Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

31

са 3 и зубчатых колес 1 и 2. Одно из колес приводится в движение от двига­ теля, второе − вращается свободно на оси. Принцип работы насоса основан на том, что зубья, входя в зацепление, засасывают жидкость из соответствующей камеры и выталкивают жидкость из впадин между зубьями в нагнетательную камеру.

Рис. 1.10. Схемы гидравлических насосов:

а) – шестеренчатый; 1, 2 – ведомая и ведущая шестерни; 3– корпус; б) – аксиально­ поршневой; 3– цилиндр; 4– поршень; 5 – шток; 6– шайба; 7– крышка; в) − лопастной;

3 – корпус; 8 – ротор; 9 – пластины

Шестеренчатые насосы имеют постоянную подачу жидкости и работают чаще всего в диапазоне 500...2500 мин­1. Их КПД в зависимости от частоты вращения, давления и вязкости жидкости составляет 0,65...0,85. Эти насосы широко применяются в основном при давлениях до 10 МПа и мощностях до

30...40 кВт.

Производительность (подача) (см3/мин) шестеренчатых насосов,

Q 2 z m2bn, (1.17)

где z - число зубьев ведущей шестерни; т – модуль зацепления шестерни; b

– ширина шестерни, см; п – частота вращения ведущей шестерни, мин­1. Принцип действия аксиально­поршневого насоса состоит в том, что от ва­

ла насоса приводится во вращение относительно оси I – I наклонная шайба 6 и связанные с ней шарнирно шатуны 5 поршней 4, расположенных на диа­ метре Вш. Вследствие наклона шайбы к оси насоса ее вращение вызывает од­ новременно возвратно­поступательное перемещение поршней в цилиндрах. При этом за одну половину оборота шайбы каждый поршень совершает пол­ ный ход в одном направлении, а за вторую половину оборота совершает ход в обратном направлении. С помощью распределителя 7 при ходе поршня влево полость цилиндра сообщается с линией нагнетания гидросистемы, а при об­ ратном ходе – с линией всасывания. Подача такого насоса зависит от угла на­ клона шайбы . В регулируемых насосах угол изменяется с помощью спе­ циальной системы управления, поддерживая постоянную мощность, отдавае­ мую насосом.

32

где d - диаметр цилиндров, см; i – число цилиндров; D6 – диаметр окружно­ сти по центрам цилиндров, см; п – частота вращения вала насоса, мин­1.

Из формулы (1.18) видно, что при =0 наклонная шайба и блок цилинд­ ров вращаются вокруг оси 1–1, не сообщают поршням возвратно­ поступательного движения, и производительность насоса Q = 0.

В нерегулируемых аксиально­поршневых насосах угол не изменяется. Такие насосы более просты по конструкции и дешевы. Однако при их уста­ новке для регулирования скоростей механизмов привода, так же как и при шестеренчатых насосах, требуется включение в гидросистемы специальных дроссельных устройств, снижающих КПД привода.

На рис. 1.8 кривые 7 и 8 характеризуют примерные механические харак­ теристики нерегулируемых и регулируемых гидронасосов. Характеристика регулируемых гидронасосов 8 обеспечивает на рабочих режимах использова­ ние постоянно полной мощности двигателя.

Аксиально­поршневые насосы работают при давлениях до 40...50 МПа, имеют производительность до 750 л/мин и частоту вращения выходного вала 1000...3000 мин­1, КПД насосов колеблется примерно от 0,85 до 0,9.

Лопастной насос (рис. 1.10, в) состоит из корпуса 3, ведущего вала и экс­ центрично расположенного на валу ротора 8, в пазах которого перемещаются пластины 9. При вращении ротора между лопастями, которые прижимаются к корпусу пружинами, образуются камеры, переносящие жидкость из полости всасывания В в полость нагнетания Н. При этом чем больше эксцентриситет ротора е, тем больше подаваемый объем жидкости. В результате выноса жид­ кости из полости всасывания в ней образуется вакуум, засасывающий жид­ кость из бака.

= 0,8...0,85. На рис.1.11 изображен радиально-поршневой гидромотор со звездообразным расположением поршней. С одной стороны из корпуса 4 гид­ ромотора выходит шлицевой конец эксцентрикового вала 11, а с другой к не­ му крепится распределитель торцевого типа, состоящий из крышки 10, реак­ тивного 6, распределительного 7 и опорного 8 дисков. Распределительный диск приводится во вращение промежуточным валом 12, соединенным шпильками с эксцентриковым валом. В корпусе гидромотора установлены пять цилиндров 1 с отверстиями, вмонтированные в крышки 4. Рабочая жид­

33

поршни, как и цилиндры, выполнены в виде полых цилиндрических стака­ нов с отверстиями, то рабочая жидкость действует непосредственно на сфе­ рические поверхности эксцентрикового вала и за счет его эксцентриситета создает на валу вращающий момент.

