На землеройно-транспортных машинах применяются следующие виды приводов:
двигатели внутреннего сгорания с механической трансмиссией;
комбинированные приводы — дизель-электрические, дизель-гидравлические и дизель-электрогидравлические.

В процессе работы рабочие органы землеройно-транспортной машины испытывают сопротивления. Эти сопротивления преодолеваются силовым оборудованием, приводящим в движение трансмиссию, рабочее и ходовое оборудования машины. Поэтому силовое оборудование часто называется приводом.

В соответствии с технологией работы машин нагрузки на рабочий орган и все механизмы управления, а следовательно, и на привод являются переменными и имеют разную степень неравномерности.

Характер изменения нагрузок определяет режим работы машины и ее привода и влияет на выбор последнего. Режим работы машины определяется колебаниями нагрузки по величине и времени, т. е. величиной и частотой амплитуды колебаний, продолжительностью нагрузки, количеством и коэффициентом включений ‘, скоростью и ускорением движений, реверсивностью, продолжительностью непрерывной работы. В соответствии с этим различают четыре режима нагрузок.

Первый — машины с легким режимом работы (отношение максимальной нагрузки к средней составляет 1,1— 1,3), постоянной скоростью и нереверсивностью рабочих движений при коэффициенте включения до 100, числе включений 20—30 в 1 я, редко доходящем до 50. К ним относятся бетономешалки, растворомешалки, цилиндрические грохоты, конвейеры, центробежные насосы, компрессоры и воздуходувки. В качестве силового оборудования для этих машин пригодны все типы привода.

Второй — машины со средним режимом работы (отношение максимальной нагрузки к средней составляет 1,5— 2,5), характеризующийся наличием частых и резких пиков при переменной скорости нереверсивного или относительно редко реверсируемого движения при коэффициенте включения, не превышающем 100, и числе включений до 200 в 1 ч. Сюда относятся прицепные и полуприцепные скреперы, тягачи скреперов с дизель-гидравлическими и дизель-электрическими трансмиссиями, грейдер-элеваторы, струги, камнедробилки, краны, многоковшовые экскаваторы и погрузчики.

Третий — машины с тяжелым режимом работы (отношение максимальной нагрузки к средней 2—3), отличающийся наличием частых (иногда через 15—20 сек) и резких пиков при непрерывно изменяющейся скорости реверсивного движения при коэффициенте включения до 80 и числе включений 1000 и более в 1 я. К ним относятся одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, толкачи и тягачи скреперов и самоходные скреперы с механическими трансмиссиями и другие машины.

Четвертый — машины с очень тяжелым режимом работы ударного или вибрационного действия, число нагруже-ний двигателей- вибрационных машин в 2 раза больше частоты колебаний.

Рис. 1. Внешние характеристики приводов:
а — для электродвигателей; 1 и 4 — электродвигатель постоянного тока в системе ТГ-Д, 2 — электродвигатель постоянного тока при реостатном управлении, 3 — электродвигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором, б — для двигателей внутреннего сгорания; 5 — карбюраторный двигатель, 6 — дизель, 7 — дизель с гидротрансформатором

Силовая установка выбирается в зависимости от режима работы, а иногда и в зависимости от кинематической и конструктивной схемы машины.

Каждый тип привода отличается формой внешней характеристики, т. е. зависимостью крутящего момента М от скорости вращения (числа оборотов п).

Чем меньше угол, образуемый ветвями кривой внешней характеристики с осью ординат, тем характеристика более «мягкая». Чем больше приближается этот угол к 90°, тем характеристика более «жесткая». Чем «мягче» характеристика, тем шире пределы использования наибольшей мощности двигателя, больше пределы регулирования и выше способность «саморегулирования», т. е. способность автоматически снижать число оборотов при перегрузке с плавным увеличением крутящего момента или увеличивать число оборотов при снижении нагрузки.

Такая характеристика выгодна при очень тяжелом режиме работы при динамических нагрузках.

Однако наибольшая мощность двигателя, достигаемая при мягкой характеристике (если все характеристики построены так, что пересекаются в общей точке Мп, отвечающей необходимому для машины номинальному моменту) меньше, чем у более жесткой характеристики.

