Волков Строительные машины. Среднее профессиональное образование. Какие типы электрических двигателей применяют в приводах строительных машин


Приводы строительных машин - Документ

Глава 3. ПРИВОДЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН. СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Общие понятия и определения

Приводом называют энергосиловое устройство, приводящее в движение машину. Привод состоит из источника энергии (сило­вой установки), передаточного устройства (трансмиссии) и сис­темы управления для приведения в действие механизмов маши­ны, а также для их отключения.

Силовой установкой называют комплект, состоящий из двига­теля и обслуживающих его устройств. Например, в случае двигате­ля внутреннего сгорания — топливного бака, устройств для ох­лаждения, отвода выхлопных газов и т. п.

Трансмиссии могут быть механическими, электрическими, гид­равлическими, пневматическими и смешанными. Только в меха­нических и смешанных трансмиссиях на их механических участ­ках механическое движение передается без его преобразования в другие формы энергии. Во всех других случаях вращательное дви­жение выходного вала двигателя силовой установки с помощью электрогенераторов, гидравлических или пневматических насо- | сов преобразуется соответственно в электрическую энергию, энергию движения рабочей жидкости или энергию сжатого воз­духа, которая поступает к электро-, гидро- или пневмодвигате-лям, повторно преобразующим ее в механическое движение. Все указанные двигатели входят в состав трансмиссий. Соответствен­но различают электрические, гидравлические и пневматические трансмиссии.

Обычно свое наименование привод получает по типу двигате­ля силовой установки (от карбюраторного двигателя, дизельный), виду используемой энергии внешнего источника (электрический, I пневматический) или типу трансмиссии (гидравлический, дизель- ' электрический и т.п.).

Если на машине установлено нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов и все они приводятся в движение от одного двигателя, то привод называют одномоторным или группо­вым. Если же часть или все рабочие органы, или исполнительные механизмы приводятся от собственных двигателей, то привод на­зывают многомоторным. При индивидуальном приводе исполнитель­ных механизмов трансмиссионные двигатели могут питаться энер-

32

гией от одного генератора (насоса), индивидуально — каждый дви­гатель от своего генератора (индивидусыьный привод) или по сме­шанной схеме. В случае использования индивидуального электри­ческого привода каждый электродвигатель, приводящий в движе­ние соответствующий рабочий орган или исполнительный меха­низм, может питаться непосредственно от электросети. В последнее время на машинах с несколькими рабочими органами или испол­нительными механизмами используют преимущественно индиви­дуальный привод, обладающий более высоким коэффициентом по­лезного действия (КПД) по сравнению с групповым приводом, простотой и агрегатностью конструкции, лучшей приспособлен­ностью к автоматизации управления, лучшими условиями эксплу­атации и ремонта.

При оценке эффективности приводов строительных машин предпочтение следует отдавать тем приводам, которые имеют мень­шие габаритные размеры и массу, обладают высокой надежно­стью и готовностью к работе, высоким КПД, просты в управле­нии, более приспособлены к автоматизации управления, обеспе­чивают независимость рабочих движений и возможность их со­вмещения.

Рассмотрим более подробно сущность понятия передачи дви­жения рабочему органу машины в условиях преодоления им внеш­них сопротивлений. Основная составляющая этих сопротивлений определяется, прежде всего, свойствами преобразуемого матери­ала и характером процесса преобразования. Например, при рабо­те водоотливной насосной установки внешними сопротивления­ми будут: сила тяжести поднимаемой воды и силы трения при ее передвижении по трубопроводам. В этом случае сопротивления практически неизменны во времени. При разработке грунта ков­шом экскаватора, отвалом бульдозера и другими машинами со­противления копанию нарастают от минимального до максималь­ного значения, многократно повторяясь в процессе каждой опе­рации копания.

В условиях постоянных или слабо изменяющихся во времени внешних сопротивлений привод работает в спокойном режиме практически с постоянной скоростью на его выходном звене. При изменяемых во времени внешних сопротивлениях, кроме внут­ренних сопротивлений, к ним добавляются динамические со­ставляющие, обусловленные внешней (механической) характери­стикой привода — функциональной зависимостью между его силовым и скоростным факторами на выходном звене. Обычно эти факторы связаны между собой обратной зависимостью — чем больше внешнее сопротивление, тем меньше скорость движения выходного звена. Такая зависимость представлена на рис. 3.1 для случая вращательного движения выходного звена привода, где через Г, со и л обозначены соответственно вращающий момент, угловая скорость и частота враще­ния выходного звена. Если, напри­мер, на временном интервале Д/ со­противление возрастает от Г, до Т2, то, согласно внешней характери­стике привода, угловая скорость снижается за то же время с со ] до со2 — выходное звено вращается с замедлением. Согласно второму за­кону механики этому замедлению соответствует пропорциональный ему динамический момент проти­воположного внешнему сопротив­лению направления. Складываясь с внешним сопротивлением, ди­намический момент уменьшает его значение. Природа этого явле­ния заключается в том, что движущаяся система при снижении скорости расходует накопленную в ней энергию на преодоление возрастающих внешних сопротивлений.

С уменьшением внешних сопротивлений скорость со возраста­ет, ускорение положительно, а поэтому динамический момент также положителен, т.е. с возрастанием скорости энергия приво­да расходуется на преодоление внешних сопротивлений и на на­копление энергии в движущейся системе. Таким образом, при­вод как бы выравнивает приведенное к его выходному звену со­противление с одновременным снижением скорости при возраста­нии внешнего сопротивления и ее увеличением при снижении пос­леднего. Такая приспособленность привода к условиям его нагру-жения будет тем больше, чем больше момент инерции враща­ющихся масс привода и чем меньше первая производная/= dT/d(a, называемая жесткостью механической характеристики привода. Ха­рактеристики с высокими значениями этой величины называют жесткими, а с низкими значениями — мягкими. Степень жест­кости механической характеристики определяется, прежде всего, типом двигателя. Жесткость/может быть понижена за счет вклю­чения в состав привода дополнительных устройств, в частности — гидротрансформатора (см. гл. 5).

Для характеристики режимов работы привода отдельных меха­низмов и машин в целом пользуются отношениями максимальных значений усилий (вращающих моментов) Ртах (Гтах) и скоростей t>max (comax) на выходном звене привода к их средним значениям соот­ветственно Рср(Тср) и vcp (соср), продолжительностью включений (ПВ) в процентах от общего времени работы машины и количеством вклю­чений KB в час. В зависимости от степени изменения этих парамет­ров, которые колеблются в пределах Tmm/Tcp = 1,1... 3,0 (для враща­тельного движения), ПВ = 15... 100 %, KB = 10...600, режимы нагру-жения многих машин и их механизмов условно подразделяют на

легкий, средний, тяжелый и весьма тяжелый. Для некоторых ма­шин, например строительных кранов, для определения режимов работы используют также другие дополнительные факторы. Важ­ной характеристикой привода, определяющей его способность пре­одолевать сопротивления, значительно превышающие их средние значения, является коэффициент перегрузочной способности кпер — отношение максимального момента 7^ по механической характе­ристике привода к его номинальному значению Тн.

3.2. Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) относятся к группе тепловых двигателей. В ДВС химическая энергия топлива, сгора­ющего в рабочих полостях цилиндров, преобразуется в механиче­скую энергию.

История создания ДВС восходит к середине XIX в., когда в 1860 г. французским механиком Э.Ленуаром был сконструирован первый прак­тически пригодный газовый ДВС. В 1876 г. немецкий изобретатель Н.От-то построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель. Пер­вый бензиновый карбюраторный двигатель был построен в России О.С.Костовичем в 80-х гг. XIXв., а первый дизельный двигатель — не­мецким инженером Р.Дизелем в 1897 г., впоследствии (1898—1899 гг.) усовершенствованный на заводе Л. Нобеля в Петербурге. С этого време­ни дизельный двигатель становится наиболее экономичным ДВС. В 1901 г. в США был разработан первый трактор с ДВС. В то же время братьями О. и У. Райт был построен первый самолет с ДВС, начавший свои поле­ты в 1903 г. В том же году русские инженеры установили ДВС на судне «Вандал», создав первый теплоход. Первый поездной тепловоз был со­здан в 1924 г. в Ленинграде по проекту Я. М. Гаккеля.

В ДВС все процессы сгорания топлива, выделения теплоты и превращения ее в механическую энергию происходят в рабочих цилиндрах 5 (рис. 3.2 и 3.3) при перемещениях в них поршней 4, приводящих во вращение коленчатый вал 1 через шатуны 2 во вре­мя рабочего хода и приводимых в движение коленчатым валом на всех других этапах рабочего цикла. В приводах строительных машин применяют многоцилиндровые карбюраторные и дизельные (дизе­ли) двигатели с четырьмя (рис. 3.4), шестью, восемью или двенад­цатью цилиндрами, работающими на жидком топливе — бензине (карбюраторные двигатели) или дизельном топливе (дизели).

ДВС является сложным механическим устройством, состоящим из корпуса, кривошипно-шатунного механизма, механизма газо­распределения, систем смазки, охлаждения, питания, зажигания (для карбюраторных двигателей), пуска, впуска и выпуска.

[ Рабочим циклом или рабочим процессом ДВС называют после­довательность периодически повторяющихся процессов (впуск, сжатие и сгорание топлива, расширение образовавшихся при сгорании газов и их выпуск)|Часть рабочего цикла, совершаемого за ход поршня в одном направлении, называют тактом,, В приводах строительных машин, кроме малых машин, применяют обычно четырехтактные двигатели, у которых рабочий цикл совершается за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.

[Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя пред­ставлен схемой (см. рис. 3.2). В течение первого такта (см. рис. 3.2, а) приводимый коленчатым валом 1 через шатун 2 поршень 4 пере­мещается вниз, всасывая в рабочую полость цилиндра 5 через от­крытый впускной клапан 6 топливо-воздушную смесь из паров бензина и воздуха, поступающую из карбюратора — специального устройства для ее приготовления. На втором такте (см. рис. 3.2, б) поршень, также приводимый коленчатым валом, перемещается снизу вверх, сжимая находящуюся в цилиндре рабочую смесь при закрытых впускном <5и выпускном 8 клапанах. Вследствие сжатия рабочей смеси ее давление и температура повышаются, чем со­здаются хорошие условия для ее сгорания. В конце такта смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 7. Образовавши­еся в результате сгорания рабочей смеси газы, увеличиваясь в объеме, создают повышенное давление в рабочей камере, воз­действуя на поршень, который вследствие этого совершает ра­бочий ход — движение вниз {третий такт, см. рис. 3.2, в), пе­редавая усилие через палец 3 и шатун 2 коленчатому валу, застав­ляя его вращаться и через соединенную с ним трансмиссию, при­водить в движение рабочий орган или исполнительные механиз­мы. На четвертом, заключительном такте (см. рис 3.2, г) поршень перемещается коленчатым валом вверх, выталкивая отработавшие газы из рабочей полости цилиндра через открытый выпускной кла­пан 8 в атмосферу. Д

У дизеля топливо-воздушная смесь образуется непосредствен­но в рабочей полости цилиндра из впрыскиваемого через форсун­ку 7 (см. рис. 3.3) распыленного дизельного топлива и всасывае­мого из атмосферы через клапан 6 воздуха. Порядок движений поршня и клапанов на всех четырех тактах рабочего цикла такой же, как и у карбюраторного двигателя. Воздух поступает в рабо­чую полость через открытый клапан 6 в течение первого такта. Топливо впрыскивается топливным насосом через форсунку 7 в конце второго такта — сжатия при закрытых клапанах 6 и 8. Сме­шиваясь с воздухом, при дальнейшем сжатии топливо прогрева­ется, частично испаряется и самовоспламеняется. В дальнейшем работа дизеля аналогична работе карбюраторного двигателя.

При установке на коленчатом валу нескольких цилиндров (см. рис. 3.4) в один и тот же момент времени все они находятся на разных стадиях (тактах) рабочего цикла. Так, например, если в первом цилиндре четырехцилиндрового двигателя (см. рис. 3.4, а) происходит рабочий ход, то в четвертом цилиндре при таком же положении поршня — впуск рабочей смеси (для карбюраторных двигателей) или всасывание воздуха (для дизелей), второй ци­линдр работает на сжатие рабочей смеси, а третий — на выпуск отработавших газов. Таким образом, рабочий ход осуществляется последовательно цилиндрами 1, 3, 2 и 4. При этом за счет энергии рабочего хода одного цилиндра преодолеваются как внешние со­противления, так и сопротивления перемещениям поршней дру­гих цилиндров, находящихся в других стадиях рабочего цикла дви­гателя.

Чем больше цилиндров установлено на двигателе, тем более равномерно вращение коленчатого вала. С той же целью на коленчатом валу устанавливают маховик, накапливающий энергию на интервалах ускоренного вращения коленчатого вала и отдающий ее в движущуюся механическую систему при замедлениях.

Как следует их описанных рабочих процессов ДВС, теплота сгорающего в рабочей полости топлива преобразуется в механичсское движение только на третьем такте, которому должны пред­шествовать такты впуска и сжатия. Это означает, что для начала работы ДВС его коленчатый вал следует привести во вращение внешней силой. Запустить карбюраторный двигатель небольшой мощности можно от руки вращением коленчатого вала рукоят­кой, палец которого сцепляется с храповиком на переднем кон­це вала. Более мощные ДВС запускают установленным на маши­не электродвигателем постоянного тока, называемым старте­ром и питаемым от аккумуляторной батареи. Дизели средней и большой мощности запускают с помощью вспомогательного кар­бюраторного двигателя, обычно одноцилиндрового двухтактно­го, установленного на основном дизеле и запускаемого в свою очередь стартером. Рабочий процесс двухтактного двигателя от­личается от работы четырехтактного тем, что у него горючая смесь поступает в рабочую камеру в начале хода сжатия, а отработав­шие газы удаляются в конце рабочего хода продувкой потоком горючей смеси.

Пуск ДВС при низкой температуре окружающего воздуха за­труднен из-за повышенной вязкости смазочного масла, повышен­ного сопротивления при проворачивании коленчатого вала, а так­же из-за низкой температуры горючей смеси или воздуха в конце сжатия. Для облегчения и ускорения пуска применяют пусковые подогреватели с целью нагрева охлаждающей жидкости и смазоч­ного масла, устройства для облегчения воспламенения топлива или горючей смеси (электрофакельные подогреватели воздуха и элект­рические свечи накаливания) и устройства для облегчения прово­рачивания вала (декомпрессионные механизмы для открывания впускных, иногда выпускных клапанов и снижения тем самым дав­ления воздуха в цилиндрах при вращении коленчатого вала).

Основными показателями работы ДВС являются: мощность и крутящий момент на коленчатом валу, часовой и удельный рас­ход топлива, характеризующие экономичность двигателя, эффек­тивный КПД, характеризующий совершенство конструкции ДВС.

Удельным расходом топлива называют отношение его часового расхода к мощности на коленчатом валу.

Под эффективным КПД понимают отношение указанной выше мощности к затраченной теплоте использованного топлива. Дизели обладают более высоким эффективным КПД (0,35...0,45) по срав­нению с карбюраторными двигателями (0,26...0,32), а также более низким удельным расходом топлива [190...240 г/(кВт-ч) при 280... 320 г/(кВт-ч)] у карбюраторных двигателей. В выхлопных газах дизелей содержится меньше токсичных веществ. К недостаткам ди­зелей относятся: затруднения в запуске при низких температурах, высокая чувствительность к перегрузкам, а также большая масса.

Зависимость крутящего момента Г на коленчатом валу ДВС от частоты вращения вала п называют механической характеристикой двигателя (рис. 3.5). Из семейства скоростных ветвей /, 2, 3 и т.д. пер­вая, соответствующая максимальной подаче топлива в рабочие цилинд­ры двигателя, называется внешней, а все другие, при уменьшенной по­даче топлива — промежуточными. Ре-гуляторной ветвью 4 с помощью спе­циального устройства — регулятора отсекаются участки скоростных вет­вей при больших частотах п. Основ­ными параметрами механической ха­рактеристики дизеля (на внешней скоростной ветви) служат: номи­нальные момент Тн и частота вращения коленчатого вала пн, мак­симальный момент Гтах и соответствующая ему частота пт, а так­же частота холостого хода п0. Как и для привода в целом (см. под-разд. 3.1), отношение А;пер = Ттах/Тн называют коэффициентом пере­грузочной способности. Для дизелей обычно кпер = 1,1... 1,15. Пред­ставленные на рис. 3.5 характеристики не учитывают влияния ма­ховика.

Из двух текущих параметров работы дизеля — момента на ко­ленчатом валу Т и частоты его вращения п — первый однозначно определяется внешней нагрузкой, характер изменения которой во времени t зависит от многих факторов, прежде всего, от со­противлений на рабочем органе. При спокойной внешней нагруз­ке (рис. 3.6, а) ее максимальное значение Гтах незначительно отли­чается от среднего значения Тср, что позволяет работать дизелю вблизи рабочей точки с номинальным моментом ТИ, при частоте вращения, близкой к пн. При этом полезно используемая мощ­ность будет наибольшей. В случае значительного превышения вне­шних сопротивлений над средним (рис. 3.6, б) во избежание ос­тановки двигателя, рабочую точку на механической характери­стике дизеля (см. рис. 3.5), соответствующую Тср, приходится вы­бирать ниже номинальной, жертвуя при этом эффективным КПД. Текущая рабочая точка по моменту будет все время менять свое положение на регуляторной ветви, соответственно характеру на-гружения (см. рис. 3.6, б). При этом также будет изменяться час­тота вращения коленчатого вала в диапазоне пн < п < п0, кото­рый для дизелей составляет примерно 0,1 ин. По этому показате­лю регуляторную ветвь механической характеристики дизеля счи­тают жесткой, следствием чего использование мощности двига­теля при внешних нагрузках типа представленной на рис. 3.6, б, является неэффективным.

Влияние изменения внешней нагрузки во времени на характер работы двигателя будет тем большим, чем жестче характеристика

Рис. 3.6. Типовые графики внешней на­грузки, приведенные к валу двигателя: а — при спокойной внешней нагрузке; б — при значительном повышении внешней на­грузки

трансмиссии, являющейся промежуточным звеном меж­ду двигателем и рабочим ор­ганом. Трансмиссия с подат­ливыми звеньями как бы яв­ляется фильтром колебаний ьнешней нагрузки при ее ре­активном воздействии на двигатель — приведенная к коленчатому валу двигателя внешняя нагрузка оказывает­ся сглаженной по сравнению с таковой на рабочем органе или исполнительном меха­низме. Степень такой фильт­рации определяют понятием прозрачности трансмиссии. Весьма жесткую трансмис­сию называют прозрачной, т. е. такой, которая пропускает

через себя реактивную внешнюю нагрузку без изменений. Суще­ствуют устройства, называемые гидротрансформаторами и вклю­чаемые в трансмиссию по схеме последовательного соединения, момент на ведущем звене которых остается постоянным вне зави­симости от момента на ведомом звене (от колебаний внешней на­грузки). Их называют непрозрачными, т.е. такими, которые не про­пускают через себя колебания реактивной внешней нагрузки. Все другие податливые звенья и устройства, частично выравнивающие реактивную внешнюю нагрузку, называют полупрозрачными.

3.3. Электрические двигатели

В приводах строительных машин применяют электродвигатели переменного и постоянного тока.

Асинхронные электродвигатели переменного тока, короткозам-кнутые и с фазным ротором, называют также двигателями с кон­тактными кольцами. Они обычно питаются от электросети напря­жением 220 и 380 В с нормальной частотой 50 Гц. Эти двигатели конструктивно просты, дешевы, надежны и удобны в эксплуата­ции. Их недостатком является высокая чувствительность к колеба­ниям напряжения в питающей сети. Типовая механическая харак­теристика 3 асинхронного электродвигателя/показана на рис. 3.7, где через Г и п, как и прежде, обозначены соответственно враща­ющий момент и частота вращения вала двигателя. Считается, что двигатель работает на естественной механической характеристи­ке, если он включен в сеть с напряжением и частотой, соответствующими указанным в его паспорте, а также если в его электрическую схему не вклю­чены дополнительные сопро­тивления. В противном случае получаем искусственную меха­ническую характеристику. Рабо­чим является участок механи­ческой характеристики между точками с координатами (Т= 0; п = п0) и (Т= Тк; п = пк). Мо­мент Т = Тн и частота враще­ния и = ин на этом участке яв­ляются номинальными, соот­ветствующими наибольшему ресурсу двигателя. Перегрузоч­ная способность асинхронных двигателей общего назначения определяется отношением максимального момента Тк к номи­нальному Г„на естественной характеристике: /спер= Тк/Тн состав­ляет 1,7... 2,0 (для короткозамкнутых двигателей до 2,4), а для дви­гателей кранового типа — 2,3... 3,0. Частота вращения вала двигате­ля п на рабочем участке механической характеристики изменяется незначительно, в связи с чем естественную механическую характе­ристику асинхронного двигателя можно считать жесткой.

