Требования, предъявляемые к строительным машинам

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Гончаров Николай Вячеславович

Кафедра «Строительные и дорожные машины»

ЛИТЕРАТУРА

1. Волков, Д.П. Строительные машины / Д.П. Волков, В.Я. Крикун. – М.: АСВ, 2002. – 376 с.

 

2. Добронравов, С.С. Строительные машины и оборудование: справочник для строит. спец. вузов / С.С. Добронравов, М.С. Добронравов. – М.: Высш. шк., 2006. – 445 с.

 

3. Добронравов, С.С. Строительные машины и основы автоматизации: учеб. для строит. вузов / С.С. Добронравов, В.Г. Дронов. – М.: Высш. шк., 2006. – 575 с.

 

4. Волков, Д.П. Строительные машины и средства малой механизации / Д.П. Волков, В.Я. Крикун. – М.: Академия, 2002. – 480 с.

 

 

Лекция № 1.

 

Общие сведения о строительных машинах и оборудовании

1. Параметры машин. Классификация и индексация строительных машин.

2. Требования, предъявляемые к строительным машинам.

4. Основные элементы строительных машин.

5. Основные технико-эксплуатационные показатели строительных машин.

Строительной машиной называют устройство, которое посредством механических движений преобразует размеры, форму, свойства или положение в пространстве строительных материалов, изделий и конструкций.

Параметры машин. Классификация и индексация СМ.

 1.1. Параметры машин

Параметром машины называют количественную, реже качественную характеристику какого-либо существенного ее признака.

Различают главные, основные и вспомогательные параметры.

Главными называют такие параметры, которые в наибольшей мере определяют технологические возможности машины.

К основным параметрам, включающим также главные, относят такие, которые необходимы для выбора машин в определенных условиях эксплуатации.

К вспомогательным относят все остальные параметры, характеризующие условия технического обслуживания, ремонта и т.д.

Классификация строительных машин

В строительстве эксплуатируются более тысячи типоразмеров строительных машин различных по назначению, конструкции, принципу действия, размерам, мощности, производительности и т.п.

 

Строительные машины классифицируют: по назначению (технологическому признаку); режиму работы; виду силового оборудования; степени подвижности и универсальности.

По назначению строительные машины делят на следующие группы:

- транспортные;

- транспортирующие;

- погрузочно-разгрузочные;

- грузоподъемные;

- для земляных работ;

- для буровых работ;

- для свайных работ;

- для бетонных и железобетонных работ;

- для отделочных работ;

- ручные машины (механизированный инструмент).

Каждая группа машин разделяется на подгруппы. Каждая подгруппа объединяет машины отдельных типов различные по типоразмеру или конструкции отдельных узлов. Каждый тип имеет рад типоразмеров.

По режиму работы (принципу действия) различают машины:

- периодического (циклического) действия выполняющие работу путем периодического многократного повторения одних и тех же чередующихся рабочих и холостых операций с чередующейся выдачей продукции (строительные краны, одноковшовые экскаваторы, погрузчики, бульдозеры, скреперы и др.);

- машины непрерывного действия, выдающие или транспортирующие продукцию непрерывным потоком (конвейеры, многоковшовые экскаваторы, насосы для транспортирования смесей и д.р.).

По виду силового оборудования (типу привода) различают машины с приводом:

- от двигателей внутреннего сгорания (ДВС);

- от электродвигателей;

- от гидравлических двигателей;

- от пневматических двигателей;

- комбинированный привод (дизель-электрический, дизель-гидравлический, электрогидравлический, электропневматический, и т.п.)

По степени подвижности различают машины:

- стационарные;

- переносные;

- передвижные.

Передвижные машины передвигаются во время работы или при транспортировке и могут быть:

- самоходными,

- прицепными,

-полуприцепными к базовым тяговым средствам.

По степени универсальности различают машины:

- универсальные многоцелевого назначения, оснащаемые различными видами сменного рабочего оборудования, приспособлениями, комплектами для проведения различного вида работ и технологических операций;

- специализированные, имеющие один вид рабочего оборудования и предназначенные для выполнения только одного технологического процесса.

Индексация строительных машин

Минстройдормашем СССР была утверждена единая система индексации, в соответствии с которой каждой машине отечественным разработчиком присваивался индекс (марка), содержащая буквенное и цифровое обозначение. Этой системе индексации большинство производителей строительных машин придерживаются и сегодня.

