1.4.2. Трансмиссии строительных машин

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. Трансмиссии также содержат элементы, предохраняющие двигатель и отдельные узлы от перегрузок. По способу передачи энергии трансмиссии подразделяют на механические, электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные. Наиболее распространены механические, гидравлические и комбинированные трансмиссии [8].

Механические трансмиссии включают в себя механические передачи, муфты, тормоза и 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).

К положительным свойствам механических трансмиссий в целом можно отнести сравнительную простоту конструкций, небольшую массу и стоимость, малую чувствительность к внешним температурам, возможность обеспечения достаточной надежности в работе для большинства элементов. Их недостатком является значительные потери энергии в фрикционных муфтах и тормозах, достаточно быстрый износ, ступенчатое изменение скоростей и усилий, сложность компоновки передач при большом числе скоростей и трудности автоматизации управления рабочим процессом.

Устранению многих из указанных недостатков способствовало совершенствование конструкций и широкое внедрение в строительных машинах гидромеханических трансмиссий, являющихся соединением механических и гидравлических трансмиссий.

Рис. 1.2. Оси и валы

Оси (рис. 7, а) предназначены для поддержания деталей и узлов, вращающихся вместе с ними, или относительно них (ось барабана, ходового колеса).

Валы служат для передачи крутящего момента и вращаются вместе с закрепленными на них деталями (зубчатые колеса, шкивы, маховики и т.п.). Различают валы прямые (рис. 7, б), коленчатые (рис. 7, в) и гибкие (рис. 7, г). Наиболее распространены прямые валы. Коленчатые валы служат в основном для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, или наоборот (двигатели и насосы). Гибкие валы применяют для передачи вращения между узлами машин, меняющими свое относительное положение в процессе работы (вал вибратора). Такие валы изготавливают из нескольких слоев стальной проволоки разного диаметра, плотно намотанных на сердечник. Для предохранения вала от повреждений и удержания на нем смазки его закрывают специальным кожухом.

Оси и валы выполняют в основном круглыми, сплошного или кольцевого поперечного сечения. Прямые валы и оси бывают постоянного диаметра по всей длине, или ступенчатыми, с различными диаметрами на отдельных участках. Ступенчатые валы и оси удобны для установки на них различных деталей, каждая из которых должна свободно перемещаться на своем месте. Для соединения с деталями на осях и валах нарезают шпоночные канавки, шлицы, резьбу, а иногда выполняют и профильные сечения.

Устройства, соединяющие валы и оси, называются муфтами. Они различаются между собой по конструкции, назначению, принципу действия и управления.

Остановы применяют в лебедках, талях и домкратах. Они предназначены для стопорения и надежного фиксирования поднятого груза в заданном положении, что позволяет валу или барабану лебедки вращаться в одном направлении и препятствует вращению в обратную сторону.

Тормоза уравновешивают целиком или частично крутящий момент на барабане или валу механизма тормозным моментом, возникающим от сил трения между контактирующими подвижными и неподвижными элементами тормоза. Подвижный элемент тормоза (шкив, диск) жестко соединен с затормаживаемым валом, а неподвижный (лента, колодка, диск) – с корпусом машины.

К элементам механических трансмиссий относят также реечные, винтовые, кривошипно-ползунные, эксцентриковые и кулачковые механизмы, а также подшипники, являющиеся опорами валов и вращающихся осей. По виду трения подшипники делят на подшипники качения и скольжения. Подшипники качения – это опоры вращающихся или качающихся деталей, использующие элементы качения (шарики или ролики) и работающие на основе трения качения. Подшипники скольжения – это опоры вращающихся деталей, работающих в условиях относительного скольжения поверхности цапфы по поверхности подшипника, разделенных слоем смазки.

Гидравлический привод (гидравлические трансмиссии) применяется в большинстве современных строительных машин (экскаваторов, кранов, подъемников, бульдозеров, скреперов и других) для передачи мощности от основного двигателя к рабочему органу и исполнительным механизмам, а также в системах управления машин. Он выполняется в виде силовой гидростатической (объемной) или гидродинамической передачи (гидромуфты, гидротрансформатора), которые устанавливают между основным двигателем и трансмиссией. Принцип действия таких передач основан на гидродинамической (то есть через жидкость) связи между их ведущими и ведомыми элементами. Гидростатический привод (рис. 1.3) отличается бесступенчатостью регулирования и плавностью работы, позволяет реализовать большие передаточные числа с одновременным преобразованием вращательного движения в поступательное и легко отключать ведущий орган машины от ведомого, заменить более тяжелую механическую трансмиссию и облегчить управление. Его недостатками являются более низкий, чем у механического привода КПД (η = 0,75…0,85 до 0,9), сравнительно небольшие величины хода рабочих органов, сложность ремонта, утечка масла [4].

