Текст
                    АШИНОСТ О НЕ
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ

та РОССИЙСКАЯ КАДЕМИЯ НАУ
МАШИНОСТРОЕНИЕ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ MECHANICAL ENGINEERING Encyclopaedia Главный редактор академик РАН К.В. Фролов
МАШИНОСТРОЕНИЕ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ В СОРОКА ТОМАХ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ ФРОЛОВ К.В. Председатель редакционного совета Члены совета: Белянин П.Н. (зам. Председателя редсовета и главного редактора), Колесников К. С. (зам. Председателя редсовета и главного редактора), Адамов Е.О., Анфимов Н.А., Асташов В.К., Бессонов А.П., Бюшгенс Г.С., Васильев В.В., Васильев Ю.С., Воронин Г.П., Долбенко Е.Т., Жесткова И.Н., Кирпичников М.П., Клюев В.В., Коптев Ю.Н., Ксеневич И.П., Мартынов И.А., Митенков Ф.М., Новожилов Г.В., Панин В.Е., Паничев Н.А., Патон Б.Е., Пашин В.М., Платонов В.Ф., Пугин Н.А., Румянцева О.Н., Силаев И.С., Федосов Е.А., Фортов В.Е., Черный Г.Г., Шемякин Е.И. Scan AAW МОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2005
Раздел IV РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ МАШИН Том IV-9 СТРОИТЕЛЬНЫЕ, ДОРОЖНЫЕ И КОММУНАЛЬНЫЕ МАШИНЫ. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Редактор-составитель д-р техн, наук, проф., заслуженный деятель науки РФ И.П. Ксеневич Ответственный редактор академик РАН К.С. Колесников Редакторы тома: ИЛ. Ксеневич (Общие вопросы создания строительных, дорожных и коммунальных машин), ГЛ. Карасев (Машины для земляных работ. Строительные дорожные машины. Металлоконструкции строительных, дорожных и коммунальных машин), Ю.В. Разумов (Машины для содержания и ремонта дорог), ВЛ. Воронин (Машины и оборудование для буровых работ. Машины и оборудование для свайных работ), Л.А. Волков (Оборудование для производства строительных материалов и изделий), Н.М. Кирюшин (Ручные электрические машины) МОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2005
УДК 621.01/03 ББК 34.44 М38 Авторы: И.П. Ксеневич, Л.А. Волков, Г.Н. Карасев, Н.М. Кирюшин, В.В. Акимов, В.Н. Батуев, А.А. Борщевский, И.А. Буяновский, В.П. Воронин, Л.А.Гоберман, А.А. Гоппен, А.И. Доценко, Ю.Н. Колган, Г.В. Куста- рев, А.С. Меджибовский, А.А. Никулин, А.Н. Новиков, Ю.В. Разумов, А.И. Селезский, В.Е. Ставицкий, Д.Е. Флеер, К.К. Шестопалов. Рецензенты: Ч.П. Мешик, А.С. Ильин. Рабочая группа Редакционного совета: К.С. Колесников, П.Н. Белянин, В.В. Васильев, В.К. Асташов, А.П. Бессонов, Е.Т. Долбенко, И.Н. Жесткова, Н.Ф. Иванникова, Г.В. Москвитян. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. - М.: М38 Машиностроение. Строительные, дорожные и коммунальные машины. Оборудование для производства строительных материалов. Т. IV-9 / И.П. Ксеневич, Л.А. Волков, Г.Н. Карасев и др.; Под общ. ред. И.П. Ксеневича. 2005. - 736 с.; ил. ISBN 5-217-03279-0 (Т. IV-9) ISBN 5-217-01949-2 Рассмотрены возможности совершенствования машин при проектировании с точки зрения автоматизации управления, повышения производительности, надежности и безо- пасности, а также применения новых конструкционных материалов. Приведены конструкции и особенности расчетов машин и рабочего оборудования для земляных, строительных, ремонтных, буровых и свайных работ, для производства различ- ных строительных материалов, а также ручного электрического инструмента. УДК 621.01/03 ББК 34.44 ISBN 5-217-03279-0 (Т. IV-9) ISBN 5-217-01949-2 © Издательство "Машиностроение", 2005 Перепечатка, все виды копирования и воспроизведения материалов, опубликованных в данной книге, допускаются только с разрешения издательства и со ссылкой на источник информации.
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ (И.П. Ксеневич). 9 Раздел 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СОЗ- ДАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ, ДОРОЖНЫХ И КОММУ- НАЛЬНЫХ МАШИН................ 11 Глава 1.1. Характеристика машин (Т.Н. Карасев, К.К. Шестопа- лов)........................ 11 1.1.1. Классификация машин и их параметры................ 11 1.1.2. Основные требования, предъявляемые к машинам, и тенденции их развития....... 17 Глава 1.2. Тракторы как энергети- ческие средства строитель- ных, дорожных и коммуналь- ных машин (И.П. Ксеневич).... 19 1.2.1. Классификация тракторов 19 1.2.2. Компоновка тракторов и рабочего оборудования.............. 20 Глава 1.3. Автоматизация машин (И.П. Ксеневич).................... 28 1.3.1. Основные понятия..... 28 1.3.2. Требования, предъявляе- мые к системам автоматическо- го управления............... 29 1.3.3. Состояние и тенденции развития автоматизации машин 32 1.3.4. Электронное управление строительными и дорожными машинами.................... 37 Глава 1.4. Гидроприводы машин (И.П. Ксеневич, Д.Е. Флеер)........ 45 1.4.1. Гидроприводы рабочих органов..................... 46 1.4.2. Объемные гидропередачи приводов движителей......... 62 1.4.3. Гидроприводы рулевого управления.................. 75 1.4.4. Тенденции развития гид- роприводов ................. 87 Глава 1.5. Обеспечение надежности машин при проектировании (Г.В. Кустарев)..................... 90 1.5.1. Основные показатели надежности и их определение ... 90 1.5.2. Влияние прочности, со- противления усталости и изно- состойкости на надежность машин......................... 94 Глава 1.6. Конструкционные и экс- плуатационные материалы (И.П. Ксеневич).................... 103 1.6.1. Конструкционные мате- риалы основных элементов и металлоконструкций машин... 103 1.6.2. Смазочные материалы и рабочие жидкости (И.П. Ксене- вич, ИА. Буяновский, А.С. Мед- жибовский)................... 108 Список литературы................... 118 Раздел 2. МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯ- НЫХ РАБОТ.......................... 119 Глава 2.1. Процессы воздействия рабочих органов машин на грунт (Г.Н. Карасев)............... 119 2.1.1. Характеристика грунтов 119 2.1.2. Резание грунтов..... 125 2.1.3. Разрушение мерзлых грун- тов ударом................... 134 2.1.4. Копание грунтов и штабе- лей сыпучих материалов..... 137 2.1.5. Планирование грунтов .... 145 Глава 2.2. Особенности конструкций и расчета машин.................... 148 2.2.1. Машины для подготови- тельных работ (К.К. Шестопа- лов) 148 2.2.2. Бульдозеры (К.К. Шесто- палов, Г.Н. Карасев)......... 153 2.2.3. Автогрейдеры (К.К. Шес- топалов) .................... 160
6 ОГЛАВЛЕНИЕ 2.2.4. Грейдер-элеваторы (К.К. Шестопалов)................ 169 2.2.5. Строительные погрузчики (К.К. Шестопалов).......... 173 2.2.6. Скреперы (К.К. Шесто- палов, Г.Н. Карасев)....... 181 2.2.7. Одноковшовые экскавато- ры (К.К. Шестопалов, Г.Н. Кара- сев) 191 2.2.8. Экскаваторы непрерывно- го действия (В.Е. Ставицкий)... 213 2.2.9. Машины для разработки мерзлых грунтов (К.К. Шесто- палов) .................... 227 2.2.10. Машины для уплотнения грунтов и материалов (Л.А. Го- берман, А.И. Доценко, Г.В. Кус- тарев)..................... 230 Список литературы................. 245 Раздел 3. СТРОИТЕЛЬНЫЕ ДОРОЖ- НЫЕ МАШИНЫ........................ 247 Глава 3.1. Процессы взаимодействия рабочих органов машин со строительными материалами (Г.Н. Карасев).................... 247 3.1.1. Физико-механические свой- ства цементо- и асфальтобетона 247 3.1.2. Резание материалов до- рожных покрытий............ 251 3.1.3. Теплообменные процессы при изготовлении смесей для дорожных покрытий.......... 252 3.1.4. Перемешивание дорож- ных материалов............. 260 3.1.5. Выравнивание поверхно- стей дорожных бетонных по- крытий .................... 264 Глава 3.2. Особенности конструкций машин и оборудования....... 267 3.2.1. Машины для приготовле- ния стабилизированных покры- тий (К.К. Шестопалов)...... 267 3.2.2. Оборудование для приго- товления асфальто- и цементо- бетонных смесей (Г.Н. Карасев, АН. Новиков)............... 270 3.2.3. Машины для устройства дорожных покрытий (Г.В. Кус- тарев)..................... 317 Список литературы................. 330 Раздел 4. МАШИНЫ ДЛЯ СОДЕР- ЖАНИЯ И РЕМОНТА ДО- РОГ................................ 331 Глава 4.1. Особенности устройства и расчета машин для летнего содержания дорог................... 331 4.1.1. Загрязнения дорог и маши- ны, используемые для их удале- ния (Г.Н. Карасев, Ю.В. Разумов) 3 31 4.1.2. Поливочно-моечные ма- шины (Ю.В. Разумов)......... 332 4.1.3. Подметально-уборочные машины (Ю.В. Разумов)....... 336 4.1.4. Транспортирование смета пневматическим транспортом (Г.Н. Карасев)................. 343 Глава 4.2. Особенности устройства и расчета машин для зимнего содержания дорог (Ю.В. Разу- мов) .............................. 345 4.2.1. Физико-механические свой- ства снега..................... 345 4.2.2. Плужные снегоочистители 347 4.2.3. Роторные снегоочистители 355 4.2.4. Скалыватели-рыхлители уплотненного снега............. 364 4.2.5. Машины для борьбы с гололедом...................... 371 4.2.6. Снегоуборочные машины 380 Глава 4.3. Машины и оборудование для ремонта дорожных по- крытий (Г.В. Кустарев)...... 385 Список литературы..................... 396 Раздел 5. МАШИНЫ И ОБОРУДО- ВАНИЕ ДЛЯ БУРОВЫХ РА- БОТ (В.П. Воронин)................. 397 Глава 5.1. Свойства горных пород и грунтов, классификация спо- собов бурения и применяемо- го оборудования ................. 397 5.1.1. Физико-механические свой- ства горных пород и грунтов .... 397 5.1.2. Классификация способов бурения........................ 398 5.1.3. Термический (огневой) способ разрушения грунта.... 401 5.1.4. Буровое оборудование, применяемое при различных способах бурения............... 402
ОГЛАВЛЕНИЕ 7 Глава 5.2. Бурильные машины для бурения скважин в строи-* тельстве.......................... 403 5.2.1. Установки и станки удар- ного и ударно-поворотного действия...................... 403 5.2.2. Установки и станки удар- но-вращательного бурения... 406 5.2.3. Станки вращательного бурения....................... 414 Глава 5.3. Бурильно-крановые ма- шины (БКМ)........................ 423 5.3.1. БКМ на базе автомобилей 424 5.3.2. БКМ на базе тракторов ... 424 5.3.3. БКМ на базе экскаваторов и стреловых кранов............ 426 Глава 5.4. Буровой инструмент.... 430 5.4.1. Буровые коронки для перфораторов.................. 430 5.4.2. Буры, буровые штанги, соединительные муфты и хво- стовики для перфораторов... 431 5.4.3. Долота и буровые штанги для пневмоударников........ 432 5.4.4. Буровой инструмент для шарошечного бурения........ 434 5.4.5. Буровой инструмент для шнекового бурения............. 436 5.4.6. Буровой инструмент для бурильно-крановых машин.... 436 Список литературы.................... 437 Раздел 6. МАШИНЫ И ОБОРУДО- ВАННЕ ДЛЯ СВАЙНЫХ РА- БОТ (ВЛ. Воронин)................. 438 Глава 6.1. Типы свай и особенности их установки...................... 438 6.1.1. Буронабивные сваи... 438 6.1.2. Винтовые сваи.......... 439 6.1.3. Забивные сваи.......... 440 Глава 6.2. Оборудование для забив- ных свай.......................... 442 6.2.1. Направляющие устройства 442 6.2.2. Свайные молоты...... 446 6.2.3. Оборудование статиче- ского вдавливающего действия 451 Глава 6.3. Оборудование вибраци- онного и комбинированного вибровдавливающего дейст- вия .............................. 454 6.3.1. Вибрационный метод по- гружения свай и оболочек.. 454 6.3.2. Вибрационные машины ... 454 6.3.3. Вибровдавливающие ус- тановки .................. 457 Список литературы................ 458 Раздел 7. МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ, ДОРОЖ- НЫХ И КОММУНАЛЬНЫХ МАШИН (Г.Н. Карасев)............. 459 Глава 7.1. Типы металлоконструк- ций и методы их расчета... 459 7.1.1. Типы металлоконструкций 459 7.1.2. Методы расчета металло- конструкций .............. 461 Глава 7.2. Проектирование металло- конструкций ..................... 463 7.2.1. Статические нагрузки, действующие на металлоконст- рукции машин.............. 463 7.2.2. Расчетные схемы элемен- тов 464 7.2.3. Предельные статические нагрузки при стопорении рабо- чего органа............... 478 7.2.4. Динамические нагрузки ... 490 7.2.5. Оценка долговечности эле- ментов при усталостном разру- шении .................... 492 Список литературы................ 497 Раздел 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИ- ТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ (Л. А. Волков)......... 498 Глава 8.1. Общие сведения о бетоне, железобетонных изделиях и машинах по их изготовлению 498 8.1.1. Основные виды бетона и железобетона..................... 498 8.1.2. Общие сведения о произ- водстве и оборудовании.... 502 Глава 8.2. Дробильное, сортировоч- ное, помольное и обогати- тельное оборудование...... 508 8.2.1. Дробильное оборудование 509 8.2.2. Сортировочное и обогати- тельное оборудование...... 515 8.2.3. Оборудование для помола строительных материалов... 520
8 ОГЛАВЛЕНИЕ Глава 8.3. Оборудование для приго- товления, транспортирования и укладки бетонных и рас- творных смесей............ 523 8.3.1. Смесители и дозаторы .... 526 8.3.2. Машины и оборудование для транспортирования и ук- ладки сыпучих материалов, бетонных и растворных смесей 532 8.3.3. Оборудование для изго- товления ячеистого бетона и изделий из него (ЛА. Волков, А.И. Селезский)............. 549 Глава 8.4. Оборудование для изго- товления арматурных изде- лий железобетона................... 554 8.4.1. Правильно-отрезные стан- ки, ножницы и машины для гибки стержневой стали...... 554 8.4.2. Оборудование для полу- чения арматурных сеток, карка- сов и закладных деталей..... 568 8.4.3. Оборудование для заго- товки и натяжения арматуры предварительно напряженных железобетонных изделий...... 590 Глава 8.5. Вибрационное оборудова- ние для уплотнения бетона при формовании железобе- тонных и бетонных изделий (ЛА. Волков, А А. Борщевский) 598 8.5.1. Основы вибрационного формования изделий.......... 598 8.5.2. Основное виброформо- вочное оборудование......... 601 Глава 8.6. Технологические линии для изготовления железобе- тонных изделий..................... 611 8.6.1. Производство плитных железобетонных изделий...... 611 8.6.2. Изготовление железобе- тонных шпал, балок и ферм... 630 8.6.3. Производство объемных строительных изделий........ 633 8.6.4. Тепловая обработка и отделка бетонных и железобе- тонных изделий.............. 637 8.6.5 Изготовление трубчатых изделий..................... 646 Глава 8.7. Производство строитель- ных керамических материа- лов ............................... 663 Глава 8.8. Производство цемента, извести, гипса и изделий на их основе.......................... 665 Глава 8.9. Производство теплоизо- ляционных материалов..... 669 Глава 8.10. Подъемно-транспортное оборудование.................... 673 Список литературы............... 678 Раздел 9. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РУЧ- НЫЕ МАШИНЫ (ЭРМ) (Н.М. Кирюшин).................. 681 Глава 9.1. Общие сведения о руч- ных машинах (Н.М. Кирюшин, АА.Гоппен)...................... 681 Глава 9.2. Классификация электри- ческих ручных машин и требо- вания предъявляемые к ним ... 683 9.2.1. Типы электродвигателей .. 683 9.2.2. Обеспечение защиты опе- ратора от поражения электриче- ским током (электробезопас- ность) ......................... 686 9.2.3. Требования к механиче- ской безопасности........ 687 Глава 9.3. Машины с однофазным коллекторным электродвига- телем и двойной изоляцией ... 688 9.3.1. Схемы дополнительной изоляции........................ 688 9.3.2. Сверлильные машины 689 9.3.3. Дисковые и цепные пилы, лобзики, ножовки, фрезерные машины, рубанки.......... 692 9.3.4. Шлифовальные машины .. 699 9.3.5. Ножницы и кромкорезы ... 702 9.3.6. Резьборазвертывающие ма- шины .................... 705 9.3.7. Молотки и перфораторы (Ю.Н. Колган)............ 709 Глава 9.4. Аккумуляторные ручные машины (АА. Никулин, Н.М. Ки- рюшин) ......................... 714 Глава 9.5. Ручные и переносные ма- шины с трехфазным асин- хронным двигателем....... 716 Глава 9.6. Электронные регуляторы частоты вращения (В.Н Бату- ев, В.В. Акимов)................ 719 Глава 9.7. Виброшумозащита операто- ров ручных машин (АА. Гоппен) 723 Список литературы............... 725 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ............ 727 ПРИЛОЖЕНИЕ...................... 733
ПРЕДИСЛОВИЕ Строительные, дорожные и коммуналь- ные машины, ручной электрический инстру- мент и оборудование для производства строи- тельных материалов применяют для выполне- ния комплексных работ, проводимых при строительстве, содержании и ремонте автомо- бильных дорог, гидротехнических сооруже- ний, при аэродромном, промышленном и граж- данском строительстве и др. По своему со- ставу эти машины многочисленны и разнооб- разны по типам и назначению. Каждому виду работ отвечает один или несколько технологи- ческих процессов. Процессы состоят из от- дельных операций, производимых либо в оп- ределенной последовательности, образующей повторяющиеся циклы (циклические процес- сы), либо одновременно (непрерывные про- цессы). Большинство машин выполняют одну или несколько операций процесса различным рабочим оборудованием. Одна операция явля- ется главной для данной машины, а остальные служат только для передачи материала на дру- гую машину. У отдельных машин комплекты сменного рабочего оборудования насчитывают десятки видов. Классификации видов строительных ра- бот обычно соответствует классификация при- меняемых для них машин. Разработка теории строительных, дорож- ных и коммунальных машин имеет много об- щего с теорией и прикладной механикой ма- шин, на базе которых они создаются. В то же время из-за наличия большого числа случай- ных факторов при выполнении технологиче- ских операций требуется их учет как в разра- ботке конструкции, так и в выборе конструк- ционных и эксплуатационных материалов. Например, трактор используют как энергети- ческое средство для агрегатирования машин с активными и пассивными рабочими органами (рыхлителями, бульдозерами, навесными и прицепными), способное выполнять техноло- гические операции на различных скоростях - от транспортных при переезде к месту работы до "ползучих". Строительные машины, агрега- тируемые с тракторами, рассчитаны на работу в интервале -60...+60 °C. Особенностью работы агрегатов на базе промышленных тракторов является их цик- личность. Рабочий цикл бульдозера состоит из рабочего хода (копания или перемещения призмы грунта), остановки перед откатом на- зад с подъемного отвала, отката на заднем ходу трактора перед началом нового цикла. Время одного цикла 60...90 с, т.е. в течение 1 ч выполняется 40...60 циклов. При этом 80- 120 раз производится переключение передач, 50-150 раз включаются рычаги поворота и 500-800 раз - гидрораспределитель. Рабочий цикл рыхлителя аналогичен рабочему циклу бульдозера. За один цикл погрузки трактора- погрузчика 4 раза изменяется направление движения агрегата. Продолжительность цикла - 30...40 с. Оператор за один цикл совершает 25...30 действий на различные органы управ- ления. Автоматизация машин и оборудования является эффективным средством обеспечения безопасности работ, облегчения и улучшения условий труда оператора. Системы автома- тического управления дорожными и строи- тельными машинами в 10-20 раз уменьшают число включений и выключений, которые про- изводит оператор, по сравнению с выполняе- мыми на машинах с ручным управлением. Обеспечение безопасности, облегчение и улуч- шение условий труда, эффективность автома- тизации строительной техники определяются не только этим. Следует отметить роль автоматизации как средства одновременного повышения эф- фективности и качества строительства. Требования, предъявляемые стандарта- ми, строительными нормами и правилами к выдерживанию толщины и степени уплотне-
10 ПРЕДИСЛОВИЕ ния всех слоев основания, микро- и макро- профилю поверхности дорожных покрытий, точности укладки дренажа, выдерживанию ровности и уклона хлопковых и рисовых по- лей, обеспечению заданного рецептурного состава строительных смесей и растворов, сопряжению строительных конструкций при их монтаже, - трудно достижимы при приме- нении машин и оборудования с ручным управ- лением. Использование автоматизированной тех- ники позволяет: в 2-3 раза повысить производительность работ при обеспечении требуемого качества их выполнения; сократить расход строительных материа- лов, а также удельный расход эксплуатацион- ных материалов на единицу объема работы; увеличить за счет соблюдения режимов эксплуатации срок службы и межремонтные сроки машин, сократить расходы на их ремонт и др. Так, колебания толщины слоев земляного полотна, практически неизбежные при исполь- зовании машин с ручным управлением, сни- жают срок службы дороги в 1,5-2 раза. Высокие эргономические и технические качества и большая эффективность, достигае- мые при применении автоматизированной техники, обусловливают интенсивное развитие данного направления строительного и дорож- ного машиностроения, оборудования для про- изводства строительных материалов, мелиора- тивных работ и коммунальной службы, что требует создания соответствующей электрон- ной аппаратуры и самодиагностирующихся систем автоматического управления с после- дующим созданием машин-роботов с про- граммным управлением. Целью настоящего тома является стрем- ление отразить новейшие достижения зару- бежной и отечественной строительной и до- рожной техники, применения систем автома- тического управления, электроники (интегра- ции в конструкцию) в конструкцию машин, повышение конкурентоспособности этих машин, накоплению опыта проектирования и конструирования. Импорт строительных и дорожных машин и использование их в усло- виях страны обусловили необходимость рас- смотрения применяемых эксплуатационных материалов, их сопоставления и возможность равноценной замены их на отечественные. Интеграция в мировую экономику выдвигает на передний план проблему гармонизации стандартов и фактор "качество - цена" как одного из возможных факторов конкуренто- способности отечественных машин. В этом томе энциклопедии "Машино- строение" рассмотрены: физико-механические свойства среды; теория взаимодействия рабо- чих органов со средой; методы расчета пара- метров и надежности, а также типичные кон- структивные решения лучших видов машин и отдельных основополагающих тенденций раз- вития как отечественной, так и зарубежной строительной техники в соответствии с ее классификацией. Возрастающий объем науч- но-технической информации и научных зна- ний приводит к необходимости их обобщения не только по отраслям знаний, но и по отдель- ным разделам науки, в том числе по отдель- ным классам машин. Девять глав этого тома энциклопедии систематизируют большой объем теоретиче- ских исследований и инженерного опыта в области строительных, дорожных и комму- нальных машин, оборудования для производ- ства строительных материалов и изделий, а также ручных электрических машин. В напи- сании разделов тома принимали участие ученые ведущих НИИ, ВУЗов, научных центров страны по соответствующим направ- лениям. Широко использованы зарубежные источники информации и опыт эксплуатации машин. Авторы выражают благодарность проф. Д.П. Волкову за помощь в подготовке рукописи. И.П. Ксеневич
Раздел 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ, ДОРОЖНЫХ И КОММУНАЛЬНЫХ МАШИН Глава 1.1 ХАРАКТЕРИСТИКА МАШИН 1.1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН И ИХ ПАРАМЕТРЫ Классификация строительных, дорож- ных и коммунальных машин и области их применения. В строительстве и обслуживании объектов различного назначения используется более 1000 машин различных типов. Это мно- гообразие машин сводится к небольшому чис- лу классов и групп, основой объединения ко- торых являются общие признаки. Строитель- ные, дорожные и коммунальные машины можно квалифицировать практически по лю- бому признаку. Набор признаков зависит от целей создания и типа классифицируемых машин. Базовым признаком классификации этих машин является их назначение, по кото- рому их делят на классы и группы (табл. 1.1.1). 1.1.1. Классификация строительных, дорожных и коммунальных машин Группа машин и оборудования Назначение I. Класс машин для земляных работ Кусторезы Срезка деревьев, кустарников, подлеска и дерна, их укладка в валки по сторонам вдоль пути Корчеватели и корчеватели-собиратели Корчевка пней, корней и камней, их сдвиг на границы участка Рыхлители Разрушение прочного грунта перед разработкой Бульдозеры Разработка и перемещение грунта; перемеще- ние строительных материалов на расстояние до 100 м и разравнивание его перед уплотне- нием; предварительное профилирование грун- товых сооружений; в качестве толкача при загрузке скрепера Скреперы Разработка грунта, перевозка его в ковше на расстояние до 5...7 км и отсыпка слоями Автогрейдер Экскаваторы: Сооружение невысокой насыпи из грунта, срезаемого в боковых резервах; выравнивание привозного грунта перед уплотнением; плани- ровка поверхности уплотненного и стабили- зированного грунта; доведение до проектных отметок профилей насыпей и откосов строительные одноковшовые Разработка нескального грунта любой проч- ности и его погрузка в транспортное средство непрерывного действия продольного и Отрыв траншеи для мелиоративных систем, поперечного копания трубопроводов и коммуникационных сетей; разработка грунта в карьере; профилирование откосов высоких насыпей и выемок Уплотняющие машины Уплотнение грунта и дорожно-строительных материалов для повышения их водонепрони- цаемости, несущей способности и прочности
12 Глава 1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА МАШИН Продолжение табл. 1.1.1 Группа машин и оборудования Назначение II. Класс подъемно-транспортных машин Автопогрузчики, транспортеры, гравитацион- ные устройства и др. Грузоподъемные, для погрузочно-разгру- зочных работ и транспортирующие машины III. Класс машин и оборудования для строительства и содержания дорог и аэродромов Грунтосмесители, установки для приготовле- ния смесей с добавками различных вяжущих и дорожных смесей на дороге и в стационарных условиях Для приготовления стабилизированных грун- товых смесей при строительстве дорог и аэро- дромов в районах, в которых отсутствуют природные запасы каменных материалов Агрегаты питания, сушильные агрегаты, сор- тировочные устройства и бункера, смеситель- ные устройства, битумоплавильни, битумо- нагревательные котлы, автогудронаторы, ав- тобитумовозы, битумные насосы и перекачи- вающие агрегаты Для приготовления асфальтобетонных и дру- гих битумоминеральных смесей Машины для укладки и уплотнения асфальто- бетонных смесей, профилировщики оснований, распределители каменных материалов, песка и цементной смеси, бетоноотделочные машины для нарезки швов в бетонном покрытии Для устройства асфальто- и цементобетонных покрытий Поливомоечные, подметально-уборочные, маркировочные машины, машины для ухода за зелеными насаждениями, для очистки и восстановления дорожных кюветов Для летнего содержания дорог Снегоочистители, машины для борьбы с голо- ледом, снегоуборочные Для зимнего содержания дорог Машины для разрушения твердых покрытий, для разогрева и терморегенерации асфальто- бетонных покрытий, машины и оборудование для заделки и ремонта швов Для ремонта дорог IV. Класс машин для коммунального хозяйства Для строительства, ремонта и содержания городских дорог и тротуаров, санитарной час- ти города, ремонта и содержания зданий и городских объектов V. Класс машин для буровых работ Машины на базе экскаваторов, стрелковых кранов, автомобилей, тракторов, специальных шасси, переносное и прицепное оборудование Для строительства мостов, дорог, граждан- ских и промышленных зданий в городских и периферийных условиях VI. Класс машин для свайных работ Механические и дизельные молоты, вибромо- лоты, вибропогружатели, оборудование ста- тического и комбинированного вибровдавли- вающего действия То же
КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН И ИХ ПАРАМЕТРЫ 13 Продолжение табл. 1.1.1 Группа машин и оборудования Назначение VII. Класс машин и оборудования для проведения бетонных и железобетонных работ Смесители, дозаторы, бетоноукладчики и бе- тонораздатчики, сварочные машины стержне- вой арматуры и арматурных сеток, установки сборки и сварки железобетонных изделий, машины изготовления арматурных каркасов железобетонных труб и свай, оборудование для уплотнения бетона и др. Для выполнения различных технологических операций: дробления, помола, сортировки, транспортирования, дозирования, перемеши- вания и армирования строительных материа- лов, а также для их тепловой обработки VIII. Класс отделочных машин Растворосмесители, растворонасосы, пневмо- нагреватели, штукатурные агрегаты, машины для приготовления малярных составов, окра- сочное оборудование, установки для нанесе- ния жидкой шпаклевки, краскораспылители, машины для отделки полов из рулонных мо- заично-торцовых и полимерных материалов, установки для раскроя стекла, передвижные для монтажа витражей и др. Для проведения штукатурных, малярных и стекольных работ, а также для отделки полов IX. Класс машин для ручных работ (механизированный инструмент) Средства малой механизации| Для строительных работ всех видов В большинстве классификаций методи- ческого и нормативного характера наиболее часто встречающимися признаками являются следующие. 1. Место в технологическом потоке, по которому различают машины для подготови- тельных работ, такие как кусторезы, корчева- тели и рыхлители, и машины для основных работ, к числу которых относятся бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, грейдер-элеваторы, одноковшовые экскаваторы, экскаваторы не- прерывного действия, уплотняющие машины, машины для скрытой прокладки коммуника- ций. К машинам для основных работ можно отнести также одноковшовые строительные погрузчики, которые формально принадлежат к погрузочным машинам, но широко исполь- зуются в современном строительстве для раз- работки и погрузки грунтов. 2. Цикличность рабочего процесса, по которой различают машины периодического и непрерывного действия. Рабочий цикл машин периодического действия складывается из нескольких операций, периодически повто- ряющихся в определенной последовательности и сопровождающихся производством опреде- ленного количества продукции. Производи- тельность таких машин обычно рассчитывает- ся, как отношение количества продукции, про- изведенной за время рабочего цикла, к его продолжительности. Для машин непрерывного действия понятие рабочего цикла непримени- мо, так как и основные, и вспомогательные операции совершаются одновременно, а про- дукция производится непрерывно. Производи- тельность таких машин обычно рассчитывает- ся как произведение какого-либо показателя рабочего процесса (ширины захвата, площади стружки и т.п.) на скорость движения машины. 3. Тип рабочего органа. Машины для земляных работ, например, могут быть с ков- шами, отвалами и рыхлящими зубьями. Широ- ко используются машины, оснащенные рабо- чими органами разных типов (например, плужные и роторные снегоочистители) или комбинированными рабочими органами (на- пример, ковшом с зубьями). 4. Тип трансмиссии, передающей энер- гию к движителю, исполнительным механиз- мам систем управления и рабочим органам. Для передачи энергии к движителю использу- ются механические, гидромеханические (с гид- рообъемной и гидродинамической частью) и электромеханические трансмиссии, для пере-
14 Глава 1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА МАШИН дачи энергии к исполнительным механизмам систем управления рабочими органами - как правило, гидрообъемные трансмиссии. Сигна- лы от органов управления к исполнительным механизмам чаще всего передаются пневмати- ческими, гидропневматическими и электро- гидравлическими системами. 5. Тип движителя, который может быть гусеничным, пневмоколесным или жестко вальцовый у машин для земляных работ. Рель- соколесный, шагающий, понтонный и другие нетривиальные типы движителей используют- ся в случаях, диктуемых особыми условиями эксплуатации машин (например, экскаватор для обслуживания железнодорожного полотна устанавливается на адаптированной под него железнодорожной платформе). 6. Масса, по которой однотипные маши- ны могут быть объединены в размерные груп- пы, отличающиеся массой, например: легкие, средние и тяжелые автогрейдеры или экскава- торы - первой, второй и третьей размерных групп. Границы диапазонов масс зависят от конкретного типа машин и с течением времени изменяются. Параметры строительных, дорожных и коммунальных машин. Их подразделяют на главный, основные и дополнительные. Главный параметр машин используют для сопоставления и классификации машин одного типа. Он дает общее представление о технических возможностях сравниваемых ма- шин. Так, по стандартам экскаваторы делят на размерные группы по объему ковша и массе, скреперы - по объему ковша, бульдозеры, кус- торезы, корчеватели, рыхлители - по тяговой силе, автогрейдеры - по массе. Основными параметрами машин явля- ются: один из размеров рабочего органа, масса и мощность силовой установки. Так, для экс- каватора, скрепера, погрузчика основным па- раметром является вместимость ковша, для бульдозера, автогрейдера, плужного снегоочи- стителя - длина отвала, для асфальтоукладчи- ка - ширина обрабатываемой рабочими орга- нами дорожной полосы. Эти параметры необходимы для оценки производственного потенциала технического средства, под которым понимается максималь- но возможная его эффективность, достигаемая в определенных условиях применения. Соот- ветствие размеров рабочего органа массе, мощности и тяговым характеристикам маши- ны однозначно определяет ее эффективность. Оценкой эффективности использования транс- портного средства при выполнении какого- либо технологического процесса являются показатели, которые выражаются в относи- тельных единицах, например, производитель- ность, себестоимость полученной продукции, энергоемкость. Масса определяет производственный по- тенциал машины и является одним из основ- ных ценообразующих факторов. Для сравни- тельной оценки технического совершенства конструктивно подобных машин могут ис- пользоваться удельные показатели, рассчиты- ваемые с использованием массы машины, та- кие как металлоемкость (отношение массы машины к производительности), энерговоору- женность (отношение мощности двигателя к массе машины) и др. В технической докумен- тации на машину можно встретить различные определения масс. Конструктивная (сухая) масса - масса полностью собранной, но не оснащенной и не заправленной машины. Транспортная масса - масса машины, подготовленной к перебазировке обычным для нее способом. Эксплуатационная масса - масса ма- шины в рабочем состоянии, с полностью за- правленными системами, оснащенной штат- ным инструментом и приспособлениями, с учетом массы экипажа и всего необходимого для его работы в течение смены. Мощность силовой установки машины определяет скорость выполнения рабочих опе- раций и потребление энергоресурсов. Наличие запаса мощности, необходимой для эффектив- ной работы машины, выявляется анализом баланса мощности. При сравнении конструк- тивно подобных машин используют их энерго- емкость (отношение мощности двигателя к производительности машины), энергонасы- щенность (отношение мощности двигателя к размерам рабочего органа) и др. Дополнительные параметры (парамет- ры) определяют конструктивные особенности машин. Это могут быть размеры, определяю- щие маневренность и транспортабельность машины: длина, ширина, высота и радиус по- ворота - в транспортном положении; колея и база ходового оборудования, углы въезда и съезда, дорожный просвет, радиусы поворота по внешнему колесу и наиболее выступающей точке - при движении по пересеченной местно- сти; размеры рабочей зоны, характеризующие
КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН И ИХ ПАРАМЕТРЫ 15 возможности таких машин, как одноковшовые экскаваторы и фронтальные погрузчики. Определение основных параметров машины - ключевая проблема ее проектиро- вания и использования для обеспечения эф- фективной технологии производимых работ. Математическое моделирование - наибо- лее эффективный на сегодняшний день метод предварительной оценки проектных решений. Известно, что смоделировать все свойства машины сложно, а в некоторых случаях не- возможно, поэтому на первичных стадиях соз- дания математической модели моделируются свойства, признаваемые существенными на данном этапе, с последующим анализом обос- нованности ограничений и области примени- мости принимаемых решений. Свойства серийной машины - всегда ре- зультат компромисса между стремлением за- казчика, подрядчика и изготовителя увеличить долю своей прибыли. Популярные у заказчика модели машин - результат удачного компро- мисса, найденного изготовителем, что обеспе- чивается достижением максимума производи- тельности при минимальных затратах. Рациональные параметры машины - та- кие, при которых достигается максимальный экономический эффект. Обычно он рассчиты- вается на базе удельных приведенных затрат Z, в руб. на единицу выработанной продукции, с учетом расходов на создание и эксплуатацию машины: 5Z+5K(£H + P) П где - годовые текущие затраты потребителя без учета отчислений на реновацию техники, руб.; SK - капитальные затраты, связанные с производством, доставкой и монтажом техни- ки, руб.; Ен - коэффициент эффективности предприятия; Р - доля отчислений от капи- тальных затрат на реновацию, налоги и другие платежи; 17 - годовая эксплуатационная про- изводительность. Годовая эксплуатационная производи- тельность - показатель эффективности, оп- ределяющий количество продукции, изготов- ленной машиной за единицу времени: П ~ ^эч^пр^г» где пзч - эксплуатационная производитель- ность, измеряемая количеством продукции в 1 ч, которая может быть получена при пра- вильной эксплуатации машины с учетом ква- лификации оператора, реально достижимых скоростей, эффективности использования ра- бочих органов, уровня организации производ- ства, климатических и грунтовых условий и надежности машины; Ацр - коэффициент, учи- тывающий простои в работе, не учтенные в иэч; Тг - время работы машины за год, маши- ночас. Эксплуатационная производительность иэч - случайная величина, поскольку большин- ство определяющих ее факторов носит слу- чайный характер, поэтому оценивается мате- матическим ожиданием и степенью вероятно- сти. При оценочных расчетах эксплуатацион- ная производительность определяется через теоретическую производительность п с попра- вочными коэффициентами учета использова- ния времени смены и квалификации операто- ра, условий видимости, типа коробки передач, особенностей рабочего органа и обрабатывае- мой среды (разрыхления грунта, наполнения рабочего органа, потерь, перекрытия проходов и т.п.): ^кв ^вид ^rp* G • 1 1) Значения коэффициентов в уравнении (1.1.1) приведены в табл. 1.1.2. Теоретическая производительность п - количество продукции, получение которой возможно в течение 1 ч непрерывной работы машины в заданных условиях эксплуатации при максимальном использовании ее техниче- ских возможностей. При расчете теоретиче- ской производительности не учитываются технологические, организационные и непред- виденные перерывы в работе машины. Теоре- тическая производительность используется при оценке производственного потенциала машины и может быть определена при извест- ных значениях ее основных параметров. Для машин циклического действия n = qltn, где q - количество полученной продукции за один цикл работы машины; /ц - время, затра- ченное на выполнение одного цикла. Количество выработанной за один цикл продукции q выражается через основной пара- метр машины, характеризующий производст- венный потенциал рабочего органа. Так, для экскаватора, скрепера, бетономешалки q - вместимость рабочего органа, м3 (т).