Основные буквы индекса, располагающиеся перед цифрами обозначают вид машины.

Например, буквами ЭО обозначаются одноковшовые строительные экскаваторы, ЭТР – экскаваторы траншейные роторные, ЭТЦ - экскаваторы траншейные цепные, ДЗ – землеройно-транспортные машины, ДП – машины для подготовительных работ и разработки мерзлых грунтов, ДУ – машины для уплотнения грунтов и дорожных покрытий, ТЛ – лебедки, КС – краны стреловые, КБ – строительные башенные краны, СП – оборудование для погружения свай, БМ – бурильные и бурильно-крановые машины; СО – машины для отделочных работ, ТМ – погрузчики многоковшовые, ТО – погрузчики одноковшовые, ТП – подъемники, ТК – конвейеры и питатели, ИЭ - ручные электрические машины, ИП – пневматические машины, ИВ – вибраторы и т.п.

Цифровая часть индекса обычно означает техническую характеристику машины. После цифровой части в индекс могут быть включены дополнительные буквы, обозначающие порядковую модернизацию машины, вид ее специального климатического исполнения и т. п.

Требования, предъявляемые к строительным машинам

Строительная машина должна:

- соответствовать своему назначению и обеспечивать максимально возможную производительность и минимальную стоимость продукции при работе в данных конкретных условиях эксплуатации, а также приспосабливаться к меняющимся условиям эксплуатации.

- должна иметь минимальную массу, прочную, надежную и технологичную конструкцию с максимальным использованием в ней стандартных и унифицированных изделий,

- быть удобной для монтажа, перевозки, обладать необходимой устойчивостью,

- обладать высокой надежностью и долговечностью, отличаться простотой технического обслуживания и ремонта,

- быть экономичной в эксплуатации, обеспечивать безопасные условия труда, удобство работы и минимальную утомляемость обслуживающего персонала

- внешний вид машины должен отвечать требованиям современной технической эстетики,

Самоходные машины должны обладать высокой маневренностью и проходимостью.

Маневренность – способность машины передвигаться и разворачиваться в стесненных условиях с минимальным радиусом разворота.

Проходимость – способность машины преодолевать различные неровности местности и небольшие водные преграды, двигаться по грунтам со слабой несущей способностью и снежному покрову. (характеризуется силой тяги, удельным давлением на грунт, клиренсом)

3. Основные элементы строительных машин

Каждая машина состоит из сборочных единиц (элементов), выполняющих определенные функ­ции при ее работе:

- силовая установка (один или несколько двигателей) для получения механической энергии;

 

- рабочее оборудование (рабочий орган) для непосредственного воздействия на перераба­тываемый материал и выполнения заданного технологического процесса;

 

- ходовое оборудова­ние (у переносных и стационарных машин оно отсутствует) для передвижения машины и переда­чи ее веса и рабочих нагрузок на опорную поверхность;

- передаточные механизмы(транс­миссия), связывающие рабочее и ходовое (у самоходных машин) оборудование с силовым оборудованием;

 

- истема управления для запуска, останова и изменения режимов работы силового оборудова­ния, включения, выключения, реверсирования, регулирования скоростей и торможения меха­низмов и рабочего органа машины;

 

- несущая рама (шасси) для размещения и закрепления на ней всех узлов и механизмов машины.

 

Рис. Основные элементы строительных машин

Основное силовое оборудование, применяемое в современных строительных машинах:

- электро­двигатели постоянного и переменного тока с питанием от внешней силовой сети (стацио­нарные, переносные и передвижные машины);

- двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — карбюратор­ные и дизельные (последние наиболее распростране­ны), устанавливаемые преимущественно на передвижных (самоходных) строительных маши­нах (стреловые краны, погрузчики, экскаваторы и др.).

Электродвигатели отличаются удобством пуска и управления, простотой реверсирования, эконо­мичностью и пригодностью для индивидуального привода отдельных механизмов машин.

К преиму­ществам двигателей внутреннего сгорания отно­сится их автономность от внешнего источника энергии.

Дизельные двигатели являются основой комби­нированного дизель-электрического привода или дизель-гидравлического привода, ши­роко применяемого в самоходных строительных машинах (стреловых кранах, экскаваторах) с индивидуальным электрическим или гидравлическим приводом каждого рабочего механизма (т. е. многомоторным приводом).

