Основные конструктивные схемы и принципы компоновки

Несмотря на многообразие областей применения, типов и ти­поразмеров подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин, их конструктивные схемы и компоновочные принципы не столь разнообразны. Любая из них является набором ограничен­ного числа типовых узлов и агрегатов, способы конструктивного соединения и функционального взаимодействия которых между собой диктуются назначением машины и, в свою очередь, опреде­ляют ее характеристики. К их числу относятся: рама, силовая уста­новка, ходовое оборудование (для самоходных, полуприцепных и прицепных машин), ходовая трансмиссия (для самоходных машин), рабочее оборудование, его силовой привод, системы управления рабочими процессами и движением машин, операторские кабины, корпусные и облицовочные детали.

Рама.Рама обеспечивает постоянство взаимного расположения других агрегатов, благодаря чему машина сохраняет работоспособ­ность в широком диапазоне эксплуатационных условий. Простран­ственная конфигурация рамы зависит от величины и направления на­грузок, воспринимаемых машиной, что, в свою очередь, определяет­ся ее назначением, типом и типоразмером. Часто роль рамы выпол­няют усиленные корпусные детали машины, как, например, ковш са­моходного скрепера. Наряду с основной рамой на некоторых типах машин используются дополнительные рамы для крепления рабочих органов. В качестве примера можно назвать тяговую раму автогрей­дера, универсальную раму бульдозера с поворотным отвалом и др.

Силовая установка.Источником механической энергии, необ­ходимой для работы машины, служит силовая установка. Совре­менные подъемно-транспортные, строительные и дорожные маши­ны оборудуются либо двигателями внутреннего сгорания (большей частью, дизельными), либо электродвигателями с автономным пи­танием от аккумуляторов или стационарных электросетей. Основ­ным преимуществом двигателя внутреннего сгорания является пол­ная автономность машины в течение длительного времени. К чис­лу принципиальных недостатков такой силовой установки отно­сят сравнительно невысокий КПД (20... 35 %), шум, вибрацию, ток­сичность выхлопа, тепловое загрязнение окружающей среды. Дей­ствие некоторых негативных факторов может быть в значитель­ной степени ослаблено за счет направленных конструктивных ме­роприятий (электронное управление процессом сгорания, звуко- и виброизоляция, каталитическая очистка выхлопа и др.), реализа­ция которых ведет к усложнению и удорожанию двигателя, увели­чению затрат на его эксплуатацию. Удельная (на единицу массы) мощность автотракторных и транспортных дизельных двигателей внутреннего сгорания составляет от 0,75 до 1,0 кВт/кг.

К преимуществам электродвигателей относятся высокий КПД Ю 98%), постоянная готовность к работе независимо от темпера-^гры окружающего воздуха, высокая надежность, простота сопря­жения с другими агрегатами, а также легкий пуск, управление, ре­версирование и остановка. Удельная (на единицу массы) мощность электродвигателей на порядок ниже, чем у двигателей внутренне­го сгорания, и колеблется в пределах 0,027... 0,095 кВт/кг.

Ходовая трансмиссия.Для передачи энергии от двигателя на хо­довые устройства, обеспечения самостоятельных перемещений ма­лины в ходе рабочих и транспортных операций служит ходовая 'рансмиссия. Типы и принципы ее работы аналогичны таковым для силовых трансмиссий вообще.

Движитель.Передвигаться относительно опорной поверхности машине позволяет движитель. Большинство самоходных подъем-;о-транспортных, строительных и дорожных машин оснащены „шевмоколесным, рельсоколесным или гусеничным движителями. Гораздо реже и только у строго ограниченной номенклатуры ма-[ин встречаются жесткие колеса, облицованные резиной, и метал-:ические вальцы с гладкой или неровной поверхностью.

