Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

11

На самоходных кранах последних выпусков для привода всех механизмов применяют гидравлические системы с аксиально­поршневыми насосами и ре­ дукторами, от которых приводятся во вращение барабаны грузовой и стрело­ вой лебедок и поворотная платформа крана. В самоходных пневмоколесных кранах средней грузоподъемности для подъема и опускания стрелы часто ис­ пользуются гидроцилиндры, что значительно упрощает конструкцию рабоче­ го оборудования стрелы, так как при этом не нужно применять стреловую ле­ бедку и стреловой полиспаст для изменения вылета стрелы.

Все большее внимание при проектировании и создании новой техники уделяется вопросам снижения материалоемкости конструкций. Эта задача ре­ шается как конструкторскими, так и технологическими средствами путем при­ менения легких и вместе с тем прочных материалов, использования прогрессив­ ной технологии для изготовления сборочных единиц и деталей машины, вы­ бор рациональных форм профилей для несущих конструкций, применения ак­ тивных рабочих органов, действие которых основано, например, на использо­ вании вибрационного, виброударного или взрывного эффектов.

К машинам и механизмам предъявляют следующие основные требова­ ния: социальные; конструктивные, эксплуатационные и экологические.

Социальные требования состоят в обеспечении удобства работы в маши­ нах, для чего предусматривают защиту рабочих от вибрационных и атмо­ сферных воздействий, удобное размещение приборов, безопасные условия труда.

Различают активную, пассивную и послеаварийную безопасность. Под ак­ тивной безопасностью понимают комплекс эксплуатационных свойств, спо­ собствующих предотвращению аварийных ситуаций. К этим свойствам отно­ сят динамические и тормозные качества, устойчивость против заноса и опро­ кидывания, обзорность, обеспеченность сигнализацией и приборами, преду­ преждающими о критических ситуациях, надежность и долговечность эле­ ментов, разрушение которых может привести к аварии, обеспеченность зву­ ковой и световой сигнализацией при взаимодействии с другими участниками строительных процессов, а также автоматическими устройствами безопасно­ сти и блокировки. Чаще всего потеря устойчивости в поперечном направле­ нии при работе мобильных машин возникает при действии боковых сил, ко­ торыми могут быть: центробежная сила при движении машины на поворотах или при вращении поворотной платформы экскаваторов и кранов; боковая составляющая «массы» машины при движении по поверхности с поперечным уклоном; боковая составляющая внешней нагрузки.

Обзорность – одно из важнейших свойств активной безопасности. Поэто­ му машина должна обеспечивать операторам хорошую видимость рабочих органов и окружающих их участков рабочей среды. Для мобильных машин, взаимодействующих с другими машинами комплекса в пределах строитель­

12

ной площадки, обзор должен быть круговым. В ночное время обзорность за­ висит от освещенности рабочего пространства, которая должна соответство­ вать установленным нормам. Для обеспечения видимости через окна при осадках и во всем диапазоне температур на окна устанавливают стеклоочи­ стители, отмыватели и устройства, исключающие обледенение и запотевание стекол. Безопасности работы машины способствуют приборы звуковой и све­ товой сигнализации о нарушениях в тормозной системе, указатели грузового момента у кранов, креномеры, установка муфт предельного момента, уст­ ройств блокировки и др.

Пассивная безопасность при возникновении аварийной ситуации должна исключать или хотя бы снижать травматизм экипажа. Это достигается в ос­ новном за счет повышения прочности и жесткости конструкции кабины, при­ менения безосколочных стекол, установки на окнах защитных решеток, при­ менения ремней безопасности и т. п. Послеаварийная безопасность требует от конструкции машин обеспечения быстрого выхода или эвакуации людей из аварийной машины. Для этого в верхней части кабины делают специальный люк.

Конструктивные требования заключаются в том, что узлы машины, их компоновка, система управления должны иметь высокую надежность, долго­ вечность, допускать удобную замену деталей, а также быть хорошо приспо­ собленными к техническому обслуживанию.