Дизель-электрический и дизель-гидравлический приводы не зависят от внешних силовых электросетей и источников питания, упрощают кинематику машин (отсутствуют сложные механические трансмиссии, свойственные машинам с одномо­торным приводом) и обеспечивает в широком диапазоне плавное бесступенчатое регулирование рабочих скоростей исполнительных механизмов.

Привод – это совокупность силового оборудования, трансмиссии и систем управления, обеспечивающих приведение в действие механизмов машины и рабочих органов.

По системе приводов строительные машины подразделяются на машины с групповым и многомоторным приводом.

В первых – привод всех механизмов исполнительных рабочих органов осуществляется с помощью муфт, тормозов и механических передач.

Во вторых – каждый исполнительный механизм приводится в движение от индивидуального электро-, гидро- или пневмопривода.

Трансмиссии – это устройства, обеспечивающие передачу движения от силовой установки к исполнительным механизмам и рабочим органам машины. Они позволяют изменять по величине и направлению скорости, крутящие моменты и усилия.

По способу передачи энергии трансмиссии подразделяются:

- механические,

- электрические,

- гидравлические,

- пневматические

- комбинированные.

Одним из основных показателей эффективности работы трансмиссий является их коэффициент полезного действия (кпд):

,                                                                                                                

где N_им, N_су – мощность исполнительного механизма и силовой установки.

Кроме того, трансмиссии характеризуются передаточным отношением (передаточным числом):

,                                                                                                         

где ω_су, ω_им – угловые скорости вращения силовой установки и исполнительного механизма рабочего органа.

Механические трансмиссии включают в себя:

- механические передачи,

- валы и оси,

- подшипниковые опоры,

- муфты,

- тормоза,

- другие элементы, обеспечивающие передачу движения.

Механические передачи по принципу работы делятся на:

- передачи трением с непосредственным контактом тел качения (фрикционные) и с гибкой связью (ременные);

- передачи зацеплением с непосредственным контактом (зубчатые и червячные) и с гибкой связью (цепные).

В фрикционных передачах движение осуществляется с помощью сил трения скольжения.

 

Передаточное отношение фрикционной передачи определяется:

,                                                                                                              

где n₁, n₂ – частоты вращения ведущего и ведомого тел качения;

d₁, d₂ – диаметры поверхностей контакта ведущего и ведомого тел качения;

ζ – коэффициент, учитывающий упругое скольжение; для передач, работающих без смазки ζ = 0,995…0,990.

При выполнении одного из тел качения с переменным радиусом качения можно получить фрикционную передачу с переменным передаточным отношением (вариатор).

Достоинства фрикционных передач:

- простота формы тел качения,

- равномерность вращения.

Недостатки:

- большие нагрузки на элементы передачи,

- необходимость применения специальных прижимных устройств,

- опасность повреждения поверхности тел качения в случае буксования.

Простейшая ременная передача состоит из ведущего и ведомого шкивов и ремня, надетого на шкивы с натяжением, и передающего окружные усилия с помощью сил трения.

Ремни выполняют плоскими, клиновыми, круглого сечения, поликлиновыми и зубчатыми.

Необходимым условием работы ременной передачи является натяжение ремня, которое должно сохранятся в условиях эксплуатации.

Передаточное отношение ременной передачи с учетом наличия упругого скольжения ремня по шкивам определяется:

,                                                                                                                    

где n₁, n₂ – частоты вращения ведущего и ведомого шкивов;

D₁, D₂ – диаметры ведущего и ведомого шкивов;

ζ – коэффициент, учитывающий относительное упругое скольжение ремня; ζ = 0,99…0,98.

Зубчатые передачи с помощью зубчатого зацепления передают или преобразуют движение с изменением угловых скоростей и крутящих моментов.

Зубчатые передачи между параллельными осями осуществляются цилиндрическими колесами с прямыми, косыми и шевронными зубьями.

 

цилиндрическими колесами с прямыми, косыми и шевронными зубьями

Передачи между пересекающимися осями осуществляются коническими колесами.

 

Конические колеса с прямыми и косыми зубьями

Передачи между перекрещивающимися осями осуществляются винтовыми колесами.

 

Передача внутреннего зацепления;	зубчато-реечная передача

 

 

Меньшее зубчатое колесо в паре называется шестерней, большее - колесом.

Наиболее распространены передачи с зубчатым эвольвентным зацеплением.

