Приводы строительных машин: определения, классификация, оценочные критерии, режимы нагружения

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

Силовая установка состоит из двигателя и обслуживающих его устройств. Например, в случае двигателя внутреннего сгорания - топливного бака, устройств для охлаждения, для отвода выхлопных газов и т. п.

Трансмиссии могут быть механическими, электрическими, гидравлическими, пневматическими и смешанными. Только в механических и смешанных трансмиссиях на их механических участках механическое движение передается без его преобразования в другие формы энергии. Во всех других случаях вращательное движение выходного вала двигателя силовой установки с помощью электрогенераторов, гидравлических или пневматических насосов преобразуется соответственно в электрическую энергию, энергию движения рабочей жидкости или энергию сжатого воздуха, которая поступает к электро-, гидро- или пневмодвигателям, повторно преобразующим ее в механическое движение. Все указанные выше преобразователи энергии (механической в иные формы и наоборот) являются составными частями трансмиссий.

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

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

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

Передаваемое рабочему органу машины движение характеризуется кинематическими факторами - скоростями (линейными или угловыми) и силовыми факторами -усилиями (или моментами). Активное усилие (момент), с которым рабочий орган воздействует на преобразуемый материал (среду) по модулю равно сумме внешних и внутренних, а также инерционных (динамических) сопротивлений. Основными являются внешние сопротивления, которые определяются, прежде всего, свойствами преобразуемого материала и характером процесса преобразования. Например, при работе водоотливной насосной установки внешними сопротивлениями будут: сила тяжести поднимаемой воды и силы трения при ее передвижении по трубопроводам. В этом случае сопротивления практически неизменны во времени. При разработке грунта ковшом экскаватора, отвалом бульдозера и т. п. сопротивления копанию нарастают от минимального до максимального значений, многократно повторяясь в процессе каждой операции копания. Внутренними сопротивлениями являются силы трения в сопрягаемых кинематических парах, которые обычно учитываются их КПД.

В условиях постоянных или слабо изменяемых во времени внешних сопротивлений привод работает в спокойном режиме практически с постоянной скоростью на его выходном звене. При изменяемых во времени внешних сопротивлениях, кроме внутренних сопротивлений, к ним добавляются динамические составляющие, обусловленные внешней (механической) характеристикой привода - функциональной зависимостью между его силовым и скоростным факторами на выходном звене. Обычно эти факторы связаны между собой обратной зависимостью - чем больше внешнее сопротивление, тем меньше скорость движения выходного привода звена. На рис. 2.1 представлен график такой зависимости для случая вращательного движения выходного звена привода, где через Т, атп обозначены соответственно вращающий момент, угловая скорость и частота вращения выходного звена. Если, например, на временном интервале At сопротивление возрастает от Т1 до Т2, то, согласно внешней характеристике привода, угловая скорость снижается за то же время с со, до со2 - выходное звено вращается с замедлением. Согласно второму закону механики этому замедлению соответствует пропорциональный ему динамический момент противоположного внешнему сопротивлению направления. Складываясь с внешним сопротивлением, динамический момент уменьшает его значение. Природа этого явления заключается в том, что движущаяся система при снижении скорости расходует накопленную в ней энергию на преодоление возрастающих внешних сопротивлений.

С уменьшением внешних сопротивлений скорость возрастает, ускорение положительно, а поэтому динамический момент также положителен, т. е., с возрастанием скорости энергия привода расходуется на преодоление внешних сопротивлений и на накопление энергии в движущейся системе. Таким образом, привод как бы выравнивает приведенное к его выходному звену сопротивление с одновременным снижением скорости при возрастании внешнего сопротивления и ее увеличением при снижении последнего. Такая приспособленность привода к условиям его нагружения будет тем больше, чем больше момент инерции вращающихся масс привода и чем меньше первая производная / = dT/dtt>, называемая жесткостью механической характеристики привода. Характеристики с высокими значениями этой величины называют жесткими, а с низкими значениями - мягкими. Степень жесткости механической характеристики определяется, прежде всего, типом двигателя. Жесткость / может быть понижена за счет включения в состав привода дополнительных устройств, в частности - гидротрансформатора (см. п. 2.16).

Для характеристики режимов работы привода отдельных механизмов и машин в целом пользуются отношениями максимальных значений усилий (вращающих моментов) Ртах (Ттах) и скоростей vmax (a>max) на выходном звене привода к их средним значениям соответственно Рср (Гср) и vcp (cocp), продолжительностью включений ПВ в процентах от общего времени работы машины и количеством включений KB в час. В зависимости от степени изменения этих параметров, которые колеблются в пределах Ттах/Т<.р = 1,1 ... 3 (для вращательного движения), ПВ = 15 ... 100%, KB = 10 ... 600, режимы на-гружения многих машин и их механизмов условно подразделяют на легкий, средний, тяжелый и весьма тяжелый. Для некоторых машин, например, строительных кранов, для определения режимов работы используют также другие дополнительные факторы. Важной характеристикой привода, определяющей его способность преодолевать сопротивления, значительно превышающие их средние значения, является коэффициент перегрузочной способности - отношение максимального момента Тта% по механической характеристике привода к его номинальному значению Тн.