основном движение рукояти, а в конце этой операции работают ковшом, обеспечивая его заполнение. Движения рукояти, а затем и ковша используют также для разгрузки последнего. Благодаря возможности относительного движения ковша он приобретает высокую маневренность, что обеспечивает полное заполнение его грунтом, удержание в нем грунта во время транспортной операции без потерь, направленную разгрузку, в том числе в транспортные средства, что затруднено в случае канатных обратных лопат. Важнейшим преимуществом гидравлических обратных лопат перед канатными является их способность реализовать на зубьях или режущей кромке ковша большие усилия благодаря жесткому сочленению элементов рабочего оборудования между собой и с базовой частью машины, работающей в отношении устойчивости как единое целое. У канатных экскаваторов эти усилия ограничены силой тяжести только рабочего оборудования, прижимающей его к забою. Попытка увеличить усилия на зубьях ковша приводит к подъему рабочего оборудования – его повороту относительно шарнира у пяты стрелы в направлении от забоя. Это позволяет при прочих равных условиях навешивать на гидравлические экскаваторы ковши большей вместимости – в среднем на 60 % по сравнению с ковшами канатных экскаваторов. Следствием этого является повышенная в таком же отношении производительность обратных лопат. Вместе с тем это приводит к более тяжелым условиям нагружения ходовых устройств, в частности, гусеничных, унифицированных на некоторых моделях с канатными машинами. В последнее время в конструкциях ряда моделей полноповоротных гидравлических экскаваторов применяют гусеничные ходовые устройства тракторного типа со звеньями из проката, обладающие высокой надежностью и большим ресурсом по сравнению с экскаваторными гусеничными устройствами. Этим достигается унификация с сельскохозяйственными и дорожными машинами, сокращаются затраты на техническое обслуживание. Драглайн. Экскаваторы с рабочим оборудованием драглайна применяют для разработки грунтов преимущественно ниже уровня стоянки. Благодаря удлиненной по сравнению с другими видами рабочего оборудования стреле драглайны работают на большем радиусе копания, поэтому их используют преимущественно на отрывке больших котлованов и траншей, а также для погрузки и разгрузки сыпучих строительных материалов. Как отмечалось ранее, мощные шагающие драглайны используют для добычи полезных ископаемых открытым способом и на вскрышных работах. Отечественной промышленностью выпускаются строительные драглайны с ковшами 0,3...3 м3, а шагающие драглайны — от 5,45 до 100 м3. Рабочее оборудование драглайна включает стрелу 5 (рис. 4.18, а) обычно решетча, 214 той (строительные экскаваторы), реже вантовой (шагающие драглайны) конструкции, по длине значительно превышающую стрелу лопаты, ковш 7, тяговый 8 и подъемный 4 канаты. Последний огибает головной блок 6 и навивается на барабан 2 подъемной лебедки. Тяговый канат направляется роликовым устройством 1 и навивается на барабан 3 тяговой лебедки. Ковш подвешивают к тяговому канату цепями 9 (рис. 4.16, б), а к подъемному канату — цепями 13. Чтобы подъемные цепи не препятствовали свободному перемещению ковша при разгрузке, между ними ставят распорку 12. На ковше устанавливают также разгрузочный канат 10, закрепляя его одним концом на арке ковша, а вторым — в узле соединения тяговых цепей с тяговым канатом. С подъемными цепями разгрузочный канат соединяется через блок 77, установленный в узле соединения подъемных цепей с подъемным канатом. Для начала разработки ковш опускают на грунт (положения 1, 1', 1"', 1"– рис. 4.18, а), затем тяговым канатом при ослабленном подъемном канате его перемещают по забою (положение I I ). После заполнения ковша, не ослабляя тягового каната, подъемным канатом его подтягивают к стреле (положение I II ), включают поворотный механизм с одновременным перемещением ковша к голове стрелы подъемным и тяговым канатами. В конце этой операции тяговый канат отпускают, ковш опрокидывается и разгружается (положение IV). Далее возвратным поворотным движением с одновременным отпусканием подъемного и тягового канатов опускают ковш в исходное положение. За счет центробежных сил, возникающих при повороте, подъемный канат отклоняется от вертикали на угол до 20...30 °, благодаря чему достигается больший радиус заброса ковша в исходное положение (положения 1/, 1///). Предельная форма продольного сечения пионерной выемки АВСО показана на рис. 4.15, а , а с учетом центробежных сил при возвратном поворотном движении – А'В'С'0. Углы наклона к горизонту заходного и выходного откосов составляют в среднем 45 и 30 ° соответственно, а длина горизонтального участка – не менее длины ковша. После отработки пионерной выемки экскаватор перемещают от забоя на новую стоянку, с которой может быть разработана выемка с предельным контуром А'В"С'D" и т. д., до получения требуемой глубины Н. Предельное значение этого размера Нтах, а также радиуса копания R мах ограничивается длиной стрелы и углом выходного откоса. Управление экскаватором сводится к включению и отключению подъемной и тяговой лебедок, а также механизма поворота. При ослабленном тяговом канате ковш свободно висит на подъемном канате, а при натяжении тягового каната он восстанавливает рабочее положение посредством разгрузочного каната. Драглайны работают преимущественно с разгрузкой в отвал. Разгрузка грунта в транспортные средства возможна, но она резко снижает производительность экскаватора из-за необходимости выполнять эту операцию после полной остановки поворотного движения и пониженных скоростей последнего во избежание раскачки ковша. В отличие от , 215 прямой и обратной лопат, у которых ковш имеет жесткое соединение с рукоятью, у драглайнов ковши подвешивают к стреле на канатах. Рис.4.18. Драглайн: а) – рабочее положение; б) − крепление ковша; 1−ролик; 2, 3− барабаны; 4,8− подъемный и тяговый канаты; 5− стрела; 6− головной блок; 7− ковш; 9, 13− цепи; 10− разгрузочный канат; 11− блок; 12− распорка При этом в режиме копания ковш перемещается под действием тягового усилия 5 т (рис. 4.19), преодолевая сопротивление грунта копанию Ro и частично силу тяжести ковша с грунтом G к+г (при работе на наклонных участках). Рис. 4.19. Схема силового взаимодействия ковша драглайна с грунтом В начале копания порожним ковшом момент силы его тяжести Gk a оказывается недостаточным, чтобы противостоять моменту тягового усилия S Т h относительно режущих кромок зубьев, вследствие чего происходит незначительное опрокидывание ковша вперед с врезанием его в грунт. По мере заполнения ковша грунтом возрастает сила G к+г и плечо этой силы а относительно режущих кромок, вследствие чего движение ковша относительно дневной поверхности земли стабилизируется. Дальнейшее увеличение силы G к+г и перемещение центра масс ковша в направлении к задней стенке приводят к выглублению ковша. Устойчивая работа ковша драглайна возможна при определенных соотношениях размеров a и f . В случае недостаточной высоты установки петель тягового каната путь врезания ковша в грунт увеличивается, а при большой высоте может произойти его опрокидывание. Процесс можно стабилизировать изменением раз, 216 мера h . С этой целью петли тяговых канатов делают переставными, устанавливая их в верхнее положение при работе в легких грунтах и в нижнее – при работе в плотных грунтах, соответственно увеличивая или уменьшая толщину среза. При этом, естественно, будет изменяться и путь наполнения ковша, который при работе в легких грунтах кратен двум — четырем длинам ковша и увеличивается с повышением прочности грунта. Для работы в легких грунтах применяют ковши увеличенной (в 1,3...1,5 раза) вместимости без зубьев или с двумя зубьями с полукруглым днищем и режущей кромкой. При переоборудовании строительного универсального экскаватора с прямой лопаты на драглайн заменяют его рабочее оборудование, устанавливают направляющее роликовое устройство у пяты стрелы и подобно переоборудованию в обратную лопату − напорный механизм переоборудуют в тяговый. Мощные шагающие драглайны отличаются от описанных большими размерами, индивидуальным приводом рабочих механизмов и ходовым устройством. На этих экскаваторах устанавливают электродвигатели постоянного тока, питаемые от сети переменного тока высокого напряжения через сетевой двигатель переменного тока и генераторы постоянного тока. Шагающие ходовые устройства обеспечивают перемещение экскаватора только в направлении задней части поворотной платформы. Поэтому маневровые движения осуществляются с поворотом платформы в нужном направлении. Грейфер. Грейферное рабочее оборудование используют для отрывки глубоких котлованов, очистки водоемов и каналов, а также для погрузки и разгрузки сыпучих материалов. В грейферном рабочем оборудовании с канатным управлением (рис. 4.20, а) используются стрела драглайна 3 и челюстной ковш 6, подвешенный на поддерживающем 4 и замыкающем 5 канатах. Для предотвращения закручивания канатов при поворотных движениях и раскачивания ковша применяют оттяжной канат 7, огибающий блоки 2 на стреле и заканчивающийся подвешенным к нему грузом 1, свободно перемещающимся в направляющих стрелы. Ковш состоит из двух челюстей 12, шарнирно соединенных с нижней головкой 11. Тягами 9 челюсти подвешены к верхней головке 8. Поддерживающий полиспаст 4 закрепляется на верхней головке, а замыкающий образует полиспаст 10, обоймы которого закреплены соответственно на верхней и нижней головках. При работе грейферный ковш может быть подвешен на поддерживающем или на замыкающем канатах. В первом случае нижняя головка вместе с нижней обоймой полиспаста опускается, и челюсти раскрываются. Во втором случае из-за возникающих в полиспасте усилий его головки сближаются, и челюсти закрываются. Для работы грейфером его ковш опускают на поддерживающем канате на грунт в раскрытом положении, ослабляют поддерживающий канат, а замыкающим канатом поднимают ковш. , 217 В первой стадии этого движения челюсти ковша сближаются, захватывая грунт, а затем загруженный грунтом ковш поднимается из выемки. В таком его положении экскаватор поворачивают на разгрузку, а в конце этого движения переключают подвеску канатов, удерживая ковш поддерживающим канатом, в результате чего челюсти раскрываются, и грунт высыпается из ковша. Возвратным поворотным движением и опусканием ковша на поддерживающем канате его устанавливают в исходную позицию следующего рабочего цикла. В гидравлическом варианте (рис. 4.18, б) рабочее оборудование грейфера подвешивают к рукояти обратной лопаты 13 на двух цилиндрических шарнирах 14 и 15, позволяющих ковшу занять отвесное положение. Для гашения инерционных сил при раскачивании ковша во время поворота платформы на пальцах этих шарниров устанавливают фрикционные диски. Относительно вертикальной оси ковш грейфера может быть поворотным или неповоротным. Поворотный ковш обладает лучшей маневренностью при копании и на погрузочно-разгрузочных работах. Поворотная часть состоит из полой штанги 16, связанной шарнирами 18 с челюстями ковша. Внутри штанги помещается гидроцилиндр 77, соединенный с ней корпусом, а штоком – с траверсой 8. Последняя шарнирно соединена с челюстями ковша тягами 9. Рис. 4.20. Конструктивная схема грейферного рабочего оборудования: а) – с канатным управлением; б) −в гидравлическом варианте;1− груз; 2− блок; 3− стрела драглайна; 4, 5,7,13− поддерживающий, замыкающийи, оттяжной и подвесной канаты; 6− челюстный ковш; 8, 11− верхняя и нижняя головки; 9− тяги; 10− полиспаст; 12− челюсти; 14,15,18 – цилиндрические шарниры; 16− штанга; 17−гидроцилиндр Выдвинутый шток гидроцилиндра соответствует закрытому положению ковша 1, а вдвинутый — открытому положению 11. Для работы на больших глубинах штангу удлиняют вставками. Усилия, которые могут быть реализованы на челюстях канатного грейфера при захвате ими грунта, определяются разностью силы тяжести ковша и усилия натяжения замыкающего каната, т. е. на разработку грунта реализуется только часть силы тяжести ковша. Кроме того, удовлетворяющая требованиям производства , 218 грейферных работ загрузка ковша обеспечивается при низких скоростях сближения челюстей при действующих на грунт нагрузках, близких по значению к статическим. С увеличением этих скоростей ковш отрывается от грунта, не успев заполниться. Эти факторы существенно снижают производительность машины, которая составляет примерно половину производительности драглайна, смонтированного на той же экскаваторной базе. У гидравлических грейферов для внедрения челюстей ковша в грунт используют напорное усилие гидроцилиндра, что позволяет разрабатывать более прочные грунты без ограничения скорости сближения челюстей. По сравнению с канатными грейферами это позволяет сократить рабочий цикл более чем на 30 %, что при прочих равных условиях в таком же отношении снижает материалоемкость этого рабочего оборудования. Погрузчики. Гидравлические экскаваторы эффективно применяют для погрузки дробленых и сыпучих материалов. При загрузке ковша последний перемещают по подошве осыпающегося откоса, работая на малых вылетах. По условиям устойчивости машины и наилучшего использования энергетических параметров ее силовой установки на этих работах можно применять ковши повышенной вместимости (в 1,5...2 раза больше вместимости ковшей прямых лопат). В соответствии с характером работы изменяется и схема рабочего оборудования (рис. 4.21, а), называемого погрузчиком., используя это движение для заполнения ковша по подошве забоя. Рис. 4.21. Рабочее оборудование гидравлического погрузчика (а) и его смены ковши ;(б): 1− стрела; 2,5, 10 – гидроцилиндры; 3−рукоять; 4,6, 8− тяги; 7− ковш; 9− подвеска; 11, − ковш без зубьев; 12, 13− ковши с зубьями Для этого обычно используют коренную секцию стрелы обратной лопаты 1, связанную с подвеской 9 ковша 7 посредством рукояти 3 и тяги 4. Рукоять, тяга, стрела и подвеска образуют шарнирный четырехзвенник (параллелограмм). Ковш соединен с подвеской шарнирно и может перемещаться относительно нее в вертикальной плоскости. Рабочие движения обеспечиваются четырьмя гидроцилиндрами: стреловым 10, шарнирно соединенным корпусом с поворотной платформой; двумя гидроцилиндрами 2 для поворота рукояти и гидроцилиндром поворота ковша 5; корпусом, шарнирно соединенным с рукоятью, а штоком через рычаг 8 и тягу 6— с , 219 ковшом. При фиксированном положении штока гидроцилиндра ковша относительно его корпуса поворотом рукояти посредством гидроцилиндра 2 обеспечивают перемещение ковша параллельно опорной поверхности экскаватора. В конце этой операции, а при необходимости и в процессе ее выполнения гидроцилиндром 5 ковш поворачивают зубьями вверх, а посредством гидроцилиндров 10 и 2 рабочее оборудование поднимают и выносят вперед. Эти движения начинают до поворота машины на разгрузку и заканчивают непосредственно перед разгрузкой. Разгружают ковш его поворотом зубьями вниз с помощью гидроцилиндра 5. Возвращают ковш в исходное положение теми же движениями в обратном порядке. Для выполнения погрузочных работ машину оборудуют широким ковшом 11 без зубьев. Погрузчики применяют также для разработки грунтов. В этом случае их оборудуют ковшами с зубьями 12 и 13. Экскаватор-планировщик. Применение описанных выше видов рабочего оборудования, изготовленного на базе шарнирно-рычажных схем гидравлических экскаваторов, для планировочных работ требует четкой координации нескольких простых движений, из которых может быть составлено прямолинейное движение режущей кромки ковша. Исключением является рабочее оборудование погрузчика, но с ограниченным перемещением в направлении планируемой поверхности. Более просто эта задача решается в конструкции экскаватора-планировщика с телескопическим рабочим оборудованием, которое состоит из рамы стрелы 2 (рис. 4.22, а), двух секций стрелы – неподвижной 4 и подвижной 6 и ковша 8. Раму укрепляют шарнирно на поворотной платформе, а для ее перемещения в вертикальной плоскости используют гидроцилиндр подъема стрелы 1. Неподвижную секцию стрелы монтируют на раме, обеспечивая ей возможность поворота относительно продольной оси последней. С этой целью ее опирают на бандаж 3 и через ось 9 — на заднюю стенку рамы 11. На рис. 4.22, а (вид А ) показан один из вариантов конструктивного решения поворотного механизма, выполненного из гидроцилиндра 12 и зубчатой пары, состоящей из зубчатого сектора 13 и шестерни 10. Последняя жестко закреплена на оси 9, а зубчатый сектор подвешен в верхней части задней стенки рамы. Приводной гидроцилиндр закреплен шарнирно корпусом на кронштейне задней стенки, а штоком — на зубчатом секторе. Поворотные относительно продольной оси движения неподвижной секции стрелы обеспечиваются соответствующими поступательными движениями штока гидроцилиндра. Выдвижная секция стрелы 6 может перемещаться относительно неподвижной секции 4 с помощью гидроцилиндра 5, размещенного внутри стрелы. Ковш закреплен шарнирно на конце подвижной секции. Он может поворачиваться относительно этого шарнира посредством гидроцилиндра 7. Положение ковша в пространстве определяется совокупностью следующих движений: его поворотного перемещения относительно стрелы, выдвижения подвижной секции стрелы и поворота неподвижной секции относительно собственной продольной оси, а также поворота платформы. Для , 220 планировки и зачистки поверхностей ниже уровня стоянки экскаватора используют продольные перемещения стрелы и при необходимости – частичные поворотные движения ковша. Рис.4.22. Экскаватор-планировщик с телескопическим рабочим оборудованием (а) и рабочие органы (б): 1, 5,7, 12− гидроцилиндры; 2− рама; 3− бандаж; 4,6− неподвижная подвижная секции; 8− ковш; 9− ось; 10− шестерня; 11− задняя стенка рамы; 13− зубчатая пара Для зачистки и планировки горизонтальных и слегка наклонных поверхностей к этим движениям добавляются подъем и опускание стрелы, а для зачистки боковых стенок траншей и котлованов — еще и поворот стрелы относительно ее продольной оси. Частично последние движения используют также для зачистки и планировки горизонтальных и наклонных поверхностей. После заполнения ковша грунтом во избежание его просыпания при последующей транспортной операции ковш подворачивают к стреле, стрелу поднимают из забоя, поворачивают платформу в сторону разгрузки и поворотом ковша зубьями или режущей кромкой вниз разгружают его. Возвращают ковш в исходное положение теми же движениями в обратном порядке. Для планировочных и зачистных работ применяют широкие ковши (рис. 4.22, б), обычно без зубьев. Экскаваторы-планировщики используют также для выполнения обычных экскавационных и погрузочноразгрузочных работ. Основными рабочими размерами экскаваторапланировщика являются максимальный радиус копания Ктах (см. рис. I II 4.22, а), максимальные глубина Н мах и высота Н мах копания, а также максимальная высота разгрузки. Неполноповоротные гидравлические экскаваторы на базе пневмоколесных тракторов. Для выполнения небольших рассредоточенных объемов земляных работ в условиях частого перебазирования с объекта на объект применяют гидравлические экскаваторы, построенные как навесное оборудование на серийно выпускаемые пневмоколесные тракторы. Кроме основных рабочих органов, которыми являются ковши прямых и обратных лопат, эти экскаваторы комплектуют сменным рабочим оборудованием , 221 грейфера, ковшового и вилочного погрузчиков и крана. В качестве дополнительного оборудования на экскаватор навешивают отвал бульдозера и другие виды оборудования. Рабочее оборудование 11 (рис. 4.22) подвешивают к поворотной колонке 10, смонтированной на полой цапфе в задней части несущей рамы 9 трактора. Поворотные движения колонки (до 90° в каждую сторону) обеспечиваются двумя попеременно работающими гидроцилиндрами 5 через цепь 4 и звездочку 3. Отвал бульдозера 7, управляемый гидроцилиндром 8, смонтирован на дышле 6, шарнирно соединенном с несущей рамой 9. Для обеспечения экскаватору устойчивости в рабочем режиме в задней части рамы 9 по обе ее стороны устанавливают выносные опоры 2. Перед экскавацией грунта гидроцилиндрами 1 экскаватор устанавливают на выносные опоры, а по окончании работ их поднимают. Технико-эксплуатационные показатели канатных и гидравлических экскаваторов сравнивают по основным видам рабочего оборудования, которыми являются прямая лопата для канатных и обратная лопата – для гидравлических машин. Вместимость ковшей гидравлических обратных лопат по сравнению с канатными прямыми лопатами той же размерной группы в среднем на 60 % больше при примерно одинаковой продолжительности их рабочих циклов, массе и энергоемкости. Фактическая энергоемкость сравниваемых машин с основными ковшами составляет 0,35...0,47 кВт∙ч/м3 для канатных и 0,47...0,55 кВт-ч/м3 для гидравлических экскаваторов, а материалоемкость соответственно 130...230 кг/(м3/ч) и 102...164 кг/(м3/ч). Приведенные данные характеризуют перспективность гидравлических экскаваторов в отличие от канатных. Среди канатных экскаваторов наибольшую производительность обеспечивают прямые лопаты, по сравнению с которыми производительность обратных лопат составляет 75...100 %, а драглайнов – 70...90 %. По сравнению с гидравлическими обратными лопатами прямые лопаты производительнее в 1,2...1,4 раза, а погрузчики — в 1,7...2 раза. Производительность гидравлических грейферов составляет в среднем 50…70 % производительности обратных лопат на той же экскаваторной базе. Эксплуатационные расчеты. Требуемая мощность силовой установки определяется из условий преодоления расчетных сопротивлений на расчетных скоростях рабочих движений. Расчетные параметры (сопротивления и скорости) определяют как средневзвешенные из диапазона производственных условий, в которых может работать экскаватор. Значения этих величин выработаны практикой проектирования и эксплуатации одноковшовых экскаваторов. Мощность (кВт) наиболее энергоемкой операции копания равна Ауд q Рк  , t к k мдв. р.о. где Ауд – удельная энергоемкость копания, равная работе, затрачиваемой на разработку 1 м 3 грунта и принимаемая равной 200 кПа для грунтов I II ка, 222 тегории и 250 для грунтов IV категории; t k  продолжительность копания, с (для экскаваторов с механическим приводом она определяется по эмпирической зависимости t k  2,7 4 mэ , где m э  масса экскаватора, т); для экскаваторов I II и IV размерных групп с гидроприводом t k  5,5...8c ; k м  коэффициент использования мощности двигателя при копании с учетом привода вспомогательных устройств, а также запаса мощности для обеспечения долговременной работы двигателя и преодоления кратковременных случайных перегрузок ( к м  0,72...0,75); дв. ро – коэффициент полезного действия привода и рабочего оборудования, принимаемый равным 0,65 для экскаваторов с механическим, 0,57 с гидромеханическим, 0,45...0,56 с гидравлическим приводом с насосами постоянной подачи и 0,52...0,64 с насосами переменной подачи. В ориентировочных расчетах строительных одноковшовых гусеничных экскаваторов мощность силовой установки P с у (кВт) назначают по наиболее энергоемкой операции копания, принимая ее пропорциональной вместимости ковша: Рс. у.  k k q . (4.5) где k k – коэффициент пропорциональности; для экскаваторов с канатной подвеской рабочего оборудования k k =73,5 кВт/м3, а с жесткой подвеской 3 k k = 88 кВт/м . Скорость передвижения гусеничных экскаваторов определяют, исходя из полученной мощности силовой установки и расчетных сопротивлений передвижению. Для обеспечения необходимой скорости передвижения пневмоколесного экскаватора мощность силовой установки принимают на 25...30 % больше полученной приведенным расчетом. Теоретическая производительность (м3/ч) одноковшового экскаватора По  qn  3600q / tц. min , (4.6) где п –максимально возможное число рабочих циклов за 1 ч работы экскаватора; t ц min – минимальная продолжительность рабочего цикла при заданных условиях работы, с; в соответствии с действующим стандартом продолжительность рабочего цикла определяют при разработке грунта I II категории, средних параметрах забоя, повороте платформы на разгрузку на угол 90° с выгрузкой в отвал. Техническую производительность (м3/ч) определяют как наибольшую среднюю производительность экскаватора за 1 ч непрерывной работы в конкретных условиях (по грунту в плотном состоянии): ПТ  3600qk н /(k p t ц ) , (4.7) где k н – коэффициент наполнения ковша, равный отношению объема разрыхленного грунта в ковше перед разгрузкой к вместимости ковша; его максимальное значение для ковшей строительных лопат составляет 1,02, , 223 для ковшей драглайнов – 0,9; k р – коэффициент разрыхления грунта; t ц – продолжительность рабочего цикла, с. Эксплуатационную производительность (мз/см, мз/мес, мз/год) определяют также по грунту в плотном состоянии: П э  ПТ t p k в , (4.8) где t p – продолжительность периода работы, ч; k в – коэффициент использования машины по времени, в среднем k в = 0,2...0,25. Многоковшовые экскаваторы. Многоковшовые экскаваторы применяют для отрывки траншей в трубопроводном строительстве, при прокладке подземных линий связи и электроснабжения, тепловодов и других коммуникаций (траншейные экскаваторы); отрывки траншей с одновременной укладкой дренажных труб, отрывки мелиоративных каналов, их очистки и восстановления в процессе эксплуатации (мелиоративные экскаваторы); разработки карьеров строительных материалов и добычи полезных ископаемых (карьерные экскаваторы). Подобно ковшу одноковшового экскаватора каждый ковш многоковшового экскаватора работает в цикличном режиме, но рабочие движения смежных ковшей смещены по фазе. Так, если какой-либо ковш лишь начинает отрыв грунта от массива, то предшествующий ему ковш находится в промежуточной или конечной стадии этой операции, а следующий за ним ковш — в положении возврата на исходную позицию после разгрузки. Таким образом, в одно и то же время различными ковшами осуществляются операции отрыва грунта, его транспортирования, разгрузки и возврата в забой. Многоковшовые экскаваторы оборудуют, как правило, дополнительными транспортирующими устройствами, на которые разгружается грунт и которыми он отгружается непрерывным потоком в отвал, на другие перегрузочные устройства или в транспортные средства. По характеру выдачи продукции непрерывным потоком многоковшовые экскаваторы относят к машинам непрерывного действия. Их характерной особенностью является более равномерная загрузка силовых установок во времени и более высокая производительность по сравнению с машинами цикличного действия. Обычно все ковши многоковшового экскаватора закрепляют на едином рабочем звене — роторе (роторные экскаваторы) или замкнутой цепи (цепные экскаваторы), располагая их с одинаковым шагом. Рабочий орган роторного экскаватора может быть и бесковшовым (фрезерные экскаваторы). В этом случае зубья закрепляют непосредственно на роторе (фрезе). Фрезерные экскаваторы применяют для нарезания щелей при укладке кабелей связи, а также для подготовки прочных грунтов перед последующей разработкой другими средствами, например путем сдвига расчлененных блоков грунта мощными бульдозерами. У цепных экскаваторов ковши могут быть заменены скребками (скребковые экскаваторы). Последние применяют для разработки узких траншей в слабых грунтах. В этом случае осыпание транспортируемого скребками грунта ограничивается боковыми стенками траншеи. Режущие кромки ковшей (зубьев, скребков) совер, 224 шают сложное движение, получаемое как результат сложения движений ковша вместе с ротором или ковшовой цепью относительно рамы, на которой они установлены (относительное движение), и рамы относительно неподвижной базовой части машины или машины в целом (переносное движение). Если относительное движение совершается в плоскости переносного движения, как, например, у траншейных экскаваторов, то этот способ разработки грунта называют продольным копанием, в противном случае копание называют поперечным, как, например, у карьерных роторных экскаваторов с неподвижной базой и вращающейся в горизонтальной плоскости стрелой, на конце которой установлен ротор с ковшами, вращающийся в вертикальной плоскости. Цепные карьерные экскаваторы также относятся к машинам поперечного копания. У них относительное движение ковшей не совпадает по направлению с перемещением в процессе экскавации всей машины, движущейся вдоль разрабатываемого карьера. Многоковшовые экскаваторы оборудуют преимущественно гусеничными (траншейные, мелиоративные и карьерные роторные экскаваторы) или рельсо-колесными (цепные экскаваторы поперечного копания) ходовыми устройствами. В отдельных случаях для траншейных экскаваторов малой мощности применяют также пневмоколесный ход. Рельсо-колесные ходовые устройства обладают невысокой маневренностью, поэтому их применяют на стабильных по длине объектах значительной протяженности. По мере выработки забоя, после исчерпания маневренности рабочего оборудования рельсы перемещают на новую позицию. Траншейные экскаваторы. Траншейный экскаватор (рис. 4.23) состоит из тягача, рабочего органа и отвалообразователя. Тягач обеспечивает экскаватору поступательное перемещение как в режиме экскавации, так и при его перебазировании. Его оборудуют ходовым устройством 5, силовой установкой 7 с передаточными механизмами и системой управления, кабиной машиниста 6. Тягач изготовляют преимущественно на базе тракторных узлов. Для снижения удельных давлений на грунт его ходовые устройства удлиняют по сравнению с тракторными, а для обеспечения продольной устойчивости наиболее тяжелые агрегаты, например, силовую установку располагают в передней части тягача. При необходимости там же устанавливают дополнительный противовес. На тягаче также монтируют раму 8 для его соединения с рабочим органом. Рабочий орган выполняют в двух вариантах: в виде колеса (ротора) 2 с расположенными по его периферии ковшами 3 или в виде ковшовой цепи 26 (см. рис. 4.22, а, б). , 225 Рис.4.23. Общий вид многоковшового цепного экскаватора ЭТЦ-4011: 1– тягач; 2– стойки; 3–неподвижный блок; 4– приводной вал; 5– ходовое устройство; 6– ведущая звездочка ;9, 10 –направляющая рама; 10 – вал; 12-ковш; 13– зубья ковша; 14– поддерживающие катки; 15– цепь; 16– ковшовая рама; 17– ведущая звездочка; 18–механизм подъема транспортера 19– нижняя рама Соответственно различают роторные и цепные траншейные экскаваторы. Рабочий орган роторного экскаватора вращается в плоскости движения последнего, опираясь на раму 17 (см. рис. 4.24, а) через опорные 15 и направляющие 19 ролики. Боковыми балками 16 рама соединена с тягачом посредством ползунов, перемещающихся с помощью гидроцилиндров 9 и полиспаста 11 по направляющим 4. Установкой ползунов в требуемое положение по высоте регулируют глубину отрываемой траншеи, а для перевода рабочего оборудования в транспортное положение 1 применяют систему, состоящую из гидроцилиндра 10, стойки 12 и каната 13. Соединение рабочего органа с тягачом возможно и посредством коленчато-рычажного механизма (рис. 4.24, в). Глубина траншеи в этом случае регулируется изменением угла между тяговыми брусьями 28 и продольными балками 16 рамы рабочего органа. Этим же механизмом рабочее оборудование переводится в транспортное положение 1. Задней частью рама 16 опирается на грунт через колесную 27 или скользящую 20 (см. рис. 4.24, а) опору, на которой устанавливают щит 18 для зачистки дна траншеи от осыпавшегося грунта при возвратном движении опорожненных ковшей в забой. Для возможности разгрузки ковшей на отвалообразователь 14 их изготовляют без внутренних стенок с днищами из цепных матов, а для удержания в них грунта при перемещении ковша снизу вверх в передней части рамы 17 устанавливают цилиндрический щит 29 (рис. 4.24, г). Ковшовая цепь цепного экскаватора с помощью ведущих звездочек 25 (см. рис. 4.24, б) перемещается по натяжному колесу 22 и поддерживающим роликам 24, установленным на ковшовой раме 23. Как и у роторного экскаватора, ковши выполняют без внутренних стенок и закрепляют их на цепи только передней частью так, чтобы при переходе через верхнее положение хвостовая часть ковша поднималась вверх для гравитационной разгрузки грунта на отвалообразователь (положение I I ). , 226 Рис.4.24. Траншейные экскаваторы: а) – роторного, б) – цепного типа; 1− ковш; 2− колесо; 3, 26− ковшовые цепи; 4− направляющее; 5− движитель; 6− кабина машиниста; 7− силовая установка; 8− тягач; 9, 10- гидроцилиндры; 11− полиспаст; 12− стойка; 13− канат; 14− отвалообразователь; 15, 19 − ролики; 16− боковая балка; 17− рама; 18− защитный кожух; 19− направляющие ролики; 20− скользящая рама; 21−транспортер; 22− натяжное колесо; 23− ковшовая рама; 24− поддерживающий ролик; 25− ведомый ролик; 27− опорный ролик; 28 тяговый брус; 29− цилиндрический щит; 30− зубья; 31− палец натяжного колеса;32−тяговая цепь;3− качающейся балансир; 34− криволинейный конвейер Глубину траншеи регулируют установкой в требуемое положение ползунов ковшовой рамы на направляющих 4 рамы 8 тягача. Этим же способом рабочее оборудование переводят в транспортное положение. Для снижения энергоемкости копания грунта зубья 30 (рис. 4.24, д) на ковшах как роторных, так и цепных экскаваторов устанавливают в таком порядке, чтобы по следу любого зуба перемещался зуб, расположенный на диаметрально противоположном ковше. Это обеспечивает разработку грунта с повышенной толщиной среза, близкой к критической, соответствующей минимальной энергоемкости процесса. В неустойчивых грунтах траншеи отрывают с откосами, для чего на роторных экскаваторах по обе стороны ротора устанавливают ножевые откосники 1 (см. рис. 4.24, а). Срезанный ими грунт обрушивается вниз, где он подхватывается и выносится к месту разгрузки ковшами. На цепных экскаваторах применяют активные откосники из тяговых цепей 32 (рис. 4.24, е) с закрепленными в их звеньях резцами. Каждая из двух цепей одним концом крепится на качающемся балансире 33, а вторым — на эксцентрично расположенном пальце 31 натяжного колеса, от которого она получает возвратно-поступательное движение. , 227 Вследствие этих движений часть грунта, находящаяся в верхней части откосов, отделяется от массива и обрушивается вниз, где, как и в случае роторных экскаваторов, захватывается ковшами и выносится на поверхность для разгрузки на отвальный конвейер. Отвалообразователи 14 (см. рис. 4.24, а, б), представляющие собой ленточные конвейеры, устанавливают в полости ротора – в случае роторных экскаваторов или на тягаче – в случае цепных экскаваторов. В современных траншейных экскаваторах применяют два типа отвальных конвейеров: криволинейные 34 (рис. 4.24, ж), у которых рабочая ветвь конвейерной ленты изогнута по цилиндрической поверхности, и двухсекционные 12 (см. рис. 4.24, а), состоящие из двух прямых участков, один из которых – горизонтальный – в зависимости от вида рабочего органа располагается в полости ротора или на тягаче и служит для эвакуации грунта из этой зоны, а второй – наклонный – отсыпает грунт в отвал с одной стороны траншеи. Боковыми балками 16 рама соединена с тягачом посредством ползунов, перемещающихся с помощью гидроцилиндров 9 и полиспаста 11 по направляющим 4. Установкой ползунов в требуемое положение по высоте регулируют глубину отрываемой траншеи, а для перевода рабочего оборудования в транспортное положение 1 применяют систему, состоящую из гидроцилиндра 10, стойки 12 и каната 13, на экскаваторах средней и большой мощности. В зависимости от требуемой дальности отбрасывания грунта от траншеи, определяемой глубиной траншеи и боковыми уклонами дневной поверхности земли, криволинейные конвейеры устанавливают в требуемое положение путем передвижения в поперечном направлении относительно движения экскаватора. В двухсекционных конвейерах эту регулировку производят путем изменения угла наклона внешней, наклонной секции. Отвальный конвейер может быть установлен с любой стороны экскаватора. С этой целью криволинейные конвейеры передвигают в нужное положение, как и ранее, а двухсекционные переставляют на другую сторону с помощью грузоподъемного оборудования. Траншейные экскаваторы оборудуют автономной силовой установкой с двигателем внутреннего сгорания, обычно дизелем. В зависимости от способа передачи энергии основным рабочим механизмам различают экскаваторы с механической, электрической, гидравлической и комбинированной передачами. Первый вид передач характерен для машин малой и средней мощности (до 120 кВт), а второй и последний − для машин большой мощности. Экскаваторы с чисто гидравлическими передачами в настоящее время не выпускаются. Благодаря возможности бесступенчато изменять рабочие скорости передвижения экскаватора для привода ходового устройства весьма эффективны гидрообъемные передачи с насосами переменной подачи. Для отрывки неглубоких и узких траншей при небольших объемах работ на одной строительной площадке и связанной с этим частой перебазировкой землеройных машин применяют цепные экскаваторы на базе пневмоколесных тракторов (рис. 4.25). , 228 Рис. 4.25. Скребковый экскаватор для разработки узких траншей: а — конструктивная схема рабочего оборудования; б — схема работы шнеков; 1− отвал; 2− рама; 3− скребок; 4− зачистный башмак; 5− тяговая цепь; 6− резец; 7− шнек Рабочий орган этих машин, навешенный на трактор в его задней части, оснащают чередующимися резцами 6 и скребками 3 соответственно для отделения грунта от массива и его выноса на поверхность. Вынесенный на поверхность грунт отодвигают в стороны от траншеи шнеками 7, которые приводятся в движение от тяговой цепи 5. Просыпавшийся на дно траншеи грунт подгребают к скребкам зачистным башмаком 4, укрепленным на раме рабочего органа 2. Экскаватор дополнительно оборудуют бульдозерным отвалом 1. На базе траншейных роторных экскаваторов или их тягачей изготовляют роторные траншеезасыпатели, некоторые модели шнекороторных каналокопателей, а также фрезерные экскаваторы. Роторные траншеезасыпатели оборудуют широкозахватными роторами. Двигаясь вдоль траншеи, траншеезасыпатель подобно роторному экскаватору разрабатывает бруствер, отсыпая грунт из ковшей на отвальный конвейер, откуда он сбрасывается в траншею. Эти машины весьма эффективны в трубопроводном строительстве для засыпки траншей с уложенным в них изолированным трубопроводом. Отсыпанный в траншею грунт предварительно измельчается в процессе его разработки ковшами и постепенно по откосу отсыпается на уложенный трубопровод, не повреждая его изоляции. В шнекороторных каналокопателях, применяемых для отрывки каналов полного профиля в мелиоративном строительстве, полностью используют тягач и рабочее оборудование траншейного роторного экскаватора. Его дооборудуют двумя шнеками 1 (рис. 4.26) и двумя (вместо одного у роторного траншеекопателя) отвалообразователями 3. При вращении относительно своих осей ножами, закрепленными на спиральных режущих кромках 2, шнеки разрабатывают грунт в откосах и перемещают его вниз, где он захватывается ковшами ротора 4, разрабатывающими среднюю часть поперечного сечения канала, выносится ими на поверхность и отсы, 229 пается на отвальные конвейеры 3, разгружающие грунт в бруствер по обе стороны канала. Рис. 4.26. Схема разработки канала шнекороторным экскаватором Положение бруствера относительно оси канала регулируют наклоном к горизонту отвальных конвейеров. По сравнению с базовыми машинами эти экскаваторы имеют пониженные рабочие скорости передвижения, что связано с необходимостью разработки каналов, по площади поперечных сечений более чем в два раза превышающих размеры траншеи без увеличения мощности силовой установки базовой машины. На базе цепных экскаваторов изготовляют экскаваторы-дреноукладчики (рис. 4.27, а), применяемые в мелиоративном строительстве для устройства закрытого дренажа, для чего цепной экскаватор дополнительно оборудуют ящиком-трубоукладчиком 5, шарнирно соединяемым с рамой 2 цепного рабочего органа. Рис.4.27.Экскаватор-дреноукладчик (а) и трубоукладчик (б): 1− барабан; 2− рама рабочего органа; 3− датчик; 4− копирный канат; 5− ящик; 6,10 − корыта; 7− лоток; 8,9 − запасные кассеты Трубоукладчик (рис. 4.27, б) дооборудуют лотком 7 для опускания дренажных гончарных трубок в траншею и корытами 6 и 10 для укладки в них рулонов подстилающей и накрывающей дренирующей стеклоткани или армированного стеклохолста. При укладке пластмассовой трубы экскаватор оборудуют, кроме того, барабаном 1 (см. рис. 4.27, а), навешиваемым на тягач в его передней части. На этот барабан насаживают бухту с пластмассовой трубой, которая по мере продвижения экскаватора разматывается с барабана и поступает в трубоукладчик, а оттуда укладывается в траншею. Экскавацию грунта эти машины осуществляют как траншейные цепные экскаваторы, но с меньшей производительностью из-за необходимости , 230 точного соблюдения уклонов дна траншеи и остановок машин для пополнения трубоукладчика дренирующим материалом из запасных кассет 8 и 9 (рис. 4.27, б), а при укладке пластмассовой трубы, кроме того, для заправки барабана новыми бухтами трубы. Для выдерживания заданных уклонов экскаватор оборудуют автоматической системой с датчиком 3 (см. рис. 4.27, а), скользящим по копирному канату 4, натянутому по реперным столбикам рядом с отрываемой траншеей. Среди экскаваторов траншеекопатели имеют наиболее низкие показатели удельной материалоемкости и энергоемкости: 43...63 кг/(м 3 /ч) и 0,16...0,23 кВт∙ч/м3 – для роторных; 42...86 кг/(мз/ч) и 0,27...0,37 кВт∙ч/м3 – для цепных машин. По сравнению с обратными лопатами, также применяемыми для отрывки траншей, траншейные экскаваторы расходуют в 1,7...3 раза меньше энергии на отрывку каждого 1 м3 грунта при уменьшенной в 2,8...3,3 раза массе этих машин. Они отрывают выемки строго заданных проектных размеров, в то время как для получения требуемых размеров «в свету» обратными лопатами необходимо вынуть грунта в 1,5...2 раза больше расчетного. По сравнению с цепными роторные экскаваторы могут разрабатывать более прочные грунты благодаря жесткой конструкции рабочего органа. По этой же причине рабочий орган роторного экскаватора, имеющий меньше подвижных соединений по сравнению с цепным рабочим органом, в меньшей мере подвержен износу. Однако цепные экскаваторы могут разрабатывать более глубокие траншеи, в то время как роторные только до 3 м, что связано с увеличением диаметра ротора и габаритной высоты машины в ее транспортном положении. Эксплуатационные расчеты траншейных экскаваторов. Техническая производительность (м3/ч) траншейного экскаватора ПТ  А х , (4.9) 2 где А – площадь поперечного сечения траншеи, м ;  х – максимальная скорость передвижения экскаватора в конкретных грунтовых условиях при заданной площади A, м/ч. Эта производительность обеспечивается заданными вместимостью ковша q (м3), числом ковшей на роторе z и частотой вращения ротора п (мин-1) или шагом ковшей (скребков) на ковшовой (скребковой) цепи l k (м) и скоростью ее перемещения  ц (м/с): для роторного экскаватора П Т  60 qk H zn / k п ; (4.10) для цепного экскаватора ПТ  3600qk Н  ц /(k p l к ) , (4.11) где k н – коэффициент наполнения ковшей, который в зависимости от категории разрабатываемого грунта изменяется для ковшовых экскаваторов от 0,7 для плотных до 1,2 для слабых грунтов; для скребков этот коэффициент зависит от наклона рабочей ветви тяговой цепи к горизонту и изменя- , 231 ется от 0,32 (при наклоне в 55°) до 0,74 (при 25°); k р – коэффициент разрыхления грунта (см. табл. 4.1). Развиваемая двигателем мощность P, кВт, в режиме экскавации грунта траншейным экскаватором определяется суммой четырех ее основных составляющих: на копание Рк, подъем грунта к месту разгрузки Рп, привод отвалообразователя Nотв и ходового механизма Р Р  Рк  Рп  Ротв  Р . (4.12) Мощность на привод отвалообразователя определяют по формулам, приведенным ранее для транспортирующих машин (см. гл. 3). Остальные составляющие мощности определяют по формулам: Рк  П т к1 / 3600   ; Pn  П т gH cp k / 3600 p ; (4.13) P  Fv x / 3600 x  , где Пт – техническая производительность экскаватора, м3/ч; k1 – удельное сопротивление грунта копанию, кПа (k1 = 100...400 кПа);  – плотность грунта в неразрыхленном состоянии, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; Hcр – средняя высота подъема грунта к месту разгрузки, м; k – коэффициент, учитывающий трение грунта о грудь забоя (для ковшовых экскаваторов k =1, для скребковых экскаваторов значение определяют по приведенной ниже зависимости); F – суммарное тяговое усилие с учетом горизонтальной составляющей сопротивления грунта копанию, кН; υх – скорость передвижения экскаватора, м/ч; ηр и ηx – коэффициенты полезного действия передачи и рабочего органа, передачи и движителя соответственно. Среднюю высоту подъема грунта определяют расстоянием от центра тяжести поперечного сечения траншеи до центра тяжести грунта в ковше (на скребке) в положении его разгрузки. Коэффициент, учитывающий трение грунтов о грудь забоя для скребковых экскаваторов, определяют по формуле k  1  f1ctg , (4.14) где f1 – коэффициент внутреннего трения; β – угол наклона груди забоя к горизонту. На траншейных экскаваторах устанавливают двигатели увеличенной на 20...25 % мощности по сравнению с расчетной, что обеспечивает им устойчивую работу в различных грунтовых условиях. Карьерные экскаваторы поперечного копания. Применяемые в строительстве карьерные экскаваторы различают по исполнению рабочего оборудования: соответственно роторные стреловые и цепные. По направлению рабочих движений эти машины относят к экскаваторам поперечного копания. Роторные стреловые экскаваторы предназначены для разработки грунтов I...III категорий, однородных или с наличием некрупных каменистых , 232 включений. Эти машины имеют широкую область применения: на вскрышных работах и карьерной добыче строительных материалов, разработке больших котлованов и других выемок в промышленном, транспортном и мелиоративном строительстве, возведении насыпей, дамб, плотин, на погрузочно-разгрузочных работах на складах насыпных материалов. Отечественной промышленностью выпускаются экскаваторы на базе дизель-электрических одноковшовых экскаваторов четвертой и шестой размерных групп для разработки грунта выше уровня стоянки до 7,5 м и ниже этого уровня до 3,5 м при радиусе копания до 11,5 м и технической производительности в грунтах I категории до 550 м 3 /ч. По удельной энергоемкости эти машины находятся на уровне лучших экскаваторов непрерывного действия (0,22...0,24 кВт∙ч/м3), но уступают им по удельной материалоемкости (100...140 кг/м3/ч). От базовых одноковшовых экскаваторов в конструкциях роторных стреловых экскаваторов сохраняют ходовые 8 (рис. 4.28, а) и опорноповоротные устройства, частично или полностью платформу 11, на которой располагают силовую дизель-генераторную установку 12 (обычно в хвостовой части платформы с целью ее уравновешивания), насосную станцию 6, механизмы поворота 10, кабину 5 с органами управления и две стойки-пилоны 7. В верхней части пилонов шарнирно закрепляют стрелу 2 с ротором 7 на конце и приемным ленточным конвейером 3, расположенным вдоль стрелы. Для работы на уступах различных уровней стрела может поворачиваться относительно шарнира на пилоне в вертикальной плоскости посредством гидроцилиндра 4. Ротор с ковшами и тарельчатым питателем 19 (рис. 4.28, б) приводится во вращение от электродвигателя 17 через систему карданных валов и зубчатых передач, а приемный конвейер — моторбарабаном 16 (рис. 4.28, а). Последний представляет собой барабан со встроенным в него электродвигателем и зубчатым редуктором. Рис. 4.28. Роторный карьерный экскаватор поперечного копания: а) −общий вид; б) −тарельчатый питатель;1− ротор; 2− стрела; 3− ленточный конвейер; 4, 15− гидроцилинры; 5− кабина; 6− насосная станция; 7− стойка-пилон; 8,9− ходовое и опорноповоротное устройство; 10 –механизм поворота; 11− платформа; 12− дизель – генератор; 13−отвальный конвейер; 14, 16− мотор-барабан; 17− электродвигатель; 18− прижимной конвейер; 19− тарельчатый питатель; 20− скребок , 233 Отвальный конвейер 13 опирается на центрально установленный подпятник 9 с индивидуальным электрическим приводом, обеспечивающим конвейеру независимый поворот в плане относительно поворотной платформы. Вертикальное положение отвального конвейера в зависимости от высоты разгрузки регулируют гидроцилиндром 75, шарнирно закрепленным на кронштейнах стоек-пилонов с возможностью соосного вращения с отвальным конвейером. Привод отвального конвейера осуществляется мотор-барабаном 14 на его дальнем конце. Для работы верхним копанием (выше уровня стоянки экскаватора) машину располагают перед забоем на расстоянии вылета стрелы. Отвальный конвейер устанавливают по высоте и в плане в положение разгрузки. Вертикальными перемещениями стрелы при вращающемся роторе последний заглубляют в грунт на высоту уступа. Фиксируя в этом вертикальном положении стрелу, одновременным поворотом платформы и вращением ротора при движении ковшей снизу вверх разрабатывают грунт, отделяя его от массива, вынося ковшами вверх и разгружая на тарельчатый питатель, выполненный в виде наклонного вращающегося диска 19 (рис. 4.28, б). С помощью скребка 20 грунт ссыпается с тарельчатого питателя на приемный ленточный конвейер, транспортируется им и перегружается в центральной части поворотной платформы на отвальный конвейер, которым выносится и разгружается в транспортное средство или в отвал. При разгрузке в транспортные средства положение отвального конвейера в плане неизменно, а при разгрузке в отвал конвейер может находиться в одном положении или поворачиваться для распределения отсыпанного грунта ровным слоем в пределах отведенной полосы. В конце поворотного перемещения платформы, ограниченного шириной захватки забоя, ротор со стрелой опускают до уровня следующего уступа и реверсивным движением поворотной платформы при прежнем направлении вращения ротора повторяют экскавацию грунта. После разработки последнего уступа, чаще всего соответствующего уровню стоянки экскаватора, машину перемещают в направлении к забою на новую стоянку и повторяют землеройный процесс. Для работы нижним копанием ковши на роторе переставляют, поворачивая их на 180°, для возможности разработки грунта вращением ротора в обратном прежнему направлении. Опустив стрелу, экскавацию грунта осуществляют по описанной выше схеме для верхнего копания. Для надежного транспортирования грунта круто наклоненным приемным конвейером используют прижимной конвейер 18 (см. рис. 4.28, а), который устанавливают над приемным конвейером. Грунт перемещается между лентами двух конвейеров, движущимися в одном направлении. Для добычи полезных ископаемых открытым способом, а также для вскрышных работ применяют мощные роторные комплексы производительностью до 5 000 м3/ч в составе роторного экскаватора и накопительно-перегрузочных устройств с железнодорожными или автомобильными транспортными средствами на карьерно-добычных работах или транспортного отвального обору, 234 дования непрерывного действия на вскрышных работах. По своей структуре эти экскаваторы сходны с описанными выше строительными экскаваторами, но отличаются от них размерами и конструктивными решениями отдельных узлов. Фактическая, эксплуатационная производительность этих комплексов в значительной мере зависит от типа транспортных средств, которыми в основном определяются размеры вынужденных простоев экскаватора, меньшие для отвального оборудования непрерывного действия и большие для железнодорожного транспорта, особенно одноколейного. Цепные экскаваторы поперечного копания применяют для добычи строительных материалов, в основном в карьерах кирпичных заводов. Базовая часть машины (рис. 4.29, а) состоит из нижней рамы, металлоконструкций надстройки, рельсо-колесного ходового устройства и механизмов привода ковшовой цепи, хода, подъема и опускания ковшовой рамы с питанием от электрической сети. В процессе работы экскаватор перемещается по рельсам вдоль разрабатываемого карьера. Рабочий орган, состоящий из П-образной ковшовой рамы, ковшовой цепи, приводного вала со звездочками, натяжных колес и поддерживающих роликов, установлен так, что его ковшовая цепь перемещается в плоскости, перпендикулярной перемещению экскаватора. Ковшовую раму подвешивают к стойке через два полиспаста. Перемещаясь вдоль забоя, экскаватор ковшами разрабатывает грунт, которым они заполняются, выносит его из забоя и отсыпает в бункер или отвальный конвейер. Ковшовая рама состоит из четырех шарнирно сочлененных участков: верхней и нижней рам, верхнего и нижнего планирующих звеньев. С помощью полиспастов можно получить различные конфигурации ковшовой рамы, которыми обеспечиваются необходимые схемы копания. Нижнее планирующее звено DЕ (рис. 4.29, б) используют для разработки забоя постоянной глубины параллельным нижним копанием (ниже уровня стоянки экскаватора). С этой целью верхнее планирующее звено ВС жестко соединяют с верхней рамой АВ, а ковшовую раму посредством полиспастов устанавливают в исходное положение АСоDоЕо. После отработки карьера по всей его длине ковшовую раму опускают на толщину среза h — положение АС1D1Е1, после повторной проходки—до положения АС2D2Е2 и т. д. до предельного положения АВСDЕ, которым исчерпываются кинематические возможности отработки забоя. После этого рельсовый путь отодвигают от забоя на расстояние S, определяемое начальным и конечным положениями ковшовой рамы (0,8...2 м), и повторяют процесс. При жестком соединении нижнего планирующего звена DЕ (рис. 4.29, в) с нижней рамой СD и изменении положения ковшовой рамы только с помощью нижнего полиспаста получаем веерную схему копания. Последовательные положения ковшовой рамы АСЕо, АСЕ1 и т. д. до предельного АЕ показаны на рис. 4.29, в. , 235 Рис.4.29. Карьерный цепной экскаватор поперечного копания: а)−конструктивная схема; схема копания − нижним параллельным (б), нижним веерным, (в) и верхним параллельным ковшовой рамой (г) Веерная схема проще в управлении по сравнению со схемой параллельного копания. Для ее реализации не требуется регулировать нижнее планирующее звено, а установка ковшовой рамы в требуемое положение обеспечивается одним полиспастом вместо двух. Ее существенным недостатком является переменная толщина среза по длине разрабатываемого откоса — максимальная внизу и уменьшающаяся практически до нуля в верхней части. Это приводит к неравномерному нагружению ковшей по длине разработки и снижению вследствие этого производительности экскаватора. Эта схема, кроме того, не обеспечивает ровной поверхности подошвы забоя, в связи с чем при переходе на новые уступы требуется проводить дополнительные планировочные работы. Этих недостатков нет в схеме параллельного копания, однако она более сложна конструктивно и в эксплуатации. Верхнее планирующее звено ВС используют для отработки забоя верхним копанием (выше уровня стоянки экскаватора). Схема верхнего копания параллельными срезами показана на рис. 4.29, г. Отечественной промышленностью выпускаются цепные экскаваторы поперечного копания на глубину (высоту) до 8,5 м производительностью до 45 м3/ч при непрерывной работе. Энергоемкость разработки грунта этими машинами составляет 0,39...1,33 кВт∙ч/м3, а материалоемкость — 260...560 кг/(м3/ч). Производительность карьерных экскаваторов поперечного копания определяют по формулам (4.10) и (4.11). Для цепных экскаваторов поперечного копания техническая производительность (м3/ч) может быть выражена через глубину (высоту) карьера Н (м), среднюю толщину среза hср , 236 (м), угол заложения откоса а и рабочую скорость передвижения экскаватора υп (м/ч) по формуле ПТ  Hhср vn k / sin  , (4.15) где k – коэффициент, учитывающий потери грунта из-за его осыпания на дно карьера. 4.4. Землеройно-транспортные машины (ЗТМ) Землеройно-транспортными за счет тягового усилия послойно отделяют грунт от массива и транспортируют его к месту укладки (отсыпки) в процессе собственного перемещения. Исключение составляют грейдерэлеваторы, у которых грунт транспортируется и отсыпается в отвал или в транспортные средства специальным транспортирующим органом одновременно с его разработкой. По режиму работы ЗТМ делят на машины цикличного (бульдозеры, грейдеры, скреперы) и непрерывного (грейдер-элеваторы) действия. По конструкции рабочего оборудования различают отвальные и ковшовые ЗТМ. У первых рабочий орган выполнен в виде отвала, оснащенного в его передней части ножами (бульдозеры, грейдеры) или дискового плуга (грейдер-элеваторы). Ковшами оборудуют скреперы. По признаку подвижности ЗТМ относят к передвижным машинам. В последние годы все большее распространение получают самоходные ЗТМ (бульдозеры, скреперы, автогрейдеры). Реже применяются прицепные машины (скреперы, грейдер-элеваторы). Рабочий процесс ЗТМ цикличного действия состоит из операций отделения грунта от массива (копания), его транспортирования к месту укладки (отсыпки), разгрузки и возвращения машины на исходную позицию. Грунт отделяют от массива гладкими или оснащенными зубьями ножами за счет тягового усилия тягача. В зависимости от вида рабочего оборудования отделенный грунт накапливается перед отвалом или поступает в ковш, которыми он транспортируется к месту отсыпки. Скорости передвижения ЗТМ выбирают в зависимости от преодолеваемых сопротивлений. При копании скорости машины минимальны, меньше при разработке прочных и больше при разработке слабых грунтов. При транспортировании грунта сопротивления передвижению ЗТМ ниже, чем при копании. Поэтому в транспортном режиме скорости передвижения машины увеличатся. Еще большими они будут при возвращении машины на исходную позицию вследствие снижения сопротивлений передвижению разгруженной машины. При движении по уклонам под гору скорости увеличиваются, а при движении в гору снижаются. При движении по дорогам скорости ограничиваются нормами Госавтоинспекции. Скорости передвижения ЗТМ могут быть также ограничены по технологическим соображениям, например, возможностью оптимального управления грейдером или бульдозером при планировочных работах. В большинстве случаев ЗТМ перемещаются передним ходом. Не, 237 которые виды работ в зависимости от местных условий могут выполняться по челночной схеме с возвратом машины на исходную позицию задним ходом, например при засыпке траншей и котлованов бульдозером, при планировочных работах на коротких по длине участках. Все операции рабочего цикла ЗТМ непрерывного действия (копание, транспортирование и разгрузка грунта) совмещаются во времени. При этом для копания используется землеройный рабочий орган, а для перемещения и отсыпки грунта – специальный транспортирующий орган в виде ленточного конвейера. ЗТМ особенно эффективны на массовых разработках грунтов. Производительность машины при разработке грунта скреперами с дальностью возки 0,5...1,5 км составляет в среднем 5...40 тыс. м3 грунта в год при стоимости разработки 1 м3 грунта 0,6...0,19 руб. и удельном расходе энергии 6...3,2 кВт∙ч/м3. При работе бульдозеров с дальностью возки 50...100 м соответственно: 6...76 тыс. м3 грунта в год, 0,25...0,085 руб. на 1 м3 грунта и 2,4...1,6 кВт ∙ м3. По этим показателям ЗТМ не уступают самой дешевой экскаваторной разработке грунта с его транспортированием по железной дороге. Для машин очень большой мощности производительность труда повышается в 2...2,5 раза, а стоимость разработки грунта снижается в 1,5...2 раза. Совершенствование конструкции скреперов происходит в следующих направлениях: повышение комфортности условий труда оператора путем создания шумоизолируемых кабин с установкой кондиционеров, систем защиты оператора от падающих предметов и опрокидования, введение в конструкцию амортизирующих подвесок; создание трансмиссий с регулируемым гидротрансформатором для скреперов с механизированной загрузкой; создание высокоэффективных гидрозамедлителей; создание систем микропроцессорного управления машиной, контроль за работой всех основных узлов; повышение надежности и долговечности скреперов; развитие модульного метода создания машин, позволяющего успешно применять агрегатный ремонт, упрощающего уход и обслуживание. Бульдозеры. Бульдозеры предназначены для послойной разработки грунтов с их последующим перемещением перед рабочим органом (отвалом) по поверхности земли на небольшие расстояния. Установка на бульдозерах заднего рыхлительного оборудования позволяет эффективно разрабатывать прочные разборно-скальные грунты, в том числе в условиях зон холодного климата. Экономически выгодная дальность перемещения грунта бульдозером составляет 15…70 м в зависимости от мощности трактора, достигая 180 м при работе наиболее тяжелых машин в горнодобывающей промышленности. Бульдозеры принято классифицировать номинальному тяговому усилию, ходовым системам базовых тракторов, назначению, конструктивным особенностям навесного оборудования. Основным классификационным параметром, связанным с массой трактора и непосредственно определяющим остальные технико-экономические показатели бульдозеров и бульдо, 238 зеров с рыхлителями, является номинальное тяговое усилие, по которому различают: бульдозеры очень легкие (малогабаритные) − номинальное тяговое усилие до 25 кН, легкие − 25…135 кН, средние − 135… 200 кН, тяжелые − 200…350 кН и сверхтяжелые − свыше 350 кН. Соответственно модели гусеничных бульдозеров определены по тяговым классам тракторов типоразмерным рядом: 3, 4, 6, 10, 15, 25, 35, 50, 75 и 100, охватывающим бульдозеры с номинальным тяговым усилием трактора 30… 1000 кН и бульдозеры с рыхлителями − 100… 1000 кН. По типу ходовой системы (типу движителя) различают бульдозеры и бульдозеры с рыхлителями гусеничные и пневмоколесные, которые в свою очередь подразделяются на несколько видов. По назначению различают бульдозеры общего, специального и многоцелевого. Бульдозеры общего назначения приспособлены для выполнения землеройно-транспортных и планировочных работ. Бульдозеры специального назначения обеспечивают выполнение узкоспециализированных работ определенного вида: чистку снега, сгребание торфа и т. д. Разновидности бульдозеров многоцелевого назначения показаны на рис. 4.30. Рис. 4.30. Бульдозеры многоцелевого назначения с задним оборудованием: а − бурильно-крановым; б − экскаваторным; в − рыхлительным; г − землеройнофрезерным; д − траншеекапателя; е − каналокапателя Например, бульдозер ДЗ-1091 на базе гусеничного трактора Т-130М, рис.4.30 (дорожно-землеройный, типоразмерный ряд −10, ходовая система (тип движителя) − 9, назначение −1). , 239 Рис.4.30. Бульдозер-толкач ДЗ-1091 1 – трактор; 2 – двигатель; 3 – муфта сцепления; 4 – кабина; 5 – коробка передач; 6 – задний мост; 7 – звездочка; 8 – гусеничная тележка; 9 –гусеница; 10, 12 – шарниры; 11 – толкающий брус; 13 – отвал; 14 – гидрораскос; 15 – гидроцилиндр подъема и опускания; 16 – механизм компенсации перекоса; 17 – раскос Бульдозер на пневмоколесном ходу является более маневренной машиной. Такие бульдозеры на базе серийного трактора «Беларусь» и К-702 приведены на рис.4.31 и 4.32. Рис.4.31. Рабочее оборудование бульдозера ДЗ-3711: 1–отвал с жесткими толкающими брусьями; 2–гидроцилиндр; 3–подрамник; 4– шарнир; 5– рыхлительные зубья; 6–уширители; 7- козырек Бульдозер на базе трактора К-702 состоит из отвала 2 с ножами 1, двух толкающих брусьев 8, двух кронштейнов 7 крепления бульдозерного оборудования, гидроцилиндров 9 для изменения угла поперечного отвала, двух гидроцилиндров 4 подъема и опускания отвала, двух кронштейнов 3 крепления гидроцилиндров, баласта 5, трубопроводов гидросистемы. , 240 Рис.4.32. Бульдозер на базе трактора К-702: 1−нож;2− отвал; 3−кронштейн; 4, 9−гидроцилиндры; 5− балласт; 6− кабина; 7− кронштейн; 8−толкающий брус На гусеничных тракторах выпускают бульдозеры с неповоротным отвалом: ДЗ-421Г на тракторе ДТ-75; ДЗ-101А на тракторе Т-4АП2; ДЗ-109; ДЗ-110В и ДЗ-110А-1 (с автоматическим управлением) на тракторе Т130М; ДЗ-351С на тракторе Т-180Г; ДЗ-118 на тракторе ДЭТ-250М; с поворотным отвалом ДЗ-109Б на тракторе Т-130М. Мощный бульдозер ДЗ118 (рис.4.33) с гидравлическим управлением на гусеничным тракторе ДЭТ-250 имеет поворотный и неповоротный отвалы. Оборудование бульдозера состоит из отвала 1 с ножами, толкающих брусьев 4 с шаровой опорой 3, гидравлических цилиндров управления 2, 5. Отвал бульдозера управляется двумя гидроцилиндрами, установленными на цапфах в передней части трактора. Рис.4.33. Бульдозер ДЗ-1181 с гидравлическим управлением: 1− отвал; 2, 5− гидроцилиндр; 3− шаровая опора; 4, 6− толкающие брусья и раскосы Бульдозеры выполняют как навесное оборудование на пневмоколесных так и гусеничных тракторах, рис.4.34. Рабочее оборудование в виде отвала 5 с ножами 4 в его нижней части навешивают на трактор через два толкающих бруса 2 или универсальную раму 3, которые имеют шарнирные соединения 1 с боковыми балками ходовых тележек трактора или с кронштейнами его нижней рамы (при пневмоколесном тракторе). , 241 Рис. 4.34. Бульдозер: а – вид сбоку; б – вид в плане на бульдозер с неповоротным отвалом; в – то же, с поворотным; г –перекос отвала; д – сменные рабочие органы; 1– шарнир; 2– толкающий брус; 3– рама; 4– ножи; 5– отвал; 6– раскосы; 7, 11– гидроцилиндры; 8– трактор; 9– задние шарниры; 10– толкатели; 12–шаровой шарнир; 13– отвал с одним зубом; 14– отвал с киркой; 15– отвал с гребенчатым ножом; 16– отвал с наклонной наставкой; 17– отвал с наставкой в средней части; 18– отвал с приставкой; 19– отвал с кусторезным ножом; 20– отвал с вилами; 21– отвал с подъемными крюками Вместе с толкающими брусьями и раскосами 6 (рис. 4.34, а) отвал образует жесткую систему, которая с помощью одного или двух гидравлических цилиндров 7 может подниматься и опускаться, поворачиваясь в вертикальной плоскости относительно шарниров 1. При этом режущая кромка ножей отвала всегда остается перпендикулярной продольной оси машины. По второй схеме отвал соединяют с универсальной рамой шаровым шарниром 12 (рис. 4.34, в) и двумя толкателями 10, задние шарниры 9 которых закреплены в ползунах, перемещающихся по направляющим боковых балок подковообразной универсальной рамы и фиксируемых в требуемых положениях закладными штырями. Горизонтальный поворот отвала с отклонениями в каждую сторону на угол до 30...36° выполняют двумя гидроцилиндрами 11. Отвалы, навешенные на базовый трактор по этой схеме, называются поворотными (в плане) в отличие от неповоротных отвалов, навешенных по схеме рис. 4.34, б. Их применяют для обратной засыпки траншей и котлованов, на планировочных работах, для очистки площадей от строительного мусора и т. п. Замена раскосов 6 постоянной длины винтовыми стяжками (талрепами) или гидроцилиндрами, способными изменять свою длину, обеспечивает регулирование угла резания и поперечный перекос отвала на угол до 12° в каждую сторону (рис. 4.34, г). Бульдозерное оборудование характеризуется следующими параметрами: шириной и высотой отвала; углами резания  и заострения  , задним углом  , углом опрокидывания отвальной поверхности  , рис. 4.35. На , 242 энергоемкость процесса формирования призмы волочения и перемещения грунта влияет геометрия режущей части отвала. Угол резания регулируют одинаковым изменением длин обоих раскосов, а для установки отвала с поперечным перекосом каждому раскосу задают разную длину. Рис.4.35. Основные параметры бульдозера Неправильный выбор параметров и углов установки отвала без учета грунтовых условий и рельефа местности приводит к увеличению энергоемкости процесса копания и снижению качества выполняемых работ. Так, из-за неправильно выбранных углов опрокидывания и кривизны рабочей поверхности отвала, слишком большого угла наклона его к горизонту происходит залипание отвальной поверхности, призма волочения концентрируется по длине отвала в каком-то одном месте, что увеличивает сопротивление перемещению призмы. С другой стороны, уменьшения угла наклона отвала, снижая энергоемкость процесса и возможность залипания отвальной поверхности, увеличивает вероятность пересыпания грунта через верхнюю кромку отвала. Пересыпание наблюдается также при несоответствии высоты отвала или глубины резания тяговому усилию машины. Для бульдозерных отвалов угол наклона отвала принимают равным 70…80 о , угол опрокидования 60…75 о , задний угол 30…35 о . Отвал бульдозера должен иметь минимально возможную ширину и максимальную высоту  H   0,82  1,18   41,88  0,7 L   0,88  1,12  132,09  0,33 3 mò ð 3 mò ð   3 3 mò ð ; mò ð Радиус кривизны отвала R sin    .     sin  1  sin       2    Профиль отвальной поверхности должен обеспечить концентрацию сил в нижней части отвала. В противном случае значительно увеличивается энергоемкость процессов формирования стружки и движения ее по отвальной поверхности. Учитывая это, рекомендуется выбирать длину нижней прямой части отвальной поверхности по возможности меньшей, только из расчета размещения прямых ножей. С точки зрения уменьшения энергоемкости процесса формирования и движения стружки наиболее рациональной является отвальная поверхность, выполненная по эвольвенте с , 243 уменьшением кривизны в верхней части или очерченная двумя-тремя радиусами кривизны, которые увеличиваются от ее нижней к верхней части (внизу R  0,8 H , вверху R  1,1H ). Однако следует отметить, что выполнить профиль отвальной поверхности по эвольвенте весьма сложно. Поэтому на практике часто профиль отвальной поверхности очерчивают дугой одного радиуса, равного (0,8…1,1)Н, что обеспечивает удовлетворительное качество работ. Каждой глубине резания соответствует определенный максимальный объем грунта, который увеличивается по мере увеличения глубины резания. Наряду с описанными в строительстве иногда применяют также бульдозеры с канатным подъемом отвала, рис.4.36. Рис.4.36. Рабочее оборудование бульдозера ДЗ-1721 с канатным приводом: 1 − стойка; 2,5 − обоймы; 3,10 − блоки; 4 − полиспаст; 6 − отвал; 7 − рама; 8 − шарнир; 9 −канат; 11 − лебедка По сравнению с гидрофицированными бульдозерами эти машины малоэффективны, особенно при послойной разработке плотных грунтов, где сила тяжести рабочего оборудования оказывается недостаточной для внедрения отвала в грунт. Их применяют главным образом на разработке легких грунтов, очистке поверхностей от мусора, снега и на других работах, где сила нормального давления рабочего органа на грунт не является определяющей. Эффективность работы бульдозеров может быть повышена за счет установки сменного рабочего оборудования, которое также расширяет область применения этих машин. В частности, для работы в плотных грунтах применяют отвалы 13 (рис. 4.34, д), оборудованные одним передним и двумя задними зубьями или отвалом активного действия, используя газы, получаемые в камере сгорания. При движении машины задним ходом задние зубья прорезают в грунте прорези, а при последующем движении передним ходом грунт дополнительно разрыхляют передним зубом и захватывают отвалом. Для взламывания асфальтовых покрытий при ремонте дорог применяют отвалы 14, оборудованные киркой в средней части. Мерзлые грунты разрабатывают отвалами 15 с гребенчатыми ножами или с установленными на ножах зубьями. Для одновременной планировки откосов и их подошвы отвал дополнительно оборудуют наклонной наставкой 16 с жестким или шарнирным соединением с основным отвалом. В последнем случае наклон на, 244 ставки регулируют специально установленным гидроцилиндром. Установка соответствующего профиля наставки в средней части отвала 17 позволяет выполнять очистку и планировку канав. Для перемещения грунта от стен зданий применяют отвальную приставку 18, двигаясь при этом задним ходом. Эффективность работы бульдозера на расчистке поверхностей от кустарника и мелких деревьев существенно повышается за счет установки в средней части отвала кусторезного ножа 19. Установка на отвалы грузовых вил 20 или траверс с подъемными крюками 21 позволяет использовать бульдозеры для грузоподъемных работ. Для послойной разработки грунта отвал бульдозера опускают на грунт (рис. 4.37, а) и, перемещаясь вперед на рабочей скорости υр (рис. 4.37, б), заглубляют его за счет сил тяжести рабочего оборудования, а также принудительно гидроцилиндрами. После заполнения отвала, когда призма волочения достигнет уровня его верхнего обреза, а при разработке весьма прочных грунтов, когда тягового усилия трактора окажется недостаточно для дальнейшего накапливания грунта перед отвалом, последний поднимают, выводя его режущую кромку на уровень дневной поверхности земли или несколько выше, и переключают ходовой механизм на транспортную скорость υт (рис. 4.37, г). Рис.4.37. Операции рабочего цикла бульдозера на послойной разработке грунта:а)−начало копания; б)−копание; в)−формапризмыволочения; г)−транспортирование грунта; д, е, ж)−варинты разгрузки; з,− возвращение бульдозера на исходную позицию передним и задним ходом В таком режиме грунт перемещают перед отвалом до места его отсыпки. Последнюю выполняют движением бульдозера вперед с дополнительным подъемом отвала (рис. 4.37, д) или движением назад (рис. 4.37, е). В процессе перемещения машины грунт отделяется от массива ножами отвала, перемещается по отвалу вверх (рис. 4.38, а) и, переваливаясь вперед в его верхней части, накапливается перед отвалом в виде тела 3 (рис. 4. 37 , в), называемого призмой волочения и ограниченного передним и боковыми откосами, отвалом 2 и его боковыми щеками 1. , 245 Рис. 4.38. Схемы формирования призмы волочения на неповоротном (а) и поворотном (б) отвалах бульдозера В первом случае грунт отсыпается а) слоем постоянной толщины, определяемой зазором между режущей кромкой и поверхностью ненарушенного или ранее отсыпанного грунта, и частично уплотняется ходовой частью машины. Во втором случае после разгрузки отвала остаются бугры, подлежащие дополнительному разравниванию. Частным случаем второго варианта является засыпка ям, траншей, котлованов и т. п. (см. рис. 4.37, ж). Для возвращения бульдозера на исходную позицию его поворачивают для движения в обратном направлении на максимально возможной скорости переднего хода vnх (рис. 4.37, з). Перед началом нового рабочего цикла следует повторный поворот машины для движения в направлении разработки грунта. На коротких участках транспортирования целесообразно в обратном направлении двигаться задним ходом также на максимально возможной скорости υзх (рис. 4.37, и). Бульдозеры с поворотным отвалом, выполняющие планировочные работы, а также очистку поверхностей от строительного мусора, снега, работают в режиме машин непрерывного действия. В этом случае отделенный от массива грунт (или другие материалы) перемещается по отвалу вверх и в сторону его наклона в плане по винтовым траекториям 1 (рис. 4.38, б). При этом призма волочения, увлекаемая потоками грунта, непрерывно перемещается в сторону наклона отвала (направление 2) за его край и укладывается в виде валика параллельно с направлением движения машины. Такое взаимодействие рабочего органа с грунтом, которое приводит к сдвигу грунта вдоль режущей кромки, называют косым резанием. При косом резании возникают дополнительные сопротивления перемещению грунта вдоль отвала. Эффективность разрушения мерзлых грунтов повышается при динамическом приложении нагрузки. Для динамического разрушения мерзлых грунтов часто применяют вибрационное и виброударное оборудование. При высокой частоте приложения нагрузки (не менее 1000 Гц) упругие деформации в грунте не успевают восстанавливаться в период между ударами и накапливающиеся деформации быстро приводят к разрушению грунта. , 246 На эффективность использования бульдозера зависит от его технических характеристик. В табл. 4.2 приведены некоторые технические характеристики бульдозеров. Таблица 4.2 Технические характеристики бульдозеров Показатели Марка трактора Размеры отвала, мм длина высота Масса бульдозера, кг Марка двигателя С неповоротным отвалом ДЗ-271 ДЗ-275 ДЗ159Б С-80 Т-140 ДТ-54 Универсальные ДЗ-259А ДЗ-290 ДЗ-315 С-80 Т-140 ДТ-55А 3030 1100 13 300 КДМ-46 Мощность двигателя, кВт 68,4 Частота вращения коленчатого вала при 1000 максимальной мощностидвигателя, 3350 1385 17 963 6КДМ-50Т 2280 800 6023 Д-54 4150 1100 13 990 КДМ-46 4480 1270 18 930 6КДМ50Т 3500 800 13 990 Д-54 103,0 39,7 68,4 103,0 39,7 1000 1300 1000 1000 1300 0,205 0,220 0,220 0,251 0,258 1 мин Удельный расход топлива, кг/кВт ч 0,220 Скорость движения, м/c: на первой передаче 0,60 0,70 0,99 0,66 0,70 0,34/1,07 « второй « 0,99 1,03 1,28 0,99 1,03 0,45/1,38 1,54 « третьей « 1,42 1,50 1,42 1,54 0,52/1,62 « четвертой « 2,05 2,43 1,83 2,05 2,43 0,61/1,87 « пятой « 2,67 3,37 2,18 2,67 3,37 0 ,77/2,36 Тяговое усилие, кН: на первой передаче 88,0 128,0 28,5 88,0 128,0 80,9/26,3 « второй « 52,0 88,0 21,0 52,0 88,0 60,7/19,3 « третьей « 33,0 57,4 17,5 33,0 57,4 50,9/15,7 « четвертой « 20,0 34,0 14,5 20,0 34,0 42,7/13,0 « пятой « 15,0 23,2 10,0 15,0 23,2 29,9/8,56 Примечание: данные в числителе – при включенном редукторе, в знаменателе – прямая передача, без редуктора Технические характеристики тракторов тракторов приведены в табл. 4.3. , 247 Таблица 4.3 Технические характеристики современных гусеничных тракторов Показатели Марка трактора С-100ГП Т-130 Т-140 Т-180 КДМ130 95,6 6КДМ50Т 103,0 Д-180 55,7 КДМ100 73,6 132,4 ДЭТ250 ДЭТ748-1 184 3,0 3,0 90 90 128 144 220 0,99 1,28 1,50 1,74 2,19 - 1,38 1,54 1,72 1,91 2,12 - 0,59 2,93 - 0,65 1,04 1,24 1,78 2,81 - 0,89 1,06 1,23 1,47 1,24 2,29 2,95 0,65 1,16 1,60 2,17 3,01 - 0,79 1,40 1,91 2,62 3,62 - Рабочие от 0,67 до 4,15 4,69 5,26 5,90 12,10 11,50 14,35 14,35 25,0 ДТ54А двига- Д-54А Марка теля Мощность, кВт Максимальное тяговое усилие, кН Скорость движения, м/с на передачах вперед: 1...... II . . . . . . III . . . . . . IY . . . . . . . Y........ YI . . . . . . YII . . . . . . Масса трактора, т ДТ-75 Т-75 Д-75 39,7 СМД14 55,7 2,85 Эксплуатационные расчеты. Техническую производительность (м /ч) бульдозера на послойной разработке грунтов определяют в зависимости от вида земляного сооружения. При разработке выемок она равна объему грунта, вынутого из выемки за 1 ч непрерывной работы, приведенному к его плотному состоянию: Птв=3600Vпр/(tцkр), (4.16) где Vпр − объем грунта в призме волочения в конце копания в разрыхленном состоянии, м3; tц − продолжительность рабочего цикла, с; kр − коэффициент разрыхления грунта; Vпр= ВН2kпр, (4.17) где В и Н−длина и высота (без козырька) отвала, м; к пр  коэффициент пропорциональности, зависящий от крутизны откоса в призме волочения и выбираемый в зависимости от отношения Н/В. При Н/В = 0,15...0,45 этот коэффициент изменяется в пределах от 0,65 до 0,6 для связных (типа глин и суглинков) и от 0,45 до 0,35 для несвязных (типа песков и супесей) грунтов. Продолжительность цикла (с) при движении бульдозера с поворотами на концах участка; tц=3,6[lk/υp+lt/υт+(lк+lт)/ υвп]+tу, (4.18) а при возвратном движении бульдозера задним ходом продолжительность tц=3,6[lk/υp+lt/υт+(lк+lт)/ υзх]+tу, (4.19) 3 , 248 где lk и lt – длины участков копания и транспортирования (несовмещенного с копанием, м; υp, υт, υвп и υзх – скорости рабочего, транспортного, возвратного вперед и возвратного назад ходов, км/ч; tп и tу – время, затрачиваемое на повороты и управление машиной в течение рабочего цикла, с. Все скорости определяют расчетом из условий полного использования тяговосцепных свойств базового трактора и с учетом буксования, особенно в режиме копания, уменьшая рабочие скорости на 20...30 % против расчетных. Так же расчетом определяют продолжительность поворота бульдозера, а затраты времени на управление машиной принимают равными tу=7...8 с. Если копание и транспортирование грунта полностью совмещены, как, например, при засыпке грунтом траншей и котлованов, то зависимость (4.19) преобразуется к виду tц=3,6lk(1/υp+l/υзх)+tу. (4.20) При определении технической производительности на возведении насыпей ПТН ее вычисляют по объему отсыпанного грунта, приведенного к плотному состоянию, с учетом потерь при транспортировании через края отвала в боковые валики, которые составляют 3...6 % от текущего объема призмы волочения: Птн=Птвkп , (4.21) где kп – коэффициент потерь грунта. Из-за значительных потерь грунта по пути его транспортирования последний ограничен дальностью до 70 м. При движении по трассе с подъемами в гору эти потери возрастают, а при движении под гору – уменьшаются (рис. 4.39). Рис. 4.39. Схема к объяснению потерь грунта при транспортировании бульдозером: 1– с уклонами в гору; 2 – по горизонтальной трассе; 3 – с уклоном под гору; 4 – естественный откос Чтобы сформулировать основные направления повышения производительности бульдозеров на послойной разработке грунтов, проанализируем приведенные выше зависимости. Объем призмы волочения при заданных размерах отвала и категории разрабатываемого грунта не поддаются увеличению. Обычно размеры отвала назначают такими, чтобы в расчетных условиях тягово-сцепные свойства базового трактора использовались предельно. В режиме копания тяговым усилием преодолеваются сопротивления отделению грунта от массива (резанию) Wр, перемещению грунта вверх по отвалу Wг и перед отвалом (перемещению призмы волочения) Wп, а также сопротивление самопередвижению машины Wм. Общее сопротивление при копании (Н) определяется суммой , 249 Wk = Wр + Wг + Wп + W м , а ее составляющие выражаются зависимостями W p  k1сВ; (4.22) Wг  xВВ 2 g ; 2 Wп  ВH g ( f  i); Wм  mg (  i ), (4.23) где с – толщина срезаемого слоя (стружки), м; В – длина отвала (ширина захвата), м; k1 – удельное сопротивление грунта резанию, Па; х – коэффициент пропорциональности, зависящий от угла внутреннего трения грунта (x = 0,25...0,5, меньшие значения соответствуют глинистым, а большие – песчаным грунтам) ; Н – высота грунта в призме волочения, м; ρ – плотность разрыхленного грунта в призме волочения, ρ = (1,3...1,8) 103 кг/м3; g – ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с2); f – коэффициент трения грунта в призме волочения по ненарушенному грунту (f = 0,8...1,0); т—масса бульдозера (машины), кг; i – уклон пути передвижения, равный тангенсу угла его наклона;  – удельное сопротивление бульдозера самопередвижению (  = 0.1...0,15). Из приведенных сопротивлений постоянным является Wм, а при снятии слоя постоянной толщины − также сопротивление Wp. Сопротивления Wг и Wп, пропорциональные объему призмы волочения, возрастают по мере накопления грунта перед отвалом и достигают максимальных значений в конце копания. Может оказаться, что при работе в прочных грунтах тягово-сцепные свойства машины будут исчерпаны на преодоление сопротивлений Wг, Wп и Wм еще до полного заполнения отвала, после чего копание следует прекратить. При работе в легких грунтах в конце копания при полном заполнении отвала может оказаться резерв тяги и сцепных свойств трактора. В этом случае для повышения производительности машины ее целесообразно оборудовать отвалами с развитыми уширителями 1 (рис. 4.40, а), боковыми открылками 2 и удлинителями 3. С той же целью грунт разрабатывают двумя спаренными бульдозерами (рис. 4.40, б) или бульдозером с широким отвалом на двух спаренных тракторах (рис. 4.40, в). Кроме того, производительность бульдозеров, работающих на отсыпке насыпей, можно повысить за счет сокращения потерь грунта при транспортировании спаренными бульдозерами (см. рис. 4.40, б), за счет примыкания их отвалов и устранения таким образом утечки грунта через внутренние края каждого отвала. Если не предъявляется особых требований к сохранности поверхности пути транспортирования, то потери грунта через боковые края отвала можно восполнить дополнительной разработкой грунта по пути транспортирования при незначительном заглублении отвала. Удовлетворительные результаты дает также перемещение грунта траншейным способом. Для этого груженые бульдозеры перемещаются по одной и той же трассе со слегка заглубленными отвалами. Образовавшаяся в результате последовательных проходок бульдозеров продольная выемка , 250 (траншея) небольшой глубины, а также боковые валики из просыпавшегося на предшествующих проходках грунта снижают его потери по пути передвижения. С той же целью выбирают оптимальный вариант трассы передвижения бульдозеров, предпочитая движение по горизонтальной траектори или под уклон. При условии снижения потерь грунта в процессе его транспортирования приведенная ранее предельная дальность возки может быть увеличена. Повышения производительности бульдозера можно также добиться за счет сокращения продолжительности рабочего цикла. б) в) Рис. 4.40. Рабочие органы бульдозера повышенной вместимости (а); рациональные способы послойной разработки грунтов спаренными бульдозерами (б); широким отвалом на двух спаренных тракторах (в); 1– с развитым уширителем; 2 -боковыми открылками; 3– с удлинителями Кроме известных рекомендаций работы на максимально возможных скоростях передвижения рассмотрим рациональные отношения продолжительности операций копания и транспортирования грунта. Как показывает анализ составляющих силы сопротивления передвижению бульдозера, при постоянной толщине стружки во время копания грунта тягово-сцепные свойства машины реализуются в полной мере лишь в конце копания. Во все остальное время этой операции эти свойства оказываются недоиспользованными. Поэтому целесообразно в начальной стадии копания, когда сопротивления Wг и Wп еще весьма малы, за короткое время максимально заглубить отвал до полного использования тяговосцепных свойств машины. По мере накопления грунта перед отвалом и возрастанием в связи с этим сопротивлений Wг и Wп, постепенно выглубляют отвал, уменьшая тем самым сопротивление Wр при условии баланса общего сопротивления. Такая схема работы позволяет уменьшить длину участка копания и сократить продолжительность операции. Незначительное вследствие этого приращение пути транспортирования не окажет существенного влияния на увеличение продолжительности транспортной , 251 операции, выполняемой на большей скорости по сравнению со скоростью копания. Полученную при этом форму выемки называют рациональным продольным профилем. Заметим, что толщину среза нельзя уменьшать ниже некоторого допустимого минимального значения, при котором срезаемый слой грунта еще способен пробиться сквозь толщу грунта внутри призмы волочения для ее нормального формирования (см. рис. 4.38, а). В противном случае разработанный грунт будет задерживаться в нижней части отвала, отжимая вверх большие массы грунта и преодолевая при этом значительные сопротивления. Техническую производительность Пт бульдозеров, выполняющих планировочные и подобные им по характеру работы (очистку поверхностей от мусора, снега, расчистку кустарников, корчевку пней и др.), определяют по формуле Пт = 3600L[Bn – b(n –1)]/t  , (4.24) где L – длина планируемого участка, м; В – ширина захвата, м; п – число полос планировки; b – ширина перекрытия полосы планировки, м; t∑ – суммарная продолжительность планировки участка, с; при движении для последующих проходок с разворотами машины t∑ = [3,6L/υp+tу)n+tn(n-1)]z, а при работе по челночной схеме t∑ = [3,6L/υp+tу)n+3,6LХ(n-1)/υзх]z; z – число повторных проходок по одному следу. Из выражений для t∑ следует, что работа по челночной схеме производительней работы с разворотами машины при условии L< υзх tn/3,6. Для повышения качества планировочных работ и сокращения вследствие этого числа повторных проходов бульдозеры оборудуют автоматическими системами управления подъемом-опусканием отвала, основанным на стабилизации заданного положения толкающих брусьев (боковых балок универсальной рамы) относительно горизонта. При отклонении брусьев от этого положения за счет выработанного командосигнала поток рабочей жидкости автоматически направляется в соответствующие полости гидроцилиндров подъема отвала. Система обеспечивает точность планирования ±5 см при скорости передвижения бульдозера до 3 км/ч. Скреперы. Скрепером называют землеройно-транспортную машину с ковшовым рабочим органом, предназначенную для послойной разработки грунта тяговым усилием, его транспортирования и отсыпки в земляные сооружения. Скреперы применяют в промышленном, гидротехническом, дорожном строительстве для разработки грунтов немерзлого состояния на горизонтах выше уровня грунтовых вод при возведении насыпей, дамб, разработке выемок, на вскрышных работах и т. п. Переувлажненные суглинки, лёссовые грунты, чернозем и почвы с примесью гравия и гальки разрабатываются скреперами без предварительной подготовки, а те же грунты, но высохшие и отвердевшие, а также глины, солончаки и дресва требуют предварительного рыхления перед их разработкой. Эффективная дальность возки грунта зависит от типа тягача и составляет для скреперов с гусеничными тягачами 100...800 м, а для скреперов, агрегатируемых с колесными тягачами,—300...3000 м и более. , 252 Рабочим органом скрепера служит ковш 4 (рис. 4.41, а), ограниченный днищем, боковыми и задней стенками и оснащенный ножами 7. Спереди ковш закрыт заслонкой 8, соединенной с ним шарнирно. Задней частью ковш опирается на ось задних колес 6, а в передней части он соединен упряжными шарнирами 3 с боковыми балками 2 тяговой рамы, относительно которой он может изменять свое положение в вертикальной плоскости. Тяговая рама своей передней балкой 10, чаще всего изогнутой в вертикальной плоскости, соединена с тягачом 12 непосредственно (рис. 4.41, б, в) или через тележку 13 (рис. 4.41, г). Опорой тяговой рамы служит универсальный шарнир 11 (см. рис. 4.41, а), позволяющий прицепной части поворачиваться относительно тягача или тележки в любых направлениях. Скреперы, выполненные по схемам рис. 4.41, б, в, называют полуприцепными одноосными, а по схеме рис. 4.41, г – прицепными двухосными. По прицепной схеме соединяют с тягачами также одноосные скреперы, у которых ось колес расположена над центром масс груженого ковша (рис. 4.41, д). В качестве тягача прицепного скрепера обычно применяют трактор, чаще всего гусеничный, а полуприцепные скреперы агрегатируют с двухосными (см. рис. 4.41, б) или одноосными (рис. 4.41, в) тягачами. Последние называют также самоходными. Самоходные скреперы обладают высокой маневренностью и способны развивать транспортные скорости до 45...60 км/ч. Дальнейшее увеличение скорости этих машин нежелательно из-за вертикальных колебаний в системе тягач − скрепер. Рис. 4.41. Самоходный скрепер (а), схемы соединения с тягачом (б...