Дьяков и ф строительные и дорожные машины и основы автоматизации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Ульяновский государственный технический университет

СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ДОРОЖНЫЕ

МАШИНЫ

И ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин

и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для

студентов вузов, обучающихся по специальностям строительные, дорожные машины и «Подъемно-транспортные, оборудование» направления подготовки «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы» и «Промышленное и гражданское строительство» направления подготовки « Строительство»

д-р техн. наук, проф. Марийского государственного технического универститета Ю. Н. Сидыганов Дьяков, И. Ф.

Д93 Строительные и дорожные машины и основы автоматизации :

учебное пособие / И. Ф. Дьяков; /Ульян. гос. техн. ун-т.

Ульяновск : УлГТУ, 2007. – 516 с.

ISBN 978-5-9795-0110-9 Изложены общие тенденции развития и требования, предъявляемые к строительным и дорожным машинам, сведения об экологической безопасности, а также основы использования технических средств автоматизации с основами теории автоматического регулирования в производстве строительных и дорожных машин. Приводятся перспективные конструкции машин с применением микропроцессоров для автоматизации их управления, методы оптимального выбора их в условиях эксплуатации.

Для специалистов и студентов, обучающихся по специальностям «Подъемнотранспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» направления подготовки «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы и промышленное и гражданское строительство» направления подготовки «Строительство».

УДК 69.057.- 002.51-52 (075) ББК 38.6 – 5 я 7 ISBN 978-5-9795-00 © И. Ф. Дьяков, 2007 © Оформление. УлГТУ, 2007

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемое учебное пособие представляет собой изложение курса «Строительные машины и основы автоматизации» на основе опыта преподавания в Ульяновском техническом университете для специальности «Промышленное и гражданское строительство». Оно содержит необходимые сведения по назначению, устройству и рабочим процессам строительных машин. В отличие от других учебников и учебных пособий по этому курсу приведены подробные сведения о средствах малой механизации, а также изложены основы автоматизации строительных машин и оборудования для приготовления бетонных смесей и растворов.

Требования, предъявляемые к машинам, механизмам и устройствам, технологическому оборудованию, с каждым годом возрастают. Эти требования, обусловленные общим техническим прогрессом, могут быть удовлетворены только при достаточном оснащении средствами автоматизации машин, позволяющем освободить человека от постоянного и непосредственного управления технологическим процессом [2, 3, 11, 14].

Теоретической базой для изучения предмета являются знания, полученные при изучении предметов: «Эксплуатация строительных машин и оборудования», «Общая электротехника с основами электроники», «Подъемнотранспортные строительные машины и оборудование». Изучение строительных машин является залогом успешного освоения таких основополагающих для инженеров-строителей, как «Технология строительного производства» и «Организация строительства».

В результате изучения курса будущие специалисты должны знать принцип работы машины и основные элементы средства автоматизации строительных машин и технологических установок, а также уметь обеспечивать правильную их эксплуатацию, так как в области развития строительного и дорожного машиностроения предусматриваются создание и выпуск систем машин для обеспечения комплексной механизации и автоматизации работ в промышленном, жилищном, сельскохозяйственном, гидротехническом и дорожном строительстве.

Несмотря на высокий уровень комплексной механизации отдельных видов работ [1], достигнутая эффективность строительства в целом отстает еще от запланированных уровней [5]. В значительной мере это является результатом неправильного формирования парков машин в строительных организациях, недостаточной долговечностью и надежностью и низком уровнем организации использования и технической эксплуатации строительных машин [8].

Изложенный материал поможет студентам получить основные сведения по строительным машинам, необходимые инженеру-строителю для организации механизированного производства строительных работ, глубоко изучить современные научные методы выбора машин и основы их эксплуатации.

