Строительные машины, рассматриваемые как системы, могут быть представлены структурными схемами, отражающими количество, функциональное назначение и взаимосвязи их основных элементов, играющих роль подсистем.На рис.3 рядом со структурными схемами показаны схемы общего вида соответствующих машин.
Любая строительная машина, кроме рабочего органа, должна иметь силовую установку, так как воздействие на обрабатываемый материал производит в сущности не сам рабочий орган, а та энергия, которую он получает от силовой установки. Эта энергия поступает к рабочему органу через связывающие его с силовой установкой устройство, называемой трансмиссией.
Таким образом, в принципе, необходимым и достаточным условием образования строительной машины является наличие в ней трёх основных системообразующих элементов:
- рабочего органа;
- силовой установки;
- и трансмиссии, размещаемых обычно наобщей базе
(раме, станине).
Определённое условное исключение составляют некоторые простые ручные машины (рычаги, клин и др.), например, в структурную схему рычага (рис.3 а), состоящего фактически из одгой части – рабочего органа, входят два элемента – рабочий орган Р и связанная с ним временной кинематической связью 1 мускульная сила С′, выполняющая функции силовойустановки. Но и в такой машине роль третьего элемента – трансмиссии – выполняет сам рычаг; базовым елементом служит временная опора (грунт), без которой использование рычага невозможно.
Большую группу современных ручных машин представляют такие машины, как домкраты, лебёдки, лёгкие строительные краны (рис.3 б), приводимые в действие мускульной силой С′, но имеющие кроме рабочего органа Р и связанную с ним постоянной кинематической связью 2 трансмиссию Т на общей базе (раме) Б.
В настоящее время ручніе машині повсеместно вітесняются приводніми, имеющими собственную силовую установку.
В структурные схемы относительнонесложных современных машин, например, электролебёдок, механизированного инструмента, лёгких передвижных кранов (рис.3 в) входят все три основных элемента: рабочий орган Р, силовая установка, связывающая их постоянными кинематическими связями 2, трансмиссия и объединяющий элемент – база Б.
Основную часть всех машин, используемых на строительных работах, составляют современные высокопроизводительные самоходные машины (землеройные, грузоподъёмные. Специальные путевые и мостовые). Такие машины, например, путеукладчик (рис.3 г) и стреловой автомобильный кран (рис.3 д), кроме трёх основных элементов Р, С и Т, размещённых на общей базе Б имеют в структурной схеме дополнительные элементы в виде систем управления У машино й (с прямыми 3 и обратными 4 связями) и специальных ходовых Х и опорно-поворотных ОП частей.
Силовая установка, трансмиссия и система управления в совокупности образуют так называемый привод машины, уровень конструктивного совершенства которого, в основном, определяет степень совершенства машины в целом.
Рис.3. Структурные и конструктивные схемы машин.
Конструктивные элементы машины. Современная сторительная машина представляет собой комплекс взаимосвязанных конструктивных элементов, объединяемых по принципу комплектования (монтажа) деталей и сборочных единиц в узлы и механизмы, узлов и механизмов – в части машин и частей – в машину в сборе (рис.4).
Рис. 4. Принципиальная схема сборки машины.
Основные определения
Машина - устройство, выполняющее механические движения для преобразова-
ния энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения
физического и умственного труда.
Энергетическими машинами называются устройства, предназначен-
ные для преобразования одного вида энергии в другой.
К использованию на строительных роботах энергетическим машинам относятся:
- двигатели внутреннего сгорания (ДВС);
- и электродвигатели,
- а также приводимые в действие от ДВС передвижные электростанции, ком-
прессоры, гидравлические насосы и электросварочные агрегаты.
Технологическими машинами называются устройства, предназна-
ченные для превращения приводящей их в действие энергии в полезную
роботу.
Каждая машина представляет собой механизм или комплекс механизмов, сконструированных для выполнения полезной работы.
Механизм – это искусственно созданная кинематическая цепь взаимосвязанных
элементов (подвижных деталей и узлов), обеспечивающих передачу
движения или изменение его фоормы, направления, скорости.
Прибор - устройство, предназначенное для измерений, производственного
контроля, управления, регулирования и других функций, связан-
ных с получением, преобразованием и передачей информации.