Момент Тп при л = 0 называют пусковым. Его отношение к но­минальному моменту Тн для короткозамкнутых двигателей обще­го назначения составляет 1,0... 1,9, а для двигателей кранового типа 2,3...3,0. Для двигателей с фазным ротором это отношение составляет 0,5... 1,5, тогда как пусковой ток превышает номиналь­ный в 5 —7 раз. Для уменьшения пускового тока этих двигателей в цепь обмотки ротора с помощью реостата включают дополнитель­ные сопротивления .""Каждому сопротивлению в цепи ротора соот­ветствует своя искусственная механическая характеристика, на­зываемая также реостатной.

Так, например, при включении в цепь ротора двух пусковых сопротивлений, которым соответствуют искусственные характе­ристики 1 и 2, момент при пуске будет изменяться от Г, до Тъ которые называют моментами отсечки. После включения двигателя он будет работать на характеристике /. При этом момент будет умень­шаться от ТА (не обязательно совпадающего с Т2) до Ти а частота вращения вала увеличиваться от нуля до пв. При достижении по­следнего сопротивление, соответствующее характеристике 1, авто­матически отключается, вследствие чего момент увеличивается до значения Т=Т2с переходом на реостатную характеристику 2. При этом двигатель разгоняется до частоты пс с одновременным

42

уменьшением момента до Т~ Ти а после отключения второго со­противления переходит на естественную характеристику 3 в точ­ке С с координатами (Т2; лс). Пуск заканчивается по достиже­нии точки на естественной характеристике с моментом, равным моменту внешних сопротивлений TD. Маршрут пуска показан на рис. 3.7 стрелками. Обязательным условием пуска является усло­вие Г, > TD. В противном случае уже на первом этапе (участок АВ) частота п = пв не будет достигнута, а, следовательно, первое со­противление не будет отключено, и дальнейшая работа возможна только на искусственной характеристике 2. При необходимости указанное условие обеспечивается снижением момента TD, в част­ности, путем отключения трансмиссии или исполнительного ме­ханизма от двигателя.

Искусственные характеристики, обладающие меньшими жест-костями по сравнению с естественной характеристикой, могут быть также использованы в качестве рабочих характеристик, ког­да необходимо плавно изменять скорости рабочих движений. Ко-роткозамкнутые двигатели запускаются и работают только на ес­тественной характеристике.

В приводах грузоподъемных машин для плавной посадки гру­зов, например, на монтаже конструкций, а также для ускоренно­го опускания грузозахватных устройств, применяют двухскорост-ные асинхронные двигатели с соотношением скоростей 2:1; 8:3; 3:1; 10:3.

Ручные машины с электрическим приводом подключают к элек­тросети через преобразователи частоты с 50 на 400 Гц, что позво­ляет уменьшить их массу в 3,5 раза. Часто в приводах ручных ма­шин используют однофазные коллекторные электродвигатели с вы­сокой удельной мощностью на единицу массы и мягкой механи­ческой характеристикой. Коллекторные двигатели мало чувстви­тельны к колебаниям напряжения в питающей сети, устойчиво работают в режиме частых пусков, могут включаться в сеть без преобразователей. К их недостаткам можно отнести: высокую сто­имость и необходимость их обслуживания специалистами высо­кой квалификации.

Электродвигатели постоянного тока обеспечивают большую плавность пуска и торможения механизмов по сравнению с дви­гателями переменного тока. На рис. 3.8, а представлены механи­ческие характеристики приводов, работающих по системе трех-обмоточный генератор — двигатель. Они применяются, в част­ности, на экскаваторах средней мощности. Форма характеристи­ки может быть изменена соответствующим подбором ампер-вит­ков трех обмоток генератора: независимой, шунтовой и сериес-ной. На рис. 3.8, б показана механическая характеристика приво­да постоянного тока по системе генератор — двигатель с элект­ромашинными усилителями, применяемого на экскаваторах большой мощности. Такие характеристики имеют участки малой и повышенной жесткости, что позволяет применять их как в при­водах рабочих органов или исполнительных механизмов, требу­ющих плавности изменения скоростей рабочих движений, так и при стабильной скорости, независящей от изменения внешней нагрузки.

Контрольные вопросы

1. Что такое привод машины? Из чего он состоит?

2. Обоснуйте преимущественное применение строительных машин с автономными двигателями перед машинами, работающими от внешней энергетической сети. В каких производственных условиях для привода строительных машин используют энергию электро- и пневмосети? В ка­ких случаях для привода малых машин применяют компрессоры?

3. Что такое силовая установка машины? Из чего она состоит? Приве­дите пример.

4. Перечислите виды механических трансмиссий.

5. Какие трансмиссии передают движение с преобразованием энер­гии в другие формы, отличные от механической? Какие устройства обес­печивают эти преобразования?

6. Приведите классификацию трансмиссий для привода нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов. Какой вид привода имеет преимущественное применение в строительных машинах? Обо­снуйте ответ.

7. Какими основными показателями оценивают эффективность при­вода строительных машин?

8. От чего зависит внешнее сопротивление на рабочем органе? Каков характер этого сопротивления? Приведите примеры.

9. Что такое сопротивление движению рабочего органа? Из чего оно складывается? Что является источником динамического сопротивления? Как влияет на его формирование механическая характеристика приво­да? Как влияет динамическая составляющая на общее внешнее сопро­тивление?

44

10. Что такое жесткость механической характеристики привода? Ка­кие характеристики называют жесткими? мягкими?

11. Какими показателями пользуются для характеристики режимов работы машин и их механизмов? Приведите классификацию режимов.

12. Что такое коэффициент перегрузочной способности привода?

13. Какую энергию преобразуют двигатели внутреннего сгорания в механическое движение9

14. Какие типы двигателей внутреннего сгорания применяют в при-водах строительных машин? На каких видах топлива они работают?

15. Что такое рабочий цикл или рабочий процесс двигателя внутренне­го сгорания? Что такое такт? Опишите рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Чем отличается от него рабочий цикл дизеля?

16. Для чего в конструкциях двигателей внутреннего сгорания приме­няют несколько рабочих цилиндров? Каков порядок их работы?

17. Каково назначение маховика в конструкции двигателя внутренне­го сгорания?

18. Назовите способы запуска двигателей внутреннего сгорания. Ка­кие для этого применяют устройства? Чем обусловлен затрудненный за­пуск двигателей внутреннего сгорания при низкой температуре окружа­ющего воздуха? Какие устройства применяют для облегчения запуска?

19. Какими основными показателями характеризуют работу двигате­лей внутреннего сгорания? Что такое удельный расход топлива, эффек­тивный КПД? Каковы их значения для дизелей и карбюраторных двига­телей?

20. Что такое механическая характеристика двигателя внутреннего сго­рания? Из каких ветвей она состоит? Как получаются промежуточные скоростные характеристики? Назовите характерные точки внешней ме­ханической характеристики. Что такое коэффициент перегрузочной спо­собности, каково его значение для дизелей?

21. Какая ветвь механической характеристики двигателя внутреннего сгорания является рабочей? К какому виду по жесткости она относится? Как влияет характер изменения внешней нагрузки во времени на поло­жение текущей точки на механической характеристике? Какие участки механической характеристики предпочтительны и почему?

22. Какие типы электрических двигателей применяют в приводах стро­ительных машин?

23. Назовите параметры электрической сети для питания двигателей переменного тока.

24. Какими преимуществами и недостатками обладают асинхронные двигатели?

25. Приведите механическую характеристику асинхронного электро­двигателя и опишите ее характерные точки. Что такое естественная и искусственная механические характеристики? Какой участок механиче­ской характеристики считается рабочим, к какому виду по жесткости он относится? Каковы значения коэффициента перегрузочной способно­сти асинхронных двигателей?

26. Что такое пусковой момент асинхронного двигателя? Каковы его значения для двигателей короткозамкнутых и с фазным ротором? Для чего в цепь ротора фазного двигателя включают дополнительные сопро­тивления? Какие механические характеристики им соответствуют? Опишите запуск электродвигателя с фазным ротором с использованием пус­ковых сопротивлений.

27. Для чего в приводах грузоподъемных машин применяют двухеко-ростные электродвигатели?

28. Какие электродвигатели применяют в приводах ручных машин? Каковы их особенности?

29. Какие типы двигателей постоянного тока применяют в приводах строительных машин? Каковы их механические характеристики? Чем ограничено их применение?

refdb.ru

Приводы строительных машин

Глава 3. ПРИВОДЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН. СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Общие понятия и определения

Приводом называют энергосиловое устройство, приводящее в движение машину. Привод состоит из источника энергии (сило­вой установки), передаточного устройства (трансмиссии) и сис­темы управления для приведения в действие механизмов маши­ны, а также для их отключения.

Силовой установкой называют комплект, состоящий из двига­теля и обслуживающих его устройств. Например, в случае двигате­ля внутреннего сгорания — топливного бака, устройств для ох­лаждения, отвода выхлопных газов и т. п.

Трансмиссии могут быть механическими, электрическими, гид­равлическими, пневматическими и смешанными. Только в меха­нических и смешанных трансмиссиях на их механических участ­ках механическое движение передается без его преобразования в другие формы энергии. Во всех других случаях вращательное дви­жение выходного вала двигателя силовой установки с помощью электрогенераторов, гидравлических или пневматических насо- | сов преобразуется соответственно в электрическую энергию, энергию движения рабочей жидкости или энергию сжатого воз­духа, которая поступает к электро-, гидро- или пневмодвигате-лям, повторно преобразующим ее в механическое движение. Все указанные двигатели входят в состав трансмиссий. Соответствен­но различают электрические, гидравлические и пневматические трансмиссии.

Обычно свое наименование привод получает по типу двигате­ля силовой установки (от карбюраторного двигателя, дизельный), виду используемой энергии внешнего источника (электрический, I пневматический) или типу трансмиссии (гидравлический, дизель- ' электрический и т.п.).

Если на машине установлено нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов и все они приводятся в движение от одного двигателя, то привод называют одномоторным или группо­вым. Если же часть или все рабочие органы, или исполнительные механизмы приводятся от собственных двигателей, то привод на­зывают многомоторным. При индивидуальном приводе исполнитель­ных механизмов трансмиссионные двигатели могут питаться энер-

32

гией от одного генератора (насоса), индивидуально — каждый дви­гатель от своего генератора (индивидусыьный привод) или по сме­шанной схеме. В случае использования индивидуального электри­ческого привода каждый электродвигатель, приводящий в движе­ние соответствующий рабочий орган или исполнительный меха­низм, может питаться непосредственно от электросети. В последнее время на машинах с несколькими рабочими органами или испол­нительными механизмами используют преимущественно индиви­дуальный привод, обладающий более высоким коэффициентом по­лезного действия (КПД) по сравнению с групповым приводом, простотой и агрегатностью конструкции, лучшей приспособлен­ностью к автоматизации управления, лучшими условиями эксплу­атации и ремонта.

При оценке эффективности приводов строительных машин предпочтение следует отдавать тем приводам, которые имеют мень­шие габаритные размеры и массу, обладают высокой надежно­стью и готовностью к работе, высоким КПД, просты в управле­нии, более приспособлены к автоматизации управления, обеспе­чивают независимость рабочих движений и возможность их со­вмещения.

Рассмотрим более подробно сущность понятия передачи дви­жения рабочему органу машины в условиях преодоления им внеш­них сопротивлений. Основная составляющая этих сопротивлений определяется, прежде всего, свойствами преобразуемого матери­ала и характером процесса преобразования. Например, при рабо­те водоотливной насосной установки внешними сопротивления­ми будут: сила тяжести поднимаемой воды и силы трения при ее передвижении по трубопроводам. В этом случае сопротивления практически неизменны во времени. При разработке грунта ков­шом экскаватора, отвалом бульдозера и другими машинами со­противления копанию нарастают от минимального до максималь­ного значения, многократно повторяясь в процессе каждой опе­рации копания.

В условиях постоянных или слабо изменяющихся во времени внешних сопротивлений привод работает в спокойном режиме практически с постоянной скоростью на его выходном звене. При изменяемых во времени внешних сопротивлениях, кроме внут­ренних сопротивлений, к ним добавляются динамические со­ставляющие, обусловленные внешней (механической) характери­стикой привода — функциональной зависимостью между его силовым и скоростным факторами на выходном звене. Обычно эти факторы связаны между собой обратной зависимостью — чем больше внешнее сопротивление, тем меньше скорость движения выходного звена. Такая зависимость представлена на рис. 3.1 для случая вращательного движения выходного звена привода, где через Г, со и л обозначены соответственно вращающий момент, угловая скорость и частота враще­ния выходного звена. Если, напри­мер, на временном интервале Д/ со­противление возрастает от Г, до Т2, то, согласно внешней характери­стике привода, угловая скорость снижается за то же время с со ] до со2 — выходное звено вращается с замедлением. Согласно второму за­кону механики этому замедлению соответствует пропорциональный ему динамический момент проти­воположного внешнему сопротив­лению направления. Складываясь с внешним сопротивлением, ди­намический момент уменьшает его значение. Природа этого явле­ния заключается в том, что движущаяся система при снижении скорости расходует накопленную в ней энергию на преодоление возрастающих внешних сопротивлений.

С уменьшением внешних сопротивлений скорость со возраста­ет, ускорение положительно, а поэтому динамический момент также положителен, т.е. с возрастанием скорости энергия приво­да расходуется на преодоление внешних сопротивлений и на на­копление энергии в движущейся системе. Таким образом, при­вод как бы выравнивает приведенное к его выходному звену со­противление с одновременным снижением скорости при возраста­нии внешнего сопротивления и ее увеличением при снижении пос­леднего. Такая приспособленность привода к условиям его нагру-жения будет тем больше, чем больше момент инерции враща­ющихся масс привода и чем меньше первая производная/= dT/d(a, называемая жесткостью механической характеристики привода. Ха­рактеристики с высокими значениями этой величины называют жесткими, а с низкими значениями — мягкими. Степень жест­кости механической характеристики определяется, прежде всего, типом двигателя. Жесткость/может быть понижена за счет вклю­чения в состав привода дополнительных устройств, в частности — гидротрансформатора (см. гл. 5).

Для характеристики режимов работы привода отдельных меха­низмов и машин в целом пользуются отношениями максимальных значений усилий (вращающих моментов) Ртах (Гтах) и скоростей t>max (comax) на выходном звене привода к их средним значениям соот­ветственно Рср(Тср) и vcp (соср), продолжительностью включений (ПВ) в процентах от общего времени работы машины и количеством вклю­чений KB в час. В зависимости от степени изменения этих парамет­ров, которые колеблются в пределах Tmm/Tcp = 1,1... 3,0 (для враща­тельного движения), ПВ = 15... 100 %, KB = 10...600, режимы нагру-жения многих машин и их механизмов условно подразделяют на

легкий, средний, тяжелый и весьма тяжелый. Для некоторых ма­шин, например строительных кранов, для определения режимов работы используют также другие дополнительные факторы. Важ­ной характеристикой привода, определяющей его способность пре­одолевать сопротивления, значительно превышающие их средние значения, является коэффициент перегрузочной способности кпер — отношение максимального момента 7^ по механической характе­ристике привода к его номинальному значению Тн.

3.2. Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) относятся к группе тепловых двигателей. В ДВС химическая энергия топлива, сгора­ющего в рабочих полостях цилиндров, преобразуется в механиче­скую энергию.

История создания ДВС восходит к середине XIX в., когда в 1860 г. французским механиком Э.Ленуаром был сконструирован первый прак­тически пригодный газовый ДВС. В 1876 г. немецкий изобретатель Н.От-то построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель. Пер­вый бензиновый карбюраторный двигатель был построен в России О.С.Костовичем в 80-х гг. XIXв., а первый дизельный двигатель — не­мецким инженером Р.Дизелем в 1897 г., впоследствии (1898—1899 гг.) усовершенствованный на заводе Л. Нобеля в Петербурге. С этого време­ни дизельный двигатель становится наиболее экономичным ДВС. В 1901 г. в США был разработан первый трактор с ДВС. В то же время братьями О. и У. Райт был построен первый самолет с ДВС, начавший свои поле­ты в 1903 г. В том же году русские инженеры установили ДВС на судне «Вандал», создав первый теплоход. Первый поездной тепловоз был со­здан в 1924 г. в Ленинграде по проекту Я. М. Гаккеля.

В ДВС все процессы сгорания топлива, выделения теплоты и превращения ее в механическую энергию происходят в рабочих цилиндрах 5 (рис. 3.2 и 3.3) при перемещениях в них поршней 4, приводящих во вращение коленчатый вал 1 через шатуны 2 во вре­мя рабочего хода и приводимых в движение коленчатым валом на всех других этапах рабочего цикла. В приводах строительных машин применяют многоцилиндровые карбюраторные и дизельные (дизе­ли) двигатели с четырьмя (рис. 3.4), шестью, восемью или двенад­цатью цилиндрами, работающими на жидком топливе — бензине (карбюраторные двигатели) или дизельном топливе (дизели).

ДВС является сложным механическим устройством, состоящим из корпуса, кривошипно-шатунного механизма, механизма газо­распределения, систем смазки, охлаждения, питания, зажигания (для карбюраторных двигателей), пуска, впуска и выпуска.

[ Рабочим циклом или рабочим процессом ДВС называют после­довательность периодически повторяющихся процессов (впуск, сжатие и сгорание топлива, расширение образовавшихся при сгорании газов и их выпуск)|Часть рабочего цикла, совершаемого за ход поршня в одном направлении, называют тактом,, В приводах строительных машин, кроме малых машин, применяют обычно четырехтактные двигатели, у которых рабочий цикл совершается за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.

[Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя пред­ставлен схемой (см. рис. 3.2). В течение первого такта (см. рис. 3.2, а) приводимый коленчатым валом 1 через шатун 2 поршень 4 пере­мещается вниз, всасывая в рабочую полость цилиндра 5 через от­крытый впускной клапан 6 топливо-воздушную смесь из паров бензина и воздуха, поступающую из карбюратора — специального устройства для ее приготовления. На втором такте (см. рис. 3.2, б) поршень, также приводимый коленчатым валом, перемещается снизу вверх, сжимая находящуюся в цилиндре рабочую смесь при закрытых впускном <5и выпускном 8 клапанах. Вследствие сжатия рабочей смеси ее давление и температура повышаются, чем со­здаются хорошие условия для ее сгорания. В конце такта смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 7. Образовавши­еся в результате сгорания рабочей смеси газы, увеличиваясь в объеме, создают повышенное давление в рабочей камере, воз­действуя на поршень, который вследствие этого совершает ра­бочий ход — движение вниз {третий такт, см. рис. 3.2, в), пе­редавая усилие через палец 3 и шатун 2 коленчатому валу, застав­ляя его вращаться и через соединенную с ним трансмиссию, при­водить в движение рабочий орган или исполнительные механиз­мы. На четвертом, заключительном такте (см. рис 3.2, г) поршень перемещается коленчатым валом вверх, выталкивая отработавшие газы из рабочей полости цилиндра через открытый выпускной кла­пан 8 в атмосферу. Д

У дизеля топливо-воздушная смесь образуется непосредствен­но в рабочей полости цилиндра из впрыскиваемого через форсун­ку 7 (см. рис. 3.3) распыленного дизельного топлива и всасывае­мого из атмосферы через клапан 6 воздуха. Порядок движений поршня и клапанов на всех четырех тактах рабочего цикла такой же, как и у карбюраторного двигателя. Воздух поступает в рабо­чую полость через открытый клапан 6 в течение первого такта. Топливо впрыскивается топливным насосом через форсунку 7 в конце второго такта — сжатия при закрытых клапанах 6 и 8. Сме­шиваясь с воздухом, при дальнейшем сжатии топливо прогрева­ется, частично испаряется и самовоспламеняется. В дальнейшем работа дизеля аналогична работе карбюраторного двигателя.

