ЗАГАЛЬНІ СХЕМИ БУДОВИ МАШИН
У сучасному будівництві застосовується велика кількість найрізноманітніших по призначенню, пристрою й складності машин. Але всі вони відносяться до так званих машин-знарядь (або робочим машинам), за допомогою яких енергія двигуна перетворюється в корисну роботу при виконанні тих або інших технологічних операцій будівельного процесу.
Будівельні машини мають принципово однакову схему будови і складаються з одного (рис. 7.1) або декількох двигунів, передавальних механізмів (передач), приладів керування і контролю і, нарешті, виконавчого механізму, названого робочим органом. Деякі машини можуть мати кілька робочих органів.
Приводи
Двигун з передачами й механізмами керування зазвичай називають приводом. По числу двигунів приводи ділять на одно- і багатодвигунні. При однодвигунному приводі і декількох виконавчих механізмах енергія до кожного з них передається розгалуженою трансмісією, що складається з ряду паралельних передач, а при багатодвигуннім - кожний з механізмів має свій індивідуальний привід, що кінематично простіше та економічніше.
Рис. 7.1. Принципова схема машини з одним двигуном
Рис. 7.2. Зовнішні характеристики двигунів:
а - внутрішнього згоряння; 6 - електричного змінного струму;
в - електричного постійного струму
У будівельних машинах застосовуються двигуни внутрішнього згоряння (в основному дизельні) і електричні. Двигуни внутрішнього згоряння менш економічні й довговічні, складні й дороги в експлуатації, роблять шум і виділяють в атмосферу тепло й токсичні продукти, але незалежні від джерела енергії, що забезпечує машині з таким двигуном високу маневреність.
Електричні двигуни значно простіше у виготовленні й експлуатації, більше довговічні, безшумні й не впливають на навколишнє середовище, але повинні живитися від силової електромережі, що можливо тільки для стаціонарних, рідко пересувних або обмежено рухливих машин (наприклад, баштові крани).
Двигун машини перетворює теплову або електричну енергію в механічну, що знімається з його вала у вигляді крутного моменту. Залежність цього моменту від швидкості обертання вала двигуна називається зовнішньою характеристикою двигуна і істотно впливає на будову передач привода машини.
На рис. 7.2 наведені зовнішні характеристики двигунів, що застосовуються у будівельних машинах. Як видно із зовнішньої характеристики двигуна внутрішнього згоряння, його крутний момент змінюється в невеликих межах і виникає при певних обертах. Тому трансмісія машини з таким двигуном повинна обов'язково мати зчіпну муфту, що дозволяє відключати двигун для його заведення, а при змінних навантаженнях на робочий орган, крім того, і передачу зі змінним передаточним числом (коробку передач), що могла б змінювати крутний момент у необхідних межах. Кінематична схема привода двигуна внутрішнього згоряння зображена на рис. 7.3, а.
Зовнішня характеристика електродвигуна змінного струму виключає необхідність установки зчіпної муфти, тому що максимальний крутний момент у ньому виникає при нульових обертах. Ця ж обставина змушує з'єднати двигун із трансмісією через пружну муфту для гасіння різких динамічних навантажень у момент рушання з місця механізмів, що володіють значними інерційними масами. Схема такого привода зображена на рис. 7.3, б.
Зовнішня характеристика електродвигуна постійного струму дає можливість застосовувати його при прямому зв'язку привода з робочим органом, опір якого міняється в широких межах. Цей двигун зі збільшенням навантаження автоматично збільшує крутний момент внаслідок зниження швидкості обертання вала. Така так звана м'яка характеристика забезпечила виняткове застосування електродвигунів постійного струму для всіх тягових засобів транспорту (трамвай, тролейбус, электро- і тепловоз), потужних будівельних машин і великовантажних автомобілів.
У будівельних машинах живлення електродвигунів постійного струму здійснюється дизель-генераторною установкою з первинним автономним щодо живлення двигуном внутрішнього згоряння, механічна енергія якого перетвориться генератором в електричну, а потім знову в механічну у двигуні-, що приводить у рух робочий механізм – колесо (рис. 7.3, г).
Рис. 7.3. Кінематичні схеми приводів:
а - із двигуном внутрішнього згоряння; б - з електродвигуном змінного струму;
в - дизель-генератор: г - электро-мотор-колесо; д - гідропривід; 1 - двигун внутрішнього згоряння; 2 - муфта зчеплення, генератор; 3 - коробка передач;
4 - карданний вал; 5 - диференціал; 6 - ведуче колесо; 7 - електродвигун;
8 - пружна муфта; 9 - гальмо; 10 - редуктор; 11- вал; 12 - гідравлічний насос;
13 - запобіжний клапан; 14 - розподілювачі; 15 - гідроциліндр; 16 - привідна шестерня поворотного механізму; 17 - гідродвигун; 18 - масляний бак.