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ

И ДОРОЖНЫХ МАШИН

Направления развития машин зависят как от области их применения, так и от общих тенденций научно­технического прогресса в машино­ строении [12]. К наиболее характерным направлениям развития строитель­ ного и дорожного машиностроения относятся:

1) повышение в экономически оправданных пределах единичной мощно­ сти машин и оборудования;

2) гидрофикация машин путем замены механических приводов гидроме­ ханическими и гидрообъемными приводами;

3) автоматизация систем управления, контроля и обеспечения безопасно­ сти работы машин на основе применения микропроцессорной техники и ро­ ботов;

4) снижение материало­и энергоемкости машин, повышение их ресурса и надежности на основе совершенствования методов расчета и конструирова­ ния и применения новых материалов с лучшими физико­механическими свойствами и характеристиками;

5) повышение требований к эргономике и технической эстетике машин и оборудования на основе более полного учета физических и функциональных возможностей человека­оператора, управляющего машиной;

6) создание двигателей с форсированными режимными характеристиками, обеспечивающие сокращения времени разгона машины, соответственно уве­ личения ее производительности;

7) повышение скоростей движения, главным образом транспортных ско­ ростей, что также позволяет увеличить производительность машин;

8) конструирование машин и оборудования из унифицированных блоков­ модулей, что позволяет ускорить процесс создания машины и сократить вре­ мя ее простоев в ремонтах;

9) широкая унификация и стандартизация техники с целью увеличения темпов ее производства, сокращения простоев, связанных с ремонтом и тех­ ническим обслуживанием, а также улучшения качества изготовления узлов и деталей машин;

10) увеличение номенклатуры сменных рабочих органов для расширения области применения машин данного типа;

11) создание мобильных машин на короткобазных шасси, позволяющих улучшить их маневренность, что имеет большое значение при выполнении строительно­монтажных работ в стесненных условиях.

Все возрастающие объемы земляных работ требуют создания мощных, высокопроизводительных машин. Существуют следующие пути решения этой задачи.

1. Установка на машинах более мощных двигателей; такое решение, как правило, связано с увеличением общей массы и габаритных размеров машины.

2. Создание машин, работающих по двухдвигательной схеме (например, двухдвигательные скреперы), когда один двигатель устанавливается на тяга­ че, а другой на прицепе. При этом можно получить более компактные конст­ рукции, сохранив хорошую маневренность, скоростные качества и проходи­ мость машины.

Машины, выполненные по двухдвигательной схеме, имеют соответственно две гидромеханические трансмиссии, каждая из которых состоит из гидро­ трансформатора, коробки передач, карданного вала и главной передачи, рас­ положенных в ведущих мостах тягача и прицепа. Управление обоими двигате­ лями и передачами осуществляется из кабины оператора, установленной на тягаче; при необходимости один из двигателей может быть отключен от транс­ миссии.

3. Соединение двух и более машин в один агрегат по схеме «тандем» или «катамаран». При использовании первой схемы машины устанавливают одну за другой так, что сзади идущая машина толкает впереди идущую, и таким образом тяговые усилия всех машин суммируются. По такой схеме работают, в частности, скреперные поезда. Агрегаты, составленные по схеме «катамаран», состоят из двух параллельно движущихся тракторов, связанных между собой общим рабочим органом, например, отвалом. По схеме «катамаран» работают бульдозеры (в США фирмой «Катерпиллер» создан такой агрегат, работающий с бульдозерным отвалом шириной 12,2 м и высотой 1,8 м).

Чтобы наилучшим образом удовлетворить требования, предъявляемые к современной строительной и дорожной технике, необходимо совершенствовать основные части машин (силовые установки, передачи, исполнительные меха­ низмы, рабочее оборудование, ходовую часть), что приводит к новым компоно­ вочным решениям.

В качестве силовых установок вместо бензиновых двигателей все чаще применяют дизельные двигатели. Они работают на более дешевом и менее ток­ сичном топливе, имеют более высокий коэффициент полезного действия. Пре­ имущества дизелей особенно заметны при установке их на машинах тяжелого класса.

Одним из средств повышения тяговых свойств машин является установка индивидуальных двигателей на их колесах; такой тип привода получил назва­ ние «мотор­колесо». Конструктивное исполнение его может быть различ­ ным.