Основными параметрами, определяющими зубчатую передачу, являются: модуль (p/π = d/z), число зубьев шестерни и колеса (z₁, z₂), передаточное число, межосевое расстояние и д.р.

Передаточное число зубчатой передачи определяется:

,                                                                              

где n₁, n₂ – частоты вращения шестерни и колеса;

z₁, z₂ – число зубьев шестерни и колеса.

Зубчатые колеса с рейкой служат для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот.

Зубчатые передачи в строительных машинах применяются наиболее широко в виду их достоинств:

- малые габариты,

- высокий кпд (η = 0,99…0,97),

- большая долговечность и надежность,

- постоянство передаточного отношения ввиду отсутствия проскальзывания,

- возможность применения в широком диапазоне крутящих моментов, скоростей, и передаточных отношений.

Червячные передачи передают вращение между перекрещивающимися осями и относятся к зубчато-винтовым передачам. Они состоят из винта – червяка с резьбой и косозубого червячного колеса с зубьями особой формы.

Передаточное число червячной передачи определяется:

,                                                                                          

где n₁, n₂ – частоты вращения червяка и колеса;

z₁ – число заходов червяка.

  z₂ – число зубьев колеса.

В строительных машинах применяются червячные передачи с передаточным числом u = 8…60 при числе заходов червяка z₁ = 4…1.

Кпд относительно не высок и составляет η = 0,90…0,65.

Применяются в передачах с небольшими мощностями – до 40…50 кВт и реже до 200 кВт при скоростях до 15 м/с.

Цепные передачи предназначаются для передачи движения между двумя параллельными валами при достаточно большом расстоянии между ними. Передача состоит из ведущей и ведомой звездочек и цепи, охватывающей их.

Передаточное число цепной передачи:

,                                                                                          

где n₁, n₂ – частоты вращения ведущей и ведомой звездочек;

z₁, z₂ – число зубьев ведущей и ведомой звездочек.

 

Достоинства цепных передач:

- передача движения на значительные расстояния,

- меньшие чем у ременных габариты,

- отсутствие скольжения,

- достаточно высокий кпд (η= 0,98…0,94),

- возможность легкой замены цепи.

  Недостатки относят:

- сравнительно быстрый износ цепей,

-более сложный уход – смазка и регулировка,

- значительные вибрации и шум при высоких скоростях.

Оси и валы  представляют собой стержни различных сечений, на которых устанавливаются вращаю­щиеся детали.

Их изготовляют из стального проката, поковок и штамповок, а в некоторых случаях из высокопрочного чугуна с дальнейшей обработкой на металлорежущих станках.

  Оси предназначены для поддержания деталей и узлов, вра­щающихся вместе с ними или относительно их (ось блока, барабана, ходового колеса).

Валы служат для передачи вращающего момента и вращаются вместе с закрепленными на них деталями (зубчатые колеса, шкивы, звездочки, маховики, барабаны и т.п.).

Различают валы прямые, коленчатые, гибкие

Валы: а — прямые; б — коленчатые; в — гибкие

В трансмиссиях машин наи­более распространены прямые валы.

Коленчатые валы служат в основном для преобразования поступательного движения во вращательное или наоборот.

Гибкие валы применяют для передачи вращения между узлами машин, меняющих свое относительное положение в процессе работ.

Подшипники являются опорами валов и вращающихся осей.

По виду трения подшипники делят:

- подшипники качения

- подшипники сколь­жения.

Подшипники качения состоят из внутренних и наружных опор­ных колец с дорожками качения, по которым перекатываются ша­рики или ролики различной формы.

Достоинства подшипников качения:

- не­значительными моментами сил трения,

- небольшой нагрев,

- небольшой расход смазоч­ных материалов,

- небольшие габариты,

- удобство и простота обслу­живания.

Подшипники скольжения состоят из корпуса и установленных в нем вкладышей, на которые опира­ются цапфы осей или валов.

Корпус подшипников выпол­няют из чугуна, реже из стали.

Вкладыши изготовляют из антифрикционных материалов (баббитов, свинцовистых бронз, чугунов, металлокерамики, пластмасс и др.), которые заливают или наплавляют на стальную, чугунную или бронзовую основу.