16 Глава 1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА МАШИН 1.1.2. Значения коэффициентов кв, кКВ, квид и Лтр в уравнении (1.1.1) Коэффициент Значения Использования времени сме- ны Число рабочих минут в 1 ч 50 45 40 0,83 0,75 0,67 Влияния квалификации опе- ратора Лю, Уровень квалификации высокий средний низкий 1 0,75 0,6 Влияния видимости £вид Условия видимости Хорошая ясная погода Дождь, снег, туман, запыленность, искусственное освещение 1 0,8 Влияния типа коробки пере- дач А,р Коробка передач с переключением под нагрузкой при отжатом сцеплении 1 0,8 Для машин, основным параметром рабо- чего органа которых является линейный раз- мер, количество выработанной за один цикл продукции вычисляется по соответствующим формулам. Например, для бульдозера основ- ной параметр рабочего органа - ширина отвала L, м. В этом случае количество грунта, пере- мещенного за один цикл работы бульдозера, ^ = Апр£Я2 = М</3, где Апр - коэффициент, учитывающий механи- ческие характеристики перемещаемого грунта; Н = кД - высота отвала, м, которая зависит от его ширины, свойств перемещаемого им грун- та и его конструктивной формы; к0 - коэффи- циент учета свойств перемещаемого грунта и конструктивной формы отвала. Время, затраченное на выполнение одно- го цикла, в общем виде определяется форму- лой /ц = Л/М где - работа, совершаемая машиной за один цикл; N - мощность, подводимая к рабочим органам машины. Работа, совершаемая машиной за один цикл, вычисляется с учетом всех преодолевае- мых сопротивлений и перемещений в условиях реализации потенциальных возможностей машины, определяемых ее основными пара- метрами. Основными сопротивлениями, пре- одолеваемыми машиной, являются сопротив- ления ее собственному перемещению и эле- ментов ее конструкции, а также сопротивле- ния, преодолеваемые рабочими органами при взаимодействии с обрабатываемой средой. Сопротивления перемещению машины в целом и ее элементов пропорциональны массе машины. Сопротивления, преодолеваемые рабочими органами при взаимодействии с об- рабатываемой средой в условиях реализации потенциальных возможностей машины, опре- деляются тяговым и мощностным балансами машины. Основа тягового и мощностного ба- лансов машины - ее основные параметры, т.е. масса машины и мощность ее энергоустанов- ки. При этом используется общеизвестное положение о детерминированной связи макси- мальных нагрузок с прочностными размерами и массой машины. Для машин непрерывного действия тео- ретическая производительность п = Fv, где F - количество продукции, полученной в результате единичного перемещения рабочего органа машины; v - скорость перемещения рабочего органа при выполнении технологиче- ского процесса. Количество продукции, полученной в ре- зультате единичного перемещения рабочего
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАШИНАМ, И ТЕНДЕНЦИИ ИХ РАЗВИТИЯ 17 органа машины при реализации ее потенци- альных возможностей, так же как и для машин циклического действия, функционально связа- но с основными параметрами машины - ее массой и мощностью энергоустановки. Ско- рость перемещения рабочего органа при вы- полнении технологического процесса v = ^/P, где Р - сопротивление единичному перемеще- нию рабочего органа, определяемое из тягово- го баланса машины при реализации ее потен- циальных возможностей; Т| - КПД трансмис- сии машины. Очевидно, что и в этом случае сопротив- ление единичному перемещению рабочего органа является функцией массы машины и мощности ее энергоустановки. Для оценки экономической эффективно- сти технического средства при известной про- изводительности, определяемой основными параметрами машины и условиями ее приме- нения, необходимо знать взаимосвязь эконо- мических показателей с основными парамет- рами машины. Исследованиями установлена возможность представления составляющих экономических расходов в функции основных параметров. Так, для экскаватора с гидропри- водом + SK (Рн 4- Р) = OtjCz + OL2^^ ^3 + + a4V^ + a5N + -^^—+ a8, a7 +N где ct|, (*2, Щ - коэффициенты, определяющие стоимость изготовления конструкции экскава- тора с учетом отчислений на реновацию и на- логи; а4 - коэффициент стоимости техниче- ского обслуживания и ремонта машины; as, ae, a7 - коэффициенты учета эксплуатацион- ных расходов на топливно-смазочные мате- риалы; а8 - расходы на содержание обслужи- вающего персонала; G - масса экскаватора. Получаемая математическая модель кри- терия оценки совершенства машины по функ- циональному назначению может быть исполь- зована в мониторинговой системе управления созданием конкурентоспособных проектных решений, как конструкций машин, так и вари- антов их комплектования для обеспечения различных технологий строительства и ком- мунального обслуживания. Достаточно полная математическая мо- дель позволяет оценить технические, финансо- вые, экологические и социальные последствия проектных решений, закладываемых в конст- рукцию машины. Формирование математиче- ской модели, позволяющей выполнить такой анализ, возможно только с участием специали- стов в области реализуемой технологии работ, экологии, строительной механики, технологии машиностроения, организации и управления производством, технического обслуживания, ремонта, стандартизации, сертификации, алго- ритмизации и программирования. Созданная математическая модель пред- ставляет своеобразную экспериментальную установку многоразового использования, по которой с помощью ЭВМ можно решать зада- чи по обоснованию экономической эффектив- ности конструкции или режима использования технического средства [10, 11]. 1.1.2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАШИНАМ, И ТЕНДЕНЦИИ ИХ РАЗВИТИЯ Требования, предъявляемые к строи- тельным, дорожным и коммунальным ма- шинам. В условиях рыночной экономики, когда продукцию и услуги предоставляют предприятия различных форм собственности, сертификация - эффективный способ гарантии качества продукции и услуг. При работе строительные, дорожные и коммунальные машины взаимодействуют с человеком и окружающей средой. Поэтому к их конструкции предъявляются требования соответствия условиям безопасной и комфорт- ной работы оператора без нанесения экологи- ческого ущерба окружающей среде, изложен- ные в соответствующих государственных стандартах, в числе которых рассмотрены: 1) эргономические требования, опреде- ляющие: наличие кабины, размеры кабины и ее элементов, оборудование кабины, конст- рукцию и размеры сиденья оператора, распо- ложение и размеры органов управления, уси- лия на органах управления, уровни вибрации и шума в кабине, микроклимат на рабочем месте оператора, уровень запыленности и концен- трации вредных веществ в кабине, уровень индустриальных радиопомех; 2) показатели безопасности, которые рег- ламентируют: системы доступа, средства за- щиты, обзорность и освещенность рабочей зоны, устойчивость, пожарную и электробезо-
18 Глава 1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА МАШИН пасность, звуковую и цветовую сигнализацию, силовую установку, трансмиссию, гидропри- вод, рабочее оборудование, тормозные систе- мы, рулевое управление, безопасность процес- са транспортирования машины; 3) экологические показатели, которые определяются: нормами дымности отработав- ших газов, удельными показателями выброса вредных веществ с отработавшими газами (СО, NOX, углеводороды). Общие требования к компоновке ма- шин. Компоновка строительных, дорожных машин, для которых базовым (несущим) или тяговым звеном служит трактор, зависит, во- первых, от функционального назначения ма- шины, типа ее базовой части, конструктивных особенностей рабочего оборудования и спосо- ба ее соединения с базовой машиной. Во-вто- рых, надо обеспечить: 1) хорошую обзорность с места оператора; 2) удобство отбора мощности от общего привода машины или установку на базовые части машины индивидуального привода ра- бочего оборудования; 3) безопасность при работе машины; 4) устойчивость машины против опроки- дывания в процессе движения; 5) необходимое соответствие между тех- ническими параметрами базовой машины (на- пример, ее мощности, силы и прочностных возможностей, несущих элементов конструк- ции) и рабочего оборудования (его массы, раз- меров, нагружения рабочего оборудования при его взаимодействии с перерабатываемым ма- териалом (грузом) и т.п.). Кроме того, при компоновке машины не- обходимо учитывать требования эргономики и технической эстетики. Следует отметить, что выбор рациональных и оптимальных компоно- вочных решений машины нередко осложнен тем, что в качестве ее базы принимается трак- тор, рассчитанный на условия работы, сущест- венно отличающиеся от тех, которые харак- терны для машины иного технологического назначения. Примером может служить фрон- тальный погрузчик на базе колесного трактора сельскохозяйственного назначения типа К-700. Этот трактор предназначен в основном для работы с прицепными орудиями, для которых характерны большие тяговые нагрузки, свя- занные с преодолением сопротивления среды - почвы или растений. Условия эксплуатации погрузчиков, предназначенных в основном для погрузочно-разгрузочных работ, выполняемых навесным оборудованием, существенно отли- чаются от работы агрегата, состоящего из тя- гача и прицепа: вся нагрузка от навесного обо- рудования воспринимается несущей рамой трактора. При этом двигатель трактора с на- весным погрузочным оборудованием может иметь меньшую мощность, чем этот же трак- торный тягач, работающий с прицепными ма- шинами. Различают два основных вида рам- ных конструкций погрузчиков: цельносварную раму и со съемным порталом. Первый тип конструкций применяют для специальных шасси и гусеничных тракторов в тех случаях, когда они специально конструируются для работы с погрузочным оборудованием. Такая компоновка позволяет более полно учесть основные требования, предъявляемые к маши- не, лучше распределить напряжения в метал- локонструкции и обеспечить меньшую мате- риалоемкость. Тенденции развития строительных, дорожных и коммунальных машин. Техни- ческое совершенствование строительных, до- рожных и коммунальных машин, направлен- ное на повышение эффективности их исполь- зования при снижении негативных последст- вий для человека и окружающей среды, проис- ходит по следующим основным направлениям. Повышение комфортности и безопас- ности реализуется автоматизацией систем контроля и управления, снижением трудоем- кости управления, оптимизацией расположе- ния его органов, сокращением их числа и по- вышением числа контролируемых ими функ- ций, улучшением обзорности, совершенство- ванием и автоматизацией работы систем мик- роклимата, улучшением звуко- и виброизоля- ции, защитой кабины при падении предметов сверху (конструкции FOPS) и опрокидывании машины (конструкции ROPS). Повышение надежности достигается улучшением качества очистки и увеличением срока службы рабочих жидкостей, расширени- ем числа контролируемых параметров техни- ческого состояния машины, автоматической диагностикой агрегатов и систем, снижением трудоемкости и оптимизацией числа периоди- ческих технических обслуживаний. Интенсификация использования обес- печивается расширением номенклатуры смен- ных рабочих органов и оснащением машин быстродействующими захватами и быстро- разъемными гидромуфтами, сокращающими время их перестановки.
КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАКТОРОВ 19 Ускорение рабочих процессов обеспе- чивается увеличением мощности силовых ус- тановок, рабочих и транспортных скоростей, маневренности, заправочных емкостей, силы тяги, давлений в гидросистемах и оптимизаци- ей параметров рабочих процессов. Повышение экологической безопасно- сти реализуется снижением токсичности отра- ботавших газов двигателей, изоляцией интен- сивных источников шума, применением дви- жителей, щадящих опорную поверхность (пневмоколес с пониженным давлением, рези- новых траков гусениц и др.), использованием биологически нейтральных или разлагающих- ся на открытом воздухе рабочих жидкостей, предотвращением утечек рабочих жидкостей благодаря быстроразъемным гидромуфтам. Адаптация к низким температурам требует применения особо утепленных кабин с двойным или тройным остеклением, рабочих жидкостей, смазочных материалов и топлив пониженной вязкости без ухудшения других свойств и резинотехнических изделий на осно- ве натурального каучука, сохраняющих эла- стичность и прочность при низких температу- рах. Металлические конструкции этих машин должны изготовляться из легированных нике- лем сталей, менее подверженных явлению хладноломкости. Глава 1.2 ТРАКТОРЫ КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ, ДОРОЖНЫХ И КОММУНАЛЬНЫХ МАШИН Тракторы - колесная или гусеничная самоходная машина, которая в агрегате с при- цепными, навесными, полунавесными и ста- ционарными машинами (орудиями) выполняет различные строительные, дорожные, транс- портные и другие работы. 1.2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАКТОРОВ Общая классификация тракторов. Тракторы классифицируют по ряду признаков: по области применения - сельскохозяй- ственные, промышленные, лесопромышлен- ные и лесохозяйственные; по назначению и специализации - сель- скохозяйственные общего назначения, про- пашные, универсально-пропашные, специали- зированные, малогабаритные, мотоблоки; промышленные общего и специального назна- чения, погрузчики, трубоукладчики, земно- водные, малогабаритные; лесопромышленные, специализированные по назначению и видам работ (в агрегате с однооперационными или многооперационными машинами) и условиями эксплуатации (плавающие, болотоходные); лесохозяйственные общего назначения и спе- циальные (болотоходные, лесопожарные); малогабаритные, используемые на малокон- турных участках, делянках, террасах и в ком- мунальном хозяйстве; мотоблоки, работающие в коммунальном хозяйстве. Промышленные тракторы предназна- чены для выполнения следующих работ: общего назначения - работы в агрегате с бульдозером, рыхлителем или скрепером и другим оборудованием, установленным спере- ди и сзади; погрузчики - погрузочные землеройные и землеройно-транспортные работы (основным движителем является колесный, обеспечи- вающий повышенную маневренность и воз- можность транспортирования грунта на необ- ходимое расстояние; гусеничный движитель можно применять при выполнении сосредото- ченных работ); трубоукладчики - механизация работ по монтажу и укладке магистральных трубопро- водов (с боковым грузоподъемным устройст- вом); болотоходные - землеройные и мелиора- тивные работы на грунтах с низкой несущей способностью; мелиоративные - работы по осушению, строительству и обслуживанию мелиоратив- ных систем; подземные - работы под водой на глуби- не до 7 м (с дистанционным управлением, сис- темой герметизации двигателя, забирающего воздух из атмосферы); подводные - работы в акваториях рек и на континентальном шельфе морей глуби- ной до нескольких десятков метров (с электро- двигателем, дистанционным или радиоуправ- лением); малогабаритные - малообъемные земле- ройно-очистительные и вспомогательные ра- боты в стесненных условиях. Лесопромышленные тракторы для вы- полнения лесосечных работ следующие: трелевочные - сбор и транспортирование леса в полупогруженном состоянии (оборуду- ются толкателем для скучивания деревьев,
20 Глава 1.2. ТРАКТОРЫ КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА выравнивания камней, расчистки волонов и др.); в зависимости от способа сбора воза трак- торы разделяют на тросочокерные, с гидроза- хватом и гидроманипулятором; лесовозные - погрузка и транспортиро- вание леса в полностью погруженном состоя- нии. По типу привода колесные самоходные машины можно разделить на машины с перед- ними, задними и со всеми ведущими колесами. Гусеничные машины могут иметь движители с задними и с переднерасположенными ведущи- ми колесами. У тракторов с задними ведущими коле- сами нагрузка на переднюю ось составляет обычно 30...40 % общего веса; при задней на- вески рабочего оборудования нагрузка на пе- реднюю ось уменьшается до 20 % общего веса машины. Полезная сила тяги у тракторов этого типа составляет 50...80 % нагрузки на заднюю ось. Пределом мощности трактора, выпол- ненного по схеме 4x2, считают 110... 130 кВт. Привод на передние колеса обладает некото- рым преимуществом для машин с фронталь- ной навеской рабочего оборудования. Тракторы мощностью более 130 кВт обычно имеют четыре ведущих колеса одина- кового диаметра. У этих тракторов нагрузка на переднюю ось составляет около 60 %. При задней навески рабочего оборудования нагруз- ка на передние и задние ведущие колеса рас- пределяется примерно поровну, благодаря чему достигается оптимальное использование веса машины. Трактора со всеми ведущими колесами имеют, как правило, более высокий тяговый КПД и силу тяги при том же буксова- нии, чем трактор 4x2. Расположение ведущих колес в гусенич- ных машинах влияет на характер нагружения гусеничной цепи. При переднем расположении ведущих колес наибольшее натяжение имеет верхняя ветвь гусеничного обвода. Некоторое сменное рабочее оборудова- ние к колесным и гусеничным тракторам для строительных и дорожных машин приведено на рис. 1.2.1. 1.2.2. КОМПОНОВКА ТРАКТОРОВ И РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ Тракторы общего назначения. Гусе- ничные тракторы характеризуются передним расположением двигателя, к которому жестко крепится сцепление или гидротрансформатор, задний мост с конечными передачами, меха- низмами поворота и тормозами, коробка пере- дач, соединяемые между собой жестко или с помощью карданной передачи. При жестком соединении заднего моста с коробкой передач сцепление (гидротрансформатор) соединяется с ними карданной передачей. Все сборочные блоки устанавливают на раме, к передней час- ти которой крепят ось шарнира балансирной балки или рессоры, концами опирающейся на рамы гусеничных тележек. Возможность кача- ния этих элементов вокруг оси ведущих колес или вокруг специальной оси, расположенной впереди ведущих колес, позволяет снизить напряженность конечной передачи и улучшить технологичность конструкции при выполне- нии монтажа и демонтажа. В передней части рамы расположен си- ловой капот с гидроцилиндрами бульдозерно- го оборудования. Рыхлительное оборудование крепят к заднему мосту. Тракторы такой ком- поновки выпускают в двух вариантах: с каби- нами ROPS и FOPS, имеющими каркасы, за- щищающие водителя соответственно при оп- рокидывании трактора и от падающих предме- тов. Кабины и каркасы располагают, как пра- вило, над задним мостом. Увеличение тягового класса трактора в отдельных случаях сопровождается изменени- ем его компоновки: смещением кабины в сто- рону двигателя и расположением за ней ряда сборочных единиц (масляных радиаторов дви- гателя, трансмиссии и гидросистемы, привод вентилятора которых осуществляется от гид- рообъемного мотора). Однако смещение каби- ны ограничено. Так, по мере смещения кабины в крайнее переднее положение снижается воз- можность обзора рабочих органов и гусениц и соответственно производительность агрегата вследствие ухудшения условий труда. Неудач- ное расположение двигателя сзади в межгусе- ничном пространстве трактора усложняет кон- струкцию несущей системы, увеличивает чис- ло соединений и трудоемкость обслуживания двигателя. Расположение ведущего колеса над гусе- ничной тележкой с выполнением треугольного обвода гусеницы позволяет применить блочно- модульный принцип построения сборочных единиц, снизить трудоемкость их обслужива- ния, монтажа и демонтажа. Такая компоновка применена фирмой "Катерпиллер" (США) на тракторах D8L, D9L и D10 (рис. 1.2.2).
КОМПОНОВКА ТРАКТОРОВ И РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ 21 Рис. 1.2.1. Сменное рабочее оборудование для строительных и дорожных машин: а - бульдозерные отвалы; б - корчеватели-собиратели; в - кусторез; г - снегоочиститель; д - лесовал; е - корчеватель; ж - толкатель; и - рыхлители; к - катки; л - скреперы; м - землевозные тележки; н - грейдер; п - грейдер-элеватор; р - канавокопатель; с - крановое оборудование Колесные тракторы общего назначения создаются на основе тракторов-погрузчиков и имеют аналогичную компоновку. Промышленные тракторы, созданные на базе сельскохозяйственных, имеют ту же ком- поновку и отличаются увеличенной прочно- стью конструкций ряда деталей ходовой части и трансмиссии. Эксплуатационную массу т3 трактора определяют по заданной номинальной силе тяги FH0M (кН): для гусеничного трактора мэ = FH0M /(9,8 • 1(Г3), для колесного т3 = = Люм /(6,5 • ИГ3). Масса бульдозерного и бульдозерно-рыхлительного /Иб.р агрегата рав- на сумме масс трактора тит и оборудования, а при неизменной массе оборудования рекомен- дуется принимать /Иб = 1,25/ит; /Иб.р = 1,45/wT. Для колесных тракторов масса бульдо- зерно-рыхлительного и погрузочного агрегата /Иб.р = 1,15тит; тп = 1,35тит. Для определения основных параметров вновь создаваемых тракторов можно использо- вать корреляционные зависимости (табл. 1.2.1, табл. 1.2.2). Рост массы трактора приводит к пропор- циональному увеличению силы тяги. Радиус ведущего колеса увеличивают пропорционально корню кубическому из массы трактора, в резуль- тате вращающий момент на ведущих колесах возрастает пропорционально массе в степени 4/3. С повышением тягового класса трактора пропорционально массе в степени 1/3 увели- чиваются линейные размеры всех деталей и сборочных единиц, а это приводит к росту изгибающих моментов пропорционально массе в степени 4/3.
22 Глава 1.2. ТРАКТОРЫ КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА Рис. 1.2.2. Компоновочные схемы промышленных тракторов: а - гусеничного D8L, D9L и D10 общего назначения; 1 - отвал бульдозера; 2 - гидроцилиндры; 3 - радиаторы и вентилятор; 4 - механизм поворота и конечные передачи; 5 - центральная передача; 6 - коробка передач; 7 - карданный вал; 8 - гидротрансформатор; 9 - двигатель; б - колесного погрузчика высокой мощности; 1 - радиаторы и вентилятор; 2 - двигатель; 3 - коробка передач; 4,6- центральные и конечные передачи; 5 - карданный вал; 7 - ковш; в - колесного подземного; 1 - двигатель; 2,6- карданные передачи; 3 - гидротрансформатор; 4 - коробка передач; 5, 7 - центральные и конечные передачи 1.2.1. Корреляционные зависимости между основными параметрами и массой промышленного трактора общего назначения Параметры Трактор гусеничный колесный (модификация сельскохозяйственного) Мощность двигателя Р, кВт (0,019 +0,0025) м?'95 (0,0597 ±0,01) от?’85 База L, м (1 + 0,10)(0,0775 0,014 (1 ± 0,05)(1,14 + 0,668 ^Й7) Колея В, м: гусениц передних колес задних колес (0,41 +0,04)(0,145^/т7+1) (1 + 0,05)(0,445 + 0,0718^7) (0,105 + 0,01)^7
КОМПОНОВКА ТРАКТОРОВ И РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ 23 Продолжение табл. 1.2.1 Параметры Трактор гусеничный колесный (модификация сельскохозяйственного) Ширина Ь, м: гусениц передних колес задних колес (0,02 ± 0,002) (0,0135 + 0,0025) (0,031 + 0,005) ^7 Радиус поворота посередине колеи R, м - (1 + 0,08)(1,66 +0,145^7) Подача насосов гидросистемы Q, л/мин (250 + 50)(0,076 - Высота грунтоза- цепа h, мм (1 + 0,1)(2,632 + 0,0004^/m7) - Наружный диа- метр колес D, м: передних задних (1 ± 0,08)(0,2 + 0,045 з/^7) (1 ±0,1)(0,35 +0,08^7) Примечание. Пределы массы для гусеничного трактора (5... 75) 103 кг, для колесного (10...64)102 кг. 1.2.2. Корреляционные зависимости между основными параметрами и массой (кг) тракторов-погрузчиков Параметры Трактор колесный гусеничный Мощность, кВт: двигателя гидросистемы (максимальная) гидросистемы поворота, кВт (1 ± 0,12)(0,112ти°’75 - 24) (0,00426 ± 0,0007) тТ (0,0022 ± 0,0007) тТ (0,00938 + 0,0011) mJ’96 (0,0036 ± 0,00066) тит Размеры, м: базы колеи ширина: колеса гусеницы наружный диаметр колеса (0,12 + 0,01)3/^7 (0,1 ± 0,05)(0,67 + 0,057 ^7) (0,022 ±0,0025)^7 (1 + 0,07)(0,25 + 0,0525 ) (0,1 ±0,007) ^/гё7 (0,072 + 0,004)^7 (0,017 + 0,001)^7 радиус пово- рота посере- дине колеи (0,193 + 0,03)^7 -
24 Глава 1.2. ТРАКТОРЫ КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА Продолжение табл. 1.2.2 Параметры Трактор колесный гусеничный Г рузоподъемность (эксплуатационная), кг (0,3 ± 0,045) тит (0,235 ± 0,04) ?ит Геометрическая вместимость ос- новного ковша, м3 (0,136 + 0,03) тТ- 10’3 (0,107 ± 0,014) тт • 10’3 Высота подъема ковша (макси- мальная), м (1± 0,09)(0,7 + 0,13 ^7) (1 ±0,08)(0,92 + 0,11^7) Отвал бульдозера должен иметь мини- мально возможную ширину и максимальную высоту. Высота и ширина отвала: Лот = (0,82-1,18)(41,88 +0,37^7 )^7 ; йот = (0,88 - 1,12)(132,09 + 0,33 ^7) ^^7 • Специальные тракторы. Трактор-по- грузчик с гусеничным движителем отличается от трактора общего назначения увеличенной базой, которая достигается установкой допол- нительного опорного катка и заменой рессоры жесткой или балансирной балкой. Рама вы- полнена как одно целое с порталом погрузоч- ного оборудования. Центр давления смещается под влиянием сил сопротивления при заполне- нии ковша и массы груза при перемещении его в поднятом положении. С учетом этих факто- ров определяют давление на почву и углы ус- тойчивости. Координаты центра масс вычис- ляют для трактора-погрузчика с порожним и заполненным ковшом в транспортном положе- нии и в момент отрыва. Управляемые колеса тракторов-погрузчиков малых тяговых классов разно- или равновеликие. Управление осуще- ствляется поворотом передних или задних, а также всех колес. Полурамы соединяются с помощью вер- тикального шарнира и поворачиваются при относительном их перемещении в горизон- тальной плоскости. Двигатель, коробка пере- дач с раздаточной коробкой устанавливаются на задней полураме, портал - на передней. Кабина может располагаться как на передней, так и на задней полураме. Для работы на почвах с низкой несущей способностью и на болотах используют боло- тоходные тракторы, созданные на базе тракто- ров общего назначения, тракторов-погруз- чиков или сельскохозяйственных тракторов. Отличительной особенностью их конструкции являются движители, оснащенные уширенны- ми звеньями, и длинная опорная поверхность гусеницы, которую выбирают исходя из про- ходимости по болоту, т.е. давление на почву должно быть снижено до допускаемого значе- ния. Компоновка болотоходных тракторов в остальном не отличается от базовой модели. Необходимо учитывать увеличение мас- сы трактора при снижении давления на опор- ную поверхность. В отечественном тракторо- строении первый болотоходный трактор ДТ-55 был создан на базе сельскохозяйственного трактора ДТ-54. Опорная поверхность гусениц была увеличена в 1,9 раза путем расширения консольной части звеньев и опускания натяж- ного колеса трактора на грунт при некотором увеличении длины гусеницы. Масса гусениц возросла при этом в 1,6 раза, среднее давление на опорную поверхность снизилось от 33,6 до 21 кПа, т.е. на 60 %. Однако одностороннее увеличение ши- рины консольной части звеньев гусеницы при работе на твердых грунтах приводит к их пе- рекосу и ускоренному изнашиванию. При соз- дании трактора ДТ-75 в его конструкции были учтены требования, обеспечивающие разра- ботку болотоходной модификации ДТ-75Б с симметричным увеличением ширины звеньев. Одновременно больше стала длина опорной поверхности гусениц за счет выдвижения впе- ред и опускания на грунт натяжного колеса. В результате площадь опорной поверхности возросла в 2,62 раза, масса движителей в 1,77 раза, увеличилась масса конечных пере-
КОМПОНОВКА ТРАКТОРОВ И РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ 25 дач рамы. В результате среднее расчетное дав- ление на грунт трактора ДТ-75Б снизилось в 1,9 раза (от 44 до 23 кПа) по сравнению с дав- лением, создаваемым базовой моделью. Масса гусеничного движителя трактора ДТ-54 со- ставляет 22 % полной массы трактора, ДТ-55 (болотоходной модификации) - 35 %, ДТ-75 - 20 % и ДТ-75Б - 37 %. Как было отмечено выше, рост массы приводит к пропорциональ- ному увеличению силы тяги и снижению на- дежности деталей трансмиссии и ходовой час- ти, а также к изгибным нагрузкам. Подземные тракторы предназначены для работы в стесненных условиях горных разработок — шахтах и на строительстве тон- нелей. Они должны иметь ограниченные раз- меры и не должны загрязнять окружающую среду отработавшими газами. Ограничение габарита по высоте обусловило отсутствие кабины, вынос двигателя за пределы передней, колесной базы (см. рис. 1.2.2, в). Земноводные тракторы предназначены для производства землеройных работ на глу- бине до 6...7 м. Тракторы управляются по ра- дио аквалангистом или с берега и имеют сис- тему забора воздуха для обеспечения работы дизеля и герметичные узлы и агрегаты. Малогабаритные промышленные трак- торы предназначены для небольших по объе- му вспомогательных работ (рытья траншей вблизи зданий, очистки каналов и др.). Осо- бенностью их компоновки являются отсутст- вие кабины, гидрофикация управления и при- менение гидрообъемной трансмиссии. Лесопромышленные тракторы. Для механизации лесосечных работ применяют как гусеничные, так и колесные тракторы (рис. 1.2.3). В отечественном тракторострое- нии гусеничные лесопромышленные тракторы создаются как самостоятельные модели. Ко- лесные тракторы этого назначения произво- дятся на базе сельскохозяйственных тракторов, выполненных по схеме 4К4, в конструкцию которых вносятся изменения, направленные на обеспечение надежности их работы, безопас- ных условий эксплуатации, повышения прохо- димости, маневренности и агрегатирования с различным технологическим оборудованием. Рис. 1.2.3. Классификация машин, работающих на лесосеке
26 Глава 1.2. ТРАКТОРЫ КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА Такие машины создают на базе тракто- ров, имеющих технологическую площадку за кабиной (типа Т-150К). Они не обладают дос- таточной проходимостью и характеризуются большим объемом технического обслужива- ния. Условиям использования лесопромыш- ленных машин наиболее полно отвечают трак- торы с гусеничным движителем и с приводом всех колес (4К4, 6К6 или 8К8), что позволяет улучшить тягово-сцепные показатели и повы- сить проходимость путем снижения давления на опорную поверхность и уменьшения глуби- ны колеи. На основе базовой конструкции создано семейство машин. Снижение давления на лесные почвы и растительный покров имеет важное значение и с точки зрения защиты природы, но конструк- тор должен учитывать тот факт, что создание многоосных машин требует применения слож- ных подвесок, тормозных систем и привода на все колеса, что существенно усложняет маши- ну, приводит к росту ее стоимости. Проходимость машины определяется па- раметрами трактора, характеристикой поверх- ности (почва, снег, болото, растительный по- кров и др.), условиями труда водителя и его квалификацией. Требования к последней во многом зависят от конструкции машины. Ко- лесные тракторы с шарнирным сочленением полурам обеспечивают преодоление препятст- вий без потери контакта смежных колес с опорной поверхностью. Корреляционные зави- симости между параметрами трехосных трак- торов приведены в табл. 1.2.3. Тип и конструкция технологического оборудования определяются назначением и технологией выполнения работ в производст- ве. С помощью технологического оборудова- ния производятся: погрузка и разгрузка сорти- ментов и деревьев, обрезка сучьев, раскряжев- ка и другие операции. Технологическое обору- дование подразделяется на рабочее и дополни- тельное, т.е. устанавливаемое на период вы- полнения конкретного вида работ, и может располагаться в различных местах трактора. Общим требованием к его расположению яв- ляется обеспечение устойчивости трактора и минимальное влияние на показатели проходи- мости, так как масса трактора с установкой такого оборудования увеличивается до 60 %. Допускаемая суммарная масса технологиче- ского оборудования и груза (или его части) может достигать 75 % (в перспективе 100 %) эксплуатационной массы трактора. 1.2.3. Корреляционные зависимости между основными параметрами и массой лесопромышленных тракторов (трехосных) Параметры Зависимости Мощность двигателя, кВт 1325,7 - 335,9 тт + 29,4 т3 - 0,81 т3 Колея трактора, м 1,157 + 0,172тит - 0,059 т* База трактора, м 6,25- 0,33 тТ + 0,0189 т3 База задней тележки, м 2,67 +0,96 тит -0,074 т3 - 0,0019 т3 Навесоспособность трактора, кг (45,60 - 6,406 тт + 0,286 т\) • 103 Грузовой момент гидроманипулятора, кг • м (0,892 + 0,483 тт ) • 103 Вылет стрелы гидроманипулятора, м 61,49-14,0тТ + 1,137т3 -0,029т3 Масса технологического оборудования, кг (0,471 + 0,064 тТ - 0,0068 т3) • 103 Ширина задней платформы, м 6,087-1,108 тит +0,104 т* - 0,0029 т3 Длина задней платформы, м 46,65 -11,0 тТ + 0,93 т3 - 0,025 т3 Примечание. Масса трактора находится в пределах тт = (5,5... 19,1) • 103 без транспортируемого груза, т-г = (10,3...30,5) • 103 кг с транспортируемым грузом.
КОМПОНОВКА ТРАКТОРОВ И РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ 27 Увеличение вертикальной координаты центра масс при надкабинном расположении оборудования приводит к уменьшению углов поперечной и продольной устойчивости, сме- щению центра давления, которые следует оп- ределять с учетом транспортируемого мате- риала (пачки деревьев и др.). Причем при на- груженном и холостом ходах трактора углы устойчивости должны соответствовать задан- ным стандартами или другими документами требованиям. Агрегатирование гусеничного трактора с машинами привело к увеличению площадки для размещения технологического оборудова- ния. Двигатель располагают в передней части трактора, кабина смещена также вперед и вле- во по ходу машины и частично находится над двигателем и гусеницей. Такое расположение кабины и наличие технологической площадки позволяет расположить переднюю часть пачки леса близко к центру опорной поверхности движителей (гусеницы), практически не сме- щая центр давления. Незначительное смеще- ние центра масс вперед относительно центра давления позволяет устанавливать челюстной погрузчик. При наличии технологической площадки сзади и сбоку кабины можно протя- гивать дерево при обрезке сучьев. Сборочные единицы, детали, а также технологическое оборудование крепятся на раме трактора. Отечественные гусеничные лесопромышленные тракторы имеют балан- сирно-рычажные подвески ходовой части. У трактора ТТ-4М подрессорена только перед- няя каретка подвески, а задняя - установлена жестко, что позволяет практически сохранить клиренс трактора при догрузке его технологи- ческим оборудованием и пачкой древесины, но увеличивает динамические нагрузки на ходо- вую часть и другие детали, снижает скорость движения. Дорожный просвет трактора выбирают из условия обеспечения движения по неподго- товленным волокнам с пнями высотой до 0,5 м и снижения сопротивления движению по глу- бокому снежному покрову. Параметры движи- телей выбирают из условия обеспечения про- ходимости по местности, минимальных потерь мощности и заданной надежности его работы. При определении конструктивных параметров лесопромышленных тракторов следует исхо- дить из наиболее тяжелых условий их работы. Сопротивление движению определяется средним пиковым давлением под опорной поверхностью гусеницы и коэффициентом перегрузки. Допускаемые максимальные пико- вые давления для трактора при движении по снежному покрову не должны превышать 0,06 МПа, что соответствует среднему давле- нию 0,02 МПа. Потерей проходимости лесопромышлен- ного трактора по снежному покрову следует считать невозможность его движения из-за касания днищем поверхности пути. При этом сила тяги меньше силы сопротивления или равна ей. Дорожный просвет Лд выбирают из усло- вия Лд > Лк, где Лк - глубина колеи. В практике конструирования принимают Лд = 0,575...0,675 м для гусеничных и 0,585 м для колесных (4К4) и других полноприводных тракторов. К параметрам, изменяющим давление движителей на опорную поверхность, относят- ся длина и ширина гусеницы, число опорных катков и их радиус. Изменение ширины гусе- ницы незначительно влияет на изменение со- противления движению. Например, для сни- жения сопротивления в 2 раза ширину гусени- цы необходимо увеличить в 8 раз. Изменение базы трактора (ее увеличение) без увеличения числа катков не приводит к изменению пико- вого давления под ними, а значит, и к умень- шению сопротивления качению. Увеличение базы должно сопровождаться увеличением числа опорных катков (wKi или п^) и, жела- тельно, их размеров (7?i или R2), т.е. увеличе- нием активной опорной поверхности. Если Ик1^1 = Ик2^2> т0 такие две схемы ходовой части эквивалентны по сопротивлению движе- нию трактора. При постоянном пиковом дав- лении сопротивление движению можно сни- зить только путем уменьшения ширины гусе- ничного движителя при одновременном уве- личении длины активной опорной поверхно- сти. При этом важным условием является по- ворачиваемость машины, т.е. опорная длина гусеницы должна быть максимальной по усло- виям поворота: Lr = (1,2...1,8)В, где В - колея трактора. Колею выбирают из условия обеспечения поворачиваемости. Отношение базы к колее трактора изменяется в зависимости от его мас- сы: при массе трактора 6 т оно составляет 1,31; при 12 т- 1,46. Увеличение отношения базы к колее приводит к ухудшению маневренности, но позволяет сохранить давление на почву с ростом массы трактора.
