К недостаткам двигателей внутреннего сгорания относятся: невозможность реверсирования (изменения направления вращения вала) и пуска под нагрузкой, сравнительно небольшой диапазон непосредственного регулирования скорости и крутящего момента, большая чувствительность к перегрузкам, сложность пуска при низких температурах, сравнительно малый срок службы (3000…4000 ч), высокая стоимость эксплуатации.

Различают одно- и многомоторные приводы. При одномоторном приводе движение механизмам и рабочему органу машины передается от основного двигателя (дизеля) через механическую трансмиссию. При многомоторном приводе каждый механизм и рабочий орган машины приводится в действие индивидуальным двигателем. Многомоторный привод применяется в машинах с большим количеством механизмов и может быть электрическим при питании индивидуальных электродвигателей от внешней сети и комбинированным автономным, при котором основной двигатель (дизель) приводит в действие генератор, питающий током индивидуальные электродвигатели (дизель-электрический привод), гидравлические насосы, нагнетающие рабочую жидкость в гидравлические двигатели (дизель-гидравлический привод), компрессор, питающий сжатым воздухом пневматические двигатели (дизель-пневматический привод) и т.п. Многомоторный привод упрощает кинематику машин (отсутствуют сложные и громоздкие механические трансмиссии), обеспечивает в широком диапазоне плавное бесступенчатое регулирование скоростей механизмов и рабочего органа, позволяет автоматизировать управление машинами.

Гидравлический привод применяется в большинстве современных строительных машин (экскаваторов, кранов, подъемников, погрузчиков, бульдозеров, скреперов и др.) для передачи мощности от основного двигателя к рабочему органу и исполнительным механизмам, а также в системах управления машин. В гидроприводе, называемом объемным или статическим, используется энергия практически несжимаемой рабочей жидкости (минеральное масло), нагнетаемой гидравлическими насосами. Основными достоинствами гидравлического привода 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 и надежность в работе.

Рис. 1.32. Принципиальная схема объемного гидропровода

Гидропривод включает следующие основные элементы: насосы, баки с рабочей жидкостью, гидравлические двигатели поступательного (гидравлические цилиндры) и вращательного (гидромоторы) действия, гидравлические распределители, распределяющие потоки рабочей жидкости от насосов к гидроцилиндрам или гидромоторам, фильтры и соединительные трубопроводы и регулирующие устройства. В гидродвигателях давление рабочей жидкости, создаваемое гидронасосом, преобразуется в поступательное движение поршня со штоком или во вращательное движение ротора, связанных с рабочим органом.

На рис. 1.32 показана принципиальная схема объемного гидропривода отвала бульдозера. Рабочая жидкость всасывается из бака через фильтр гидронасосом 3, которым нагнетается через распределительное устройство в одну из полостей гидравлических двигателей — гидроцилиндров 8. Под давлением жидкости начинают перемещаться поршни гидроцилиндров со штоками и шарнирно связанный с ними бульдозерный отвал 9. При этом рабочая жидкость из противоположных полостей гидроцилиндров вытесняется поршнями в сливную магистраль 12, соединенную через распределитель с баком. На напорной магистрали установлен предохранительный клапан 77, отрегулированный на определенное давление и сбрасывающий избыток жидкости в сливную магистраль при давлении превышающем установленное. Привод насоса осуществляется от основного двигателя машины.

В гидроприводах строительных машин широко применяют шестеренные и роторно-поршневые насосы и гидромоторы. Насосы преобразуют механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости и характеризуются развиваемым давлением и подачей (производительностью). Гидромоторы преобразуют энергию потока рабочей жидкости в механическую, вращая приводные валы механизмов, и характеризуются развиваемым крутящим моментом и частотой вращения вала.

Рис. 1.33. Шестеренный односекционный насос

Шестеренные насосы выполняют с внешним и внутренним зацеплением пар шестерен, составляющих одну, две или три секции насоса. Наиболее распространены односекцион-ные насосы типа НШ (рис. 1.33) с внешним зацеплением шестерен, имеющих от 6 до 12 зубьев. Ведущая и ведомая шестерни выполняются заодно с валами 7, установленными на подшипниках скольжения в корпусе со всасывающей и нагнетательной полостями. При вращении шестерен рабочая жидкость из бака засасывается во всасывающую полость, заполняет пространство между зубьями и переносится в нагнетательную полость, откуда выдавливается в напорную магистраль зубьями шестерен, вступающими в зацепление. Насосы типа НШ развивают давление до 15 МПа. Они просты по конструкции, малогабаритны и имеют невысокую стоимость. Основные недостатки — сравнительно малый КПД (0,6…0,75) и небольшой срок службы при работе с высоким давлением. Эти насосы развивают подачу порядка 400…500 л/мин при частоте вращения вала 2000 мин-1.

