Часть II. Конструирование и Расчет агрегатов и систем машин

Силовой агрегат

Общие сведения

Силовой агрегат, состоящий из двигателя и обслужива­ющих его агрегатов, предназначен для получения механической мощности, необходимой для преодоления внешних сил сопротив­ления движению машины.

На самоходных технологических машинах применяют двигатели внутреннего сгорания, положительными чертами которых являются авто­номность, экономичность и высокая удельная мощность. Эти качества ДВС, несмотря на не вполне удачную скоростную ха­рактеристику, ставят их вне конкуренции по сравнению с дви­гателями других типов. Двигатель внутреннего сгорания преоб­разует тепловую энергию сгорающего топлива в механическую энергию вращения коленчатого вала. Далее эта энергия пере­дается через трансмиссию на ведущие колеса и гусеничные дви­жители машины.

Так как на строительно-дорожных машинах в силу ряда преимуществ получили почти исключительное распространение двигатели с вос­пламенением от сжатия (дизели), дальнейший материал относится именно к этому типу двигателей внутреннего сгорания.

Обслуживающие двигатель агрегаты входят в системы, обеспе­чивающие питание топливом и воздухом, охлаждение, смазку, подогрев и запуск двигателя. Эксплуатационно-технические ха­рактеристики и качество этих систем определяют надежность, экономичность и эффективность работы двигателя при различных режимах и условиях эксплуатации машины. В соот­ветствии с этим обслуживающие двигатель системы и агрегаты в любых дорожных и климатических условиях должны обеспе­чивать: получение от двигателя максимальной мощности; эконо­мичность и приемистость двигателя; поддержание требуемого теплового режима работы; надежную и эффективную смазку; надежную и эффективную очистку воздуха, поступающего в дви­гатель; быстрый подогрев и запуск; удобство эксплуатации и тех­нического обслуживания.

На рис. 94 представлен примерный вид общего энергетиче­ского баланса современного двигателя гусеничной машины, работающего при полной подаче топлива. Из общего количества тепла Q_т, выделяемого при сгорании топлива, около двух тре­тей отводится охлаждающей жидкостью (Q_ж), маслом (Q_м), отра­ботавшими газами (Q_г) и рассеивается в окружающее простран­ство (Q_р) корпусом двигателя и другими агрегатами и деталями моторной установки. И только одна треть (Q_е) превращается в эффективную механическую работу вращения коленчатого вала. При работе двигателя на частичных характеристиках относи­тельная величина тепловых, а так­же механических и барботажных потерь в двигателе значительно возрастает.

Высокие динамические качества машины (большие ускорения при разгоне, возмож­ность преодоления сложных пре­пятствий, быстрый поворот с лю­бым радиусом) обеспечиваются большой удельной мощностью

(24)
где N_{е max} – максимальная эффек­тивная мощность двигателя в кВт; т – масса машины в т.

В современных строительных машинах удельная мощность до­стигает 15 кВт/т, что достаточно для получения приемлемых значе­ний тяговых характеристик ма­шины. В отдельных случаях эта ве­личина бывает значительно выше.

Рис. 94. Общий вид энергетиче­ского баланса двигателя
(n – те­кущая частота вращения двигателя в об/мин; n_N – частота вращения при максимальной мощности)

Повышение мощности совре­менных двигателей внутреннего сгорания может быть достигнуто за счет наддува – увеличения весового заряда воздуха и топлива, поступающих в цилиндры двигателя. Наддув осуществляется нагнетателями с механиче­ским, газотурбинным или комбинированным приводом от дви­гателя. Благодаря относительной простоте конструкции, авто­матичности регулирования режима работы нагнетателя и высо­кому к. п. д: наиболее широкое применение в настоящее время находит газотурбинный наддув, способный обеспечить повышение мощности двигателя на 25–30% при давлениях наддува 150-200 кПа (1,5-2,0 кГ/см^г). Дальнейшее повышение давления наддува нецелесообразно связи со значительным ростом затрат мощности в нагнетателе и температуры воздуха (или смеси), поступающего в двигатель. Исключение составляют сложные системы наддува с комбинированным приводом и охладителями, применяющиеся на стационарных двигателях большой мощности.