Рис. 1.3. Схема объемного (гидростатического) привода

Рабочая жидкость (минеральное масло) всасывается из бака 1 шестеренным насосом 2, состоящим из пары находящихся в зацеплении зубчатых колес 3, ведущее из которых приводится во вращение от вала отбора мощности двигателя. Зубья колес перемещают жидкость так, что в зоне А создается вакуум, а в зоне Б – повышенное давление (обычно до 7,5 МПа), под действием которого жидкость через распределитель 5 с золотником 8 направляется в одну из полостей силового цилиндра 6. Одновременно из другой его полости масло сливается в бак через распределитель и фильтр 9. Предохранительный клапан 4, установленный на нагнетательной линии, перепускает жидкость в бак, если давление ее превысит допустимое. Изменение направления движения поршня 7 производят перемещением золотника 8 вручную или атоматически – посредством электромагнитов. Если необходимо регулировать скорость и вращающий момент на выходе гидропередачи, распределители снабжаются дросселями, изменяющими количество подаваемой в цилиндр жидкости.

Ценными свойствами гидродинамичеких передач являются: отсутствие жесткой связи между ведущим и ведомым валами; плавное автоматическое изменение крутящего момента на ведомом валу и числа его оборотов, а, следовательно, и скорости движения машины; сглаживание толчков, создаваемых ведущими ходовыми колесами машины, что повышает долговечность двигателя; проскальзывание ведущей части относительно ведомой при перегрузках строго определенной величины, предотвращающее поломки трансмиссии и повышающее долговечность машины. Наличие гидропередачи исключает чрезмерное возрастание силы тока в сети (обычно при подключении двигателя к нагруженной трансмиссии), что может привести к выключению автомата или повреждению электродвигателя [4].

Гидромуфта (рис. 1.4) состоит из расположенных с зазором насосного 1 и турбинного 2 колес, находящихся в корпусе 3, заполненном минеральным маслом. Насосное колесо насажено на ведущем валу 5, а турбинное – на ведомом 4. При вращении вала 5 приводится в движение насосное колесо. При этом находящееся в кожухе муфты масло движется от центра к периферии данного колеса с непрерывным возрастанием линейной скорости и увеличением давления. В процессе движения турбинное колесо всегда имеет меньшее число оборотов n_т, чем насосное n_н, причем в момент пуска n_т = 0. Избыток давления на выходе с лопаток насосного колеса по сравнению с величиной давления при входе на лопатки турбинного колеса обеспечивают переход масла через зазор и подачу его в турбинное колесо, которое при этом вращается в ту же сторону что и насосное.

Рис. 1.4. Схема гидромуфты

Разность n_н – n_т = S по аналогии с асинхронными электродвигателями называют скольжением и выражают в процентах от величины n_н.

Из турбинного колеса масло опять попадает в насосное и, продолжая перемещаться по замкнутому контуру, образует поток циркуляции масла в пространстве. На характеристике гидромуфты (рис. 1.5) по осям координат отложены моменты (М_т и М_н) и числа оборотов (n_т и n_н) насосного и турбинного колес в процентах от их максимальных рабочих, номинальных значений. Из графиков следует, что при идеальном холостом ходе муфты, когда скольжение равно нулю и, следовательно, n_т=n_н, она не передает никакого момента. Наоборот, при S = 100 %, то есть при неподвижном турбинном колесе n_т = 0, происходит передача максимального момента, в 6,5 раза превышающего его номинальное значение. Это бывает необходимо, например, при трогании машины с места. Наличие в гидромуфте двух колес, действие которых друг на друга согласно третьему закону Ньютона должно быть равно по величине и противоположно по знаку, не допускает изменения вращающего момента, передаваемого муфтой, поэтому коэффициент трансформации муфты равен

к = М_т/М_н = 1.

КПД гидромуфты достигает 97…98 %.

Рис. 1.5. Характеристика гидромуфты

Гидротрансформатор (рис. 1.6) состоит из трех основных элементов – насосного 1 и турбинного 2 колес и неподвижного направляющего аппарата 3 – реактора, соединенного с кожухом 14.

Рабочие колеса гидротрансформатора имеют изогнутые лопатки специальной формы. От коленчатого вала 8 двигателя вращение через маховик 7 передается насосному колесу 1, лопатки которого закручивают жидкость, создавая запас кинетической энергии вращательного движения, используемый для преодоления внешних сил сопротивления, действующих через трансмиссию на ведомый вал 15.

Из насосного колеса 1 жидкость последовательно проходит турбинное колесо 2, передающее движение трансмиссии, и неподвижный направляющий аппарат 3, образуя, как и в случае гидромуфты, поток циркуляции масла.