При «жесткой» характеристике диапазон использования максимальной мощности двигателя менее широк, регулирующие возможности ее ниже. Она применяется при отсутствии резких внезапных нагрузок, так как при изменении нагрузки почти не меняется число оборотов.

Для копания грунта скрепером или бульдозером, казалось бы, выгоднее всего применять двигатели жесткой характеристики, в частности электродвигатель переменного тока с коротко-замкнутым ротором, так как при этом можно резко повысить развиваемые моменты. Однако при использовании двигателей с такой характеристикой значительно затрудняется управление. Если применить для этой цели дизель с гидродинамической трансмиссией (с гидротрансформатором), имеющей мягкую характеристику, то при чрезмерном заглублении ковша или отвала или встрече более твердой прослойки грунта для водителя становится заметным уменьшение скорости движения машины вследствие падения числа оборотов ведомого вала гидротрансформатора. Водитель может, уменьшив подъемным механизмом толщину стружки, избежать режимов стопорения (или близких к стопорению) и работать на оптимальном режиме, соответствующем использованию максимальной мощности двигателя.

Если в соответствии с загрузочной диаграммой в процессе рабочего цикла необходимая мощность увеличивается более чем в 1,5 раза на длительные периоды, в течение которых невозможно преодолеть это увеличение путем перегрузки и использования инерционных устройств, или машина имеет отдельные механизмы, длительно работающие одновременно, то иногда устанавливают и более основных двигателей внутреннего сгорания. Применяют также два двигателя, когда отсутствует один двигатель необходимой мощности. В последнем случае двигателя работают на один вал.

Одномоторный привод несколько дешевле в изготовлении, но не обеспечивает точного и постоянного или регулируемого распределения мощности и момента между приводимыми механизмами. Это приводит к утяжелению механизмов, часто к случайному распределению мощности, перегрузкам отдельных механизмов и двигателя, применению большого количества управляемых муфт и затрудняет выполнение конструкции из блоков.

Многомоторный, особенно индивидуальный, привод свободен от указанных недостатков, позволяет регулировать работу каждого механизма независимо от остальных, предоставляет больше возможности для автоматизации управления машиной, но зато при использовании такого привода значительно возрастают установленная мощность и стоимость машины.

Чтобы одномоторный привод работал на постоянном режиме и динамические нагрузки от механизмов не передавались на двигатель, особенно в приводах с тяжелым режимом работы, устанавливают гидротрансформаторы. Это смягчает жесткость характеристики.

Для работы в условиях высоких широт или тропиков силовое оборудование машин должно быть выполнено соответствующим образом. Так, в условиях тропического климата двигатели должны быть защищены от влияния высоких температур, попадания насекомых и т. п.

Для работы в условиях высоких широт силовое оборудование должно снабжаться устройствами для обогрева и запуска, защитой масло- и водопроводов, а также специальными эксплуатационными материалами.

Двигатели внутреннего сгорания

На землеройно-транспортных машинах в качестве привода применяются обычно двигатели внутреннего сгорания — дизели, работающие на тяжелом дизельном топливе, реже — карбюраторные двигатели, работающие на бензине. Основным достоинством таких двигателей является то, что они не зависят от источника внешнего питания, надежны в работе и просты в эксплуатации, имеют малую массу на единицу мощности (3— 50 кг/квт), высокий к. п. д. (25—37% У дизелей и 18—25% у карбюраторных двигателей), небольшой расход горючего 0,22— 0,25 кг/квт (0,16—0,18 кг/л. с).

Недостатками двигателей внутреннего сгорания являются не отвечающая требованиям работы землеройно-транспортных машин внешняя характеристика с незначительными пределами регулирования, высокая стоимость эксплуатации, жесткие требования к качеству топлива, сравнительно малая долговечность (3000—4000 ч работы), большая чувствительность к перегрузкам, трудности эксплуатации при низких температурах, невозможность непосредственного реверсирования, необходимость в фрикционных, гидравлических или других муфтах для передачи движения от двигателя к трансмиссии.