При установке на коленчатом валу нескольких цилиндров (см. рис. 3.4) в один и тот же момент времени все они находятся на разных стадиях (тактах) рабочего цикла. Так, например, если в первом цилиндре четырехцилиндрового двигателя (см. рис. 3.4, а) происходит рабочий ход, то в четвертом цилиндре при таком же положении поршня — впуск рабочей смеси (для карбюраторных двигателей) или всасывание воздуха (для дизелей), второй ци­линдр работает на сжатие рабочей смеси, а третий — на выпуск отработавших газов. Таким образом, рабочий ход осуществляется последовательно цилиндрами 1, 3, 2 и 4. При этом за счет энергии рабочего хода одного цилиндра преодолеваются как внешние со­противления, так и сопротивления перемещениям поршней дру­гих цилиндров, находящихся в других стадиях рабочего цикла дви­гателя.

Чем больше цилиндров установлено на двигателе, тем более равномерно вращение коленчатого вала. С той же целью на коленчатом валу устанавливают маховик, накапливающий энергию на интервалах ускоренного вращения коленчатого вала и отдающий ее в движущуюся механическую систему при замедлениях.

Как следует их описанных рабочих процессов ДВС, теплота сгорающего в рабочей полости топлива преобразуется в механичсское движение только на третьем такте, которому должны пред­шествовать такты впуска и сжатия. Это означает, что для начала работы ДВС его коленчатый вал следует привести во вращение внешней силой. Запустить карбюраторный двигатель небольшой мощности можно от руки вращением коленчатого вала рукоят­кой, палец которого сцепляется с храповиком на переднем кон­це вала. Более мощные ДВС запускают установленным на маши­не электродвигателем постоянного тока, называемымстарте­ром и питаемым от аккумуляторной батареи. Дизели средней и большой мощности запускают с помощью вспомогательного кар­бюраторного двигателя, обычно одноцилиндрового двухтактно­го, установленного на основном дизеле и запускаемого в свою очередь стартером. Рабочий процесс двухтактного двигателя от­личается от работы четырехтактного тем, что у него горючая смесь поступает в рабочую камеру в начале хода сжатия, а отработав­шие газы удаляются в конце рабочего хода продувкой потоком горючей смеси.

Пуск ДВС при низкой температуре окружающего воздуха за­труднен из-за повышенной вязкости смазочного масла, повышен­ного сопротивления при проворачивании коленчатого вала, а так­же из-за низкой температуры горючей смеси или воздуха в конце сжатия. Для облегчения и ускорения пуска применяют пусковые подогреватели с целью нагрева охлаждающей жидкости и смазоч­ного масла, устройства для облегчения воспламенения топлива или горючей смеси (электрофакельные подогреватели воздуха и элект­рические свечи накаливания) и устройства для облегчения прово­рачивания вала (декомпрессионные механизмы для открывания впускных, иногда выпускных клапанов и снижения тем самым дав­ления воздуха в цилиндрах при вращении коленчатого вала).

Основными показателями работы ДВС являются: мощность и крутящий момент на коленчатом валу, часовой и удельный рас­ход топлива, характеризующие экономичность двигателя, эффек­тивный КПД, характеризующий совершенство конструкции ДВС.

Удельным расходом топлива называют отношение его часового расхода к мощности на коленчатом валу.

Под эффективным КПД понимают отношение указанной выше мощности к затраченной теплоте использованного топлива. Дизели обладают более высоким эффективным КПД (0,35...0,45) по срав­нению с карбюраторными двигателями (0,26...0,32), а также более низким удельным расходом топлива [190...240 г/(кВт-ч) при 280... 320 г/(кВт-ч)] у карбюраторных двигателей. В выхлопных газах дизелей содержится меньше токсичных веществ. К недостаткам ди­зелей относятся: затруднения в запуске при низких температурах, высокая чувствительность к перегрузкам, а также большая масса.

Зависимость крутящего момента Г на коленчатом валу ДВС от частоты вращения вала п называют механической характеристикой двигателя (рис. 3.5). Из семейства скоростных ветвей /, 2, 3 и т.д. пер­вая, соответствующая максимальной подаче топлива в рабочие цилинд­ры двигателя, называется внешней, а все другие, при уменьшенной по­даче топлива — промежуточными. Ре-гуляторной ветвью 4 с помощью спе­циального устройства — регулятора отсекаются участки скоростных вет­вей при больших частотах п. Основ­ными параметрами механической ха­рактеристики дизеля (на внешней скоростной ветви) служат: номи­нальные момент Тн и частота вращения коленчатого вала пн, мак­симальный момент Гтах и соответствующая ему частота пт, а так­же частота холостого хода п0. Как и для привода в целом (см. под-разд. 3.1), отношение А;пер = Ттах/Тн называют коэффициентом пере­грузочной способности. Для дизелей обычно кпер = 1,1... 1,15. Пред­ставленные на рис. 3.5 характеристики не учитывают влияния ма­ховика.

Из двух текущих параметров работы дизеля — момента на ко­ленчатом валу Т и частоты его вращения п — первый однозначно определяется внешней нагрузкой, характер изменения которой во времени t зависит от многих факторов, прежде всего, от со­противлений на рабочем органе. При спокойной внешней нагруз­ке (рис. 3.6, а) ее максимальное значение Гтах незначительно отли­чается от среднего значения Тср, что позволяет работать дизелю вблизи рабочей точки с номинальным моментом ТИ, при частоте вращения, близкой к пн. При этом полезно используемая мощ­ность будет наибольшей. В случае значительного превышения вне­шних сопротивлений над средним (рис. 3.6, б) во избежание ос­тановки двигателя, рабочую точку на механической характери­стике дизеля (см. рис. 3.5), соответствующую Тср, приходится вы­бирать ниже номинальной, жертвуя при этом эффективным КПД. Текущая рабочая точка по моменту будет все время менять свое положение на регуляторной ветви, соответственно характеру на-гружения (см. рис. 3.6, б). При этом также будет изменяться час­тота вращения коленчатого вала в диапазоне пн < п < п0, кото­рый для дизелей составляет примерно 0,1 ин. По этому показате­лю регуляторную ветвь механической характеристики дизеля счи­тают жесткой, следствием чего использование мощности двига­теля при внешних нагрузках типа представленной на рис. 3.6, б, является неэффективным.

Влияние изменения внешней нагрузки во времени на характер работы двигателя будет тем большим, чем жестче характеристика

Рис. 3.6. Типовые графики внешней на­грузки, приведенные к валу двигателя: а — при спокойной внешней нагрузке; б — при значительном повышении внешней на­грузки

трансмиссии, являющейся промежуточным звеном меж­ду двигателем и рабочим ор­ганом. Трансмиссия с подат­ливыми звеньями как бы яв­ляется фильтром колебаний ьнешней нагрузки при ее ре­активном воздействии на двигатель — приведенная к коленчатому валу двигателя внешняя нагрузка оказывает­ся сглаженной по сравнению с таковой на рабочем органе или исполнительном меха­низме. Степень такой фильт­рации определяют понятием прозрачности трансмиссии. Весьма жесткую трансмис­сию называют прозрачной, т. е. такой, которая пропускает

через себя реактивную внешнюю нагрузку без изменений. Суще­ствуют устройства, называемые гидротрансформаторами и вклю­чаемые в трансмиссию по схеме последовательного соединения, момент на ведущем звене которых остается постоянным вне зави­симости от момента на ведомом звене (от колебаний внешней на­грузки). Их называют непрозрачными, т.е. такими, которые не про­пускают через себя колебания реактивной внешней нагрузки. Все другие податливые звенья и устройства, частично выравнивающие реактивную внешнюю нагрузку, называют полупрозрачными.

3.3. Электрические двигатели

В приводах строительных машин применяют электродвигатели переменного и постоянного тока.

Асинхронные электродвигатели переменного тока,короткозам-кнутые и с фазным ротором, называют также двигателями с кон­тактными кольцами. Они обычно питаются от электросети напря­жением 220 и 380 В с нормальной частотой 50 Гц. Эти двигатели конструктивно просты, дешевы, надежны и удобны в эксплуата­ции. Их недостатком является высокая чувствительность к колеба­ниям напряжения в питающей сети. Типовая механическая харак­теристика 3 асинхронного электродвигателя/показана на рис. 3.7, где через Г и п, как и прежде, обозначены соответственно враща­ющий момент и частота вращения вала двигателя. Считается, что двигатель работает на естественной механической характеристи­ке, если он включен в сеть с напряжением и частотой, соответствующими указанным в его паспорте, а также если в его электрическую схему не вклю­чены дополнительные сопро­тивления. В противном случае получаем искусственную меха­ническую характеристику. Рабо­чим является участок механи­ческой характеристики между точками с координатами (Т= 0; п = п0) и (Т= Тк; п = пк). Мо­мент Т = Тн и частота враще­ния и = ин на этом участке яв­ляются номинальными, соот­ветствующими наибольшему ресурсу двигателя. Перегрузоч­ная способность асинхронных двигателей общего назначения определяется отношением максимального момента Тк к номи­нальному Г„на естественной характеристике: /спер= Тк/Тн состав­ляет 1,7... 2,0 (для короткозамкнутых двигателей до 2,4), а для дви­гателей кранового типа — 2,3... 3,0. Частота вращения вала двигате­ля п на рабочем участке механической характеристики изменяется незначительно, в связи с чем естественную механическую характе­ристику асинхронного двигателя можно считать жесткой.

Момент Тп при л = 0 называют пусковым. Его отношение к но­минальному моменту Тн для короткозамкнутых двигателей обще­го назначения составляет 1,0... 1,9, а для двигателей кранового типа 2,3...3,0. Для двигателей с фазным ротором это отношение составляет 0,5... 1,5, тогда как пусковой ток превышает номиналь­ный в 5 —7 раз. Для уменьшения пускового тока этих двигателей в цепь обмотки ротора с помощью реостата включают дополнитель­ные сопротивления .""Каждому сопротивлению в цепи ротора соот­ветствует своя искусственная механическая характеристика, на­зываемая также реостатной.

Так, например, при включении в цепь ротора двух пусковых сопротивлений, которым соответствуют искусственные характе­ристики 1 и 2, момент при пуске будет изменяться от Г, до Тъ которые называют моментами отсечки. После включения двигателя он будет работать на характеристике /. При этом момент будет умень­шаться от ТА (не обязательно совпадающего с Т2) до Ти а частота вращения вала увеличиваться от нуля до пв. При достижении по­следнего сопротивление, соответствующее характеристике 1, авто­матически отключается, вследствие чего момент увеличивается до значения Т=Т2с переходом на реостатную характеристику 2. При этом двигатель разгоняется до частоты пс с одновременным

42

уменьшением момента до Т~ Ти а после отключения второго со­противления переходит на естественную характеристику 3 в точ­ке С с координатами (Т2; лс). Пуск заканчивается по достиже­нии точки на естественной характеристике с моментом, равным моменту внешних сопротивлений TD. Маршрут пуска показан на рис. 3.7 стрелками. Обязательным условием пуска является усло­вие Г, > TD. В противном случае уже на первом этапе (участок АВ) частота п = пв не будет достигнута, а, следовательно, первое со­противление не будет отключено, и дальнейшая работа возможна только на искусственной характеристике 2. При необходимости указанное условие обеспечивается снижением момента TD, в част­ности, путем отключения трансмиссии или исполнительного ме­ханизма от двигателя.

Искусственные характеристики, обладающие меньшими жест-костями по сравнению с естественной характеристикой, могут быть также использованы в качестве рабочих характеристик, ког­да необходимо плавно изменять скорости рабочих движений. Ко-роткозамкнутые двигатели запускаются и работают только на ес­тественной характеристике.

В приводах грузоподъемных машин для плавной посадки гру­зов, например, на монтаже конструкций, а также для ускоренно­го опускания грузозахватных устройств, применяют двухскорост-ные асинхронные двигатели с соотношением скоростей 2:1; 8:3; 3:1; 10:3.

Ручные машины с электрическим приводом подключают к элек­тросети через преобразователи частоты с 50 на 400 Гц, что позво­ляет уменьшить их массу в 3,5 раза. Часто в приводах ручных ма­шин используютоднофазные коллекторные электродвигатели с вы­сокой удельной мощностью на единицу массы и мягкой механи­ческой характеристикой. Коллекторные двигатели мало чувстви­тельны к колебаниям напряжения в питающей сети, устойчиво работают в режиме частых пусков, могут включаться в сеть без преобразователей. К их недостаткам можно отнести: высокую сто­имость и необходимость их обслуживания специалистами высо­кой квалификации.

Электродвигатели постоянного тока обеспечивают большую плавность пуска и торможения механизмов по сравнению с дви­гателями переменного тока. На рис. 3.8, а представлены механи­ческие характеристики приводов, работающих по системе трех-обмоточный генератор — двигатель. Они применяются, в част­ности, на экскаваторах средней мощности. Форма характеристи­ки может быть изменена соответствующим подбором ампер-вит­ков трех обмоток генератора: независимой, шунтовой и сериес-ной. На рис. 3.8, б показана механическая характеристика приво­да постоянного тока по системе генератор — двигатель с элект­ромашинными усилителями, применяемого на экскаваторах большой мощности. Такие характеристики имеют участки малой и повышенной жесткости, что позволяет применять их как в при­водах рабочих органов или исполнительных механизмов, требу­ющих плавности изменения скоростей рабочих движений, так и при стабильной скорости, независящей от изменения внешней нагрузки.

studfiles.net

Глава 3. ПРИВОДЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН. СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ - Волков Строительные машины

Глава 3. ПРИВОДЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН. СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Общие понятия и определения

Приводом называют энергосиловое устройство, приводящее в движение машину. Привод состоит из источника энергии (сило­вой установки), передаточного устройства (трансмиссии) и сис­темы управления для приведения в действие механизмов маши­ны, а также для их отключения.

Силовой установкой называют комплект, состоящий из двига­теля и обслуживающих его устройств. Например, в случае двигате­ля внутреннего сгорания — топливного бака, устройств для ох­лаждения, отвода выхлопных газов и т. п.

Трансмиссии могут быть механическими, электрическими, гид­равлическими, пневматическими и смешанными. Только в меха­нических и смешанных трансмиссиях на их механических участ­ках механическое движение передается без его преобразования в другие формы энергии. Во всех других случаях вращательное дви­жение выходного вала двигателя силовой установки с помощью электрогенераторов, гидравлических или пневматических насо­сов преобразуется соответственно в электрическую энергию, энергию движения рабочей жидкости или энергию сжатого воз­духа, которая поступает к электро-, гидро- или пневмодвигате- лям, повторно преобразующим ее в механическое движение. Все указанные двигатели входят в состав трансмиссий. Соответствен­но различают электрические, гидравлические и пневматические трансмиссии.

Обычно свое наименование привод получает по типу двигате­ля силовой установки {от карбюраторного двигателя, дизельный), виду используемой энергии внешнего источника (электрический, пневматический) или типу трансмиссии (гидравлический, дизель- электрический и т.п.).

Если на машине установлено нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов и все они приводятся в движение от одного двигателя, то привод называют одномоторным или группо­вым. Если же часть или все рабочие органы, или исполнительные механизмы приводятся от собственных двигателей, то привод на­зывают многомоторным. При индивидуальном приводе исполнитель­ных механизмов трансмиссионные двигатели могут питаться энер­

гией от одного генератора (насоса), индивидуально — каждый дви­гатель от своего генератора (индивидуальный привод) или по сме­шанной схеме. В случае использования индивидуального электри­ческого привода каждый электродвигатель, приводящий в движе­ние соответствующий рабочий орган или исполнительный меха­низм, может питаться непосредственно от электросети. В последнее время на машинах с несколькими рабочими органами или испол­нительными механизмами используют преимущественно индиви­дуальный привод, обладающий более высоким коэффициентом по­лезного действия (КПД) по сравнению с групповым приводом, простотой и агрегатностью конструкции, лучшей приспособлен­ностью к автоматизации управления, лучшими условиями эксплу­атации и ремонта.

При оценке эффективности приводов строительных машин предпочтение следует отдавать тем приводам, которые имеют мень­шие габаритные размеры и массу, обладают высокой надежно­стью и готовностью к работе, высоким КПД, просты в управле­нии, более приспособлены к автоматизации управления, обеспе­чивают независимость рабочих движений и возможность их со­вмещения.

Рассмотрим более подробно сущность понятия передачи дви­жения рабочему органу машины в условиях преодоления им внеш­них сопротивлений. Основная составляющая этих сопротивлений определяется, прежде всего, свойствами преобразуемого матери­ала и характером процесса преобразования. Например, при рабо­те водоотливной насосной установки внешними сопротивления­ми будут: сила тяжести поднимаемой воды и силы трения при ее передвижении по трубопроводам. В этом случае сопротивления практически неизменны во времени. При разработке грунта ков­шом экскаватора, отвалом бульдозера и другими машинами со­противления копанию нарастают от минимального до максималь­ного значения, многократно повторяясь в процессе каждой опе­рации копания.

33В условиях постоянных или слабо изменяющихся во времени внешних сопротивлений привод работает в спокойном режиме практически с постоянной скоростью на его выходном звене. При изменяемых во времени внешних сопротивлениях, кроме внут­ренних сопротивлений, к ним добавляются динамические со­ставляющие, обусловленные внешней (.механической) характери­стикой привода — функциональной зависимостью между его силовым и скоростным факторами на выходном звене. Обычно эти факторы связаны между собой обратной зависимостью — чем больше внешнее сопротивление, тем меньше скорость движения выходного звена. Такая зависимость представлена на рис. 3.1 для случая вращательного движения выходного звена привода, где через Т, со и п обозначены соответственно вращающий момент,

2 Волков

угловая скорость и частота враще­ния выходного звена. Если, напри­мер, на временном интервалеAt со­противление возрастает от Тх до Т2, то, согласно внешней характери­стике привода, угловая скорость снижается за то же время с Ш| до со2 — выходное звено вращается с замедлением. Согласно второму за­кону механики этому замедлению соответствует пропорциональный ему динамический момент проти­воположного внешнему сопротив­лению направления. Складываясь с внешним сопротивлением, ди­намический момент уменьшает его значение. Природа этого явле­ния заключается в том, что движущаяся система при снижении скорости расходует накопленную в ней энергию на преодоление возрастающих внешних сопротивлений.

С уменьшением внешних сопротивлений скорость а> возраста­ет, ускорение положительно, а поэтому динамический момент также положителен, т. е. с возрастанием скорости энергия приво­да расходуется на преодоление внешних сопротивлений и на на­копление энергии в движущейся системе. Таким образом, при­вод как бы выравнивает приведенное к его выходному звену со­противление с одновременным снижением скорости при возраста­нии внешнего сопротивления и ее увеличением при снижении пос­леднего. Такая приспособленность привода к условиям его нагру- жения будет тем больше, чем больше момент инерции враща­ющихся масс привода и чем меньше первая производная/=dT/do), называемая жесткостью механической характеристики привода. Ха­рактеристики с высокими значениями этой величины называют жесткими, а с низкими значениями — мягкими. Степень жест­кости механической характеристики определяется, прежде всего, типом двигателя. Жесткость/может быть понижена за счет вклю­чения в состав привода дополнительных устройств, в частности — гидротрансформатора (см. гл. 5).