Экономичная работа двигателя гарантирует производительный расход топлива и обеспечивает самоходной машине необходимый запас хода. Топливная экономичность двигателя оценивается величиной удельного расхода топлива, которая для дизелей со­ставляет 220-300 г/(кВт-ч), для бензиновых двигателей – 280-380 г/(кВт-ч). Под запасом хода понимается наибольшее расстояние в км, которое можно пройти при одноразовой заправке топливом. Для боль­шинства транспортных машин, прежде всего колесных, запас хода составляет 400-500 км.

Сложность создания надежной и совершенной моторной уста­новки строительной машины обусловлена тем, что двигатель боль­шой мощности (500-1000 кВт и выше) вместе с обслуживающими его вспомогательными системами должен быть размещен в огра­ниченных габаритах корпуса. Наличие топливных и масляных агрегатов и магистралей, горячих поверхностей выхлопных труб требует обеспечения пожарной безопасности. Ограниченность места вызывает необходимость строгого учета габаритов и взаим­ного расположения отдельных агрегатов, полной герметизации систем, надежной вентиляции моторного отделения.

От двигателя, установленного в машине, к ведущему валу трансмиссии подводится свободная мощность N_д, величина ко­торой на 10-20% ниже эффективной мощности N_е, определяемой во время испытаний двигателя на тормозном стенде. Основными факторами, влияющими на снижение мощности при установке двигателя в машине, являются снижение срднего эффективного давления в цилиндрах двигателя в связи с повышенным сопро­тивлением на впуске (воздухоочистка) и выпуске (глушение шума выпуска, эжекционные системы) из двигателя, а также затраты механической мощности на обслуживающие агрегаты. Таким образом, можно написать

,(25)
где N_м.у. – затраты мощности, связанные с работой обслужива­ющих двигатель агрегатов моторной установки.

Величина N_м.у. является одним из основных оценочных пока­зателей качества агрегатов моторной установки в целом. Чем меньше N_м._у., тем больше свободная мощность двигателя N_д, тем выше тяговые и экономические показатели гусеничной ма­шины.

Основным потребителем мощности, теряемой в моторной уста­новке, является вентилятор системы охлаждения двигателя. При работе двигателя на оборотах п_N, соответствующих его мак­симальной мощности N_{е тах}, вентилятор потребляет мощность N_вN =(0,06-0,15) N_{е mах}. При другой частоте вращения дви­гателя приближенно можно считать

, (26)
где N_в – мощность, потребляемая вентилятором при оборотах двигателя п.

Сопротивление в воздухоочистителях приводит к снижению мощности двигателя на режиме N_{е тах}на величину N_воN =(0,02-0,04) N_{е mах}. При другой частоте вращения двигателя, работающего на внешней характеристике,

. (27)

Противодавление на выпуске из двигателя, связанное с работой глушителей шума, также приводит к снижению мощности дви­гателя. На режиме N_{е mах}будет N_выпN =(0,02-0,03) N_еmax.

При другой частоте вращения двига­теля, работающего с полной подачей топлива,

. (28)

На рис. 95 изображена внешняя характеристика двигателя гусеничной машины и представлен характер изменения потерь мощности в моторной установке в зависимости от оборотов дви­гателя. Очевидно, что повышение свободной мощности двигателя, а следовательно, и тяговых характеристик машины, может быть достигнуто за счет уменьшения потерь в агрегатах моторной уста­новки: уменьшения сопротивлений в воздухоочистителе и на выпуске, повышения к. п. д. вентилятора.

Рис.95. Внешняя характеристика двигателя и потери мощности в моторной установке

Относительным оценочным показателем экономичности мотор­ной установки является к. п. д.