д),скрепер с принудительной загрузкой ковша скребковым элеватором (е): 1− нож; 2− боковая балка; 3− упряжный шарнир; 4− ковш; 5, 9− гидроцилиндры; 6− заднее колесо; 7−задняя стенка ковша; 8− заслонка; 10− передняя балка; 11− универсальный шарни; 12− тягач; 13− тележка; 14− скребковый элеватор , 253 Скреперы с двухосными тягачами не имеют этого недостатка, их скорости доходят до 65...70 км/ч, но по маневренности они уступают самоходным. Для управления скрепером тягач оборудуют гидравлической насосной установкой или канатной лебедкой, от которых движение передается исполнительным механизмам (гидроцилиндрам или полиспастам). Современные скреперы оборудуют в основном гидравлическими силовыми системами. Полиспастные системы сохранились лишь у отдельных моделей прицепных скреперов. Рабочий цикл скрепера состоит из последовательно выполняемых операций копания грунта и заполнения им ковша, транспортирования грунта в ковше к месту укладки, разгрузки ковша и возвращения машины на исходную позицию следующего рабочего цикла. В начале копания ковш опускают на грунт с помощью гидроцилиндров 9 (см. рис. 4.41, а) или полиспаста, приоткрывая гидроцилиндрами 5 или полиспастом заслонку с таким расчетом, чтобы в режиме копания грунта при заглубленных ножах ее нижний обрез находился несколько выше уровня поверхности земли (рис. 4.42, а). Перемещаясь вперед под действием сил тяжести, а в случае гидравлического привода также принудительно с помощью гидроцилиндров 9 (см. рис. 4.41, а), ковш заглубляют в грунт и, регулируя в дальнейшем теми же механизмами толщину срезаемого слоя, заполняют ковш (рис. 4.42, б). Рис. 4.42. Операции рабочего цикла скрепера: а) − начало опускание ковша; б) − набор грунта; в) − транспортировка грунта Образующаяся в процессе копания призма грунта (призма волочения) накапливается перед заслонкой, не препятствуя продвижению срезаемого грунта в ковш. После заполнения ковша его поднимают в транспортное положение так, чтобы между режущей кромкой ножей и поверхностью земли был достаточный для транспортирования зазор – клиренс, закрыва, 254 ют ковш заслонкой и перемещаются на транспортной скорости к месту укладки грунта (рис. 4.42, в), где его разгружают по одной из приведенных ниже схем, затем ковш снова переводят в транспортное положение и возвращают машину на исходную позицию следующего рабочего цикла. На рис. 4.43 приведены схемы разгрузки ковшей скреперов. Свободную (самосвальную) разгрузку опрокидыванием ковша вперед при открытой заслонке (рис. 4.43, а) применяют на прицепных скреперах с ковшами малой вместимости (до 4 м3). На прицепных одноосных скреперах средней вместимости (4...6 м3), работающих на отсыпке насыпей «с головы», а также на обратной засыпке ям, траншей применяют свободную разгрузку с опрокидыванием ковша назад (рис. 4.43, б). В этом случае ковш дополнительно оборудуют задней заслонкой. Недостатком этих схем является неполная разгрузка ковшей из-за налипания грунта на их внутренние поверхности, в связи с чем уменьшается геометрическая вместимость ковшей и, как следствие, снижается производительность скреперов. На машинах с канатным управлением применяют полупринудительную разгрузку, выполняемую поворотом днища ковша при неподвижных боковых стенках (рис. 4.43, в, г). Эти схемы обеспечивают лучшее опорожнение ковшей за счет частичного соскребания поворачивающимся днищем налипшего на боковые стенки грунта. Рис. 4.43. Схемы разгрузки ковшей скреперов: а − свободная передняя; б − то же, задняя; в − полупринудительная передняя; г − то же, донная; д − принудительная Современные полуприцепные скреперы оборудуют устройствами для принудительной разгрузки (рис. 4.43, д) путем вытеснения грунта из ковша перемещающейся вперед с помощью гидроцилиндров задней стенкой 7 (см. рис. 4.41, а). В конце рабочего хода задняя стенка своими кромками полностью очищает боковые стенки и днище ковша от налипшего грунта. При разгрузке грунта в направлении движения машины (рис. 4.43, а ... д) обеспечивается отсыпка грунта слоем равномерной толщины, регули, 255 руемой просветом под ножами установленного в положение разгрузки ковша. Для повышения качества планировочных работ при отсыпке грунта и разработке выемок современные скреперы оборудуют автоматическими системами управления, основанными на стабилизации положения рамы ковша относительно горизонта, которое обеспечивается гидроцилиндрами подъема – опускания ковша. Точность планировочных работ на уклонах до 9 % в каждую сторону составляет 0,3 %. Эксплуатационные расчеты. Тяговым усилием, реализуемым на сцепном устройстве тягача со скрепером, преодолеваются сопротивления отделению грунта от массива (резанию) Wр, перемещению грунта в ковше Wг, перемещению призмы волочения перед заслонкой Wп и сопротивления самопередвижению машины Wм. Сопротивления Wр и Wм выражаются теми же зависимостями, что и для бульдозера, в которых под В следует понимать длину ножа, равную ширине ковша, а под Н — среднюю высоту грунта в ковше в конце копания. Сопротивление призмы волочения перед заслонкой, (Н) Wn  yBH 2 g  f  i  , (4.25) где у – коэффициент высоты призмы волочения (у = 0,5...0,6). Остальные обозначения те же, что в формуле (4.23). Диапазон удельных сопротивлений передвижению расширяют до значений а, у = 0,1...0,25, принимая нижний предел для плотных грунтов, а верхний – для сыпучих песков. Как и ранее, постоянным будет лишь сопротивление Wм, а при неизменной толщине стружки – еще и сопротивление Wp. Значение Wп возрастает по мере увеличения объема призмы волочения и достигает наибольших значений в конце копания, так же изменяется сопротивление Wг. В начальной фазе заполнения нижней части ковша I (рис. 4.44) оно будет минимальным, возрастающим по мере заполнения внутреннего объема заслонки II и достигающим наибольших значений в последней фазе заполнения верхней части ковша III. Рис. 4.44. Фазы заполнения ковша скрепера грунтом В этой фазе грунтовой поток пробивается сквозь толщу находящегося в ковше грунта, преодолевая сопротивления сил внутреннего трения W'г и силы собственной тяжести W''г. Силу W'г определяют по формуле (4.23) для бульдозера, а силу W''г соотношением , 256 W''г = cВНρg. (4.26) Входящие в это выражение величины имеют прежние значения. Разработка грунтов по схеме рационального продольного профиля выемки (см. рис. 4.33, д) позволяет стабилизировать энергозатраты скрепера и сократить тем самым продолжительность рабочего цикла. Производительность скрепера вычисляют с учетом объема вынутого из выемки или отсыпанного в насыпь за 1 ч работы грунта, приведенного к плотному состоянию по формулам (4.7) и (4.8) для одноковшовых экскаваторов. В этих формулах продолжительность рабочего цикла tц определяют по методике, изложенной ранее для бульдозеров при послойной разработке ими грунтов и движении в обратном направлении с разворотами машины (4.18), а коэффициент наполнения ковша грунтом принимают: для песков kн= 0,6...0,9, для глины и дресвы kн = 1...1,1, для супесей и суглинков kн = 1,1…1,2, для черноземов kн =1,1…1,25. Производительность скрепера может быть повышена за счет лучшего наполнения ковша (т. е. увеличения kн или высоты грунта в ковше Н) и сокращения продолжительности рабочего цикла машины. Как следует из анализа составляющих силы сопротивления передвижению скрепера, высота грунта в ковше в конце копания ограничена тягово-сцепными свойствами машины. Скорость движения скрепера при наборе грунта следует принимать Vнаб  0,65...0,8 V1 , где V1  паспортная скорость тягача на первой передаче коробки скоростей. Скорость движения груженого скрепера следует принимать Vгр  0,5...0,75Vmax , где Vmax  наибольшая паспортная скорость тягача. Скорость движения порожнего скрепера следует принимать Vхх  0,5...0,85 Vmax . Время, затрачиваемое на повороты скрепера, мин, следует принимать n12...15  Т пов  , 60 где n  число поворотов (зависит от принятой схемы движения скрепера); 12…15 – продолжительность одного поворота, с. При выборе скрепера исходят из его технической характеристики, которые приведены в табл.4.4. При разработке толстыми стружками переувлаженных суглинков, черноземов и приравниваемых к ним почв скреперные ковши наполняются «с шапкой» (kн = 1,1...1,25). С повышением прочности грунтов степень наполнения ковшей снижается из-за необходимости снимать грунт тонкими стружками. Вследствие этого в последней фазе заполнения ковша подпорного усилия оказывается недостаточно для преодоления возрастающих сил внутреннего трения в грунте. В частности, при разработке сухих сыпу, 257 чих песков с высоким коэффициентом внутреннего трения ковш удается заполнить лишь на 60...70 % его геометрической вместимости. Увеличения степени наполнения можно достигнуть за счет применения фигурных ступенчатых или полукруглых ножей. При постепенном выглублении ковша и в связи с уменьшением толщины стружки последняя остается в средней части ножа еще достаточной для того, чтобы обеспечить продвижение грунта в ковш. Таблица 4.4 Технические характеристики скрепера Показатели ДЗ-458 3 2,75 Емкость ковша, м Ширина резания, мм 1900 Наибольшая глубина резания, мм 150 Марка трактора или тягача ДТ-54 Масса, т 5,45 Мощность двигателя, кВт 39,7 Марка двигателя Д-54А Удельный расход топлива, кг/(кВт∙ч) 0,280 Тяговое усилие, кН 28,5 Прицепные ДЗ-498А ДЗ374А 7 6 Самоходные ДЗ-357М ДЗ-567 ДЗ-392 2650 2672 300 320 Т100МГП 11,8 Т100М 11,1 10 15 2720 3125 2850 300 МАЗ529М 350 350 МОАЗ- БелАЗ546 531 8,55 9,4 15,0 78,8 78,8 ДД108ГП,4/4 108,4/4 132,4 ЯМЗ-236 176,6 ЯМЗ238 262,8 ЯМЗ240 0,239 95,0 0,232 100,0 0,260 120,0 0,232 160,0 0,239 90,0 9 Более эффективные результаты дает применение тракторов-толкачей, оборудованных буферными устройствами. При копании толкач заходит сзади скрепера и, упираясь в его буфер, сообщает ему дополнительное толкающее усилие, что позволяет разрабатывать грунт более толстыми стружками, обеспечивая удовлетворительное наполнение ковша при сокращении продолжительности операции копания, а следовательно, и всего рабочего цикла. Тракторы-толкачи целесообразно применять при групповой работе скреперов для их поочередного обслуживания в зоне загрузки. Толкачи используют также для подталкивания скреперов при движении в гору. При недостаточной мощности тракторов-толкачей они работают тандемно по два-три в одной сцепке. Обычно тяговое усилие скрепера ограничивается условиями сцепления его ходовых устройств с грунтом и находится в прямой зависимости от вертикальной нагрузки, действующей на приводную часть этих устройств. , 258 В конструкциях самоходных полуприцепных скреперов с ведущими передними колесами последние воспринимают только часть весовой нагрузки скрепера и грунта в его ковше. Значительная часть этой нагрузки приходится на задние неприводные колеса. Для повышения тяговой способности этих Машин некоторые модели оборудуют дополнительным двигателем для привода зад них колес. Мощность этого двигателя обычно не превышает 75 % мощности основного двигателя. Существенного уменьшения сопротивления при копании достигают установкой в передней части ковша наклонного скребкового элеватора 14 (см. рис. 4.41,е), обеспечивающего принудительную загрузку грунта в ковш. Недостатками скреперов с дополнительным двигателем и элеваторной загрузкой являются увеличение массы машин и использование дополнительных устройств только в течение операции копания. Поэтому их выгодно применять при небольших (до 500...600 м) дальностях возки, а также при небольших темпах работ, когда содержание трактора-толкача ввиду больших простоев становится малоэффективным. Некоторые самоходные скреперы со всеми ведущими колесами могут работать по два-три в одной сцепке, загружаясь поочередно, с последующим раздельным перемещением к месту отсыпки грунта и обратно. Выигрыш производительности в этом случае достигается за счет удвоенного или утроенного объема грунта при увеличении продолжительности рабочего цикла лишь на время заполнения соответственно одного или двух скреперов. Недостатками являются высокая стоимость и значительная масса полуавтоматических сцепных устройств. Грейдеры. Грейдеры относят к землеройно-транспортным машинам с отвальным рабочим органом. Они предназначены для послойной разработки грунтов немерзлого состояния на горизонтах выше уровня грунтовых вод. Их применяют для планировочных и профилировочных работ в дорожном, аэродромном строительстве, в других его отраслях для возведения насыпей высотой до 1 м из боковых резервов, постройки грунтовых дорог с боковыми канавами, сооружения дорожного корыта и распределения в нем материалов основания дорожной одежды, профилирования дорожных обочин, сооружения и очистки оросительных и придорожных канав, зачистки и планировки откосов, насыпей и выемок, очистки дорог и площадей от снега, льда и т. п. Грейдеры выполняют как самоходные машины с собственным двигателем и приводным ходовым устройством (автогрейдеры, рис. 4.45, а). Выпускаются автогрейдеры: ДЗ-144А, марка двигателя Д-108; ДЗ395А, марка двигателя У1Д662; ДЗ-598А, марка двигателя СМД-14А; ДЗ710А, марка двигателя АМ-41. Реже применяют прицепные грейдеры, буксируемые тракторами. Ходовая часть автогрейдера состоит из четырех приводных задних пневмоколес 1 и двух приводных или неприводных управляемых передних колес 11, рис. 4.45. Задние колеса с каждой стороны машины попарно объединены балансирными балками 2, шарнирно , 259 соединенными с подрамником 3, продолжением которого служит основная рама 4, называемая также хребтовой балкой. Последняя опирается на ось передних колес. Это соединение выполнено в виде цилиндрического шарнира, позволяющего оси совершать поперечные угловые (балансирные) перемещения. Такая подвеска передних и задних колес обеспечивает опирание машины на все шесть колес независимо от рельефа местности. Для изменения направления движения передние колеса могут поворачиваться в плане с помощью рулевой трапеции автомобильного типа. Рис. 4.45. Автогрейдер ДЗ-3111 тяжелого типа: а − конструктивная схема; б − боковой наклон передних колес; в − кинематическая схема рабочего оборудования; г, д. е− схемы работы отвала с откосниками − планирование поверхности насыпи и откоса; г− подошвы насыпи и откоса; е− очистка канав : 1− приводные задние колеса; 2− балансирная балка; 3− подрамник; 4− основная рама; 5− кронштейн; 6− установочные гребенки; 7− отвал; 8− поворотный круг; 9−тяговая рама; 10− универсальный шарнир; 10− управляемые передние колеса; 12− вспомогательное оборудование ; 13,14, 15 − гидроцилиндры; 16− откосники Для повышения устойчивости движения при работе с косоустановленным отвалом эти колеса могут также отклоняться в боковом направлении (рис. 4.45, б). Отвал автогрейдера имеет пять степеней свободы. Параметрами, характеризующими автогрейдер, являются общая масса, сила тяги, колесная схема, скорости движения, вертикальное давление на нож, высота и ширина отвала. Рабочий орган – отвал 7 (рис. 4.45, а, в) через кронштейны 5 и поворотный круг 8 закрепляют на тяговой раме 9. Последнюю располагают под хребтовой балкой и соединяют с ней в передней части универсальным шарниром 10, а в задней – с помощью гидравлических цилиндров 14 и 15 подвешивают к хребтовой балке. Два гидравлических цилиндра 14, работающих независимо один от другого, обеспечивают подъем передней час, 260 ти тяговой рамы и ее перекос, а гидроцилиндр 15– ее вынос в сторону от продольной оси грейдера. Вращением поворотного круга 8 с жестко закрепленными на нем кронштейнами 5 обеспечивается установка отвала в плане. Благодаря такой подвеске отвал может быть установлен горизонтально или наклонно в вертикальной плоскости, под любым углом наклона в плане, располагаться в полосе колеи машины или быть вынесенным за ее пределы, быть опущенным ниже уровня поверхности, по которой перемещается машина, или поднятым над ней. Этим обеспечивается высокая маневренность рабочего органа автогрейдера при выполнении перечисленных выше работ. В случае необходимости работы на больших вылетах от продольной оси машины, например при планировке откосов боковых канав, отвал переставляют на кронштейнах, располагая его асимметрично продольной оси тяговой рамы. Угол резания отвала регулируют установочными гребенками 6, закрепляя их винтами в требуемых положениях. На автогрейдеры навешивают также вспомогательное оборудование 12 бульдозера или кирковщика, располагая последний перед передними колесами или за ними, под хребтовой балкой. Кирковщики, в частности, используют для разрушения твердых покрытий дорог при их ремонте. Управляют отвалом бульдозера или кирковщиком посредством гидроцилиндра 13. Для зачистных работ на ломаных в поперечном направлении поверхностях отвалы дополнительно оборудуют откосниками 16 (рис. 4.45, г... е). Управление рабочими движениями обеспечивается гидравлическими системами. В процессе работы грейдера управление им сводится к выбору соответствующих скоростных режимов движения машины, выдерживанию заданного направления движения и регулированию положения отвала по высоте и его перекосов. Все остальные перемещения рабочего органа являются установочными и выполняются обычно до начала рабочего процесса. Качество планировочных и профилировочных работ в значительной мере зависит от опыта машиниста по управлению высотным положением отвала и его перекосом в поперечном направлении. В конструкциях современных автогрейдеров для этих целей применяют автоматические системы управления, выполняемые в двух вариантах. По первому варианту правым по ходу движения машины гидроцилиндром подъема—опускания тяговой рамы управляет машинист, а второй, левый гидроцилиндр, управляемый автоматически, обеспечивает заданный поперечный наклон отвала. Система автоматической стабилизации поперечных уклонов обеспечивает профилирование боковых уклонов земляного полотна, планирование откосов насыпей и выемок и копание кюветов с уклонами откосов к горизонту до 55°. При скорости движения машины до 3,6 км/ч точность профилирования уклонов составляет +1%. По второму варианту к первой схеме добавляется автоматическая система выдерживания продольного уклона по установленной рядом с полосой движения машины реперной канатной направляющей, которая управ, 261 ляет правым гидроцилиндром подъема тяговой рамы. Точность планирования продольных уклонов составляет ± 6 мм при рабочей скорости до 0,9 км/ч, и до ±10 мм при скорости до 3,6 км/ч, а поперечных уклонов соответственно ± 0,2 и ± 0,5 %. За счет повышения точности обработки поверхностей при использовании автоматической системы стабилизации продольных и поперечных уклонов повышается качество работ, число проходов автогрейдера сокращается примерно в два раза, снижается утомляемость машиниста. Рабочий процесс грейдера сходен с работой бульдозера, оборудованного поворотным в плане отвалом. При выполнении профилировочных работ для лучшего внедрения в грунт отвала широко пользуются его перекосом, вырезая стружки треугольного поперечного сечения. Таким способом сооружают, например, грунтовые дороги, вырезая грунт из придорожных канав и перемещая его в насыпь дороги, профилируют корыто дороги в подготовленном земляном полотне и т. п. Грейдеры эффективно применять при длине рабочих участков (захваток) более 500 м. На коротких захватках увеличивается количество разворотов машины и перестановок рабочего органа, в результате чего производительность грейдеров снижается. Полноповоротная система отвала автогрейдера и дистанционное управление всеми его рабочими перемещениями обеспечивают работу на коротких захватках челночным способом, который менее удобен по управлению при движении машины задним ходом, но в некоторых случаях может оказаться более экономичным по сравнению с обычным способом с разворотами на границах захваток. При возведении насыпей из боковых резервов грейдеры эффективно применять при дальности перемещения грунта до 30 м. Эксплуатационные расчеты. Требуемое тяговое усилие 5 т, которым преодолеваются сопротивления движению грейдера, определяют по изложенной ранее методике для бульдозеров. У автогрейдеров это усилие (Н) ограничивается сцеплением ведущих колес с грунтом: ST  Gсц , (4.27) где Gсц – сила тяжести грейдера, приходящаяся на ведущие колеса, Н;  – коэффициент сцепления; при работе в рыхлых грунтах принимают 0,5...0,6. При всех ведущих колесах в формуле (4.27) учитывается полная сила тяжести машины, а при четырех из шести ведущих колесах — лишь 0,7...0,75 этой силы. Так же по выведенным ранее формулам для бульдозера определяют производительность грейдера на профилировочных и планировочных работах. Грейдер-элеваторы. Грейдер-элеваторы предназначены для копания немерзлых грунтов в материковом залегании на горизонтах выше уровня грунтовых вод и отсыпки его в насыпи, отвалы или в транспортные средства. Их используют для возведения насыпей из боковых резервов, образования продольных выемок, устройства каналов в полувыемкахполунасыпях и других подобных сооружений. , 262 Грейдер-элеваторы выполняют как полуприцепные машины-орудия, агрегатируемые с тракторами (гусеничными или колесными) или одноосными тягачами. Реже их выполняют как сменное навесное оборудование на автогрейдере. У полуприцепных грейдер-элеваторов основная рама (рис. 4.46) опирается на два пневмоколеса 10. У машин с большим вылетом отвального конвейера одно из колес – левое – в транспортном положении устанавливают симметрично со вторым колесом относительно продольной оси машины, а в рабочем положении для повышения устойчивости его отодвигают, устанавливая на специальной откидной оси. Передней частью основная рама соединена с тягачом по схеме универсального шарнира сцепным устройством 6. Рабочий орган в виде дискового плуга 8 подвешен на кронштейне Р к плужной балке 7. Он ориентирован так, что при движении машины вперед вырезает из грунта стружку с поперечным сечением в форме эллиптического сегмента. Отделенный от массива грунт, поднявшись по внутренней сферической поверхности плуга, отваливается на ленточный конвейер 5, расположенный поперек основной рамы, которым он отсыпается в насыпь, отвал или транспортное средство. В зависимости от прочности разрабатываемых грунтов глубину стружки регулируют подъемом-опусканием плужной рамы с помощью гидроцилиндра 3. Угол наклона ленточного конвейера и, следовательно, высоту подъема грунта для разгрузки регулируют гидроцилиндром 4. Для перемещения грунта на большие расстояния ленточный конвейер наращивают вставками. Гидравлические цилиндры питаются рабочей жидкостью от насосной установки, расположенной на тягаче или на грейдерэлеваторе. В первом случае она приводится в движение от двигателя тягача, а во втором — от собственного двигателя 2, управляемого дистанционно из кабины машиниста тягача. Рис. 4.46. Грейдер-элеватор: 1− рама; 2−двигатель; 3, 4− гидроцилиндры; 5− конвейер; 6− сцепное устройство; 7 плужная балка; 8− дисковый плуг; 9− кронштейн; 10−колеса Рабочий процесс грейдер-элеватора состоит из последовательных проходов машины по отрабатываемому участку с разворотами в конце последнего. Для снижения непроизводительных затрат времени на поворотные движения грейдер-элеваторы целесообразно применять на участках протяженностью 200...500 м и более. Некоторые модели грейдерэлеваторов позволяют работать челночным способом после установки рабочего органа в требуемое положение на концах участка. , 263 Техническая производительность грейдер-элеватора (м3/ч) Пт=3600АLkпр/t, (4.28) где А – площадь поперечного сечения соответственно υр = 1,7...3,2 км/ч, υзх = 7,5...14,5 км/ч, для тракторов с механическими передачами υр = 2,35...3,2 км/ч, υзх = 7,6...8,5 км/ч. При разработке высокопрочных грунтов перекрестным способом (в двух взаимно перпендикулярных направлениях) производительность определяют раздельно для продольных и поперечных проходов, а затем находят ее среднее значение. Повысить производительность рыхлителя и улучшить его тяговосцепные свойства можно за счет рационального выбора направления рабочего движения, отдавая предпочтение движению под уклон, резервирования части неубранного после предшествующих проходок грунта или породы слоем 5...7 см, удаления снежного покрова перед разрыхлением мерзлых грунтов для улучшения сцепления движителя, совместной работы с тракторами-толкачами. В последнем случае энергозатраты на разрыхление грунта увеличиваются примерно в два раза, а производительность повышается в три-четыре раза. 4.5. Бурильные машины и оборудование Бурением называют процесс образования земляной выемки обычно круглого поперечного сечения путем разрушения грунта (горной породы) в ее лобовой (донной) части и извлечения на поверхность продуктов разрушения. В зависимости от ориентации подачи рабочего органа на забой различают вертикальное, горизонтальное и наклонное бурение. Вертикальные выемки глубиной, соизмеримой с размерами поперечного сечения, называют ямами. В ямы устанавливают столбы дорожных знаков, надолб и ограждений, железобетонные опоры линий электропередачи и связи и т. п. Выемки большой глубины по сравнению с размерами поперечных сечений называют скважинами (например, вертикальные колодезные скважины, горизонтальные скважины для бестраншейной прокладки труб под насыпями дорог и т. п.). Скважины с малыми размерами поперечных сечений, используемые для закладки в них взрывчатых веществ при разработке прочных грунтов и горных пород взрывом, называют шпурами. Для образования ям и вертикальных или наклонных скважин применяют бурильно-крановые машины, на которых кроме бурового рабочего оборудования монтируют крановое оборудование для установки в ямы столбов, надолб, опускания в скважины свай, блоков колодезных облицовок и т. п. Из-за рассредоточенности строительных объектов и необходимости в связи с этим частого перебазирования бурильно-крановое оборудование монтируют на автомобилях, тракторах или специальных самоходных шасси. Горизонтальные скважины под насыпями шоссейных и железных дорог разрабатывают полустационарными установками горизонтального бурения в комплекте с обслуживающими их грузоподъемными маши, 264 нами (обычно трубоукладчиками) и экскаваторами для перегрузки вынутого из скважины грунта в отвал или транспортные средства. По окончании работ буровое оборудование демонтируют и перевозят на новый строительный объект. Для бурения шпуров при разработке прочных грунтов и горных пород взрывом в строительстве применяют самоходные буровые установки на базе пневмоколесных и гусеничных тракторов. Перечисленные машины и оборудование реализуют вращательный или ударновращательный способы бурения, наряду с которыми известны также другие способы (ударный, термический), применяемые в горных работах. Бурильно-крановые машины. Отечественная промышленность выпускает бурильно-крановые машины на базе автомобилей, пневмоколесных и гусеничных тракторов, рис.4.48 для бурения ям и скважин диаметром 0,3...0,8 и глубиной 3 м (на тракторной базе) и до 8 м (на автомобильной базе). Для разработки выемок различного диаметра машины комплектуют сменным буровым оборудованием. Рис.4.48. Рабочее оборудование бурильно-крановой машины: а−общий вид; б−кинематическая схема привода при двухцилиндровой подачи штанги: 1,10− гидроцилиндры; 2− мачта; 3− цапфа редуктора-вращателя; 4− граненая штанга; 5− капающие лопасти; 6− забурник; 7, 8 −барабаны; 9− вертлюга; 11 − четырехкулачковый патрон Эксплуатационная скорость бурения скважин в грунтах не мерзлого состояния без каменистых включений составляет в среднем 0,6.-.1,4 м/мин в зависимости от диаметра и глубины скважины. При разработке мерзлых грунтов эта скорость снижается в 3...6 раз. Процесс бурения грунтов – наиболее энергоемкий способ их разработки. На бурение 1 м3 грунта не мерзлого состояния затрачивается на порядок больше энергии, чем на разра, 265 ботку одноковшовыми экскаваторами. В меньшей мере эти машины уступают одноковшовым экскаваторам по удельной материалоемкости (в среднем в 1,5...3 раза). Однако для полной оценки бурильно-крановых машин по технико-эксплуатационным показателям следует учитывать, что для отрывки ям и скважин эти машины пока что являются единственно возможными технически и экономически обоснованными средствами. Лишь в отдельных случаях при разработке выемок больших поперечных сечений в грунтах немерзлого состояния возможно использовать одноковшовые экскаваторы с грейферным рабочим оборудованием, энергоемкость которого несколько ниже, чем у бурильных машин. Буровое оборудование рассматриваемых машин включает забурник 6 (рис. 4.47, а) или рыхлящую головку и две или более копающие лопасти 5, жестко закрепленные на конце граненой штанги 4. Последняя проходит через полую цапфу редуктора-вращателя 3, которым она приводится во вращательное относительно своей оси движение. При небольшой глубине бурения штангу перемещают в осевом направлении (на забой) гидроцилиндром 1 (рис. 4.47, а), установленным на редукторе-вращателе, для чего ее верхний конец соединяют со штоком гидроцилиндра. При большой глубине бурения штангу перемещают перехватами четырехкулачковым патроном 11 с помощью двух гидроцилиндров 10 (рис. 4.47, б). По исчерпанию хода штоков патрон разжимают, поднимают вверх и снова зажимают на штанге. Для подъема рабочего оборудования над землей при одноцилиндровом напоре используют тот же гидравлический цилиндр, а при двухцилиндровом напоре – лебедку, канат которой закрепляется на вертлюге 9 буровой штанги и навивается на барабан 7. Второй барабан 8 этой лебедки предназначен для выполнения грузоподъемных операций при установке в пробуренные скважины свай, столбов и т. п. Для тех же целей на машинах с одноцилиндровым напором применяют грузовую лебедку (на рис. 4.48, а не показана) и мачту 2. Обычно основное и вспомогательное (грузоподъемное) рабочее оборудование размещают консольно сзади шасси базовой машины. Его установку в требуемое положение бурения в плане выполняют путем соответствующих маневровых движений машины. У отдельных моделей рабочее оборудование располагают на поворотной платформе или сбоку шасси, чем предопределяется большая точность его установки в рабочее положение. Для повышения устойчивости машины при бурении базовое шасси или раму рабочего оборудования устанавливают на выносные опоры (гидравлические или винтовые). Отдельные модели бурильно-крановых машин оборудуют также бульдозерным отвалом для планирования рабочей площадки перед установкой машины и для засыпки ям по завершению монтажных работ. Бурение начинают после установки машины на ровной площадке на выносные опоры, перевода рабочего оборудования в рабочее положение и опускания бура до уровня земли. Грунт разрабатывают одновременным вращением бура и его осевым перемещением на забой. После забуривания , 266 на глубину 0,3...0,5 м в грунтах I...III категорий немерзлого состояния, а в прочных грунтах и с каменистыми включениями чаще, бур поднимают над поверхностью земли и, не прекращая его вращения, разбрасывают грунт в стороны от ямы. После опускания бура процесс повторяют до достижения требуемой глубины. Частоту вращения бура выбирают в соответствии с прочностью разрабатываемого грунта: большую −для слабых, меньшую − для крепких грунтов. Для разбрасывания грунта с лопастей используют повышенные частоты. Для перевода рабочего оборудования в транспортное положение его укладывают вдоль машины или наклонно к ее шасси. Машины для бурения шпуров. Рабочим органом машин для бурения шпуров служит одна или две буровые штанги (рис. 4.48) с резцами или шарошечными долотами на конце. Рис. 4.48. Двухшпиндельная машина для бурения шпуров на базе пневмоколесного трактора: а — общий вид; б — кинематическая схема привода рабочего органа: 1− буровая штанга; 2− гидроцилиндр; 3− подвижная каретка; 4− редуктор; 5− гидродвигатель; 6− рама; 7− выносные опоры Соответственно различают одно- и двухшпиндельные буровые машины. Верхними гранеными концами штанги входят в полые цапфы ведомых колес редукторов-вращателей 4 и заклиниваются в них, образуя неподвижные соединения. Нижние концы штанг проходят через направляющие отверстия в нижней части рамы 6. Редукторы 4 вместе с приводными гидродвигателями 5 располагают на подвижной каретке − 3, перемещающейся посредством гидроцилиндра 2 в направляющих рамы 6. Последняя гидроцилиндрами может быть установлена в вертикальное или наклонное рабочее положение или уложена вдоль базовой машины (трактора) в транспортное положение. В случае пневмоколесного трактора для обеспечения устойчивой работы машины ее устанавливают на выносные опоры 7. Для бурения шпуров машину устанавливают в рабочее положение, опускают подвижную каретку до касания бурами земли и одновременным вращением штанг и их осевым перемещением разрабатывают скважину. Продукты бурения выносятся на поверхность сжатым воздухом от пере, 267 движного компрессора или спиральной нарезкой по длине буровых штанг. При необходимости штанги периодически поднимают над поверхностью земли и вращением освобождают от буровой мелочи. Технико-эксплуатационные показатели этих машин следует оценивать по конечному результату буровзрывных работ, в составе которых бурение шпуров представляется составной частью. По энергоемкости буровзрывные работы уступают лишь экскаваторной разработке грунта в отвал (в среднем на 35...65 %) и имеют самую низкую материалоемкость (на порядок ниже материалоемкости экскаваторной разработки). Но по сравнению с другими работами в составе буровзрывного комплекса бурение шпуров наиболее энергоемко, а вся материалоемкость, по существу, образуется буровыми машинами. Оборудование для бурения горизонтальных скважин. Бурение горизонтальных скважин под шоссейными и железными дорогами для прокладки в них трубопроводов, подземных кабельных участков линий связи и электроснабжения и других выполняют из отрытого перед насыпью приямкатраншеи. Его размеры должны быть достаточными для размещения в нем бурового оборудования и вспомогательных средств. Для контроля за работой на последнем этапе бурения, а также для подготовки к протаскиванию в пробуренную скважину, например, рабочего трубопровода, кабелей такой же приямок отрывают с противоположной стороны насыпи, рис. 4.49. По мере разработки скважины и удаления из нее грунта в нее осаживают трубу-кожух, которая после окончания буровых работ остается в скважине как футляр для будущих коммуникаций. Трубу-кожух 9 укладывают в приямке на катучие опоры 11, а внутри трубы располагают винтовой конвейер 10, собранный из отдельных секций, с резцовой головкой 1 и забурником на выходящем перед трубой-кожухом конце. Рис.4.49. Установка горизонтального бурения: 1− буровая штанга; 2, 5− гидроцилиндры; 3−подвижная каретка; 4− полые цапфы; 6− нижняя рама; 7− выносные опоры; 8− хамуты; 9− труба-кожух; 10− винтовой конвейер; 11− катучие опоры Тыльный конец вала винтового конвейера приводят во вращение силовой установкой 6, состоящей из двигателя внутреннего сгорания и механи, 268 ческих передач и укрепленной в задней части трубы-кожуха хомутами 8. Напорное усилие трубе-кожуху сообщают приводимой от того же двигателя лебедкой 5, смонтированной на одной с ним раме 4, через полиспаст 3, неподвижные блоки которого укреплены на якоре 2, вкопанном в насыпь. Скважину разрабатывают вращением резцовой головки с одновременной подачей ее вместе с трубой-кожухом на забой. Разрушенный резцовой головкой грунт поступает на винтовой конвейер, которым он перемещается в трубе-кожухе к ее открытому концу и высыпается на дно траншеи, а из нее экскаватором − в отвал или транспортные средства. Реактивный момент сил сопротивления грунта разработке воспринимается трубой-кожухом, которая по мере продвижения в скважину все больше защемляется грунтом. От возможного проворачивания относительно своей оси, особенно в начальной стадии проходки, труба страхуется трубоукладчиком 7, удерживающим ее крюком за раму силовой установки. В установках для бурения скважин больших поперечных сечений (диаметром 1720 мм) напорное усилие создают гидравлическими цилиндрами, упирающимися в щит, установленный у тыльной стенки приямка. Выпускаемые отечественной промышленностью установки обеспечивают бурение горизонтальных скважин диаметром 325...1720 мм (по внешнему диаметру трубы-кожуха) и длиной до 60 м. Максимальные скорости проходки составляют от 15 (для скважин диаметром до 630 мм) до 1,37 м/ч (при диаметре скважины 1720 мм), а усилия подачи − от 480 до 7200 кН соответственно. Описанное оборудование уникально по своему назначению, оно позволяет проводить буровые работы на переходах без остановки движения по шоссейным и железнодорожным дорогам. Приведенные выше данные по скоростям проходки характеризуют только технические возможности этого оборудования, но не могут служить основанием для определения эксплуатационной продолжительности буровых работ на переходе, в составе которых значительную часть занимают подготовительнозаключительные работы, а также простои различного характера. 4.6. Оборудование гидромеханизации Гидромеханизацией называют способ механизации земляных и горных работ, при котором все или основная часть технологических процессов проводятся энергией движущегося потока воды. В строительном оборудовании, реализующем этот способ, используются устройства для разрушения грунтов как струей воды, так и механическим путем с последующим их транспортированием в потоке воды и укладкой в земляные сооружения. При гидравлическом способе разработки грунта требуемое давление потока воды создается водяным насосом, а струя формируется и направляется гидромонитором. В случае механической, обычно подводной, разработки применяют фрезерные рыхлители. Гидромонитор (рис. 4.50) состоит из нижнего неподвижного 3, соединенного с напорным трубопроводом 1, и верхнего 5 поворотного в плане , 269 колен, поворотного в вертикальной плоскости ствола 7 и сменной насадки 6. Струя формируется ребрами внутри ствола и пропускным сечением насадки. Размывающая способность струи характеризуется ее давлением на забой, которое обычно составляет 0,7...2 МПа (при разработке прочных грунтов до 11 МПа). Рис. 4.50. Гидромонитор: 1, 3– напорный и неподвижный трубопроводы; 2, 8– гидроцилиндр; 4– рычаг; 5– колено; 6– насадка; 7– ствол; 9– салазки Для разрушения грунтов давление Р должно быть больше давления Ркр . В практике приняты насадки D / d o  1,5...1,7 , где D  диаметр входного отверстия насадки; d o  диаметр выходного отверстия. Скорость вылета струи Vo   2 gH o , где   коэффициент расхода; H o  свободный напор у насадки. Свободный напор H o  H н  Н у  iL , где Н н  напор насоса; Н у  гидравлический уровень; i  гидравлический уклон; L  длина водопровода. Длина водопровода L  0,4153 d o H o2 , где   угол вылета струи к горизонту. Направление струи регулируют вручную рычагом 4 или дистанционно гидроцилиндрами 2 и 8. Если уровень земляного сооружения находится ниже уровня разработки грунта, то образовавшаяся в результате размыва грунта водой смесь, называемая пульпой, может перемещаться к месту укладки самотеком по естественной поверхности или по искусственным каналам, желобам и трубам. Для перемещения пульпы выше уровня разработки грунта сначала ее самотеком собирают в специальном земляном углублении (зумпфе), из которого по трубам подают к месту укладки грунтовыми центробежными насосами (землесосами). Последние отличаются от водяных центробежных насосов тем, что их пропускные сечения и вращающиеся лопасти рассчитаны на пропуск пульпы с каменистыми включениями и изготовлены из износостойких материалов. При разработке подводных грунтов пульпу отбирают из зоны разработки, а при разработке береговых урезов − из водоема вблизи этой зоны. При этом используют как землесосы, так и гидроэлеваторы, реализующие эжекторный способ поступления пульпы в транспортный трубопровод. В смесительную камеру 1 гидроэлеватора (рис. 4.51) по трубопроводу под напором поступает вода. Проходя через насадку с большой скоростью, она создает в расширяющейся зоне разрежение, благодаря которому в сме, 270 сительную камеру подсасывается пульпа и, разжижаясь в воде, подается в транспортный трубопровод (пульповод) 2. Гидроэлеваторы имеют низкий коэффициент полезно го действия из-за малого действия из-за малой доли грунта в составе пульпы, но по сравнению с грунтовыми насосами они более долговечны в связи с тем, что подвижные части входящего в состав гидроэлеватора насоса для подачи воды в смесительнуюю камеру непосредственно не контактируют с абразивным и частицами пульпы. Реже для подъема пульпы со дна водоема используют эрлифты, которыми в зону разработки грунта подают воздух, направляя его в приемный грунтозаборник всасывающего трубопролвода. Рис.4.51. Принципиальная Аэрированная смесь, обладая меньшей плотносхема гидроэлеватора стью по отношению к окружающей среде, поднимается по трубопроводу, увлекая за собой твердые продукты разрушения грунта. Чисто гидравлический (гидромониторный) способ может оказаться малоэффективным для разработки прочных грунтов. В некоторых случаях выгодно сочетание механического разрушения с транспортированием грунта в потоке воды. Так, при подводной разработке грунтов для их разрушения применяют различного рода фрезы с последующим транспортированием пульпы землесосами или гидроэлеваторами. Этот способ разработки грунтов, называемый гидромеханическим, широко применяют в гидротехническом, мелиоративном и других видах строительства, в системе водного хозяйства, в горной промышленности. Этим способом сооружают и углубляют водоемы и водохранилища, намывают дамбы и плотины, добывают строительный песок и гравий, разрабатывают полезные ископаемые и т. п. Гидромеханический способ разработки грунтов отличается простотой оборудования, невысокой энергоемкостью (2...5 кВт ∙ ч/м3) и материалоемкостью (на уровне экскаваторной разработки в отвал, а по массе машинного оборудования — самым низким уровнем после буровзрывной разработки), высоким качеством укладки грунта. Для его реализации требуется большое количество воды, в связи с чем этим способом разрабатывают грунты вблизи водоемов, с береговых урезов и со дна водоемов. Сухопутные средства гидромеханизации представляют собой комплекты описанного выше гидромониторного и землесосного оборудования, смонтированного на салазках 9 или самоходных, обычно гусеничных, шасси. В первом случае его применяют на объектах с большими объемами работ, а для перемещения с одной стоянки на другую используют внешние транспортные средства. Самоходные установки используют в случае рассредоточенных работ в условиях частой смены строительных объектов. Для подводной разработки грунтов описанное выше оборудование монти, 271 руют на специальных плавучих средствах, называемых земснарядами. На мелиоративных и дноуглубительных работах применяют земснаряды производительностью до 100 м3/ч, оборудованные собственной силовой дизельной или дизель-электрической установкой и приспособленные для работы при быстром течении воды и больших волнах. Сооружение крупных водоемов, намыв плотин и дамб, подводную добычу песка и гравия осуществляют земснарядами с электрическим приводом с питанием от внешних источников энергии производительностью 100...1000 м3/ч. Корпус земснаряда представляет собой разделенный на отсеки понтон 6 (рис. 4.52, а). Для транспортирования пульпы требуется, чтобы диаметр пульповода был не меньше определенной величины, т. е. В его передней части шарнирно укреплена рама 2, несущая на конце фрезу 1 (на некоторых земснарядах, кроме того, гидромонитор) и грунтозаборник. Фрезу приводят во вращение через систему карданных валов и механических передач от электродвигателя 8, установленного на понтоне. Грунтозаборник сообщается с всасывающим трубопроводом 5, которым пульпа подается к землесосу 7 и далее в пульповод 10, проложенный по водоему на поплавках и по суше на инвентарных опорах. В зависимости от глубины разработки раму 2 опускают и поднимают лебедкой 4 посредством полиспаста, верхние блоки которого закреплены на стойке 3. Для работы на водоеме земснаряд устанавливают на одну из двух расположенных в его кормовой части свай 9. Канаты 12 лебедок 11 (рис. 4.52, б) бокового (папильонажного) перемещения оттягивают в стороны от земснаряда и заякоривают на дне водоема, а если позволяет длина канатов, огибаемые ими блоки 13 укрепляют на береговых якорях. Грунт разрабатывают вращающейся фрезой, отсасывая пульпу землесосом, при непрерывном вращательном в плане движении (папильонировании) корпуса земснаряда относительно опущенной сваи. Это движение обеспечивается одной из папильонажных лебедок при сматывании каната с другой лебедки. Рис.4.52. Схема земснаряда (а) и схема папильонажа (б): 1− фреза; 2− рама; 3− стойка; 4− лебедка; 5− трубопровод; 6− понтон; 7− землесос; 8− электродвигатель; 9− свая; , 272 10− пульповод; 11, 12 − канаты; 13− блок При разработке грунта на дне водоема по достижении головой рамы 2 границы полосы разработки опускают на дно вторую сваю, а прежнюю поднимают в нерабочее положение. Включением второй лебедки (со стороны опущенной сваи) и реверсированием первой достигают возвратного папильонажного движения и т. д. Схема положений А и Б, соответствующих последовательным траекториям движения головы стрелы, показана на рис. 4.52, б. При разработке береговых урезов, которую начинают обычно с наиболее высокого уступа, после граничного папильонажного перемещения земснаряда в одну сторону раму опускают на нижележащий уступ и разрабатывают его возвратным папильонированием. Так, с одной свайной стоянки разрабатывают все уступы до дна водоема, после чего переставляют сваи (зашагивают). В некоторых случаях при разработке слабых грунтов в береговых урезах, особенно при узких полосах папильонирования, земснаряд устанавливают в новое положение после нескольких последовательных шагов. По мере продвижения земснаряда по водоему требуется периодически перекладывать якоря, используя для этого моторную лодку или катер. Для разработки траншей на дне водоемов глубиной до 25 м при строительстве подводных переходов магистральных трубопроводов применяют бессвайные земснаряды производительностью до 200 м3/ч, оборудованные четырьмя папильонажными и двумя становыми лебедками. Одну становую лебедку располагают в носовой части понтона, а вторую — на корме. Этими лебедками земснаряд перемещают вдоль отрываемой траншеи. Техническая производительность земснаряда (м3/ч) Пт = Q k, (4.33) 3 где Q – подача грунтового насоса по объему пульпы, м /ч; k – средний коэффициент консистенции грунта в пульпе (k = 0,1...0,25 – нижний предел соответствует разработке гравийно-галечных, а верхний – песчаных грунтов). 4.7. Грунтоуплотняющие машины После отсыпки грунта в насыпь вследствие его естественной осадки, а также от воздействия внешних нагрузок, передаваемых насыпи наземными сооружениями, движущимися по ней транспортными средствами и в других случаях, с течением времени грунт частично изменяет свою плотность, вызывая осадку земляного сооружения. Для получения проектных размеров земляного сооружения в процессе строительства после отсыпки грунта его уплотняют укаткой, трамбованием, вибрацией, виброукаткой или вибротрамбованием. В процессе уплотнения частицы грунта смещаются и укладываются более компактно за счет вытеснения жидкой и газообразной фаз. При укатке необратимая деформация (уплотнение) грунта развивается вследствие многократно повторяющегося действия перемещающейся на, 273 грузки на поверхности контакта с грунтом перекатываемого по нему вальца или колеса. При трамбовании грунт уплотняется падающей массой. При этом часть кинетической энергии в момент удара о грунт преобразуется в работу его уплотнения. Виброуплотнение заключается в сообщении грунту колебательного движения, которое приводит к относительному смещению его частиц и более плотной их упаковке. Эти движения возбуждаются колеблющимися массами, находящимися либо на поверхности уплотняемого грунта (поверхностные вибраторы), либо внутри него (глубинные вибраторы). При виброуплотнении рабочий орган вибратора колеблется вместе с грунтом (присоединенной массой грунта). Если возмущения превзойдут определенный предел, то виброуплотнение преобразуется в вибротрамбование с отрывом рабочего органа вибратора от грунта и частыми ударами по нему. При этом грунт будет встряхиваться, и находящаяся в нем связанная вода перейдет в свободную, благодаря чему уменьшится сопротивляемость грунта внешним нагрузкам. Этим достигается большая эффективность процесса по сравнению с другими способами уплотнения. Как разновидность виброуплотнения применяют также комбинацию этого способа с укаткой, для чего перекатываемому по грунту катку сообщают направленные вертикальные колебания. При назначении режимов работы грунтоуплотняющего оборудования следует учитывать, что большей глубине уплотняемого слоя соответствуют большие давления на поверхности контакта с грунтом рабочего органа, которые, однако, не должны быть выше предела прочности грунта. Если это условие не удовлетворяется, то происходит разрушение структуры грунта, которое проявляется в сильном волнообразовании перед вальцами или колесами катков, выпирании грунта в стороны. Так как после каждой очередной проходки грунтоуплотняющей машины предел прочности грунта на его поверхности возрастает, то для повышения эффективности процесса целесообразно контактные давления увеличивать от прохода к проходу (для катков) или от удара к удару (для трамбующих машин). С этой целью рекомендуется двухстадийное уплотнение грунта: предварительное – легкой машиной, окончательное – тяжелой. При этом общее число проходов или ударов по одному месту может быть уменьшено в среднем на 25 % с сокращением стоимости работ до 30 %, в том числе и за счет частичной замены тяжелых машин легкими. При уплотнении грунтов после скреперной отсыпки получают более высокий эффект вследствие того, что предварительное уплотнение грунта будет выполнено скреперами попутно с их разгрузкой. При уплотнении грунта укаткой скорости передвижения катков не оказывают влияния на изменение плотности грунтов. Но при повышенных скоростях из-за больших сдвигающих усилий на контактной поверхности формируется менее прочная структура грунта. Исследованиями установлены рациональные скоростные режимы – перемещение катка на малой скорости (1,5...2,5 км/ч) на первом и двух последних проходах и на повышенных скоростях (8...10 , 274 км/ч) на промежуточных проходах, — которыми обеспечивается увеличение производительности катков примерно в два раза по сравнению с работой в односкоростном режиме, удовлетворяющем требованиям прочности поверхностной структуры грунта. Катки. Катки предназначены для уплотнения грунтов и других сыпучих материалов (гравия, щебня) при возведении отсыпаемых послойно дорожных насыпей, плотин и дамб, оросительных сооружений и водохранилищ, при засыпке канав и т. п. По способу силового воздействия на уплотняемый грунт различают катки статического действия и виброкатки. По типу рабочего органа катки изготовляют с гладкими, кулачковыми, ребристыми и решетчатыми вальцами и с пневмоколесами. По способу соединения с тягачом катки могут быть прицепными, полуприцепными и самоходными. Последние применяют в основном для уплотнения дорожных оснований и покрытий. Катки эффективно применять на линейных объектах большой протяженности или площадях с большими размерами. Катки с гладкими вальцами наиболее просты по конструкции. Такой каток состоит из гладкого пустотелого вальца 5 (рис. 4.53, а) и охватывающей его рамы 3 с дышлом 2 и сцепным устройством на конце. Рис.4.53. Разновидности катков: а) − гладкий с вальцами; б) − кулачковый; г) − пневмоколесный; д) − много пневмоколесный;1− сцепное устройство; 2− дышло; 3− рама; 4− подшипники; 5− каток; 6− скребок; 7− люк; 8− полубандаж; 9− кулачки; 10, 12− балластные ящики; 11− пневмоколеса; Валец соединяется с рамой через подшипники 4 на торцовых шипах. Для увеличения давления на грунт валец загружают песком (балластируют) через люк 7, Налипший на поверхность вальца грунт очищается скребком 6, установленным на раме. Катки этого типа перемещаются за тягачом (трактором). Последовательные проходы выполняются либо с разворотами на концах гонов для возвратного движения, либо челночным способом, для чего тягач перецепляют на противоположную сторону катка. Гладкие катки уплотняют грунт слоями 0,15...0,2 м без разрыхления его поверхности или с незначительным разрыхлением на глубину 1...3 см (в несвязных грунтах). Их применяют преимущественно для прикатки в один-два прохода поверхности грунта, уплотненного другими катками. Кулачковые катки (рис. 4.53, б) отличаются от катков с гладкими вальцами наличием на рабочей поверхности вальцов кулачков 9, расставленных в шахматном порядке. Кулачки приваривают либо непосредственно к , 275 обечайке вальца, либо к полубандажам 8, которые затем монтируют на обечайке гладкого вальца. Междурядья кулачков очищают штырями, собранными на общей балке, прикрепленной к раме вместо скребка. Грунт уплотняют внедряемыми в него кулачками, а на первых проходах также поверхностью вальца. Кулачковые катки эффективны для работы в рыхлых связных грунтах. Для уплотнения несвязных грунтов их не применяют из-за интенсивного перемещения частиц грунта вверх и в стороны, вследствие чего практически невозможно достигнуть требуемой плотности. Отечественной промышленностью выпускаются прицепные кулачковые катки массой до 28 Мг при диаметре вальцов до 2,4 м, ширине уплотняемой полосы до 2,7 м и толщине уплотняемого слоя до 0,4 м. Рабочие поверхности ребристых катков выполнены из нескольких соосных кольцевых бандажей с волнообразными внешними поверхностями, выступы которых расположены в шахматном порядке. Обечайку решетчатого катка изготовляют из прутков в виде решетки с квадратными ячейками. Подобно кулачковым ребристые и решетчатые катки производят глубинное уплотнение грунта, внедряясь в него ребрами или прутьями. Для укатки грунта на обширных площадях используют сцепы из двух — пяти катков и более, объединенных общими траверсами (рис. 4.49, в). Прицепной пневмоколесный каток (рис. 4.53, г, д) состоит из рамы 3, соединенной посредством дышла 2 и сцепки с тягачом (трактором или автомобилем), 4...6 пневмоколес 11, соединенных с рамой одной осью (рис. 4.54, г) или через балансиры (рис. 4.53, д), и одного 10 (рис. 4.53, г) или нескольких 12 (рис. 4.53, д) по числу колес балластных ящиков. В последнем случае крайние балластные ящики жестко соединяются между собой передней и задней поперечными балками, а ось каждого из колес крепится к днищу соответствующего балластного ящика. Средние ящики балансирно закреплены на задней поперечной балке. Такая конструкция обеспечивает постоянный контакт всех колес с неровной поверхностью укатки и равномерную передачу нагрузки на грунт каждым колесом. Из механики грунтов известно, что при вдавливании штампа деформации грунта и соответствующие напряжения уменьшаются с глубиной, что приводит к неравномерному уплотнению различных слоев грунта. Поэтому важно знать, при какой глубине вдавливания рабочего органа процесс деформации грунта сохраняется более или менее равномерным и приближенно можно определить по формулам: для связных грунтов, уплотняемых гладкими вальцами h  0,096 /  o  qR ; для несвязных грунтов, уплотняемых гладкими вальцами h  0,11 / o  qR ; для несвязных грунтов, уплотняемых катками на пневматической шине h  0,20 / o  Gk p , , 276 где  и o – абсолютная и оптимальная влажность грунта (для песчаных грунтов составляет 8…12; для супесчаных 10…15; для глинистых 18…21); q  распределенная нагрузка, действующая со стороны катка на грунт; R  радиус катка, см; p  давление воздуха в шинах, МПа. Максимальные напряжения для дорожных покрытий в конце их уплотнения катками с гладкими жесткими вальцами не должны превышать для щебеночных оснований 4,5 МПа, для горячего асфальтобетона 5 МПа, для гравийных оснований 3 МПа. При уплотнении грунтов гладкими вальцами максимальное контактное напряжение  max , которое должно удовлетворять условию σ max <σ в , где σ в – предел прочности грунта, определяют по формуле qEo σ max  , R где Eo  модуль деформации уплотняемого грунта (для несвязнных грунтов Eo  10…15 МПа, для связных Eo  15…20 МПа, для щебеночных и гравийных оснований Eo  30…100 МПа. Отечественной промышленностью выпускаются прицепные пневмоколесные катки массой до 25 т при ширине уплотняемой полосы до 2,8 м. Эти катки уплотняют грунт слоями 0,45 м. Требуемая плотность грунта достигается за 6...8 проходов в связных и 3...4 прохода в несвязных грунтах. Весьма эффективно для уплотнения малосвязных грунтов применять вибрационные катки (рис. 4.53, е) с гладкими, кулачковыми или решетчатыми вальцами, внутри которых вмонтирован вибратор направленных колебаний, приводимый в движение клиноременной передачей от автономного двигателя, установленного на раме катка. Эффективность уплотнения достигается за счет совместного действия на грунт гравитационных и возмущающих сил, генерируемых вибратором, что позволяет получить требуемую плотность грунта при меньшей массе катка. Так, при уплотнении песков за счет вибрационного воздействия масса катка может быть снижена примерно в пять раз, при супесях — в два раза, а при уплотнении средних и тяжелых суглинков лишь на 10...30 %. Эффективность вибрационного воздействия снижается с увеличением содержания в грунте глинистых частиц. Поэтому для уплотнения связных и высокосвязных грунтов требуется применять весьма тяжелые катки. Виброкатки могут работать в вибрационном и виброударном режимах. Последний наступает при амплитудах возмущающей силы больше удвоенной силы тяжести катков. Промышленностью выпускаются виброкатки массой 3 т при диаметре вальца 1,2 м. Ширина уплотняемой полосы составляет 1,4 м, а глубина уплотнения до 0,6 м. Возмущающая сила вибрации в 30 кН генерируется вибратором, приводимым двигателем мощностью 30 кВт. Частота вибрации составляет 30 Гц. Каток буксируется колесным или гусеничным трактором класса 15...30 кН со скоростью до 3 км/ч. В рамках содружества , 277 производство прицепных виброкатков массой до 12 т с гладкими, кулачковыми и решетчатыми вальцами освоено в Германии. В западноевропейских странах широкое распространение получили самоходные двухвальцовые виброкатки небольшой массы (600...1200 кг) при диаметре вальцов 400...600 мм и ширине, превышающей их диаметр в 1,4...1,7 раза. Выпускаются также катки с комбинированием ведущих пневмоколес и ведомых вибрационных стальных катков, установленных на шарнирно-сочлененной раме. Трамбующие машины и оборудование. Трамбованием уплотняют как связные, так и несвязные грунты слоями большой толщины (1...1,5 м). Рабочие органы трамбующих машин в виде чугунных или железобетонных плит круглой или квадратной формы навешивают на экскаваторы или специально приспособленные для этого машины. В первом случае в качестве базовой машины используют экскаватор-драглайн, к подъемному канату которого подвешивают плиту массой 0,8...1,5 т с площадью опорной поверхности около 1 м2. Вспомогательным канатом с легким оттяжным грузом предупреждают закручивание основного каната. Плиту поднимают на высоту 1,2...2 м, с которой ее сбрасывают отключением от трансмиссии барабана подъемной лебедки. Тремя — шестью ударами плиты о грунт достигают его уплотнения на глубину 0,8...1,5 м. , 275 Продолжительность рабочего цикла с учетом поворотных движений экскаватора в плане составляет в среднем 12...20 с, что определяет невысокую производительность этого способа. Применение экскаваторов для уплотнения грунтов экономически невыгодно из-за высокой стоимости этих машин, а также изза повышенного износа подъемного и передающих механизмов в описанном режиме нагружения. По этой причине указанный способ уплотнения грунтов имеет ограниченное применение − в местах, труднодоступных для других грунтоуплотняющих машин. Для уплотнения грунтов на объектах широким фронтом работ используютсамоходные трамбующие машины на базе гусеничного трактора класса 100...150 кН (рис. 4.54, а). Грунт уплотняют двумя чугунными плитами 3 массой 1,3 т каждая, поочередно поднимаемыми по установленным сзади трактора штангам 2 и падающими на грунт при непрерывном движении машины вперед. Плиты поднимают канатами 7 (рис. 4.54, б) с помощью кривошипного механизма 6, приводимого в движение через редуктор от двигателя 8, установленного в передней части трактора. Рис. 4.54. Трамбующая машина на базе гусеничного трактора (а): 1– редуктор; 2– штанга; 3– плита; кинематическая схема привода рабочего оборудования (б): 4,9–пружинные амортизаторы; 5– муфта предельного момента; 6– кривошипный механизм; 7– канат; 8– двигатель В момент перехода кривошипа через верхнюю «мертвую точку» установленная в его приводе муфта предельного момента 5 отключает канатную систему от редуктора, обеспечивая тем самым свободное падение трамбующей плиты. Для снижения динамических нагрузок в канатах они прикреплены к передней раме и трамбующим плитам через пружинные амортизаторы 4 и 9. В зависимости от содержания в грунте глинистых частиц уплотнение на глубину до 276 1,2 м достигается за 3...6 ударов плиты по одному месту. Соответствующая этим требованиям скорость передвижения трактора составляет 160...320 м/ч. При уплотнении грунтов падающей плитой силу удара F t  , действующую на грунт, можно определить из теоремы о количестве движения t уд  F t dt  mv1  mv2 , где m  масса плиты; v1 и v2  скорости плиты до и после удара; t уд  продолжительность удара; t  текущее время. Если принять, что сила удара F t  , являющаяся функцией времени, изменяется по линейному закону F t   Fmax / 2 , а скорость трамбующей плиты после удара v2  0 , то интегрируя последнее уравнение, получим Fmaxt уд / 2  mv1 , откуда Fmax  2mv1 / t уд . При свободном падении плиты с высоты Н v1  2 gH . Тогда окончательно 2m 2 gH Fmax  . t уд Зная силу удара трамбующей плиты и ее рабочую площадь A , можно определить максимальное напряжение, создаваемое в грунте при ударе 2m 2 gH F σ max  max  . A At уд Виброуплотняющее оборудование. Для уплотнения грунта при ограниченной в плане его поверхности применяют вибрационные поверхностные уплотнители (виброплиты). Грунт уплотняется плитой-поддоном 1 (рис. 4.55), которой сообщаются колебания, генерируемые двухдебалансным вибратором 2, установленным на плите шарнирно. При изменении положения корпуса вибратора относительно плиты-поддона возникает горизонтальная составляющая возмущающей силы Q, обеспечивающая виброплите горизонтальные перемещения (самопередвижение) в направлении действия этой составляющей. Вращение дебалансам вибратора передается через гибкую, обычно клиноременную передачу от силовой установки, смонтированной на подрамнике, установленном на плите на пружинных или резинометаллических амортизаторах (рис. 4.55, а). 277 Рис. 4.55. Виброплита (а), схема работы при вибрировании на месте (б), при движении вперед (в) и назад (г): 1− плита-поддон; 2− вибратор Управляет виброплитой оператор с помощью рычагов, установленных на дышле, которое соединяется плитой через амортизаторы. Поворотом дышла также изменяется направление самопередвижения виброплиты. Виброплиты транспортируют на специальных тележках, буксируемых трактором или автомобилем. Изготовляемые в рамках содружества с Германией виброплиты производительностью от 300 до 900 м3/ч массой от 150 до 1400 кг обеспечивают уплотнение грунта на глубину от 0,3 до 1 м. Производительность грунтоуплотняющих машин и оборудования. Техническую производительность грунтоуплотняющих машин и оборудования непрерывного действия (м 3 /ч) определяют по объему уплотненного грунта: Пт=1000(В—b)hυ/ z, (4.34) где В – ширина полосы уплотнения, принимаемая равной ширине катка, сцепа, виброплиты, трамбующей машины, м; b – ширина перекрытия смежных полос (b = 0,1...0,15 м); h – толщина слоя эффективного уплотнения, указываемая в технической характеристике уплотняющего оборудования, м; у – средняя рабочая скорость движения машины (оборудования), км/ч; z – необходимое число проходов по одному месту. Для трамбующей плиты Пт=60n(a—b)2h/z, (4.35) где п – число ударов плиты в 1 мин; а – размер опорной поверхности плиты (стороны квадрата или диаметр), м; z – необходимое число ударов плиты по одному и тому же месту. Контрольные вопросы по четвертой главе. 1. Дайте классификацию машин для земляных работ. 2. Какой способ получил наибольшее распространение в строительстве земляных работ ? 3. Виды рабочих органов машин, реализующих механический способ разрушения грунта. 4. Показать на рис.4.2 элементы и параметры режущей части землеройного рабочего органа с грунтом. 5. Понятия «резания» и «копания» грунтов. 6. Особенности взаимодействия режущих рабочих органов с грунтом. 7. Наблюдается ли эффект самозатачивания режущего рабочего органа при взаимодействии с грунтом ? 8. Какие силы действуют на рабочий 278 орган при копании грунта ? 9. На какие категории делят грунт по А.Н. Зеленину. 10. Классификация одноковшовых экскаваторов, основные параметры и индексация. 11. Чем отличается экскаватор с прямой лопатой от обратной ? 12. Методика определения мощности силовой установки одноковшового экскаватора. 13. Теоретическая производительность одноковшового экскаватора. 14. Какие функции выполняет вал реверса главной лебедки. 15. Как определяют время поворота платформы экскаватора ?. 16. Как определяют продолжительность цикла экскаватора ? 17. Чем отличается грейфер от драглайна ? 18. Приведите схему силового взаимодействия ковша драглайна с грунтом. 19. Какие конструктивные особенности грейферного рабочего оборудования ? 20. Привести схему управления рабочего оборудования гидравлического погрузчика. 21. Как осуществляется поворот стрелы неполноповоротного гидравлического одноковшового экскаватора на базе пневмоколесного трактора ? 22. Эксплуатационная производительность одноковшового экскаватора. 23. Классификация многоковшовых экскаваторов. 24. Устройство, рабочий процесс траншейных роторных и цепных экскаваторов. 25. Методика определения производительности и мощности силовой установки. 25. Классификация землеройно-транспортных машин. 26. Назначение, устройство и рабочие процессы бульдозеров с неповоротным и поворотным отвалами. 27. Производительность бульдозеров и скреперов и пути ее повышения. 28. Характеристика сопротивлений передвижению бульдозеров и скреперов при послойной разработке грунтов. 29. Назначение, устройство, рабочий процесс бурильно-крановых машин. 5. МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАЙНЫХ РАБОТ 5.1. Машины для свайных работ Для устройства свайных фундаментов на строительных объектах применяют забивные, винтовые и набивные сваи. Два первых типа свай изготовляют на заводах, а третий устраивают на месте из монолитного железобетона или в сочетании со сборными элементами заводского изготовления. В настоящее время на стройках нашей страны массовое применение (более 90 % от общего объема применяемых свай) получили главным образом забивные железобетонные сваи квадратного сечения 0,2 × 0,2...0,4 × 0,4 м длиной до 20 м. Используются также винтовые металлические сваи, воспринимающие в равной мере как вдавливающие, так и выдергивающие нагрузки. Их применяют, в частности, для заанкеривания трубопроводов, укладываемых в грунтах с подвижным поверхностным слоем, в качестве инвентарных анкерных устройств для стендовых испытаний конструкций на статические нагрузки и т. п. Набивные сваи в нашей стране широкого распространения не получили. Во многих зарубежных странах свайные фундаменты изготовляют преимущественно буронабивным способом. Сваи заводского изготовления погружают в грунт приложением внешней вертикальной или наклонной нагрузки (забивные сваи) или в сочетании ее с парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости (винтовые сваи). Этими силами преодолеваются силы сопротивления грунта погружению в него сваи. В зависимости от структуры, гранулометрического состава, влажности, параметров внутреннего и внешнего трения и других свойств грунты оказывают различные сопротивления погружению свай. В наиболее податливые глинистые и супесчаные грунты текучей и текучепластичной консистенции забивные 279 сваи возможно погружать вдавливанием. Чтобы противостоять большим реактивным силам сопротивления грунта, применяемое оборудование должно обладать большой массой. В противном случае оно будет отрываться от земли (подниматься над ней), не производя полезной работы. Обычно вдавливающее оборудование погружают тяжелыми тракторами, которые наезжают на специальные откидные рамы, связанные с направляющей мачтой. Из-за большой материалоемкости вдавливающего оборудования и ограниченности грунтовыми условиям (возможностью работать только в слабых грунтах) его низкой производительности этот метод редко применяют в строительстве. Для интенсификации процесса погружения забивных свай реализуются два основных направления: создание технических средств, с помощью которых можно обеспечить требуемые для погружения свай нагрузки при уменьшенной массе оборудования, и средств, изменяющих силовое взаимодействие сваи с грунтом по разделяющим их поверхностям и уменьшающим тем самым сопротивляемость грунта погружению сваи, что в конечном счете приводит к снижению требуемых внешних нагрузок, а следовательно, и к меньшей массе оборудования. В первом случае применяют сваебойное оборудование – свайные молоты, которые передают свае ударную нагрузку. Дополнительно к вдавливающей нагрузке, которая передается в виде сил гравитации – собственных и взаимодействующих с ней рабочих органов, свае передается часть кинетической энергии падающего на нее ударного рабочего органа. Ударный метод погружения свай широко применяют в строительстве, практически в любых грунтовых условиях, кроме скальных. Второе направление реализовано в конструкциях вибропогружателей, которые нагружают сваю периодически изменяемой по значению и направлению возмущающей нагрузкой высокой частоты. Вследствие высоких мгновенных относительных знакопеременных скоростей в пограничной со сваей зоне резко снижается коэффициент внутреннего и внешнего трения грунта, который приобретает свойства жидкости, чем снижается его сопротивляемость погружению сваи. В результате вибрационного силового взаимодействия сваи с грунтом для ее эффективного, соизмеримого по скорости с другими способами, погружения достаточно небольшой гравитационной пригрузки. Этот метод весьма эффективен при погружении свай в водонасыщенные песчаные грунты, а также другие грунты пластичной консистенции. По сравнению с ударным способом в указанных грунтах вибропогружением можно повысить производительность труда в 2,5...3 раза при снижении стоимости работ в 1,5...2 раза. С уменьшением влажности грунтов для погружения свай с использованием виброэффекта к ним требуется прикладывать большие статические или динамические (ударные) вертикальные нагрузки. Способы погружения свай сочетанием указанных нагрузок называют соответственно вибровдавливанием и виброударным погружением. Каждую из составных частей нагрузок при погружении свай вибровдавливанием (вибрационную и вдавливающую) передают на 280 сваю различными механизмами вибровдавливающего агрегата. Виброударную нагрузку можно генерировать одним механизмом — вибромолотом. Для завинчивания свай можно применять все перечисленные методы с тем, однако, отличием, что реализующие их механизмы должны обладать возможностью передавать свае пары сил в горизонтальной плоскости. В строительной практике применяют кабестаны — устройства, осуществляющие статический способ передачи вращающих сил. Вертикальная пригрузка сваи при этом способе ее погружения обязательна, особенно на начальном этапе, когда лопасти сваи еще недостаточно защемлены грунтом. Завинчиванием можно погружать сваи в щебенисто-галечные, гравийно-песчаные, глинистые, а также мерзлые (песчаные и глинистые) грунты. Перед устройством ростверков — конструкций, объединяющих сваи и служащих для передачи нагрузки от надземной части здания на сваи и грунтовое основание,— головы погруженных в грунт свай выравнивают на проектной отметке, срубая их пневматическими молотками и газовой резкой или срезая специальными устройствами, называемыми сваерезами. Набивные сваи изготовляют на месте путем заполнения предварительно пробуренной скважины бетонной смесью с уплотнением или без него. Скважины образуют бурением (вращательным, ударным, вибротермомеханическим), пробивкой штампами различной формы, иногда с раскаткой или сочетанием этих способов. В плотных грунтах скважины разрабатывают без крепления стенок, а в обрушающихся грунтах – с использованием обсадных труб, которые оставляют в скважине или извлекают из нее по мере ее заполнения бетонной смесью. Уширения в скважинах образуют режущими или уплотняющими уширителями рабочих органов или с помощью камуфлетного взрыва, не вызывающего деформаций грунта за пределами означенной зоны. В большинстве случаев эти уширения выполняются в едином технологическом процессе с устройством тела сваи. Помимо описанного способа устройства набивных свай, по содержанию которого эти сваи называют буронабивными, известны также другие способы – вибронабивной, виброштампованный. Для механизации работ по устройству набивных свай используют общестроительные машины и оборудование (бурильные, бетоносмесительные, машины для транспортирования, укладки и уплотнения бетонной смеси и др.), а также специальные машины, реализующие те же принципы, но приспособленные для наиболее эффективного выполнения рассматриваемых работ. Более подробно эти машины и оборудование рассматриваются в специальной литературе [7, 11, 13 ]. 5.2. Машины и оборудование для погружения свай Копры и копровое оборудование. Сваи заводского изготовления погружают в грунт с помощью копров, перемещающихся по свайному полю на собственном, обычно рельсовом, ходу. Копры служат для подъема и установки свай пе- 281 ред погружением в требуемой точке свайного поля и обеспечения их направления при погружении вместе с погружателем. В основу классификации копров заложена конструкция ходового оборудования базовой машины. По этому признаку копры делят навесные (КН), рельсовые (КР) и мостовые (КМ). По конструктивному исполнению приводов и механизмов копры и копровое оборудование делят на: 1 – универсальные, имеющие поворотную платформу и изменяющие вылет и рабочий наклон копровой стрелы; II и III  полууниверсальные, имеющие либо только поворотную платформу с оборудованием для погружения вертикальных свай без изменения вылета и рабочего наклона копровой стрелы, либо только рабочий наклон копровой стрелы для погружения наклонных свай; IY  простые, не имеющие поворотной плаформы, а также механизмов для изменения вылета и рабочего наклона копровой стрелы. Размеры копров и копрового оборудования зависят от размеров погружаемых ими свай. В соответствии с этим изготавливают копры и копровое оборудование: для погружения свай длиной до: 8 (3…8) м; 12 (9…12) м; 16 (13…16) м; 20 (17…20) м; 25 (21…25) м и более. В соответствии с приведенным размерным рядом исполнение и типоразмер копра сокращенно могут быть обозначены индексом, например: КН-1-12 – копер навесной в универсальном исполнении с полезной высотой стрелы 12 м (для погружения свай длиной 9…12 м); КР  III  16  копер рельсовый в полууниверсальном исполнении для погружении свай длиной 13 …16 м и т. д. Для выполнения всех грузоподъемных операций используют одну двухбарабанную или две однобарабанные лебедки раздельно для подъема сваи и погружателя. Для правильной установки сваи и ее фиксирования в требуемом начальном положении мачту оборудуют упорами, иногда захватами в ее нижней части. Для наводки сваи на требуемую точку свайного поля требуется две степени свободы мачты. Обычно это достигается поворотом платформы и изменением вылета мачты. Еще одна степень свободы нужна для корректировки направления последующего движения сваи в процессе ее погружения. Копры, у которых мачты обладают выше тремя степенями свободы, называют универсальными. При отсутствии одной какой-либо из этих степеней свободы копер называют полууниверсальным, а при наличии только поворотного в плане движения — простым. Рабочий цикл простых копров по сравнению с универсальными и полууниверсальными более продолжителен за счет увеличения затрат времени на вспомогательные операции, которые в среднем составляют более половины продолжительности всего рабочего цикла. В строительстве применяют также копры на гусеничном ходу, изготовленные на базе одноковшовых экскаваторов. Для работы в особых условиях отдельные узлы копров могут быть существенно изменены. Так, для работы в котлованах большой протяженности приме- 282 няют специальные мостовые копры в виде стальной фермы, передвигающейся на тележках по рельсам, уложенным на противоположных бровках котлована. Поворотная платформа в этом случае заменяется перемещающейся вдоль мостовой фермы тележкой. Копры С-878, С-714, С-878М и СП-49 имеют аналогичную конструктивную схему с копром С-870. Однако в отличие от него навеска рабочего оборудования здесь осуществляется не сзади, а сбоку базовой машины. Копры С-878, С-878М и СП-49 выпускают Тверской и Стерлитамакский заводы строительных машин. Копры снабжены устройством для подтаскивания, подъема и установки сваи, включая заводку головы сваи в наголовник молота. Это устройство выполнено в виде стрелки, привод которой осуществляется с помощью гидроцилиндра, аналогично устройству на копре С-870. При погружении вертикальных свай рекомендуется: – установить машину (рис. 5.1) так, чтобы вертикальная ось молота совпадала с точкой забивки сваи. Рис.5.1. Копер С-870: а) –рабочее; б– транспортное положение; в– схема запасовки тросов; 1− отводной блок; 2− плворотная рама; 3− гидрораспределитель;4− свайный наголовник; 5− дизель молот; 6− головка стрелы; 7− верхняя секция стрелы; 8− выдвижная стрелка; 9− рычаги; 10− гидроцилиндр наклона стрелы; 11− гидроподъемник; 12− подставка стрелы; 13− растяжка; 14− масляный бак; 15− гидронасос с приводом; 16− кронштейн; 17− оси крепления рамы; 18− нижнее отверстие рамы; 19 − откидные опоры; 20− отъемная часть стрелы; 21− трактор Т-100М; 22− рабочая площадка; 23 – откидная направляющая; 24 − нижняя секция стрелы При необходимости следует выровнять стрелку 7 по отвесу, закрепленному на нижней секции стрелы 24; – поднять молот 5 на необходиму высоту (не ниже уровня стрелки 8 сваеподъемника); 283 – при необходимости подтянуть сваю к месту забивки с помощью отводного блока 1, при этом стрелку 8 сваеподъемника следует несколько выдвинуть; – поднять сваю при полностью выдвинутой стрелке сваеподъемника, затем, маневрируя стрелкой, установить сваю на точку забивки и опустить на нее молот. Для удобства центровки свай снизу на копровой стрелке имеется откидная направляющая 23. При опускании молота рекомендуется использовать выдвижную стрелку сваеподъемника для направления верхнего конца сваи в отверстие свайного наголовника на молоте; когда свая зайдет в наголовник примерно на 2 / 3 его глубины, опускание молота прекратить, стрелку сваеподъемника отвести назад до упора, и после этого опустить молот до конца. Во избежание повреждения грузовых канатов при возможном погружении сваи от массы молота необходимо после его опускания на сваю немедленно ослабить канаты молота и сваи, и при дальнейшей забивке не допускать их натяжения. По окончании забивки молот необходимо снять со сваи. Затем установить упор в рабочее положение и поставить на него молот, после чего установить на точку забивки следующей сваи. При передвижении агрегата С-870 в пределах строительной площадки на расстояние до 100 м рекомендуется дать некоторый наклон копровой стреле вперед по ходу трактора, что повышает устойчивость машины. Передвижение копрового агрегата с поднятым молотом категорически запрещается. Въезд и выезд из котлована осуществляют задним ходом и только при транспортном положении стрелы. Для малых рассредоточенных объемов свайных работ применяют копры и копровое оборудование, навешиваемые на грузовые автомобили. Обладая большой мобильностью, такое оборудование способно обслуживать строительные объекты, рассредоточенные в радиусе до 200 км. Копер СА-8 выпускает Тверской ремонтно-механический завод. Базой копра является автомобиль «Урал-375» или КрАЗ-257, рис. 5.2. Конструкция копра позволяет забивать вертикальные и наклонные сваи длиной до 8 м и массой до 2,5 т. В рабочем положении устойчивость копрового оборудования обеспечивается гидравлическими выносными опорами. В качестве рабочих органов используют дизель-молоты: трубчатый С-995 с массой ударной части 1250 кг и штанговый С-268 с массой ударной части 1800 кг, оборудованные дистанционным управлением. Копром можно выполнять следующие операции: подтаскивание свай, подъем и установку их под молот, а также погружение свай с корректировкой на вертикальность. Подъем молота и сваи осуществляют полиспастами, приводимыми в движение гидроцилиндрами. Направляющая стрелка может наклоняться вправо-влево, назад-вперед и устанавливаться строго вертикально независимо от неровностей и уклонов строительной площадки. 284 Рис.5.2. Копер СА-8 на базе автомобиля «Урал-375»: 1 − гидравлические опоры; 2− подвижная рама; 3 − механизм подъема сваи; 4 − копровая стрела; 5 − молот; 6 − головка стрелы; 7 − гидроцилиндр механизма подъема сваи; 8 − гидроцилиндр подема и наклона стрелы; 9 − гидрораспределители; 10 − автомобиль; 11 − стойка для опирания стрелы в транспортном положении Заводы Министерства транспорта выпускают модели копровых стрел на автокранах, рис. 5.3. Рис.5.3. Копровое оборудование на автомобильном кране: а− автокран АК-1621; б−автокран АК-3575 Конструкция сменного оборудования на автокранах аналогична рассмотренным конструкциям оборудования на гусеничных экскаваторах и кранах. Копровое оборудование УСА обеспечивает забивку как вертикальных, так и наклонных свай. При этом наклон, равный 4:1, может быть осуществлен в сторону крана и от него. Многие строительные организации используют в качестве базы для навески сменного копрового оборудования тракторы типа Т-100. Это оборудование 285 применяют главным образом при устройстве свайных фундаментов из вертикальных свай для жилых крупнопанельных и кирпичных зданий. Принципиальная схема навески копрового оборудования для разных тракторов одинаково. На рис.5.4 показана схема копрового оборудования на базе трактора. Рис.5.4. Копровое оборудование на тракторе С-80: 1 −трактор; 2−стрелка; 3 − направляющие; 4 −опорная рама; 5−рабочий канат; 6−молот; 7− головка; 8 −раскосы; 9 −рама для укладки стрелы; 10 −лебедка; 11 − наголовник Монтаж копрового оборудования осуществляют в следующем порядке: нижнюю часть стрелы устанавливают в вертикальное положение и закрепляют растяжками, затем устанавливают верхнюю часть стрелы на нижнюю, обе части стрелы шарнирно соединяют между собой, и стрелу в целом закрепляют раскосами. При возведении свайных фундаментов для промышленных зданий и сооружений широко применяют копровые стрелы, навешиваемые на экскаваторы. Это полноповоротное оборудование с большим вылетом стрелы (до 10 м) обеспечивает возможность погружения нескольких свай с одной стоянки машины. Копровые стрелы используют как в навесном (рис. 5.5, а), так и в подвесном исполнении (рис.5.5, б). Принципиальная схема навески стрел обычная; стрелы отличаются друг от друга только длиной, исполнением и системами конструкций крепления к базовой машине. Навесную копровую стрелу в верхней части шарнирно крепят к стреле экскаватора и с помощью телескопической распорки 5 – к поворотной платформе экскаватора. Копровая установка на базе гусеничного экскаватора состоит из экскаватора 4, оборудованного крановой стрелой 3 и копровой стрелой 4. Копровые стрелы навесного типа обеспечивают погружение свай на вылетах от оси вращения экскаватора до 6 м и не требуют применения устройства для опирания пяты копровой стрелы на грунт. При необходимости работать на больших вылетах применяют копровые стрелы подвесного типа, конструкция которых представлена на рис.5.5, б. 286 Рис.5.5. Схема конструкций сменной навесной копровой стрелы на экскаватор: а)− навесное; б)−подвесное копровое оборудование: 1− экскаватор; 2− полиспасты; 3, 4 −крановая и копровая стрелы; 5− распорка Эти стрелы позволяют осуществлять погружение свай на вылетах до 8 …10 м от оси вращения экскаватора, но при этом в процессе подтаскивания, установки и забивки свай необходимо опирание пяты копровой стрелы о грунт. Отечественная промышленность выпускает копровое оборудование для работы со сваями длиной 3...12 м. Копровое оборудование монтируется на базе тракторов класса 100 кН автономно по энергообеспечению, маневренно на строительной площадке, надежно в эксплуатации. Его недостатком являются большие затраты времени на маневровые движе ния трактора при установке сваи в заданную точку свайного поля. Мачту располагают сбоку (бо ковая навеска, рис. 5.6), сзади или спереди трак тора (фронтальная навеска), по сравнению с фронтальной боковая навеска улучшает обзорность Рабочей площадки, позволяет повысить производительность оборудования, исключив в некоторых случаях, особенно при линейном однорядном расположении свай, непроизводиРис.5.6. Копровое обору тельные маневровые движения машины при передование на гусенчном ходу ходах к новому рабочему месту. Рабочий процесс копра состоит из его передвижения к месту усновки сваи, ее строповки, подтягивания, установки на точку погружения по предварительно выполненной разметке, выверке правильности ее положения, закрепления на свае наголовника, 287 предохраняющего ее от разрушения при ударном погружении, установку на сваю погружателя, расстроповку сваи, ее погружение с последующей выверкой направления, подъем погружателя и снятие с погруженной сваи наголовника. Для передвижения копра используют собственное ходовое оборудование. В зависимости от принятой технологии работ копер комплектуют свайными молотами, вибропогружателями или вибромолотами. Базовая часть копра — нижняя рама, ходовые устройства, поворотная платформа с опорно-поворотным устройством, а также грузоподъемные механизмы по своему устройству и принципу работы сходны с аналогичными узлами самоходных кранов. Если размеры и конфигурация свайного поля таковы, что с одной установки рельсового пути нельзя погрузить в грунт все сваи, то для работы используют несколько копров работающих каждый на своем рельсовом пути, или перекладывают рельсовый путь после выполнения работ с прежней его установки. После перемещения копра его надежно стопорят стояночными тормозами или другими устройствами. Машины и оборудование для бескопрового погружения свай. Анализ работы копров и копрового оборудования показывает, что последние поддерживают сваю только в начальный период ее погружения, примерно на 1/4 ее длины. На дальнейший процесс это оборудование уже не оказывает влияния. Разработаны и испытаны способы бескопрового погружения свай. В случае пирамидальных, суживающихся книзу свай, сначала бурильной машиной ямобуром 1 (рис.5.7, а) отрывают лидерную скважину глубиной, равной 1/4 длины погружаемой сваи. Далее специальный наголовник 4, подвешенный к крюку крана 2, закрепляют на погружателе 3, вместе с ним подводят к голове сваи и закрепляют на ней конический хвостовик наголовника 5 (рис. 5.7, б). Рис. 5.7. Последовательность операций бескопрового погружения пирамидальных свай: а) – ямобуром; б)− с хвостовиком наголовником; в) −с лидерным скважинным; г) − с заданной глубиной; 1− сваеустанощик; 2− кран; 3− погружатель; 5− наголовник Краном поднимают сваю с погружателем и устанавливают ее в лидерную скважину (рис. 5.7, в). Поддерживая в таком положении погружатель, производят погружение сваи на заданную глубину (рис. 5.7, г), после чего наголовник отсоединяют от сваи и перемещают на новое рабочее место. 