Рис. Подшипник скольжения с разъемным корпусом

По назначению муфты служат для:

 - соединения двух валов, расположенных на одной геометриче­ской оси или под углом друг к другу;

-соединения вала с зубчатым колесом, шкивом ременной пере­дачи и другими деталями;

- компенсации несоосности валов, что вызвано неточностью из­готовления или монтажа;

- включения и выключения одного из валов при постоянном вращении другого;

- предохранения узла или машины от перегрузки;

- уменьшения динамических нагрузок;

- обеспечения возможности одному из валов перемещаться вдоль оси и т.д.

По принципу действия муфты делят:

- механические (основные муфты в строительных машинах),

- электрические

- гид­равлические.

По виду управления механические муфты подразделяют:

- неуправляемые (постоянно действующие),

- управляемые (сцеп­ные),

- автоматические и специальные.

Наиболее распространенные неуправляемые муфты делят на жесткие, компенсирующие самоус­танавливающиеся и упругие.

 

Жесткие и компенсирующие муфты

Гидравлический привод используют главным образом для сообщения поступательного, воз­вратно-поступательного и вращательного движе­ния исполнительным механизмам и рабочему органу машины, а также в системах управления машиной. Привод состоит из насоса (или насосов), системы распределения, бака с жидко­стью, соединительных трубопроводов и гидравли­ческих двигателей поступательного (силовые гидравлические цилиндры) и вращательного (гидромоторы) действия.

В гидродвигателях давление рабочей жидкости, создаваемое гидро­насосом, преобразуется в поступательное движе­ние поршня со штоком или во вращательное движение ротора, связанных с рабочим органом.

Основными достоинствами гидравлического привода (по сравнению с механическим), определяющими его широкое применение в каче­стве силового оборудования строительных машин, являются:

высокий КПД;

экономичность;

удоб­ство управления и реверсирования;

способность обеспечивать большие передаточные числа;

бесступенчатое независимое регулирование в ши­роком диапазоне скоростей исполнительных механизмов;

простота преобразования враща­тельного движения в поступательное;

предохране­ние двигателя и механизмов от перегрузок;

компактность конструкции;

надежность в работе.

Пневматический привод состоит в основном из тех же элементов, что и гидравлический, но приводится в действие энергией сжатого до 0,8 МПа воздуха, вырабатываемого компрессорами.

Низ­кий КПД пневматического привода (вследствие утечки воздуха и падения давления в системе) ограничивает его применение в качестве силового оборудования.

Такой привод используют в паро-воздушных молотах для забивки свай, в ручных пневмомашинах и в системах управления строительных машин для плавного включения механизмов в работу и их торможения.

Ходовое оборудование, применяемое в строи­тельных машинах, делят:

- рельсовое;

- пневмоколесное;

- гусеничное.

Рельсовое оборудование имеют башенные, козловые и мостовые краны, подвесные электро­тельферы, копры и т. д. 

Пневмоколесное оборудование применяется для самоходных и прицепных строительных машин (стреловые краны, скреперы, погрузчики, одно­ковшовые строительные экскаваторы и т. п.), требующих значительной маневренности, мобиль­ности и скорости перемещения при работе и транспортировании, а также частых перебросок своим ходом с одного объекта на другой при движении по любым дорогам. Проходимость таких машин в условиях бездорожья обеспечива­ется за счет применения шин сверхнизкого давления, равного 0,02...0,08 МПа.

Гусеничное оборудование (обычно двухгусе­ничное) характеризуется сравнительно неболь­шим удельным давлением на грунт и применяется для самоходных строительных машин, часто передвигающихся с малыми скоростями в услови­ях плохих дорог и полного бездорожья. Погрузчики, стреловые краны и экскаваторы оснащаются нормальным гусеничным ходом для работы на уплотненных грунтах и уширенно-удлиненным гусеничным ходом для работы на слабых, переувлажненных и заболоченных грун­тах. Многие самоходные строительные машины монтируют на базе серийных автомобилей, трак­торов (колесных и гусеничных) и пневмоколесных тягачей.

Системы управления в строительных машинах могут быть:

- рычажные (механические) — с по­мощью рычагов, перемещаемых рукоятками и педалями;

- гидравлические (насосные и безна­сосные), где рычаги заменены полностью или частично гидравлическими устройствами;

- пневма­тические, отличающиеся от гидравлических тем, что в них вместо жидкости применяется сжатый до 0,7 МПа воздух;

- электрические — с помощью контроллеров, кнопок, магнитных станций — контакторов, тормозных электромагнитов и ко­нечных выключателей;

- смешанные — пневмоэлектрические, электрогидравлические и т. д.