Строительные машины в современном строительном производстве

Распределительно-преобразующе устройство (РПУ) является связующим звеном между  силовой и информационной частями привода. Оно управляет энергопотоками,  приводимыми и отводимыми от двигателя, с преобразованием их в управляющие воздействия.

Рис 1.2. Структура привода “в малом” (без учета трансмиссии):

Д- двигатель, РПУ- распределительно-преобразовательное устройство, СУ- система управления.

 

Форма первичной энергии двигателя  зависит от источника питания  и может быть тепловой – при  питании дизельным и бензиновым топливом, электрической – при питании от электросети. (Источник питания может быть как внутренним, расположенным на самой машине, так и внешним – вне её пределов.) Процесс преобразования определяется конструкцией двигателя^*, зависящей от источника энергии.

Выходными характеристиками двигателей являются зависимость свободной (эффективной) механической мощности, реализуемой на его выходе от скорости движения выходной детали. Для двигателей вращательного типа^**, составляющих подавляющее большинство, указанная зависимость выражается функцией N ( ) или N (n), где - угловая частота вращения вала, рад/с, n – число оборотов вала, об/мин. Мощностные характеристики N ( ) являются результатом процессов преобразования энергии, получаемой двигателем от источника энергии, с учётом её общих потерь, имеющих место как в процессе внутреннего преобразования энергии (обозначают их индексом «i»), так и при механической передаче их валу (обозначают их индексом «м»). Для оценки потерь мощности используют понятие  коэффициента полезного действия КПД, обозначая его . КПД есть отношение мощности на выходе того или иного элемента к мощности на его входе.

Помимо мощностной характеристики,  важное значение для двигателей представляет внешняя механическая характеристика (ВМХ) – зависимость вращающего момента на его валу от частоты его вращения: М(ω) или М(n), являющейся механической реакцией двигателя на значение внешней нагрузки на его валу. Снятие ВМХ проводят в лабораторных условиях путем последовательной фиксации реакции двигателя (М_i ; n_i) при создании на его валу различных по значению постоянных моментов сопротивления (М_сi) Искусственность получения ВМХ позволяет тем не менее в статических режимах работы привода, при известных характеристиках его трансмиссии, оценивать реакцию двигателя на внешние нагрузки, приложенные к рабочему органу или движителю машины.  При этом реализуется только часть ВМХ. Интервал частоты вращения вала, соответствующий этой части, называют интервалом регулирования (рабочим диапазоном). На нем выделяют участки пуска и стационарного режима работы. Ориентировочную оценку ВМХ двигателей проводят по двум параметрам, путем их сравнения с требуемыми значениями. Этими параметрами являются:

коэффициент жесткости:

β=d M/d n,    (1.5)

коэффициент перегрузки:

k_n= M_max/М_ном,   (1.6)

где M_max – максимальное возможное значение вращающего момента, допускаемого двигателем,

М_ном – номинального значение вращающего момента, соответствующей номинальному числу оборотов стационарного режима работы (рабочего диапазона).

Требуемые значения указанных параметров получают опытным путем для различных  групп СМ.

Значение мощности, реализуемое  двигателем в рабочем диапазоне частот составит:

 

                                                           ω₂

N = ∫   M(ω) dω.   (1.7)

                                                                                                       ω₁

Величина затраченной энергии  за период Т будет равна:

                                                                                                                                                                     _T

A = ∫  Mω dt .   (1.8)

                                                                                                        ⁰

Это позволяет рассматривать  ВМХ двигателя и привода в  целом не только как характеристику энергозатрат, но и как структурную характеристику их формирования. Они раскрывают структуру мощности реализуемую двигателем. Оснащение современных двигателей средствами автоматики позволяет подбирать рациональные формы ВМХ для более эффективной реализации тех или иных рабочих процессов.

Еще одним видом характеристик  двигателей является зависимость расхода  энергоносителя от частоты вращения вала.