Рис. 3.1. График внешней (механи­ческой) характеристики приводаДля характеристики режимов работы привода отдельных меха­низмов и машин в целом пользуются отношениями максимальных значений усилий (вращающих моментов) Р^ (7^) и скоростей vmax (gw) на выходном звене привода к их средним значениям соот­ветственно Рср (Гср) и fcp («ьр), продолжительностью включений (ПВ) в процентах от общего времени работы машины и количеством вклю­чений KB в час. В зависимости от степени изменения этих парамет­ров, которые колеблются в пределах Ттзх/Тср = 1,1... 3,0 (для враща­тельного движения), ПВ = 15... 100 %, KB = 10...600, режимы нагру- жения многих машин и их механизмов условно подразделяют на

легкий, средний, тяжелый и весьма тяжелый. Для некоторых ма­шин, например строительных кранов, для определения режимов работы используют также другие дополнительные факторы. Важ­ной характеристикой привода, определяющей его способность пре­одолевать сопротивления, значительно превышающие их средние значения, является коэффициент перегрузочной способности — отношение максимального момента Ттлх по механической характе­ристике привода к его номинальному значению ТИ.

3.2. Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) относятся к группе тепловых двигателей. В ДВС химическая энергия топлива, сгора­ющего в рабочих полостях цилиндров, преобразуется в механиче­скую энергию.

История создания ДВС восходит к середине XIX в., когда в 1860 г. французским механиком Э. Ленуаром был сконструирован первый прак­тически пригодный газовый ДВС. В 1876 г. немецкий изобретатель Н.От- то построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель. Пер­вый бензиновый карбюраторный двигатель был построен в России О. С. Костовичем в 80-х гг. XIX в., а первый дизельный двигатель — не­мецким инженером Р.Дизелем в 1897 г., впоследствии (1898—1899 гг.) усовершенствованный на заводе Л. Нобеля в Петербурге. С этого време­ни дизельный двигатель становится наиболее экономичным ДВС. В 1901 г. в США был разработан первый трактор с ДВС. В то же время братьями О. и У. Райт был построен первый самолет с ДВС, начавший свои поле­ты в 1903 г. В том же году русские инженеры установили ДВС на судне «Вандал», создав первый теплоход. Первый поездной тепловоз был со­здан в 1924 г. в Ленинграде по проекту Я.М. Гаккеля.

В ДВС все процессы сгорания топлива, выделения теплоты и превращения ее в механическую энергию происходят в рабочих цилиндрах 5 (рис. 3.2 и 3.3) при перемещениях в них поршней 4, приводящих во вращение коленчатый вал 1 через шатуны 2 во вре­мя рабочего хода и приводимых в движение коленчатым валом на всех других этапах рабочего цикла. В приводах строительных машин применяют многоцилиндровые карбюраторные и дизельные (дизе­ли,) двигатели с четырьмя (рис. 3.4), шестью, восемью или двенад­цатью цилиндрами, работающими на жидком топливе — бензине (карбюраторные двигатели) или дизельном топливе (дизели).

ДВС является сложным механическим устройством, состоящим из корпуса, кривошипно-шатунного механизма, механизма газо­распределения, систем смазки, охлаждения, питания, зажигания (для карбюраторных двигателей), пуска, впуска и выпуска.

Рабочим циклом или рабочим процессом ДВС называют после­довательность периодически повторяющихся процессов (впуск, сжатие и сгорание топлива, расширение образовавшихся при сго-

а б в г

Рис. 3.2. Схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя

рании газов и их выпуск). Часть рабочего цикла, совершаемого за ход поршня в одном направлении, называют тактом. В приводах строительных машин, кроме малых машин, применяют обычно четырехтактные двигатели, у которых рабочий цикл совершается за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя пред­ставлен схемой (см. рис. 3.2). В течение первого такта (см. рис. 3.2, а) приводимый коленчатым валом 1 через шатун 2 поршень 4 пере­мещается вниз, всасывая в рабочую полость цилиндра 5 через от­крытый впускной клапан 6 топливо-воздушную смесь из паров бензина и воздуха, поступающую из карбюратора — специального устройства для ее приготовления. На втором такте (см. рис. 3.2, б) поршень, также приводимый коленчатым валом, перемещается снизу вверх, сжимая находящуюся в цилиндре рабочую смесь при закрытых впускном б и выпускном 8 клапанах. Вследствие сжатия рабочей смеси ее давление и температура повышаются, чем со­здаются хорошие условия для ее сгорания. В конце такта смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 7. Образовавши­еся в результате сгорания рабочей смеси газы, увеличиваясь в объеме, создают повышенное давление в рабочей камере, воз­действуя на поршень, который вследствие этого совершает ра­бочий ход — движение вниз (третий такт, см. рис. 3.2, в), пе­редавая усилие через палец 3 и шатун 2 коленчатому валу, застав­ляя его вращаться и через соединенную с ним трансмиссию, при­водить в движение рабочий орган или исполнительные механиз­мы. На четвертом, заключительном такте (см. рис 3.2, г) поршень перемещается коленчатым валом вверх, выталкивая отработавшие газы из рабочей полости цилиндра через открытый выпускной кла­пан 8 в атмосферу.

У дизеля топливо-воздушная смесь образуется непосредствен­но в рабочей полости цилиндра из впрыскиваемого через форсун­ку 7 (см. рис. 3.3) распыленного дизельного топлива и всасывае­мого из атмосферы через клапан 6 воздуха. Порядок движений поршня и клапанов на всех четырех тактах рабочего цикла такой же, как и у карбюраторного двигателя. Воздух поступает в рабо­чую полость через открытый клапан 6 в течение первого такта. Топливо впрыскивается топливным насосом через форсунку 7 в конце второго такта — сжатия при закрытых клапанах 6 и 8. Сме­шиваясь с воздухом, при дальнейшем сжатии топливо прогрева­ется, частично испаряется и самовоспламеняется. В дальнейшем работа дизеля аналогична работе карбюраторного двигателя.

При установке на коленчатом валу нескольких цилиндров (см. рис. 3.4) в один и тот же момент времени все они находятся на разных стадиях (тактах) рабочего цикла. Так, например, если в первом цилиндре четырехцилиндрового двигателя (см. рис. 3.4, а) происходит рабочий ход, то в четвертом цилиндре при таком же положении поршня — впуск рабочей смеси (для карбюраторных двигателей) или всасывание воздуха (для дизелей), второй ци­линдр работает на сжатие рабочей смеси, а третий — на выпуск отработавших газов. Таким образом, рабочий ход осуществляется последовательно цилиндрами 1, 3,2 и 4. При этом за счет энергии рабочего хода одного цилиндра преодолеваются как внешние со­противления, так и сопротивления перемещениям поршней дру­гих цилиндров, находящихся в других стадиях рабочего цикла дви­гателя.

Чем больше цилиндров установлено на двигателе, тем более равномерно вращение коленчатого вала. С той же целью на колен-

а б в г

Рис. 3.3. Схема работы четырехтактного дизеля

в

Рис. 3.4. Схемы четырехтактных двигателей: а — четырехцилиндровый; б — шести цилиндровый; в — восьмицилиндровый

чатом валу устанавливают маховик, накапливающий энергию на интервалах ускоренного вращения коленчатого вала и отдающий ее в движущуюся механическую систему при замедлениях.

Как следует их описанных рабочих процессов ДВС, теплота сгорающего в рабочей полости топлива преобразуется в механи-

ческое движение только на третьем такте, которому должны пред­шествовать такты впуска и сжатия. Это означает, что для начала работы ДВС его коленчатый вал следует привести во вращение внешней силой. Запустить карбюраторный двигатель небольшой мощности можно от руки вращением коленчатого вала рукоят­кой, палец которого сцепляется с храповиком на переднем кон­це вала. Более мощные ДВС запускают установленным на маши­не электродвигателем постоянного тока, называемым старте­ром и питаемым от аккумуляторной батареи. Дизели средней и большой мощности запускают с помощью вспомогательного кар­бюраторного двигателя, обычно одноцилиндрового двухтактно­го, установленного на основном дизеле и запускаемого в свою очередь стартером. Рабочий процесс двухтактного двигателя от­личается от работы четырехтактного тем, что у него горючая смесь поступает в рабочую камеру в начале хода сжатия, а отработав­шие газы удаляются в конце рабочего хода продувкой потоком горючей смеси.

Пуск ДВС при низкой температуре окружающего воздуха за­труднен из-за повышенной вязкости смазочного масла, повышен­ного сопротивления при проворачивании коленчатого вала, а так­же из-за низкой температуры горючей смеси или воздуха в конце сжатия. Для облегчения и ускорения пуска применяют пусковые подогреватели с целью нагрева охлаждающей жидкости и смазоч­ного масла, устройства для облегчения воспламенения топлива или горючей смеси (электрофакельные подогреватели воздуха и элект­рические свечи накаливания) и устройства для облегчения прово­рачивания вала (декомпрессионные механизмы для открывания впускных, иногда выпускных клапанов и снижения тем самым дав­ления воздуха в цилиндрах при вращении коленчатого вала).

Основными показателями работы ДВС являются: мощность и крутящий момент на коленчатом валу, часовой и удельный рас­ход топлива, характеризующие экономичность двигателя, эффек­тивный КПД, характеризующий совершенство конструкции ДВС.

Удельным расходом топлива называют отношение его часового расхода к мощности на коленчатом валу.

Под эффективным КПД понимают отношение указанной выше мощности к затраченной теплоте использованного топлива. Дизели обладают более высоким эффективным КПД (0,35...0,45) по срав­нению с карбюраторными двигателями (0,26...0,32), а также более низким удельным расходом топлива [190...240 г/(кВт-ч) при 280... 320 г/(кВт ч)] у карбюраторных двигателей. В выхлопных газах дизелей содержится меньше токсичных веществ. К недостаткам ди­зелей относятся: затруднения в запуске при низких температурах, высокая чувствительность к перегрузкам, а также большая масса.

Зависимость крутящего момента Т на коленчатом валу ДВС от частоты вращения вала п называют механической характеристи­

кой двигателя (рис. 3.5). Из семейства скоростных ветвей 1, 2, J и т.д. пер­вая, соответствующая максимальной подаче топлива в рабочие цилинд­ры двигателя, называется внешней, а все другие, при уменьшенной по­даче топлива — промежуточными. Ре- гуляторной ветвью 4 с помощью спе­циального устройства — регулятора отсекаются участки скоростных вет­вей при больших частотах п. Основ­ными параметрами механической ха­рактеристики дизеля (на внешней скоростной ветви) служат: номи­нальные момент Тн и частота вращения коленчатого вала пн, мак­симальный момент Ттах и соответствующая ему частота пт, а так­же частота холостого хода п0. Как и для привода в целом (см. под- разд. 3.1), отношениеkntp= Ттях/Тн называют коэффициентом пере­грузочной способности. Для дизелей обычно кпер = 1,1... 1,15. Пред­ставленные на рис. 3.5 характеристики не учитывают влияния ма­ховика.

Из двух текущих параметров работы дизеля — момента на ко­ленчатом валу Т и частоты его вращения п — первый однозначно определяется внешней нагрузкой, характер изменения которой во времениt зависит от многих факторов, прежде всего, от со­противлений на рабочем органе. При спокойной внешней нагруз­ке (рис. 3.6, а) ее максимальное значениеTmax незначительно отли­чается от среднего значения Тср, что позволяет работать дизелю вблизи рабочей точки с номинальным моментом Тн, при частоте вращения, близкой к пК. При этом полезно используемая мощ­ность будет наибольшей. В случае значительного превышения вне­шних сопротивлений над средним (рис. 3.6, б) во избежание ос­тановки двигателя, рабочую точку на механической характери­стике дизеля (см. рис. 3.5), соответствующую Тср, приходится вы­бирать ниже номинальной, жертвуя при этом эффективным КПД. Текущая рабочая точка по моменту будет все время менять свое положение на регуляторной ветви, соответственно характеру на- гружения (см. рис. 3.6, б). При этом также будет изменяться час­тота вращения коленчатого вала в диапазонеnH0, кото­рый для дизелей составляет примерно 0,1 пн. По этому показате­лю регуляторную ветвь механической характеристики дизеля счи­тают жесткой, следствием чего использование мощности двига­теля при внешних нагрузках типа представленной на рис. 3.6, б, является неэффективным.

Рис. 3.5. Типовые механические характеристики дизеляВлияние изменения внешней нагрузки во времени на характер работы двигателя будет тем большим, чем жестче характеристика трансмиссии, являющейся промежуточным звеном меж­ду двигателем и рабочим ор­ганом. Трансмиссия с подат­ливыми звеньями как бы яв­ляется фильтром колебаний внешней нагрузки при ее ре­активном воздействии на двигатель — приведенная к коленчатому валу двигателя внешняя нагрузка оказывает­ся сглаженной по сравнению с таковой на рабочем органе или исполнительном меха­низме. Степень такой фильт­рации определяют понятием прозрачности трансмиссии. Весьма жесткую трансмис­сию называют прозрачной, т. е. такой, которая пропускает через себя реактивную внешнюю нагрузку без изменений. Суще­ствуют устройства, называемые гидротрансформаторами и вклю­чаемые в трансмиссию по схеме последовательного соединения, момент на ведущем звене которых остается постоянным вне зави­симости от момента на ведомом звене (от колебаний внешней на­грузки). Их называют непрозрачными, т.е. такими, которые не про­пускают через себя колебания реактивной внешней нагрузки. Все другие податливые звенья и устройства, частично выравнивающие реактивную внешнюю нагрузку, называют полупрозрачными.

3.3. Электрические двигатели

В приводах строительных машин применяют электродвигатели переменного и постоянного тока.

6

Рис. 3.6. Типовые графики внешней на­грузки, приведенные к валу двигателя: а — при спокойной внешней нагрузке; б — при значительном повышении внешней на­грузкиАсинхронные электродвигатели переменного тока, короткозам- кнутые и с фазным ротором, называют также двигателями с кон­тактными кольцами. Они обычно питаются от электросети напря­жением 220 и 380 В с нормальной частотой 50 Гц. Эти двигатели конструктивно просты, дешевы, надежны и удобны в эксплуата­ции. Их недостатком является высокая чувствительность к колеба­ниям напряжения в питающей сети. Типовая механическая харак­теристика 3 асинхронного электродвигателя показана на рис. 3.7, где через Г и л, как и прежде, обозначены соответственно враща­ющий момент и частота вращения вала двигателя. Считается, что Двигатель работает на естественной механической характеристи­ке, если он включен в сеть с напряжением и частотой, соответ­

ствующими указанным в его паспорте, а также если в его электрическую схему не вклю­чены дополнительные сопро­тивления. В противном случае получаем искусственную меха­ническую характеристику. Рабо­чим является участок механи­ческой характеристики между точками с координатами (Т= 0; я = я0) и (Т= Тк\ п = ик). Мо­мент Т = Т„ и частота враще­ния п = пн на этом участке яв­ляются номинальными, соот­ветствующими наибольшему ресурсу двигателя. Перегрузоч­ная способность асинхронных двигателей общего назначения определяется отношением максимального момента Тк к номи­нальному ТИ на естественной характеристике: кпер= ТК/Т„ состав­ляет 1,7... 2,0 (для короткозамкнутых двигателей до 2,4), а для дви­гателей кранового типа — 2,3... 3,0. Частота вращения вала двигате­ля я на рабочем участке механической характеристики изменяется незначительно, в связи с чем естественную механическую характе­ристику асинхронного двигателя можно считать жесткой.

Момент Тп при я = 0 называют пусковым. Его отношение к но­минальному моменту Т„ для короткозамкнутых двигателей обще­го назначения составляет 1,0... 1,9, а для двигателей кранового типа 2,3...3,0. Для двигателей с фазным ротором это отношение составляет 0,5... 1,5, тогда как пусковой ток превышает номиналь­ный в 5 —7 раз. Для уменьшения пускового тока этих двигателей в цепь обмотки ротора с помощью реостата включают дополнитель­ные сопротивления. Каждому сопротивлению в цепи ротора соот­ветствует своя искусственная механическая характеристика, на­зываемая также реостатной.

1 >

^/х 1 ^ \ 1

\3
\ 1 2 !Ч А j\ В' \ с
|

1 I

—7>ц™ •

\

1 \ . 1 \

! V 1

ЛАЯ

1 \Л

1 1 1 1
Т Тк

Тк Т\ TD

о

пк я» Рис. 3.7. Естественная (3) и пусковые (реостатные) (/ и 2) характеристи­ки асинхронного электродвигателя л,я„ и„Так, например, при включении в цепь ротора двух пусковых сопротивлений, которым соответствуют искусственные характе­ристики 7 и 2, момент при пуске будет изменяться от Т{ до Т2, которые называют моментами отсечки. После включения двигателя он будет работать на характеристике 1. При этом момент будет умень­шаться от ТА (не обязательно совпадающего с Т2) до Ти а частота вращения вала увеличиваться от нуля до яв. При достижении по­следнего сопротивление, соответствующее характеристике 1, авто­матически отключается, вследствие чего момент увеличивается до значения Т=Т2 с переходом на реостатную характеристику 2. При этом двигатель разгоняется до частоты пс с одновременным

уменьшением момента до Т= Ти а после отключения второго со­противления переходит на естественную характеристику 3 в точ­ке С' с координатами (Г2; пс). Пуск заканчивается по достиже­нии точки на естественной характеристике с моментом, равным моменту внешних сопротивленийTD. Маршрут пуска показан на рис. 3.7 стрелками. Обязательным условием пуска является усло­вие Т\ > TD. В противном случае уже на первом этапе (участок АВ) частота п = лв не будет достигнута, а, следовательно, первое со­противление не будет отключено, и дальнейшая работа возможна только на искусственной характеристике 2. При необходимости указанное условие обеспечивается снижением моментаTD, в част­ности, путем отключения трансмиссии или исполнительного ме­ханизма от двигателя.

Искусственные характеристики, обладающие меньшими жест- костями по сравнению с естественной характеристикой, могут быть также использованы в качестве рабочих характеристик, ког­да необходимо плавно изменять скорости рабочих движений. Ко- роткозамкнутые двигатели запускаются и работают только на ес­тественной характеристике.

В приводах грузоподъемных машин для плавной посадки гру­зов, например, на монтаже конструкций, а также для ускоренно­го опускания грузозахватных устройств, применяют двухскорост- ные асинхронные двигатели с соотношением скоростей 2:1; 8:3; 3:1; 10:3.

Ручные машины с электрическим приводом подключают к элек­тросети через преобразователи частоты с 50 на 400 Гц, что позво­ляет уменьшить их массу в 3,5 раза. Часто в приводах ручных ма­шин используют однофазные коллекторные электродвигатели с вы­сокой удельной мощностью на единицу массы и мягкой механи­ческой характеристикой. Коллекторные двигатели мало чувстви­тельны к колебаниям напряжения в питающей сети, устойчиво работают в режиме частых пусков, могут включаться в сеть без преобразователей. К их недостаткам можно отнести: высокую сто­имость и необходимость их обслуживания специалистами высо­кой квалификации.

Электродвигатели постоянного тока обеспечивают большую плавность пуска и торможения механизмов по сравнению с дви­гателями переменного тока. На рис. 3.8, а представлены механи­ческие характеристики приводов, работающих по системе трех- обмоточный генератор — двигатель. Они применяются, в част­ности, на экскаваторах средней мощности. Форма характеристи­ки может быть изменена соответствующим подбором ампер-вит­ков трех обмоток генератора: независимой, шунтовой и сериес- ной. На рис. 3.8, # показана механическая характеристика приво­да постоянного тока по системе генератор — двигатель с элект­ромашинными усилителями, применяемого на экскаваторах боль-

тт

шой мощности. Такие характеристики имеют участки малой и повышенной жесткости, что позволяет применять их как в при­водах рабочих органов или исполнительных механизмов, требу­ющих плавности изменения скоростей рабочих движений, так и при стабильной скорости, независящей от изменения внешней нагрузки.

