Введение: Цели, Задачи и Актуальность Модернизации ДСМ
Современный темп дорожного строительства требует от дорожно-строительных машин (ДСМ) не только высокой производительности, но и исключительной надежности, а также энергоэффективности. Статистика показывает, что даже на начало 2020-х годов значительная часть парка эксплуатируемых в России асфальтоукладчиков представлена машинами прошлых поколений, такими как ДС-143А. Эти машины, спроектированные с использованием гидравлических систем Open Center с нерегулируемыми насосами и дроссельным управлением, демонстрируют значительные потери мощности, достигающие 20–30%, что напрямую влияет на рост операционных расходов и снижение общего КПД. И что из этого следует? Каждая пятая лошадиная сила двигателя расходуется бесполезно, превращаясь в избыточное тепло, что сокращает ресурс агрегатов.
Целью данного курсового проекта является разработка детализированной проектно-расчетной части по модернизации ключевых узлов асфальтоукладчика ДС-143А, с акцентом на замену устаревшей гидросистемы на современный энергоэффективный гидропривод с использованием технологии Load Sensing (LS).
Работа структурирована таким образом, чтобы обеспечить студента исчерпывающим набором инженерных методик, формул и актуальных технических данных, необходимых для обоснования проектных решений. В процессе будут решены следующие ключевые задачи:
- Расчет основных технологических и тяговых параметров машины.
- Выполнение сравнительного анализа устаревших и современных гидросистем.
- Детализированный расчет на прочность ключевых рабочих органов.
- Проектирование модернизированной гидросистемы с учетом требований энергоэффективности и надежности (фильтрация, скорости потока).
Результатом станет полноценный инженерный проект, готовый к защите в техническом вузе (МАДИ, МГСУ и др.), который подтвердит техническую и экономическую целесообразность предложенной модернизации.
Теоретические Основы и Расчет Основных Технологических Параметров Асфальтоукладчика
Для проектирования и модернизации машины необходимо точно определить ее технологические возможности и нагрузочные характеристики. Расчетные методики основываются на стандартах машиностроения и технологии дорожного строительства.
Расчет эксплуатационной производительности и ее обоснование
Эксплуатационная производительность ($P$) асфальтоукладчика является основным параметром, определяющим его класс и экономическую эффективность. Расчет ведется по объему (или массе) уложенной и уплотненной смеси за единицу времени, с учетом технологических потерь.
Формула для определения объемной (массовой) производительности:
P = Vу hп bр ρсм τs
Где:
- $P$ – эксплуатационная производительность (т/ч или м³/ч).
- $V_{у}$ – рабочая скорость укладки (м/ч).
- $h_{п}$ – толщина укладываемого слоя в плотном теле (м).
- $b_{р}$ – рабочая ширина укладки (м).
- $\rho_{см}$ – плотность асфальтобетонной смеси (т/м³ или кг/м³).
- $\tau_{s}$ – коэффициент использования рабочего времени.
Обоснование выбора расчетных параметров:
- Рабочая скорость укладки ($V_{у}$): Для современных асфальтоукладчиков средней производительности, при работе с горячими асфальтобетонными смесями, критически важно обеспечить стабильную работу уплотняющих органов. Оптимальный диапазон $V_{у}$ составляет от 60 до 1200 м/ч (1 до 20 м/мин). В курсовом проекте следует принять расчетное значение, исходя из типа смеси (например, 5 м/мин или 300 м/ч).
- Коэффициент использования рабочего времени ($\tau_{s}$): Этот коэффициент учитывает технологические паузы, связанные с подходом и перегрузкой смеси из самосвалов, а также время на регулировку и маневрирование. Для реалистичного инженерного расчета $\tau_{s}$ принимается в диапазоне от 0,8 до 0,9. Принимая $\tau_{s} = 0,85$, мы учитываем типичные потери рабочего времени в условиях реального дорожного строительства.