Электродвигатели или гидромоторы, развивающие большой вращаю­ щий момент (такие двигатели называются «высокомоментными»), встраивают в колесо или устанавливают рядом с ободом колеса без редуктора. В противном случае привод «мотор­колесо» состоит из двигателя и редуктора с обычной или планетарной зубчатой передачей. В приводах с электродвигателями по­ стоянного тока энергия к ним через систему электрических цепей подводит­ ся от тягового генератора постоянного тока, приводимого от дизеля тягача.

В гидравлических приводах колесные гидромоторы питаются от гидрона­ сосов, которые приводятся в действие от главного двигателя машины. Опыт показывает, что дизель­электрические приводы с мотор­колесами и электро­ двигатели целесообразно использовать на самых тяжелых машинах, тогда как объемный гидропривод находит применение и на небольших машинах [ 1, 2].

Современные требования к приводам землеройных и землеройно­ транспортных машин сводятся к следующим:

– широкий диапазон преобразования вращающего момента, обеспечивающе­ го большие тяговые усилия при малых скоростях движения;

– изменение скорости движения в зависимости от сопротивлений движению без останова двигателя;

– по возможности бесступенчатое регулирование скорости движения и плавное трогание с места;

– возможность реверсирования, т. е. изменения направления движения.

Этим требованиям в большой степени удовлетворяют гидравлические приво­ ды, которые в строительных и дорожных машинах приходят на смену тради­ ционным механическим приводам. Несмотря на более низкий КПД, гидрав­ лические приводы механизмов машин и их рабочего оборудования лучше, чем механические приводы, работают в условиях резких колебаний тяговых уси­ лий, изменения направления движения.

Гидродинамический привод (гидротрансформатор и переключаемая под нагрузкой передача) обусловливает совершенно определенную компоновку агрегатов в конструкции машины. В этом отношении более предпочтительны­ ми оказываются гидрообъемные и электрические приводы, элементы которых имеют между собой гибкую связь, что позволяет расширить возможности конструктора при компоновке привода и машины в целом. Развитие гидрав­ лических землеройных машин идет по пути создания гидросистем высокого давления с регулируемыми поршневыми насосами при рабочем давлении 30. 45 МПа.

В последние годы значительно увеличился выпуск машин с шарнирно­ сочлененной ходовой рамой, состоящей из двух или трех секций, соединенных между собой шарнирами (с вертикальными ходовой рамой осями), позволяю­ щими секциям рамы поворачиваться одной относительно другой в горизонталь­ ной плоскости. Некоторые зарубежные фирмы начали выпуск гусеничных ма­ шин с шарнирно­сочлененной рамой (рис. 1.1).

Рис.1. 1. Схема погрузчика с четырехгусеничным ходом и шарнирно­сочлененной ходовой рамой: 1,9 – движители; 2, 8,12, 13 – звездочки; 3– двигатель; 4– портал;

5 – ковш; 6 – стрела; 7– гидроцилиндр; 10, 15 – оси; 11, 14 – тележки На передней секции рамы на портале 4 крепится стрела 6 с ковшом 5, на задней секции рамы устанавливается двигатель 3 и кабина оператора. Каж­ дый гусеничный движитель состоит из тележек с рамами 11 и 14, подвешенных к соответствующей секции ходовой рамы на осях 10 и 15; направляющих колес 8 и 13 и ведущих колес (звездочек) 12 и 2, которые приводятся от двигателя ма­ шины; ведущие колеса сообщают движение гусеницам 9 и 1. Два передних дви­ жителя имеют стабилизирующие гидроцилиндры 7. Каждая из четырех гусенич­ ных тележек может, поворачиваясь на своей оси, перемещаться относительно хо­ довой рамы, хорошо приспосабливаясь к неровностям поверхности качения.