Для дискретной оценки указанных характеристик используют их численные значения, соответствующие номинальной частоте вращения вала. Эти значения называют номинальными.

Первичные двигатели  являются начальными звеньями привода.

Вторичные двигатели, входящие в состав трансмиссии,  являются конечными звеньями привода. Они используются только в тех энергетических цепях, форма энергопотока которых изменялась с механической на электрическую, гидравлическую, пневматическую. Их часто называют исполнительными устройствами (привода), подчеркивая тем самым, что именно они приводят в механическое движение детали рабочего и ходового оборудования.

В зависимости от числа  установленных двигателей различают  одно и многомоторные приводы  СМ.

С целью реализации рабочих  и транспортных операций энергопоток от первичного двигателя передаётся в несколько конечных пунктов привода: на движатели и на детали рабочего органа. Это осуществляется через трансмиссию. Механическая трансмиссия является достаточно разветвлённой, громоздкой. Поэтому в СМ с механической трансмиссией (например, в кранах, одноковшовых экскаваторах) применяют несколько первичных двигателей (многомоторный привод), реализующих движение каждого из указанных элементов (индивидуальный привод) или отдельных групп элементов (групповой привод). При использовании в приводе СМ электрической, гидравлической, пневматической и комбинированной трансмиссий реализуется только многомоторный привод.

Число первичных двигателей в приводе СМ составляет обычно один или два. Последний вариант наиболее характерен для самоходных СМ, где один из них реализует режим перемещения, а второй – рабочий процесс.

По отношению к первичным  двигателям, особенно в совокупности их с преобразующими устройствами трансмиссии - генератором, (электро, пневмо) или гидромуфтой, гидротрансформатором, используется понятие силовой установки. Она рассматривается как энергетическая часть привода, приводящая в движение механизмы трансмиссии. Наиболее часто используют следующие виды комбинированных силовых установок; выполненных на базе дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателей (ЭД):

• дизель– электрические, выполненные по схеме « дизель – электрический генератор»;
• дизель – пневматические, выполненные по схеме « дизель – компрессор»;
• дизель – гидравлические, выполненные по одной из схем: « дизель – гидравлический насос^*»; или « дизель – гидромуфта или гидротрансформатор» (для последнего варианта используют термин  «гидродинамические» подчёркивая режим работы соответствующих устройств);
• электрогидравлические, выполненные по схеме « электродвигатель – гидравлический насос*»

Указанные виды гидравлических установок могут выполняться  также в виде самостоятельных  энергетических машин, которыми дополнительно  комплектуют СМ. В этом случае их называют дополнительными силовыми установками (силовым оборудованием).

В ряде строительных машин, особенно малогабаритных, включаемых в неформальную группу, называемую средствами малой механизации, используют и бензиновые двигатели.

Однако отличие от дизельных, работающих при максимальной степени сжатия смеси, их экономичность ниже. Это объясняется тем, что в них сжатию подвергается смесь бензина и воздуха, (имеющая более низкую температуру воспламенения, чем воздух) заранее приготовленная перед подачей в камеру сгорания рабочего цилиндра в специальном устройстве - карбюраторе или инжекторе.

В последние годы в  связи с использованием вместо карбюраторных  ДВС. инжекторных, в которых лучше реализуется процесс приготовления рабочей смеси, в результате эффекта распыления топлива, их эффективность повысилась.

Трансмиссия – система механизмов, обеспечивающая передачу энергопотока рабочему и ходовому оборудованию с его преобразованием как по структуре (силовым и скоростным характеристикам) так и форме передачи.

Оценку преобразования структурных составляющих механической мощности – скоростей и силовых факторов, проводят с помощью передаточных отношений i и КПД .

