Глава 2. Энергетическое оборудование

ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ, СТРОИТЕЛЬНЫХ,

ДОРОЖНЫХ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ

СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

Разнообразие условий эксплуатации и нагрузочных режимов подъемно-транспортных, строительных, дорожных машин и оборудования предполагает использование в качестве силового привода широкой номенклатуры двигателей внутреннего сгорания и электрических двигателей. Машины и оборудование, для которых передвижения на большие расстояния являются частью рабочего цикла, оснащаются двигателями внутреннего сгорания: дизельными и карбюраторными. К их числу относятся машины для земляных работ (за исключением больших карьерных экскаваторов с электрическим приводом), машины для устройства дорожных покрытий, ремонта и содержания дорог, инженерных сооружений, дорожной обстановки и прилегающих территорий, бурильные установки на автомобильном шасси, самоходные погрузчики (за исключением части вилочных).

Техника стационарная или перемещающаяся в радиусе нескольких десятков метров оборудуется электродвигателями с питанием от аккумуляторных батарей или центральной электросети. Электроприводом оснащаются подъемно-транспортные машины и механизмы (за исключением самоходных стреловых кранов и самоходных фронтальных погрузчиков), машины для добычи и переработки каменных материалов (в том числе, пневматические механизмы, питающиеся от компрессоров с электроприводом), оборудование для работы с цементом и битумом и изготовления цементе- и асфальтобетонов.

Двигатели внутреннего сгорания. Для привода самоходных машин со значительной долей транспортных операций в рабочем цикле используются дизельные или карбюраторные двигатели. К их преимуществам относятся независимость от посторонних источников энергии, высокая удельная (на единицу массы) мощность, относительно высокий КПД и надежность, а к общепризнанным недостаткам - шум, токсичность выхлопа и нарушение теплового баланса окружающей среды.

Области использования дизельных и карбюраторных двигателей определяются их техническими особенностями. Традиционно считается, что для карбюраторного двигателя характерны повы-

шенные удельная мощность и частота вращения, меньший крутящий момент, более устойчивая работа при переменной нагрузке. В силу этого их применяют на машинах, работающих с большими скоростями и меньшими рабочими нагрузками. Дизельные двигатели развивают больший крутящий момент, работают при меньших угловых скоростях и на более дешевом топливе, но они тяжелее, дороже из-за точной топливной аппаратуры, хуже переносят резкие колебания нагрузки и сложнее в обслуживании.

Энергетический кризис 70-х гг. XX в. заставил весь мир сделать выбор в пользу более дешевого дизельного топлива. В последующие годы усилия конструкторов и технологов позволили значительно повысить удельную мощность, шумо- и вибробезопасность дизельных двигателей, а также упростить их обслуживание и ремонт, вплотную приблизив их по этим показателям к карбюраторным двигателям. Это привело к широкому использованию дизельных двигателей практически во всем спектре мощностей и рабочих скоростей, характерных для погрузочных, строительных, землеройных, дорожных и коммунальных машин.

Основная доля действующего парка отечественных коммунальных машин базируется на грузовых автомобилях с карбюраторными двигателями, но в последние годы начался массовый их перевод на дизельные двигатели. Строительные, землеройные и дорожные машины, базирующиеся на оригинальных шасси, традиционно оборудуются дизельными двигателями. До конца 60-х гг. XX в. для этих целей использовались длиноходовые и низкоскоростные тракторные дизели, а с началом массового производства коротко-ходовых транспортных дизелей их начали устанавливать и на до-рожно-строительные машины. Анализ характеристик современных бульдозеров, скреперов, автогрейдеров, экскаваторов, трубоукладчиков, пневмоколесных и гусеничных погрузчиков свидетельствует, что наиболее широко используются четырех- и шестицилиндровые дизельные двигатели мощностью от 60 до 120 кВт и частотой вращения от 1 850 до 2 100 мин"¹. Этот факт отражает техническую политику производителей в области энерговооруженности машин и оборудования, характерную для 90-х гг. XX в. Конечно, не следует считать, что такое положение будет оставаться неизменным. Например, за 1970-1996 гг. мощность двигателей одноковшовых полноповоротных экскаваторов выросла в среднем на 20 %, а их частота вращения выросла до 2000...2200 мин'¹. В последние годы на землеройные машины стали устанавливать менее скоростные двигатели, отличающиеся повышенным крутящим моментом и большей долговечностью. Таким образом, в ближайшие годы сервисные и ремонтные службы, отвечающие за работу строительной, Дорожной и коммунальной техники, будут сталкиваться с обслуживанием и ремонтом двигателей предыдущего и нового поколений, характеристики которых лежат в диапазонах указанных значений.

Условия работы двигателей погрузочных, строительных, дорожных и коммунальных машин отличаются сильной запыленностью окружающего воздуха, широким диапазоном изменения его температуры, влажности и давления, частыми и быстрыми переходами от пиковых нагрузок к холостым, и наоборот, удаленностью машин от сервисных центров и складов запчастей.

