Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации
.pdf11
На самоходных кранах последних выпусков для привода всех механизмов применяют гидравлические системы с аксиальнопоршневыми насосами и ре дукторами, от которых приводятся во вращение барабаны грузовой и стрело вой лебедок и поворотная платформа крана. В самоходных пневмоколесных кранах средней грузоподъемности для подъема и опускания стрелы часто ис пользуются гидроцилиндры, что значительно упрощает конструкцию рабоче го оборудования стрелы, так как при этом не нужно применять стреловую ле бедку и стреловой полиспаст для изменения вылета стрелы.
Все большее внимание при проектировании и создании новой техники уделяется вопросам снижения материалоемкости конструкций. Эта задача ре шается как конструкторскими, так и технологическими средствами путем при менения легких и вместе с тем прочных материалов, использования прогрессив ной технологии для изготовления сборочных единиц и деталей машины, вы бор рациональных форм профилей для несущих конструкций, применения ак тивных рабочих органов, действие которых основано, например, на использо вании вибрационного, виброударного или взрывного эффектов.
К машинам и механизмам предъявляют следующие основные требова ния: социальные; конструктивные, эксплуатационные и экологические.
Социальные требования состоят в обеспечении удобства работы в маши нах, для чего предусматривают защиту рабочих от вибрационных и атмо сферных воздействий, удобное размещение приборов, безопасные условия труда.
Различают активную, пассивную и послеаварийную безопасность. Под ак тивной безопасностью понимают комплекс эксплуатационных свойств, спо собствующих предотвращению аварийных ситуаций. К этим свойствам отно сят динамические и тормозные качества, устойчивость против заноса и опро кидывания, обзорность, обеспеченность сигнализацией и приборами, преду преждающими о критических ситуациях, надежность и долговечность эле ментов, разрушение которых может привести к аварии, обеспеченность зву ковой и световой сигнализацией при взаимодействии с другими участниками строительных процессов, а также автоматическими устройствами безопасно сти и блокировки. Чаще всего потеря устойчивости в поперечном направле нии при работе мобильных машин возникает при действии боковых сил, ко торыми могут быть: центробежная сила при движении машины на поворотах или при вращении поворотной платформы экскаваторов и кранов; боковая составляющая «массы» машины при движении по поверхности с поперечным уклоном; боковая составляющая внешней нагрузки.
Обзорность – одно из важнейших свойств активной безопасности. Поэто му машина должна обеспечивать операторам хорошую видимость рабочих органов и окружающих их участков рабочей среды. Для мобильных машин, взаимодействующих с другими машинами комплекса в пределах строитель
12
ной площадки, обзор должен быть круговым. В ночное время обзорность за висит от освещенности рабочего пространства, которая должна соответство вать установленным нормам. Для обеспечения видимости через окна при осадках и во всем диапазоне температур на окна устанавливают стеклоочи стители, отмыватели и устройства, исключающие обледенение и запотевание стекол. Безопасности работы машины способствуют приборы звуковой и све товой сигнализации о нарушениях в тормозной системе, указатели грузового момента у кранов, креномеры, установка муфт предельного момента, уст ройств блокировки и др.
Пассивная безопасность при возникновении аварийной ситуации должна исключать или хотя бы снижать травматизм экипажа. Это достигается в ос новном за счет повышения прочности и жесткости конструкции кабины, при менения безосколочных стекол, установки на окнах защитных решеток, при менения ремней безопасности и т. п. Послеаварийная безопасность требует от конструкции машин обеспечения быстрого выхода или эвакуации людей из аварийной машины. Для этого в верхней части кабины делают специальный люк.
Конструктивные требования заключаются в том, что узлы машины, их компоновка, система управления должны иметь высокую надежность, долго вечность, допускать удобную замену деталей, а также быть хорошо приспо собленными к техническому обслуживанию.
Эксплуатационные требования объединяют все требования к машинам, так как в процессе эксплуатации выявляются: работоспособность, надеж ность, технологичность, экономичность, эргономичность.
Работоспособность − это состояние машин, при котором они способны выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно технической документацией.
Надежность − это свойство машин выполнять заданные функции, сохра няя во времени значения установленных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам в условиях эксплуатации, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность машин зависит от необходимой наработки, которая может исчисляться в моточасах, километрах пробега, часах работы. В последнее время рекомендуют учиты вать надежность в киловаттчасах (кВт∙ч) вместо моточасов или километров пробега, так как киловаттчас имеет более тесную корреляционную связь (на 37%) с отказами, чем с километрами пробега или моточасами.