Передаточное отношение  рассматривается, как отношение  скоростей на входе в ту или  иную структуру к их выходным значениям. В целом, для всей трансмиссии, имеющей j-ое число структур (механизмов):

i=i i …i                                   (1.9)

Состав трансмиссии  определяется формой передаваемого энергопотока (механическая, электрическая, гидравлическая, пневматическая, комбинированная). Механические трансмиссии представляют собой систему механических устройств – механизмов, обеспечивающих передачу энергопотока от первичного двигателя деталям рабочего и ходового оборудования без преобразования формы энергопотока. Исполнительными устройствами механической трансмиссии являются её конечные механизмы. Наиболее часто это канатно-блочные, цепные, зубчато – реечные, механизмы лебёдок или редукторного привода^**, вибрационные и виброударные механизмы.

В немеханических трансмиссиях преобразование  формы энергопотока производят генераторы и вторичные  двигатели. Генераторы преобразуют  энергопоток механической формы  получаемой от первичного двигателя, электро, гидро, пневмо, а  вторичные двигатели реализуют обратное преобразование.

Характеристики генераторных установок определяются видом вырабатываемого  ими энергоносителя.

Для гидравлических и  пневматических генераторных установок ими являются зависимости расхода энергоносителя на выходе Q от давления  нагнетания р при постоянной частоте вращения вала (n).

Характеристиками электрогенераторных  установок являются зависимости  напряжения от тока якоря U(I).

Другими составляющими  трансмиссий являются:

• трубопроводы или проводники, предназначенные для движения преобразованного  энергопотока;

• распределительное устройство, обеспечивающее требуемое направление движения энергопотока к исполнительному устройству;

• исполнительное устройство - вторичный двигатель, обеспечивающий обратное преобразование энергопотока в трансмиссии в механическое движение, требуемое для приведения в действие деталей рабочего и ходового оборудования

Система управления обеспечивает управляемую передачу энергопотока деталям рабочего и ходового оборудования.

Система управления - комплекс устройств управления, обеспечивающий функционирование СМ в соответствие с назначением, предъявляемыми показателями качества.

Основными характеристиками системы управления является показатели устойчивости её функционирования (коэффициент запаса устойчивости) и качества (точности управления и быстродействия). Система управления включает:

• Устройство управления производящее формирование и выдачу управляющих воздействий в силовые  цепи привода

• Пульт управления обеспечивающий ввод задания в виде программы  или отдельных команд оператора

• Алгоритм управления определяющий последовательность реализации программы  управления

Классификация систем управления:

• по степени участия  оператора (ручные; системы автоматического управления (регулирования): САУ-САР; автоматизированные - АСУ);

• по расположению пульта управления (со встроенным и выносным «дистанционные» пультом управления)

• по назначению (рабочим  и ходовым оборудование; первичными силовыми установками; распределение мощных потоков; защиты, контроля, диагностирования технических параметров);

• по виду решаемых задач (стабилизирующие; программные; оптимизирующие)

Программные САУ решают задачи управления для случая представления  задающего воздействия g(t) в виде наперед заданной программы. (Частным случаям этой программы g(t)=const, являются стабилизирующими САУ.)

Самонастраивающие САУ, отличаются тем ,что они действуют  не по жесткой, наперед заданной программе , а по корректируемой , приспособляемой (адаптируемой ) к реальным условиям . Вместо задающего устройства в них вводят датчики Д', корректирующие значения g(t) для установления реальных условий управления.

Существует два различных  способа адаптации с идентификацией и принятием оптимального решения и с эталонной моделью.

Оптимальные САУ, является частные случаи адаптивных. Они отыскивают наилучшие (оптимальные) режимы управления в соответствии с наперед заданными критериями. Для этого в их состав вводят блок нахождения экстремальных значений и микропроцессор.

Система управления СМ, является многомерным объектом управления, - многоуровневая (рис. 1.3). Нижний уровень обеспечивает управление операциями рабочего процесса. Для машин цикличного действия - наиболее сложных в управлении он задается технологическим циклом - совокупностью отдельных операций, выполняемых в определенной последовательности. При этом наиболее часто в каждой отдельной операции цикла движения рабочего органа имеет разную траекторию и скоростной режим.