Тяговый расчет и определение общей мощности двигателя
Тяговый расчет позволяет проверить способность машины преодолевать сопротивления движению и работе рабочих органов. Это необходимо для определения требуемой мощности двигателя (или мощности гидропривода хода).
Условие движения:
Для обеспечения стабильного движения и работы машины необходимо, чтобы сила тяги по сцеплению ($T_{сц}$) превышала сумму всех сопротивлений ($\Sigma W$):
Tсц ≥ ΣW
Сумма сопротивлений $\Sigma W$ включает сопротивление движению машины по основанию ($W_{кат}$), сопротивление подъему (если есть уклон), сопротивление перемещению смеси перед рабочими органами ($W_{см}$) и другие сопротивления (например, сопротивление в гидроприводе).
Определение общей расчетной мощности двигателя ($N$):
Общая мощность двигателя определяется как сумма мощностей, потребляемых всеми основными потребителями:
N = (1 / ηобщ) · (Nход + Nраб.орг + Nупр + Nвспом)
Где $\eta_{общ}$ — общий КПД трансмиссии и приводов; $N_{ход}$ — мощность на передвижение; $N_{раб.орг}$ — мощность на привод рабочих органов (шнеков, питателей, трамбующего бруса/виброрейки); $N_{упр}$ — мощность на привод систем управления (гидроцилиндры); $N_{вспом}$ — мощность вспомогательных систем.
Определение расчетной толщины слоя и коэффициента уплотнения
Технологический расчет требует точного определения толщины укладываемого слоя в неуплотненном состоянии ($\hat{h}_{п}$), поскольку асфальтобетонная смесь при проходе уплотняющих органов (трамбующий брус, виброрейка) и последующей укатке валиками уменьшается в объеме.
Коэффициент уплотнения ($K_{у}$):
$K_{у}$ — это отношение плотности уложенного материала к его плотности в проектном (плотном) теле. Нормативный коэффициент уплотнения, используемый при расчете толщины слоя, принимается в диапазоне от 1,20 до 1,45. Выбор конкретного значения зависит от типа смеси, ее температуры и эффективности уплотняющих органов машины. Для горячего плотного асфальтобетона часто принимают $K_{у} \approx 1,35$.
Расчет толщины слоя в неуплотненном состоянии:
ĥп = hп · Kу
Где $h_{п}$ — требуемая толщина слоя в плотном теле (проектная толщина).
| Параметр | Обозначение | Диапазон/Значение | Примечание |
|---|---|---|---|
| Рабочая скорость укладки | $V_{у}$ | 60–1200 м/ч | Зависит от типа смеси и погоды |
| Коэффициент исп. времени | $\tau_{s}$ | 0,8–0,9 | Учитывает технологические паузы |
| Коэффициент уплотнения | $K_{у}$ | 1,20–1,45 | Критичен для расчета ĥп |
| Минимальный запас прочности | $n$ | ≥ 1,54 | Для несущих элементов ДСМ |
Сравнительный Анализ Гидросистем и Технические Решения для Модернизации
Ключевая задача проекта — устранить низкую энергоэффективность ДС-143А, обусловленную устаревшей гидросистемой.
Сравнительный анализ гидросистем Open Center и Closed Center Load Sensing
Гидросистема ДС-143А использует классическую схему Open Center (открытый центр) с насосами постоянной производительности. В такой системе, когда рабочие органы неактивны или работают с неполной нагрузкой, насос продолжает подавать максимальный поток, и избыток жидкости сбрасывается через предохранительный клапан в бак. Это явление, известное как дросселирование, приводит к бесполезному преобразованию механической энергии в тепло, существенно снижая КПД и перегревая рабочую жидкость. А не является ли такой избыточный расход энергии прямым ударом по эксплуатационной экономике предприятия?
Современные системы Closed Center Load Sensing (CCLS), напротив, используют аксиально-поршневые насосы с регулируемым рабочим объемом.