Каждая машина состоит из сборочных единиц (элементов), выполняющих определенные функции при ее работе. Основными узлами строительных машин являются:
▪ рабочее оборудование – для непосредственно воздействия на пере-
рабатываемый материал и выполнения заданного технологическо-
го процесса (выполняет рабочие операции: ковш скрепера, каток
или плита трамбовки, отвал бульдозера и т.д.). Рабочие органы
должны легко поддаваться монтажу и демонтажу;
▪ силовое оборудование – (один или нескольких двигателей: ДВС, эл.
двигателей) для получения механической энергии;
▪ трансмиссия - предназначена для передачи движения от двигателя к
рабочему органу, ходовому оборудованию и другим узлам машины.
Она обеспечивает необходимые передаточные отношения, пере-
стройку на различные передаточные отношения и безступенчатое
регулирование, а также реверсивный ход;
▪ ходовое оборудование - (у переносных и стационарных машин оно
отсутствует) служит для передвижения машины, поддерживания
рамы, несущей основную конструкцию машины, и передачи давле-
ния на опорную поверхность (например, на грунт);
▪ платформа или несущая рама - для размещения и закрепления на
ней всех узлов и механизмов машины Основное требование к ра-
ме: высокая прочность и жёсткость конструкции;
▪ система управления - для управления и регулирования работы всех
механизмов и оборудования.
Силовое оборудование, трансмиссия и управление называются приводом.
Сборочная единица (узел) - изделие или часть его (часть машины,
имеет, как правило, определенное функциональное назначе-
ние) – группа неподвижно или подвижно соединённых деталей
в сборе, работающих в комплексе и объединённых общим на-
значением, составные части которого подлежат соединению
между собой на предприятии-изготовителе (например, под-
шипник, редуктор, муфта).
Характерной особенностью современного конструирования основных узлов является компактность их исполненияв виде блоков, что обеспечивает лёгкость их демонтажа и монтажа при замене в машине.
Агрегат (от лат. aggreg o – «присоединяю »)- укрупненный унифицированный
элемент машины (например, в автомобиле: двигатель, топли-
воподающий насос), обладающий полной взаимозаменяемо-
стью и выполняющий определенные функции в процессе ра-
боты машины.
Деталь - наименьшая неделимая (не разбираемая) часть машины, агрегата,
механизма, прибора, узла; изготовленная из однородного по
наименованию и марки материала, без примененмя сбороч-
ных операций (например: винт, гайка и т.д.).
В современных сложных машинахколичество деталей нередко достигает 30-50 тыс. штук.
В зависимости от сложности изготовления детали, в свою очередь, делятся на:
- простые - для своего изготовления требуют небольшого числа уже
известных и хорошо освоенных технологических операций и
изготавливаются при массовом производстве на станках-ав-
томатах (например, крепежные изделия - болты, винты, гайки,
шайбы, шплинты; зубчатые колеса небольших размеров и
т.п.);
- и сложные - имеют чаще всего достаточно сложную конфигурацию, а
при их изготовлении применяются достаточно сложные тех-
нологические операции и используется значительный объем
ручного труда, для выполнения которого в последние годы
все чаще применяются роботы (например, при сборке-сварке
кузовов легковых автомобилей).
Сборочные единицы (узлы) и детали делятся на:
■ узлы и детали общего назначения - применяются в большинстве со-
временных машин и приборов (крепежные детали: болты, винты,
гайки, шайбы; зубчатые колеса, подшипники качения и т.п.). Имен-
но такие детали изучаются в курсе деталей машин.
Детали общего назначения можно подразделить на три основные группы:
▪ базовые детали – являются основой сборки и компановки узлов, механизмов и частей машины. К ним относятся несущие детали металлоконструкций машин (станины, платформы, рамы, ригели); силовые корпусные детали я9картеры двигателей, корпуса редукторов, коробок скоростей и др.); несущие опорные детали (направляющие, ползуны, кронштейны).;
▪ детали передач – представляют наиболее широкую номенклатуру деталей трансмиссий, обеспечивают передачу различных форм движения. В строительных машинах наиболее широко используются детали передач вращательного движения;
▪ соединительные детали – выполняют ответственную функцию обеспечения надёжного сопряжения взаимосвязанных сборочных единиц, узлов и частей машины. Вид применяемых соединительных деталей определяется характером (конструкцией) соединения.