Контрольные вопросы

  1. Что такое привод машины? Из чего он состоит?
  2. Обоснуйте преимущественное применение строительных машин с автономными двигателями перед машинами, работающими от внешней энергетической сети. В каких производственных условиях для привода строительных машин используют энергию электро- и пневмосети? В ка­ких случаях для привода малых машин применяют компрессоры?
  3. Что такое силовая установка машины? Из чего она состоит? Приве­дите пример.
  4. Перечислите виды механических трансмиссий.
  5. Какие трансмиссии передают движение с преобразованием энер­гии в другие формы, отличные от механической? Какие устройства обес­печивают эти преобразования?
  6. Приведите классификацию трансмиссий для привода нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов. Какой вид привода имеет преимущественное применение в строительных машинах? Обо­снуйте ответ.
  7. Какими основными показателями оценивают эффективность при­вода строительных машин?
  8. От чего зависит внешнее сопротивление на рабочем органе? Каков характер этого сопротивления? Приведите примеры.
  9. Что такое сопротивление движению рабочего органа? Из чего оно складывается? Что является источником динамического сопротивления? Как влияет на его формирование механическая характеристика приво­да? Как влияет динамическая составляющая на общее внешнее сопро­тивление?
  1. Что такое жесткость механической характеристики привода? Ка­кие характеристики называют жесткими? мягкими?
  2. Какими показателями пользуются для характеристики режимов работы машин и их механизмов? Приведите классификацию режимов.
  3. Что такое коэффициент перегрузочной способности привода?
  4. Какую энергию преобразуют двигатели внутреннего сгорания в механическое движение?
  5. Какие типы двигателей внутреннего сгорания применяют в при­водах строительных машин? На каких видах топлива они работают?
  6. Что такое рабочий цикл или рабочий процесс двигателя внутренне­го сгорания? Что такое такт? Опишите рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Чем отличается от него рабочий цикл дизеля?
  7. Для чего в конструкциях двигателей внутреннего сгорания приме­няют несколько рабочих цилиндров? Каков порядок их работы?
  8. Каково назначение маховика в конструкции двигателя внутренне­го сгорания?
  9. Назовите способы запуска двигателей внутреннего сгорания. Ка­кие для этого применяют устройства? Чем обусловлен затрудненный за­пуск двигателей внутреннего сгорания при низкой температуре окружа­ющего воздуха? Какие устройства применяют для облегчения запуска?
  10. Какими основными показателями характеризуют работу двигате­лей внутреннего сгорания? Что такое удельный расход топлива, эффек­тивный КПД? Каковы их значения для дизелей и карбюраторных двига­телей?
  11. Что такое механическая характеристика двигателя внутреннего сго­рания? Из каких ветвей она состоит? Как получаются промежуточные скоростные характеристики? Назовите характерные точки внешней ме­ханической характеристики. Что такое коэффициент перегрузочной спо­собности, каково его значение для дизелей?
  12. Какая ветвь механической характеристики двигателя внутреннего сгорания является рабочей? К какому виду по жесткости она относится? Как влияет характер изменения внешней нагрузки во времени на поло­жение текущей точки на механической характеристике? Какие участки механической характеристики предпочтительны и почему?
  13. Какие типы электрических двигателей применяют в приводах стро­ительных машин?
  14. Назовите параметры электрической сети для питания двигателей переменного тока.
  15. Какими преимуществами и недостатками обладают асинхронные двигатели?
  16. Приведите механическую характеристику асинхронного электро­двигателя и опишите ее характерные точки. Что такое естественная и искусственная механические характеристики? Какой участок механиче­ской характеристики считается рабочим, к какому виду по жесткости он относится? Каковы значения коэффициента перегрузочной способно­сти асинхронных двигателей?
  1. Что такое пусковой момент асинхронного двигателя? Каковы его значения для двигателей короткозамкнутых и с фазным ротором? Для чего в цепь ротора фазного двигателя включают дополнительные сопро­тивления? Какие механические характеристики им соответствуют? Опи­шите запуск электродвигателя с фазным ротором с использованием пус­ковых сопротивлений.
  2. Для чего в приводах грузоподъемных машин применяют двухско- ростные электродвигатели?
  3. Какие электродвигатели применяют в приводах ручных машин? Каковы их особенности?
  4. Какие типы двигателей постоянного тока применяют в приводах строительных машин? Каковы их механические характеристики? Чем ограничено их применение?

topuch.ru

Приводы строительных машин

Подобный материал:
  • Кафедра «Дорожно-строительных машин», 29.21kb.
  • Инструкция по охране труда № для слесаря по ремонту дорожно-строительных машин, 449kb.
  • Свод правил по проектированию и строительству сп 12-105-2003 "Механизация строительства., 358.66kb.
  • Свод правил по проектированию и строительству сп 12-104-2002 "Механизация строительства., 978.14kb.
  • Методика выполнения расчета гидропривода путевых машин конструкции путевых машин для, 865.62kb.
  • 3. Требования к минимуму содержания основной профессиональной образовательной программы, 235.18kb.
  • Учебный план на 2010 2011 учебный год специальность 190605. 51 «Техническая эксплуатация, 72.92kb.
  • Курс лекций для студентов по специальности I 37. 02. 03 «Техническая эксплуатация погрузочно-разгрузочных,, 2035.27kb.
  • Правила проведения государственного технического осмотра тракторов, самоходных дорожно-строительных, 311.27kb.
  • Зарегистрировано в Минюсте РФ 27 января 1995, 286.3kb.
Глава 3. ПРИВОДЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН. СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Общие понятия и определения

Приводом называют энергосиловое устройство, приводящее в движение машину. Привод состоит из источника энергии (сило­вой установки), передаточного устройства (трансмиссии) и сис­темы управления для приведения в действие механизмов маши­ны, а также для их отключения.

Силовой установкой называют комплект, состоящий из двига­теля и обслуживающих его устройств. Например, в случае двигате­ля внутреннего сгорания — топливного бака, устройств для ох­лаждения, отвода выхлопных газов и т. п.

Трансмиссии могут быть механическими, электрическими, гид­равлическими, пневматическими и смешанными. Только в меха­нических и смешанных трансмиссиях на их механических участ­ках механическое движение передается без его преобразования в другие формы энергии. Во всех других случаях вращательное дви­жение выходного вала двигателя силовой установки с помощью электрогенераторов, гидравлических или пневматических насо- | сов преобразуется соответственно в электрическую энергию, энергию движения рабочей жидкости или энергию сжатого воз­духа, которая поступает к электро-, гидро- или пневмодвигате-лям, повторно преобразующим ее в механическое движение. Все указанные двигатели входят в состав трансмиссий. Соответствен­но различают электрические, гидравлические и пневматические трансмиссии.

Обычно свое наименование привод получает по типу двигате­ля силовой установки (от карбюраторного двигателя, дизельный), виду используемой энергии внешнего источника (электрический, I пневматический) или типу трансмиссии (гидравлический, дизель- ' электрический и т.п.).

Если на машине установлено нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов и все они приводятся в движение от одного двигателя, то привод называют одномоторным или группо­вым. Если же часть или все рабочие органы, или исполнительные механизмы приводятся от собственных двигателей, то привод на­зывают многомоторным. При индивидуальном приводе исполнитель­ных механизмов трансмиссионные двигатели могут питаться энер-

32

гией от одного генератора (насоса), индивидуально — каждый дви­гатель от своего генератора (индивидусыьный привод) или по сме­шанной схеме. В случае использования индивидуального электри­ческого привода каждый электродвигатель, приводящий в движе­ние соответствующий рабочий орган или исполнительный меха­низм, может питаться непосредственно от электросети. В последнее время на машинах с несколькими рабочими органами или испол­нительными механизмами используют преимущественно индиви­дуальный привод, обладающий более высоким коэффициентом по­лезного действия (КПД) по сравнению с групповым приводом, простотой и агрегатностью конструкции, лучшей приспособлен­ностью к автоматизации управления, лучшими условиями эксплу­атации и ремонта.

При оценке эффективности приводов строительных машин предпочтение следует отдавать тем приводам, которые имеют мень­шие габаритные размеры и массу, обладают высокой надежно­стью и готовностью к работе, высоким КПД, просты в управле­нии, более приспособлены к автоматизации управления, обеспе­чивают независимость рабочих движений и возможность их со­вмещения.

Рассмотрим более подробно сущность понятия передачи дви­жения рабочему органу машины в условиях преодоления им внеш­них сопротивлений. Основная составляющая этих сопротивлений определяется, прежде всего, свойствами преобразуемого матери­ала и характером процесса преобразования. Например, при рабо­те водоотливной насосной установки внешними сопротивления­ми будут: сила тяжести поднимаемой воды и силы трения при ее передвижении по трубопроводам. В этом случае сопротивления практически неизменны во времени. При разработке грунта ков­шом экскаватора, отвалом бульдозера и другими машинами со­противления копанию нарастают от минимального до максималь­ного значения, многократно повторяясь в процессе каждой опе­рации копания.

В условиях постоянных или слабо изменяющихся во времени внешних сопротивлений привод работает в спокойном режиме практически с постоянной скоростью на его выходном звене. При изменяемых во времени внешних сопротивлениях, кроме внут­ренних сопротивлений, к ним добавляются динамические со­ставляющие, обусловленные внешней (механической) характери­стикой привода — функциональной зависимостью между его силовым и скоростным факторами на выходном звене. Обычно эти факторы связаны между собой обратной зависимостью — чем больше внешнее сопротивление, тем меньше скорость движения выходного звена. Такая зависимость представлена на рис. 3.1 для случая вращательного движения выходного звена привода, где через Г, со и л обозначены соответственно вращающий момент, угловая скорость и частота враще­ния выходного звена. Если, напри­мер, на временном интервале Д/ со­противление возрастает от Г, до Т2, то, согласно внешней характери­стике привода, угловая скорость снижается за то же время с со ] до со2 — выходное звено вращается с замедлением. Согласно второму за­кону механики этому замедлению соответствует пропорциональный ему динамический момент проти­воположного внешнему сопротив­лению направления. Складываясь с внешним сопротивлением, ди­намический момент уменьшает его значение. Природа этого явле­ния заключается в том, что движущаяся система при снижении скорости расходует накопленную в ней энергию на преодоление возрастающих внешних сопротивлений.

С уменьшением внешних сопротивлений скорость со возраста­ет, ускорение положительно, а поэтому динамический момент также положителен, т.е. с возрастанием скорости энергия приво­да расходуется на преодоление внешних сопротивлений и на на­копление энергии в движущейся системе. Таким образом, при­вод как бы выравнивает приведенное к его выходному звену со­противление с одновременным снижением скорости при возраста­нии внешнего сопротивления и ее увеличением при снижении пос­леднего. Такая приспособленность привода к условиям его нагру-жения будет тем больше, чем больше момент инерции враща­ющихся масс привода и чем меньше первая производная/= dT/d(a, называемая жесткостью механической характеристики привода. Ха­рактеристики с высокими значениями этой величины называют жесткими, а с низкими значениями — мягкими. Степень жест­кости механической характеристики определяется, прежде всего, типом двигателя. Жесткость/может быть понижена за счет вклю­чения в состав привода дополнительных устройств, в частности — гидротрансформатора (см. гл. 5).

Для характеристики режимов работы привода отдельных меха­низмов и машин в целом пользуются отношениями максимальных значений усилий (вращающих моментов) Ртах (Гтах) и скоростей t>max (comax) на выходном звене привода к их средним значениям соот­ветственно Рср(Тср) и vcp (соср), продолжительностью включений (ПВ) в процентах от общего времени работы машины и количеством вклю­чений KB в час. В зависимости от степени изменения этих парамет­ров, которые колеблются в пределах Tmm/Tcp = 1,1... 3,0 (для враща­тельного движения), ПВ = 15... 100 %, KB = 10...600, режимы нагру-жения многих машин и их механизмов условно подразделяют на

легкий, средний, тяжелый и весьма тяжелый. Для некоторых ма­шин, например строительных кранов, для определения режимов работы используют также другие дополнительные факторы. Важ­ной характеристикой привода, определяющей его способность пре­одолевать сопротивления, значительно превышающие их средние значения, является коэффициент перегрузочной способности кпер — отношение максимального момента 7 по механической характе­ристике привода к его номинальному значению Тн.

3.2. Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) относятся к группе тепловых двигателей. В ДВС химическая энергия топлива, сгора­ющего в рабочих полостях цилиндров, преобразуется в механиче­скую энергию.

История создания ДВС восходит к середине XIX в., когда в 1860 г. французским механиком Э.Ленуаром был сконструирован первый прак­тически пригодный газовый ДВС. В 1876 г. немецкий изобретатель Н.От-то построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель. Пер­вый бензиновый карбюраторный двигатель был построен в России О.С.Костовичем в 80-х гг. XIXв., а первый дизельный двигатель — не­мецким инженером Р.Дизелем в 1897 г., впоследствии (1898—1899 гг.) усовершенствованный на заводе Л. Нобеля в Петербурге. С этого време­ни дизельный двигатель становится наиболее экономичным ДВС. В 1901 г. в США был разработан первый трактор с ДВС. В то же время братьями О. и У. Райт был построен первый самолет с ДВС, начавший свои поле­ты в 1903 г. В том же году русские инженеры установили ДВС на судне «Вандал», создав первый теплоход. Первый поездной тепловоз был со­здан в 1924 г. в Ленинграде по проекту Я. М. Гаккеля.

В ДВС все процессы сгорания топлива, выделения теплоты и превращения ее в механическую энергию происходят в рабочих цилиндрах 5 (рис. 3.2 и 3.3) при перемещениях в них поршней 4, приводящих во вращение коленчатый вал 1 через шатуны 2 во вре­мя рабочего хода и приводимых в движение коленчатым валом на всех других этапах рабочего цикла. В приводах строительных машин применяют многоцилиндровые карбюраторные и дизельные (дизе­ли) двигатели с четырьмя (рис. 3.4), шестью, восемью или двенад­цатью цилиндрами, работающими на жидком топливе — бензине (карбюраторные двигатели) или дизельном топливе (дизели).

ДВС является сложным механическим устройством, состоящим из корпуса, кривошипно-шатунного механизма, механизма газо­распределения, систем смазки, охлаждения, питания, зажигания (для карбюраторных двигателей), пуска, впуска и выпуска.

[ Рабочим циклом или рабочим процессом ДВС называют после­довательность периодически повторяющихся процессов (впуск, сжатие и сгорание топлива, расширение образовавшихся при сгорании газов и их выпуск)|Часть рабочего цикла, совершаемого за ход поршня в одном направлении, называют тактом,, В приводах строительных машин, кроме малых машин, применяют обычно четырехтактные двигатели, у которых рабочий цикл совершается за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.

[Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя пред­ставлен схемой (см. рис. 3.2). В течение первого такта (см. рис. 3.2, а) приводимый коленчатым валом 1 через шатун 2 поршень 4 пере­мещается вниз, всасывая в рабочую полость цилиндра 5 через от­крытый впускной клапан 6 топливо-воздушную смесь из паров бензина и воздуха, поступающую из карбюратора — специального устройства для ее приготовления. На втором такте (см. рис. 3.2, б) поршень, также приводимый коленчатым валом, перемещается снизу вверх, сжимая находящуюся в цилиндре рабочую смесь при закрытых впускном 8 клапанах. Вследствие сжатия рабочей смеси ее давление и температура повышаются, чем со­здаются хорошие условия для ее сгорания. В конце такта смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 7. Образовавши­еся в результате сгорания рабочей смеси газы, увеличиваясь в объеме, создают повышенное давление в рабочей камере, воз­действуя на поршень, который вследствие этого совершает ра­бочий ход — движение вниз {третий такт, см. рис. 3.2, в), пе­редавая усилие через палец 3 и шатун 2 коленчатому валу, застав­ляя его вращаться и через соединенную с ним трансмиссию, при­водить в движение рабочий орган или исполнительные механиз­мы. На четвертом, заключительном такте (см. рис 3.2, г) поршень перемещается коленчатым валом вверх, выталкивая отработавшие газы из рабочей полости цилиндра через открытый выпускной кла­пан 8 в атмосферу. Д

У дизеля топливо-воздушная смесь образуется непосредствен­но в рабочей полости цилиндра из впрыскиваемого через форсун­ку 7 (см. рис. 3.3) распыленного дизельного топлива и всасывае­мого из атмосферы через клапан 6 воздуха. Порядок движений поршня и клапанов на всех четырех тактах рабочего цикла такой же, как и у карбюраторного двигателя. Воздух поступает в рабо­чую полость через открытый клапан 6 в течение первого такта. Топливо впрыскивается топливным насосом через форсунку 7 в конце второго такта — сжатия при закрытых клапанах 6 и 8. Сме­шиваясь с воздухом, при дальнейшем сжатии топливо прогрева­ется, частично испаряется и самовоспламеняется. В дальнейшем работа дизеля аналогична работе карбюраторного двигателя.

При установке на коленчатом валу нескольких цилиндров (см. рис. 3.4) в один и тот же момент времени все они находятся на разных стадиях (тактах) рабочего цикла. Так, например, если в первом цилиндре четырехцилиндрового двигателя (см. рис. 3.4, а) происходит рабочий ход, то в четвертом цилиндре при таком же положении поршня — впуск рабочей смеси (для карбюраторных двигателей) или всасывание воздуха (для дизелей), второй ци­линдр работает на сжатие рабочей смеси, а третий — на выпуск отработавших газов. Таким образом, рабочий ход осуществляется последовательно цилиндрами 1, 3, 2 и 4. При этом за счет энергии рабочего хода одного цилиндра преодолеваются как внешние со­противления, так и сопротивления перемещениям поршней дру­гих цилиндров, находящихся в других стадиях рабочего цикла дви­гателя.

Чем больше цилиндров установлено на двигателе, тем более равномерно вращение коленчатого вала. С той же целью на коленчатом валу устанавливают маховик, накапливающий энергию на интервалах ускоренного вращения коленчатого вала и отдающий ее в движущуюся механическую систему при замедлениях.

Как следует их описанных рабочих процессов ДВС, теплота сгорающего в рабочей полости топлива преобразуется в механичсское движение только на третьем такте, которому должны пред­шествовать такты впуска и сжатия. Это означает, что для начала работы ДВС его коленчатый вал следует привести во вращение внешней силой. Запустить карбюраторный двигатель небольшой мощности можно от руки вращением коленчатого вала рукоят­кой, палец которого сцепляется с храповиком на переднем кон­це вала. Более мощные ДВС запускают установленным на маши­не электродвигателем постоянного тока, называемым старте­ром и питаемым от аккумуляторной батареи. Дизели средней и большой мощности запускают с помощью вспомогательного кар­бюраторного двигателя, обычно одноцилиндрового двухтактно­го, установленного на основном дизеле и запускаемого в свою очередь стартером. Рабочий процесс двухтактного двигателя от­личается от работы четырехтактного тем, что у него горючая смесь поступает в рабочую камеру в начале хода сжатия, а отработав­шие газы удаляются в конце рабочего хода продувкой потоком горючей смеси.

Пуск ДВС при низкой температуре окружающего воздуха за­труднен из-за повышенной вязкости смазочного масла, повышен­ного сопротивления при проворачивании коленчатого вала, а так­же из-за низкой температуры горючей смеси или воздуха в конце сжатия. Для облегчения и ускорения пуска применяют пусковые подогреватели с целью нагрева охлаждающей жидкости и смазоч­ного масла, устройства для облегчения воспламенения топлива или горючей смеси (электрофакельные подогреватели воздуха и элект­рические свечи накаливания) и устройства для облегчения прово­рачивания вала (декомпрессионные механизмы для открывания впускных, иногда выпускных клапанов и снижения тем самым дав­ления воздуха в цилиндрах при вращении коленчатого вала).

Основными показателями работы ДВС являются: мощность и крутящий момент на коленчатом валу, часовой и удельный рас­ход топлива, характеризующие экономичность двигателя, эффек­тивный КПД, характеризующий совершенство конструкции ДВС.

Удельным расходом топлива называют отношение его часового расхода к мощности на коленчатом валу.

Под эффективным КПД понимают отношение указанной выше мощности к затраченной теплоте использованного топлива. Дизели обладают более высоким эффективным КПД (0,35...0,45) по срав­нению с карбюраторными двигателями (0,26...0,32), а также более низким удельным расходом топлива [190...240 г/(кВт-ч) при 280... 320 г/(кВт-ч)] у карбюраторных двигателей. В выхлопных газах дизелей содержится меньше токсичных веществ. К недостаткам ди­зелей относятся: затруднения в запуске при низких температурах, высокая чувствительность к перегрузкам, а также большая масса.