Землеройными машинами одного из наиболее распространенных типов явля­ ются экскаваторы – одноковшовые, многоковшовые и роторные. Современные одноковшовые экскаваторы легкого и среднего классов имеют гидравлический привод хода и рабочего оборудования, поэтому совершенствование их конструк­ ций во многом связано с совершенствованием конструкций гидроприводов и улучшением качества гидроаппаратуры. Традиционно применявшиеся на экска­ ваторах гусеничные хода в настоящее время заменяют гусеничными ходами трак­ торного типа, имеющими значительно меньшую массу и большую надежность.

В качестве базы для полноповоротных одноковшовых экскаваторов, а также многоковшовых и роторных экскаваторов используют, в основном, собственные шасси, так как экскаваторы, созданные на базе промышленных тракторов, имеют существенно большую массу и на 30. 50 % большую стоимость.

В последнее время значительно расширяются области применения экскава­ торов. При этом, кроме основного рабочего оборудования обратной и прямой лопат, их снабжают драглайном, валочно­пакетирующим устройством для сре­ зания, повала и пакетирования деревьев, грейферными захватами для пере­ грузки сыпучих, кусковых и длинномерных грузов, буровым оборудованием и др.

На рис. 1.2 показаны некоторые сменные рабочие органы, применяемые на экс­ каваторах.

Рис.1.2. Сменные рабочие органы экскаватора:

а – ковш обратной лопаты: б – ковш для рытья канав; в – ковш с рыхлителем; г – рыхлитель; д – отвал; е,ж,з – грейферные захваты; и – шнековый бур; к – гидромолот Совершенствование конструкций бульдозеров характеризуется расширением их типоразмерного ряда, содержащего гусеничные машины с двигателем мощ­ ностью 18. 600 кВт и в перспективе до 1200 кВт и колесные машины с двигателем мощностью 50. 400 кВт и в перспективе до 900 кВт. Машины сред­ него и тяжелого классов оборудуют бульдозерным отвалом, навешиваемым впе­ реди базового трактора, и рыхлителем, навешиваемым сзади трактора. В качестве базовых машин для бульдозерно­рыхлительного оборудования наиболее предпоч­ тительными являются промышленные гусеничные тракторы, имеющие классиче­ скую компоновку – переднее расположение двигателя и заднее размещение ка­ бины оператора. Такие тракторы обеспечивают хорошую видимость как передне­ го, так и заднего оборудования и не вызывают зарывание передней части маши­ ны при работе на мягких грунтах. Управление рабочим оборудованием у со­ временных бульдозеров, в основном, гидравлическое. Поэтому базовые трак­ торы имеют гидросистему для независимого подъема и перекоса отвала, а так­ же управления рыхлителем. Увеличение усилий для заглубления и выглубле­ ния отвала достигается путем повышения давления рабочей жидкости в гидро­ системе до 35 МПа и выше.

Для повышения надежности отвалов бульдозеров и снижения энергоемко­ сти копания грунтов особое внимание необходимо обращать на выбор рацио­ нального профиля рабочей поверхности отвалов.

Совершенствование конструкций базовых гусеничных тракторов связано, главным образом, с улучшением компоновочной схемы трактора и конструк­ ции его ходовой части. Характерна в этом отношении схема ходовой части трактора, показанного на рис.1.3, а. Вал ведущих звездочек 2 (рис.1.3, б) располагается выше натяжных колес 5 и 1, вследствие чего гусеничный об­ вод ходовой части принимаем форму треугольника.

Рис. 1.3. Компоновочное решение гусеничного хода базового трактора бульдозера:

а) – общий вид бульдозера; б) – схема гусеничного движителя; 1,5 – натяжные колеса;

2– ведущая звездочка; 3, 4 – катки Верхняя ветвь гусеницы опирается на два поддерживающих катка 3 и 4.

Угол, образованный основанием и задней ветвью гусеницы, набегающей на ведущую звездочку, изменяется от 30 до 90°, а угол обхвата ведущей звез­ дочки гусеницей от 115 до 130°.