■ и специального назначения - такие узлы и детали, которые входят в
состав одного или нескольких типов машин и приборов (например,
поршни и шатуны ДВС, лопатки турбин газотурбинных двигателей,
траки гусениц тракторов, танков и БМП) и изучаются в соответст-
вующих специальных курсах (например, таких как "Теория и конст-
рукция ДВС", "Конструкция и расчет гусеничных машин" и др.).
Индексация строительных машин. На все выпускаемые строительные машины распространяется единая система индексации, в соответствии с которой каждой машине разработчиком присваивается индекс (марка), содержащий буквенное и цифровое обозначение. Основные буквы индекса, располагаемые перед цифрами, обозначают вид машины. Например,
- ЭО - буквенная часть индекса одноковшовых строительных экскаваторов;
- ЭТР - экскаваторов траншейных роторных;
- ЭТЦ цепных экскаваторов;
- ДЗ - землеройно-транспортных машин;
- ДП - машин для подготовительных работ и разработки мерзлых грунтов;
- ДУ - машин для уплотнения грунтов и дорожных покрытий;
- КС - кранов стреловых самоходных;
- КБ - строительных башенных кранов;
- СП - оборудования для погружения свай;
- БМ - бурильных и бурильно-крановых машин;
- СО - машин для отделочных работ;
- ТЛ - лебедок;
- ТМ - погрузчиков многоковшовых;
- ТО - погрузчиков одноковшовых;
- ТП - подъемников мачтовых строительных;
- ПГП - подъемники грузопассажирские;
- ТК - конвейеров и питателей;
- КО - машин для уборки и очистки городов;
- ИЭ - ручных машин электрических;
- ИП - пневматических;
- ИВ - вибраторов;
- ТЦ - автоцементовозы;
инструменты (ручные машины);
- ИЭ -электрические инструменты (ручные машины);
- ИП - пневматические инструменты (ручные машины);
и т.п.
Цифровая часть индекса означает техническую характеристику машины.
После цифровой части в индекс могут быть включены до-полнительные буквы, обозначающие порядковую модернизацию машины, вид ее специального исполнения и т.п.
Т.о., индексация машин - это условное буквенно-цифровое обозначение (индекс), отражающее модель машины и ее главный параметр (параметры).
Общее буквенно-цифровое обозначение машин предусматривается ГОСТ. Однако индексы машин, присваиваемые им заводами-изготовителями, иногда отличаются от установленных ГОСТ.
Для экскаваторов, стреловых и башенных кранов принята комбинированная индексация, включающая следующие характеристики:
- 1-я цифра — размерная группа;
- 2-я — тип ходового устройства,
- 3-я — исполнение рабочего оборудования,
- 4-я — порядковый номер модели.
Буквы в индексе, которые стоят после цифр, обозначают:
- очередную модернизацию (А, Б, В, Г);
- климатическое исполнение (ХЛ - холодного климата, Т - тропическое,
ТВ - тропическое влажное; машины для умеренного климата не имеют
такого обозначения).
Для башенных кранов предусмотрены такие обозначения;
- Г - для гидротехнического строительства (КБГ);
- Р - для ремонта зданий (КНР);
- М - модульные краны (КБМ).
Номер размерной группы башенных кранов (номинальный грузовой момент, т-м), 1-я -до 25; 2-я - 60; 3-я - 100, 4-я - 160, 5-я - 250. 6-я - 400, 7-я - 630, 8-я - 1000, 9-я - более 1000.
Порядковые номера модели для кранов с поворотной и неповоротной башнями соответственно 01-69 и 71-99.
Иногда строительные ведомства, заводы-изготовители присваивают свои индексы кранам:
- СКГ-401 - специальный кран гусеничный грузоподъемностью 40т, 1-я
модель;
- МКГ-25БР - монтажный кран гусеничный грузоподъемностью 25 т. Ба-
шенное оборудование, с раздвижными тележками;
- ДЭК-252 - дизель-электрический кран грузоподъемностью 25 т, 2-я
модель;
- МСК-10-20 - монтажный специальный кран башенный грузоподъемно-
стью 10 т, вылет 20 м;
- МКГ1-25 - монтажный кран пневмоколесный грузоподъемностью 25 т,
- МКТТ-100 - монтажный кран с телескопической стрелой на базе тягача,
грузоподъемностью 100 т,
- МКАТ-40 - монтажный кран автомобильный с телескопической стре-
лой, грузоподъемностью 40 т; СМК-12 - специальный мон-
тажный кран грузоподъемностью 12 т,
- АБКС-6 - авто мобильный башенный кран для сельского строительства
грузоподъемностью 6,3 т.