, (29)
величина которого может изменяться в широких пределах в зависимости от режима работы двигателя.

Взаимное расположение двигателя и агрегатов вспомогатель­ных систем в моторном отделении гусеничных машин отличается большим разнообразием. Основное влияние на компоновку мо­торного отделения оказывают расположение двигателя в машине и его связь с трансмиссией, тип системы охлаждения и размещение ее агрегатов, размещение топливных и масляных баков. Однако все виды компоновочных решений моторных установок подчи­няются общим требованиям и оценка их производится по одним и тем же показателям. Основными требованиями к компоновке моторной установки являются: изоляция моторной установки от других отделений машины; рациональное использование объема машины; обеспечение эффективной работы двигателя и обслужи­вающих агрегатов; удобство доступа к различным агрегатам при обслуживании и выполнении ремонтных работ.

Продольное распо­ложение двигателя применяется на многих машинах, так как при этом связь с транс­миссией получается наиболее простой. Однако во всех случаях при продольном расположении двигателя получается большая длина моторного отделения, а в трансмиссии обязательно при­меняется коническая пара. Поперечное расположение двигателя в этом отношении имеет преимущество: значительно сокращается длина моторного отделения, но связь двигателя с трансмиссией усложняется.

К раме или корпусу машины двигатель крепится жестко или при помощи резиновых подушек. Все агрегаты системы моторной установки располагаются по возможности ближе к двигателю с целью сокращения длины соединительных трубопроводов и наиболее рационального использования объема моторного отде­ления. При коротких трубопроводах уменьшаются вибрации, вызывающие поломки и нарушение плотности в местах соедине­ний, уменьшается их сопротивление и повышается надежность систем, обслуживающих двигатель.

Агрегаты моторной установки, требующие периодического обслуживания или используемые во время эксплуатации машины (топливные и масляные фильтры и насосы, воздухоочистители, краны и т. д.), должны располагаться в свободно доступных ме­стах, что при плотной компоновке моторного отделения является задачей весьма трудной.

Для размещения топливных баков в машине используются ободные объемы, остающиеся после установки двигателя, трансмиссии и других крупных агрегатов. Часть топливных баков для увеличения емкости системы питания может быть установлена снаружи машины. В специальных случаях эти баки должны быть легкосъемными.

Воздухоочистители располагают в местах наименьшей запы­ленности воздуха и как можно ближе к двигателю, чтобы умень­шить сопротивление трубопроводов и занимаемый ими объем.

Размещение водяных и масляных радиаторов определяется выбранной системой охлаждения. Как правило, их располагают у воздухопритоков крыши корпуса. Воздух, поступая в моторное отделение, проходит через радиаторы, омывает агрегаты уста­новки и выбрасывается наружу. Часть воздуха направляется к воздухоочистителям и идет на питание двигателя. Циркуляция воздуха обеспечивается вентилятором.

Техническое обслуживание агрегатов моторной установки осуществляется через люки, расположенные в крыше корпуса (над двигателем и воздухоочистителями) и в днище (под водяным и масляным насосами).

Системы питания двигателя

Питание двигателя обеспечивается топливной и воздушной системами питания. Образование тепловой энергии газов, преоб­разуемой в механическую работу, происходит вследствие воспла­менения и сгорания топлива при большом давлении и высокой температуре. Качество топливовоздушной смеси и степень на­полнения ею цилиндров определяют основные характеристики двигателя и машины и в значительной степени влияют на надеж­ность и безотказность работы двигателя. Поэтому топливо и воздух должны подаваться в цилиндры двигателя всегда в строго определенном количестве в зависимости от режима работы и всегда тщательно очищенными от посторонних примесей.

Топливная система питания

Топливоподающая (топливная) система двигателя предназна­чена для размещения, очистки и подачи топлива к насосу высо­кого давления в нужном количестве и с достаточным давлением на всех режимах движения машины при любой температуре окру­жающего воздуха.