Вынесение вверх и вперед ведущих звездочек и конечной передачи дает возможность снизить нагрузки от воздействия неровностей поверхности ка­ чения и, как следствие, уменьшить их износ и вероятность повреждения при работе на скальных породах. Кроме того, описанная компоновка ходовой час­ ти базового трактора позволяет уменьшить высоту расположения основных узлов трансмиссии, повысив устойчивость машины в продольном и попереч­ ном направлениях, и одновременно с этим увеличить высоту расположения кабины оператора, улучшив обзорность при работе машины.

При разработке скреперов все большее место занимает создание мощных самоходных двухдвигательных машин с ковшом вместимостью 25. 40 м3 и двигателями суммарной мощностью 800 кВт и выше. Выпускают скреперы с дизель­электрическим приводом и мотор­колесами. Увеличивается выпуск скреперов с принудительной загрузкой ковша с помощью скребкового цепно­ го элеватора и с принудительной разгрузкой грунта выталкивателем бульдо­ зерного типа. Элеватор приводится от гидродвигателя через планетарный ре­ дуктор.

Совершенствование конструкций автогрейдеров во многом связано с вне­ дрением систем управления поворотом машины, позволяющих улучшить ее ма­ невренность и устойчивость при работе на склонах. Все большее распростра­ нение получают автогрейдеры с шарнирно­сочлененной рамой; в этом случае поворот автогрейдера осуществляется как за счет поворота в плане передних управляемых колес, так и за счет «складывания» рамы в плане, что позволяет значительно уменьшить площадь, необходимую для разворота машины. Ориги­ нальную схему поворота имеет одна из моделей автогрейдера шведской фирмы «Vо1vо» («Вольво»). У этой машины управляемыми являются передние колеса и задний ведущий мост, установленный на упорном подшипнике. Воздействуя на систему рулевого управления машины, можно одновременно поворачивать передние колеса и изменять в плане угол поворота заднего моста на 15° в обе стороны. Такое решение позволяет сохранить большое тяговое усилие при движении машины на поворотах и вместе с тем обеспечивает ее хорошую ма­ невренность.

В автогрейдерах применяют, в основном, механические и гидромеханиче­ ские трансмиссии. Но в последнее время некоторые зарубежные фирмы начали использовать и гидрообъемные трансмиссии. В таких машинах главный дви­ гатель (дизель) приводит в действие гидронасосы, которые подают рабочую жидкость к гидромоторам, сообщая им вращение; от гидромоторов приводят­ ся ведущие колеса машины.

Гидрообъемные трансмиссии получают все большее распространение в до­ рожно­строительных и других машинах, например в пневмоколесных погруз­ чиках. Они обладают хорошей тяговой характеристикой и позволяют незави­ симо изменять скорость движения каждой стороны ходовой части без разрыва потока мощности. При этом колесная машина может перемещаться вперед, назад или разворачиваться на месте так же, как и гусеничная; такой способ поворота имеет особенные преимущества для малогабаритных строительных и дорожных машин, предназначенных для работы в стесненных условиях.

Для производства строительно­монтажных работ все большее применение находят самоходные пневмоколесные краны на базе грузовых автомобилей, а также мощные самоходные краны с многосекционной телескопической стрелой на многоосном шасси автомобильного типа (рис. 1.4, а) и краны с телескопиче­ ской и решетчатой стрелами на специальном пневмоколесном шасси. На неко­ торых самоходных кранах большой грузоподъемности устанавливают башен­ но­стреловое оборудование (рис.1.4, б). Оно позволяет значительно увели­ чить высоту подъема груза и радиус его перемещения.

Рис.1.4. Общий вид кранов на пневмоколесном ходу: а) на многоосном шасси автомобильного типа; б, в) – на специальном пневмоколесном шасси 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 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 (кВтч) 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.

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.

Характеристики микроклимата в кабине машиниста Период Температура Влажность, Скорость движения воздуха, оС года % воздуха, м/с Холодный ­23. 16 40. 60 0,2. 0,3 Теплый +25. 18 60. 40 0,2. 0,3 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 Для этого измеряют температуру в кабине оператора при сухом и влажном Т в 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 К глр и вертикальной К верт обзорности / ; К верт д / nh, где видимая с рабочего места оператора часть общей площадки;

общая площадь площадки, для которой измеряется обзорность;

площадь проекции машины на опорную площадку; д, тр дейст­ вительный и требуемый угол обзорности.