Спрощена схема гідравлічного приводу наведена на рис. 7.3, д.. За цією схемою насос 12, що приводиться у рух первинним двигуном 1, забираючи масло з бака 18, через розподільний пристрій 14 направляє його в гідроциліндр 15. Під тиском поступаючого в циліндр масла поршень циліндра переміщається по напрямку стрілки, роблячи корисну роботу переміщення робочого органа (наприклад, піднімаючи стрілу крана). Другим робочим органом на цій схемі є поворотний механізм, що складається з розподільника 14, гідродвигуна реверсивної дії 17, редуктора 10 і привідної шестерні 16, що рухається по нерухомому вінці поворотної платформи. При виникненні непереборних опорів потік масла повертається в бак через запобіжний клапан 13.
Ходове встаткування
Для переміщення машини під час роботи або доставки її до місця роботи багато будівельних машин забезпечуються власним ходовим устаткуванням - рушіями, конструкція яких залежить від призначення та умов, у яких працює машина.
У будівельних машинах застосовуються колісні, гусеничні й крокуючі рушії різних конструкцій (рис. 7.4). Кожен із цих рушіїв має позитивні й негативні якості. Найбільш простими й найменш матеріалоємкими є колісні рушії. Вони найменш енергоємні, економічні, надійні в експлуатації, дозволяють розвивати великі швидкості переміщення. Але для колеса характерна мінімальна площа контакту з поверхнею, по якій відбувається переміщення. У зв'язку із цим при значній масі машини (баштові й козлові крани) доводиться встановлювати їх на тверді металеві колеса, що переміщаються по металевих рейках - рейкове ходове встаткування.
Рис. 7.4. Ходове встаткування будівельних машин:
а - рейкове; б - пневмоколісне з одним привідним мостом; в - багатовісне;
г - гусеничне; д - крокуюче; 1 - опорна п'ята; 2 - опорний башмак; 3 - корпус машини; 4 - гідравлічні циліндри; І - перестановка башмаків; ІІ і ІІІ підйом і перестановка опорної п'яти.
При необхідності переміщення машини великої маси по бездоріжжю її рушієм раніше обирали гусеничний. Маючи значну опорну поверхню, гусениця передає на ґрунт малий тиск, забезпечуючи гарне зчеплення з ним. У той же час швидкість руху гусеничних машин невелика, а їхній рух по дорогах з удосконаленими покриттями неприпустимо. Крім того, гусеничний рушій дуже матеріалоємкий, має низьку надійність і довговічність та значну енергоємність.
Мало придатний гусеничний рушій і для машин дуже великої маси, особливо якщо необхідно одержати малий тиск на ґрунт. Тому для таких машин (наприклад, великі драглайни) доводиться застосовувати крокуюче ходове встаткування, основний недолік якого - мала швидкість переміщення.
Рис. 7.5. Шини:
а – нормальні; б – уширеного профілю
У наш час, у зв'язку з випуском промисловістю шин великого діаметра й розширеного профілю (рис. 7.5), пневмоколісний рушій активно витісняє гусеничний, дозволяючи одержувати для машин середньої маси малий тиск на поверхню внаслідок збільшення площі контакту й зменшення тиску повітря в колесі. Завдяки регулюванню тиску повітря під час руху машини пневмоколісний рушій може пристосовуватися до мінливих дорожніх умов, а привід на всі колеса забезпечує високу прохідність і можливість створення більших тягових зусиль. Машини з таким рушієм можуть рухатися по бездоріжжю й по дорогах із твердим покриттям, не руйнуючи їх, а також розвивати великі швидкості при малій витраті енергії.
Рис. 7.6. Приводи ходових коліс:
а - бездиференціальний; б - з диференціалом; в - індивідуальними мотор-колесами; г - ведучих коліс гусеничного ходового пристрою.
Спосіб привода коліс може бути різним. У транспортних машинах, призначених для руху по вдосконалених дорогах, приводними виконується частина коліс (привідної осі). Крутний момент до них передається механічними передачами від основного двигуна машини. Для зменшення зношування коліс момент до них передається через диференціал - механізм, що ділить момент нарівно між правим і лівим колесом і дозволяє колесам обертатися з різною кутовою швидкістю, що необхідно при русі по кривих і нерівних дорогах, коли шлях правого й лівого колеса не однаковий. Такий привод показаний на рис. 7.6. При поганому зчепленні коліс із дорогою (лід, бруд) диференціал сильно знижує тягові можливості машин, а часто й зовсім позбавляє її можливості пересуватися. Тому в окремих випадках застосовується бездиференціальний привод або передбачається можливість блокування диференціала. Це підвищує прохідність машини, але збільшує зношування гуми. Найбільш досконаленим приводом коліс є індивідуальний привод кожного з них окремим двигуном. Колеса з убудованими в їхню маточину електро- або гідродвигунами одержали назву мотор-коліс. Мотор-колеса дозволяють задавати кожному з коліс необхідну швидкість обертання. Крім поліпшення тягових якостей такий привод дає можливість відмовитися від рульового керування і змінювати напрямок руху машини, повідомляючи правим і лівим колесам різну швидкість обертання, аналогічно тому, як це відбувається в гусеничному рушії.