В шестеренных гидромоторах энергия рабочей жидкости, подводимой к шестерням от насоса, преобразуется в крутящий момент выходного вала.

Роторно-поршневые насосы и гидромоторы разделяют на аксиально-поршневые и радиально-поршневые. Аксиально-поршневые насосы (рис. 1.34, а) и гидромоторы имеют одинаковую конструкцию и состоят из вращающегося цилиндрового блока 5, поршней со штоками 2, приводного вала и неподвижного распределительного диска 6. По окружности блока расположены восемь цилиндров 4. При вращении блока, наклоненного к оси приводного вала под угоном а = 15+30°. поршни вращаются вместе с блоком и одновременно движутся возвратно-поступательно в его цилиндрах. попеременно засасывая рабочую жидкость из гидробака и’ выталкивая ее в напорную магистраль. Жидкость засасывается и нагнетается поршнями через дуговые окна в распределительном диске 6. Перемычки между окнами отделяют полость всасывания от полости нагнетания. При вращении блока отверстия цилиндров соединяются либо со всасывающей, либо с напорной магистралями. Угол наклона а качающего блока определяет ход поршней и подачу насоса.

Рис. 1.34. Принципиальные схемы поршневых насосов

Различают нерегулируемые (постоянной подачи) насосы, у которых угол а постоянный, и регулируемые (переменной подачи) насосы. у которых угол а можно плавно изменять в процессе работы. При изменении угла а будут обратно пропорционально изменяться подача Q (или производительность насоса) и давление р, развиваемое насосом, при неизменной мощности насоса Р, так как Р = pQ. Причем, если этот угол изменить на противоположный, то насос изменит направление подачи жидкости также на противоположное. Регулируемые аксиально-поршневые насосы, снабженные устройствами для поворота оси блока в зависимости от давления в системе, используют для автоматического регулирования усилия и скорости рабочего органа или исполнительного механизма машины при колебаниях внешней нагрузки. В гидроприводах одноковшовых экскаваторов и стреловых самоходных кранов применяют сдвоенные аксиально-поршневые насосы, установленные в одном корпусе. Такие насосы нагнетают рабочую жидкость обычно в две напорные магистрали. Современные аксиально-поршневые насосы унифицированы, имеют высокий КПД (0,96…0,98) и развивают рабочее давление до 35 Мпа; производительность их достигает 1000 л/мин, а частота вращения — до 3000 мин.

При использовании аксиально-поршневого насоса в качестве гидромотора по его напорной магистрали от насоса нагнетается рабочая жидкость, и ее давление на поршни преобразуется во вращение приводного вала. Отработанная жидкость отводится от гидромотора по сливному трубопроводу. Для реверсирования гидромотора меняют местами нагнетательный и сливной трубопроводы или изменяют направление потоков жидкости в них на противоположное.

Рис. 1.35. Радиально-поршневой гидромотор

Основными элементами радиально-поршневых насосов и гидромоторов являются неподвижный статор и несоосный с ним вращающийся ротор с цилиндрами, в которых движутся поршни. На принципиальной схеме радиально-поршневого насоса (рис. 1.34, б) условно показаны один цилиндр и поршень. Ось Ог ротора смещена относительно оси Ох статора // на величину эксцентриситета е, благодаря чему при вращении ротора поршень движется возвратно-поступательно в цилиндре 13. При движении поршня от точки В к точке А и одновременно от оси Ог происходит всасывание рабочей жидкости из гидробака через всасывающий канал 9, а при дальнейшем движении поршня от точки А к точке Дик оси Ог — нагнетание жидкости в напорный канал 15. Необходимое плотное прижатие поршня к статору обеспечивается пружиной 14 или напором – жидкости, подводимой под поршень. Подачу насоса регулируют изменением эксцентриситета.

Реверсирование насоса осуществляется изменением положения эксцентриситета путем перемещения статора, в результате чего действия полостей всасывания и нагнетания меняются на обратные. Радиально-поршневые насосы имеют 1…9 поршней, развивают рабочее давление до 25 МПа и s обеспечивают подачу 5…500 л/мин при частоте вращения ротора 25… 100 с.