28 Глава 1.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ МАШИН Энергонасыщенность отечественных ле- сопромышленных тракторов достигает 6,8 кВт/т (9,3 л.с./т), что меньше, чем у зарубежных ма- шин: 8,8 кВт/т (12 л.с./т). При выборе энерго- насыщенности необходимо строго руковод- ствоваться назначением трактора, так как ее рост по-разному влияет на увеличение произ- водительности при выполнении технологиче- ских операций и негативно отражается на на- дежности работы машины. Увеличение энер- гонасыщенности ведет к росту производитель- ности на трелевке леса, но имеет свой предел. Для трактора ТБ-1М увеличение энергонасы- щенности в 1,5 раза (от 7,4 до 11 кВт/ч) приво- дит к росту производительности на 4 %, а на- работка на отказ по второй группе сложности снижается на 39 %, и по третьей - на 16 %. Глава 1.3 АВТОМАТИЗАЦИЯ МАШИН 1.3.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Процесс функционирования машины представляет собой организованную и упоря- доченную совокупность действий - операций двух типов: рабочих и управления. Рабочая операция направлена на выпол- нение рабочим органом машины предписанно- го ее назначением процесса. Правильное и качественное выполнение рабочей операции обеспечивается операциями управления, ко- торые составляют процесс управления. Совокупность технических средств (ма- шин, рабочих машин, агрегатов и т.д.), выпол- няющих соответствующие рабочие операции, представляет собой объект управления. Взаимосвязь основных понятий и опре- делений автоматического управления приве- дена на рис. 1.3.1. Объектом автоматизации может быть машинный агрегат, отдельная машина, входя- щая в его состав, а также отдельная подсисте- ма или механизм машины. Автоматизацию отдельного технического устройства или ме- ханизма машины называют локальной, или частичной автоматизацией. При этом осу- ществляется автоматическое управление толь- ко отдельными рабочими операциями полного рабочего процесса машины. Локальная авто- матизация улучшает качество рабочего про- цесса, облегчает труд оператора. Примером локальной автоматической системы может быть автоматическая трансмиссия транспорт- ного средства, в которой все процессы управ- ления выполняются без участия оператора. Комплексная автоматизация машин- ного агрегата означает автоматическое выпол- нение всего комплекса операций по его управ- лению. Это возможно, если агрегаты и меха- низмы машины, требующие управления, снаб- жены автоматическими устройствами, объеди- ненными общей системой управления. Функ- ции оператора в этом случае сводятся к на- блюдению за ходом рабочего процесса и изме- нению режима работы автоматических уст- ройств с целью достижения наилучших техни- ко-экономических показателей. Рис. 1.3.1. Взаимосвязь основных понятий и определений автоматического управления: АК- автоматический контроль; АД- автоматическое диагностирование; АЗ - автоматическая защита
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМАМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 29 Наибольшая эффективность может быть достигнута при комплексной автоматизации, которая обеспечивается применением микро- процессорной техники. В общем случае под управлением подра- зумевают комплекс мер и действий, направ- ленных на достижение поставленных целей. Целями автоматизации машинных агрегатов являются повышение эффективности труда, улучшение качества выполняемых рабочих процессов, оптимальное использование потен- циальных возможностей агрегатов, улучшение условий труда операторов, защита окружаю- щей среды. Это выражается в увеличении средней скорости движения, уменьшении рас- хода топлива на единицу выполненной работы, улучшении управляемости, проходимости и плавности хода машин, повышении тормозных качеств и устойчивости движения, повышении безопасности движения, облегчении и упро- щении управления, а также в улучшении мно- гих других эксплуатационных качеств. 1.3.2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМАМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Комплекс взаимодействующих между собой технических устройств, содержащий объект управления и автоматическое управ- ляющее устройство, называют системой ав- томатического управления (САУ). Автома- тизация современных многофункциональных машинных агрегатов включает множество аспектов. Высокая универсальность энергетиче- ских средств и большое количество агрегати- руемых с ними машин, многофункциональ- ность и комплексность обусловили широкую номенклатуру контролируемых параметров строительных, дорожных и коммунальных машин, что определило требования, предъяв- ляемые к системе автоматического управле- ния, которая должна обладать теми же качест- вами. Во-первых, это ее универсальность - способность контролировать одинаковые па- раметры на разных машинах; во-вторых, мно- гофункциональность - выполнение операций диагностирования, сигнализации, регулирова- ния, контроля, управления и учета; в-третьих, комплексность - контроль различных пара- метров на одной машине. Классификация САУ строительных, дорожных и коммунальных машин приведена на рис. 1.3.2, а контролируе- мые параметры - на рис. 1.3.3. Автоматизация строительных, дорожных и коммунальных машин выдвигает проблемы обеспечения совместимости электрических и электронных систем различных машин, стан- дартизации формы и видов генерируемых дат- чиками электрических сигналов, унификации выходных сигналов, а также носителей ин- формации и кодов. Рис. 1.3.2. Классификация САУ
i ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИЙ! | Энергетическое средство | | Специальное | | Трактор"] I Автомобиль I Машина -| Рабочий орган ~] Температура в кабине оператора в системах охлаодения двигателя, трансмиссии в системах" смазывания узлов и агрегатов окружающего воздуха топлива - Давление в системах смазывания в системах управления торможением в шинах колес в системах управления трансмиссией в гидросистеме в системе пуска двигателя в тормозной системе угол закрутки торсиона (момент),_ Сила и момент момент вращательный двигателя момент на валах ра- бочих органов сила в сцепном устройстве нагрузка на оси ходовой части сила демпфирования в подвеске сила тока в электросети напряжение в электросети частота вращения вала отбора мощности Частота вращения и скорость частота вращения двигателя скорость движения (дейст.) частота вращения рабочих органов машин Расход пройденный путь (моточасы) Состояние системы - загрязнение фильтров, топлива, масел, воздуха плотность электролита в аккум.батареях наличие воды в топливе Зарядка накопителей энергии воздуха кислорода топлива рабочих жидкостей Положение угол п отклонение заслонки топлиподачи рабочего органа машины поворота рулевого _ колеса наклона машины отклонение от заданной траектории движения наклона рабочего органа машины Перемещение заслонки рейки топливного насоса педали управления подачи топлива положение тяги механизма управления уровень топлива уровень масел, рабочих жидкостей - Глава 1.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ Рис. 1.3.3. Контролируемые параметры агрегатов строительных, дорожных и коммунальных машин сиденья и зеркал рабочих органов машины - определение дистанции до препятствия или машины
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМАМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 31 При образовании различных систем бло- ки и устройства необходимо составлять по принципу информационной, энергетической, метрологической (классы точности) и конст- руктивной (присоединительные размеры) со- вместимости и надежности. По условиям эксплуатации и предъяв- ляемым требованиям датчики по надежности делятся на три класса: 1) для рулевого управ- ления, тормозной системы, безопасности; 2) для двигателя, трансмиссии, подвески ма- шины; 3) для обеспечения комфортности, ин- формационности, а также для диагностики, противоугонной системы. Энергетическая совместимость реализу- ется на основе принципа - элементы, исполь- зующие энергию, не должны требовать новых видов энергии, кроме применяемых на объекте автоматизации. Например, на тракторе могут быть применены элементы, использующие энергию гидравлических, электрических и пневмосистем или их сочетание. Наиболее широко применяются два первых источника энергии. Энергия сжатого воздуха использует- ся не на всех машинах. Унификация присоеди- нительных размеров не требует пояснений и относительно легко может быть обеспечена. Унифицированные типоразмерные ряды дат- чиков предпочтительно строить на принципе прямых измерений, избегать замены их кос- венными измерениями, снижающими досто- верность и усложняющими конструкцию. Одновременное применение прямых и косвенных измерений параметров в значитель- ной мере обусловлено различной степенью приспособленности объекта к автоматизации как всей системы, так и ее подсистем. В орга- низационном плане это вызвано, во-первых, необходимостью автоматизации машин, уже находящихся на производстве и, во-вторых, отсутствием научно обоснованных методик и требований к конструкции машины и ее узлов как к объекту автоматизации, в свою очередь, содержащих решение проблемы и по созда- ваемой технике. Критерием целесообразности примене- ния САУ на строительных, дорожных и ком- мунальных машинах должен быть экономиче- ский и экологический эффекты от их исполь- зования, а в ряде случаев приоритет может быть отдан условиям труда. Последнее особо проявляется в тяжелых или вредных условиях эксплуатации техники, когда автоматические системы позволяют ослабить или полностью исключить негативные воздействия на орга- низм человека. Такой подход позволит вы- явить номенклатуру технических средств, ма- шин, подлежащих автоматизации, определить приоритетность создания автоматических сис- тем с целью получения максимального эффек- та от их применения. Целесообразность перевода локальных средств автоматизации отдельных узлов ма- шины на системы с микропроцессорной тех- никой должна основываться на необходимости управления ими от единого бортового компь- ютера с целью автоматизации выходных пара- метров агрегата, а не отдельных его частей. Необходимо учитывать возможность возник- новения «конфликтов», затрудняющих или не допускающих одновременного действия сис- тем на одной машине. Комплексная САУ наделяется признака- ми большой системы: отказ локальных систем различного назначения (одной или несколь- ких) не должен приводить к отказу всей сис- темы, при этом возможно снижение эффектив- ности использования агрегата из-за необходи- мости ручного управления им и возникшей трудностью оптимизации его работы. На работу электронной аппаратуры влияют погодно-климатические условия (влажность и температура окружающей сре- ды), диапазон изменения напряжения в борто- вой сети, уровень помех в цепях питания. Тре- бования к работоспособности и сохранности изделий электрооборудования, в том числе и электронной аппаратуры, регламентируются стандартами (ГОСТ Р 52230-2004). На работу электронной аппаратуры ока- зывают влияние различные помехи, основные из которых возникают в цепях питания в ре- зультате работы различных электромагнитных механизмов и устройств (полевые), действия которых сопровождается искрообразованием. Защита электронной аппаратуры от помех является достаточно сложной проблемой. Из- вестно, что в качестве источников питания электронной аппаратуры используются гене- ратор и аккумуляторная батарея, являющаяся надежным фильтром для низкочастотных по- мех. При внезапном отключении аккумулятор- ной батареи или подключении потребителя электроэнергии с изменяющейся в значитель- ных пределах силой тока (15...20 А) могут возникать значительные перенапряжения в цепях питания.
32 Глава 1.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ МАШИН 1.3.3. СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ МАШИН Этапы разработки и внедрения средств автоматизации. В отечественной практике можно выделить два этапа разработки и вне- дрения средств автоматизации строительных, дорожных и коммунальных машин. В основу первого поколения аппаратуры (1968 г.) поло- жены потенциометрические преобразователи и схемы, собранные на электромеханических реле. Системы работали по жестким програм- мам, не позволяющим адаптироваться к изме- няющимся внешним условиям; работа каждой системы осуществлялась автономно, исключа- лась возможность объединения САУ в единый комплекс с целью увязки режимов функцио- нирования систем. Результат - снижение эф- фективности их использования. Аппаратура второго поколения построе- на на универсальных базовых элементах - дискретных и аналоговых бесконтактных элек- тронных преобразователей перемещений в электрический сигнал и унифицированных модулях. Высокий уровень унификации позво- лил увеличить серийность их выпуска и снизить стоимость. Применяемые в САУ и системе за- щиты строительных, дорожных и коммуналь- ных машин датчики имеют унифицированные сигналы, благодаря чему замена одного датчика на другой не сказывается на работе остальных элементов унифицированного канала. На этом этапе были созданы системы: профиль-10 и -20, стабилослой-10, стабило- план-10, копир-стабилоплан-10, копир-авто- план-10, комбиплан-10, штрих-1, ограничители грузоподъемности кранов (типа ОГК): ограни- читель грузоподъемности (типа ОГБ-2, ОГБ-3, ОГБ-ЗО и серии ОГБ-4 и ОГБ-40), ав- тономная система автоматического регулиро- вания поперечного уклона рабочего органа экскаватора. Назначение САУ для строительных, до- рожных и коммунальных машин и контроли- руемые параметры приведены на рис. 1.3.4. Система автоматического управления лазером САУЛ-1. Характеристика САУ, рабо- тающей с помощью лазерного луча (САУЛ-1), обеспечивающая групповое управление прак- тически любым количеством машин, приведе- на ниже. Диапазон действия системы, м......... 5...400 Погрешность задания уклона опорной плоскости,", не более................ ±30 Точность планировки от плоскости, зада- ваемой лучом, см..................... ±0,05 Погрешность задания направления про- ектного уклона, мин, не более......... 10 Диапазон уклонов опорной плоскости, создаваемой излучателем.............. 0 ± 0,03 Система САУЛ-1 предназначена для ав- томатического поддержания заданного высот- ного положения рабочего органа землеройной машины с гидроприводом. Система может быть использованы для автоматического управления высотным положением рабочих органов бульдозеров, скреперов, автогрейде- ров, канавокопателей, планировщиков, ас- фальтоукладчиков и др. Она обеспечивает одновременное управление практически лю- бым количеством машин. В состав системы входят лазерный излучатель Ли-1 и приемные устройства ЛПУ-1 (не менее двух). Техническая характеристика лазерного излучателя приведена ниже. Длина волны, мкм..................... 0,6328 Выходная мощность излучения, мкВт, не менее.................................. 200 Нестабильность положения световой плос- кости по времени, 7ч, не более.......... 10 Диаметр поперечного сечения луча на расстоянии 5...400 м, мм, не более... 60 Частота вращения узла развертки луча, с-1, не менее.......................... 7 Потребляемая мощность, Вт, не более.. 40 Сопротивление изоляции, МОм, не менее .. 0,5 Луч выходит из торца излучателя (рис. 1.3.5). Головка излучателя предназначена для преобразования отвесного коллимирован- ного луча лазера ] в световую плоскость с переменным углом наклона от горизонтали. Основными узлами головки являются зеркаль- ный отражатель 4 и механизм задания уклона 3. Отражатель 4 поворачивает падающий на него отвесный лазерный луч на 90°. При вра- щении отражателя образуется горизонтальная световая плоскость. Если придать уклон (от- клонение от вертикали) падающему на отража- тель лучу, то световая плоскость будет на- клонной. Наклоны отвесного лазерного луча осуществляются специальным механизмом.
Z.IEI - I Рис. 1.3.4. Назначение САУ и пределы измерения выходных величин Обеспечение стабилизации углового положения отвала в поперечной плоскости автономно и по высоте по копиру. Пределы задания поперечного уклона: плавно ±8,8%, ступенчато ±48*. глубины резанья плавно (из кабины) - 0...90 мм 11 НАЗНАЧЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ | - Профиль-10 Профиль - 20 || АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ | । Автогрей- деры среднего, легкого и тяжелого типа I ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ I Обеспечение стабилизации положения режущей кромки ковша в продольном направлении. Пределы задания продольного уклона: плавно ±8,8%, ступенчато ±48°, в копирном режиме ±0,3% ... । Копир-стаби- лоплан -10 1 Скреперы прицепные Обеспечение стабилизации положения отвала в продольном направлении и угла перекоса. Пределы задания: уклона и угла перекоса в автономном режиме плавно ±8%; ступенчато ±48°; в копирном режиме уклона ±0,3% • Копир-авто- план -10 I Бульдозеры с поворотным и неповоротным отвалом Дистанционное управление работой форсунок. Длина штрихов 0,5; 1; 2; 3; 4; 6; 9; 12; 30 м, соотношение между штрихом и паузой 1:1; 1:3; 1:1/3. Обеспечение возможности набора любой программы, предусмотренной для дорожной разметки. Ручная регулировка длины штриха и паузы при нанесении нестандартных линий и восстановле- нии старой разметки Штрих-1 । Марки- ровочные машины Регулирование поперечного уклона рабочего органа экскаватора, угловая стабилизация поперечного сечения канала относительно гравитационной вертикали Система регулирования стабилослой-10 поперечного уклона - САРПУ । Шнеко- роторный экскаватор Обеспечение заданного продольного уклона дна траншей по копирному тросу. Зона нечувствительности датчика (по щупу) 10... 16 мм । Экскаватор дреноукладчик, бестраншейный дреноукладчик Обеспечение углового положения рабочего органа, регулирования высотного положения его днообразующей кромки и заданного продольного уклона дна щели по копирному тросу. Требуемая точность: местные отклонения фактически уложенной дренажной трубы от ее средней линии не более ±2 см. Допуск на уклон средней линии уложенной дрены ±0,0005% Обеспечение стабилизации углового положения выглаживающей плиты в поперечной плоскости автономно, по высоте по копиру или стабилизации углового высотного положения плиты по двум копирам. Пределы задания поперечного уклона: выглаживающей плиты плавно 8,8%, а во втором режиме в пределах разности высот 0...90 мм; положение плиты по высоте плавно 0...90 мм » Асфальто- укладчики и укладчики покрытий Все виды кранов с решетчатой стрелой с нагрузками 300...1000 кН и всеми видами сменного оборудования (удлинители, управ- ляемые и неуправляемые гуськи, спец.захваты) Защита от перегрузки на всех режимах работы и при всех видах сменного оборудования с автоматической сигнализацией и запрещением перемен- ной, увеличивающих перегрузку сверх предельно допустимой (1.1&J. Индикация степени загрузки. Отклонение от настроечных данных и воспроизводи- мость в пределах ±2% - в опорной точке и ±4% - в остальных точках Ограничите ОГУ, ОГБ-3, пь грузоподъемности ОГБ-ЗО, ОГБ-4, ОГБ-40 НИПТУИ HHlWEHlVJNOlHV KHlHHEVd ИИПНЯЙНЯ1И ЯИНКО1ЭОЭ
34 Глава 1.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ МАШИН Рис. 1.3.5. Схема лазерного излучателя ЛИ-1: 1 - лазер; 2 - коллиматор; 3 - клинья механизма задания уклона; 4 - отражатель; 5 - защитное стекло Лазерное приемное устройство ЛПУ-1 служит для регистрации световых импульсов, создаваемых лазерным передатчиком, и пре- образует их в электрические сигналы, управ- ляющие работой гидравлическими золотника- ми. Техническая характеристика ЛПУ-1 при- ведена ниже. Длина волны, мкм...................... 0,6328 Минимальная регистрируемая мощность излучателя, мкВт....................... 25 Параметры импульсов регистрируемого излучения, мкс: минимальная длительность импульса.......................... 3 максимальная длительность перед- него фронта.................... 300 Напряжение выходного сигнала при силе тока 1 А, В, не менее................ 10 II 1П+20°/о Напряжение питания постоянного тока, В 12_10 о/о Потребляемая мощность без нагрузки, Вт, не более........................... 15 Применение в САУ элементов элек- троники. Технической базой автоматизации строительных, дорожных и коммунальных машин являются электронные средства обра- ботки информации - микропроцессоры и мик- роЭВМ. Это позволяет создавать машины с САУ движением по курсу и управления всем комплексом операций при циклической техно- логии выполнения работ, использовать метод группового управления, а в результате - при- ступить к созданию машин-роботов. САУ автогрейдерами и другими строи- тельными, дорожными машинами позволяют в 10-20 раз сократить (по сравнению с ручным управлением) число воздействий на органы управления, которые производит оператор, выполняя отделочные операции. Даже наибо- лее трудные работы оператор выполняет в удобной и ненапряженной позе. Исключается монотонная многократно повторяемая обра- ботка одного и того же участка при планиро- вании и профилировании дорог, рисовых чеков и многих других объектов. САУ оборудуются комплексы машин для строительства магист- ральных автодорог, бетоносмесительные уста- новки и комплекты оборудования для произ- водства бетона, асфальтоукладчики и асфаль- тосмесители, маркировочные машины, камер- ные насосы и установки для загрузки цемен- том железнодорожного и автомобильного транспорта. Использование автоматизированной тех- ники (машинных систем) позволяет: в 2-3 раза повысить производительность на трудоемких видах работ, обеспечить высо- кое их качество; снизить требования к уровню квалифи- кации обслуживающего персонала; сократить удельный расход строитель- ных материалов на 0,01... 0,02 м3/м2 дороги; уменьшить число машин, необходимых для выполнения заданного объема работ в уста- новленные сроки и с требуемым качеством; снизить расход топлива на 10.. .20 %; увеличить срок службы и межремонтные сроки машин и сократить расходы на их ре- монт. На ряде работ, например по планирова- нию поверхности дорожного основания, при ручном управлении регламентируемое норма- ми СНиПа качество не может быть достигнуто. Колебание толщины слоев землеполотна сни- жает срок службы дороги в 1,5 - 2 раза. Аппаратура САУ строится на основе блочно-модульного принципа, отличается вы- соким уровнем унификации и состоит из уни- версальных блоков базовых элементов, дис- кретных и аналоговых бесконтактных элек- тронных преобразователей физических вели- чин в электрический сигнал. Типы применяе- мых и перспективных датчиков приведены на рис. 1.3.6.
I ДАТЧИКИ Положение (угол, перемещение) Контролируемые параметры Непосредствен но Положение заслонки педали управления подачей топлива, положение сиденья и зеркала, ход и положе- ние тяги механизма управления, уровень топлива Потенциометры со - скользящими под- вижными контактами С кольцом закорачивания - Попудифференциальные Интеллектуальные с " кольцом закорачивания - Сопенойдноплунжерные J Дифференциально- дроссельные J Дифференциально- I преобразовательные J ВЧ-датчики с "| вихревыми токами Датчик Холла Расходомеры Расход топлива Расход воздуха Расходомеры массы” воздуха Объемные расходомеры Расходомеры на основе трубки Пито Перспективные датчики Магнитно- резисторные тонкопленочные датчики NIFe Магнитно- резисторные датчики угла поворота в виде шлагбаума Магнитно-резис- торные датчики угла поворота по схеме псевдоэф- фекта Холла Датчики магнитного поля Частоты вращения и скорости (ускор.) Индуктивные Датчики Холла, (створочное вклю- чение эффекта Холла) Градиентные Тангенциальные - Перспективное при- менение датчиков: статистический кон- троль (нулевая часто- та вращения), работа с большим воздушным зазором, нечувствитель- ность к изменениям воз- душных зазоров, темпе- ратура до 200*С Колебательные гирометры Пьезоэлектрические датчики частоты отклонения вокруг вертикальной оси Радарные датчики |- Датчики ускорения,! вибрации Датчики ускорения на основе эффекта - Холла______ ПьеэоапектрическиеН Давления Измерение давления непосредственно путем отклонения диафрагмы или датчика усилия Толстопленочные датчики Полупроводниковые датчики Пьезоэлектрические датчики Высокого давления с металлической мембраной - Измерение гидроста- тического давления в цилиндрах с исполь- зованием резины или каучука - Эффект микроизгиба, используются волоконно-оптические тензодатчики давления - , Силы и момента Матитоупругие датчики опорно-сцепных устройств - Новые принципы действия датчиков Принцип вихревых токов Датчик крутящего мо- мента, замер радиально- го и аксимального сфучивания Измерение с помощью тенэореэисторов, ис- пользуются запреоова- нные и вплавленные в материал датчики Измерение силы с ис- пользованием толсто- пленочной тахнолоовт -___________J_______________ Расхода кислорода (датчик О2 или "Лямбда-зонд")! Датчик концентрации I __________кислорода_________। | Загрязнение фильторов |- | Датчики дождя (дождевыё)]- Рис. 1.3.6. Типы датчиков систем САУ Температуры с испо- льзованием резисторов Спеченые керамические резисторы Тонкопленочные метал- лические резисторы Толстопленочные резисторы Ионокристалические ~ кремневые полупро- водниковые резисторы СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ МАШИН
36 Глава 1.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ МАШИН Стандартизация бортовых сетей управ- ления и связи транспортных машин. В усло- виях рыночной экономики и жесткой конку- ренции особое значение приобретает исполь- зование международных стандартов в борто- вых сетях управления и связи при создании САУ. Одним из таких стандартов является стандарт SAE Л 939, разработанный Междуна- родным обществом инженеров самоходных машин, включающий комплект различных документов. Стандарт SAE Л 939 "Практические ре- комендации по бортовым сетям последова- тельного управления и связи на транспортных машинах" является основой для протоколов связи по системе CAN (сеть области управле- ния - Controlled Area Network), разработанной компанией БОШ в начале 1980 года для обмена данными между множеством микро- процессорных электронных блоков по одной и той же двухпроводной линии в тяжелых грузовиках и дорожно-строительной технике. В настоящее время пропускная способность канала Л 939 составляет 250 кБ/с, рассматрива- ется возможность ее увеличения до 1000 кБ/с при длине канала до 40 м. В конструкции мобильной техники при- менение нового протокола позволяет: повы- сить надежность канала связи; иметь встроен- ную самодиагностику; исключить длинные проводниковые соединения (провода); регист- рировать и записывать сообщения; изменять (модернизировать) дистанционно программное обеспечение. Новая связь - помехозащищена, на нее слабо влияют внешние электромагнит- ные и радиоизлучения при согласующей на- грузке на концах проводников около ПО Ом. Согласующие резисторы рассчитаны на мощ- ность 400 мВт. Кабель связи в системе CAN Л939 имеет две различающиеся конфигурации в зависимо- сти от требований и области применения. При использовании в строительной, дорожной и сельскохозяйственной технике кабель пред- ставляет собой неэкранированные свитые че- тыре провода (CAN-H, CAN-L, CAN-BAT и CAN-GND). Например, для машин по уходу и ремонту покрытия дорог требуется наличие как связи между машинами, так и связи между устройствами одной машины. Число необхо- димых отводов (узлов) канала связи на одной машине при этом может быть относительно небольшим. При использовании в технологи- ческой цепочке нескольких машин работа ка- ждой машины должна координироваться с основной машиной, при этом число узлов су- щественно возрастает. Использование канала Л 939 позволяет изменять (увеличивать или уменьшать) состав машин. Связь CAN может быть рекомендована к применению далеко не во всех случаях. Так, при трех или менее узлов при проектировании бортовой системы связи следует сопоставить другие варианты ее построения, например, связь через стандартный канал RS-232 или другие системы. Типичным примером может служить система связи на подъемном кране, на котором компьютер, показывающий значение нагрузки, устанавливается на земле, а дисплей, отображающий информацию - в кабине опера- тора крана. При этом кран может поворачи- ваться на 360°. В настоящее время система SAE Л 93 9 позволяет объединять узлы транспортных средств: двигатель, трансмиссию и тормоза. Благодаря гибкости системы Л 939 система связи CAN рекомендуется для тяжелой техники, которая используется при строительстве, добы- че и переработке сырья, на лесозаготовках. Совершенствование технологий создания электронных кристаллов - чипов позволяет улучшить функциональные характеристики всех его составляющих, что позволяет сокра- тить общее количество используемых чипов и уменьшить сложность всей системы. Многие электронные системы, например системы опускания - подъема стекол, в настоящее вре- мя настолько широко применяются, что они стали дешевле своих механических аналогов. Архитектура системы управления разви- вается в направлении локально-распределен- ных систем, в которых электронные и механи- ческие системы в значительной степени интег- рированы в мехатронные узлы. В то время как основные модули системы должны быть работоспособны в диапазоне температур -40...+85 °C, индикаторы имеют более узкий рабочий диапазон температур. Электронные устройства индикаторов должны иметь тот же диапазон рабочих температур, что и другие электронные устройства и систе- мы. Большинство производителей индикато- ров применяют дополнительный подогрев устройств для обеспечения их работоспособ- ности в условиях низких температур, а в ряде случаев устанавливают дополнительные охла- ждающие системы для обеспечения работы индикаторов при повышенных температурах.
ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫМИ И ДОРОЖНЫМИ МАШИНАМИ 37 При разработке сложной техники с ис- пользованием связи SAE Л 939 имеется огра- ничение на уровне 50 узлов-отводов от кабеля, при числе входов на узел не более 255. Поэто- му, если число входов/выходов превышает 7650, то возможности связи по каналу Л 939 будут превышены. Однако, как правило, число входов на узел не превышает 50. При большем числе входов/выходов требуется слишком много проводных соединений, а если нагрузка на выходах достаточно велика, то значитель- ными становятся тепловые потери. Тенденции развития системы Л939 за- ключаются в следующем: повышении скорости передачи данных, которая может превышать 1 МБ/с (сейчас 250 кБ/с). Реально повышение скорости пере- дачи канала определяется в настоящее время быстродействием существующих электронных компонентов в системе Л 939; возможности кодирования большего чис- ла источников питания и новых датчиков; со- ответствующую кодировку будут иметь боль- шинство строительных и дорожных машин, а также силовая установка; применении стекло-волоконного канала, который может использоваться для модулей, требования к чувствительности и к внешним электромагнитным воздействиям, или требо- вания к собственному излучению которых предельно жесткие (близкие к нулю). Применение разработанных систем CAN Л939 позволяет резко снизить время проектирования машины. В настоящее время применение системы CAN Л 939 экономически оправдано на дорогостоящей строительной и дорожной технике. Стоимость установки сис- темы CAN Л939 на машине будет снижаться по мере увеличения выпуска специализиро- ванных модулей. 1.3.4. ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫМИ И ДОРОЖНЫМИ МАШИНАМИ Главные вопросы, решаемые при приме- нении электроники в конструкциях узлов и механизмов строительной и дорожной техники - эффективность и надежность как машин, так и электронных систем. На первом этапе фирма Катерпиллар (США) внедряла системы преду- преждения и диагностики, что позволило пре- дупредить появление отказов и не допустить поломок и аварий узлов и механизмов машин. В дальнейшем были созданы системы управ- ления двигателем и трансмиссией. Система управления текущей инфор- мацией VIMS (Vital Information Mashine System). Эта система, разработанная фирмой Катерпиллар, предоставляет оператору и об- служивающему персоналу информацию о ши- роком спектре основных параметров и функ- ций машины. На рис. 1.3.7 предоставлена схе- ма системы VIMS. Эта система рассчитана на работу в тя- желых условиях горной промышленности. Она включает как бортовые, так и внебортовые подсистемы. Бортовые элементы системы спроектированы с учетом взаимодействия с оператором машины и обслуживающим пер- соналом, что достигается путем использования установленных в кабине центра сообщений и виртуальных приборов. Центр сообщений мо- жет выдавать сообщения на английском или на другом языке и отображает на дисплее пара- метры с использованием метрической системы единиц. По умолчанию на дисплей системы VIMS выводятся текущие дата и время, а так- же показания счетчика (моточасы). Многие функции VIMS выполняются в автоматиче- ском режиме либо нажатием кнопки. Эта сис- тема обеспечивает круглосуточный контроль за работой машины. При обнаружении состоя- ния, выходящего за нормальный диапазон, центр сообщений выводит на экран показания, сопровождаемые необходимыми подсказками- инструкциями для оператора. Бортовая систе- ма позволяет быстро выявлять неисправности и контролировать рабочие параметры без ос- танова машины. Компьютер системы оснащен регистра- тором данных, рассчитанным на хранение данных за 30 мин работы, и двумя шестими- нутными регистраторами событий, позволяю- щими собирать и сохранять оперативную ин- формацию. Кроме того, бортовая система при помощи средств телеметрии по электронным каналам связи передает данные, собранные на машине, на внешние устройства. Система VIMS информирует оператора о развивающихся и возникших ненормальных состояниях в узлах и механизмах машины. Ненормальные состояния, когда какие-либо измеряемые параметры выходят за пределы установленного диапазона, называют машин- ными событиями. Примером такого машин- ного события является перегрев охлаждающей жидкости в двигателе. Система VIMS извеща- ет оператора о системных отказах в различных электронных блоках машины и системе VIMS.
38 Глава 1.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ МАШИН Рис. 1.3.7. Система управления текущей информацией VIMS: 1 - система радиосвязи (обычная); 2 - лампы управления загрузкой; 3 - ключи обслуживания; 4 - служебное освещение; 5 - порт связи VIMS 232; 6 - средства обслуживания системы VIMS и программное обеспечение; 7 - дисплей обмена данными; 8 - модуль калибровки; 9- индикатор сигнала тревоги; 10- центральный модуль обмена посылками данных; 11 - клавиатура; 12 - электронный программатор ECAP (Electronic Control Analyzer); 13 - порт связи по каналу RS-232; 14 - управление двигателем; /5; 21, 22 - датчики; 16 - управление трансмиссией системы ЕРТСП (Electronic Programmable Transmission Control); 17- управление тормозами ARC (Auto Retarder Control); 18 - модуль 1 внешней связи системы VIMS № 1; 19 - модуль 2 внешней связи системы VIMS № 2; 20- соленоид автоматической подачи масла; 23 - звуковой сигнал тревоги; 24 - ламповый сигнал тревоги; 25 - бортовая линия связи Такие отказы называют системными собы- тиями. В списке событий, хранящихся в па- мяти компьютера на борту машины, отмеча- ются дата и время наступления каждого собы- тия, его продолжительность и значение изме- ренного датчиками параметра. Наступление машинного события свиде- тельствует о том, что машина работает вне нормального диапазона измеряемых величин. В таких случаях центр сообщения выдает опе- ратору рекомендации по тем действиям, кото- рые необходимо предпринять. Например, из- менить режим эксплуатации машины, обра- титься в ремонтную мастерскую по поводу технического обслуживания машины или не- медленно прекратить эксплуатацию машины. Если наступает не одно, а сразу несколько событий, центр сообщений поочередно выво- дит их список на экран, начиная с критичного. При обнаружении неполадки в работе самой системы на дисплей центра выводится информация о соответствующем системном событии и сопровождается данными об иден- тификаторе модуля, в котором выявлена неис- правность, идентификаторе компонента, в ко- тором выявлена неисправность, и идентифика- торе типа неисправности. Пакет программного обеспечения VIMS PC (персонального компьютера) анализирует по- лученную информацию о работе бортовых систем, сохраняя большие массивы данных, накопленных за длительный период времени. VIMS контролирует работу систем и выдает предупреждающие сообщения. Она готовит отчеты, которые позволяют проанализировать и оценить эффективность работы машины. В отчетах содержится информация, кото- рая дает возможность выявить области с неис- пользованным потенциалом машины. Инфор-
ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫМИ И ДОРОЖНЫМИ МАШИНАМИ 39 мация освещает вопросы: планирования объе- ма и сроков проведения ремонта; обучения операторов; оценки условий работы на местах; оценки производительности машины и ее ха- рактеристики. Отчеты могут быть использова- ны для более углубленного анализа имеющей- ся информации и, в конечном итоге, для улуч- шения качества управленческих решений. Во время планового технического обслу- живания можно быстро ознакомиться с исто- рией прошлых неисправностей машины и по- лучить сведения о назревающих проблемах. Эффективная диагностика снижает затраты времени на ремонт и обеспечивает высокий коэффициент готовности машины. Оптимизация полезной нагрузки - один из факторов, позволяющий улучшить общие показатели машины. Установленная на горных самосвалах система VIMS информирует опе- ратора о массе помещенного в кузов груза и при помощи световых индикаторов сигнализи- рует водителю погрузчика о последнем подхо- де для загрузки самосвала. Система VIMS, кроме того, контролирует все элементы произ- водственного цикла самосвала. Используя часы и календарь реального времени, система регистрирует различные элементы производ- ственного цикла самосвала, в том числе: дли- тельность погрузки, пробег с грузом, длитель- ность разгрузки, пробег без груза, время простоя. Пакет программного обеспечения VIMS PC обеспечивает широкий спектр раз- личных отчетов, которые дают наглядное представление об эффективности использова- ния и характеристиках самосвала. Отчеты по- зволяют выяснить правильность его загрузки (перегрузки или недогрузки), распределение полезной нагрузки. В мощных колесных погрузчиках, осна- щенных такой системой, используется про- грамма контроля эксплуатационных показате- лей и полезной нагрузки. Система работает в фоновом режиме, не отвлекая оператора от его основной работы. В бортовых регистраторах событий (ана- логичных регистратору полетной информации) содержатся данные о работе всех систем в течение 6 мин. При возникновении угрожаю- щего отказа система сохраняет значения пара- метров за последние 5 мин работы машины перед отказом и работает еще 1 мин после наступления отказа. В течение этого времени оператор по подсказке системы должен немед- ленно безопасным способом остановить ма- шину. Собранные за это время данные могут быть просмотрены и проанализированы при помощи внебортового пакета программного обеспечения VIMS PC, в который включено программное обеспечение заказчика. Такой пакет программного обеспечения дает инфор- мацию, собранную со всех систем машины, что позволяет выявить и устранить неисправ- ность. Благодаря регистрации ключевых условий эксплуатации можно строить тренды показателей, гистрограммы, графики распре- деления, а также отображать кумулятивные данные. Система электронного управления двигателем. Она встроена в двигатель и пред- назначена для управления системами подачи топлива, подготовки воздуха, управления вы- пуском, потреблением топлива, моментом и давлением впрыскивания топлива. Одной из наиболее широко используемых электронных систем во всех транспортных средствах явля- ется система электронного впрыскивания топ- лива, благодаря которой ДВС становится объ- ектом управления. Система прямого впрыски- вания топлива под высоким давлением дает возможность оптимизировать характеристики как в ручную, так и автоматически и снизить потребление топлива двигателем. Электронное управление количеством подаваемого топлива и моментом впрыскивания существенно сни- жает дымность выбросов, а также способству- ет пуску двигателя при низкой температуре; электронное управление весьма эффективно при работе двигателя в разреженной атмосфе- ре в горных условиях работы. В системе электронного управления дви- гателем фирмы Катерпиллар используются электронные компоненты трех типов, которые можно разделить на входные, управляющие и выходные (рис. 1.3.8). Входные компоненты формируют электрические сигналы, посту- пающие на модуль электронного управления. Электрические сигналы кодируются либо уровнем напряжения, либо частотой, либо скважностью поступающих импульсов, что отражает изменения какого-либо конкретного показателя работы двигателя. Модуль элек- тронного управления считывает информацию, содержащуюся во входных сигналах, тем са- мым распознается состояние или режим рабо- ты двигателя (и машины в целом). Электронные устройства в модуле управ- ления, получив и оценив входные сигналы, формируют команды управления выходными устройствами в соответствии с текущим зна- чением комбинации входных сигналов.
40 Глава 1.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ МАШИН Рис. 1.3.8. Компоненты системы электронного управления подачей топлива: 1 - модуль электронного управления; 2 - канал управления транспортным средством; 3 - винт заземления; 4 - выключатель; 5 - источник напряжения 24 В; 6 - предохранитель на 15 А; 7 - основное силовое реле питания; 8 - ключ; 9 - датчик положения дроссельной заслонки; 10 - педаль управления подачей топлива; 11 - пара выключателей для блокирования дросселя, увеличения подачи топлива на режиме холостого хода и выключения системы; 12 - датчик давления на входе турбонагнетателя; 13 - клапан пропорционального управления вентилятором; 14 - датчик частоты вращения вентилятора; 15 - связь с прицепными устройствами; 16 - управление трансмиссией; 17- управление запаздыванием зажигания; 18 - приборная панель; 19 - переключающий клапан системы охлаждения двигателя; 20 - датчик температуры топлива; 21 - датчик температуры масла в смазочной системе двигателя; 22 - датчик давления масла в смазочной системе двигателя; 23 - датчик атмосферного давления; 24 - датчик давления на выходе турбонагнетателя; 25 - датчик температуры охладителя; 26 - резервный датчик скорости и временных интервалов; 27 - первичный датчик скорости и временных интервалов; 28 - датчик давления возбудителя инжекторов; 29 - клапан управления давлением возбудителя инжекторов; 30-8 или 12 гидравлических инжекторов с электронным управлением; 31 - канал управления двигателем; 32 - разъем для подключения устройств сервиса и телеметрии; 33 - разъем для подключения вспомогательного оборудования транспортного средства Выходные компоненты выполняют ко- манды, формируемые модулем управления. Они потребляют электрическую энергию от блока питания и используют эту энергию либо для выполнения работы (например, передвигая плунжер соленоида), тем самым являясь испол- нительными органами регулирования двигателя или режима его работы, либо для сигнализации или предупреждения (светом, звуком) водителя транспортного средства или других лиц. Система отображения текущей ин- формации. VIDS (Vital Information Display System) аналогична по принципам построения принятой в фирме Катерпиллар системе управления текущей информацией (Vital Information Management System), которая при- менялась на грузовых автомобилях 793С. Она обеспечивает оператору постоянную обратную связь для управления работой двигателя и дру- гих узлов и механизмов и включает три уровня важности оперативной информации; осущест- вляет мониторинг и запись данных для обес- печения диагностики и быстрого обнаружения и устранения неисправностей.
ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫМИ И ДОРОЖНЫМИ МАШИНАМИ 41 Система VIDS состоит из трех модулей с дисплеями. Модуль группировки информации об измерениях содержит четыре аналоговых датчика, с помощью которых на дисплее ото- бражается информация о температуре (в сис- теме охлаждения двигателя; масла в трансмис- сии и в гидравлической системе) и уровне топ- лива в баке. Модуль спидометра/тахометра содержит аналоговый тахогенератор, а также датчики скорости перемещения относительно поверхности грунта, передаточного отношения коробки передач и направления движения. Модуль группировки информационных посы- лок обеспечивает связь с различными устрой- ствами и информационными системами через универсальное устройство ввода аналоговых и цифровых сигналов. Центр коммутации ин- формационных посылок позволяет получать информацию о различных параметрах с помо- щью универсального устройства ввода, при этом на дисплее указывается название функ- ции, установленные значения и соответствую- щие поясняющие инструкции. В режиме нормальной работы первая строка в информационных посылках представ- ляет текущее состояние, а вторая - выбранный параметр. На центральном табло имеется так- же индикатор аварии, который активируется основным модулем системы: его мигание сви- детельствует о появлении серьезной или кри- тической ситуации. С помощью клавиатуры можно получить данные диагностирования, записанные в основном модуле системы мони- торинга, а также войти в системное меню, с помощью которого можно настроить характе- ристики двигателя индивидуально для каждого оператора. Системы электронного управления трансмиссией. Электронное управление трансмиссией используется во многих транс- портных машинах. Система электронного управления трансмиссией фирмы Катерпиллар в новом карьерном грузовике серии 793С по- зволяет совместно использовать электронное управление двигателем и трансмиссией (рис. 1.3.9). С помощью канала связи для об- мена информацией между этими системами удается оптимизировать характеристики сило- вой установки в целом, существенно повысить показатели надежности механизмов, снизить стоимость эксплуатации машины. Получение необходимых исходных дан- ных для диагностики систем достигается при помощи диагностирующих тестов и электрон- ного анализа управления или программного Рис. 1.3.9. Электронная связь двигателя и трансмиссии в карьерном грузовике 793С: 1 - электронный программатор; 2 - бортовой канал обмена данными; 3 - датчики; 4 - модуль контроля двигателя; 5 - электронно-программируемый контроллер трансмиссии; 6 - контроллер автоматического торможения; 7 - система контроля движения; 8 - трансмиссия; 9 - датчик колеса; 10 - тормоз пакета электронного программатора 7, подсое- диненного к бортовому каналу обмена данны- ми. Он позволяет собирать данные о давлении в цилиндрах, потреблении топлива, частоте вращения двигателя, нагрузке в трансмиссии. Программатор ЕТ выполняет до 13 тестов, включая состояние цилиндра, проверку соле- ноида инжектора впрыска, калибровку вре- менных интервалов. Как часть интегрированной системы, в дополнение к системам диагностики и контро- ля двигателя и трансмиссии, в модели грузови- ка 793С применена система управления движе- нием, которая позволяет улучшить показатели движения по дорогам. Датчики измеряют часто- ту вращения колес, а при превышении установ- ленного значения буксования тормоза замедля- ют частоту их вращения. Сила тяги на колесе при этом автоматически поддерживается при большем значении, чем при буксовании колес. При выходе из строя датчика возможно ручное управление колесами и их торможением. Электронная система бульдозера D11R Carrydozer поддерживает функции силовой установки, систем диагностирования и обслу- живания. При этом применяются три бортовых микропроцессора. Прототип бульдозера D11R содержит оригинальную систему оперативного управления, которая спроектирована с учетом обеспечения удобного и легкого клавишного управления. Системы электронного управле- ния торможением, трансмиссией, тяговой на- грузкой при бульдозерировании и рыхлении имеют дополнительную электронную систему
42 Глава 1.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ МАШИН управления маршрутом движения (Carry Cruise Control) и отображения текущей информации (Vita Information Display System). Одной из особенностей электронной сис- темы бульдозера D11R является возможность выбора контроля элементов тормозной систе- мы, двигателя и коробки передач. Система электронного управления сцеплением и тормо- зами ЕСВ позволяет водителю с высокой точ- ностью контролировать его движение. Она имеет два рычажка управления тормозным клапанам. Сила управления на рычажках не превышает 13 Н, а торможение при этом осу- ществляется аналогично управлению традици- онными сцеплением и тормозом. Система со- единена с электронным усилителем. Настройка осуществляется вручную с помощью соответ- ствующего рычажка. Электронное управление бульдозером и рыхлителем осуществляется электрогидравли- ческими устройствами, при этом предлагается несколько автоматически выполняемых функ- ций, которые существенно облегчают работу и повышают производительность. Благодаря полуавтоматическому управ- лению отвалом бульдозера D11R устанавли- ваются глубина погружения и угол наклона ножа, оптимизирующие нагрузку на отвал в течение рабочего цикла. Установленный уро- вень нагрузки отвала является заданием для системы управления движением, которая сле- дит за нагрузкой на нож и поддерживает за- данное ее значение при небольших отклонени- ях до тех пор, пока водитель не примет реше- ние изменить нагрузку. Система электронного управления трансмиссией фирмы Аллисон. Первое поко- ление систем электронного управления авто- матической коробкой передач внедорожных транспортных средств относится к 1971 г. Контроллер SPG (Shift-Pattern Generator) этой системы, выполненный на дискретных логиче- ских микросхемах и названный генератором модели передачи, получает сигналы от датчи- ков положения педали управления подачей топлива в ДВС и частоты вращения выходного вала трансмиссии и селектора передач. На основе этой информации контроллер форми- рует команду переключения передач и подает сигнал на управляющие клапаны, переклю- чающие передачу. В системе SPG использова- ны определенные логические защиты, предот- вращающие запрещенное переключение пере- дач, в частности, предотвращающие слишком высокие частоты вращения механических эле- ментов в трансмиссии и двигателе (его разнос). Второе поколение систем электронного управления CECI (Commercial Electronic Controls 1) трансмиссией внедорожных машин относится к 1986 г. (системы коммерческого электронного управления). Блок электронного управления ECU системы СЕС1 - специализи- рованный микрокомпьютер, разработанный фирмой Дженерал Моторе в основном для автомобильных транспортных средств. В сис- теме СЕС1 в отличие от контроллеров первого поколения SPG применены заменяемые нести- раемые, используемые только для чтения мик- росхемы памяти EPROM, в которых програм- мировалась информация для управления пере- дачей, а также встроенная система диагности- рования. Система управления СЕС1 постоянно со- вершенствовалась в направлении повышения гибкости и универсальности до тех пор, пока не стало очевидно, что дальнейшее примене- ние основных электронных компонентов этой системы неперспективно. Определились сле- дующие пять основных целей разработки сис- тем управления третьего поколения: использование элементов, позволяющих контролировать уровень вредных выбросов двигателя; использование перспективных технологий; сопровождение алгоритмов управления трансмиссией системами индикации данных; обеспечение выхода системы управления трансмиссией на стандартные каналы связи, объединяющие все бортовые электронные системы; достижение положительного экономиче- ского эффекта от использования техники, ос- нащенной САУ. Система СЕС2 состоит из электронного блока управления ECU (Electronic Control Unit) и кнопочного или рычажного селектора пере- дачи. В число базовых элементов системы входят: три датчика частоты вращения (двига- теля, колеса турбины, гидродинамической передачи и выходного вала трансмиссии); обо- рудование для измерения положения педали управления подачей топлива; электрогидрав- лический управляющий клапан. В корпус управляющего клапана встроены соленоиды, которые используются для переключения пе- редач, а также датчики температуры масла. Индикация работы системы СЕС2 выводится на дисплей. Все основные компоненты в этой
ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫМИ И ДОРОЖНЫМИ МАШИНАМИ 43 системе унифицированы с компонентами, ис- пользуемыми в других системах фирмы. Блок электронного управления ECU представляет современный цифровой контрол- лер, разработанный специально для управле- ния трансмиссией. Его конструкция удовле- творяет жестким условиям эксплуатации вне- дорожной и строительной техники. Для про- граммирования ECU используется система оперативной памяти, которая программируется под каждое конкретное применение. В системе СЕС2 сохранены основные уз- лы исполнительного органа системы СЕС1: корпус и соленоиды. В конструкцию клапанов внесены изменения, связанные с введением узлов защиты от отказов. Соленоиды, исполь- зованные в системе СЕС1, модифицированы с тем, чтобы согласовать их для применения в системе СЕС2, в которой используются час- тотно-модулированные выходные сигналы блока ECU, если входное напряжение превы- шает 12 В. Для тех случаев, когда на транспортном средстве используются два пульта управления, в системе СЕС2 предусмотрены два селектора передач для управления одной и той же транс- миссией. При этом каждый раз активируется только один селектор, который выделяется световым сигналом на цветовом дисплее. Блок ECU автоматически настраивается для работы с напряжением питания 9... 32 В. Если при работе системы обнаруживаются изменения напряжения питания, то блок ECU автоматически настроит скважность управ- ляющих сигналов приводов соленоида так, чтобы соленоиды работали в нормальном ре- жиме. Для обмена текущей информацией блока ECU2 и сигналами датчиков с другими систе- мами транспортного средства используется канал электронной связи. Положение педали управления подачей топлива в системе СЕС2 используется для вычисления требуемой передачи, а также для принятия решений по другим возможным дей- ствиям. Специальные диагностические средства, имеющиеся в системе СЕС2, позволяют адап- тировать ее в соответствии с конкретным слу- чаем применения. Диапазоны допустимых изменений программируются отдельно для каждой константы (всего их около 31); это позволяет защитить систему от ввода значений констант вне допустимого диапазона. Приме- рами изменяемых констант являются: макси- мальное передаточное число трансмиссии, начальное значение передаточного отношения при разгоне. Основной и дополнительный режимы ра- боты могут программироваться в блоке элек- тронного управления системы СЕС2, выбор режима осуществляется оператором переклю- чением тумблера. Блок ECU имеет встроенную логическую защиту, препятствующую вклю- чению неверной передачи при изменении ре- жима работы, например если кузов грузовика загружен, то при разгоне машины требуется первая передача; если кузов грузовика пустой, то начинать движение можно с третьей пере- дачи. Гидродинамическая передача трансмис- сии в определенных условиях работает и в реверсном режиме, что может быть запро- граммировано в системе СЕС2. Такая опция используется в случаях длительного движения задним ходом, движения на подъем и при спуске, когда желательно эффективное управ- ление торможением. В блоке электронного управления ECU постоянно вычисляется значение ускорения, что необходимо для определения изменения (понижения) стандартной передачи во время разгона машины с высоким уровнем ускоре- ния. При определении необходимости разгона машины с высоким ускорением формируется команда переключения на пониженную пере- дачу. Постоянно отслеживается температура масла в трансмиссии и передается информация в блок электронного управления. Если темпе- ратура масла превышает установленное поро- говое значение, то блок ECU снижает нагрузку трансмиссии, защищая ее от возможных поло- мок. Если температура масла ниже установ- ленного нижнего предела рабочих температур, то трансмиссия работает только в режиме пре- образования момента, что обеспечивает наи- более быстрый разогрев масла. В системе СЕС2 для постоянного кон- троля за работой масляного фильтра использу- ется цепь дифференциального давления. При нормальной рабочей температуре масла, а также в случае, когда превышается установ- ленный предел дифференциального давления, система СЕС2 снижает нагрузку трансмиссии. Этого не происходит, если температура масла недостаточно высокая, ниже установленного минимального значения рабочей температуры
44 Глава 1.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ МАШИН масла; при таких условиях система СЕС2 иг- норирует предупреждающий сигнал датчика дифференциального давления. Движение машины по грунту с часто че- редующимися спусками и подъемами, может сопровождаться чрезмерно частым переклю- чением передач. При изменении передачи в одном направлении (при последовательном ее повышении или понижении) система СЕС2 позволяет каждое следующее переключение проводить достаточно быстро. Если предыду- щее и текущее переключение передачи проис- ходит в противоположных направлениях (звонковое переключение), то такое переклю- чение задерживается на программируемый интервал времени для стабилизации скорости движения. По истечении установленного пе- риода времени происходит переключение пе- редач в противоположном направлении. Это позволяет минимизировать число переключе- ний так, что происходят те чередующиеся по направлению переключения, которые действи- тельно необходимы. В системе СЕС2 установлено программ- ное обеспечение с усовершенствованным ал- горитмом управления сцеплением, позволяю- щим гибко изменять работу сцепления в раз- личных условиях. Примерами таких улучше- ний являются: использование дополнительных сигналов датчиков частоты вращения двигате- ля и колеса турбины при формировании ко- манды изменения передачи, компенсация вре- мени исполнения команд управления сцепле- нием, возможность изменять параметры сис- темы управления сцеплением в зависимости от положения педали управления подачей топлива. Система диагностирования как составная часть системы СЕС2 позволяет выявлять не- нормальное функционирование и/или показы- вать оператору отдельные функциональные параметры системы. В эту систему включен индикатор контроля трансмиссии, который сигнализирует об обнаружении сбоев в работе, а код сбоя регистрируется в блоке электронно- го управления ECU. Набор диагностирующих кодов помогает определить характер выявлен- ной неисправности. Они могут вызываться на дисплей. Средства диагностики DDR (Diagnostic Data Reader) используются для изменения па- раметров функционирования системы. Датчи- ки частоты вращения двигателя, колеса турби- ны гидродинамической передачи и выходного вала трансмиссии используются в системе СЕС2 для выполнения ряда функций. Так, при несовпадении измеренной скорости с теорети- ческой, установленной для данного диапазона скоростей, формируется многофункциональ- ный код и сохраняется работа трансмиссии при включенной на данный момент передаче. Таким образом можно выявить, например, появление проскальзывания в фрикционных узлах трансмиссии и предупредить поломку сцепления. Раннее предупреждение возмож- ных мелких аварийных ситуаций помогает предотвратить серьезные аварии. Для соединения блока электронного управления с трансмиссией, селектором пере- дач, бортовым интерфейсом машины исполь- зуются три электрических разъема. Система СЕС2 спроектирована так, что- бы она могла работать в широком диапазоне напряжений питания, без применения делите- лей напряжения. В системе имеется встроен- ный канал связи, по которому поступают дан- ные измерений состояния двигателя и положе- ния педали подачи топлива, поэтому не требу- ется установки дополнительных, внешних датчиков в двигатель и педаль управления. Тенденции применения электроники. Создание новых интегрированных электрон- ных систем за рубежом концентрируется в основном на разработке программного обеспе- чения, алгоритмов управления и датчиков для систем предупреждения аварийных ситуаций. Работы ведутся над интегрированными совре- менными системами связи, мониторинга дви- гателей, диагностике, управлению положени- ем, программному обеспечению, а также управлению двигателем. Так, перспективные блоки системы METS фирмы Катерпиллар включают: глобальное позиционирование - систему глобальной ориентации GPS (Global Positio- ning System), обеспечивающую сантиметровую точность определения координат; связь - сеть высокоскоростной радиосвя- зи и автоматического обмена данными, кото- рая обеспечит взаимообмен данными между транспортным парком и системой глобального позиционирования; систему беспроводного управления те- кущей информацией VIMS (Wireless Vital Information Management Systems) - средства для обеспечения производства и эксплуатации, которые позволят контролировать работу обо- рудования с помощью передачи данных от машин в офис по радиоканалу;
ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫМИ И ДОРОЖНЫМИ МАШИНАМИ 45 беспроводную компьютерную систему наземного передвижения CAES (Wireless Computeraided Earthmoving System), показы- вающую оператору машины на дисплее план работ; она совместима с базовым программ- ным обеспечением горного оборудования и может устанавливаться на существующие ма- шины; менеджер системы METS, связывающий системы VIMS/CAES в сайте с использовани- ем программного обеспечения на базе Windows для связи и обмена данными между этими системами; управление машиной - развивающаяся технология, включающая помощь оператору в управлении машиной, снятие физических на- грузок в управлении и создание системы авто- номного управления транспортным средством (роботом). Эти разработки направлены на создание автономных транспортно-строительных средств (роботов): грузовиков; стационарных погруз- чиков; колесных погрузчиков и бульдозеров. Бульдозеры наиболее трудно поддаются авто- матизации, так как они должны выполнять множество различных задач и для управления ими необходима разработка сложных алгорит- мов управления. Еще в конце 80-х годов фирма Катерпил- лар продемонстрировала концептуальную мо- дель автономного грузовика АМТ для горных работ. Последняя демонстрационная версия АМТ создана на базе шасси грузового вездехода модели 777D. В этой модели используется система глобальной навигации NAVSTAR GPS с тригонометрической съемкой местности и дифференциальным приемником навигацион- ной связи, что позволяет привязывать положе- ние грузовика на местности с точностью до полуметра. Грузовик требует применения та- ких бортовых систем, как системы высокочас- тотной радиосвязи, компьютеризированного управления парком транспортных средств и их навигации, системы определения препятствий, а также системы беспроводного управления текущей информацией VIMS для управления, мониторинга и анализа характеристик борто- вого оборудования. Исследования в области создания авто- номных транспортных средств (роботов) при- менительно к тяжелой строительной и дорож- ной технике показали, что новые разрабаты- ваемые транспортные средства будут: использовать датчики высокой точности для обнаружения препятствий на пути следо- вания; снабжаться точными навигационными системами; перемещаться на большие расстояния; иметь большую гибкость применения, а программное обеспечение для управления парком таких средств будет иметь более раз- витую архитектуру. Глава 1.4 ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Под объемным гидроприводом в общем случае понимается привод, содержащий гид- равлический механизм с одним или более гид- родвигателями, в котором энергия находящей- ся под давлением рабочей жидкости преобра- зуется в энергию движения одного или более выходных звеньев. К основным особенностям объемного гидропривода, определяющим большие масштабы его применения в строи- тельных машинах, относятся: удобство компоновки в связи с возмож- ностью взаимонезависимого расположения отдельных узлов в наиболее удобных местах машины; высокая энергонасыщенность, позво- ляющая реализовывать большие мощности при относительно малых габаритах и массе; простота "разветвления" энергии к раз- личным потребителям; возможность бесступенчатого регулиро- вания скорости выходных звеньев, создающая предпосылки для автоматизации и оптимиза- ции рабочих режимов; простота реверсирования направления движения и взаимного преобразования посту- пательного и вращательного движений; хорошие динамические свойства, опре- деляемые малой инерционностью; возможность простой и надежной защи- ты от перегрузок; хорошая сочетаемость с электрическими и пневматическими устройствами; приспособленность к типизации и уни- фикации, создающая предпосылки для созда- ния высокоэффективных специализированных производств гидрооборудования. Вместе с тем для объемного гидроприво- да характерны: нестабильность параметров, обусловленная изменением вязкости рабочей жидкости под воздействием меняющейся тем-
46 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН пературы и увеличением зазоров в гидроуст- ройствах (и соответственно утечек рабочей жидкости) в процессе износа пар трения; отно- сительно высокая стоимость сложного гидро- оборудования; возможность внешних утечек рабочей жидкости и необходимость периоди- ческих дозаправок. Однако при правильном проектировании, изготовлении и эксплуатации эти недостатки минимизируются до уровня, обеспечивающего высокую эффективность использования гидропривода. Классификация объемных гидроприво- дов проводится по следующим основным при- знакам: назначению - рабочего оборудования, управления поворотом (рулевые управления) и движителей (объемные гидропередачи транс- миссий); характеру движения выходного звена - поступательного, вращательного и поворотно- го движения; управлению: по виду управления (при его наличии) - с ручным и автоматическим управлением, по типу управляющего устрой- ства - с дроссельным, машинным или машин- но-дроссельным управлением; источнику подачи рабочей жидкости - насосный, аккумуляторный и магистральный, причем насосный гидропривод может выпол- няться с разомкнутой или замкнутой циркуля- цией потока рабочей жидкости. 1.4.1. ГИДРОПРИВОДЫ РАБОЧИХ ОРГАНОВ Применение гидроприводов рабочих органов. Комплекс кинематических, динами- ческих, компоновочных, эксплуатационных и других свойств гидропривода определил его широкое применение в рабочих органах ма- шин строительно-дорожного назначения: грузоподъемных - перемещение стрел и выносных опор, привод лебедок кранов, подъ- ем вил автопогрузчиков, подъем люлек авто- гидроподъемников и т.п.; транспортирующих - привод шнеков, транспортеров, элеваторов, управление бунке- рами, затворами, питателями; погрузочно-разгрузочных - подъем - опускание и поворот стрел, поворот ковшей погрузчиков, транспортеров роторных много- ковшовых погрузчиков; для земляных работ - подъем - опуска- ние, наклон и перекос отвалов бульдозеров, подъем - опускание и наклон рыхлителей, перемещение грейферных отвалов и рыхлите- лей автогрейдеров, поворот платформ, переме- щение стрел, рукоятей, ковшей одноковшовых экскаваторов, управление и привод ковшей и скребков цепных и роторные экскаваторов; для устройства дорожных покрытий - эксцентриковый привод трамбующих брусов асфальтоукладчиков, привод вибровальцов самоходных дорожных катков, фрез для фре- зерования, рыхления и распределения грунта основания дорожного полотна, управление положением фрез и профилирующих отвалов, привод и управление положением уплотняю- щих и выглаживающих брусьев бетоноуклад- чиков; для содержания и ремонта дорог - при- вод щеток и транспортеров, управление отва- лами подметально-уборочных машин, привод щеток, фрез и шнеков, управление отвалами снегоочистителей; лесопромышленных - управление щита- ми, формирующими устройствами, манипуля- торами, привод пильных механизмов треле- вочных тракторов и валочно-пакетирующих машин; для строительства трубопроводов - при- вод лебедок трубоукладчиков; транспортных - управление подъемом - опусканием платформ автосамосвалов. Классификация гидроприводов рабо- чих органов. Гидроприводы рабочих органов подразделяют следующим образом: обеспечивающие передачу энергии рабо- чим органам для выполнения непрерывного или периодически повторяющегося (цикличе- ского) технологического процесса; управляющие положением рабочих орга- нов, устанавливающие их в заданное положе- ние относительно машины. По виду движения исполнительного ме- ханизма гидроприводы активных рабочих ор- ганов могут быть вращательного действия (например, привод дорожных фрез) или воз- вратно-поступательного действия (например, привод ковша экскаватора). В общем случае гидроприводы рабочих органов включают выходные звенья с гидро- двигателями, а также комплекс гидроустройств, обеспечивающих их функционирование: источники питания - насосы, гидроакку- муляторы; гидроаппаратуру - гидрораспределители, предохранительные клапаны, регуляторы по- тока и др.;
ГИДРОПРИВОДЫ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 47 кондиционеры рабочей жидкости - фильтры, теплообменники; гидроемкости; гцдролинии, металлические трубопроводы и гибкие рукава с соединительной арматурой. Основой классификации выходных звеньев являются следующие признаки: вид движения; возможность изменения направления движения - реверсивные, нереверсивные; характер взаимодействия с другими звеньями машины - одновременного или раз- новременного действия; независимые или взаимозависимые по скорости и по нагрузке; наличие или отсутствие регулирования в процессе работы; наличие или отсутствие технологических ограничений скорости; кинематические параметры - высокоско- ростные, среднескоростные, низкоскоростные; сочетание рабочих позиций - "заперто", "вперед", "назад", "плавающая". Важнейшим параметром, характеризую- щим гидропривод рабочего оборудования, является рабочее давление. По уровню давле- ния условно различают гидроприводы низкого (до 2,4 МПа), среднего (до 20...25 МПа) и вы- сокого (свыше 25 МПа) давления. Повышение рабочего давления позволяет передавать мощ- ность при относительно меньших расходах рабочей жидкости, что создает предпосылки для уменьшения типоразмеров применяемого гидрооборудования, снижения гидравлических потерь и уменьшения количества рабочей жидкости в гидроприводе. В то же время вы- сокое рабочее давление усложняет задачу обеспечения необходимого объемного КПД гидропривода и надежности входящих в него гидроустройств. Разнообразие областей применения гид- роприводов в машинах строительно-дорож- ного назначения определяет "жесткость" предъявляемых к ним требований. Гидроприводы рабочих органов должны надежно функционировать с обеспечением герметичности гидроустройств в широком диапазоне температур окружающей среды (-40...+40 °C для районов с умеренным клима- том, -50...+25 °C для районов с холодным климатом), при его повышенных запыленности и влажности в режимах интенсивных рабочих нагрузок и вибраций. Гидроприводы должны удовлетворять требованиям минимальности количества регу- лировок и настроек при эксплуатации машин. Размещение гидрооборудования на машинах должно обеспечивать удобство его осмотров и замены уплотнительных элементов. Кроме того, в гидроприводах должна применяться узкая номенклатура рабочих жидкостей, со- вместимых с материалами гидроустройств. Схемы гидроприводов рабочих орга- нов. Технический уровень гидроприводов ра- бочих органов в значительной степени связан с исполнением схемы, определяющей взаимо- связь между его элементами. Схема гидропри- вода влияет на функциональные качества ма- шины (технологические возможности и каче- ство выполнения отдельных операций, произ- водительность, удобство управления), ее энер- гетические показатели и надежность. В гидроприводах рабочих органов в ос- новном применяют схемы с разомкнутой цир- куляцией рабочей жидкости, что определяется необходимостью компенсации объемов, осво- бождающихся при выдвижении штоков и плунжеров гидроцилиндров. Схемы гидроприводов рабочих органов подразделяют по следующим основным при- знакам: числу потоков рабочей жидкости - одно-, многопоточные; характеру взаимодействия потоков - с раздельными потоками и с суммированием потоков; виду источника питания - с индивиду- альным источником питания одного гидродви- гателя и групповым. В однопоточных схемах потребители гидравлической энергии питаются от общей напорной гидролинии, образованной одним или несколькими насосами, в многопоточных схемах - от различных не связанных друг с другом напорных гидролиний. В схемах с суммированием потоков (ча- стный случай многопоточных схем) потоки различных насосов могут объединяться или разъединяться в зависимости от требуемой гидравлической мощности в соответствующих гидродвигателях. В схемах с групповым источником пита- ния потребители могут подключаться к напор- ной гидролинии последовательно или парал- лельно. При последовательном подключении напорная гидролиния источника питания со- единяется с напорной (рабочей) гидролинией первого потребителя, сливная гидролиния ко- торого подключается к напорной гидролинии второго потребителя, и т.д. При одновремен- ной работе последовательно подключенных
48 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН потребителей (гидродвигателей) каждый из них может использовать только часть давле- ния, создаваемого источником питания, а сум- ма перепадов давлений на каждом гидродвига- теле не может превышать максимального дав- ления, определяемого настройкой предохрани- тельного клапана гидропривода. Поэтому при последовательной схеме приходится приме- нять гидродвигатели с завышенным рабочим объемом. В связи с этим большой интерес пред- ставляет выбор экономичных источников пи- тания с параллельным подключением одно- временно работающих потребителей, что не- обходимо для обеспечения совмещения вы- полняемых машиной операций. В табл. 1.4.1 представлены характеристики соответствую- щих источников питания. При реализации схем на основе несколь- ких нерегулируемых насосов с постоянным расходом на выходе - многопоточной схемы гидропривода СПР-Н - в напорной гидроли- нии каждого насоса устанавливается давление, соответствующее потребности подключенного потребителя, а необходимый расход обеспечи- вается дроссельным регулированием. Потери мощности в этом случае определяются избыт- п ком подачи насосов ^QiH по отношению к /=1 п требуемому потребителем . Недоста- /=1 ток такой схемы - наличие нескольких, хотя и сравнительно дешевых и компактных нерегу- лируемых насосов. 1.4.1. Энергетическая характеристика схем источников питания Состав схемы, ее обозначение Схема Мощность на выходе насосов Обозначения Несколько нерегули- руемых насосов, СПР-Н Е X <5> п - число потребите- лей; pin - давление, определяемое загруз- кой /-го потребителя; Рп max - давление наиболее загружен- ного потребителя; рк - давление на- стройки напорного переливного клапана или регулятора насо- са; Qih ~ подача /-го насоса; QH - подача насоса; Qin - расход к /-му потребителю; 7 - насос; 2 - дели- тель потока; 3 - пе- реливной клапан; 4 - . регулятор подачи; 5 - перепускной клапан; 6 - гидрораспредели- тель; 7 - избиратель- ное устройство Нерегулируемый насос с делителем потока, СПР-Д □В' Qh Рптах. Нерегулируемый насос с переливным клапаном, СПД-К Зг— Qh Рк Регулируемый насос с регулятором посто- янного давления, СПД-Н п /=1 Нерегулируемый насос в сочетании с регулятором, "чувст- вительным к нагруз- ке", СЧН-НН 7 JJj>L |с k Qh Рп max Регулируемый насос в сочетании с регуля- тором, "чувствитель- ным к нагрузке", СЧН-НР 111 L_ 7 ||Ц P J -J-6 У ' п Рптах^^йп /=1
ГИДРОПРИВОДЫ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 49 Остальные источники питания в схемах, показанных в табл. 1.4.1, обеспечивают отбор гидравлической мощности от напорной гидро- линии, образованной групповым источником питания. В случае использования насоса с делите- лем потока в схеме СПР-Д энергетические потери в гидроприводе определяются как дав- лением на выходе насоса, соответствующим наиболее нагруженному потребителю и пре- вышающим давление pin остальных потреби- телей, так и избытком подачи насоса QH по отношению к суммарной подаче потребителей п . В конструктивном отношении схема /=1 усложняется наличием делителя потока. Одной из альтернатив схем с источником питания постоянного расхода СПР являются схемы постоянного давления СПД. В наиболее простом виде схема СПД реализуется сочета- нием нерегулируемого насоса и переливного клапана - схема СПД-К. Потери мощности в этом случае определяются как недоиспользо- ванием расхода рабочей жидкости, так и не- догрузкой по давлению. Причем последняя составляющая является теоретически макси- мальной, так как давление настройки перелив- ного клапана рк больше давлений рп тах и, тем более, рп рассмотренных выше схем источни- ков питания. В конструктивном отношении схема СПД-К относится к наиболее простым. Более экономичной (по критерию потерь мощности) по сравнению со схемой СПД-К является схема СПД-Н, построенная на базе регулируемых насосов, обеспечивающих ав- томатическое изменение подачи при измене- нии давления в напорной гидролинии от за- данного значения. Эта схема в принципе по- зволяет обеспечить питание всех потребителей гидравлической энергии от одного насоса с обеспечением взаимонезависимых скоростных режимов гидродвигателей. В такой схеме практически отсутствуют потери мощности, связанные с дросселированием избыточного расхода рабочей жидкости. Однако потери мощности, определяемые недогрузкой потре- бителей по давлению, по существу эквива- лентны потерям в предыдущем варианте. Кон- структивной особенностью схемы СПД-Н яв- ляется использование регулируемого насоса, характеризующегося относительно высокой стоимостью. Таким образом, схемы СПД энергетиче- ски невыгодно применять для потребителей с нестабильной загрузкой по давлению (со зна- чительным изменением действующего рабоче- го давления относительно заданного постоян- ного давления в напорной гидролинии). По этой причине в настоящее время все большее распространение получают схемы "чувстви- тельные к нагрузке" - СЧН. Они основаны на принципе поддержания постоянного перепада давлений на регулирующих кромках золотника гидрораспределителя. В СЧН контролируется заданный расход рабочей жидкости, посту- пающей к гидродвигателям через золотники гидрораспределителей. При отклонении рас- хода от заданного значения на регулирующий элемент источника питания поступает сигнал, в зависимости от знака (направления) откло- нения увеличивающий или уменьшающий подачу рабочей жидкости к потребителям. В результате в напорной гидролинии устанав- ливается и поддерживается давление, соответ- ствующее наиболее нагруженному потребите- лю, и обеспечивается работа всех гидродвига- телей во взаимонезависимых скоростных ре- жимах. Обеспечение давления требованиям наи- более нагруженного потребителя по схеме СЧН по сравнению со схемой СПД позволяет уменьшить потери мощности на величину, определяемую разницей между уровнями по- стоянного давления по схеме СПД и дейст- вующего рабочего давления на наиболее на- груженном потребителе. В схеме с нерегулируемым насосом СЧН-НН роль регулирующего элемента вы- полняет перепускной управляемый клапан. Хотя в такой схеме по сравнению со схемой СПД снижаются потери, определяемые не- догрузкой по давлению, но имеют место поте- ри, связанные с недогрузкой потребителей по расходу. По энергетической характеристике схема источника питания типа СЧН-НН экви- валентна схеме с делителем потока СПР-Д. В схеме СЧН-НР осуществляется ма- шинно-дроссельное регулирование, исклю- чающее потери мощности из-за недогрузки потребителей по расходу рабочей жидкости, а потери давления по сравнению с источниками питания по схеме СПД меньше на величину, определяемую разностью между величинами Рк И Рптах- Насос 1 взаимодействует с гидро- распределителем 7 (рис. 1.4.1), позволяющим работать в режиме "чувствительном к нагрузке"
50 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Рис. 1.4.1. Гидросистема, "чувствительная к нагрузке", на базе регулируемого насоса: 1 - регулируемый насос; 2 - гидробак; 3 - предохранительный клапан; 4 - клапан "или”; 5 - гидроцилиндр; 6 - гидромотор; 7 - гидрораспределитель; 8 - обратный клапан; 9 - регулируемый дроссель; 10- компенсирующий редукционный клапан (клапан постоянного перепада давлений); 11 - регулирующий золотник; 12 - предохранительный золотник; 13 - регулятор подачи насоса и оснащенным для этой цели элементами кон- троля перепада давлений на золотнике (вклю- чающими клапаны "или" 4, предназначенные для формирования сигнала управления к регу- лятору подачи насоса 73). Золотники уком- плектованы комплексами регулируемый дрос- сель 9 - компенсирующий редукционный кла- пан 10. В процессе работы при уменьшении расхода рабочей жидкости на наиболее нагру- женном потребителе до значения меньше за- данного на соответствующем золотнике уменьшается перепад давлений на регуляторе 73 подачи насоса. В результате регулятор по- дачи увеличивает расход рабочей жидкости к потребителям. Если расход на наиболее на- груженном потребителе превышает заданное значение, то процесс регулирования происхо- дит в обратном порядке. Таким образом регулятор подачи обеспе- чивает поддержание заданной скорости одно- временно работающих гидродвигателей. Большая простота и относительно малая стоимость нерегулируемых насосов определя- ет достаточно широкое применение схем СПР на машинах строительно-дорожного назначе- ния. Однако энергетические и функциональ- ные преимущества схемы СЧН-НР определяют тенденцию расширения ее использования пре- жде всего в относительно дорогих машинах с мощными гидроприводами рабочих органов. Вместе с тем, как следует из энергетической оценки схем источников питания, до настоя- щего времени не созданы гидроприводы рабо- чих органов, полностью отвечающие требова- ниям функциональной экономичности: даже схемы СЧН, относящиеся к наиболее поздним разработкам, не свободны от существенных
ГИДРОПРИВОДЫ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 51 потерь мощности, например, при наличии одно- временно работающих потребителей, отличаю- щихся по значению используемого давления. Это обстоятельство стимулирует поиск новых схемных решений гидроприводов рабо- чих органов, в частности по использованию регулируемых гидромоторов. В гидроприводах, сочетающих регули- руемые насосы и регулируемые гидромоторы, может быть достигнута максимальная эконо- мичность даже при одновременном функцио- нировании неравномерно загруженных потре- бителей. В схеме, показанной на рис. 1.4.2, регуляторы рабочего объема насосов и гидро- моторов могут выполняться по простейшему варианту постоянного давления: на входах в гидромоторы устанавливаются дроссельные регуляторы расхода рабочей жидкости, управ- ление которыми осуществляется от датчиков частоты вращения гидромоторов. Условие отсутствия в гидроприводе по- терь при недогрузке с сохранением установ- ленной скорости рабочих органов для каждого гидромотора характеризуется выражениями, /чы = PU~PH = const; (1.4.1) QlqM=® = const, (1.4.2) где Л/м - момент на валу гидромотора; qM - рабочий объем гидромотора; ри - давление на выходе насоса; рм - давление на входе в гид- ромотор; со - частота вращения гидромотора; Q - расход через гидромотор. При работе гидропривода изменение мо- мента на валу гидромотора приводит в дейст- вие соответствующий регулятор рабочего объ- ема, который обеспечивает выполнение усло- вия (1.4.1). Затем датчик частоты вращения гидромотора передает сигнал на дроссельный регулятор, корректируя расход рабочей жид- кости через гидромотор. В результате стабили- зируется частота вращения гидромотора (вы- полняется условие (1.4.2)), а изменение пропу- скной способности дроссельного регулятора приводит к соответствующей корректировке подачи насоса. В техническом отношении задача созда- ния группового источника питания для приво- да одновременно работающих гидромоторов с обеспечением отсутствия потерь мощности при их недогрузке разрешима при современ- ном уровне развития гидрооборудования. Очевидно, однако, что использование таких гидроприводов вместо гидроприводов с нере- гулируемыми гидромоторами целесообразно только в тех случаях, когда повышенные за- траты на изготовление (определяемые более высокой ценой регулируемых гидромоторов) компенсируются снижением эксплуатацион- ных затрат. Условие целесообразности применения регулируемых гидромоторов может быть представлено в следующем виде: ка(цмр-цм,) A7U >---------------; АЦЭ AE = TAN, где АЕ - годовые потери энергии, определяе- мые недогрузкой по давлению; ЦмР - цена регулируемых гидромоторов; Цм н - цена нере- гулируемых гидромоторов; Ка - коэффициент расхода запасных частей; А - амортизацион- ный срок службы; Цэ - цена единицы энергии; АА - средние за время Т потери мощности, определяемые недогрузкой по давлению; Т - время загрузки гидропривода. Величина АЕ является обобщенным по- казателем, исходя из которого для конкретных соотношений недогрузки гидропривода по давлению и его загрузки по времени можно выбрать наиболее выгодное решение. Рис. 1.4.2. Схема гидропривода с регулируемыми гидромоторами: 1 - регулируемый насос; 2 - регулятор подачи; 3 - регулируемый гидромотор; 4 - регулятор расхода; 5 - датчик частоты вращения гидромотора
1.4.2. Основные составляющие и достигаемый эффект применения электрогидравлического управления Основные составляющие ЭГУ Достигаемый эффект функциональный конструктивный энергетический эргономический повышение надежности Пропорциональное управление Оптимизация скоро- стей, величин пере- мещений рабочих ор- ганов, усилий на них и за счет этого повы- шение производи- тельности и качества выполнения техноло- гического процесса - Исключение потерь мощности на дроссе- лирование (в сочета- нии с регулируемыми насосами) Уменьшение количе- ства переключений органов управления Уменьшение цикли- ческих нагрузок при переключении гидро- аппатуры. Уменьше- ние тепловой напря- женности за счет снижения потерь мощности на дроссе- лирование Дистанционное управление - Уменьшение длины и числа гидролиний за счет установки гидро- аппаратов непосред- ственно у исполни- тельных механизмов Уменьшение потерь мощности на преодо- ление гидравлических сопротивлений за счет уменьшения длины гидролиний Снижение шумового и теплового воздейст- вий гидропривода на оператора за счет ус- тановки гидроагрега- тов вне кабины, сни- жение воздействия окружающей среды за счет упрощения гер- метизации кабин Уменьшение числа гидролиний и соеди- нений Электрическая передача сигнала Обеспечение опти- мальных скоростей, величин перемещения рабочих органов и усилий на них на ос- нове использования бортовых компьюте- ров, электронных ло- гических блоков и датчиков контроля технологического процесса Упрощение органов управления - Уменьшение усилий на органах управле- ния, их габаритных размеров - Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ
ГИДРОПРИВОДЫ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 53 Развитие схем гидроприводов рабочего оборудования тесно связано с возможностью применения электрогидравлического управле- ния (ЭГУ), позволяющего существенно повы- сить эффективность соответствующих гидро- устройств. Реализуемое дистанционное и про- порциональное управление гидрооборудова- нием в сочетании с электрической передачей сигналов, а в ряде случаев с компьютерной обработкой информации, создает предпосылки для расширения функциональных возможно- стей машины, упрощения ее конструкции, повышения КПД, улучшения условий труда и повышения надежности (табл. 1.4.2). Применение чувствительного к загрязне- ниям рабочей жидкости прогрессивного гидро- оборудования в условиях высокой загрузки гидропривода требует реализации специальных мероприятий по обеспечению благоприятных режимов работы гидроустройств (табл. 1.4.3). 1.4.3. Направления и методы обеспечения благоприятных режимов работы гидрооборудования Направления Основные методы реализации Повышение чистоты рабочей жидкости Повышение грязеемкости фильтров за счет применения новых материалов (стекловолокна, комбинации стекловолокна и целлю- лозы). Контроль загрязненности фильтров применением индикаторов загрязненности с дистанционной передачей сигнала, выводом сиг- налов на устройства отключения насосов. Установка специальных фильтрующих насосов низкого давления. Последовательное соединение контуров гидросистемы с сообще- нием сливной гидролинии менее ответственного насоса с всасы- вающей гидролинией более ответственного насоса, определяюще- го безопасность оператора. Полная герметизация баков с использованием свободнолежащих диафрагм Обеспечение нормальной температуры рабочей жидкости Применение радиаторов с активным охлаждением, охлаждающих контуров со специальным насосом, челночных клапанов в контуре подпитки. Организация тепло- и массообмена между контурами с различной теплонапряженностью Улучшение условий всасывания насосов Оптимизация расположения баков относительно насосов. Организация всасывающего тракта с минимальным количеством сопротивлений. Последовательное включение контуров гидросистемы. Использование замкнуто-разомкнутых гидросистем, рабочих жид- костей с пологой вязкостно-температурной характеристикой Смягчение забросов дав- ления в гидролиниях и контроль их разрывов Применение золотников управления с плавным открытием про- ходного сечения. Создание контуров постоянной циркуляции рабочей жидкости через корпусы гидроагрегатов для работы в условиях низких тем- ператур. Секционирование баков с подключением всасывания приоритет- ных потребителей к секциям с гарантированным сливом. Установка устройств контроля разрыва гидролиний с датчиками герметичности системы и элементами отключения подачи насосов
54 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Гидрооборудование гидроприводов ра- бочих органов. Соответствие гидроприводов машин строительно-дорожного назначения предъявляемым к ним требованиям в значи- тельной степени зависит от применяемого гидрооборудования. В номенклатуру гидрооборудования входят: объемные гидромашины (насосы и гид- ромоторы); направляющая и регулирующая гидроап- паратура; гидроцилиндры; кондиционеры рабочей жидкости; трубопроводы и соединительная гидро- арматура; уплотнения. Наибольшее распространение в гидро- приводах рабочих органов в связи с низкой стоимостью и компактностью получили шес- теренные насосы внешнего зацепления и, как правило, выполненные на их базе гидромото- ры. В шестеренных насосах при вращении шестерен в направлении, показанном стрелка- ми (рис. 1.4.3, а), жидкость во впадинах шес- терен переносится из полости всасывания в полость нагнетания и под давлением поступает в напорную гидролинию. Для повышения коэффициента подачи в насосах широко применяются компенсаторы торцовых зазоров (между торцовыми поверх- ностями шестерен и прилегающими поверхно- стями) и, в ряде случаев, компенсаторы ради- альных зазоров между головками зубьев и корпусом. На рис. 1.4.3, б показан вариант исполнения насоса с торцовой компенсацией, в котором "плавающие" опорные подшипнико- вые втулки 6 поджимаются к шестерням 8, 9 под давлением жидкости, просочившейся по валам шестерен. Современные конструкции шестеренных гидромашин обеспечивают приемлемый для гидроприводов рабочих органов КПД (табл. 1.4.4), но уступают гидромашинам поршневого типа по возможности работы с высоким давлением (свыше 25 МПа) и не по- зволяют осуществлять машинное регулирова- ние скоростных режимов. Стремление повысить КПД гидроприво- дов за счет использования машинного регули- рования определило расширение применения регулируемых аксиально-поршневых насосов. Для использования в гидроприводах рабочих органов выпускаются насосы "легких" и "средних" серий (типоразмерных рядов), рас- считанных преимущественно на максимальное давление 21...25 МПа (рис. 1.4.4). Возвратно-поступательное движение поршней в таких насосах возникает при пово- роте диска (отклонении от положения, перпен- дикулярного приводному валу). Рабочий объ- ем насоса с наклонным диском Лб/2 <7д=—^tgcp,, 4 где d - диаметр поршней; Рд - диаметр дели- тельной окружности блока цилиндров; фд - угол поворота наклонного диска; в современ- ных насосах с наклонным диском фд < 18...20°; Z - число поршней. Рис. 1.4.3. Шестеренный насос: а - схема качающего узла; 7,2- шестерни; 3 - корпус; б - конструкция; 1,2- кольца; 3 - отверстие; 4 - уплотнение; 5 - крышка; 6 - втулка; 7 - корпус; 8,9- шестерни; 10 - болт; 11 - пластина
ГИДРОПРИВОДЫ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 55 1.4.4. Характеристика шестеренных насосов типа НШ Показатель Модель насоса и численное значение показателя НШ10-БЗ НШ32-ВЗ НШ40-Д4 НШ50-АЗ НШ100-АЗ НШ250-4 Рабочий объем, см3 10 32 40 50 100 250 Давление, МПа: максимальное 21 21 25 21 21 25 номинальное 16 16 20 16 16 20 Частота вращения, мин-1: максимальная 3600 3600 3000 3000 2400 1920 номинальная 2400 2400 2400 2400 1920 1500 минимальная 960 960 960 500 500 500 Полный КПД 0,84 0,84 0,84 0,84 0,86 0,86 Коэффициент подачи 0,95 0,95 0,95 0,95 0,96 0,95 Масса, кг 2,35 4,3 5,5 8,0 17 45 Рис. 1.4.4. Регулируемый насос для гидроприводов рабочих органов: 1 - приводной вал; 2 - блок цилиндров; 3 - гидроцилиндр поворота диска; 4 - блок клапанов; 5 - регулятор подачи; 6 - торцовый распределитель; 7 - корпус; 8 - наклонный диск Характеристика регулируемых насосов с наклонным диском типа Рексрот AIOVO (ряд 21) приведена ниже. Рабочий объем, см3.. 25 40 63 Давление, МПа: максимальное... 25 25 25 номинальное.... 21 21 21 Частота вращения, мин-1: максимальная ... 3250 2800 2400 номинальная .... 2400 2150 1850 Масса, кг 11 15 25 Конструктивная схема с наклонным дис- ком обеспечивает относительную простоту насосов и хорошую устойчивость против вибраций. Особенности насосов для гидропри- водов рабочего оборудования состоят в сле- дующем: не предусматривается возможность ре- версирования потока, так как в случае приво- дов рабочих органов эта функция обеспечива- ется гидрораспределителем; предусматривается возможность само- всасывания, для чего обеспечивается принуди- тельное ведение поршней;
56 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН применяется облегченная конструкция корпуса в связи с отсутствием внутреннего давления подпитки. Насосы комплектуются автоматическими регуляторами подачи, в том числе типа "чувст- вительным к нагрузке". Полный КПД аксиально-поршневых на- сосов легких и средних серий в основной части диапазонов рабочих объемов и давлений со- ставляет 0,82...0,87, а коэффициент подачи - 0,92...0,94. Регулируемые аксиально-поршневые гидромашины для работы при давлении свыше 25...30 МПа более подробно рассмотрены ниже в разделе объемных гидропередач движителей, являющихся преимущественной областью использования гидромашин тяжелой серии. В отличие от исполнений, предназначенных для использования в характерных для объем- ных гидропередач схемах с замкнутым пото- ком рабочей жидкости, насосы высокого дав- ления для приводов рабочих органов являются самовсасывающими и, как правило, не преду- сматривают реверсирования направления по- дачи при неизменном направлении вращения приводного вала. Насосы могут комплекто- ваться регуляторами мощности, изменяющими подачу в зависимости от давления, что обеспе- чивает постоянную мощность насоса при оп- ределенной частоте вращения приводного ва- ла. Наличие регулятора мощности позволяет полно использовать возможности двигателя машины и, соответственно, повышает произ- водительность работы на операциях, не имеющих технологических ограничений ско- рости рабочих органов. Использование в гидроприводах рабочих органов двухпоточных насосов (с общими приводом и регулятором подачи) позволяет осуществлять независимый одновременный привод двух групп потребителей или, при необходимости, суммировать подачу обоих насосов. Наряду с шестеренными и аксиально- поршневыми гидромоторами, применяемыми в основном при частотах вращения более 1000 мин-1, в машинах строительного назначе- ния находят применение среднечастотные (среднеоборотные) гидромоторы, рассчитан- ные на скоростной диапазон 10...800 мин-1. Среднечастотные гидромоторы выполняются на базе героторного планетарного качающего узла. Ниже приведена характеристика геро- торных среднечастотных гидромоторов Дан- фосс типа ОМР. Рабочий объем, см3..................... 25 Перепад давлений, МПа: максимальный................... 14,0 номинальный..................... 10,0 Частота вращения, мин-1: максимальная.......................... 1600 минимальная...................... 20 Масса, кг............................... 5,5 50 100 160 250 400 14,0 17,5 17,5 12,5 8,0 10,0 14,0 14,0 9,0 6,0 1230 615 385 250 155 10 9 8 5 5 5,7 5,9 6,2 6,6 7,4 В процессе работы гидромотора под дав- лением рабочей жидкости в движение приво- дится подвижная шестерня (ротор), обкаты- вающая по "орбите" неподвижную шестерню (статор) и создающая вращающий момент на выходном валу. Отношение оборотов ротора по орбите к частоте вращения вала 7:1, что обеспечивает тихоходность гидромотора, его компактность и малую массу. Полный КПД героторных среднечастот- ных гидромоторов в большей части диапазо- нов частот вращения и рабочих давлений со- ставляет 0,75...0,80, а объемный КПД - соот- ветственно 0,88...0,92. Наиболее распространенным типом гид- роаппаратов, используемых в схемах гидро- приводов рабочих органов и существенным образом определяющих их построение, явля- ются гидрораспределители. Основные пара- метры гидрораспределителей - номинальные расход и давление, а также условный проход. Преимущественное исполнение гидро- распределителей - золотниковое, что обуслов- лено их высокой технологичностью, компакт- ностью, приспособленностью к регулирова- нию расхода. Основные особенности золот- никовых гидрораспределителей приведены ниже.