Зависимость крутящего момента Г на коленчатом валу ДВС от частоты вращения вала п называют механической характеристикой двигателя (рис. 3.5). Из семейства скоростных ветвей /, 2, 3 и т.д. пер­вая, соответствующая максимальной подаче топлива в рабочие цилинд­ры двигателя, называется внешней, а все другие, при уменьшенной по­даче топлива — промежуточными. Ре-гуляторной ветвью 4 с помощью спе­циального устройства — регулятора отсекаются участки скоростных вет­вей при больших частотах п. Основ­ными параметрами механической ха­рактеристики дизеля (на внешней скоростной ветви) служат: номи­нальные момент Тн и частота вращения коленчатого вала пн, мак­симальный момент Гтах и соответствующая ему частота пт, а так­же частота холостого хода п0. Как и для привода в целом (см. под-разд. 3.1), отношение А;пер = Ттах/Тн называют коэффициентом пере­грузочной способности. Для дизелей обычно кпер = 1,1... 1,15. Пред­ставленные на рис. 3.5 характеристики не учитывают влияния ма­ховика.

Из двух текущих параметров работы дизеля — момента на ко­ленчатом валу Т и частоты его вращения п — первый однозначно определяется внешней нагрузкой, характер изменения которой во времени t зависит от многих факторов, прежде всего, от со­противлений на рабочем органе. При спокойной внешней нагруз­ке (рис. 3.6, а) ее максимальное значение Гтах незначительно отли­чается от среднего значения Тср, что позволяет работать дизелю вблизи рабочей точки с номинальным моментом ТИ, при частоте вращения, близкой к пн. При этом полезно используемая мощ­ность будет наибольшей. В случае значительного превышения вне­шних сопротивлений над средним (рис. 3.6, б) во избежание ос­тановки двигателя, рабочую точку на механической характери­стике дизеля (см. рис. 3.5), соответствующую Тср, приходится вы­бирать ниже номинальной, жертвуя при этом эффективным КПД. Текущая рабочая точка по моменту будет все время менять свое положение на регуляторной ветви, соответственно характеру на-гружения (см. рис. 3.6, б). При этом также будет изменяться час­тота вращения коленчатого вала в диапазоне пн 0, кото­рый для дизелей составляет примерно 0,1 ин. По этому показате­лю регуляторную ветвь механической характеристики дизеля счи­тают жесткой, следствием чего использование мощности двига­теля при внешних нагрузках типа представленной на рис. 3.6, б, является неэффективным.

Влияние изменения внешней нагрузки во времени на характер работы двигателя будет тем большим, чем жестче характеристика

Рис. 3.6. Типовые графики внешней на­грузки, приведенные к валу двигателя: а — при спокойной внешней нагрузке; б — при значительном повышении внешней на­грузки

трансмиссии, являющейся промежуточным звеном меж­ду двигателем и рабочим ор­ганом. Трансмиссия с подат­ливыми звеньями как бы яв­ляется фильтром колебаний ьнешней нагрузки при ее ре­активном воздействии на двигатель — приведенная к коленчатому валу двигателя внешняя нагрузка оказывает­ся сглаженной по сравнению с таковой на рабочем органе или исполнительном меха­низме. Степень такой фильт­рации определяют понятием прозрачности трансмиссии. Весьма жесткую трансмис­сию называют прозрачной, т. е. такой, которая пропускает

через себя реактивную внешнюю нагрузку без изменений. Суще­ствуют устройства, называемые гидротрансформаторами и вклю­чаемые в трансмиссию по схеме последовательного соединения, момент на ведущем звене которых остается постоянным вне зави­симости от момента на ведомом звене (от колебаний внешней на­грузки). Их называют непрозрачными, т.е. такими, которые не про­пускают через себя колебания реактивной внешней нагрузки. Все другие податливые звенья и устройства, частично выравнивающие реактивную внешнюю нагрузку, называют полупрозрачными.

3.3. Электрические двигатели

В приводах строительных машин применяют электродвигатели переменного и постоянного тока.

Асинхронные электродвигатели переменного тока, короткозам-кнутые и с фазным ротором, называют также двигателями с кон­тактными кольцами. Они обычно питаются от электросети напря­жением 220 и 380 В с нормальной частотой 50 Гц. Эти двигатели конструктивно просты, дешевы, надежны и удобны в эксплуата­ции. Их недостатком является высокая чувствительность к колеба­ниям напряжения в питающей сети. Типовая механическая харак­теристика 3 асинхронного электродвигателя/показана на рис. 3.7, где через Г и п, как и прежде, обозначены соответственно враща­ющий момент и частота вращения вала двигателя. Считается, что двигатель работает на естественной механической характеристи­ке, если он включен в сеть с напряжением и частотой, соответствующими указанным в его паспорте, а также если в его электрическую схему не вклю­чены дополнительные сопро­тивления. В противном случае получаем искусственную меха­ническую характеристику. Рабо­чим является участок механи­ческой характеристики между точками с координатами (Т= 0; п = п0) и (Т= Тк; п = пк). Мо­мент Т = Тн и частота враще­ния и = ин на этом участке яв­ляются номинальными, соот­ветствующими наибольшему ресурсу двигателя. Перегрузоч­ная способность асинхронных двигателей общего назначения определяется отношением максимального момента Тк к номи­нальному Г„на естественной характеристике: /спер= Тк/Тн состав­ляет 1,7... 2,0 (для короткозамкнутых двигателей до 2,4), а для дви­гателей кранового типа — 2,3... 3,0. Частота вращения вала двигате­ля п на рабочем участке механической характеристики изменяется незначительно, в связи с чем естественную механическую характе­ристику асинхронного двигателя можно считать жесткой.

Момент Тп при л = 0 называют пусковым. Его отношение к но­минальному моменту Тн для короткозамкнутых двигателей обще­го назначения составляет 1,0... 1,9, а для двигателей кранового типа 2,3...3,0. Для двигателей с фазным ротором это отношение составляет 0,5... 1,5, тогда как пусковой ток превышает номиналь­ный в 5 —7 раз. Для уменьшения пускового тока этих двигателей в цепь обмотки ротора с помощью реостата включают дополнитель­ные сопротивления .""Каждому сопротивлению в цепи ротора соот­ветствует своя искусственная механическая характеристика, на­зываемая также реостатной.

Так, например, при включении в цепь ротора двух пусковых сопротивлений, которым соответствуют искусственные характе­ристики 1 и 2, момент при пуске будет изменяться от Г, до Тъ которые называют моментами отсечки. После включения двигателя он будет работать на характеристике /. При этом момент будет умень­шаться от ТА (не обязательно совпадающего с Т2) до Ти а частота вращения вала увеличиваться от нуля до пв. При достижении по­следнего сопротивление, соответствующее характеристике 1, авто­матически отключается, вследствие чего момент увеличивается до значения Т=Т2с переходом на реостатную характеристику 2. При этом двигатель разгоняется до частоты пс с одновременным

42

уменьшением момента до Т~ Ти а после отключения второго со­противления переходит на естественную характеристику 3 в точ­ке С с координатами (Т2; лс). Пуск заканчивается по достиже­нии точки на естественной характеристике с моментом, равным моменту внешних сопротивлений TD. Маршрут пуска показан на рис. 3.7 стрелками. Обязательным условием пуска является усло­вие Г, > TD. В противном случае уже на первом этапе (участок АВ) частота п = пв не будет достигнута, а, следовательно, первое со­противление не будет отключено, и дальнейшая работа возможна только на искусственной характеристике 2. При необходимости указанное условие обеспечивается снижением момента TD, в част­ности, путем отключения трансмиссии или исполнительного ме­ханизма от двигателя.

Искусственные характеристики, обладающие меньшими жест-костями по сравнению с естественной характеристикой, могут быть также использованы в качестве рабочих характеристик, ког­да необходимо плавно изменять скорости рабочих движений. Ко-роткозамкнутые двигатели запускаются и работают только на ес­тественной характеристике.

В приводах грузоподъемных машин для плавной посадки гру­зов, например, на монтаже конструкций, а также для ускоренно­го опускания грузозахватных устройств, применяют двухскорост-ные асинхронные двигатели с соотношением скоростей 2:1; 8:3; 3:1; 10:3.

Ручные машины с электрическим приводом подключают к элек­тросети через преобразователи частоты с 50 на 400 Гц, что позво­ляет уменьшить их массу в 3,5 раза. Часто в приводах ручных ма­шин используют однофазные коллекторные электродвигатели с вы­сокой удельной мощностью на единицу массы и мягкой механи­ческой характеристикой. Коллекторные двигатели мало чувстви­тельны к колебаниям напряжения в питающей сети, устойчиво работают в режиме частых пусков, могут включаться в сеть без преобразователей. К их недостаткам можно отнести: высокую сто­имость и необходимость их обслуживания специалистами высо­кой квалификации.

Электродвигатели постоянного тока обеспечивают большую плавность пуска и торможения механизмов по сравнению с дви­гателями переменного тока. На рис. 3.8, а представлены механи­ческие характеристики приводов, работающих по системе трех-обмоточный генератор — двигатель. Они применяются, в част­ности, на экскаваторах средней мощности. Форма характеристи­ки может быть изменена соответствующим подбором ампер-вит­ков трех обмоток генератора: независимой, шунтовой и сериес-ной. На рис. 3.8, б показана механическая характеристика приво­да постоянного тока по системе генератор — двигатель с элект­ромашинными усилителями, применяемого на экскаваторах большой мощности. Такие характеристики имеют участки малой и повышенной жесткости, что позволяет применять их как в при­водах рабочих органов или исполнительных механизмов, требу­ющих плавности изменения скоростей рабочих движений, так и при стабильной скорости, независящей от изменения внешней нагрузки.

Контрольные вопросы

1. Что такое привод машины? Из чего он состоит?

2. Обоснуйте преимущественное применение строительных машин с автономными двигателями перед машинами, работающими от внешней энергетической сети. В каких производственных условиях для привода строительных машин используют энергию электро- и пневмосети? В ка­ких случаях для привода малых машин применяют компрессоры?

3. Что такое силовая установка машины? Из чего она состоит? Приве­дите пример.

4. Перечислите виды механических трансмиссий.

5. Какие трансмиссии передают движение с преобразованием энер­гии в другие формы, отличные от механической? Какие устройства обес­печивают эти преобразования?

6. Приведите классификацию трансмиссий для привода нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов. Какой вид привода имеет преимущественное применение в строительных машинах? Обо­снуйте ответ.

7. Какими основными показателями оценивают эффективность при­вода строительных машин?

8. От чего зависит внешнее сопротивление на рабочем органе? Каков характер этого сопротивления? Приведите примеры.

9. Что такое сопротивление движению рабочего органа? Из чего оно складывается? Что является источником динамического сопротивления? Как влияет на его формирование механическая характеристика приво­да? Как влияет динамическая составляющая на общее внешнее сопро­тивление?

44

10. Что такое жесткость механической характеристики привода? Ка­кие характеристики называют жесткими? мягкими?

11. Какими показателями пользуются для характеристики режимов работы машин и их механизмов? Приведите классификацию режимов.

12. Что такое коэффициент перегрузочной способности привода?

13. Какую энергию преобразуют двигатели внутреннего сгорания в механическое движение9

14. Какие типы двигателей внутреннего сгорания применяют в при-водах строительных машин? На каких видах топлива они работают?

15. Что такое рабочий цикл или рабочий процесс двигателя внутренне­го сгорания? Что такое такт? Опишите рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Чем отличается от него рабочий цикл дизеля?

16. Для чего в конструкциях двигателей внутреннего сгорания приме­няют несколько рабочих цилиндров? Каков порядок их работы?

17. Каково назначение маховика в конструкции двигателя внутренне­го сгорания?

18. Назовите способы запуска двигателей внутреннего сгорания. Ка­кие для этого применяют устройства? Чем обусловлен затрудненный за­пуск двигателей внутреннего сгорания при низкой температуре окружа­ющего воздуха? Какие устройства применяют для облегчения запуска?

19. Какими основными показателями характеризуют работу двигате­лей внутреннего сгорания? Что такое удельный расход топлива, эффек­тивный КПД? Каковы их значения для дизелей и карбюраторных двига­телей?

20. Что такое механическая характеристика двигателя внутреннего сго­рания? Из каких ветвей она состоит? Как получаются промежуточные скоростные характеристики? Назовите характерные точки внешней ме­ханической характеристики. Что такое коэффициент перегрузочной спо­собности, каково его значение для дизелей?

21. Какая ветвь механической характеристики двигателя внутреннего сгорания является рабочей? К какому виду по жесткости она относится? Как влияет характер изменения внешней нагрузки во времени на поло­жение текущей точки на механической характеристике? Какие участки механической характеристики предпочтительны и почему?

22. Какие типы электрических двигателей применяют в приводах стро­ительных машин?

23. Назовите параметры электрической сети для питания двигателей переменного тока.

24. Какими преимуществами и недостатками обладают асинхронные двигатели?

25. Приведите механическую характеристику асинхронного электро­двигателя и опишите ее характерные точки. Что такое естественная и искусственная механические характеристики? Какой участок механиче­ской характеристики считается рабочим, к какому виду по жесткости он относится? Каковы значения коэффициента перегрузочной способно­сти асинхронных двигателей?

26. Что такое пусковой момент асинхронного двигателя? Каковы его значения для двигателей короткозамкнутых и с фазным ротором? Для чего в цепь ротора фазного двигателя включают дополнительные сопро­тивления? Какие механические характеристики им соответствуют? Опишите запуск электродвигателя с фазным ротором с использованием пус­ковых сопротивлений.

27. Для чего в приводах грузоподъемных машин применяют двухеко-ростные электродвигатели?

28. Какие электродвигатели применяют в приводах ручных машин? Каковы их особенности?

29. Какие типы двигателей постоянного тока применяют в приводах строительных машин? Каковы их механические характеристики? Чем ограничено их применение?

geum.ru

Реферат - Приводы строительных машин

Глава 3. ПРИВОДЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН. СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Общие понятия и определения

Приводом называют энергосиловое устройство, приводящее в движение машину. Привод состоит из источника энергии (сило­вой установки), передаточного устройства (трансмиссии) и сис­темы управления для приведения в действие механизмов маши­ны, а также для их отключения.

Силовой установкой называют комплект, состоящий из двига­теля и обслуживающих его устройств. Например, в случае двигате­ля внутреннего сгорания — топливного бака, устройств для ох­лаждения, отвода выхлопных газов и т. п.

Трансмиссии могут быть механическими, электрическими, гид­равлическими, пневматическими и смешанными. Только в меха­нических и смешанных трансмиссиях на их механических участ­ках механическое движение передается без его преобразования в другие формы энергии. Во всех других случаях вращательное дви­жение выходного вала двигателя силовой установки с помощью электрогенераторов, гидравлических или пневматических насо- | сов преобразуется соответственно в электрическую энергию, энергию движения рабочей жидкости или энергию сжатого воз­духа, которая поступает к электро-, гидро- или пневмодвигате-лям, повторно преобразующим ее в механическое движение. Все указанные двигатели входят в состав трансмиссий. Соответствен­но различают электрические, гидравлические и пневматические трансмиссии.

Обычно свое наименование привод получает по типу двигате­ля силовой установки (от карбюраторного двигателя, дизельный), виду используемой энергии внешнего источника (электрический, I пневматический) или типу трансмиссии (гидравлический, дизель- ' электрический и т.п.).

Если на машине установлено нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов и все они приводятся в движение от одного двигателя, то привод называют одномоторным или группо­вым. Если же часть или все рабочие органы, или исполнительные механизмы приводятся от собственных двигателей, то привод на­зывают многомоторным. При индивидуальном приводе исполнитель­ных механизмов трансмиссионные двигатели могут питаться энер-

32

гией от одного генератора (насоса), индивидуально — каждый дви­гатель от своего генератора (индивидусыьный привод) или по сме­шанной схеме. В случае использования индивидуального электри­ческого привода каждый электродвигатель, приводящий в движе­ние соответствующий рабочий орган или исполнительный меха­низм, может питаться непосредственно от электросети. В последнее время на машинах с несколькими рабочими органами или испол­нительными механизмами используют преимущественно индиви­дуальный привод, обладающий более высоким коэффициентом по­лезного действия (КПД) по сравнению с групповым приводом, простотой и агрегатностью конструкции, лучшей приспособлен­ностью к автоматизации управления, лучшими условиями эксплу­атации и ремонта.

При оценке эффективности приводов строительных машин предпочтение следует отдавать тем приводам, которые имеют мень­шие габаритные размеры и массу, обладают высокой надежно­стью и готовностью к работе, высоким КПД, просты в управле­нии, более приспособлены к автоматизации управления, обеспе­чивают независимость рабочих движений и возможность их со­вмещения.

Рассмотрим более подробно сущность понятия передачи дви­жения рабочему органу машины в условиях преодоления им внеш­них сопротивлений. Основная составляющая этих сопротивлений определяется, прежде всего, свойствами преобразуемого матери­ала и характером процесса преобразования. Например, при рабо­те водоотливной насосной установки внешними сопротивления­ми будут: сила тяжести поднимаемой воды и силы трения при ее передвижении по трубопроводам. В этом случае сопротивления практически неизменны во времени. При разработке грунта ков­шом экскаватора, отвалом бульдозера и другими машинами со­противления копанию нарастают от минимального до максималь­ного значения, многократно повторяясь в процессе каждой опе­рации копания.

В условиях постоянных или слабо изменяющихся во времени внешних сопротивлений привод работает в спокойном режиме практически с постоянной скоростью на его выходном звене. При изменяемых во времени внешних сопротивлениях, кроме внут­ренних сопротивлений, к ним добавляются динамические со­ставляющие, обусловленные внешней (механической) характери­стикой привода — функциональной зависимостью между его силовым и скоростным факторами на выходном звене. Обычно эти факторы связаны между собой обратной зависимостью — чем больше внешнее сопротивление, тем меньше скорость движения выходного звена. Такая зависимость представлена на рис. 3.1 для случая вращательного движения выходного звена привода, где через Г, со и л обозначены соответственно вращающий момент, угловая скорость и частота враще­ния выходного звена. Если, напри­мер, на временном интервале Д/ со­противление возрастает от Г, до Т2, то, согласно внешней характери­стике привода, угловая скорость снижается за то же время с со ] до со2 — выходное звено вращается с замедлением. Согласно второму за­кону механики этому замедлению соответствует пропорциональный ему динамический момент проти­воположного внешнему сопротив­лению направления. Складываясь с внешним сопротивлением, ди­намический момент уменьшает его значение. Природа этого явле­ния заключается в том, что движущаяся система при снижении скорости расходует накопленную в ней энергию на преодоление возрастающих внешних сопротивлений.

С уменьшением внешних сопротивлений скорость со возраста­ет, ускорение положительно, а поэтому динамический момент также положителен, т.е. с возрастанием скорости энергия приво­да расходуется на преодоление внешних сопротивлений и на на­копление энергии в движущейся системе. Таким образом, при­вод как бы выравнивает приведенное к его выходному звену со­противление с одновременным снижением скорости при возраста­нии внешнего сопротивления и ее увеличением при снижении пос­леднего. Такая приспособленность привода к условиям его нагру-жения будет тем больше, чем больше момент инерции враща­ющихся масс привода и чем меньше первая производная/= dT/d(a, называемая жесткостью механической характеристики привода. Ха­рактеристики с высокими значениями этой величины называют жесткими, а с низкими значениями — мягкими. Степень жест­кости механической характеристики определяется, прежде всего, типом двигателя. Жесткость/может быть понижена за счет вклю­чения в состав привода дополнительных устройств, в частности — гидротрансформатора (см. гл. 5).

Для характеристики режимов работы привода отдельных меха­низмов и машин в целом пользуются отношениями максимальных значений усилий (вращающих моментов) Ртах (Гтах) и скоростей t>max (comax) на выходном звене привода к их средним значениям соот­ветственно Рср(Тср) и vcp (соср), продолжительностью включений (ПВ) в процентах от общего времени работы машины и количеством вклю­чений KB в час. В зависимости от степени изменения этих парамет­ров, которые колеблются в пределах Tmm/Tcp = 1,1... 3,0 (для враща­тельного движения), ПВ = 15... 100 %, KB = 10...600, режимы нагру-жения многих машин и их механизмов условно подразделяют на

легкий, средний, тяжелый и весьма тяжелый. Для некоторых ма­шин, например строительных кранов, для определения режимов работы используют также другие дополнительные факторы. Важ­ной характеристикой привода, определяющей его способность пре­одолевать сопротивления, значительно превышающие их средние значения, является коэффициент перегрузочной способности кпер — отношение максимального момента 7^ по механической характе­ристике привода к его номинальному значению Тн.