288 Порядок выполнения работ бескопрового погружения призматических свай с использованием сваеустановщика 1, оборудованного захватным устройстврм, и крана 2 представлен на рис. 5.8. Рис. 5.8. Последовательность операций бескопрового погружения призматических свай: а – установка сваи; б – монтаж наголовника с погружателем; в – погружение сваи; 1– сваеустановщик; 2– кран; 3– погружатель; 4– наголовник; 5 – свая Различают механические, паровоздушные, дизельные и гидравлические свайные молоты. Механический молот является простейшим механизмом, представляющим собой металлическую отливку массой до 5 т, сбрасываемую на погружаемую сваю. Отливку поднимают вдоль мачты копра канатом подъемной лебедки, откуда ее сбрасывают на сваю, отсоединяя от каната специальным расцепляющим устройством или отключением барабана лебедки от трансмиссии. Из-за низкой производительности (4...12 ударов в 1 мин) механические молоты применяют в основном при незначительных объемах свайных работ. Паровоздушный молот представляет собой пару цилиндр—поршень. В молотах одиночного действия (рис. 5.9, а) поршень 3 через шток 2 соединяется с наголовником 1 сваи, а ударной частью является цилиндр 4, направляемый поршнем. Под действием сжатого воздуха или пара, подаваемого в поршневую полость цилиндра от компрессорного или паросилового оборудования, цилиндр поднимается вверх, а после перекрытия впускного трубопровода и соединения поршневой полости с атмосферой (рис. 5.9, б) цилиндр падает, ударяя по наголовнику сваи. Управляют впуском и выпуском сжатого воздуха (пара) вручную, полуавтоматически и автоматически. Молоты с автоматическим управлением работают с частотой ударов 40...50 мин-1. В молотах двойного действия (рис. 5.9, в) ударной частью является соединенный с поршнем боек 5, движущийся внутри направляющего цилиндра. Сжатый воздух (пар) подают поочередно в нижнюю штоковую и верхнюю – поршневую (рис.5.9, г) полости паровоздушного цилиндра, обеспечивая тем самым подъем поршня с бойком и принудительное его падение на ударную плиту – наковальню 6 с частотой 3 с-1 По сравнению с молотами одиночного действия описанные молоты более производительны при меньшем отношении массы ударной части к общей массе, не превышающем 1/4, в то время как у молотов одиночного действия это отношение равно в среднем 2/3. 289 Рис. 5.9. Принцип работы паровоздушных молотов одиночного (а, б) и двойного (в, г) действия: 1– наголовник; 2– шток; 3– поршень; 4–цилиндр; 5 – боек; 6 –наковальня Паровоздушные молоты используют для забивки вертикальных и наклонных свай на суше, а также под водой. Основным недостатком является зависимость от компрессорных или паросиловых установок. Гидравлический молот работает по схеме паровоздушного молота двойного действия с тем отличием, что вместо воздуха или пара в рабочий цилиндр подается жидкость, для чего сваебойный агрегат с гидравлическим молотом оборудуют насосной установкой. Для придания ударной части ускорения в момент удара к насосу подсоединяют гидравлический аккумулятор, который подзаряжается во время обратного хода поршня. Распределение подачи рабочей жидкости в различные периоды работы молота осуществляется автоматически. Гидравлические молоты развивают энергию удара от 3,5 до 120 кДж при частоте ударов 50...170 мин-1. Масса ударной части составляет 210...7500 кг. Наибольшее распространение в строительстве получили дизельные молоты, работающие независимо от внешних источников энергии в режиме двухтактного дизеля. Различают дизель-молоты с направляющими штангами –штанговые и с направляющим цилиндром – трубчатые. У штанговых дизель-молотов (рис. 5.10, а) две направляющие штанги 4 объединены в нижней части основанием 2, отлитым заодно с поршнем 12. Основание поршневого блока опирается на сферическую пяту 1 и наголовник 15. По штангам перемещается цилиндр 10, служащий одновременно ударной частью молота. В верхней части штанги объединены траверсой 7 захвата («кошки»), свободно перемещающейся по ним и подвешенной к канату 8 лебедки копра. 290 Рис. 5.10. Дизельные молоты: а– штангового типа ; б– трубчатого типа: 1– сферическая пята; 2– нижняя основания; 3– форсунка; 5– палец ударной части; 6– крюк; 7– траверс; 8– канат; 9– рычаг; 10– ударная часть; 11–штырь; 12– поршень; 13– центральный канал; 14– топливный насос; 15– наголовник; 16– штырь; 17– шабот; 18– выхлопной канал; 19– бак; 20– «кошка»; 21– цилиндр; 22– поршень; 23– рычаг Для запуска молота «кошку» опускают до зацепления подпружиненным крюком 6 пальца 5 ударной части, после чего ударную часть 10 поднимают, а затем рывком нажатием на рычаг 9 через присоединенный к нему канат расцепляют «кошку» с ударной частью. Последняя падает вниз, нанося удар по основанию 2 и сжимая воздух в закрытой поршнем 12 полости цилиндра. Одновременно выступающий на ударной части штырь 11 нажимает на рычаг топливного насоса 14, которым по центральному каналу 13 в поршне топливо с некоторым опережением конца хода подается в цилиндр, распыляясь форсункой 3 и смешиваясь с нагретым вследствие сжатия до высокой температуры воздухом. В последней фазе движения ударной части вниз вследствие дополнительного сжатия топливно-воздушной смеси происходит ее самовоспламенение. Расширяющиеся при сгорании топлива газы отбрасывают ударную часть вверх, откуда она снова падает, повторяя процесс. Молот выключают прекращением подачи топлива. Ударной частью трубчатого дизель-молота (рис. 5.10, б) служит поршень 22, перемещающийся в направляющем цилиндре 21. Удары поршня воспринимаются шаботом 17, герметично посаженным в нижнюю часть рабочей секции цилиндра. Молот центруют на свае штырем 16. Для пуска молота его поршень «кошкой» 20, подвешенной к канату 8, поднимают в верхнее положение, откуда его сбрасывают. При движении вниз поршень отжимает рычаг 23, которым 291 включается насос 14, впрыскивающий из бака 19 в цилиндр порцию топлива. Последняя, смешиваясь с воздухом, стекает в сферическую выемку в шаботе 17. При дальнейшем падении поршень перекрывает канал 18, сообщающий цилиндр с атмосферой, и сжимает воздух в замкнутом уменьшающемся объеме. От удара поршня о шабот находящаяся в сферическом углублении последнего топливо-воздушная смесь разбрызгивается и воспламеняется. Расширяющиеся при сгорании смеси газы подбрасывают поршень вверх, откуда он снова падает, сжимая воздух, удаляя отработавшие газы через канал 18 в атмосферу и повторяя процесс. Останавливают молот прекращением подачи топлива. Для отвода теплоты при работе трубчатого дизель-молота его топливный цилиндр выполняют с ребристой внешней поверхностью (воздушное охлаждение) или с дополнительно примыкающими к нему секциями, соединенными в нижней части кольцевым баком, заполненным водой (водяное охлаждение). При нагреве вода циркулирует по вертикальным трубам, равномерно охлаждая цилиндр. Трубчатые дизель-молоты с воздушной системой охлаждения работают без перегрева при температуре окружающего воздуха до 30 оС, а с водяным охлаждением — до 40 оС и выше. Штанговые дизель-молоты не имеют принудительного охлаждения. Поэтому в летнее время при температуре окружающего воздуха 25 °С они работают с получасовыми перерывами после каждого часа работы. Штанговые дизельмолоты обладают малой энергией удара – 3,2 и 65 кДж при частоте 50...55 мин-1 и массе ударной части 240 и 2500 кг соответственно. Их применяют для забивки легких железобетонных и деревянных свай в слабые и средние грунты, а также для погружения шпунта при ограждении траншей, котлованов и т. п. Трубчатые дизель-молоты применяют для забивки железобетонных свай в любые нескальные грунты. Отечественной промышленностью выпускаются трубчатые дизель-молоты массой ударной части 500...5000 кг с энергией удара 15...150 кДж при частоте ударов 43...45 мин-1, в том числе для работы в условиях низких температур (до − 60 °С). Для запуска этих молотов при низких температурах между фланцем шабота и амортизатором вводят разъемную (из двух частей) прокладку, увеличивая тем самым рабочий ход поршня, а следовательно, и степень сжатия топливно-воздушной смеси. При этом подачу топлива снижают до минимума. После прогрева цилиндра прокладку снимают. При работе в условиях низких температур воду сливают. Заправлять зимой систему охлаждения водой рекомендуется лишь после явных признаков перегрева − снижения высоты подъема ударной части и появления пламени в выхлопных патрубках. Для передачи ударных нагрузок свае без разрушения ее головы применяют наголовники со сдвоенным деревянным − обычно дубовым амортизатором. После износа амортизатора его заменяют новым. Забивка свай без амортизатора приводит к их разрушению (до 15...20%). Вибропогружатели и вибромолоты. Вибропогружатель представляет собой возбудитель направленных колебаний вдоль оси сваи. Соединяясь со сваей по- 292 средством наголовника 4 (рис. 5.11), он сообщает ей возмущающее периодическое усилие, которым преодолеваются сопротивления погружению сваи в грунт. Рис. 5.11. Низкочастотный (а) и высокочастотный (б) вибропогружатели Вибропогружатели состоят обычно из электродвигателя, возбудителя и наголовника. В отдельных случаях, когда дебалансы устанавливают на валу электродвигателя, электродвигатель и возбудители совмещаются в одном агрегате. При установке вибровозбудителя отдельно от двигателя конструкция его представляет систему горизонтально расположенных валов с дебалансами, привод их от электродвигателя 1 осуществляют через ременную, цепную или шестеренчатую передачу. Главным параметром вибропогружателей является установленная мощность электродвигателей; кроме того, вибропогружатели характеризуются следующими параметрами: возмущающей силой, моментом дебалансов, частотой колебаний и массой. Возмущающей силой называют суммарную центробежную силу, развиваемую дебалансами. Она зависит от массы дебалансов и скорости их вращения. Для увеличения амплитуды возмущающей силы вибропогружатели изготавливают многодебалансными. Вибропогружатели принято характеризовать также моментом дебалансов, численно равным сумме произведений массы неуравновешанной части дебалансов на расстояние от их центра тяжести до оси вращения. Вибропогружатели разделяют на две группы: низкочастотные (рис.5.11, а), развивающие 300…500 колебаний в минуту, и высокочастотные (рис.5.11, б), развивающие 700…1500 колебаний в минуту. 293 Первая группа предназначена для погружения крупногабаритных элементов значительной массы, в основном свай и оболочек. Вторая группа обеспечивает погружения элементов небольшой массы с малым лобовым сопротивлением (шпунт, металлические трубы, балки и т. п). Основным преимуществом вибропогружателей являются: большая скорость погружения, удобство управления, обеспечение сохранности погружаемых элементов, в том числе тонкостенных железобетонных оболочек большой длины. В пределах своего назначения – погружения свай и шпунта в песчанные и супесчаные водонасыщенные грунты – вибропогружатели в 2…3 раза производительнее свайных молотов, они удобны в управлении, не разрушают погружаемых ими строительных элементов. К недостатком вибропогружателей относятся ограниченная область применения и сравнительно небольшой срок службы электродвигателей из-за вредного влияния вибрации, затруднительность применения в связных и плотных маловлажных грунтах. Вибромолоты отличаются от вибропогружателей видом соединения корпуса вибровозбудителя с наголовником 6 (рис. 5.12). Это соединение выполнено через пружинные амортизаторы 5, которые позволяют корпусу вибровозбудителя совершать большие размахи, отрываясь от наголовника и ударяя бойком 3 по наковальне 4 при обратном движении. Обычно вибромолоты изготавливают бестрансмиссионными, сажая дебалансы 2 непосредственно на валы двух синхронно работающих электродвигателей, статоры которых установлены в едином корпусе 1. Оптимальный режим работы вибромолотов зависит как от соотношения параметров вибровозбудителя, так и от размера зазора между бойком и наковальней, который устанавливают на заводе-изготовителе на специальном стенде. Для сообщения свае большой энергии удара пружинные амортизаторы подбирают так, чтобы один удар бойка о наковальню приходился на два, три и т. д. оборота дебалансовых валов. Рис. 5.12.ПринципиальВажной особенностью работы вибромолотов являет- ная схема вибромолота: ся их способность к самонастройке − повышению 1– ударнавя часть; энергии удара с увеличением сопротивления погруже- 2 – дебалансы; 3− верхняя нию сваи. Это объясняется тем, что с ростом сопроти- плита; 4,6− наголовники; влений уменьшается податливость сваи (увеличива- 5− рабочие пружины ется ее жесткость), чем определяется более высокая скорость обратного хода (после удара) и последующего прямого движения (вниз). Выпускаемые отечественной промышленностью вибромолоты характеризуются энергией удара до 3,9 кДж при массе ударной части 2850 кг. 294 Конструкция наголовника обеспечивает упругую связь между вибромолотом и погружаемым элементом (через резиновую прокладку и короткие пружины крепления). Благодаря этому удар молота передается только погружаемому элементу (через накавальню), а плитой наголовника не воспринимается. Если наголовки перемонтировать, то вибромолот может быть повернут на 180° для нанесения ударов снизу вверх. В такой компоновке вибромолоты используют как виброударные выдергиватели свай и шпунта. К недостатком вибропогружателей относятся ограниченная область применения и сравнительно небольшой срок службы электродвигателей из-за вредного влияния вибрации, затруднительность применения в связных и плотных маловлажных грунтах. Контрольные вопросы по пятой главе. 1. Виды современного оборудования для свайных работ. 2. Назначение, устройство и рабочий процесс копров и копрового оборудования. 3. Перечень машин и оборудования для бескопрового погружения свай. 4. Классификация, устройство и принцип работы гидравлических и дизельных свайных молотов. 5. Принцип работы вибропогружателй и вибромолотов. 6. Объяснить последовательность операций бескопрового погружения призматических свай. 7. Отличительные признаки штангового дизель-молота от трубчатого. 8. В каких случаях используют низкочастотный вибропогружатель?. 6. МАШИНЫ ДЛЯ ДРОБЛЕНИЯ, СОРТИРОВКИ И МОЙКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 6.1. Машины для дробления каменных материалов В дорожном строительстве ежегодно потребляется большое количество каменных материалов: щебня, гравия и песка. Большая часть этих материалов используется на приготовление бетона. Добыча песка и гравия производится в естественных отложениях механическим или гидравлическим способом, а щебня – из естественного камня путем дробления взорванных скальных пород. Добываемые каменные материалы перерабатываются на камнедробильных, используя различные схемы дробления (рис.6.1), и промывочно-сортировочных заводах, а затем в виде готового продукта стандартного качества доставляются потребителю. Рис.6.1. Схемы дробления материалов: а)- раздавливанием; б)-ударным воздействием; в, д)- раскалыванием; г)- истиранием; е)- взрывом 295 Качество щебня характеризуется зерновым составом, формой зерен, механической прочностью и содержанием вредных примесей. В зависимости от крупности зерен щебень разделяют на фракции 5...10; 10...20; 20...40 и 40...70 мм. Кроме того, для дорожного строительства допускаются фракции 3...10; 10...15; 15...20 мм и для балластного слоя железнодорожного пути 25...50 мм. Для массивных бетонных сооружений верхний предел крупности может достигать 120...150 мм. По форме зерен их классифицируют на лещадные, у которых ширина в три раза и более меньше длины, и кубообразные. Действующие стандарты не допускают содержание в щебне и гравии зерен лещадной формы более 15 %. Щебень из гравия получают дроблением гравия и валунов. Требования к щебню, полученному из гравия, в основном такие же, как к щебню, полученному из взорванных каменных пород. Механическая прочность щебня определяется прочностью горных пород, из которых он получен. Различают породы малой прочности 30...80 МПа, средней – 80...150 и высокой – более 150 МПа. Основными характеристиками, определяющими сопротивление каменных материалов и пород сжатию, является предел прочности σ в , равный отношению максимального разрушающего усилия Fmax , вызывающего раздавливание образца, к начальной площади его поперечного сечения А σ в  Fmax / A . Деформация пород оценивается модулем упругости Е , определяемым путем деления σ в на относительную деформацию образца   l / l (где l  первоначальная длина образца; l  деформация образца под действием силы F ) E σв / . Силу, необходимую для дробления материала, можно определить из следующих условий. Работа сил деформации L  Fl / 2 . Согласно закону Гука деформация тела при сжатии l  Fl /(EA) . Тогда 1 F 2l L  . 2 EA Если примем, что максимальное значение силы деформации Fmax  σ в А , то получим  в2 Аl  в2V L max  0,5  0,5 , E E где V  объем каменного материала. С другой стороны, работу сил деформации можно определить как произведение силы Fmax на ход s / 2 рабочего элемента дробилки, при котором наступает разрушение образца L max  Fmax s / 2 . Приравнивая правые части обоих выражений для L max , получаем 296  в2V 0,5 Fmax s  0,5 , E откуда  в2V Fmax  . Es При разрушении материалов и пород ударом необходимую скорость рабочего элемента определяют из условия равенства кинетической энергии, развиваемой им, работе деформации при сжатии материала, т. е. 0,5mv 2  L max  0,5 в2V / E ,  в2V откуда необходимая скорость рабочего элемента v  , mE где m  масса рабочего элемента. Степенью дробления называют отношение размера наиболее крупных, загружаемых в дробилку камней, к размеру максимальных зерен в продукте дробления: I = Dmax/dmax. (6.1) Дробление разделяют на крупное (Dmax = 1200...1500 мм, dmax= 100...300 мм), среднее (Dmax= 100...300 мм, dmax= 30...100 мм), мелкое (Dmax= 30...100 мм, dmax=5…30 мм) и тонкое (помол). Дробление пород высокой и средней прочности осуществляют раздавливанием, раскалыванием и ударом; помол – истиранием и ударом. В зависимости от степени измельчения материалов дробильные машины разделяют на дробилки и мельницы. Некоторые машины могут работать как дробилки и как мельницы (например, валковые дробилки, бегуны). По принципу действия и конструктивным признакам дробилки делят на щековые, конусные, валковые, молотковые и роторные дробилки; мельницы – на барабанные, шаровые, бегунковые и вибрационные. Различные типы дробилок позволяют получить определенную, присущую данной конструкции, степень дробления: щековые –2...8; валковые –1,5...10; конусные – 3...8; молотковые – 5...30; мельницы –10...20. Выбор типа дробильного оборудования осуществляют в зависимости от максимальной крупности кусков исходного материала, его прочности, необходимой степени дробления и требуемой производительности. Дробление материалов ведут в одну или несколько стадий. Преимущественное распространение получило стадийное дробление, при котором материал дробят в 2...3 приема на дробилках разных типов. Уже на каждой стадии дробления получают материал с требуемыми размерами кусков. Такие куски отсеиваются на грохоте, установленном перед дробилками разных стадий. Дробилки последних стадий работают, как правило, в замкнутом цикле с виброгрохотом, при этом материал крупнее заданного размера возвращается в ту же дробилку для повторного дробления (рис. 6.2). 297 Рис. 6.2. Типовая схема дробильно-сортировочной установки: 1 — вагонетка; 2 — пластинчатый конвейер; 3 — колосниковый грохот; 4 — щековая дробилка; 5,7 — виброгрохоты; 6—валковая дробилка; 8—бункер для песка и пыли; 9 — расходный бункер; 10 — склады товарного щебня При одностадийном дроблении получаемые мелкие зерна заполняют промежутки между крупными и защищают их от непосредственного воздействия дробящих органов машины, что сопровождается дополнительным измельчением материала и расходом энергии. Основными показателями работы дробилок являются: максимальная крупность дробления, степень измельчения, удельный расход энергии (кВт-ч/м3), производительность (м 3 /ч или т/ч). Щековые дробилки. Их применяют для крупного и среднего дробления прочных и средней прочности пород на первичной и вторичной стадиях дробления. По характеру движения подвижной щеки щековые дробилки разделяют на дробилки с простым и сложным качанием щеки. Дробилка с простым качанием щеки (рис. 6.3, а, б) состоит из сварного корпуса 1, в котором в подшипниках установлен эксцентриковый вал 7 с подвешенным к нему шатуном 8. Нижний конец шатуна имеет специальные гнезда, в которых свободно вставлены концы распорных плит 12 и 13. Противоположный конец распорной плиты 13 вставлен в гнездо подвижной щеки 3, подвешенной на оси 5. Конец плиты 12 упирается в клиновой упор регулировочного устройства 9. Тяга 11 и пружина 10 обеспечивают обратное движение подвижной щеки и удерживают от выпадания распорные плиты. К неподвижной 2 и подвижной щекам крепятся дробящие плиты 4 с вертикальным рифлением, являющиеся основными рабочими органами щековых дробилок. Рабочие поверхности дробящих плит и боковые стенки корпуса дробилки образуют камеру дробления. 298 Рис. 6.3. Щековая дробилка с простым качанием щеки: а − конструктивная схема; б − кинематическая схема; в − схема прохождения материала через разгрузочную щель; г − схема для определения производительности щековой дробилки; 1- корпус; 2,3 - щеки неподвижные и подвижные; 4−рефленая плита; 5 −эксцентриковый шарнир; 6− маховик; 7− эксцентриковый вал; 8− шатун; 9− регулировочный клин; 10− пружина; 11− тяга; 12, 13− распорные плиты Дробящие плиты устанавливают так, чтобы выступы одной располагались против впадин другой (рис. 6. 4, в). Привод дробилки состоит из электродвигателя и многорядной клиноременной передачи с массивным шкивом-маховиком 6. Для обеспечения пуска дробилок, а также пуска дробилок под завалом в последних конструкциях дробилок применен вспомогательный привод (рис. 6.3). Он состоит из электродвигателя меньшей мощности 4, зубчатого редуктора 3 с большим передаточным числом, обгонной муфты 2, соединенной с валом главного электродвигателя 1. Трогание с места осуществляется вспомогательным приводом. После этого включается главный двигатель, а вспомогательный привод автоматически отключается. Режим работы дробилки изменяется регулировкой выходной щели с помощью клинового или иной конструкции регулировочного устройства. Выходную щель замеряют между вершиной и впадиной дробящих плит в момент наибольшего удаления подвижной щеки. Ширина разгрузочной щели составляет 40...120 мм для дробилок среднего дробления и 100...250 мм для крупного дробления. При вращении эксцентрикового вала подвижная щека проводится в качательное, подобно маятнику, движение. За один оборот эксцентрикового вала подвижная щека, приближаясь к неподвижной, совер- 299 шает рабочий ход (дробление) и холостой ход, при к отором продукт дробления выпадает через разгру- Рис. 6.4. Схема вспомогательзочную щель. ного привода: 1, 4− двигаДля щековых дробилок с простым качанием тели; 3−редуктор; 2− обгон щеки наиболее характерным видом разрушения ная муфта материала является раздавливание, раскалывание и излом. Поэтому их применяют для крупного и среднего дробления высокопрочных пород на первичной стадии дробления. Дробилка со сложным качанием щеки (рис. 6.5) по конструкции проще, чем с простым качанием, и имеет меньшую массу. В ней отсутствует шатун, а подвижная щека 1 подвешена непосредственно к эксцентриковому валу 2, в результате чего точки подвижной щеки движутся по эллиптическим траекториям с минимальной разностью осей эллипса вверху и максимальной внизу. Дробление материала происходит в результате раздавливания, раскалывания, излома и истирания материала. Дробилки со сложным качанием щеки применяяют для среднего и мелкого дробления пород средней крепости. Сложное движение подвижной щеки приводит к более интенсивному износу дробят плит и более частой их замене. Недостатками щековых дробилок являются цикличный характер их работы и 3 ВЫсокая энергоемкость процесса разрушения. Удельная мощность [кВт/(м /ч)] при минимальной ширине разгрузочной щели достигает у дробилок с простым качанием 1,2...4,6 и со сложным качанием щеки – 0,9…4,6. Типоразмер щековой дробилки определяется размером ширины В и длины L за разгрузочного зева дробилки. Рис. 6.5. Кинематическая схема щековой дробилки со сложным качанием щеки (а), ее конструктивная схема (б): 1− подвижная щека; 2− эксцентриковый вал Величина В характеризует максимальную крупность кусков, загружаемых в дробилку (Dтах=0,85В), а величина L определяет в основном ее производительность. Отечественные щековые дробилки выпускаются следующих типоразме- 300 ров: 400Х600; 600Х900; 900Х1200; 1200Х1500; 1500Х2100; 2100Х2500 мм, производительностью до 800 м3/ч. Техническая производительность щековых дробилок (м3/ч) Пт = 60Vnkp (6.2) где V– объем материала, выпадающий из зева дробилки за один оборот эксцентрикового вала, м3 (рис. 6.2, г);V  2a  l l   L ; n – число качаний подвиж2 tg ной щеки в минуту; kр = 0,3...0,7 – коэффициент, учитывающий разрыхление дробимого материала. Необходимо, чтобы раздробленный материал за один двойной ход щеки успел высыпаться из разгрузочной щели, т. е. 60 /(2n )  2h / g , , откуда число качаний щеки n  665 tg / l . Так как свободного падения не происходит, то n  (600...635) tg / l , где l – ход подвижной щеки, α – угол захвата, он зависит от коэффициента трения материала о щеки и составляет 19...23°; S = а + l – ширина разгрузочной щели, м (см. рис. 6.2, г); а – размер при сближенном положении щек, м; l – длина загрузочного зева дробилки, м. Конусные дробилки применяют для дробления пород с прочностью σсж до 300 МПа с высокой степенью абразивности. В таких дробилках материал раздавливается в камере дробления рабочим конусом, совершающим пространственное качание внутри неподвижного конуса (рис. 6.5, а, б). В каждый момент одна из образующих дробящего конуса оказывается наиболее приближенной к внутренней поверхности неподвижного конуса, а противоположная ей образующая — наиболее удаленной. Таким образом, в любой момент поверхности дробящих конусов, сближаясь, производят дробление материала, а в зоне удаления этих поверхностей ранее раздробленный материал под действием собственной массы разгружается через кольцеобразную выпускную щель. Процесс дробления в конусных дробилках, в отличие от щековых, происходит непрерывно при последовательном перемещении зоны дробления по окружности конусов, что способствует более равномерной нагрузке механизма и двигателя дробилки. Размер наибольших кусков, которые могут быть загружены в дробилку, определяется радиальной шириной загрузочного отверстия. Характеристика крупности дробления и производительность дробилки зависят от радиальной ширины разгрузочного отверстия. Различают конусные дробилки для крупного, среднего и мелкого дробления. Они отличаются между собой способом установки и углами конусности дробящих конусов. В конусных дробилках для крупного дробления (рис. 6.5, а) измельчение материала производится в кольцевом рабочем пространстве, образованном двумя конусами: неподвижным 2 и подвижным—дробящим 7. Первый закреплен к основанию дробилки 1. Дробящий конус плотно насажен на вал 6, верхний конец которого шарнирно с помощью подвесного подшипника 4 крепится к траверсе 5, а нижний — свободно входит в стакан-эксцентрик 11. Последний мо- 301 жет вращаться в вертикальном подшипнике 12 станины дробилки. Вращение стакану-эксцентрику передается от электродвигателя через горизонтальный вал 9 и коническую передачу 10. Дробящие конусы бронированы плитами 3 и 8 из износостойкой стали. Геометрические оси подвижного и неподвижного конусов образуют угол до 2...30. При вращении эксцентрикового стакана геометрическая ось подвижного конуса описывает коническую поверхность с вершиной в точке подвеса вала, а сам конус совершает круговые качания внутри неподвижного. Дробление материала происходит в зоне, где поверхности конусов сближаются, а разгрузка − там, где эти поверхности расходятся. Максимальная крупность кусков, загруженных в дробилку при В = 900, 1200 и 1500 мм, составляет соответственно 750, 1000 и 1200 мм, а ширина разгрузочной щели – 125...225 мм. Конусные дробилки для среднего и мелкого дробления (рис. 6.6, б) значительно отличаются от дробилок для крупного дробления прежде всего очертанием профиля рабочего пространства. Подвижный дробящий конус 7 имеет угол при вершине 80...100° «пологий конус», у дробилок крупного дробления этот угол составляет 20...30° («крутой конус»). Неподвижный дробящий конус 3 также расширяется книзу, образуя с подвижным «паралельную зону» (рис. 6.6, в), при движении по которой материал подвергается неоднократному сжатию и дроблению до размера, равного выходной щели. Поэтому крупность продукта дробления определяется шириной закрытой, а не открытой, как у дробилок крупного дробления, разгрузочной щели. Камеры дробления этих дробилок принимают меньшие по размеру куски и выдают более мелкий продукт. Наибольший размер загружаемого куска в дробилки среднего дробления 60...300 мм при размере разгрузочного отверстия 12...60 мм; у дробилок мелкого дробления соответственно 8...170 мм при размере разгрузочного отверстия 5...20 мм. Рис.6.6. Конусная дробилка: а− крупного дробления; б−среднего и мелкого дробления; в−профили камер дробления конусных дробилок;г−размер щели: 1−кожух; 2, 7 − неподвижный и дробящий конусы; 3, 8 – бронированные плиты; 4− подвесной подшипник; 5−траверс; 6, 9− валы; 10− редуктор; 11− эксцентриковая втулка; 12− упорный подшипник; 13− сферический подпятник; 14− диск-питатель; 15,16,17− ширины щелей 302 В таких дробилках иначе выполнена опора дробящего конуса. Вал 6 (рис. 6.6. б), на котором насажен дробящий конус, выполнен консольным, не имеющим верхней опоры. Если у дробилок для крупного дробления дробящий конус шарнирно подвешен к траверсе, то у дробилок для среднего и мелкого дробления опора дробящего конуса расположена в центре его качания и выполнена в виде сферического подпятника 13 большого радиуса, воспринимающего как массу конуса и вала, так и усилия дробления. Нижний конец вала вставлен в эксцентриковую втулку 11, размещенную в стакане, представляющим одно целое со станиной дробилки. Эксцентриковая втулка получает вращение от электродвигателя через горизонтальный вал и коническую передачу. Материал поступает на диск-питатель 14 и равномерно распределяется по всему загрузочному отверстию. Дробилки для среднего и мелкого дробления более быстроходны. Число качаний дробящего конуса в минуту—215...350, у конусных дробилок крупного дробления — всего 80...170. Техническая производительность конусных дробилок (м3/ч) Пт = qb, (6.3) 3 где q – производительность, приходящаяся на 1 мм выходной щели, м /ч; для дробилок среднего дробления q = 0,54 D2п, для мелкого дробления q = 1,32 D2п; D – диаметр основания подвижного конуса, м; п – частота круговых качаний, с1 ; b – ширина выходной щели, мм. Преимуществами конусных дробилок являются непрерывность их работы и отсутствие холостого хода. Энергоемкость дробления зависит от прочности продукта дробления и степени дробления. При дроблении известняков прочностью 60...80 МПа в дробилках крупного дробления и размере исходных кусков 300...1500 мм при ширине выходной щели 50...200 мм энергоемкость дробления составляет 0,27...0,75 кВт∙ч/т. Валковые дробилки. Рабочими органами валковой дробилки (рис. 6.7) являются два параллельных цилиндрических валка 2 и 4, вращающиеся навстречу один другому. Рис.6.7. Общий вид валковой дробилки: 1− станина; 2, 4 − цилиндрические валки; 3,6 – подшипники; 5− пружинные опоры Попадающий в рабочую зону кусок материала увлекается трением о поверхность валков и затягивается в рабочее пространство, где подвергается дробле- 303 нию в результате раскалывания, излома и истирания. Поверхности валков изготовляют гладкими и рифлеными. Валки монтируются на станине 1 в подшипниках 3 и 6. Подшипники одного либо двух валков имеют пружинные опоры 5, которые могут перемещаться в направляющих при попадании в дробилку недробимого предмета. Вращение валка сообщается от электродвигателя через клиноременную передачу с частотой 75...190 мин-1. Наибольший размер куска материала, загружаемого в дробилку, зависит от угла захвата, определяемого диаметром валков и коэффициентом трения о металлическую поверхность валков. Для возможности захвата гладкими валками исходного продукта в зоне дробления необходимо, чтобы угол захвата валков не превышал угол трения материала о поверхность валков. Максимальный размер кусков зависит от диаметра валков и размера разгрузочной щели. Для выполнения этих условий диаметр гладкого валка в 20 раз должен превосходить размер камня, а при рифленых поверхностях валков — в 12 раз. Поэтому валковые дробилки применяют только для вторичного дробления пород средней и малой прочности, а также для измельчения вязких и влажных материалов. Степень измельчения—4...12. Типоразмер дробилки характеризуют диаметром и длиной валков. Производительность валковых дробилок (м3/ч) Пт = 3600аLυk, (6.4) где а – ширина разгрузочной щели, м; L – длина валка, м; υ – окружная скорость, м/с; k – коэффициент, учитывающий использование длины валков, степень разрыхления материала, неравномерность подачи; k = 0,1...0,3 для мягких и k = 0,4...0,5 для твердых пород. Роторные и молотковые дробилки. Роторные дробилки применяют для дробления известняка, доломита, руд, мрамора и других подобных им материалов, обладающих малой абразивностью. Их выпускают двух типов: для крупного дробления, которые используют на первичной стадии дробления; для среднего и мелкого дробления, используемые на заключительный стадиях дробления. Работа таких дробилок основана на принципе разрушения пород ударными нагрузками. Роторные дробилки обеспечивают получение щебня высокого качества, преимущественно кубообразной формы, с одновременным обогащением продукта дробления, так как более слабые составляющие пород подвергаются значительному измельчению и отсеиванию от основных фракций. Роторная дробилка представляет собой коробчатый корпус 3, в котором размещены вращающийся с большой скоростью ротор 1 с жестко закрепленными на его внешней поверхности билами 2 (рис. 6.8). Вращение ротору сообщается от электродвигателя через клиноременную передачу. Внутри корпуса подвешены отражательные плиты 4 и 7, нижняя часть которых опирается на пружинно-регулировочное устройство 5 и 6, позволяющее регулировать ширину выходной щели, а также пропускать недробимое тело при его попадании в камеру дробления. 304 Рис.6.8. Общий вид роторной дробилки: 1− ротор; 2− била; 3− корпус; 4,7− отражательные плиты; 5, 6− пружинно-регулировочное устройство Дробление материала осуществляется в результате удара по нему бил и удара кусков об отражательные плиты, чем достигается высокая (10...20) степень дробления. В сравнении с другими типами дробилок роторные дробилки имеют меньшую металлоемкость, небольшие габариты, что в сочетании с высокой степенью дробления обусловило применение их в передвижных дробильных установках. Размер наибольшего куска, загружаемого в дробилки крупного дробления, 800...1000 мм, среднего — 400...600 мм при окружной скорости 20...35 м/с. Для дробления пород средней прочности, а также мягких материалов, таких, как шлак, гипс, мел, глины, применяют молотковые дробилки. Молотковая дробилка (рис. 6.9) состоит из сварного корпуса 1, в котором установлены ротор 2, отбойная плита 4, поворотная 5 и выдвижная колосниковая решетки 6. Ротор состоит из одного или нескольких дисков, закрепленных на общем приводном валу. Дробление материала осуществляется под действием удара по нему молотков 3 массой 15...20 кг, шарнирно закрепленных к дискам вращающегося ротора, и соударения кусков с плитами и колосниковыми решетками. Положение колосниковых решеток и отбойной плиты – регулируемое. Рабочий зазор между внутренней поверхностью колосниковой решетки и ротором выбирают в зависимости от крупности продукта дробления. Рис. 6.9. Молотковая дробилка: 1− корпус; 2− ротор; 3− молотки; 4− отбойная плита; 5− поворотная плита; 6− колосниковая решетка 305 При крупном дроблении обычно он в полтора — два раза больше поперечника максимальных кусков продукта дробления, а при мелком – в три – пять раз. Размер наибольшего куска материала, загружаемого в молотковые дробилки,— 75...600 мм при окружной скорости молотков 60 м/с. При вращении ротора молотки под действием центробежных сил занимают направление по линии, соединяющей ось вращения ротора с осью вращения молотка. При ударе молотки поворачиваются вокруг своей оси в направлении, противоположном вращению ротора. Шарнирное крепление молотков у молотковых дробилок существенно отличает их от роторных с жестко закрепленными билами. Недостатком молотковых дробилок является быстрый износ молотков и колосниковых решеток. Они также не могут быть рекомендованы для измельчения слишком вязких (глинистых) влажных материалов, которые забивают колосниковую решетку. 6.2. Машины для сортировки каменных материалов Процесс разделения массы или смеси зерен природного происхождения на классы по крупности называется грохочением, или сортировкой. Грохочение осуществляют механическим, гидравлическим, воздушным и магнитным способами. Наиболее распространен механический способ, при котором дробленую массу разделяют путем просеивания на грохотах. Основной частью грохота является просеивающая поверхность. Она выполняется в виде сита из плетеной или сварной сетки, а также решета, штампованного из листовой стали или литого из резины. Сита и решета должны быть износостойкими, сохранять в процессе работы неизменным размер отверстий, иметь большую площадь отверстий. Различают грохочение предварительное, промежуточное, товарное (окончательное). Предварительное грохочение применяют для грубой сортировки на крупные и мелкие куски перед дробилками первичного дробления. При промежуточном грохочении из дробленого материала отделяются более крупные куски для направления в дробилки последующих стадий дробления. При окончательном грохочении материал разделяют на фракции в соответствии с требованиями стандарта. Разделение материала по крупности на фракции осуществляется в результате придания поверхности грохочения определенных по частоте и амплитуде колебаний, обеспечивающих эффективное встряхивание материала и прохождение зерен через просеивающие поверхности. На грохотах можно устанавливать до трех сит. Сита располагают в одной плоскости (грохочение от мелкого к крупному) или ярусами (грохочение от крупного к мелкому). При грохочении от мелкого к крупному (рис. 6.10) грохот имеет конструкцию простую, удобную для осмотра и ремонта сит. Недостатками такой схемы являются большая длина грохота, интенсивный износ первого сита, низкое качество грохочения, так как мелкие частицы увлекаются более крупными. При 306 грохочении от крупного к мелкому достигаются высокое качество сортирования, более равномерный износ сит, однако ухудшается возможность наблюдения за работой грохота. Комбинированная схема по сравнению с другими занимает промежуточное положение и является наиболее распространенной. При перемещении по просеивающей поверхности сит материал разделяется по крупности. Зерна материала, превышающие размер отверстий сит, сходят с поверхности грохочения, образуя верхний класс. Рис. 6.10. Схемы расположения сит на грохотах: а − от мелкого к крупному; б − от крупного к мелкому; в − комбинированная Зерна материала, прошедшие через отверстия, называются нижним классом. Нижний класс каждого предыдущего сита является исходным материалом для следующего расположенного за ним сита. При движении материалов по ситу не все зерна размером меньше отверстия сита могут пройти через него. В результате верхний класс оказывается засоренным зернами нижнего класса. Отношение (в процентах) массы зерен, прошедших сквозь сито, к количеству материала такой же крупности, содержащегося в исходном материале, называют эффективностью грохочения. Эталонное значение эффективности грохочения в зависимости от материала и типа грохотов составляет 86...91 %. По исполнению и типу привода грохоты делят на неподвижные колосниковые, барабанные вращающиеся, эксцентриковые и инерционные виброгрохоты. Неподвижные грохоты. Такие грохоты представляют собой колосниковые решетки из износостойкой стали с высоким ударным сопротивлением. Их применяют для предварительного грохочения. Барабанные грохоты. Они имеют наклонный, под углом 5...7°, вращающийся барабан, состоящий из секций с различными размерами отверстий. Загрузка осуществляется в секцию с меньшими размерами отверстий. При трехсекционном барабане получают четыре фракции щебня. Диаметры барабанов таких грохотов 600 ... 1000 мм при длине З,0 ... 3,5 мм. Частота вращения грохота зависит от его диаметра и составляет 15 ... 20 мин-1. При большей частоте грохочение прекращается. Производительность их 10...45 м3/ч при мощности двигателя 1,7...4,5 кВт. В связи с низким качеством грохочения и большим расходом энергии барабанные грохоты имеют ограниченное применение. Эксцентриковые грохоты. Грохот (рис. 6.11, а) состоит из наклонного под углом 15...25° короба 1 с ситами 6 и 8; шарнирно подвешенного к шейкам приводного эксцентрикового вала 7 с дебалансами 5 и опирающегося на пружины 2. Вращение вала передается от электродвигателя 3 через клиноременную 307 передачу 4. При такой подвеске короба материал на его просеивающей поверхности получает круговые колебания с постоянной амплитудой, равной двойному эксцентриситету вала, при любой нагрузке. Эксцентриковые грохоты изготовляют с двумя ситами размером 1500х3750 мм и амплитудой колебаний 3...4,5 мм и частотой колебаний 800...1400 в минуту. д) Рис. 6.11. Схемы плоских грохотов: а )− эксцентриковый; б) − инерционный наклонный; в, г) − инерционный горизонтальный; д) −расчетная схема Инерционные виброгрохоты. Они делятся на инерционные наклонные (угол наклона сит 10...25°) и инерционные горизонтальные. Инерционный наклонный виброгрохот (рис. 6.11, б) имеет приводной механизм, представляющий собой вал 6 с дебалансами 5, опертый на два подшипника, корпуса которых укреплены в стенках короба 1. Короб с ситами 7 и 8 опирается на основание через упругие связи 2. Производительность, эффективность грохочения и засоряемость отверстий сит зависят от скорости, формы траектории и направления движения грохота. Если не учитывать влияния соседних зерен, то скорость, обеспечивающая наилучшие условия прохождения зерна сквозь отверстия горизонтального сита, может быть определена следующим образом, рис.6.11, д. gt 2 х  Vt и y  , 2 d где х  D  ; y  d / 2, учитывая соотношение d / D  0,8 , решая исходное 2 уравнение находим относительную скорость движения зерна d g  V  D    2,36 d , м/c 2 d  Чтобы имело место движение зерна по ситу, ему надо сообщить ускорение, развивающее силу инерции, превышающее силы сопротивления – для горизонтальной плоскости F  fG  fN и sin   f G  N и sin   , – для наклонной плоскости 308 N и cos   G sin  > fG cos   fN и sin  . Заменив N и и G через массу, получим ma cos   mg sin  > fmg cos   fma sin  , откуда находим fg cos   f sin  . a> cos   g sin  Амплитудное значение ускорения для эксцентриковых механизмов с достаточной точностью определяется по формуле a  A 2 , где A  амплитудное колебание, м;   угловая скорость эксцентрика. Очистка сит от застрявших зерен лучше будет происходить при подбрасывании зерен над ситами. Отрыв частиц происходит при условии N и sin  ≥ G cos  , при V  7,7 n , где n  частота вращения эксцентрика. Форма колебаний зависит от расположения неуравновешенных масс и способа подвески короба. Они могут быть круговыми, эллиптическими или прямолинейными (грохоты с пластинчатыми рессорами). Наиболее эффективны грохоты на пружинных опорах. Регулирование амплитуды колебаний достигается сменными дебалансами. В отличие от эксцентриковых в инерционных грохотах с увеличением нагрузки амплитуда колебания короба уменьшается автоматически, защищая конструкцию от перегрузок. Такие грохоты применяют для тяжелых условий работы при товарном грохочении, а также для предварительного грохочения крупнокусковых материалов перед первичным дроблением (вместо сит устанавливают колосниковые решетки в один ярус). Размеры просеивающей поверхности сит 1750х1450 мм, частота вращения вала вибратора порядка 800 мин-1, амплитуда колебаний 3,7...4,5 мм. Эффективное сортирование достигается с вибраторами направленного действия (рис. 6.11, в, г). Инерционный горизонтальный виброгрохот имеет вибровозбудитель прямолинейно направленных колебаний 9, смонтированный на коробе с ситами. Возбудитель состоит из двух параллельно расположенных дебалансных валов, синхронно вращающихся в разных направлениях. Возмущающая сила такого вибратора направлена по прямой, перпендикулярной линии, соединяющей центры дебалансных валов, и изменяется по закону синуса. Угол действия между возмущающей силой и плоскостью сит составляет 35...45°. Короб с ситами опирается на основание через вертикальные пружины. Размеры просеивающей поверхности сит таких грохотов 1250х3000 мм, частота колебаний 500...700 в минуту, амплитуда колебаний 8...12 мм, мощность приводного двигателя 5,5 кВт. Горизонтальные виброгрохоты с направленными колебаниями обеспечивают большую удельную производительность и лучшее качество грохочения по сравнению с наклонными. 309 Техническая производительность грохотов (м3/ч) при промежуточном и окончательном грохочении Пт = qAk1k2k3, (6.5) где q – удельная производительность 1 м сита для определенного размера отверстий (для отверстий от 5 до 70 мм изменяется от 12 до 82 м3/ч); А – площадь сита, м2; k1 – коэффициент, учитывающий угол наклона грохота (для горизонтальных грохотов с направленными колебаниями k1=1,0; для наклонных при угле наклона 9...15° – 0,45...1,54); k2 – коэффициент, учитывающий содержание в данном продукте зерен нижнего класса (при содержании 10...90% соответственно 0,58...1,25); k3 – коэффициент, учитывающий содержание в нижнем классе зерен меньше ½ размера отверстий сит (при содержании 10..90 % соответственно 0,63...1,37). При приближенных расчетах можно определять производительность грохота как производительность желоба с определенной пропускной способностью Пт = 3600bhυkр, (6.6) где b – ширина сита, м; h – толщина слоя сортируемого материала, м (принимается равной размеру поступающих на сито кусков); υ = 0,05...0,25 м/с – скорость движения материала вдоль желоба; kр = 0,4...0,5 – коэффициент разрыхления материала. 308 6.3. Машины для мойки каменных материалов Заполнители бетона промывают для удаления глинистых и органических примесей и пыли. Для этого используют различные способы. Если крупность заполнителя не превышает 70 мм, а загрязненность мала и примеси легко отделимы, то промывку совмещают с сортировкой. На грохот по трубам из сопл подается вода под давлением 0,2...0,3 МПа. Расход воды 1,5...5 м3 на 1 м3 промываемого материала. Материалы крупностью 300...350 мм промывают в цилиндрических гравиемойках-сортировках, состоящих из наклонного барабанного вращающегося грохота с дополнительной моющей секцией с глухой (без отверстий) поверхностью. Вода на промывку подается вместе с материалом. Расход воды до 2 м3 на 1 м3 промываемого материала. Для сильно загрязненного гравия и щебня, содержащих глинистые включения, применяют моечные барабаны с лопастями, закрепленными на внутренней поверхности барабана. Вода подается навстречу движению материала. Диаметры барабанов – 1,5..2,0 м при длине до 4,0 м, производительность установок — до 100 м3/ч. Для мойки песка, отделения от него частиц менее 0,15 мм и последующего обезвоживания применяют гидромеханические и гидравлические классификаторы. Гидромеханический классификатор представляет собой короб, внутри которого размещена спираль. При вращении спирали взвешенные в воде мелкие частицы отводятся в нижнюю часть короба, а крупные направляются спиралью к верхнему разгрузочному окну. Короб устанавливают под углом 16...18°. Диаметр спирали 1000...1500 мм при частоте вращения 8...14 мин-1, Производительность классификатора − до 200 т/ч. Гидравлические классификаторы (рис. 6.12, а) применяют для промывки и разделения песка на две фракции. Рис. 6.11. Гидравлические классификаторы: а–вертикальный; б−горизонтальный многокамерный; 1, 6 −патрубоки; 2− диффузор; 3− обогатительная камера; 4− верхний коллектор; 5− классификационная камера; 7−разгрузочный клапан; 8− корыто; 9− пирамидальный лоток; 10−поплавок; 11− гидростатическая трубка В таких установках песок, предварительно смешанный с водой в виде пульпы, вводится в вертикальный классификатор через патрубок 1 и диффузор 309 2 в обогатительную камеру 3, где скорость потока смеси значительно уменьшается, и крупные частицы выпадают в классификационную камеру 5. По патрубку 6 в классификационную камеру подается чистая вода, образуя в камере винтовой восходящий поток. Частицы песка (до 0,5 мм) уносятся выходящим потоком воды к верхнему сливному коллектору 4, а крупные частицы выпадают из классификационной камеры, обезвоживаются и поступают потребителю. Гидроклассификаторы являются напорными аппаратами, давление на уровне сливной трубы достигает 0,3 МПа. Производительность их по грунту – 20...300 м3/ч. При необходимости промывки и разделения зернистого материала на несколько фракций используют горизонтальные многокамерные гидроклассификаторы (рис. 6.12, б). Исходный материал в пульпообразователе смешивается с водой и поступает в пирамидальный лоток 9, а оттуда – в прямоугольное корыто 8, разделенное вертикальными перегородками на четыре камеры. Разделение на фракции получается путем регулирования количества воды, подаваемой в классификационные камеры снизу и образующей восходящие потоки. Вода, поднимаясь по камере, выносит частицы песка, скорость выпадания которых меньше скорости движения восходящих потоков. По мере накапливания взвешенных частиц в камере плотность пульпы увеличивается, вследствие чего уровень воды в гидростатической трубке 11 вместе с поплавком 10 поднимается. Как только поплавок упрется в верхний датчик, автоматически открывается разгрузочный клапан 7. По мере разгрузки поплавок опускается и касается нижнего датчика, сигналы которого передаются механизму закрытия клапана. Затем цикл работы камеры повторяется. Производительность по исходному материалу − до 50 т/ч, расход воды – 4...6 м 3 /т. Контрольные вопросы по шестой главе. 1. Каким составом характеризуется качество щебня ? 2. Приведите типовую схему дробильно-сортировочной установки. 3. Перечислите основные показатели работы дробилок. 4. Показать схему дробилки с простым качанием щеки. 5. Техническая производительность щековой дробилки. 6. По какому показателю различают конусные дробилки ? 7. Техническая производительность конусной дробилки. 8. Привести схему валковой дробилки. 9. Производительность валковых дробилок.10. Принцип работы роторной дробилки. 11. Чем отличается молотковая дробилка от роторной ? 12 Как располагают сита на грохоте для мелкого, крупного и комбинированного дробления ? 13. Привести схемы плоских грохотов. 14. Выведите формулы плоского грохота. 15. Под каким углом рас3 полагают инерционный виброгрохот ? 16. Каков расход воды требуется для мойки 1 м каменных материалов ? 17. Что из себя представляет гидромеханический классификатор ? 7. МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ БЕТОНОВ И РАСТВОРОВ 7.1. Типы бетоносмесителей циклического и непрерывного действия 310 Приготовление бетонов и растворов заключается в дозировании компонентов и их перемешивании. Дозирование компонентов производится дозаторами, а перемешивание — смесительными машинами. Дозаторы. По принципу работы дозаторы делятся на цикличные и непрерывного действия. Цикличные дозаторы отмеривают заданную массу или объем порции материала, загружаемого в мерный бункер, и после разгрузки повторяют цикл. Дозаторы непрерывного действия выдают непрерывным потоком материал с заданным значением производительности. По методу дозирования материалов дозаторы подразделяют на объемные, весовые и объемно-весовые. Объемные дозаторы сыпучих материалов просты по конструкции, но они уступают весовым по точности дозирования. Объемные дозаторы жидкости обеспечивают более точную дозировку, так как плотность жидкостей при постоянной температуре изменяется незначительно. Объемные дозаторы сыпучих материалов применяются в смесительных установках небольшой производительности, а объемные дозаторы жидкостей применяют более широко. Весовые дозаторы обеспечивают высокую точность дозирования сыпучих и жидких материалов и, несмотря на их сложность и повышенную стоимость, они широко применяются во всех современных смесительных установках различной производительности. Объемно-весовые дозаторы обеспечивают дозирование одного компонента по объему с соблюдением суммарной массы двух компонентов и применяют их в установках для приготовления бетонной смеси с пористыми заполнителями (керамзитом). В этом случае керамзит дозируют по объему, но с обязательным обеспечением заданной массы двух заполнителей, например керамзита и песка вместе взятых. Дозируют эти материалы в такой последовательности: сначала отмеривается заданный объем керамзита с последующим взвешиванием, затем дополняется песок до заданной суммарной дозы песка и керамзита. По способу управления дозаторы бывают с ручным, полуавтоматическим дистанционным и автоматическим управлением. Бетоносмесители. Их применяют для приготовления бетонной смеси. Любая смесительная машина состоит из смесительной емкости, рабочих органов с их приводом, загрузочных и выгрузочных устройств. Смесительные машины классифицируют по следующим основным признакам: условиям эксплуатации, режиму работы и способу смешивания. По условиям эксплуатации смесительные машины бывают передвижными и стационарными. Первые применяют на рассредоточенных объектах при выполнении небольших объемов работ и при ремонтных работах, вторые — в условиях бетонных и растворных заводов и в установках средней и большой производительности. По режиму работы смесительные машины бывают циклического и непрерывного действия. В смесительных машинах циклического действия приготовление смеси заключается в загрузке, перемешивании и выгрузке готового заме- 311 са. Эти операции выполняются последовательно одна за другой и за время, равное полному циклу на замес. Каждая последующая порция компонентов смеси подается в смесительную емкость только после выгрузки готового замеса. Главным параметром смесительных машин циклического действия является объем готового замеса в литрах, выданный за один цикл работы. В смесительных машинах непрерывного действия компоненты бетонной смеси или раствора загружаются непрерывным потоком с помощью ленточных питателей или ленточных конвейеров. Все сыпучие компоненты подаются одновременно, образуя на ленте слой материалов, например песка, цемента, щебня различных фракций. Одновременно непрерывной струей непосредственно в смесительную емкость подается вода. При перемешивании смесь перемещается к выгрузочному отверстию. Готовая смесь непрерывно поступает в транспортные средства. Главным параметром смесителей непрерывного действия является производительность (м3/ч). Смесители непрерывного действия широко используют для приготовления бетонов или растворов одинакового состава, когда нет необходимости часто переналаживать дозаторы. По способу смешивания различают бетоносмесители гравитационные и принудительного смешивания, а растворосмесители — только принудительного смешивания. В гравитационных бетоносмесителях рабочими органами являются вращающиеся барабаны, на внутренних поверхностях которых закреплены лопасти. При вращении барабана компоненты бетонной смеси подхватываются лопастями и поднимаются вверх, откуда они свободно падают, перемешиваясь с нижними слоями, а последние увлекаются вверх. Такие бетоносмесители хорошо смешивают умеренно подвижные и подвижные бетонные смеси, но не обеспечивают достаточной однородности жестких и малоподвижных смесей. В смесителях принудительного действия загруженные материалы смешиваются посредством вращающихся лопастей. Смесительная емкость может быть корытообразной формы с горизонтальным расположением лопастных валов, чашеобразной с вертикальным лопастным валом и в виде бака с вертикальным быстровращающимся ротором. В таких смесителях можно приготовлять малоподвижные и жесткие бетонные смеси и растворы на плотных и пористых заполнителях, получая хорошо перемешанную однородную смесь. Однако такой способ требует приложения значительных усилий и вызывает сравнительно большое абразивное изнашивание рабочих органов. Затрачиваемая мощность для привода смесителей принудительного действия намного превышает мощность, необходимую для привода гравитационных смесителей одинаковой вместимости или производительности. Недостаток смесителей принудительного смешивания заключается также в ограничении максимальных размеров зерен крупного заполнителя по сравнению с гравитационными смесителями. Стандартом предусмотрено девять типоразмеров бетоносмесителей периодического действия со свободным перемешиванием с объемом готового замеса: 65, 165, 330, 500, 800, 1000, 1600, 2000 и 3000 л. Они выполняются с опрокид- 312 ным барабаном грушевидной формы, с наклоняющимся двухконусным барабаном и с цилиндрическим неопрокидным барабаном. Бетоносмесители с объемом готового замеса 65...330 л выпускаются передвижными, а свыше − стационарными. Передвижные гравитационные бетоносмесители используют для приготовления бетонной смеси с крупностью заполнителя до 70 мм при выполнении небольших объемов работ. На рис. 7.1 дана кинематическая схема передвижного бетоносмесителя с опрокидывающимся барабаном и дозатором воды. От электродвигателя 1 через многорядную клиноременную передачу 2, вал 3 и зубчатую передачу 4 приводится в движение вал 5, который кони ческой шестерней соединен с зубчатым венцом 6 и вращает барабан 7 относительно вертикалькой оси 10. Цепной передачей 12 передается движение на барабаны 15 механизма подъема ковша 19. При включении конусного фрикциона 16 посредством рычага 14 канат 17, навиваясь на барабаны, поднимает ковш. В верхнем положении ковш 19 опрокидывается, и его содержимое выгружается в барабан. Одновременно ковш своим упором ударяет по Рис.7.1. Схема бетоносмесителя: выключателю 13, который при повороте отклю1– двигатель; 2–клиноременная чает фрикцион и включает ленточный тормоз передача; 3,5–валы; 4–зубчатая 18, удерживающий барабан в положении разпередача; 6– зубчатый венец; грузки. Ковш опускается на тормозе 18, управ7,15– барабан; 8–зубчатый сектор; ляемым рычагом 14. Наклон барабана в момент 9– штурвал; 10– ось; 11– траверс; разгрузки и опрокидывания при разгрузке осуще 12– цепная передача; 13– выкствляется поворотом штурвала 9, шестерня котолючатель; 14–рычаг; 16– фрикци- рого имеет внутреннее зацепление с зубчатым он; 17– канат; 18– тормоз; сектором 8. При повороте сектор наклоняет тра19– ковш версу 11 и барабан опрокидывается. В наклонном положении барабан удерживается тормозом или храповиком. Двухконусный барабан стационарных бетономесителей состоит из двух усеченных конусов: короткого (загрузочного) и удлиненного (разгрузочного), соединенных между собой цилиндрической вставкой. Барабан монтируют на поворачивающейся траверсе, цапфы которой опираются на стойки рамы. В процессе работы смесителя барабан непрерывно вращается вокруг своей продольной оси и может быть наклонен относительно поперечной оси для выгрузки готовой смеси. К внутренней поверхности конических частей барабана на кронштейнах крепятся стальные лопасти, имеющие кромки повышенной износостойкости. Процесс перемешивания компонентов смеси протекает таким образом, что лопасти создают в центральной части вращающегося барабана пере- 313 крестные потоки поднимаемых и сбрасываемых компонентов смеси, направленные вдоль его оси и повышающие интенсивность перемешивания и производительность бетоносмесителя при одновременном улучшении однородности смеси. Наклон смесительных барабанов может производиться с помощью механического, гидравлического и пневматического приводов. В бетоносмесителях с наклоняемыми барабанами происходит более эффективное перемешивание компонентов, чем в цилиндрических барабанах с горизонтальной осью вращения. Выгрузка готовой смеси из смесительных барабанов такого типа производится в короткий срок струей большого сечения (укрупненным объемом), что способствует сохранению достигнутой однородности смеси. Такие смесители, получившие преимущественное распространение, сложнее по конструкции, но отличаются большей степенью наполнения барабана, а также более быстрой и полной выгрузкой готовой смеси, чем гравитационные смесители с ненаклоняемыми барабанами. На рис. 7.2 показан гравитационный бетоносмеситель, который предназначен для приготовления бетонной смеси с заполнителями крупностью до 120 мм. Этот бетоносмеситель является комплектующим изделием для бетонных заводов и установок товарных бетонных смесей и технологических линий заводов железобетонных изделий. Рис. 7.2. Бетоносмеситель: а –общий вид; б – кинематическая схема: 1– цилиндрическая обечайка; 2– барабан; 3– двигатель; 4– опрокидыватель; 5– стойка; 6– вентиль; 7– маслораспылитель; 8– воздухораспределитель; 9– пневмоцилиндр; 10, 12–подшипники; 11– зубчатый венец; 13– шестерня; 14– муфта; 15–вал-шестерня; 16,17,18– зубчатые колеса; 19– запорное устройство Основными сборочными единицами бетоносмесителя (рис. 7.2, а) являются опорные стойки 5, смесительный барабан 2 с располагаемыми на его внутренней поверхности лопастями, электродвигатель 3, пневмоцилиндр опрокидывания барабана 4 и цилиндрическая обечайка 1, внутренняя поверхность которой облицовывается набором сменных листов из износостойкой стали. От электродвигателя через втулочно-пальцевую муфту 14 (рис. 7.2, б), тихоходный валшестерню 15, зубчатые колеса 16, 17, 18 крутящий момент передается тихоходному валу редуктора и через шестерню 13, насаженную на вал,— зубчатому 314 венцу 11 смесительного барабана. Для опрокидывания смесительного барабана в положение выгрузки и возвращения его в исходное положение применен пневматический привод, включающий в себя пневмоцилиндр 9, воздухораспределитель 8, маслораспылитель 7, вентиль 6 и запорное устройство 19. Барабан при вращении опирается на опорные и поддерживающие ролики, вращающиеся на подшипниках 10 и 12. На рис. 7.3 дана кинематическая схема цикличного бетоносмесителя принудительного действия, предназначенного для приготовления жестких и подвижных бетонных смесей, а также керамзитобетонных смесей и строительных растворов в условиях технологических линий бетонных заводов и установок. Стандартом предусматривается восемь типоразмеров бетоносмесителей периодического действия с принудительным перемешиванием объемов готового замеса 65, 165, 330, 500, 800, 1000, 2000 и 3000 л. Привод смесителя состоит из электродвигателя и редуктора 1, выходной вал которого через втулочнопальцевую муфту 2 передает вращение ротору 7, вращающемуся на двух роликоподшипниках. На роторе жестко закреплены скребок и две лопасти для перемешивания верхних слоев, а держатели донных лопастей и наружного очистного скребка снабжены амортизаторами, предотвращающими поломки при заклинивании в случае попадания крупных кусков заполнителя. Загрузка смесителя производится через патрубки в крышке, а выгрузка готовой смеси через отверстие в днище, перекрываемое плоским секторным затвором. Для привода затвора применяется пневматический цилиндр 6, к которому через вентиль 5 и воздухораспределитель 4 подается сжатый воздух. Для уменьшения шума имеется глушитель 3. Рис. 7.3. Кинематическая схема цикличного бетоносмесителя принудительного действия: 1–электродвигатель с редуктором; 2– муфта; 3– глушитель; 4– воздухораспределитель; 5–вентиль; 6–пневматический цилиндр; 7– ротор Обязательным условием работы бетоносмесителя является загрузка его исходными материалами при вращающемся роторе. Одновременно с подачей через патрубок от дозированных заполнителей и цемента по трубе подается соответствующая доза воды. Смесительное устройство при этом интенсивно пере- 315 мешивает компоненты в однородную смесь, которая затем выгружается через донное отверстие при открытом затворе. Бетоносмеситель непрерывного действия с принудительным перемешиванием состоит из привода, корпуса и двух лопастных валов (рис. 7. 4). Привод включает электродвигатель 1, клиноременную передачу 2, редуктор 3, уравнительную муфту 4 и зубчатую передачу 5. Корпус бетоносмесителя представляет собой горизонтальную корытообразную смесительную емкость. Рабочими органами бетоносмесителя служат два лопастных вала 10 с насаженными на них лопастями 7, оканчивающимися сменными лопатками 8. Лопатки повернуты так, что с осью вала они составляют угол 45°. Лопасти закрепляют распорными втулками 9. Взаимное расположение лопастей на валах и повороты лопаток образуют прерывистую винтовую поверхность. Валы вращаются в подшипниках 11 и 12, а осевые усилия воспринимаются упорными подшипниками. Благодаря зубчатой передаче 5 валы вращаются синхронно навстречу друг другу. Компоненты смеси загружаются через патрубок 6 и, перемешиваясь вращающимися лопастями, продвигаются вдоль смесителя к выгрузочному отверстию. Лопасти расположены так, что встречные потоки смешиваемой массы в поперечном направлении перемещаются интенсивно, а вдоль корпуса смесителя — сравнительно медленно, благодаря чему достигается однородность смеси. Бетоносмесители непрерывного действия с принудительным перемешиванием применяются для приготовления жестких и подвижных смесей с крупностью заполнителя 40 мм и строительных растворов. В гравитационных бетоносмесителях непрерывного действия вращающийся барабан представляет собой цилиндр, опирающийся на ролики. Материалы из дозаторов поступают в барабан непрерывно, а в другом конце его происходит непрерывная выдача готовой смеси. Растворосмесители. Растворосмесители предназначены для приготовления цементных, известковых, гипсовых, шлаковых и сложных растворов при выполнении кладочных, штукатурных, облицовочных и изоляционных работ. По конструкции — это перемешивающие машины периодического действия с силовым воздействием рабочего органа (лопасти) на обрабатываемую среду; форма и расположение лопастей зависят от получаемого материала. Различают лопастные смесители с горизонтальным, вертикальным лопастным валом и турбулентные. У первых лопасти при вращении перемешивают весь объем смешиваемых материалов, их применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов. У турбулентных смесителей потоки смешиваемой массы создаются ротором, диаметр которого в 2...2,5 раза меньше диаметра смесительной емкости, а частота вращения ротора в 10...15 раз выше частоты вращения валов обычных лопастных смесителей. Вследствие этого в смешиваемой массе возникают центробежные силы, создающие интенсивные потоки, благодаря которым приходит в движение весь объем смешиваемых материалов. 316 Передвижные растворосмесители имеют объем готового замеса 30, 65, 125 и 250 л, а стационарные – 400, 800 и 1200 л. Последними комплектуются автоматизированные растворные узлы и заводы. Растворосмесители с объемом готового замеса 30 и 65 л устанавливаются непосредственно на месте производства работ и они не имеют загрузочных и дозировочных устройств. Весьма эффективна их работа на сухих смесях. Растворосмесители периодического действия с горизонтальным валом (рис. 7.5) состоят из тележки, барабана 5, редуктора 8 и электродвигателя 9. Барабан (бункер) опирается на две стойки 2 и свободно поворачивается с помощью рукоятки 7. Загрузочное отверстие барабана снабжено ограждением 6, предотвращающим попадание лопаты в барабан при загрузке. Рис. 7.5. Растворосмеситель периодического действия с горизонтальным валом: 1– тележка; 2– стойка; 3–подшипник; 4– лопастной вал; 5– барабан; 6– ограждение; 7– рукоятка; 8 – редуктор; 9 – двигатель По оси проходит лопастной вал 4, вращающийся в подшипниках 3, которые установлены в стойках. Выходной вал редуктора одновременно является лопастным валом растворосмесителя. Растворосмеситель периодического действия с вертикальным лопастным валом (рис. 7.6) предназначен для приготовления всех видов растворов для штукатурных работ, состоит из рамы, откидной траверсы 3, на которой смонтирован электродвигатель 4, и сменных тачек 1 со свободно вращающимися цилиндрическими бункерами. Раствор готовится в бункере 2 и в нем же транспортируется к рабочему месту, что позволяет быстро сменять тачки-бункера для приготовления различных растворов. Турбулентный растворосмеситель (рис. 7.7) представляет собой передвижную циклическую машину для приготовления растворов с осадкой по конусу СтройЦНИЛ не менее 7 см. Он состоит из смесительного бака 1 и основания 3, на котором установлен фланцевый электродвигатель 2. Бак 1 загружают исходными материалами через воронкообразную крышку. Ротор при этом должен вращаться. Объем загружаемой порции составляет 80 л. 317 При открытом затворе 5 готовая смесь выгружается через люк 4. Ротор приводится в действие от электродвигателя через клиноременную передачу и, вращаясь, лопатками отбрасывает смесь к конусной части бака. Для торможения кругового движения смеси и образования спиральных потоков в баке на его вертикальной стены две пластины, которые поднимают смесь вверх, оттуда она мают смесь вверх, оттуда она Рис.7.7 Смеситель периодичеспадает на ротор и вновь вовлекается в кого действия: 1– тачка; 2– бункер; движение посивно перемеши- спирали, 3–откидной траверс; 4 – двигатель интенсивно перемешиваясь. Производительность смесительных машин периодического действия (м3/ч) П = V3 n/1000, где V3 – объем готовой смеси в одном замесе, л; V3 = VбК', Vб – полезный объем барабана, л; К.– коэффициент выхода готовой смеси (для бетона К = 0,65...0,7; для раствора К = 0,75...0,85); п – число замесов за 1 ч работы; n = 3600/(t1+t2+t3+t4); t1,t2,t3 и t4 – продолжительность загрузки, смешивания, выгрузки и возврата барабана в исходное положение или закрытие затвора, с. Производительность смесительных машин непрерывного действия с принудительным смешиванием (м3/ч) П = 3600 АV, 2 где А = Кнπd /4 – средняя площадь поперечного сечения потока смеси в корпусе смесителя, м2; d. –диаметр лопастей смесителя, м; Кн – коэффициент наполнения сечения корпуса смесителя (Кн= 0,28...0,34); V = s n– ско- Рис.7.7. Турбулентный: рость движения смеси в направлении продольной оси растворосмеситель: 1– бак; корпуса смесителя, м/с; s – шаг лопастей, м; n – час2– двигатель; 3– основания; -1 тота вращения лопастного вала, с . 4– люк; 5– затвор Бетонные заводы. По сроку действия в зоне обслуживания подразделяются на стационарные, полустационарные и передвижные. Стационарные бетонные заводы выпускают готовую бетонную смесь, сухую смесь, бетонные и железобетонные изделия. Они оснащены оборудованием, обеспечивающим их круглогодичную работу. Полустационарные бетонные заводы предназначены для обслуживания главным образом одного строительного объекта, и при необходимости их можно перемещать с места на место по мере завершения строительства. Передвижные бетонные заводы действуют на одном месте обычно один строительный сезон. Они имеют мобильное оборудование, что обеспечивает возможность быстрого их перемещения с проведением демонтажа и монтажа с минимальными затратами, времени и средств. По типу основного оборудования бетонные заводы подразделяются на заводы циклического и непрерывного действия. 318 На заводах циклического действия применяют смесительные машины с повторяющимся рабочим циклом — загрузка, перемешивание, выгрузка. На заводах непрерывного действия загрузка, перемешивание и выгрузка протекают непрерывно и одновременно. По назначению заводы бывают с законченным, расчлененным и комбинированным технологическими циклами. Продукцией заводов с законченным циклом является готовая смесь, расчлененным—сухая смесь, комбинированным – готовая и сухая смеси. По компоновке основного оборудования различают два типа заводов: 1) башенного типа, оборудованные по вертикальной схеме, при которой все компоненты смеси подаются в распределительные устройства, расположенные в верхней части башни, и перемешиваются гравитационно, т. е. под действием собственной силы тяжести; 2) партерного типа с оборудованием по двух- или трехступенчатой схеме, при которой компоненты смеси последовательно поднимают два или три раза; заводы партерного типа разделены на две (три) части – в первой принимаются и дозируются компоненты, во второй (третьей) они перемешиваются в смесителях и выгружаются в транспортные средства. По системе управления различают заводы с непосредственным управлением с пульта, с дистанционным автоматизированным управлением и заводыавтоматы. В последних кроме оборудования автоматизирована работа всех транспортных коммуникаций, связывающих склады заполнителей. Переключение транспортных и дозирующих устройств с одного вида или фракции материала на другой, контроль за наполнением бункеров материалами по мере их расходования – автоматические, часто – с помощью системы программного управления. Процессы взвешивания и опорожнения дозаторов, режим перемешивания и время разгрузки бетоносмесителей регулируются также автоматически. С работой дозировочно-смесительных агрегатов блокируется управление всеми операциями. Блокировка обеспечивает одновременный или разновременный, с определенной последовательностью запуск отдельных агрегатов, поддержание требуемых режимов и согласование работы машин и механизмов. В управлении заводом блокировка сочетается с контрольной технологической сигнализацией, которая на центральном пульте фиксирует пуск и остановку механизмов и появление неполадок в системе. Сигнализация увязывается с системой учета работы завода: учитываются отдельные операции, количество выпускаемой продукции, производительность отдельных узлов и завода в целом. При выдаче готовой смеси в транспортные средства завод непрерывного действия может работать без вмешательства оператора. При выдаче продукции в автосамосвалы оператор с главного пульта останавливает и пускает завод по мере накопления готовой смеси в расходных бункерах и подачи транспортных средств. На рис. 7.8, а показан автоматизированный бетонный завод непрерывного действия производительностью 32 м 3 /ч, предназначенный для приготовления бетонной и от дозированной смеси. 319 Рис. 7.8. Схема бетонного завода: а) – технологический процесс завода; 1–дозаторызаполнители; 2– транспортеры; 3– бункеры; 4,13– тарировочные дозаторы; 5–транспортер; 6– дозатор цемента; 7– расходный бункер цемента; 8– элктрооборудование; 9– дозаторное управление; 10–водопитание; 11, 14– автотранспорт; 12 – смеситель; 14– автобетоносмеситель; 15–раздаточная точка; б) – расположение оборудования; 1– расходный бункер для песка; 2– пескосеялка; 3– ленточный конвейер; 4– бункер для гравия; 5, 9– винтовой конвейер; 6– бункер для цемента; 7, 15–элеваторы; 8– бункер для воды; 10,13–бункеры для извести; 11,12,14–бункер для жидких добавок; 16– кассовый аппарат; 17–турбулентный смеситель; 18– пульт управления; 19– насос; 20 – дозаторы Завод транспортируется и монтируется укрупненными блоками, что позволяет быстро менять место работы. Монтаж производится краном грузоподъемностью 10 тс вылетом стрелы 20 м. Подача электроэнергии может производиться от дизель-генератора или от централизованного электроснабжения. Для снабжения водой используются цистерны, водопровод или водоем, расположенный в районе завода. Завод состоит из блоков смесителя 5, дозаторов цемента 6, наклонного транспортера 2, тарировочного дозатора 4, расходного бункера цемента 7, водопитания 10, электрооборудования 8, дозаторов-заполнителей и управления 9. Блоки монтируются на стойках 3. Технологический процесс приготовления показан на рис. 7.8, б. Заполнители из питателей 1 транспортерами 2 подаются в бункера 3, откуда через дозаторы 4 по транспортеру 5 перемещаются в раздаточную течку 15. Цемент из расходного бункера 7 самотеком поступает на дозатор цемента 6 и затем в раздаточную течку 15. Для выдачи сухой смеси все компоненты подаются в тарировочный дозатор 13 и выгружаются в автобетоносмеситель 14. Для выдачи гото- 320 вой смеси компоненты из раздаточной течки 15 поступают в смеситель непрерывного действия 12. Одновременно с этим в смеситель поступает вода из трехходового крана 10, куда она подается насосом-дозатором 9 из бака для воды 8. Готовая смесь из смесителя выгружается в автотранспорт. Автоматизированная бетонорастворосмесительная установка (рис. 7.8, в) с расположением оборудования по вертикальной схеме производительностью 50 м3/ч по раствору работает в автоматическом режиме без переналадок с выдачей готового раствора и подвижных бетонных смесей с ограниченной крупностью заполнителя. На верхнем ярусе расходные бункера песка 1, гравия 4 и цемента 6 заполняют элеваторами 7 и 15 и винтовым конвейером 5. Песок перед подачей в бункер просеивается на пескосеялке 2. Из расходных бункеров в дозаторы 20 материалы подают ленточными конвейерами 3, а цемент – винтовым конвейером 9. Из расходных бункеров воды 8, извести 13 и жидких добавок 14 подача в дозаторы извести 10, жидких добавок 12 и воды 19 производится насосами. Приготовление смеси производится турбулентным смесителем 17 с объемом готового замеса 900 л с длительностью цикла 58 с. Управление установкой может вестись по трем схемам: автоматическое – по жетонам через кассовый аппарат 16; дистанционное полуавтоматическое – через пульт управления 18 и ручное, применяемое при переналадке. 7.2. Машины для транспортирования бетонных смесей и растворов Доставка бетонной смеси и растворов на строительный объект осуществляется автотранспортом. Широко используют специальные машины – автобетоновозы и автобетоносмесители, которыми в условиях умеренного климата при температуре окружающего воздуха ±40 °С осуществляется перевозка в радиусе до 30 км. Автобетоновозы. Автобетоновозы представляют собой утепленную теплоизоляцией емкость с плотно закрывающейся крышкой, установленную посредством подрамника на шасси автомобиля. Подрамник является основанием емкости и опорной частью гидроцилиндров подъемника. Форма емкости способствует выгрузке бетонной смеси с наименьшим остатком. Механизм гидропривода обеспечивает подъем передней части емкости с поворотом вокруг горизонтальной оси на 90° и выгрузку на высоте 700 или 1600 мм. Имеются гидравлические опоры, обеспечивающие устойчивость при подъеме емкости и разгрузку заднего моста шасси от дополнительных нагрузок. Имеется конструкция с побудителем посредством гидравлического привода, что предотвращает расслаивание смеси при транспортировке. Вместимость емкостей автобетоновозов 1,6 и 4 м3 находится в зависимости от базового шасси автомобиля. Авторастворовозы. Доставка и порционная выдача строительных растворов в условиях умеренного климата осуществляются при температуре окру- 321 жающего воздуха не ниже – 5 °С авторастворовозами. В последних утепленная емкость в виде цилиндра расположена горизонтально, и в верхней ее части имеются откидные двустворчатые крышки, через которые производится загрузка. В нижней части расположено выгрузочное отверстие, перекрываемое шиберным затвором-отсекателем, позволяющим выдавать раствор порциями. Внутри емкости расположен лопастной вал – побудитель раствора. Гидравлический привод побудителя и шиберного затвора осуществляется отбором мощности от двигателя автомобиля. Управление производится ручными гидрораспределителями. В зависимости от шасси автомобиля вместимость растворовозов 2,5 и 3 м3. Автобетоносмесители. Эти машины предназначены для доставки отдозированных компонентов бетонной смеси, приготовления подвижной и малоподвижной бетонной смеси в пути следования или по прибытии на строительный объект, доставки готовой бетонной смеси и выдачи ее потребителю. Автобетоносмесители могут загружаться: сухой смесью из предварительно высушенных заполнителей, сухой смесью послойно из заполнителей естественной влажности, сухой перемешанной смесью также из заполнителей естественной влажности, смоченной, частично перемешанной смесью и готовой бетонной смесью. Сухие бетонные смеси загружают в автобетоносмеситель на центральном бетонном заводе, а добавку воды и перемешивание смеси производят в пути непосредственно перед прибытием к месту укладки или на объекте. В случае загрузки готовой бетонной смесью автобетоносмесители используют как автобетоновозы с побудителем. Автобетоносмеситель (рис. 7.9) гравитационный реверсивный установлен на шасси автомобиля. Привод смесительного барабана – механический, осуществляется от автономного двигателя внутреннего сгорания. Автобетоносмеситель состоит из следующих сборочных единиц: шасси автомобиля 7, рамы в сборе 4, смесителя, загрузочно-разгрузочного устройства 2, бака с оборудованием для подачи и дозирования воды 3 в смеситель и привода смесителя 5 с механизмами управления 6. Все сборочные единицы смонтированы на раме, укрепленной на шасси автомобиля. На раме под углом 15° к горизонту установлен смеситель на три опорные точки: подшипник в передней части и два опорных ролика, на которые опирается бандаж у концевой части барабана. Внутри барабан снабжен двумя винтовыми лопастями для перемешивания бетонной смеси при вращении его по часовой стрелке и выдачи готовой смеси – при вращении в обратном направлении. 322 Рис.7.9. Автобетоносмеситель: 1– смеситель; 2– загрузочно-разгрузочное устройство; 3– дозатор воды; 4– рама; 5– привод смесителя; 6– механизм управления; 7– автомобиль Загрузочно-разгрузочное устройство состоит из загрузочного бункера, приемного и разгрузочного лотков и отклоняющего устройства. Угол наклона разгрузочного лотка изменяется винтом отклоняющего устройства. В передней части разгрузочного лотка находится шарнир для складывания в транспортное положение. Разгрузочный лоток автобетоносмесителя поворачивается в горизонтальной плоскости на 180° и в вертикальной — на 45°, обеспечивая в некоторых случаях подачу бетонной смеси непосредственно в бетонируемую конструкцию, а также распределение смеси по площади. Разгрузочный лоток можно наращивать дополнительным лотком, который крепят на левом крыле автобетоносмесителя. Для контроля режима работы и запуска автономного двигателя на панели установлены контрольно-измерительные приборы. Автобетоносмеситель может загружаться от специализированных установок для выдачи сухих смесей, а также от передвижных и стационарных бетонных заводов (рис.7.9, б). Автобетоносмеситель загружается через люк 7 смесительного отделения с копильником 8, опирающимся на стойки 9. По окончании выгрузки барабану сообщают максимальное число оборотов прямого хода и подают оставшуюся воду для промывки. Вода поступает как через воронку, так и через отверстие в цапфе барабана. По окончании промывки воду при обратном вращении барабана удаляют из бетоносмесителя. Вместимость автобетоносмесителей находится в зависимости от шасси автомобиля и составляет 2,6; 4,0; 7,0 м3. Бетононасосы. Предназначены для подачи по трубопроводам (бетоноводам) бетонных смесей к месту укладки при строительстве сооружений из монолитного бетона и железобетона. Они относятся к объемным насосам, так как их работа основана на принципе вытеснения, заключающегося в создании системы с изменяющимся объемом. Если этот объем заполнить перекачиваемой смесью, а затем его уменьшить, то смесь будет вытесняться в напорный трубопровод. Бетононасосы можно подразделить: по характеру работы – с непрерывной подачей (шланговый) и с периодической подачей (поршневой) смеси; по типу 323 привода — с механическим и гидравлическим приводом; по количеству бетонотранспортных цилиндров – одно- и двухцилиндровые; по исполнению – стационарные, прицепные и мобильные (автобетононасосы). Главными параметрами бетононасосов являются производительность, дальность и высота подачи бетонной смеси. Принцип действия беспоршневых (шланговых) бетононасосов непрерывного действия с гидравлическим приводом значительно отличается от принципа действия поршневых бетононасосов периодического действия с механическим или гидравлическим приводом (рис. 7.10, а). Он состоит из насосной камеры 3, соединенной нейлоново-неопренным шлангом 6, с одной стороны, с побудителем 7, а с другой – с потребителем 1 бетонной смеси, подающейся по бетоноводу. Насосная камера представляет собой герметичный цилиндрический корпус, внутри которой на роторе в виде связанных между собой стальных пластин 5 смонтированы два обрезиненных ролика 2. Рис. 7.10. Бетононасосы: а) – беспоршневой; 1–шланг потребителя; 2– обрезинен ный ролик; 3– насосная камера; 4– вал; 5– стальная пластина; 6– нейлоновонеопренный шланг; 7– побудитель; б) – поршневой бетононасос; 1– загрузочный бункер; 2– рабочий цилиндр; 3– поршень; 4, 5– клапаны; в) –поршневой с гидрав лическим приводом; 1– поршень; 2,3– транспортный и рабочий цилиндры; 4– шток; Ротор посажен на вал 4, проходящий через ось цилиндрической камеры, по внутренней цилиндрической поверхности которой проложен гибкий шланг, охватывающий примерно 3/5 ее окружности. При вращении ротора с двумя обрезиненными роликами они сдавливают шланг. Система с обрезиненными роликами и гибким шлангом выполняет роль насоса, проталкивая порцию бетонной смеси по шлангу. Камера постоянно находится под разрежением 0,008...0,009 МПа, создаваемым вакуумнасосом производительностью 0,5 м 3 /ч. Вследствие разрежения шланг расширяется, засасывая порцию бетонной смеси из смесителя-побудителя. Рабочий процесс прокачивания бетонной смеси осуществляется следующим образом. Ролик, совершая планетарное движение, обкатывает шланг и выталкивает смесь в бетоновод. После обкатывания шланг стремится восстановить свою первоначальную форму под действием упругих сил, этому также способствует разрежение в камере. Порция бетонной смеси под действием атмосферного давления засасывается в шланг, а диаметрально расположенный ролик выдавливает ее в бетоновод. 