Угол обзорности определяют как сумму двух углов 1 и 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 220 о ; 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 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 12.1.00396 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 n ri M 1i M 2i K ris т, (3.19) j 1

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, 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 a 1 и a 2 и высотой h, тогдa площадь сечения одного канала A1 (a1 a2 ) / 2h, (1.6) периметр сечения канала р1 a1 a 2 a 2 a1 2 4h 2 ; (1.7) площадь поверхности одного канала

0,5. (1.15) к эф к гет d Таким образом, эффективная константа скорости к эф в уравнении (1.15) определяется, в соответствии с (1.11), скоростью гетерогенной химической реакции, коэффициентом диффузии компонентов, а также расстоянием, кото­ рое должны преодолеть молекулы токсичных газов до каталитической по­ верхности. Увеличивая размер каждого канала, будет замедляться диффузия и уменьшаться эффективная константа скорости конверсии. Для подобных процессов известно, что диффузия компонентов в острые углы реактора и к удаленным от центра потока поверхностям (каналы с узким вытянутым сече­ нием) будет проходить заметно дольше, и эффективность этих поверхностей для нейтрализации оказывается низкой.

На рис.1.6 приведены некоторые примеры сечений каналов. Из их сравне­ ния видно, что в круглых каналах поверхность равнодоступна. Однако про­ межутки между окружностями так же имеют труднодоступные острые углы.

Поэтому доступность всей поверхности канала для диффузии можно достиг­ нуть оптимизацией параметров конвертора. Имея целевую функцию в виде заданной эффективности нейтрализации и используя вышеперечисленные за­ висимости, можно легко получить выражения, связывающие длину, диаметр и параметры канала конвертора. Константа скорости гетерогенной реакции, так же как и коэффициент диффузии, увеличиваются с повышением темпера­ туры (по уравнению Аррениуса). Однако наиболее сильная зависимость кон­ станты скорости гетерогенной реакции остается от структуры и химического состава используемого катализатора. Технологический процесс заключается в нанесении на готовый субстрат (носитель) каталитического покрытия с высо­ кой точностью. Смесь высокодисперсных окислов металлов (Al, Ce, Zr и др.) с удельной площадью до 160 м 2 на грамм, пропитывают химическими реа­ гентами и растворами солей драгоценных металлов (Pt, Rh, Pd), при этом об­ разуются нерастворимые соединения драгоценных металлов, которые осаж­ даются на поверхности оксидов.

Рис.1.6. Схемы сборки катализаторов

Указанную смесь смешивают с водой, и полученный раствор (суспензию) наносят на внутреннюю поверхность керамического субстрата с последую­ щей сушкой и высокотемпературным обжигом. Данные операции произво­ дятся на специализированной автоматической линии. При обжиге происходит полное восстановление драгоценных металлов, которые закрепляются на по­ верхности высокодисперсных оксидов в виде образований, размером не более нескольких десятков атомов.

Финская компания «Кемира» разработала новый тип катализатора, его намечено осуществлять в двух основных модификациях: трехкомпонентные и катализаторы окисления. Новая система состоит из металлической подложки, тонкого грунтовочного покрытия, каталитически активного вещества и обо­ лочки. Оболочка изготавливается из хромистой стали. В качестве подложки используют металлическую основу (ферритовой хромо­алюминиевой стали с добавлением редкоземельных элементов) вместо керамики. Высокая проч­ ность металла и хорошая обрабатываемость дают возможность изготовить стенки преобразователя достаточно тонкими, что в результате обеспечивает общее увеличение геометрической площади металлической подложки. Благо­ даря малой толщине (0,04 мм без покрытия), конструкция подложки может быть изготовлена таким образом, что эффективное поперечное сечение зна­ чительно выше, чем при использовании керамического материала. Эффек­ тивное поперечное сечение без покрытия составляет 91%.