Грузопассажирским подъемникам присвоены индексы:
- ПГС-800 - подъемник грузоподъемностью 800 кг;
- МГПС-1000 - мобильный грузопассажирский строительный подъем-
ник грузоподъемностью 1000 кг.
Автоподъемники и вышки индексируются различно:
- АГП-28 - автогидроподъемник, высота подъема - 28 м;
- ВС-18 - вышка строительная, высота подъема - 18 м.
В настоящее время в отечественном машиностроении широко внедряются унификация и агрегатирование.
Унификация заключается в рациональном сокращении числа типов, видов, размеров конструктивных элементов машин одинакового функционального назначения.
Агрегатирование (внедрение блочных конструкций) позволяет, используя унифицированные блочные узлы и различные компановочные схемы, создавать большую и разнообразную номенклатуру машин и отдельных механизмов.
По универсальности различают:
- машины специальные, предназначенные для выполнения
только одной технологической операци;
- и машины универсальные, имеющие рабочий орган (смен-
ный комплект), позволяющий выполнять несколько рабочих
операций.
Все строительные машины по источнику потребляемой энергии могут быть разделены на:
- машины, работающие от собственной энергетической установки;
- и машины, использующие энергию, подведенную извне - относятся
машины с электрическими двигателями, питаемыми от внешней сети,
и машины с пневматическим приводом.
В зависимости от конструктивного исполнения основных структурных элементов современные строительные машины можно классифицировать следующим образом.
По автономности различают машины автономные, имеющие собственный источник энергии –двигатель внутреннего сгорания (первичный двигатель) и неавтономные, имеющие в качестве силовых установок электрические, гидравлические,пневматические двигатели (вторичные двигатели), требующиеэнергии от посторонних источников.
По характеру привода различают машины:
- с групповым (однодвигательным) приводом - энергия к рабочему орга-
ну и вспомогательным механизмам (самохода, поворота и т.п.) перен-
даётся через трансмиссию машины от её единственного первичного
или вторичного двигателя;
- и индивидуальным (многодвигательным) приводом - рабочий орган и
вспомагательные механизмы приводятся в движениеот нескольких
вторичных двигателей, питаемых энергией от собственной силовой
установки машины или от постороннего источника.
По степени подвижности в зависимости от вида ходовых частей различают машины:
- передвижные (на салазках, катках) - перемещаются вручную или с по-
мощью тяговых средств;
- прицепные (на колёсном или гусеничном ходу) - транспортируются ко-
лёсными или гусеничными тягачами иобычно работают в сцепе с ними;
- самоходные (на пневмоколёсном, гусеничном или железнодорожном
ходу) - перемещаются самостоятельно. Часто самоходные машины
монтируются на базе автомобилей, тракторов и пневмоколёсных тяга-
чей и имеют отдельный ходовой двигатель (ДВС). Некоторые самохо-
дные машины имеют ходовые части, позволяющие им передвигаться и
по грунтовим и по железным дорогам.
По режиму работы систем управления различают машины:
- с ручным управлением;
- полуавтоматическим управлением;
- и автоматическим управлением.
Требования к строительным машинам. Основными требованиями, предъявляемыми к деталям машин, являются требования:
• работоспособности;
• и надежности.
К деталям, непосредственно контактирующим с человеком-оператором (ручки и рычаги управления, элементы кабин машины, приборные щитки и т.п.), кроме названных предъявляются требования:
• эргономичности;
• и эстетичности.
Работоспособность - состояние изделия, при котором в данный момент
времени его основные параметры находятся в пределах, установлен-
ных требованиями нормативно-технической документации и необходи-
мых для выполнения его функциональной задачи.