324 При образовании пробки в гибком шланге изменяют направление вращения ротора и выдавливают пробку в обратном направлении в побудитель; бетоновод очищают с помощью резинового пыжа, закладываемого в загрузочный раструб бункера. При заполнении бункера водой и включении ротора бетононасос работает в режиме водяного насоса. При необходимости шланг, находящийся внутри рабочей камеры, легко заменяется. Для этого освобождают его от обоих зажимов и включают ротор, который выводит его из камеры. После этого обратным вращением ротора новый шланг устанавливают внутри камеры и крепят зажимы. К достоинствам таких бетононасосов можно отнести: пониженный расход энергии вследствие равномерности движения бетонной смеси; простое исполнение гидропривода; возможность прокачки бетонных смесей с легкими инертными заполнителями; неизменяющееся сечение шланга способствует лучшему перекачиванию, так как отсутствуют резкие перепады давления, бетононасос прост в обслуживании и эксплуатации. Однако бетононасосы этого типа имеют недостатки: в частности, очень высокие требования к составам и подвижности перекачиваемых бетонных смесей; небольшое давление, развиваемое бетононасосом, что ограничивает дальность подачи; незначительный срок службы гибкого шланга, находящегося внутри рабочей камеры бетононасоса. Заменять гибкий шланг, как показывает практика, необходимо после перекачки 2000...3000 м3 бетонной смеси. Все это ограничивает возможность широкого применения шланговых бетононасосов с гидравлическим приводом. Эти бетононасосы особенно эффективны там, где заполнителем является гравий, и при перекачивании тощих бетонных смесей в гражданском и промышленном строительстве для всякого рода стяжек, армоцементных конструкций и т. п. Они работают с подачей до 60 м3/ч бетонной смеси на высоту до 30 м с давлением до 3,5 МПа по шлангу диаметром 125 мм. Поршневые бетононасосы с механическим приводом (рис. 7.10, б) конструктивно просты. Коленчатый вал через кривошипно-шатунный механизм сообщает возвратно-поступательное движение поршню 3, благодаря чему происходит изменение объема бетонной смеси в насосной камере с расположенными в ней поворотными цилиндрическими клапанами. Клапан 4 расположен между загрузочным бункером 1 и рабочим цилиндром 2, клапан 5– между бетоноводом и рабочим цилиндром. Оба клапана поворачиваются системой подпружиненных штанг и профилированными кулачками, приводимыми в движение коленчатым валом бетононасоса. Это обеспечивает защиту клапанов от поломки при попадании крупного заполнителя между клапаном и насосной камерой. Стрелки показывают направление движения поршня: сверху на рисунке – всасывание, снизу – нагнетание. Недостатками такой конструкции являются: большая цилиндрическая поверхность трения, которую трудно защитить от цементного молока и мелких частиц песка; затвор трудно очищается и промывается после окончания работы насоса; неравномерное изменение скорости движения поршня оказывает дина- 325 мическое воздействие на бетонную смесь в бетоноводе, что вызывает дополнительное сопротивление перемещению смеси по бетоноводу; большое число ходов поршня в единицу времени (40...50 в 1 мин) приводит к усиленному износу всех трущихся узлов бетононасоса, особенно клапанов; низкий (около 0,3) объемный КПД из-за неполного закрывания и износа клапанов. Вследствие этих недостатков поршневые бетононасосы с механическим приводом распространения не получили. Чаще применяются бетононасосы с гидравлическим приводом. Бетононасосы с гидравлическим приводом отличаются друг от друга в основном приводом поршня рабочего цилиндра и конструкцией затвора. На рис. 7.10, в дана наиболее распространенная маслогидравлическая схема привода цилиндров. Соосно устанавливаются два цилиндра: первый, обычно большего диаметра, — транспортный цилиндр 2; второй — рабочий 3. Поршни транспортного и рабочего цилиндров жестко соединяются между собой общим штоком 4. В процессе работы за счет давления .масла, подводимого попеременно в поршневую и штоковую полости рабочего гидроцилиндра, поршень 1 транспортного цилиндра совершает возвратно-поступательное движение. При этом бетонная смесь из приемного бункера бетононасоса через затвор поступает в транспортный цилиндр и затем нагнетается в бетоновод. Бетононасосы выполняются с двумя транспортными и двумя рабочими гидроцилиндрами. Между транспортным и рабочим цилиндрами располагается промывочная камера, в штоковые полости транспортных гидроцилиндров подводится вода, которая служит для охлаждения, уменьшения коэффициента трения манжет поршней и смыва со стенок транспортных цилиндров мелких частиц цемента и песка, пропускаемых манжетами поршня. Жидкостью для привода поршней рабочих гидроцилиндров служит масло. Таким образом, здесь две рабочих среды: вода и масло. Изменение направления потоков масла в поршневой и штоковой полостях выполняется гидрораспределителем с электрическим или гидравлическим управлением. Среди множества конструкций затворов поршневых бетононасосов с гидравлическим приводом наиболее распространены комбинированный затвор (рис. 7.11, а) и затвор с поворотной трубой. Внутри корпуса 4 комбинированного затвора на вертикальной оси 3 расположены горизонтальная пластина 5, которая перекрывает отверстие из бункера, и вертикальная пластина 2, попеременно соединяющая транспортные цилиндры 6 с бетоноводом 1, съемная крышка 7 (стрелками показано направление движения смеси). Затвор с поворотной трубой (рис. 7.11, б, в) работает следующим образом. Поворотная труба 3 размещается в приемном бункере бетононасоса 1. Центр вращения поворотной трубы совмещен с центром бетоновода 4. При каждом цикле работы труба 3 поворачивается на определенный угол, совмещаясь попеременно с транспортными цилиндрами 2. При этом один из транспортных цилиндров соединяется с приемным бункером. 326 Преимущества этого затвора — минимальное изменение направления движения потока смеси при всасывании и нагнетании. Недостаток состоит в том, что при каждом цикле работы бетононасоса приходится поворачивать большую массу (массу бетонной смеси в патрубке и массу самого затвора); преодолевать инерционные на грузки и сопротивление трения в зоне уплотнения поворотной трубы как при контакте с транспортными цилиндрами, так и в месте соединения с бетоноводом. Подача бетона от бетононасоса к месту его укладки производится по бетоноводу, который состоит из элементов стальных труб, соединенных между собой замками. От правильного и обоснованного выбора диаметра и трассы бетоновода во многом зависят время доставки бетонной смеси и сохранение ее качества. Следует учитывать, что чем меньше диаметр бетоновода, тем ниже стоимость и трудоемкость его монтажа и демонтажа, тем выше напор, создаваемый при подаче бетонной смеси, ниже производительность бетононасоса, больше износ бетоновода и меньше допустимая крупность заполнителя. Оптимальным считается диаметр 100...125 мм. Рис.7.11. Затворы бетононасосов: а) – комбинированный; 1– бетоновод; 2,5– верти кальная и горизонтальная пластины; 3– ось; 4– корпус; 6– транспортный цилиндр; 7– съемная крышка; б, в) – с поворотной трубкой; 1– приемный бункер; 2– транспортный цилиндр; 3– труба; 4– бетоновод Бетоновод заканчивается резиновотканевым шлангом того же диаметра длиной 5...10 м, посредством которого и производится укладка бетона. При выборе трассы следует учитывать, что каждое изменение направления движения смеси увеличивает потери напора и изнашивание бетоновода в местах его изгиба. В последние годы широкое применение получили бетоноводы в виде распределительных стрел, облегчающие подачу бетона к месту укладки. Стрела служит опорой для бетоновода и концевого раздаточного шланга. Стрелы бывают сборными, телескопическими и шарнирно-сочлененными. Последние самые дорогие в производстве, но наиболее просты в монтаже на строительной площадке и маневренны. Звенья стрел могут раскладываться под различными углами, что позволяет без перемонтажа бетоновода направлять концевой шланг в любую точку в пределах длины стрелы. Возможные варианты показаны на рис. 7.12. Шарнирно-сочлененная стрела на легко перебазируемом автобетононасосе, загрузка которого осуществляется из автобетоносмесителей, обеспечивает возможность подачи бетонной смеси к месту бетонирования при минимальных затратах времени на подготовительные работы. Основной тип применяемых в настоящее время стрел – складывающие- 327 ся, шарнирно-сочлененные. В зависимости от длины они могут состоять из двух или трех звеньев. Общая длина стрелы достигает 12...30 м. Автобетононасос со стрелой оборудуется дополнительными опорами, которые увеличивают устойчивость машины. Опоры делятся на выносные, расположенные примерно в центре тяжести машины у опорной части стрелы, и неподвижные, находящиеся у задней оси машины. Рис. 7.12. Варианты применения шарнирносочлененной стрелы Выносные опоры встречаются двух типов; выдвигаемые вручную и откидывающиеся с помощью гидроцилиндров. Распределительные стрелы применяют как самостоятельный агрегат при подаче бетона. В этом случае бетононасос устанавливают на нулевой отметке, а распределительную стрелу — на строящемся объекте. Эта схема бетонирования особенно эффективна при возведении высотных объектов (элеваторы, высотные здания, атомные электростанции и т. п.). Имеется также опыт возведения многоэтажных зданий с использованием подачи бетонной смеси бетононасосами с шарнирно-сочлененной стрелой, которые по мере возведения здания поднимают на перекрытия кранами, имеющимися на площадке, или бетононасосами, находящимися на нулевой отметке, с бетоноводами, проложенными вдоль стрелы и башни «ползущих» кранов, поднимающихся по мере сооружения этажей. Автобетононасосы с распределительной стрелой рационально использовать при частых перебазировках. Время работы автобетононасоса на одном объекте не должно превышать 5...7 смен. Почти во всех случаях автобетононасос целесообразно использовать с распределительной стрелой и с загрузкой его автобетоносмесителем. Так как темп разгрузки автобетоносмесителя 1 м3/мин, то подача бетононасоса должна быть около 60 м3/ч. Использование подобных бетононасосов в условиях монолитного строительства позволяет подавать бетон- 328 ную смесь на значительную дальность и высоту (до 30...40 м) без монтажа бетоновода. После окончания работ бетононасос может быть быстро перебазирован. Крановая шарнирно-сочлененная стрела при транспортировании не выходит за допустимые габариты. Стационарные бетононасосы устанавливают на салазки для передвижения на незначительное расстояние в пределах строительного объекта. Их применяют на крупных строительных объектах или на заводах железобетонных конструкций (с бетоноводами большого диаметра — 150 и 180 мм). Прицепные бетононасосы монтируют на одноосном прицепе; двухосном прицепе со сближенными осями, расположенными под центром тяжести машины; двухосном прицепе с передней поворотной осью. Одноосный прицеп является наиболее простым транспортным средством и предназначен для передвижения в пределах строительной площадки или строительного объекта. На этих прицепах монтируются насосы небольшой и средней производительности. Некоторые модели прицепных бетононасосов могут сниматься с прицепа и устанавливаться непосредственно на рабочей площадке, что позволяет уменьшить высоту приемного бункера. Автобетононасосы монтируются на шасси автомобиля или на специальном шасси автомобильного типа. Установка бетононасосов на автомобильном шасси расширила сферу их применения. Возможность быстрого перебазирования с одного строительного объекта на другой повышает коэффициент использования автобетононасоса. Наиболее эффективна работа бетононасосов при загрузке из автобетоносмесителей. Их количество на один бетононасос определяется производительностью насоса и расстоянием от завода товарного бетона до места разгрузки бетонной смеси. Для работы бетононасосов нежелательны перерывы. При вынужденных перерывах в приемном бункере оставляют некоторый запас бетонной смеси и через 10...15 мин включают бетононасос на 3...4 цикла работы. Общее время перерыва в работе зависит от типа бетонной смеси и допускается не более 40...50 мин. После окончания работы необходимо тщательно промыть насос и бетоноводы водой под давлением, которая выталкивает из бетоновода остатки смеси. Следует обратить внимание на защиту бетонируемой конструкции от воды, которая может попасть из бетоновода в конце промывки. Для отвода промывочной воды вместе с остатками бетонной смеси надо иметь специальную емкость (0,5...0,8 м3). Если давление воды недостаточно для промывки всего бетоновода, его следует разобрать на несколько частей и промыть их поочередно. После промывки бетоновода промывают насос в соответствии с инструкцией по его эксплуатации и проводят техническое обслуживание. Подача поршневых бетононасосов (м3/ч) Q = 60VцnKН, (7.1) 329 где Vц – объем рабочего цилиндра, м3; п – число двойных ходов поршня в минуту; KН = 0,8...0,9 – коэффициент объемного наполнения смесью рабочего цилиндра. Растворонасосы. Предназначены для транспортирования по горизонтали и вертикали строительных растворов при выполнении штукатурных работ, а также работ по изготовлению стяжки под полы и кровлю. Наиболее распространены поршневые растворонасосы. Они выпускаются производительностью 1, 2, 4 и 6 м3/ч, с наибольшей дальностью подачи по горизонтали до 300 м, по вертикали—до 100 м и могут перекачивать растворы с осадкой по конусу СтройЦНИЛ от 7 см и выше. Наиболее перспективной является конструкция поршневого растворонасоса с непосредственным воздействием поршня на раствор (рис. 7.13). Рис. 7.13. Растворонасос: 1– манометр; 2– воздушный калпак; 3– нагнетатель; 4– раствор; 5– камера; 6– резиновый манжет; 7– поршневой шток; 8– двигатель; 9– редуктор; 10– шатун; 11– растворонасос; 12– клапан Он предназначен для транспортирования штукатурных растворов с крупностью фракций песка в растворе не более 5 мм. Растворонасос является одноцилиндровым 11, дезаксиальным, без промежуточной жидкости с непосредственным воздействием поршня на перекачиваемый раствор 4. Поршневой шток 7 и шатун 10 соединяются через крейцкопф, что обеспечивает прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня. Камера корпуса цилиндра полностью заполняется чистой водой 5 через расположенную вверху горловину. Слив воды производится внизу камеры через сливную пробку. Чтобы вода из камеры не попала в редуктор, между ними устанавливается сальниковая втулка. Поршень насоса состоит из двух резиновых манжет 6. К корпусу цилиндра фланцем крепится клапанный блок с двумя свободно действующими шаровыми клапанами: нижним всасывающим 12 и верхним нагнетательным 3. Для улучшения всасывания клапаны выполнены обрезиненными. В местах установки клапанов на клапанном блоке сделаны смотровые окна, которые закрываются заглушками. Заглушки выполнены таким образом, чтобы их можно было легко и быстро открыть непосредственно на рабочем месте и устранить замеченные неисправности в работе клапанов. Кроме того, эти окна предназначены для промывки насосной части растворонасоса. К клапанному блоку фланцем подсоединен воздушный колпак 2, в который систематически производится подкачка возду- 330 ха. В средней части воздушного колпака имеется смотровое окно с заглушкой. В верхней части вмонтирован манометр 1. Рядом с воздушным колпаком установлен перепускной кран для подачи раствора из насоса в растворовод или слив его в бункер. Привод растворонасоса осуществляется от электродвигателя 8 через двухскоростной цилиндрический редуктор 9, который обеспечивает частоту вращения кривошипного вала растворонасоса 80 и 40 мин-1. На рис. 7.14 показан растворонасос с качающимся цилиндром. При использовании такой конструкции существенно улучшается процесс всасывания и нагнетания раствора. Рис. 7.14. Растворонасос с качающимся цилиндром: а – всасывание; б – нагнетание Двухцилиндровый дифференциальный противоточный растворонасос (рис. 7.15) за счет попеременной работы поршней 4 и 11 обеспечивает равномерное поступление раствора в растворовод. Этим достигается снижение сопротивлений при прохождении раствора по раствороводу и увеличение дальности подачи до 100 м по вертикали и до 300 м по горизонтали при давлении 4 МПа. Практически с одной установки растворонасос обеспечивает подачу штукатурного раствора в любую точку здания повышенной этажности. Ход основного поршня 4 в два раза больше хода компенсационного 10. Штоки 3 и 12 этих поршней кинематически связаны роликами 1 и 14 с торцовыми кулачками 2 и 15, расположенными на общем валу 13. Вращение валу с кулачками передается от электродвигателя 18 через редуктор 17, муфту предельного момента, расположенную на входном валу редуктора, и эластичную муфту 16. При вращении кулачка 2 поршень 4 основного цилиндра 5 совершает ход всасывания и нагнетания. Рис. 7.15. Двухцилиндровый растворонасос: 1,2,14, 15 –ролики; 3,12 –штоки; 4, 11– поршени; 5– цилиндр; 6–патрубок; 7, 8– всасывающий и нагнетательный клапаны; 331 9– нагнетательный патрубок; 10– компенсационный цилиндр; 13– вал; 16– муфта; 17– редуктор; 18– двигатель Через патрубок 6 раствор поступает в основной цилиндр. При этом всасывающий клапан 7 открыт, а нагнетательный 8 закрыт. При нагнетании поршень основного цилиндра вытесняет часть раствора в нагнетательный патрубок 9, а другую — в компенсационный цилиндр 10. При движении основного поршня 4 на всасывание поршень 11 компенсационного цилиндра вытесняет часть раствора в нагнетательный патрубок 9. На выходе из растворонассоса установлен трехходовой кран, который в случае образования пробки в раствороводе позволяет перепустить раствор из магистрали в бункер растворонасоса. Давление в раствороводе снижается и обеспечивается возможностью его разборки для ликвидации пробки. Приведенные растворонасосы являются противоточными, так как раствор поступает снизу вверх благодаря разрежению,создаваемому в рабочей камере поршнем. У прямоточных растворонасосов направление движения раствора совпадает с направлением силы тяжести. Подача поршневых противоточных растворонасосов (м3/ч) Q=15πd 2 s n Kн , (7.2) где d–диаметр поршня, м; s–ход поршня, м; п – число ходов поршня в 1 мин; Kн– коэффициент объемного наполнения (Kн = 0,7,..0,85). Для транспортирования растворов, не содержащих твердых включений, рационально применять винтовые растворонасосы, которые работают при давлении около 2 МПа и транспортируют растворы на расстояние до 50 м по горизонтали и до 25 м по вертикали. Штукатурный раствор, как правило, транспортируется по резиновым шлангам диаметром 50,8 мм с одним или несколькими кордовыми слоями. Шланги прокладывают от насоса к месту производства работ по проемам лестничных клеток. При устройстве стяжек под полы и кровлю к месту укладки подают жесткие растворные смеси из пневматических растворонагнетателей (рис. 7.16), в которых бак 2 через загрузочную воронку заполняют песком, цементом и водой. Рис. 7.16. Пневматический растворонагнетатель: 1– привод; 2– бак; 3– крышка; 332 4, 8, 11– краны; 5– предохранительный клапан; 6– лопасти; 7– вал; 9–перепускной клапан; 10– напорный трубопровод; 12– гаситель Загрузочное отверстие закрывают крышкой 3, затем сжатым воздухом, подаваемым в бак и растворовод, через краны 4, 8 смесь транспортируется к месту укладки. Лопасти 6, сидящие на валу 7 встроенного смесителя принудительного действия, получающего вращение через привод 1 (выполняющие одновременно функции дозатора), охватывают весь внутренний объем резервуара, и компоненты перемешиваются с образованием густой нетекучей массы. Поскольку процесс происходит в резервуаре с избыточным давлением воздуха, цемент лучше раскрывается, в результате повышается качество смеси, и ее прочность увеличивается на 10...20%. Смесь дозировочно-смесительными лопастями подается к выходному отверстию бака и вместе с воздухом через кран 11 поступает в напорный трубопровод 10. В подающем шланге образуется поток материала, состоящий из порции смеси и промежуточных воздушных прослоек. При подаче происходит интенсивное перемешивание, способствующее улучшению качества смеси. В зависимости от расстояния и высоты подачи давление воздуха достигает 0,2...0,7 МПа. Во избежание пиковых давлений перепускной клапан 9 дополнительно подает воздух в трубопровод, если рабочее давление превышает 0,6 МПа. Этим достигается уменьшение количества материала в подающем трубопроводе. В верхней части бака установлен предохранительный клапан 5, который отрегулирован на наибольшее давление 0,7 МПа, при превышении которого он срабатывает и стравливает воздух в атмосферу. Выгрузка смеси на месте укладки производится посредством гасителя 12, выполненного в виде изогнутой трубы с защитным кожухом. Это необходимо для того, чтобы избежать потерь смеси, так как она выбрасывается с большой скоростью. В пневматических растворонагнетателях нет клапанов и поршней с кривошипно-шатунными механизмами, что обеспечивает высокую надежность их работы. Однако необходимость применения компрессора повышает стоимость их эксплуатации. Наличие колесного хода дает возможность быстрой перевозки его на прицепе автомобиля. Пневматические растворонагнетатели могут подавать до 2,5 м3/ч жесткой смеси на расстояние до 40 м по вертикали и до 150 м—по горизонтали, с расходом сжатого воздуха 2,5 м3/мин. 7.3. Машин для укладки бетона и отделки его поверхности Качество бетона в сооружении во многом зависит от правильной укладки смеси при бетонировании. Бетонная смесь должна плотно прилегать к опалубке, арматуре и закладным частям. Процесс укладки состоит из разравнивания бетонной смеси и ее уплотнения на месте укладки. При выборе машины для подачи и укладки бетонной смеси учитывают, что один строительный кран обеспечивает установку опалубки, каркасов арматуры и подачу бетонной смеси при темпах бетонирования до 20 м3 в смену. При более высоких темпах рента- 333 бельно применение специализированного оборудования и машин. При небольших рассредоточенных объемах бетонных работ выгоднее использовать краны вследствие их универсальности и возможности использования на других видах работ. При укладке и распределении бетонной смеси по блоку бетонирования, как правило, стремятся использовать средства ее подачи. При подаче бетонной смеси применяют следующие способы: краново-бункерный, трубный, гравитационный, виброгравитационный и конвейерный. Поворотные и неповоротные бункера. Их применяют при крановобункерном способе подачи бетона. Поворотный бункер – сварная металлическая емкость с затвором и рукояткой для его открывания и закрывания, загружается бетоном в горизонтальном положении. При подъеме краном он занимает вертикальное положение, перемещается к месту укладки и при открывании затвора разгружается. Такие бункера широко используют на строительных объектах. Неповоротный бункер – емкость с затвором, но подается под загрузку в вертикальном положении и после перемещения выгружается открыванием затвора. Их применяют на заводах железобетонных изделий. Вместимость бункеров 0,5...2,0 м3. При краново-бункерном способе подачи каждый последующий бункер выгружают рядом с местом выгрузки предыдущего, ориентируясь на получение заданной высоты слоя после разравнивания. Бетоноводы и желоба. Бетонная смесь распределяется переменой их местоположения. Так как на конце бетоновода имеется гибкий резинотканевый рукав, то, меняя его местоположение, обеспечивают равномерное распределение бетона по блоку бетонирования. Лотки, звеньевые хоботы, виброхоботы. Если на строительном объекте уровень подъездных путей значительно превышает уровень блоков бетонирования, применяют гравитационную или виброгравитационную подачу, т. е. подачу бетонной смеси и ее вибрацию. Преимуществами гравитационной подачи являются низкая себестоимость и высокая производительность с наименьшей затратой энергии. Недостаток – возможность расслоения бетонной смеси при скольжении по наклонной плоскости и вертикальном падении при отсутствии мер, предупреждающих возникновение этого вредного явления. При спуске с высоты до 10 м применяют звеньевые хоботы с длиной звеньев 0,6...1,0 м и диаметром проходного отверстия 300 мм. Как правило, рекомендуется не менее чем трехкратное превышение диаметра по отношению наибольшей крупности щебня. При спуске бетонной смеси с высоты более 10 м применяют виброхоботы, представляющие собой гибкий трубопровод, состоящий из звеньев труб диаметром 350 мм с гасителями, снижающими скорость падения смеси. Инвентарные переставные ленточные конвейеры без ходового оборудования или с неприводным ходом и самоходные бетоноукладчики с подвижным или неподвижным относительно базовой машины рабочим органом. Переставные конвейеры, используемые по одному или в виде ряда последовательно установленных секций, применяются ограниченно – практически только при возведении мас- 334 сивных блоков, расположенных вблизи нулевых отметок, с относительно небольшими объемами вспомогательных работ по их перестановке. На практике для подачи бетонной смеси используются ленточные конвейеры общего назначения стационарные или с неприводным ходом и регулируемым вручную углом наклона конвейерной рамы. Основным достоинством этих устройств является простота их конструкции. Самоходные ленточные бетоноукладчики выполняют комплекс работ, включая прием бетонной смеси из транспортных средств, в том числе и самосвалов, подачу к месту укладки и ее послойное распределение. Они применяются при бетонировании монолитных конструкций, расположенных как выше, так и ниже нулевой отметки, и имеют производительность 30...100 м 3 бетонной смеси в смену. Производительность бетоноукладчиков (м3/ч) П = 3600 Аυtр/tц,, (7.3) 2 где А и υ – площадь поперечного сечения потока бетонной смеси (м ) и его скорость м/с) на сходе с разгрузочного барабана конвейера; tр – время чистой работы конвейера в течение цикла, с; tц – время цикла (с) tц = tр+tвсп, (7.4) где tвсп – время, затрачиваемое на выполнение вспомогательных (не совмещенных с основными) операций (перемещение бетоноукладчика на новую позицию, поворот конвейера в плане и в вертикальной плоскости, изменение вылета телескопического конвейера, загрузка приемного устройства и связанные с ней операции по перемещению бетоноукладчика), с. Малогабаритные бульдозеры. Такие бульдозеры с навесным комплектом подвесных глубинных вибровозбудителей применяют при бетонировании крупных блоков. Они обеспечивают распределение бетонной смеси с одновременным ее уплотнением. При этом сохраняются свойства и показатели бетонной смеси, полученные ею в бетоносмесителе. На всем пути прохождения смеси от бетоносмесителя до места укладки следует избегать перегрузок, так как при каждой перегрузке нарушается однородность смеси. 7.4. Оборудование для уплотнения бетонной смеси При укладке бетонную смесь разравнивают и уплотняют. Уплотнение производится воздействием внешних сил посредством вибрирования, трамбования, укатки, прессования, вакуумирования или их сочетанием. Вибровозбудители. Их применяют для вибрирования бетонной смеси. Вибровозбудитель – это механизм для возбуждения механических колебаний, применяемый самостоятельно или как сборочная единица машин, работающих посредством вибрации. В условиях строительного объекта применяются переносные вибровозбудители для наружного и глубинного вибрирования, а на заводах железобетонных конструкций – стационарные виброплощадки. Механические колебания в вибровозбудителях создаются двумя способами: вращением закре- 335 пленной на валу неуравновешенной массы или направленным возвратнопоступательным перемещением массы. Вибровозбудители можно классифицировать по типу привода на электрические, пневматические, гидравлические и с двигателем внутреннего сгорания; по условиям работы – на переносные и стационарные (как сборочная единица, встроенная в машину, работа которой основана на использовании вибрации); по способу передачи колебаний – на поверхностные и глубинные; по характеру возбуждаемых колебаний – на центробежные и возвратно-поступательные. Центробежные вибровозбудители подразделяют на дебалансные и планетарные с круговой, а дебалансные и с прямолинейно направленной вынуждающей силой. Наружные вибровозбудители подразделяются на поверхностные и навесные. По конструктивному исполнению они одинаковы, но первые отличаются наличием площадки или рейки. Поверхностные вибровозбудители применяются для бетонирования дорожных покрытий, полов, при их подготовке под настилку, плит перекрытий зданий и в других случаях, когда имеется значительная площадь бетонной смеси незначительной толщины. Колебания в них через рабочие органы (площадку или рейку) передаются слою бетонной смеси. Навесные вибровозбудители предназначены для уплотнения бетонной смеси в опалубке или форме посредством жесткого крепления на них. Количество вибровозбудителей и расстояние между ними подбирают с учетом жесткости опалубки или формы и свойств бетонной смеси. Наибольшее распространение в строительстве среди наружных вибровозбудителей получили вибровозбудители с приводом от электродвигателя, называемые центробежными электромеханическими вибровозбудителями. Они выпускаются двух типов: с круговыми колебаниями при параллельном движении оси вибровозбудителя и с направленными колебаниями. Общий вид и конструктивная схема поверхностного вибровозбудителя с круговыми колебаниями показаны на рис. 7.17, а, б. Рис. 7.17. Поверхностный вибровозбудитель: а) – общий вид; б) –конструктивная схема; 1– корпус; 2– трехфазный двигатель; 3– подшипники; 4– дебаланс; 5– площадка 336 Он представляет собой заключенный в корпус 1 трехфазный асинхронный электродвигатель 2 с короткозамкнутым ротором, на концах вала которого закреплены дебалансы 4. Вал опирается на два шариковых подшипника 3. Возмущающая сила, возникающая при вращении дебалансов, создает круговые колебания, передаваемые через площадку 5 бетонной смеси. Наружная часть дебалансов может закрепляться в соответствии с имеющейся градуировкой в несколько положений относительно неподвижной внутренней части. Таким образом можно осуществлять регулировку и получать различные значения момента дебаланса и возмущающей силы. Для различных технологических процессов возникает необходимость в применении вибровозбудителей с прямолинейно направленной возмущающей силой. Например, в ряде конструкций вибропогружателей и вибромолотов для забивки шпунта и труб, свай, виброплощадок для изготовления железобетонных изделий, вибротрамбовок для уплотнения грунта, виброгрохотов. Такие вибровозбудители изготовляются двухвальными с синхронным вращением параллельных валов в противоположные стороны. Общий вид и принципиальная схема вибровозбудителя с направленными колебаниями представлены на рис. 7.18, а, б. Так как дебалансы закреплены симметрично относительно продольной оси и вращаются с одинаковыми угловыми скоростями в противоположные стороны, горизонтальные составляющие центробежных сил уравновешены и на корпус вибровозбудителя действует направленная и переменная по величине возмущающая сила. Равенство скоростей вращения дебалансов конструктивно обеспечивается путем закрепления на валах одинаковых зубчатых колес, находящихся между собой в зацеплении. Разработаны и применяются конструкции вибровозбудителей и с одним дебалансным валом (маятниковые), также обеспечивающие получение направленных колебаний. Общий вид и конструкция одного из них представлены на рис. 7.19, а, б. В корпусе 1 на два подшипника 2 опирается вал электродвигателя с закрепленными на нем подпружиненными дебалансами 3. Рис. 7.18. Вибровозбудитель с направленными колебаниями Корпус 1 соединяется с опорной плитой 6 осью 5 и резиновыми амортизаторами 4. Горизонтальная составляющая центробежной силы передается корпусу вибровозбудителя и вызывает его колебания относительно продольной оси благодаря шарнирному соединению с опорной плитой. Горизонтальные 337 составляющие вынуждающей силы гасятся за счет трения в шарнирах и резиновых амортизаторах. Таким образом, жестко соединенная с исполнительным органом опорная плита воспринимает действие только вертикальной составляющей вынуждающей силы. Подпружиненные дебалансы конструктивно выполнены в виде стержня и пружины, заключенных в обойму. При разгоне электродвигателя дебалансы пружинами смещены по направлению к валу. В этом случае радиус неуравновешенной массы наименьший, поэтому наименьшей будет и величина возмущающей силы. Рис. 7.19. Маятниковый вибровозбудитель: а)- общий вид; б) – конструктивная схе ма; 1– корпус; 2– подшипники; 3– дебаланс; 4– резиновый амортизатор; 5–ось; 6– опорная плита При достижении валом определенной частоты вращения центробежная сила, действующая на дебалансы, преодолевает силу сжатия пружин и дебалансы автоматически выдвигаются, увеличивая тем самым возмущающую силу до расчетной величины. Таким образом устраняются резонансные явления в периоды пуска и останова вибровозбудителя. При использовании небольших мощностей рационально применять электромагнитные вибровозбудители (рис. 7.20). Они состоят из катушки 1 с сердечником 2 и якоря 3, упруго закрепленного на стойках пружинами 4. При подаче тока на катушку происходит прямое преобразование электромагнитной энергии в механическую с возвратно-поступательным движением. Рис. 7.20. Электромагнитный вибровозбудитель: 1– катушка; 2– сердечник; 3– якорь; 4– пружина 338 Электромагнитные вибровозбудители отличаются простотой конструкций и высокой надежностью в работе. Они широко применяются для привода рабочих органов вибропитателей, виброгрохотов, вибронасосов, дозаторов. Глубинные вибровозбудители. Их применяют для уплотнения бетонных смесей при их укладке в монолитные и массивные строительные конструкции с различной степенью армирования (блоки, фундаменты, пазухи), а также при изготовлении железобетонных изделий (ферм, колонн, балок). Уплотнение осуществляется путем погружения их в массу бетонной смеси. Эти вибровозбудители подразделяются на ручные и подвесные, подвешиваемые на крюке грузоподъемного устройства. По типу центробежного механизма они делятся на дебалансные и фрикционно-планетарные. Для привода вибровозбудителей применяют электрические, пневматические, гидравлические двигатели и двигатели внутреннего сгорания. Электрические ручные глубинные вибровозбудители конструктивно выполняются с вынесенным и встроенным двигателем. В конструкциях с вынесенным двигателем вращение от двигателя передается через гибкий вал посредством кулачковой муфты правого вращения на вибронаконечник —вибрационный механизм, заключенный в цилиндрический корпус. Они комплектуются вибронаконечниками различных размеров. Вибровозбудители со встроенным двигателем состоят из вибронаконечника и рукоятки с выключателем, соединенных резинотканевым рукавом. Основной сборочной единицей глубинных вибровозбудителей является вибронаконечник, выполненный в виде закрытого цилиндрического корпуса с расположенным в нем вибрационным механизмом, а в некоторых конструкциях и двигателем. Вал глубинного дебалансного вибровозбудителя приводится во вращение от вынесенного двигателя и опирается на подшипники, установленные в его корпусе. При вращении вала с дебалансом возникают круговые колебания при параллельном движении оси вибровозбудителя, которые через подшипники передаются корпусу и через него бетонной смеси. Достоинствами таких возбудителей являются простота изготовления и эксплуатации и низкая их стоимость. Вибровозбудители фрикционно-планетарного типа с наружной и внутренней обкаткой представлены на рис. 7.21. а, б. Вращение от шпинделя 1 через шарнир 2 передается на вал 3 с дебалансом 5, взаимодействующим с поверхностью детали 6, вмонтированной в корпус 4. Каждая обкатка дебаланса 5 вызывает одно круговое колебание вибровозбудителя. Связь между частотой вращения вала п. и частотой колебаний вибровозбудителя nк выражается зависимостями: для наружной обкатки nк =п/(D/d-1); для внутренней nк = п/(1-D/d), где D и d — диаметры поверхностей обкатки, мм. Это дает возможность при определенных соотношениях D/d, используя электродвигатели нормальной частоты, получать высокую частоту колебаний вибровозбудителя (nк = 10...20 тыс. кол/мин). Наиболее эффективно применять вибровозбудители для уплотнения бетонных смесей с мелким заполнителем. 339 Высокая частота обкатки достигается при умеренной собственной частоте вращения дебаланса, а вынуждающая сила воспринимается непосредственно корпусом без участия подшипников. Такие вибровозбудители наиболее эффективно применять при уплотнении бетонных смесей с мелким заполнителем. Для некоторых случаев использования имеет значение другое преимущество фрикционно-планетарных вибровозбудителей: возможность получения двухчастотной вибрации с применением дебалансов, неуравновешенных относительно собственной оси вращения. Тогда будут порождаться две основные компоненты радиальной силы: высокочастотная, соответствующая обкатке, и низкочастотная, соответствующая собственному вращению бегунка. Применение таких вибровозбудителей способствует увеличению радиуса их действия и производительности вследствие нахождения в заполнителе бетонной смеси частиц разных размеров. Выбор размера вибронаконечника зависит от конкретных условий работы. Например, для уплотнения бетонной смеси в густоармированных и стесненных местах применяются вибронаконечники малого диаметра. При выборе принято считать, что расстояние в свету между стержнями арматуры составляет: для густоармированных конструкций—40...100 мм, среднеармированных— 100...300 мм, малоармированных — более 300 мм. С помощью глубинных вибровозбудителей можно уплотнять пластичные и малоподвижные бетонные смеси с осадкой стандартного конуса не менее 1 см. Радиус эффективного действия глубинных вибровозбудителей в бетонной смеси увеличивается с ростом амплитуды в диапазоне от 0 до 3,5 мм при постоянной частоте вибрирования. Увеличение диаметра корпуса виоровозбудителя приводит к увеличению радиуса эффективного действия. Бетонная смесь на мелком заполнителе лучше уплотняется на более высоких частотах и меньших амплитудах колебаний. При увеличении крупности заполнителя целесообразно увеличение амплитуды колебаний. Рис.7.21. Общий вид глубинного вибровозбудители: а) – наружной обкаткой; б – внут ренней обкаткой; 1– шпиндель; 2– шарнир; 3– вал с дебалансом; 4– корпус; 5– дебаланс; 6– втулка; На рис. 7.22 показан дебалансный вибровозбудитель со встроенным двигателем. 340 Рис. 7.22. Вибровозбудитель со встроенным электродвигателем: 1– наконечник; 2– насадка; 3– корпус; 4– двигатель; 5– кабель; 6– пускатель При включении пускателя 6 ток по кабелю 5 подается на двигатель 4 с насадкой 2, вращающейся на двух шарикоподшипниках, установленных в корпусе 3 с приваренным к нему наконечником 1. Колебания создаются дебалансом, расположенным между опорными подшипниками с жидкой циркулирующей смазкой. Благодаря отсутствию гибкого вала повышается их надежность в эксплуатации. Глубинные вибровозбудители со встроенным электродвигателем выпускаются также и для работы при подвешивании к грузоподъемному устройству. При диаметре корпуса 180 мм и мощности электродвигателя 3,0 кВт их масса составляет 250 кг. Они применяются преимущественно для уплотнения тяжелых бетонных смесей с осадкой стандартного конуса 1...3 см, укладываемых в неармированные и малоармированные монолитные конструкции. На рис. 7.23 представлена схема пневматического двухчастотного вибровозбудителя, работа которого основана на принципе планетарного обкатывания эксцентрично расположенного дебаланса 2 вокруг оси корпуса 4 и вращения его вокруг своей продольной оси. Вибровозбудитель приводится в действие сжатым воздухом, действующим на лопатку 3. Камера, образованная бегунком и осью, делится лопаткой на две полости. Сжатый воздух поступает по шлангу в правую полость камеры через отверстия в оси, что обеспечивает вращение бегунка. Выхлоп отработан ного воздуха из левой полости происходит через отверстия в щитах и отводится по отводящему шлангу. Пуск и остановка пневмодвигателя осуществляется перекрытием пробкового крана. Такие вибровозбудители работают при давлении воздуха 0,4...0,6 МПа и 3 Рис. 7.23. Пневматический его расходе 0,7...1,3 м /мин с частотой 2 300.. 14 000 двухчастотный вибровозбу- кол/мин. 1–ось; 2–дебаланс; 3– лапатка; Для уплотнения очень больших объемов бетонной 4– корпус смеси в монолитных сооружениях при строительстве крупных гидроэлектростанций применяются подвесные глубинные вибровозбудители повышенной мощности и производительности. Они состоят из фрикционно-планетарного механизма и пристроенного асинхронного электродвига- 341 теля. На некоторых из них к нижней части корпуса приваривают лопасти, расположенные асимметрично в продольно-радиальных сечениях корпуса, что приводит к повышению производительности вследствие увеличения поверхности, передающей вибрацию бетонной смеси. Такие вибровозбудители подвешиваются на кран, кран-балку или трактор. Их применение исключает непосредственный контакт оператора с вибровозбудителями, избавляет бетонщиков от тяжелого ручного труда. При изготовлении бетонных и железо-бетонных изделий в заводских условиях широко применяются вибрационные площадки и формовочные установки, в которых одной из основных сборочных единиц является вибровозбудитель. Конструктивно вибрационная площадка имеет один или несколько столов, на которых устанавливается заполненная бетонной смесью форма для последующего вибрирования. Контрольные вопросы по седьмой главе. 1. Как производится дозирование компонентов в смесительных машинах ? 2. Классификация смесительных машин по условиям эксплуатации режиму работы и способу смешивания. 3. Привести кинематическую схему бетоносмесителя. 4. Классификация бетонных заводов и схемы компоновки основного оборудования. 5. Принцип работы бетонного завода-автомата. 6. Устройство автобетоносмесителей, автобетоновозов. 7. Назначение, принципиальные схемы и основные параметры растворонасосов. 8. Принцип работы турбулентного растворосмесителя. 9. Производительность смесительных машин периодического действия. 10. Производительность смесительных машин непрерывного действия. 11. Принцип работы, условия применения и основные параметры пневматических растворонагнетателей. 12. Назначение вибровозбудителей и их классификация. 13. Принципиальные схемы поверхностных вибраторов. 14. Принцип работы вибровозбудителя с направленными колебаниями. 15. Принцип работы маятникового вибровозбудителя. 16. Устройство вибровозбудителя фрикционно-планетарного типа. 17. Устройство электромагнитного вибровозбудителя. 18. Принцип работы пневматического двухчастотного вибровозбудителя. 342 8. РУЧНЫЕ МАШИНЫ 8.1. Классификация ручных машин и их индексация Ручные машины получили широкое применение в строительстве и в других отраслях народного хозяйства. В строительстве наиболее широкое применение ручные машины получили при выполнении монтажных и отделочных работ. Ручными машинами называют машины, у которых главное движение (движение рабочего органа) производится двигателем, а вспомогательное (подача) и управление выполняются непосредственным воздействием оператора вручную. Эти машины, как правило, имеют встроенный в корпус двигатель, их масса частично или полностью воспринимается оператором. Для ручных машин характерен непосредственный контакт оператора с машиной, при котором каждое его движение оказывается на управлении машиной и влияет на ход выполнения операции. Поскольку конструктивное разнообразие ручных машин чрезвычайно велико, их классификация по назначению весьма затруднительна. Основными признаками классификации являются: принцип действия, характер движения рабочего органа и режим работы, дополнительными – область применения и назначение, вид привода и метод защиты оператора от поражения электрическим током (для ручных машин с электроприводом). По принципу действия ручные машины делятся на непрерывно-силовые и импульсно-силовые. К первым относятся машины с непрерывно вращающимся рабочим органом (сверлильные, шлифовальные машины, дисковые пилы и т. п.). Такие машины характеризуются тем, что развиваемый ими момент равен произведению вращающего момента двигателя на передаточное число редуктора или ременной передачи. При работе ими возникает реактивный момент, который должен восприниматься руками оператора. Это является их существенным недостатком и накладывает определенные ограничения по мощности на ряд машин. Ко вторым относятся машины, у которых передача энергии привода на обрабатываемый объект осуществляется в прерывисто-импульсном режиме – ударном (молотки, перфораторы, вырубные ножницы) и безударном – ножевые ножницы. Машины ударного действия могут работать в чисто ударном (молотки, бетоноломы, трамбовки), ударно-поворотном (перфораторы) или ударно-вращательном (гайковерты) режимах. По характеру движения рабочего органа различают ручные машины с вращательным, возвратным и сложным движением рабочего органа. К ручным машинам с вращательным движением рабочего органа относят машины с круговым (дисковые пилы, сверлильные машины, бороздоделы и т. д.) движением рабочего органа и движением по замкнутому контуру (цепные и ленточные пилы, долбежники, ленточные шлифовальные машины и т. д.). К ручным машинам с возвратным 343 движением рабочего органа относят машины с возвратно-поступательным (ножницы, напильники, лобзики и т. д.), колебательным (возбудители) движением рабочего органа, а также машины ударного действия (трамбовки, молотки, пневмопробойники и т. д.). К ручным машинам со сложным движением рабочего органа относятся машины ударно-поворотного и ударно-вращательного действия и машины со специальным движением рабочего органа, которое не соответствует приведенным ранее характеристикам (специальные типы шлифовальных и полировальных машин). По режиму работы ручные машины делятся на машины легкого, среднего, тяжелого и сверхтяжелого режимов. В легком режиме работают сверлильные машины, в сверхтяжелом – все типы ручных машин ударного действия (молотки, ломы, перфораторы). Ручные машины могут быть реверсивными и нереверсивными, одно- и многоскоростными со ступенчатым регулированием скорости движения рабочего органа. В группу многорежимных машин входят многоскоростные ударновращательные сверлильные машины, имеющие ступенчатое и бесступенчатое регулирование частоты вращения, а также перфораторы, работающие в ударном, ударно-поворотном и вращательном режимах. По назначению и области применения ручные машины подразделяются на машины общего применения, предназначенные для обработки различных материалов, машины для обработки металлов, дерева, пластмасс, камня и бетона, машины для работ по грунту и машины для сборочных работ. Особую группу составляют универсальные машины с комплектом насадок. Такие машины при выполнении определенных работ заменяют несколько ручных машин. По виду привода ручные машины подразделяются на машины с электрическим, пневматическим, гидравлическим приводом и с приводом от двигателя внутреннего сгорания. Отдельную группу составляют пиротехнические устройства, не имеющие двигателя и работающие на энергии сгорания пороховых газов. По классам защиты от поражения током электрические ручные машины делятся на машины I , I I , I II классов: класс I – машины на номинальное напряжение более 42 В, у которых хотя бы одна металлическая деталь, доступная для прикосновения, отделена от частей, находящихся под напряжением, только рабочей изоляцией; класс II – машины на номинальное напряжение более 42 В, у которых все металлические детали, доступные для прикосновения, отделены от частей, находящихся под напряжением, двойной или усиленной изоляцией; класс III – машины на номинальное напряжение до 42 В, питающиеся от автономных источников либо от преобразователя или трансформатора с разделенными обмотками. Отличительной особенностью ручных электрических машин с двойной изоляцией (класса II) является наличие в их конструкции двух независимых друг от друга изоляционных слоев, включающих рабочую и дополнительную изоляции. Рабочая изоляция этих машин принципи- 344 ально не отличается от изоляции, осуществляемой путем применения деталей из полимерных материалов, способных выполнять защитную функцию в том случае, если рабочая изоляция окажется поврежденной. Для дополнительной изоляции используют материалы, отличающиеся по своим свойствам от материалов, применяемых в рабочей изоляции для того, чтобы даже в самых неблагоприятных условиях эксплуатации машин одновременное повреждение рабочей и дополнительной изоляции было исключено. Двойная изоляция может выполняться по трем в основном схемам, показанным на примере ручной электрической сверлильной машины (рис. 8.1). Дополнительной изоляцией электродвигателя, щеточных узлов, выключателя и электропроводки внутри машины на всех трех схемах служат пластмассовая рукоятка 4, корпус электродвигателя 2 и курок пускателя 3. Дополнительной изоляцией якоря служат: пластмассовая перемычка между валом якоря и первичным валиком редуктора 1 (рис. 8.1, а); пластмассовая втулка между валом якоря и пакетом железа 5 (рис. 8.1, б); пластмассовое зубчатое колесо редуктора, находящееся в зацеплении с шестерней вала якоря 6 (рис. 8.1, в). По конструктивному исполнению ручные машины с вращающимся рабочим органом делят на прямые, когда оси рабочего органа и привода совпадают или параллельны, и угловые, когда они расположены под углом. Рис. 8.1. Двойная изоляция ручных электрических машин: а) − с дополнительной изоляцией; б) − с пластмассовой втулкой; в) − с пластмассовым зубчатым колесом; г) − знак с двойной изоляцией; 1− редуктор; 2− двигатель; 3− курок; 4− рукоятка; 5− пакет железа; 6− вал якоря По способу преобразования подводимой энергии ручные электрические машины ударного действия делят на механические и фугальные. В механических 345 машинах между двигателем и рабочим органом имеется промежуточный преобразовательный механизм. В фугальных машинах этого механизма нет. На каждой ручной машине имеется табличка, на которой указывают: наименование завода-изготовителя или его товарный знак; индекс машины; основные параметры; месяц и год выпуска; номер машины по системе нумерации заводаизготовителя. Основными параметрами для ручных машин с электрическим двигателем являются: напряжение, В; условное обозначение рода тока; частота, Гц; потребляемая мощность, Вт; ток, А; режим работы. Кроме того, машины класса II должны иметь знак, указывающий на наличие двойной изоляции (см. рис.8.1, г). Для машин с пневматическим двигателем указывается величина рабочего давления сжатого воздуха (Па). Индекс ручной машины состоит из буквенной и цифровой частей. По индексу определяют вид привода, группу машины по назначению и ее конструктивные особенности. Все машины разбиты на десять групп по назначению, каждая из которых делится на девять подгрупп в зависимости от конструктивных особенностей каждого типа машин. Буквенная часть индекса характеризует вид привода: ИЭ – электрический, ИП – пневматический; ИГ – гидравлический; ИД – двигатель внутреннего сгорания. Для насадок вспомогательного оборудования, инструментальных головок, независимо от вида привода введено обозначение ИК. Первая цифра индекса обозначает номер группы, характеризующей тип машины. Всего 10 групп: 1– сверлильные; 2 – шлифовальные; 3 – резьбозавертывающие; 4 – ударные; 5 – фрезерные; 6 – специальные и универсальные; 7– многошпиндельные; 8– насадки и головки инструментальные; 9 – вспомогательное оборудование; 10 – резервная. Вторая цифра индекса обозначает номер подгруппы, характеризующей исполнение машины: 0 – прямая; 1– угловая; 2 – многоскоростная; 3 – реверсивная. Последние две цифры характеризуют регистрационный номер модели. Каждой вновь выпускаемой модели присваивается более высокий номер. 8.2. Основные требования к ручным машинам Ручные машины должны обеспечивать высокопроизводительное и качественное выполнение операций. При работе оператор держит машину в руках и непосредственно контактирует с нею. В связи с этим наряду с общими требованиями, предъявляемыми к строительным машинам (надежность, долговечность, ремонтопригодность, приспособленность к техническому обслуживанию и т. д.), к ручным машинам в большей степени предъявляются требования безопасности их эксплуатации. Взаимодействие рабочих органов ручных машин с обрабатываемым материалом носит резко выраженный динамический характер. Приходящаяся на еди- 346 ницу массы мощность ручных машин значительно больше, чем стационарных машин аналогичного назначения. Как правило, ручные машины на строительстве используются в условиях ограниченного пространства и времени. Отсюда требования компактности и комплектности, обеспечивающие удобство перемещения и быстроту запуска машины в работу. Конструкция ручной машины должна исключать возможность получения оператором механических травм, поражения током, шумо- и виброболезни. Внешний вид машины должен отвечать требованиям технической эстетики. Главнейшим требованием к ручным машинам является требование минимально возможной массы и габаритов, так как именно эти показатели определяют удобство работы и в конечном итоге производительность. Все ручные машины должны иметь высокий КПД, однако при некоторых условиях эксплуатации этот параметр не является определяющим. Например, КПД машин с пневматическим двигателем значительно ниже, чем с электрическим, но они легче и безопаснее. Коллекторный двигатель имеет меньший КПД, чем асинхронный, но из-за меньшей массы машины с коллекторными двигателями применяют чаще. Ручные машины должны быть электро-, шумо- и вибробезопасны в самых различных быстро изменяющихся производственных условиях при непосредственном контакте с ними. Форма и расположение рукояток, выключателей, а также уравновешенность и внешний вид должны обеспечивать максимальное удобство работы и отвечать современным требованиям технической эстетики. Наконец, конструктивные решения ручных машин должны обеспечивать технологичность и высокий уровень поузловой унификации, что снижает себестоимость и трудоемкость изготовления и значительно улучшает их технико-эксплуатационные качества. 8.3. Ручные машины для сверления отверстий Ручные сверлильные машины. По объему выпуска они занимают первое место в мире среди всех выпускаемых ручных машин. Ими выполняются глухие и сквозные отверстия в самых разнообразных материалах (металле, дереве, пластмассе, бетоне, камне, кирпиче и т. д.), они являются базовыми для универсальных ручных машин, ими можно зенковать и развертывать отверстия и применять для сборочных работ. В соответствии с общей классификацией сверлильные ручные машины относятся к непрерывно-силовым машинам с вращательным движением рабочего органа, работают в легком режиме, могут быть реверсивными и нереверсивными, одно- и многоскоростными со ступенчатым, бесступенчатым и смешанным регулированием частоты вращения рабочего органа. Двигатели ручных сверлильных машин – электрические, пневматические и гидравлические. По классам защиты от поражения током электрические машины выпускаются всех трех клас- 347 сов. По взаимному расположению двигателя и рабочего органа машины делятся на прямые и угловые. Угловые машины применяются для работы в труднодоступных местах. Промышленность выпускает сверлильные машины для наибольших диаметров сверл 6, 8, 10, 13, 23 и 32 мм. Машины для сверл диаметром до 10 мм выпускаются с рукояткой пистолетного типа, которые могут располагаться как в задней, так и в передней части корпуса. Все остальные выпускаются со сменными боковыми рукоятками, причем если машины для диаметров до 14 мм изготовляют с задней замкнутой рукояткой, то свыше 14 мм—с грудным упором или механизмом подачи. Сверла диаметром до 14 мм обычно закрепляют в патрон, а более 14 мм — непосредственно в шпинделе машины с внутренним конусом Морзе. Сверление – один из наиболее распространенных способов получения глухих и сквозных цилиндрических отверстий в различных материалах. Процесс сверления происходит при совершении двух совместных движений рабочего органа – сверла – вращательным, создаваемым двигателем машины, и поступательным, осуществляемым оператором вручную. Скорости этих движений зависят в основном от свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров и материала сверла. При сверлении оператор прикладывает осевое усилие на сверле и воспринимает реактивный момент, образующийся на корпусе машины от крутящего момента на сверле. Усилие подачи на сверло, развиваемое оператором, обычно составляет 200...300 Н, что достаточно лишь для сверления отверстий до 14 мм. Отверстия больших диаметров обычно сверлят с применением механических нажимных устройств (рычажных или винтовых). Основными сборочными единицами ручной сверлильной машины являются: двигатель, редуктор, пусковое устройство, заключенные в корпус. На рис. 8.2, а показан общий вид, а на рис. 8.2, б кинематическая схема прямой пневматической ручной сверлильной машины. Сжатый воздух подается компрессором и через пусковое устройство 6 поступает в пневматический двигатель 4, выходной конец вала которого является солнечной шестерней планетарного редуктора 3, смонтированного в корпусе 2. Водило редуктора является шпинделем машины 1, который выполнен с наружным конусом для закрепления трехкулачкового сверлильного патрона. Машина имеет рукоятку пистолетного типа 5, в передней части которой смонтирован глушитель шума 7. 348 Рис. 8.2. Пневматическая ручная сверлильная машина: а)- общий вид; б)- кинематическая схема; 1− шпиндель; 2− корпус; 3− планетарный редуктор; 4− пневматический двигатель; 5− рукоятка; 6− пусковое устройство; 7− глушитель шума На рис. 8.3, а показан общий вид, а на рис. 8.3, б кинематическая схема прямой электрической ручной сверлильной машины. Пуск машины производится выключателем 9, к которому подводится ток посредством кабеля 10. Электрический двигатель, состоящий из статора 4 и ротора 6, встроен в корпус 5 и заключен между передней 13 и задней 12 крышками. Момент с вала ротора 7 передается шпинделю 1 через двухступенчатый редуктор 3 с цилиндрическими косозубыми колесами, расположенными в корпусе 2. Рис.8.3. Электрическая ручная сверлильная машина: а)- общий вид; б)- кинематическая схема; 1− шпиндель; 2, 5− корпус; 3− двухступенчатый редуктор; 4−статор; 6−ротор; 7− вал ротора; 8−рукоятка; 9− выключатель; 10− кабель; 11− вентилятор; 12, 13− задняя и передняя крышки Ведущая шестерня редуктора нарезана на валу ротора, а ведомая закреплена на шпинделе, который установлен на двух шарикоподшипниках и имеет внутренний конус Морзе № 1 для закрепления сверл. Машина имеет замкнутую рукоятку 8, в которой смонтировано устройство для устранения радиопомех. Для охлаждения двигателя служит вентилятор 11, сидящий на валу ротора. Основными рабочими органами сверлильных машин являются сверла. При работе по металлу применяют спиральные сверла, которые станкоинструментальная промышленность изготовляет диаметром до 6 мм с цилиндрическим хвостовиком (рис. 8.4, а), а большего диаметра – с цилиндрическим и коническим (рис. 8.4, б). Рабочая часть сверла включает режущую и направляющую части со спиральными канавками. Режущая часть состоит из двух главных режущих кромок, расположенных на конической поверхности и выполняющих основную работу резания, и поперечной кромки. Шейка сверла – промежуточная часть, соединяет рабочую часть с хвостовиком. Последний служит для закрепления сверла в 349 шпинделе или патроне и для передачи крутящего момента от шпинделя к рабочей части. Лапка (у сверл с коническим хвостовиком) предназначена для выбивания сверла из конического отверстия шпинделя. Главные режущие кромки образуются при пересечении передних и задних поверхностей сверла. Винтовые ленточки — две узкие винтовые фаски обеспечивают направление, калибровку и центрирование сверла в отверстии. Угол (φ (град) при вершине сверла образуется главными режущими кромками и рекомендуется: для стали, чугуна, твердой бронзы φ =116...118; для очень твердых и хрупких материалов φ = 130. ..140; для мягких и вязких материалов φ = 80...90. В процессе сверления элементы сверла изнашиваются. При изнашивании режущей поверхности увеличивается усилие подачи, винтовых ленточек – возрастает момент, а при изнашивании уголков сверла происходит увеличение и момента, и усилия подачи. Наиболее опасно изнашивание по уголкам. При работе по дереву применяют сверла, изготовленные из стали 45 с термообработанными наконечниками (рис.8.5). В зависимости от структуры и твердости породы применяют сверла разных диаметров. Рис. 8.4. Сверла для работы по металлу а) – с цилиндоическим хвостиком; б) – с коническим хвостиком Рис. 8.5. Сверла для работы по дереву Для сверления вдоль волокон – ложечное 1, с конической заточкой 2, поперек волокон – центровое 3, спиральное с подрезателями 4, глубоких отверстий – винтовое 5, шнековое 6, фанеры – штопорное 7 с круговыми подрезателями. Для облегчения извлечения сверла при сверлении глубоких отверстий машина должна быть реверсивной. При сверлении пластмасс необходимо учитывать их особые свойства: относительную мягкость, что требует применения сверл с более острыми кромками, чем при резании металла; низкую теплопроводность, вызывающую необходимость уменьшения выделяющейся теплоты при резании (снижения режимов резания); 350 абразивное воздействие на сверло отдельных видов пластмасс с высокими абразивными свойствами. Применяя кроме сверл различные режущие органы, ручные сверлильные машины можно использовать и для сверления других материалов. Сверление отверстий в кирпиче, керамзитобетоне, шлакобетоне и гипсолите можно выполнять двухлезвийными резцами (рис. 8.6, а), у которых режущим органом являются пластинки из твердого сплава ВК6. Они обладают большой износоустойчивостью при истирании, но их нельзя подвергать ударным нагрузкам. Витая штанга такого резца позволяет интенсивно удалять из отверстий буровые отходы, что увеличивает скорость сверления и удлиняет срок службы рабочего органа. Для сверления глухих отверстий под розетки и выключатели применяют шлямбурные резцы (рис. 8.6, б) в комплекте со съемным забурником. Средняя скорость сверления отверстий в кирпиче шлямбурными резцами диаметром 70...100 мм составляет до 200 мм/мин. Рис. 8.6. Сверла специального назначения: а − с пластинками из твердого сплава; б − шлямбурное; в − алмазное кольцевое; 1 −пластинка; 2 − держатель; 3 − штанга; 4 − хвостовик; 5 − корпус; 6 − центратор; 7 − корпус центратора; 8 − боковые резцы; 9 − коронка; 10 −удлинитель Наиболее эффективно сверлить монолитный бетон и железобетонные конструкции с применением алмазных кольцевых сверл (рис. 8.6, в), состоящих из коронки и удлинителя. Коронка, с одной стороны, оснащена техническими алмазами, а с другой — резьбовой выточкой для соединения с удлинителем, представлявшим собой трубу. Для посадки на шпиндель ручной машины кольцевое сверло оснащается соответствующим креплением. Поскольку процесс сверления происходит с интенсивным выделением теплоты, в зону работы необходимо подавать воду, которая одновременно с охлаждением вымывает разрушенный материал из кольцевого отверстия. Остающаяся неразрушенной колонка материала (керн) поступает во внутреннюю полость сверла и удаляется из него после окончания процесса сверления. Высокая эффективность алмазного сверления достигается за счет использования износостойких режущих элементов — алмазов, их способности к са- 351 мозатачиванию и сохранению исходных размеров длительное время. Эффективность процесса резко повышается при сочетании резания материала с его складыванием. Это возможно при использовании сверлильных машин ударновращательного действия. В этих машинах, в отличие от ударно-поворотных машин-перфораторов, на возвратно-поступательное перемещение рабочего органа затрачивается менее 50 % подводимой к машине энергии. Последние модели ручных электрических сверлильных машин ударно-вращательного действия могут работать с изменяющимся движением рабочего органа — просто вращением и вращением с ударом вдоль оси сверла (рис. 8.7). Одновременно с этим такие машины оборудуются электронными устройствами для многоступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя машины. Две ступени регулирования достигаются механически – посредством двухступенчатого редуктора, а еще две – отключением части витков полюсных катушек. При уменьшении числа витков в обмотке возбуждения снижается магнитный поток двигателя, что приводит к увеличению частоты вращения якоря, а следовательно, и шпинделя машины. Освоен также Рис. 8.7. Принцип действия выпуск ручных машин с бесступенчатым (плавным) ударно-вращательного механизма регулированием частоты вращения. Их работа основасверлильной машины на на принципе регулирования угла сдвига фаз переменного тока посредством управляющего симмистора. Такие устройства позволяют получать плавное регулирование в диапазоне 0...2000 мин  1 , а в сочетании с механиступенчатым переключением посредством редуктора этот диапазон может быть от0 ...10 000 мин-1 . При работе по бетону повышенной и высокой прочности сверла оснащаются изготовленными из металлокерамических сплавов ВК11 и ВК15 пластинами, обладающими высокой вязкостью и прочностью. На базе ручных сверлильных машин с регулируемой частотой вращения шпинделя выпускаются универсальные ручные машины с комплектом насадок для выполнения различных видов работы (сверление и резка различных материалов, снятие фасок, развертывание отверстий, нарезание резьбы и сборка резьбовых соединений и т. д.). Ручные перфораторы. Они используются главным образом для образования отверстий различных диаметров и глубины в материалах различной крепости. Наряду с этим некоторые модели могут использоваться для работы в режиме молотка и сверлильной машины. Такая универсальность использования определяет весьма высокий спрос и эффективность применения перфораторов. В соответствии с принятой классификацией перфораторы являются 352 импульсно-силовыми машинами со сложным движением рабочего органа – бура. Принцип работы перфоратора обусловлен наличием двух механизмов – ударного и механизма вращения, которые и обеспечивают сложное движение рабочего органа. В некоторых конструкциях перфораторов эти механизмы совмещены. Подводимая к рабочему органу энергия преобразуется в ударные импульсы. За весьма малый промежуток времени, соответствующий времени удара, рабочий орган получает огромную силу, позволяющую ему преодолеть предел упругости или прочности обрабатываемого материала. Основными параметрами перфораторов являются энергия и частота ударов. По назначению перфораторы подразделяют на машины для образования неглубоких отверстий (300...500 мм) в материалах с относительно высокой прочностью (40...50 МПа) и мощные машины для образования глубоких отверстий (2000...4000 мм и более) в материалах практически любой прочности (200 МПа и более). По типу привода перфораторы подразделяются на машины с электрическим (электромагнитным и электромеханическим), пневматическим приводом и от двигателя внутреннего сгорания. Электромеханические перфораторы. Электроперфораторы с энергией удара до 10 Дж имеют массу не более 16 кг и используются при работе во всех направлениях, а большей массы – при работе сверху вниз. Электроперфораторы с энергией удара до 10 Дж подключают к однофазной сети переменного тока частоты напряжением 220 В, но они могут работать и от трехфазной сети. В первом случае в качестве привода перфораторов используются коллекторные двигатели с двойной изоляцией, во втором – асинхронные с коротко-замкнутым ротором, при этом для обеспечения безопасности перфораторы снабжаются защитноотключающим устройством. С помощью электроперфораторов с энергией удара до 10 Дж получают отверстия диаметром 5...80 мм и глубиной 600...700 мм и более в бетоне, кирпичной кладке и других строительных материалах, а также производят и другие виды работ. Электроперфораторы с энергией удара более 10 Дж имеют массу 30...35 кг. Без специальных устройств ими работают, как правило, сверху вниз, получают в крепких породах отверстия диаметром 32...60 мм значительной глубины (до 6 м). Эти машины имеют асинхронный двигатель. Ввиду удобства эксплуатации и универсальности электрические ручные перфораторы получили широкое распространение. Существует мнение, что пневматические перфораторы целесообразно использовать только при наличии централизованной подачи сжатого воздуха или в специальных условиях, где использование электродвигателей исключено. Промышленностью выпускается весьма широкая номенклатура электроперфораторов с энергией удара 1...25 Дж с разным типом привода, различными кон- 353 структивными решениями ударного и поворотного механизмов, рабочего инструмента, системы удаления шлама из шпура и т. д. Ударные механизмы перфораторов могут быть пружинными, воздушными (компрессионно-вакуумными) и комбинированными (пружинно-воздушными). Наиболее распространены компрессионно-вакуумные ударные механизмы, принцип работы которых применен в перфораторе с электрическим приводом (рис. 8.8). Рис. 8.8. Работа компрессионно-вакуумного ударного механизма: а) − вакуумный; б) −с воздушной «подушкой»; в) − с сжатием воздушной «подушки»; 1− сверло; 2−боек; 3− поршень; 4−ствол; 5− шатун; 6− кривошип При вращении кривошипа 6 шатун 5, шарнирно соединенный с поршнем 3, перемещает его по стволу 4. В полости между поршнем 3 и бойком 2 образуется вакуум, и боек 2 перемещается вслед за поршнем (рис. 8.8, а). При дальнейшем вращении кривошипа поршень, пройдя верхнюю «мертвую» точку, начинает перемещаться в противоположную сторону. Между поршнем и бойком образуется «воздушная подушка», и последний останавливается (рис. 8.8, б). При дальнейшем движении поршня «воздушная подушка» сжимается, боек получает ускорение и наносит удар по буру (рис. 8.8, в). Затем происходит повторение описанного процесса. Механизмы вращения бура в перфораторах бывают кинематические и динамические. Конструкции кинематических поворотных механизмов обеспечивают как непрерывное, так и периодическое вращение бура, при котором за каждый удар бойка бур постоянно поворачивается на некоторую часть окружности. При непрерывном вращении бура разрушение породы происходит как в результате ударов, так и резания, при периодическом – в основном за счет ударов, так как в результате поворота бура происходит только размельчение породы. Кинематические поворотные механизмы работают в спокойных условиях и не воспринимают ударных нагрузок. Однако вследствие жесткой связи с приводом при заклинивании бура в породе на корпусе перфоратора создается крутящий момент, который воспринимается руками оператора и может привести к травме. Поэтому в этих механизмах устанавливаются шариковые или дисковые муфты, ограничивающие крутящий момент, передаваемый буру в безопасных для оператора пределах. Передача момента от двигателя к буру в кинематических поворотных механизмах производится через различные кинематические связи. В перфораторах с непрерывным вращением бу- 354 ра этими связями являются цилиндрические и конические шестерни. В перфораторах с периодическим вращением бура кинематическими связями являются тяги, валики, детали ударных механизмов (цилиндры, бойки) и т. д. В динамических поворотных механизмах для вращения бура используется часть кинетической энергии движущегося бойка, который кроме прямого удара по буру наносит косой удар по детали, поворачивающей бур на некоторую часть окружности. В этом механизме нет жесткой связи с приводом, поэтому на корпусе не возникает крутящий момент. При заклинивании бура в породе большая часть кинетической энергии бойка идет на поворот бура и меньшая — на внедрение его в породу, что уменьшает возможность дальнейшего заклинивания бура. На рис. 8.9 приведена конструкция динамического поворотного механизма, у которого поворот бура осуществляется при холостом ходе бойка. В бойке 5, имеющем возможность перемещаться в цилиндре 1, запрессована гайка, сопряженная с винтовым стержнем 4, на конце которого имеется храповое колесо 2. Хвостовик бойка с помощью шлицев соединен с поворотной буксой 6, в которой крепится рабочий орган 7. Рис. 8.9. Динамический ударный механизм: 1− цилиндр; 2− храповое колесо; 3− собачка; 4− стержень; 5− боек; 6− букс; 7− рабочий орган Поворот рабочего органа (вместе с буксой и бойком) происходит при холостом ходе бойка, когда собачка 3 застопорят храповое колесо. При рабочем ходе бойка рабочий орган вращаться не будет, а будет вращаться храповое колесо. На рис. 8.10 дана кинематическая схема электромеханического перфоратора с компрессионно-вакуумным ударным механизмом и непрерывным вращением бура. Крутящий момент от вала электродвигателя передается на трансмиссию 2 и разделяется на два потока: один поток – через коническую передачу на кривошип 3, обеспечивающий работу компрессионно-вакуумного ударного механизма с поршнем 4 и бойком 6, другой поток – через вал трансмиссии 5, муфту предельного момента 7 и цилиндрические шестерни 8, что обеспечивает непрерывное вращение бура 9. Для восстановления начального объема воздуха в камере сжатия, потери которого в течение рабочего цикла неизбежны, поршень 1 имеет кольцевую выточку, а в бойке 2 – несколько отверстий для прохода воздуха (рис. 8.11). В момент удара воздух по ним проходит в камеру сжатия, восполняя прежний объем. 355 Переход с ударного режима работы на безударный (холостой ход) происходит автоматически. В момент прекращения нажатия на корпус машины рабочий инструмент 3 опускается на держатель 4. Рис. 8.10. Кинематическая схема электромеханического перфоратора: 1− диск; 2−трансмиссия; 3− кривошип; 4− поршень; 5− вал трансмиссии; 6− боек; 7− муфта предельного момента; 8− шестерни; 9− бур При этом боек смещается вниз до упора в корпус машины, не касаясь торца рабочего инструмента. Так как воздушная подушка при этом сообщается через паз в поршне с атмосферой, то создание вакуума в полости над бойком не происходит, и он остается неподвижным. Рис.8.11. Схема работы перфоратора: а) – при нажатии на корпус; б) – момент прекращения нажатия на корпус; 1− поршень; 2−боек; 3− рабочий инструмент; 4− держатель Электромагнитные перфораторы. Электромагнитные перфораторы являются универсальными машинами и могут работать в чисто ударном, ударноповоротном и вращательном режимах. Они состоят из двух узлов — электромагнитного ударного узла со свободным выбегом бойка и механизма вращения рабочего инструмента, включающего электродвигатель и редуктор. Принцип работы ударного узла электромагнитного перфоратора основан на непосредственном преобразовании электрической энергии в кинетическую энергию прямолинейного движения бойка. Характерной особенностью таких машин является прерывное преобразование электрической энергии в кинетическую энергию бойка и наличие 356 рабочего и холостого (обратного) хода за время одного рабочего цикла. Ударный узел состоит из катушек (соленоидов), стального бойка, перемещаемого во втулке за счет электромагнитных сил при попеременном питании током катушек. При рабочем ходе боек наносит удар по хвостовику рабочего органа, а при обратном (холостом) ударяется в подпружиненный буфер, защищающий корпус перфоратора от вибрации. Механизм вращения рабочего инструмента отличается от механизма вращения электромеханического перфоратора наличием самостоятельного электродвигателя с редуктором. Пневматические перфораторы. В ударных механизмах пневматических перфораторов боек совершает возвратно-поступательное движение, нанося в конце рабочего хода удар по хвостовику рабочего органа. Для вращения бура применяется динамический поворотный механизм с использованием части кинетической энергии движущегося бойка. В пневматических перфораторах имеются пусковое и воздухораспределительное устройства, обеспечивающие пуск, работу и автоматический переход на холостой ход. Рабочие инструменты. Они предназначены для выполнения большого числа операций при промышленном и бытовом применении универсальных перфораторов и имеют такие исполнения и сопряжения с механизмом, при которых электроперфоратор автоматически настраивается на режим, соответствующий назначению инструмента. Поэтому универсальный электроперфоратор не осложняется различными переключающими устройствами, что существенно упрощает эксплуатацию, позволяет быстро овладевать машиной, обеспечивает высокопроизводительную работу оператора. Использование соответствующих рабочих инструментов дает возможность выполнения различных операций по рубке и долблению дерева, клепке заклепок и рубке листового металла. При сверлении отверстий в кирпиче, камне и бетоне основным рабочим органом перфоратора является бур, представляющий собой стальной стержень, состоящий из коронки, штанги, буртика и хвостовика. Буры бывают сплошные и составные. У сплошных буров конец штанги закален или армирован твердым сплавом, у составных — на конце бура закрепляется съемная коронка. Штанги и коронки изготовляются из различных сталей, соответствующих требуемым режимам работы. Штанга бура соединяется с коронкой с помощью резьбы или самотормозящего клина в виде конического отверстия с углом наклона 3°30/ в коронке и гладкого конуса с таким же углом наклона на штанге. В штангах, используемых при бурении с промывкой или продувкой, имеется сквозной канал для подачи воды или воздуха. 8.4. Ручные машины для крепления изделий и сборки конструкций 357 Монтаж металлоконструкций, электромонтажные и сантехнические работы, крепление различного оборудования к фундаментам, сборка столярных изделий осуществляется различными резьбовыми соединениями. Эти работы весьма трудоемки, так как они рассредоточены и выполняются в стесненных и труднодоступных местах. Основными операциями при сборке являются завертывание гаек или болтов, затяжка и ее контроль. Иногда возникает необходимость в изготовлении отверстий и снятии фасок с последующим нарезанием резьбы и сборкой соединения. Резьбонарезные машины. Они предназначены для нарезания резьбы в сквозных и глухих отверстиях при выполнении строительно-монтажных работ, выпускаются с электрическим и пневматическим ротационным двигателем и отличаются от сверлильных наличием устройства для реверсирования шпинделя. На шпинделе 1 машины (рис. 8.12) закреплен патрон, имеющий хвостовик квадратного сечения и предназначенный для крепления метчика. На валу двигателя 10 находится солнечная шестерня 9 планетарного редуктора. Сателлиты 5 находятся в зацеплении с двумя венцовыми шестернями — неподвижной 8 и вращающейся 7, жестко связанной с кулачковой полумуфтой и венцовой шестерней 4 второго планетарного редуктора. Сателлиты этого редуктора закреплены на неподвижных осях, а солнечная шестерня 2 является кулачковой полумуфтой, сквозь которую проходит шпиндельмашины с кулачковой полумуфтой 6 на его конце. Для нарезания резьбы необходимо метчик вставить в отверстие и приложить к машине осевое усилие При включении двигателя начинаютвращаться обе подвижные венцовые 358 Рис.8.12. Кинематическая схема резьбонарезной машины: 1−шпин дель; 2− солнечная шестерня; 3− упор; 4− венцовая шестерня; 5− сателлиты; 6− полумуфта; 7, 8,11− неподвижная полумуфта; 9 − солнечная шестерня; и вращающаяся кулачковая 10 −двигатель Под действием приложеного к машине усилия эта полумуфта сцепляется с полумуф той 6, расположенной на конце шпинделя, и последний получает правое вращение, нарезая метчиком резьбу. При соприкосновении упора 3 с телом нарезаемой детали, полумуфты расцепляются. Затем происходит сцепление полумуфты 2, расположенной на солнечном колесе второго планетарного редуктора, и полумуфты шпинделя 6. Шпиндель и метчик получают ускоренное левое вращения, и метчик вывертывается из нарезанного мотке возбуждения отверстия. Ускоренное вывертывание метчика из отверстия сокращает машинное время и обеспечивает полное использование мощности машины, так как процесс резания при этом не происходит. Применение упора дает возможность нарезать резьбы в глухих отверстиях. При работе резьбонарезной машиной применяются машинные метчики, которые отличаются от ручных тем, что они обеспечивают получение готовой резьбы за один проход. При нарезании резьбы ручными метчиками используют последовательно несколько метчиков (направляющий, режущий и калибрующий) для получения резьбы необходимого профиля. Ручные резьбозавертывающие машины – гайко-, шурупо- и шпильковерты. Их применяют при сборке резьбовых соединений. Они могут быть непрерывносиловыми и импульсно-силовыми с вращательным движением рабочего органа и приводом от электрического, пневматического и гидравлического двигателей. В непрерывно силовых резьбозавертывающих ручных машинах вращение от двигателя непрерывно передается рабочему органу – отвертке или ключу через кулачковую муфту и редуктор. В нерабочем положении кулачки ведомой и ведущей полумуфт между собой не связаны. При осевом нажатии на машину кулачки полумуфт входят в зацепление, и рабочий орган (головка ключа или отвертка) начинает вращаться вместе со шпинделем. Как только величина крутящего момента на шпинделе превысит некоторую величину, между полумуфтами возникает осевое усилие, которое преодолевает сопротивление пружины и автоматически выводит ведомую полумуфту из зацепления. Возникающий при этом реактивный момент на корпусе машины воспринимается руками оператора. Так как ведущая полумуфта продолжает вращаться, то при одновременном нанесении ударов по кулачкам ведомой полумуфты создается дополнительный момент на шпинделе и одновременно защищается двигатель от перегрузки. Эти ручные машины выпускаются с электрическими и пневматическими двигателями для резьб диаметром до 12 мм, 359 они реверсивны и ими можно выполнять как сборку, так и разборку резьбовых соединений. В импульсно-силовых ручных машинах вращение от двигателя передается на рабочий орган (ключ) через редуктор и ударноимпульсный механизм, преобразующий непрерывное вращение в ударные импульсы. На практике еще встречаются случаи, когда при сборке резьбового соединения вручную для достижения значительного момента наносят удары по концу ключа. Таким же образом в ударно-импульсном ручном гайковерте реализуются значительные моменты затяжки при одинаковых с резьбозавертывающими машинами непрерывно-силового действия параметрах двигателя. При этом полностью исключается передача реактивного момента на корпус машины и, следовательно, на руки оператора. На рис. 8.13 показан гайковерт с электрическим двигателем, предназначенный для завинчивания и отвинчивания болтов и гаек, состоящий из рукоятки 5 с пусковым устройством, корпуса 4 с вмонтированным электродвигателем, планетарного редуктора 3, ударно-импульсного механизма 2 и шпинделя 1 с закрепленным на нем торцовым ключом 9. Ударный механизм заканчивается полумуфтой. Электродвигатель передает вращение через планетарный редуктор ударному механизму, состоящему из кулачкового цилиндра и пружины. В начале работы гайковерта кулачки шпинделя под действием пружины 8 отключены от кулачков цилиндра и электродвигатель работает вхолостую. При нажатии гайковертом на затягиваемую гайку шпиндель, преодолевая сопротивление пружины, входит в зацепление с цилиндром ударно-импульсного механизм, низма, и гайка навертывается до упора. При затяжке гайки или болта с возрастанием крутящего момента цилиндр под действием шариков 7, заложенных в винтовые канавки в водиле, начинает затармаживаться , одновременно перемещаясь вдоль водила (оси), и выходит из зацепления с кулачками шпи нделя, сжимая пружину 6. В этот момент освободившийся цилиндр вместе с водилом поворачивается на некоторый угол, торцы кулачков скользбят по кулачкам Рис.8.13. Электрический гайкаверт шпинделя. Как только они перестают касаться 1– шпиндель; 2– ударно-импульсный друг друга торцами, сжатая пружина посымеханизм; 3– редуктор; 4– корпус; лает вперед цилиндр, который, продолжая 5– рукоятка; 6,8– пружины;7– шарик вращаться, наносит своими кулачками удар 9–торцевой ключ по кулачкам шпинделя и поворачивает его, 360 а вместе с ним и затягиваемую гайку или болт. Затем цилиндр снова отходит назад, выходя из зацепления с кулачками шпинделя, а возвращаясь наносит удар по кулачкам шпинделя. Процесс повторяется до тех пор, пока гайка или болт не затянется до конца. Для отвертывания болта или гайки фазы переключают с помощью штепсельного соединения. Частоударные гайковерты. Весь процесс сборки резьбового соединения такими гайковертами осуществляется за 100...200 ударов в течение 4...5 с. Основными параметрами являются максимальный диаметр затягиваемой резьбы и момент затяжки. Для ограничения момента затяжки применяют муфты предельного момента или ограничивают время действия ударного механизма. Однако это не обеспечивает необходимой точности параметров затяжки резьбового соединения, вследствие чего частоударные гайковерты применяются только для сборки неответственных резьбовых соединений. Редкоударные гайковерты. Характерной особенностью таких машин являются высокая энергия удара и малая их частота. Они осуществляют процесс затяжки за 2...3 удара, требуют меньшей мощности двигателя и имеют меньшую массу. Принцип работы редкоударного гайковерта заключается в том, что после разгона ударно-вращательного механизма до расчетной угловой скорости, с помощью синхронизирующего устройства происходит освобождение ударника и его ввод в межкулачковое пространство шпинделя. После ударного взаимодействия ударника и шпинделя происходит резкое падение угловой скорости ударника и его возврат в исходное положение под действием пружины. На рис. 8.14 представлен ручной пневматический редкоударный гайковерт. 361 Рис.8.14. Пневматический редкоударный гайковерт: 1– шпиндель; 2– корпус; 3,19– пружины; 4– ударно-вращательный механизм; 5,6 – ведомая и ведущая части ударного механизма; 7– вал двигателя; 8– стопорный палец; 9– пневматический двигатель; 10– крышка; 11– рукоятка; 12– штуцер; 13– глушитель шума; 14– реверс; 15– центробежные грузы; 16 – валик; 17– синхронизирующая втулка; 18– устройство синхронизации Пневматический ротационный двигатель 9 размещен в рукоятке 11 между стальным стопорным пальцем 8 и крышкой 10, выполненной из полимерного материала. Здесь же размещены пусковое устройство с реверсом 14, глушитель шума 13 и штуцер 12 для подачи сжатого воздуха от компрессора. Выходной вал ротора двигателя 7 конструктивно соединен с ударно-вращательным механизмом 4, который включает в себя корпус 2, шпиндель 1 и ударный механизм, состоящий из двух частей. Ведущая часть ударного механизма 6 закреплена в корпусе 2 с помощью подшипника, ведомая часть 5 с помощью устройства синхронизации 18 служит для передачи крутящего момента с ударника на шпиндель. Устройство синхронизации состоит из центробежных грузов 15, синхронизирующей втулки 17, закрепленной на валике 16, и пружин 3, 19. Принцип действия гайковерта заключается в следующем. При нажатии на курок пускового устройства сжатый воздух поступает в камеры пневматического двигателя и, преодолевая момент сил сопротивления, приводит его во вращение в направлении, соответствующем положению реверса. Вместе с валом ротора пневматического двигателя во вращение приводятся ведомая и ведущая части ударновращательного механизма и устройство синхронизации. По достижении расчетной угловой скорости грузы под действие центробежной силы, преодолевая усилие пружины, перемещают ведомую часть ударно-вращательного механизма (ударник) в осевом направлении, обеспечивая контакт с синхронизирующей втулкой. При дальнейшем увеличении угловой скорости ударник совместно с синхронизирующей втулкой, преодолевая усилие пружины, продолжает осевое перемещение в сторону шпинделя. При достижении определенного взаимного расположения кулачков шпинделя и ударника происходит угловой поворот синхронизирующей втулки относительно оси, перпендикулярной оси вращения ротора. Синхронизирующая втулка освобождает ударник от действия пружины, и кулачки последнего входят в межкулачковое пространство шпинделя. Если значение момента сил сопротивления на шпинделе мало, то крутящий момент пневматического двигателя через замкнутые кулачковые пары передается на шпиндель и производит его вращение. В случае, если же момент сил сопротивления на шпинделе превысит некоторое значение, достаточное для преодоления осевой составляющей центробежных сил, пружина возвращает ударник в исходное положение, размыкая кулачки ударника и шпинделя. Далее рабочий цикл повторяется. Промышленность выпускает редкоударные 362 пневматические гайковерты с энергей удара от 25 до 160 Дж, с частотой ударов 2...5 Гц, для резьб диаметром 22...52 мм и обеспечивающие получение тарированного момента затяжки 400...5000 Н.м за 3...8 с. Гайковерты с гидравлическим приводом. Такие гайковерты используют при выполнении монтажных работ, связанных со сборкой и установкой на фундаменты машин и крупного оборудования, где диаметры резьбовых соединений находятся в пределах 100...200 мм. Эти гайковерты обеспечивают получение крутящего момента 200...20 000 Н∙м. Их питание осуществляется от гидравлического привода, состоящего из насоса и маслонапорного цилиндра с предохранительным клапаном. Один такой привод может обеспечить одновременную работу нескольких гайковертов. 