ГИДРОПРИВОДЫ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 57 Ручное, гидравлическое, электромагнитное, элекгрогидравлическое Двух-, трех-, четырехпозиционные Вперед, назад, заперто (нейтраль), плавающая Двух- (напорная и управления), трех- (напорная, сливная и управле- ния), четырехлинейные (напорная, сливная и две линии управления) Одно-, многозолотниковые Параллельная, последовательная, индивидуальная Золотниковая ("открытый центр"), клапанная ("закрытый центр") Тип управления................... Число рабочих позиций............ Тип рабочих позиций.............. Число внешних гидролиний......... Число золотников................. Схема соединения каналов......... Схема разгрузки источника питания .... В случае параллельной схемы соедине- ния каналов напорная гидролиния позволяет соединять с источником питания несколько гидродвигателей (рис. 1.4.5, а), между кото- рыми имеется гидродифференциальная связь (расход между гидродвигателями распределя- ется приблизительно обратно пропорциональ- но нагрузке). При последовательной схеме сливная гидролиния первого гидродвигателя соединя- ется с напорной гидролинией второго гидро- распределителя (рис. 1.4.5, б). Каждый гидро- двигатель работает на полном расходе источ- ника питания, но использует лишь часть дав- ления гидропривода (сумма нагрузок гидро- двигателей не должна превышать максималь- ного давления источника питания). В случае индивидуальной схемы обеспе- чивается приоритетность работы первого гид- родвигателя ближайшего к напорной гидроли- нии и, соответственно, работа обоих гидродви- гателей может осуществляться только пооче- редно (рис. 1.4.5, в). В отличие от предыдущих схем разгрузка насоса в схеме, показанной на рис. 1.4.5, г, производится через управляемый от специаль- ного канала перепускной (переливной) клапан. Такое исполнение гидрораспределителя обес- печивает его бблыпую компактность по срав- нению с гидрораспределителями "проточных" схем и, как правило, снижает давление раз- грузки (холостой режим работы гидроприво- да), но приводит к усложнению гидроаппара- тов из-за наличия перепускного клапана. Рис. 1.4.5. Схемы гидрораспределителей: а-с параллельным соединением каналов; б - с последовательным соединением каналов; в - с индивидуальным соединением каналов; г - с разгрузочным клапаном; А,А\, А2, В, В}, В2 - рабочие гидролинии гидродвигателей; Р - напорная гидролиния насоса; Т- сливная гидролиния
58 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Гидроуправляемые гидрораспределители могут комплектоваться специальными блоками, обеспечивающими дистанционное пропорцио- нальное управление, при котором положение золотника и расход к потребителю соответст- вуют положению управляющего органа. Особый интерес представляют гидрорас- пределители с электроуправлением. Характе- ристика гидрораспределителей с пропорцио- нальным электроуправлением типа МКРН приведена ниже. Условный проход, мм 6 10 25 Номинальное давление, МПа 25 25 25 Номинальный расход, л/мин 12,5 80 350 Напряжение, В 13,5/27 13,5/27 13,5/27 Тип управления Электромагнитное Электромагнитное Электрогидравлическое Вязкость рабочей жидкости, мм2/с ... 5...400 5...400 5...400 Температура окружающей среды, °C -50...+50 -50...+50 -5O...+5O Масса, кг 1,7 6,0 15,0 Наряду с дистанционностью и пропор- циональностью электроуправление предостав- ляет широкие возможности для интегрирова- ния со средствами автоматики и вычислитель- ной техники, Существенно, что современные гидрораспределители с электроуправлением в большой степени удовлетворяют тяжелым условиям эксплуатации, характерным для ма- шин строительного назначения. Кроме гидромашин и гидрораспредели- телей в гидроприводах рабочих органов при- меняется широкая номенклатура гидрообору- дования, в том числе: гидроцилиндры - поршневые с одно- и двусторонним штоком, плунжерные, телеско- пические (с полным ходом выходного звена, равным сумме ходов всех рабочих звеньев); делители потока - дросселирующего и объемного типов (последние - на базе шесте- ренных дозирующих гидромоторов), обеспе- чивающие синхронизацию расходов при раз- делении потока рабочей жидкости на две и более части; обратные гидроклапаны, предназначен- ные для пропускания рабочей жидкости только в одном направлении и запирании в обратном направлении (основное применение - предот- вращение самопроизвольного опускания рабо- чих органов); гидрозамки - одно- и двусторонние, вы- полняющие функции обратных клапанов с возможностью управляющего воздействия для пропускания и запирания потока рабочей жид- кости; предохранительные гидроклапаны - пря- мого действия и непрямого (двухступенчатые), предназначенные для предохранения гидро- приводов от давлений, превышающих уста- новленные; редукционные гидроклапаны, предназна- ченные для поддержания в отводимом от них потоке рабочей жидкости давления более низ- кого, чем давление в подводимом потоке; регуляторы потока - двух- и трехлиней- ные, предназначенные для поддержания за- данного значения перепада давлений в под- водимом и отводимом потоках рабочей жид- кости. Ответственным элементом гидропривода являются рукава высокого давления (РВД), работающие в условиях комбинированного воздействия механических изгибов и внутрен- него давления рабочей жидкости. В основном применяются два типа РВД, определяемые конструкцией силового каркаса: с металлона- вивками и металлооплетками. РВД с металло- навивками, выполненными в виде спиралей, предпочтительны для тяжелых режимов на- гружения в условиях воздействия импульсных нагрузок. Рукава с металлооплетками, выпол- ненные в виде перекрещивающихся потоков проволоки, из-за концентраторов напряжений в местах контактов соприкасающихся прово- лок менее приспособлены к восприятию боль- шого числа циклов нагружения. Поскольку структура их силового каркаса более устойчи- ва к деформирующим воздействиям, использо- вание их оправдано в условиях, требующих установки РВД с малыми радиусами изгиба. Надежность работы гидрооборудования непосредственно зависит от чистоты рабочей жидкости. Это обстоятельство определило применение в гидроприводах рабочих органов заправочных фильтров, сапунов (для очистки воздуха при “дыхании" гидропривода), а также устанавливаемых в большинстве случаев на сливе и встраиваемых в гидробак линейных
ГИДРОПРИВОДЫ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 59 фильтров (рис. 1.4.6). В качестве фильтрую- щих материалов преимущественно использу- ется бумага, картон, а также материалы на основе стекловолокна. Основными критериями выбора фильтрующих материалов являются тонкость фильтрации, удельная пропускная способность и их грязеемкость. Одним из важнейших свойств гидропри- вода является его герметичность, в первую оче- редь связанная с качеством соединений гидро- линий и уплотнений подвижных элементов. Наиболее распространенным типом со- единений является конструкция сферический (шаровой) ниппель - штуцер с внутренним конусом, причем угол конуса составляет 60° или 24°. Угол 24° обеспечивает большую гер- метичность соединения, но требует более точ- ного изготовления (рис. 1.4.7, а). Определенные преимущества имеют со- единения с врезающимся кольцом (рис. 1.4.7, б), в которых герметичность достигается за счет врезания кромки кольца в трубу при сборке. Соединения не требуют сварки или пайки, но условием их применения является наличие труб повышенной точности или специальная калибровка посадочного конца трубопровода. В качестве уплотнений подвижных эле- ментов в гидроприводах применяются харак- теризующиеся наибольшей простотой и ис- 9 10 11 12 13 /4- 1516 10 17 Рис. 1.4.6. Гидробак: 1 - спускная пробка; 2 - стяжка; 3 - запорный вентиль; 4,8 - гайки; 5, 75 - клапаны; 6 - боковина бака; 7 - трубка; 9- измеритель уровня; 10- фильтрующий элемент; И - горловина; 12 - фильтр грубой очистки; 13 - крышка; 14 - корпус фильтра; 16 - болт; 7 7 - сапун; 18 - кронштейн пользуемые при давлении до 25...33 МПа ре- зиновые кольца круглого сечения, манжеты (менее чувствительные к износу, чем резино- вые кольца), многорядные резинотканевые уплотнения (рассчитанные на давление до 63 МПа). Широким и все возрастающим мас- штабом применения характеризуются комби- нированные уплотнения, в которых роль анти- фрикционного элемента выполняет пластмас- са, а роль упругого - резина. На рис. 1.4.8 по- казан гидроцилиндр для тяжелых условий применения с широким набором уплотнитель- ных элементов. Элементы расчета гидроприводов ра- бочих органов. При проектировании гидро- привода на основе кинематической схемы раз- рабатывается принципиальная схема, с учетом принятых номинального и максимального дав- лений выбираются типы и определяются рабо- чие параметры гидродвигателей, исходя из времени и скорости срабатывания рабочих органов определяется подача источника пита- ния, выбираются условные проходы гидроап- паратуры, сечения трубопроводов, размеры гидроемкостей и элементов охлаждения. Номинальное давление рНом принимается с учетом соответствующих стандартов исходя из характеристик серийно выпускаемого гид- рооборудования. Рабочие параметры гидродвигателя вы- бираются исходя из задачи обеспечения силы и скорости перемещения гидроцилиндра, вра- щающего момента и частоты вращения для гидромотора. Перепад давлений Др на гидродвигателе принимается на уровне 0,8...0,9рНОм с учетом максимальных гидравлических потерь в гид- роприводе во всем рабочем диапазоне темпе- ратур. Рис. 1.4.7. Соединения трубопроводов: а - сферический (шаровой) ниппель - штуцер с внутренним конусом; б - с врезающимся кольцом; 7 - штуцер; 2 - накидная гайка; 3 - ниппель; 4 - врезающееся кольцо; 5 - труба
60 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Рис. 1.4.8. Гидроцилиндр с набором уплотнений: 1 - шток; 2 - корпус; 3 - поршень; 4 - крышка; 5 - пылезащитное уплотнение; 6 - полиуретановый грязесъемник; 7 - манжетное уплотнение штока; 8 - комбинированное уплотнение (предварительная ступень); 9 - опорно-направляющее кольцо; 10 - уплотнение поршня; 11 - уплотнение с защитными кольцами; 12 - уплотнение с защитным кольцом Диаметр D гидроцилиндра в общем слу- чае определяется в зависимости от использо- вания в качестве рабочей полости: поршневой TtD2 F=bp—— Пгм.ц; 4 штоковой it(D2-d2) . Лгм.ц» 4 где F - сила на штоке; Т|гм ц “ гидромехани- ческий КПД гидроцилиндра; d - диаметр што- ка гидроцилиндра. Требуемый расход рабочей жидкости для гидроцилиндра определяется из условия обеспечения скорости перемещения поршня (штока): QU=FUS, где Иц - скорость перемещения поршня (што- ка); 5 - площадь поршня, на которую воздей- ствует давление рабочей жидкости. Для гидроцилиндра с поршневой рабочей полостью S = 7tD2/4, со штоковой рабочей полостью S = n(D2 -d2)/ Требуемый расход рабочей жидкости для гидромотора Qm ~~ Ям «м Лом» где qM - рабочий объем гидромотора; пм - час- тота вращения гидромотора; Лом - объемный КПД гидромотора. Рабочий объем гидромотора qu опреде- ляется из выражения _ ДР*7мЛгм.м м 2л где Мм - вращающий момент; Г|гм м - гидроме- ханический КПД гидромотора. При определении подачи насоса QH ис- ходя из циклограммы работы машины учиты- вается максимальная сумма расходов (2ГД од- новременно работающих гидродвигателей: т Qh ~ бгд i > /=1 где т - число одновременно работающих гид- родвигателей. Требуемый рабочий объем насоса ^нЛон где пп - частота вращения вала насоса; л он - коэффициент подачи насоса. Типоразмер гидромашин выбирается из номенклатуры серийно выпускаемого гидро- оборудования. При выполнении расчетов необходимо учитывать уменьшение КПД гидромашин
ГИДРОПРИВОДЫ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 61 вследствие их износа в ходе эксплуатации, соответственно снижая расчетное значение по сравнению с указанным в технической харак- теристике. Мощность, необходимая для привода насоса, ^пр — Qh Ph Л н> где рн - давление на выходе из насоса; Г|н - полный КПД насоса. Условный проход гидроаппаратуры, близкий к диаметру присоединяемой трубы, выбирается на основе расхода рабочей жидко- сти и ее допускаемой скорости. Рекомендуемые расчетные скорости ра- бочей жидкости, м/с, приведены ниже. Всасывающие гидролинии............. 1,4... 1,6 Сливные гидролинии................. 2,2...2,5 Напорные гидролинии с постоянной цир- куляцией рабочей жидкости (РноМ = 16 МПа) 3,6...4 Остальные напорные гидролинии (Рном — 16 МПа).................... 5...6 При номинальном давлении в гидропри- воде 25 и 32 МПа указанные скорости для на- порных и сливных гидролиний целесообразно увеличить соответственно в 1,25 и 1,5 раза. Уточнение условных проходов трубо- проводов проводится после определения по- терь давления с учетом длин гидролиний, ко- личества и типов соединений. Номинальная тонкость фильтрации ли- нейного фильтра лимитируется наиболее чув- ствительным к загрязнениям гидроустройст- вом, входящим в гидропривод. В большинстве случаев это шестеренные и аксиально- поршневые гидромашины с наклонным бло- ком (25 мкм), аксиально-поршневые с наклон- ным диском (10 мкм), а также распределительно- регулирующая гидроаппаратура (10...25 мкм). Размеры гидробака выбираются с учетом заполнения рабочей жидкостью внутренних полостей гидроустройств (в том числе освобо- ждающихся в процессе работы, например по- лостей плунжерных гидроцилиндров), а также требований теплоотдачи. В гидроприводах с разомкнутым потоком вместимость гидробака не должна быть менее 0,33-минутной подачи насосов для предотвращения интенсивного массообмена, приводящего к повышенному содержанию воздуха в рабочей жидкости. Важнейшим условием надежной работы гидропривода является обеспечение нормаль- ного теплового режима, определяющего ста- бильность характеристик, нормальность рабо- ты пар трения, долговечность рабочей жидко- сти. Задачей расчета теплового режима являет- ся определение размеров поверхности охлаж- дения исходя из теплового баланса гидропри- вода. Выражение теплового баланса при уста- новившемся режиме AN <^K,S,AT, где AN - потери мощности в гидроприводе; Ki - коэффициент теплоотдачи элементов гид- ропривода; S, - площадь внешней поверхности элементов гидропривода; АГ- перепад темпе- ратур между рабочей жидкостью и окружаю- щим воздухом при установившемся режиме. ДУ = ^(1-Пга). где Nnp - мощность привода; Г|гп - полный КПД гидропривода. При циклическом нагружении потери мощности следует учитывать как средние за цикл: . __ ANiAA + AN?Ar2 + ... +AN.Ar.- АГ где АГ - средняя продолжительность цикла. Площадь охлаждающей поверхности гидробака [AN-AT(KrSr+KrSr)] 6 ьткб где К?, Кт, Kq - коэффициент теплопередачи соответственно трубопроводов, гидроуст- ройств и гидробака; ST, Sr - площадь внешней охлаждающей поверхности соответственно трубопроводов и гидроустройств. Коэффициент теплопередачи является величиной, зависящей от конструкции маши- ны и гидропривода, от скоростного режима машины, состояния поверхности, влажности окружающего воздуха. По этой причине теп- ловой расчет носит ориентировочный харак- тер. При отсутствии специальных средств для увеличения отвода теплоты (вариант свобод- ного обтекания воздухом охлаждающей по- верхности) рекомендуются следующие расчет- ные предельные коэффициенты теплопереда- чи, Вт/(м2 • °C).
62 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Для баков и металлических трубопроводов ... 15... 17,5 Для остального гидрооборудования.10... 11,5 Если по конструктивным возможностям нельзя реализовать требуемую площадь по- верхности гидробака, то необходимо приме- нить теплообменник. Целью поверочного расчета является проверка соответствия выбранного гидрообо- рудования поставленным задачам и уточнение параметров гидропривода. Поверочный расчет гидропривода проводится на основе результа- тов предварительного расчета и характеристик выбранного гидрооборудования с учетом мак- симальной и минимальной вязкости рабочей жидкости в рабочем диапазоне температур. При поверочном расчете проверяются дейст- вительные расходы в гидроприводе, опреде- ляются потери давления по длине трубопрово- дов, в гидроаппаратуре и местных сопротивле- ниях, уточняются скорости рабочих органов и создаваемые ими усилия, определяется КПД и мощность гидропривода, проводится уточнен- ный расчет теплового режима. 1.4.2. ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОПЕРЕДАЧИ ПРИВОДОВ ДВИЖИТЕЛЕЙ Объемная гидропередача (ОГП) предна- значена для передачи движения от двигателя самоходной машины к ее ходовой части (коле- сам, гусеницам), включает насос, не менее одного гидромотора, а также устройства, управляющие рабочим объемом гидромашин, ограничивающие максимальное давление и осуществляющие кондиционирование рабочей жидкости. В ряде случаев ОГП содержит гид- роустройства отключения или переключения гидромашин, отключения подачи рабочей жидкости к буксируемым колесам и др. В об- щем случае ОГП является частью гидрообъем- ной трансмиссии (ГОТ), содержащей помимо объемной гидропередачи зубчатые передачи и другие механические передаточные устройства в различных сочетаниях. При отсутствии ме- ханических передаточных устройств понятия ОГП и ГОТ тождественны. Использование ОГП на самоходных ма- шинах обеспечивает простоту их управления, бесступенчатое изменение скорости, получе- ние "ползучих" скоростей, повышает манев- ренность и плавность трогания. При автоматизации и бесступенчатом ре- гулировании скорости с ОГП можно получить оптимальные режимы работы двигателя, более полно использовать его мощность и увеличить ресурс. Свободная компоновка гидроустройств ОГП позволяет в необходимых случаях мак- симально подчинить ее технологическим це- лям, а сокращение (или полное исключение) механических передач - уменьшить массу самоходной машины и повысить ее надежность. При использовании ОГП на транспорт- ной машине возможно упрощение ее конст- рукции в связи с отсутствием необходимости в муфте сцепления, коробке передач, тормозах (за исключением стояночного), а на гусенич- ной - в связи с исключением специальных механизмов управления поворотом. Сдерживающим фактором применения ОГП является относительно высокая стои- мость гидромашин. Поэтому применение ОГП в транспортной технике ограничивается в ос- новном многоприводными машинами (плат- формами самоходных кранов и др.) с относи- тельно узким диапазоном скоростей. В этих случаях возможна минимизация рабочих объ- емов, а следовательно, стоимости гидромашин при максимальном использовании кинемати- ческих и динамических преимуществ гидро- привода, обеспечивающих высокую проходи- мость самоходной машины (за счет автомати- ческой блокировки дифференциала и реализа- ции ползучих скоростей движителей) и эконо- мичность работы двигателя (путем перевода на низкие частоты вращения при недогрузке). Сочетание узкого диапазона скоростей с отно- сительно малой (по отношению к массе) мощ- ностью двигателя позволяет применять ОГП на самоходных катках и различных погрузчи- ках. Использование ОГП эффективно в маши- нах, в которых их поступательное движение не совпадает по времени с использованием рабо- чего оборудования, так как в этом случае для привода рабочих органов могут быть приме- нены насосы привода движителей и наоборот. В частности на одноковшовых экскаваторах насосы ОГП используются для управления поворотом платформы, стрелой и ковшом. Применение ОГП экономически оправ- дано в приводах, в которых мощность рабоче- го оборудования существенно превышает по- требности движителей, что снижает относи- тельную стоимость объемной гидропередачи по сравнению с общими затратами на гидро- привод, например у роторных и цепных экска- ваторов с основными затратами мощности на привод роторов и транспортирующих элемен-
ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОПЕРЕДАЧИ ПРИВОДОВ ДВИЖИТЕЛЕЙ 63 тов. При этом ОГП позволяет обеспечить мак- симальную загрузку двигателя и повысить производительность за счет бесступенчатого изменения скорости движения в зависимости от твердости разрабатываемого грунта. Экономичность ОГП в значительной сте- пени зависит от типа гидропередачи. Классификация ОГП. ОГП классифи- цируют по следующим основным признакам: конструктивному исполнению - нераз- дельному или раздельному; сочетанию регулируемых и нерегули- руемых гидромашин - регулируемый насос - нерегулируемый гидромотор или гидромото- ры, регулируемый насос - регулируемый гид- ромотор, нерегулируемый насос - регулируе- мый гидромотор, нерегулируемый насос - нерегулируемый гидромотор; числу гидромашин - двух-, многома- шинные; типу управляющего устройства - с руч- ным или с автоматическим управлением; типу управления параметрами выходного звена - с машинным или дроссельным управ- лением; типу взаимодействия с гидроустройства- ми, не входящими в гидрообъемную трансмис- сию, - автономному, объединенному. ОГП нераздельного (моноблочного) ис- полнения позволяет отказаться от соедини- тельных трубопроводов и использовать в каче- стве гидролиний каналы, выполненные в кор- пусе гидропередачи. В этом случае ОГП явля- ется максимально компактной и создает мак- симальные предпосылки для создания различ- ных модификаций машин в зависимости от их назначения и предполагаемого использования как с гидрообъемной, так и с механической трансмиссией (в связи с возможной взаимоза- меняемостью ОГП и механической коробки передач). Нераздельное исполнение ОГП обеспечивает максимальную герметичность гидропривода минимизацией количества гид- равлических разъемов. Наиболее простое исполнение гидрообъ- емной трансмиссии без использования допол- нительных карданных передач обеспечивается расположением двигателя самоходной маши- ны и ведущих элементов движителей (ведущих колес, звездочек) в одной зоне. Раздельное исполнение ОГП практически снимает ограни- чения по взаимному расположению двигателя и ведущих элементов движителей, но услож- няет решение задачи регулирования гидромо- торов, что является одной из причин относи- тельно широкого использования схем ОГП с регулируемыми насосами и нерегулируемыми гидромоторами. Раздельное исполнение ОГП позволяет устанавливать гидромоторы в веду- щих колесах самоходной машины, предельно исключая механические передачи. Вместе с тем, при этом увеличивается масса неподрес- соренных частей машины, сужаются возмож- ности выбора типа гидромоторов, усложняют- ся задачи их бесступенчатого регулирования и подвода рабочей жидкости. Доминирующий тип управления пара- метрами выходных звеньев (регулирование скорости) - машинное (гидромашины с пере- менным рабочим объемом). Дроссельное управление не получило распространения вви- ду низкого КПД и ограничено передачами с малой мощностью и низкой загрузкой по вре- мени. Расширение области применения гидрав- лики на машинах строительно-дорожного на- значения привело к созданию ОГП с многоце- левым использованием насосов: не только для привода движителей, но и для питания испол- нительных механизмов рабочих органов. Та- кие гидроприводы позволяют уменьшить ус- тановленную мощность наиболее дорогого гидрооборудования (регулируемых насосов) и существенно повысить экономическую эффек- тивность применения ОГП. Схемы объемных гидропередач. Ос- новные различия схем ОГП определяются ти- пом используемых гидромашин и их располо- жением в контурах передачи мощности. Тип схемы имеет существенное значение для мас- сы и удобства компоновки, диапазона измене- ния передаточного отношения в рабочем ре- жиме, КПД и стоимости ОГП. ОГП выполня- ется, как правило, по схеме с замкнутым пото- ком. Это создает предпосылки для управления направлением вращения гидромоторов без использования специальных гидрораспредели- телей и для повышения частоты вращения насосов. В результате чего упрощается ОГП, повышается гидравлический КПД и уменьша- ются рабочие объемы насосов. Основные структурные схемы ОГП в со- четании с редукторами (в случае их использо- вания) приведены на рис. 1.4.9. Схемы, показанные на рис. 1.4.9, а, б предназначены преимущественно для ОГП нераздельного исполнения машин колесной формулы 4x2. При благоприятных условиях
64 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Рис. 1.4.9. Структурные схемы гидрообъемных трансмиссий: а, б - двухмашинные; в, г - трехмашинные; д, е - с переключением или отключением гидромашин; ж, з- с многоцелевым использованием насосов; и, к- для гусеничных машин; 1 - с диапазонным редуктором, с понижающим редуктором или без редуктора; 2 - с понижающим редуктором или без редуктора; РО - гидрофицированные рабочие органы; ГР - гидрораспределитель компоновки они могут удовлетворять требова- ниям экскаваторов, погрузчиков, дорожных катков, промышленных тракторов. Схема на рис. 1.4.9, а рассчитана на узкий диапазон из- менения передаточного отношения (малогаба- ритная техника, отдельные коммунальные машины). Схемы на рис. 1.4.9, в, г по своим кине- матическим возможностям соответствуют пре- дыдущим схемам, но обладают дополнитель- ными возможностями раздельного исполне- ния. Схемы на рис. 1.4.9, д, е предусматривают соответственно возможность параллельного и последовательного соединения гидромоторов и возможность отключения части гидромото- ров. Схема на рис. 1.4.9, ж предназначена для переключения насоса на привод рабочих орга- нов при неподвижной самоходной машине. Схема на рис. 1.4.9, з обеспечивает одновре- менное питание движителей и рабочих органов при их использовании во время движения ма- шины с возможностью переключения обоих насосов на привод движителей (преимущест- венно в транспортных режимах) с раздельным питанием гидромоторов левого и правого бор- тов, что исключает гидравлическую диффе-
ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОПЕРЕДАЧИ ПРИВОДОВ ДВИЖИТЕЛЕЙ 65 ренциальную связь. Схема на рис. 1.4.9, и пре- дусматривает раздельный привод левой и пра- вой гусениц от высокомоментных гидромото- ров (без использования редукторов) или от высокочастотных (высокооборотных) гидро- моторов с понижающими или диапазонными редукторами в зависимости от требуемого диапазона изменения передаточного отноше- ния. Схема на рис. 1.4.9, к предусматривает применение для привода гусениц регулируе- мых высокооборотных гидромоторов, являясь предпочтительной для самоходных машин с широким диапазоном передаточного отно- шения. Структурные схемы ГОТ и ОГП для ма- шин с колесной формулой 4 х 4 не имеют принципиальных отличий от схем для машин с колесной формулой 4x2. Дополнительные функции, обеспечиваемые ОГП в таких маши- нах, следующие: блокировка межосевой гидравлической дифференциальной связи (исключение цирку- ляции мощности); обеспечение "плавающей” позиции гид- ромоторов; раздельное питание гидромоторов право- го и левого бортов для создания возможности поворота короткобазовых машин по аналогии с гусеничными. В гусеничных машинах существует прин- ципиальная возможность использования одного регулируемого насоса в сочетании с двумя регулируемыми гидромоторами (рис. 1.4.9, г). В этом случае поворот достигается уменьше- нием рабочего объема гидромотора одного борта и, следовательно, увеличением рабочего объема гидромотора другого борта. Такая схе- ма позволяет уменьшить установленную мощ- ность насосов по сравнению со схемами, пока- занными на рис. 1.4.9, и, к, но требует обеспе- чения блокировки гидравлической дифферен- циальной связи между гусеницами, например, включением в необходимых случаях роторно- го или дроссельного делителей потока. Из обобщенной оценки рассмотренных схем следует, что их основные особенности определяются типом гидромашин и их компо- новкой (раздельной, нераздельной); числом гидромашин; использованием понижающих или диапазонных редукторов (соответственно для обеспечения возможности применения высокооборотных гидромоторов и расширения диапазона регулирования); наличием пере- ключений и отключений гидромашин. Наибольшее усложнение схем ОГП свя- зано с переключением гидромоторов. Парал- лельное включение гидромоторов ведущих колес обеспечивает выполнение функции меж- колесного гидравлического дифференциала: менее нагруженное колесо с меньшим давле- нием на входе в соответствующий гидромотор "забегает", а более нагруженное - отстает. В случае параллельного включения и одинако- вого перепада давлений на гидромоторах ве- дущих колес через них проходят расходы рабочей жидкости, соответствующие лишь 1/2 подаче насоса. При последовательном включении гид- ромоторов весь расход проходит через каждый гидромотор. При этом частота вращения гид- ромоторов, а следовательно, и скорость само- ходной машины увеличивается в 2 раза. Вме- сте с тем каждый гидромотор использует лишь часть перепада давлений, создаваемого насо- сом (при одинаковой нагрузке - 1/2), поэтому последовательное включение эффективно при малых моментах на ведущих колесах (пре- имущественно на транспортных режимах). В случае последовательного включения гид- ромоторов они вращаются с одинаковой часто- той при любом распределении нагрузок между ними: происходит блокировка дифференци- альной связи. Это оправдано в экстремальных ситуациях для повышения проходимости, но в основных режимах движения (в частности при повороте) требует использования гидроуст- ройств для автоматического восстановления дифференциальной связи. При параллельном подключении всех гидромоторов обеспечива- ется движение машины с межосевой и межко- лесной дифференциальными связями, опти- мальное при стабильных дорожных условиях и равномерном распределении нагрузки на коле- сах. В других условиях такая схема включения гидромоторов приводит к повышенному бук- сованию колес с малой нагрузкой и недоста- точным сцеплением с опорной поверхностью и требует наличия автоматических блокирую- щих гидроустройств. В случае использования двух независи- мых замкнутых силовых контуров привода гусениц за счет раздельного управления кон- турами обеспечивается независимое изменение скоростей и направлений движения каждой гусеницы. В результате улучшается маневрен- ность машины: можно осуществлять поворот в различных режимах, в том числе разворот на месте при движении обеих гусениц в противо- положных направлениях. з - 1317
66 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Схемы с многоцелевым использованием насосов позволяют уменьшить их установлен- ную мощность и снизить стоимость исполь- зуемого на машине гидрооборудования. На рис. 1.4.10 представлена принципи- альная схема ОГП с типичным набором вспо- могательных гидроустройств. В качестве вспомогательного насоса (на- соса подпитки) в основном используются шес- теренные насосы упрощенных конструкций (без компенсаторов зазоров). В настоящее время определилась тенденция вытеснения насосов с внешним зацеплением насосами с внутренним зацеплением, характеризующимися меньшим уровнем шума, высокой всасывающей способ- ностью, меньшими габаритными размерами. Задачами вспомогательного насоса явля- ются: компенсация утечек в основных гидро- машинах ОГП; питание механизма управления регули- руемого насоса (при наличии гидроусилителя); обеспечение циркуляции рабочей жидко- сти через устройства кондиционирования (фильтр, теплообменник). Выбор давления насоса подпитки опре- деляется достаточностью его уровня для на- дежного предотвращения кавитационных яв- лений в ОГП при максимальной частоте вра- щения основного насоса, для поджима гидро- статических башмаков поршней (в случае насо- сов с наклонным диском), для обеспечения компактности элементов гидроусилителя сис- темы управления подачей. Верхняя граница давления подпитки лимитируется необходимо- стью снижения соответствующих затрат мощ- ности и требованием минимизации противодав- ления при работе гидромоторов, а также сохра- нением максимальной конструктивной просто- ты вспомогательного насоса. Наиболее типич- ный уровень давления подпитки 1,0... 1,6 МПа. Подача насоса подпитки в основном определя- ется задачей компенсации утечек, а также необ- ходимостью создания достаточной циркуляции рабочей жидкости в системе охлаждения. При этом одновременно обеспечивается "запас" подачи для случая работы при пониженной частоте вращения двигателя машины. В совре- менных ОГП подача насосов подпитки состав- ляет 20...25 % максимальной подачи основного насоса. Наличие в ОГП комплекса перекидного (челночного) и переливного клапанов (настро- енного на давление меньшее, чем давление открытия предохранительного клапана насоса) обеспечивает необходимый для эффективного кондиционирования рабочей жидкости массо- обмен между основными гидролиниями объ- емной гидропередачи и устройствами конди- ционирования. Рис. 1.4.10. Принципиальная схема объемной гидропередачи: / - гидробак; 2 - датчик температуры; 3 - фильтр; 4 - теплообменник; 5 - вакуумметр; 6 - насосный блок; 7 - гидромоторный блок; 8 - сливная гидролиния; 9,10 - рабочие гидролинии; / / - гидролиния всасывания; 12 - дренажная гидролиния; 13 - основной насос; 14 - вспомогательный насос; 15 - гидрораспределитель; 16- гидроцилиндр управления; 17- предохранительный клапан; 18-обратный клапан; 19- гидромотор; 20 - перекидной золотник; 21 - переливной клапан; 22 - основной предохранительный клапан
ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОПЕРЕДАЧИ ПРИВОДОВ ДВИЖИТЕЛЕЙ 67 Специфическим направлением примене- ния ОГП является его использование в комби- нации с планетарным зубчатым редуктором в составе гидромеханической передачи (ГМП). В ГМП мощность может передаваться не- сколькими потоками: гидравлическим и меха- ническими. Для разделения и суммирования мощности используются механические диффе- ренциалы. ГМП, хотя и в меньшем диапазоне, сохраняют основное преимущество ОГП - возможность бесступенчатого регулирования, позволяя при этом передавать мощность при большем КПД. ГМП в большинстве случа- ев имеют меньшие габаритные размеры и массу, но более сложную конструкцию по сравнению с полнопоточными ОГП той же мощности. По указанным причинам использование ГМП может быть предпочтительным в услови- ях высокой загрузки передачи по времени и мощности при ограниченных компоновочных возможностях самоходной машины, а также в передачах особо большой мощности, в кото- рых применение полнопоточной передачи требует использования уникальных гидрома- шин больших типоразмеров. Гидромашины для объемных гидропе- редач движителей. Важнейшее значение для обеспечения высокого технического уровня ОГП имеет выбор типа гидромашины. В со- временных ОГП в основном применяют сле- дующие типы гидромашин: аксиально-порш- невые (высокочастотные); радиально-поршне- вые (низкочастотные, высокомоментные); ге- роторные (среднечастотные, планетарные). Аксиально-поршневые гидромашины. Наи- большее распространение в ОГП имеют акси- ально-поршневые гидромашины, причем в качестве регулируемых насосов и гидромото- ров они в связи с относительной простотой изменения рабочего объема практически не имеют альтернативы. Основными преимуществами аксиально- поршневых гидромашин являются: высокое давление; высокий КПД; малая масса; боль- шой ресурс. Конструкции аксиально-поршневых гид- ромашин с наклонным диском для ОГП анало- гичны рассмотренным выше для гидроприво- дов рабочих органов "легких" и "средних" серий. Однако они отличаются возможностью реверсирования потока (при отрицательных углах наклона диска), повышенной прочно- стью корпуса с учетом воздействия давления подпитки, а также усиленными нагруженными элементами (споры, качающий узел), рассчи- танными на повышенное давление, характер- ное для ОГП (рис. 1.4.11 ирис. 1.4.12). Рис. 4.1.11. Регулируемый акснально-поршневой насос с наклонным диском для ОГП: / - корпус; 2 - люлька; 3 - наклонный диск; 4 - шатун; 5 - корпус гидроцилиндра; 6 - поршень гидроцилиндра; 7 - пружина нуль-установителя; 8 - вспомогательный насос; 9 - задняя крышка; 10 -распределитель; 11 - гидрораспределитель; /2- передняя крышка; 13,16, 20 - резиновые кольца; 14- упорное кольцо; 15 - пружина; 17 - прижим; 18 - корпус уплотнения; 19 - разрезная шайба; 21 - штифт
