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