8.5. Ручные машины для разрушения покрытий и уплотнения грунта Молотки и бетоноломы. В строительстве для разрушения асфальтобетонных покрытий, мерзлых грунтов, скальных пород, элементов конструкций из различных строительных материалов (камня, кирпича, бетона), пробивки отверстий в стенах и перекрытиях, выполнения различных работ при монтаже конструкций и других подсобных операций применяют молотки и бетоноломы. Принципиально это один тип машин, в которых на рабочий орган действуют направленные вдоль его оси силовые импульсы, отличающиеся величиной энергии удара, которая у ломов значительно больше, чем у молотка. Так, энергия удара электрических молотков составляет 2,0; 4,0; 10,0; 25,0 Дж, а электрических ломов — 40 Дж, пневматических ломов – 90 Дж. Ломы имеют большую массу, чем молотки. Рабочий орган лома (пика или лопата) направлен всегда вниз, а продольная ось машины занимает положение, близкое к вертикальному. При работе с молотками их продольная ось и соответственно рабочий орган (пика или зубило) могут занимать любое положение в пространстве (вертикальное, горизонтальное, наклонное). Перечисленные машины являются импульсно-силовыми ручными машинами с возвратным движением рабочего органа, работающими в тяжелом и сверхтяжелом режимах. Их основными параметрами являются энергия и частота ударов. Они могут быть с электрическим (электромеханическим и электромагнитным), пневматическим приводом и с приводом от двигателя внутреннего сгорания. У них нет механизмов вращения рабочего органа, что существенно упростило их конструкцию. Пневматические машины значительно легче электрических, обладают большей энергией удара. Себестоимость их изготовления значительно ниже, так как они менее трудоемки и не требуют использования дорогостоящих материалов. Безопасность и простота обслуживания и ремонта обеспечивают низкие 363 эксплуатационные затраты. По сравнению с электрическими машинами их недостатком является низкий КПД и большая стоимость энергии питания. Однако решающую роль в определении себестоимости единицы продукции играют трудовые затраты, определяемые техническими параметрами машины, в том числе ее массой и габаритами, от которых в основном зависят производительность труда и удобство эксплуатации. При сопоставлении технических параметров молотков с электрическим и пневматическим приводом с одинаковой энергией удара 10 Дж установлено, что масса пневматического молотка в два раза меньше при большей частоте ударов, а необходимая сила нажатия меньше на 40%, что при повышенном в два раза ресурсе обеспечивает высокую эффективность использования пневматических молотков. Поэтому в строительстве все большее применение получают пневматические молотки с энергией удара до 63 Дж. Для молотков и ломов сменным рабочим органом, непосредственно контактирующим с породой и разрушающим ее, является пика. Она имеет буртик и хвостовик, служащий для закрепления. Длина пики и форма ее острия зависят от физико-механических свойств разрушаемых материалов. Чем они выше, тем во избежание поломки пики и острия длина и угол заострения пики должны быть больше. Так, для пород с коэффициентом крепости (по шкале проф. М. М. Протодьяконова) f==1 применяют пики длиной 300...400 мм с углом заострения 60°, а для пород с f= 1,5 и более длина пик выбирается от 250 до 30 мм и угол заострения до 80°. В вязких, но не твердых породах, например в плотных глинах (f =1), применяют пику в виде лопатки с клинообразным заострением, так как обычная пика в этом случае вязнет и застревает в породе. Ручные трамбовки. Для уплотнения грунта и других материалов при выполнении рассредоточенных работ в труднодоступных и стесненных условиях применяют ручные трамбовки, в которых используется ударный механизм пружинного действия. Это импульсно-силовая машина. Основными параметрами ее являются энергия и частота ударов. В качестве привода используется асинхронный трехфазный короткозамкнутый электродвигатель переменного тока нормальной частоты. К сети подключается через защитно-отключающее устройство. При его отсутствии следует работать с применением индивидуальных средств защиты (диэлектрические перчатки, галоши). Трамбовка работает следующим образом. Вращение от двигателя через одноступенчатый редуктор передается на кривошипно-шатунный механизм 1, преобразующий его в поступательное движение штока 3 (рис. 8.15). Перемещаясь, шток воздействует на пружину 5, размещаемую в стакане и жестко связанную с траммбующим башмаком 7, в результате возвратнопоступательного перемещения которого обеспе- 364 чивается уплотнение грунта. Сжатие пружины происходит дважды – в верхнем и нижнем положе ниях, так как шток поочередно давит на нее через нижнюю 6 и верхнюю 4 оправки. Для уменьшения вибрации корпуса на кривошипах имеются дебалансы 2, вращающиеся в разные стороны. При работе трамбовка оператором удерживается двумя рукоятками с амортизаторами, и ее горизонтальное перемещение производится изменением угла наклона корпуса отно Рис.8.15. Трамбовка:1– кривошисительно вертикальной оси. В зависимости от конс- по; 2– дебаланс; 3– шток; 4, 6– трукции имеются трамбовки с одним или двумя верхняя оправка; 5– пружина; 7– башмак ударными механизмами, а также с приводом от двигателя внутреннего сгорания с различной энергией и частотой удара. Эффект работы машины для уплотнения грунтов зависит от толщины уплотненного слоя, выбор которой зависит от требуемой степени уплотнения грунта, типа и параметров уплотняющих машин. При излишне больших толщинах слоев требуемые плотности грунтов не достигаются. При слишком малых толщинах слоев снижается производительность и возрастает стоимость. Общим требованием при уплотнении грунта является постепенное повышение удельного давления от удара к удару. Такой процесс повышения удельного давления до некоторой степени производится за счет небольшого сокращения времени удара при трамбовании. При этом удельные давления возрастают в 1,5...2,0 раза, а требуется их повышение в 3...4 раза. Поэтому уплотнять грунты необходимо двумя трамбовками – легкой и более тяжелой. Во время предварительного уплотнения надо совершать 30...40% числа проходов. Подбор трамбовок необходимо осуществлять таким образом, чтобы напряжения на поверхности при первом воздействии более тяжелой машины были равны напряжениям, имеющимся от последнего воздействия более легкой машины. Пневматические пробойники. Для механизации проходки в грунте сквозных, глухих, горизонтальных, наклонных, вертикальных скважин диаметром 90...250 мм применяют пневматические пробойники, которые являются импульсносиловыми машинами. Диаметр скважины определяется диаметром расширителей, обеспечивающих возможность за несколько проходов увеличивать диаметр с 90 до 250 мм. Машину используют также для рыхления слежавшихся насыпных материалов, отбора проб грунта при инженерно-геологических изысканиях, строительстве дренажа, устройстве свай, забивании труб и других подобных работах. Особенно эффективно применять такие машины при проходке скважин и забивке труб под шоссейными дорогами, автострадами и улицами, железнодорожными и 365 трамвайными путями, взлетно-посадочными полосами аэродромов, при реконструкции подземных коммуникаций на территориях заводов, фабрик, шахт и других предприятий, между туннелями и треками, при пробивании глухих скважин различного назначения. Работа машины при низкой температуре (близкой к 0°С) и высокой влажности воздуха из-за обмерзания внутренних полостей ударного узла может быть затруднена. При необходимости выполнения работ в таких условиях применяют специальные смазки. Пневматический пробойник нельзя применять для работы в скальных и мерзлых грунтах, а также в грунтах, имеющих твердые включения в виде остатков строительных конструкций, фундаментов и т. д. Пневматический пробойник (рис. 8.16, а) состоит из корпуса 1, ударника 4, патрубка 7, расширителя 2 и шланга 9. Внутренняя поверхность корпуса и наружная поверхность ударника образуют камеру 3,внутренняя полость ударника и патрубок – камеру 6, которая через осевой канал патрубка и воздухоподводящий шланг сообщается с компрессором. Сжатый воздух поступает из камеры 6 через окна 5 в камеру 3. Из-за разности рабочих площадей со стороны камер 3 и 6 удар ник начинает двигаться вправо. При подходе ударника к крайнему правому положению происходит выхлоп воздуха из камеры 3 через окна 5 и отверстия амортизатора 8 в атмосферу. Под давлением воздуха в камере 6 ударник вначале останавливается, а затем перемещается влево и наносит удар по наковальне корпуса. Механизм перемещения патрубка представляет собой винтовую пару из гайки и винта, которым является стебель патрубка 7. Рис. 8.16. Пневматический пробойник: а)– пробойник; б) – схема укладки шланга; 1–корпус; 2– расширитель; 3,6 – камера; 4– ударник; 5 – окно; 7–патрубок; 8 – амортизатор; 9 – шланг Вращением шланга 9, который соединен с патрубком, производится его перемещение в крайнее левое или правое положение, соответствующее прямому или обратному движению пробойника. Воздух в камеру 3 при обратном движении машины попадает раньше, чем при прямом, и ударник останавливается давлением сжатого воздуха в камере без удара по наковальне корпуса. Выхлоп отработавшего воздуха производится позже, поэтому при движении назад ударник наносит удары по задней гайке. При ударах пробойник двигается в обратном направлении. Пробойник работает от передвижного компрессора с подачей 3...5 м3/мин и рабо- 366 чим давлением 0,6 МПа. Перед началом работы выбирается трасса, в начале и конце которой вырываются входной и приемный приямки. Для предотвращения самопроизвольного вращения патрубка шланг от компрессора укладывают змейкой (рис. 8.16, б) и заневоливают. Скорость проходки скважины 5...40 пог. м/ч в зависимости от категории грунта. Условия эксплуатации пробойника — отсутствие доступа к машине, наличие инородных включений в грунте, представляющие для нее непреодолимые препятствия — предъявляют особые требования к управлению и надежности машины. 8.6. Ручные машины для шлифования, резки и строжки материалов Шлифовальные машины. Ручные шлифовальные машины по объему выпуска занимают второе место после ручных сверлильных машин. Это объясняется большим разнообразием выполняемых ими операций и возможностью обработки самых различных материалов. В соответствии с общей классификацией ручные шлифовальные машины относятся к непрерывно-силовым и могут быть с вращательным, замкнутым и сложным движением рабочего органа. Они являются машинами общего применения и выпускаются с пневматическими и электрическими двигателями всех трех классов защиты от поражения электрическим током. По конструктивному исполнению шлифовальные машины с вращательным движением рабочего органа могут быть прямыми, угловыми, торцовыми и с гибким валом, машины с замкнутым движением — барабанного типа и сложным — площадочного типа. В условиях строительного объекта основную массу применяемых шлифовальных машин составляют прямые и угловые машины и машины с гибким валом. Последние имеют вынесенный электрический двигатель и две сменные головки — прямую и угловую. Передача момента от двигателя к рабочему органу в этой машине выполняется гибким валом, что облегчает условия работы оператора, так как в этом случае электродвигатель стоит отдельно, и его масса не воспринимается оператором. В качестве рабочих органов в прямых и угловых машинах и головках применяют абразивные круги, эластичные диски, металлические щетки, а также войлочные, фетровые и хлопчатобумажные круги. В отдельных случаях возможно применение обычных шлифовальных шкурок на матерчатой основе. Главным параметром прямых и угловых машин и головок является диаметр абразивного круга. Стандартом установлены следующие номинальные ряды машин для кругов диаметром: 40, 63, 80, 125 и 160 мм—для прямых и 80,125, 150, 180 и 230 мм — для угловых. В отличие от большинства ручных машин за номинальную частоту 367 вращения рабочего органа прямых и угловых машин и головок принимают частоту вращения круга на холостом ходу. Это вызвано соображениями безопасной эксплуатации. В угловой электрической шлифовальной машине (рис. 8.17, а) двигатель 3 встроен в корпус машины 7 и получает питание по токоподводящему кабелю 5 при нажатии на включатель 6. Вал ротора двигателя с закрепленным на нем вентилятором 2 опирается на два шариковых радиальных подшипника. Рис. 8.17. Ручные шлифовальные машины а) – угловая; б) – прямая; 1,13– шпиндели; 2– вентилятор; 3, 16– двигатели; 4– подавитель радиопомех; 5– кабель; 6– выключатель; 7– корпус; 8,11–защитный кожух; 9– рабочий орган; 10, 12– фланец; 14– корпус; 15– муфта; 17– регулятор частоты вращения; 18– пусковое устройство; 19– курок Вращающий момент передается шпинделю 1 с закрепленным на нем рабочим органом 9 через одноступенчатый конический редуктор. На машине имеются защитный кожух 8 и устройство для подавления радиопомех 4. В прямой пневматической шлифовальной машине (рис. 8.17, б) со встроенным в ее корпус 14 ротационным двигателем 16 при нажатии на курок 19 сжатый воздух поступает через пусковое устройство 18 в камеру с расположенным в ней регулятором частоты вращения 17. Камера имеет окно для впуска сжатого воздуха в двигатель. Вал двигателя муфтой 15 соединяется со шпинделем 13, на котором передним 10 и задним 12 фланцами крепится рабочий орган. Защитный кожух 11 обеспечивает безопасную работу (в случае повреждения шлифовального круга) и закрывает круг на половину его диаметра. Ручная электрическая шлифовальная машина с гибким валом показана на рис. 8.18, а. Она состоит из отдельно стоящего электродвигателя 3 с рукояткой 2 и выключателем 1. Гибкий вал 5 получает вращение от вала электродвигателя посредством кулачковой муфты 4 направленного вращения, корпус которой электрически изолирован от щита переднего вала и ротора электродвигателя для защиты оператора от поражения электрическим током. Необходимость установки муфты направленного вращения вызвана тем, что при включении асинхронного двигателя его ротор может получить правое или левое вращение. При неверном включении муфта не пе- 368 редаст крутящий момент и гибкий вал не будет выведен из строя. К другому концу гибкого вала 5 крепится либо прямая (рис. 8.18, б), либо угловая (рис. 8.18, в) сменная шлифовальная головка. Прямая головка имеет основную рукоятку 13 с виброизоляцией 14, внутри которой на двух радиальных шариковых подшипниках установлен шпиндель, получающий вращение от гибкого вала. Рис.8.18. Ручная шлифовальная машина с гибким валом: а, б) – горизонтальные; в) – угловая; 1– выключатель; 2,19– рукоятки; 3– двигатель; 4– кулачковая муфта; 5– гибкий вал; 6– шлифовальный круг; 7, 8– прижимной и упорный фланцы; 9,23– винты; 10, 24– гайки; 11, 15– защитный кожух; 12, 13– рукоятки; 14, 20 –виброизоляторы; 16– шпиндель; 17– шестерни; 18– корпус; 21,25– упорный и прижимной фланцы; 22– шлифовальный круг На шпинделе прижимным 7 и упорным 8 фланцами, винтом 9 и гайкой 10 крепится рабочий орган – шлифовальный круг 6. Для удобства работы головка имеет дополнительную рукоятку 12 и защитный кожух 11.Угловая головка (рис. 8.18, в) также имеет рукоятку 19 с виброизоляцией 20, внутри которой на двух радиальных шариковых подшипниках расположен шпиндель, получающий вращение от гибкого вала. В корпусе 18 смонтирован конический одноступенчатый редуктор с шестернями 17. Одна из шестерен насажена на шпинделе 16, который расположен в корпусе редуктора и опирается на два радиальных шариковых подшипника. На конце шпинделя упорным 21 и прижимным 25 фланцами, винтом 23 и гайкой 24 крепится шлифовальный круг 22. Защитный кожух 15 обеспечивает безопасную работу в случае разрыва или выкрашивания шлифовального круга. Ручными электрическими и пневматическими машинами зачищают поверхности сварочных швов, снимают грат после газовой резки металла и труб, режут трубы и профильный металл из углеродистых и легированных сталей, снимают фаски под сварку листового металла и труб, удаляют наплавы на металле, шлифуют металлические изделия, а также мрамор, гранит, зачищают ступени лестничных маршей и т. д. Эффективность работы шлифовальных машин в большой степени зависит от режима работы, прочности и износостойкости рабочего органа. 369 Шлифовальные круги. Они характеризуются: абразивным материалом – искусственными и естественными кристаллами, зерна которых после измельчения обладают достаточной твердостью и прочностью. Они обрабатывают материал царапанием, скоблением или истиранием; зернистостью – размером зерен основной фракции абразивного материала. Чем выше требования к чистоте и точности обработки и чем больше твердость обрабатываемого материала, тем более мелкозернистым должен быть шлифовальный круг; связкой – материалом, служащим для скрепления зерен кругов и удержания их от выкрашивания при работе. Качество связки определяет твердость и прочность круга. Промышленность выпускает круги с керамической, бакелитовой и вулканитовой связками. Круги с керамической связкой обладают высокой прочностью и износостойкостью, не засаливаются и легко режут металл. Но они чувствительны к ударным и изгибающим нагрузкам и не применяются для работы со скоростью более 35 м/с. Круги с бакелитовой связкой обладают высокой прочностью и упругостью, что дает возможность изготовлять их толщиной менее 1 мм и работать со скоростью 75 м/с при выполнении отрезных операций. Круги с вулканитовой связкой более упруги, чем круги на бакелитовой связке, но непригодны для снятия больших припусков и имеют низкую теплостойкость. Для них характерны высокая режущая способность, эластичность и плавность в работе. Допустимая окружная скорость не превышает 18 м/с; твердостью, т. е. способностью связки сопротивляться выкрашиванию абразивных зерен с рабочей поверхности круга при шлифовании. Понятие твердости абразивного круга не имеет ничего общего с твердостью абразивного материала; структурой – процентным соотношением объема абразивных зерен, связки и пор в массе шлифовального круга. Шлифовальные круги обязательно подвергаются испытанию на прочность и маркируются на боковой стороне условными обозначениями, характеризующими их основные параметры. Для резки различных материалов применяют армированные отрезные круги. Они состоят из электрокорунда или карбида кремния, бакелитовой связки, стеклосетки и металлической втулки, обеспечивающей точную посадку круга на шпиндель машины. Введение сеток армирования позволило увеличить допустимую окружность скорость кругов до 80...110 м/с, дало возможность упрочнить их от излома при боковых нагрузках. Применение армированных кругов для резки различных материалов ручными шлифовальными машинами повышает их производительность и расширяет область применения. При резке разрезаемую деталь неподвижно закрепляют, и оператор, заняв устойчивое положение, равномерно подает круг на деталь так, чтобы плоскость его вращения была перпендикулярна разрезаемой поверхности. Трубы и круглый прокат режут двумя методами: врезанием и обкаткой. При врезании круг линейно перемещается в плоскости, перпендикулярной оси 370 трубы или проката, и перерезает все поперечное сечение. Это возможно только для небольших диаметров труб или проката, что зависит от диаметра отрезного круга (выступающей его части за габариты машины). При обкатке шлифовальную машину перемещают вокруг трубы таким образом, чтобы круг находился все время в плоскости, перпендикулярной оси трубы. В зависимости от толщины стенки резку выполняют в один или несколько проходов, что определяется возможной глубиной резания. Существуют простые приспособления, упрощающие работу этим методом. При зачистке деталей плоскость вращения абразивного круга должна быть под углом 15...40° к обрабатываемой поверхности. Оператор при работе перемещает машину вдоль обрабатываемой поверхности и совершает вспомогательные круговые движения. Выбирать шлифовальные круги следует возможно большего диаметра, допустимого для данной машины, так как они способствуют облегчению физического труда оператора при работе. Производительность ручных шлифовальных машин в значительной мере зависит от стабилизации частоты вращения рабочего органа при изменении нагрузки за него. В машинах с асинхронными электрическими двигателями эта стабильность обеспечивается жесткой механической характеристикой самого двигателя. В машинах с коллекторными электрическими двигателями, имеющими мягкую механическую характеристику, применяют электронные регуляторы. Они защищают двигатель от перегрузки, снижают силу пускового тока и поддерживают постоянную частоту вращения шлифовального круга (снижение под нагрузкой до 5%).Однако в случае выхода из строя электронного регулятора на двигатель будет подаваться полное напряжение сети. При этом на холостом ходу частота вращения может достигнуть недопустимой величины, что приведет к разрыву шлифовального круга. Во избежание этого применяют независимое центробежное предохранительное устройство, отключающее питание машины от сети при превышении номинальной частоты вращения более чем на 15 %. Устройство устанавливается на валу якоря в виде калиброванного пластмассового кольца, которое разрывает неподвижную петлю провода в цепи питания двигателя при недопустимом превышении частоты вращения. В машинах с пневматическими двигателями повышение жесткости механической характеристики достигается введением регулятора частоты вращения. Он устанавливается на валу ротора двигателя. Как видно на рис. 8.17, б, регулятор 17 в зависимости от положения кулачков, закрепленных шарнирно на его корпусе, может увеличивать или уменьшать размер входного отверстия для сжатого воздуха, поступающего в двигатель. При увеличении частоты вращения вала ротора (когда нагрузка на круг уменьшается) кулачки под действием центробежных сил расходятся и, сжимая пружину, продвигают втулку, которая перекрывает отверстие для впуска сжатого воздуха. При уменьшении частоты вращения (когда нагрузка на круг увеличивается) ку- 371 лачки возвращаются и пружина отодвигает втулку, увеличивая отверстие для впуска сжатого воздуха. Таким образом, происходит автоматическое регулирование частоты вращения шлифовального круга при изменении нагрузки на него. Плоско- и ленточношлифовальные машины применяются для выполнения доводочных работ. В плоскошлифовальной машине рабочий орган (шлифовальная шкурка) совершает сложное движение в плоскости обработки. Шкурка крепится к плоской платформе, совершающей возвратно-поступательное или орбитальное плоскопараллельное движение. Основными параметрами этих машин являются размер платформы и частота возвратно-поступательных движений. Ленточно-шлифовальные ручные машины имеют рабочий орган в виде бесконечной абразивной ленты, совершающей замкнутое движение. Лента натянута на два барабана, один из которых является приводным. Главным параметром этих машин является размер абразивной ленты и поступательная скорость ее движения. Оба типа машин оборудуются устройствами для отсоса пыли, образующейся при шлифовании поверхностей. Машины для резки материалов. Ножницы применяются для резания как гладкого, так и гофрированного листового металла, арматуры и других материалов. Различают следующие типы ручных ножниц: вырубные, ножевые, прорезные, дисковые и рычажные, которые имеют электрический, пневматический или гидравлический привод. Тип ручных ножниц определяется конструкцией режущего инструмента. У ножевых ножниц имеются два ножа, из которых один является подвижным, а другой неподвижным. У вырубных ножниц режущим инструментом являются пуансон и матрица, а у прорезных – два неподвижных и подвижный нож, перемещающийся между ними. У дисковых ножниц режущим инструментом являются два вращающихся диска. Наибольшее распространение получили первые два типа ножниц, так как они пригодны для резки металла толщиной до 4 мм, в то время как дисковые – только до 1 мм. Вырубные ножницы (рис. 8.19, а). Они предназначены для вырубки криволинейных заготовок, люков и окон в различных изделиях из листового металла толщиной до 4,0 мм. Ими также можно резать гофрированные листы. При работе ножницами достигаются точность раскроя, чистота реза и ровность кромок. При вырезке замкнутых контуров предварительно просверливают отверстие, равное наружному диаметру матрицы держателя. В процессе резания используется принцип долбления. Рабочим инструментом являются пуансон 2 и матрица 1. За каждый ход пуансона 2 снимается стружка серповидной формы. 372 Рис. 8.19. Ножницы: а)– для вырубки криволинейных заготовок; б) – для вырубки листового металла с режущим гранем с наклонным расположении; в) – то же в горизонтальным расположением; 1– матрица; 2– пуансон; 3 – ползун; 4– шатун; 5– кривошипный вал; 6,8– неподвижный и подвижный ножи; 7– улитка два исполнения. В одном исполнении режущая грань неподвижного ножа (рис. 8.19, в) параллельна оси двигателя, в другом (рис. 8.19, б) расположена под углом. При работе ножниц с наклонным положением ножа возникает составляющая усилия резания, вследствие чего оператору требуется прикладывать увеличенное усилие на подачу. Правильная установка и заточка ножей обеспечивают получение высокой производительности и безопасность работы. Ножи должны быть установлены так, чтобы при ходе подвижного ножа его режущая кромка в нижнем положении опускалась ниже плоскости неподвижного на 0,5 мм. Это обеспечивает безударную работу ножевых ножниц. Производительность ножевых ножниц (м/мин) П = Кn(2е – f)/(1000tgβ), (8.1) где е – эксцентриситет эксцентрикового вала, мм; f – коэффициент, учитывающий деформацию деталей механизма головки, мм (f = 1,1); n – частота двойных ходов подвижного ножа в минуту; β – угол между кромками ножей в вертикальной плоскости, град; К,– коэффициент отдачи, равный 0,7...0,9. Сравнение основных типов ножниц показывает, что скорость реза вырубных ножниц ниже, чем у ножевых и прорезных, но они производят резку с середины листа и имеют лучшую маневренность (минимальный радиус реза) и практически режут металл без его деформации (как и прорезные). Недостатком вырубных и прорезных ножниц является относительно большой отход металла в стружку, зависящий от сечения рабочих органов (пуансона и матрицы). Разновидностью вырубных ножниц являются кромкорезы — ручные машины для подготовки кромок деталей под сварку. Машины для распиловки и строжки материалов – пилы, рубанки и долбежники − выпускаются обычно электроприводными. Высокая скорость резания (30...50 373 м/с) и возможность очень большой подачи (в несколько раз больше, чем у машин для обработки металла) требуют установки на деревообрабатывающих машинах достаточно мощных электродвигателей номинальной потребляемой мощностью (более 0,6 кВт). Машины, рассчитанные на ограниченную продолжительность включения (ПВ 40 и 60 %), могут иметь меньшую номинальную мощность. Дисковые пилы предназначены для продольной и поперечной распиловки древесины различных пород. Их также применяют для выполнения в столярных изделиях цапф и шипов, для пригонки деталей при монтаже деревянных конструкций и для других работ. Основными параметрами этих машин являются максимальная глубина пропила, диаметр пильного диска и частота вращения его на холостом ходу. Номинальный ряд дисковых пил по глубине пропила составляет 45, 65, 85 и 100 мм, что соответствует диаметрам пильного диска 125, 160, 200 и 250 мм. Номинальные частоты вращения пильного диска (мин-1) соответствуют: 3000...4500 для 125 мм; 2400... 3600 — для 160 мм; 1900...3200 для 200 мм и 1500...2300 для 250 мм. Регулирование угла наклона пильного диска по отношению к обрабатываемому материалу до 45° обычно осуществляется с помощью шарнирного крепления опорной плиты к корпусу машины. Другой шарнир позволяет поднимать и опускать корпус машины, тем самым меняя глубину пропила. Чтобы корпус машины не ограничивал глубину пропила, шпиндель располагают ниже продольной оси двигателя. На основании машины часто закрепляется устройство, служащее для направления движения машины при работе и получения изделия заданной ширины. Позади пильного диска устанавливается клин, расширяющий распиливаемую доску и предотвращающий заклинивание ее. Дисковые пилы применяют также для резки мрамора, камня и других материалов. В этом случае вместо пильного диска ставится абразивный диск. Рабочим инструментом дисковых пил является круглый стальной диск (сделанный из стали марки 85ХФ), имеющий по окружности ряд последовательно расположенных зубьев. Чтобы движение пилы в дереве не вызывало бесполезных потерь мощности на преодоление трения полотна пилы и боковых поверхностей зубьев о стенки пропила, делают развод зубьев пилы, который заключается в том, что зубья на расстоянии одной трети своей высоты от вершины зуба отгибаются поочередно в одну и другую стороны от плоскости полотна. Величина развода зубьев для зубьев толщиной 1,2 и 1,4 мм должна быть равна 0,5 мм, а пил толщиной более 1…0,7 мм. Заточка круглых пил для продольного распиливания древесины производится без наклона затачиваемых режущих граней относительно боковой поверхности пилы. Заточка пил для поперечного распиливания производится с наклоном режущих граней относительно боковой поверхности пилы, при этом у зуба, отогнутого вправо, скос грани делается влево и наоборот. Направление вращения круглых 374 пил должно быть таким, чтобы внутри распиливаемого материала движение зубьев было по направлению подачи пилы. Рубанки предназначены для строгания различных деревянных изделий. Рабочим органом рубанка является барабан с закрепленными на нем ножами. Если в рубанках, выпускающихся ранее в качестве барабана, использовался внешний ротор обращенного электродвигателя, то в новых конструкциях барабан удаляют от корпуса машины и двигателя и используют для передачи крутящего момента либо редукторы, либо клиновой или зубчатый ремень. Применение ременной передачи способствует снижению шума и вибрационных параметров рубанков. Основным параметром рубанков является ширина строгания (75, 100 и 160 мм). Глубина строгания регулируется устройством, поднимающим и опускающим относительно барабана либо всю опорную плиту, либо ее часть. Ножи рубанка крепятся к барабану с помощью болтов. Многие рубанки допускают возможность использования их для стационарной установки ножами вверх. Ножи представляют собой стальную закаленную пластинку, заточенную с одной стороны под углом 38...40°. 374 Цепные долбежники служат для выполнения пазов и гнезд в деревянных изделиях. Рабочим инструментом является зубчатая цепь, натянутая между двумя направляющими звездочками. Натяжение долбежной цепи регулируется перемещением направляющей планки с помощью упорного винта. Величина сечения паза, получающегося за один проход, зависит от размеров долбежной цепи. Ширина паза соответствует толщине цепи. Для получения паза большей ширины допускается применение многорядной цепи с соответствующим количеством звездочек. Долбежная цепь представляет собой бесконечную шарнирную фрезерную цепь, состоящую из особой формы звеньев, изготовленных из термически обработанной тали. Звенья долбежной цепи разделяются на режущие и скалывающие. Внешние крайние ряды цепи состоят из режущих звеньев, а внутренние – из скалывающих. Таким образом, число рядов режущих звеньев всегда равно двум, а число рядов скалывающих звеньев зависит от требуемой ширины цепи. Для получения пазов шириной до 16 мм за один проход применяют цепи с одним рядом скалывающих звеньев, а для пазов шириной более 16 мм число рядов скалывающих звеньев берется равным трем и более (но всегда нечетное). Рабочие инструменты у машин для обработки дерева имеют множество острых кромок, движущихся с высокой скоростью. Поэтому эти машины особенно опасны в отношении механической травмы оператора и требуют применения специальных защитных мер. Запрещается устанавливать на них выключатели, имеющие фиксацию включенного положения. Это исключает возможность работы неуправляемой машиной. Как только прекратится нажатие на курок выключателя, машина останавливается. Защитные кожухи у пил и стационарных рубанков предназначены для закрытия рабочих органов при холостом ходе машины. По окончании процесса резания они автоматически возвращаются в исходное положение. 8.7. Перспективы применения и основные направления развития ручных машин Современные тенденции дают основание прогнозировать широкое применение ручных машин в течение длительного периода времени при выполнении трудоемких и тяжелых работ в строительстве. Будут совершенствоваться существующие и создаваться принципиально новые конструкции с целью повышения производительности, надежности, обеспечения возможности выполнения новых операций, снижения массы, устранения вредных воздействий вибрации на операторов и уменьшения их утомляемости. Совершенствование существующих и создание новых ручных машин ведется в направлении резкого возрастания энерговооруженности машин без увеличения их массы. Это достигается постепенным переводом асинхронных трехфазных двигателей повышенной частоты с напряжения 36 В на напряжение 375 42 В, разработкой высокоэффективных пневматических машин с повышенным рабочим давлением сжатого воздуха, широким применением гидравлического привода, созданием принципиально новых ручных машин ударного действия, работающих в ударно-резонансном режиме с возможностью плавного регулирования энергии одного удара, а также многоскоростных и многоцелевых машин с электронным регулированием и изменяющимся режимом работы. В этом случае при заданном материале и условиях резания встроенные микрокомпьютеры автоматически обеспечат получение оптимального режима работы машины. Существенное значение в повышении эффективности ручных машин имеет их оснащение разнообразным быстро заменяемым твердосплавным и алмазным режущим инструментом, шлифовальными кругами и вспомогательными приспособлениями. Все это обеспечит удобство работы, повысит эргономические и эстетические показатели, отвечающие возросшему уровню современности. Контрольные вопросы по восьмой главе. 1. Эффективность применение ручных машин в строительстве. 2. Классификация ручных машин. 3. Основные требования к ручным машинам. 4. Маркировка и индексация ручных машин. 5. Основные сборочные единицы ручных машин. 6. Назначение, устройство и основные параметры ручной сверлильной машины. 7. Какие работы выполняют ручным перфоратором ? 8. Типы сверл, их выбор и рекомендуемые параметры. 9. Принцип работы динамического ударного механизма. 10. Принцип работы резьбонарезной машины. 11. Принцип работы пневматического редкоударного гайковерта. 12. Назначение, устройство, область применения и основные параметры частоударных гайковертов. 13. Сменные рабочие органы молотов и бетоноломов и их выбор. 14. Назначение, устройство и область применения ручных трамбовок. 15. Ручные шлифовальные машины, их устройство и область применения. 16. Рабочие органы ручных шлифовальных машин, их основные параметры и выбор. 17. Назначение, принципиальные схемы, рабочие органы и область применения ручных ножниц.18. Ручные машины для обработки дерева, особенности их устройства. 19. Перспективы применения и развития ручных машин. 9. МАШИНЫ ДЛЯ ОТДЕЛОЧНЫХ РАБОТ 9.1. Машины для штукатурных работ Индустриализация строительства и повышение степени готовности элементов конструкций с последующей их сборкой на строительной площадке обеспечивают значительное снижение трудоемкости послемонтажных работ при массовом строительстве. Однако трудоемкость послемонтажных работ все еще велика и составляет около 30 % общих трудовых затрат, а их стоимость достигает 20 % общей стоимости строительства. Это в значительной степени является следствием того, что при выполнении отделочных работ в условиях строительного объекта применяется еще много ручного труда. При выполнении штукатурных и облицовочных работ применяют машины для приготовления растворов, транспортирования их к месту укладки и нанесения, а также для отделки оштукатуриваемых поверхностей. В зависимости от условий эти 376 машины применяют раздельно, смонтированными на общей раме или укомплектованными в технологической последовательности. При больших масштабах строительства на площадку автотранспортом доставляют готовый раствор с заводов. Штукатурные станции. При работе на готовом растворе целесообразно применять штукатурные станции, устанавливаемые на объекте и обеспечивающие прием, побуждение, транспортирование и нанесение раствора на поверхность. Такая станция (рис. 9.1) состоит из цельнометаллического утепленного кузова 1, совмещенного с приемным бункером. Внутри станции размещены струги, шнек 9, растворонасос 3 и пульт управления 7. Станция оборудована гидросистемой 5, а также системами водоснабжения 8, вентиляции 6 и отопления. Раствор из кузова авторастворовоза выгружается в бункер 10 и стругом перемещается к шнеку 9. Шнек, вращаясь, побуждает раствор и перемещает его к накопителю и далее к растворонасосу для транспортирования к месту работ. Станция Рис.9.1. Штукатурная станция: укомпле ктована огнетушителем 4, аптечкой 21−кузов; 2−аптечка; 3−растворо- системой электрооборудования 11. Такая; станция насос; 4− огнету шитель; обеспечивает подачу до 4 м 3 /ч штукатурного 5− гидросистема; 6− вентиляция; раствора на расстояние до 100 м по вертикали 7− пульт управления; 8- водоснаб= или до 300 м по горизонтали; она работает в жение; 9−шнек; 10− бункер; любое время года. 11− электрообору дование Штукатурные агрегаты. При небольших объемах для механизации штукатурных работ при отделке внутренних помещений применяют штукатурные агрегаты (рис. 9.2, а). Рис.9.2. Штукатурный агрегат: а) – общий вид; б) – кинематическая схема; 1− опора; 2− бункер; 3− вибросито; 4− растворонасос; 5− редуктор; 6, 12− привод; 7− компрессор; 8− двигатель; 9− плита; 10− пневмораспылитель; 11− шланг; 13−смеситель; 14− воздушный колпак; 15−клапанная камера; 16− муфта предельного момента 377 Он предназначен для приготовления или побуждения готового раствора, загрузки его в приемный бункер, процеживания, транспортирования и нанесения пневматическим распылителем на поверхность. Штукатурный агрегат представляет собой комплекс устройств, смонтированных на ходовой раме с убирающимися опорами. К устройствам относятся: противоточный растворонасос 4 с редуктором 5, вибросито 3 с приводом 6, приемный бункер 2 с побудителем и компрессор 7, имеющие общий привод от электродвигателя 8, установленного на плите 9. Кроме того, агрегат оборудован скипом-смесителем 13 с собственным приводом 12, раствороводом и пневматическим распылителем 10 с воздушным шлангом 11. Для уменьшения пульсации транспортируемого раствора в раствороводе между клапанной камерой 15 и раствороводом размещен воздушный колпак 14 с подпиткой сжатым воздухом. В приемном бункере растворонасоса установлен побудитель для предупреждения расслаивания раствора и образования пробок в раствороводе. Для облегчения загрузки приемного бункера на агрегате установлено скиповое загрузочное устройство, в котором одновременно готовится или побуждается раствор. В агрегате предусмотрено пневматическое дистанционное управление, позволяющее отключать растворонасос с места выполнения штукатурных работ. На входном валу редуктора (рис. 9.2, б) установлена кулачковая муфта предельного момента 16, обеспечивающая защиту привода растворонасоса в случае закупорки растворовода и возникновения пробки. Она отрегулирована на срабатывание при достижении давления в раствороводе 3,5 МПа. Пневмооборудование (рис. 9.3) состоит из компрессора 2, ресивера 3, реле давления 4, воздушного колпака 11, пневмокрана 9 и пневматического распылителя 6. Если рычаг перепускного клапана 10 и ручка пневмокрана 9 поставлены в вертикальное положение, то при пуске электродвигателя 1 компрессор а воздух подкачивается воздух подкачивается в ресивер, и раствор перекачивается в приемный бункер. При достижении в ресивере давления 0,5 МПа оператор переводит рычаг перепускного крана в горизонтальное положение, в результате чего сжатый воздух из ресивера поступает в Рис.9.3. Схема пневмоагрегата: воздушный колпак, а раствор − в шланги 1− двигатель; 2− компрессор; растворовода 7. 3−ресивер; 4− реле; 5−кран; При перемещении ручки пневмокрана в 6− распылитель; 7,8−шланги; горизонтальное положение сжатый воздух 9,10 краны; 11− воздушный колпак подается в воздушный шланг 8. Если воздушны кран 5 на распылителе закрыт, то при при давлении в ресивере более 0,5 МПа срабатывает реле давления, которое отключает основной двигатель. Установкой перепускного крана в вертикальное положение доступ воздуха в 378 воздушный колпак прекращают, и давление в нем падает до нуля. Раствор скипом-смесителем подается на вибросито. Затем он попадает в приемный бункер, побуждается и всасывается в рабочую камеру растворонасоса, который подает его в напорный растворовод к пневматическому распылителю. В распылителе (рис. 9.4) раствор дробится сжатым воздухом, подаваемым компрессором, и затем наносится на обрабатываемую поверхность. Агрегат работает в двух режимах. При работе на первой скорости его производительность 2 м3/ч. Рис. 9.4. Распылитель пневматический Такой режим применяется при нанесении раствора на поверхность распылителем. При работе на второй скорости производительность агрегата 4 м3/ч. Такой режим применяется для транспортирования раствора на этажи строительного объекта. Растворонасос агрегата развивает давление до 3,5 МПа и подает раствор на 60 м по вертикали или на 250 м по горизонтали. Для выполнения поэтажных штукатурных работ небольших объемов в промышленном, гражданском и сельском строительстве применяют штукатурный агрегат (рис. 9.5). Рис. 9.5. Поэтажный штукатурный агрегат: 1− растворонасос; 2− пульт управления; 3− манометр; 4− компенсатор; 5− вибросито; 6− бункер; 7− резинотканевый рукав; 8− колеса Он состоит из двух легко- и быстроразбираемых основных сборочных единиц, смонтированных на колесах 8, каждая из которых может свободно передвигаться в пределах этажа и через дверные проемы. Растворонасос (противоточный, с непосредственным воздействием поршня на раствор) с 379 компенсатором 4, манометром 3 и пультом управления 2 соединен быстроразъемным резинотканевым рукавом 7 с узлом приемного бункера 5 и виброситом 5. Готовый раствор загружают на вибросито 5 бункера 6. Затем просеянный раствор попадает в приемный бункер и далее растворонасосом по растворопроводу транспортируется к бескомпрессорному распылителю с последующим нанесением на поверхность. Такой агрегат обеспечивает подачу 1 м 3 /ч раствора на высоту до 15 м по вертикали или на 50 м по горизонтали. Кроме маневренности существенным преимуществом агрегата является возможность работы на растворах с осадкой конуса СтройЦНИЛа 6...7 см. Эта возможность достигнута конструктивным решением качающегося рабочего цилиндра, что также способствует повышению объемного КПД растворонасоса. Для нанесения раствора с осадкой конуса СтройЦНИЛа 6...7 см применяют пневматический распылитель, который работает от передвижного компрессора с подачей 0,5 м 3 /мин и рабочим давлением 0,2...0,3 МПа. Торкретные установки. Для выполнения штукатурных работ в помещениях, где к штукатурке предъявляются особые требования по водо- и газонепроницаемости, жаростойкости и кислотоупорности, а также повышенной механической прочности, применяют торкретные установки. Установка имеет колесный ход и состоит из цемент-пушки, компрессора, бака для воды, гибких шлангов для материала, воды и воздуха и сопла. По материальному шлангу цемент-пушка сжатым воздухом подает к соплу отдозированную сухую смесь, а по шлангу для воды — воду. Увлажненная в сопле смесь под действием сжатого воздуха выбрасывается из него и с силой ударяется о покрываемую поверхность. В результате наращивается плотный слой специальной штукатурки. При рабочем давлении сжатого воздуха 0,4...0,5 МПа дальность подачи сухой смеси по горизонтали достигает 200 м, по вертикали до 80 м с производительностью 2...4 м3/ч по сухой смеси. Торкретные установки применяют также для заделки раковин и каверн при выполнении бетонных работ. При выполнении обычной штукатурки после нанесения раствора распылителем поверхность разравнивается вручную. Затем наносится накрывочный слой, и поверхность окончательно разравнивается механизированным способом с применением ручных затирочных машин. 9.2. Машины для малярных работ Трудоемкость малярных работ в общем комплексе строительства составляет около 8 %. Они являются завершающими в строительном производстве. Подготовка поверхностей под окраску состоит в их очистке, нанесении слоя шпатлевки с последующим разравниванием и шлифованием. В условиях строительного объекта для приготовления из полуфабрикатов, а также транспортирования и нанесения клеевых и синтетических шпатлевок, грунтовок и окрасочных составов применяют малярные агрегаты и установки, 380 которые состоят из комплекта оборудования, размещенного в технологической последовательности и обеспечивающего дозирование, перемешивание компонентов с последующим их процеживанием, транспортированием и нанесением на обрабатываемую поверхность. Все они изготовлены на базе винтовых насосов и комплектуются применительно к конкретным условиям работы для определенных объемов и отделочных материалов. Нанесение может выполняться как пневматическими, так и безвоздушными распылителями при дальности подачи по горизонтали до 80 м, по вертикали до 50 м и производительностью до 400 л/ч. Нанесенная таким образом на поверхность шпатлевка разравнивается вручную шпателями, и окончательная обработка выполняется шлифовальными машинами. Передвижные шпатлевочные агрегаты (рис. 9.6). Их применяют для поэтажной подачи и нанесения на обрабатываемые поверхности шпатлевок подвижностью от 7 см и более, а также грунтовых и водноклеевых красочных составов. Агрегат состоит из загрузочного бункера, винтового насоса 3 с приводом, напорного рукава 4, удочки 5 и аппаратуры управления. В верхней части бункера смонтировано выжимное устройство 6 для удаления шпатлевки из полиэтиленовых мешков при загрузке, а в нижней — шнековый побудитель 2, перемешивающий и подающий материал во всасывающую полость винтового насоса. Шнек и соединенный шарнирно с ним ротор насоса получают вращение от двухскоростного электродвигателя 7 через клиноременную передачу 8 и редуктор 9. К наконечнику насоса с помощью быстроразъемного соединения крепится напорный рукав с удочкой. Шпатлевка наносится распылением с помощью сжатого воздуха, подаваемого к удочке по воздушному шлангу от компрессора под давлением 0,5...0,7 МПа. При нанесении грунтовок и красочных составов сжатый воздух не применяют, так как для распыления Рис.9.6. Шпатлевочный агрегат: достаточно давления (2 МПа), развиваемого 1− бункер; 2− побудитель; насосом. Использование в шпатлевочных агрегатах 3 насос; 4− рукав; 5− удочка; винтовых насосов обеспечивает равномерную по6− выжимное устройство; дачу материала к удочке и высокое качество 7−двигатель;8−клиноремен- отделочных работ. Шпатлевочные агрегаты осущесная передача; 9− редуктор твляют подачу материалов до 60...70 м по горизонтали, до 30...35 м по вертикали и имеют производительность до 0,4 м3/ч. Окрасочные агрегаты. Процесс окрашивания выполняется окрасочными агрегатами, работа которых основана на распылении краски краскораспылителем и нанесении ее на окрашиваемую поверхность. Различают окрасочные агрегаты переносные и передвижные, пневматического и безвоздушного распыления. В отечественной практике все они имеют электрический привод. В передвижном пневматическом окрасочном агрегате 381 краска по шлангу из красконагнетательного бака давлением сжатого воздуха подается к пневматическому краскораспылителю, рис.9.7. Рис.9.7 Красконагнетательный арегат: 1- краскораспылитель; 2- манометр; 3- рессивер; 4- лакокрасочный бак Одновременно по другому шлангу к нему подводится сжатый воздух. Рабочим органом пневматического агрегата является краскораспылитель. Он имеет корпус с рукояткой, в котором находятся каналы для подачи сжатого воздуха и краски в головку краскораспылителя. Здесь же имеются устройства для регулирования количества подаваемого сжатого воздуха и краски. Дробление краски и ее нанесение происходят за счет энергии расширения сжатого воздуха. Головка такого краскораспылителя (рис. 9.8) может быть наружного 1,внутреннего 2 и комбинированного 3 смешивания. При работе с головкой наружного смешивания краска может подаваться принудительно от красконагнетательного бака, а также самотеком от наливного бачка. Для работы с головками комбинированного и внутреннего смешивания необходима только принудительная подача краски. Рис. 9.8. Схемы головок пневматического краскораспылителя: 1− наружнего; 2− внутреннего; 3− комбинированного смешивания Отпечаток факела у головок комбинированного и внутреннего смешивания имеет вид вытянутого по большой оси эллипса. Передвижные пневматические агрегаты работают от воздушных компрессоров с подачей воздуха до 0,5 м3/мин рабочим давлением 0,4 МПа, красконагнетательным баком вместимостью 16... 100 л и производительностью до 500 м2/ч окрашенной поверхности. Переносный окрасочный агрегат работает от диафрагменного компрессора с подачей воздуха до 0,05 м3/мин, рабочим давлением 0,4 МПа, 382 краскораспылителем, имеющим бачок для краски вместимостью до 0,7 л, и производительностью до 50 м2/ч окрашенной поверхности. Существенным недостатком работы этих агрегатов являются значительные потери (до 30 %) краски на так называемое туманообразование. Эта краска не достигает окрашиваемой поверхности и резко ухудшает условия работы в закрытых помещениях. Некоторое улучшение условий работы достигается применением пневматических краскораспылителей, работающих при давлении сжатого воздуха до 0,1 МПа. Подача сжатого воздуха производится от многоступенчатых воздуходувок, вследствие чего в краскораспылитель поступает подогретый воздух. В настоящее время наиболее эффективно применение передвижных окрасочных агрегатов безвоздушного распыливания (рис. 9.9, а), являющихся более мобильными и резко улучшающими условия работы. Особенно эффективно их применение при больших объемах работ с расходом краски до 7,0 л/мин и дальностью подачи по вертикали до 100 м. В этом случае их производительность превышает 600 м 3 /ч. Рис. 9.9. Окрасочный агрегат: а) − общий вид; б) − кинематическая схема; 1− корпус; 2− маховик; 3− фильтр; 4− плунжер; 5− мембрана; 6,7,12− клапаны; 8− фильтр; 9,11− шланги; 10−распылитель; 13−регулятор; 14−муфта; 15−двигатель Основным узлом агрегатов безвоздушного распыления является насос высокого давления (до 30 МПа), подающий красочный состав к распыляющему устройству в виде сопла из твердого сплава с круглым или эллиптическим отверстием. Сопло с круглым отверстием обеспечивает получение факела в виде конуса с малым углом при вершине, с эллиптическим отверстием — факела плоской формы. Выпускается около 40 типоразмеров распыливающих устройств с диаметром отверстия сопла 0,28...0,79 мм с расходом 0,38...3,5 л/мин и углом распыления 20...80° для работы как с маловязкими составами тонкого перетира, так и с высоковязкими составами грубого перетира. Все агрегаты безвоздушного распыления выполнены и работают по единой 383 принципиальной схеме и различаются между собой в основном конструктивным исполнением и принципом действия насосов высокого давления, которые могут быть механическими, пневмои электрогидравлическими мембранного и поршневого типов. На рис. 9.9, б дана кинематическая схема агрегата с насосом мембранного типа. При вращении маховика с наклонной поверхностью 2, соединенного с валом электродвигателя 15 упругой муфтой 14, совершает возвратнопоступательное движение плунжер 4 гидропередачи, который через буферную жидкость (масло) сообщает колебания мембране 5. Возврат плунжера и мембраны в исходное положение обеспечивается пружинами. Мембрана отделяет гидравлическую полость насоса от красконагнетательной. Жидкость в буферную зону поступает из корпуса насоса через сетчатый фильтр 3. В процессе возвратно-поступательного движения мембраны осуществляется всасывание материала через всасывающий клапан 6 по шлангу низкого давления с фильтром 8 из расходной емкости и его нагнетание через нагнетательный клапан 12 и фильтр по шлангу высокого давления 11 к краскораспылителю 10. Частота колебаний мембраны постоянна и соответствует частоте вращения электродвигателя. Давление нагнетания изменяется бесступенчато от нуля до максимума с помощью регулятора давления 13, перепускающего часть масла из зоны расположения плунжера и мембраны в другую часть насоса. При перекрытом канале краскораспылителя и работающем насосе красочный состав возвращается в расходную емкость через перепускной клапан 7 по шлангу 9. Один насос может обслуживать несколько краскораспылителей. Краскораспылитель этого агрегата имеет канал для краски, нажимную скобу и головку 1 со сменными соплами 2 (рис. 9.10, а). Дробление и нанесение краски на окрашиваемую поверхность происходят за счет кинетической энергии струи при выходе из сопла и мгновенного расширения растворителя, содержащегося в краске. Практически такие агрегаты работают на любых красках в широком диапазоне вязкости. Рис. 9.10. Схемы головок безвоздушного краскораспылителя: а − высокого давления; б − низкого давления; 1− головка; 2− сопло Краскопульты. Для нанесения водномеловых и водно-известковых составов, имеющих небольшую вязкость, широко применяют краскопульты. 384 По конструкции – это ручной или приводной насос, от которого по материальному шлангу состав поступает к краскораспылителю (рис. 9.9, б), называемому форсункой, под давлением до 0,4 МПа. Форсунку ввертывают в металлическую трубку диаметром 10...15 мм и длиной 1,5...2 м, в нижней части которой имеется кран-клапан для перекрытия подачи состава. При открытом кране состав входит в цилиндрическое отверстие форсунки, закручивается и через выходное отверстие раздробленный вылетает в виде полого внутри конуса, производя окрашивание поверхности. 9.3. Машины для покрытия полов, кровель и выполнения гидроизоляционных работ Машины для устройства полов. Для разравнивания, уплотнения и предварительного заглаживания бетонных и цементных полов и стяжек, а также мозаичных полимерцементных полов применяются виброрейки, представляющие собой стальную балку определенного профиля с размещенным на ней вибровозбудителем общего назначения. В зависимости от площади обработки и жесткости смеси используют одно- и двухбалочные виброрейки и виброрейки специального профиля. Обработка поверхности виброрейкой заключается в следующем: машина устанавливается на маячных рейках и перемещается оператором по поверхности полосы, разравнивая уложенную смесь и уплотняя ее. Установка вибровозбудителя на рейке, как правило, обеспечивает ее направленные колебания, причем результирующая центробежного усилия направлена в сторону движения рейки, что облегчает ее перемещение оператором. Это особенно важно для виброреек, имеющих значительную ширину захвата и массу. Для перемещения виброреек используют как жесткие рукоятки, так и гибкие тяги. Кроме электроприводных применяют виброрейки с пневмодвигателями и двигателями внутреннего сгорания. Машины для заглаживания бетонных полов в зависимости от вида рабочего органа подразделяются на лопастные и дисковые. Лопастные машины выпускаются трех- и четырехлопастными. Трехлопастные машины предназначены для заглаживания и относительно грубой отделки бетонных полов, а четырехлопастные — для чистовой обработки поверхности. Заглаживание полов производится после предварительного схватывания бетона. Производительность лопастных машин зависит от многих факторов: ширины захвата, мощности двигателя, угловой скорости рабочего органа, состояния обрабатываемой поверхности и квалификации оператора. Четырехлопастные машины более устойчивы в работе, меньше вибрируют и обеспечивают лучшую чистоту обработки. Частота вращения рабочего органа машин до 200 мин 1 . Грубую обработку и заглаживание производят на меньших, а чистовую — на больших скоростях. Кроме того, выбор угловой 385 скорости зависит от состояния обрабатываемой поверхности (чем выше твердость, тем больше должна быть скорость). Сменные стальные лопасти в зависимости от требований к качеству обрабатываемой поверхности изготовляются разной ширины. Широкие лопасти применяют для затирки, а узкие – для железнения поверхности бетона. Дисковая заглаживающая машина (рис. 9.11, а) состоит из затирочного диска 1, электродвигателя 3, червячного редуктора 4, узла управления и ходовой части 5. Откидной болт 2 предназначен для натяжения клиноременной передачи. Ходовая часть используется только для транспортирования машины в пределах объекта, в процессе работы ее снимают. Вращение затирочному диску (пуск машины в работу) передается от электродвигателя клиноременной передачей и червячным редуктором через фрикционную муфту, срабатывающую при превышении расчетного момента и обеспечивающую защиту оператора. Дисковые заглаживающие машины имеют меньшую производительность по сравнению с лопастными, но позволяют получить более качественную поверхность обработки. Рис. 9.11. Машины для отделки полов: а — дисковая заглаживающая; б −шлифовальная мозаичная: 1− диск; 2− откидной болт; 3− двигатель; 4− червячный редуктор; 5− ходовая часть; 6− корпус; 7,8, 9− зубчатые колеса; 10− амортизатор; 11− державка; 12− трехгранный абразив; 13− планшайба; 14− траверс из листовой резины Вибрация, создаваемая машиной в процессе работы, благодаря более уравновешенному режиму работы, также много меньше, чем у лопастных. Монолитные покрытия полов обрабатывают мозаично-шлифовальными машинами (рис. 9.11, б), состоящими из корпуса 6, редуктора, электродвигателя 3, узла управления и ходовых колес 5. Шлифуют поверхности шестью трехгранными абразивами 12, закрепленными в державках на планшайбах 13. Планшайбы соединены через амортизаторы 10 из листовой резины с траверсами 14. Амортизаторы способствуют равномерному износу абразивов и более плавной работе машины. Траверсы получают вращение от зубчатых колес. Зубчатое колесо 8 зацепляется с шестерней 7 и с шестерней 9, установленной на валу электродвигателя. Такая конструкция дает возможность передавать траверсам вращение в разные стороны и сообщать машине прямолинейное поступательное движение. При обработке больших площадей 386 на съемной раме к трактору или электрокаре монтируют несколько машин, которыми управляет с рабочего места оператор. Шлифование производится с охлаждением водой, которая подается по шлангу из водопровода в зону шлифования. В помещениях с большой площадью пола применяют различные самоходные шлифовальные агрегаты. Частота вращения рабочих органов мозаично-шлифовальных машин 250...750 мин-1, а линейная скорость абразивных элементов составляет 5...20 м/с. Она зависит от вида обрабатываемой поверхности, качества абразивных камней и характера обработки. Наименьшие скорости применяются при грубой обдирке поверхностей, наибольшие − при тонком шлифовании и полировании. Для острожки дощатых полов применяется строгальная машина (рис. 9,12), корпус которой опирается на передний ролик 1 и два задних 9, свободно насаженных на оси траверсы 8, шарнирно соединенной с корпусом. Траверса тягой 7 связана с рукояткой 5, поворотом которой изменяется положение траверсы и тем самым изменяется глубина строгания. Рис.9.12. Машина для обработки полов: 1− передний ролик; 2− электродвигатель; 3− штепсельный разъем; 4−пускатель; 5 − ручка; 6−стойка; 7−тяга; 8− ось траверса; 9 − задний ролик; 10 − барабан с ножами Пружина служит для подъема ножевого барабана с ножами 10 при освобождении тяги траверсы. К корпусу прифланцована стойка 5, на которой установлен пускатель 4 с подведенным к нему кабелем, оканчивающимся штепсельным разъемом 3. Рабочим органом машины является ножевой барабан, укрепленный на поверхности обращенного ротора электродвигателя 2. Вал статора электродвигателя неподвижно закреплен в двух опорах корпуса. Ножевой барабан снабжен тремя ножами, которые помещены в его пазах и прочно зажаты сухарями. Установка ножей регулируется упорными винтами ползунов (по два ползуна на каждый нож). Нож представляет собой стальную закаленную пластину с заточенной режущей кромкой. Угол заточки режущей кромки 38...40°. Режущие кромки ножей должны выступать над поверхностью барабана не более чем на 3 мм. Для правильной установки ножей служит специальная линейка, прилагаемая к машине. Ножи следует закреплять особенно тщательно, так как центробежная сила при вращении ножевого 387 барабана, стремящаяся вырвать ножи, достигает 2000...3000 Н. Строжка машиной производится в два приема. При первом проходе снимается стружка толщиной 1,0...2,5 мм, а при втором (поперечном) проходе толщина чистовой стружки должна быть 0,5...1,0 м. Производительность машины до 40 м2/ч. Для шлифования паркетных и дощатых полов применяют шлифовальные машины, которые могут быть барабанного и дискового типов. Машина барабанного типа (рис. 9.13,) состоит из корпуса 2, опирающегося на два передних и одно заднее колесо 7 рояльного типа. Ходовые колеса снабжены механизмом регулирования степени прижатия барабана к шлифуемой поверхности, соединенного тягой 10 с рукояткой управления. На стойке 6, прифланцованной к корпусу машины, имеются пускатель 4 и мешок для сбора древесной стружки 9. От электродвигателя 11 посредством клиноременной передачи обеспечивается вращение барабана 15 с натянутой на него шкуркой 14 и 387 вентилятора. Отводной ролик 12, закрепленный на откидывающейся крышке 13, ограничивает приближение машины к стене при работе. Рис.9.13. Машины для обработки полов: а − строгальная; б – шлифовальная; 1,7− передние и задние колеса;2− корпус; 3− штепсельный разъем; 4−пускатель; 5− ручка; 6−стойка; 8-−механизм регулирования; 9−мешок;10−тяга;11− двигатель; 12− отводной ролик; 13− крышка; 14− шкурка; 15− барабан Наружная поверхность барабана выполнена из резины, что улучшает сцепление с абразивной лентой, обеспечивает равномерное распределение нагрузок на рабочий орган, а также смягчает удары и уменьшает его вибрацию при работе машины. Окружная скорость шлифовального барабана колеблется 10...22 м/с. Выбор окружной скорости барабана зависит также от типа и качества применяемых шкурок. Концы абразивной шкурки заправляются в косой паз барабана и затягиваются двумя эксцентриковыми валиками. Древесная пыль, образующаяся при работе машины, засасывается вентилятором и удаляется в сборный мешок через отводную трубу. Для получения ровной и гладкой поверхности шлифовку пола достаточно производить в два приема: первый – в прямом и второй – в поперечном направлении. Производительность машины – до 40...60 м2/ч. Для шлифования пола в стесненных местах (под приборами отопления) применяют машины дискового типа. В них рабочим органом является диск с закрепленной на нем абразивной шкуркой. Эти машины имеют небольшую (до 5 м/ч) производительность и разнообразное конструктивное исполнение. Для сварки полотнищ рулонных мАтериалов (линолеума) в заводских и построечных условиях применяют аппараты и машины с инфракрасным излучателем, выполненным в виде нагревательного утюжка (рис. 9.13). В утюжке смонтированы две кварцевые инфракрасные лампы, установленные в фокусе двух параболи- Рис.9.13.Аппарат для сварки: ческих отражателей, формующая пластина 4, линолиума: 1− утюжок; 2− рукозащитный кожух, с рукояткой 2 и средняя пли- ятка;3− свеирфильтр;4- формирута 5. Лучистая энергия, направ ленная от кварцевых ющая пластина; 5− плита 388 ламп в зону разогрева отражателями, преобразуется в тепловую и нагревает до 140...150 °С (до вязкотекучего состояния) кромки свариваемых полотнищ, которые прижимаются друг к другу формующей пластиной. Скорость сварки регулируют изменением расстояния между формующей и средней пластинами. Перед сваркой на кромки свариваемых полотнищ укладывают целлофановую или фторопла- стовую ленту. Для наблюдения за хо дом сварки в зоне центральной прорези пластин установлен защитный светофильтр 3. При малых объемах работ излучатель перемещается вдоль стыка вручную. При выполнении больших объемов работ излучатель монтируют на самоходной четырехколесной каретке с электрическим приводом. С помощью инфракрасных излучателей сваривают 30...70 м/ч линолеума. Прикатку свежеуложенного линолеума для создания прочного сцепления его с основанием осуществляют передвижными двухбарабанными виброкатками, на которых установлен маятниковый электрический вибровозбудитель с вертикально заправленными колебаниями. Виброкатки ручную перемещаются по поверхности линолеума и прикатывают от 100 до 200 м2/ч Машины для устройства кровель и гидроизоляционных работ. Устройство кровельных покрытий в общем комплексе строительно-монтажных работ занимает одно из важных мест, а их удельный вес в городском строительстве составляет по трудоемкости около 6...9 %. В настоящее время основными видами кровельного покрытия являются рулонная и безрулонная (мастичная) кровли. Для устройства безрулонных кровель из мастичных материалов на полимерной основе применяют передвижные станции, посредством которых механизируется разгрузка мастичных материалов и их разжижение с последующей подачей и нанесением на поверхность распыливанием. Такие станции обеспечивают производительность до 800 м2/ч, дальность подачи по вертикали 50 м, по горизонтали – до 80 м. При устройстве рулонных кровель все чаще применяют рубероид с наплавленным в заводских условиях слоем мастики. Такой материал приклеивают к основанию путем разогрева (подплавления) покровного мастичного слоя до температуры 140°...160°С пламенем горелок и последующего прижима. Устройство кровель из направляемого рубероида, производство которого непрерывно растет, является весьма перспективным, так как при этом отпадает необходимость в битумном хозяйстве, сокращается номенклатура оборудования для доставки на рабочие места кровельных материалов и устройства гидроизоляционного слоя, обеспечивается высокое качество кровли, повышается культура производства кровельных работ, улучшаются условия труда рабочих. Контрольные вопросы по девятой главе. 1. Назначение , устройство и основные параметры штукатурных станций. 2. Область применения и устройство торкретных установок. 3. Устройство, принцип действия и основные параметры малярных агрегатов. 4. Принцип работы окрасочного агрегата. 5.Устройство и работа машин для подготовки оснований под полы. 6. Каким аппаратом производится сварка линолеума. 7. Как регулируется скорость сварки линолеума ? 8. Что устанавливают в зоне центральной прорези для наблюдения за ходом 389 сварки. 9. Принципиальное устройство машин для обработки полов и их основные параметры. 10. Основные правила техники безопасности при работе машин для обработки полов и их основные параметры. 10. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ 10.1. Датчики контроля и регулирования Датчики – устройства, служащие для извлечения и предварительной обработки информации о состоянии технологического процесса, агрегатов, машин. Основные функции, выполняемые датчиками, состоят в преобразовании одной физической величины в другую. Первый преобразователь, непосредственно воспринимающий параметр (например, температуру, давление, перемещение машин и их частей), называется чувствительным элементом датчика. Под параметром понимается физическая величина, характеризующая состояние машины, агрегата, технологического процесса. Он может быть представлен как в прямых единицах, например давление в паскалях (Па), так и в косвенных, например давление в пропорциональной величине электрического сопротивления. После основного элемента (воспринимающего органа) в системе датчика устанавливается преобразователь, служащий для получения в удобной форме сигнала о параметре. Вид и физическая сущность сигнала зависят от условий дальнейшего его использования. В простейшем случае датчик состоит из одного преобразующего элемента, выполняющего две функции: восприятия и преобразования. К таким датчикам относятся, например, термопара, термометр сопротивления. Сложные датчики могут состоять из большого числа преобразующих элементов, каждый из которых в других устройствах может использоваться как самостоятельный датчик. Параметр, поступающий на чувствительный элемент, называется входной величиной датчика, а сигнал последнего преобразующего элемента — выходной величиной. Датчики классифицируются (по назначению) в зависимости от входной величины, например перемещений, температуры, давления, расхода, уровня. Для измерения одного и того же параметра можно использовать датчики, имеющие различный принцип действия. Принцип действия датчика определяется его выходной величиной, которая может быть, например, механическим (перемещение), электрическим, гидравлическим или пневматическим сигналом. В системах автоматики чаще всего применяются электрические и механические датчики, реже пневматические и гидравлические. Параметрические датчики — это устройства, в которых неэлектрическая величина преобразуется в параметр электрической цепи, например, сопротив- 390 ление; в генераторных датчиках происходит преобразование в электродвижущую силу. При использовании датчиков следует учитывать их характеристики, основные из которых: вид зависимости выходной величины х от входной величины у = f (x); чувствительность датчика s  yx , (∆ – приращение); порог чувствительности – минимальное изменение входной величины, способное вызывать изменение выходной величины; погрешность. Датчики перемещения. Устройства, служащие для получения информации о положении элементов, устройств, механизмов или их частей путем преобразования линейных или угловых перемещений в электрические или другие величины, называются датчиками перемещения или положения. Простейшим устройством двухпозиционного (релейного) типа для контроля положения механизмов или их частей служит концевой или путевой выключатель. Контактный концевой (конечный) выключатель рычажного типа (рис. I0.1, а) работает следующим образом. При достижении механизмом или его частью какого-либо крайнего положения этот механизм нажимает на рычаг 1 концевого выключателя, который переключает контактную группу 2. Контактная группа чаще всего состоит из двух электрических контактов: закрытого и открытого. Если рычажные выключатели срабатывают при наезде на ролик рычага (линейки), каната или груза, то шпиндельные (рис. I0.1, б) и редукторные (рис. I0.1, в) выключатели действуют после поворота вала механизма на определенный угол. У шпиндельных выключателей винт соединен с валом механизма через зубчатую или цепную передачу, при вращении которого гайка (кулачок) перемещается до наезда на левый или правый выключатель. Рис. 10.1 Схемы концевых выключателей: а) −рычажный; б) − шпиндельный; в) − редукторный;1 − рычаг; 2 − контактная группа В редукторных выключателях вращение от вала механизма передается рычагу, замыкающему или размыкающему контакты, через червячный редуктор и замыкающие или размыкающие шайбы, смонтированные в корпусе выключате- 391 ля. В схемах автоматики помимо контактных датчиков положения применяются индуктивные, индукционные, магнитные, полупроводниковые и другие бесконтактные датчики, а также фотоэлементы и гамма-электронные реле. Применение указанных датчиков имеет ряд преимуществ по сравнению с механическими датчиками вследствие отсутствия непосредственного механического контакта между контролируемым движущимся объектом и чувствительным элементом. На рис. I0.2, а показан общий вид бесконтактного концевого выключателя, функциональная схема которого приведена на рис. I0.2, б. Преобразователь представляет собой полупроводниковый генератор. Возникновение или отсутствие в схеме генерации зависит от наличия металлического экрана между обмотками его. Для повышения разрешающей способности выключателей, уменьшения габаритов чувствительного элемента и обратного воздействия его на контролируемый элемент, а также для получения большей мощности сигнала на выходе выключателя схема последнего содержит генератор и двухкаскадный усилитель релейного типа, который выполняет также роль преобразователя высокочастотных колебаний в сигнал постоянного тока. На рис. 10.3, показан реостатный омический датчик перемещения непрерывного действия, представляющий собой реостат с перемещающимся контактом 2. Рис.10.2. Бесконтактный выключатель: а)- чувствительный элемент; б)- схема преобразователя; 1- корпус; 2- выводы; 3- зазор; Г- генератор; В-выпрямитель Рис.10.3. Реостатный датчик: 1−обмотка на каркасе; 2−перемещающийся контакт; 3−пружина; 4−ось; 5,6,7 − выводы Подвижный контакт жестко укреплен на оси 4, которая связана с положением механизма. Каждому угловому положению оси соответствует определенная величина сопротивления реостата. В качестве датчиков перемещения применяют индуктивые и емкости элементы (рис. I0.4), действие которых основано на зависимости реактивного сопротивления от величины зазора между подвижной и неподвижной частями. Для индуктивного датчика величина сопротивления xL (в омах) пропорциональна индуктивности, определяемой по формуле WФ L , I где L – индуктивность; W– число витков; Ф –магнитный поток, Вб; I – ток, А. Для емкостного датчика величина сопротивления обратно пропорциональна емкости, определяемой по формуле 392 S , 4 где C  емкость, Ф; S  площадь, м 2 ;   зазор, м;   диэлектрическая проницаемость, Ф / м. C Рис. I0.4. Преобразователи величины перемещения в индуктивное и емкостное сопротивления: а, б − индуктивные элементы; в, г − емкостные элементы Для передачи на расстояние угла поворота (или скорости) вала от одной машины к другой служит самосинхронизирующаяся электрическая машина – сельсин. Сельсин-датчик (СД) (рис. 10.5) механически связывается с валом, а у электрически соединенных с ним сельсин-приемников С П повороты осей роторов будут синхронно и синфазно следовать за поворотом оси ротора СД. Система СД−СП может работать в трех режимах: индикаторном (а), трансформаторном (б) и дифференциальном (в). Сельсин имеет две обмотки: трехфазную и однофазную или две трехфазные (для дифференциальных сельсинов). Трехфазная обмотка уложена в пазах статора или ротора со сдвигом 120°. Если однофазную обмотку сельсиндатчика включить в сеть переменного тока (обмотка возбуждения), то во всех трех фазах его трехфазной обмотки (обмотки синхронизации) возникнут электродвижущие силы. При несовпадении осей потоков возбужения СД и СП в каждой машине возникнут вращающие моменты – синхронизирующие моменты, так как обмотки будут пронизываться под разными углами. У СП этот момент будет стремиться повернуть ротор в такое положение, при котором ось потока возбуждения будет совпадать с осью результирующего потока, т. е. перевести ротор СП относительно статора СП в положение, согласованное с положением ротора СД относительно статора СД. Широкое распространение получили бесконтактные сельсины — сельсины, не имеющие контактов для подвода тока к обмотке ротора. Принцип работы такого сельсина следующий (рис. 10.5, г). При подаче на трехфазную обмотку переменного тока в катушках 3 и 6 возникает магнитный поток Ф, который проходит по цепи: катушка трехфазной обмотки 4, пакет 1 ротора 5, воздушный зазор а, тороидальное кольцо 2, внешний магнитопровод 1, тороидальное кольцо 7, воздушный зазор б, пакет 11 ротора, кольцевой воздушный зазор в и, наконец, катушка трехфазной обмотки. Проходя по этой цепи, магнитный поток 393 пересекает витки однофазных катушек и наводит в них электродвижущую силу с частотой питающей цепи. В зависимости от положения ротора меняется сопротивление магнитному потоку и, следовательно, изменяется амплитуда электродвижущей силы, наводимой во вторичной обмотке, от нуля до максимума. Напряжение на вторичной обмотке сельсина зависит от величины и направления магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, а также от угла поворота ротора U вых  kU вых sin  , где U  напряжение, В;   угол поворота ротора сельсина, рад; k  коэффициент трансформации. Направление магнитного потока сохраняется до поворота ротора на 180°. При дальнейшем повороте ротора до 360° направление магнитного потока меняется на противоположное. В результате этого индуктированная в однофазной обмотке электродвижущая сила будет находиться в I полупериод в фазе с питающим напряжением, а во II полупериод— в противофазе (рис. 10.5, д). Напряжение, снимаемое с вторичной обмотки, при повороте ротора сельсина изменяется по синусоидальному закону, т. е. имеет две нулевые точки. Положение их на горизонтальной оси зависит от направления магнитного потока, которое можно менять, изменяя величину и направление тока, протекающего по первичным обмоткам. Рис.10.5. Схемы включения сельсинов: а −индикация; б − трансформация; в − дифференциальная ; СД − датчик; СП − приемник; У− усилитель; Р− редуктор; СДВ − серводвигатель; г − схема магнитопровода бесконтактного сельсина; 1 − внешний магнитопровод; 2,7 – тороидальные кольца; 3,6 − однофазные обмотки; 4 − трехфазная обмотка; 5 − ротор сельсина; а,б,в – воздушные зазоры; 1,П−пакеты ротора; д − зависимости выходного напряжения сельсина от угла поворота ротора 394 Датчики температуры. Прибор или устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее в сигнал, являющийся известной функцией температуры, называется термометром. Чувствительный элемент термометра — это основная часть прибора, служащая для преобразования тепловой энергии в другую физическую величину с целью получения информации о температуре. Чувствительные элементы и датчики термометров бывают контактные, устанавливаемые в зоне измерения температуры, и бесконтактные, устанавливаемые вне зоны измерения температуры. Бесконтактные устройства предназначены для измерения высоких температур и называются пирометрами. Чувствительным элементом таких приборов являются устройства, реагирующие на тепловой или световой поток. В табл. 10.1 приведены основные чувствительные элементы термометров и принцип их действия (способ преобразования параметра). Таблица 10.1 Классификация и принцип действия чувствительных элементов и датчиков термометров Наиболее широко применяются элементы расширения, манометрические, термосопротивления и термоэлектрические (термопары). Датчики расширения преобразуют изменение температуры в перемещение конца стержня или уровня жидкости. Дилатометрический элемент — про- 395 стейший элемент расширения (рис. I0.6, а) состоит из двух стержней: 1 – внутреннего и 2 – наружного. Оба стержня жестко укреплены на донышке 3. Коэффициент линейного расширения наружного стержня, имеющего форму трубки, в 10 −20 раз больше коэффициента расширения внутреннего стержня, изготовленного из инвара (64% Fe + 36% Ni) или керамики. Активный стержень, имеющий больший коэффициент линейного расширения, делают из цветных металлов (медь, латунь) или стали. Если изменение температуры составит t (°С), то удлинение элемента будет определяться по формуле х   t lt , где   коэффициент линейного расширения материала стержня, о С 1 ; l  длина стержня, мм. Рис.10.6. Датчики расширения: а – дилатометрический; б −жидкостный стеклянный; в– биметаллический; г–спиральный; 1– внутренний стержень; 2–наружный стержень; 3–донышко Тогда можно записать: для наружного стержня х2   t2 l2 t , для внутреннего х1   1t l1t и, следовательно, х  х2  х1  кt . Это выражение отражает факт, что наружный стержень перемещается вверх, а внутренний вместе с донышком 3 перемещается вниз. Если принять l 2  l1 , что вытекает из конструкции, то к  l  t2   t1  , где к  коэффициент, выражающий чувствительность элемента, мм/ о С. Этот коэффициент зависит от разности коэффициентов линейного расширения, а зависимость перемещения свободного конца наружного стержня от его температуры является только статической характеристикой элемента при условии, что температура измеряемой среды равна температуре стержня. Жидкостные стеклянные элементы расширения являются разновидностью дилатометрических. Пассивный элемент, имеющий малый коэффициент ли- 396 нейного расширения, представляет собой стеклянную трубку (рис. I0.6 б), заполненную жидкостью (например, этиловый спирт). Эта жидкость является активным элементом, обладающим большим коэффициентом линейного расширения. Две металлические пластины с различными коэффициентами линейного расширения, сваренные между собой, представляют биметаллический чувствительный элемент (рис. I0.6, в). При изменении температуры свободный конец биметаллической пластины перемещается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения, а изменение угла изгиба  пропорционально изменению температуры:   кt Перемещение конца пластины при малых углах отклонения определяется kl по формуле x  0,75 t , где h – толщина пластины, мм; l  длина пластины, h мм. Чувствительность можно повысить за счет длины элемента, в частности путем применения спиральных элементов (рис. I0. 6, г). Манометрические чувствительные элементы (рис. 10.7) представляют собой герметичную систему, состоящую из термобаллона 1 и упру гого элемента 3, соединенных между собой капиллярной трубкой 2. Система заполнена газом или жидкостью. В качестве упругих элементов могут быть использованы как сильфоны, так и мембраны, пружины и пр. Измеряемая температура (tH) воспринимается термобаллоном 1. Нагревание его приводит к повышению давления газа или жидкости, находящихся в практически постоянном объеме. В упругом элементе изменение давления преобразуется в перемещение. С целью уменьшения влияния атмосферного Рис. 10.7. Манометрический давления термоэлементы зачастую заполняются 1−термобаллон; 2– капилляр- азотом или другим газом под давлением. Относиная трубка; 3– упругий элемент тельное изменение давления в них пропорционально изменению температуры. Чувствительные элементы сопротивления (рис. I0.8) представляют собой тонкую металлическую проволоку, намотанную на каркас, или термисторный элемент, защищенные кожухом. Электрические элементы сопротивления и термисторы предназначены для определения температуры путем измерения величины сопротивления металла или полупроводника, которое изменяется при их нагреве. Зависимость сопротивления пластины для температуры от 0 до +630° С выражается формулой Rt  Ro 1  at  bt 2 , а для температур от –190 до 0° С – формулой Rt  Ro 1  аt  bt 2  ct  100 t 3 ,   397 где R о  сопротивление термометра при 0°С, Ом; Rt – сопротивление термометра при t o С, Ом; а, b, с – постоянные, определяемые при градуировке, °С; t измеряемая температура, °С. Чувствительность термометра сопротивления пропорциональна величине I R , где I  ток в цепи термометра; R  сопротивление термометра. Как видно из зависимости рис.10.7, г, начальное сопротивление термисторов очень высоко—несколько тысяч Ом, что позволяет значительно увеличивать сопротивление соединительных проводов. В отличие от термосопротивления у термисторов с повышением температуры сопротивление уменьшается: Rt  Ro e dt t , где dt – температурный коэффициент. Рис. 10.8. Чувствительные элементы термометров сопротивления: a) − проводниковый; б) − полупроводниковый; в) − схема замещения; г) − статические характеристики; Rt − сопротивление термометра; R1, R2− паразитные сопротивления В последнее время в качестве чувствительных элементов находят применение варисторы (рис.10.9, б). Варистор – это полупроводниковый резистор объемного типа, сопротивление которого меняется с изменением приложенного к нему напряжения по нелинейному закону. Вольтамперная характеристика варистора симметрична (рис. 10.9, в), и он может быть использован в цепях как постоянного, так и переменного тока. Изготовляют варисторы из материала на основе карбида кремния. Одним из основных параметров варистора является коэффициент нелинейности определяемый как отношение статического сопротивления варистора RCT (сопротивление постоянному току) к его динамическому сопротивлению Rд (сопротивление переменному току). Величина  положительна и для большинства варисторов имеет значение порядка 2…6 в зависимости от типа и номинального напряжения варистора. Значительная зависимость параметров варисторов от температуры среды используется для измерения температуры. Датчик температуры на варисторах можно охарактеризовать токовой и вольтовой термочувствительностью, под которыми понимают соответственно отношение изменения тока в цепи l  A и напряжения U н В  к вызвавшему их изменению температуры среды  t (°С). 398 Рис.10.9. Полупроводниковый резистор объемного типа – варистор а − внешний вид стержневого и дискового элементов; б − микромодульный элемент; в − вольтамперные характеристики в функции температуры среды Для повышения токовой и вольтовой термочувствительности датчика вместо линейной нагрузки в нем можно использовать нелинейное сопротивление типа Ru (например, стабилитрон или типа Ri транзистор, рис.10.10, а ). На рис.10.10, б показана принципиальная схема одноточечного моста. Прибор работает по принципу автоматического уравновешивания мостовой схемы (Rl,, R2, Rз, R4). Изменение сопротивления термометра 1 нарушает равновесие моста. а) б) Рис. I0.10. Принципиальная схема моста с нелинейным сопротивлением (а) и одноточечного моста (б): 1– чувствительный элемент термометра сопротивления; 2– усилитель; 3– двигатель; 4– стрелка; .5– реохорд; R\– R4– плечи моста; Rл – сопротивление линии связи Напряжение разбаланса усиливается усилителем 2 до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного двигателя 8, который, перемещая ползунок реохорда 5, обеспечивает равновесие мостовой схемы. С двигателем 3 связана показывающая стрелка 4. Измерительная схема моста питается напряжением 6,3 В от усилителя в мостах переменного тока и 1,5 В от сухого элемента или стабилизированного источника питания в мостах постоянного тока. Сопротивления Rn служат для подгонки сопротивления линии связи. Для работы с датчиками, расположенными во взрывоопасных помещениях, предназна- 399 чены мосты постоянного тока в искробезопасном исполнении, устанавливаемые в нормальных помещениях. Принцип действия термоэлектрических преобразователей—термопар основан на возникновении термоэлектродвижущей силы (термо- э д с ) в зависимости от разности температур концов термопары. Эти преобразователи (рис. 10. 12) состоят из двух разнородных проводников А и В (термоэлектродов), соединенных (сваренных) с одного конца 1, называемого рабочим. Рабочий конец погружается в среду с температурой it. К другому концу 2 термопары, называемому свободным (холодный спай), присоединяются провода приборов, измеряющих термо- э д с с термопары. Если температура Рабочего и свободных концов термопары различна, то в термопаре вознизникает термо-э д с. Последняя зависит от свойства матриала термоэлектродов и температур рабочего и свободных концов. Если температуру t0 свободных концов термопары поддерживать постоянной, то термо- э д с будет пропорционально температуре tx. Пусть ЕАВ tttО) — результирующая термо-э д с (В),которая равна алгебраической сумме термо-э д с, Рис. I0.11. Принципиальная возникающих в ней в зависимости от температур схема термопары Е АВ t1to   e ABt1   eBAto  , где е – термо-э д с между спаями, В, При соприкосновении двух одинаково нагретых проводников из разнородных материалов один станет заряжаться положительно, а второй — отрицательно, если в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором. Образующееся в месте соприкосновения проводников электрическое поле будет противодействовать диффузии свободных электронов из, одного проводника в другой. При этом наступит состояние подвижного равновесия, при котором между свободными концами появится некоторая разность потенциалов (термо-э д с). С увеличением температуры проводников величина ее увеличится, кроме того, термо-э д с возникает между концами однородного проводника, имеющего разные температуры. В этом случае положительно заряжается более нагретый конец проводника как обладающий большей концентрацией свободных электронов по сравнению с ненагретым концом. Возрастание разности температур между концами проводника приводит к увеличению появляющейся в нем термо-э д с. Если учесть, что еВАto   e ABto  , то получим Е АВ t1to   e ABt1   eBAto  Таким образом, термо-э д с равна разности двух действующих навстречу суммарных э д с, появляющихся в спаях 1 и 2. В зависимости от величины э д с термопары и сопротивления цепи в проводниках появляется электрический ток, 400 определяемый согласно закону Ома, причем при равенстве температур обоих спаев результирующая термо-э д с равна нулю. Схема соединения термопары с милливольтметром показана на рис. 10.12. Милливольтметры – приборы магнитоэлектрической системы, предназначенные для показаний, записи и регулирования температуры и других неэлектрических величин, преобразуемых с помощью датчиков в электрическое напряжение. Как известно, рабочий, или «горячий», конец термопары образуется сваркой двух термоэлектродов, которые изолируются по всей длине. Свободные, или «холодные», концы термопары присоединяются к милливольтметру или измерительной схеме. Рис. I0.12. Принципиальная схема соединения термопары и милливольтметра: Т − термопара; mV − милливольтметр; R − подгоночная катушка; а − компенсационный провод; в − медный провод В связи с тем, что в производственных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от температуры, при которой составляются градуировочные таблицы, в показания прибора необходимо вводить поправки. Поправки могут вводиться: расчетным путем, методом переноса свободных концов термопары в зону постоянной температуры при помощи компенсационных проводов, введением в термоэлектрическую цепь компенсирующего напряжения, термостатированием свободных концов с помощью термостата. В автоматических потенциометрах компенсация температуры свободных концов обеспечивается автоматически. При измерении, записи и регулировании температуры или других величин, изменение величины которых приводит к изменению активного сопротивления, широкое распространение получили автоматические мосты. 