Технологичность машины оценивают по минимальным затратам средств, времени и труда в производстве, эксплуатации и ремонте [5].
Экономические требования заключаются в том, что стоимость единицы получаемой продукции должна быть минимальной. Это достигается при наи меньшей стоимости машины и малых эксплуатационных расходов, но при наибольшей ее производительности.
13
Высокопроизводительное использование машин в строительстве зависит как от организации, так и от условий их эксплуатации по времени:
1. Уровень использования машин по времени
kи 100 |
Тфак |
, |
(1.1) |
|
Треж |
||||
|
|
|
где Тфак фактическое время работы машины, ч; Треж продолжительность
рабочего времени, установленная режимом работы, ч.
2. Коэффициент использования календарного времени – отношение чис ла часов рабочего времени, приходящегося на одну среднесписочную маши ну, к продолжительности календарного периода
kk |
Tмаш |
100 |
(1.2) |
|
Ткал
3.Коэффициент использования внутрисменного времени. Это есть отно
шение числа часов работы машины в течение смены к общей установленной продолжительности смены
Т
вр.см 100. (1.3)
Тсм
4.Коэффициент сменности работы машины. Это есть отношение числа ча
сов работы в день к продолжительности смены
kсм |
Тр.дн |
100. |
(1.4) |
|
Тсм |
||||
|
|
|
||
5. Фактический средний коэффициент сменности |
|
|||
kсмф ксмNcpDcp / NобDоб , |
(1.5) |
где NсрDcp среднее количество машинодней работы в году;NобDоб общее
количество машинодней работы в году.
Эргономические свойства отражают соответствие конструкции машины гигиеническим условиям жизнедеятельности и работоспособности человека, а также его антропометрическим, физиологическим и психофизическим каче ствам. Эти же свойства оказывают влияние на напряженность труда человека, а следовательно, и на безопасность работы и производительность. Оптималь ное положение тела человека повышает точность и скорость его моторных действий, обеспечивает возможность длительной непрерывной работы без утомления. Поэтому оно должно находиться в положении, близком к состоя нию функционального покоя, при равномерном распределении массы по площади его опорных поверхностей, а спинка сиденья должна плотно приле гать к телу на грудном и поясничнокрестецовом участках позвоночника. Ор ганы управления располагают в пределах рабочей зоны рук машиниста. Для
14
удобной посадки людей различного роста кресла должны иметь регулировку для перемещения сиденья по высоте.
Органы управления располагают в таком порядке, который обеспечивает возможность быстрого поиска нужного органа без зрительного контроля. Расположение и освещение рабочего места на машине должны обеспечивать оператору в положении сидя видимость всех объектов наблюдения. Для сни жения физического утомления машиниста величины усилий, необходимых для приведения в действие органов управления, не должны вызывать чувства усталости при пользовании ими. Применение автоматизации управления и автоматических передач сокращает число операций на педалях и рукоятках управления, что снижает утомляемость машиниста. Рациональное оснащение рабочего места машиниста приборами, контролирующими состояние маши ны, а также характеристики микроклимата в значительной мере определяют габариты кабины. Оптимальные характеристики микроклимата в кабине ма шиниста приведены в табл. 1.1 (ГОСТ 12.1.005—96). Помещение кабины должно быть герметичным для исключения проникновения в него оксида уг лерода и других токсических веществ, а также пыли.
Таблица 1.1
Характеристики микроклимата в кабине машиниста
Период |
Температура |
Влажность, |
Скорость движения |
|||
года |
воздуха, оС |
% |
воздуха, м/с |
|||
Холодный |
23... |
16 |
40 |
...60 |
0,2 |
...0,3 |
Теплый |
+25... |
18 |
60... |
40 |
0,2... |
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
Оценить микроклимат и комфортность на рабочем месте можно по таким параметрам, как температура воздуха в кабине оператора, относительная влажность воздуха и скорость его движения. Имеется некоторый диапазон значений этих параметров, образующих так называемую зону «теплового эф фекта», который необходимо постоянно поддерживать на рабочем месте опе ратора. Для определения зоны «теплового комфорта» можно воспользоваться номограммой, показанной на рис. 1.5.
Рис.1.5. Номограмма для определения зоны «теплового комфорта» в кабине оператора
15
Для этого измеряют температуру в кабине оператора при сухом и влажном Тв воздуха. Затем через деления на левой и правой шкалах, соответствующих
измеренным температурам, например через деления 24,5 о С на левой шкале и 14 о С на правой, проводят прямую линию. Если точка ее пересечения с лини ей, соответствующей измеренной скорости воздуха, например 1 м/c, находит ся в пределах зоны «теплового комфорта», очерченной на номограмме, то микроклимат в кабине можно считать удовлетворительным.