Рис.1.11. Радиально­поршневой насос со звездообразным расположением порш­ ней: а) − поперечный и б) − продольный разрезы; 1­ цилиндр; 2­поршень; 3– сферический диск; 4– крышка; 5, 6, 7– распределители; 8– опорный диск; 9– корпус; 10– крышка; 11– эксцентриковый вал; 12– промежуточный вал

Расчет и выбор параметров гидропривода машин, исполнительные орга­ ны которых непосредственно или через редуктор (с передаточным числом

uред) приводятся от гидромотора, производят в такой последовательности:

1)по заданной скорости vисп.о движения исполнительного органа опреде­ ляют частоту вращения nм вала гидромотора

nм vисп.оuред ,

2 rисп.о

где rисп.о радиус исполнительного органа;

2) по заданному или предварительно определенному вращающему моменту, численно равному моменту Мисп.о сил сопротивления на исполнительном ор­ гане, находят потребный момент (Нм) на валу гидромотора

Мм Мисп.о./u ред ;

3)рассчитывают перепад давления рм в гидромоторе по приближенному соотношению

рм 0,9рном ,

где рном номинальное давление в гидросистеме (Па);

34

Vì Vì ; номинальной и максимальной частоты вращения вала nì, íîì ,nì max ;

номинальной и максимальной мощности píîì , ðmax;

6) определяют расход жидкости (м3/c), проходящей через гидромотор (обычно эту величину находят для максимальной частоты вращения вала гидромотора, соответствующей максимальной скорости исполнительного ор­ гана)

Qн Vмnм/ vм ,

где vм объемный КПД гидромотора;

7) рассчитывают объем (м3) насоса, исходя из расхода рабочей жидкости, потребляемой гидромотором. Принимают Qн Qм; nн nм.

Тогда

Vн Qн , nн vн

где vн объемный КПД насоса.

Поршневой компрессор (рис. 1.12) имеет цилиндр 2, в котором движется поршень. Возвратно­поступательное движение поршня обеспечивается при­ водимым от двигателя коленчатым валом 6 и шатуном 5. На крышке цилинд­ ра имеются автоматически действующие всасывающий и нагнетательный клапаны 3 и 4. При движении поршня вниз от верхней «мертвой» точки в ци­ линдре создается разрежение, клапан 3 открывается и происходит всасывание наружного воздуха. При движении поршня вверх клапан 3 закрывается, и

воздух в цилиндре сжимается. Давление в цилиндре достигает опре Всасывание Нагнетание деленой величины (обычно 0,8 МПа), клапан 4 от

крывается, и сжатый воздух выталкивается из ци­ линдра по воздуховоду в воздухосборник. За один оборот коленчатого вала происходит полный цикл компрессора − всасывание воздуха, сжатие его и на­ гнетание. Поршневые компрессоры бывают одно­ и многоцилиндровые с одно­ и многоступенчатым сжатием. Для обеспечения более долговечной рабо­ ты компрессор снабжают системой жидкостного или воздушного охлаждения.

Рис.1.12.Схема поршневого Компрессоры, применяемые в строительных ма­

1– поршень компрессора; 2– цилиндр; 3, 4 – клапаны

35

шинах, как правило, имеют более простую и дешевую воздушную систему охлаждения. При наиболее распространенном давлении воздуха, используе­ мого в пневматических строительных машинах (до 0,8 МПа) и производи­ тельности до 1 м/мин, компрессоры изготовляют с одноступенчатым сжатием как простые и дешевые, при более высокой производительности – с двух­ ступенчатым сжатием, обеспечивающим компрессору более высокий КПД (на 10...15 %) и большую долговечность.

Ротационные компрессоры (рис. 1.13) представляют собой цилиндр 8, в котором вращается эксцентрично расположенный ротор 9. В пазах ротора расположены лопатки 7, которые при вращении под действием центробеж­ ных сил плотно прижимаются к внутренней поверхности цилиндра.

Впрыскивание масла

Рис. 1.13. Схема ротационного маслокомпрессора: 1…5– полости

Между лопатками и цилиндром образуются полости­ячейки 1...6, в ко­ торых происходят процессы всасывания воздуха 1...2, его сжатия 3...4 и на­ гнетания в воздухосборник 5...6. В период сжатия воздуха во внутреннюю полость компрессора автоматически впрыскивается масло, которое охлаждает сжатый воздух, смазывает трущиеся детали и улучшает компрессию, образуя масловоздушную смесь. Промышленностью выпускаются передвижные ро­ тационные компрессоры производительностью до 10 м/мин с давлением до

0,8 МПа.