Радиально-поршневые гидромоторы аналогичны по устройству насосам. Высокомоментные радиально-поршневые гидромоторы (МКр > 1000 Н м, /; < 16 с) способны осуществлять привод рабочего органа или механизма машины непосредственно без промежуточных механических передач.

Рис. 1.36. Гидравлические цилиндры

Такие гидромоторы применяют для привода рабочих органов траншейных экскаваторов, в механизмах поворота и передвижения гидравлических экскаваторов и кранов и т.п. Составные части радиально-поршневого гидромотора (рис. 1.35): статор с профильными кольцами. ротор с цилиндрами и поршнями У, соединенными через траверсы с роликами 6, и распределительное устройство. Ролики прокатываются по профильным кольцам статора. При подаче рабочей жидкости от насоса через распределитель и каналы в валу под поршни, последние начинают выдвигаться и оказывать давление через траверсы и ролики на профильные кольца. Тангенциальные составляющие этого давления заставляют ротор вращаться в направлении, указанном стрелкой. Подпоршневые полости поршней, движущихся к центру вала. соединяются со сливной линией.

Гидроцилиндры приводят в действие элементы рабоче! о оборудования машин с помощью подвижного звена в виде цилиндра (рис. 1.36. а) или поршня со штоком 10. Различают гндроци-линдры одностороннего и двустороннего действия. У первых принудительное движение звена осуществляется под давлением жндкосш только в одном направлении (рабочий ход), а возврат в исходное положение — под действием пружины (рис. 1.36, б) или веса перемещаемого элемента. У вторых, наиболее распространенных, подвижное звено перемещается принудительно нагнетаемой жидкостью в противоположных направлениях (рис. 1.36, в—е).

Гидроцилиндры двустороннего действия бывают с односторонним (рис. 1.36, в) и двусторонним штоком (рис. 1.36, д, е). При необходимости перемещения подвижного звена на значительные расстояния (до 2,5…3 м) применяют телескопические гидроцилиндры (рис. 1.36, д). Полость цилиндра, в которой расположен шток, называется штоковой, противоположная — поршневой. Рабочая жидкость в поршневую и штоковую полости поступает соответственно через угловые штуцера. Герметичное разделение штоковой и поршневой полостей обеспечивается уплотнениями (манжетами) поршня. Утечке рабочей жидкости из штоковой полости препятствует уплотнение (манжета). Хвостовые части цилиндров и головки штоков имеют сферические подшипники для шарнирного крепления к элементам машин. Для смягчения ударов в конце хода поршня служит демпфирующий клапан. При обратном ходе поршня демпфером является упор.

Гидрораспределители управляют потоком жидкости, подаваемой в гидравлические двигатели, последовательностью их работы и обеспечивают отвод отработавшей жидкости из сливных полостей в бак. Кроме того, распределители раверсируют гидродвигатели и регулируют их скорость. Различают золотниковые, клапанные и крановые распределители. Наиболее распространены золотниковые распределители, управляющие потоком жидкости с помощью движущихся возвратно-поступательно золотников. По числу присоединенных каналов золотниковые распределители делят на двух-, трех- и четырехходовые. Для управления гидродвигателями двустороннего действия применяют, как правило, четырехходовые распределители с четырьмя каналами (напор, слив и два рабочих отвода). По числу фиксированных положений золотника — рабочих позиций — различают трех- и четырехпозиционные распределители. Положения золотника трехпозиционного распределителя — два рабочих и одно нейтральное, четырехпозиционного — два рабочих, одно нейтральное и одно плавающее.

На рис 1.32 показано, как трехпозиционный четырехканальный распределитель управляет подачей рабочей жидкости в гидроцилиндры подъема отвала. С его помощью можно соединять напорную и сливную линии либо с трубопроводом (см. рис. 1.32, б, рабочее положение Р\ рукоятки управления 6), либо с трубопроводом (см. рис. 1.32, в, положение Pi), реверсируя работу гидроцилиндров. В нейтральном положении золотника (положение Н) можно останавливать штоки гидроцилиндров и связанный с ними отвал в любом положении, перекрывая оба трубопровода. При этом через клапан соединяются напорная и сливная линии и непрерывно разгружается работающий насос.

Четырехсекционный распределитель обеспечивает четвертое — плавающее положение, при котором штоковая и поршневая полости соединены со сливной линией, а подвижное звено (шток или цилиндр) может свободно перемещаться под действием внешней нагрузки.