3.2. Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) относятся к группе тепловых двигателей. В ДВС химическая энергия топлива, сгора­ющего в рабочих полостях цилиндров, преобразуется в механиче­скую энергию.

История создания ДВС восходит к середине XIX в., когда в 1860 г. французским механиком Э.Ленуаром был сконструирован первый прак­тически пригодный газовый ДВС. В 1876 г. немецкий изобретатель Н.От-то построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель. Пер­вый бензиновый карбюраторный двигатель был построен в России О.С.Костовичем в 80-х гг. XIXв., а первый дизельный двигатель — не­мецким инженером Р.Дизелем в 1897 г., впоследствии (1898—1899 гг.) усовершенствованный на заводе Л. Нобеля в Петербурге. С этого време­ни дизельный двигатель становится наиболее экономичным ДВС. В 1901 г. в США был разработан первый трактор с ДВС. В то же время братьями О. и У. Райт был построен первый самолет с ДВС, начавший свои поле­ты в 1903 г. В том же году русские инженеры установили ДВС на судне «Вандал», создав первый теплоход. Первый поездной тепловоз был со­здан в 1924 г. в Ленинграде по проекту Я. М. Гаккеля.

В ДВС все процессы сгорания топлива, выделения теплоты и превращения ее в механическую энергию происходят в рабочих цилиндрах 5 (рис. 3.2 и 3.3) при перемещениях в них поршней 4, приводящих во вращение коленчатый вал 1 через шатуны 2 во вре­мя рабочего хода и приводимых в движение коленчатым валом на всех других этапах рабочего цикла. В приводах строительных машин применяют многоцилиндровые карбюраторные и дизельные (дизе­ли) двигатели с четырьмя (рис. 3.4), шестью, восемью или двенад­цатью цилиндрами, работающими на жидком топливе — бензине (карбюраторные двигатели) или дизельном топливе (дизели).

ДВС является сложным механическим устройством, состоящим из корпуса, кривошипно-шатунного механизма, механизма газо­распределения, систем смазки, охлаждения, питания, зажигания (для карбюраторных двигателей), пуска, впуска и выпуска.

[ ^ Рабочим циклом или рабочим процессом ДВС называют после­довательность периодически повторяющихся процессов (впуск, сжатие и сгорание топлива, расширение образовавшихся при сгорании газов и их выпуск)|Часть рабочего цикла, совершаемого за ход поршня в одном направлении, называют тактом,, В приводах строительных машин, кроме малых машин, применяют обычно четырехтактные двигатели, у которых рабочий цикл совершается за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.

[Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя пред­ставлен схемой (см. рис. 3.2). В течение первого такта (см. рис. 3.2, а) приводимый коленчатым валом 1 через шатун 2 поршень 4 пере­мещается вниз, всасывая в рабочую полость цилиндра 5 через от­крытый впускной клапан 6 топливо-воздушную смесь из паров бензина и воздуха, поступающую из карбюратора — специального устройства для ее приготовления. На втором такте (см. рис. 3.2, б) поршень, также приводимый коленчатым валом, перемещается снизу вверх, сжимая находящуюся в цилиндре рабочую смесь при закрытых впускном <5и выпускном 8 клапанах. Вследствие сжатия рабочей смеси ее давление и температура повышаются, чем со­здаются хорошие условия для ее сгорания. В конце такта смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 7. Образовавши­еся в результате сгорания рабочей смеси газы, увеличиваясь в объеме, создают повышенное давление в рабочей камере, воз­действуя на поршень, который вследствие этого совершает ра­бочий ход — движение вниз {третий такт, см. рис. 3.2, в), пе­редавая усилие через палец 3 и шатун 2 коленчатому валу, застав­ляя его вращаться и через соединенную с ним трансмиссию, при­водить в движение рабочий орган или исполнительные механиз­мы. На четвертом, заключительном такте (см. рис 3.2, г) поршень перемещается коленчатым валом вверх, выталкивая отработавшие газы из рабочей полости цилиндра через открытый выпускной кла­пан 8 в атмосферу. Д

У дизеля топливо-воздушная смесь образуется непосредствен­но в рабочей полости цилиндра из впрыскиваемого через форсун­ку 7 (см. рис. 3.3) распыленного дизельного топлива и всасывае­мого из атмосферы через клапан 6 воздуха. Порядок движений поршня и клапанов на всех четырех тактах рабочего цикла такой же, как и у карбюраторного двигателя. Воздух поступает в рабо­чую полость через открытый клапан 6 в течение первого такта. Топливо впрыскивается топливным насосом через форсунку 7 в конце второго такта — сжатия при закрытых клапанах 6 и 8. Сме­шиваясь с воздухом, при дальнейшем сжатии топливо прогрева­ется, частично испаряется и самовоспламеняется. В дальнейшем работа дизеля аналогична работе карбюраторного двигателя.

При установке на коленчатом валу нескольких цилиндров (см. рис. 3.4) в один и тот же момент времени все они находятся на разных стадиях (тактах) рабочего цикла. Так, например, если в первом цилиндре четырехцилиндрового двигателя (см. рис. 3.4, а) происходит рабочий ход, то в четвертом цилиндре при таком же положении поршня — впуск рабочей смеси (для карбюраторных двигателей) или всасывание воздуха (для дизелей), второй ци­линдр работает на сжатие рабочей смеси, а третий — на выпуск отработавших газов. Таким образом, рабочий ход осуществляется последовательно цилиндрами 1, 3, 2 и 4. При этом за счет энергии рабочего хода одного цилиндра преодолеваются как внешние со­противления, так и сопротивления перемещениям поршней дру­гих цилиндров, находящихся в других стадиях рабочего цикла дви­гателя.

Чем больше цилиндров установлено на двигателе, тем более равномерно вращение коленчатого вала. С той же целью на коленчатом валу устанавливают маховик, накапливающий энергию на интервалах ускоренного вращения коленчатого вала и отдающий ее в движущуюся механическую систему при замедлениях.

Как следует их описанных рабочих процессов ДВС, теплота сгорающего в рабочей полости топлива преобразуется в механичсское движение только на третьем такте, которому должны пред­шествовать такты впуска и сжатия. Это означает, что для начала работы ДВС его коленчатый вал следует привести во вращение внешней силой. Запустить карбюраторный двигатель небольшой мощности можно от руки вращением коленчатого вала рукоят­кой, палец которого сцепляется с храповиком на переднем кон­це вала. Более мощные ДВС запускают установленным на маши­не электродвигателем постоянного тока, называемым старте­ром и питаемым от аккумуляторной батареи. Дизели средней и большой мощности запускают с помощью вспомогательного кар­бюраторного двигателя, обычно одноцилиндрового двухтактно­го, установленного на основном дизеле и запускаемого в свою очередь стартером. Рабочий процесс двухтактного двигателя от­личается от работы четырехтактного тем, что у него горючая смесь поступает в рабочую камеру в начале хода сжатия, а отработав­шие газы удаляются в конце рабочего хода продувкой потоком горючей смеси.

Пуск ДВС при низкой температуре окружающего воздуха за­труднен из-за повышенной вязкости смазочного масла, повышен­ного сопротивления при проворачивании коленчатого вала, а так­же из-за низкой температуры горючей смеси или воздуха в конце сжатия. Для облегчения и ускорения пуска применяют пусковые подогреватели с целью нагрева охлаждающей жидкости и смазоч­ного масла, устройства для облегчения воспламенения топлива или горючей смеси (электрофакельные подогреватели воздуха и элект­рические свечи накаливания) и устройства для облегчения прово­рачивания вала (декомпрессионные механизмы для открывания впускных, иногда выпускных клапанов и снижения тем самым дав­ления воздуха в цилиндрах при вращении коленчатого вала).

Основными показателями работы ДВС являются: мощность и крутящий момент на коленчатом валу, часовой и удельный рас­ход топлива, характеризующие экономичность двигателя, эффек­тивный КПД, характеризующий совершенство конструкции ДВС.

^ Удельным расходом топлива называют отношение его часового расхода к мощности на коленчатом валу.

Под эффективным КПД понимают отношение указанной выше мощности к затраченной теплоте использованного топлива. Дизели обладают более высоким эффективным КПД (0,35...0,45) по срав­нению с карбюраторными двигателями (0,26...0,32), а также более низким удельным расходом топлива [190...240 г/(кВт-ч) при 280... 320 г/(кВт-ч)] у карбюраторных двигателей. В выхлопных газах дизелей содержится меньше токсичных веществ. К недостаткам ди­зелей относятся: затруднения в запуске при низких температурах, высокая чувствительность к перегрузкам, а также большая масса.

Зависимость крутящего момента Г на коленчатом валу ДВС от частоты вращения вала п называют механической характеристикой двигателя (рис. 3.5). Из семейства скоростных ветвей /, 2, 3 и т.д. пер­вая, соответствующая максимальной подаче топлива в рабочие цилинд­ры двигателя, называется внешней, а все другие, при уменьшенной по­даче топлива — промежуточными. Ре-гуляторной ветвью 4 с помощью спе­циального устройства — регулятора отсекаются участки скоростных вет­вей при больших частотах п. Основ­ными параметрами механической ха­рактеристики дизеля (на внешней скоростной ветви) служат: номи­нальные момент Тн и частота вращения коленчатого вала пн, мак­симальный момент Гтах и соответствующая ему частота пт, а так­же частота холостого хода п0. Как и для привода в целом (см. под-разд. 3.1), отношение А;пер = Ттах/Тн называют коэффициентом пере­грузочной способности. Для дизелей обычно кпер = 1,1... 1,15. Пред­ставленные на рис. 3.5 характеристики не учитывают влияния ма­ховика.

Из двух текущих параметров работы дизеля — момента на ко­ленчатом валу ^ Т и частоты его вращения п — первый однозначно определяется внешней нагрузкой, характер изменения которой во времени t зависит от многих факторов, прежде всего, от со­противлений на рабочем органе. При спокойной внешней нагруз­ке (рис. 3.6, а) ее максимальное значение Гтах незначительно отли­чается от среднего значения Тср, что позволяет работать дизелю вблизи рабочей точки с номинальным моментом ТИ, при частоте вращения, близкой к пн. При этом полезно используемая мощ­ность будет наибольшей. В случае значительного превышения вне­шних сопротивлений над средним (рис. 3.6, б) во избежание ос­тановки двигателя, рабочую точку на механической характери­стике дизеля (см. рис. 3.5), соответствующую Тср, приходится вы­бирать ниже номинальной, жертвуя при этом эффективным КПД. Текущая рабочая точка по моменту будет все время менять свое положение на регуляторной ветви, соответственно характеру на-гружения (см. рис. 3.6, б). При этом также будет изменяться час­тота вращения коленчатого вала в диапазоне пн < п < п0, кото­рый для дизелей составляет примерно 0,1 ин. По этому показате­лю регуляторную ветвь механической характеристики дизеля счи­тают жесткой, следствием чего использование мощности двига­теля при внешних нагрузках типа представленной на рис. 3.6, б, является неэффективным.

Влияние изменения внешней нагрузки во времени на характер работы двигателя будет тем большим, чем жестче характеристика

Рис. 3.6. Типовые графики внешней на­грузки, приведенные к валу двигателя: а — при спокойной внешней нагрузке; б — при значительном повышении внешней на­грузки

трансмиссии, являющейся промежуточным звеном меж­ду двигателем и рабочим ор­ганом. Трансмиссия с подат­ливыми звеньями как бы яв­ляется фильтром колебаний ьнешней нагрузки при ее ре­активном воздействии на двигатель — приведенная к коленчатому валу двигателя внешняя нагрузка оказывает­ся сглаженной по сравнению с таковой на рабочем органе или исполнительном меха­низме. Степень такой фильт­рации определяют понятием прозрачности трансмиссии. Весьма жесткую трансмис­сию называют прозрачной, т. е. такой, которая пропускает

через себя реактивную внешнюю нагрузку без изменений. Суще­ствуют устройства, называемые гидротрансформаторами и вклю­чаемые в трансмиссию по схеме последовательного соединения, момент на ведущем звене которых остается постоянным вне зави­симости от момента на ведомом звене (от колебаний внешней на­грузки). Их называют непрозрачными, т.е. такими, которые не про­пускают через себя колебания реактивной внешней нагрузки. Все другие податливые звенья и устройства, частично выравнивающие реактивную внешнюю нагрузку, называют полупрозрачными.

3.3. Электрические двигатели

В приводах строительных машин применяют электродвигатели переменного и постоянного тока.

Асинхронные электродвигатели переменного тока, короткозам-кнутые и с фазным ротором, называют также двигателями с кон­тактными кольцами. Они обычно питаются от электросети напря­жением 220 и 380 В с нормальной частотой 50 Гц. Эти двигатели конструктивно просты, дешевы, надежны и удобны в эксплуата­ции. Их недостатком является высокая чувствительность к колеба­ниям напряжения в питающей сети. Типовая механическая харак­теристика 3 асинхронного электродвигателя/показана на рис. 3.7, где через Г и п, как и прежде, обозначены соответственно враща­ющий момент и частота вращения вала двигателя. Считается, что двигатель работает на естественной механической характеристи­ке, если он включен в сеть с напряжением и частотой, соответствующими указанным в его паспорте, а также если в его электрическую схему не вклю­чены дополнительные сопро­тивления. В противном случае получаем искусственную меха­ническую характеристику. Рабо­чим является участок механи­ческой характеристики между точками с координатами (Т= 0; п = п0) и (Т= Тк; п = пк). Мо­мент Т = Тн и частота враще­ния и = ин на этом участке яв­ляются номинальными, соот­ветствующими наибольшему ресурсу двигателя. Перегрузоч­ная способность асинхронных двигателей общего назначения определяется отношением максимального момента Тк к номи­нальному Г„на естественной характеристике: /спер= Тк/Тн состав­ляет 1,7... 2,0 (для короткозамкнутых двигателей до 2,4), а для дви­гателей кранового типа — 2,3... 3,0. Частота вращения вала двигате­ля п на рабочем участке механической характеристики изменяется незначительно, в связи с чем естественную механическую характе­ристику асинхронного двигателя можно считать жесткой.

Момент Тп при л = 0 называют пусковым. Его отношение к но­минальному моменту Тн для короткозамкнутых двигателей обще­го назначения составляет 1,0... 1,9, а для двигателей кранового типа 2,3...3,0. Для двигателей с фазным ротором это отношение составляет 0,5... 1,5, тогда как пусковой ток превышает номиналь­ный в 5 —7 раз. Для уменьшения пускового тока этих двигателей в цепь обмотки ротора с помощью реостата включают дополнитель­ные сопротивления .""Каждому сопротивлению в цепи ротора соот­ветствует своя искусственная механическая характеристика, на­зываемая также реостатной.

Так, например, при включении в цепь ротора двух пусковых сопротивлений, которым соответствуют искусственные характе­ристики 1 и 2, момент при пуске будет изменяться от Г, до Тъ которые называют моментами отсечки. После включения двигателя он будет работать на характеристике /. При этом момент будет умень­шаться от ТА (не обязательно совпадающего с Т2) до Ти а частота вращения вала увеличиваться от нуля до пв. При достижении по­следнего сопротивление, соответствующее характеристике 1, авто­матически отключается, вследствие чего момент увеличивается до значения Т=Т2с переходом на реостатную характеристику 2. При этом двигатель разгоняется до частоты пс с одновременным

42

уменьшением момента до Т~ Ти а после отключения второго со­противления переходит на естественную характеристику 3 в точ­ке С с координатами (Т2; лс). Пуск заканчивается по достиже­нии точки на естественной характеристике с моментом, равным моменту внешних сопротивлений TD. Маршрут пуска показан на рис. 3.7 стрелками. Обязательным условием пуска является усло­вие Г, > TD. В противном случае уже на первом этапе (участок АВ) частота п = пв не будет достигнута, а, следовательно, первое со­противление не будет отключено, и дальнейшая работа возможна только на искусственной характеристике 2. При необходимости указанное условие обеспечивается снижением момента TD, в част­ности, путем отключения трансмиссии или исполнительного ме­ханизма от двигателя.

Искусственные характеристики, обладающие меньшими жест-костями по сравнению с естественной характеристикой, могут быть также использованы в качестве рабочих характеристик, ког­да необходимо плавно изменять скорости рабочих движений. Ко-роткозамкнутые двигатели запускаются и работают только на ес­тественной характеристике.

В приводах грузоподъемных машин для плавной посадки гру­зов, например, на монтаже конструкций, а также для ускоренно­го опускания грузозахватных устройств, применяют двухскорост-ные асинхронные двигатели с соотношением скоростей 2:1; 8:3; 3:1; 10:3.

Ручные машины с электрическим приводом подключают к элек­тросети через преобразователи частоты с 50 на 400 Гц, что позво­ляет уменьшить их массу в 3,5 раза. Часто в приводах ручных ма­шин используют однофазные коллекторные электродвигатели с вы­сокой удельной мощностью на единицу массы и мягкой механи­ческой характеристикой. Коллекторные двигатели мало чувстви­тельны к колебаниям напряжения в питающей сети, устойчиво работают в режиме частых пусков, могут включаться в сеть без преобразователей. К их недостаткам можно отнести: высокую сто­имость и необходимость их обслуживания специалистами высо­кой квалификации.

Электродвигатели постоянного тока обеспечивают большую плавность пуска и торможения механизмов по сравнению с дви­гателями переменного тока. На рис. 3.8, а представлены механи­ческие характеристики приводов, работающих по системе трех-обмоточный генератор — двигатель. Они применяются, в част­ности, на экскаваторах средней мощности. Форма характеристи­ки может быть изменена соответствующим подбором ампер-вит­ков трех обмоток генератора: независимой, шунтовой и сериес-ной. На рис. 3.8, б показана механическая характеристика приво­да постоянного тока по системе генератор — двигатель с элект­ромашинными усилителями, применяемого на экскаваторах большой мощности. Такие характеристики имеют участки малой и повышенной жесткости, что позволяет применять их как в при­водах рабочих органов или исполнительных механизмов, требу­ющих плавности изменения скоростей рабочих движений, так и при стабильной скорости, независящей от изменения внешней нагрузки.

^ Контрольные вопросы

1. Что такое привод машины? Из чего он состоит?

2. Обоснуйте преимущественное применение строительных машин с автономными двигателями перед машинами, работающими от внешней энергетической сети. В каких производственных условиях для привода строительных машин используют энергию электро- и пневмосети? В ка­ких случаях для привода малых машин применяют компрессоры?

3. Что такое силовая установка машины? Из чего она состоит? Приве­дите пример.

4. Перечислите виды механических трансмиссий.

5. Какие трансмиссии передают движение с преобразованием энер­гии в другие формы, отличные от механической? Какие устройства обес­печивают эти преобразования?

6. Приведите классификацию трансмиссий для привода нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов. Какой вид привода имеет преимущественное применение в строительных машинах? Обо­снуйте ответ.

7. Какими основными показателями оценивают эффективность при­вода строительных машин?

8. От чего зависит внешнее сопротивление на рабочем органе? Каков характер этого сопротивления? Приведите примеры.

9. Что такое сопротивление движению рабочего органа? Из чего оно складывается? Что является источником динамического сопротивления? Как влияет на его формирование механическая характеристика приво­да? Как влияет динамическая составляющая на общее внешнее сопро­тивление?

44

10. Что такое жесткость механической характеристики привода? Ка­кие характеристики называют жесткими? мягкими?

11. Какими показателями пользуются для характеристики режимов работы машин и их механизмов? Приведите классификацию режимов.

12. Что такое коэффициент перегрузочной способности привода?

13. Какую энергию преобразуют двигатели внутреннего сгорания в механическое движение9

14. Какие типы двигателей внутреннего сгорания применяют в при-водах строительных машин? На каких видах топлива они работают?

15. Что такое рабочий цикл или рабочий процесс двигателя внутренне­го сгорания? Что такое такт? Опишите рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Чем отличается от него рабочий цикл дизеля?