Эксплуатационные требования объединяют все требования к машинам, так как в процессе эксплуатации выявляются: работоспособность, надеж­ ность, технологичность, экономичность, эргономичность.

Работоспособность − это состояние машин, при котором они способны выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно­ технической документацией.

Надежность − это свойство машин выполнять заданные функции, сохра­ няя во времени значения установленных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам в условиях эксплуатации, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность машин зависит от необходимой наработки, которая может исчисляться в мото­часах, километрах пробега, часах работы. В последнее время рекомендуют учиты­ вать надежность в киловатт­часах (кВт∙ч) вместо мото­часов или километров пробега, так как киловатт­час имеет более тесную корреляционную связь (на 37%) с отказами, чем с километрами пробега или мото­часами.

Технологичность машины оценивают по минимальным затратам средств, времени и труда в производстве, эксплуатации и ремонте [5].

Экономические требования заключаются в том, что стоимость единицы получаемой продукции должна быть минимальной. Это достигается при наи­ меньшей стоимости машины и малых эксплуатационных расходов, но при наибольшей ее производительности.

13

Высокопроизводительное использование машин в строительстве зависит как от организации, так и от условий их эксплуатации по времени:

1. Уровень использования машин по времени

где Тфак фактическое время работы машины, ч; Треж продолжительность

рабочего времени, установленная режимом работы, ч.

2. Коэффициент использования календарного времени – отношение чис­ ла часов рабочего времени, приходящегося на одну среднесписочную маши­ ну, к продолжительности календарного периода

Ткал

3.Коэффициент использования внутрисменного времени. Это есть отно­

шение числа часов работы машины в течение смены к общей установленной продолжительности смены

Т

вр.см 100. (1.3)

Тсм

4.Коэффициент сменности работы машины. Это есть отношение числа ча­

сов работы в день к продолжительности смены

где NсрDcp ­среднее количество машино­дней работы в году;NобDоб общее

количество машино­дней работы в году.

Эргономические свойства отражают соответствие конструкции машины гигиеническим условиям жизнедеятельности и работоспособности человека, а также его антропометрическим, физиологическим и психофизическим каче­ ствам. Эти же свойства оказывают влияние на напряженность труда человека, а следовательно, и на безопасность работы и производительность. Оптималь­ ное положение тела человека повышает точность и скорость его моторных действий, обеспечивает возможность длительной непрерывной работы без утомления. Поэтому оно должно находиться в положении, близком к состоя­ нию функционального покоя, при равномерном распределении массы по площади его опорных поверхностей, а спинка сиденья должна плотно приле­ гать к телу на грудном и пояснично­крестецовом участках позвоночника. Ор­ ганы управления располагают в пределах рабочей зоны рук машиниста. Для

14

удобной посадки людей различного роста кресла должны иметь регулировку для перемещения сиденья по высоте.

Органы управления располагают в таком порядке, который обеспечивает возможность быстрого поиска нужного органа без зрительного контроля. Расположение и освещение рабочего места на машине должны обеспечивать оператору в положении сидя видимость всех объектов наблюдения. Для сни­ жения физического утомления машиниста величины усилий, необходимых для приведения в действие органов управления, не должны вызывать чувства усталости при пользовании ими. Применение автоматизации управления и автоматических передач сокращает число операций на педалях и рукоятках управления, что снижает утомляемость машиниста. Рациональное оснащение рабочего места машиниста приборами, контролирующими состояние маши­ ны, а также характеристики микроклимата в значительной мере определяют габариты кабины. Оптимальные характеристики микроклимата в кабине ма­ шиниста приведены в табл. 1.1 (ГОСТ 12.1.005—96). Помещение кабины должно быть герметичным для исключения проникновения в него оксида уг­ лерода и других токсических веществ, а также пыли.

