Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

21

dc 2 c1 c , dz a

где с – концентрация компонента в центре потока; с1 – 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

другой поток – поток вещества, превращающегося на поверхности катализа­ тора в продукты за счет химической реакции в единицу времени составит

Jch kгетc1s, (1.14)

где кгет – 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

Таким образом, эффективная константа скорости кэф 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

иуменьшаться 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

ипараметры 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 м2 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 даннойотраслинародного 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 повышаетсястоимостьработ.

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 Тmax /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 Тmax /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,

Ðï Fc èëè Pï Tñ , (1.16)

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 Тн 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