Винтовые компрессоры (рис. 1.14) представляют собой два ротора 2 и 3 винтообразной формы, помещенные в корпус и соединенные зубчатыми ко­ лесами 4 и 5, синхронизирующими вращение роторов. Один из винтов явля­ ется ведущим, другой − ведомым.

Рис. 1.14. Общий вид винтового компрессора со снятой крышкой:

1– корпус; 2,3 – роторы; 4, 5 – зубчатые колеса

36

Винты имеют постоянное поперечное сечение и помещаются в цилиндри­ ческих расточках корпуса, которые пересекаются между собой, образуя в по­ перечном сечении фигуру восьмерки. Зубья, образующие винты, в попереч­ ном сечении очерчены специальными выпуклыми и вогнутыми кривыми и имеют профиль, создающий теоретически беззазорное зацепление. Действи­ тельные зазоры определяются точностью изготовления. В корпусе насоса с противоположных торцов по диагонали расположены всасывающий и нагне­ тательный патрубки. За один оборот ведущего винта происходит подача в нагнетательный патрубок нескольких порций воздуха, число которых опре­ деляется числом зубьев ведущего винта. При высоких скоростях вращения число порций воздуха, выталкиваемых в единицу времени, достаточно велико и колебание давления в воздухопроводе становится незаметным. Компрес­ сорные передвижные станции с винтовыми компрессорами имеют произво­ дительность до 10 м3/мин при давлении до 0,8 МПа. В компрессорных уста­ новках, как правило, имеется воздухоподготовительная аппаратура (рис. 1.15), обеспечивающая очистку сжатого воздуха от посторонних примесей и стабильное давление на входе в пневмодвигатели.

Атмосферный воздух вначале проходит через фильтр­воздухоочиститель 1, затем по всасывающему трубопроводу 2 поступает в компрессор 14. В на­ гретый в компрессоре сжатый воздух насосом 4 по трубопроводам 3 впры­ скивают охлажденное масло. Охлажденная масловоздушная смесь, пройдя через открытый обратный клапан 13 по нагнетательному трубопроводу 12, поступает в воздухосборник 5. В воздухосборнике масловоздушная смесь проходит через масловлагоотделитель 11 и клапан 6, регулирующий мини­ мальное давление. После этого чистый воздух попадает в раздаточную ко­ лонку 9 с вентилями 8 для потребления сжатого воздуха и клапаном 7 для стравливания воздуха.

Рис. 1.15. Схема воздухоподготовительной аппаратуры компрессорной установки:

1– фильтр; 2, 3, 13– трубопроводы; 4– насос; 5– воздухосборник; 6, 10– клапаны; 7– кла­ пан; 8– вентиль; 9– колонка; 11– масловлагоотделитель; 14– компрессор

37

Кроме этого, на воздухосборнике устанавливается предохранительный клапан 10. Воздухосборник изготовляют и испытывают в соответствии с тре­ бованиями Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работаю­ щих под давлением.

Привод ручных машин осуществляется непосредственно от пневматиче­ ских двигателей, в которых энергия сжатого воздуха преобразуется в механи­ ческую энергию. Их выполняют обычно в едином корпусе с ручной машиной. При этом применяют двигатели: поршневые − мощностью 0,4...4 кВт с час­ тотой вращения до 3000 мин­1; турбинные − мощностью до 0,4 кВт при часто­ те вращения до 15000 мин­1 и ротационные − мощностью 2...3 кВт с частотой вращения до 20000 мин­1. Малая удельная масса ротационных двигателей (кг/кВт), которая примерно в 10 раз меньше, чем у поршневых, а также про­ стота их конструкций и несложное реверсирование обеспечили им широкое применение. Положительным свойством пневматических двигателей для многих ручных машин является также их мягкая механическая характеристи­ ка.

1.6. Трансмиссии строительных и дорожных машин

Трансмиссии — это устройства, обеспечивающие передачу движения от силовой установки к исполнительным механизмам и рабочим органам маши­ ны. Они позволяют изменять по величине и направлению скорости, крутящие моменты и усилия. По способу передачи энергии трансмиссии подразделяют на механические, электрические, гидравлические, пневматические и комби­ нированные. Наиболее распространены механические, гидравлические и комбинированные трансмиссии. Одним из основных показателей эффектив­ ности работы трансмиссий является их КПД [10]

ри,м / рc,у,

где ри,м, рс,у – мощность исполнительного механизма и силовой установки рабочего органа.

где с,у, и,м – угловые скорости вращения силовой установки и исполни­

тельного механизма рабочего органа.

К важным показателям трансмиссии относится их степень прозрачности, под которой понимается способность трансмиссии передавать колебания внешней нагрузки силовой установке.

38

Механические трансмиссии. Они включают в себя механические переда­ чи, муфты, тормоза и другие элементы, обеспечивающие передачу движения. Механические передачи по принципу работы делят на: передачи трением с непосредственным контактом тел качения (фрикционные) и с гибкой связью (ременные) ; передачи зацеплением с непосредственным контактом (зубчатые

ичервячные) и с гибкой связью (цепные).