В топливную систему в общем случае входят узлы, размещен­ные в корпусе машины (топливный бак, топливный насос низкого давления, фильтры, топливопроводы низкого давления), и узлы, установленные на двигателе (топливный насос высокого давления, форсунки, топливопроводы высокого давления). При компоновке моторной установки решаются задачи, связанные с топливной системой низкого давления.

Для обеспечения нормальной работы топливной системы ко всем узлам предъявляются требования: герметичность, надеж­ность, малый вес и габариты, коррозийная стойкость, малые ги­дравлические сопротивления.

Общий вес (или объем) заправляемого топлива определяется заданным запасом хода каждой конкретной машины. Применяются топливные баки различных емкостей и конфигурации, они разде­ляются на внутренние, устанавливаемые в корпусе машины, и дополнительные – наружные. Топливо из наружных баков рас­ходуется в первую очередь. Топливная схема питания предусма­тривает сообщение баков между собой и обеспечивает нормальную работу системы питания при повреждении любого бака. Баки свариваются из листовой стали. Во избежание коррозии внутрен­ние поверхности баков бакелитируются, покрываются цинком или лудятся. Для повышения жесткости на стенках баков выштамповываются желоба (зиги), а внутри бака устанавливаются несплошные перегородки.

Баки заправляются топливом через заливные горловины, снабженные сетчатым фильтром. После заливки топлива горловина закрывается резьбовой пробкой. В нижней части внутренних баков имеются отстойники. Приемный топливопровод присоеди­няется к баку выше отстойника. Слив топлива из бака произво­дится через отверстие с пробкой и клапаном при помощи специаль­ного ключа-трубки со шлангом.

Воздушное пространство баков соединяется с атмосферой через дренажное устройство,которое должно исключать возмож­ность попадания огня в полость бака и вытекание топлива из бака при резких толчках машины, а также обеспечивать очистку воздуха, поступающего в бак.

Замер количества топлива в баке обычно производится изме­рительным стержнем,который опускается в бак через заливную горловину или специальное отверстие, а также при помощи электрических указателей уровня топли­ва.

Перед запуском двигателя заполнение системы топливом и подача топлива к на­сосу высокого давления осуществляются при помощи ручного насоса. Наиболее широкое применение нашли ручные топли­воподкачивающие насосы мембранного типа.

Содержащиеся в топливе механические примеси (абразивная пыль) вызывают повышенный износ, а иногда и заедание преци­зионных пар топливного насоса высокого давления и форсунок (плунжер – гильза; распылитель – игла распылителя). Повышен­ный износ прецизионных пар приводит к неравномерной подаче топлива в цилиндры и снижению мощности двигателя. Попавшая в топливо вода способствует электрохимической коррозии деталей топливной аппаратуры, а в зимнее время может привести к обра­зованию ледяных пробок в топливопроводах и прекращению подачи топлива.

Для очистки топлива от механических примесей и воды в топ­ливной системе устанавливаются последовательно два фильтра. Фильтр первичной (грубой) очистки устанавливается перед топ­ливоподкачивающим насосом и задерживает сравнительно круп­ные механические частицы размерами более 20-50 мкм, состав­ляющие 80-90% всех примесей в топливе. Фильтр вторичной (тонкой) очистки, устанавливаемый перед топливным насосом высокого давления, очищает топливо от мельчайших механических примесей размерами до 2-6 мкм.

По мере загрязнения фильтров грубой очистки увеличивается их сопротивление, вследствие чего подача топлива к топливопод­качивающему насосу затрудняется.

В фильтрах тонкой очистки топлива в качестве фильтрующих элементов применяются пакеты из фетровых дисков, каркасы с поглощающей механические примеси набивкой (например, ми­неральной ватой), каркасы с нитчатой или тканевой обмоткой и т. д.