Принцип LS-системы:
Система Load Sensing («чувство нагрузки») измеряет давление, необходимое для работы самого нагруженного потребителя ($P_{LS}$), и отправляет этот сигнал управления обратно к насосу. Насос регулирует свой рабочий объем таким образом, чтобы подавать только тот расход, который необходим потребителю, плюс минимальный, постоянно поддерживаемый перепад давления ($\Delta P$).
Ключевое преимущество: Поддержание постоянного перепада давления ($\Delta P$) на дросселе распределителя в узком диапазоне от 10 до 25 бар (1,0 до 2,5 МПа) выше давления нагрузки. В результате, насос всегда «знает», сколько энергии требуется, и не подает избыточного потока, что позволяет достичь экономии мощности двигателя на 5–15% по сравнению с нерегулируемыми системами.
Выбор современных компонентов для модернизации
Эффективная модернизация ДС-143А требует замены насосной станции и распределительной аппаратуры. Рекомендуется переход на тандем регулируемых аксиально-поршневых насосов, позволяющих разделить контуры привода хода и привода рабочих органов (шнеков, питателей, уплотняющих органов).
Таблица 2. Рекомендованные современные аналоги для замены гидроузлов ДС-143А
| Узел ДС-143А (Устаревший) | Рекомендуемый Современный Аналог | Тип и Обоснование | Производитель (Примеры) |
|---|---|---|---|
| Насосы постоянной подачи | Регулируемый аксиально-поршневой насос с LS-регулятором | Обеспечивает подачу по требованию, снижает потери на дросселирование. | PSM-Hydraulics (серии 415.***), «ГИДРОСИЛА» (серия С), Parker (PVplus) |
| Распределитель Open Center | Секционный распределитель Closed Center с LS-каналом | Позволяет управлять несколькими функциями с приоритетом и минимизацией потерь. | Bosch Rexroth (VT), Eaton (CML), Parker (L90) |
| Гидромоторы хода | Высокомоментные гидромоторы с улучшенным КПД | Повышение КПД привода хода, стабильность скорости $V_{у}$. | Sauer Danfoss (H1), PSM-Hydraulics |
Практическое обоснование: Выбор тандема насосов (например, один насос 90 л/мин для привода хода, второй 60 л/мин для рабочих органов) позволяет независимо регулировать ключевые функции. Это критически важно для асфальтоукладчика, где стабильность скорости хода ($V_{у}$) должна быть независима от нагрузки на шнеках и питателях.
Принципиальная гидравлическая схема модернизированной системы
Модернизированная схема должна быть построена на принципе независимых контуров, питаемых регулируемыми насосами.
Принципиальная схема включает:
- Контур хода (Closed Loop): Гидрообъемный привод, питаемый первым регулируемым насосом. Это обеспечивает точное поддержание заданной скорости укладки ($V_{у}$) независимо от изменения тягового сопротивления.
- Контур рабочих органов (Load Sensing): Питается вторым регулируемым насосом. Включает управление шнеками, питателями, трамбующим брусом/виброрейкой.
- Контур управления (Fixed Displacement): Небольшой нерегулируемый насос для питания вспомогательных функций (гидроцилиндры управления плитой, рулевое управление), где требования к энергоэффективности ниже, чем к точности и быстродействию.
Данная структура позволяет минимизировать взаимное влияние контуров и использовать весь потенциал технологии Load Sensing.
Детализированный Инженерный Расчет Элементов Гидропривода и Рабочего Оборудования
Расчет усилий на рабочих органах (трамбующий брус)
Расчет сил, действующих на рабочий орган, необходим для выбора гидроцилиндров и определения мощности привода.