За последнее время различие между тракторными двигателями (дизелями) и автомобильными .(карбюраторными) двигателями постепенно сглаживается и вырабатывается единый тип все более легкого двигателя массой 3,5—4 кг/квт (2,5— 3 кг/л. с), устанавливаемого при тяжелом режиме работы на-меньшую мощность, а при легком режиме работы — на более высокие обороты и мощность, часто с применением наддува. Все это облегчает разработку и применение типажа двигателей, унифицированных по типоразмерности цилиндра, т. е. по диаметру цилиндра и ходу поршня.

В последнее время более перспективными являются попытки заменить двигатели внутреннего сгорания газовыми турбинами, масса которых составляет около 1 кг/квт и даже меньше. Препятствием к их применению является пока еще малая долговечность, практически не превышающая 1000 ч работы, недостаточная надежность и большой шум при работе. Газотурбины особенно перспективны в качестве первичных источников энергии-газоэлектрического привода.

Двигатели внутреннего сгорания применяются как с непосредственной механической передачей на исполнительные механизмы и рабочие органы машины — обычно с легким режимом работы, так и с различными преобразователями, обеспечивающими одновременно в той или иной мере защиту двигателя и всей конструкции от внешних перегрузок. Последние называются комбинированными приводами и применяются, когда имеются расхождения между режимом работы, обеспечиваемым двигателем внутреннего сгорания, и требованиями, вытекающими из режима работы рабочего органа.

Например, для тягача-толкача свойствен третий режим работы, а для двигателя желательно иметь первый режим. В таком случае целесообразно иметь саморегулируемую характеристику, которую может дать гидротрансформатор или электродвигатель с трехобмоточным генератором (система ТГ-Д).

Можно получить необходимые характеристики с помощью многоступенчатой механической трансмиссии. Однако в этом случае необходимо переключение скоростей, т. е. неизбежно ступенчатое регулирование, даже если бы было применено и автоматическое переключение скоростей.

При этом возникают потери в сцеплении, рывки и увеличичиваются динамические нагрузки на детали передач и двигатель.

Кроме того, многоступенчатая (число передач может достигать 16) коробка передач получается громоздкой, сложной и дорогой как в изготовлении, так и при эксплуатации.

Для рационального выбора режимов эксплуатации двигателя внутреннего сгорания важно знать не только внешнюю характеристику, но и изменение мощности, к. п. д. и расхода горючего с изменением числа оборотов. Эти кривые снимаются, как и при снятии внешней характеристики любого двигателя, методом торможения вала двигателя и замером искомых величин.

Характеристики снимаются при зафиксированных положениях рейки топливного насоса дизеля, а для карбюраторных двигателей — при полностью открытой дроссельной заслонке.

Анализ кривых показывает, что удельный расход топлива с увеличением оборотов двигателя уменьшается до определенных значений оборотов, после чего он начинает возрастать. Наоборот, к. п. д. повышается до известных пределов.

Двигатель выбирают по загрузочной диаграмме машины, внешней характеристике и данным исследований двигателя. При этом кратковременные пики, порядка десятых долей секунды, могут не приниматься в расчет, однако номинальная мощность двигателя, развиваемая на длительной работе, не должна превышаться.

Комбинированный привод

Электродвигатели переменного тока

В качестве вторичного привода в системе комбинированного привода землеройно-транспортных машин могут применяться электродвигатели переменного тока. Они просты в управлении, надежны и удобны в эксплуатации, способны к большим кратковременным перегрузкам.

Так как для землеройно-транспортных машин электрические двигатели применяются в качестве вторичного элемента комбинированного привода, то это существенно усложняет их конструкцию и снижает надежность. В связи с этим устанавливать их целесообразно только для машин большой мощности, так как в этом случае может быть легче обеспечена надежность агрегатов и соответствующий уход за ними.

Для менее мощных и менее загруженных приводов управления ковшом скрепера, конвейером его загрузки, ходом автогрейдера и струга, отвалом бульдозера, колесами автогрейдера,. поворотом машины электропривод может оказаться рациональным и для машин средней мощности 147—366 кет (200— 500 л. с.). Тем не менее в этом случае приходится считаться с легкой повреждаемостью электрических проводов, чувствительностью двигателей к влаге и другими отрицательными качествами электропривода.