Кожний з видів ходового встаткування, крім перерахованих ходових якостей, повинен забезпечувати достатню стійкість машини як при русі, так й у процесі роботи. Ці якості для пневмоколісних рушіїв не завжди сумісні. Тому в ряді випадків (наприклад, автомобільні крани й екскаватори) пневматичні колеса використовуються тільки для переміщення машини, а для роботи передбачаються спеціальні тверді виносні опори.
Системи керування
Керування робочим процесом ряду машин полягає в необхідності безупинно включати й відключати трансмісії, змінювати швидкість руху і її напрямок, забезпечуючи необхідну траєкторію руху робочого органа машини. Бульдозерист, управляючи бульдозером, робить до 1000 включень у годину, а машиніст одноковшевого екскаватора, управляючи рукоятками й педалями, робить по 50 рухів у хвилину (тобто до 3000 у годину). При цьому система керування повинна працювати плавно, без динамічних навантажень і забезпечувати безпеку і необхідні умови праці обслуговуючого персоналу.
Так як системи керування приводяться в дію людиною, то вони одержали назву безпосередньої дії.
Рис. 7.7 Механізми керування безпосередньої дії:
а – рульове керування з червячною передачею; б – керування гальмом з гідропередачею
Системи керування безпосередньої дії застосовують тільки в порівняно малих машинах або в механізмах з малою кількістю включень (наприклад, стояночні гальма). Вони можуть бути важільними і із застосуванням механічних або гідравлічних передач. Приклади механізмів керування для таких передач наведені на рис. 7.7.
У більших машинах зусилля для керування стають досить значними, а застосування механічних передач для виграшу в силі дуже знижує чутливість керування й ускладнює його механізм. Це змушує переходити на механізми керування з посиленням. Для посилення використовується енергія основного двигуна машини. Енергія ця може відбиратися безпосередньо від трансмісії машини у вигляді механічної енергії або перетворювати в гідравлічну або електричну, а після претворення використатися для посилення систем керування. Відповідно до цього системи керування можуть бути механічними, гідравлічними (пневматичними), електричними або змішаними. Приклад механічної системи керування приведений на рис. 7.8.
Найбільше поширення в будівельних машинах одержалии гідравлічні системи керування, а в транспортних машинах - пневматичні.
Як у тих, так й в інших системах керування первинний двигун пускає в хід гідравлічний насос або компресор які створюють потік рідини або стисненого повітря. Через розподілюючий пристрій рідина або повітря направляється до циліндра або пневматичної камери, які і впливають на відповідний механізм.
Рис. 7.8. Механічне керування автогрейдера з відбором потужності для керування:
1 - двигун автогрейдера; 2 - роздавальна коробка; 3 - редуктори механізмів керування
Таким чином, центральне місце в цих системах керування належить розподільному пристрою. По своїй конструкції розподільні пристрої систем керування можуть бути золотниковими, клапанними й крановими.
Зупинимося на більше розповсюджених золотникових розподільниках (рис. 7.9). Складаються вони із двох основних деталей: циліндра з радіальними каналами, що підводять і відводять рідина, і золотника, що перебуває в ньому, який, переміщаючись в осьовому напрямку, відкриває й закриває відповідні канали.
На рис. 7.9, а показана схематична будова одного із золотників у трьох позиціях. У позиції І всі три канали замкнені. У позиції ІІ рідина проходить у лівий вихідний канал, а в позиції ІІІ - у правий. На цьому ж рисунку (7.9, б) наведене схематичне зображення цього ж золотника відповідно в трьох його позиціях.
Якщо керування тим або іншом механізмом вимагає постійної уваги і високої точності, застосовуються системи керування, у яких положення виконавчого органа в будь-який момент відповідає положенню важеля або штурвала, що перебуває в руках у машиніста.
Рис. 7.9. Золотникові розподільники
а - схематичний пристрій золотникового розподільника
в трьох його позиціях;
б - умовне зображення цього розподільника
Рис. 7.10. Схема системи, що стежить:
1 - поршень;
2 - важіль;
3 - корпус циліндра;
4 - золотник;
5 - важіль керування
Така система необхідна, наприклад, для рульового керування. Її спрощена схема показана на рис. 7.10. Як видно із цієї схеми, при повороті важеля керування 5 уліво золотник 4, пересунувшись вправо, відкриє доступ рідини в праву - поршневу порожнину. Потім, пересунувшись уліво, поршень 1 важелем 2 поверне золотник у вихідне положення, при якому доступ рідини припиниться. Таким чином, положення поршня 1, керуючого механізмом, завжди буде відповідати положенню важеля 5.
Автоматичне керування збільшує точність виконуваних операцій, підвищує продуктивність, полегшуючи працю оператора, оптимізує процес і поліпшує використання техніки. Однак його можна застосовувати тільки при відповідній підготовці виконання будівельних робіт.
ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ
1. Що таке типізація, уніфікація і параметричний ряд?
2. Що таке продуктивність машини і які категорії продуктивності відома Вам?
3. Які двигуни і коли застосовуються в будівельних машинах?
4. Які види ходового устаткування відомі Вам? Вкажіть їх переваги і недоліки.
5. Для чого застосовуються золотникові розподільники і як вони розрізняються по числу позицій, каналів і способу управління?