Каталитические нейтрализаторы создают дополнительный шум при нали­ чии узких каналов, по которым распространяется газ, из­за чего образуется множество небольших источников шума. При проектировании выпускной системы каталитический нейтрализатор должен быть проработан так, чтобы избежать высоких уровней сопротивления проходу отработавшего газа, кото­ рые в значительной мере влияют на вибрационные характеристик всей систе­ мы, а также на мощностные показатели двигателя.

1.2. Совершенствование структуры парка и классификация машин Под структурой парка машин понимается количественное соотношение между машинами одного и того же функционального назначения, но разными по своим производственным возможностям (например, количественное соотно­ шение между погрузчиками малой, средней и большой грузоподъемности) и между машинами разного функционального назначения (например, количествен­ ное соотношение между одноковшовыми погрузчиками и экскаваторами, между экскаваторами и скреперами и т. д.). От того, насколько данная структура парка удовлетворяет потребностям строительного объекта, во многом зависят эффек­ тивность использования техники и стоимость выполняемых ею работ. Поэтому с точки зрения эксплуатации важно обеспечить не только высокое качество и необ­ ходимые параметры и характеристики какого­то определенного типа машин, но и необходимые (оптимальные) пропорции между различными видами техники для данной отрасли народного хозяйства.

Вместо одноковшовых строительных экскаваторов, которые обычно работают вместе с бульдозерами, разравнивающими грунт, и с самосвалами, отвозящими грунт, наиболее эффективным является применение одноковшовых погрузчиков, которые могут работать без бульдозеров и самосвалов, перемещая грунт в ковше к месту разгрузки. К тому же погрузчики с ковшами такой же вместимостью, что и ковши экскаваторов, имеют в 1,3. 2 раза меньшую массу (и, следователь­ но, меньшую материалоемкость),чем экскаваторы. Поэтому, если промышленно­ стью выпускается слишком большое число одноковшовых экскаваторов и малое число погрузчиков, то это невыгодно для народного хозяйства, так как при этом снижается производительность машин и повышается стоимость работ.

То же самое характерно и для скреперов, применение которых при опреде­ ленных условиях может оказаться значительно выгоднее, чем одноковшовых экскаваторов, так как скрепер без помощи бульдозеров и транспортных средств может разрабатывать и разравнивать грунт и транспортировать его в ковше на некоторое расстояние. При большом объеме земляных работ экономически це­ лесообразно использовать мощные скреперы с ковшом большой, а не малой и средней вместимости, что позволяет уменьшить число скреперов и количество операторов, управляющих ими; последнее весьма важно с точки зрения эконо­ мии трудовых ресурсов. Невыгодным может оказаться и слишком большое чис­ ло гусеничных бульдозеров или гусеничных экскаваторов и погрузчиков по сравнению с теми же машинами на пневмоколесном ходу, так как последние имеют меньшую материалоемкость, лучшую маневренность, они более быст­ роходны, чем гусеничные машины, и могут собственным ходом перемещаться по хорошим дорогам.

Таким образом, наряду с повышением качества и технического уровня строительных и дорожных машин, одновременно должна решаться и другая задача — совершенствование структуры парка и классификация строитель­ ных и дорожных машин. Решение этих задач является неотъемлемой частью решения общей проблемы интенсификации использования техники на строи­ тельной площадке и повышения на этой основе производительности труда и экономии трудовых и материальных ресурсов.