Обеспечение работоспособности машины при длительном сроке службы и минимальной стоимости количественно оценивается следующими показателями:
1. Прочность - способность детали выдерживать заданные нагрузки в течение заданного срока без нарушения работоспособности.
Прочность детали зависит от характера приложения нагрузки, размеров и формы детали, а также материала, из которого она изготовлена. Размеры, форма детали, материал и его обработка должны быть такими, чтобы напряжения, возникающие при работе детали, не превосходили допустимых величин.
Основное условие прочности:
σ ≤ [ σ ] или ד ≤ [ד], (1)
где [ σ ]= σnред / n или [ד]=ד пред / n;
здесь n – коэффициент запаса прочности;
σnред , ד пред – предельное нормальное и касательное напряжения, при
которых деталь выходит из строя;
[ σ ] и [ד] – допускаемые нормальное и касательное напряжения.
Запас прочности назначают на основе:
1) коэффициента n1, учитывающего однородность физико-механических
свойств материала (для стальных деталей n1= 1,2÷1,5, для чугунных
n1= 1,5÷2,5);
2) коэффициента n2, учитывающего достоверность определения рас-
чётных нагрузок и напряжений (n2= 1,0÷1,5);
3) коэффициента n3, учитывающего специфические условия работы
(n3= 1,0÷1,5).
Коэффициент запаса прочности
n = n1 · n2 · n3. (2)
Для машин и устройств, работа с которыми опасна для жизни, запас прочности регламентирован нормами Гостехнадзора.
2. Жесткость - способность детали выдерживать заданные нагрузки без изменения формы и размеров.
Чтобы обеспечить жёсткость детали, размеры и материал её выбирают такими, чтобы под влиянием действующих нагрузок величина деформации её не превосходила заданную, иначе работа машины нарушится. Например, при недостаточной жесткости вала, т.е. при его изгибе, может нарушиться работа зубчатого сцепления.
Различают:
- собственную жёсткость деталей – когда деформируется весь объём
материала (например, при изгибе вала);
- и контактную жёсткость – когда деформируются поверхностные
слои материала (например, смятие поверхностей зубьев зубчатых ко-
лёс в местах их контакта).
3. Износостойкость - способность детали сопротивляться изнашиванию. Различают износ:
- механический – так называемое абразивное изнашивание;
- коррозийно-механический – при котором появляющаяся на материале
коррозия при совместном движении деталей увеличивает их износ.
Износостойкость повышается при смазке трущихся поверхностей и снижении удельных давлений между ними. В результате трения между деталями или из-за других условий протекания рабочего процесса детали нагреваются. Тепло от нагретых поверхностейследует отводить. Для этого поверхности делают достаточно большими или их обдувают вентиляторами; применяют и другие способы.
4. Стойкость к специальным воздействиям - способность детали сохранять работоспособное состояние при проявлении специальных воздействий (теплостойкость, вибростойкость, радиационная стойкость, коррозионная стойкость и т.п.).
Неработоспособное состояние наступает вследствие отказа.
Отказ - событие, нарушающее работоспособность. Отказы делятся на по-
степенные и внезапные; полные и частичные; устранимые и неуст-
ранимые.
Надежность - свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя
свои показатели в пределах, установленных требованиями норма-
тивно-технической документации, при соблюдении заданных усло-
вий использования, обслуживания, ремонта и транспортирования
(определяется по ДСТУ 2860-94 ( ДЕРЖАВНИЙ СТАНДАРТ УКРАЇ-
НИ. Надійность техніки. Терміни та визначення.).
Свойство надежности количественно оценивается следующими показателями: наработкой на отказ (среднее время работы изделия между двумя, соседними по времени отказами), коэффициентом готовности или коэффициентом технического использования (отношение времени работы изделия к сумме времен работы, обслуживания и ремонта в течение заданного срока эксплуатации), вероятностью безотказной работы и некоторыми другими.