Сила сопротивления перемещению призмы смеси ($W_{3}$):
Эта сила является результатом давления смеси перед рабочим органом. Суммарная сила давления трамбующего бруса на смесь при движении вниз ($P_{Σ}$) определяется как:
PΣ = p1 · Aбр
Где:
- $p_{1}$ – удельное сопротивление смеси. Для горячего асфальтобетона в начале уплотнения $p_{1} \approx 10 \text{ кПа}$ (10 кН/м²).
- $A_{бр}$ – площадь контакта трамбующего бруса со смесью, $A_{бр} = B_{max} \cdot b_{б}$ ($B_{max}$ – рабочая ширина, $b_{б}$ – ширина бруса).
Сила трения ($T_{тр}$) трамбующего бруса о выглаживающую плиту:
Сила трения важна при расчете привода трамбующего бруса.
Tтр = Sпр · fпл
Где:
- $S_{пр}$ – усилие поджимной пружины (или другое усилие, удерживающее брус), Н.
- $f_{пл}$ – коэффициент трения трамбующего бруса о плиту ($f_{пл} = 0,2 \text{ до } 0,3$).
Расчет на прочность ключевых узлов
Прочность несущих элементов, таких как балки выглаживающей плиты, должна быть подтверждена расчетом на максимальные статические и динамические нагрузки.
Методика расчета:
Расчет на прочность сводится к определению максимальных нормальных напряжений ($\sigma_{max}$) в наиболее нагруженном поперечном сечении элемента (например, изгибаемая балка выглаживающей плиты, нагруженная весом плиты, давлением смеси и силами от трамбующего бруса).
Формула для максимального напряжения:
σmax = Mmax / Wx
Где:
- $M_{max}$ – максимальный изгибающий момент в расчетном сечении (Н·м).
- $W_{x}$ – момент сопротивления сечения относительно оси $x$ (м³).
Критерий запаса прочности:
Полученное максимальное напряжение $\sigma_{max}$ должно быть сравнено с допускаемым напряжением $[\sigma]$, которое определяется по пределу текучести материала ($\sigma_{Т}$).
Для несущих элементов ДСМ, подверженных переменным нагрузкам (рамы, балки рабочих органов), минимально допустимый коэффициент запаса прочности ($n$) по пределу текучести должен составлять не менее 1,54.
σmax ≤ [σ] = σТ / n
Принимая $n = 1,54$, мы обеспечиваем, что максимальное напряжение не превышает $0,65 \sigma_{Т}$, что соответствует требованиям ГОСТ и отраслевым методикам для машиностроения.
Расчет трубопроводов и потерь давления
Энергоэффективность гидросистемы напрямую зависит от минимизации потерь давления на трение, что достигается оптимальным выбором внутреннего диаметра трубопроводов ($d$). Это требует контроля скорости потока рабочей жидкости ($v$).
Формула для скорости потока:
Скорость потока рабочей жидкости в трубопроводе определяется по формуле:
v = 21,28 · Q / d2
Где:
- $v$ — скорость потока (м/с).
- $Q$ — расход жидкости (л/мин).
- $d$ — внутренний диаметр трубопровода (мм).
Обоснование выбора диаметров по нормативным скоростям:
Проектирование должно основываться на отраслевых рекомендациях, чтобы потери давления (пропорциональные $v^2$) были минимальными:
| Линия гидросистемы | Рекомендуемая скорость потока ($v$) | Обоснование |
|---|---|---|
| Всасывающие (от бака к насосу) | 0,5–1,0 м/с | Критично для предотвращения кавитации и обеспечения заполнения насоса. |
| Сливные (от распределителя к баку) | 1,25–3,0 м/с | Снижение противодавления на сливе. |
| Напорные (от насоса к распределителю) | 3,2–10 м/с | Зависит от давления системы. |
| Напорные (Давление > 100 бар) | ≈ 3,2 м/с | Оптимизация потерь для средних давлений. |
| Напорные (Давление > 200 бар) | 5,25–7,0 м/с | Допустимо увеличение скорости при высоких давлениях для уменьшения габаритов. |
При выполнении расчетов студент должен взять максимальный расход $Q$ для своего контура (например, для привода хода) и, используя рекомендуемую скорость $v$, рассчитать необходимый диаметр $d$.