В последние годы все чаще появляются движители, в которых конструкторы пытаются соединить преимущества движителей раз­личных типов. Среди них можно назвать полностью резиновые гу­сеницы, гусеницы с обрезиненными траками, жесткие колеса с обо-;ом, собранным из съемных резиновых подушек. Достоинства и [едостатки перечисленных ходовых устройств определяют опти­мальную область применения каждого из них.

К преимуществам пневмоколесного движителя относятся: хоро-_ие амортизирующие качества, высокая эластичность, малые внут­ренние потери, износостойкость, совместимость с любыми скоро­стными режимами, минимальные требования к регулярному обслу­живанию, низкая стоимость и трудоемкость ремонта. Его недостат­ки: высокие удельные давления на грунт, сравнительно невысокая сопротивляемость механическим повреждениям, высокая вероят­ность аварийной ситуации при внезапной разгерметизации коле­са. Считается, что пневмоколесный движитель наиболее подходит для машин, эксплуатация которых сопряжена с движением в ши­роком диапазоне скоростей по произвольной траектории и по дос­таточно прочной опорной поверхности (твердое покрытие, плот­ный грунт и т.п.).

Релъсоколесный движитель отличается высокой механической прочностью, малым сопротивлением перекатыванию, отсутствием бокового увода и незначительностью внутренних потерь. Вместе с тем он требует укладки рельсового пути с тщательной подготов­кой основания, ежедневного обслуживания и чувствителен к укло­нам местности. Рельсоколесный движитель допускает перемеще­ние машины только по определенной траектории и гарантирует ее

от потери устойчивости вследствие эластичности ходового устрой­ства или случайного проседания опорной поверхности.

Гусеничный движитель характерен низким удельным давлением на опорную поверхность, малой эластичностью по вертикали, пре­красной маневренностью и хорошими тягово-сцепными свойства­ми. Вместе с тем он сравнительно тяжел, шумен, не приспособлен к движению с высокими скоростями (танковые ходовые устройства в этом смысле являются дорогим исключением), легко повреждает дорожные покрытия и почвенный слой, требует систематического обслуживания и регулировок, более других трудоемок при ремонте. Не все из указанных недостатков являются принципиальными. Ряд из них может быть скорректирован за счет конструктивных мероп­риятий и применения других материалов. Например, использование резиновых гусеничных лент и обрезиненных траков и катков позво­ляет снизить шум, вибрации и ударные нагрузки на элементы гусе­ничного хода, а также сократить число регулировок; применение герметизированных межтраковых шарниров с долговечной смазкой в несколько раз уменьшает периодичность и трудоемкость обслу­живания. Ряд преимуществ имеют гусеничные ленты, огибающие звездочки и катки по треугольному контуру. При этом участок гусе­ницы, лежащий на грунте, ограничен двумя ведомыми катками (пе­редним и задним), а ведущая звездочка поднята высоко над опор­ной поверхностью. Благодаря этому бортовые передачи защищены от нагрузок, возникающих при поперечных смещениях рам гусенич­ных тележек и на неровностях грунта. Также снижается вероятность попадания пыли и влаги в механизм привода.

Жесткие колеса с обрезиненным ободом позволяют машине пере­мещаться по произвольной траектории, обладают сравнительно небольшим сопротивлением перекатыванию, не шумны, практиче­ски не эластичны в вертикальном направлении, не подвержены ме­ханическим повреждениям, не требуют регулярного обслуживания. Вместе с тем они весьма требовательны к ровности и прочности опор­ной поверхности и не отличаются хорошими тягово-сцепными и амортизирующими свойствами. Эти особенности ограничивают область их применения штабелерами, электрокарами и колесными асфальтоукладчиками, перемещающимися с невысокой скоростью по ровным и твердым поверхностям с небольшими уклонами.

Колесо с жестким диском и наборным ободом из полых резино­вых подушек тяжелее обычного пневмоколеса, обладает меньшей эластичностью, но более устойчиво к механическим повреждени­ям и легче ремонтируется. Ремонт производится без демонтажа колеса и состоит в замене поврежденной подушки целой.