По мере загрязнения фильтрующих элементов увеличивается тонкость фильтрации топлива, но при этом увеличивается сопро­тивление фильтра. Перепад давления в чистом фильтре тонкой очистки составляет 10-15 кПа (0,1-0,15 кГ/см²), при его загряз­нении сопротивление может достигать 50-70 кПа. Так как давле­ние, создаваемое топливоподкачивающим насосом, как правило, не превышает 60-70 кПа (0,6-0,7 кГ/см²), при сильном загряз­нении фильтрующего элемента подача топлива в двигатель может практически прекратиться. В связи с этим фильтры должны периодически промываться, а фильтрующие детали заменяться новыми.

В топливной системе питания применяются металлические топ­ливопроводы и специальные резиновые шланги в гибкой оплетке. Соединение топливопроводов между собой и с агрегатами топлив­ной системы производится при помощи специальных резьбовых соединений.

Система питания воздухом

Долговечность работы двигателя в значительной мере зависит от количества пыли, попадающей в двигатель с воздухом. Прони­кая в цилиндр двигателя, частицы пыли вызывают интенсивный абразивный износ цилиндров, поршневых колец, шеек и подшип­ников коленчатого вала. Износ приводит к падению мощности, увеличению расхода топлива и смазки, снижению срока службы двигателя.

Для очистки воздуха от пыли и подвода его к цилиндрам дви­гателя служит воздушная система питания. В систему входят воздухоочистители, впускные коллекторы, устройства для отсоса пыли из пылесборников воздухоочистителей. Воздухоочистители должны свободно пропускать в цилиндр воздух и задерживать находящуюся в нем пыль.

Под запыленностью воздуха j понимается количество пыли в г, содержащееся в 1 м³ воздуха. Степень очистки воздуха оценивается количеством пыли, задержанной воздухоочистителем, отнесенным к количеству пыли, поступившей в воздухоочиститель с атмосферным воздухом.

Степень запыленности воздуха зависит от многих факторов (дорожных условий, конструкции ходовой части, скорости дви­жения машины) и резко меняется по высоте. Так, при движении гусеничной машины по пыльной дороге на высоте 0,25 м запы­ленность за кормой машины достигает 8 г/м³, а на высоте 2м – 0,5 г/м³. Воздух для питания двигателя обычно поступает на вы­соте немногим более 1 м, где запыленность редко превышает 4 г/м³. Если запыленность воздуха не превышает 0,001 г/м³, то пыль практически не влияет на износ двигателя.

Наиболее трудной задачей при разработке воздухоочистителя является обеспечение очистки воздуха от мельчайших частиц пыли, осаждение которых вызывает значительные трудности. Экспери­ментально установлено, что практически безвредными для работы двигателя являются пылинки размером 0,001 мм. Такие пылинки не могут осесть на землю даже при отсутствии ветра, а частицы размером 0,002-0,003 мм не могут осесть при незначительном ветре, их осаждение в естественных условиях происходит только под действием тумана, дождя или снега. В воздухоочистителях осаждение таких частиц неизбежно приводит к усложнению метода очистки воздуха и самой конструкции воздухоочистителя. Конструкция современного воздухоочистителя должна удов­летворять следующим основным требованиям: обеспечивать вы­сокую (почти 100%-ную) степень очистки воздуха от находя­щейся в нем пыли; иметь минимальное и стабильное во все время работы двигателя сопротивление проходу воздуха; длительно работать без промывки; обеспечивать малую трудоемкость работ по обслуживанию; обладать малым весом и габаритами.