Существенным недостатком электропривода является и то, что его внешняя характеристика такова, что с увеличением момента на валу Двигателя сохраняется скорость и двигатель фактически не обладает способностью саморегулирования по скорости и мощности. Применение сопротивлений для смягчения характеристики приводит к большим потерям энергии и увеличению массы.

Для возможности регулирования скоростей применяют различные электрические схемы переменного тока, например систему электропривода с тормозным генератором постоянного тока, сочлененным с валом двигателя. По этой схеме момент тормозного генератора регулируется изменением тока возбуждения и величины сопротивления в цепи якоря. Применяют также схему с дросселями насыщения в цепи статора двигателя. При этом скорость регулируется изменением сопротивления реостата в цепи ротора и напряжения на зажимах статора двигателя при помощи дросселя насыщения. В этом случае двигатель работает в режиме противотока с регулируемым моментом.

Электродвигатели постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока в системе комбинированного привода является наиболее приемлемым приводом для строительных машин с тяжелым режимом работы. Несмотря на то, что масса и габаритные размеры такого привода в 1,5—2,5 раза больше любого другого привода, на многих строительных машинах применяют многомоторные приводы постоянного тока по системе ТГ-Д. На землеройно-транспортных машинах такой привод выполняется обычно с одним генератором. В этом случае привод состоит из дизеля и установленного на одном валу с ним генератора постоянного тока, питающего соответствующие рабочие электродвигатели. Мощность сетевого двигателя на 15—20% больше мощности генератора.

На машинах с очень тяжелым режимом работы, например на стругах большой мощности, может применяться индивидуальный привод всех механизмов от электродвигателей постоянного тока по схеме ТГ-Д (трехобмоточный генератор-дизель) или Г-Д с электро-машинным (ЭМУ) или магнитным усилителями. В этом случае на общем валу с сетевым двигателем устанавливают генераторы постоянного тока, каждый из которых питает током соответствующий рабочий электродвигатель постоянного тока, являющийся приводом отдельного механизма.

Установка сетевого двигателя и генераторов называется мотор-генераторным агрегатом или агрегатом Леонарда. В результате установки такого агрегата в системе управления протекают небольшие по силе токи. Это позволяет получить легкое управление, сократить переходные процессы, осуществить автоматическое регулирование работы приводов, до минимума снизить расход энергии.

Система ТГ—Д проще, но генераторы в ней больше по габаритам и тяжелее, чем при системе Г—Д, а переходные процессы продолжительнее, чем в системе с однообмоточными генераторами. Однако последняя система гораздо сложнее в эксплуатации, менее надежна и требует более частой регулировки и поэтому менее пригодна для землеройно-транспортных машин.

Последнее время начинают применяться новые типы электропривода, в том числе ионный привод с управляемыми выпрямителями. Однако он еще недостаточно надежен для работы на землеройных машинах и требует постоянного и высококвалифицированного наблюдения.

В приводах постоянного тока значительные преимущества имеют системы привода с питанием двигателя от полупроводниковых кремниевых выпрямителей. Они представляют собой источник постоянного тока с нерегулируемым выходным напряжением и высоким к. п. д. (г] = 0,98). Полупроводниковые выпрямители будут успешно применяться как для цепей управления в качестве регулятора, так и в силовых цепях взамен преобразовательного агрегата. Последнее наиболее целесообразно в приводах, где нужно регулировать скорость вращения без использования тормозных режимов.

Трансмиссии

Трансмиссия — это система, кинематически связывающая отдельные узлы машины. При помощи ее передается движение от двигателя к исполнительным механизмам и редуцируются передаваемые скорости, моменты и усилия.

Трансмиссия включает элементы, ограничивающие перегрузки, элементы, позволяющие регулировать скорости, а также предохранительные устройства.

В современных машинах применяются механические, гидравлические и электрические трансмиссии (передачи).

Механические трансмиссии

Основными элементами механических трансмиссий являются муфты сцепления, соединяющие отдельные элементы; предохранительные муфты, предназначенные для соединения деталей и для ограничения передаваемых мощностей, коробки передач и распределительные коробки, служащие для изменения передаваемых скоростей, чисел оборотов, крутящих моментов; реверсы — механизмы, изменяющие направление вращения валов, тормозные устройства, валы, мосты колесных машин и т. д.