Любое колесо, перекатываясь по поверхности, одновременно уп­лотняет ее. Эта особенность колесного движителя использована при создании самоходных уплотняющих машин, жесткие вальцы которых (как правило, металлические) можно по принципу действия отнести к

колесу. Движителем такого рода оборудуются самоходные асфальто­вые и грунтовые катки и уплотнители отходов, работающие на му­сорных свалках. Жесткие вальцы с гладкой или неровной поверхно­стью сконструированы таким образом, чтобы повысить их уплотня­ющую способность, сохранив при этом функции движителя. Они пе­рекатываются по опорной поверхности, одновременно уплотняя ее.

Рабочее оборудование.Это оборудование состоит из рабочего орга-на, а также деталей и узлов, обеспечивающих его ориентацию в про-лранстве, и входит в состав обязательного оснащения подъемно-транс­портных, строительных и дорожных машин. Оно создается с учетом своего функционального назначения и конструктивных особенностей базового шасси и включает в себя агрегаты, узлы и механизмы, наи­лучшим образом обеспечивающие эффективную работу машины. Ра­бочий орган взаимодействует со средой, для обработки которой созда-(на машина, а соединительные и крепежные элементы обеспечивают его конструктивную связь с шасси. Как правило, рабочее оборудова­ние оснащается силовой трансмиссией, снабжающей рабочий орган энергией и позволяющей управлять его положением в пространстве.

Несмотря на чрезвычайно широкую номенклатуру рабочих орга­нов подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин и оборудования, обусловленную разнообразным перечнем выполняе­мых ими работ, по результату взаимодействия с обрабатываемым ма­териалом их можно разделить на пять групп (рис. 1.2). Каждый из

Рабочие органы

Сдвигающие

Сортирующие

Уплотняющие

|

I

_1_

1 1

м

Лопасть

а

Сито Колосник

Ј

Жидкость

5 «

п. « « 1 Ј С S

Разрушающие

Переносящие

гп

1 1

1 1

л

t

i

J

ю >, го

•* о я

в,

о, >i М

и lh

м N

ш о «

X 3, о, И

Захват

3 ч «

U Ч

и

х 1 и

Рис. 1.2. Классификация рабочих органов по результату взаимод

рабочих органов, входящих в эти группы, отличается механизмом вза­имодействия с обрабатываемым материалом или грузом (табл. 1.5). Системы управления.Контроль машины человеком невозможен без систем управления, обеспечивающих информационную связь между агрегатами машины и машинистом (или оператором). В на­уке об управлении различают прямую и обратную связь источника и объекта управления. В системе «человек-машина» устройства пря­мой связи обеспечивают машиниста информацией о состоянии машины и ее агрегатов, параметрах их работы, результатах выпол­нения рабочих процессов. К числу таких устройств относятся все­возможные датчики, световые и звуковые индикаторы и приборы. Устройства обратной связи дают машинисту возможность изме­нять характеристики машины, агрегатов или рабочих процессов не­посредственно в ходе работы в соответствии с характером инфор­мации об их величине. К числу таких устройств относятся системы различного принципа действия, передающие команды машиниста к исполнительным механизмам. Все системы управления, устанавли­ваемые на подъемно-транспортных, строительных и дорожных ма­шинах и оборудовании, можно объединить в системы управления движением машины (тормозные, рулевые, подачей топлива, пере­меной передач, распределением крутящего момента) и системы уп­равления рабочими органами (ориентацией в пространстве, вели­чиной рабочего усилия). В простейших системах управления сигна­лы о состоянии агрегатов машины поступают в виде механических, электрических, гидравлических или пневматических импульсов на пульт управления, где приборы преобразуют их в вид, понятный машинисту (например, изменяют положение стрелки на цифербла­те, включают аварийный индикатор и т.д.). Машинист может при­нять полученную информацию к сведению или отреагировать на нее изменением параметров рабочего процесса. Последнее происходит с помощью органов управления, вырабатывающих механические, электрические, гидравлические или пневматические импульсы, пе­редаваемые системами управления к исполнительным механизмам (например, тормозные системы, рулевые системы и т. п.).

