Классификация электрических машин

Силовое оборудование является источником или преобразователем энергии в механическую работу. На строительных машинах устанавливают двигатели внутреннего сгорания, электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) используют главным образом в мобильных машинах. Их достоинства — автономность от внешних источников энергии, высокая экономичность, небольшая масса, приходящаяся на единицу мощности, постоянная готовность к работе. В ДВС тепловая энергия сжигаемого в смеси с воздухом топлива преобразуется в механическую энергию вращающегося коленчатого вала.

По виду потребляемого топлива и способу его воспламенения различают двигатели: бензиновые, работающие на бензине, и дизели, работающие на дизельном топливе.

В приводах строительных машин, кроме малых машин, применяют обычно четырехтактные двигатели, рабочий цикл которых совершается за четыре такта, или за два оборота коленчатого вала.

Принцип работы четырехтактного бензинового двигателя представлен схемой на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема работы четырехтактного бензинового двигателя

В течение первого такта (рис. 1.1, а) приводимый коленчатым валом 1 через шатун 2 поршень 4 перемещается вниз, всасывая в рабочую полость цилиндра 5через открытый впускной клапан 6топливо-воздушную смесь из паров бензина и воздуха, поступающую из карбюратора — специального устройства для ее приготовления. На втором такте (рис. 1.1, б) поршень, также приводимый коленчатым валом, перемещается снизу вверх, сжимая находящуюся в цилиндре рабочую смесь при закрытых впускном 6 и выпускном 8клапанах. Вследствие сжатия рабочей смеси ее давление и температура повышаются, что создает хорошие условия для ее сгорания. В конце такта смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 7(см. рис. 1.1, а). Образовавшиеся при сгорании рабочей смеси газы, увеличиваясь в объеме, создают повышенное давление в рабочей камере, воздействуя на поршень, который вследствие этого совершает рабочий ход — движение вниз (третий такт, рис. 1.1, в), передавая усилие через палец 3 (см. рис. 1.1, а) и шатун 2 коленчатому валу, заставляя его вращаться и через соединенную с ним трансмиссию приводить в движение исполнительные механизмы. На четвертом, заключительном такте (рис. 1.1, г), поршень перемешается коленчатым валом вверх, выталкивая отработавшие газы из рабочей полости цилиндра через открытый выпускной клапан 8 (см. рис. 1.1, а) в атмосферу.

В дизеле топливо-воздушная смесь образуется непосредственно в рабочей полости цилиндра, куда впрыскивают через форсунку 7 (рис. 1.2, а) распыленное дизельное топливо и всасываемый из атмосферы через клапан 6 воздух. Порядок движений поршня и клапанов на всех четырех тактах рабочего цикла такой же, как и в бензиновом двигателе. Воздух поступает в рабочую полость через открытый клапан 6 в течение первого такта. Топливо впрыскивают топливным насосом через форсунку 7 в конце второго такта (рис. 1.2, б) сжатия при закрытых клапанах 6 (см. рис. 1.2, а) и 8. Смешиваясь с воздухом, топливо при дальнейшем сжатии нагревается, частично испаряется и самовоспламеняется. В дальнейшем работа дизеля аналогична работе бензинового двигателя.

Рис. 1.2. Схема работы четырехтактного дизельного двигателя

При установке на коленчатом валу нескольких цилиндров все они в один и тот же момент времени находятся на разных тактах рабочего цикла. Например, если в первом цилиндре четырехцилиндрового двигателя происходит рабочий ход, то в четвертом цилиндре при таком же положении поршня — впуск рабочей смеси (бензиновые двигатели) или всасывание воздуха (дизели), второй цилиндр работает на сжатие рабочей смеси, а третий — на выпуск отработавших газов. Чем больше цилиндров установлено на двигателе, тем более равномерно вращается коленчатый вал. Для начала работы ДВС его коленчатый вал следует привести во вращение внешней силой. Запустить бензиновый двигатель небольшой мощности можно от руки, вращая коленчатый вал рукояткой. Более мощные ДВС запускают установленным на машине электродвигателем постоянного тока, называемым стартером, который питается от аккумуляторной батареи. Дизели средней и большой мощности запускают с помощью вспомогательного бензинового двигателя, обычно одноцилиндрового двухтактного, установленного на основном дизеле и запускаемого, в свою очередь, стартером. Рабочий процесс двухтактного двигателя отличается от работы четырехтактного тем, что у него горючая смесь поступает в рабочую камеру в начале хода сжатия, а отработавшие газы удаляются в конце рабочего хода продувкой потоком горючей смеси.