Антропометрические требования, определяющие соответствие размеров, геометрии и конструкции рабочего места, например, кабины машины, антро пометрическим характеристикам оператора, т. е. форме, размерам и массе его тела, а также физиологически рациональным позам оператора на рабочем месте при управлении машиной.
Важным показателем, влияющим на условия и безопасность труда опера тора, является обзорность с рабочего места, которая характеризуется коэффи циентами горизонтальной Кглр и вертикальной Кверт обзорности
|
Êãîð Àâèä / Àîáù Àìàø ; |
Кверт д / nh, |
|
где |
Àâèä видимая с |
рабочего места |
оператора часть общей площадки; |
Àîáù |
общая площадь |
площадки, для |
которой измеряется обзорность; |
Àìàø |
площадь проекции машины на опорную площадку; д, тр дейст |
вительный и требуемый угол обзорности.
Угол обзорности определяют как сумму двух углов 1и 2. Первый обра зован горизонталью, проходящей на уровне глаз сидящего оператора, и исхо дящим из той же точки лучом, направленным вверх и проходящим через верхнюю кромку лобового окна кабины, либо через головку стрелы рабочего оборудования машины при верхнем положении стрелы. Угол 2 образован той же горизонталью и направленным вниз лучом, проходящим через ниж нюю точку лобового окна, либо через режущую кромку рабочего органа при его нижнем положении.
Угол обзорности вперед не должен быть меньше 220о ; оператор должен видеть основание (дорогу) на расстоянии не менее 3 м впереди машины, а также хорошо видеть ее рабочие органы.
Для комплексного определения эргономических свойств машины часто используют метод экспертных оценок. При применении этого метода каждо му эргономическому показателю, например, усилиям на рычагах и педалях управления, уровням вибрации и шума, микроклимату в кабине и т. д., при сваивается свой весовой коэффициент кi (при этом для всех n показателей
n
ki 1). Каждый весовой коэффициент умножают на число баллов, простав
i 1
ленное экспертами для данного показателя (число баллов тем больше, чем
16
лучше микроклимат, меньше усилия на рычагах и педалях, ниже уровня виб рации и шума), и их произведения суммируют. Чем выше полученная сумма, тем выше в целом эргономические свойства машины.
Физиологические требования, определяющие соответствие параметров машины силовым и скоростным возможностям оператора в процессе управ ления машиной, учитывающие возраст, пол и тренированность оператора.
Экологические требования. Содержание СО не должно превышать в каби не 20 мг/м3, а CO2 — 0...10 мг/м3. Вредное влияние шума и вибрации на ма шиниста должно быть ограничено. Предельный допустимый уровень шума на месте машиниста согласно ГОСТ 12.1.003−96 не должен превышать 85 дБ. Предельные допустимые характеристики вибрации на рабочем месте опреде лены стандартом. Работа машины должна исключать вредное ее влияние на работающих поблизости людей и окружающую природу. Количество токси ческих веществ, поступающих в атмосферу с выхлопными газами от двигате ля машины, должно быть ограничено предельными значениями по ГОСТ
12.1.005—96.
Cуммарный массовый выброс iго загрязняющего вещества машинами
n |
Kris т, |
|
ri M1i M2i |
(3.19) |
j 1
где М1i, M2i масса выбросов iго загрязняющего вещества на один кВт∙ч энергии двигателя, которые приведены в табл.3.10; Kris коэффициент, учи тывающий влияние технического состояния машины на массовый выброс i го загрязняющего вещества
(Êris krco 1,75;krcí 1,48;krNO2 |
1,0;krso2 1,15;krpb 1,15). |
Для машин с дизельными двигателями |
|
Êris (Krco 1,6;K rcH 2,1;Krno |
1,0;Kc 1,9;Krso 1,15). |
Для того чтобы оценить фактическое состояние машины, нужно взять от ношение фактической суммарной токсичности Мф к ее нормативному Мнорм значению. Это и будет коэффициент (К) приспособленности машины к ок ружающей среде. Если выбросы равны нормируемым, то, очевидно, К= 1; если меньше нормируемых, он больше единицы; если больше нормируемых, он меньше единицы, табл.1. 2.