16. Для чего в конструкциях двигателей внутреннего сгорания приме­няют несколько рабочих цилиндров? Каков порядок их работы?

17. Каково назначение маховика в конструкции двигателя внутренне­го сгорания?

18. Назовите способы запуска двигателей внутреннего сгорания. Ка­кие для этого применяют устройства? Чем обусловлен затрудненный за­пуск двигателей внутреннего сгорания при низкой температуре окружа­ющего воздуха? Какие устройства применяют для облегчения запуска?

19. Какими основными показателями характеризуют работу двигате­лей внутреннего сгорания? Что такое удельный расход топлива, эффек­тивный КПД? Каковы их значения для дизелей и карбюраторных двига­телей?

20. Что такое механическая характеристика двигателя внутреннего сго­рания? Из каких ветвей она состоит? Как получаются промежуточные скоростные характеристики? Назовите характерные точки внешней ме­ханической характеристики. Что такое коэффициент перегрузочной спо­собности, каково его значение для дизелей?

21. Какая ветвь механической характеристики двигателя внутреннего сгорания является рабочей? К какому виду по жесткости она относится? Как влияет характер изменения внешней нагрузки во времени на поло­жение текущей точки на механической характеристике? Какие участки механической характеристики предпочтительны и почему?

22. Какие типы электрических двигателей применяют в приводах стро­ительных машин?

23. Назовите параметры электрической сети для питания двигателей переменного тока.

24. Какими преимуществами и недостатками обладают асинхронные двигатели?

25. Приведите механическую характеристику асинхронного электро­двигателя и опишите ее характерные точки. Что такое естественная и искусственная механические характеристики? Какой участок механиче­ской характеристики считается рабочим, к какому виду по жесткости он относится? Каковы значения коэффициента перегрузочной способно­сти асинхронных двигателей?

26. Что такое пусковой момент асинхронного двигателя? Каковы его значения для двигателей короткозамкнутых и с фазным ротором? Для чего в цепь ротора фазного двигателя включают дополнительные сопро­тивления? Какие механические характеристики им соответствуют? Опишите запуск электродвигателя с фазным ротором с использованием пус­ковых сопротивлений.

27. Для чего в приводах грузоподъемных машин применяют двухеко-ростные электродвигатели?

28. Какие электродвигатели применяют в приводах ручных машин? Каковы их особенности?

29. Какие типы двигателей постоянного тока применяют в приводах строительных машин? Каковы их механические характеристики? Чем ограничено их применение?

www.ronl.ru

3.3. Электрические двигатели

В приводах строительных машин применяют электродвигатели переменного и постоянного тока.

6

Рис. 3.6. Типовые графики внешней на­грузки, приведенные к валу двигателя: а — при спокойной внешней нагрузке; б — при значительном повышении внешней на­грузки

Асинхронные электродвигатели переменного тока, короткозам- кнутые и с фазным ротором, называют также двигателями с кон­тактными кольцами. Они обычно питаются от электросети напря­жением 220 и 380 В с нормальной частотой 50 Гц. Эти двигатели конструктивно просты, дешевы, надежны и удобны в эксплуата­ции. Их недостатком является высокая чувствительность к колеба­ниям напряжения в питающей сети. Типовая механическая харак­теристика 3 асинхронного электродвигателя показана на рис. 3.7, где через Г и л, как и прежде, обозначены соответственно враща­ющий момент и частота вращения вала двигателя. Считается, что Двигатель работает на естественной механической характеристи­ке, если он включен в сеть с напряжением и частотой, соответ­

ствующими указанным в его паспорте, а также если в его электрическую схему не вклю­чены дополнительные сопро­тивления. В противном случае получаем искусственную меха­ническую характеристику. Рабо­чим является участок механи­ческой характеристики между точками с координатами (Т= 0; я = я0) и (Т= Тк\ п = ик). Мо­мент Т = Т„ и частота враще­ния п = пн на этом участке яв­ляются номинальными, соот­ветствующими наибольшему ресурсу двигателя. Перегрузоч­ная способность асинхронных двигателей общего назначения определяется отношением максимального момента Тк к номи­нальному ТИ на естественной характеристике: кпер= ТК/Т„ состав­ляет 1,7... 2,0 (для короткозамкнутых двигателей до 2,4), а для дви­гателей кранового типа — 2,3... 3,0. Частота вращения вала двигате­ля я на рабочем участке механической характеристики изменяется незначительно, в связи с чем естественную механическую характе­ристику асинхронного двигателя можно считать жесткой.

Момент Тп при я = 0 называют пусковым. Его отношение к но­минальному моменту Т„ для короткозамкнутых двигателей обще­го назначения составляет 1,0... 1,9, а для двигателей кранового типа 2,3...3,0. Для двигателей с фазным ротором это отношение составляет 0,5... 1,5, тогда как пусковой ток превышает номиналь­ный в 5 —7 раз. Для уменьшения пускового тока этих двигателей в цепь обмотки ротора с помощью реостата включают дополнитель­ные сопротивления. Каждому сопротивлению в цепи ротора соот­ветствует своя искусственная механическая характеристика, на­зываемая также реостатной.

1 >

^/х 1 ^ \ 1

\3

\ 1 2 !Ч А j\

В' \

с

|

1 I

—7>ц™ •

\

1 \ . 1 \

!

V 1

ЛАЯ

1 \Л

1 1 1 1

Т Тк

Тк Т\ TD

о

пкя»

Рис. 3.7. Естественная (3) и пусковые (реостатные) (/ и 2)характеристи­ки асинхронного электродвигателя

л,я„ и„

Так, например, при включении в цепь ротора двух пусковых сопротивлений, которым соответствуют искусственные характе­ристики 7 и 2, момент при пуске будет изменяться от Т{ до Т2, которые называют моментами отсечки. После включения двигателя он будет работать на характеристике 1. При этом момент будет умень­шаться от ТА (не обязательно совпадающего с Т2) до Ти а частота вращения вала увеличиваться от нуля до яв. При достижении по­следнего сопротивление, соответствующее характеристике 1, авто­матически отключается, вследствие чего момент увеличивается до значения Т=Т2 с переходом на реостатную характеристику 2. При этом двигатель разгоняется до частоты пс с одновременным

уменьшением момента до Т= Ти а после отключения второго со­противления переходит на естественную характеристику 3 в точ­ке С' с координатами (Г2; пс). Пуск заканчивается по достиже­нии точки на естественной характеристике с моментом, равным моменту внешних сопротивлений TD. Маршрут пуска показан на рис. 3.7 стрелками. Обязательным условием пуска является усло­вие Т\ > TD. В противном случае уже на первом этапе (участок АВ) частота п = лв не будет достигнута, а, следовательно, первое со­противление не будет отключено, и дальнейшая работа возможна только на искусственной характеристике 2. При необходимости указанное условие обеспечивается снижением момента TD, в част­ности, путем отключения трансмиссии или исполнительного ме­ханизма от двигателя.

Искусственные характеристики, обладающие меньшими жест- костями по сравнению с естественной характеристикой, могут быть также использованы в качестве рабочих характеристик, ког­да необходимо плавно изменять скорости рабочих движений. Ко- роткозамкнутые двигатели запускаются и работают только на ес­тественной характеристике.

В приводах грузоподъемных машин для плавной посадки гру­зов, например, на монтаже конструкций, а также для ускоренно­го опускания грузозахватных устройств, применяют двухскорост- ные асинхронные двигатели с соотношением скоростей 2:1; 8:3; 3:1; 10:3.

Ручные машины с электрическим приводом подключают к элек­тросети через преобразователи частоты с 50 на 400 Гц, что позво­ляет уменьшить их массу в 3,5 раза. Часто в приводах ручных ма­шин используют однофазные коллекторные электродвигатели с вы­сокой удельной мощностью на единицу массы и мягкой механи­ческой характеристикой. Коллекторные двигатели мало чувстви­тельны к колебаниям напряжения в питающей сети, устойчиво работают в режиме частых пусков, могут включаться в сеть без преобразователей. К их недостаткам можно отнести: высокую сто­имость и необходимость их обслуживания специалистами высо­кой квалификации.

Электродвигатели постоянного тока обеспечивают большую плавность пуска и торможения механизмов по сравнению с дви­гателями переменного тока. На рис. 3.8, а представлены механи­ческие характеристики приводов, работающих по системе трех- обмоточный генератор — двигатель. Они применяются, в част­ности, на экскаваторах средней мощности. Форма характеристи­ки может быть изменена соответствующим подбором ампер-вит­ков трех обмоток генератора: независимой, шунтовой и сериес- ной. На рис. 3.8, # показана механическая характеристика приво­да постоянного тока по системе генератор — двигатель с элект­ромашинными усилителями, применяемого на экскаваторах боль-

т

т

Рис. 3.8. Механические характеристики приводов постоянного тока

о

п

б

а

шой мощности. Такие характеристики имеют участки малой и повышенной жесткости, что позволяет применять их как в при­водах рабочих органов или исполнительных механизмов, требу­ющих плавности изменения скоростей рабочих движений, так и при стабильной скорости, независящей от изменения внешней нагрузки.

Контрольные вопросы

  1. Что такое привод машины? Из чего он состоит?

  2. Обоснуйте преимущественное применение строительных машин с автономными двигателями перед машинами, работающими от внешней энергетической сети. В каких производственных условиях для привода строительных машин используют энергию электро- и пневмосети? В ка­ких случаях для привода малых машин применяют компрессоры?

  3. Что такое силовая установка машины? Из чего она состоит? Приве­дите пример.

  4. Перечислите виды механических трансмиссий.

  5. Какие трансмиссии передают движение с преобразованием энер­гии в другие формы, отличные от механической? Какие устройства обес­печивают эти преобразования?

  6. Приведите классификацию трансмиссий для привода нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов. Какой вид привода имеет преимущественное применение в строительных машинах? Обо­снуйте ответ.

  7. Какими основными показателями оценивают эффективность при­вода строительных машин?

  8. От чего зависит внешнее сопротивление на рабочем органе? Каков характер этого сопротивления? Приведите примеры.

  9. Что такое сопротивление движению рабочего органа? Из чего оно складывается? Что является источником динамического сопротивления? Как влияет на его формирование механическая характеристика приво­да? Как влияет динамическая составляющая на общее внешнее сопро­тивление?

  1. Что такое жесткость механической характеристики привода? Ка­кие характеристики называют жесткими? мягкими?

  2. Какими показателями пользуются для характеристики режимов работы машин и их механизмов? Приведите классификацию режимов.

  3. Что такое коэффициент перегрузочной способности привода?

  4. Какую энергию преобразуют двигатели внутреннего сгорания в механическое движение?

  5. Какие типы двигателей внутреннего сгорания применяют в при­водах строительных машин? На каких видах топлива они работают?

  6. Что такое рабочий цикл или рабочий процесс двигателя внутренне­го сгорания? Что такое такт? Опишите рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Чем отличается от него рабочий цикл дизеля?

  7. Для чего в конструкциях двигателей внутреннего сгорания приме­няют несколько рабочих цилиндров? Каков порядок их работы?

  8. Каково назначение маховика в конструкции двигателя внутренне­го сгорания?

  9. Назовите способы запуска двигателей внутреннего сгорания. Ка­кие для этого применяют устройства? Чем обусловлен затрудненный за­пуск двигателей внутреннего сгорания при низкой температуре окружа­ющего воздуха? Какие устройства применяют для облегчения запуска?

  10. Какими основными показателями характеризуют работу двигате­лей внутреннего сгорания? Что такое удельный расход топлива, эффек­тивный КПД? Каковы их значения для дизелей и карбюраторных двига­телей?

  11. Что такое механическая характеристика двигателя внутреннего сго­рания? Из каких ветвей она состоит? Как получаются промежуточные скоростные характеристики? Назовите характерные точки внешней ме­ханической характеристики. Что такое коэффициент перегрузочной спо­собности, каково его значение для дизелей?

  12. Какая ветвь механической характеристики двигателя внутреннего сгорания является рабочей? К какому виду по жесткости она относится? Как влияет характер изменения внешней нагрузки во времени на поло­жение текущей точки на механической характеристике? Какие участки механической характеристики предпочтительны и почему?

  13. Какие типы электрических двигателей применяют в приводах стро­ительных машин?

  14. Назовите параметры электрической сети для питания двигателей переменного тока.

  15. Какими преимуществами и недостатками обладают асинхронные двигатели?

  16. Приведите механическую характеристику асинхронного электро­двигателя и опишите ее характерные точки. Что такое естественная и искусственная механические характеристики? Какой участок механиче­ской характеристики считается рабочим, к какому виду по жесткости он относится? Каковы значения коэффициента перегрузочной способно­сти асинхронных двигателей?

  1. Что такое пусковой момент асинхронного двигателя? Каковы его значения для двигателей короткозамкнутых и с фазным ротором? Для чего в цепь ротора фазного двигателя включают дополнительные сопро­тивления? Какие механические характеристики им соответствуют? Опи­шите запуск электродвигателя с фазным ротором с использованием пус­ковых сопротивлений.

  2. Для чего в приводах грузоподъемных машин применяют двухско- ростные электродвигатели?

  3. Какие электродвигатели применяют в приводах ручных машин? Каковы их особенности?

  4. Какие типы двигателей постоянного тока применяют в приводах строительных машин? Каковы их механические характеристики? Чем ограничено их применение?

studfiles.net

Приводы строительных машин. Силовое оборудование Общие понятия и определения

Было:

классификация и индексация строительных машин; общие сведения о механизации и автоматизации строительства; основные виды строительно-монтажных работ, их механизация и основные показатели оценки ее уровня; комплексная механизация и автоматизация строительных процессов; производительность строительной машины; общие требования к машинам, машинным комплектам и структуре парков машин; пути развития и повышения качества строительных машин и оборудования; техническая эксплуатация; общие положения автоматизации строительных машин и технологических процессов в строительстве; средства автоматизации; классификация систем автоматики; структура строительной машины

Приводом называют энергосиловое устройство, приводящее в движение машину. Привод состоит из источника энергии (силовой установки), передаточного устройства (трансмиссии) и системы управления для приведения в действие механизмов машины, а также для их отключения.

Силовой установкой называют комплект, состоящий из двигателя и обслуживающих его устройств. Например, в случае двигателя внутреннего сгорания - топливного бака, устройств для охлаждения, отвода выхлопных газов и т. п.

Трансмиссии могут быть механическими, электрическими, гидравлическими, пневматическими и смешанными. Только в механических и смешанных трансмиссиях на их механических участках механическое движение передается без его преобразования в другие формы энергии. Во всех других случаях вращательное движение выходного вала двигателя силовой установки с помощью электрогенераторов, гидравлических или пневматических насосов преобразуется соответственно в электрическую энергию, энергию движения рабочей жидкости или энергию сжатого воздуха, которая поступает к электро-, гидро- или пневмодвигателям, повторно преобразующим ее в механическое движение. Все указанные двигатели входят в состав трансмиссий. Соответственно различают электрические, гидравлические и пневматические трансмиссии.

Обычно свое наименование привод получает по типу двигателя силовой установки (от карбюраторного двигателя, дизельный), виду используемой энергии внешнего источника (электрический, пневматический) или типу трансмиссии (гидравлический, дизель-электрический и т. п.).

Если на машине установлено нескольких рабочих органов или исполнительных механизмов и все они приводятся в движение от одного двигателя, то привод называют одномоторным или групповым. Если же часть или все рабочие органы, или исполнительные механизмы приводятся от собственных двигателей, то привод называют многомоторным. При индивидуальном приводе исполнительных механизмов трансмиссионные двигатели могут питаться энергией от одного генератора (насоса), индивидуально - каждый двигатель от своего генератора (индивидуальный привод) или по смешанной схеме. В случае использования индивидуального электрического привода каждый электродвигатель, приводящий в движение соответствующий рабочий орган или исполнительный механизм, может питаться непосредственно от электросети. В последнее время на машинах с несколькими рабочими органами или исполнительными механизмами используют преимущественно индивидуальный привод, обладающий более высоким коэффициентом полезного действия (КПД) по сравнению с групповым приводом, простотой и агрегатностью конструкции, лучшей приспособленностью к автоматизации управления, лучшими условиями эксплуатации и ремонта.

При оценке эффективности приводов строительных машин предпочтение следует отдавать тем приводам, которые имеют меньшие габаритные размеры и массу, обладают высокой надежностью и готовностью к работе, высоким КПД, просты в управлении, более приспособлены к автоматизации управления, обеспечивают независимость рабочих движений и возможность их совмещения.

Рассмотрим сущность понятия передачи движения рабочему органу машины в условиях преодоления им внешних сопротивлений. Основная составляющая этих сопротивлений определяется, прежде всего, свойствами преобразуемого материала и характером процесса преобразования. Например, при работе водоотливной насосной установки внешними сопротивлениями будут: сила тяжести поднимаемой воды и силы трения при ее передвижении по трубопроводам. В этом случае сопротивления практически неизменны во времени. При разработке грунта ковшом экскаватора, отвалом бульдозера и другими машинами сопротивления копанию нарастают от минимального до максимального значения, многократно повторяясь в процессе каждой операции копания.

В условиях постоянных или слабо изменяющихся во времени внешних сопротивлений привод работает в спокойном режиме практически с постоянной скоростью на его выходном звене. При меняемых во времени внешних сопротивлениях, кроме внутренних сопротивлений, к ним добавляются динамические составляющие, обусловленные внешней (механической) характеристикой привода - функциональной зависимостью между его силовым и скоростным факторами на выходном звене. Обычно эти факторы связаны между собой обратной зависимостью - чем больше внешнее сопротивление, тем меньше скорость движения выходного звена. Такая зависимость представлена на рис.7 для случая вращательного движения выходного звена привода, где через T, ω и n обозначены соответственно вращающий момент, угловая скорость и частота вращения выходного звена. Если, например, на временном интервале Δt сопротивление возрастает от T1 до T2, то, согласно внешней характеристике привода, угловая скорость снижается за то же время с ω1 до ω2 - выходное звено вращается с замедлением. Согласно второму закону механики этому

Рис.7. График внешней (механической) характеристики привода

замедлению соответствует пропорциональный ему динамический момент противоположного внешнему сопротивлению направления. Складываясь с внешним сопротивлением, динамический момент уменьшает его значение. Природа этого явления заключается в том, что движущаяся система при снижении скорости расходует накопленную в ней энергию на преодоление возрастающих внешних сопротивлений.

С уменьшением внешних сопротивлений скорость ω возрастает, ускорение положительно, а поэтому динамический момент также положителен, т.е. с возрастанием скорости энергия привода расходуется на преодоление внешних сопротивлений и на накопление энергии в движущейся системе. Таким образом, привод как бы выравнивает приведенное к его выходному звену сопротивление с одновременным снижением скорости при возрастании внешнего сопротивления и ее увеличением при снижении последнего. Такая приспособленность привода к условиям его нагружения будет тем больше, чем больше момент инерции вращающихся масс привода и чем меньше первая производная f=dT/dω, называемая жесткостью механической характеристики привода. Характеристики с высокими значениями этой величины называют жесткими, а с низкими значениями - мягкими. Степень жесткости механической характеристики определяется, прежде всего, типом двигателя. Жесткость f может быть понижена за счет включения в состав привода дополнительных устройств.

Для характеристики режимов работы привода отдельных механизмов и машин в целом пользуются отношениями максимальных значений усилий (вращающих моментов) Рмах (Тмах) и скоростей vмах (ωмах) на выходном звене привода к их средним значениям соответственно Рср (Tср) и vср (ωср), продолжительностью включений (ПВ) в процентах от общего времени работы машины и количеством включений КВ в час. В зависимости от степени изменения этих параметров, которые колеблются в пределах Тмах/Тср = 1,1…3,0 (для вращательного движения), ПВ = 15…100 %, КВ = 10... 600, режимы нагружения многих машин и их механизмов условно подразделяют на легкий, средний, тяжелый и весьма тяжелый. Для некоторых машин, например строительных кранов, для определения режимов работы используют также другие дополнительные факторы. Важной характеристикой привода, определяющей его способность преодолевать сопротивления, значительно превышающие их средние значения, является коэффициент перегрузочной способности kпер - отношение максимального момента Тмах по механической характеристике привода к его номинальному значению Тн.

studfiles.net


Смотрите также