Наибольший уровень запыленности отмечается при совместной работе погрузчика с бульдозером, разрабатывающим грунт. Затем, в порядке убывания количества пыли, образующейся при работе, следуют бульдозеры, погрузчики, скреперы, корчеватели, прицепные грейдеры, автогрейдеры и пневмоколесные катки.

Средняя запыленность воздуха в зависимости от типа машин, г/м³

Гусеничные бульдозеры............................................................................... 0,70

Пневмоколесные погрузчики.......................................................................... 0,60

Самоходные скреперы................................................................................... 0,53

Гусеничные корчеватели................................................................................ 0,31

Прицепные грейдеры...................................................................................... 0,31

Автогрейдеры................................................................................................. 0,24

Самоходные пневмокатки....,................................................................. 0,23

На запыленность окружающего воздуха влияет не только рабочее оборудование и характер рабочего цикла, но и тип ходового устройства - гусеничный или пневмоколесный. Более «пылящим» и, кстати, более опасным для почвенного слоя является стандартный гусеничный ход, так как траки с грунтозацепами сильнее повреждают опорную поверхность при маневрировании и буксовании.

Грунтовая пыль, попадая в цилиндры и топливную аппаратуру, способна быстро вывести их из строя, поэтому для надежной работы двигателя важно оснащение его системами очистки воздуха, топлива и смазочных материалов и регулярное и своевременное обслуживания этих систем.

Мощность и топливная экономичность двигателя заметно меняются при колебаниях температуры, влажности и давления окружающей среды. При низкой температуре воздуха, поступающего в цилиндры, топливо хуже испаряется, часть его конденсируется на стенках цилиндра, смывая смазку и ускоряя износ, больше энергии требуется для подогрева смеси до температуры воспламенения, более интенсивна отдача тепла в атмосферу. Кроме того, больше времени и топлива затрачивается при запуске двигателя и на поддержание рабочей температуры в процессе работы, особенно, на высоких транспортных скоростях. Низкие температуры требуют применения более качественного топлива: без примесей воды - для бензина, парафинов и воды -для дизельного топлива. Все это приводит к удорожанию эксплуатации при одновременном снижении мощности и долговечности двигателя. Избежать некоторых отрицательных последствий эксплуатации двигателей при очень низких температурах можно:

храня технику в теплых помещениях;

применяя посторонние и встроенные системы предпускового подогрева, системы электрозапуска от внешних источников энергии;

используя дополнительную теплоизоляцию моторного отсека;

используя специальные присадки к дизельным топливам и бензинам.

Вместе с тем, следует отчетливо представлять, что зимняя эксплуатация двигателя неизбежно влечет ее удорожание. Чрезмерно высокая температура окружающего воздуха не менее неблагоприятна для двигателей внутреннего сгорания: уменьшается наполнение цилиндров воздухом, снижается вязкость смазок, ухудшаются условия охлаждения двигателя. Кроме того, горюче-смазочные материалы подвергаются ускоренному старению уже в заправочных емкостях машин.

Повышенная влажность атмосферного воздуха также отрицательно сказывается на эффективности работы двигателя. Увеличенное содержание водяного пара в воздухе снижает количество кислорода, попадающего в камеру сгорания, и количество топлива, испаряющегося в ее объеме, а также требует дополнительного тепла на подогрев водяного пара. Кроме того, влага, конденсируясь и смешиваясь с отработанными газами, образует агрессивные жидкости, ускоряющие коррозию металлических деталей двигателя. Предотвратить падение мощности и ускоренный износ агрегатов двигателя из-за высокой влажности воздуха может его предварительное осушение, но пока применение осушительных устройств на двигателях не носит массового характера.

Существенное влияние на мощность двигателя оказывает атмосферное давление, зависящее от высоты над уровнем моря: чем оно ниже, тем более разрежен воздух и тем меньшее его количество попадает в цилиндры двигателя при всасывании, следовательно, меньшее количество топлива сгорит за один рабочий ход поршня и двигатель в целом разовьет меньшую мощность, а часть несгоревшего топлива будет выброшена в атмосферу.

Мощность, развиваемая дизельным двигателем при работе в горах (в процентах к номинальной)

Высота над уровнем моря, м:

Более 97

1500...2300..........................

2300... 3000...

3000...3800............................................................................................... 81

3800...4600................................................................................................ 73

Пониженное атмосферное давление также ухудшает условия охлаждения двигателя. В значительной степени свободны от этого порока или менее подвержены ему двигатели с турбонаддувом и электронным управлением впрыска топлива.

Колебания нагрузки, выражающиеся в нерегулярном чередовании максимальных и минимальных сопротивлений на валу двигателя, способны заметно снизить мощность и топливную экономичность двигателя. Сами по себе такие колебания неизбежны и предопределены многооперационным характером работы машин и случайными свойствами среды, с которой они взаимодействуют. Влияние неравномерности нагрузки на работу двигателей хорошо известно (табл. 2.1). При предварительных расчетах падение мощности двигателя из-за неустановившейся нагрузки оценивается примерно в 10%.

Таблица 2.1