68 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Рис. 1.4.12. Нерегулируемый аксиально-поршневой гидромотор с наклонным диском для ОГП: 1 - вал; 2 - наклонный диск; 3 - сепаратор; 4 - прижимная сфера; 5 - пружина башмаков; б - блок цилиндров; 7 - шайба; 8 - пружина блока цилиндров; 9 - втулка; 10 - накладное дно; 11 - распределитель; 12 - крышка; 13 - задний подшипник; 14 - упорная шайба; 15 - поршень; 16 - башмак; 17 - опора; 18 - передний подшипник; 19 - корпус Характеристика регулируемых аксиально-поршневых насосов с наклонным диском типа НП приведена ниже. Код рабочего объема 33 71 90 112 Рабочий объем, см3 33,3 69,8 89 110,5 Давление, МПа: максимальное 35,7 35,7 35,8 36,3 номинальное 22,5 22,5 26,5 26,9 Частота вращения, мин-1: максимальная 3590 2810 2590 2590 номинальная 1500 минимальная 500 Рабочий объем насоса подпитки, см3 12,3 18,1 18,1 18,1 Давление подпитки, МПа 1,2...2,2 Масса, кг 45 63 78 78 Характеристика нерегулируемых аксиально-поршневых гидромоторов с наклонным диском типа МП приведена ниже. Код рабочего объема 33 71 90 112 Рабочий объем, см3 33,3 69,8 89 110,8 Давление, МПа: максимальное 35,7 35,7 35,8 36,3 номинальное 22,5 22,5 26,5 26,9 Частота вращения, мин-1: максимальная 3590 2810 2590 2590 номинальная 1500 минимальная 500 Масса, кг 30 40 47 50
ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОПЕРЕДАЧИ ПРИВОДОВ ДВИЖИТЕЛЕЙ 69 Наиболее широко применимая в ОГП конструкция аксиально-поршневых гидрома- шин с наклонным блоком - бескарданная с шатунным ведением поршней. Блок цилиндров приводится во вращение прилегающими к юбкам поршней и шарнирно связанными с приводным валом шатунами. Возвратно-по- Рабочий объем, см3..................... 28 Давление, МПа: максимальное..................... номинальное....................... Частота вращения, мин'1: максимальная........................ 4250 минимальная....................... Масса, кг 29 Рабочий объем аксиально-поршневой гидромашины с наклонным блоком л d1 q = —— £>aZsinq>6, 4 где d - диаметр поршней; - диаметр задел- ки поршней в наклонном блоке; Z - число поршней; фб ~ угол наклона блока цилиндров. При изменении угла наклона блока от положительного до отрицательного значения Рабочий объем, см3..................... 71 Перепад давлений, МПа: максимальный..................... номинальный....................... Частота вращения, мин'1: максимальная....................... 3200 минимальная....................... Масса, кг.............................. 34 В аксиально-поршневых гидромашинах с наклоннным блоком поворотная часть корпуса может отсутствовать, а изменение наклона блока достигается перемещением установлен- ступательное движение происходит при воз- никновении угла между валом и расположен- ным в поворотной части корпуса блоком ци- линдров. Характеристика регулируемых аксиаль- но-поршневых насосов с наклонным блоком Рексрот A4VG приведена ниже. 40 56 71 125 250 4000 3600 45 40 3300 2850 2400 31 38 500 50 80 156 достигается изменение направления потока рабочей жидкости при сохранении направле- ния вращения приводного вала. В нерегулируемых гидромашинах рас- сматриваемого типа блок цилиндров в отличие от регулируемых зафиксирован под постоян- ным углом относительно вала. Характеристика нерегулируемых акси- ально-поршневых гидромоторов с наклонным блоком Рексрот A4FM приведена ниже. 125 250 500 40 35 2600 2200 1800 500 61 120 240 ного в проточке корпуса сферического элемен- та торцового распределителя. Характеристика регулируемых аксиаль- но-поршневых гидромоторов с наклонным блоком Рексрот A6VM приведена ниже. Рабочий объем, см3..................... 28 Перепад давлений, МПа: максимальный.................... номинальный...................... 40 Частота вращения, мин'1: максимальная....................... 5300 минимальная...................... Масса, кг.............................. 16 55 140 250 500 1000 45 40 40 35 35 34 4200 3150 500 2500 2000 1600 26 60 90 210 432 Благодаря подвижному сферическому элементу торцового распределителя можно существенно уменьшить массу гидромашины (до 30...40 %) по сравнению с гидромашинами, имеющими поворотную часть корпуса. Недос- татками гидромашин с подвижным сфериче-
70 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН ским элементом являются: повышенное усилие управления подачей, что связано с необходи- мостью перемещения поджатого к торцовому распределителю сферического элемента; от- сутствие реверсирования потока. Последнее обстоятельство ограничивает применение об- легченных гидромашин с наклонным блоком в ОГП только в качестве гидромоторов или на- сосов в тех случаях, когда реверсирование потока обеспечивается направляющим гидро- распределителем (например, в объединенных приводах движителей и рабочего оборудова- ния). Поскольку аксиально-поршневые гидро- машины с наклонным диском и наклонным блоком предназначены для близких условий применения (давления, частоты вращения) задача их выбора для использования в ОГП с технической и экономической точек зрения является наиболее сложной (табл. 1.4.5). 1.4.5. Сравнительная оценка аксиально-поршневых гидромашин с наклонным диском и наклонным блоком Сравниваемые характеристики Наклонный блок Наклонный диск Силы воздействия Малая боковая (радиальная) составляющая воздействия шатуна на стенки цилиндра; малые силы трения поршня о стенки цилиндра Большая боковая (радиаль- ная) составляющая воздейст- вия диска на поршень, при- ложенная консольно; значи- тельная сила трения поршня о стенки цилиндра Угол поворота Большой наклонного блока (25...35° у регулируемых гид- ромашин, до 45° у нерегули- руемых) Относительно малый наклон- ного диска (до 18...20°) Диапазон регулирования ра- бочего объема БОЛЬШОЙ ((/maximin 3.5...4) Относительно малый (^max/<7min — 2,5...2,8); Подшипниковый узел Большие габаритные размеры и масса Компактный Подвод рабочей жидкости Сложный к поворотной части корпуса Простой к блоку цилиндров Масса Относительно большая Малая Зона перемещения Необходимость свободного пространства для перемеще- ния наклонного блока Компактная зона перемеще- ния наклонного диска Возможность "сдваивания" (тандемирования) насосов Относительная сложность ввиду наличия зубчатых пе- редач Простая благодаря выполне- нию сквозного вала Фильтрация рабочей жидкости Относительно грубая (25 мкм) Тонкая (10 мкм) Возможность установки гид- ромашин в бескорпусном исполнении В картере трансмиссии Отсутствует Габаритные размеры Относительно большие Малые Стоимость Повышенная Малая Область максимального КПД Более широкая Менее широкая
ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОПЕРЕДАЧИ ПРИВОДОВ ДВИЖИТЕЛЕЙ 71 Комплексная оценка всех показателей гидромашин позволяет сделать вывод, что применение гидромашин с наклонным блоком является более выгодным по технико- экономическим критериям в самоходных ма- шинах с высокой загрузкой ОГП по времени, мощности и с "жесткими" требованиями к ресурсу, когда определяющими факторами являются эксплутационные затраты топлива и долговечность. В машинах ОГП с относитель- но малой загрузкой и ограниченными возмож- ностями компоновки гидрооборудования, у которых лимитирующими факторами являют- ся стоимость и габаритные размеры гидроуст- ройств, более предпочтительным оказывается применение гидромашин с наклонным диском. В отдельных случаях оптимальным явля- ется комбинирование этих типов гидромашин: регулируемый насос с наклонным блоком (оп- ределяющий фактор - большой диапазон регу- лирования) и нерегулируемый гидромотор с наклонным диском (определяющие факторы - низкая стоимость и малые габаритные размеры). При оценке КПД насосов на различных режимах работы обычно используются экспе- риментальные универсальные характеристики: кривые равных значений полного КПД; зави- симости изменения подачи от перепада давле- ний при постоянной частоте вращения; кривые постоянных значений мощности. Графики строятся в координатах подача - перепад дав- лений. В отличие от универсальных характе- ристик насосов универсальными характери- стиками гидромоторов являются: зависимости вращающего момента на валу от частоты вра- щения; кривые равных значений полного КПД гидромотора, постоянного перепада давлений, а также постоянных расходов и значений мощности. Аксиально-поршневые гидромашины имеют наиболее высокие КПД по сравнению с гидромашинами других типов. В номинальном режиме полный КПД аксиально-поршневых гидромашин превышает 0,9, коэффициент по- дачи насосов и гидромеханический КПД гид- ромоторов превышают 0,95. Радиально-поршневые гидромашины. В ОГП в качестве гидромоторов широко при- меняются гидромашины радиально-поршне- вого типа (высокомоментные), которые позво- ляют получать необходимый вращающий мо- мент на ведущем элементе движителя без ис- пользования редуктора. Радиально-поршневые гидромоторы могут быть однократного дейст- вия (за один оборот вала в них происходит один двойной ход поршней) и многократного действия. При встраивании в колесо ротор гидромотора непосредственно связывается со ступицей, а статор - с осью. Радиально- поршневые гидромоторы уступают аксиально- поршневым по уровню используемого давле- ния, по удельной массе (на единицу мощности) и по КПД. Положительным качеством ради- ально-поршневых гидромоторов является воз- можность отключения отдельных групп гид- роцилиндров, в результате чего расширяется диапазон регулирования ОГП. На рис. 1.4.13 показана схема радиально- поршневого гидромотора многократного дей- ствия. Вращение ротора 2 гидромотора с за- крепленным на нем колесом происходит при взаимодействии с профильным кольцом порш- ней 5 (статора 3), к которым через неподвиж- ный вал и распределитель (золотниковый или торцовый) поступает рабочая жидкость. Типичным представителем радиально- поршневых гидромоторов многократного дей- ствия является гидромашина Сису (табл. 1.4.6). Героторные гидромоторы. В ОГП нахо- дят применение героторные (среднечастотные) гидромоторы "тяжелых" серий (рядов). От рассмотренных выше героторных гидромото- ров для приводов рабочих органов они отли- чаются наличием дополнительного кардана и использованием только торцовых распредели- телей, обеспечивающих большую герметич- ность. Предусмотрено специальное исполне- ние корпуса для вариантов мотор-колес. Эле- менты гидромоторов для ОГП рассчитаны на более высокое давление, чем соответствующие гидромоторы для приводов рабочих органов. 5 а Рис. 1.4.13. Схема радиально-поршневого гидромотора: 7 - распределитель; 2 - ротор; 3 - статор; 4 - ролик; 5 - поршень (величина хода а - Ь)
72 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН 1.4.6. Характеристика радиально-поршневых гидромоторов Показатель Марка гидромотора 603А 13 23В 32А 500А Рабочий объем, см3 1250 2000 2800 4000 4700 Давление, МПа: максимальное 40 30 30 25 35 номинальное 30 25 25 17,5 25 Вращающий момент при номинальном давлении, Н • м 5700 7500 10 600 10 600 17 500 Мощность на выходе, кВт 45 45 45 45 90 Максимальная частота вращения, мин-1: в рабочем режиме 300 120 85 60 150 при свободном вращении 1000 700 700 700 700 Масса, кг 115 230 275 200 260 Характеристика героторных гидромоторов для ОГП типа Данфосс OMV приведена ниже. Рабочий объем, см3 315 400 500 630 800 Перепад давлений, МПа: максимальный 24 24 24 21 18 номинальный 20 20 20 18 16 Частота вращения, мин"1: максимальная 510 500 400 315 250 минимальная 10 9 8 6 5 Масса, кг 32,4 33,2 34,1 35,5 37,1 Героторные гидромоторы уступают ак- сиально-поршневым и радиально-поршневым гидромоторам по уровню максимальных рабо- чих давлений, а также аксиально-поршневым гидромоторам - по КПД (при номинальном давлении и частоте вращения 50 %, макси- мальной полный КПД героторных гидромото- ров находится на уровне 0,85), радиально- поршневым - по устойчивости работы в зоне "ползучих" скоростей. Вместе с тем героторные гидромоторы характеризуются относительно малыми габа- ритными размерами и массой, что делает тех- нически оправданным их применение на ряде самоходных машин (в частности в условиях недостатка места для установки крупногаба- ритного гидрооборудования). Критерием выбора радиально- поршневых гидромоторов и героторных гид- ромоторов, наряду с соответствием развивае- мого момента максимальной тяге машины, диапазона частот вращения - ее максимальной и минимальной скорости, является также (с учетом специфики применения гидромашин двух типов) их встраиваемость в обод колеса. Основные зависимости между пара- метрами объемных гидропередач движите- лей и элементы их расчета. Проектирование ОГП проводится на основе зависимостей, свя- зывающих размеры гидромашин (рабочий объем q), их энергонасыщенность (перепад давлений Др, подачу насосов и расход гидро- моторов), экономичность работы (КПД) с па- раметрами гидропередачи: передаваемой мощ- ностью, вращающими моментами, передаточ- ными числами, частотой вращения ведущих колес (звездочек), диапазоном регулирования (табл. 1.4.7). Зависимости от NH до QM харак- терны для всех объемных гидроприводов, а остальные зависимости связаны с регулирова- нием рабочих объемов гидромашин, и, следо- вательно, с изменением имеющих особое зна- чение для ОГП передаточных отношений.
ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОПЕРЕДАЧИ ПРИВОДОВ ДВИЖИТЕЛЕЙ 73 1.4.7. Расчетные зависимости между параметрами ОГП Параметр Расчетная формула Мощность, потребляемая насо- сом, NH ДРнбн/Лн’ где Др - перепад давлений на насосе; Q„ - подача насоса; Г|н - полный КПД насоса Вращающий момент на валу насоса для создания перепада давлений Др ДРн^н/Лгмн» где qH - рабочий объем насоса; Т]™ н - гидромеханический КПД насоса Подача насоса QH Я»п» Ло.н, где пн - частота вращения вала насоса; Г|о н - коэффициент подачи насоса Мощность на выходе гидромото- ра#м ДРм Ям Пм, где Дрм - перепад давлений на гидромоторе; дм - рабочий объем гидромотора; Г|м - полный КПД гидромотора Вращающий момент на выходе (валу) гидромотора Мм ДРм *7м Лгм.м > где Лгм.м - гидромеханический КПД гидромотора Расход через гидромотор QM <7м"м /Ло.м > где лм - частота вращения вала гидромотора; Г|ом - объем- ный КПД гидромотора Полный КПД ОГП Г|огп А/МСОМ А/нсон или Л О.нЛ ГМ.нЛ О.мЛ ГМ.мЛ г> где сом и шн - угловая скорость соответственно гидромото- ра и насоса; Г|г - гидравлический КПД ОГП Передаточное отношение ОГП (кинематическое) /огп <0м/<0н Передаточное число ОГП (кине- матическое) worn “н/^м Теоретическое передаточное отношение (кинематическое) <7Н/^М, ИЛИ огп Ло.нЛо.М Диапазон регулирования насоса Дн Ян max /Ян min Диапазон регулирования гидро- мотора Дм <7мтах /Ямтт Диапазон регулирования ОГП (диапазон изменения кинемати- ческого передаточного отноше- ния) Догп *7нтах*7м max *7нтт Ям min
74 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН При регулировании скорости выходного звена только за счет изменения рабочего объе- ма насоса обеспечивается плавное страгивание и разгон. Диапазон регулирования определяет- ся минимально допустимым значением рабо- чего объема насоса по КПД (преимущественно по коэффициенту подачи). Регулирование скорости только за счет изменения рабочего объема гидромотора не обеспечивает плавного страгивания машины, так как минимально возможная скорость вы- ходного звена в отличие от предыдущего вари- анта отличается от нуля и определяется выра- жением ® ~ Янпн /Ям max • Совместное изменение рабочих объемов насоса и гидромотора расширяет диапазон регулирования ОГП. Как видно из табл. 1.4.7, в этом случае полный теоретический диапазон регулирования объемной гидропередачи равен произведению диапазонов регулирования по насосу и гидромотору. Так как рабочий объем насоса в принци- пе может быть равен нулю, то теоретически возможный диапазон регулирования ОГП мо- жет быть равен бесконечности. Но в случае работы ОГП в режиме полной реализации мощности TVorn max (мощность двигателя ма- шины или допустимая для использования в приводе движителей ее часть) qH mjn (на мини- мальных рабочих скоростях машины) теорети- чески ограничивается рабочим объемом, при котором давление в гидропередаче не превы- шает максимально заданных значений (рнтах или Дрн тах). Это обстоятельство определяется тем, что, как видно из соответствующих фор- мул табл. 1.4.7, постоянство вращающего мо- мента (и мощности) на входе в насос при уменьшении его рабочего объема может под- держиваться только за счет возрастания давле- ния (или перепада давлений) насоса. Для наи- меньшего допустимого рабочего объема насоса, при котором давление (перепад давле- ний) достигает регламентированного макси- мального значения (как правило, соответст- вующего номинальному давлению гидропере- дачи), получаем с достаточной для практиче- ских расчетов точностью диапазон изменения передаточного отношения ОГП в режиме пе- редачи мощности двигателя: _ Ян max Ям max Догп м ~ • ЯндЯм min Соотношение между установленной мощностью, соответствующей максимальному давлению и максимальному рабочему объему насоса, и максимальной мощностью ОГП сле- дующее: АТ" ТТ АТ Wy ~ WОГПmax = Дн^ОГПтах- Янд В связи с тем, что регулирование как по насосу, так и по гидромотору ограничивается минимально допустимым значением общего КПД, целесообразно иметь регулируемыми и насос, и гидромотор. Очевидно, что использо- вание гидромотора с большим Дм позволяет уменьшить Дн, т.е. снизить установленную мощность насоса и использовать его в зоне относительно высоких КПД. Однако наличие регулируемых гидромоторов повышает стои- мость гидроустройств и усложняет систему управления, поэтому на практике во многих случаях регулируемыми выполняют только насосы. Применением составных или секционных гидромоторов можно осуществлять ступенча- тое регулирование, что сравнительно проще. В случае самоходных машин с четко выделен- ными двумя скоростными диапазонами (рабо- чим и транспортным) возможно применение ОГП с диапазонными (преимущественно двух- ступенчатыми) редукторами, позволяющими уменьшить рабочий объем гидромашин и диа- пазон их регулирования, а также создать пред- посылки для работы ОГП в области высоких кпд. Выбор рабочих объемов гидромашин оп- ределяется экономически допустимым диапа- зоном регулирования. Обычно в зависимости от типа гидромашин он составляет 2,5...3,5. Более узкий диапазон регулирования требует применения гидромашин больших типоразме- ров, а следовательно, габаритных размеров и стоимости, но обеспечивает повышенную экс- плуатационную экономичность в связи с меньшими расходами на топливо при работе в зоне более высоких КПД. Очевидно, что в случае большого задан- ного ресурса машины и высокой загрузки по времени и мощности более весомым критери- ем для выбора гидромашин является их КПД, а в случае малого ресурса, низкой загрузки и ограниченного места для компоновки целесо- образно расширение диапазона регулирования.
ГИДРОПРИВОДЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ 75 Основной задачей расчета ОГП является определение параметров гидромашин. Исход- ными данными при расчете ОГП являются максимальная сила тяги, определяющая мак- симальный вращающий момент Метах на ве- дущих элементах (колесах, звездочках) само- ходной машины, и максимальная скорость ее движения, определяющая максимальную час- тоту вращения ведущих элементов. Гидромоторы рассчитываются из условия обеспечения максимального вращающего мо- мента: АртахЕ<?мтахПгм.м “PmaXnP =Л , (14.3) Гк где т - число гидромоторов, как правило, в режиме максимальной тяги включенных, если т > 1, параллельно; Артах - максимальный расчетный перепад давлений на насосе (при- нимается равным номинальному давлению, регламентированному для выбранного типа гидромашин); qM max - максимальный рабочий объем данного гидромотора (в случае нерегу- лируемого гидромотора <7Mmax = q„); г)™.м - гидромеханический КПД гидромотора, соот- ветствующий Apmax; wpmax - максимальное передаточное число редуктора (при его нали- чии между гидромотором и ведущим колесом или звездочкой); Т]р - КПД редуктора; гк - радиус качения соответствующего ведущего колеса или звездочки; Рт - сила тяги самоход- ной машины; в общем случае РТ = Pf+ Ркртах', Pf- сила сопротивления движению самоход- ной машины, принятая с учетом массы маши- ны и условий работы движителей; /\pmax - максимальная сила тяги на крюке машины; задается техническим заданием на машину; при отсутствии у машины тяговой функции ^кр max ~ О- На основе полученного из уравнения (1.4.3) суммарного объема гидромоторов опре- деляются их отдельные рабочие объемы. В наиболее типичном случае равенства радиу- сов всех ведущих колес гидромоторы прини- маются однотипными и одноразмерными. Расчет насоса ОГП проводится из усло- вия получения подачи, обеспечивающей мак- симальную транспортную скорость движения самоходной машины при выбранных рабочих объемах гидромоторов. Максимальный рас- четный объем насосов получается из следую- щего выражения, левая часть которого пред- ставляет собой максимальную подачу насосов, а правая - расход через гидромоторы в режиме максимальной скорости самоходной машины: Клах V"’ minmin . .. ^н^нтах^нЛо.н ~ —, » 0-4.4) 2* ГкПо.м где т„ - число насосов; qH тах - максимальный рабочий объем насоса; Г|о н - коэффициент подачи насоса; пн - частота вращения вала насоса; Итах - максимальная скорость движе- ния машины; т - число гидромоторов, со- храняющих параллельность включения в ре- жиме максимальной скорости самоходной машины; wp - передаточное число редукто- ра; «ртах = wpmin при однодиапазонном редук- торе. Действительные рабочие объемы гидро- машин выбираются из номенклатуры гидро- оборудования, выпускаемого промышленно- стью близкими к рассчитанным по уравнениям (1.4.3) и (1.4.4) с учетом минимизации запаса рабочего объема. В случае гусеничных машин с двумя ОГП (по одной на каждую гусеницу) расчет рабочих объемов гидромашин не имеет прин- ципиальных отличий от изложенного выше, за исключением обеспечения дополнительного запаса установленной мощности насосов для случая осуществления объемной гидропереда- чей режима поворота машины. При поверочном расчете определяются гидравлические потери в ОГП для регламенти- руемого температурного диапазона рабочей жидкости при длительной работе. На основе полученных результатов уточняются нагру- зочные и тепловые режимы работы ОГП. 1.4.3. ГИДРОПРИВОДЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ Общие сведения и классификация. Ру- левое управление предназначено для поворота управляемых колес или секций шарнирно- сочлененой рамы самоходной машины при воздействии водителя на командный орган. В общем случае оно состоит из командного органа (рулевого колеса, рычагов, кнопок), рулевого механизма, воспринимающего и пре- образующего командное воздействие (с усили- телем или без него) и рулевого привода, пере- дающего командное воздействие от рулевого механизма на поворотный механизм машины (управляемые колеса, секции шарнирно-сочле- ненной рамы).
76 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Зависимость между перемещением ко- мандного органа и поворотного механизма выражается коэффициентом передачи рулево- го управления *Ф=<Р2/<Р1, где (pi - угол поворота командного органа; Ср2 - угол поворота поворотного механизма. Отношение моментов, создаваемого по- воротным механизмом и прилагаемого к ко- мандному органу, выражается коэффициентом усиления ~ ^П.М /К.0 • Коэффициент повышения мощности сис- темы рулевого управления ^«Лу- Рулевой усилитель создает дополнитель- ное силовое воздействие на поворотный меха- низм и состоит из исполнительного механизма, распределителя и его привода, взаимодействуя по линиям связи с источником энергии. Пре- имущественное исполнение усилителей - гид- равлическое. Для обеспечения пропорциональности между перемещениями. командного органа и поворотного механизма в рулевых управлени- ях с гидроусилителями используется обратная связь по перемещению исполнительного меха- низма. По типу обратной связи рулевые управ- ления разделяются на четыре группы: с внутренней механической обратной связью; с внешней механической обратной связью; с внешней гидравлической обратной связью; с внутренней обратной связью на основе дозирующей гидромашины. В случае внутренней обратной связи она реализуется в рулевом механизме путем взаи- модействия исполнительного механизма (гид- роцилиндра) и гидрораспределителя, а в слу- чае внешней - соответствующее воздействие поступает от силовой передачи рулевого при- вода. Рулевые управления с механической об- ратной связью широко известны, получив пре- имущественное распространение на автомоби- лях и других скоростных машинах, где по ус- ловиям безопасности движения требуется на- личие механической связи с поворотным ме- ханизмом. Схема рулевого управления с внутренней механической обратной связью показана на рис. 1.4.14. Рулевой привод является моно- блочным агрегатом, содержащим исполни- тельный гидроцилиндр, гидрораспределитель, винтовую и зубчатую передачи. Гидроци- линдр, гидрораспределитель и винтовая пара образуют исполнительную часть следящего привода. При нейтральной позиции золотника гидрораспределителя напорная гидролиния насоса 3 сообщена со сливом. Осевое переме- щение золотника гидрораспределителя (в ре- жиме поворота машины) характеризуется дву- мя составляющими: первая составляющая осуществляется поворотом входного (рулево- го) вала с винтом, в результате чего возникает управляющее воздействие на поршень испол- нительного гидроцилиндра; вторая состав- ляющая возникает в обратном направлении при перемещении поршня с закрепленной на нем ходовой гайкой, выполняя функцию об- ратной связи. Поворот управляемых колес заканчивается с прекращением вращения ру- левого колеса и возвращением золотника в нейтральную позицию под воздействием цен- трирующих пружин. Гидросистема рулевого управления с внешней механической обратной связью, используемая на скреперах, показана на рис. 1.4.15. Поворот тягача относительно при- цепа осуществляется при сдвиге из нейтраль- ной позиции золотника 22 управляющего гид- рораспределителя при вращении рулевого вала 19 совместно с червяком относительно рулево- го сектора 20. Обратная связь осуществляется перемещающимися относительно рамы тягача рычагами и тягами, возвращающими сектор в нейтральную позицию, вследствие их шарнир- ного соединения с рулевой сошкой. Недостатками рулевых управлений с ме- ханической обратной связью являются: повы- шенная материалоемкость; затрудненность создания крупносерийного производства гид- роусилителей на специализированных гидро- агрегатных предприятиях ввиду сложности унификации отдельных элементов и, что осо- бенно важно для самоходных машин, ограни- ченные возможности компоновки. Например, в ряде экскаваторов лесозаготовительных и дру- гих машин платформа с кабиной и рабочим оборудованием в процессе работы поворачи- ваются относительно ходовой части, что ус- ложняет передачу управляющего воздействия механическим путем от командного органа к поворотному механизму.
ГИДРОПРИВОДЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ 77 Рис. 1.4.14. Схема рулевого управления с внутренней механической обратной связью: 1 - гидробак; 2 - фильтр; 3 - насос; 4 - переливной клапан; 5 - регулируемый дроссель; б, 7- нерегулируемые дроссели; 8 - предохранительный клапан; 9 - рулевая колонка; 10- центрирующие пружины; 77 - дросселирующий гидрораспределитель; 12 - напорная гидролиния; 13 - сливная гидролиния; 14 - обратный клапан; 75 - винтовая передача; 16 - поршень; 77- реечная передача; 18- выходное звено; 79- исполнительный гидроцилиндр; 20,21 - рабочие гидролинии; 22 - реактивный поршень контроля внешней нагрузки Рис. 1.4.15. Схема управления с внешней механической обратной связью: 7 - насос; 2 - гидробак; 3,11 - поршни механизма поворота; 4,10- тяги автоматического переключения золотников; 5,9 - коленчатые рычаги; 6,8 - золотники; 7 - золотниковая распределительная коробка; 12 - задняя тяга; 75 - двуплечий рычаг; 14 - передняя тяга; 75 - опора; 16 - рычаг; 7 7 - тяга сошки; 18 - рулевое колесо; 79 - рулевой вал; 20 - рулевой сектор; 21 - рулевая сошка; 22 - золотник управляющего гидрораспределителя; 23 - управляющий гидрораспределитель Компоновочные возможности рулевых управлений расширяются при использовании внешней гидравлической обратной связи (рис. 1.4.16). Рабочая жидкость, вытесняемая из соответствующей полости гидроцилиндра 5 поворота колес, перемещает поршень гидро- цилиндра 7 обратной связи. В результате осу- ществляется установка (возвращение) корпуса гидрораспределителя 2 в нейтральную пози- цию относительно золотника 3 и обеспечива- ется пропорциональность углов поворота ру- левого колеса и управляемых колес. Наличие специального обратного клапана 8 в гидроци- линдре обратной связи предотвращает рассо- гласование положений гидроцилиндров, обу- словленного утечками рабочей жидкости.
78 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Рис. 1.4.16. Схема рулевого управления с внешней гидравлической обратной связью: 1 - рулевое колесо; 2 - гидрораспределитель; 3 - золотник; 4 - центральный коллектор; 5 - гидроцилиндр поворота колес; 6 - шток; 7 - гидроцилиндр обратной связи; 8 - обратный клапан; 9 - фильтр; 10 - гидробак; 11 - насос; 12 - предохранительный клапан Недостатками рулевого управления с внешней гидравлической обратной связью являются потери давления в гидролиниях и то, что объемная деформация рабочей жидкости ухудшает точность управления, снижает быст- родействие и устойчивость системы. Наибольшие возможности предоставля- ют рулевые управления с обратной связью, реализуемой внутри рулевого механизма на основе принципа измерения расхода рабочей жидкости, поступающего в исполнительный гидроцилиндр поворотного механизма при вращении рулевого колеса. Для этой цели в рулевом механизме используется специальная "дозирующая" гидромашина. Соответствую- щие рулевые управления характеризуются: высокой компоновочной автономностью, про- стотой монтажа, компактностью, малыми уси- лиями управления, возможностью унификации основных узлов, простотой технического об- служивания из-за отсутствия требующих регу- лировки механических передач, хорошей со- вместимостью с устройствами автоматики. Вследствие этого применение рулевых управ- лений с внутренней обратной связью на основе дозирующей гидромашины стало домини- рующим на строительно-дорожных и других самоходных машинах с максимальной скоро- стью движения до 50...60 км/ч, вытеснив ис- пользовавшиеся ранее традиционные системы с механической обратной связью. Объемный гидропривод рулевого управ- ления (ОГРУ). В технической литературе для рулевых механизмов с обратной связью на основе дозирующей гидромашины наиболее часто используется термин "насос-дозатор", а соответствующую систему называют объем- ным гидроприводом рулевого управления. Исходя из практики эксплуатации, меж- дународных и национальных нормативных документов ОГРУ большинство самоходных строительных машин должно обеспечивать выполнение следующих основных требований: полный поворот управляемых колес или частей шарнирно-сочлененной рамы из одного крайнего положения в другое за два - шесть оборотов рулевого колеса; люфт в рулевом колесе не более 15...25°; максимальная сила, прикладываемая к рулевому колесу, не более 115 Н (оптимальное значение 10...30 Н) при работающем насосе (источнике питания) и не более 300...600 Н при неработающем насосе; возможность вращения рулевого колеса с максимальной частотой 1,5 с-1 при частоте вращения вала двигателя машины в пределах 60... 100 % номинального (альтернативное тре- бование, известное в мировой практике 1,66 с-1 при номинальной частоте вращения вала дви- гателя); предотвращение произвольных отклоне- ний и колебаний поворотного механизма, а также (за исключением специальных случаев) передачи ударов от опорной поверхности на командный орган. Основным элементом ОГРУ является на- сос-дозатор, включающий: приводное устрой- ство, предназначенное для передачи управ- ляющего воздействия водителя к гидрораспре- делителю; гидрораспределитель, соединяющий напорную гидролинию со сливом или с соот- ветствующими полостями гидроцилиндров поворота; устройство обратной связи (дози- рующий узел), предназначенное для обеспече- ния пропорциональности между углами поворота рулевого колеса и поворотного меха- низма.
ГИДРОПРИВОДЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ 79 Объемные гидроприводы рулевого управления классифицируют по следующим признакам: типу насоса-дозатора; количеству контуров; источнику подачи рабочей жидкости. Основные особенности насосов-дозато- ров определяются следующим: типом связи качающего узла дозирующе- го устройства с гидрораспределителем (меха- нической, гидравлической); исполнением приводного устройства (механическим, гидравлическим); типом гидрораспределителя (однозолот- никовым с вращательным, поступательным или вращательно-поступательным движением; двухзолотниковым с поступательным движе- нием); исполнением качающего узла дозирую- щего устройства (шестеренным с внутренним или внешним зацеплением, аксиально-порш- невым плунжерным или шариковым). По числу контуров ОГРУ делят на одно- и двухконтурные (последние - с гидроцилин- дром обратной связи, двумя насосами-дозато- рами или усилителем потока). В качестве источников питания ОГРУ, как правило, используют насосы (регулируе- мые или нерегулируемые). Источник питания может быть автономным (предназначенным только для использования в рулевом управле- нии) или многоцелевым в гидросистемах, объ- единенных с другими потребителями гидрав- лической энергии (с последовательным и па- раллельным подключением рулевого управле- ния и других гидроустройств). Приведенная классификация отражает определяющие особенности ОГРУ и не учиты- вает теоретически возможные варианты, не получившие широкого распространения, а также не включает признаки, связанные с чрезмерной детализацией различных уст- ройств и элементов: магистральные и аварий- ные источники питания, схемы с постоянным и изменяемым передаточным отношением и с электрической обратной связью, с программ- ным слежением и объемным регулированием; гидрораспределители с открытым и закрытым центром; противовакуумные и противоудар- ные клапаны и т.д. Наибольшее распространение в насосах- дозаторах получили механические приводные устройства благодаря их высокой чувстви- тельности. Гидравлические устройства харак- теризуются меньшей "жесткостью" и, следова- тельно, чувствительностью вследствие сжи- маемости рабочей жидкости и расширения гидролиний, а также утечек рабочей жидкости, что отрицательно сказывается на "скольже- нии" рулевого колеса (под "скольжением" по- нимается максимальная скорость рулевого колеса, при которой шток гидроцилиндра ме- ханизма поворота остается неподвижным). В качестве основного типа гидрораспре- делителей применяют однозолотниковые уст- ройства вращательного действия, обеспечи- вающие оптимальное соотношение конструк- тивно-технологической простоты и компакт- ности. Гидрораспределители поступательного действия характеризуются простотой изготов- ления, но повышенными габаритными разме- рами, а двухзолотниковые - конструктивной сложностью. Дозирующий узел насоса-дозатора обес- печивает слежение за расходом рабочей жид- кости, поступающей в исполнительный гидро- цилиндр. В случае одноконтурной схемы сле- жение осуществляется по полному расходу, в случае двухконтурной - по части расхода, что позволяет уменьшить рабочий объем насоса- дозатора. В качестве источника подачи рабочей жидкости преимущественно используют шес- теренные насосы, что объясняется их относи- тельно низкими стоимостью и массой при при- емлемом КПД и достаточно высокой надежно- сти. Аксиально-поршневые насосы применяют в основном в объединенных гидросистемах (с обеспечением приоритетности питания ру- левого управления), когда рулевое управление и другие системы машины подключены к об- щему насосу. Хотя аккумуляторное питание ОГРУ обеспечивает экономию гидравлической энергии, его использование сдерживается сравнительной сложностью компоновки на машинах и эксплуатации. В объединенных гидросистемах возмож- но как последовательное, так и параллельное включение рулевого управления с другими системами машины. Последовательное вклю- чение является наиболее простым, но имеет ограниченное применение в связи с уменьше- нием давления, максимально возможного для использования в рулевом управлении, на вели- чину давления, используемого в других систе- мах, работающих одновременно с рулевым колесом.