К механическим трансмиссиям относятся также полиспастные (канатные) трансмиссии и рычажные системы.

Рис. 3. Схема механической канатной трансмиссии: а — привода отвала бульдозера; б — привода ковша скрепера

Достоинством полиспастных трансмиссий является простота конструкции, эксплуатации и ремонта, возможность передачи Движения при значительном расстоянии между приводом и исполнительным механизмом, а также передача движения под углом.

Недостатком их является то, что крутящий момент и усилия могут передаваться только в одном направлении. Например, трансмиссия при канатном управлении бульдозером передает усилие, необходимое для подъема отвала бульдозера, а опускается и заглубляется отвал только под действием собственной силы тяжести; то же самое относится к системе управления ковша скрепера.

Рычажные системы являются обычно частью полиспастной или гидравлической передачи. Они могут быть довольно сложными в тех случаях, где необходимо получить очень большой ход исполнительного механизма.

Элементы механических трансмиссий — муфты, коробки, мосты гусеничных машин являются унифицированными узлами, широко применяемыми не только для землеройно-транспортных, но и транспортных машин.

Гидравлические трансмиссии

Гидравлические трансмиссии бывают двух типов: гидро-объемные, или гидростатические, и гидродинамические. Гидро: объемные передачи широко применяются в системах управления рабочими органами и ходовыми устройствами как самих землеройно-транспортных машин, так и их тягачей.

Гидрообъемные передачи. В гидрообъемных передачах движение передается в результате использования энергии давления жидкости (статического напора), движущейся с небольшой скоростью.

Насос, работающий от электродвигателя или непосредственно от двигателя внутреннего сгорания, подает жидкость в гидродвигатель, который приводится в движение этой жидкостью.

Рис. 4. Принципиальные схемы гидрообъемных передач:
а — гидропривод с шестеренными насосами: 1 — гидронасос, 2 — трубопровод высокого давления, 3 — гидромотор, 4 — редукционный клапан, 5 — регулирующий дроссель (кран), 6 — трубопровод низкого давления; б — гидропривод с гидроцилиндрами: 7 — насос, 8 — клапан, 9 — золотник, 10 — трубопровод высокого давления, 11 — поршни, 12— цилиндры, 13 — штоки, 14—фильтр, 15—бак

Принципиальная схема гидродинамической передачи показана на рис. 5.

Один из центробежных насосов приводится в движение от электродвигателя или непосредственно от двигателя внутреннего сгорания. Жидкость, засасываемая этим насосом, подается к аппарату, где направление ее меняется, а скорость увеличивается из-зи снижения статического напора. При этом возрастает кинетическая энергия движущейся жидкости под влиянием уменьшения энергии давления. Струя жидкости ударяет по лопаткам турбины, в результате чего на ее валу создается крутящий момент.

Такая передача не имеет жесткой кинематической связи между валом насоса и валом турбины. В этой схеме число оборотов турбины меняется автоматически в зависимости от нагрузки на вал. Например, с повышением сопротивления число оборотов турбины уменьшается, что увеличивает давление струи на лопатки и крутящий момент на турбине.

Различают два вида гидродинамических передач: гидромуфты и гидротрансформаторы.

Гидромуфта состоит из насосного колеса и турбины, помещенных в общий кожух, заполненный жидкостью (обычно маслом).

Колесо насоса закреплено на ведущем валу и приводится в движение электрическим или дизельным двигателем, колесо турбины насажено на ведомый вал. Как видно из рисунка, вал насоса и вал турбины между собой не соединены и между ними имеется зазор.

При вращении насоса жидкость подается, как показано стрелками, на лопатки турбины и приводит ее в движение.

Рис. 5. Принципиальная схема гидродинамической передачи:
1 — центробежный насос; 2, 5, 7, 9 — трубопроводы; 3 — направляющий аппарат. 4 — центробежная турбина; 6, 8 — резервуары

Рис. 6. Схема гидромуфты:
1 — насосное колесо, 2 — турбинное колесо, 3 — кожух, 4 — тор, 5 — вал турбинного колеса, 6 — вал насосного колеса

Рис. 7. Внешняя характеристика гидромуфты

Рис. 8. Внешняя характеристика совместной работы гидромуфты с двигателем

исполнительный орган останавливается под нагрузкой, а двигатель продолжает работать, и обеспечивает плавность разгона машины при уменьшении нагрузки с непрерывным нарастанием скорости от нуля до максимума и столь же плавное стопорение при возрастании нагрузки.