|
|
|
|
17 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.2 |
|
|
Выбросы токсичных веществ в зависимости от режима |
|||||||
|
|
работы двигателя |
|
|
|
|||
Режим |
работы |
Содержание токсичных веществ в отработавших |
Коэффициент |
|||||
двигателя или |
|
|
газах |
|
|
|||
автомобиля |
|
|
|
|
|
приспособлен |
||
Углеводороды, |
Монооксид |
Оксиды азота, |
||||||
|
|
ности |
||||||
|
|
мг/м |
3 |
углерода, % |
мг/м |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Холостой ход |
500 |
|
4 |
10 |
|
1 |
||
Средняя скорость |
200 |
|
1 |
1000 |
0,19 |
|||
движения |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
Разгон |
|
50 |
|
0,5 |
1000 |
0,61 |
||
Торможение |
3000 |
|
2 |
|
5 |
1,91 |
Эстетические свойства машины должны способствовать формированию положительных эмоций, следовательно, и повышению работоспособности обслуживающего персонала. С целью снижения выбросов с отравляющими веществами используют нейтрализаторы.
1.2. Структура каталитического конвертора
Каталитический нейтрализатор осуществляет очистку отработавших га зов двигателей с искровым зажиганием (в настоящее время нейтрализаторы также используются и в дизельных двигателях). Его размещают как можно ближе к двигателю для быстрого нагрева до рабочей температуры. Нейтрали затор занимает место переднего глушителя, его снабжают устройствами, ко торые, кроме очистки отработавших газов, обеспечивают снижение шума вы пуска. В зависимости от размера двигателя предусматривают установку одно го или большого числа глушителей.
На Vобразных двигателях левые и правые ряды цилиндров часто имеют свои нейтрализаторы или глушители, которые затем соединяются вместе с образованием одного большого глушителя. Выпускные трубы обеспечивают объединение всех выпускных окон в головке цилиндров в один или большее число выпускных коллекторов, а также соединяют между собой каталитиче ский нейтрализатор и глушители. Объем труб, а также тип соединений влия ют на мощность и акустические параметры двигателя. Поэтому система вы пуска двигателя с большими рабочими объемами часто имеет две выпускные трубы. Трубы, каталитический нейтрализатор и глушители соединяются по средством втулок фланцев.
Во многих системах все их основные компоненты сварены между собой с образованием одного элемента. Система выпуска крепится к днищу машины с использованием упругих элементов, так как вибрации от выпускных труб,
18
вызываемые выпуском отработавших газов, могут передаваться в кабину и повышать шумность. Шум выпуска у среза выхлопной трубы может также привести к возникновению резонансных колебаний кабины. Общий объем глушителей должен быть приблизительно в 3…8 раз больше рабочего объема двигателя. Масса системы выпуска может колебаться от 8 до 40 кг.
Каталитический нейтрализатор содержит керамические блочные носители с покрытием из активного каталитического вещества. Для компенсации раз личных коэффициентов теплового расширения у стали, из которой изготав ливается корпус нейтрализатора, и керамического материала и для защиты блочного носителя от ударных нагрузок и вибраций применяются два типа упругих монтажных элементов в виде проволочной сетки, изготовленной из термостойкой нержавеющей стали.
Альтернативой керамическому монолитному блоку является металличе ский каталитический нейтрализатор. Он изготавливается из гофрированной металлической фольги толщиной 0,05 мм, шамота и соединяется твердым припоем при высокой температуре. Поверхность фольги покрывается дейст вующим катализатором. Благодаря тонким стенкам фольги в тех же габари тах, что и у керамического нейтрализатора, может быть размещено большее число каналов. Это приводит к меньшему сопротивлению прохождения отра ботавших газов.
Рассмотрим цилиндрический конвертор диаметром d и длиной l , вклю чающего в себя N каналов. Сечение каналов имеет форму равнобочной тра пеции с основаниями a1 и a2 и высотой h, тогдa площадь сечения одного канала
|
|
A1 (a1 |
a2)/2h, |
|
|
|
(1.6) |
||||||||
периметр сечения канала |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
р |
a |
a |
2 |
|
|
a |
2 |
a 2 |
4h2 ; |
|
(1.7) |
||||
1 |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||
площадь поверхности одного канала |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
a |
|
|
a |
a |
|
2 |
4h2 |
(1.8) |
|||||
|
a |
|
2 |
|
l, |
||||||||||
|
1 |
1 |
|
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
взаимосвязь общего числа каналов в конверторе с параметрами одного канала
d2
N 2 a1 a2 h;
площадь внутренней поверхности всего конвертора
|
|
d2l |
|
d2l |
a a |
2 |
2 |
4h2 |
|
s |
Ns1 |
|
|
|
1 |
|
|
; |
|
2h |
|
2 a a h |
|||||||
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
удельная поверхность
19
|
s |
|
|
а1 |
а2 |
|
|
2 |
4h |
2 |
|
|
|
|
2 |
|
а2 а1 |
|
|
||||||
sуд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(1.9) |
V |
|
|
|
2 a |
|
a h |
|
|
||||
|
кон |
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
где Vкон объем конвертора.