10.2. Датчики давления, преобразователи расхода и уровня жидкости Давление — сила, приходящаяся на единицу площади. При определении давления или других параметров (расхода, уровня), связанных с давлением, применяют в основном механические первичные преобразователи силы, связанные с изменением высоты столба жидкости, перемещением упругих элементов, электрическим сопротивлением или электродвижущей силой вторичных 401 преобразователей датчика. В табл.10.2 приведены основные чувствительные элементы датчиков давления и преобразователей расхода и уровня. Таблица 10.2 Классификация и принцип действия чувствительных элементов и датчиков давления, расхода и уровня Параметр Давление » Чувствительный элемент Жидкостный Сильфон Преобразуемый параметр Высота столба жидкости от давления Перемещение свободного конца гофрированной трубки Перемещение плоскости гофрированной пластины » Мембрана » Трубчатая пружина Угол раскручивания пружины » Тензометр Электрическое сопротивление » Пьезоэлектрический Диафрагма Электрический заряд элементa (пьезоэлектрический эффект) Разность давления до и после сужающего устройства Мерный сосуд Вертушка Уровень или вес при постоянном притоке Скорость вращения лопастей механического устройства Положение поплавка при пoстоянном перепаде давления до и после поплавка Положение границы раздела сред разной плотности относительно дна сосуда Расход » » Ротаметр Уровень Преобразователь уровня Как видно из рис. 10.14, действие механических чувствительных элементов давления сводится к зависимости (кроме жидкостных элементов)   к1 , где   величина перемещения элемента, мм; к1  коэффициент, обусловливающий геометрические размеры и механические свойства элемента;   изменение давления, МПа. Для жидкостного U-образного элемента уровень жидкости равен: 1 U  P  Pa  , g где р – давление в сосуде, Па; Ра – атмосферное давление, Па; g – удельный вес жидкости, Н/м3. Кроме U-образных рассмотренных элементов находят широкое применение различного рода наклонные трубки. Все рассмотренные элементы, кроме жидкостного с запаянной трубкой, являются дифференциальными, так как элементы находятся под действием разности давлений Р–Рa. Однако атмосферным давлением Ра можно пренебречь ввиду его незначительности. 402 При необходимости измерять разность давлений в двух точках Р1 и Р2 удобнее применять специальные дифференциальные чувствительные элементы, используя те же сильфоны или мембраны (рис. I0.13, ж, з). При частых колебаниях давлений упругие чувствительные элементы вследствие их инерционности применять нецелесообразно, а иногда и невозможно. В этих случаях, а также в случае определения деформации (результат воздействия давления на тело) применяют специальные тензометрические или пьезоэлектрические датчики. Рис.10.13. Чувствительные элементы давления: а) − U-образная запаянная трубка; б) – U-образная незапаянная трубка; в) −сильфон; г) – мембрана; д,е) − трубчатые пружины; ж, з) − дифференциальные элементы Принцип действия тензометрических датчиков (рис. I0.14, а, б) основан на тензометрическом эффекте – зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (уголь, графит» металл, полупроводник) от деформации его. Схема включения датчика изображена на рис. I0. 14, в. Рис. I0. 14. Тензометрические чувствительные элементы а) − тензолит; б) − проволочный элемент; в) − схема включения датчика При изменении силы F сопротивление датчика фиксируется вторичным прибором П. Основой действия этих элементов является зависимость 403 R l     , R l где R  сопротивление проводника до деформирования, Ом; R  изменение сопротивления, вызванного деформированием, Ом; l  длина проводника или база, м; l  изменение длины, м;   относительная чувствительность (относительное изменение сопротивления при изменении длины проводника вдвое);   относительная деформация проводника. Элементы, выполненные в виде стержня из порошка угля, сажи или графита, наклеенного на полоску бумаги (рис. 10.14, а), называются тензолитами. Тензолит воспринимает деформации конструкции, на которую он наклеен. Более широкое распространение получили датчики с проволочными чувствительными элементами (рис. 10.14, б). На полоску бумаги наклеивают зигзагообразную тонкую константановую проволоку с медными вводами. При растяжении или сжатии конструкции, на которую наклеен элемент, проволока удлиняется или уменьшается в пределах упругих деформаций, при этом изменяется диаметр проволоки и как следствие сопротивление датчика. База датчиков в зависимости от целей и условий измерения может колебаться в широких пределах от 1 до 300 мм, при этом сопротивление меняется от 30— 50 до 2000 Ом. При статических испытаниях строительных конструкций применяются датчики с сопротивлением 100 – 400 Ом. В зависимости от характера напряженного состояния на исследуемый элемент в одной точке наклеивается один или несколько датчиков: при одноосном напряженном состоянии — один, при двухосном – два, если же направления неизвестны, то наклеиваются тричетыре датчика. Такая группа датчиков называется «розеткой» (рис. I0.15). В последнее время находит применение датчики которых проволочная решетка заменена решеткой из тонкой фольги. Такие датчики обладают значительно меньшей чувствительностью к поперечным деформациям, так как на закруглениях решетка имеет значительно большее сечение, в связи с чем чувствительность этого датчика к поперечным деформациям ничтожна. В практике испытаний конструкций применяют датчи- Рис.10.15. Группа тензоки с непетлевой решеткой, которые практически не имеют датчиков поперечной чувствительности. Решетка в этих датчиках образуется пучком параллельных тонких проволок, которые располагаются друг от друга на расстоянии 0,2…0,6 мм и соединяются последовательно низкоомными перемычками из тонкой фольги. Эти датчики, как и фольговые, обеспечивают высокую стабильность измерений. Измерение деформаций при высоких температурах производят датчиками с термокомпенсированной решеткой, состоящей из двух материалов с различными температурными коэффициентами сопротивления, например из константа и меди. 404 Принцип действия пьезоэлектрических датчиков основан на преобразовании механической энергии в электрическую при помощи пьезоэлектрического эффекта – возникновение электрических зарядов на поверхностях некоторых кристаллов при механическом воздействии на них (рис. 10.16). Величина заряда Q пропорциональна давлению, сжимающему кристалл: Q  dP , где d  пьезоэлектрический модуль, Кл/Па; Р–давление, Па. Пьезоэлектрический модульдляданного типа пьезоэлемента величина постоянная. По сравнению с тензометрическими датчиками пьезоэлектрические обладают рядом преимуществ. Они более компактные, на их показания не влияет изменение температуры и, кроме того, они значительно чувствиительнее. Однако для измерения статических давлений пьезоэлектрические датчики не пригодны. Принцип действия приборов, основанных на зависимости между давлением или разрежением и упругой деформацией сильфона с винтовой цилинлиндрической пружиной виден из рис. 10.17. Рис.10.16. Пьезоэлектрический Измеряемое давление подводится к штуцеру 2 датчик: 1− корпус; 2− чувствиприбора и через капилляр попадает в полость 1 тельный элемент; 3−крышка, кожуха сильфона 3. Дно 19 сильфона перемеща4− электрод ется вверх, сжимая ввернутую в резьбовую втулку 6 пружину 4. Выворачивая или вворачивая пружину 4 во втулку 6, можно регулировать жесткость сильфона. Втулка 6 ввернута в верхнюю неподвижную плату 7 сильфонного механизма, который укреплен на кронштейне 18. Перемещаясь вверх, дно сильфона поднимает прижатую пружинкой к втулке 5 иглу 8 и связанную с ней серьгу 9, вызывая поворот рычага 10, вращающегося на оси 11; на той же оси вращается рычаг 20. Поворот рычага 10 на оси 11 через рычаг 20 передается связанной с ним тяге 12 через поводок 13, поворачивающий ось мостика пера (стрелки). Сухарь 16, находящийся на рычаге 10, служит для регулировки и может передвигаться при помощи винта 17. В основу работы сильфонного вакуумметра положен следующий принцип: величина разрежения, подаваемого в полость 1 кожуха сильфона 3, заставляет последний расширяться, что ведет за собой перемещение его дна и связанного с ним пера записывающей части прибора. Описываемая конструкция вакуумметра аналогична конструкции механизма передачи записи у манометров. Исключением является лишь то, что тяга 12 соединена с противоположным плечом поводка 13 (на чертеже не показано), что вызвано расширением сильфона (при измерении давления сильфон сжимается) и соответственным движением всей системы рычагов, 405 Рис.10.17. Сильфон и передаточный механизм: 1− полость; 2− штуцер; 3− кожух сильфона; 4− пружина; 5, 6 – втулка; 7− неподвижная плата;8− игла; 9−серьга; 10, 14, 20 – рычаги; 11− ось; 12− тяга; 13− поводок; 15−стрелка; 16− сухарь; 17− винт; 18− кронштейн; 19 − дно сильфона В приборах с трубчатой многовитковой пружиной (рис. 10.18, а) измеряемое давление подводится к штуцеру прибора и через капилляр передается в винтовую трубчатую пружину 1. Раскручивание пружины, вызываемое давлением передается посредством передаточного механизма на рычаг пера (стрелки). Передаточный механизм прибора с записью одной кривой смонтирован вместе с пружиной на обратной стороне сегмента. Манометрическая пружина 1 припаяна одним концом к неподвижной скобе 2, а другим (подвижным) концом – к соединительной скобе 3. Соединительная скоба, гибкая в радиальном направлении, связывает пружину с осью 4. Вся эта система укреплена винтами на кронштейне 5. На оси пружины жестко закреплен рычаг 6, по которому при помощи винта 7 может перемещаться каретка 8, шарнирно связанная с поводком 9 и тягой 10. Поводок жестко закреплен на оси, несущей мостик пера (стрелки) 11. Винт и каретка служат для изменения передаточного числа механизма (при тарировке прибора). Передаточный механизм с записью двух кривых также монтируется на сегменте и отличается от описанного механизма наличием второй пружины, передающей свое перемещение на второй мостик пера (стрелки). На сегменте имеется корректор нуля, представляющий собой эксцентрик, при вращении которого поворачивается кронштейн 5 с укрепленной на нем пружиной 1. Благодаря этому происходит смещение пера (стрелки) без изменения рабочего угла поворота. С передней стороны сегмента выступает головка корректора нуля со шлицем. Более точно перо (стрелка) устанавливается на нуль перемещением рычага относительно мостика при помощи отвертки, вставляемой в отверстие мостика. В приборах с трубчатой одновитковой пружиной (рис. I0.18, б) измеряемое давление в пружину 3 подается через штуцер 1 прибора и трубку 2, представляющую собой полую изогнутую по дуге окружности трубку овального сечения. 406 а) б) Рис.10.18. Механизм с многовитковой (а) и одновитковой пружинами: 1− трубчатая пружина; 2− неподвижная скоба; 3− соединительная скоба; 4− ось; 5− кронштейн; 6−рычаг; 7− винт; 8− каретка; 9− поводок; 10− перо и стрелка Механизм пружины смонтирован на плате 4, которая крепится ко дну корпуса прибора. Один конец пружины закреплен в неподвижном основании 5, другой конец пружины соединен посредством наконечника и поводка 7 с тягой 8. Вторым концом тяга 8 соединена шарнирно с направляющей 9, которая установлена в прорези рычага 10 и имеет возможность перемещаться в ней. Рычаг 10 вращается на оси 11, на этой же оси вращается рычаг 12, который соединен посредством направляющей с тягой 13. Второй конец тяги 13 соединен шарнирно с рычагом 14. От рычага 14 движение передается на мостик пера (стрелки) 15, который скреплен с рычагом (стрелкой) 16. На конце рычага (стрелки) 16 надет перодержатель с пером. Перемещением направляющей 9 по прорези рычага 10 можно изменять передаточное отношение механизма манометра. Аналогичное соединение рычага 12 и тяги 13 используется при тарировке и регулировке прибора. Под расходом понимают среднее количество вещества (объем или массу), протекающее через данное сечение в единицу времени (м3/с, кг/с). Понятия «расход» и «количество вещества» следует различать. Расход — это производная от изменения количества вещества по времени. Суммирующие устройства для определения количества называют счетчиками. Расход вещества представляет собой произведение площади сечения на скорость потока. Физические явления, лежащие в основе измерения расхода, могут быть связаны с изменением как скорости движения вещества, так и его количества. При установке в трубопроводе диафрагмы — перегородки с отверстием (рис. I0.19, а) — скорость движения жидкости (или газа) в самой диафрагме и непосредственно после нее возрастает (площадь струи меньше, а расход вещества прежний). Увеличение скорости струи приводит к снижению давления, так как по закону Бернулли сумма кинетической энергии струи, пропорциональной квадрату скорости и статической энергии, определяемой давлением, — величина посто- 407 янная. Разность давлений до и после диафрагмы может измеряться любым дифференциальным манометром. Величина разности давлений пропорциональна квадрату расхода жидкости. Такие элементы называются элементами переменного перепада. Чувствительным элементом расхода жидкости может служить любой сосуд с калиброванным отверстием на выходе (рис. 10.19, б). Рис. 10.19. Чувствительные элементы расхода и количества вещества а – с диафрагмой; б – мерный сосуд; в – ротаметр; г – вертушка; 1 – поплавок; 2 – корпус Благодаря самовыравниванию на стороне расхода при увеличении поступления жидкости в сосуд Qи значение уровня будет возрастать, пока не наступит установившееся состояние, при котором расход увеличится до нового значения прихода QH  Q p  k H уст , где Q  расход, кг/с; H  уровень, м; k  коэффициент пропорциональности. Новое установившееся значение уровня НУСТ пропорционально квадрату расхода. В этом элементе изменение расхода преобразуется в изменение уровня. Но увеличение уровня в сосуде приводит к увеличению его массы, что может быть легко преобразовано в перемещение. На рис. 10 .20, б внизу показан такой же сосуд, но он может вращаться вокруг шарнира. Вес жидкости в нем уравновешивается силой растянутой пружины на другом конце рычага. В некоторых элементах вместо пружины устанавливают постоянный груз. В ротаметре (рис. 10.19, в) (элемент постоянного перепада) изменение расхода жидкости или газа преобразуется за счет кинетической энергии движения вещества в перемещение поплавка 1. Корпус ротаметра 2 представляет собой стеклянную трубку с небольшой конусностью, расширяющейся кверху. Поплавок ротаметра имеет цилиндрическую форму с конической частью внизу. Жидкость или газ, встречая при движении донышко поплавка, теряет часть кинетической энергии. Давление под поплавком становится выше, чем над ним. Разность давлений уравновешивается весом поплавка. При увеличении расхода давление под поплавком возрастает, и он перемещается. Кольцевой зазор между коническим корпусом и поплавком увеличивается. Благодаря этому разность 408 давлений снижается до прежней величины и снова уравновешивается весом поплавка, но уже в новом, более высоком положении. Непосредственное преобразование скорости движения жидкости или газа (и соответственно расхода) в скорость перемещения твердого тела можно осуществить простой вертушкой (рис. 10 .19, г). Уровень жидкости или сыпучих материалов в отличие, например, от температуры, давления можно непосредственно наблюдать. Для измерения уровня по принципу измерения различают приборы: 1) поплавковые и буйковые – чувствительным элементом является плавающий или полностью погруженный в измеряемую жидкость поплавок или буек; 2) емкостные – используется изменение электрической емкости датчика при изменении уровня измеряемой среды; 3) радиоактивные – основаны на изменении протекающего через объект потока излучения при изменении уровня; 4) мембранные – чувствительным элементом является мембрана; давление столба измеряемой жидкости уравновешивается упругой деформацией мембраны или пружины; 5) давления (поплавковые, сильфонные, мембранные) — основанные на измерении давления столба рабочей жидкости. Таким образом, определение уровня сводится или к непосредственному наблюдению положения материала относительно какой-либо отметки сосуда, или к преобразованию уровня в сигнал давления, электрический или радиоактивный сигнал. Основные чувствительные элементы, указанные в классификации уровнемеров, рассмотрены выше. В качестве примера рассмотрим электрическую схему сигнализатора уровня (рис. 10.20). Рис. 10.20. Принципиальная электрическая схема сигнализатора уровня с бесконтактным датчиком Схема состоит из трех функциональных частей: датчика импульсов, дифференцирующей цепочки и релейного усилителя. Датчик импульсов включает генератор на транзисторе Т 1 и усилитель на транзисторах Т2 и Т3. Катушки обрат- 409 ной связи выполнены на ферритовых сердечниках, которые расположены соосно с необходимым зазором, образующим рабочий зазор датчика. При экранировании одной катушки от другой при помощи вращающегося диска колебания в схеме не возбуждаются, а при отсутствии между катушками экрана схема генерирует высокочастотные колебаний, которые преобразуются усилителем в сигналы постоянного тока на коллекторе Т 3 . В момент заполнения материалом расходного бункера движение диска, зубцы которого проходят через паз чувствительного элемента датчика (L 1 , L 2 , L 3 ), затормозится, и импульсы на выходе усилителя (транзистор Тз) прекратятся. Одновременно исчезнут импульсы на выходе дифференцирующей цепочки после диода Д2 , и начнется разрядка конденсатора. Как только напряжение на нем станет ниже уровня, при котором транзистор T 4 поддерживается в открытом состоянии, последний закрывается, а транзистор T5 открывается. Выходное реле срабатывает и выдает в электросхему управляющий сигнал. Измерение расхода вещества (топлива) методом перепада. Расходомеры, применяемые для измерения расхода жидкостей, паров, газов, движущихся в трубопроводах, могут быть подразделены по принципу действия на тахометрические, обтекания, переменного уровня, электромагнитные (индукционные), ультразвуковые и переменного перепада давления. Последние являются измерительными комплектами и состоят из приемного преобразователя, создающего перепад давления в зависимости от величины расхода, соединительных трубок со вспомогательными устройствами и дифференциального манометра. Применяются различные приемные преобразователи и дифманометры (рис. I0.21). Рис. I0 .21. Блок-схема измерения расхода методом перепада Среди первых наиболее широко распространены стандартные сужающие устройства. Кроме них находят применение нестандартизированные сужающие устройства, напорные устройства, измеряющие динамическое давление потока, а также приемные преобразователи в виде участка трубопровода, сопротивление которого изменяется в зависимости от расхода. Среди дифманометров широко применяются поплавковые, кольцевые и колокольные. Эти приборы надежны и достаточно точны, но имеют неблагоприятные динамические характеристики. Кроме того, недостатком этих приборов является наличие во многих из них ртути. Сейчас все большее распространение получают пружинные дифманометры с компенсационной схемой измерения. Сужающие устройства в комплекте с дифманометрами-расходомерами применяются для измерения расхода жидкости, газа или пара по методу пере- 410 менного перепада давления. Для измерения по этому методу в трубопроводе, по которому протекает жидкое или газообразное вещество, устанавливается устройство, создающее местное сужение потока. Вследствие перехода части потенциальной энергии давления в кинетическую энергию средняя скорость потока в суженном сечении повышается. В результате этого статическое давление потока после сужающего устройства становится меньше, чем перед ним. Разность этих давлений (перепад давления) зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода. К стандартным сужающим устройствам относятся диафрагмы, сопла, которые удовлетворяют требованиям, обеспечивающим возможность изготовления и применения таких устройств по результатам расчета без индивидуальной градуировки. Остальные сужающие устройства (трубы Вентури, сегментные и эксцентричные диафрагмы, специальные сопла и др.) не стандартизованы. Измерение перепада давления в сужающем устройстве производится через отдельные цилиндрические отверстия или через две кольцевые камеры, каждая из которых соединяется с внутренней полостью трубопровода кольцевой щелью (сплошной или прерывистой) или группой равномерно распределенных по окружности отверстий. На рис. 10.22 приведена конструкция диафрагмы. Диафрагмы могут применяться для трубопроводов диаметром не менее 50 мм d при условии 0,05≤ ≥0,7, где d – диаметр сужающего устройства, мм; D D – диаметр трубопровода. Рассмотрим работу дифманометра типа ДМК. Дифманометры мембранные компенсационные являются первичными бесшкальными приборами, предназначенными для измерения перепада давлений газа и преобразований измеренной величины в электрический сигнал, пропорциональный ей или корню квадратному из данной величины. Дифманометры работают в комплекте со вторичными приборами ферродинамической или частотной системы. На рис. 10.22, б приведена принципиальная схема дифманометра. При изменении разности давлений, действующих на вялую мембрану 3, перемещается связанный с ней плунжер 2 индукционного датчика. Возникшее вследствие перемещения плунжера напряжение разбаланса поступает на вход электронного усилителя 1.Конденсаторный двигатель 8, управляемый электронным усилителем, поворачивает лекало 6 и через рычаг 5 действует на уравновешивающую пружину 4. Процесс компенсации оканчивается, когда плунжер 2 возвращается в прежнее положение, и усилие, развиваемое мембраной, уравновешивается силой пружины. Ось лекала 6 и стрелка 7 поворачиваются на угол, соответствующий измеряемой величине. С осью лекала кинематически связаны оси рамок выходных преобразователей 9, предназначенных для дистанционной передачи измерений. Дифманометры могут быть снабжены одним, двумя или тремя выходными преобразователями. Основная погрешность показаний комплекта по шкале вторичного прибора, подключенного к одному из выходных ферродинамических преобразователей дифманометра, не должна превышать ±1,5%. 411 а) б) Рис.10.22. Конструкция диафрагмы (а); принципиальная схема (б) дифференциального манометра: Датчики скорости. При контроле работы строительных машин, движущихся механизмов и их частей находят широкое применение реле скорости. Наиболее распространенными и надежными датчиками скорости являются тахогенераторные и магнитоиндуктивные датчики. Электрические генераторы, обладающие хорошими линейными зависимостями между входной величиной — угловой скоростью и выходной величиной — напряжением, называются тахогенераторами. Тахогенераторы предназначены для измерения скорости вращения вала исполнительного механизма. Для этого генератор присоединяют к исполнительной оси и по величине выходного напряжения, снимаемого с якоря (тахогенератор постоянного тока), или статорной обмотки (генератор переменного тока) определяют величину скорости вращения исполнительного механизма. В системах автоматического регулирования скорости исполнительного электродвигателя тахогенераторы выполняют роль измерительного элемента, фиксирующего отклонение скорости вращения якоря от заданной и вырабатывающего соответствующее напряжение, которое после сравнения с эталонным напряжением поступает на усилители для создания управляющего воздействия. При использовании магнитоиндуктивного датчика применяют магнитопроводящий диск с прорезями (рис. 10.23, а). Этот диск при вращении создает изменение магнитного сопротивления датчика. Максимальная проводимость зазоров магнитной системы имеет место тогда, когда над датчиком проходит пластина диска. В результате изменения проницаемости происходит пульсаций магнитного потока, что приводит к появлению электродвижущей силы. Индукционными называются датчики, в которых измеряемая неэлектрическая (обычно механическая) величина преобразуется в индуктированную электродвижущую силу. Наведенная электродвижущая сила определяется скоростью изменения магнитного потока по формуле dФ Е   , dt где Е– электродвижущая сила, В; w – число витков; Ф – магнитный поток, Вб; t– время, с. 412 Вследствие этого индукционные датчики могут непосредственно применяться в качестве элементов преобразования скорости угловых и линейных перемещений. На рис. 10.23, в показана схема магнитоиндуктивного датчика, в котором катушка и магнитная система остаются неподвижными, а подвижная часть (якорь), скрепленная с перемещающимся объектом, выполнена в виде пластины (кольцо) из ферромагнитного материала. При движении этой части меняется магнитное сопротивление, а следовательно, и поток, сцепляющийся с витками катушки. Рис. I0.23. Магнитоиндуктивный (индукционный) датчик: а) − установка датчика; б) − схема конструкции и действия датчика с неподвижным преобразователем; в) −схема конструкции и действия датчика с под вижным преобразователем; 1 − стойка металлическая; 2 − кронштейн; 3 −приводной вал; 4 − управляющая пластина; 5 − датчик Другим конструктивным вариантом индукционного датчика является преобразователь, в котором катушка перемещается в зазоре постоянного магнита или постоянный магнит (электромагнит) перемещается относительно неподвижной катушки (рис. 10.23, б). 10.3. Усилители и переключающие устройства При получении информации от первичных преобразователей или измерительных схем сигнал настолько слаб, что его невозможно использовать без дополнительного усиления – преобразования сигнала в сигнал того же вида энергии, но более мощный. В усилителе происходит преобразование по функции у = kх, где у – сигнал выхода, х – сигнал входа, k – коэффициент усиления. Усилители классифицируются по принципу действия в зависимости от вида действующей в них энергии; электрические (электронные, магнитные, на сопротивлениях, на транзисторах, на трансформаторах); механические, электромеханические, электромашинные, пневматические, гидравлические; по назначению – мощности, напряжения, тока, избирательные, дифференциальные, низкой частоты, высокой частоты, фотоэлектрические, релейные. 413 Для усиления дискретных сигналов применяют специальные релейные устройства. Реле могут быть как контактные, так и бесконтактные. Дискретные усилительные устройства используются в схемах для создания определенных логических зависимостей. Электромагнитные усилители. Для усиления дискретных сигналов наиболее широкое распространение получили электромагнитные реле, относящиеся к электромеханическим устройствам преобразования. В реле изменение входной величины х приводит к скачкообразному изменению выходной величины у. Пусть х (рис. I0.24, а) возрастает от значения х1 до х2. Когда х достигнет хср (величины срабатывания), у примет свое максимальное значение и дальше не изменится. При уменьшении х (от х2 до x1) возврат реле в прежнее положение (отпускание) происходит обычно при величине х0Т несколько меньшей, чем хср. Отношение x0Т/xср называют коэффициентом возврата. В зависимости от конструкции он изменяется в пределах от 0,2 до 0,95. Реле характеризуются: а) мощностью срабатываний Рср, т. е. той минимальной мощностью, которую необходимо подать на вход, чтобы обеспечить срабатывание контактов; б) мощностью управления Рун, т. е. максимальной мощностью в управляемой цепи, при которой контакты работают надежно (не пригорают и не разрушаются); в) продолжительностью срабатывания T ср , т. е. интервалом времени от момента подачи сигнала на вход до момента замыкания контактов; г) количеством контактов. Коэффициент усиления по мощности K=P уп /P ср . Параметры реле обычно выбирают так, чтобы Рср была несколько ниже мощности, которая устанавливается на входе Рвх Рис. I0. 24. Электромагнитные реле и их технические характеристики: а) – нейтральное реле; б) – поляризованное реле 1–сердечник; 2– якорь; 3– пружина; 4– контактная система; 5– короткозамкнутый виток; Ф –поток; х– входная величина; у – выходная Отношение P вх /P ср характеризует коэффициент запаса реле по срабатыванию, т. е. надежность срабатывания. 414 Подвижный якорь электромагнитных реле обычно замыкает не один контакт, а несколько (до 25). Поэтому реле используют не только как усилители, но и как элементы управления, позволяющие дать питание одновременно нескольким электрическим цепям или отключать их, т. е. размножить сигнал. В зависимости от того, реагирует ли реле на направление тока или нет, различают нейтральные и поляризованные электромагнитные реле. В нейтральном реле (см. рис. 10. 24, а) при подаче на вход постоянного тока магнитный поток в сердечнике 1 возрастает; якорь 2 притягивается к нему и, преодолевая усилие пружины 3, замыкает контакты 4. При изменении направления тока в катушке магнитный поток меняется и в сердечнике, и в якоре, а взаимодействие их не нарушается (т. е. они опять притягиваются друг к другу). Благодаря этому реле можно использовать на переменном токе. Однако в тот момент, когда значение синусоидального тока проходит через нуль, сила электромагнита также равна нулю, и под действием пружины 3 якорь отходит от сердечника. Для устранения дребезжания в сердечнике делают короткозамкнутый медный виток 5, который раздваивает магнитный поток в нем и смещает один поток относительно другого по фазе. Поляризованное реле (см. рис. 10.24, б) чувствительно к изменению направления тока на входе. Это достигается введением в цепь магнитопровода постоянного магнита. Магнитный поток его раздваивается на Ф1 и Ф2. Поток Ф1 складывается с потоком, который создает ток управления Фу, а потоки Ф2 и Фу имеют разные знаки. Благодаря этому в левом кольце магнитный поток больше, чем в правом, и якорь 2, преодолевая сопротивление пружины 3', притягивается к левой части сердечника 1 и замыкает контакт 4. При изменении направления тока в обмотках управления якорь притягивается к правой части сердечника и замыкает контакт 4'. Пружины 3 и 3' удерживают якорь в нейтральном положении при отсутствии тока на входе, т. е. реле становится трехпозиционным. При отсутствии пружин прекращение тока на входе оставило бы замкнутым тот контакт, который был замкнут, т. е. реле имело бы только два положения и было бы двухпозиционным. Иногда один из контактов смещают за нейтральную ось в сторону другого контакта (настройка контактов с «преобладанием»). Тогда при отсутствии тока замкнут всегда только один контакт. По назначению различают две группы электромеханических реле: реле напряжения и токовые реле. Электронные и магнитные усилители. Электронные усилители служат для увеличения постоянного или переменного напряжения и силы тока. При этом обязательно происходит усиление мощности сигнала. Путем изменения сопротивления в цепи можно получить высокое напряжение при низкой силе тока или, наоборот, низкое напряжение при большом токе. Основным элементом в электронном усилителе является полупроводниковый триод. Небольшое изменение напряжения (входной сигнал) преобразуется триодом в значительные изменения проходящего через него тока. Магнитные усилители МУ являются ферромагнитными устройствами, предназначенными для увеличения мощности нагрузки при относительно ма- 415 лой мощности управления. МУ отличаются от других типов электрических усилителей своей надежностью, большой механической прочностью, простотой конструкции, удобством эксплуатации и практически неограниченным сроком службы. В отличие от электронных усилителей, у которых управляемыми элементами служат электровакуумные или полупроводниковые приборы, в МУ роль управляемых элементов выполняют катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками. Изменение индуктивности катушки зависит от величины подмагничивающего тока, создаваемого управляющим сигналом. Схема простейшего МУ (дроссель с подмагничиванием) показана на рис. 10.25. Рис. I0.25. Принцип действия магнитного усилителя а) − электрическая схема; б) − зависимость В, p = f(H); в) − зависимость I~y = f/(Iу) В этом усилителе на ферромагнитный сердечник нанесены две обмотки: Wу – управляющая обмотка; Wp – рабочая обмотка, или обмотка переменного тока. На управляющую обмотку подается управляющий сигнал Uу, подлежащий усилению. Последовательно с рабочей обмоткой включена нагрузка RH, которая является выходом магнитного усилителя Uн. Рабочая обмотка Wp питается от источника напряжения переменного тока ~U. Дроссель Ly с большим индуктивным сопротивлением включен последовательно с обмоткой управления. Ток в рабочей цепи (цепи нагрузки) I H  U X p2  R 2 , где R = RH + Rp – полное активное сопротивление нагрузки и рабочей обмотки Wp; Xp – индуктивное сопротивление рабочей обмотки: Х р  L p , причем   2f – угловая частота; Lp – индуктивность рабочей обмотки: L p  W p2 S c  / l cp , здесь Se – площадь поперечного сечения сердечника, м2; lср – средняя длина пути магнитного потока в сердечнике , м;   магнитная проницаемость материала сердечника, Г/м. Так как Wp, Sc и lср величины постоянные, то, очевидно, изменять значение индуктивности рабочей обмотки Lp, а следовательно Хр, можно лишь путем изменения проницаемости  материала сердечника. В качестве материалов для сердечников МУ применяются сплавы железокремниевые, железоникелевые и 416 оксидные ферромагнетики (ферриты). В таких материалах магнитная проницаемость в сильной степени зависит от величины напряженности Н , подмагничивающего поля  = f (Н) (рис. I0.25, б). Таким образом, если в управляющую обмотку WY подать постоянный ток Iу, то он в сердечнике создаст постоянный магнитный поток, который будет накладываться на переменный магнитный поток, созданный обмоткой Wр. С возрастанием Iр вследствие нелинейности кривой намагничивания увеличивается насыщение сердечника. Это приводит к уменьшению  , а следовательно и Ln, и ток в рабочей цепи I~п возрастает (рис. I0.25, в). Таким образом, подмагничивая сердечник постоянным током, можно управлять индуктивностью рабочей обмотки Lp, а следовательно, и переменным током в этой цепи. 10.4. Счетно-решающие устройства Счетчики импульсов – это устройства для отсчета и запоминания количества электрических импульсов, пришедших на его вход за некоторый интервал времени. Они могут применяться для отсчета частоты вращения как частотомеры, датчики интервалов времени, декодирующие элементы, а также в качестве узлов различных синхронизирующих и управляющих устройств. Различают два режима работы счетчиков импульсов: 1) в качестве измерительного устройства, обеспечивающего снятие (чтение) показаний в любой нужный момент; 2) в качестве делителя частоты импульсов, т. е. устройства, на выходе которого появляется сигнал по прошествии определенного числа К импульсов на входе. Число К в этом случае называется коэффициентом пересчета. В измерительной и вычислительной технике делители частоты называются пересчетными схемами, а в автоматике – реле счета импульсов. Счетчики импульсов можно классифицировать по разрешающему времени, т. е. по минимальному времени между двумя импульсами. Разрешающее время зависит от типа счетчика: электромеханический 0,1…0,03 с, электронный на газоразрядных приборах 10-4… 5∙10-6 с, электронный на вакуумных лампах 5∙10-6 … 10-7 с, электронный на полупроводниковых приборах 10-24 … 10-6 с. Электромеханические счетчики импульсов представляют собой разновидность электромагнитного реле, якорь которого приводит в движение храповик, а ось храповика связана со счетным механизмом. В качестве счетчика импульсов широко применяются шаговые искатели. В основе электронных счетчиков импульсов лежит триггер — устройство, имеющее два устойчивых положения. Как правило, в таких приборах счет производится в двоичной системе с последующей дешифрацией. Триггеры соединяются между собой через дифференцирующие RС-цепочки и диоды, необходимые для выделения на соответствующих анодах стартовых импульсов нужной полярности. Построение логических операций и их реализация. Назначение логических устройств систем промышленной автоматики состоит в управлении выходными 417 устройствами в соответствии с состоянием входных устройств (датчиков) по определенному алгоритму (предписанию, определяющему содержание и последовательность операций, переводящих исходные данные в искомый результат). В релейно-контактной технике осуществление события (обозначается 1) связано с понятием замкнутого контакта, а неосуществление (обозначается 0) – с понятием разомкнутого контакта. В системах бесконтактной техники осуществление события связано с наличием сигнала, а неосуществление – с отсутствием сигнала на выходе логического устройства. С переменными событиями 1 и 0 (есть сигнал – нет сигнала) можно производить операции «сложение», «умножение» и «отрицание». Логическая операция сложения обозначается знаком + либо символом V или U. Логическое сложение отличается от обычного тем, что при сложении двух или более единиц в результате также получается единица. Это означает, что при наличии любого из нескольких сигналов на входе устройства на выходе будет сигнал. Аналогом сложения в релейно-контактной технике может служить параллельное включение замыкающих контактов. Эта логическая операция реализует функцию «ИЛИ». Логическое умножение обозначается (•) или (  , &). Точка иногда опускается. Логическое умножение не отличается от алгебраического. Аналогом умножения в релейно-контактной технике может служить последовательное включение замыкающихся контактов. Эта логическая операция реализует функцию «И». Операция «отрицание» или «инверсия» обозначается (–) и означает, что переменная принимает другое противоположное значение. Инверсия единицы (1) означает ноль (0), т. е. 1 = 0, 0 = 1. Все эти операции изучаются алгеброй логики. Так же, как и в обычной алгебре, в алгебре логики имеют дело с переменными (Х1, ,X2 ,X3,...,Xn), но эти переменные могут иметь только два значения (1 и 0). Если переменная имеет значение 1, то она обозначается X1 Х2, ..., Хп, а если имеет значение 0, то X1,Х2, ..., Хп (имеет место «отрицание»). В этом случае переменная читается НЕ х (не ИКС). Если на входе логического устройства имеется несколько переменных Х1,Х2, ..., Хп и это устройство реализует какие-либо логические операции, то на выходе его получим логическую функцию У. Логическая функция является результатом выполнения определенных логических операций над аргументами (переменными). Функция так же, как и аргументы, может принимать только два значения: 0, 1. Ниже приводятся основные тождества и законы алгебры логики (без доказательства): 1) Х + Х= 1; 2) X∙X = 0; 3) X + 1 = 1; 4) X∙1 = X; 5) X = X; 6) Х1(Х2 + Х3 )=(Х 1 Х 2 +Х 1 Х3 ); 7) Х1Х2 = Х2Х1; 8) Х2 + Х1 = Х1 + Х2; 9) (Х1 + Х2)+ Х3 = Х1 + (Х2 + Хз); 418 10) (Х1Х2)Х3= Х1, (Х2Хз); 11) Х1 + Х2 +... + Хп = = Х1 ∙ Хг ∙ ... Хп; 12) Х1 ∙ Х2 ∙ ... . Хп = Х1 + Х2 + ... + Хп. Для реализации логических операций могут быть использованы релейноконтактные устройства, полупроводниковые элементы, магнитные логические элементы. Наиболее широкое распространение в промышленности в последнее время находят полупроводниковые элементы. Для реализации различных алгоритмов управления необходимо иметь такой набор логических элементов, чтобы при его помощи можно было реализовать любую логическую функцию. Для полупроводниковых элементов наиболее целесообразно иметь набор из двух элементов: универсального «ИЛИ — НЕ» и диодной приставки, показанных на рис. 10.26. При подаче сигнала на любой из входов схемы «ИЛИ» на выходе появляется сигнал. Для получения сигнала на выходе элемента «И» необходимо подать сигнал на все входы схемы. В этом случае все диоды будут «заперты» и на выходе будет 1. Тиристорный элемент «ИЛИ — НЕ» представляет собой (см. рис. 10.26, в) транзисторный инвертор с тремя входами, выполненными на сопротивлениях. При сигнале 0 на всех входах транзистор закрыт, а на выходе имеется отрицательный потенциал (сигнал 1). При подаче хотя бы на один из входов сигнала 1 транзистор открывается и сигнал на выходе становится равным 0. Рис. 10.26. Логические элементы а)−диодный элемент «ИЛИ»; б) − диодный элемент «И»; транзисторный элемент «ИЛИ − НЕ» в) − реостатно- Коллекторное сопротивление RK используется при работе с другими элементами. Реализация некоторых функций с помощью элемента «ИЛИ— НЕ» приведена на рис. 10.27, а. Классификация измерительных схем. Полученная с первичных преобразователей (датчиков) информация должна быть соответствующим образом переработана. Одной из задач такой переработки является определение величины полученного сигнала — измерение его, т. е. сравнение с эталоном. Роль таких элементов выполняют измерительные схемы. 419 Рис. 10.27. Реализация некоторых функций с помощью элемента «ИЛИ — НЕ» а) − функция «ЗАПРЕТ»; б) − функция «ПАМЯТЬ В автоматических системах наиболее широко применяются устройства с одним из трех видов измерительных схем: мостовые, компенсационные и дифференциально-трансформаторные. Конкретный вид схемы определяется примененным первичным преобразователем. Все три вида схем построены по методу сравнения, характеризующемуся наличием двух цепочек последовательных преобразований, в одну из которых включен рабочий преобразователь, а в другую — образцовый. Звено сравнения (общее для обоих преобразователей) выдает сигнал разности эталона и фактического значения. Компенсационные схемы измерения. Компенсационные схемы применяются для измерения сигналов, полученных с преобразователей в виде изменения напряжения. В основе работы компенсационных схем лежит метод сравнения. Характерной чертой этих схем является высокая точность измерения. Применяемые в автоматических системах компенсационные устройства выполняются с автоматическим уравновешиванием. Эти устройства называются автоматическими потенциометрами (компенсаторами) постоянного или переменного тока. На рис. 10.28 изображена принципиальная электрическая компенсационная схема, на вход которой для измерения подается электродвижущая сила Ех, создаваемая, например, термопарой. Пусть Rx– сопротивление источника электродвижущей силы, Ом; U – напряжение на приборе-указателе, В; Iу – ток в цепи прибора-указателя равновесия, А (Iу = 0); Ех – определяемая электродвижущая сила, В; Rу — сопротивление прибора-указателя, Ом; RK – часть сопротивления реохорда, Ом; Rn – сопротивление проводов, Ом; Е – электродвижущая сила источника, В; R' – сопротивление цепи питания, Ом. Измеряемая Ех прикладывается к сопротивлению Rу прибора-указателя и к сопротивлению (RK + Rn). Чтобы скомпенсировать падение напряжения на этих участках из условий I y  0 , необходимо передвинуть реохорд таким образом, чтобы разность потенциалов между точками 1 и 2 была равна нулю. Это возможно при условии, если на части сопро- 420 тивления реохорда Rk падение напряжения U k  I o Rk скомпенсировало измеряемую E x . По законам Кирхгофа Iр = Iу + I0, Ех = Iу (Rу + Rx+Rп) + Iр RK = Iу (Rу + Rx + Rк+Rп)+I0 Rк , откуда: Так как сопротивление прибора Ry значительно больше сопротивлений Rx, RK, Rn, то можно принять силы в цепи реохорда имеем Ех = Ux = I0Rк, и поэтому напряжение на указателе и ток в нем равны нулю. где  – удельное сопротивление, Ом∙м; q– сечение намотки реохорда, м2; Lр – полная длина намотки реохорда, м; R – сопротивление реохорда, Ом; Iк – длина намотки реохорда, м, соответствующая компенсирующему сопротивлению Rк; Ri– величина сопротивления реохорда, Ом, приходящаяся на единицу длины намотки реохорда. Отсюда следует Рис.10. 28. Принципиальная электрическая компенсационная схема Другими словами, линейное перемещение движка реохорда пропорционально измеряемой электродвижущей силе. Компенсационные измерительные схемы постоянного тока имеют питание от сухих элементов, требующих периодического контроля и регулирования величины тока I0 с помощью сопротивления R' и специальной схемы, не приведенной на рисунке. Измерительный мост. Мостовые схемы применяются в устройствах, где измеряемая величина при помощи датчика преобразуется в изменение активного или реактивного сопротивления. В основу мостовых схем (рис. 10.29) положена схема моста Уитсона – способ соединения сопротивлений. Принцип действия моста основан на том, что при равенство отношений сопротивлений в плечах R R моста 1  2 в диагонали моста нет тока. На этом принципе основаны мостоR4 R3 вые измерения. Источниками питания мостовых схем могут служить источники напряжения как постоянного, так и переменного тока, причем уравновешивание моста не зависит от колебаний напряжения источника питания. 421 Рис. 10.29. Схема моста постоянного тока Ri—R4− сопротивления в плечах, моста; E − источник питания На рис. 10.30 приведена схема равновесного моста, для которого разность потенциалов в диагонали с измерительным прибором НГ равна нулю. Для этого случая где R — сопротивления в соответствующих плечах моста, Ом, откуда Равновесное состояние может быть достигнуто за счет изменения сопротивления R3. Для устранения источника погрешностей – неопределенное сопротивление в контактах реостата Rs, это сопротивление вводится в диагональ моста (рис. 10.30, б). Мост уравновешивают в этом случае уменьшением соотношения сопротивлений двух смежных плеч. Для устранения влияния сопротивления соедини тельных проводов часто применяют трехпроводную схему включения. В этом случае соединительные провода ab, cd оказываются включенными в разные плечи моста. Колебания напряжения питания практически не сказываются на показания моста при отношениях ±20%, причем с увеличением напряжения питания повышается чувствительность мостовой схемы. На рис. 10.31 показана схема неуравновешенного Рис.10. 30. Равновесный мост: моста, три плеча которого R1, R2 и R3 имеют а) – обычная схема; б)–трехпроводравное постоянное сопротивление, а четвертое плечо ная является функцией сопротивления датчика. Между сопротивлением Rx и силой тока в диагонали CD существует определенная зависимость. Измеряемая физическая величина вызывает изменение сопротивления датчика, которое определяется по величине тока в измерительной диагонали моста. Измеритель может быть отградуирован в единицах физической величины. Неуравновешенные мосты (рис.10.31) удобно применять для частых измерений степени отклонения 422 измеряемой величины от заданного значения, однако показания прибора зависят от напряжения питания моста. Для контроля его имеется сопротивление RK, которое может быть включено вместо Rx. Логометр (рис. 10.32) работает, как и все мостовые схемы, с датчиком сопротивления. Это прибор магнитоэлектрической системы, характерной особенностью которого является наличие подвижной системы из двух жестко связанных и скрещенных рамок обмоток. Эти рамки поворачиваются на общей оси в неравРис.10. 31. Неуравновешанный номерном магнитном поле. К рамкам подводится ток с помощью спеРис.10.31. Неуравновшанный мост циальных спиралей. Токи и моменты рамок, об мотки которых являются плечами моста, направлены в противоположные стороны. Если моменты рамок равны друг другу, то подвижная система находится в равновесии: Rp+ R = Rp+ Rt + Rnp; J1 = J2, и, следовательно, при симметричном положении рамок J1 = J2, где R – сопротивление, Ом; I – токи в рамках, А; J – моменты инерции в рамках, кг∙м2. При изменении Rx подвижная система поворачивается – рамка с более сильным током попадает в область слабого магнитного поля, вторая рамка попадает в область более сильного поля, вызывая изменение моментов J1 и J2. Новое состояние равновесия подвижной системы наступит при Jx = J2, а угол отклонения стрелки логометра зависит от величины Rx. В логометре оба действующих вращающихся момеРис.10.32.Схема логометра нта исчезают при включении тока, поэтому при отсутвии специальных устройств стрелка логометра будет оставаться в том положении, в котором застало ее отклонение, и может создаться неправильное представление о работе прибора. Дифференциально-трансформаторные системы дистанционной передачи. Дифференциально-трансформаторные измерительные системы применяются в устройствах, где измеряемая величина преобразуется в линейные перемещения (перемещения плунжера индукционной катушки). Такие системы работают по нулевому методу (рис. 10.33). Для передачи информации с датчика служат две индукционные катушки, состоящие каждая из первичной и вторичной обмоток, намотанных на общий каркас. Вторичная обмотка в свою очередь состоит из двух секций, включенных навстречу друг другу. Внутри катушки перемещается стальной плунжер. Первичные обмотки соединены последовательно и питаются от электронного усилителя. Вторичные обмотки соединены по дифференциально-трансформаторной схеме с выходом на электронный усилитель. Концы вторичных обмоток К в каждой катушке соединены между собой. 423 Рис. 10.33. Схема дифференциально-трансформаторной измерительной системы ЭУ − электронный усилитель; КД − катушка датчика; КП − катушка приемника; Д − датчик; К, И − конец, начало обмоток Начало Н одной вторичной обмотки катушки датчика соединено с началом обмотки катушки вторичного прибора. Начала других вторичных обмоток катушек датчика и приемника подключаются к входным зажимам электронного усилителя ЗУ. При протекании тока в первичных катушках во вторичных индуктируется электродвижущая сила (э д с), величина и фаза которой зависит от положения плунжера. Если плунжер находится в среднем положении, то э д с, индуктируемые в каждой из секций вторичной обмотки, равны и направлены навстречу друг другу; их разность равна нулю. Если плунжер смещен от нейтрального положения, то на выходе катушки появляется э д с, равная разности э д с, индуктируемых током первичной обмотки в двух секциях вторичной обмотки. Имеющаяся на выходе катушки датчика разность э д с (U1 = е1 – е2) уравновешивается такой же по величине разностью э д с (U2 =е3 –е4), снимаемой с катушки вторичного прибора, а напряжение на входе электронного усилителя будет равно нулю, если плунжер катушки вторичного прибора КП смещен от нейтрального положения на такую же величину, как и плунжер катушки датчика KD. При изменении измеряемой величины плунжер катушки датчика под действием измерительного устройства D (например, сильфон) перемещается, что приводит к изменению разности э. д. с. его вторичных обмоток. В цепи вторичных катушек будет протекать ток, а на входе усилителя появится напряжение небаланса. Усиленное напряжение небаланса подается на управляющую обмотку реверсивного двигателя, который перемещает плунжер катушки прибора в сторону уменьшения напряжения небаланса. Перемещение плунжера вторичного прибора прекратится тогда, когда он займет положение, соответствующее положению плунжера датчика. При этом э д с выхода катушки вторичного прибора будет равна по величине и противоположна по направлению э д с катушки датчика; напряжение небаланса на входе усилителя исчезнет, и двигатель остановится. 424 Таким образом, каждому положению плунжера катушки датчика соответствует определенное положение плунжера катушки вторичного прибора. С осью реверсивного двигателя, кроме плунжера, соединяются также записывающие и показывающие устройства прибора. 10.5. Усилительные и исполнительные устройства Исполнительное устройство системы регулирования – это устройство, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной информацией. Эти устройства состоят из двух основных блоков (исполнительного механизма и регулирующего органа), могут оснащаться дополнительными блоками. В системах автоматического регулирования исполнительный механизм предназначен для перемещения затвора регулирующего органа, который воздействует на процесс путем изменения пропускной способности. Основные исполнительные механизмы – беспружинные мембранные, пружинные мембранные, поршневые пружинные; поворотные, многооборотные, прямоходные; пневматические, гидравлические, электрические. В зависимости от вида используемой энергии и конструктивных особенностей исполнительные механизмы классифицируются на: пневматические, электрические, гидравлические, электропневматические, электрогидравлические, пневмогидравлические, мембранные, поршневые, мембранные гидравлические, поршневые гидравлические. В зависимости от конструктивных особенностей регулирующих органов исполнительные устройства классифицируются следующим образом: заслоночное, односедельное, двухседельное, трехходовое, шланговое. Электрические исполнительные механизмы. К наиболее широко распространенным электрическим исполнительным механизмам относятся электродвигатель и соленоидный исполнительный механизм. Двухпозиционный двигатель ДР (рис.10.34, а) состоит из однофазного асинхронного электродвигателя 5 и шестеренчатого редуктора 1, находящихся в общем литом кожухе. Выходной вал редуктора через шайбу 2 может обеспечить поворот регулирующего органа (например, задвижки) на 180°, а через шток 3 можно одновременно осуществить возвратно-поступательное движение другого рабочего органа. Частота вращения выходного вала зависит от сочетания шестерен в редукторе, которое выбирают при накладке системы. Выключатель 4, расположенный на конце выходного вала, позволяет осуществить двухпозиционное регулирование. Схема его включения показана на рис. 10.34, б. Когда значение регулируемой величины находится в заданных пределах, контакты 6 и 7 управляющего прибора (например, реле) разомкнуты. Пока движок 4 замыкает внутреннее контактное кольцо 3, к которому подключена обмотка статора, и наружное контактное кольцо 8, двигатель и движок 4 вращаются (например, по часо- 425 вой стрелке). Достигнув кольцевого выключателя 1, движок 4 соскакивает с наружного кольца и размыкает цепь. Двигатель останавливается. а) б) Рис.10. 34. Исполнительный двухпозиционный двигатель (а) и схема его включения (б): 1– редуктор; 2– выходной вал; 3– шток; 4– выключатель; 5– электродвигатель Изменение регулируемого параметра приводит к замыканию контакта 7. Двигатель включается движок поворачивается и снова входит в контакт с наружным кольцом, но уже с нижней его половиной. Регулирующий орган перемещается, пока движок 4 не дойдет до другого концевого выключателя 2. Теперь включение двигателя произойдет только при замыкании контакта 6, т. е, когда параметр достигнет своего нижнего предела, Таким образом, выходной вал делает полуоборот и останавливается, а рабочий орган замыкает при этом то одно, то другое крайнее положение. Скорость выходного вала зависит от передаточного числа. Исполнительный механизм с двигателем ПР (рис.10.35) (пропорциональное регулирование) по конструкции близок к двигателю ДР. Возможность пропорционального регулирования достигается здесь установкой на одном валу двух электродвигателей. Один из них вращает вал в одном направлении, другой – в противоположном. Кроме того, на выходном валу наряду с концевым выключателем имеется реостат 4, который используется для обратной связи в схеме, обеспечивающей пропорциональное регулирование. В этой схеме, кроме двигателя ПР, имеется балансовое реле БР-2 (катушки 9 и 10 и сердечник 8 с контактами 11 и 12) и управляющий прибор, который пропорционально изменению регулируемого параметра перемещает движок 6 по реохорду 7. Пропорциональное регулирование осуществляется следующим образом. В начальном состоянии вентиль находится в среднем положении (открытие его соответствует средней нагрузке). Движок 5 находится в центре реостата 4, а управляющий прибор настраивают на заданное значение регулируемого параметра, и движок 6 находится в центре реохорда 7. Ток с клеммы 3 идет на движок 6 и раздваивается. Поскольку сопротивление в левой цепи равно сопротивлению в правой, то сила тока в 426 катушках .9 и 10 одинакова. Сердечник 8 балансового реле находится в нейтральном положении, контакты 11 и 12 разомкнуты, двигатель стоит. При изменении регулируемого параметра движок 6 перемещается по реохорду 7 (предположим, влево). Сила тока в катушке 9 возрастает, а в катушке 10 падает. Сердечник реле 8 замкнет левый контакт 12, и ток с узла а через контакт 12 пойдет на катушку статора 2. Вращение двигателя будет изменять положение рабочего органа и одновременно перемещать движок 5 реостата обратной связи вправо. Когда сопротивление в левой части реостата 4 увеличиРис.I0.35. Схема включения тся настолько, что компенсирует уменьшение исполнительного двигателя: сопротивления в левой части реохорда 7, ток в 1 – двигателя; 2,15, – катушки катушках 9 и 10 снова станет одинаковым, и 4- реостаты рехорда; 5, 6 −движки серчник 8 реле, разомкнув контакт 12 займет нейреохорда ; 8 − сердечник; 9, 10 тральное положение нейтрально положение. Дви− катушки балансного реле; гатель остановится, но выходной вал будет уже 11, 12, − контакты балансового повернут на определенный угол и рабочий реле; 13− концевой выключатель; орган займет новое положение, отклонившись 14− контакты концевого выклю- от среднего пропорционально изменению регуличателя руемой величины. При отклонении регулируемой величины в другую сторону движок 6 переместится по реохорду 7 вправо, катушка реле 10 притянет сердечник 8 и замкнет контакт 11. Ток пойдет в правый двигатель (катушка 15), и вал будет вращаться в противоположном направлении, пока реостат обратной связи снова не восстановит равновесие. При повороте вала от среднего положения на заданный угол (от 0 до 180° в зависимости от регулировки) концевой выключатель разрывает левый или правый контакт 14 и останавливает двигатель. Соленоидные (электромагнитные) вентили СВ служат для преобразования электрического импульса в двухпозиционное перемещение клапана: при наличии напряжения в электромагнитной катушке клапан открыт, при отсутствии напряжения закрыт. Для открытия клапанов большого диаметра требуется сравнительно большое усилие. Чтобы уменьшить мощность (и соответственно габариты) электромагнита, в конструкции СВ обычно имеется гидравлический усилитель. По принципу действия различают поршневые и мембранные (СВМ) соленоидные вентили. На рис. 10.36, а приведена схема поршневого соленоидного вентиля. При отсутствии тока управляющий клапан 5 перекрывает центральное отверстие в поршне-клапане 6. Поступающая жидкость через калиброванное отверстие в поршне-клапане 6 или по специальной канавке, имеющейся на его 427 наружной поверхности, попадает в полость над поршнем 6. Давление жидкости и вес клапана обеспечивают плотное его закрытие. При появлении тока в катушке 1 сердечник 2 втягивается в катушку и, ударяя по корончатой гайке 4, поднимает разгрузочный (управляющий) клапан 5. а) б) Рис.10.36. Схемы поршневого (а): 1– катушка; сердечник; 3– трубка; 4– гайка; 5– равляющий клапан; 6– поршень; 7– седло; 8– винт; б) мембранного соленоидного вентиля: 1– мембрана; 2– щель; 3– основной клапан; 4– отверстия; 5–пружина; 6– управляющий клапан Жидкость из верхней полости поршня 6 стекает через центральное отверстие, и давление ее падает. Под действием силы электромагнита и давления жидкости, поступающей снизу (поскольку верхняя площадь кольцевой выточки поршня больше площади перекрываемого отверстия), поршень перемещается вверх до полного открытия. Катушка 1 отделена от жидкостной полости трубкой 3 из немагнитного материала. Винт 8 служит для принудительного открытия клапана. Для лучшего уплотнения в основном клапане предусмотрена резиновая прокладка, которая прилегает к латунному седлу 7. Центральное отверстие в поршне не должно быть намного больше калиброванного отверстия (или площади сечения продольной канавки), иначе клапан будет очень быстро закрываться (менее чем за 0,3 с), и произойдет недопустимое повышение давления в трубопроводе до вентиля [свыше (16…20)∙105 Н/м2], что может вызвать гидравлический удар и разрыв трубопровода. В мембранном соленоидном вентиле камера над основным клапаном (рис. 10.36, б) отделена от напорной линии мембраной 1 из прорезиненной ткани. Поступающая жидкость, проходя через фильтрующую щель 2 и отверстие 4, заполняет полость над мембраной. Давление ее и сила пружины 5 закрывают основной клапан 3. При включении катушки управляющий клапан 6 поднимается, жидкость вытекает из полости над мембраной по вертикальному каналу в основном клапане и давление ее падает. Тогда давление поступающей жидкости на мембрану снизу преодолевает силу пружины 5 и открывает клапан. Гидравлические и пневматические исполнительные механизмы. Широкое место в строительных машинах занимают гидравлические и пневматические исполнительные механизмы. В гидравлических, пневматических, а также сме- 428 шанных системах автоматического регулирования в качестве исполнительных элементов широко используются гидравлические или пневматические сервомоторы—силовые элементы, преобразующие энергию потока жидкости или газа (воздуха) в механическую энергию перемещения поршня, поворота лопасти или вращения выходного вала. Гидравлические и пневматические сервомоторы просты по конструкции, весьма надежны в работе. Они отличаются небольшими размерами, долговечностью и наряду с этим обеспечивают весьма большие перестановочные усилия, небольшой инерционностью, так как масса их подвижных частей мала. Полоса пропускания частот гидравлических и пневматических сервомоторов достаточно велика. В этих сервомоторах легко достигается любое изменение скорости их перемещения — от нулевой до максимальной расчетной. Благодаря перечисленным свойствам рассматриваемые сервомоторы весьма удобны для использования в системах автоматического регулирования. Из гидравлических сервомоторов наиболее распространены поршневые, лопастные и роторные. Поршневые исполнительные элементы представляют собой сервомоторы с поступательно движущимся поршнем, лопастные сервомоторы являются исполнительными элементами с поворотным поршнем (лопастью), а сервомоторы роторного типа осуществляют непрерывное вращение выходного вала. Поршневой сервомотор (рис. 10.37) состоит из цилиндра 1, поршня 2, крышки 3 и штока 4. Рис. 10.37. Поршневой сервомотор 1− цилиндр; 2 − поршень; 3 − крышка; 4 − шток При подаче жидкости под давлением в левую часть цилиндра 1 поршень со штоком перемещаются вправо, при подаче жидкости в правую часть цилиндра поршень со штоком перемещаются влево. Одна из разновидностей поршневых сервомоторов – мембранные сервомоторы, У которых поршень мембраной. Они применяются в тех случаях, когда перемещения органа управления регуляторов сравнительно невелики или требуется тщательная герметизация рабочей жидкости от окружающей среды. Сервомоторы с поворотным поршнем (рис.10.38) вследствие больших технологических трудностей и утечек рабочей жидкости менее распространены, чем сервомоторы с поступательно движущимся поршнем. 429 В существующих конструкциях сервомоторов с одной лопастью предельный угол поворота выходного вала обычно не превышает 300°, а в сервомоторах с двумя лопастями – 340°. Рис. 10. 38. Поворотный однолопастный сервомотор: 1–цилиндр; 2– крышка; 3– лопасть Для преобразования энергии потока рабочей жидкости во вращательное движение используются роторные сермоторы. С целью бесступенчатого регулирования скорости нагрузки между сервомотором и нагрузкой устанавливаются гидравлические бесступенчатые преобразователи скорости вращения — муфты с объемным управлением ( рис. 10.39) или дроссельные механизмы. Рис. 10.39. Схемы гидромуфт: а) − радиальная; б) − аксиальная; в) − лопастная При объемном регулировании применяется насос переменной производительности, при плавном изменении давления происходит плавное изменение частоты вращения вала гидромотора или движения штока гидроцилиндра. Такой способ регулирования обеспечивает наивысший коэффициент полезного действия в широком диапазоне регулирования. При дроссельном регулировании жидкость, подаваемая насосом, разделяется на два потока: первый поступает в гидромотор (гидроцилиндр), второй возвращается в бак. Этот способ регулирования неэкономичен, так как насос постоянно работает при полной нагрузке; применяется он лишь в гидроприводах малой мощности. Основным элементом гидропривода является насос, который может быть шестеренчатым, лопастным, аксиально- или радиально-плунжерным. Наиболее распространены шестеренчатые насосы, простые по конструкции, надежные в работе и пригодные для использования в режиме гидромотора. 430 На рис. 10.40 изображена принципиальная схема гидравлического исполнительного устройства с объемным управлением. Частота вращения вала сервомотора регулируется изменением рабочего объема гидронасоса. Изменение объема насоса при постоянной частоте вращения его вала приводит к изменению подачи насоса на один оборот, т. е. к изменению производительности насоса. Рис. 10.40. Принципиальная схема гидравлического исполнительного устройства: 1−гидронасос;2−управляющее устройство;3−электродвигатель;4−предохранительные клапаны;5− сервомотор; 6− редуктор; 7− нагрузка; 8 − шестеренчатый насос; 9 − редукционный клапан; 10 − подпиточные клапаны Обычно объемное регулирование гидронасоса применяется при постоянном рабочем объеме сервомотора, соответствующем максимальному крутящему моменту. Частота вращения вала сервомотора регулируется изменением рабочего объема гидронасоса. Изменение объема насоса при постоянной частоте вращения его вала приводит к изменению подачи насоса на один оборот, т. е. к изменению производительности насоса. Обычно объемное регулирование гидронасоса применяется при постоянном рабочем объеме сервомотора, соответствующем максимальному крутящему моменту. При постоянном рабочем объеме и постоянной нагрузке на его валу частота вращения вала сервомотора пропорциональна производительности гидронасоса. Направление вращения вала определяется направлением потока жидкости. Пневматические исполнительные устройства применяются реже гидравлических. По принципу действия они практически сходны. На рис. 10.41 изображены общая схема и механизм поворота исполнительного устройства бурильного молотка — перфоратора. Под действием сжатого воздуха, поступающего в верхнюю часть цилиндра 1, поршень-ударник 2 наносит резкий удар по хвостовику 3 бура, в результате чего коронка 9 ударяется по породе и углубляется в нее на незначительную глубину. При холостом ходе сжатый воздух поступает в нижнюю полость цилиндра и поднимает поршень-ударник. 431 Рис. 10. 41. Бурильный молоток (перфоратор) а – общая схема; б – механизм поворота; 1– цилиндр; 2 – поршень-ударник; 3– хвостовик бура; 4 – храповая букса; 5 – стержень; 6 – собачка; 7 – поворотная букса; 8 – шлицы хвостовика; 9 – коронка бура Изменение направления подачи воздуха производится с помощью золотникового устройства. Механизм поворота состоит из храповой буксы 4, стержня 5 со спиральными канавками поршня 2, закрепленного на стержне, и поворотной буксы 7. Шлицы 8 хвостовика стержня 5 входят в шлицованное отверстие поворотной буксы 7. При рабочем ходе поршня-ударника 2 (вниз) поворачивается (по стрелке) храповая букса 4. Этому способствуют винтовые канавки на стержне 5. При холостом ходе поршня храповая букса, упираясь в собачки 6, остается неподвижной и заставляет проворачиваться стержень 5, а вместе с ним и поворотную буксу 4 с буром. Бур состоит из хвостовика 3, коронки 9 и соединяющего их стержня. Буры обычно изготовляются из шестигранной стали, имеющей внутренний продольный канал, по которому подается воздух (вода) для продувки (промывки) шпура. Электромашинные и тиристорные усилители. Под электромашинным усилителем (ЭМУ) обычно понимается электрическая машина, получающая слабый электрический входной сигнал (или сумму сигналов) и повторяющая этот сигнал на выходе со значительным усилением его мощности за счет энергии, получаемой от приводного двигателя, питающегося от постороннего источника электрической энергии. Из многочисленных разновидностей электромашинных усилителей (ЭМУ) наибольшее распространение имеют два типа, а именно ЭМУ поперечного поля и ЭМУ с самовозбуждением. ЭМУ поперечного поля представляет собой генератор постоянного тока, имеющий на якоре обмотку, типичную для машин постоянного тока. Его шихтованная магнитная система выполняется с явно и неявно выраженными полюсами. На коллекторе расположены две пары щеток; а-а и б-б (рис. 10.42). Поперечные щетки бб замкнуты накоротко. ЭМУ является двухкаскадным усилителем. Первым каскадом считается его часть от обмотки управления ОУ1 до короткозамкнутых щеток б-б, а вторым – от щеток б-б до выхода. При появлении даже малого потока Фа, созданного обмоткой ОУ1,в цепи короткозамкнутых щеток возникает значительный ток iб,, так как сопротивление этой цепи 432 мало. Ток iб создает значительный поперечный поток ЭМУ Фб, который наводит э д с в выходной цепи Евых. Рис. 10.42. Схема электромашинного усилителя: а) − схема усилителя; б, в) − характеристики усилителя Ток выходной цепи Iя создает поток реакции якоря по продольной оси, уменьшающий поток Фа. Для ослабления действия реакции якоря по продольной оси в усилителе размещается компенсационная обмотка КО, действие которой может быть большим или меньшим в зависимости от положения ползуна реостата. ЭМУ с самовозбуждением представляет собой генератор постоянного тока, который в отличие от обычного имеет обмотку самовозбуждения, подключенную к якорю, и одну или несколько обмоток управления. По существу обмотка самовозбуждения выполняет функцию положительной обратной связи по напряжению. Такой усилитель может иметь значительно большие коэффициенты усиления по мощности, напряжению и току, чем обычный генератор (коэффициент усиления по мощности обычно возрастает в 5…15 раз), Тиристор — управляемый полупроводниковый вентиль, имеет четырехслойную кремниевую структуру типа р-п-р-п (рис. 10. 43) с двумя крайними и двумя внутренними областями. Частота вращения вала сервомотора регулируется изменением рабочего объема гидронасоса. Изменение объема насоса при постоянной частоте вращения его вала приводит к изменению подачи насоса на один оборот, т. е. к изменению производительности насоса. Рис.10.43. Управляемый вентиль Внешние выводы присоединяются к двум крайним и одной внутренней базовой области. Если на анод (внешний р-слой) подан потенциал положительный относительно катода (внешний n-слой), то при приложении между анодом и катодом тиристора положительного напряжения через прибор начинает протекать слабый ток. При подаче на цепь управляющего электрода положительного потенциала общий ток, проходящий через управляемый полупроводниковый вентиль, возрастает вследствие эффекта 433 транзисторного усиления и небольшая мощность, затраченная в цепи «управляющий электрод—катод», изменяет во много раз мощность в цепи анода. Свойства и характеристики управляемых кремниевых вентилей-тиристоров позволяют создавать качественно новые системы управления электрическим приводом постоянного и переменного тока. Тиристорный привод имеет следующие преимущества: бесступенчатое регулирование, незначительную мощность управления, постоянную готовность к включению, возможность работать при вибрации, тряске, ударах. Применение тиристорных преобразователейусилителей обеспечивает плавность пусковых режимов, улучшение работы механической части, повышение КПД, снижение веса и габаритов аппаратуры, что имеет существенное значение для самоходных машин. Используя тиристорный привод, можно осуществить быстрый переход от автономного источника питания к питания от сети строительной площадки. Пневматические и гидравлические усилители Применяемые в технике пневмо- и гидроусилители разделяются на два основных класса: дроссельные усилители и струйные. Пневмоусилители и особенно гидроусилители отличаются большим коэффициентом усиления, надежностью, простотой и компактностью конструкции, благодаря чему они широко применяются в технике автоматического регулирования. На рис. 10.44, а показан усилитель с золотниковым управляющим элементом. Рабочая жидкость под давлением Р1 (несколько атмосфер) поступает в управляющий золотник через трубку 1. Трубки 2 сообщаются с внешней средой, через них происходит слив рабочей жидкости. При нейтральном положении поршня золотника окна 4 перекрыты, и давление жидкости в верхней и нижней камерах механизма одинаковое. Если же поршень 3 переместится вверх, то верхнее окно 4 приоткроется, и в верхнюю камеру цилиндра механизма 5 начнет поступать жидкость, подводимая к золотнику под давлением Р1. Рис. 10.44. Гидравлические и пневматические усилители а) − усилитель с золотниковым управляющим элементом; б) − усилитель со струйной трубкой; в) − усилитель с соплом и заслонкой; 1, 2 − трубки; 3 − поршень золотникового устройства; 4 −окно; 5 − поршень рабочего механизма; 6 − струйная трубка; 7−приемные канна лы; 8 − поршень рабочего механизма; 9 − сопло; 10 − заслонка; 11 − дроссель; 12 − исполнительное устройство 434 В это же время нижнее окно 4 окажется приоткрытым для слива жидкости из нижней части цилиндра. В результате этого давление в верхней и нижней камерах станет различным, и на поршень механизма 5 будет действовать сила, пропорциональная разности этих давлений. То же самое произойдет и при перемещении поршня золотника вниз, только в этом случае выходное усилие механизма будет действовать в противоположном направлении. Специальным профилем окон золотника можно обеспечить в рабочей области достаточно равномерную зависимость между величиной входного воздействия на шток золотника и усилием исполнительного механизма. Подобные усилители позволяют получать коэффициенты усиления 1000 и более, а усилия – тысячи ньютонов. На рис. 10. 44, б показан усилитель со струйной трубкой. Конец струйной трубки 6 может легко смещаться. В трубку подается рабочая жидкость под давлением Р1 (несколько атмосфер). На небольшом расстоянии от конца струйной трубки располагаются два приемных канала 7. Струя жидкости выходит с большой скоростью из струйной трубки и попадает в приемные каналы, где кинетическая энергия струи переходит в потенциальную, и давление в приемных каналах повышается до начального. При нейтральном положении трубки давление в верхней и нижней камерах цилиндра механизма одинаково. Если же под действием внешнего усилия конец струйной трубки сместится вверх, то давление в верхнем канале станет больше, а в нижнем — меньше, вследствие чего давление жидкости в верхней камере цилиндра также станет больше, чем в нижней. В результате на поршень цилиндра механизма будет действовать сила, пропорциональная разности этих давлений. Струйная трубка реагирует на очень небольшие перемещения (несколько десятков микрон). При значительных перемещениях усилие имеет релейный характер. Коэффициент усиления со струйными трубками может быть получен еще выше, чем у усилителя с золотником. Управление давлением газа или жидкости может осуществляться также с помощью сопла и заслонки (рис. 10. 44, в), которые особенно часто используют в пневматических усилителях. Рассмотрим работу подобного устройства. В трубку 1 нагнетается воздух. Через сопло 9, которое может прикрываться заслонкой 10 , воздух выходит наружу. При изменении положения заслонки меняется сопротивление истечению воздуха через сопло и в результате этого меняется давление за дросселем 11. Подбор профиля заслонки позволяет получить линейную зависимость между положением заслонки и давлением в камере исполнительного устройства 12. Подобные усилители обладают большой чувствительностью: небольшие усилия, перемещающие заслонку, преобразуются в значительные усилия, перемещающие регулирующие органы. 435 Недостатками гидравлических и пневматических усилителей являются большая инерционность, ограниченность дистанционного действия и необходимость иметь иногда специальные компрессорные установки. Контрольные вопросы по десятой главе. 1. Как классифицируются датчики контроля и регулирования ? 2. Что следует учитывать при использовании датчиков ? 3. Что из себя представляет бесконтактный концевой выключатель ? 4. Покажите схему включения сельсинов. 5. Из каких элементов состоит манометрический чувствительный элемент ? 6. Принцип действия термоэлектрических преобразователей. 7. Разновидности элементов давления. 8. Показать группу датчиков, наклеенных в «розетку». 9. Особенности чувствительных элементов расхода и количества вещества. 10. Для измерения уровня жидкости различают приборы. 11. Какие усилители применяют для усиления сигнала ? 12. Как реализуется логическая операция ? 13. Представьте схему диодного элемента «ИЛИ». 14. Показать схему моста постоянного тока.14. Чем отличается равновесный мост от неуравновешенного ? 15. Как работает логометр ? 16. Что представляет собой гидравлический усилитель ? 11. АВТОМАТИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН 11.1. Цель и задачи автоматизации машин Потребность в применении микропроцессорной техники и роботов в строительстве вызвана рядом причин: возрастающим дефицитом кадров механизаторов, занятых на строительных работах; повышенной опасностью многих строительных работ; тяжелыми условиями труда операторов дорожно-строительных машин; сложностью управления машинами, не позволяющей обеспечить высокие качество работ и производительность труда. Большинство машин является источником опасных уровней шумов и вибраций. При этом средняя амплитуда ускорения рабочего места оператора в вертикальном направлении при движении машины в 2 раза выше, чем при движении грузового автомобиля, а амплитуда ускорения рабочего места при движении грузового автомобиля в 3…4 раза выше, чем при движении легкового автомобиля. Операторы одноковшовых экскаваторов при копании грунта и загрузке машин в основном выполняют монотонно повторяющиеся операции, состоящие из 12 элементов, средняя длительность которых 24 с. За смену оператор выполняет более 350 таких операций; при этом число необходимых включений и выключений муфты сцепления многих дорожно-строительных машин в 2…3 раза превышает число включений и выключений муфты сцепления автомобилей, работающих в городе. Подобные условия работы операторов дорожно-строительных машин являются причиной их быстрой утомляемости и профессиональных заболеваний, что отрицательно влияет на качество работ и производительность труда. Для устранения указанных недостатков, которые усугубляются с усложнением конструкций современных машин, с повышением их скоростей и рабочих нагрузок, 436 необходимо внедрить средства автоматизации. Основными задачами автоматизации машин являются следующие: 1. Повышение производительности труда и высвобождение рабочей силы на основе внедрения прогрессивных строительных технологий и сокращения продолжительности операций рабочего цикла; 2. Повышение качества работ путем повышения точности установки рабочих органов и постоянного слежения и корректировки их положения в процессе ; 3. Улучшение условий труда оператора путем автоматизации часто повторяющихся операций и освобождения оператора от больших физических нагрузок; 4. Повышение безопасности труда при работе в неблагоприятных и опасных условиях путем дистанционного управления машиной и ее рабочим оборудованием, а также установки датчиков и контрольно-предохранительных устройств на базе микрокомпьютеров, сигнализирующих о приближении опасных ситуаций и блокирующих привод машины при перегрузках и неисправностях; 5. Повышение надежности машин и рабочего оборудования путем оптимизации силовых и скоростных режимов работы привода и информации оператора о состоянии систем и агрегатов машины; 6. Повышение экономической эффективности работы машин благодаря оптимальному использованию мощности двигателя, созданию оптимальных условий сгорания топлива в двигателе, а также более экономичному расходу строительных материалов при производстве планировочных работ, бетонировании сооружений и других видов работ. Автоматизация систем управления и контроля за работой машин. Системы автоматизированного управления и контроля выполняют функции управления приводом машины путем постоянного сравнения фактических характеристик и параметров машины и ее рабочего оборудования с оптимальными характеристикам и параметрами, запрограммированными в памяти микрокомпьютера. С помощью такой системы может осуществляться управление моментом искрообразования для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя, либо управления экономайзером, через жиклер которого топливо подается в смесительную камеру карбюратора, откуда обогащенная смесь поступает в цилиндры двигателя. Все большее распространение получают компьютерные системы, управляющие вращающим моментом и скоростью движения машины путем воздействия на ее коробку передач. Автоматический выбор и переключения передач в этих машинах основывается на показаниях датчиков, расположенных на валу двигателя и на выходном валу коробки передач. Эти датчики воспринимают изменение нагрузочных и скоростных режимов работы двигателя и трансмиссии и в виде входных сигналов передают эту информацию компьютеру. Поступающие в компьютер входные сигналы сравниваются с запрограммированным аналогом и уже в виде выходных сигналов-команд через усилители сигналов поступают к магнитным переключателям передач, которые непосредственно 437 осуществляют переключение передач, соответствующей в данный момент времени оптимальному режиму работы машины. На рис. 11.1 показана схема автоматического переключения передач на базе компьютера. В этой схеме микрокомпьютер 4 обрабатывает данные, поступающие от индукционных датчиков частоты вращения насосного и турбинного колеса гидротрансформатора. При достижении предельного значения скольжения гидротрансформатора выдается команда на переключения передач, чем обеспечивается оптимальное согласование характеристик двигателя, трансмиссии и дорожных условий. Схема электронного управления приводами машин обычно одинаковы для всех машин данного типа, но программы различны для каждого типа размера. В таких системах предусматривается возможность переключения программ при изменении условий работы. Челябинским заводом дорожных машин им. Колющенко по проекту ВНИИСтройдормаш начат серийный выпуск автоматизированного скрепера с лазерной установкой. Этот скрепер используется для планировки земляных площадей, требующей особой точности выполнения работ (с погрешностью  3 см). Лазерная установка, предназначенная для дистанционного управления высотным и угловым положением рабочего органа (ковша), состоит из двух частей: лазерного передатчика (излучателя), установленного неподвижно на местности в некоторой точке с известной высотной отметкой, и приемного устройства, размещенного на ковше скрепера. Излучатель создает оптическую опорную плоскость, которая может быть горизонтальной или наклонной. Рис.11.1. Схема автоматического переключения передач на базе компьютера: 1−педаль отключения; 2−блок переключения передач;3−колодка питания; 4− микрокомпьютер; 5,7, 8, 9 − кабели; 6 − гидромеханическая коробка передач Приемное устройство состоит из фотоэлектрического датчика (индикатора) и опоры, на которой установлен датчик; высотное положение фотоэлектриче- 438 ского датчика в пределах от 0 до 200 мм задается дистанционно при помощи задатчика с пульта управления. Лазерный излучатель и фотоэлектрический датчик устанавливают таким образом, чтобы лазерный луч, имеющий заданный уклон, попадал в рабочую зону фотоэлектрического датчика. На рис.11.2 показана схема автоматической системы управления рабочим оборудованием скрепера с лазерной установкой. Приемное устройство связано кабелями с золотником гидравлического распределителя рабочего оборудования и вместе с ним образует следящую систему, т.е. такую систему, которая автоматически устраняет возникающее рассогласование между входными сигналами, поступающими в виде внешних воздействий со стороны разрабатываемого грунта или материала на рабочий орган машины, и выходными сигналами, поступающими в виде управляющих воздействий на рабочий орган со стороны гидрораспределителя, непосредственно осуществляющего перемещение рабочего органа. При движении скрепера по неровностям изменяется его положение и соответственно положение фотоэлектрического датчика относительно опорной плоскости лазерного луча, что вызывает рассогласование. В момент попадания луча на фотоэлектрический датчик возникают импульсы, передающиеся на логическое устройство. Последнее определяет знак отклонения рабочего органа от заданного положения и включает электромагнит золотникового гидрораспределителя, подающего рабочую жидкость к гидроцилиндрам подъема ковша скрепера, с помощью которых изменяется его положение до устранения рассогласования. Аналогичной лазерной установкой можно оборудовать бульдозеры. Рис.11.2. Схема автоматической системы управления рабочим оборудованием скрепера с лазерной установкой: 1−лазерный излучатель; 2−фотоэлектрический датчик приемного устройства; 3−лазерный индикатор; 4−пульт управления; 5−блок перегрузки; 6−электрогидравлические исполнительные механизмы (реверсивные золотники) управления приводом ковша и задней стенкой ковша; 7− датчики управления задней стенкой ковша; 8−датчик частоты вращения; 9− датчик углового положения ковша; 10−опора приемного устройства В этом случае фотоприемник непосредственно устанавливают на отвале, 439 т. е. он выполняет роль датчика фактического положения отвала. Команды на соответствующие перемещения отвала через гидрораспределитель передаются гидроцилиндрам подъема-опускания отвала. Описанные микропроцессорные системы выполняют основные функции. Одна из них состоит в оптимизации режимов работы привода машины, что позволяет снизить нагрузки на элементы привода и металлоконструкцию рабочего оборудования, уменьшить износ деталей двигателя и трансмиссии, сократить расход топлива и путем оптимизации скоростных режимов и максимального использования возможности машины без чрезмерного физического напряжения оператора повысить производительность труда. Вторая функция микропроцессорных систем состоит в постоянном контроле за состоянием и работой узлов и агрегатов машины, что способствует повышению ее надежности и безопасности. Третья функция – обеспечение точности и высокого качества выполняемых работ. Применяемые автоматические системы могут быть рассчитаны на выполнение либо одной функции, либо двух-трех одновременно. Отметим особенности применения и задачи автоматизации таких грузоподъемных машин, как строительный подъемник и кран. Строительные подъемники применяются при производстве строительно-монтажных или ремонтных работ, когда использование подмостей и кранов становится нецелесообразным и затруднительным. Подъемники бывают грузовые и грузопассажирские; мачтовые, шахтные и скиповые. Мачтовый грузопассажирский подъемник используется для подъема рабочих и строительных грузов при строительстве зданий повышенной этажности. Шахтные подъемники применяются, главным образом, для перемещения бетонной смеси, растворов и сыпучих материалов. Скиповыми подъемниками также оснащаются машины, используемые для приготовления бетонных смесей и растворов. Системы автоматического управления работой строительных подъемников относительно просты и предусматривают, в основном, автоматизацию отдельных операций. Находят применение системы автоматического управления работой строительных подъемников с автоматическим адресованием грузов. Автоматизация работы строительных подъемников решает задачи повышения производительности указанных видов строительных работ, улучшения условий труда обслуживающего персонала и сокращения его численности. К машинам с вертикальным перемещением грузов относятся также лифты, что обусловливает аналогию в принципах построения систем автоматического управления работой указанных машин. Кран является более распространенной машиной, применяемой на строительстве. С помощью кранов выполняются основные вертикальные и горизонтальные перемещения грузов и наиболее ответственные установочномонтажные операции. Большое распространение на объектах строительства получили башенные краны и самоходные стреловые краны, а на складах и в цехах производственных предприятий – мостовые и козловые краны. 