80 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Принципиальные схемы объемного гидропривода рулевого управления. В одно- контурных ОГРУ весь расход (поток) рабочей жидкости, поступающий от источника пита- ния, проходит не разветвляясь по последова- тельно включенным гидравлическим устрой- ствам. В схеме с механически управляемым гидроусилителем поступление рабочей жидко- сти к исполнительному гидроцидиндру 2 через дозирующий узел 5 обеспечивается смещени- ем из нейтральной позиции золотника дроссе- лирующего гидрораспределителя 4, управляе- мого от рулевого колеса (рис. 1.4.17, а). Воз- вращение золотника в нейтральную позицию и устранение рассогласования системы достига- ется за счет его связи с дозирующим узлом. В результате равенства скоростей вращения рулевого колеса и дозирующего узла достига- ется пропорциональность подачи рабочей жидкости в исполнительный гидроцилиндр пропорционально углу поворота рулевого ко- леса, а следовательно, обеспечивается пропор- циональность между углами поворота команд- ного органа и поворотного механизма. Функ- цию обратной связи дозирующий узел выпол- няет, работая в моторном режиме. При нерабо- тающем источнике питания (при аварийном управлении) дозирующий узел функционирует как насос с ручным приводом, нагнетая рабо- чую жидкость в соответствующую требуемому направлению поворота машины полость ис- полнительного гидроцилиндра. Если дозирующий узел связан с гидро- распределителем гидравлически, то можно реализовать рулевой механизм (насос-дозатор) как в моноблочном, так и в раздельно-агре- гатном исполнении, т.е. дозирующий узел и гидрораспределитель выполнены в виде авто- номных устройств (рис. 1.4.17, б). В этом слу- чае перемещение золотника дросселирующего гидрораспределителя 4 осуществляется под действием перепада давлений в полостях его управления, пропорционального скорости вращения рулевого колеса и качающего узла насоса-дозатора. Такая схема не получила ши- рокого распространения из-за повышенных усилий на рулевом колесе, обусловленных необходимостью преодоления сопротивления вращению качающего узла, а также вследствие отрицательного влияния на габаритные разме- ры и надежность рулевого управления допол- нительных линий связи. К одноконтурным гидроприводам руле- вого управления относится его упрощенный вариант без обратной связи (рис. 1.4.17, в). В этом случае расход рабочей жидкости к ис- полнительному гидроцилиндру 2 и, следова- тельно, скорость поворота самоходной маши- ны определяются величиной смещения золот- ника гидрораспределителя 4, задаваемой ко- мандным органом. Использование такой схемы целесообразно при необходимости выполне- ния резких поворотов в случае низких скоро- стей движения машины, например, при работе Рис. 1.4.17. Схемы одноконтурных ОГРУ: а - с механически управляемым гидрораспределителем; б - с гидравлическим управляемым гидрораспределителем; в - с механически управляемым гидрораспределителем без обратной связи; 7 - источник питания (насос); 2 - исполнительный гидроцилиндр; 3 - насос-дозатор; 4 - гидрораспределитель; 5 - дозирующее устройство (узел); 6 - линия обратной связи
ГИДРОПРИВОДЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ 81 лесозаготовительных машин на лесосеке. При такой схеме не обеспечивается необходимая при транспортных режимах работы пропор- циональность перемещений командного орга- на и исполнительного гидроцилиндра, по- скольку скорость перемещения поворотного механизма зависит от сопротивления его дви- жению. По этим причинам эффективно ис- пользование комбинированного рулевого управления, когда поворот самоходной маши- ны в маневровом режиме осуществляется по схеме, показанной на рис. 1.4.17, в, в транс- портном режиме - по схеме, показанной на рис. 1.4.17, а. ОГРУ, выполненные по одноконтурной схеме, характеризуются наибольшей простотой и надежностью, что определило их преимуще- ственное применение. Однако на тяжелых машинах использование одноконтурных ОГРУ требует установки насосов-дозаторов с боль- шими рабочими объемами. Значительное уве- личение рабочих объемов насосов-дозаторов сопровождается соответствующим ростом их габаритных размеров и ухудшением функцио- нальных свойств. Достигнутый на практике предел рабочего объема насосов-дозаторов по схеме с механически управляемым гидрорас- пределителем составляет 1000 см3, а по схеме с гидравлическим - 160...200 см3. Последнее обстоятельство определяется тем, что усилие на рулевом колесе существенно зависит от рабочего объема насоса-дозатора и с его уве- личением достигает недопустимого уровня. В связи с этим на тяжелых самоходных машинах используют двухконтурные схемы, которые разделяют на три группы: с гидроци- линдром обратной связи; с двумя насосами- дозаторами; с усилителем потока. В ОГРУ с гидроцилиндром обратной свя- зи (рис. 1.4.18) смещение золотника дроссели- рующего гидрораспределителя 3 из нейтраль- ной позиции осуществляется под действием перепада давлений между его полостями управления, возникающего при вращении ру- левого колеса и качающего узла. Обратная связь обеспечивается связанным с исполни- тельным гидроцилиндром 4 гидроцилиндром обратной связи 6, при перемещении которого снижается перепад давлений на качающем узле, а следовательно, между полостями управ- ления дозирующего гидрораспределителя. Недостатком такой схемы является необходи- мость в специальном гидроцилиндре обратной связи. Рис. 1.4.18. Схема двухконтурного ОГРУ с гидроцнлиндром обратной связи: 1 - насос; 2 - обратный клапан; 3 - гидрораспределитель; 4 - исполнительный гидроцилиндр; 5 - управляемое колесо; 6 - гидроцилиндр обратной связи; 7 - дозирующий узел; 8 - предохранительный клапан Эффективное использование такой схемы ОГРУ возможно в случае применения двух одинаковых исполнительных гидроцилиндров, один из которых выполняет функцию гидро- цилиндра обратной связи. При одинаковых размерах обоих гидроцилиндров схема позво- ляет увеличить подачу рабочей жидкости в исполнительные гидроцилиндры более, чем в 2 раза по сравнению с подачей соответствую- щего насоса-дозатора в одноконтурном ОГРУ. В двухконтурном ОГРУ с двумя насоса- ми-дозаторами один насос-дозатор жестко связан с рулевым колесом, а второй - с первым через фрикционную передачу, или фрикцион- ную муфту (рис. 1.4.19). В нормальном режиме управления (при работающем источнике пита- ния) подача рабочей жидкости к гидроцилинд- ру 6 поворотного механизма соответствует суммарному рабочему объему насосов- дозаторов. В аварийном режиме возрастает усилие управления и насос-дозатор, приводи- мый через фрикционную передачу, отключает- ся вследствие ее пробуксовки. В результате подача рабочей жидкости к гидроцилиндру будет соответствовать рабочему объему только одного насоса-дозатора, что приведет к уменьшению передаточного отношения и снижению усилия на рулевом колесе в аварий-
82 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Рнс. 1.4.19. Схема двухконтурного ОГРУ с двумя насосамн-дозаторами: 1 - насос; 2 - обратный клапан; 3,4 - гидрораспределители; 5 - рулевое колесо; 6 - гидроцилиндр; 7 - управляемое колесо; 8,9- дозирующие устройства; 10- предохранительный клапан; 11 - гидробак; 12 - фрикционная передача ном режиме. Применение рассмотренной схе- мы сдерживается относительно высокой стои- мостью, малой компактностью и ограничен- ным диапазоном изменения передаточного отношения рулевого управления. Развитием рассмотренной схемы являют- ся конструктивные решения, предусматри- вающие объединение не насосов-дозаторов, а только их дозирующих узлов. Однако соответ- ствующие схемы усложнены в связи с необхо- димостью применения специального гидро- распределителя, отключающего в аварийном режиме одно из дозирующих устройств. Наи- больший интерес представляют двухконтур- ные ОГРУ с усилителями потока (рис. 1.4.20). Усилитель потока 1 осуществляет управление рабочим потоком, поступающим от источника питания к исполнительному гидроцилиндру 5 в соответствии с направлением и величиной управляющего потока, задаваемого насосом- дозатором 18. В процессе работы управляю- щий поток проходит через насос-дозатор 18 и Рис. 1.4.20. Схема двухконтурного ОГРУ с усилителем потока: 1 - усилитель потока; 2,10 - клапаны-дроссели рабочего контура; 3, 9 - клапаны дроссели управляющего контура; 4,6- противоударные клапаны; 5 - гидроцилиндр; 7,8 - всасывающие клапаны; 11 - гидроуправляемый золотник; 12,17,20,21, 22 - гидролинии; 13 - предохранительный клапан; 14 - приоритетный клапан; 75 - насос; 16 - обратный клапан; 18 - насос-дозатор; 19 - рулевое колесо усилитель потока 1 (соответствующий клапан- дроссель управляющего контура), а рабочий поток, пропорциональный управляющему, - через приоритетный клапан 14 и усилитель потока 1 (гидроуправляемый золотник и соот- ветствующий клапан-дроссель рабочего кон- тура). Требуемое соотношение рабочего и управляющего потоков (коэффициент усиле- ния) достигается подбором в усилителе потока проходных сечений дроссельных элементов (клапанов-дросселей). Суммируясь в исполни- тельном гидроцилиндре, оба потока обеспечи- вают управление скоростью поворота машины в соответствии со скоростью вращения руле-
ГИДРОПРИВОДЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ 83 вого колеса при оптимальном передаточном отношении. ОГРУ на основе усилителей потока ха- рактеризуется компактностью и предоставляет широкие возможности выбора передаточного отношения, позволяя достаточно эффективно решать проблемы аварийного управления. Конструкции объемного гидропривода рулевого управления. Основным устройст- вом ОГРУ является насос-дозатор, в решаю- щей степени определяющий технический уро- вень рулевого управления. На рис. 1.4.21 пока- зан насос-дозатор героторного типа "Орбит- роль" фирмы Данфосс (Дания), широко при- меняемый на самоходных машинах. В качестве качающего узла в дозирующем устройстве применена пара шестерен внутреннего зацеп- ления (героторных). Наружная неподвижная шестерня 8 и внутренняя подвижная 9 (соот- ветственно с семью и шестью зубьями) обра- зуют семь рабочих камер, объемы которых изменяются при качении по статору планетар- ного ротора, совершающего орбитальное дви- жение. За один оборот вокруг своей оси плане- тарная шестерня совершает шесть орбиталь- ных движений, обеспечивая при каждом дви- жении полный цикл изменения объема в семи упомянутых рабочих камерах. В результате в дозирующем устройстве достигается большая подача рабочей жидкости за один осевой обо- рот ротора при относительно малых габарит- ных размерах и массе качающего узла. Это обстоятельство в решающей степени опреде- лило доминирующее применение планетарных дозирующих устройств героторного типа в насосах-дозаторах. Рнс. 1.4.21. Насос-дозатор героторного типа: 1 - рулевая колонка; 2 - пакет пластинчатых пружин; 3 - корпус; 4 - обратный клапан; 5 - золотник гидрораспределителя; б - следящая втулка; 7 - карданный валик; 8 - неподвижная шестерня (статор); 9 - подвижная шестерня (ротор)
84 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН Гидрораспределитель состоит из золот- ника, установленного во вращающейся в кор- пусе следящей втулке. Отверстия во втулке служат для соединения с рабочими камерами качающего узла, а продольные каналы предна- значены для сообщения через корпус с источ- ником питания, сливом и полостями исполни- тельного гидроцилиндра. Нейтральная позиция золотника 5 относительно следящей втулки фиксируется пакетом 2 пластинчатых пружин. Гидрораспределитель связан с дозирующим устройством механически. Вследствие плане- тарного движения ротор соединен со следящей втулкой 6 карданным валиком 7. В нормальном режиме управления пере- ключение подачи рабочей жидкости со слива к рабочим камерам дозирующего устройства и далее к исполнительному гидроцилиндру обеспе- чивается поворотом золотника. Рассогласование системы предотвращается благодаря передаче вращения ротора к следящей втулке. В аварийном режиме управления в связи с ограничением угла поворота золотника относительно следящей втул- ки момент от рулевого колеса через карданный валик передается к ротору, выполняющему со статором функцию ручного насоса. Конструкции рассмотренных насосов- дозаторов характеризуются развитым типо- размерным рядом (табл. 1.4.8). 1.4.8. Характеристика насосов-дозаторов героторного типа Тип Типоразмер Рабочий объем, см3 Номинальная подача, л/мин Давление, МПа Масса, кг нагне- тания слива OSPB/OSPC 50 ON 50 5 5,2 OSPB/OSPC 80 ON 80 8 5,3 OSPB/OSPC 100 ON 100 10 5,4 OSPB/OSPC 125 ON 125 13 5,5 OSPB/OSPC 160 ON 160 16 5,6 OSPB 200 ON 200 20 14,0 5,8 OSPB 315 ON 315 32 6,2 OSPB 400 ON 400 40 7,0 OSPB 500 ON 500 50 2,0 7,6 OSPB 630 ON 630 63 7,9 OSPB 800 ON 800 80 8,3 OSPB 1000 ON 1000 100 9,5 OSPB 50 CN 50 5 5,2 OSPB 80 CN 80 8 5,3 OSPB 100 CN 100 10 5,4 OSPB 125 CN 125 12 5,5 OSPB 160 CN 160 16 5,6 OSPC 80 LS 80 8 5,3 OSPC 100 LS 100 10 17,5 5,4 OSPC 125 LS 125 13 5,5 OSPC/OSPBX 160 LS 160 16 5,6 OSPC/OSPBX 200 LS 200 20 1,5 5,8 OSPC/OSPBX 315 LS 315 32 6,2 OSPC/OSPBX 400 LS 400 40 7,0 OSPC/OSPBX 500 LS 500 50 7,6 OSPBX 630 LS 630 63 7,9 OSPL 630 LS 630 63 8,4 OSPL 800 LS 800 80 21,0 8,8 OSPL 1000 LS 1000 100 10,0 Примечание. Обозначения: OSPB ON - с открытым центром; OSPC ON - с открытым центром и предохранительными клапанами; OSPB CN - с закрытым центром; OSPC S и OSPL LS - с закрытым центром и каналом управления приоритетным клапаном; OSPC LS - с закрытым центром, каналом управ- ления приоритетным клапаном и предохранительными клапанами; OSPBX LS - с закрытым центром и с каналом управления приоритетным клапаном (для использования с усилителем потока).
ГИДРОПРИВОДЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ 85 Выполнение распределительных уст- ройств насосов-дозаторов с открытым центром (в нейтральных позициях напорная гидроли- ния источника питания соединена со сливом) обеспечивает разгрузку насоса постоянного рабочего объема при неработающем рулевом управлении. Применение насосов-дозаторов с закрытым центром целесообразно в случае использования регулируемых насосов (не тре- бующих разгрузки). Применение насосов- дозаторов с каналом управления приоритет- ным клапаном позволяет использовать общие источники питания как для рулевого управле- ния, так и для других приводов машин, с от- ключением последних при нехватке рабочей жидкости для выполнения нормального пово- рота. В комплект предохранительных клапанов насосов-дозаторов входят противоударные клапаны для предохранения рабочих гидроли- ний при действии пиковых нагрузок, возни- кающих в случаях наезда машины на препят- ствия, а также клапаны предохранения источ- ника питания и напорных гидролиний. Общие параметры насосов-дозаторов ге- роторного типа приведены ниже. Момент управления, Н • м: при нормальной работе.............. 3 в аварийном режиме, не более ... 12 при экстремальных ситуациях (кратковременно), не более.... 24 Температура, °C: допустимая для рабочей жидкости -30...+90 рекомендуемая для рабочей жидкости..................... +30...+60 окружающей среды............. -30...+60 Допустимый перепад температур между рабочей жидкостью в насосе- дозаторе и других гидроустройствах гидропривода, °C, не более 10 Вязкость рабочей жидкости, мм2/с: минимальная.................... 10 максимальная.................. 1000 Номинальная тонкость фильтрации рабочей жидкости, мкм................ 25 Для большинства ведущих изготовителей насосов-дозаторов характерен единый подход к выбору конструкции дозирующего узла - рассмотренного выше героторного исполне- ния. Большим разнообразием отличаются гид- рораспределители насосов-дозаторов, что свя- зано в значительной степени с различными оценками их технологичности изготовителями. Распределительное устройство фирмы TRB - Росс (США) является комбинированным. Пло- ский торцовой гидрораспределитель синхро- низирован с планетарной шестерней, выполня- ет функции распределения рабочей жидкости по камерам качающего узла и соответствия фаз впуска и выпуска. Дросселирующий гидрорас- пределитель содержит золотник вращательно- поступательного движения. Поступательное (осевое) движение золотника из нейтральной позиции осуществляется при его вращении за счет взаимодействия с приводным валом через винтовую шариковую передачу, в результате чего рабочая жидкость подается к торцовому гидрораспределителю и далее через дозирую- щее устройство к исполнительному гидроци- линдру. Устранение рассогласования систем достигается движением золотника в обратную сторону при вращении ротора дозирующего устройства. Развитием этого принципа являет- ся конструкция фирмы Цанрад-фабрик (Гер- мания), в которой на одном золотнике совме- щены функции дросселирующего гидрорас- пределителя (при осевом движении) и распре- деления рабочей жидкости по камерам качаю- щего узла (при вращении). Совмещение функ- ций позволяет существенно уменьшить массу и габаритные размеры насоса-дозатора. На основе насосов-дозаторов героторно- го типа выпускаются усилители вращающего момента, предназначенные преимущественно для модернизации самоходных машин, не имеющих гидроусилителей рулевого управле- ния, но требующих повышенных усилий пере- мещения поворотного механизма, например, для коммунальных машин при навешивании спереди тяжелого уборочного оборудования, создающего большие загрузки на управляемые колеса. В усилителе вращающего момента не используются выходные отверстия, предна- значенные в базовых конструкциях насосов- дозаторов для подсоединения к полостям ис- полнительных гидроцилиндров. Качающий узел работает в режиме не дозирующего, а силового гидромотора, передавая вращающий момент на выходной вал, связанный с плане- тарной шестерней (ротором) дополнительным карданным валиком. Усилители вращающего момента относи- тельно легко встраиваются в существующие механические системы рулевого управления, в том числе не допускающие по компоновочным возможностям установку исполнительных гидроцилиндров, и позволяют расширить
86 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН функциональные возможности системы. Ос- новные параметры усилителей вращающего момента, унифицированны? с с насосами- дозаторами, приведены ниже. Рабочий объем, см3 75 95 160 Вращающий момент на выходе при перепаде давле- ний 7 МПа, Нм 62 79 124 Номинальное давление, МПа 7 7 7 Номинальный расход, л/мин.. 11,4 13,2 13,9 Максимальная частота враще- ния при номинальных давле- нии и расходе, мин-1 125 118 102 В отечественных самоходных машинах широко применяют ОГРУ с планетарным ре- дуктором, установленным между гидрорас- пределителем и дозирующим устройством (гидрорули). Гидрорули выполняются как по одноконтурной схеме в виде моноблочной конструкции, так и (для тяжелых и мощных машин) по двухконтурной схеме в раздельно агрегатном исполнении: насос-дозатор, усили- тель потока и приоритетный клапан. Гидрору- ли первого типа (У245006) предназначены для автогрейдеров, экскаваторов, самоходных стреловых кранов, дорожных катков, а гидро- рули второго типа (У245007) - для погрузчи- ков грузоподъемностью до 15 т и скреперов с ковшом объемом до 40 м3. Основными особенностями гидрорулей являются: исполнение дозирующего устройства в виде размещенной в корпусе центральной шестерни и трех периферийных шестерен; наличие планетарного редуктора (с пере- даточным отношением 15,5), сателлит которо- го закреплен на эксцентриковом валу дози- рующего устройства и карданным валиком связан с втулкой гидрораспределителя. Использование планетарного редуктора позволяет реализовать большой рабочий объем дозирующего устройства и повысить его объ- емный КПД. Конструкция гидрорулей по сравнению с насосами-дозаторами героторного типа отличается большим количеством дета- лей и увеличенными габаритными размерами, но позволяет использовать традиционные тех- нологии изготовления качающего узла, харак- терные для шестеренных гидромашин с внеш- ним зацеплением. Расчет объемного гидропривода руле- вого управления. Основными задачами, ре- шаемыми при расчете ОГРУ, являются опре- деление типоразмеров исполнительных гидро- цилиндров и рулевого механизма (насоса- дозатора), а также подачи источника питания (насоса). Основными выходными параметрами, которые должны обеспечиваться гидроприво- дом рулевого управления, являются: 1) максимальная сила или момент, созда- ваемый исполнительным гидроцилиндром; 2) наибольший рабочий ход (угол пово- рота) поворотного механизма (управляемых колес или секций шарнирно-сочлененной рамы); 3) минимальное время полного хода по- воротного механизма. Первые два выходных параметра могут быть представлены в виде обобщенного пока- зателя - работоспособности исполнительного гидроцилиндра, характеризующего макси- мальную работу, которую он способен выпол- нить за полный ход: А — F L — pKSnL — p^V^, (1.4.5) где F - максимальная сила, создаваемая ис- полнительным гидроцилиндром; L - полный ход исполнительного гидроцилиндра; 5П - площадь поршня исполнительного гидроци- линдра; рк - давление полного открытия пре- дохранительного клапана; Кц - рабочий объем исполнительного гидроцилиндра. Требуемая работоспособность гидроци- линдра А = МтахФп , (1.4.6) ПпПцПг где Л/тах - максимальный момент сопротивле- ния в механизме поворота (принимается для случая поворота на месте на сухом асфальте или бетоне); фп - полный угол поворота пово- ротного механизма; Г|п - КПД силовой переда- чи от исполнительного гидроцилиндра, до поворотного механизма; т|ц - КПД исполни- тельного гидроцилиндра; Г|г - гидравлический КПД участка насос - исполнительный гидро- цилиндр. Из выражений (1.4.5) и (1.4.6) требуемый рабочий объем исполнительного гидроци- линдра у _ ^тахФп^з Ц АПпПцПг ’
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ГИДРОПРИВОДОВ 87 где К3 - коэффициент запаса; рекомендуемое значение К3 = 1,1...1,3. Диаметр и ход поршня исполнительного гидроцилиндра определяются на основе полу- ченного рабочего объема с учетом условий его компоновки и возможностей сложившегося производства. Рабочий объем рулевого механизма (на- соса-дозатора) где Кс - коэффициент скольжения, учитываю- щий внутренние утечки; принимается Кс = = 0,9... 1,0; т - число оборотов рулевого коле- са, необходимое для перемещения механизма поворота из одного крайнего положения в другое. Как уже отмечалось, общепринятым яв- ляется требование обеспечения полного пере- мещения механизма поворота не более, чем за два - шесть оборотов рулевого колеса (в зависимости от типа и массы самоходной машины). Для выполнения требования возможно- сти управления поворотом при неработающем насосе (при аварийном управлении) рабочий объем насоса-дозатора *7да ~ ^^к'кЛд/Рд > где FK - максимальная сила, прикладываемая водителем к рулевому колесу; гк - радиус ру- левого колеса; рл - давление на выходе из на- соса-дозатора, необходимое для поворота ма- шины; Г|д - механический КПД насоса-доза- тора. В соответствии с мировой практикой и международными нормативами величина FK < 300...600 Н; для землеройных машин в соответствии со стандартом ИСО 5010 FK < 350 Н. В случае дд < дда рабочий объем насоса- дозатора принимается равным qa при однокон- турной схеме ОГРУ. Если qa > q^, то создают- ся предпосылки для выбора двухконтурного ОГРУ. Подача насоса ОГРУ QH определяется двумя критериями: 1) минимальным временем перемещения поворотного механизма из одного крайнего положения в другое (/mjn); 2) обеспечением возможности вращения рулевого колеса с максимальной скоростью л, определяемой физическими возможностями водителя. Первый критерий описывается выраже- нием ^min ПО а второй щкл где Т|о - объемный КПД гидросистемы рулево- го управления; Кл - коэффициент, учитываю- щий возможное снижение частоты вращения насоса при отклонении частоты вращения вала двигателя от номинального значения. В отечественной практике при оценке требуемой подачи насоса по второму крите- рию наиболее распространены рекомендации предусматривающие обеспечение вращения рулевого колеса с максимальной частотой не менее 1,5 с-1 при частоте вращения вала двига- теля 60.... 100 % номинальной (Кл = 0,6). На практике второй критерий, как правило, явля- ется более жестким чем первый, и поэтому именно он определяет выбор подачи насоса. 1.4.4. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ГИДРОПРИВОДОВ Развитие гидроприводов строительных машин происходит в направлениях повышения КПД, уменьшения массы и габаритных разме- ров, повышения надежности, упрощения об- служивания, повышения экологической безо- пасности, расширения в необходимых случаях функциональных возможностей. Реализация этих направлений связана с совершенствова- нием общих схем и параметров гидроприво- дов, появлением новых типов гидрооборудо- вания и технологических процессов его произ- водства, применением прогрессивных мате- риалов и рабочих жидкостей, расширением применения средств автоматизации и вычис- лительной техники в сочетании с пропорцио- нальной электрогидравлической аппаратурой управления и регулирования. Совершенствование общих схем невоз- можно без поиска и реализации новых реше- ний, сочетающих положительные (в настоящее время взаимоисключающие друг друга) каче-
88 Глава 1.4. ГИДРОПРИВОДЫ МАШИН ства основных типов известных гидросистем: постоянного расхода и "чувствительных к на- грузке". Это может быть достигнуто за счет универсализации схем с обеспечением воз- можности перехода гидропривода на режим работы источника питания, оптимальный для конкретных условий нагружения. Перспектив- ным методом совершенствования гидроприво- дов (в первую очередь с групповым питанием потребителей) является применение автомати- чески регулируемых гидромоторов, позво- ляющих практически исключить потери мощ- ности, связанные с недозагрузкой гидродвига- телей по давлению и расходу. Перспективы повышения гидравлическо- го КПД гидроприводов связаны с дальнейшим повышением рабочего давления. Соответст- вующие предпосылки для реализации этого направления (с одновременным сохранением, а в необходимых случаях повышением надежно- сти) имеются в применении новых материалов (в том числе, полимеров в уплотнениях, опо- рах подвижных элементов и силовых каркасах рукавов высокого давления), повышении точ- ности изготовления золотниковых пар и дру- гих сопрягаемых деталей, повышении тонко- сти фильтрации на основе использования фильтрующих материалов высокой пропуск- ной способности и грязеемкости и улучшени- ем защиты гидроприводов от поступающих в них внешних загрязнений. Увеличение энергонасыщенности гидро- приводов, а следовательно, уменьшение массы и габаритных размеров будет обеспечиваться наряду с повышением давления (концентраци- ей энергии в пространстве), а также частоты вращения насосов (концентрацией энергии во времени) одновременным увеличением эффек- тивности систем охлаждения рабочей жидко- сти, в том числе организацией массо- и тепло- обмена между контурами с различной тепло- напряженностью, использованием радиаторов с активным охлаждением. Упрощение обслуживания гидроприво- дов и повышение их экологической безопасно- сти связано с развитием бортовых диагности- ческих систем, элементами ускорения разогре- ва рабочей жидкости в пусковой период, уста- новкой устройств автоматической защиты от аварийных потерь рабочей жидкости. Должны получить применение экологически безопас- ные рабочие жидкости (в том числе на основе воды). Унификация гидрооборудования коснет- ся в первую очередь распределительно-регули- рующей гидроаппаратуры. В частности можно прогнозировать широкое применение встав- ных (картриджных) двухлинейных клапанов, в том числе пропорциональных, позволяющих обеспечить построение широкой номенклату- ры систем управления практически любой сложности на основе унифицированных ком- пактных гидравлических элементов. При та- ком подходе специализированные фирмы смо- гут изготовлять очень узкую номенклатуру клапанов, что позволит укрупнить производст- во и снизить стоимость гидроустройств, а фирмы-изготовители гидрофицированных ма- шин смогут изготовлять различные гидравли- ческие панели - плиты с каналами и отвер- стиями для вставки картриджных клапанов - аналоги печатных схем в электротехнике. Одновременно до минимума сводится количество соединительных труб и арматуры, а следовательно, источников возможных уте- чек рабочей жидкости. Наиболее существенные изменения в системах рулевого управления будут связаны с расширением применения элементов электро- техники и электроники и, следовательно, с возрастанием использования систем со всеми управляемыми колесами: управление в основ- ном режиме движения только передними коле- сами в сочетании с поворотом в необходимых случаях передних и задних колес в противопо- ложных направлениях, с параллельным пово- ротом передних и задних колес и др. Рассмотренные выше тенденции разви- тия гидроприводов строительно-дорожных машин носят преимущественно эволюционный характер и определяются главным образом совершенствованием уже имеющихся схем и конструкций. Однако анализ разработок по- следнего времени показывает, что в ближай- шей перспективе возможно использование принципиально новых средств генерации и передачи гидравлической энергии, которые могли бы обеспечить качественный скачок в повышении экономичности и снижении мате- риалоемкости гидроприводов. Одним из таких средств являются газогидравлические генера- торы, представляющие собой комплекс сво- боднопоршневого двигателя внутреннего сго- рания (ДВС) и качающегося гидравлического узла. В таком комплексе отсутствуют механи- ческие звенья передачи движения от поршня ДВС, коленчатого вала и промежуточного привода. На рис. 1.4.22 показана гидравличе- ская схема газогидравлического генератора "Чирон" (Chiron), созданного фирмами Ноас и Иннас (Нидерланды). "Чирон" предназначен
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ГИДРОПРИВОДОВ 89 Рнс. 1.4.22. Схема гидронасоса "Чирон": 1 - движущий и возвратный поршень; 2 - поршень насоса; 3 - обратные клапаны линий всасывания; 4 - клапан обратного хода поршня; 5 - аккумулятор низкого давления; 6 - поршень компрессии; 7 - клапан старта; 8 - клапан регулирования давления сжатия; 9 - аккумулятор сжатия; 10 - обратный клапан линии давления; /-областьрасположения ДВС; //-область расположения гидронасоса;///-область сжатия; IV - низкое давление; V- магистрали давления; VI - высокое давление для использования в мобильных машинах. Подача рабочей жидкости (масла) осуществля- ется как при движении поршня насоса влево (в течение цикла сжатия), так и вправо (во время рабочего хода поршня ДВС). Гидравлическая подача определяется рабочей частотой движе- ния поршня насоса, которая, в свою очередь, задается клапаном старта 7: при закрытом по- ложении клапана поршень стоит в положении нижней мертвой точки. При открытии клапана начинается новый цикл движения (сжатие). Длительность пауз между циклами определяет частоту движения поршня. Импульсность управления паузами позволяет использовать эффективный цифровой регулятор частоты. В газогидравлическом генераторе "Чирон" частота движения может изменяться практиче- ски от нуля до 42 Гц. Энергия, необходимая для сжатия, запа- сается в аккумуляторе 9 во время рабочего хода. Изменяя давление в аккумуляторе по- средством электрогидравлических клапанов, управляемых от высокоэффективной элек- тронной системы, можно оптимизировать про- цессы сжатия и сгорания топлива, повышая КПД; причем, специфика свободнопоршневого двигателя позволяет автоматически сохранять найденный оптимум при любой частоте дви- жения поршня. Существенное упрощение конструкций гидроприводов может быть достигнуто в слу- чае промышленной реализации элементов гид- равлики переменного потока (ГПП), или вол- новой гидравлики, которая базируется на воз- можности передачи волн давления в гидроли- нии, заполненной рабочей жидкостью. Осо- бенностью ГПП является отсутствие замкну- той циркуляции рабочей жидкости: рабочая жидкость не возвращается от исполнительного гидромеханизма в бак или на всасывание насо- са. Поэтому ГПП позволяет реализовать одно- проводные (однолинейные) рабочие контуры и сократить тем самым число гидромагистралей, что особенно важно для многоконтурных гид- роприводов сложных строительных машин. В случае применения в качестве элемен- та, отделяющего используемую источником питания рабочую жидкость от жидкости гид- родвигателя, ступенчатого поршня возможно преобразование (редуцирование или мультип- ликация) давления и расхода. Использование ГПП наиболее эффективно при возвратно-
90 Глава 1.5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ поступательном движении рабочего органа, так как в этом случае исключаются преобра- зующие элементы. К таким рабочим органам на строительных машинах относятся вибраци- онные катки, транспортеры, бункеры, элевато- ры и др. Известны соответствующие разработ- ки для привода в колебательное движение ра- бочих органов планировщиков, погрузчиков, экскаваторов (бульдозерного отвала, лопаты, ковша). Вместе с тем в случаях, когда решаю- щее значение имеет экономия числа гидрома- гистралей, ГПП может использоваться для привода рабочих органов вращательного дей- ствия. Это может быть достигнуто путем ис- пользования выпрямителей механического (обгонных муфт, храповых механизмов) или гидравлического типа (мостовых схем с ис- пользованием обратных клапанов). ГПП может применяться в гидросистемах смешанного типа: при последовательном включении с уст- ройствами гидравлики постоянного потока - в качестве одного из звеньев передачи гидрав- лической энергии, при последовательном включении - как один из контуров системы. В качестве генераторов колебаний (пуль- саторов) можно использовать приводимые эксцентриком поршни, а также клапанные или золотниковые устройства, попеременно под- ключающие источники питания и слив к линии переменного потока. Основные схемы ГПП показаны на рис. 1.4.23. Однофазная схема обеспечивает наибольшую конструктивную простоту, ее применение весьма эффективно в случае рабо- чих органов возвратно-поступательного, виб- рационного действия. Многофазные системы более сложны, но могут обеспечивать сравни- тельно равномерное вращение рабочих орга- нов, сохраняя отсутствие массообмена между источником питания и исполнительными ме- ханизмами. Системы ГПП хорошо сочетаются с рас- смотренными выше газогидравлическими ге- нераторами, так как практически не требуют демпфирующих устройств. Конкретные перспективы широкого при- менения ГПП в строительных машинах зави- сят от решения ряда технических проблем. Наиболее сложной из них является задача обеспечения необходимого ресурса гидропри- вода в условиях, характерных для ГПП дина- мических нагрузок. в) Рис. 1.4.23. Принципиальные схемы гидравлики переменного потока: а - однофазная; 1 - эксцентрик; 2 - поршень пульсатора; 3 - гидролиния; 4 - исполнительный механизм; Р - нагрузка; Q - расход; t - время; б - двухфазная; 1 - гидродвигатель; 2 - гидрораспределитель; 3 - клапан; 4 - гидроаккумулятор; 5 - демодулятор; 6 - генератор; Qr - подача; Qn - расход; в - трехфазная; 1 - эксцентрик; 2 - поршень генератора; 3 - поршень гидродвигателя; 4 - эксцентрик (гидродвигателя); со - угловая скорость выходного вала гидродвигателя Глава 1.5 ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 1.5.1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ Сохранение при эксплуатации способно- сти выполнять требуемые технологические процессы - одна из основных задач повыше-
ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ 91 ния качества строительных, дорожных и ком- мунальных машин. Комплекс свойств, обеспе- чивающих эту способность машины, опреде- ляется стандартизованными показателями на- дежности. В качестве основных показателей надеж- ности строительных, дорожных и коммуналь- ных машин и оборудования принимают сле- дующие: гамма-процентный ресурс средний ресурс до капитального ремонта Гк или до списания Тс; коэффициенты технического использо- вания Кт и и (или) готовности Кт', удельные суммарные трудоемкости ре- монта или технического обслуживания. Эти показатели связаны с другими пока- зателями: вероятностью безотказной работы P(t), наработкой на отказ tH или наработкой до отказа элементов (деталей) ta. Расчет надежности машины как системы заключается в определении вероятности P(t) безотказной ее работы по значениям вероятно- сти безотказной работы каждого ее элемента. Вероятность безотказной работы элемента P(t) - это вероятность того, что элемент будет работоспособным в течение заданного интервала времени, или вероятность того, что за заданный интервал времени не произойдет отказа. Длительность времени безотказной работы элемента Т - случайная величина. Наиболее полно характеризуют случай- ные величины законы распределения. Законом распределения, или интегральной функцией случайной величины Т принято называть не- возрастающую функцию Р(/), выражающую вероятность неравенства Т > t. Безотказность представляет интегральную функцию распре- деления, показанную на рис. 1.5.1, а. Так как работа и отказ - противоположные состояния, р(0+Г(0 = 1, где F(t) - функция ненадежности. Вероятность безотказной работы можно оценить как отношение числа элементов, про- работавших весь заданный срок без отказов, к общему числу No элементов. При достаточно большом числе элемен- тов можно определить статистическую оценку вероятности безотказной работы Ао=(лго-"('))/М)> где n(t) - число отказавших элементов. Статистическая оценка вероятности отказа F\t) = n(t)/N0. Частота отказов в единицу времени а(О = п(О/(^0АО- Для достаточно большого числа Nq плот- ность распределения наработки на отказ или дифференциальная функция распределения /(О = л(О/(АГоА/). Интенсивность отказов где N(t) = N0 -n(t). Средний ресурс до списания (или капи- тального ремонта) ОО 00 о о где f(t) - плотность распределения ресурса; t - ресурс до списания или капитального ремонта; P(t) - интегральная функция вероятности рас- пределения ресурса. Рис. 1.5.1. Графики функций распределения (а) и реализации случайных процессов (бу. 1 - вероятность безотказной работы; 2 - вероятность отказа; 5 - плотность распределения наработки на отказ; 4 - стационарный процесс; 5 - 7 - нестационарные процессы соответственно первого, второго, третьего типов
92 Глава 1.5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ Расчет системы включает: расчленение ее на отдельные элементы, определение веро- ятности безотказной работы элементов, со- ставление структурной схемы и ее расчет. Все элементы системы можно разделить на груп- пы: элементы, отказы которых не влияют на работоспособность изделия; элементы, работо- способность которых практически не изменя- ется (корпуса, малонагруженные детали); эле- менты, ремонт и регулирование которых воз- можны при работе машины или во время ее остановок; элементы, отказ которых приводит к отказу машины. Число, степени, характер расчленения зависят от конкретной решаемой задачи. Нужно стремиться разбить систему на элементы, отказ одного из которых не будет влиять на отказ других. Это позволит упро- стить расчет. Тогда при условии, что отказ одного элемента выводит из состояния работо- способности всю систему, структурная схема представляется последовательным соединени- ем элементов, а вероятность безотказной рабо- ты системы в этом случае равна произведению вероятностей безотказной работы ее элемен- тов: п p(.t)=p}p2...pn=Y[pi. /=1 При одинаковой надежности элементов Системы, состоящие из элементов высо- кой надежности, могут обладать низкой на- дежностью вследствие наличия большого чис- ла элементов, отказ которых приводит к отказу всей системы, например: если Pf = 0,99 и п = 50, то P(t) = (О,99)50 = 0,6; если п = 400, то P(t) = (О,99)4оо= 0,018; если причина отказа системы связана с внезапными отказами (по прочности), которые подчиняются экспонен- циальному закону, Р, />(/) = Це"х'/ = e-<xi+x2++^„)' =е’х^. /=1 Если в приводе машины выйдет из строя любая шестерня, муфта, насос и др., то весь привод перестанет функционировать. Конст- руктивно эти элементы не обязательно должны быть соединены последовательно, но струк- турная схема дает последовательное их соеди- нение. В общем случае для каждого элемента характерна определенная кривая распределе- ния наработки на отказ / (/) и ресурсов, кото- рая может быть получена на основе анализа модели возникновения отказа. Поэтому следу- ет учитывать, что при изменении времени t, в течение которого рассматривается работа сис- темы, изменяется и значение Р> для каждого элемента. Для повышения надежности отдельных подсистем можно применить резервирование, например, элементов гидрооборудования, т.е. создавать дублирующие элементы. Структур- ная схема в этом случае представляется парал- лельно соединенными элементами. Отказ бу- дет иметь место при условии отказа всех эле- ментов. Вероятность совместного проявления отказов п F(0 = F1F2...F„=n^. /=1 а вероятность безотказной работы п p(o=i-F(o=i-na-^)- /=1 Например, если вероятность безотказной работы элемента Р, = 0,9 и п = 3, то P(t) = = 0,999, т.е. значение P(t) резко повышается. Поэтому возможно создание надежных систем из малонадежных элементов, работо- способное состояние каждого из которых обеспечивает работоспособное состояние сис- темы. Различают нагруженный, облегченный и ненагруженный резервы. При облегченном резерве резервные элементы до момента вклю- чения находятся в облегченном режиме работы и вероятность их отказа в этот период мала. Ненагруженное резервирование (резервирова- ние замещением) заключается в том, что ре- зервные цепи находятся в отключенном со- стоянии и включаются в том случае, когда основной элемент отказывает. Построение структурных схем надежности зависит не только от конструктивной схемы, но и от вида отказа (рис. 1.5.2). Поэтому необходимо четко формулировать, что подразумевается под отка- зами элементов и системы. Возможно опреде- ление требований к надежности систем по ремонтопригодности и предельному состоя- нию.
ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ 93 Рис. 1.5.2. Структурные схемы надежности, построенные в зависимости от конструктивной схемы и вида отказа: а, б - параллельное соединение фильтров гидросистемы; г, д - последовательное соединение; а, г - конструктивные схемы; б, д - структурные схемы отказ - засорение; в, е - структурные схемы отказ - разрыв Показатель ремонтопригодности сис- темы - относительный уровень (ранг) ре- монтных затрат = Zz IZK р, где Zj - затраты на восстановление работоспо- собности при Z-м отказе; ZKp = Zn + Zp + Zcg + + Z3 - уровень затрат на капитальный ремонт; Zn - затраты на подготовительные операции (очистку, мойку, слив топлива); Zp - затраты на разборку; Zcg - затраты на сборку; Z3 - за- траты на заключительные операции (регулиро- вание, испытания). Возможны следующие ситуации: 1) Zz>ZKp; 2) 0<Z/<ZKp. Считается, что первый случай характери- зует ремонтную ситуацию или событие пре- п дельного состояния, т.е. Rt > 1; Rt > 1. /=1 Необходимо определить вероятность возник- новения событий достижения предельного состояния. Составляются структурные схемы на- дежности систем по ремонтопригодности и производится их анализ. Элементы, имеющие в системе 7?z > 1, в структурной схеме соеди- няют последовательно, а элементы, имеющие Rj < 1, - параллельно с образованием подсистем (ремонтных комплектов) так, чтобы минималь- ное число рангов давало бы суммарный ранг z=min Рис. 1.5.3. Структурная схема системы по ремонтопригодности с рангами ремонтных затрат элементов: 1-R} = 1; 2-R2 = 0,6; 3-R3 = 0,3; 4-RA = 0,1 Например, машина состоит из четырех узлов. При этом известны ранги для каждого узла: R\ = 1; R2 = 0,6; R3 = 0,3; R^ = 0,1. Струк- турная схема (рис. 1.5.3) состоит из парал- лельно включенных элементов 2, 3, 4, обра- зующих подсистему, к которой последова- тельно подключен элемент 7. Вероятность достижения предельного состояния Р(ТУ) = pi[i-(i-p2)(i-p3)(i-p4)], где Р\, Р2, Р3, Ра - вероятности возникновения ремонтных ситуаций. Надежность систем, в том числе и маши- ны в целом, определяют также эксперимен- тальными методами. Наиболее эффективны методы ускоренных автоматизированных ис- пытаний с применением специальных стендов и управляющих ЭВМ, а также имитацией ха- рактера изменения нагрузок в условиях экс- плуатации. Гамма-процентным ресурсом называют наработку, в течение которой машина не дос- тигнет предельного состояния с заданной ве- роятностью у (%): ОО P(TY) = -^ = 1-P(PY) = ff(t)dt = TY =1- \f(t)dt, 0 где P(T^) - вероятность того, что за ресурс объект не достигнет предельного состояния; F(T^) - вероятность достижения предельного состояния. Коэффициент технического использо- вания
94 Глава 1.5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ где Т - суммарное время пребывания объекта в работоспособном состоянии; Гр - время ремон- та; Тт0 - время технического обслуживания. Коэффициент готовности г т ’ Т + ^вн/ /=1 т где £ТВН/ - суммарное время внепланового /=1 восстановления. Коэффициент готовности численно равен вероятности того, что объект будет работоспо- собным в произвольный момент времени меж- ду плановыми ремонтами и техническим об- служиванием. 1.5.2. ВЛИЯНИЕ ПРОЧНОСТИ, СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ НА НАДЕЖНОСТЬ МАШИН Решение задач, связанных с обеспечени- ем долговечности строительных, дорожных и коммунальных машин, требует знания физиче- ских причин возникновения отказов. Причины отказов различны, различна и их физическая природа. Особенности расчетов долговечности этих машин обусловлены следующим: наличием и одновременной работой у многих машин нескольких рабочих органов и приводов, содержащих большое число элемен- тов; применением вибрационных устройств, нагружающих элементы с высокой частотой, что может привести к быстрому накоплению усталостных повреждений; взаимодействием рабочих органов с аб- разивной средой высокой твердости в услови- ях повышенных температур, приводящих к быстрому изнашиванию элементов. Основные виды отказов элементов и сис- тем дорожных машин возникают в результате потери прочности, сопротивления усталости и изнашивания. Эти процессы зависят от режи- мов нагружения машин и характеристик мате- риалов, из которых изготовляют детали. При определении нагрузок, действующих на элементы строительных, дорожных и ком- мунальных машин, используют аналитические и эмпирические зависимости, характеризую- щие их работу. Основу многих зависимостей, определяющих максимальные нагрузки, со- ставляет выражение где Рд - динамическая нагрузка; Рс - номи- нальная статическая нагрузка; Кд - коэффици- ент динамичности. Величины Рс, Кд - функции многих ар- гументов: физических свойств среды, парамет- ров и режимов рабочих органов и машины. Следует отметить, что в литературных источниках приводятся рекомендации по вы- бору значения коэффициента динамичности Кд с учетом характера рабочего процесса проек- тируемой машины применительно к опреде- ленным расчетным случаям. Эти рекоменда- ции получены на основе испытаний отдельных моделей машин и не раскрывают сущности коэффициента динамичности, не показывают степени влияния тех или иных факторов на значения динамических нагрузок. Рекомендо- ванные значения коэффициентов динамично- сти (РД 24.220.03-90) колеблются в довольно широких пределах и в сущности являются произвольно выбираемыми коэффициентами запаса. Излишняя осторожность при выборе этого запаса приводит к перерасходу не только машиностроительных материалов, но и энерге- тических ресурсов, при этом не исключается наличие слабых мест конструкции, снижаю- щих ее надежность. Ориентировочно для камнедробилок Кд = 2.. .2,6, для катков и дорожных фрез Кд = = 1,5...2,5, для асфальтоукладчиков Кд = = 1,5... 1,7, для рабочих органов грунтосмеси- тельных машин, режущих грунт, Кд = 1,5...2, измельчающих грунт, Кд = 1,2... 1,3, переме- шивающих материалы, Кд = 1... 1,2. При использовании расчетных зависимо- стей получают приближенные значения нагру- зок. Реальные нагрузки в результате случайно- го изменения многих факторов также являются случайными. Для их определения применяют вероятностный анализ с использованием ЭВМ. Основные характеристики случайных нагрузок и случайных процессов - математическое ожидание, дисперсия, корреляционная функ- ция, спектральная плотность. Если имеется совокупность из п реализаций случайного процесса x(f), то в каждом сечении можно определить частное математическое ожидание, найти дисперсию и распределение случайной величины.
ВЛИЯНИЕ ПРОЧНОСТИ, СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ и износостойкости 95 Математическое ожидание - это пре- дел, к которому стремится среднее значение случайной величины, при п -» оо: Дисперсия случайной величины 1 п Dx =----- Характеристикой рассеяния случайной величины служит также среднее квадратиче- ское отклонение Sx = y]Dx или коэффициент вариации Тх = Sx / тх. Для оценки структуры процесса, взаимо- связи между значениями процесса в различные моменты времени используют автокорреляци- онную функцию 1 п К (т) =—£ (х(0 - тх )(x(t - т) - тх ), или нормированную автокорреляционную функцию R(x), где т - интервал времени; т = /2-Л. При т = 0 имеем К(0) = Dx. Нормированная автокорреляционная функция Я(т) = ВДЩ0). Если математическое ожидание и дис- персия случайного процесса не зависят от вре- мени, а корреляционная функция не зависит от положения точек t2, а зависит от т, то такой случайный процесс называют стационарным. Если характеристики случайного процесса не изменяются от реализации к реализации, то такой случайный процесс называют эргодиче- ским. Для анализа частотного состава случай- ного процесса наряду с корреляционной функ- цией применяют спектральную плотность п S(co) =---£ /С(т), cos (co(zAz)), где со - частота процесса; Дт), - значение корреляционной функции в определенный момент (<ДГ). Нормированная спектральная плотность S(cd) = S((d)/Z\. Функция S(co) характеризует распреде- ление энергии процесса по непрерывным час- тотам и позволяет оценить ширину основного спектра частот, среднюю частоту процесса. При вычислении значений тх, Dx, К(т), 5(ш), 7?(т) используют численные методы и получа- ют так называемые оценки этих характери- стик. При этом процессы квантуют, т.е. разде- ляют, дискретизируют: п=Т/\t, где Т - длительность реализации; А/ - шаг квантования. Часто процессы нагружения узлов до- рожных машин нестационарные. Их можно разделить на три типа (рис. 1.5.1, б): 1) мате- матическое ожидание зависит от времени, а дисперсия постоянна; 2) дисперсия изменяется во времени, а математическое ожидание по- стоянно; 3) математическое ожидание и дис- персия зависят от времени. Для проведения анализа нестационарных процессов применяют следующие методы: центрирование флуктуа- ций (высокочастотных составляющих); выде- ление тренда (низкочастотных составляющих); нормирование случайных флуктуаций. Слу- чайные процессы можно представить в виде суммы флуктуации Хф и трендов хт. Для случайного процесса первого типа флуктуации стационарны, для второго и третьего - нестационарны по дисперсии. Они подлежат нормированию или преобразованию: Хф Х0 Хф н, где Xq - средняя (огибающая) процесса; Хф н - нормированная флуктуация. Флуктуация процесса третьего типа име- ет зависимость, близкую к функциональной от значения тренда: Хф ХтХф .н • Для полного описания процессов опреде- ляют: дисперсию и корреляционную функцию нормированных случайных флюктуации, дис- персии, амплитуды трендов, зависимости из- менения трендов. Если тренды детерминиро- ваны (функции времени), то это периодически нестационарные случайные процессы. Полное и точное описание процессов изменения на- грузок и получение сведений об их статисти-
96 Глава 1.5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ческих характеристиках достигается на основе экспериментальных исследований. Прочность элементов. Модель возник- новения внезапного отказа в общем виде пред- ставлена следующим условием: R<u, (1.5.1) где R - сопротивление элемента разрушению (предел текучести или временное сопротивле- ние); Q - напряжение в элементе. Если R > а, то имеется условие сохране- ния прочности. Причиной нарушения условия сохранения прочности, т.е. причиной отказа, могут быть конструктивные и технологические дефекты, а также нарушение правил эксплуа- тации. В зависимости от соотношения величин R и о могут наблюдаться полный отказ, раз- рушение (для хрупких материалов) или воз- никновение остаточных пластических дефор- маций. Для конкретного элемента значение R - постоянно, но в общем случае (для совокупно- сти элементов) значения R имеют разброс и являются случайными величинами с соответ- ствующим распределением. Экспериментально установлено, что для величины R может быть принято нормальное распределение. Распреде- ление f(R) и коэффициент вариации Vr суще- ственно зависят от технологии изготовления. В то же время действующее напряжение не постоянно как для конкретного элемента, так и для их совокупности. В общем случае в элементах дорожных, строительных и комму- нальных машин напряжение может быть охарактеризовано как случайный процесс (рис. 1.5.4, а). Основная характеристика слу- чайного процесса п(/) при анализе внезапных отказов - среднее число "выбросов" по этого процесса в единицу времени за некоторый уровень а. При а = а получаем среднюю частоту процесса. Среднюю частоту процесса можно опре- делить экспериментально, тогда па = п ехр (ст-ст) 2^ Таким образом, для определения по нуж- но знать статистические характеристики на- пряжений: среднее Q, дисперсию, коэффици- ент вариации или среднее квадратическое от- клонение SCT, корреляционную функцию или среднюю частоту п . Надежность по распре- делению случайных напряжений оценивают на основе предположения, что напряжение Q и сопротивление R разрушению - независимые величины. Распределения f(R) и /(и) подчи- няются нормальному закону. Рассмотрим функцию, характеризующую условие прочно- сти, Н = R — g, среднее значение Н = R- а. Дисперсия Z)H — + D — Sr + S& — S^. Функция f(H) подчиняется нормальному закону распределения: f\H) = „ ехр Sfj у 2 л (Н-Н)2 1SH Характеристика безопасности 7?-ст Н Sh ’ где Уб ~ величина, обратная коэффициенту вариации величины Н. Рис. 1.5.4. Распределения параметров Л и о (а) и выбросы случайного процесса x(Z) на уровне а и распределения /(а) (б): 1 - площади, характеризующие вероятности отказов; 2,4- распределения параметра R при относительно высокой в низкой технологии изготовления; 3 - распределение Q
ВЛИЯНИЕ ПРОЧНОСТИ, СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ и износостойкости 97 Коэффициент запаса прочности Kn=R/a. Величина Уб связана с Кп: *„-1 Уб ’ где Vr, - коэффициент вариаций соответст- венно сопротивления разрушению и напряже- ний. Исходя из величин Уб и й получают вы- ражение для определения интенсивности отка- зов или средней частоты отказов: А, = й0ехр(-Уб/2), где 2 = 1/71+ (5Д/5О)2 . Вероятность безотказной работы P(f) = exp (-АД Надежность сложнонапряженных эле- ментов оценивают по эквивалентным напря- жениям пэкв. Условие сохранения прочности (1.5.1) имеет вид: /?>пэкв. (1.5.2) Отказ возникает при R < пэкв. Часто нагрузки на элементах строитель- ных, дорожных и коммунальных машин неста- ционарны. При расчетах прочности в этом случае используют принцип приведения не- стационарного процесса к стационарному для того, чтобы использовать те же зависимости. Отличие заключается в том, что расчетный ресурс изменяется и определяется выражением — ^р, где Кр - коэффициент режима, определяемый по таблицам и номограммам; Кр = 0... 1. Если ресурс можно представить суммой отдельных периодов работы т /=1 т то вероятность безотказной работы Р = , /=1 где т - число видов работ, условий. Отсюда Если при этом можно выделить наиболее нагруженный режим с интенсивностью отка- зов Хр, то ' т 4 Р = ехр , к /=1 7 где сц tj I /р, bj I tp. Более точно расчет ведется путем стати- стического моделирования на ЭВМ. Под обеспечением прочности понимают установление уровня напряжения, которое будет действовать на элемент и соответство- вать нормативному уровню надежности. Исхо- дя из этого напряжения определяют геометри- ческие параметры элементов. Порядок расчета следующий: 1) задается нормативный уровень веро- ятности безотказной работы PQ; 2) определяется характеристика безо- пасности Info Qtn 3) определяется коэффициент запаса П 1-гМ 4) рассчитывается средний уровень на- пряжений c = R/Kn. Сопротивление усталости. Усталость рассматривается как постепенный отказ. При- чина усталости в том, что напряжения, возни- кающие в элементе, периодически превышают определенное значение (предел выносливо- сти), а каждое такое превышение оказывает повреждающее воздействие на элемент. По- вреждения постепенно накапливаются и, дос- тигнув предельного значения, приводят к пол- ному разрушению или появлению трещин не- допустимых размеров. В общем случае модель отказа в результате усталости можно предста- вить в виде 4 - 1317
98 Глава 1.5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ п /=1 где Gn - предельное значение повреждений; Gj - повреждения на отдельных этапах работы. Скорость накопления повреждений в те- чение каждого этапа gi = Gn/Nh где Nf - число циклов, необходимых для дос- тижения предельного повреждения Gn при режимах и условиях, соответствующих /-му этапу работы. Тогда модель отказа п Ел =Gn, /=1 где /Уд, - число циклов действующих напря- жений на /-м этапе работы. Скорость накопления повреждений и ре- сурс зависят от цикла N, циклов, которое в свою очередь определяется действующей ам- плитудой напряжений а, и пределом выносли- вости. Предел выносливости - это максималь- ное напряжение OLi, от действия которого не возникают разрушения при практически неог- раниченном числе циклов. Это число называ- ют базовым числом циклов Nq « 107. Число N, циклов напряжений а также предел вынос- ливости Q-1 определяют по кривым усталости, которые получают экспериментально. Кривая усталости - это графическая зависимость от Nj или Qa/ / Q-i от Nj (рис. 1.5.5). Для удобства построений чаще использу- ют зависимости = /(lg М)> или <за1 / q_i = Часть кривой усталости, где и, > Q_i, ап- проксимируется степенной зависимостью. На этом участке справедливо выражение ^,/^0= (ст-1/а,г, где т - показатель степени, зависящий от свойств материала, размеров, формы и техно- логии изготовления элементов, характера ре- жима нагружения, температуры и др., у образ- цов без концентраторов напряжение т = 6... 12, у элементов с концентраторами т = 3...8. Для оценки надежности представляет ин- терес наклонный участок. Рис. 1.5.5. Схема определения распределений ресурсов: 1 - область полностью ограниченной долговечности; 2 - область частично ограниченной долговечности; 3 - кривая усталости Влияние состояния и качества поверхно- сти детали на предел выносливости учитывают коэффициентами качества поверхности, опре- деляемыми экспериментально. В результате получают предел выносливости конкретной детали п_1д. В общем случае предел выносливости - случайная величина вследствие разброса ха- рактеристик материала. Экспериментально установлено, что значения предела выносливо- сти подчиняются закону нормального распре- деления или закону Вейбулла. При оценке сопротивления усталости задачу часто сводят к необходимости определения функции ресур- са элемента, если известно, что на элемент действует гармоническая, симметричная на- грузка Возможны два основных случая, которые следуют из общей схемы формирова- ния отказов по усталости (рис. 1.5.5): 1) ам- плитуда напряжения <за\ пересекает все сово- купности левых ветвей кривой усталости, т.е. лежит выше максимально возможного предела выносливости; область полностью ограничен- ной долговечности. Дифференциальные и ин- тегральные кривые распределения ресурса имеют обычный вид; 2) амплитуда напряже- ний Пд2 пересекает часть левых ветвей кривой усталости, т.е. проходит ниже максимума пре- дела выносливости; область частично ограни- ченной долговечности. В этом случае от уста- лости разрушится лишь та часть элементов, линии которых пересечены. Дифференциаль- ные и интегральные кривые распределения ресурса имеют характерный участок с посто-
ВЛИЯНИЕ ПРОЧНОСТИ, СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ и износостойкости 99 янными значениями. В области полностью ограниченной долговечности справедливо выражение °-ia=aa"№/N0 =<PGV). где N- число циклов до разрушения. При частоте п изменения напряжения ресурс определяется выражением Т = N !п . Поэтому при известном п необходимо найти распределение N, тогда Т определяется рас- пределением N. В теории вероятностей известно, что ЛЮ = Лф(Юф'(Ю]- Отсюда uamJN/N0 (оа^^о-а_1д)2’ хехр-------1, [ 25-1д J где о_1д, 5_1д - соответственно среднее значе- ние, среднее квадратическое отклонение пре- дела выносливости детали. Коэффициент вариации предела вынос- ливости у_1д=5_1д/ст_1д. Для расчетов используют коэффициент запаса по сопротивлению усталости “ СТ-1д а > а также характеристику безопасности Гб =^N/No -Ky)/(Kyv_la). Зависимость числа циклов до разрушения от этих величин y = tf0(l+Y6v_u)'"*ym. Вероятность безотказной работы Р = 0,5 [1 + Ф(уб)], где Ф(уб) - функция Лапласа. Для построения функций распределения в области частично ограниченной долговечно- сти можно использовать те же зависимости, но не на всем интервале чисел N, а до Nq, после которого долговечность можно считать неог- раниченной, а вероятность безотказной работы постоянной P(Nq). Коэффициент вариации предела вынос- ливости V-1A = Vv? + V2 + va + ^экв > где Vj = 0,03...0,07 - коэффициент вариации пределов выносливости деталей, изготовлен- ных из металла одной плавки; v2 = 0,05...0,1 - коэффициент вариации средних пределов вы- носливости из металла одной марки, но разных плавок; va = 0,02...0,1 - коэффициент вариа- ции размеров детали; Тэкв - коэффициент ва- риации эквивалентного напряжения. Нагрузки чаще всего носят случайные амплитуды и могут иметь несимметричный характер. Во всех этих случаях необходимо определять характеристики гармонических детерминированных напряжений с симмет- ричным циклом эквивалентных по разрушаю- щему воздействию случайных напряжений и использовать их при определении коэффици- ента запаса по сопротивлению усталости КУ =П_1д^/^Аэкв • Для линейного накопления повреждений и степенного уравнения кривой усталости °ai^i = const, а эквивалентного напряжения Суммирование следует проводить по всем напряжениям, превышающим 0,5п_1Д. Коэффициент а = 1 при линейной зави- симости накоплений повреждений, в других случаях его значение уменьшается до а = 0,2. При действии напряжений, асимметрия цикла которых случайна, определяют приве- денную амплитуду симметричного цикла: ^пр Ф + Р1 > где пс - среднее напряжение цикла; и, - /-я амплитуда цикла; pi = 0,1...0,3 - коэффициент асимметрии. Для случайного процесса с постоянной асимметрией цикла 4*
100 Глава 1.5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ^экв где Q - среднее напряжение процесса. При действии на элемент нагрузки в виде блока, т.е. набора симметричных циклов, с разной амплитудой Q,: ^экв где q - число блоков нагружения за весь срок службы; ti - относительная длительность z-й нагрузки; 7, = ТУб/ / ^б; Nq - общее число циклов повторения амплитуды всех уровней в блоке нагружения. Надежность по усталостному разруше- нию обеспечивается, если напряжения в эле- менте не превышают определенного уровня, при котором в течение заданного ресурса с заданной вероятностью не возникает усталост- ного разрушения. При полностью ограниченном ресурсе коэффициент запаса прочности _ mjN/N0 Ку — ) l + Y6v-u где Уб - характеристика безопасности, опреде- ляемая из уравнения Ф(Уб) = 2Р - 1. Средний ресурс по числу циклов находят при У-1Д = 0: N = NqK” . При частично ограниченной долговечно- сти N = Nq Ку = 1/(1 -Y6V-ia), а средний ресурс оценивать не требуется. Затем определяется уровень напряжений по коэффициенту Ку. Уровень напряжений с симметричными амплитудами О_1д / Ку. Износостойкость элементов. Для строи- тельных, дорожных и коммунальных машин наиболее характерно абразивное изнашивание. Оно происходит в результате микрорезания или многократного микроскопического де- формирования металла абразивными телами. Это в первую очередь относится к рабочим органам (фрезам, шнекам, зубьям, деталям ходового устройства и др.), которые непосред- ственно взаимодействуют с абразивными сре- дами. Различают изнашивание в абразивной среде, которое характеризуется микрорезани- ем, и контактно-абразивное, которое характе- ризуется усталостью. Микрорезание возникает при отношении твердости поверхностного слоя детали к твер- дости абразива Н / На < 0,5, а усталость при Н/На >0,7. Основной количественной характеристи- кой изнашивания служит линейный износ де- тали: ДЛ = Л2 ~ где h\,h2- размеры детали. Можно применять другие характеристи- ки изнашивания: объемное, массовое, а также интенсивность изнашивания где ДЛ - линейный износ; Д/ - путь трения. Динамику изнашивания характеризует его скорость i = Nhl Nt, где &t - время изнашивания. Наиболее характерными являются пять моделей динамики изнашивания (рис. 1.5.6). Первая, наиболее простая - линейная модель (кривая 7). Скорость изнашивания i = const. Длительность работы может быть определена как t = \h/i. Рис. 1.5.6. Модели динамики изнашивания: 1 - линейная; 2-4- нелинейные; 5 - общая - кривая Лоренца; а - приработка; б - установившееся изнашивание; в - катастрофическое изнашивание
ВЛИЯНИЕ ПРОЧНОСТИ, СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ и износостойкости 101 Вторая модель характеризуется прира- боткой с последующей постоянной скоростью изнашивания (кривая 2). Она наблюдается в шарнирных соединениях, подшипниках скольжения. Третья модель с монотонно снижающей- ся скоростью изнашивания (кривая 3) харак- терна для подшипников скольжения, шестерен. Четвертая модель имеет увеличивающуюся скорость изнашивания (кривая 4). Наиболее общая модель (кривая 5) - кривая Лоренца - включает три стадии: а) приработку; б) уста- новившееся изнашивание; в) катастрофическое изнашивание. Для участка б можно определить ресурс (без учета t\): *=(*np—а0) tg <p; tg(p = j. Катастрофическое изнашивание может начаться при увеличении зазора в сочленении вследствие нарушения условий трения или изнашивания обработанного слоя поверхности детали. Пары трения часто работают с переры- вами. В этом случае кривая износа имеет сту- пенчатый вид и модель отказа Xgo=^пр ’ ;=1 где N - число циклов за весь ресурс; tj - дли- тельность у-го цикла; ij - скорость изнашива- ния ву-м цикле; /?пр - максимальный износ. Если tj = Tfj, то ресурс п 7’ = Апр£Л/У =Апр//Т> >1 где fj - относительная длительностьу-го цикла; i - средняя скорость изнашивания. При оценке работоспособности механиз- ма необходимо установить предельно допус- тимые значения износа Лпр. Имеются нормати- вы на предельные износы для ограниченной номенклатуры деталей. При занижении значе- ний срок службы деталей используется непол- ностью (потери основных фондов затрат), при завышении - возрастает доля аварийных ре- монтов вследствие отказов в межремонтный период (повышаются текущие затраты), т.е. существует задача оптимизации значения Лпр. Возможно установление значения из усло- вий прочности, так как уменьшение размера детали в результате изнашивания приводит к снижению прочности. По израсходовании запа- са прочности можно получить Лпр Для тихоход- ных передач. Для быстроходных передач следу- ет учитывать еще повышение динамических нагрузок вследствие увеличения зазоров Д: Р = Ро + Рд, где Ро - расчетная нагрузка; Рд =/(Д) - дина- мическая составляющая. Для реверсивных передач на зазор влияет износ четырех поверхностей зубьев. Предель- ный износ можно установить также из условия точности многозвенных механизмов (цепей, гусениц). Из условия суммарного износа ^Л<5...6 % предельное удлинение цепей (Zmax-Z)/Z < 0,05. Наиболее точно предельные износы ус- танавливают экспериментально. Возможны другие случаи выбора и определения предель- ного износа: по предельному снижению про- изводительности, увеличению энергоемкости, невыполнению заданных функций. Следующей задачей является определе- ние скорости изнашивания: i = aN^IFK^ где а - коэффициент пропорциональности, определяемый по справочным данным; - мощность трения; F - площадь контакта тру- щихся элементов; К„ - коэффициент запаса износостойкости. При этом мощность трения Мр=/трЛу, где/^р - коэффициент трения; R - сила, дейст- вующая перпендикулярно к относительному перемещению (силе нормального давления); v - скорость относительного перемещения. Коэффициент запаса износостойкости — Ей / где 8И, <7и _ относительные значения соответст- венно износостойкости детали и изнашиваю- щей способности среды. Значение 8И определяют эксперимен- тально в зависимости от материала детали, а
102 Глава 1.5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ также справочных данных о ней. Относитель- ная изнашивающая способность среды <7и — -^р где Лд - коэффициент, характеризующий дав- ление на поверхности трения; - коэффици- ент, оценивающий твердость и форму абра- зивных зерен, определяющих характер разру- шения (микрорезание или усталость); Ка - коэффициент, учитывающий степень закреп- ленности абразива в среде. Оценка надежности элементов при изна- шивании производится на основе рассмотре- ния общей схемы возникновения отказа (рис. 1.5.7). Отказ элемента возникает при дос- тижении предельного значения Лпр. Модель отказа h(t) = i(t- + hQ> h^. Безотказная работа обеспечивается при условии h(t) = i(t-t0) + h0<hnp, где t - текущее время; t0 - время обкатки (при- работки); hQ - износ в период обкатки. При изнашивании в абразивной среде можно считать tQ = 0; h0 = 0. При контактно- абразивном изнашивании время tQ мало по сравнению с t. Тогда it + hQ< h^. Но парамет- ры i, hQ, h„p в общем случае величины случай- ные. Поэтому ресурс деталей Т тоже случай- ная величина: T=(hnp-ho)/i. Рис. 1.5.7. Общая схема возникновения отказов и определения распределения ресурсов при изнашивании Поэтому существует плотность распре- деления f(T). В общем случае для описания f(T) при коэффициенте вариации ресурса Т < 0,33 используют нормальное распределе- ние, а при Т > 0,33 - гамма-распределение. При нормальном распределении скоро- сти изнашивания Р(7’) = 1-ф[(Ль+/7’-Лпр)/(/Т’Т)]. Средний ресурс Т7 — ~ _ АЛКи ~(aN/F)KaKaKp~ ап Коэффициент вариации ресурса +^д +^р , где Тд/, - коэффициент вариации предельного износа, который зависит от технических до- пусков и качества изготовления; Тд/, = 0...0,2; Ч/еи - коэффициент вариации относительной износостойкости; при контактно-абразивном изнашивании % = 0,03...0,08; в абразивной фазе Т6и = 0,08...0,15; Т# = 0,2...0,3 - коэф- фициент вариации удельной мощности трения (зависит от скоростей машины); - коэф- фициент вариации абразивности; в абразивной среде Тка = 0,2...0,33; при контактно-абразив- ном изнашивании Т^а = 0; - коэффициент вариации давления; в абразивных средах Тк = 0; при контактно-абразивном изнашива- нии = 0,15...0,25; = 0,1...0,2 - коэф- фициент вариации твердых включений. Под обеспечением надежности следует понимать определение необходимой износо- стойкости элементов и размеров износостой- кого покрытия, при которых в течение задан- ного ресурса с заданной вероятностью не на- ступит предельный износ. Запас по износу ль-лПр=с71_тТт;т-Ттт> где U\ _ у - параметр, определяемый по табли- це функции Лапласа: соответствует вероятно- сти Ф(£/1 _у) = 1 - у; у - нормативный уровень вероятности безотказной работы; Ту - гамма- процентный ресурс.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 103 Обеспечение и повышение надежности производятся на основе конструктивных меро- приятий, применения новых износостойких материалов, улучшения смазочных материа- лов, компенсации износа, контроля за износом, применения безызносного трения. Глава 1.6 КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 1.6.1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ МАШИН Элементы строительных, дорожных и коммунальных машин изготовляют из углеро- дистых, легированных, специальных сталей, чугунов различной структуры, цветных спла- вов, неметаллических материалов. При восста- новлении деталей используют такое же разно- образие материалов. Выбор способов, техноло- гических вариантов и режимов восстановления деталей непосредственно связан со знанием химического состава, структуры, механиче- ских, физических и технологических характе- ристик тех металлов и сплавов, из которых они изготовлены. Требования, предъявляемые к метал- лам и сплавам, применяемым для изготов- ления строительных, дорожных и комму- нальных машин. В процессе эксплуатации этих машин рабочие поверхности большинства деталей подвержены изнашиванию под влия- нием сил трения, коррозионному воздействию и др. Кроме того, многие детали воспринима- ют при работе значительные динамические нагрузки, возникающие вследствие действия инерционных сил, при нарушении соосности сопряженных агрегатов, механизмов и дета- лей, в результате частотных колебаний, при торможении машин, ударах колес о препятст- вия (неровности дороги) и по другим причи- нам. Многие детали воспринимают системати- ческие переменные нагрузки и поэтому могут подвергаться усталостному разрушению. К та- ким деталям в первую очередь следует отнести продольные балки и поперечины рам, рессор- ные листы, пружины подвески и полуоси и др. Сопряженные рабочие поверхности деталей подвержены различным видам механического и коррозионно-механического изнашивания, в частности абразивному и газоабразивному (клапаны, гильзы цилиндров и др.), усталост- ному (рабочие поверхности зубчатых венцов шестерен, подшипников качения и др.), окис- лительному (поршни, головки цилиндров, поршневые кольца и др.), изнашиванию при фреттинг-коррозии (рессорные листы), а также комбинированному воздействию перечислен- ных и других видов изнашивания. В отношении смазки условия работы со- пряжений деталей машин не одинаковы: лишь подшипники коленчатых валов (коренные и шатунные) работают при установившемся режиме в условиях гидродинамической смаз- ки; работа некоторых деталей (например, под- шипников распределительных валов) протека- ет на границе условий гидродинамической и полужидкостной смазок; большинство деталей работает при граничной смазке. По характеру и величинам воспринимаемых нагрузок, видам трения и условиям смазки сопряжения узлов и агрегатов машин работают в сложных условиях. Особенности использования строитель- ных, дорожных и коммунальных машин не позволяют при разработке их конструкций с целью повышения надежности и увеличения ресурса идти по пути увеличения сечений, габаритных размеров и массы деталей. Поэто- му к материалам, применяемым при их произ- водстве и восстановлении, предъявляются высокие требования. Они должны надежно обеспечивать статическую и динамическую прочность изготовляемых из них деталей, га- рантировать высокую износостойкость тру- щихся поверхностей, температурную и корро- зионную стойкость. Указанным требованиям хорошо отвеча- ют легированные стали. В нормализованном и особенно улучшенном состоянии они обеспе- чивают при ограниченных сечениях необхо- димую прочность изготовляемых из них дета- лей, а в результате химико-термической обра- ботки с последующими закалкой и низкотем- пературным отпуском - высокую твердость и износостойкость рабочих поверхностей при больших удельных нагрузках. За счет соответ- ствующего подбора легирующих компонентов у изготовляемых деталей достигаются пружи- нящие свойства, коррозионная стойкость, жа- ропрочность и другие специальные качества. В рассматриваемых машинах широко приме- няют легированные стали при большом разно- образии используемых групп, марок и химиче- ского состава. Поскольку стоимость легированных ста- лей намного превышает стоимость качествен-
104 Глава 1.6. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ных углеродистых сталей, наряду с ними при- меняют более дешевые низколегированные и качественные углеродистые стали во всех тех случаях, когда это не вызывает снижения на- дежности и ресурса соответствующих деталей, а следовательно, агрегатов и узлов, в конст- рукцию которых они входят. В качестве заготовок деталей использу- ются поковки, штамповки, отливки из черных и цветных металлов. Первые два вида загото- вок отличаются лучшей структурой металла, а следовательно, наилучшими механическими свойствами изготовляемых из них деталей. Поэтому в конструкциях рассматриваемых машин кованых и штампованных деталей большинство. Исходным материалом для изго- товления поковок и штамповок является ме- таллопрокат. Однако ввиду относительно вы- сокой его стоимости и сложности операций обработки металлов давлением в тех случаях, когда нагрузки деталей ограничены, целесооб- разно вместо поковок использовать отливки (при изготовлении кронштейнов, педалей, корпусов и т.д.). Получение деталей (особенно сложной формы) литьем часто является един- ственно возможным способом. Наиболее де- шевые отливки, но и менее прочные, получают из чугуна с пластинчатым графитом. Механи- ческие качества чугуна могут быть повышены за счет его модификации, легирования, специ- альной термической обработки. В связи с этим широко применяют чугун с шаровидным гра- фитом, а также легированный и ковкий. Ков- кий чугун обеспечивает наивысшие механиче- ские качества изготовляемых из него деталей, однако более дорогой и отличается сложной технологией их термической обработки. Чугун с шаровидным графитом по своим механиче- ским качествам приближается к ковкому, зна- чительно дешевле и проще по технологии по- лучения заготовок. Поэтому в последние годы ряд деталей, прежде изготовляемых из ковкого чугуна, получают из чугуна с шаровидным графитом. Для дальнейшего повышения динамиче- ских качеств машин большое значение имеет максимально возможное снижение их массы. Этому в значительной мере способствует про- изводство деталей из сплавов на алюминиевой, цинковой, магниевой основе, а также компо- зитных материалов, область применения кото- рых непрерывно увеличивается. Радикальное снижение массы малона- груженных металлоконструкций строительных машин или элементов, имеющих форму обо- лочек, например кузов автосамосвалов, может быть достигнуто применением алюминиевых сплавов, обладающих к тому же хорошими антикоррозионными свойствами и по прочно- сти не уступающим сталям. Однако использо- вание их для длинных ферм-элементов, рабо- тающих на сжатие, нецелесообразно вследст- вие того, что модуль упругости у них в 2,8 раза меньше, чем у стали. Материалы металлоконструкций.* Ме- таллы, применяемые для несущих конструк- ций, должны обладать механическими свойст- вами, обеспечивающими работоспособность конструкций в течение длительного срока службы в заданных условиях эксплуатации. Они должны быть прочными, упругими, со- противляться циклическим и ударным воздей- ствиям как при положительных, так и при от- рицательных температурах, обладать коррози- онной стойкостью и хорошей свариваемостью. Указанным требованиям соответствуют стали с содержанием углерода не более 0,22...0,25 %. Стали с большим содержанием углерода, несмотря на высокую прочность, для несущих конструкций не применяют ввиду их склонности к хрупкому разрушению и плохой свариваемости. Алюминиевые и титановые сплавы пока еще не нашли широкого приме- нения для несущих конструкций строитель- ных, дорожных и коммунальных машин. Низколегированные стали имеют по срав- нению с углеродистыми лучшие механические свойства, что достигается введением легирую- щих добавок. Применение этих сталей позволя- ет на 20...30 % снизить массу конструкций и увеличить их срок службы. В настоящее время основные несущие конструкции строительных и дорожных машин изготовляют из низколегиро- ванных сталей (ГОСТ 19281-89). Термоупрочненная углеродистая сталь при незначительном повышении стоимости изготовления (по сравнению со стоимостью обычной углеродистой стали) имеет лучшие механические свойства, близкие по прочности низколегированной стали. Недостатком термо- упрочненных сталей некоторых видов является их частичное разупрочнение вследствие нагре- ва при сварке, что недопустимо для металло- конструкций строительных и дорожных ма- шин. * Раздел написан совместно с Г.Н. Карасевым.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 105 Выбор марки стали зависит от условий эксплуатации конструкций, особенностей тех- нологического процесса их изготовления, тре- бований к массе и стоимости конструкции. Для снижения массы конструкции рекомендуется применять низколегированные стали высокой прочности. При выборе марки стали необходимо учитывать возможность работы строительно- дорожных машин в различных климатических зонах. В зоне с холодным климатом работо- способность машин должна обеспечиваться при температуре -60 °C, а в зоне с умеренным климатом - при температуре -40...-50 °C. Институтом электросварки им. Е.О. Пато- на разработаны рекомендации по выбору сталей для сварных конструкций. Для основных несу- щих конструкций, работающих при температуре -40.. .-50 °C, а также при -50.. .-65 °C при усло- вии контроля их ударной вязкости при темпера- туре -70 °C при толщине проката до 20...40 мм, рекомендуются низколегированные стали 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 10ХСНД 15ХСНД, 14Г2АФ, 15Г2АФДсп. Применение углеродистых сталей в условиях отрицательных температур -50 °C и ниже допускается только для вспомогательных элементов (ограждений, настилов, кожухов и т.д.). При проверке сопротивления усталости следует пользоваться пониженными значениями предела выносливости в зависимости от вида сварного соединения: 10...50 МПа. Внедрению дюралюминия для изготов- ления металлоконструкций способствует раз- работанная сравнительно недавно технология сварки алюминиевых сплавов, обеспечиваю- щая необходимую прочность швов. Для клепа- ных металлоконструкций применяют термиче- ски упрочненные сплавы типа дюралевых, а для сварных - неупрочненные на основе сис- темы алюминий - магний. Наиболее распространенные материалы, при- меняемые для изготовления деталей строи- тельных, дорожных и коммунальных машин, приведены в табл. 1.6.1. 1.6.1. Материалы, применяемые при производстве деталей строительных, дорожных и коммунальных машин Материал Изготовляемые детали 08, 08кп, 10 Конструкционные углеродистые стали Корпусы стеклоподъемников и дверных замков, дверки кабин, кры- лья, глушители, щитки радиатора, панели капота, корпусы воздушных фильтров, детали кабин и кузовов, кронштейны, крышки клапанных механизмов, регулировочные прокладки, маслоотражатели, гайки, шурупы, детали приспособлений, нестандартного оборудования 15, 15кп Диски колес, различные пальцы и оси, болты и винты с круглой, полукруглой, цилиндрической, потайной и другими головками 20, 20кп, 25 Валы и червяки рулевого управления, валы управления коробкой передач, тросы стеклоподъемников, бамперы, детали рычага ручно- го тормоза, вилки переключения передач, карданные валы, вклады- ши рулевых тяг, рычаги переключения передач, различные крон- штейны и др. 30,35 Карданные фланцы и вилки, шестерни коленчатого вала, шестерни масляного насоса, корпусы гидроцилиндров опрокидывающих уст- ройств автосамосвалов, выдвижные гильзы гидроподъемников, бук- сирные крюки, вилки переключения передач, шпильки колес, шести- гранные болты, детали нестандартного оборудования 40, 45 Коленчатые валы двигателя и компрессора, распределительные ва- лы, поршневые пальцы, оси шестерен заднего хода, поворотные шкворни, скользящие вилки, венцы маховиков, разжимные кулаки колодок тормоза, штанги толкателей, шпильки головки блока и дру- гие детали, гильзы, поршни, штоки гидромашин 45Л-55Л Траки гусениц, сложные детали средней нагруженности (литые)
106 Глава 1.6. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Продолжение табл. 1.6.1 Материал Изготовляемые детали Ковкий (ГОСТ 7293-85) КЧ35-10, КЧ37-12 Чугуны Колесные тормоза и ступицы колес Высокопрочный (ГОСТ 7293-85) ВЧ 50, ВЧ 35, ВЧ 60 Ступицы колес тяжелых автомобилей, корпусные детали, крышки гидромашин, люльки Серый (ГОСТ 1412-85) СЧ 15, СЧ 20 Тормозные барабаны, корпусные детали коробок передач, задних мостов, крышки корпусных деталей, корпусные д