Из полученных уравнений можно отметить, что чем больше h – расстоя ние между витками ленты, тем меньше внутренняя площадь поверхности ка талитического блока. Чем меньше размеры трапеции (величины а1 и а2 ) и чем ближе трапеция к треугольнику, тем больше удельная поверхность и из менение концентрации по длине каталитического конвертора.
Рассмотрим один канал квадратного сечения длиной dl и единичный объем газа, двигающийся по каналу с линейной скоростью г = 70…100 м/с. Вели чина линейной скорости в каждом канале одинаковая и определяется исход ным количеством выхлопных газов Q (cм3/с) и площадью сечения конвертора Акон (см2 ), тогда
Q4Q
г Aкон = d2 .
Скорость конверсии (изменение концентрации) СО, NO2 в этом эле менте объема будет определяться dc/dt. В большинстве случаев гетеро геннокаталитических процессов допустимо принять, что реакция конверсии в целом протекает как реакция первого порядка. В этом случае скорость про цесса пропорциональна концентрации вещества, находившегося в единице объема (V ) в первой степени, и площади поверхности катализатора, прихо дящейся на эту же единицу объема (т. е. удельной поверхности sуд ), с коэф
фициентом пропорциональности, равным эффективной константе скорости кэф . Тогда скорость конверсии равна
dc |
kэфcsуд . |
(1.10) |
|
||
dt |
|
В каждом канале устанавливается стационарное состояние, и концентра ция Сi в каждой точке по его длине l представляет собой временную разверт ку поведения изолированной зоны, где t = l/ г . После подстановки значения t в выражение (1.10) и интегрирования полученное уравнение в пределах от 0 до l при изменении концентрации компонентов на этом пути от начальной ñ î до текущей с
ñ dc |
l 4kýô |
dl |
|
c |
4kэф |
l. |
|
|||||
|
|
|
|
|
или ln |
|
|
|
|
(1.11) |
||
c |
a |
|
|
a |
|
|||||||
ñ |
0 |
ã |
|
|
c |
г |
|
|
||||
î |
|
|
|
|
|
o |
|
|
|
После преобразований из (1.11) можно получить уравнение, показываю щее, как убывает концентрация токсичных компонентов по длине канала и конвертора в целом
|
|
20 |
|
|
|
4kэф |
|
|
|
c co exp |
|
l . |
(1.12) |
|
a г |
||||
|
|
|
Из этого следует, что концентрация компонентов в каждом отдельном ка нале и конверторе в целом убывает по длине одинаково. Наибольшее количе ство токсичных компонентов должно нейтрализоваться на начальном участке каталитического блока. Начиная с некоторой длины конвертора, концентра ция компонентов будет убывать незначительно. Длина конвертора, на кото рой прореагирует 98% всей начальной концентрации компонента, может быть найдена из уравнения (1.11)
ln |
c |
ln0,98 |
4kэф |
l , |
|
co |
a г |
||||
|
|
|
откуда после преобразований
l ln0,98 га ,
4кэф
или с учетом линейной скорости единичного объема l 2,02 10 2Q a .
d2kэф
С увеличением диаметра конвертора и числа каналов в нем уменьшается линейная скорость движения газовой смеси. Для уменьшения длины конвер тора следует уменьшать скорость газов в каждом канале, увеличивая диаметр каталитического блока, либо уменьшать размер канала. На размеры катали тического блока влияет эффективная константа скорости процесса.
В каждом канале конвертора химическая реакция между компонентами газовой смеси протекает на его стенках. Поэтому прежде чем прореагировать, реагенты должны продиффундировать из центра потока к каталитической по верхности сквозь слой инертных газов и уже образовавшихся продуктов кон версии.
Рассмотрим одно из поперечных сечений канала конвертора при устано вившемся стационарном распределении концентрации реагирующих газов. При этом поток вещества, движущийся в результате диффузии через площадь А в направлении z к стенке в единицу времени и соответствии с законом Фи ка, равен
Jd Ddc A, dz
где D – коэффициент диффузии компонента.
Градиент концентраций, устанавливающийся в поперечном сечении прямо угольного канала dc/dz, можно приближенно записать через конечные вели чины концентраций и расстояния, на котором диффундирует компонент