Таблица 1.1

Характеристики микроклимата в кабине машиниста

Оценить микроклимат и комфортность на рабочем месте можно по таким параметрам, как температура воздуха в кабине оператора, относительная влажность воздуха и скорость его движения. Имеется некоторый диапазон значений этих параметров, образующих так называемую зону «теплового эф­ фекта», который необходимо постоянно поддерживать на рабочем месте опе­ ратора. Для определения зоны «теплового комфорта» можно воспользоваться номограммой, показанной на рис. 1.5.

Рис.1.5. Номограмма для определения зоны «теплового комфорта» в кабине оператора

15

Для этого измеряют температуру в кабине оператора при сухом и влажном Тв воздуха. Затем через деления на левой и правой шкалах, соответствующих

измеренным температурам, например через деления 24,5 о С на левой шкале и 14 о С на правой, проводят прямую линию. Если точка ее пересечения с лини­ ей, соответствующей измеренной скорости воздуха, например 1 м/c, находит­ ся в пределах зоны «теплового комфорта», очерченной на номограмме, то микроклимат в кабине можно считать удовлетворительным.

Антропометрические требования, определяющие соответствие размеров, геометрии и конструкции рабочего места, например, кабины машины, антро­ пометрическим характеристикам оператора, т. е. форме, размерам и массе его тела, а также физиологически рациональным позам оператора на рабочем месте при управлении машиной.

Важным показателем, влияющим на условия и безопасность труда опера­ тора, является обзорность с рабочего места, которая характеризуется коэффи­ циентами горизонтальной Кглр и вертикальной Кверт обзорности

вительный и требуемый угол обзорности.

Угол обзорности определяют как сумму двух углов 1и 2. Первый обра­ зован горизонталью, проходящей на уровне глаз сидящего оператора, и исхо­ дящим из той же точки лучом, направленным вверх и проходящим через верхнюю кромку лобового окна кабины, либо через головку стрелы рабочего оборудования машины при верхнем положении стрелы. Угол 2 образован той же горизонталью и направленным вниз лучом, проходящим через ниж­ нюю точку лобового окна, либо через режущую кромку рабочего органа при его нижнем положении.

Угол обзорности вперед не должен быть меньше 220о ; оператор должен видеть основание (дорогу) на расстоянии не менее 3 м впереди машины, а также хорошо видеть ее рабочие органы.

Для комплексного определения эргономических свойств машины часто используют метод экспертных оценок. При применении этого метода каждо­ му эргономическому показателю, например, усилиям на рычагах и педалях управления, уровням вибрации и шума, микроклимату в кабине и т. д., при­ сваивается свой весовой коэффициент кi (при этом для всех n показателей

n

ki 1). Каждый весовой коэффициент умножают на число баллов, простав­

i 1

ленное экспертами для данного показателя (число баллов тем больше, чем

16

лучше микроклимат, меньше усилия на рычагах и педалях, ниже уровня виб­ рации и шума), и их произведения суммируют. Чем выше полученная сумма, тем выше в целом эргономические свойства машины.

Физиологические требования, определяющие соответствие параметров машины силовым и скоростным возможностям оператора в процессе управ­ ления машиной, учитывающие возраст, пол и тренированность оператора.

Экологические требования. Содержание СО не должно превышать в каби­ не 20 мг/м3, а CO2 — 0...10 мг/м3. Вредное влияние шума и вибрации на ма­ шиниста должно быть ограничено. Предельный допустимый уровень шума на месте машиниста согласно ГОСТ 12.1.003−96 не должен превышать 85 дБ. Предельные допустимые характеристики вибрации на рабочем месте опреде­ лены стандартом. Работа машины должна исключать вредное ее влияние на работающих поблизости людей и окружающую природу. Количество токси­ ческих веществ, поступающих в атмосферу с выхлопными газами от двигате­ ля машины, должно быть ограничено предельными значениями по ГОСТ

12.1.005—96.