Повышение Надежности и Энергоэффективности в Проекте Модернизации
Методы повышения надежности: многоступенчатая фильтрация и CBM
Статистика подтверждает, что около 60% отказов гидросистем ДСМ связано с загрязнением рабочей жидкости. Это происходит из-за износа трущихся пар, негерметичности и применения неэффективных фильтров.
Проектные меры для повышения надежности:
- Многоступенчатая фильтрация: Внедрение современных фильтров с высокой степенью тонкости (например, 10 мкм в напорной линии и 25 мкм в сливной) и использованием фильтрующих элементов с увеличенной грязеемкостью.
- Переход к прогностической оценке (CBM): Самым прогрессивным шагом в рамках модернизации является внедрение системы технического обслуживания по фактичес��ому состоянию (Condition Based Maintenance, CBM). Это достигается установкой электронных измерительных устройств:
- Датчики счета частиц: Постоянный мониторинг класса чистоты масла.
- Датчики температуры и давления: Контроль рабочего режима и выявление аномалий.
Это позволяет планировать замену фильтров и масла не по жесткому регламенту, а по фактическому состоянию, предотвращая катастрофические отказы и минимизируя время простоя. Какой важный нюанс здесь упускается? Внедрение CBM позволяет не только снизить риск поломок, но и резко сократить объем ненужных регламентных работ и закупок запчастей.
Технико-экономическое обоснование проекта модернизации
Технико-экономическое обоснование (ТЭО) — обязательная часть курсового проекта, подтверждающая инвестиционную привлекательность модернизации.
Ключевые факторы для ТЭО:
- Экономия топлива за счет LS-системы:
- Принимая во внимание, что LS-система обеспечивает экономию мощности до 15% по сравнению с дроссельным регулированием, рассчитывается снижение потребления топлива двигателем.
- Пример: Если машина потребляет 20 л/ч, и 15% этой мощности расходуется на дросселирование, экономия составит $20 \text{ л/ч} \cdot 0,15 = 3 \text{ л/ч}$. За сезон (1500 моточасов) экономия составит 4500 литров топлива.
- Снижение эксплуатационных расходов:
- Снижение частоты отказов (особенно насосов и гидромоторов) благодаря чистой рабочей жидкости и системе CBM.
- Продление срока службы компонентов за счет уменьшения тепловых нагрузок (меньше дросселирования, меньше перегрева масла).
- Повышение производительности:
- Более точное регулирование скорости хода ($V_{у}$) и подачи смеси (за счет LS-системы) приводит к повышению качества укладки и снижению необходимости в корректировках, что увеличивает коэффициент использования рабочего времени ($\tau_{s}$).
ТЭО должно сравнить капитальные затраты на приобретение и установку новых компонентов (насосы, распределители, фильтры, датчики) с ожидаемой годовой экономией, чтобы рассчитать срок окупаемости проекта модернизации.
Заключение
Проведенный анализ и расчеты подтверждают, что модернизация асфальтоукладчика ДС-143А путем внедрения современной гидросистемы с технологией Load Sensing (LS) является технически обоснованной и экономически целесообразной.
В рамках курсового проекта были достигнуты следующие ключевые результаты:
- Определены и расчетно обоснованы основные технологические параметры машины, включая производительность ($P$) и необходимую мощность двигателя, с учетом нормативных коэффициентов уплотнения ($K_{у} \approx 1,20 — 1,45$).
- Выполнен сравнительный анализ, подтвердивший, что переход от устаревшей Open Center системы к регулируемым аксиально-поршневым насосам и LS-распределителям позволяет сэкономить до 15% мощности.