Специфика управления подъемно-транспортными, строитель­ными и дорожными машинами и оборудованием заключается в боль­шом числе параметров, контроль за которыми нужен для эффектив­ного управления рабочим процессом. Например, перечень факто­ров, которыми должен руководствоваться машинист асфальтоуклад­чика, включает: количество смеси в бункере и шнековых камерах; направление и скорость движения машины; ширину, толщину, ров­ность и качество поверхности укладываемого слоя; температуру выглаживающей плиты; частоты и амплитуды колебаний трамбую­щего бруса и выглаживающей плиты; безопасность обслуживающе­го персонала. Такие и более многочисленные перечни контролируе­мых параметров являются не исключением, а скорее правилом.

Автоматизированная система управления может выполнять за машиниста функции, которые не сопряжены с принятием решения. (Например, при перегреве двигатель должен быть остановлен, сле­довательно, эту функцию можно поручить автоматическому уст­ройству.) В случаях, когда сложившаяся ситуация допускает не­сколько вариантов управляющих воздействий, используется авто­матизированная система управления, реализующая вариант, выб­ранный машинистом.

Таблица 1.5 Нагрузки и материалы, характерные для рабочих органов

Элемент	Нагрузка	Материал
Разрушающие рабочие органы
Зуб	Величина постоянная,	Скальные и мерзлые грунты, сле-
	направление постоянное	жавшиеся грунтовые и снежно-
		ледяные конгломераты, цементо-
		и асфальтобетоны
Нож	То же	Нескальные грунты, снежные
		наносы, горячий асфальтобетон
Ударник	Величина пульсирующая,	Скальные, слежавшиеся, мерзлые
	направление постоянное	грунты, снежно-ледяные
		конгломераты, асфальто-
		и цементобетоны
Бур	Величина постоянная,	Скальные и мерзлые грунты,
	направление постоянное	цементо- и асфальтобетоны
Газ	То же	Снежно-ледяные конгломераты
Жидкость	»	Нескальные сухие и обводненные
		грунты, слежавшиеся грунты
Переносящие рабочие органы
Ковш	Величина постоянная,	Любой материал с нарушенными
	направление постоянное	внутренними связями
Крюк	То же	Штучные и пакетированные
		грузы с проушинами под крюк
Захват	»	Штучные грузы в жесткой
		упаковке произвольной формы
Вилы	»	Штучные и пакетированные
		грузы, размещенные на поддонах
Лента	»	Насыпные и штучные грузы
Газ	»	Сыпучий материал с размерами
		частиц менее 1 мм
Жидкость	»	Сыпучий материал с размерами
		частиц до 5 мм

Окончание табл. 1.5

Элемент	Нагрузка	Материал
	Сдвигающие рабочие органы
Отвал Лопасть Шнек	Величина постоянная, направление постоянное То же »	Любой материал с нарушенными внутренними связями Сухие и увлажненные измельченные материалы То же
	Уплотняющие рабочие органы
Валец Плита Вибратор	Величина постоянная, направление постоянное Величина пульсирующая, направление постоянное Величина пульсирующая, направление знако­переменное	Грунт, щебень, асфальтобетон Грунт, щебень, асфальтобетон, цементобетон То же
	Сортирующие рабочие органы
Сито Колосник Газ Жидкость	Величина пульсирующая, направление знако­переменное Без подвода энергии Величина постоянная, направление постоянное То же	Сыпучий сухой мелкокусковой материал Крупнокусковой материал с на­рушенными внутренними связями Сыпучий мелкокусковой материал То же

Любая автоматизированная система управления состоит из дат­чиков, блока управления и преобразователя сигналов. Датчики реги­стрируют текущее состояние регулируемого объекта. Блок управле­ния сравнивает параметры текущего состояния с заданными, оцени­вает имеющиеся отклонения и формирует сигнал, содержащий инфор­мацию о величине корректирующего воздействия. Преобразователь трансформирует сигнал в импульсы, вызывающие срабатывание ис­полнительного механизма, управляющего регулируемым объектом.