Cуммарный массовый выброс i­го загрязняющего вещества машинами

j 1

где М1i, M2i масса выбросов i­го загрязняющего вещества на один кВт∙ч энергии двигателя, которые приведены в табл.3.10; Kris коэффициент, учи­ тывающий влияние технического состояния машины на массовый выброс i­ го загрязняющего вещества

Для того чтобы оценить фактическое состояние машины, нужно взять от­ ношение фактической суммарной токсичности Мф к ее нормативному Мнорм значению. Это и будет коэффициент (К) приспособленности машины к ок­ ружающей среде. Если выбросы равны нормируемым, то, очевидно, К= 1; если меньше нормируемых, он больше единицы; если больше нормируемых, он меньше единицы, табл.1. 2.

Эстетические свойства машины должны способствовать формированию положительных эмоций, следовательно, и повышению работоспособности обслуживающего персонала. С целью снижения выбросов с отравляющими веществами используют нейтрализаторы.

1.2. Структура каталитического конвертора

Каталитический нейтрализатор осуществляет очистку отработавших га­ зов двигателей с искровым зажиганием (в настоящее время нейтрализаторы также используются и в дизельных двигателях). Его размещают как можно ближе к двигателю для быстрого нагрева до рабочей температуры. Нейтрали­ затор занимает место переднего глушителя, его снабжают устройствами, ко­ торые, кроме очистки отработавших газов, обеспечивают снижение шума вы­ пуска. В зависимости от размера двигателя предусматривают установку одно­ го или большого числа глушителей.

На V­образных двигателях левые и правые ряды цилиндров часто имеют свои нейтрализаторы или глушители, которые затем соединяются вместе с образованием одного большого глушителя. Выпускные трубы обеспечивают объединение всех выпускных окон в головке цилиндров в один или большее число выпускных коллекторов, а также соединяют между собой каталитиче­ ский нейтрализатор и глушители. Объем труб, а также тип соединений влия­ ют на мощность и акустические параметры двигателя. Поэтому система вы­ пуска двигателя с большими рабочими объемами часто имеет две выпускные трубы. Трубы, каталитический нейтрализатор и глушители соединяются по­ средством втулок фланцев.

Во многих системах все их основные компоненты сварены между собой с образованием одного элемента. Система выпуска крепится к днищу машины с использованием упругих элементов, так как вибрации от выпускных труб,

18

вызываемые выпуском отработавших газов, могут передаваться в кабину и повышать шумность. Шум выпуска у среза выхлопной трубы может также привести к возникновению резонансных колебаний кабины. Общий объем глушителей должен быть приблизительно в 3…8 раз больше рабочего объема двигателя. Масса системы выпуска может колебаться от 8 до 40 кг.

Каталитический нейтрализатор содержит керамические блочные носители с покрытием из активного каталитического вещества. Для компенсации раз­ личных коэффициентов теплового расширения у стали, из которой изготав­ ливается корпус нейтрализатора, и керамического материала и для защиты блочного носителя от ударных нагрузок и вибраций применяются два типа упругих монтажных элементов в виде проволочной сетки, изготовленной из термостойкой нержавеющей стали.

Альтернативой керамическому монолитному блоку является металличе­ ский каталитический нейтрализатор. Он изготавливается из гофрированной металлической фольги толщиной 0,05 мм, шамота и соединяется твердым припоем при высокой температуре. Поверхность фольги покрывается дейст­ вующим катализатором. Благодаря тонким стенкам фольги в тех же габари­ тах, что и у керамического нейтрализатора, может быть размещено большее число каналов. Это приводит к меньшему сопротивлению прохождения отра­ ботавших газов.