Пуск ДВС при низкой температуре окружающего воздуха затруднен из-за повышенной вязкости смазочного масла, повышенного сопротивления при проворачивании коленчатого вала, а также из-за низкой температуры горючей смеси или воздуха в конце сжатия. Для облегчения и ускорения пуска применяют пусковые подогреватели для нагрева охлаждающей жидкости и смазочного масла, устройства для облегчения воспламенения топлива или горючей смеси (электрофакельные подогреватели воздуха и электрические свечи накаливания) и устройства для облегчения проворачивания вала (декомпрессионные механизмы для открывания впускных, иногда выпускных клапанов и снижения тем самым давления воздуха в цилиндрах при вращении коленчатого вала).

Преимущественное распространение получили дизели благодаря меньшему удельному расходу топлива (на 30…35%) и более высокому КПД (для дизеля 35…40%, для бензиновых двигателей 25…30%). Кроме этого, выхлопные газы дизелей содержат меньше токсичных веществ. К недостаткам дизелей относятся затрудненный запуск при низких температурах и большая масса.

К общим недостаткам ДВС относят необходимость применения коробки передач для изменения крутящегося момента и реверсирования, большую чувствительность к перегрузкам, сравнительно малый срок службы, высокую стоимость эксплуатации. Кроме того, внешняя характеристика ДВС (зависимость крутящего момента М_к от частоты вращения п) не в полной мере отвечает требованиям работы строительных машин (рис. 1.3, кривая 0—4′).

Рис. 1.3. Внешние характеристики силового оборудования

Внешние характеристики двигателей представляют собой в большинстве случаев ломаные или кривые линии, имеющие характерную точку номинального режима, которая выражает расчетный момент М_кн и частоту вращения п_н. Критерием оценки внешней характеристики является жесткость, которую определяют по формуле

Оптимальной характеристикой являлась бы такая, которая в каждой точке обеспечивала постоянную мощность:

где Р — установленная мощность (кривая 3—3′); Л — постоянный коэффициент.

Характеристики, для которых (3 —> «>, называют абсолютно жесткими (кривая 1—Г), при (3 = 40… 10 — жесткими (кривая 0—4), при Р = 10 — мягкими (кривая 0—4′), при |3 = 0 — абсолютно мягкими (кривая 2—2′).

Электродвигатели переменного или постоянного тока используют в качестве силового оборудования в машинах, не требующих автономности от внешнего источника энергии.

Наибольшее распространение получили общепромышленные асинхронные электродвигатели трехфазного тока, питающиеся от электросети напряжением 220…380 В с нормальной частотой 50 Гц. В зависимости от номинальной мощности общепромышленные асинхронные электродвигатели имеют либо короткозамкнутый ротор — при мощности до 10 кВт (рис. 1.4, а), либо ротор с контактными кольцами (фазный) — при мощности до 150 кВт (рис. 1.4, б).

Рис. 1.4. Электродвигатели переменного тока: асинхронный с короткозамкнутым ротором (а) и с фазным ротором (б):

1 – ротор; 2 – обмотка статора; 3 – корпус; 4 – пакет из электротехнической стали; 5 – вал; 6 – контактные кольца; 7 – обмотка фазного ротора; 8 – пакет фазного ротора

Общепромышленные асинхронные двигатели получили широкое распространение из-за простоты их конструкции. Их используют в машинах с непрерывным режимом работы (питатели, конвейеры, сортировки и т.п.). Эти электродвигатели допускают кратковременную перегрузку, просты в управлении, однако скорость их не регулируется, а при пуске создаются значительные пусковые моменты, что приводит к повышенным динамическим нагрузкам в механизмах.

Для привода машин с повторно-кратковременным режимом работы (строительные краны, экскаваторы) применяют специальные крановые асинхронные электродвигатели трехфазного тока напряжением 220 и 380 В с короткозамкнутым ротором и контактными кольцами, обладающие значительной перегрузочной способностью. Эти электродвигатели удовлетворительно работают при частых пусках и торможениях, допускают регулировку угловой скорости.