Коленчатый вал 8 приводит в движение также шестерённый насос 9, всасывающий из бака 5 через фильтр 6 масло и нагнетающий его в радиатор 10, откуда оно затем попадает в золотниковое устройство 12. Когда золотник 13 находится в нижнем положении, масло подается в рабочую полость гидротрансформатора.

Для отключения двигателя от трансмиссии золотник 13 штоком пневмокамеры 11 перемещается в верхнее положение. При этом масло попадает не в рабочую полость гидротрансформатора, а в струйный насос-эжектор 4, направляющий масло через сливную трубу в масляный бак. Эжектор 4 подсасывает масло из рабочей полости гидротрансформатора, нарушая гидравлическую связь между насосным 1 и турбинным 2 колесами, и отключает двигатель от ведомого вала.

Лопасти неподвижного колеса 3 расположены так, что выходящий из него поток жидкости безударно втекает в насосное колесо. Поэтому нагрузка последнего остается неизменной, не зависящей от скорости вращения турбинного колеса. Это значит, что двигатель машины, снабженный гидротрансформатором, работает с постоянным числом оборотов n _н = const и вращающим моментом M_н = const, независимо от изменения действующих на машину внешних сопротивлений («непрозрачная» характеристика) [4].

Рис. 1.6. Схема гидротрансформатора

Рис. 1.7. Характеристика гидротрансформатора

Величина передаваемого гидротрансформатором момента может автоматически изменяться в зависимости от соотношения между скоростями вращения насосного и турбинного колес. КПД гидротрансформатора достигает 90 %. Как следует из характеристики (рис. 1.7) к = М_т/М_н может быть как больше, так и меньше 1, причем максимум КПД (η) находится около к = 1. Применение гидротрансформатора позволяет ограничить динамические перегрузки, сокращая этим износ машины, повышает долговечность узлов трансмиссии, уменьшает время простоев и стоимость ремонтов.

Пневматический привод использует энергию сжатого в компрессорах до 0,5…0,8 МПа воздуха и применяется для питания пневматических инструментов, подъемников и различной аппаратуры при отделочных работах, для пневмотранспорта цемента, гипса, песка, извести, шлака, опилок, бетонных смесей и растворов, а также в системах ручного и автоматического управления, реже для привода строительных машин. Основными частями такого привода являются: компрессор с приводным двигателем и воздухосборником (ресивером), пневматические двигатели вращательного и возвратно-поступательного действия, соединительные воздухопроводы, регуляторы давления и предохранительные клапаны, воздушные фильтры и масловодоотделители. Отработанный воздух из пневмодвигателей выбрасывается непосредственно в атмосферу. Компрессоры приводятся в действие от электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания. Компрессор с приводом и вспомогательной аппаратурой называют компрессорной установкой, которая может быть переносной и передвижной. Передвижные установки, смонтированные на одноосных и двуосных тележках, прицепах, шасси грузовых автомобилей (самоходные установки) широко используют на строительно-монтажных работах. Переносные установки применяют в основном при выполнении отделочных работ небольших объемов. Компрессоры по принципу действия разделяют на поршневые, ротационные, турбинные, диафрагмовые и винтовые. Наиболее широко используются поршневые компрессоры одно- и двухступенчатого сжатия. В компрессорах одноступенчатого сжатия воздух сжимается до 0,2…0,25 МПа, двухступенчатого – до 0,8 МПа [4].

На рисунке 1.8 приведена схема поршневого двухступенчатого компрессора. При вращении коленчатого вала 1 двигателя 14 и перемещении поршня 10 в цилиндры первой ступени сжатия 11 через воздушный фильтр 8 и всасывающие клапаны 9 поступает воздух, который сжимается и, преодолевая сопротивление пружин нагнетательных клапанов 7, проходит по трубе 6 в холодильник 3, а затем поступает в цилиндры второй ступени сжатия 18. Там воздух вторично сжимается и по трубе 19 поступает в ресивер 4. Для предотвращения утечки воздуха из ресивера служит обратный клапан 20. Компрессор снабжен парой предохранительных клапанов высокого 21 и низкого 5 давления, вентилятором 2, двумя манометрами М и автоматическим регулятором, состоящим из сервомеханизма 17, датчика 16 и регулятора скорости 12, соединенного с дроссельной заслонкой 13 карбюратора двигателя 14.