Рассмотрим цилиндрический конвертор диаметром d и длиной l , вклю­ чающего в себя N каналов. Сечение каналов имеет форму равнобочной тра­ пеции с основаниями a1 и a2 и высотой h, тогдa площадь сечения одного канала

взаимосвязь общего числа каналов в конверторе с параметрами одного канала

d2

N 2 a1 a2 h;

площадь внутренней поверхности всего конвертора

удельная поверхность

19

где Vкон объем конвертора.

Из полученных уравнений можно отметить, что чем больше h – расстоя­ ние между витками ленты, тем меньше внутренняя площадь поверхности ка­ талитического блока. Чем меньше размеры трапеции (величины а1 и а2 ) и чем ближе трапеция к треугольнику, тем больше удельная поверхность и из­ менение концентрации по длине каталитического конвертора.

Рассмотрим один канал квадратного сечения длиной dl и единичный объем газа, двигающийся по каналу с линейной скоростью г = 70…100 м/с. Вели­ чина линейной скорости в каждом канале одинаковая и определяется исход­ ным количеством выхлопных газов Q (cм3/с) и площадью сечения конвертора Акон (см2 ), тогда

Q4Q

г Aкон = d2 .

Скорость конверсии (изменение концентрации) СО, NO2 в этом эле­ менте объема будет определяться dc/dt. В большинстве случаев гетеро­ генно­каталитических процессов допустимо принять, что реакция конверсии в целом протекает как реакция первого порядка. В этом случае скорость про­ цесса пропорциональна концентрации вещества, находившегося в единице объема (V ) в первой степени, и площади поверхности катализатора, прихо­ дящейся на эту же единицу объема (т. е. удельной поверхности sуд ), с коэф­

фициентом пропорциональности, равным эффективной константе скорости кэф . Тогда скорость конверсии равна

В каждом канале устанавливается стационарное состояние, и концентра­ ция Сi в каждой точке по его длине l представляет собой временную разверт­ ку поведения изолированной зоны, где t = l/ г . После подстановки значения t в выражение (1.10) и интегрирования полученное уравнение в пределах от 0 до l при изменении концентрации компонентов на этом пути от начальной ñ î до текущей с

После преобразований из (1.11) можно получить уравнение, показываю­ щее, как убывает концентрация токсичных компонентов по длине канала и конвертора в целом

Из этого следует, что концентрация компонентов в каждом отдельном ка­ нале и конверторе в целом убывает по длине одинаково. Наибольшее количе­ ство токсичных компонентов должно нейтрализоваться на начальном участке каталитического блока. Начиная с некоторой длины конвертора, концентра­ ция компонентов будет убывать незначительно. Длина конвертора, на кото­ рой прореагирует 98% всей начальной концентрации компонента, может быть найдена из уравнения (1.11)

откуда после преобразований

l ln0,98 га ,

4кэф

или с учетом линейной скорости единичного объема l 2,02 10 2Q a .

d2kэф

С увеличением диаметра конвертора и числа каналов в нем уменьшается линейная скорость движения газовой смеси. Для уменьшения длины конвер­ тора следует уменьшать скорость газов в каждом канале, увеличивая диаметр каталитического блока, либо уменьшать размер канала. На размеры катали­ тического блока влияет эффективная константа скорости процесса.

В каждом канале конвертора химическая реакция между компонентами газовой смеси протекает на его стенках. Поэтому прежде чем прореагировать, реагенты должны продиффундировать из центра потока к каталитической по­ верхности сквозь слой инертных газов и уже образовавшихся продуктов кон­ версии.

Рассмотрим одно из поперечных сечений канала конвертора при устано­ вившемся стационарном распределении концентрации реагирующих газов. При этом поток вещества, движущийся в результате диффузии через площадь А в направлении z к стенке в единицу времени и соответствии с законом Фи­ ка, равен

Jd Ddc A, dz

где D – коэффициент диффузии компонента.

Градиент концентраций, устанавливающийся в поперечном сечении прямо­ угольного канала dc/dz, можно приближенно записать через конечные вели­ чины концентраций и расстояния, на котором диффундирует компонент