Для электрического вращательного инструмента применяют специальные двигатели трехфазного тока повышенной частоты. Эти двигатели при одинаковых габаритных размерах имеют более высокую частоту вращения, а следовательно, и большую мощность, чем двигатели, работающие на общепромышленной частоте. Для питания таких двигателей нужны специальные генераторы повышенной частоты. Кроме того, в легком электрифицированном инструменте (например, в электросверлах) применяют универсальные коллекторные двигатели, работающие как на однофазном переменном, так и на постоянном токе.

Электропривод постоянного тока (см. рис. 1.3, кривая 5—5′) применяют при регулировании в широком диапазоне частот вращения, а также при плавном регулировании скорости (например, скорости посадки монтажных конструкций). Однако эти двигатели имеют большую удельную массу по сравнению с асинхронными двигателями и могут работать в условиях строительства либо от специального генератора постоянного тока, либо от тиристорных преобразователей. Электрические двигатели обладают рядом существенных достоинств: значительной перегрузочной способностью, высокой экономичностью, независимостью от температурных условий, постоянной готовностью к работе. Их недостаток состоит в необходимости наличия питающей сети.

Кроме двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей, в строительных машинах используют комбинированные силовые установки (дизель-электрические, дизель-гидравлические, электро- гидравлические, дизель-пневматические, электропневматические, дизель-электрогидравлические и т.п.). Составными элементами в названных установках являются гидронасосы и компрессоры.

Гидронасосы в зависимости от конструкции могут быть шестеренчатые, лопастные (пластинчатые), аксиально-поршневые и радиально -поршневые.

Шестеренчатый насос (рис. 1.5, а) состоит из корпуса 3 и двух шестерен 1 и 2, ширина и диаметр которых одинаковы. Одна из шестерен (приводная) получает вращение от двигателя, а вторая — вращается свободно на оси. При вращении шестерен жидкость, находящаяся между зубьями, переносится вдоль стенок корпуса из полости всасывания А в напорную полость Б. В напорной полости жидкость из впадин вытесняется зубьями смежной шестерни и порциями поступает в напорную линию. Для уменьшения потерь головки зубьев шестерен притираются к цилиндрической расточке корпуса с минимальным зазором.

Рис. 1.5. Схемы гидравлических насосов

Шестеренчатые насосы имеют постоянную подачу жидкости и работают в основном в диапазоне частот вращения 500. ..2500 мин^-1. Давление, развиваемое насосом, достигает 14… 15 МПа, а мощность — 50 кВт. В зависимости от давления и вязкости жидкости, а также частоты вращения шестерен КПД насосов составляет 0,65…0,85.

Лопастной (пластинчатый) насос (рис. 1.5,б) состоит из ротора 7, в радиальные пазы которого установлены пластины 2. Ось вращения ротора располагают с эксцентриситетом относительно цилиндрической расточки корпуса 3. Ротор получает вращение от двигателя. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы выходят из пазов и прижимаются к внутренней поверхности корпуса. Усилие прижатия можно увеличить с помощью установки под нее пружины или подачи давления в полость В. В зоне всасывания объем между пластинами заполняется жидкостью, которая поступает под действием атмосферного давления из бака через окно А, расположенное в боковой стенке насоса. При уменьшении объема между пластинами жидкость из него выталкивается в напорную линию через окно Б. Пластинчатые насосы развивают давление до 16…25 МПа при КПД 0,8…0,85.

В аксиально-поршневом насосе (рис. 1.5, в) одновременно с валом 7 вращается блок цилиндров 4, расположенный под углом к оси вала. В результате поршни 3 поочередно выдвигаются из цилиндров или вдвигаются в них (длина шатуна 2не изменяется). При выдвижении поршня из цилиндра происходит засасывание рабочей жидкости из гидробака, а при погружении в цилиндр — нагнетание в напорную магистраль. Угол наклона а качающегося блока определяет ход поршней и подачу насоса.

Бывают нерегулируемые (постоянной подачи) насосы, в которых угол а постоянен, и регулируемые (переменной подачи) насосы, в которых угол а можно плавно изменять в процессе работы.

Современные аксиально-поршневые насосы развивают давление до 40. ..50 МПа и имеют подачу до 1000 л/мин при частоте вращения вала 1000…3000 мин^-1. КПД насосов составляет 0,85…0,95.