Классификация машин. Основой для наиболее общей классификации ма­ шин и оборудования могут служить основные виды работ. Исходя из этого, машины можно разделить на следующие основные классы: транспортные, транспортирующие и погрузо­разгрузочные; грузоподъемные; машины и оборудование для земляных работ; оборудование для свайных работ; для дробления, сортировки и мойки каменных материалов; машины и оборудова­ ние для приготовления, транспортирования бетонов и растворов и уплотне­ ния бетонной смеси; для отделочных работ; ручной механизированный инст­ румент, предназначенный для выполнения различных видов работ в строи­ тельстве. Классы машин делятся на отдельные группы, типы, типоразмеры в соответствии с технологическим назначением, характером рабочего процесса, общим конструктивным решением и техническими параметрами. Например, машины для земляных работ делятся на группы по характеру рабочего про­ цесса: землеройные (экскаваторы), отрывающие и перемещающие грунт на небольшие расстояния, определяемые конструктивными элементами маши­ ны; землеройно­транспортные (бульдозеры, скреперы, грейдеры, грейдер­ элеваторы), разрабатывающие грунт во время движения и перемещающие его на определенное расстояние; для гидравлической разработки грунта (земле­ сосы, гидромониторы); рыхлители твердых и мерзлых грунтов; грунтоуплот­ няющие; буровые; для подготовки площадки (вспомогательные) – корчевате­ ли, кусторезы, камнеуборочные и др. Многие группы машин делятся на типы, например экскаваторы – одноковшовые канатные и гидравлические. В свою очередь большинство типов машин по главным параметрам подразделяется на типоразмеры.

Главным параметром может служить, например, вместимость ковша (экс­ каваторы), максимальная грузоподъемность (краны) или масса машины, мощность силовой установки и т. п. Например, одноковшовые экскаваторы имеют шесть типоразмеров с ковшами вместимостью q = 0,25; 0,4; 0,63; 1,0;

1,6; 2,5 м3. Кроме деления машин по указанным признакам и параметрам в за­ висимости от режима рабочего процесса строительные машины подразделя­ ются на два больших класса: циклического действия и непрерывного дейст­ вия. Например, в экскаваторе одноковшовом циклического действия непо­ средственно процесс копания грунта занимает 25. 30 % от времени рабочего цикла, в остальное время производятся операции поворота платформы и вы­ грузки грунта. В то же время экскаватор непрерывного действия непрерывно разрабатывает грунт и одновременно транспортирует его. Достоинствами машин циклического действия являются их универсальность и приспособ­ ленность к работе в различных условиях. Достоинства машин непрерывного действия – их большая производительность и лучшие технико­экономические показатели при специальных условиях работ. Около 80 % машин в строитель­ стве имеют собственное ходовое оборудование. По типу ходового оборудова­ ния они подразделяются на гусеничные, пневмоколесные, рельсовые, колес­ ные и шагающие.

Строительные и дорожные машины делят также на универсальные, спо­ собные быстро менять рабочее оборудование и выполнять различного рода работы, и специальные, предназначенные для выполнения одного специаль­ ного вида работ. Последние в определенных условиях работы обеспечивают более высокие технико­экономические показатели. По роду используемой энергии силовой установкой строительные машины делятся на электрические и работающие от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Первые обладают большей готовностью к работе по сравнению со вторыми. Важным преиму­ ществом вторых перед первыми является их автономность от источника энер­ гии. Существует еще классификация на отдельные типы машин по различным конструктивным особенностям. Все мобильные строительные машины можно представить как системы, состоящие из следующих основных частей: силово­ го оборудования, трансмиссии, рабочего оборудования, ходового оборудова­ ния и системы управления. В свою очередь, эти части обычно состоят из от­ дельных агрегатов и сборочных единиц, а последние — из деталей. Кроме структурных схем для машин принято различать также их конструктивные и кинематические схемы, а для машин с гидро­ и электроприводами также схе­ мы их гидро­ и электроприводов.

Конструктивные схемы определяют принципиальное устройство – конструкцию машин.

Кинематические схемы показывают взаимосвязи элементов механическо­ го привода.

Схемы гидро- и электроприводов показывают взаимосвязи гидравличе­ ских и электрических систем в приводе.

Для составления кинематических и гидравлических схем используют ус­ ловные обозначения. Основные части строительных и дорожных машин (за исключением рабочего оборудования), а также их агрегаты, сборочные еди­ ницы и детали имеют много общего. Поэтому в данной главе рассмотрены общие сведения, касающиеся общих частей машин и основных технико­ экономических показателей машин.

Источник