Характеристика совместной работы гидромуфты с двигателем показана на рис. 8.

Недостатком гидромуфты является сильное снижение к. п. д. при увеличении скольжения, а также невозможность изменения величины передаваемого крутящего момента двигателя в зависимости от нагрузки.

Гидромуфты целесообразно применять для машин и механизмов, у которых колебания нагрузки значительные и редко (случайно) имеют место перегрузки.
К таким механизмам относится, например, тяговый механизм грейдер-элеватора или струга.

Чтобы получить автоматическое регулирование крутящего момента и числа оборотов ведомого вала в зависимости от нагрузки, применяются гидротрансформаторы.

Гидротрансформатор отличается от гидромуфты тем, что в последней масло подается непосредственно из гидронасоса на гидротурбину, а в гидротрансформаторе масло подается к насосу через направляющий аппарат, а из насоса — к гидротурбине.

Рис. 9. Схема гидротрансформатора:
1 — ведущий вал, 2 — направляющий аппарат, 3 — турбина, 4 — насос, 5 — ведомый вал

Рис. 10. Внешняя характеристика гидротрансформатора

На рис. 35 показана внешняя характеристика гидротрансформатора. Из этой характеристики видно, что к. п. д. имеет максимум и что следует работать на режимах, близких к максимальному к. п. д. При работе на малых к. п. д. часть энергии расходуется на нагрев масла в турботрансформаторе, поэтому и с этой точки зрения нельзя длительно работать на режимах с низкими значениями к. п. д.

Рис. 11. Внешняя характеристика работы силовой установки с двигателем внутреннего сгорания и гидротрансформатором

1. Установки, у которых режимы работы насоса остаются постоянными или незначительно изменяются при изменении нагрузки на ведомом валу. Такие гидротрансформаторы называются «непрозрачными». В этом случае двигатель, на валу которого установлен гидротрансформатор, работает в постоянном режиме.

2. Установки, у которых при изменении нагрузки на ведомом валу крутящий момент Мн и обороты пн насоса автоматически изменяются в некоторых пределах. Такие гидротрансформаторы называются «прозрачными». Идеально «прозрачным» механизмом является обычная механическая ступенчатая передача.

На рис. 11 показана характеристика работы установки с двигателем внутреннего сгорания и гидротрансформатором. Крутящий момент, создаваемый на выходном валу гидротрансформатора, может быть увеличен в 4—5 раз и число оборотов может изменяться от 0 до максимального.

Применение гидротрансформатора позволяет устранить механические коробки передач или резко сократить число их ступеней. С уменьшением коэффициента трансформации к. п. д. гидротрансформатора существенно уменьшается.

Силовые установки с гидротрансформаторами, приводящие в движение несколько независимых механизмов, мощности которых соизмеримы, могут работать при условии определенного подбора передаточных чисел привода этих механизмов. В противном случае при перегрузке одного из механизмов другие также снижают скорость, что нарушает их работу.

Наиболее целесообразно применять гидротрансформаторы на ходовых механизмах тягачей и землеройно-транспортных машин, у которых мощность, необходимая для перемещения машин, во много раз превосходит мощность для привода других механизмов.

К недостаткам гидротрансформаторов надо отнести сравнительно низкий к. п. д. (наибольший к. п. д. равен 0,85); необходимость применять устройства для охлаждения, усложняющие конструкцию; невозможность изменять направление движения, для чего требуются дополнительные механические передачи.

В гидравлических трансмиссиях особое внимание должно быть обращено на чистоту масла и, следовательно, на хорошую его фильтрацию, на предохранение его от перегрева, на соответствие сорта масла температуре окружающего воздуха.

Электрические трансмиссии

Рис. 12. Электромагнитная муфта:
1— наружная часть, 2 — контактные кольца, 3 — поля обмотки, 4 — лопатки охлаждения, 5 — вал, 6 — воздушный зазор, 7 — внутренная часть, 8 — вал подъемного механизма