Степень очистки воздуха воздухо­очистителем характеризуется коэф­фициентом пропуска пыли

Для обеспечения требуемой долговеч­ности работы двигателя необходимо, чтобы h=0,1-0,2%, не более. Вто­рым существенным показателем каче­ства воздухоочистителя является его сопротивление прохождению воздуха, характеризуемое перепадом давления D р. Сопротивление воздухоочисти­теля обусловливает потерю до 5% мощности двигателя. Часть мощности затрачивается на преодоление сопро­тивления воздухоочистителя, часть теряется в связи с ухудшением напол­нения цилиндров двигателя воздухом, что в конечном счете приводит к неполному сгоранию топлива. По мере загрязнения воздухоочистителя его сопротивление воз­растает. Соответственно возрастают и непроизводительные потери мощности. Максимально допустимая величина сопротивления воздухоочистителя на номинальных режимах работы двигателя составляет Dр=10-12 кПа. Для газотурбинных двигателей в силу особенностей их конструкции сопротивление воздухоочистителя не должно превышать 3-4 кПа. При этом допускается пропуск пыли до 3-4%.

На рис. 96 показан характер изменения степени очистки воздуха и сопротивления воздухоочистителя от режима его работы (расход воздуха) и степени загрязнения (время работы).

Рис. 96. Зависимость степени очистки воздуха R и сопротив­ления воздухоочистителя Δр от расхода воздуха Q_в (сплошные линии) и времени работы t (штриховые линии)

По способу отделения пыли от воздуха воздухоочистители могут быть подразделены на инерционные, фильтрующие и комбиниро­ванные, имеющие две или более ступеней очистки. В зависимости от того, смачиваются ли элементы воздухоочистителя маслом или жидкостью, их называют сухими или мокрыми (масляными).

На современных гусеничных и колесных машинах чаще всего применяются комбинированные воздухоочистители с двумя сту­пенями очистки. В первой ступени из воздуха удаляются наиболее крупные и тяжелые частицы пыли, во второй – мелкие пылинки.

Наибольшее распространение для первичной грубой очистки воздуха получили методы пылеосаждения, инерционный и центро­бежный. Для окончательной тонкой очистки применяются кон­тактный метод и фильтрация.

При инерционной очистке используется сила инерции дви­жущихся пылинок: при резком изменении направления движе­ния воздуха пылевые частицы продолжают двигаться по перво­начальному направлению и, вылетая из воздушного потока, задерживаются в пылесборниках.

Весьма эффективным является способ очистки воздуха, при котором наряду с инерционными используются также центро­бежные силы. Для этого проходящий в корпусе инерционного воздухоочистителя поток воздуха закручивается при помощи спиральных направляющих, тангенциального (по касательной к цилиндрической стенке) входа или других способов. При этом частицы пыли отбрасываются центробежными силами к стенке корпуса и скатываются по ней в пылесборник. Такие центробежно-инерционные воздухоочистители называются циклонами.

Существенным преимуществом сухого инерционного способа очистки воздуха является то, что сухая пыль может быть легко выброшена из пылесборника в атмосферу путем отсоса. Это осо­бенно важно при большой запы­ленности воздуха, когда необ­ходимо непрерывное удаление пыли в процессе всей работы двигателя. Отсос пыли осуществляется при помощи вентиля­торов системы охлаждения или эжекционного устройства, дей­ствующего от выпускных газов двигателя.

Современные циклонные воздухоочистители обеспечивают сте­пень очистки воздуха не более R=0,98 при сопротивлении до 5 кПа. Это может быть достаточно для некоторых типов газотурбинных двигателей, в которых наличие пыли в воз­духе вызывает в основном повышенный износ проточной части компрессора. Для поршневых двигателей требуется, чтобы воз­духоочиститель обеспечивал степень очистки воздуха до R=99,8-99,9%, поэтому инерционные воздухоочистители в этом случае используются лишь как первая ступень очистки. В ка­честве второй ступени применяются масляные или сухие филь­трующие элементы.

На строительных машинах для тонкой очистки воздуха чаще при­меняются кассеты с проволочной или другого типа набивкой.

Преимуществом мокрого способа очистки воздуха является использование сил сцепления между частицами пыли и маслом. Эти силы проявляются, когда частицы пыли, петляя по хаотично расположенным каналам в набивке кассеты или в слоях проволоч­ной сетки, касаются смоченной маслом проволоки и задержи­ваются на ней.