К регулирующим устройствам относятся клапаны различного назначения и дроссели. Давление в системе регулируют предохранительными и редукционными клапанами. Предохранительные клапаны ограничивают максимальное давление, развиваемое насосом, и срабатывают (открывающие) при давлении, превышающем номинальное на 10…15%, перепуская жидкость в сливную магистраль. Они защищают элементы гидропривода от перегрузок.

Редукционные клапаны понижают давление подаваемой в систему жидкости до определенной величины независимо от давления, развиваемого насосом. Обратные клапаны пропускают поток жидкости только в одном направлении. Дроссели регулируют подачу жидкости в гидродвигатели с целью изменения скорости подвижных звеньев гидроцилиндров или частоты вращения гидромоторов. Они представляют собой местные гидравлические сопротивления, устанавливаются на трубопроводе, соединяющем сливную и напорную линии, и отводят часть потока в сливную линию, уменьшая подачу жидкости в гидродвигатель.

Гидродинамические передачи представляют собой гидромуфту или гидротрансформатор, которые устанавливаются между основным двигателем и трансмиссией машины. Принцип действия таких передач основан на гидродинамической (т.е. через жидкость) связи между их ведущими и ведомыми элементами.

Рис. 1.37. Гидродинамические передачи

Гидромуфта (рис. 1.37, а) включает ведущее насосное и ведомое турбинное колеса со спиральными лопастями, установленные соответственно на ведущем и ведомом валах и разделенные между собой небольшим зазором. Колеса заключены в кожух 5, заполненный маловязким маслом. При вращении ведущего вала лопасти насосного колеса сбрасывают рабочую жидкость на лопасти турбинного колеса, заставляя его вращаться в том же направлении.

С лопаток турбинного колеса жидкость возвращается в насосное колесо, образуя замкнутый поток. Гидромуфты характеризуются примерным равенством крутящих моментов на ведущем и ведомом валах и надежно предохраняют двигатель машины от перегрузок.

Гидротрансформатор (рис. 1.37, б) помимо насосного и турбинного колес имеет промежуточное направляющее неподвижное колесо (реактор). Реактор воспринимает разность крутящих моментов насосного и турбинного колес и обеспечивает получение реактивного момента, воздействующего на турбинное колесо. Таким образом, на выходной вал гидротрансформатора действуют два момента — крутящий момент приводного вала, передаваемый через поток жидкости, и реактивный момент, в сумме превышающие момент на приводном валу. При уменьшении частоты вращения турбинного колеса с увеличением внешней нагрузки автоматически повышается реактивный и, следовательно, суммарный крутящий момент на выходном валу. Отношение максимального крутящего момента к моменту двигателя, называемое коэффициентом трансформации, составляет 2,5…3,5. Применение гидротрансформаторов позволяет предохранять двигатели и трансмиссии машин от перегрузок, улучшить эксплуатационные качества машин, автоматизировать их работу и повысить производительность.

Пневматический привод использует энергию сжатого в компрессорах до 0,5…0,8 МПа воздуха и применяется в пневматических молотах, ручных пневмомашинах и вибраторах, для питания различной аппаратуры при отделочных работах, а также в системах управления машин для плавного включения механизмов в работу и их торможения. 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 составляют компрессорную установку, 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 (окрасочных) работ небольших объемов. Компрессоры по принципу действия разделяют на поршневые, ротационные, турбинные, диафрагмовые и винтовые. Поршневые компрессоры, получившие в городском строительстве наибольшее распространение, бывают одно- и двухступенчатого сжатия.

В компрессоре одноступенчатого сжатия (рис. 1.38, а) внутри цилиндра движется возвратно-поступательно поршень, шарнирно соединенный шатуном с приводным коленчатым валом. На крышке цилиндра установлены подпружиненные автоматически действующие клапаны — всасывающий и нагнетательный. При движении поршня вниз в цилиндре создается разряжение, при котором поступающий через фильтр атмосферный воздух открывает клапан и заполняет цилиндр. При движении поршня вверх клапан автоматически закрывается, и воздух в цилиндре начинает сжиматься. Под давлением сжатого воздуха, достигшем определенной величины, открывается клапан, и сжатый воздух по воздуховоду поступает в воздухосборник, откуда через раздаточные краны по резиновым шлангам подводится к потребителям.

Рис. 1.38. Поршневые компрессоры