Радиально-поршневой насос (рис. 1.5, г) состоит из ротора 7 с цилиндрическими отверстиями, в которых поршни 2 совершают возвратно-поступательное движение. Внутри ротора 7 имеется распределитель жидкости 3 с напорным А и всасывающим Б отверстиями. Ротор 7 устанавливают в статоре 4 с некоторым эксцентриситетом. За один оборот ротора насоса каждый поршень совершит два хода: первый — от центра всасывания через отверстие Б распределителя J; далее — при вращении к центру нагнетания через отверстие А распределителя 3. Пульсация потока зависит от числа поршней в ряду: чем их больше, тем равномернее работает насос. Обычно в роторе устанавливается семь или девять поршней. Радиально-поршневые насосы развивают рабочее давление до 25 МПа и обеспечивают подачу 5…500 л/мин при частоте вращения ротора 1500…6000 мин^-1.

Лопастные, аксиально-поршневые и радиально-поршневые насосы могут быть использованы и как гидромоторы. В этом случае в их напорные магистрали от насоса нагнетают рабочую жидкость, давление которой на поршни или пластины преобразуется во вращение приводного вала. Отработанную жидкость отводят от гидромотора по сливному трубопроводу. Таким образом, если насосы преобразуют механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости, то гидромоторы преобразуют энергию потока рабочей жидкости в механическую, вращая приводные валы механизмов.

Компрессор — источник сжатого воздуха, который используют для привода пневмодвигателей механизированного инструмента, питания различного оборудования при отделочных работах, а также в системах управления машинами. Совместно с приводным двигателем и вспомогательной аппаратурой они образуют компрессорные установки, которые могут быть переносными, прицепными и самоходными. Наибольшее применение имеют передвижные прицепные компрессоры с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

По устройству компрессоры подразделяют на объемные (поршневые и ротационные), центробежные и винтовые.

Поршневые компрессоры (одно- и многоступенчатое сжатие) получили наибольшее применение в строительстве. При производительности до 1 м/мин поршневые компрессоры изготовляют с одноступенчатым сжатием, а при более высокой производительности — чаще всего с двухступенчатым сжатием.

В поршневых двухступенчатых компрессорах (рис. 1.6) коленчатый вал 7 получает вращение от первичного двигателя внутреннего сгорания или электродвигателя. Вращение от коленчатого вала при помощи шатунов 2 преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня 4 в цилиндре 3 и поршня 77 в цилиндре 10. На крышках цилиндров установлены подпружиненные автоматически действующие всасывающие 5 и нагнетательные 6 клапаны.

Рис. 1.6. Поршневой компрессор

При движении поршня 4 вниз создается разрежение и атмосферный воздух через фильтр 7и открытый впускной клапан 5 всасывается в цилиндр. При движении поршня вверх клапан 5 автоматически закрывается и воздух в цилиндре сжимается. Затем через выпускной клапан 6, открывающийся при определенном давлении, сжатый воздух поступает в воздуховод 8.

В двухступенчатом компрессоре воздух последовательно сжимают в двух цилиндрах. При этом после сжатия в первой ступени до 0,2…0,25 МПа (цилиндр низкого давления 3) воздух сначала поступает по воздуховоду 8 в холодильник 9 (водяной или воздушный) и только потом в цилиндр второй ступени (цилиндр высокого давления 10). Затем сжатый до 0,4…0,8 МПа воздух направляют в воздухосборник 12.

Воздухосборник предназначен для создания запаса сжатого воздуха для равномерной подачи его потребителю без пульсаций, вызываемых работой компрессора. Одновременно в воздухосборнике происходит охлаждение и очистка воздуха от воды и масла. Производительность передвижных компрессорных установок поршневого действия достигает 20 м³/мин.

Ротационные компрессоры. Воздух в них сжимается при уменьшении объема рабочих полостей, заключенных между лопатками вращающегося ротора и корпусом компрессора. Принцип работы этих компрессоров аналогичен работе лопастных гидронасосов (см. рис. 1.5,6). Ротационные компрессоры имеют малые габаритные размеры и обеспечивают подачу воздуха равномерным потоком. Недостатком таких компрессоров является интенсивный износ лопаток и сложность ремонта, что препятствует их широкому распространению. Промышленность выпускает ротационные компрессоры производительностью до 10 м³/мин с давлением до 0,8 МПа.