440 Кран как объект автоматизации состоит из комплекса механизмов, отличающихся по назначению, мощности и конструктивному исполнению. Наиболее ответственными являются механизмы подъема и опускания грузов, а также механизмы перемещения груза в горизонтальной плоскости. К приводу этих механизмов предъявляется ряд требований: реверсивность, возможность большого диапазона изменения нагрузки и регулирования скорости движения, надежное и плавное торможение, специфический вид механических характеристик. Степень автоматизации работы кранов может быть также различной. Широкое применение для кранов получили системы с частичной автоматизацией управления, когда автоматизация работы крана ограничивается выполнением отдельных операций после подачи команды машинистом. Таковы, например, операции по плавному автоматическому уменьшению скорости перед остановкой и по обеспечению точной посадки груза. При выполнении операций по управлению машинист быстро утомляется, в результате чего производительность крана снижается. Так как человек может получить и переработать только определенное количество информации, важнейшей задачей, стоящей перед автоматическими системами управления краном, является снижение интенсивности потока информации, поступающей к машинисту. Одним из методов решения такой задачи является использование систем дистанционного управления краном, позволяющих максимально приблизить машиниста к месту производства технологической операции (например, при работах с крупногабаритными изделиями), что одновременно улучшает видимость, повышает надежность и точность выполнения работ. Дистанционное управление необходимо и в том случае, когда по условиям работы (например, работа со взрывоопасными материалами) машинист должен находиться на определенном расстоянии от транспортируемого груза. Другим методом решения задачи снижения потока информации, поступающей к машинисту, является разработка систем автоматического управления по заданной программе. Современные технологические процессы нуждаются в таких автоматических системах управления, которые могут изменять свою программу в соответствии с условиями работы и требованиями технологии. При этом программа должна задаваться не только в функции времени (так как при этом происходит неизбежное накопление ошибки), но и в функции положения рабочих элементов крана. Для осуществления программного управления применимы различные способы, простейшим из которых является введение программы путем установки электромеханических выключателей, действующих по мере выполнения тех или иных технологических операций. Этот способ программирования достаточно прост и надежен. Однако если условия работы и программа должны изменяться, этот способ программирования оказывается неудовлетворительным. 441 При другом способе программирования задание программы производится записью на магнитную ленту. Данный способ обеспечивает относительную простоту перестройки программы, но не лишен недостатков, таких, например, как необходимость коррекции появляющейся нарастающей ошибки. При наличии типичных программ целесообразен способ задания программы с помощью перфокарт с использованием различных способов считывания. Отметим особенности задач автоматизации применительно к отдельным типам кранов. В автоматических системах управления башенными кранами, выполняющими работу по монтажу полносборных сооружений, находят применение системы программного управления с автоматическим адресованием транспортируемых грузов к месту назначения. Применение таких систем управления значительно ускоряет процесс доставки грузов и уменьшает число рабочих, занятых на транспортировке. При решении вопросов автоматизации работы самоходных стреловых кранов, представляющих собой сложный комплекс одновременно работающих приводов, одним из исходных положений при проектировании систем управления является оптимальная скоростная диаграмма разгона и замедления, а также обобщающий параметр этой диаграммы—рывок. Оптимальная скоростная диаграмма обеспечивает максимальную производительность крана и ограничивает динамические нагрузки в его механизмах. Обеспечение оптимальной величины рывка снижает раскачивание груза при вращении поворотной платформы и время его установки. Допустим, что кран имеет четыре рабочих движения: передвижение крана, подъем-опускание груза, поворот, подъем-опускание стрелы. Основная задача автоматической системы управления – создать оптимальный общий цикл этих операций. Для этого система управления должна произвести поиск оптимального соотношения между скоростями совмещенных рабочих движений (условие: быстродействие и кратчайший путь), найти оптимальное время включения исполнительных механизмов с минимальным рывком, обеспечить оптимальный режим работы в целях ограничения амплитуды колебаний груза на канате и динамических перегрузок в отдельных звеньях конструкции крана, определить точки включения и выключения механизмов в цикле, при которых обеспечивается наибольшая производительность крана, и т. д. Для оптимизации цикла в системе в сложных случаях необходимо включать счетно-решающие устройства или цифровые вычислительные машины для координирования операций, совершаемых в цикле. Мостовые и козловые краны, применяемые на складах и в цехах производственных предприятий, в большинстве случаев выполняют работу в течение части рабочего времени. Это обусловливает необходимость систем автоматизации с вызовом крана и адресованием груза в определенное место. Для кранов, предназначенных обслуживать склады и цехи со специфическими условиями работы (повышенной температурой, запыленностью и т. п.), должно быть предусмотрено дистанционное управление. 442 Системы программного управления применяются при использовании крана в определенном технологическом цикле. При этом в системах с жесткой программой кран совершает строго установленную последовательность движений. В более совершенных системах применяются устройства с записью программы на магнитную ленту, используемые в комплексе с селектором, обеспечивающим изменение программы. В системах с координатным программированием пути перемещения программа набирается с помощью номеронабирателя и хранится в запоминающем устройстве. В комплексных автоматических системах управления технологическими процессами команды управления мостовыми кранами вырабатываются электронными вычислительными машинами. С разработкой автоматизированных систем управления производством и технологическими процессами значительно возрастает роль погрузочноразгрузочного, транспортного и складского оборудования. Эффективность погрузочно-разгрузочных работ во многом определяется производительностью контейнерных и грейферных кранов, зависящей от степени автоматизации их работы. Наиболее рациональной является система программного управления. В системах числового программного управления (ЧПУ) поступающая информация выражается в числовой форме в отличие от систем циклового программного управления (ЦПУ), где пути перемещения рабочих органов задаются настройкой упоров, воздействующих на путевые выключатели. При этом для систем ЧПУ кранами используются те же устройства, которые применяются для систем ЧПУ станками, а так как к системам управления станками предъявляются более высокие требования, применение тех же устройств в системах управления кранами позволяет иметь значительный резерв в отношении точности и надежности. Устройства ЧПУ с использованием малых вычислительных машин во многих случаях заменяют обычные системы программного управления. В приведенных ниже конкретных решениях средств автоматизации работы строительных машин следует различать указанные выше классификационные признаки систем автоматического управления и особенности задач автоматизации применительно к изучаемым типам строительных машин, определяемые технологическими задачами производства. Системы с частичной автоматизацией управления. В системах с частичной автоматизацией используются главным образом релейно-контакторные аппараты, управление которыми производится с помощью контроллеров, конечных и путевых выключателей, кнопок в маломощных цепях управления катушками аппаратов. Мачтовый грузопассажирский подъемник состоит из мачты головки с блоками, кабины, будки машинного отделения и этажных площадок. Электроаппаратура управления, лебедка и ограничитель скорости размещаются в будке машинного отделения. С целью безопасности работы подъемник снабжен ловителями, удерживающими кабину при обрыве троса. Система управления обеспечивает также световую и звуковую сигнализацию. 443 Системы автоматического управления работой строительных подъемников строятся с учетом опыта автоматизации лифтов применяемых в период эксплуатации зданий, что обусловливает целесообразность их рассмотрения. Ниже приведена схема рычажного управления тихоходным грузовым лифтом с асинхронным короткозамкнутым двигателем (рис. 11.3). Рис. 11.3. Схема управления грузовым лифтом 444 Электропривод получает питание от вводного устройства ВУ. Напряжение на двигатель подается автоматом 1А с максимальной и тепловой защитой. В кабине находится командоконтроллер КК, имеющий три положения. На стороне, противоположной рукоятке управления, имеется хвостовик, выступающий в шахту лифта. При достижении кабиной крайних этажей отводки, расположенные в шахте, воздействуют на хвостовик и устанавливают рукоятку командоконтроллера в среднее положение, тем самым останавливая кабину. Реверсивные контакторы В и Н получают питание через контакты КК1 и КК2 командоконтроллера. В цепь питания контакторов включены аппараты, обеспечивающие все блокировки. Закрывание дверей шахты на всех этажах контролируется с помощью реле контроля дверей РКД. При наличии закрытых дверей шахты замкнуты контакты 1ДШ — 4ДШ. При подаче напряжения на схему управления (включено реле напряжения РН) получает питание реле. Для пуска кабины необходимо, чтобы двери кабины были закрыты (контакты ДК). В цепи управления также находятся контакты ловителей кабины ЛК, слабины или обрыва подъемных канатов СПК и ограничителя скорости ОС. Контроль слабины или обрыва каната осуществляется контактом СКОС. Контакты концевых выключателей ВКВ и ВКН размыкаются в предельно крайних положениях кабины если не сработает механическая блокировка на хвостовике командоконтроллера. При среднем положении рукоятки командоконтроллера электродвигатель Д отключен от сети и застопорен механическим тормозом Т. Подъем кабины осуществляется поворотом рукоятки командоконтроллера в положение «вверх». При этом замыкаются контакты КК-1 и при наличии закрытых дверей шахты и кабины подается питание к статору двигателя Д и катушке тормозного магнита Т. Двигатель разгоняется до установленной скорости, и кабина движется вверх. Для остановки кабины необходимо перевести рукоятку командоконтроллера в нулевое положение. При движении кабины вниз замыкаются контакты КК-2 командоконтроллера, и схема работает аналогичным образом. Точность остановки кабины зависит от опыта проводника и достигается повторным включением электродвигателя. Вызов кабины на этажи производится нажатием кнопок 1КВ-4КВ, имеющих удерживающие электромагниты МВК. О наличии вызова проводник извещается загоранием сигнальной лампы 1ЛС-4ЛС соответствующего этажа и звуковым сигналом ЗС. Длительность действия звукового сигнала регулируется выдержкой реле времени РВ. В работе схемы сигнализации участвует реле сигнализации PC. Снятие вызова производится дверными контактами ДШ, шунтирующими электромагнит кнопки, благодаря чему кнопка возвращается в исходное положение. Резисторы 1СД-4СД служат для ограничения тока в цепи при шунтировке электромагнитов. В схеме предусмотрена возможность вызова обслуживающего персонала с помощью кнопки вызова персонала КВП. Для проведения ремонтных работ в 445 кабине установлены штепсельные розетки 1ШР, 2ШР и в машинном зале розетка ШРМ. При работе в режиме ревизии кнопки вызовов отключаются выключателем ВМП, а вызывная сигнализация — переключателем ПР. Принципы построения систем программного управления с автоматическим адресованием транспортиремых грузов рассмотрены ниже применительно к кранам. Наиболее распространенные системы управления кранами с использованием стандартных кулачковых контроллеров имеют лишь автоматическую защиту и блокировки. Защита двигателей и цепей управления осуществляется автоматическими выключателями, максимальными реле и плавкими предохранителями. Одна из обязательных блокировок в крановых схемах заключается в том, что лишь в нулевом положении контроллеров можно включить линейный контактор. При исчезновении или уменьшении напряжения линейный контактор отключает двигатель от сети и после того, как контроллер будет переведен в нулевое положение, двигатель может быть включен повторно. Отключение двигателей производится поворотом контроллера в нулевое положение, а также аварийным и конечным выключателями. На рис. 11.4 представлена схема управления электроприводом механизма подъема башенного крана с использованием контроллера. В качестве тормозного генератора применен вихревой генератор. Работа вихревого генератора основана на принципе действия вихревых токов и подобна работе короткозамкнутого асинхронного двигателя в режиме электродинамического торможения. Соответственно и характеристики генератора напоминают механические характеристики асинхронного двигателя. Совместная работа асинхронного двигателя с вихревым генератором происходит на первом положении контроллера при подъеме и втором положении при спуске. Опускание груза на первом положении контроллера производится при работе одного тормозного генератора. Дальнейшее регулирование частоты вращения двигателя осуществляется при отключенном тормозном генераторе изменением величины сопротивления в роторе двигателя. Рис.11.4. Схема управления электроприводом механизма подъема башенного крана 446 Сложность управления кранами объясняется в значительной степени требованиями техники безопасности и защиты технологического оборудования. С этой целью все грузоподъемные механизмы оснащаются специальными приборами и устройствами защиты, рассматриваемыми ниже. В первую очередь к этим устройствам следует отнести ограничители различного назначения. Наиболее распространенным ограничителем является концевой (путевой) выключатель, который применяется для ограничения хода крана или его механизмов: тележки, стрелы и т. д. Концевой выключатель устанавливается таким образом, чтобы он срабатывал при определенных положениях механизма: максимальный вылет стрелы, два оборота крана и т. д. Контакты концевого выключателя находятся в цепях управления соответствующего механизма. Для грузоподъемных механизмов небольшой мощности концевой выключатель может использоваться в качестве ограничителя грузоподъемности. В этом случае ограничитель (рис. 11.5) подвешивается с помощью троса 1. Ограничитель имеет две оси 2 и 3, устанавливаемые в шарикоподшипниках, и эксцентрик 4. Рычаг 5 одним концом закреплен к эксцентрику, а другим опирается на ролик толкателя 6. Толкатель перемещается в корпусе 7 и под действием пружины 9 всегда находится в верхнем положении. Нижний конец толкателя имеет скос, который входит в контакт с концевым выключателем 10. Конец грузового троса 8 охватывает эксцентрик, свободно вращающийся вместе с осью. При подъеме груза на плече возникает момент от силы F. Этому Рис.11.5. Схема ограничителя моменту противодействует момент силы упругрузоподъемности: 1,8 – трогости пружины. При перегрузке на 5—10% от сы; 2,3– оси; 4−эксцентрик; 5−рычаг; допустимой нагрузки толкатель 6 под дейс6-толкатель; 7−корпус; 9−пружина; твием рычага 5 перемещается вниз и, шток 10−блок преобразователь; выключателя, нажимая на размыкает электри11− электрическая цепь чесскую цепь 11, включенную в схему управления двигателем механизма подъема. Хотя вышерассмотренный ограничитель прост и надежен в эксплуатации, он не используется по конструктивным соображениям для механизмов средней и большой мощности. Для этого оборудования применяют электромеханические ограничители грузоподъемности. В них в качестве чувствительных элементов используют упругое кольцо или бесконтактный электрический динамометр (пьезометрического или тензометрического типа), которые размещаются между канатными оттяжками (рис. 11.6) или на грузовом канате. 447 Рис.11.6. Установка датчика усилия: а) − с помощью канатного многоугольника; б) − с помощью подвижного рычага Деформации силоизмерительного элемента кольца преобразуются с помощью потенциометрического или индуктивно-трансформаторного преобразователя в электрический сигнал, сравниваемый с заданным (по типовой мостовой схеме). Положение задатчика может быть связано с вылетом стрелы. Если вес поднимаемого груза превысит предельно допустимый, то поступает соответствующий сигнал в блок выходных реле и далее в цепи управления и сигнализации. При определенном ветровом воздействии на грузоподъемный механизм с целью исключения опрокидывания предусматриваются противоугонные средства. Противоугонные устройства, состоящие из датчика скорости ветра и противоугонных захватов, включаются при каждом выключении механизма передвижения крана или при скорости ветра, превышающей допустимую. В автоматических приборах определения скорости ветра применяют генераторные датчики. В этих устройствах скорость ветра воспринимается приемником воздушного потока, который представляет собой трех-, четырех- или восьмилопастную вертушку, непосредственно связанную с генератором переменного тока (рис. 11.7). Рис. I1.7. Схема определения скорости ветра с помощью анемометра: В − вертушка; ТГ − тахогенератор; ППУ − преобразовательное устройство; Р − промежуточное реле 448 Датчик представляет собой флюгер с вертушкой, легко поворачивающийся на трубчатой стойке – основании датчика. Под действием ветра вертушка приводит во вращение постоянный магнит тахогенератора. Возникающая при этом в катушке тахогенератора электродвижущая сила пропорциональна скорости ветра. С усилителя ППУ сигнал поступает на измерительный прибор и в цепь сигнализации, а при достижении критической скорости ветра происходит отключение двигателей механизма перемещения крана и включение захватов. Схема механизма захвата показана на рис. I1.8. Рычаг5 механизма захвата поворачивается вокруг осей 1. При работе крана длинные плечи рычагов сводятся при помощи пневмоцилиндра 3. При вклчючении пневмоцилиндра (с помощью золотникового устройства с электросоленоидом) рабочие поверхности коротких плеч рычагов прижимаются к рельсам пружиной 2. С целью защиты механизмов от опасной великрена применяются креномеры ( рис. 11.9), позволяющие получить сигнал об опасной величине крена в продольном и поперечном направРис. I1.8. Схема противоугонного лениях. При поперечном крене не только захвата: 1−ось; 2 − пружина; снижается устойчивость крана, но и возникают 3- пневмоцилиндр; 4 − связки; опасные скручивающие и изгибающие момент 5− рычаги в различных частях механизма. В герметичном корпусе датчика на карданном шарнире 1 подвешен маятник 2. Корпус 3 датчика, жестко закрепленный на поворотной платформе, наклоняется вместе с краном, а маятник сохраняет вертикальное положение, вследствие чего происходит перемещение связанных с маятником ползунков 4 и 5 относительно закрепленных на корпусе датчика потенциометров 6 и 7. Потенциометры установлены перпендикулярно один другому и ориентированы вдоль и поперек стрелы. В корпус датчика залито масло для демпфирования колебаний маятника, который снабжен лопастями 8. Сопротивления потенциометров 6 и 7 включаются в плечи мостовой схемы. В качестве датчика может быть использован не только потенциометрический преобразователь, но и бесконтактный индуктивный чувствительный элемент. Рис. I1.9. Датчик креномера: В дизель-электрических гусеничных кранах 1 − шарнир; 2 − маятник; и некоторых других передвижных подъемных 3 − корпус; 4, 5 − ползунки; механизмах устанавливается ограничитель 6, 7 − потенциометры; 8 −лопасть грузового момента, представляющий собой 449 комплекс рассмотренных выше устройств защиты устройств защиты, учитывающих все факторы создающие опасный опрокидывающий момент: вес груза, напор ветра, силы инерции и уклон пути. На самоходных строительных машинах используются приборы для определения опасной зоны при приближении к линиям электропередач (ЛЭП). Устройства состоят из приемной антенны, усилительно-исполнительного блока и блока сигнализации. Принцип действия основан на наведении ЭДС в катушке при пересечении ее переменным магнитным полем (генераторные датчики). Кроме рассмотренных устройств защиты для кранов, работающих на одном участке подкрановых путей, применяются электромеханические и оптикоэлектронные устройства, предупреждающие их столкновение. Для поддержания минимального расстояния между кранами используется, например, радиоэлектронное устройство, состоящее из передатчика, приемника и выходного блока. Приемник и передатчик устанавливаются таким образом, чтобы их антенны были ориентированы в направлении перемещения крана. При сближении кранов на расстояние менее допустимого срабатывает реле выходного блока, и кран останавливается. Дистанционное управление краном. Для обеспечения дистанционного управления краном необходимо, чтобы системы управления приводами отдельных исполнительных механизмов обеспечивали автоматизацию таких процессов, как разгон, замедление и регулирование скорости. При этом в более совершенных системах дистанционного управления разгон и замедление приводов должны производиться по заданному закону. Рассмотрим первоначально систему дистанционного управления краном, выполняемого машинистом с пульта управления, соединенного с механизмами крана многожильным кабелем. Пульт управления либо располагается на груди машиниста, либо находится в его руке. Схема управления построенная по системе «тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока» или «тиристорный преобразователь – асинхронный двигатель», предусматривает дистанционное и автоматическое управление краном показана на рис. I1.10. В пульте дистанционного управления размещается пять пар солнечных батарей, отделенных одна от другой перегородками. В каждой из пяти ячеек пульта помимо солнечных батарей размещаются осветительные лампочки. Лампочки отделяются от солнечных батарей затворами. Затвор может перекрыть одну, другую или одновременно две батареи. Батареи СБ1 и СБ2 включены встречно. Когда обе солнечные батареи закрыты, ток в цепи равен нулю. Когда закрывают одну батарею, например СБ2, а батарея СБ1 освещена, ток идет от батареи СБ1 к СБ2. Тогда через обмотки магнитных усилителей МУ1 и МУ2 течет ток от ЗК МУ2 к 2Н МУ1. При освещении СБ2 ток пойдет в другом направлении. Обмотки смещения МУ1 и МУ2 включены таким образом, что при освещении батареи СБ1 работает магнитный усилитель МУ2, а при освещении СБ2 — МУ1. Рассмотрим работу электропривода механизма подъема. 450 Рис. I1.10. Принципиальная схема автоматической системы управления кранами: а) − блок разгона и замедления; б) − тиристорный преобразователь, блок регулятора замедления и дистанционного замедления; в) − блок выбора программы Нажатием кнопки П включаются пускатель П, тиристорный преобразователь ТП, преобразователи ТП других исполнительных механизмов, не изображенных на рисунке, блоки Б1—Б5, узел реверсивного шагового искателя, реле РВ1 и РВ2, двигатель разгона и замедления Дрз , соединенный редуктором с сельсином С. Двигатель Дрз поворачивает сельсин на угол, немного меньший П/2, благодаря чему в крайних положениях напряжение на клеммах сельсина равно нулю или максимуму. Конечные выключатели установлены на валу редуктора двигателя Дрз под углом 90°. Конечный выключатель КВЗ1, блокирующий контакты реле Р, включается, когда двигатель Дрз начнет увеличивать частоту вращения. Конечный выключатель КВ32 выключается одновременно с включением КВ3. Контакты выключателя КВЗ2 включены в цепь пускателя П. При исчезновении напряжения двигатель Дрз надо включить в обратную сторону (перевести из режима замедления) и только после этого включить пускатель П. Конечный выключатель КВЗЗ в цепи контактора Кт тормозного магнита выключается, когда начинает вращаться двигатель Дрз. Конечный выключа- 451 тель КВ34 включается в той же последовательности, что и выключатель КВ31. Конечный выключатель КВР1 в цепи Др3 выключается, когда напряжение сельсина С достигает максимума (окончание разгона). Назначение конечного выключателя КВР2 в цепи катушки реле Р аналогичное. В исходном положении обе батареи закрыты. Машинист затвором открывает батарею СБ2. Ток идет по обмотке ЗК—2Н усилителя, который установлен в блоке Б1. Так как выключатель КВР2 замкнут, реле Р включается, двигатель Дрз начинает вращаться в определенном направлении. Одновременно включается контактор КT тормоза и контактор В, двигатель Д подключается к тиристорному преобразователю ТП. Выключатели КВ31 замыкаются, а выключатели КВЗЗ размыкаются, но так как уже включился КВ34, то катушка КT заблокирована своим контактом. Вал сельсина С поворачивается двигателем Дрз через редуктор с определенной частотой вращения и по определенному закону. Выходное напряжение сельсина увеличивается, в результате чего напряжение на обмотках магнитных усилителей МУ5, включенных в фазосмещающее устройство преобразователя TП, возрастает, тиристорный преобразователь ТП все больше открывается и частота вращения двигателя механизма подъема Д увеличивается. Когда частота вращения достигает максимума (максимум напряжения на сельсине при угле поворота его вала П/2), срабатывают выключатели KВР2 и КВР1, двигатель Дрз останавливается, но обмотки МУЗ остаются включенными. Груз движется на максимальной скорости. Машинист может не доводить скорость до максимальной, перекрыв затвором батарею СБ2. Тогда реле Р отпадает, но груз движется с любой заданной в момент закрытия затвором СБ2 скоростью, так как сельсин остановлен в одном из промежуточных положений. Если необходимо уменьшить скорость перемещения, то двигатель Дрз работает на замедление, т. е. сельсин С вращается в обратную сторону. Управление осуществляется аналогично рассмотренному выше, но в этом случае затвором закрывается батарея СБ1, и работает усилитель МУ2. Так же, как и при разгоне, двигатель Др3 может быть остановлен в любом промежуточном положении и перемещение груза может происходить с любой скоростью, заданной машинистом (скорость дотяжки). Если идет процесс замедления, то включается лампа ЛЗ. Опускание груза осуществляется путем включения контактора Н с предварительным заданием расстояния с помощью кнопок. Отсчет высоты производится с помощью шагового искателя. Управление двигателем Дрз осуществляется по вышерассмотренному принципу. Таким образом, данная система дистанционного управления обеспечивает не только любые режимы работы исполнительных механизмов, но и выполнение операции по заданному закону. Возможна система управления работой крана голосом. В такой системе обычные аппараты телеуправления заменены микрофоном. Принятые микрофоном сигналы усиливаются и различаются с помощью фильтров логической схемой. Полученные команды передаются исполнительным органам (например, контакторам). 452 В одном из вариантов микрофонной системы телеуправления для передачи кодированных команд на подъем или опускание груза и передвижение в двух направлениях используются четыре простых слова. Еще одно слово дает команду на прекращение любого из движений. На ленте, надеваемой на голову машиниста, помимо микрофона укреплен также аварийный выключатель, приводимый в действие движением головы. В дистанционных системах управления с помощью радио, радиопередатчик, блок генераторов командных частот с командоаппаратом входят в состав пульта управления, легко переносимого машинистом. Каждому механизму крана на пульте управления соответствует определенная рукоятка (кнопка). Антенна передатчика располагается непосредственно на пульте управления или закладывается в лямку прибора, что делает передвижение машиниста более удобным. В ряде случаев в системах радиоуправления является удобным применение телевизионных камер, позволяющих по экрану телевизора наблюдать за перемещением груза. Рассмотрим представленные на рис.11.11, а блок-схему приемноисполнительного устройства и на рис. 11.11, б функциональную схему приемного блока механизма управления. Формирование сигнала генератором на пульте управления производится при посылке команды на включение первой скорости любого механизма. Несущая частота передатчика модулируется в зависимости от выбранного направления движения. Рис. 11,11. Радиоуправление краном: а) − блок-схема приемно-исполнительного устройства; б) − функциональная схема приемного блока механизма управления; t − задержка; П − память; ПУ − пульт управления; PC − блок сигналов; ФВ, ФН − фильтры; Р − реле 453 В приемном устройстве сигналы усиливаются и преобразуются в низкочастотные. Командный сигнал выделяется фильтром направления движения (ФН — назад, ВФ — вперед), выпрямляется и поступает на двойную реостатнотранзисторную ячейку «ИЛИ», усиливающую сигнал. Продифференцированный импульс поступает на один из логических элементов «ПАМЯТЬ 1» и «ПАМЯТЬ 2» (мощный триггер). В коллекторные цепи триггеров включены реле первой скорости РПВ или РПН (в зависимости от выбранного направления). Контакты реле постоянного тока РПВ или РПН замыкаются в цепи реле переменного тока РВ или РН, осуществляющих переключения в цепях панели управления механизмом крана, В то же время элемент «ПАМЯТЬ 1» формирует сигнал для элемента «ЗАДЕРЖКА», откуда он поступает на приставку «И». На этот же элемент поступает импульс с фильтров ФВ и ФН через логический элемент «ИЛИ». Если после поступления задержанного сигнала на элемент «И» поступит сигнал с фильтров ФВ или ФН, то элемент «ПАМЯТЬ 3» формирует сигнал для элемента «ЗАДЕРЖКА», который через приставку «И» перебрасывает элемент «ПАМЯТЬ 4» при поступлении сигнала с фильтров ФВ или ФН. Таким образом, в зависимости от числа или времени подачи команды можно получить любую частоту вращения двигателя. Остановка двигателя производится нажатием кнопки, при этом командный сигнал выделяется фильтром ФС и через усилитель «ИЛИ» и приставку «И» воздействует на другие входы элементов «ПАМЯТЬ», снимая поданные ранее команды и отключая реле. При наличии в схеме силового контроллера приводной серводвигатель поворачивает вал контроллера на угол, соответствующий определенной скорости механизма, в зависимости от длительности поданной команды. При подаче команды «стоп» двигатель включается в обратном направлении, возвращая контроллер в нулевое положение. Отключение серводвигателя в нулевом и крайних положениях производится конечными выключателями. Системы дистанционного управления кранами могут применяться также совместно с системами программного управления, составляя комбинированные системы дистанционно-программного управления. Системы программного управления краном. Рассмотрим систему программного управления краном применительно к схеме изображенной на рис. 11.10, обеспечивающей управление рядом операций крана по определенным программам исходя из математической модели. С точки зрения дистанционного управления схема была рассмотрена выше. На кнопочном пульте установлены два ряда кнопок, причем каждая кнопка имеет десять размыкающих и замыкающих контактов. При нажатии на кнопку она остается включенной, что дает возможность набрать любую цифру в заданном диапазоне. Крайняя левая кнопка ряда при нажатии сбрасывает ту кнопку, которую набрали раньше. Левые кнопки двух рядов механически связаны меж- 454 ду собой так, что при нажатии на одну из них сбрасывается на бор кнопок двух рядов. Предположим, что груз должен быть поднят на 25 м. Набрав в первом ряду (десятки) кнопку под цифрой, например 2, во втором ряду (единицы) цифру .5, машинист задает программу подъема. Затем закрывает затвором батарею СБ2. Магнитный усилитель МУ1 включает реле Р, и происходит разгон по заранее заданной скоростной диаграмме. К торцу подъемного механизма крепится диск Д с отверстием. С одной стороны диска установлена лампочка ЛО, с другой − полупроводниковая батарея СБЗ. При каждом повороте диска батарея СБЗ освещается лампочкой ЛО. Дается сигнал в виде импульса на обмотку 7К−2Н усилителя МУЗ (блок БЗ). К блоку подключены катушки РШИВ и РШИН реверсивного шагового искателя. Так как программа задана на подъем, замкнут контакт В и работает катушка шагового искателя «вперед». При каждом импульсе, который подает на усилитель МУЗ батарея СБЗ, шаговый искатель поворачивается на одну ламель. Поскольку нажаты кнопки К20 и К5, то создается цепь К20 К5 − РШИ25 − KT − РТ, когда реверсивный шаговый искатель подойдет своей 25-й ламелью к сочетанию кнопок 25. Реле РТ разрывает свой контакт РТ в цепи обмотки МУЗ, в связи с чем прекращается дальнейшее движение ламелей шаговых искателей. Размыкаются контакты РТ и замыкаются контакты РТ в цепи Дрз. Двигатель реверсируется и начинается замедление привода (по заданному закону). Регулятор замедления состоит из тахогенератора Г и тормозного двигателя ТД. К цепи Г−ТД подключена через потенциометр RK обмотки 2Н−7К усилителя МУ6 (блок Б6). С усилителя МУ6 получает питание реле Р3, срабатывающее с выдержкой времени. Параллельно якорю Г включено реле напряжения 1РС. При разных грузах сила тока в цепи, в которую включено реле замедления, будет различной. Поэтому при легких грузах время замедления будет больше, чем при номинальном грузе. После соответствующей выдержки времени срабатывает реле РЗ, и включается контактор динамического торможения КТД. Скорость уменьшается, и реле отпускает свои контакты. Когда скорость движения становится равной скорости дотяжки, реле 1РС разомкнет свои контакты в цепи Дрз, двигатель отключится, а сельсин отработает напряжение, определяемое скоростью дотяжки. Реле РВ2 включит свои контакты в цепи обмотки 7Н−2Н усилителя МУ4. Когда отверстие диска на торце лебедки подойдет к осветителю, контактор Ти разорвет цепь контактора Дт , и привод остановится тормозом. Допустим теперь, что в рассматриваемой системе автоматического управления краном несколько исполнительных механизмов должны действовать по определенной программе, а цикл состоит из подъема крюка, поворота платформы крана, опускания крюка и останова. Машинист набирает программу кнопками на пульте подъемной лебедки, соответствующими заданной высоте подъема, на пульте поворота — заданному углу поворота и на пульте стрелы — определенному расстоянию до оси груза. После подъема на заданную высоту включается реле связи подъема, дающее 455 сигнал на начало поворота, а после поворота на заданный угол шагоискатель вращения включает реле связи вращения. Операции прекращаются в точках, заданных кнопками. Реле связи механизма вылета стрелы дает сигнал на опускание крюка, и кран останавливается. При длинных канатах и больших грузах на точность выполняемой операции будет оказывать влияние удлинение каната. Для устранения этого недостатка используется метод магнитных меток, нанесенных на канат записывающей головкой при пропускании через ее обмотку импульса тока. Силовые линии возникающего магнитного поля пересекают канат в продольном направлении и оставляют на нем магнитную метку (постоянный магнит). Запись магнитных меток производится через равные промежутки времени при постоянной скорости движения каната. Сигналы управления получаются непосредственно от магнитных меток на канате. Устройство воспроизведения меток подает сигнал на устройство, определяющее направление движения каната, и далее на счетчик, суммирующий и вычитающий путевые импульсы. Следующий за счетчиком дешифратор декодирует состояние счетчика, и с выхода дешифратора сигналы поступают в блок путевых команд, где усиливаются и посылаются в цепь управления системы. Метод магнитных меток может быть применен как для систем с реверсивным шаговым искателем, так и для цифровых систем автоматического управления краном. При постоянстве задачи использования крана и стабильной обстановки на месте производства работ каждый последующий цикл движений крановых механизмов может частично, а иногда и полностью повторять предыдущий. В этих случаях программа задается машинистом путем выполнения первого цикла перемещения органов управления вручную и тем самым закладывается в устройство памяти. В дальнейшем все рабочие перемещения производятся механизмами крана самостоятельно, а машинист лишь контролирует работу машины и вводит в программу необходимые коррективы по мере изменения обстановки. Запоминание производится путем записи программы на магнитной ленте. В устройство для считывания предварительно закладываются критерии оптимальной работы всех механизмов крана и при считывании производится автоматическая корректировка работы механизмов по заложенным критериям. Одним из способов записи программы на магнитную ленту является предварительная запись образцовых циклов работы крана методом фазовой модуляции. Командным сигналом в таких системах управления служат сигналы рассогласования, возникающие при появлении фазного угла между сигналом, считываемым с магнитной ленты, и сигналом обратной связи, поступающим от сельсин-датчика. Сельсин-датчик отображает истинное положение исполнительного механизма, а сдвиг по фазе равен геометрическому углу поворота ротора относительно статора. 456 Устройство программного управления для механизмов поворота и вылета стрелы состоит из стенда управления с магнитной лентой, квантователя рассогласования, релейного блока и датчика положения. Исполнительные механизмы оборудованы тормозом и стендом с контакторами и реле ускорения. Блок-схема программного управления в режиме записи приведена на рис. 11. 12, а. В этом режиме кран управляется контроллером. На сельсин-датчик 4 поступает эталонный сигнал от генератора 1, который преобразуется и усиливается фазорасщепителем 2 и усилителем 3. С роторной обмотки сельсина 4 снимаются рабочие сигналы, промоделированные в соответствии с законом движения механизма. Рабочие сигналы одновременно с эталонными записываются на магнитную ленту. В режиме воспроизведения (рис. 11. 12, б) рабочие и эталонные сигналы усиливаются. Эталонный сигнал от генератора расщепляется фазорасщепителем 2, усиливается в усилителе 3 и возбуждает датчик положения 4. С датчика сигнал поступает на один вход дискриминатора 6. Рис. I1.12. Блок-схема программного управления механизмом поворота а) − блок-схема программного управления в режиме записи; б) − блок-схема воспроизведения;  р − программируемая координата;  э − эталонный сигнал; 1− генератор; 2− фазорасщепитнль; 3, 5− усилители; 4− сельсин; 6− дискриминатор; 7, 8 – блоки преобразования На другой вход дискриминатора через усилитель 5 подаются рабочие сигналы с магнитной ленты. В дискриминаторе сигналы сравниваются, и при наличии рассогласования, на выходе дискриминатора появляется непрерывный сигнал, который квантуется на несколько уровней квантователем рассогласования. В зависимости от уровня рассогласования релейный блок производит те или иные переключения на контакторной панели или включает тормоз. В позиционных системах числового программного управления (ЧПУ) кранами значения координат перемещения задаются клавишами или автоматически от центрального электронного управляющего устройства. Сравнивающее решающее устройство производит непрерывное сравнение действительного положения по данной координате с заданным. На выход решающего устройства подключено декодирующее устройство, посылающее в схему управления исполнительным механизмом сигнал торможения, когда кран приближается к заданной позиции. 457 Позиционная система (ЧПУ) обеспечивает возможность непосредственной связи с ЭВМ, управляющей всем комплексом погрузочно-разгрузочных работ. В системах программного управления кранами находит применение также автоматическое адресование транспортируемых грузов. При работе башенных кранов на монтаже полносборных сооружений основными задачами управления являются подача конструкций и точная их установка на месте монтажа. С этой целью применяется комбинированная система дистанционного программного управления, включающая в себя два устройства: дистанционного управления краном и программного управления с автоматическим адресованием транспортируемых конструкций. При монтаже операции по доставке деталей со склада или непосредственно с транспортных средств на здание осуществляются с помощью автоматической системы адресования и программного управления краном, а точная установка конструкций – дистанционным управлением на малых скоростях подъема и опускания груза. Рассмотрим применение кранов с автоматическим управлением на примере подъемного башенного крана с системой радиопрограммного управления, предназначенного для выполнения работ по монтажу зданий из крупносборных элементов. В рассматриваемой системе автоматического управления функции машиниста заменены программным управлением по транспортированию груза и дистанционным управлением на установке и строповке элементов. Все управление краном ведется двумя операторами: такелажником на складе и монтажником на строящемся здании. Программа определяется участками, на которые разбиты согласно технологической схеме строительства склад и здание. Здание разделено на восемь участков, склад — на четыре. Выбор такого числа участков обусловлен способом управления, при котором движение крана, имеющее наибольшую по времени длительность, уменьшается за счет совмещения движений и увеличения времени включения наименьшего из движений. Блок-схема радиопрограммного управления (рис. 11. 13) состоит из двух пультов управления ПУ-1 и ПУ-2, приемного устройства, устройства программного управления и датчиков Д1, Д2, ДЗ и Д4, определяющих «адрес», по которому должен быть доставлен груз при отработке программы. Рис. I1.13. Блок-схема радиопрограммного управления ПУ − пульт управления; Д − датчик адресов 458 Работает кран следующим образом. При застроповке панели на складе такелажник дистанционно управляет процессом, находясь рядом с застроповываемой панелью. После застроповки он поднимает панель на безопасную высоту, задает нужную программу («адрес») и подает сигнал «пуск». При этом кран автоматически доставляет панель в заданный участок на здании по кратчайшей траектории. Программа задается только на одну операцию. После автоматического выполнения операции по грубому транспортированию панели на здание второй оператор (монтажник) дистанционно выполняет операции по точной установке панели и расстроповке, затем набирает «адрес» склада, выводит пустой крюк в безопасную высоту и переводит кран на автоматическое управление. Кран автоматически выполняет операцию подачи пустого крюка в заданный участок склада, затем операция повторяется. Для обеспечения безопасной работы на кране с радиопрограммным управлением блокирована возможность одновременного управления с двух пультов, кроме сигналов «аварийный стоп» и «сирена». 11.2. Автоматизация землеройно-транспортных машин и экскаваторов Земляные работы представляют собой ответственный и чрезвычайно трудоемкий класс работ, нуждающийся в дальнейшей механизации и автоматизации. Такими видами работ являются: планировка строительных площадок и дорог, перемещение масс грунта, отрывка котлованов, траншей и другие работы. Машины, используемые на земляных работах, весьма разнообразны. Основная часть земляных работ выполняется землеройно-транспортными машинами и экскаваторами. Землеройно-транспортные машины осуществляют резание и перемещение грунта при одновременном поступательном движении самой машины. По характеру технологического процесса они могут быть разделены на машины непрерывного и циклического действия. К землеройно-транспортным машинам непрерывного действия относятся грейдеры (автогрейдеры), применяемые, например, для планировочных работ, и грейдер-элеваторы, у которых операции резания и перемещения грунта не носят циклического характера. Грейдеры (автогрейдеры) предназначены главным образом для профилирования и отделки земляного дорожного полотна, общей планировки и расчистки строительного участка и других видов строительных работ. Грейдер-элеваторы представляют собой землеройно-транспортные машины, предназначенные для резания грунта и его одновременного перемещения в отвал или в транспортные средства. Рабочими органами грейдер-элеваторов являются нож и ленточный транспортер. 459 К землеройно-транспортным машинам циклического действия относятся скреперы и бульдозеры, рабочий процесс которых характеризуется периодической повторяемостью операций. При работе скрепера последовательно выполняются операции резания, набора грунта в ковш, транспортирования и выгрузки. Цикл работы бульдозера складывается из операций рабочего хода (резание и транспортирование грунта) и операции холостого хода при возвращении в забой. Отличительные особенности технологических процессов землеройнотранспортных машин непрерывного и циклического действия определяют целесообразность раздельного рассмотрения вопросов их автоматизации. В то же время возможен общий подход в постановке задач автоматизации, принципах и способах их решений для машин обеих групп. При этом следует различать такие задачи, как: 1) обеспечение требуемого качества обрабатываемой поверхности (например, заданного профиля поверхности); 2) поддержание нагрузки (стабилизация нагрузки) двигателя на заданном (оптимальном) уровне. С точки зрения принципа решения задачи автоматического поддержания заданной нагрузки двигателя, определяемого технологическими задачами производства, земляные работы, выполняемые землеройно-транспортными машинами на строительстве, можно условно разделить на две группы: 1. Работы по планировке и отделке поверхности при минимальном объеме перемещаемого рабочим органом грунта. Эффективность использования машин при выполнении таких работ определяется количеством и качеством обработанной площади. 2. Работы по устройству выемок и насыпей, связанные с перемещением сравнительно больших объемов грунта, при выполнении которых эффективность использования машин определяется объемом перемещенного грунта. В первом случае при сравнительно малом усилии на перемещение грунта поддержание заданной мощности двигателя может быть достигнуто путем изменения скорости движения машины, так как необходимость в значительном заглублении рабочего органа отсутствует. Во втором случае необходимо большое заглубление рабочего органа, и поддержание заданной мощности двигателя может быть достигнуто изменением положения рабочего органа (толщины срезаемого слоя грунта). Для тяжелых самоходных землеройно-транспортных машин перспективно применение электрического и гидравлического приводов, в которых электрический и гидравлический двигатель встраивается в колесо. В строительных машинах с мотор-колесами высокие регулировочные свойства электрических и гидравлических приводов сочетаются с полной кинематической независимостью компоновки любой машины, что обусловливает универсальность трансмиссий с мотор-колесами, т. е. возможность их применения в неизменном виде на машинах различного типа. Универсальные трансмиссии с индивидуальным приводом колес обеспечивают автоматическое использование максимальной тяги по сцеплению, что особенно важно для землеройно-транспортных машин 460 как непрерывного, так и циклического действия, работающих в тяжелых условиях. Экскаваторы являются землеройными машинами, осуществляющими копание и перемещение грунта. По технологическими конструктивным особенностям экскаваторы разделяются также на две группы: 1. Экскаваторы непрерывного действия. Экскаваторы непрерывного действия позволяют производить операции копания и перемещения грунта одновременно. В процессе работы, например, многоковшового экскаватора следующие друг за другом ковши рабочего органа разрушают, забирают, перемещают и разгружают грунт. Экскаваторы непрерывного действия применяются для строительства траншей под трубопроводы и сети коммуникаций, на мелиоративных работах и разработке карьеров строительных материалов. 2. Одноковшовые экскаваторы циклического действия. Рабочий процесс одноковшового экскаватора складывается из отдельных циклов. Цикл работы состоит из операций опускания ковша в забой, копания (отделение грунта от массива, наполнение ковша и его подъем вверх), поворота платформы, открывания ковша, разгрузки, возвращения в забой с закрыванием ковша. Универсальные одноковшовые экскаваторы, применяемые на строительных работах, имеют сменное оборудование и могут работать как лопата, драглайн или кран. Особенности технологического процесса и конструкции экскаваторов непрерывного и циклического действия также создают необходимость раздельного рассмотрения вопросов автоматизации работы машин указанных групп. Сложность технологического процесса и напряженность труда машиниста приводят к тому, что автоматизация работ одноковшовых экскаваторов более затруднительна, чем экскаваторов непрерывного действия. При наличии существенного различия в рабочих режимах экскаваторов непрерывного и циклического действия имеет место общий характер отдельных процессов, что определяет известную аналогию в постановке задач автоматизации, принципах и способах их решения. Несмотря на большое многообразие машин для земляных работ, можно указать на общие особенности их работы, которые следует учитывать в первую очередь при автоматизации: возможность резких изменений нагрузки, как предполагаемых заранее, так и неожиданных для обслуживающего персонала, тяжелый характер динамических режимов, зависимость условий работы от характеристик разрабатываемого грунта. Исходя из этого, системы автоматического управления землеройными машинами должны обеспечивать получение необходимых характеристик приводов, удобство и простоту управления машиной, надежность и безопасность производства работ и экономичность использования машины. Особенности технологических процессов и специфика работы землеройнотранспортных машин и экскаваторов затрудняют создание систем автоматического, управления, которые полностью исключили бы участие машиниста в управлении. Это обусловливает применение автоматизации управления теми 461 процессами, которые в большей мере определяют эффективность использования машины. В рассматриваемых ниже конкретных решениях систем автоматического управления следует отмечать общие принципы подхода к автоматизации рабочих процессов подъемно-транспортных, землеройно-транспортных машин и экскаваторов. Автоматизация землеройно-транспортных машин непрерывного действия. На строительстве дорог и других сооружений большой объем работ составляют планировочные и отделочные работы по устройству земляного полотна определенного профиля или грунтовых оснований, выполняемые с помощью автогрейдера. Отклонение поперечных профилей от заданных, приводящее к необходимости применения дополнительного ручного труда для окончательной доводки поперечного профиля, определяет одну из задач автоматизации работы автогрейдера — автоматическое управление положением рабочего органа в поперечной плоскости. При этом система автоматического управления должна измерять величину наклона отвала по отношению к горизонту и после ее сравнения с заданной величиной поперечного уклона подавать управляющий сигнал на привод управления. Базой для отсчета в такой системе будет являться горизонт. Производительность автогрейдера и качество работы определяются правильной установкой отвала не только в поперечной, но и в продольной плоскости. Обеспечение стабилизации положения рабочего органа в продольной плоскости является более трудной задачей. Рабочие операции автогрейдера могут быть определены как резание, перемещение грунта и отделка площади. При резании грунта производительность автогрейдера определяется количеством вырезанного грунта. Машинист стремится при наилучшем режиме работы двигателя срезать как можно больше грунта. Так как работы по резанию ведутся в основном на нижних скоростях, наибольшая производительность машины может быть достигнута на границе буксования ведущих колес. В соответствии с этим система автоматического управления должна контролировать загрузку машины по буксованию. Рассмотрим некоторые из возможных решений систем автоматического управления работой автогрейдера. Система управления отвала (рис. 11.14) содержит следующие основные элементы: датчик 6 продольного уклона, датчик поперечного профиля 4, подъемное устройство 5 щупового датчика, блок управления 1, исполнительные устройства — реверсивные гидрозолотники 2 с электрогидравлическим управлением. Датчик 6 продольного уклона является щуповым прибором. Датчик 4 угла поперечного профиля представляет собой маятник, соединенный с подвижным контактом потенциометра, включенного в мостовую схему. Крепление датчика на тяговой раме автогрейдера осуществляется посредством хомута. Блок управ- 462 ления 1 служит для переключения режимов работы, задания уклона поперечного профиля и для кнопочного управления гидроцилиндрами подъема тяговой рамы с отвалом. Стабилизация положения рабочего органа в продольном направлении производится следующим образом: при движении автогрейдеpa щуп датчика перемещается по опорной базе, определяющей требуемый продольный профиль поверхности. В качестве базы можно использовать проволоку или трос, натянутый вдоль поверхности, которую необходимо профилировать. Если угловое положение щупа превысит величину зоны нечувствительности системы, с датчика поступает сигнал на усилитель в блоке управления. В результате замыкается цепь питания электромагнита гидрозолотника. С помощью гидроцилиндра происходит перемещение рабочего органа, которое прекращается, когда щуп, скользя по опорной базе, снова возвратится в зону нечувствительности. При этом электромагнит гидрозолотника отключается. Рис.11.14. Установка элементов автоматики на автогрейдере: 1− блок управления; 2− гидрозолотник; 3− гидропривод; 4− датчик поперечного профиля; 5− подъемное устройство; 6− датчик продольного профиля Стабилизация положения рабочего органа в поперечном направлении осуществляется с помощью маятникового датчика угла, который установлен на тяговой раме автогрейдера и воспринимает поперечный уклон отвала. Требуемое угловое положение задается в блоке управления. С помощью мостовой схемы производится сравнение сигнала датчика угла с сигналом, соответствующим заданному угловому положению. При рассогласовании сигналов включается электромагнит реверсивного золотника, и гидроцилиндр перемещает орган в сторону уменьшения рассогласования (до заданного углового положения). Электрическая схема системы управления (рис. 11.15) состоит из чувствительных элементов датчиков, усилителей сигналов и исполнительных устройств, а также выключателя 1В, электромагнитного арретира ЭА углового датчика, гасящего сопротивления 4, позиционного переключателя 1П выбора режима работы, четырех кнопок 1КУ– 4КУ ручного управления, сигнальных ламп Л1– Л10, переключателей 2П– 4П на режимы «работа — настройка» и предохранителя Пр. 463 Рис.11.15. Электрическая схема управления автогрейдера Чувствительными элементами щуповых датчиков 1ДЩ и 2ДЩ являются бесконтактные датчики 1БК– 4БК. Генерируемые импульсы этих датчиков преобразуются диодом в постоянное напряжение отрицательной полярности. При введении в паз датчика пластинчатого сектора с выхода усилителя сигнал поступает на усилители 1У или 2У, предназначенные для включения электромагнитов исполнительных механизмов ЭМ1 – ЭМ4 с задержкой по времени, исключающей влияние кратковременных возмущений на работу системы. Чувствительный элемент углового датчика поперечной стабилизации выполнен по мостовой схеме, в которую входят потенциометр датчика угла R1, задающий потенциометр R2 и поляризованное реле РП, включенное в диагональ моста. Реле РП через свои контакты РПП и РПЛ обеспечивает работу системы с заданным порогом чувствительности, регулируемым потенциометром ЗР («Загрубление»). Диоды Дг−ДА служат для защиты сигнальных ламп Л7 −Л10. При 464 помощи переключателя 1П устанавливаются соответствующие рабочие режимы. На рис. 11.16 приведена схема управления автогрейдером, обеспечивающая связь загрубления рабочего органа машины со степенью буксования. Датчики угловых частот вращения Г11 и Я2 соединены с ведущим и ведомым колесами. Сигналы с чувствительных элементов поступают в дифференциальнотрансформаторный преобразователь. В соответствии с сигналом рассогласования включается обмотка реле РЗ (запаздывание) или РП (опережение) в зависимости от степени отклонения от заданного режима и срабатывает механизм подъема или опускания. Рис.11.16. Принципиальная схема управления автогрейдером по степени буксования Когда токи в левой и правой частях схемы равны (сигнал от П1 равен сигналу от Л2), то РЗ и РП не включаются. Меняя величину конденсатора С2 с помощью соответствующего переключателя, можно ступенчато задавать режим работы. Чтобы регулятор не реагировал на кратковременное изменение сопротивления грунта, предусмотрена задержка срабатывания. В цепь включена емкость Сз, которая должна зарядиться прежде, чем ток пройдет через триод и реле. Грейдер-элеватор является самоходной длиннобазовой машиной. Как отмечалось выше, для таких машин целесообразно применение автоматизированного регулируемого привода типа «мотор — колесо». При этом одной из основных задач автоматизации будет являться согласование механических характеристик колесных двигателей и дизеля с целью обеспечения потребления от дизеля заданной мощности. Особенности использования дизель-электрических трансмиссий для землеройно-транспортных машин будут рассмотрены ниже применительно к скреперу. 465 11.3. Автоматизация землеройно-транспортных машин циклического действия Основной операцией рабочего цикла, которая в большей мере, чем другие операции, определяет эффективность работы скрепера, является резание грунта. Необходимость автоматизации операции резания объясняется также ее трудоемкостью — от 30 до 50% всех переключений рычагов управления приходится на эту операцию. В рабочем режиме машинист стремится привести силы сопротивления резанию грунта в соответствие тяговым возможностям машины. Последние при высоких сцепных качествах машины определяются мощностью двигателя. Так как по мере внедрения ковша в грунт двигатель будет все более нагружаться, а по мере его выглубления разгружаться, в основу построения автоматической системы управления операцией резания может быть положен принцип стабилизации нагрузки от сил сопротивления резанию путем изменения толщины срезаемой стружки по мере наполнения ковша скрепера. Измерение нагрузки двигателя может производиться непосредственно (измерением величины усилия или момента) или косвенным путем (измерением скорости вращения двигателя). Последнее обеспечивает более простое исполнение системы управления, хотя и не лишено ряда недостатков (например, инерционность датчика, чувствительным элементом которого является сам двигатель). Рассмотрим особенности автоматизации работы скрепера с дизельэлектрической трансмиссией. Упрощенная схема такой трансмиссии применительно к системе постоянного тока приведена на рис. 11.17. Рис. 11.17. Упрощенная схема дизель-электрической трансмиссии скрепера: 1−дизель; 2 − генератор переменного тока; 3, 9, 10, 16, 17 − обмотки возбуждения; 4 − тиристорные преобразователи; 5 − тяговый генератор постоянного тока; 6, 7, 11 − блокирующие устройства; 8, 12, 13, 14 − электродвигатели Дизель 1 приводит во вращение тяговый генератор постоянного тока 5. От тягового генератора питаются электродвигатели, встроенные в колеса передней оси 8 и 13 и задней оси 12 и 14. Генератор и двигатели имеют независимые обмотки возбуждения (соответственно 3 и 9, 10, 16, 17), питаемые от дополни- 466 тельного синхронного генератора 2 через управляемые тиристорные преобразователи 4. В тяговом режиме работы машины производится автоматическое регулирование напряжения генератора путем воздействия на цепь обмотки возбуждения 3 таким образом, что с ростом тока, потребляемого электродвигателями, напряжение генератора уменьшается, изменяясь при этом обратно пропорционально току нагрузки. Таким образом, тяговый генератор имеет гиперболическую внешнюю характеристику U (I), а так как произведение UI = Р = const, то от дизеля отбирается постоянная мощность. За счет обратных связей токи в обмотках возбуждения двигателей пропорциональны токам якорной цепи, и двигатели имеют механическую характеристику   (Мс), также близкую к гиперболе. При этом частота вращения якоря двигателей (скорость движения скрепера) и момент нагрузки почти обратно пропорциональны, а мощность двигателя приблизительно постоянна (  Мс = const). При использовании системы переменного тока в качестве тяговых электродвигателей могут быть применены асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, отличающиеся простотой конструкции, надежностью в эксплуатации и имеющие меньшую массу. Наиболее перспективна система переменного тока со статическими преобразователями частоты. В этом случае регулирование частоты вращения электродвигателя производится изменением частоты (и напряжения) питающей сети. Как и в системах постоянного тока, механическая характеристика электродвигателя должна быть близка к гиперболической, что достигается наличием соответствующих обратных связей. Эффективное использование бульдозера на строительных работах также определяется обеспечением стабилизации нагрузки двигателя и качества обрабатываемой поверхности. Автоматическая система стабилизации угла наклона отвала бульдозера унифицирована с системой управления рабочим органом автогрейдера и состоит из аппаратуры автоматики (рис. 11.18) и гидравлической системы. В аппаратуру автоматики входят блок управления I, пульт управления II, датчик углового положения III и реверсивный золотник IV. Блок управления I установлен в кабине машиниста. Он служит для задания требуемого угла продольного уклона и преобразования сигнала датчика в команду, которая подается на электромагниты реверсивного гидрозолотника. Пульт управления II обеспечивает кнопочное дистанционное управление подъемом и опусканием отвала бульдозера. Датчик углового положения III с поворотным устройством расположен в защитном кожухе на толкающем брусе (раме) бульдозера вблизи поворотной цапфы и представляет собой маятник, соединенный с подвижным контактом потенциометра. Величина сигнала датчика пропорциональна его угловому отклонению от заданного положения относительно рабочего органа, на котором он установлен. Реверсивный золотник расположен на задней стенке корпуса бортовых фрикционов трактора, служит для управления гидроприводом перемещения рабочего органа. 467 Рис. 11.18. Аппаратура автоматики системы стабилизации угла наклона отвала бульдозера Принцип работы системы стабилизации состоит в том, что при отклонении отвала от заданного углового положения датчик выдает сигнал, поступающий после усиления на один из электромагнитов гидрозолотника, в результате чего обеспечивается возвращение отвала в первоначальное положение. 11.4. Автоматизация работы экскаваторов непрерывного действия Одним из наиболее трудоемких видов работ, выполняемых с помощью экскаваторов непрерывного действия, является копание траншей и каналов с планировкой дна по заданному продольному уклону, обеспечивающему работоспособность трубопроводов, дренажных устройств и гидротехнических систем. При выполнении этих работ машинист должен непрерывно следить за положением рабочего органа, регулировать глубину копания и удерживать экскаватор в створе заданной трассы, что приводит к его быстрому утомлению, снижению производительности и качества работы. Указанные обстоятельства определяют необходимость автоматизации процесса выдерживания экскаватором заданных продольных уклонов дна траншей (каналов). Системы автоматического управления могут быть выполнены с заданием уклона дна по местности и с программным заданием движения рабочего органа в функции времени или пройденного пути. На экскаваторах с автоматическим регулированием глубины копания по проволочному (канатному) копиру или оптическому лучу, направленному вдоль траншеи с заданным углом (рис. 11.19), на раме рабочего органа 1 устанавливается кронштейн 4, к точке А которого отвесно подвешен датчик 8 с контактным устройством 5. Копир а-а натягивается между стойками 2 на опреде- 468 ленном расстоянии от дна траншеи в-в. Это расстояние («постоянная экскаватора» К) при работе должно оставаться неизменным. Рис. 11.19. Система автоматического управления глубиной копания траншейного экска ватора: 1− рабочий орган; 2 − стойка копира; 3 − датчик; 4 − кронштейн; 5 − контактное устройство датчика Система автоматического управления обеспечивает поддержание такого положения рабочего органа, при котором ни один из контактов не замкнут, а копир находится в зоне нечувствительности контактного устройства. Это положение является равновесным для системы. При нарушении равновесия вследствие действия внешних возмущений копир замыкает один из контактов, чем вызывает срабатывание соответствующей аппаратуры автоматики и восстановление равновесия. Нагрузка рабочего органа экскаваторов, предназначенных для рытья траншей и каналов, имеет неравномерный характер, обусловленный как конструктивными особенностями и назначением машины, так и внешними природными условиями. Такова, например, неравномерность нагрузки, определяемая выходом очередного ковша из зацепления с грунтом, изменением положения рабочего органа (в том числе с целью поддержания заданного уклона дна), обрушением грунта на рабочий орган и т. д. Изменения нагрузки, обусловленные внешними природными условиями, носят вероятностный характер и определяются, например, наличием различных включений в почве, изменением категории грунта, рельефа местности, растительного покрова и другими причинами. Кроме нагрузки, величина которой не приводит к нарушению непрерывной работы машины, имеет место нагрузка аварийного характера, сопровождающаяся срабатывнием соответствующей защиты и вынужденной остановкой машины (например, при встрече ковша с непреодолимым препятствием). Повторный пуск исполнительных механизмов экскаватора обычно затруднен (ввиду наличия, например, грунта в ковшах рабочего органа) и требует ряда дополнительных вспомогательных операций (освобождение ковшей от грунта и т. д.) с затратой значительного времени. Имеющие место на практике отклонения нагрузки от некоторого заданного значения и наличия аварийных нагрузок приводят к недоиспользованию установленной мощности двигателя и снижению производительности машины, что может быть в значительной мере устранено выравниванием нагрузки и предот- 469 вращением аварийных остановок как путем улучшения конструкции машин, так и автоматическим регулированием скоростей основных рабочих движений. Принимая во внимание, что мощность, потребляемая рабочим органом землеройной машины, составляет основную часть мощности силовой установки и определяется как поступательной скоростью движения экскаватора, так и скоростью резания, наиболее рационально применение совместного регулирования указанных скоростей. Техническое решение такой задачи достаточно сложно. В то же время плавное регулирование только скорости движения может значительно повысить эффективность использования машины и увеличить ее производительность. При этом, когда, например, рабочий орган недогружен (сопротивление грунта копанию незначительно), необходимо увеличить скорость движения траншейного экскаватора и толщину срезаемой «стружки», увеличив тем самым нагрузку рабочего органа. Если сопротивление грунта копанию увеличивается настолько, что нагрузка, потребляемая рабочим органом, а следовательно, и двигателем (например, дизелем), превышает заданную, скорость движения экскаватора необходимо уменьшить, уменьшив тем самым толщину «стружки» и разгрузив за счет этого рабочий орган. Экскаваторы непрерывного действия имеют различные типы приводов; механический, гидравлический и электрический. В экскаваторах с гидроприводом рабочие скорости движения выдерживаются автоматически при помощи дроссель-регуляторов, изменяющих скорость движения в зависимости от величины нагрузки рабочего органа (рис. 11.20). Дроссель-регулятор 16 состоит из плунжера 14 и связанного с ним дроссельного золотника 15, уравновешенного регулируемой пружиной. С увеличением нагрузки рабочего органа и давления в магистрали плунжер с гидрозолотником сдвигаются, дросселируя при этом поток жидкости, подаваемой насосом 8 к ходовым магистралям. При значительном увеличении давления в магистрали (например, при встрече рабочего органа с непреодолимым препятствием) гидрозолотник перекрывает окна подачи жидкости к гидромоторам 20 и 22 ходовых механизмов, и экскаватор останавливается. В гидропривод экскаватора входит также регулятор 10, стабилизирующий частоту вращения вала дизеля в рабочем режиме. Он состоит из дросселя 11, обратного клапана 12 и гидроцилиндра 13, шток которого сблокирован с рейкой топливного насоса дизеля и золотником гидрораспрелелителя 3. Дроссель регулируется на определенную подачу насоса 8, соответствующую оптимальной частоте вращения вала дизеля. При этом весь поток жидкости проходит через дроссель, и разность давления в полостях цилиндра не оказывает действия на поршень, который остается в покое. При увеличении частоты вращения вала дизеля увеличивается подача жидкости и повышается давление в напорной магистрали перед дросселем. Поток жидкости от насоса при возросшем сопротивлении со стороны дросселя направляется в обход через клапан 12, чем выравнивает давление в обеих полостях цилиндра. 470 Рис. 11.20. Схема гидропривода траншейного экскаватора: 1, 8, 18 – насосы постоянной производительности; 2, 3, 4, 17, 19, 21, 23 – гидрораспределители; 6, 7 – гидромоторы рабочего органа; 9 – трубопровод подъема рабочего органа; 10 – регулятор оборотов дизеля; 11 – дроссель; 12 – обратный клапан; 13 – гидроцилиндр; 14 – плунжер; 15 – дроссель-золотник; 16 – дроссель-регулятор; 20, 22 – гидромоторы привода хода Поршень перемещается вверх, ограничивая подачу топлива и снижая частоту вращения вала дизеля. Одновременно снижается подача жидкости в гидромоторы 6 и 7. Для траншейных экскаваторов с электрическим приводом рабочих механизмов автоматическое регулирование скорости движения может осуществляться за счет обратной связи по нагрузке электродвигателя рабочего органа, В такой системе для электрического привода рабочего органа наиболее рационально применение простого по исполнению и надежного в эксплуатации асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, а для привода механизма передвижения — двигателя постоянного или переменного тока с различной системой управления (например, тиристорный привод). Рассматривая вопросы автоматизации процессов поддержания заданной величины нагрузки и ограничения аварийных перегрузок рабочего органа, необходимо правильно представлять характер нагрузки, регулирование которой возможно за счет соответствующего изменения скоростей рабочих движений. Нагрузка неаварийного характера может быть разделена на кратковременную и длительную, периодическую и случайную. Нагрузка аварийного характера может быть классифицирована на нагрузку, требующую мгновенного срабатывания соответствующей защиты (первая категория), и нагрузку, допус- 471 кающую регулирование в течение некоторого промежутка времени (вторая категория). Последняя может быть полностью предотвращена или частично ограничена. По природе своего возникновения нагрузка рабочего органа классифицируется на два вида: нагрузка, саморегулируемая рабочим органом (например, удаление дополнительного грунта ковшами), и нагрузка, регулируемая только скоростью движения машины (например, дополнительная нагрузка, обусловленная изменением свойств грунта, рельефа местности). В первом случае величина дополнительной нагрузки постепенно уменьшается, во втором — может оставаться неизменной достаточно длительное время. В зависимости от интенсивности приложения нагрузка может иметь плавный и крутой фронт нарастания. Отметим некоторые особенности регулирования нагрузки при решении вопросов автоматизации экскаваторов. 1. Стабилизация средней величины нагрузки рабочего органа может быть достигнута путем регулирования: а) периодической длительной нагрузки, обусловленной некоторыми конструктивными особенностями машины и наличием дополнительного грунта после обрушения; б) длительной нагрузки случайного характера, обусловленной изменениями свойств грунта, рельефа местности, растительного покрова и другими причинами; в) длительной нагрузки, изменение которой обусловливается необходимостью обеспечения заданного уклона дна канала (траншеи). 2. Ограничение аварийной нагрузки второй категории также может быть достигнуто путем своевременного уменьшения избыточного момента сопротивления изменением скорости рабочего хода машины (при перегрузках, обусловленных, например, изменениями свойств грунта, рельефа местности, обрушением грунта на рабочий орган и другими причинами). В то же время аварийная нагрузка первой категории требует обязательного применения специальных средств защиты, так как ее ограничение не может быть достигнуто уменьшением скорости рабочего хода (стопорение рабочего органа при встрече с жесткими непреодолимыми препятствиями и другие аварийные режимы). Если для поддержания некоторой средней нагрузки не требуется достаточно широкого диапазона непрерывного регулирования скорости, то при аварийной нагрузке рабочего органа скорость движения должна быть уменьшена почти до нуля. С этой точки зрения для стабилизации среднего значения нагрузки может быть применено комбинированное регулирование скорости (например, ступенчатое механическое и непрерывное электрическое между механическими передачами), тогда как для ограничения аварийных нагрузок необходимо непрерывное регулирование скорости во всем диапазоне. Автоматизация работы одноковшовых экскаваторов. Отметим в заключение общие принципы автоматизации работы одноковшовых экскаваторов. 472 Как объект автоматизации, одноковшовый экскаватор представляет собой машину, на координаты положения рабочего органа которой накладываются многие ограничения. Трудности полной автоматизации управления работой одноковшовых экскаваторов обусловливают применение таких систем управления, в которых рабочий цикл разукрупняется на простые операции, доступные для автоматизации, а машинист может вмешиваться в работу системы, например, как источник информации и корректор работы. Задача автоматизации управления рабочим процессом разделяется при этом на ряд самостоятельных задач применительно к условиям использования экскаватора. Основными требованиями, предъявляемыми к операции копания, являются оптимальность загрузки подъемного механизма, соответствие величины заглубления ковша мощности подъемного механизма, высоте забоя и свойствам грунта, а также достаточно хорошая планировка плоскости подошвы забоя. На транспортных операциях должны быть обеспечены оптимальные режимы разгона и торможения привода поворотного механизма, остановка ковша в заданной точке и оптимальная высота разгрузки. При разработке грунтов для механизмов подъема и напора характерна возможность принудительной остановки, например, при слишком большом заглублении ковша или в случае встречи ковша с непреодолимым препятствием. Такой режим работы называется стопорным режимом, или режимом работы «на упор». Возможность стопорного режима работы экскаватора предъявляет к приводу требование ограничения усилия на ковше в момент стопорения. Если ограничения усилия не произойдет, то кинетическая энергия, запасенная во вращающихся частях привода и механизма, обусловит значительные, динамические перегрузки в элементах привода и металлоконструкциях. В экскаваторах с электрическим приводом ток в цепи увеличится в несколько раз по сравнению с номинальным, что является опасным для электродвигателей и электроаппаратуры. Указанные обстоятельства определяют задачу автоматического ограничения в стопорном режиме величины вращающегося момента (тока) электродвигателя, а следовательно, и усилия на ковше. При этом двигатель быстро снижает обороты и останавливается. С другой стороны, для сохранения наибольшей производительности необходимо, чтобы уменьшение частоты вращения двигателя начиналось только с момента наступления стопорения, а до наступления этого момента двигатель работал бы с номинальной частотой вращения. Обеспечение указанных требований производится автоматической системой управления, уменьшающей напряжение на двигателе с момента начала стопорения. Траектория движения ковша экскаватора, оборудованного напорным механизмом, определяется работой подъемного и напорного механизмов. Поддержание нагрузки подъемного механизма на заданном уровне производится за счет изменения толщины срезаемой стружки грунта путем регулирования ско- 473 рости напорного механизма в функции отклонения нагрузки подъемного механизма от заданного значения (аналогия с процессом поддержания нагрузки рабочего органа экскаватора непрерывного действия за счет регулирования скорости движения). При этом основная работа по резанию и перемещению грунта выполняется подъемным механизмом, а напорный механизм осуществляет функцию управления. Датчик нагрузки подъемного механизма динамического типа включается в глухой конец каната подъема ковша посредством рычажного промежуточного механизма. Электрический сигнал от датчика через усилитель поступает в цепь управления реле, контакты которых управляют контакторами двигателя напора. Для обеспечения оптимальной загрузки подъемного механизма (определяемой, например, из условия минимума времени заполнения ковша) и хорошей планировки плоскости подошвы забоя система автоматического управления должна координировать управление подъемным и напорным механизмами экскаватора, В гидравлических экскаваторах применяются следящие системы для привода рулевых колес и рабочего оборудования. Следящие системы в приводах рабочего оборудования используются с целью получения заданных траекторий копания, когда задаваемая на пульте управления траектория повторяется рабочим органом. Для осуществления следящего привода одновременно нескольких шарнирно связанных элементов рабочего оборудования рычажная система управления ими выполняется кинематически подобной управляемой системе и имитирует движение последней. Такова, например, система, обеспечивающая совмещенное следящее управление стрелой и рукоятью прямой лопаты. Автоматизация транспортных операций экскаватора (поворот платформы, изменение высоты ковша, изменение выдвижения рукояти, выгрузка грунта), составляющих часть единого рабочего процесса, ввиду сложности технического решения, производится по программе, задаваемой человеком. При этом системы автоматизации одноковшовых экскаваторов строятся аналогично системам управления кранами, которые предусматривают перемещение рабочего органа по заранее заданной траектории с определенными оптимальными скоростями для данной загрузки. При производстве земляных работ необходимо проверять глубину разработки, что усложняет систему автоматизации одноковшовых экскаваторов. На рис. 11.21 показана принципиальная схема глубиномера с потенциометрическими датчиками положения рабочего органа Рис. 11.21. Принципиальная схема глубиномера 474 Принцип работы глубиномера основан на измерении длины троса, вытравленного с барабана главной лебедки, и угла подъема стрелы. Ползунки потенциометров RT и Rc связаны посредством передач с барабаном главной лебедки и стрелой экскаватора. Перед началом работы переменными сопротивлениями R1 и R2 микроамперметр, включенный в диагональ моста M, устанавливается на нуль. При этом загорается лампа ЛC. Затем устанавливается глубина разработки с помощью этих же сопротивлений. Сигнал, обусловленный разбалансом моста, подается на вариатор, усилитель и выходное реле PC. Когда в процессе работы экскаватора будет достигнута заданная величина заглубления, сопротивления RT и Rc примут такое значение, что мост будет сбалансирован и реле PC выдаст соответствующий сигнал в систему управления и на сигнальную лампу ЛС. Автоматический учет работы строительных машин. Увеличение производительности строительного оборудования зависит от наиболее полного использования мощности и времени работы, что неразрывно связано с более эффективным проведением учета работы машин. Последнее обеспечивает: контроль за работой машин и принятие соответствующих мер для их правильного использования, возможность планирования выполнения ремонта не по времени нахождения машины на строительной площадке, а в зависимости от фактического времени работы и выработки машин уточнение, и разработку норм времени и расценок, возможность оплаты труда персонала в точном соответствии с фактически выполненной работой. Рассмотрим систему автоматического учета работы скреперов, которая заключается в регистрации количества рейсов, затраченных на перевозку грунта с места разработки к объекту выгрузки, учете числа полногрузных рейсов скрепера и средней дальности перевозки грунта. Датчик веса 1 (рис.11.22) предназначен для замыкания электрической цепи при номинальной величине загрузки скрепера. Датчик угла наклона 2 служит для блокировки датчика веса с целью защиты устройства от ложных и непреднамеренных срабатываний. Датчик электроспидометра 4 и электроспидометр5 фиксируют километраж, пройденный скрепером с номинальным грузом. Датчик угла подъема днища предназначен для замыкания цепи счетчика рейсов 7, реле 11 и элемента задержки 13, 14. Датчик заполнения ковша скрепера сигнализирует о достаточном заполнении ковша. При наполнении ковша срабатывает датчик 6, сигнализируя об окончании набора грунта, после чего начинается подъем ковша. При помощи датчика веса 1 по величине усилия в канате определяется достаточность заполнения ковша. При соответствии веса ковша номинальному (заданному) и при определении значения угла наклона ковша сигналы с датчиков поступают на реле 8, 9 и 10, и датчик электроспидометра 4 получает питание. Процесс набора грунта закончен. При транспортировании грунта к месту выгрузки датчик 4 посылает в электроспидометр сигналы в виде импульсов для подсчета пройденного пути. 475 Операция подъема ковша днища фиксируется датчиком угла подъема днища 3, который подает сигнал на счетчик рейсов. Фиксация очередного рейса возможна лишь при условии последовательного срабатывания датчиков веса, угла наклона ковша скрепера, электроспидометра и угла наклона днища. Рис. 11.22. Принципиальная схема системы автоматического учета работы скрепера: 1− датчик веса; 2 − датчик угла наклона; 3 − переключатель; 4, 5 − электроспидометры; 6 − датчик наполнения ковша; 7 − счетчик рейсов; 8,11 −реле; 12 − лампа сигнальная; 13, 14 −элементы задержки Автоматический учет работы других строительных машин может отличаться от рассмотренного в связи с особенностями технологического процесса машины. Так, например, система автоматического учета работы экскаватора может включать приборы для учета числа циклов, суммарного времени и веса перегруженного грунта. Последнее может быть осуществлено при помощи двух потенциометрических датчиков усилия, параллельно используемых в системах автоматической защиты технологического оборудования, по результирующему сигналу, величина которого пропорциональна весу грунта в ковше. Следует заметить, что в большинстве случаев для автоматического учета используются средства автоматики, имеющие, кроме того, и другие задачи. 11.5. Автоматизация машин и оборудования производства бетонных смесей и растворов При приготовлении бетонных смесей и растворов автоматизируются следующие операции: подача материалов в подготовительное отделение, дозирование компонентов, перемешивание, выгрузка смеси и подача ее на посты формования (на заводах). На заводах железобетонных изделий заполнители со склада транспортируются в расходные бункера подготовительного отделения при помощи различных транспортирующих устройств. Кроме того, перед поступлением в дозировочное отделение материалы подвергаются подогреву (в зимнее время) и сушке. 476 При транспортировании материалов с целью повышения производительности и надежности работы систем осуществляются автоматическое управление приводами механизмов конвейерных линий, автоматический контроль за наличием материалов, их влажности, контроль целостности ленты и забивки течек. Для нормального хода технологического процесса необходимо соблюдать следующие правила: 1) обеспечивать определенную последовательность запуска двигателей отдельных звеньев транспортирующей цепи; во избежание завала конвейера материалом пуск двигателей должен протекать в направлении, противоположном грузопотоку; 2) производить остановку двигателей в направлении, противоположном грузопотоку; 3) отключать все двигатели, посредством которых осуществляется подача материала к поврежденному звену, при аварийном отключении какого-либо из двигателей. Двигатели, находящиеся за поврежденным участком (по ходу материала), должны продолжать работать; 4) предусматривать возможность раздельного пуска двигателей, необходимого для наладки и опробования системы; 5) предусматривать возможность аварийной остановки конвейерной линии с любого места; 6) подавать перед пуском предупредительный сигнал. На рис. 11.23 приведена схема автоматического управления тремя двигателями конвейерной линии, состоящей из трех звеньев, отвечающая сформулированным выше требованиям. Выбор режима осуществляется универсальным переключателем УП, имеющим три положения: М — местный; Л — автоматический; О — отключено. При местном режиме управления каждый из механизмов может быть включен самостоятельно при помощи кнопок КП. При автоматическом режиме пуск системы производится при наличии нижнего уровня в приемном бункере НУП и при наличии материала в расходном бункере. НУР. Отключение происходит при достижении верхнего уровня в приемном бункере ВУП или при помощи дистанционной кнопки остановки системы КСД. Пуск последующих механизмов осуществляется при включенных предыдущих при помощи реле PC. Вентиль расходного бункера СРВ открывается при включенном транспортере № 3 (реле РСЗ). Подача материала на транспортер из бункеров может осуществляться также вибролотками или виброзатворами-питателями. 