При нормальной работе автоматизированной системы управле­ния значение контролируемого параметра колеблется относитель­но заданного, отклоняясь от него не более чем на погрешность дат­чиков, которая не должна превышать технологических допусков на контролируемый параметр. (Например, если поперечный уклон до­рожного покрытия должен составлять (10 ± 1,5)°, то чувствитель­ность датчиков поперечного уклона не должна превышать ± 1,5°.)

Совершенство системы управления определяется степенью ее авто­матизации, чувствительностью датчиков, а также скоростью и по-решностью срабатывания исполнительных механизмов. Степень ав-оматизации может оцениваться относительным (к общему) коли­чеством функций управления, которые система выполняет без вме­шательства оператора. Скорость срабатывания - это время реакции исполнительного механизма на управляющий импульс. Погрешность срабатывания - это разница между фактическим и заданным значе­ниями контролируемого параметра после срабатывания исполни­тельного механизма.

Экономическую эффективность системы автоматизированного правления современной машины можно оценить, сравнивая сум­арную стоимость единицы продукции, произведенной с ее при­менением и без нее. Возможны ситуации, при которых применение систем автоматического управления оправдывается не экономи­ческими соображениями, а, например, безопасностью людей и со-эружений, экологическими факторами или иными категориями. Кабина, облицовочные панели и кожухи.Работоспособность ма-Hbi или механизма не зависит от наличия или отсутствия кожу->в, облицовочных панелей и, тем более, кабины оператора. Тем не гнее, большинство подъемно-транспортных, строительных и до-^ожных машин оборудованы этими элементами. Кабины, первона­чально созданные для защиты оператора от непогоды, постепенно превратились в изолированный от внешней среды центр управле­ния всеми функциями машины, полностью адаптированный к физи­ческим потребностям и особенностям человеческого организма, омфорт машиниста обеспечивается креслом анатомического про­филя, удобным размещением органов управления и совмещением их функций (за счет многофункциональных рычагов - джойстиков и автоматики), звуко- и виброизоляцией салона, увеличением проч­ности кабины, использованием климатических установок, улучше-лем обзорности, сокращением числа операций, требующих выхо-машиниста из кабины.

Назначение облицовочных панелей и кожухов - предохранить ,,.ы и агрегаты машин от влаги, пыли, грязи и несанкциониро­ванного доступа, экранировать шум и вибрации, порождаемые их работой, и, что немаловажно, придать машине модный и привле­кательный внешний вид.

ТИПЫ ТРАНСМИССИЙ

Силовой трансмиссией называется механизм, передающий энер­гию двигателя к удаленному от него устройству-потребителю. В зависимости от способа передачи энергии, различают механи­ческие, гидравлические, пневматические, электрические и комби-

нированные силовые трансмиссии. Классификация силовых транс­миссий, наиболее часто используемых в подъемно-транспортных, строительных и дорожных машинах и оборудовании, приведена на рис. 1.3.

Механические силовые трансмиссии.Энергию в виде крутящего момента от двигателя к исполнительным механизмам передают ме­ханические силовые трансмиссии. Они могут состоять из обычных и карданных валов, а также зубчатых, цепных, ременных (или ка­натных), фрикционных, кулачковых и рычажно-шарнирных пере­дач. Основное преимущество механических трансмиссий - высо­кий КПД, так как в них нет потерь энергии, связанных с ее преоб­разованиями. Общий КПД трансмиссии оценивается отношением мощности, развиваемой выходным элементом трансмиссии, к мощ­ности, подаваемой на ее входной элемент (табл. 1.6).

Таблица 1.6