- Проведены детализированные инженерные расчеты: определены нагрузки на рабочие органы и подтверждена прочность ключевых узлов, что соответствует минимальному запасу прочности не менее 1,54 по пределу текучести.
- Спроектированы требования к гидролиниям, обеспечивающие минимальные потери давления за счет соблюдения строгих нормативов скорости потока (например, 0,5–1,0 м/с во всасывающей линии).
- Предложены меры по повышению надежности, включая многоступенчатую фильтрацию и внедрение прогностической системы технического обслуживания (CBM).
Предложенный проект модернизации не только возвращает ДС-143А в эксплуатационный строй, но и выводит его характеристики на уровень современных требований энергоэффективности и надежности дорожно-строительной техники.
Список использованной литературы
- Артемьев, К. А. Дорожные машины. Машины для устройства дорожных покрытий / К. А. Артемьев [и др.]. – Москва : Машиностроение, 1982.
- Борщевский, А. А. Механической оборудование для производства строительных материалов и изделий / А. А. Борщевский [и др.]. – Москва : Высшая школа, 1987.
- Бауман, В. А. Механической оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций / В. А. Бауман, Б. В. Клушанцев, В. Р. Мартынов. – Москва : Машиностроение, 1975.
- Гидравлика и энергоэффективность [Электронный ресурс]. – URL: rg-gidro.ru (дата обращения: 23.10.2025).
- Гидросистемы современной дорожно-строительной техники [Электронный ресурс]. – URL: os1.ru (дата обращения: 23.10.2025).
- Курсовой проект: Асфальтоукладчик гусеничный производительностью 270 т/ч [Электронный ресурс]. – URL: studfile.net (дата обращения: 23.10.2025).
- Лапир, Ф. А. Механическое оборудование заводов сборного железобетона / Ф. А. Лапир. – Москва : Машиностроение, 1965.
- Лещинский, А. В. Основы теории и расчета оборудования бетоносмесительных установок / А. В. Лещинский. – Издательство ХГТУ, 1998.
- Мартынов, В. Д. Строительные машины и монтажное оборудование / В. Д. Мартынов [и др.]. – Москва : Машиностроение, 1990.
- ОДМ 218.3.102–2017. Отраслевой дорожный методический документ [Электронный ресурс]. – URL: rosavtodor.gov.ru (дата обращения: 23.10.2025).
- Основы расчета асфальтоукладчиков. Дорожные машины. Сборник расчетных работ [Электронный ресурс]. – URL: studfile.net (дата обращения: 23.10.2025).
- ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ГИДРОСИСТЕМ СТРОИТЕЛЬНО-ДОРОЖНЫХ МАШИН [Электронный ресурс]. – URL: elibrary.ru (дата обращения: 23.10.2025).
- Производительность асфальтоукладчика. Учебно-методическое пособие [Электронный ресурс]. – URL: madi.ru (дата обращения: 23.10.2025).
- Расчет основных параметров асфальтоукладчиков [Электронный ресурс]. – URL: fccland.ru (дата обращения: 23.10.2025).
- Сапожников, И. Я. Машины и аппараты промышленности строительных материалов / И. Я. Сапожников. – Москва : Машгиз, 1961.
- Справочник конструктора дорожных машин / под ред. Бородачева. – Москва : Машиностроение, 1975.
- Технология укладки асфальтобетонных смесей [Электронный ресурс]. – URL: tstu.ru (дата обращения: 23.10.2025).
- Тимофеев, В. А. Оборудование асфальтобетонных заводов и эмульсионных баз / В. А. Тимофеев [и др.]. – Москва : Машиностроение, 1989.
- Тяговый расчет асфальтоукладчика. Дорожные машины. Сборник расчетных работ [Электронный ресурс]. – URL: studfile.net (дата обращения: 23.10.2025).
- Хархута, Н. Я. Дорожные машины / Н. Я. Хархута [и др.]. – Ленинград : Машиностроение, 1976.