477 Рис. 11.23. Схема управления механизмами загрузки и разгрузки конвейеров На рис. 11.24, а приведена схема управления виброзатвором-питателем. Рис.11.24. Схема управления механизмами загрузки (а) и разгрузки конвейеров (б) При нажатии кнопки КМ или КП ставится под напряжение катушка промежуточного реле 1РПВ, которое, срабатывая, подключает катушку контактора 1KB. Последний подает напряжение на электромагнит виброзатворапитателя. Кнопка КМ установлена около виброзатвора-питателя, а кнопка КП — на пульте диспетчера. Разгрузка ленточных конвейеров может осуществляться посредством плужковых сбрасывателей, представляющих собой стальную пластину, опускаемую на ленту. Под воздействием противовеса плужок-сбрасыватель приподнимается. Для осуществления разгрузки необходимо поставить плужок-сбрасыватель в рабочее положение — опустить его. Это осуществляется с помощью электромагнита. Схема автоматического управления плужковым сбрасывателем приведена на рис. 11.25, б. При неполном бункере контакты реле уровня IУ замкнуты. Промежуточное реле РП обтекается током и своими контактами включает катушку магнитного пускателя П. Последний подключает к сети электромагнит 478 плужкового сбрасывателя ЭПС, происходит опускание плужка на транспортер, в результате чего материал начинает поступать в бункер. При наличии нескольких бункеров отыскание незаполненного бункера производится при помощи шаговых искателей, которые включают в работу соответствующие плужковые сбрасыватели путем подачи импульсов в цепь реле управления плужками. Для контроля наличия материалов на ленте конвейера применяется датчик наличия материалов (рис. 11.24). Датчик устанавливается над конвейерной лентой у места ссыпки материала. Если материал на конвейерной ленте отсутствует, то рычаг 4 находится в вертикальном положении, и контакт выключается. При прохождении материала рычаг 4 отклоняется влево, поворачиваясь относительно точки 5, и замыкает контакт. Чувствительность датчика регулируется соотношением плеч рычагов. При обычном соотношении плеч ртутный контакт включается после отклонения рычага на 5…7°, что соответствует высоте слоя 3…5 мм. Рис. 11.25. Контактный датчик наличия материала на ленте конвейера: 1− лента конвейера; 2 − материал; 3 − резина; 4 − рычаг; 5 − шарнир; 6 − конечный выключатель Для контроля целостности ленты может быть использован обычный конечный выключатель, воспринимающий натяжение ленты. Определение влажности строительных материалов в заводских условиях является важной технологической операцией, необходимой для правильной дозировки воды при приготовлении бетонной смеси. Наибольшее значение имеет определение влажности песка. Сведения о водоцементном отношении свежеприготовленного бетона позволяют корректировать процесс тепловлажностной обработки для получения гарантированного качества железобетонных изделий. Наиболее широкое распространение получил метод высушивания образца. Сущность метода состоит в определении разности веса образцов до и после высушивания. В последнее время получают применение электрофизические и радиофизические методы определения влажности, для которых характерна быстрота анализа. Рассмотрим наиболее перспективные приборы для контроля влажности разнообразных строительных материалов и изделий. В настоящее время широкое распространение получают СВЧ-методы измерения влажности строительных материалов, которые основаны на зависимости 479 поглощения СВЧ-энергии от количества воды в материале. Эта зависимость линейна в широком диапазоне измерения влагосодержания. Источниками электромагнитного излучения являются клистроны, генерирующие в диапазоне сверхвысоких частот. СВЧ-влагомер состоит из пяти функциональных блоков, смонтированных в общем каркасе: генератора СВЧ, выпрямителей, преобразователя, аттенюатора и узкополосного усилителя. На рис. 11.26 показана принципиальная схема СВЧ-влагомера. Генератор СВЧ 1 собран на клистроне типа К-29. Высокочастотная энергия возбуждает волновод прямоугольного сечения с помощью петли связи. Модуляция клистрона осуществляется путем подачи прямоугольного импульса через разделительный конденсатор С с обмотки трансформатора блока 2. Блок питания 2 обеспечивает подачу на клистрон постоянных стабилизированных напряжений 350, 150 и 12 В. Рис. 11.26. Схема СВЧ-влагомера: 1 − генератор СВЧ; 2 − блок питания; 3, 4 − блоки преобразования; 5 − блок узкополос ного усилителя; 6 − оконечный усилитель; 7 − испытуемый материал; AT− блок аттенюаторов; ин −индикатор Блок преобразования 3 обеспечивает преобразование постоянного напряжения 12 В, получаемого от аккумуляторов, в переменное напряжение прямоугольной формы частотой 1000 Гц, которое вырабатывается генератором, собранным по схеме мультивибратора, с парафазным усилителем на транзисторах. Мощный усилитель 4 работает в ключевом режиме, что обеспечивает хорошую прямоугольную форму сигнала. Принятые меры стабилизации дают возможность получить стабильные напряжения на выходе преобразователя. Блок аттенюаторов АТ1,2 состоит из двух секций, дающих различное ослабление. Плавная регулировка ослабления осуществляется перемещением поглотителей. Блок узкополосного усилителя 5 на 1000 Гц собран на трех транзисторах типа МП-42 и МП-103. В зависимости от количества воды в материале генерируемая блоком 1 СВЧ-энергия поглощается в волноводе в разной степени, что фиксируется прибором ИП-1, являющимся нагрузкой последнего каскада усилителя 6. В качестве прибора используется микроамперметр, включенный в диагональ моста. Не менее перспективными, чем СВЧ-влагомеры, являются приборы и устройства, основанные на нейтронном методе. Принцип действия этих влагомеров построен на зависимости числа медленных нейтронов, прошедших через толщу испытуемого материала, от влажности последнего. Нейтронные влагомеры со- 480 стоят из источника нейтронов, например смеси полония и бериллия, и счетнозапоминающего устройства. Эти приборы могут быть применены как в лабораторных, так и в заводских условиях. Прибор для определения влажности при помощи двух термометров (сухого и влажного) называется психрометром. Влажный термометр отличается от сухого тем, что его термоприемник (например, резервуар с ртутью у ртутного термометра) в процессе измерения поддерживается увлажненным. По показаниям сухого и влажного термометров с помощью психрометрических таблиц, номограмм или счетных линеек, рассчитанных по психрометрической формуле, определяется упругость водяного пара в миллиметрах (миллибарах) или относительная влажность. Измерения при помощи психрометра производятся главным образом при положительных температурах воздуха, так как при отрицательных температурах (в особенности ниже –5 °С) определение влажности по психрометру становится ненадежным. Существует несколько типов психрометров: а) аспирационные, состоящие из двух одинаковых ртутных термометров и имеющие искусственную вентиляцию термоприемников; б) стационарные, состоящие из двух одинаковых ртутных или спиртовых термометров, помещаемых на специальном штативе в метеорологическую будку; в) дистанционные и самопишущие, в которых вместо ртутных термометров используют два электрических термометра сопротивления, термисторы и термопары. Некоторые из этих психрометров указывают непосредственно относительную влажность в процентах. Реле влажности психрометрическое (рис. 11.27) позволяет получить сигнал о достижении влажности определенного значения (контролировать влажность). Рис. 11.27. Реле влажности психрометрическое: 1 − влажный термометр; 2 , 8 − сильфоны; 3 − пружина; 4, 6 − гайки; 7 − сухой термометр; 9 − магнит; 10 −контакты 5 − рычаг; В этом приборе в качестве чувствительного элемента использованы сухой 7 и влажный 1 манометрические термометры. Рычаг 5, переключающий контакты 10, находится под действием разности усилий, возникающих при переме- 481 щении сильфонов 2 и 8. Настройка диапазона производится натяжением пружины 3 гайкой 4. Гайка 6 позволяет регулировать дифференциал. Магнит 9 обеспечивает четкость размыкания контактов. Рассмотрим технологическую схему с элементами автоматики, изображенную на рис. 11.28. Рис 11.28. Технологическая схема с элементами автоматики приготовления бетонной смеси Согласно этой схеме, компоненты бетонной смеси — песок и щебень необходимых фракций — подаются со склада заполнителей наклонным ленточным конвейером и при помощи поворотной воронки засыпаются в соответствующие отсеки питающего бункера. Цемент со склада по пневмопроводу поступает в циклон, откуда посредством шнека через течки направляется в соответствующие отсеки бункера. Заполнение материалами отсеков питающих бункеров контролируется уровнемерами типа УКМ. Поступление материалов в весовые бункера дозаторов осуществляется через соответствующие впускные затворы. Отдозированные компоненты через выпускные затворы дозаторов подаются в одну из бетономешалок. Загрузка ее производится при помощи перекидного шибера для сухих компонентов ПШ. 482 Технологической схемой предусмотрено весовое дозирование воды. Вода из расходных баков через впускной клапан поступает в дозатор и далее в один из бетоносмесителей. Выбранный бетоносмеситель загружают при помощи перекидного шибера для воды ПШВ. Схемой управления предусматривается одновременное переключение шиберов ПШ и ПШВ. Отдозированные компоненты перемешиваются в бетоносмесителе в течение определенного времени контролируемым командным прибором, при помощи которого задается очередность загрузки работающей бетономешалки отдозированными компонентами. По окончании цикла перемешивания готовая смесь поступает в расходные бункера. Управление впускными и выпускными затворами дозаторов, перекидными шиберами, опрокидывание бетономешалок, открытие люков расходных бункеров осуществляют посредством пневмоприводов с электромагнитными клапанами. Конечные положения рабочих органов перечисленных механизмов фиксируются конечными выключателями, подающими соответствующие команды в схему управления. Автоматизация дозирования материалов выполнена на весовых циферблатных указателях, оснащенных бесконтактными электронными датчиками. Предусмотрена дистанционная передача показаний веса дозируемых компонентов на центральный пульт оператора и дистанционная задача рецептов. Для этой цели дистанционные циферблатные указатели всех дозаторов устанавливаются в пультовом помещении бетоносмесительного цеха. Оператор имеет возможность по требованию лаборатории устанавливать дозы взвешиваемых компонентов или вносить необходимые коррективы в рецептуру, а также контролировать процесс взвешивания непосредственно в пультовом помещении. Автоматизация управления операциями технологического процесса в функции времени осуществляется командным электропневматическим прибором КЭГ1-12У. Заданный вес дозируемых компонентов (цемента, песка, щебня первой фракции, щебня второй фракции и воды) устанавливается при помощи переключателей, расположенных на пульте управления. Количество задаваемых доз каждого компонента при этом равно числу датчиков, установленных на дистанционном циферблатном указателе (пять). Шестой датчик устанавливается в начало шкалы для фиксации нулевого веса. Датчики расставляются по окружности шкалы циферблатных указателей в соответствии с заданной рецептурой, составляющей в определенных весовых соотношениях пять различных марок бетонной смеси. При помощи переключателей выбирается нужный отсек питающего бункера, содержащий определенную фракцию материала (цемента, песка, щебня). Задается автоматический режим работы дозаторов, бетоносмесителя и другого оборудования. Начинается одновременная загрузка компонентов в весовые бункера всех дозаторов. По мере поступления в них материала стрелки на дистанционных циферблатных указателях соответствующих дозаторов достигают вклю- 483 ченных датчиков. В момент прохождения стрелок с флажками через прорезь включенных датчиков срабатывают реле, находящиеся в блоках питания. По окончании взвешивания компонентов производится загрузка свободного бетоносмесителя. С момента включения двигателя одного из командных аппаратов начинается поочередная загрузка компонентов в работающий бетоносмеситель. По мере загрузки дозаторов стрелки циферблатных указателей возвращаются в нулевое положение, в котором устанавливаются датчики нулевого веса. В момент прохождения стрелок с флажками через прорези этих датчиков срабатывают реле нулевого веса, расположенные в блоках питания дозаторов соответственно цемента, песка, щебня и воды. После разгрузки дозаторов в один из бетоносмесителей оператор нажатием кнопки может повторить цикл автоматического взвешивания компонентов и последующей загрузки их в другой бетоносмеситель. Далее следует операция перемешивания. Время перемешивания устанавливается технологической лабораторией. Затем следуют операции опрокидывания, освобождения бетоносмесителя и возврата его в исходное горизонтальное положение. Начало отсчета времени разгрузки бетономешалки фиксируется конечным выключателем, который срабатывает на отключение при выгрузке. При этом бетоносмеситель возвращается в исходное положение. Порядок работы второго бетоносмесителя аналогичен рассмотренному. Управление электродвигателями вращения первого и второго бетоносмесителей может осуществляться путем нажатия кнопок. Для обеспечения безопасных условий работы схемой предусмотрена звуковая сигнализация, включающаяся перед пуском бетоносмесителей. Запуск электродвигателей вращения бетоносмесителей возможен только после подачи звукового сигнала. Количество замесов, приготовленных на обоих бетоносмесителях, фиксируется при помощи импульсного счетчика. Кроме автоматического управления предусматривается дистанционное ручное управление механизмами. Режим управления выбирается при помощи ключа на пульте управления. Для выполнения наладочных и ремонтных работ в надбункерном, дозаторном и смесительном отделениях предусмотрены пульты местного управления. Управление всеми производственными процессами бетоносмесительного узла осуществляется одним оператором с центрального пульта. В операторской кроме центрального пульта управления размещены циферблатные дистанционные указатели и щит технологической световой сигнализации. На бетонорастворных заводах-автоматах подача исходных материалов, выбор марки бетона или раствора, дозирование, смешивание и выдача бетонных и растворных смесей осуществляются автоматически по программе, закодированной на перфокарте. Применение бесконтактного программно-считывающего устройства на полупроводниковых элементах обеспечивает получение практи- 484 чески неограниченного числа составов бетонных, растворных или сухих смесей. Находит применение новая схема компоновки оборудования непрерывного действия — вертикальная, прямоточная, без промежуточных транспортных устройств между дозаторами и бетоносмесителем. При такой компоновке значительно сокращаются размеры завода. Автоматические дозаторы непрерывного действия снабжаются бесступенчатыми вариаторами скорости с жестким зацеплением и системой автоматики, обеспечивающей дистанционное изменение производительности дозаторов и высокую точность дозирования. Наличие весовой тензометрической платформы позволяет автоматически производить загрузку автомобилей необходимым количеством бетонной или растворной смеси, а также регистрировать число нагруженных автомобилей и фиксировать суммарный вес отпущенного бетона или раствора. В качестве бетоносмесителя для приготовления пластичных и жестких бетонных смесей (с вязкостью до 150 стоксов и крупностью заполнителя до 80 мм), цементно-песчаных растворов любой консистенции и сухих смесей используется двухвальный лопастной бетоносмеситель принудительного действия. В состав завода-автомата входят: закрытый эстакадно-траншейный склад заполнителей, транспортерные галереи, узел сортировки песка, склад цемента силосного типа, бетоносмесительное отделение, установка автоматической выгрузки смеси. Завод размещается в двух зданиях. На рис. 11.29 изображена блок-схема управления завода по программе с использованием порционных дозаторов. В такой системе контакты сигнальных реле коммутируют резисторы измерительного семиплечного моста, в котором при этом происходит нарушение равновесного распределения напряжений. Рис. 11.29. Блок-схема управления заводом: I) − электрическая связь; II) − механическая связь;1 −компьютер с процессором; 2 − дешифратор; 3 − релейный блок; 4 − усилитель; 5 − серводвигатель; б − реохорд обратной связи; 7 − задающая стрелка с фотореле; 8 − пневмопривод; 9 − впускной затвор дозатора Сигнал появляется при разбалансе моста и подается на вход электронного усилителя. На выход усилителя подключен двухфазный серводвигатель, перемещающий стрелки с фоторезисторами на угол, соответствующий заданной ве- 485 личине дозируемого компонента. Со стрелкой сочленен движок реохорда обратной связи, который при движении серводвигателя также получает угловое перемещение. Движение серводвигателя будет продолжаться до того момента, пока не наступит равновесное состояние измерительного моста. После остановки стрелки с фотоприставкой в фиксированном положении электрическая схема дозирования получает сигнал на открытие впускного затвора, и дозатор начинает наполняться материалом. Режимы «грубого» и «точного» взвешивания обеспечиваются установкой на задающей стрелке двух фотореле. При пересечении флажком, укрепленным на подвижной стрелке циферблатного устройства, луча света, направленного на первый фотодатчик, привод впускного затвора включается на импульсный режим работы (досыпка материала). При достижении номинальной массы флажок на стрелке затемняет второй фотодатчик, после чего закрывается впускной затвор и поступление материала в дозатор прекращается. Аналогичным путем происходит дозировка других компонентов. Автоматизированное управление бетоноукладчиком. Одним из основных агрегатов при поточно-агрегатном производстве изделий является бетоноукладчик. В зависимости от принятой технологической схемы бетоноукладчики могут иметь различный принцип укладки бетона при формовании. Однако основной принцип – укладка в несколько заходов с вибрированием — сохраняется при любой технологической схеме формования изделия. Принципиальная технологическая схема с элементами автоматики такого бетоноукладчика изображена на рис. 11.30. Рис. 11.30. Принципиальная технологическая схема бетоноукладчика с элементами автоматики: 1− бункер; 2 − ленточный питатель; 3 − винтовой привод затвора объемного дозирования бетонной смеси; 4 − копильник вибронасадки; 5 − скользящая плоскость; 6 − вибраторы; 7 − бортовая оснастка; 8 − поддон; 9 − виброплощадка Для плитных элементов шириной до 3 м смесь из бункера подается ленточным питателем 2 в вибронасадок, равномерно распределяющий ее по форме и уплотняющий поверхность изделия. Корпус вибронасадки подвешен на пру- 486 жинах и образует копильник, в котором автоматически поддерживается постоянный уровень путем изменения величины щели объемного дозатора 3. На скользящей части вибронасадки установлены маятниковые вибраторы, создающие вертикально направленные колебания, под воздействием которых смесь в копильнике приобретает повышенную подвижность и непрерывно поступает под скользящую поверхность вибронасадка, выполняющую роль неподвижного поверхностного вибратора, опирающегося на борта формы. При укладке смеси в несколько приемов может быть применена схема, приведенная на рис. 11.31. Рис.11.31. Принципиальная электрическая схема управления бетоноукладчиком Бетоноукладчик имеет два крайних положения, которые фиксируются конечными выключателями КВН и КВВ. В автоматическом режиме после нажатия кнопки КПА включается реле Р1, если бетоноукладчик находится в начальном положении. Движение бетоноукладчика будет осуществляться автоматически из одного крайнего положения в другое до тех пор, пока не израсходуется смесь, предназначенная для данного изделия, что фиксируется контактом уровнемера (У). 11.5. Автоматизированное управление конвейером отделки стеновых панелей Развитие конвейерных линий нашло воплощение не только в технологических линиях по изготовлению строительных элементов, но и в конвейерах для их отделки. На автоматический или полуавтоматический режим могут быть переведены конвейеры отделки наружных и внутренних стеновых панелей. С помощью специальной траверсы изделие краном устанавливается на конвейер, оборудованный цепным приводом. Траверса на катках катится по монорельсу с навешенным на нее изделием. Перемещаясь от поста к посту, изделие отделывается. На любом посту отделки задача сводится к перемещению механизма, осуществляющего отделку, по определенной траектории, обеспечивающей за полный проход охват всей площади изделия (например, перемещение каретки с 487 распыляющей форсункой). Это могут быть последовательные перемещения вдоль изделия и в направлении вверх − вниз. На рис. 11.32 представлена схема, обеспечивающая автоматический цикл работы на посту в такой последовательности движений механизма отделки поверхности изделия: перемещение каретки механизма слева направо (вперед), перемещение механизма в вертикальной плоскости на некоторую высоту, определяемую шириной отделки, перемещение каретки справа налево (назад), перемещение механизма в вертикальной плоскости. Далее цикл повторяется. По окончании отделки механизм останавливается. Магнитные пускатели В и Н осуществляют пуск двигателя каретки в горизонтальной плоскости, П и С – перемещение механизма отделки в вертикальном направлении (подъем-спуск). Режим (ручной или автоматический) выбирается при помощи универсального переключателя УП: автоматическое управление – положение А, ручное управление — положение Р. Рис. 11.32. Принципиальная схема работы механизмов на постах отделки конвейера При ручном режиме нажатием на кнопку П, С, В или Н двигатели включаются на соответствующее направление движения. При автоматическом управлении замыкают последовательно тумблеры Т1 и Т2 или наоборот, в зависимости от того, в каком направлении желательно первоначальное перемещение каретки. При первоначальном включении тумблера Т1 под напряжение ставится контактор В, включающий двигатель каретки на движение вперед. По достижении кареткой крайнего положения размыкаются контакты конечного выключателя KB В. Контактор В отключается, и движение каретки прекращается. Замкнувшийся контакт контактора В включает пускатель С, а разомкнувшийся контакт В лишает питания обмотку реле времени РВ. Катушка контактора С будет обтекаться током в течение определенного времени, что обеспечивает перемещение механизма отделки на определенную высоту. По окончании выдержки времени катушка контактора С отключается. При этом она замыкает свои блок-контакты 488 в цепях контакторов В и Я. Так как конечный выключатель КВВ разомкнут (каретка находится в крайнем положении вперед), включения контактора В не произойдет. На контактор Н будет подано напряжение, и начнется передвижение каретки в обратном направлении. Работа механизмов при движении в обратном направлении происходит аналогично. В конце пути замыкается конечный выключатель «назад», механизм делает один шаг в вертикальном направлении, и цикл повторяется. Управление перемещением по конвейерной линии от поста к посту заключается в сблокированном включении и отключении механизмов подачи. Конвейер имеет две линии (ветви): по одной совершаются рабочие операции, по другой — освобождение траверсы и возвращение в исходное положение. В начале и в конце конвейера установлены поворотные секции для передачи траверс. Траверсы без изделия передаются с рабочей ветви на холостую в одном конце, а на другом конце, наоборот, с ветви возврата на рабочую ветвь. Привод в таких секциях гидравлический. Направляющая для передвижения траверс выполнена в виде двутавровой балки, к которой сверху приварена специальная труба, а по ней перекатывается траверса. Для передвижения траверс с панелями предназначены специальные толкатели холостой и рабочей ветвей, перемещающиеся по своим направляющим. Конвейер работает следующим образом: траверса с панелями навешивается краном на конвейер отделки, где она проходит все посты. Затем панели снимаются с конвейера и передаются на склад готовой продукции, а пустая траверса навешивается краном на нерабочую ветвь конвейера. Здесь установлены два толкателя: задний – для перекатывания траверсы с приспособлением перевода с рабочей на нерабочую ветвь, передний –для сталкивания траверсы с холостой ветви на рабочую. Перевод траверсы с одной ветви на другую осуществляется автоматически. Контрольные вопросы по одиннадцатой главе. 1.Основные задачи автоматизации машин. 2. Одинаковы ли схемы электронного управления приводами машин ? 3. Какую функцию выполняет лазерная установка на скрепере ? 4. В каком положении находятся контакты контроллера грузопассажирского подъемника ? 5. Что используют в качестве ограничителя грузоподъемности башенного крана ? 6. Приведите схему ограничителя грузоподъемности с концевым выключателем башенного крана. 7. С помощью какого прибора определяют скорость ветра ? 8. Что из себя представляет датчик креномер. 9. Приведите схему радиоуправления краном. 10. Из каких элементов состоит программное управление для механизмов поворота и вылета стрелы крана ? 11. Показать блок-схему телерадио управления башенным краном. 12.Основные элементы системы управления отвалом автогрейдера.13. По какой схеме работает датчик поперечной стабилизации ? 14. Для чего применяют следящие системы в гидравлических экскаваторах. 15. Показать принципиальную схему глубиномера. 16. Какой метод измерения влажности материалов применяют ? 17. Показать технологическую схему с элементами автоматики приготовления бетонной смеси. 489 12. ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИН 12.1. Понятие «техническая эксплуатация машин» Под эксплуатацией строительно-дорожных машин принято понимать комплексную систему инженерно-технических и организационных мероприятий, обеспечивающих наиболее эффективное использование возможностей машин, высокую их эксплуатационную надежность, а также минимальные простои при техническом обслуживании (ТО) и ремонте с минимальными затратами. Поэтому как только машина введена в эксплуатацию, возникает ряд вопросов: как спланировать и организовать ТО и ремонт, какие формы наиболее целесообразны для данного типа машин и конкретных условий эксплуатации, что, когда, как и зачем необходимо проверить и отрегулировать. Технический прогресс в строительном и дорожном машиностроении способствовал принципиальным изменениям в структуре парка машин, повышению единичной мощности и технического уровня конструкций, широкому внедрению во многих типах машин объемного гидропривода, гидрофикации и автоматизации управления, внедрению электроники и микропроцессорной техники, созданию манипуляторов на базе одноковшовых экскаваторов, используемых на практике. Существующий парк машин и его технический уровень позволяют комплексно механизировать основные работы на всех стадиях производства и создают реальные возможности для интенсификации строительства, значительного повышения производительности труда, экономии трудовых и материальных ресурсов. Увеличение сложности конструкций машин и повышение интенсивности использования строительной техники неразрывно связаны с поддержанием качества машин при их технической эксплуатации, т. е. обеспечением длительной работы машин с максимально возможной производительностью при наименьших затратах. Эти показатели являются критерием оценки оптимальности проведения ТО. Техническое состояние машины устанавливают путем осмотра и испытания 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. При обкатке происходит приработка деталей. Режим обкатки определяется заводом-изготовителем. Первоначально обкатка ведется на холостом ходу, а затем с постепенным или мелкошаговым увеличением действующих нагрузок. На последнем этапе обкатки машину эксплуатируют в легком режиме в течение 20...25 ч. После завершения обкатки выполняют все крепежные и контрольнорегулировочные работы, устраняют замеченные неисправности, заменяют смазку и эксплуатационные жидкости. О вводе машины в эксплуатацию делают соответствующую запись в паспорте. Каждая машина, находящаяся в эксплуа- 490 тации, проходит ежесменную сдачу и приемку, при которой машину смазывают, проверяют работу на холостых движениях и под нагрузкой, работу тормозов, управления и приборов безопасности. Замеченные неисправности устраняют, о чем делается запись в журнале. Комплекс организационно-технических мероприятий, проводимых в плановом порядке для обеспечения работоспособности машин в течение всего срока их службы при соблюдении заданных условий и режимов эксплуатации, называется системой плановопредупредительного технического обслуживания и ремонта (ППР). Система называется плановой потому, что все ее мероприятия выполняют 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. Данная система основана на обязательном планировании и проведении по каждой машине, находящейся в эксплуатации, соответствующих видов технических обслуживании и ремонтов с заданной последовательностью и периодичностью. Периодичность проведения технических обслуживании и ремонтов определяется наработкой машины, измеряемой в мото-часах, километрах пробега, часах и киловатт-часах (кВт∙ч). Время работы от начала эксплуатации машины до первого капитального ремонта, измеренное в часах работы машины, называется межремонтным, циклом, а число часов работы машины между одноименными техническими обслуживаниями или ремонтами — периодичностью технических обслуживании и ремонтов. Система ППР предусматривает проведение технического обслуживания (ТО), текущих (Т) и капитальных (К) ремонтов. Рекомендациями по организации технического обслуживания и ремонта строительных машин установлены нормы периодичности и количество технических обслуживании и ремонтов, средняя трудоемкость и продолжительность их. Так, для одноковшовых экскаваторов четвертой размерной группы установлена периодичность межремонтного цикла до первого капитального ремонта 12 000 ч. За это время экскаваторы проходят 72 технических обслуживании и семь текущих ремонтов с определенной для каждого из них периодичностью. Конкретно периодичность, состав работ по каждому виду ТО и ремонту указываются в технической документации, прилагаемой в обязательном порядке к каждой машине. Увеличение сложности машин и их интенсивное использование обусловили широкое применение для технического обслуживания и ремонта специализированных организаций. Такие специализированные службы ТО и ремонта сосредоточены в специализированных трестах и управлениях механизации, при которых созданы ремонтно-эксплуатационные базы. Они включают участки диагностирования, которому подвергаются машины, проходящие ТО и Т, участки ТО со специализированными постами, участки ТО, специализирующиеся в ремонте гидропневмоаппаратуры и наиболее ответственных узлов машин — двигателей, коробок передач, редукторов, мостов и т. п. Значительную часть объемов работ по ТО выполняют на рабочем месте с помощью мобильных средств. Для этих целей созданы передвижные станции технического обслужи- 491 вания, оснащенные необходимым, в том числе диагностическим оборудованием. Передвижные ремонтные мастерские специализированы по типам машин: для башенных кранов, экскаваторов, общестроительных машин. 12.2. Понятие об эксплуатационной надежности машин Любая машина, выполняя определенные функции, находится во взаимодействии со средой и человеком, управляющим этой машиной. При этом возникают разнообразные причинно-следственные связи как формы проявления всеобщей универсальной связи явлений в природе. Накопление различных воздействий на машину приводит к эволюции ее качественных показателей и, в соответствии с законами диалектики, к возможности перехода в иное качественное состояние. Поэтому изменения, которые происходят в машине при ее эксплуатации, являются закономерным проявлением важнейшего неотъемлемого свойства всех материальных объектов движения в его философском понимании, ибо ничего неизменного в природе нет. Мы можем замедлить нежелательные для нас изменения, сделать так, чтобы отклонения качественных показателей машины находились в течение необходимого времени в допустимых пределах, но исключить их полностью нельзя. На машину действуют все виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная и вызывают в ней необратимые изменения. Машину нельзя изолировать от влияния среды, в которой она работает, от влияния процессов, которые протекают в ней самой при осуществлении рабочих функций, от действия остаточных напряжений, являющихся следствием технологических процессов, применявшихся при изготовлении машины. Но поскольку любая машина используется по назначению в течение определенного длительного времени, под влиянием различных факторов могут изменятся свойства, которые определяют ее качество. Поэтому надежность, изучающая изменение показателей качества во времени, является как бы динамикой качества, его разверткой во времени. При этом количественное накопление необратимых процессов в машине приводит к ее качественным изменениям, т. е. протекающие явления подчиняются закону перехода количества в качество. С изменением качественных показателей машины во времени для поддержания ее в работоспособном состоянии прежде всего необходимо учитывать причины и источники вредных воздействий на машину, исследовав физическую сущность процессов, снижающих ее работоспособность, изучить реакцию машины на различные воздействия и на основании этого создать такие системы, которые могли бы в течение необходимого периода выполнять заданные функции в установленных пределах. Умение управлять техническим состоянием машин и, как следствие, работоспособностью в период ее использования по назначению и является основной задачей технической эксплуатации. 492 Для расчета и прогнозирования надежности деталей при их износе необходимо знать основные закономерности изнашивания материалов. Только численная оценка степени повреждения детали при изнашивании позволяет решить вопрос оценки и расчета надежности изделия. В соответствии с общим методическим подходом к оценке степени повреждения показателями износа, или выходными факторами, являются линейный износ, скорость изнашивания и интенсивность изнашивания. Линейный износ u (мкм) – это изменение размера поверхности при изнашивании, измеренное в направлении, перпендикулярном к поверхности трения. Скорость изнашивания v  du / dt (мкм/ч) – это отношение износа ко времени, в течение которого он возник. Интенсивность изнашивания I  du / ds  это отношение износа к относительному пути трения, на котором происходило изнашивание. На выходные факторы существенным образом влияет взаимодействие входных и внутренних факторов. Это взаимодействие удобно рассмотреть графически (рис.12.1). Внешние факторы Природа трущихся тел Первоначальный зазор Вид трения Промежуточная среда, в частности масло Нагрузка (давление) на поверхности трения Внутренние факторы Выходные факторы Пластическая деформация и тепловыделение Скорость изнашивания 1.Изменение шероховатости 2. Изменение структуры 3.Изменение механических свойств 4. Изменеие свойств пленок 5.Накопление энергии в материале при циклическом нагружении Интенсивность изнашивания Линейный износ Скорость Рис.12.1. Взаимодействие внутренних и внешних Окружающая температура факторов при трении Из схемы видно, что установление этих зависимостей в аналитической форме является чрезвычайно сложной задачей, которая в настоящее время находится на стадии становления. Особенно сложно отыскать зависимость, опираясь на физическую сущность процесса в функции его физико-химических параметров. Поэтому используют зависимости, основанные на эмпирических данных для 493 определенного вида изнашивания, при установленных условиях его протекания и для выбранного сечения материала, т.е. устанавливают определенный круг ограничений. Это дает возможность решить многие вопросы прогнозных расчетов и прогнозирования работоспособности изделий. Основными параметрами, влияющими на изнашивание, являются скорость относительного скольжения vск и давление на поверхности трения р . Анализ исследований изнашивания различных материалов в условиях граничной смазки и трения без смазки при установившемся процессе показывает, что в общем случае скорость изнашивания может быть выражена зависимостью n vск  кр m vck , (12.1) где k  коэффициент пропорциональности, характеризующий материал пары и условия изнашивания, в частности, смазочный материал. Размерность коэффициента к обратная размерности давления; р– давление на поверхности трения; m=0,5…3 – коэффициент. Для большинства пар трения n  1 . Для абразивного и ряда других видов изнашивания m  n  1 , тогда vск  кр vck , (12.2) а линейный износ u  vизн t  kpvck t  kpS , (12.3) где S  путь трения; t – время. Интенсивность изнашивания, исходя из дискретного касания твердых тел, в общем виде может быть выражена зависимостью p К h I н 0 , рф nц R где pн / pф  отношение номинального давления к фактическому pн / pф  0,1...0,001 ; К 0  0,18...0,22  постоянная, характеризующая распределение неровностей по высоте; nц  базовое число циклов до разрушения неров-     ностей nц  10 5....1012 . Величину nц определяют экспериментально, исходя из фрикционной зависимости или по формуле  Т nц   К f р  0 Т ф y   ,   где  Т  предел текучести; f Т  коэффициент трения; у – показатель, зависящий от смазки и механических свойств трущихся тел ( в условиях упругого контакта у =10…15); h / R  отношение глубины внедрения единичной неровности к ее радиусу ( h / R характеризует вид взаимодействия: упругое, пластическое, микрорезание. Обычно контакт бывает упругим, поэтому h / R  0,1...0,0001). На скорость изнашивание существенное влияние оказывают механические характеристики материалов, их химический состав и структура. Для чистых металлов и термически необработанных сталей при абразивном изнашивании су- 494 ществует линейная зависимость между их твердостью и износостойкостью [13]   bH , где   относительная износостойкость материала при абразивном изнашивании (отношение износа эталонного материала к износу испытуемого); b  коэффициент пропорциональности ( (b  7,3) ; H  твердость по Виккерсу (отношение нагрузки к площади пирамидальной поверхности отпечатка). Для термически обработанных сталей износостойкость также возрастает с увеличением твердости, но в меньшей степени. Если твердость повышена за счет наклепа поверхности, то абразивная износостойкость материала при этом практически не повышается. Таким образом, с точки зрения износостойкости важно не только значение, но и происхождение твердости материала – получена ли она естественным путем, т. е. без искажения кристаллической решетки (за счет химического изменения состава металла или путем термообработки), или наклепом. 12.3. Изнашивание сопряженной пары во времени Оценка скорости процесса изнашивания детали во времени vизн является необходимым этапом при решении задач эксплуатационной надежности. Зная временную характеристику, можно определить степень повреждения как функцию времени, т. е. t u t    vизн t dt , (12.4) Поскольку при изнашивании рассматриваются необратимые явления, то зависимость (12.4), как правило, будет монотонно убывающей функцией. Исключение могут составить случаи, когда степень повреждения характеризуется изменением какого-либо физико-химического фактора, оценивающего свойство материала (твердость, прочность структуры, химический состав и др.). На практике при различных процессах изнашивания, чаще всего при изменении физической сущности процесса, соответственно меняется и закономерность, описывающая данное явление. Такие процессы получили название многостадийных. Типичным процессом многостадийного процесса может служить изнашивание сопряжение трущейся пары, когда многостадийность процесса повреждения возникает как следствие одновременного протекание нескольких процессов изнашивания, которые взаимодействуют между собой. Классическая форма кривой износа состоит из трех участков: период приработки t n  , период установившегося, или нормального, изнашивания t y и период прогрессивного или зоны катастрофического изнашивания t k  . Каждый из этих периодов отражает качественное состояние пары. Переход из одного состояния в другое определяется количественным накоплением элементарных повреждений. В период приработки за счет микронеровностей трущихся поверхностей трение происходит зачастую при граничной смазке и сопровождается выделением теплоты. Именно в этот период, согласно имеющимся теориям о трении,   495 наблюдается суперпозиция рассмотренных выше явлений при трении: упругое и пластическое оттеснение, микрорезание, адгезия и когезийный отрыв, а вследствие высоких температур – структурное изменение трущихся поверхностей [8, 9]. Таким образом, в период приработки происходит не только количественное, но и качественное изменение трущихся поверхностей, т.е. объект как бы приспосабливается к условиям нагружения. Например, в процессе приработки трущейся пары вал-подшипник идет направленное изменение шероховатости поверхности и структуры поверхностных слоев. При этом скорость изменения микронеровностей поверхностей трения, а вместе с ней и скорость изнашивания постепенно уменьшается, и наступает второй более продолжительный период – период установившегося изнашивания. Зона установившегося изнашивания характеризуется постоянством рельефа микронеровностей и увеличением зазора без существенных качественных изменений характера работы пары. В этой зоне объект приобретает некоторые стабильные свойства, отвечающие условиям нагружения. Если в зоне нормального изнашивания изменения, протекающие в элементе, носят в основном количественный характер, то с накоплением некоторого износа возникает качественный скачок в состоянии элемента, который заключается в существенном изменении происходящих явлений. На скорость изнашивания машины в целом начинают оказывать влияние новые факторы: вибрация (в результате увеличения зазоров отдельных сочленений или в результате износа и ослабления крепежных деталей), интенсивное изнашивание отдельных деталей и сочленений (вследствие нарушения или износа поверхностного упрочненного слоя, которые ранее не ощущались). Все это приводит к ухудшению состояния отдельных деталей и, наконец, к их разрушению. Линейный износ в установившийся период можно определить по формуле u  kt  vизн t , (12.5) где к  vизн  tg  угол наклона прямой к оси абсцисс при установившемся износе. Для износа с учетом приработки u  u n  vизн t , где u n  износ за период приработки. Вся трудность заключается в том, как определить скорость изнашивания. При интенсивном изнашивании изменения в состоянии элемента, так же как и при приработке, носят направленный характер. С момента начала интенсивного изнашивания идет направленное ухудшение качества поверхности, рост шероховатостей, появляются схватывания с последующим выравниванием крупных частиц и в конечном счете вызывает отказ. Скорость изнашивания характеризуется тангенсом угла наклона прямой на линейном участке (рис.12.2) vизн  du / dt  tg , где dt  t y . 496 Тогда скорость изнашивания детали можно представить в виде u max  u n  tg , ty откуда t y  umax  u n  / tg . Рис.12.2. Графическая интепретация влияния процесса изнашивания сопряжений Из рис.12.2 видно, что срок службы Tсл  t n  t y или u  un , (12.6) Tсл  t  max tg где t n  время приработки; t y  установившееся время работы (от конца приработки до появления предельного износа детали). Величины u max и t n для данной сопряженной пары постоянны, т. е. u max  соnst и t n  const . Из формулы (12.6) видно, что срок службы детали Tсл зависит от зазора в конце приработки u n и скорости изнашивания tg . С уменьшением tg срок службы сопряженной детали увеличивается на t y , т. е. u  un Tсл  t n  max  t y . tg Из рисунка видно, что чем меньше u n1 , тем больше Tсл . С уменьшением u n1 до u n 2 cрок службы увеличивается на t y u max  u n  t y . tg Если сопряжение подвергалось разборке, то происходит вторичная приработка и соответственно увеличение зазора на t  . Тогда u  un Tсл  t n  max  t y . tg Tсл  t n  497 Исследованиями установлено, что одна разборка сборочной единицы без какого-либо ремонта и обезличивания деталей, т. е. при сборке того же сочленения, в отдельных случаях снижает срок службы сопряженных деталей на 25…30 %. Поэтому разборка машин в процессе эксплуатации должна производиться только в случае крайней необходимости. В общем виде формулу кривой изнашивания, отражающей особенности каждого участка, можно представлять следующим образом:  k1t nm  u   u n  k 2t y m u  max  k3t y , где k1 , k 2 , k3  скорости протекания процесса изнашивания по стадиям. Повышение срока службы в условиях эксплуатации может быть реализовано за счет соблюдения правил приработки, своевременной замены смазочного материала, а также при соблюдении норм и правил эксплуатации, технического обслуживания и ремонта машин. 12.4. Техническое обслуживание и ремонт машин Техническое обслуживание машин – это комплекс работ по поддержанию работоспособности при использовании по назначению, при хранении и транспортировании, который направлен на предупреждение повышенного износа деталей, отказов и повреждений всей машины. Техническое обслуживание машины проводят в принудительном порядке. Техническое обслуживание подразделяют на ежесменное (ЕО), проводимое перед началом или после каждой рабочей смены; периодическое (ТО-1, ТО-2, ТО-3), проводимое после отработки машиной установленного заводом-изготовителем количества часов; сезонное (СО), выполняемое два раза в году при подготовке машины к использованию в период последующего сезона (летнего или зимнего). В состав ЕО входят работы по смазке машины, предусмотренные схемой смазки, контрольный осмотр перед пуском в работу действий рабочих органов машины, ходовой части, тормозов, освещения, сигналов, автоматического управления. Затраты времени на ЕО определяются сложностью машины и учтены в Единых нормах и расценках на строительные, монтажные и ремонтно-строительные работы. При ТО выполняются операции технического ухода (очистка, мойка), осмотр и контроль состояния деталей, агрегатов, систем гидропривода, рабочего оборудования с целью выявления неисправностей, устранения обнаруженных дефектов, проведение крепежных, контрольно-регулировочных и смазочных работ. При выполнении ТО-1 в него включаются все работы, предусмотренные ЕО, при проведении ТО-2 – все работы ТО-1, а работы при ТО-3 совмещают с текущим ремонтом. Высокие требования предъявляют к сезонному обслуживанию, а также к техническому обслуживанию при хранении машин. Сезонное 498 обслуживание включает подготовку машины к эксплуатации в осенне-зимний или весенне-летний периоды: в системах машины (тормозной, охлаждения, смазки, гидропривода и др.) заменяют сезонные эксплуатационные масла и жидкости, устанавливают или снимают утепления, приборы для запуска двигателей. Во время смены смазочных материалов и технических жидкостей тщательно промывают соответствующие системы. Состав работ по техническому обслуживанию при хранении машин зависит от предполагаемой длительности хранения и выполняют в соответствии с требованиями эксплуатационной документации. В общем случае перед постановкой машины на хранение ее тщательно очищают и моют, окрашивают поврежденные участки окраски, проводят очередное ТО, промывают систему и заполняют ее новыми эксплуатационными жидкостями, на подверженные коррозии металлические части наносят антикоррозионную смазку, защищают машину от атмосферных осадков. В процессе хранения машина проходит периодическое консервационное обслуживание. Важное значение при техническом обслуживании придается диагностическим осмотрам, которые позволяют предотвратить возможные поломки отдельных элементов, заменить или отрегулировать положение детали до выхода ее из строя, получить информацию о состоянии различных частей машины, сократить потребность в деталях путем заблаговременно их ремонта, не допускать преждевременный ремонт машин, находящихся в достаточно хорошем состоянии. С помощью переносных диагностических средств оценивают параметры двигателя, электрической и гидравлической систем. По взятым пробам масла из картера двигателя с помощью спектрофотометра оценивают степень его старения, наличие в нем воды и антифриза, концентрацию железа, алюминия и меди. При данном виде анализа учитывают закономерность изменения концентрации металлических частиц в масляной системе. Повышение концентрации частиц свидетельствует об интенсивности износа и о нарушении условий работы сопряжений. На основании таких анализов принимают решение о проведении внеплановых работ по ТО или ТУ, о сроках замены и восстановления элементов двигателя. Особое внимание уделяется диагностическому обследованию и техническому обслуживанию гидропривода. В гидроприводе используется сложное оборудование с парами трения, изготовляемыми с высокой (прецизионной) точностью. Опыт эксплуатации машин с объемным гидроприводом и анализ влияния условий эксплуатации показали, что основными факторами, влияющими на долговечность гидропривода, являются климатические условия, эксплуатационные свойства и степень чистоты рабочей жидкости, регулярность замены фильтров, а также уровень технического обслуживания. Определение неисправностей гидравлических систем обычно осуществляют в несколько этапов. Сначала проводят визуальную проверку, после этого в рабочем режиме и в заключение — на стендах и приборами. Визуальный осмотр проводят при отключенном двигателе. Прежде всего выясняют дату последней замены жидкости и фильтров, затем оценивают сте- 499 пень засоренности фильтров и наличие в них частиц металла, резины и пр. Выявляют течи и повреждения в трубопроводах, соединениях и цилиндрах. Проверяют рычажные механизмы управления на регулировку, заедание, повреждение и износ. Проверку в рабочем режиме осуществляют при холостом движении и под нормальной нагрузкой. При этом замеряют продолжительность рабочих движений и сравнивают ее с нормативной. Увеличение продолжительности свидетельствует об изнашивании насоса, неисправности предохранительных клапанов, потере герметичности в сопряжении поршень — цилиндр. Для определения мест неисправностей, выявлении их причины и характера применяют специализированные стационарные посты и мобильные установки, оснащенные специальной диагностической аппаратурой. Для диагностического обследования непосредственно на машинах широко применяют легкие, компактные приборы — гидравлические тестеры (дросселирасходомеры), измеряющие с высокой точностью производительность насосов, температуру масла, рабочее давление в гидравлической системе. Пропуск потока жидкости осуществляется через входное отверстие в корпусе прибора. С помощью нагрузочного клапана (дросселя), регулируемого вручную, можно изменять размер сечения отверстия и тем самым варьировать в широких пределах давление в системе, измеряемое манометром. При измерении характеристик гидравлической системы применяют два вида подключений гидравлического тестера. При последовательном подключении (рис. 12.3, а) входное отверстие тестера включают после определенного элемента системы (насоса, предохранительного клапана, гидрораспределителя), а выходное соединяют с гидравлическим баком. Рис.12.3. Схема подключения гидравлического тестера: а) − последовательное включение; б) − включение через тройник;1−насос; 2 − тестер; 3 −предохранитьельныйклапан;4 − распределитель;5 −цилиндр;6 − бак; 7 −тройник Затем при одинаковой скорости вращения вала насоса измеряют поток жидкости без нагрузки и поток жидкости с нагрузкой, создаваемой искусственно с помощью дросселя. Разница между двумя показаниями характеризует утечку в элементах системы от насоса до точки подключения тестера. Сравнивая показания утечки с допустимыми значениями, можно определить техническое состояние элемента системы. Расположив тестер непосредственно после предохранительного клапана, можно определить правильность его регулировки путем изменения нагрузки в системе за счет дросселя. При другом соединении тестер подключают после насоса с помощью тройника (рис. 12.3, б). Разница в показаниях тестера при открытом нагрузочном клапане и при рабочем давлении 500 жидкости, поступающей к цилиндру (нагрузочный клапан прикрыт), характеризует утечку во всей системе. Прекращение потока жидкости через прибор при отключенном распределителе соответствует открытию предохранительного клапана. Показания манометра тестера в этом случае характеризуют регулировку предохранительного клапана. Для определения места и величины утечки замеряют расход жидкости с открытым и прикрытым нагрузочным клапаном тестера при последовательном отключении элементов гидросистемы, начиная с наиболее удаленных от насоса. При использовании тестера в конструкции машины должна предусматриваться возможность подключения его частей, а также отключение отдельных элементов гидросистем (при второй схеме подключения). Текущий ремонт (ТР). Текущий ремонт осуществляют в плановом порядке, а также по потребности согласно данным диагностических осмотров. При этом выполняются все виды работ по техническому обслуживанию машины, замене или восстановлению изношенных деталей и агрегатов (кроме базовых) при частичной разборке машины. Ремонтные работы включают также сварку, слесарные и станочные работы, нанесение наплавок на изношенные детали и поверхности. Основной метод текущего ремонта — агрегатно-узловой. Несложные текущие ремонты выполняются на рабочих местах с помощью мобильных мастерских, находящихся в ведении ремонтно-эксплуатационной базы треста или управления механизации. Сложные виды текущего ремонта выполняют в полустационарных или стационарных мастерских, обладающих обменным фондом агрегатов, пользующихся частым спросом. Агрегаты, требующие капитального ремонта, направляют в специализированные мастерские по капитальному ремонту машин. Ремонт гидроаппаратуры производят на специализированном ремонтном предприятии, использующем заводскую технологию и оборудование с соблюдением соответствующих квалитетов точности (5...6-й квалитеты). Отремонтированные элементы гидропривода подвергают приемо-сдаточным испытаниям на специализированных стендах в соответствии с техническими условиями на изделие. При текущем ремонте гидроаппаратуры проводятся регулировочные, а также работы по устранению мелких неисправностей. При серьезных неисправностях элементы гидропривода заменяют на новые или из обменного фонда. Капитальный ремонт (КР). Капитальный ремонт в целом осуществляют по потребности. Решение о проведении такого ремонта принимается комиссией в составе главного инженера или главного механика организации, на балансе которой находится машина. Основанием для решения о проведении капитального ремонта или отказа от него являются технические и экономические признаки. Наиболее распространенными являются следующие технические признаки: повреждение базовой детали (станины, рамы, несущего кузова), устранимое только путем полной разборки машины; необходимость замены двух и более сложных агрегатов – двигателя, сложных редукторов отбора мощности, коробок перемены передач. Такие агрегаты направляют в капитальный ремонт, если они 501 не могут быть восстановлены путем текущего ремонта, а также если для ремонта базовой и основной детали требуется полная их разборка. Комиссия может разрешить дальнейшую эксплуатацию машины, если на основе визуального осмотра и данных диагностики установлено, что машина сохранила определенный ресурс работоспособности. В этом случае составляется соответствующий акт. Капитальный ремонт машин выполняется централизованно на специализированных ремонтных заводах. Различают два основных вида организации капитального ремонта: необезличенный и обезличенный. При необезличенном виде ремонта восстановление деталей из сборочных единиц проводят с учетом их принадлежности к данной машине. Отремонтированные детали и сборочные единицы устанавливают на ту же машину, с которой они были сняты. При обезличенном виде ремонта изношенные детали и сборочные единицы заменяют новыми или отремонтированными из числа снятых ранее с других машин. Такой вид ремонта называют агрегатным. Широкое применение агрегатного метода ремонта позволяет существенно сократить срок пребывания машины в ремонте при сравнительно высоком уровне его качества. Ресурс отремонтированных сборочных единиц на передовых отечественных ремонтных предприятиях составляет не менее 80 % новых. С увеличением парка машин, повышением их годовой выработки возрастает потребность в запасных частях. Одновременно наблюдается рост ущерба от простоя машин вследствие отсутствия деталей при ремонте. Неравномерность потребления и поставок запасных частей вызывает необходимость создания их запасов. Величина запасов, их состав, а также способ доставки сказываются на единовременных затратах, затратах на хранение, транспортировку и управление. Как показывает отечественный и зарубежный опыт, обеспечение запасными частями при минимальных затратах возможно при создании рациональной системы обеспечения запасными частями. Такая система строится на нескольких уровнях (4, 5 уровней – рис. 12.4). В ее основу положены учет заказов потребителей, изучение закономерностей спроса на детали определенной машины, пополнение запасов деталей и агрегатов, поступающих с заводов-изготовителей, и за счет восстановленных деталей и агрегатов, учет израсходованных деталей, инвентаризация запасов, доставка запасных частей потребителю и др. Различают детали, Рис. 12.4. Структурная пользующиеся большим спросом группа А) – до 10 % по схема обеспечения номенклатуре и 90 % стоимости; редим спросом (группа В) запасными частями–до 15% по номенклатуре и 6 % стоимости; малым спросом (группа С) – до 75 % по номенклатуре и около 4 % стоимости. На складах 1-го уровня хранятся все виды частей: А, В, С – 100 % номенклатуры; на складах 2-го уровня – до 30 % номенклатуры запасных частей к одной машине (группы А и В); на складах 3-го уровня – до 10 % группы А; на складах 4-го уровня – до 5 % номенклатуры группы А. 502 На складах 1-го и 2-го уровней могут храниться трех-, четырехмесячные запасы, на складах 3-го и 4-го – одно-, двухмесячные запасы. Склады 3-го и 4го уровней территориально совмещают со службами ремонтов и технического обслуживания. Эффективное управление процессами технической эксплуатации машин возможно лишь при наличии действенной системы учета и отчетности. Для комплексного учета всех данных, связанных с осуществлением технической эксплуатации машин, применяют ЭВМ, с помощью которых представляется возможным значительно углубить анализ действия службы ППР, контролировать выполнение графиков технического обслуживания и ремонтов, управлять запасами запасных частей и эксплуатационных материалов, повысить оперативность учета и отчетности. 12.5. Планирование оптимальной периодичности диагностики В процессе эксплуатации строительные машины многократно восстанавливаются путем замены отдельных деталей, сборочных единиц, проведения регулировочных работ, ремонтов, поэтому интенсивность отказов, как правило, не достигает максимальной величины, а носит волнообразный характер. Если рассматривать отказы какой-либо детали, то в соответствии с правилом 3  все отказы деталей первого поколения уложатся в интервале времени t  3 , т. е. отказы начнут появляться к моменту времени t  3 и будут заканчиваться к моменту t  3 , т. е. в этот период почти полностью заменяются детали первого поколения. Здесь t  средний срок службы детали;   среднее квадратичное отклонение. Поскольку элементы первого поколения заменяются не одновременно, то и плотность распределения отказов элементов второго поколения будет иной – более пологой, т. е. максимум наступит примерно при 2 t , но меньший по абсолютной величине; среднеквадратичное отклонение также увеличится, с момента 2t  3 начнется замена деталей второго поколения, и в дальнейшем поток отказов стабилизируется. Следовательно, на основе закономерностей изменения параметров потока отказов должна разрабатываться система технического обслуживания и ремонта. Процессы технических обслуживаний и ремонтов можно описать при помощи аппарата теории вероятностей математически и найти лучший вариант технического обслуживания за счет оптимизации этого процесса. Критерием оптимальности могут служить максимум коэффициента готовности при минимальных затратах на техническое обслуживание и ремонты. Задача определения оптимальной периодичности профилактики должна рассматриваться как задача управления случайным процессом (недетерминированным). Наибольший интерес представляет проведение профилактических работ по прогнозирующему параметру, в тот момент, когда он достигает критической величины (появление предельно допустимых зазоров, предельного износа, уве- 503 личение расхода топлива или энергозатраты на единицу продукции); при таком положении удельные затраты при проведении профилактических работ будут минимальными, поскольку ремонты машин будут производиться только при действительной необходимости, исключатся лишние ремонты, снизится потребность и расход запасных частей. Это возможно осуществить при проведении постоянного контроля технического состояния машин и сборочных единиц контрольно-диагностической аппаратурой. Функциональный модуль Ф кэ  2,j 6 Е е  может быть использован для плани- рования технической эксплуатации транспортных средств, путем организации оптимального проведения диагностирования технического состояния, технического обслуживания и режимов нагружения их в различных условиях эксплуатации. Техническим состоянием транспортных средств будем называть совокупность подверженных изменению в процессе эксплуатации свойств машины, характеризуемых в определенный момент времени признаками, установленными заводом-изготовителем. Техническое состояние имеет следующие градации: исправность, работоспособность, неисправность, неработоспособность, правильное функционирование, неправильное функционирование. Следует отметить, что работоспособность машины может определятся по таким показателям, как небольшой расход топлива, отсутствие шума при включении передачи, равномерное торможение механизмов, легкость управления и т. д. Переход из работоспособного состояния в неработоспособное связан с понятием отказа. При этом машина имеет одно работоспособное состояние, когда все параметры лежат в соответствующих допусках, и множество неработоспособных состояний. Совокупность этого множества соответствует интенсивному числу отказов. Если продолжать эксплуатировать машину за пределами допуска, то наступает отказ, т. е. событие, заключающееся в нарушении работоспособности и приводящее к прекращению выполняемого процесса. Предметом диагностирования является анализ полученных в результате испытаний агрегатов машины с целью выявления вида технического состояния и вида отказа. Существуют два вида диагностирования: тестовое и функциональное. В процессе диагностирования используются диагностические признаки состояний, которые являются результатами сопоставления параметров или их функций с пределенными областями их значений. Первое осуществляется с помощью специально выбранных воздействий на машину, второе − с помощью эксплуатационных воздействий, соответствующих конкретным различаемым техническим состояниям объекта. Построение алгоритма Фэк  2,j 6 Е е  технологических модулей подсистемы диагностики Ек  2 предшествует изучение объекта испытаний при его нормальном функционировании, а также определение необходимого перечня наиболее вероятных состояний перехода к неработоспособным свойствам узлов автомобиля, т. е. отказов деталей агрегатов и их комбинаций в машине, которые сле- 504 дует различать в процессе диагностирования. Композиция функционального модуля Фек  1,j 5 E e  может быть осуществлена из алгоритмов Фек  1,j 5   элементарных технологических операций. При этом в качестве диагностируемых параметров (мощность двигателя, работа муфты сцепления, внутренний и внешний шум, расход топлива, работа систем охлаждения и смазки, экологическая безопасность и тормозные свойства), используемых для решения задач диагностики, должны быть приняты следующие: е1   ре1, ре2,...  множество идентификаторов измеренных и расчетных значений, участвующих в диагностике на данном текущем режиме; е2  се1 , се 2 ,...  множество заданных по техническим условиям допустимых зон параметров e3  (me1 , me 2 ,...) − множество факторов (например, влияние организации технического oбслуживания и ремонта, периодичность и качество проведения ТО, режимы нагружения), влияющих на техническое состояние машины; е4  ie1, ie2  множество идентификаторов неисправных элементов (деталей, агрегатов, систем и т.д.); е5  ge1, ge2,...  множество идентификаторов измеренных и расчетных (удельный расход топлива) значений, выступающих в качестве функциональных диагностических параметров; e6  nij  − матрица взаимосвязи между различными неисправными состояниями  i i  1,2,..., k  и внешними признаками их про j  1,2,.., m  , явления через функциональные диагностические параметры pjg причем элемент nij  0 , если i -е неисправное состояние агрегата не проявляется через j-й параметр, и nij  1 , если может быть задано множество значений, которые принимает j-й диагностический параметр при i -м неисправном состоянии агрегатов (двигателя, муфты сцепления, коробки и карданной передачи, тормозной системы, системы питания, зажигания; e7  pij  − матрица вероятностей попадания j-го диагностического параметра в заданную область при i -м неисправном состоянии транспортных средств при эксплуатации ; e8   p 1, p 2,...  множество априорных вероятностей нахождения технического состояния машины в неисправном состоянии. Поддержание машины в технически исправном состоянии возможно при своевременном проведении технического обслуживания (ТО). Результатом функционирования подсистемы своевременного проведения технического обслуживания должен быть вектор pn   pn1, pn2,...pnn  кодовых сигналов и векторов xn  xn1, xn2,...xnn  количество отказов на единицу наработки за п количество проведенных ТО, которые далее будут переданы другим функциональным алгоритмам через подсистему регистрации. При этом значения измеряемых параметров должны изменяться в выходных векторах рп и хп подсистемы измерения с частотой, равной или пропорциональной заданной по технологии периодичности проведеня ТО. В подсистеме измерения всех эксплуатационных показателей невозможно, а иногда и нецелесообразно обеспечить все измеряемые показатели. Поэтому в состав алгоритма Ф э Е е  функционального модуля измерения показателей должен 505   быть включен унифицированный алгоритм Ф э Dтр  тр . Он должен обеспечить построение очереди проведения ТО по критерию оптимальности, характеризующий отношение удельных потерь на проведения ТО и текущий ремонт (ТР) к производительности машины. Он должен обеспечивать построение очереди в зависимости от заданной трудоемкости проведения ТР. По величине трудоемкости определяют среднее количество отказов на единицу наработки, количество проведенных обслуживании и ремонтов. Построение очереди запросов измеряемых параметров алгоритмом Фэ Dтр  тр подсистемы измерения должно производиться на основе сле-   дующих соображений. При реализации конкретного технологического процесса возможны ситуации, когда реальное техническое воздействие несколько ниже или выше требуемого значения, то используется коррекция частот периодичности ТО. Коррекция может быть осуществлена либо пропорционально заданным частотам, либо на основе целевой функции, стремящейся к минимуму. В первом случае скорректированные значения периодичности (частот) fnj  j  1, n  должны определяться из выражения f n j   n j  З н / З ф , j  1, n  , где  З н ,  З ф затраты нормативные и фактические соответственно на техническое обслуживание и текущий ремонт автомобилей. В случае задания целевой функции выражение для определения частот fnj  может быть получено с учетом весовых коэффициентов wj  j  1,n по формуле f n j   n j  f  тр ф  f  тр н  wj , n  wj j1 где f тр ф , f тр н – функция удельной трудоемкости на ТО и ТР соответственно фактическая и нормативная. Следует отметить, что назначение величин nj j  1, n  и w j j  1, n должно производиться с учетом решения уравнений, представленных в виде матрицы, непрерывной индикации измеренных и расчетных значений эксплуатационных показателей. Процесс измерения должен быть организован таким образом, чтобы очередность проведения ТО распределялась в соответствии с коэффициентом коррекции равномерно. Однако выполнение условия равномерного проведения ТО с заданным коэффициентом коррекции возможно только при одинаковых значениях показателей. Поэтому алгоритм Ф э Dтр/ тр  должен обеспечить некоторую оптимальную очередность выбора показателя для выполнения расчетов, когда функционал принимает минимальное значение. 506 12.6. Устройство для измерения оптимального режима работы и ресурса машины Использование бортовых микропроцессорных систем и семейство датчиков на автомобилях дает возможность использования оптимального управления режимами движения в различных условиях. С помощью микропроцессорной системы можно оптимизировать качество впрыскиваемого рабочей смеси, учитывать ресурс автомобиля, управлять системой зажигания и скоростью движения. Для создания нового класса системы учета и управления режимами движения автотранспортных средств возможно на основе учета энергетических затрат двигателя. Величина затраченной энергии автомобилем находится в тесной связи с условиями эксплуатации. В зависимости от нагрузки и дорожных условий изменяется величина затраченной энергии. На основе стендовых испытаний двигателей при скоростных и нагрузочных режимах получена зависимость между мощностью карбюраторного двигателя и давлением во всасывающем тракте. При этом мощность карбюраторного и газобаллонного двигателей равна Pe  kne Pko  pk   kf , где kn − постоянный коэффициент пропорциональности, характеризующий тип двигателя; pko, pk  давление во всасывающем коллекторе соответственно при холостом ходе и текущем значении давлении; kf  коэффициент, учитывающий насосные потери мощности двигателя. Энергия, создаваемая двигателем транспортной машины, равна J e   Pedt , где t  время работы двигателя. На рис. 12.5 показан блочная схема энергомера двигателя внутреннего сгорания. Рис.12.5. Блочная схема энергомера двигателя Содержит датчик давления, принцип действия которого состоит в измерении статического и динамического давления барометрическим методом. Барометрический метод измерения давления основан на использовании закона падения давления во всасывающем коллекторе с увеличением нагрузки на двигатель. Зависимость давления воздушной смеси от загрузки двигателя выражается формулой 507 tR pсм   t   pa  Pe  To   , где ра —давление воздуха в подкапотном пространстве двигателя температурный градиент; R  газовая постоянная, равная 29,27. Для дизельных двигателей используются датчики, сигналы которых зависят от хода рейки топливного насоса и вращения коленчатого вала двигателя. На рис. 12.6 показаны датчика давления электромеханического типа, чувствительным которого является анероидная коробка, состоящая из двух мембран. Деформация мембраны зависит от разности давлений внутри и снаружи анероидной коробки. Давление внутри коробки равно давлению во впускном коллекторе, снаружи – атмосферному давлению. При изменении давления во всасывающем коллекторе анероидная коробка деформируется и при этом через тягу 2, заштифтованную одним концом в верхнем центре, а другом в серге поворачивает ось сектора 3 на соответствующий угол. Ось сектора через тягу 4 соединена с балансировочным грузом, закрепленным напружине в стойке основания механизма винтом. Балансировочный груз 5 уравновешивает массу анероидной коробки для устранения ошибок в показаниях. Рис.12.6. Общий вид потенциометрического датчика давления: 1– штуцер; 2, 4 тяги; 3–сектор; 5 – балансировочный груз; 6-–сегмент; 7– трибка; 8– пружина; 9, 17– уплотнили; 10– кольцо; 11– диск; 12– потенциометр; 13– ось; 14– пружина; 15– щетка; 16 – крышка; 17 – крышка; 18 – прокладка На оси сектора укреплен сегмент 6, который находится в постоянном зацеплении с трибкой 7. На конце оси трибки укреплена контактная пружина 8 со щеткой, которая скользит по потенциометру. Потенциометр крепят винтами к основанию. Датчик работает в интервале температур внешней среды от –50 до +80° С, вы- 508 держивает перегрузочные давления по верхнему пределу 790 мм рт. ст. абс., по нижнему пределу 8 мм рт. ст. Погрешность измерения относительно сопротивления составляет от 0,2 до1,95%. Чувствительность датчика – 0,49 Ом/мм рт.ст. Выход потенциометра соединен с первым входом блока вычитания 2, выход датчика 3 частоты вращения вала двигателя и блока вычитания подключены к входам блока умножения 4, выход которого подключен к входу последовательно соединенного преобразователя напряжения в частоту 5 и счетчика 6. При работе двигателя напряжение U1 с выхода датчика 1 прямо пропорционально давлению впускного коллектора двигателя pk то есть U 1  pk поступает на первый вход блока 2 , на второй вход которого подается постоянное напряжение U 0 с выхода источника 7 опорного напряжения, прямо пропорционального величине Po . С выхода блока 2 напряжение U 2  k U o  U 1   k Pko  Pk  , где Pko  давление во всасывающем коллекторе на малых частотах вращения вала двигателя поступает на один из выходов блока 4, на другой вход которого поступает напряжение выхода датчика 3, прямо пропорциональное угловой скорости коленчатого вала мощности двигателя в текущий момент U4  U 2U 3  k U o  U 1 U 3  k Pko  Pk e , где e − угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя. Напряжение и4 поступает на вход преобразователя 5 напряжения в частоту, на входе которого частота следования импульсов прямо пропорциональна мгновенной мощности двигателя. Испытания опытного образца прибора в дорожных условиях показал, что при движении с минимальной скоростью величина расхода энергии возрастает за счет временного фактора. Повышение точности измерения затраченной энергии было достигнуто за счет уточнения уравнения t 650 600 J e  k1  650  Pk ne  600    dt  k 2 , Pk ne гдеk1, k2 − постоянные коэффициенты, учитывающие геометрические параметры и насосные потери двигателя; 650, 600 − постоянные коэффициенты, учитывающие соответственно максимальное давление во всасывающем коллекторе и минимальные частоты вращения вала двигателя. Датчики, работающие в режиме «ход-стоп», обеспечили корректировку величины затраченной энергии в режиме «ход». Разработанное устройство позволяет учитывать количество затраченной энергии и показывать оптимальные режимы движения. На рис. 12.7 приведена принципиальная схема анализатора «ход-стоп» и перемноживающего цифро-аналогового преобразователя. Алгоритм работы счетного блока следующий, рис. 12.8. Шаг 1. После начальной установки при включении питания производится 509 ввод информации с датчиков частоты вращения вала двигателя, колеса и впускного коллектора через буферные регистры и ввод команды с регистрации при ручном управлении. Рис.12.7. Схема анализатора «ход-стоп» Шаг 2. По количеству импульсов с датчика колеса фиксируется состояние автомобиля «ход-стоп» и определяется величина затраченной энергии, при значении «стоп» расчет производится в масштабе реального времени t0 , при значении «ход» − в масштабе приведенного времени tnp . Шаг 3. Значения , Pk, J 1, J 2 выводятся на индикатор по команде «счет». Шаг 4. Определяется выведенная команда. При вводе «старт» фиксируется текущее значение J1 , и алгоритм переходит в режим списания команды «стоп», фиксируется значения J 2 и вычисляется J 2  J 1  J . Результаты стендовых испытаний показали, что погрешность измерения на нагрузочном и скоростном режиме не более 10 %. Для учета расхода топлива был использован расходомер объемного типа. Периодичность диагностирования можно в общем виде определить   t 0 R  , где  – периодичность диагностирования в кВт∙ч; t 0  коэффициент оптимальности, определяется аналитически и показывает, во сколько раз оптимальная периодичность больше или меньше средней наработки машины между отказами в кВтч; R    средняя наработка машины между отказами. Уравнение для определения оптимальной периодичности диагностирования имеc д .о f    ет вид  t ont ,  1  f  dR    in 1  f    1  f  2 с в. р где f    функция периодичности диагностирования второго поколения; f    функция периодичности диагностирования первого поколения; сд.о  затраты на выполнение плановой диагностики и обслуживания; св. р.  затраты на внеплановые ремонты. Решение уравнения зависит от закона распределения наработки на отказ. При экспоненциальном законе распределения наработки на отказ уравнение примет вид c e      1  д . о  t ot . св. р 510 При законе распределения Вейбулла, когда  F    1  e   R   . c д .о   1    R    e dR        t opt .    e св. р Начало Опрос датчиков Pk ,  д , к Вычисление мощности Pi  f  д Рк  «Ход» «Стоп» Вычисление Вычисление J   Pidtnp J   Pidt Индикация параметров P, ne, Pi, J i,  Выбор команды «Старт» «Стоп» Фиксация Фиксация J i, F  1 J  J 2  J 1; F Рис. 12.8. Блок-схема алгоритма работы прибора ИРМ-3 На основе уравнений строятся кривые оптимизации. На рис.12.9 приведена кривая оптимальности диагностики для экспоненциального закона распределения, которая зависит от отношения сд.о / cв. р . На основе данного графика можно определить оптимальную периодичность диагностики сборочной единицы для определенных условий эксплуатации. Например, по данным статистики установлено, что сд.о / cв. р  0,3 , известна средняя наработка на отказ в кВт∙ч R   600 или в кубометрах перерабатываемого материала, или приведенного времени 3000 ч. 511 Рис.12.9. Кривая оптимальности диагностики для экспоненциального закона распределения Необходимо определить оптимальную периодичность диагностики, которая находится по формуле  п.ч , R    t o R  . По графику 12.9 находим из соотношения сд.о / cв. р  0,3 ; t o  0,69 , тогда  п.ч  0,69  3000  2070 приведенных часов и rR    0,69  600  414 кВт∙ч, т. е. оптимальная периодичность диагностики должна проводиться после переработки 2070 приведенных часов, или через 414 кВт ∙ч. На основе этих данных можно построить графики и определить периодичность диагностирования, соответствующую минимуму затрат. Контрольные вопросы по двенадцатой главе. 1. Что понимаем под технической эксплуатацией машин ? 2. Как производят обкатку новой машины ? 3. Основная цель плановопредупредительной системы обслуживания и ремонта. 4. Какие виды обслуживания машин проводят ? 5. Какие показатели используют для планирования периодичности обслуживания землеройных машин ? 6. Какие показатели используют для планирования периодичности обслуживания транспортных машин ? 7. Какие показатели используют для планирования периодичности обслуживания стационарных машин ? 8. От чего зависит срок службы детали ? 9. На какие виды подразделяют техническое обслуживание ? 10. Какие работы выполняют при каждом техническом обслуживании ? 11. На основании каких анализов принимают решение о проведении внепланового обслуживания ? 12. Перечень работ при проведении текущего ремонта. 13. Перечень работ при проведении капитального ремонта. 14. Какой вид ремонта называют агрегатным ?15. Что лежит в основе планирования оптимальной периодичности диагностики ? 512 ЗАКЛЮЧЕНИЕ При изучении строительных машин студентами строительных специальностей нередко возникает вопрос, в какой мере и с какой степенью детализации следует изучать эту дисциплину. Прежде всего полученные знания должны быть достаточными для того, чтобы в будущей строительной практике специалисты-строители правильно понимали технические возможности машин с целью совершенствования на этой основе технологических строительных процессов. При изучении этой дисциплины следует учитывать, что уже сейчас многие технологические процессы с использованием элементов заводского изготовления утратили прежнюю строительную специфику и представляют по существу монтажные процессы, выполняемые машинами с участием механизаторов и рабочих-монтажников. С дальнейшим развитием механизации и индустриализации строительства эти тенденции будут углубляться. Этим предопределяются высокие требования к изучению машин студентами дорожно-строительных специальностей. Вторая особенность изучения этой дисциплины заключается в том, что строительные машины представляют собой весьма динамичную продукцию хозяйственной деятельности человека. С развитием машиностроения, а также в соответствии с возрастающими требованиями дорожно-строительного производства строительные машины непрерывно совершенствуются, в ряде случаев создаются новые специальные машины, в других – в одной машине сочетаются несколько функциональных возможностей и т. д. В современных условиях развития строительного производства нашей страны, в которых машиностроению отводится ведущая роль, уже в ближайшие годы следует ожидать существенных изменений в структуре парка строительных машин. Поэтому при более глубоком изучении строительных машин наряду с настоящим учебным пособием, в котором описаны машины, отражающие уровень науки и техники, достигнутый к середине 80-х годов, следует использовать также специальную литературу. Особого внимания заслуживают вопросы технической эксплуатации строительных машин, которые изложены в книгах в весьма сжатом объеме, представляющем по существу лишь обоснованное предупреждение о том, что эффективная эксплуатация машин может быть обеспечена только при соблюдении полного регламента системы их обслуживания и ремонтов, а также при оснащении машин счетчиками учета энергозатрат (кВт∙ч) для обеспечения оптимального режима нагружения и проведения технического обслуживания, так как износ деталей имеет более тесную корреляционную связь с энергозатратами на 37 % выше, чем с мото-часами или километрами пробега. Эти вопросы более полно освещаются в специальной литературе и научно-технических журналах. 513 Библиографический список Основная литература: 1. Баловнев, В. И. Дорожно-строительные машины и комплексы : учебник. 2-е изд. перераб. и доп. /под ред. В. И. Баловнева, Г. В. Кустарев, Е. С. Локшин. – Омск: СибАДИ, 2001. − 528 с. 2. Баловнев, В. И. Многоцелевые дорожно-строительные и технологические машины : учебное пособие / В. И. Баловнев.– Омск – Москва : ОАО «Омский дом печати», 2006. − 320 с. 3. Вербицкий, Г. М. Комплексная механизация строительства : учебное пособие /Г. М. Вербицкий.– Хабаровск : Тихоок. гос. ун-т, 2006. − 274 с. 4. Доценко, А. И. Строительные машины и основы автоматизации : учебник для вузов /А. И. Доценко.– М.: Машиностроение, 1995. – 400 с. 5. Максименко, А. Н. Эксплуатация строительных и дорожных машин /А. Н. Максименко.– СПб.: БХВ-Петербург, 2006.− 400 с. 6. Справочник конструктора дорожных машин. Изд.2-е, перераб. и доп. /под ред. И. П. Бородачева.– М.: Машиностроение, 1973. − 492 с. 7. Строительные машины : справочник Т.1 и Т.2 /под ред. Кузина.– М.: Машиностроение, 1991.− 325 с. Дополнительная литература 8. Бочаров, В. С. Основы качества и надежности строительных машин : учебник. /В. С. Бочаров, Д. П. Волков. − М.: Машиностроение, 2003. − 255 с. 9. Гоберман, Л. А. Прикладная механика колесных машин / Л. А. Гоберман. − М.: Машиностроение, 1976. – 311 с. 10. Гинзбург, Ю.В. Промышленные тракторы /Ю. В. Гинзбург. − М.: Машиностроение, 1986. −213 с. 11. Добронравов, С. С. Строительные машины и основы автоматизации /C. C. Добронравов, В. Г. Дронов. − М.: Высшая школа, 2001. – 574 с. 12 Российская энциклопедия самоходной техники : Основы эксплуатации и ремонта самоходных машин и механизмов. Справочное и учебное пособие для специалистов отрасли «Самоходные машины и механизмы». В 2 Т. / гл. науч. руководитель В. А. Зорин. − М.: Региональная благотворительная общественная организация «Просвещение», 2001.Т. 1. − 408 с. и Т. 2. − 358 с. 13. Колисниченко, В. В. Справочник молодого машиниста бульдозера, скрепера, грейдера /В. В. Колисниченко. − М.: Высшая школа, 1988. − 224 с. 14. Локшин, Е. С. Строительные и дорожные машины: Обзор современной отечественной самоходной техники : учебное пособие /Е. С. Локшин. − М.: РИА «Россбизнес», 2004. − 304 с. 15. Скундин Г.И. Механические трансмиссии колесных и гусеничных тракторов./Г. И. Скундин. − М.: Машиностроение, 1969. − 220 с. 16. Тракторные дизели : справочник /Б. А. Взоров, А. В. Адамович, А. Г. Арабин и др. под ред. Б. А. Взорова. − М.: Машиностроение, 1981. − 453 с. 17.Холодов, А. М. Землеройно-транспортные машины./А. М. Холодов, Л. В. Назаров.– Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1982. − 192 с. 514 . ОГЛАВЛЕНИЕ 1. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 5. 5.1. 5.2. 6. 6.1. 6.2. 6.3. 7. 7.1. 7.2. 7.3. ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИ Общие тенденции развития и требования, предъявляемые к машинам ... Структура каталитического конвертора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Совершенствование структуры парка машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Основные понятия систем и классификация строительных машин . . . . . . Общая характеристика приводов и силового оборудования машин Трансмиссии строительных и дорожных машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ходовое оборудование строительных и дорожных машин . . . . . . . . . . . . Технико-экономические показатели землеройно-транспортных машин . . ТРАНСПОРТНЫЕ, ТРАНСПОРТИРУЮЩИЕ И ПОГРУЗОЧНОРАЗГРУЗОЧНЫЕ МАШИНЫ Общая характеристика транспортирования строительных грузов . . . . . . . Грузовые автомобили, тракторы, пневмоколесные тягачи . . . . . . . . . . . . Специализированные транспортные средства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Установки для пневматического транспортирования материала . . . . . . . . Погрузочно-разгрузочные машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ГРУЗОПОДЪЕМНЫЕ МАШИНЫ Назначение и классификация . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Мачтовые и мачтово-стреловые краны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Башенные краны ............................................. Стреловые самоходные краны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Использование грузоподъемных машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ Общая характеристика рабочего процесса . . . . . . . .. . . . . . … . . . . . . . .. . . Землеройные рабочие органы и их взаимодействие с грунтом . . . . . . . . . Экскаваторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Землеройно-транспортные машины (ЗТМ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Бурильные машины и оборудование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Оборудование гидромеханизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Грунтоуплотняющие машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАЙНЫХ РАБОТ Машины для свайных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Машины и оборудование для погружения свай . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . МАШИНЫ ДЛЯ ДРОБЛЕНИЯ, СОРТИРОВКИ И МОЙКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ Машины для дробления каменных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Машины для сортировки каменных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Машины для мойки каменных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ БЕТОНОВ И РАСТВОРОВ Типы бетоносмесителей циклического и непрерывного действия . . … . . . . Машины для транспортирования бетонных смесей и растворов . . . . . . . . . Машин для укладки бетона и отделки его поверхности . . . . . . .. . . . . . . . . . 3 4 18 24 25 27 38 67 76 91 93 115 131 136 140 152 154 165 179 186 189 197 236 261 266 270 277 280 294 303 308 310 320 333 515 7.4. 8. 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6. 8.7. 9. 9.1. 9.2. 9.3. 10. 10.1. 10.2. 10.3. 10.4. 10.5. 11. 11.1. 11.2. 11.3. 11.4. 11.5. 11.6. 12. 12.1. 12.2. 12.3. 12.4. 12.5. 12.6. Оборудование для уплотнения бетонной смеси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 РУЧНЫЕ МАШИНЫ Классификация ручных машин и их индексация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Основные требования к ручным машинам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ручные машины для сверления отверстий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ручные машины для крепления изделий изделий и сборки конструкций . . Ручные машины для разрушения покрытий и уплотнения грунта . . . . . . . . Ручные машины для шлифования, резки и строжки материалов . . . . . . . . . . Перспективы применения и основы направления развития ручных машин . МАШИНЫ ДЛЯ ОТДЕЛОЧНЫХ РАБОТ Машины для штукатурных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Машины для молярных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Машины для покрытия полов, кровель и выполнения гидроизоляционных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ Датчики контроля и регулирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Датчики давления, преобразователи расхода и уровня жидкости . . . . . . . . . Усилители и переключающие устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Счетно-решающие устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Усилительные и исполнительные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . АВТОМАТИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН Цель и задачи автоматизации машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Автоматизация землеройно-транспортных машин и экскаваторов . . . . . . . Автоматизация землеройно-транспортных машин циклического действия Автоматизация работы экскаваторов непрерывного действия . . . . . . . . . . . Автоматизация машин и оборудования производства бетонных смесей и растворов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Автоматизированное управление конвейером отделки стеновых панелей . ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИН Понятие «технической эксплуатации машин» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Понятие об эксплуатационной надежности машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Изнашивание сопряженной пары во времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Техническое обслуживание и ремонт машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Планирование оптимальной периодичности диагностики Устройство для измерения оптимального режима работы и ресурса машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ЗАКЛЮЧЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК . . . . . . . . … . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 345 346 356 361 365 374 375 379 383 389 400 412 416 424 435 458 465 467 475 486 489 491 494 497 502 506 512 513 516 Учебное издание ДЬЯКОВ Иван Федорович СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ И ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ Учебное пособие Редактор Н. А. Евдокимова Подписано в печать 30.11.2007 Формат 60х84/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 29,99. Тираж 300 экз. (1-й з-д 1–150 экз.) Ульяновский государственный технический университет 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32. Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.