С троительные машины должны обеспечивать необходимую производительность и работоспособность при работе в любое время года и суток, при разнообразных атмосферных условиях и температурах окружающего воздуха +40 - 40 ° С, в стесненных условиях строительной площадки, поэтому к машине предъявляют ряд требований исходя из конкретных условий эксплуатации. В их числе:
Другие требования:
- экономичность в эксплуатации - обеспечение минимального расхода энергоресурсов (электроэнергии или топлива), смазочных и других эксплуатационных материалов на единицу вырабатываемой продукции, а также трудозатрат на управление машиной и уход за ней. Экономичность определяется также меньшей стоимостью машины, которая зависит от технологичности в изготовлении, меньшей трудоемкости и металлоемкости;
- транспортабельность - возможность перемещения машины самоходом или перевозки ее на транспортных средствах по шоссейным и железным дорогам в собранном виде или разъединенной на минимальное число частей;
- ремонтопригодность - возможность удобного технического обслуживания и ремонта машины для поддержания ее в работоспособном состоянии. Лучшая ремонтопригодность у машины, состоящей из отдельных сборочных единиц, легко отсоединяемых друг от друга, при условии, что отсоединение какой-либо сборочной единицы не вызывает демонтаж смежных;
- удобство монтажа и демонтажа машин. Наилучшими условиями монтажа при передислокации с одного места работы машины на другое считают такие, при которых не требуются дополнительные грузоподъемные средства;
- требования эргономики - обеспечение благоприятных условий для рабочих, занятых управлением машиной, минимальная утомляемость и определенные комфортные условия;
- эстетические требования - обеспечение красивой внешней формы, хорошей отделки и окраски.
Для самоходных машин в числе предъявляемых требований обязательными являются:
- маневренность (подвижность) машины — способность разворачиваться в естественных условиях с минимальным радиусом поворота Rп (см рис.) при заданной колее В и базе L:
Rп = L/sin а, (3)
где α- максимально возможный угол поворота наружного колеса; чем боль-
ше α, тем меньше радиус поворота машины.
Маневренность определяется также возможностью быстрого перевода (перенастройки) их рабочего положения в транспортное и способностью перемещаться по строительному участку и вне его, от одного места работы к другому с достаточной по производственным условиям скоростью;
- проходимость - это способность преодолевать неровности местности и неглубокие водные преграды, проходить по влажным и рыхлым грунтам, снежному покрову и т. д. Проходимость определяется величиной дорожного просвета (клиренсом) — С, продольным R1 и поперечным R2 радиусами проходимости колесных машин, а также удельным давлением на грунт или дорожное покрытие;
- устойчивость машины -это способность противостоять действию сил, стремящихся ее опрокинуть. Чем ниже центр тяжести машины и чем больше ее опорная база, тем устойчивее машина. Устойчивость машины характеризуется коэффициентом устойчивости k.
Особенности расчёта. Существует два метода расчёта механизмов:
- кинематический расчёт;
- силовой расчёт.
Задачей кинематического расчёта является выбор типа механизма и определение таких размеров его звеньев, при которых механизм обезпечил бы перемещение исполнительного органа (ведомого свена) по заданному закону. В зависимостьи от вида и характера движения исполнительного органа в выполняемой им операции требуемый закон его движения определяется различными кинематическими параметрами.
Методы определения размеров звеньев и расчёта элементов кинематических пар различны для механизмов разных типов.
Используются как аналитические, так и графические методы анализа и синтеза механизмов.
Одним из существенных преимуществ аналитических методов является то, что они позволяют определить влияние изменения численных значений отдельных параметров на конечные результаты расчёта. Это особенно важно в том случае, когда из ряда вариантов надо выбрать оптимальный.
По мере оснащения конструкторских бюро современными быстродействующими счётно-решающими машинами применение аналитических методов расширяется.
Графические методы имеют значительно большую наглядность, но позволяют получить основные характеристики исследуемой схемы лишь при однозначных значениях её основных параметров.
При силовом расчёте если ведомое звено механизма движется равномерно, то основным методом силового расчёта является статический (если силы инерции звеньев по сравнению с другими, приложенными к механизму силами невелики, то ими при определении давлений в парах пренебрегают, силы инерции в уравнения равновесия не включают. В этом случае на основе принципа независимости действия сил определяют давления в кинематических парах только от сил полезных сопротивлений.).
Для механизмов, работающих в неустановившемся режиме, основным методом силового расчёта является кинетостатический (в расматриваемые уравнения статики входят и силы инерции) вне зависимости от характера движения их ведомых звеньев.
Методы кинематического и силового расчётов различны для механизмов разных типов.