Вфрикционных передачах движение осуществляется с помощью сил трения скольжения. Сила трения скольжения для движущегося тела 1 (рис. 1.16) относительно поверхности 2 со скоростью V составит

где f – коэффициент трения; Q – нормальное усилие, действующее в контак­ те

Значение f зависит от материала трущихся пар, смазки и других парамет­ ров.

Рис. 1.16. Схема к определению сил трения скольжения

Ориентировочно для трения без смазки стали по чугуну f = 0,12...0,18, стали или чугуна по фрикционной пластмассе и коже f = 0,25...0,45, для тре­ ния стальной пары в масле f = 0,03...0,05. Реакция одного тела на другое К при движении отклоняется на угол трения р. Так как F Qtg , то f tg , от­ куда arctgf .

Схемы простейших фрикционных передач с постоянным передаточным отношением показаны на рис. 1.17.

Рис. 1.17. Схемы фрикционных передач: а) –с цилиндрическими катками; б) –с коническими катками

Необходимое усилие прижатия Q трущихся катков для передачи полезного окружного усилия F определяется по формуле (1.22):

где – коэффициент запаса сцепления, принимаемый для силовых передач равным 1,25...1,5.

В связи с упругим проскальзыванием ведомого катка его окружная ско­

где – коэффициент, учитывающий упругое скольжение; для передач, рабо­ тающих без смазки, = 0,995...0,99; 1 – окружная скорость ведущего катка.

где п1 и п2 – частоты вращения ведущего и ведомого тел качения.

При выполнении одного из тел качения с переменным радиусом качения можно получить фрикционную передачу с переменным передаточным отно­ шением (вариатор). К достоинствам таких передач следует отнести простоту формы тел качения и равномерность вращения.

К недостаткам относятся большие нагрузки на валы и подшипники, необ­ ходимость в применении специальных прижимных устройств и опасность по­ вреждения и быстрого износа поверхностей в случаях буксования тел каче­ ния.

Простейшая ременная передача (рис. 1.18) состоит из ведущего и ведомо­ го шкивов и ремня, надетого на шкивы с натяжением и передающего окруж­ ные усилия с помощью сил трения.

Рис. 1.18. Схема простейшей ременной передачи:

1– плоскоременная; 2– клиноременная; 3– круглого сечения; 4– поликлиноременная

Ремни выполняют плоскими 1, клиновыми 2, поликлиновыми 4 и кругло­ го сечения 3. Необходимым условием работы ременной передачи является натяжение ремня, которое должно сохраняться в условиях эксплуатации. На­ тяжение осуществляется перемещением одного из шкивов, натяжным роли­ ком (рис. 1.19, а) или пружиной, автоматическим устройством, обеспечиваю­ щим регулирование натяжения в зависимости от нагрузки.

40

Рис. 1.19. Схемы ременных передач: а) − с натяжным роликом; б) − с перекрещивающемся ремнем; в) − с перпендикулярными осями

Ременные передачи, как правило, применяют для передачи движения па­ раллельными валами, вращающимися в одну сторону (открытые передачи). В легких передачах благодаря закручиванию ремня возможна передача движе­ ния между параллельными валами, вращающимися в разные стороны (рис. 1.19, б) и между перпендикулярными осями (рис. 1.19, в).

Основными требованиями, предъявляемыми к ремням, являются: необхо­ димая прочность при переменных напряжениях и износостойкость; достаточ­ ный коэффициент трения со шкивом; невысокая изгибная жесткость. Этим требованиям удовлетворяет высококачественная кожа, однако вследствие де­ фицитности применяется редко. Наиболее распространенными являются про­ резиненные тканевые ремни, имеющие достаточно высокую нагрузочную способность, удовлетворительную долговечность при работе со скоростями до 30 м/с. Основным несущим элементом этих ремней является высокопроч­ ная хлопчатобумажная ткань – бельтинг. В последние годы стали чаще при­ менять ремни из синтетических материалов, допускающие рабочие скорости до 75 м/с и 20 имеющие значительно большие прочность и долговечность. В некоторых случаях используют ременные передачи мощностью до 3000 кВт с передаточным отношением до 20.

Величина полезного окружного усилия F, передаваемого ременной пере­ дачей, в соответствии с формулами Эйлера определится как разность натяже­

где е основание натурального логарифма; f - коэффициент трения между ремнем и шкивом; − угол обхвата шкива ремнем.

Передачи с клиновыми ремнями обладают большей тяговой способностью за счет клинового эффекта. В этом случае в формуле (1.27) вместо коэффици­ ента трения следует подставлять значение приведенного коэффициента, ко­