Автоматический регулятор предназначен для ограничения давления в воздухосборнике и уменьшения числа оборотов двигателя во время холостой работы компрессора при отсутствии потребления сжатого воздуха. При повышении давления в воздухосборнике сверх допустимой величины плоский клапан датчика 16, преодолевая сопротивление его пружины, открывает канал 15, для пропуска сжатого воздуха к сервомеханизму 17 и регулятору скорости 12. Поршень последнего через систему рычагов воздействует на дроссельную заслонку 13, снижая число оборотов двигателя. Одновременно поршень сервомеханизма 17 отходит влево, сжимая пружину и открывая выход воздуха в атмосферу. При понижении давления в воздухосборнике до требуемой величины клапан датчика 16 опускается, и сжатый воздух из сервомеханизма и регулятора скорости выходит через клапан датчика в атмосферу. Одновременно поршни сервомеханизма и регулятора скорости под действием пружин приходят в исходное положение, возобновляя нормальную работу компрессора. Промежуточное охлаждение необходимо, так как при температуре 150–160 °С может произойти разложение масла, применяемого для смазки цилиндров, а при температуре 220–250 °С – его воспламенение.

Рис. 1.8. Схема устройства поршневого компрессора двухступенчатого сжатия

Ротационные компрессоры выгодно отличаются от поршневых небольшими габаритами и весом, не требуют устройства кривошипного механизма и нагнетательных клапанов, допускают прямое соединение с электродвигателем и позволяют получить равномерную подачу воздуха. К недостаткам этих компрессоров относятся: большое потребление электроэнергии, значительный расход смазочного масла, повышенный износ корпуса, а также обычно несколько меньшее значение КПД.

Рис. 1.9. Схема ротационного компрессора

Ротационные компрессоры (рис. 1.9) представляют собой цилиндр 8, в котором вращается эксцентрично расположенный ротор 9. В пазах ротора расположены лопатки 7, которые при вращении последовательно проходят расширяющуюся и сужающуюся части серповидного пространства между ротором и корпусом и, под действием центробежных сил, плотно прижимаются к внутренней поверхности цилиндра. Между лопатками и цилиндром образуются полости-ячейки 1…6, в которых происходят процессы всасывания воздуха 1…2, его сжатия 3…4 и нагнетания в воздухосборник 5…6. В период сжатия воздуха во внутреннюю полость компрессора автоматически впрыскивается масло, которое охлаждает сжатый воздух, смазывает трущиеся детали и улучшает компрессию, образуя масловоздушную смесь. Промышленностью выпускаются передвижные ротационные компрессоры производительностью до 10 м³/мин с давлением до 0,8 МПа.

На рисунках 1.10…1.12 представлены схемы установок и их отдельных элементов для механизированного нанесения штукатурного раствора и окрасочных составов.

а) а) пневмокраскораспыление Р=0,4…0,6 МПа

а) нагнетание Р=6…23 (42) МПа

б)

Рис. 1.10. Нанесение окрасочных составов:

а) схема компрессорного окрасочного агрегата для механизированного нанесения малярных составов:

1 – компрессор; 2 – нагнетательный бак; 3 – воздушный шланг; 4 – материальный шланг;

5 – пистолет-пневмокраскораспылитель; 6 – масловодоулавливатель; 7 – материальный шланг высокого давления; 8 – пистолет-краскораспылитель;

б) схема пистолета-распылителя: 1 – ручка; 2 – воздушный клапан; 3 – регулировочный винт;

4 – запорная игла игольчатого клапана; 5 – головка с отверстием; 6 – курковый включатель иглы и клапана

Рис. 1.11. Схема механизированного нанесения штукатурного раствора:

1 – растворосмеситель; 2 – рама; 3 – растворопровод; 4 – форсунка; 5 – приемный лоток готовой растворной смеси; 6 – бункер; 7 – вибросито; 8 – компрессор; 9 – растворонасос; 10 – фланцевое соединение звеньев растворопровода; 11 – штуцер; 12 – инвентарный растворопровод; 13 – воздушный шланг; 14 – резиновый шланг; 15 – побудитель раствора бункера; 16 – воздушный вентиль

а) б)

Рис. 1.12. Схема устройства пневматических форсунок для нанесения штукатурного раствора:

а) с центральной подачей сжатого воздуха; б) с кольцевой подачей сжатого воздуха;

1 – подача воздуха или воды; 2 – подача раствора; 3 – вентиль

Исполнительные приборы подключаются к ресиверу компрессора с помощью резиновых шлангов. Часовая производительность компрессора

Ф_к = β·n·m·W_к,

где β = 1,3…1,4 – коэффициент запаса;

n – число потребителей;

m – число включений в час;

W_к – расход воздуха на 1 операцию, м³.

Объем ресивера

V = ,

где α – коэффициент запаса на объем ресивера;

W0 – секундный расход воздуха, м³;

t = 20…30 с – время подкачки;

ρmax – максимальное давление в ресивере.

Диаметр трубопровода

d = 2 ,

где υ – скорость потока воздуха в трубопроводе, равная 10…20 м/с.