Пневматические двигатели для горных машин и их выбор

Наибольшее применение для горных машин получили поршневые (радиально-поршневые и аксиально-поршневые), ротационные шестеренные (косозубые, шевронные), роторные и турбинные пневмодвигатели.

Для пуска большинства горных машин, за исключением рудничных вентиляторов, необходимы большие пусковые моменты.

На рис. VII.1 приведены значения пусковых моментов пневматических двигателей различного типа. Наибольшие пусковые моменты имеют поршневые, ротационные и шевронные двигатели, у которых он может составлять (1,5-2,0)Mп. В этом отношении их характеристика соответствует требованиям, предъявляемым к машинам с тяжелым режимом пуска. Двигатели с шевронным зубом широко применяются на врубовых машинах, комбайнах, конвейерах. Косозубые и прямозубые двигатели допускают перегрузку только на 15—20%, в связи с чем при тяжелых режимах работы следует устанавливать двигатели с завышенной мощностью.

Ротационные двигатели способны в период пуска развивать высокий пусковой момент, равный (1,8—2,0)Мп. Эти двигатели могут применяться в машинах с тяжелым режимом пуска (пневматические сверла, насосы и пр.).

Поршневой двигатель допускает более высокую перегрузку — (1,5-2,1)Mп — по сравнению со всеми другими типами пневматических двигателей, что позволяет использовать его на транспортных и погрузочных машинах. В некоторых случаях такие двигатели устанавливают и на забойных машинах.

Недостатком этих двигателей являются большие масса и габариты и невозможность получения надежной конструкции при частоте вращения более 1000 об/мин.

Турбинный двигатель с пусковым моментом, соответствующим номинальному, применяется для быстроходных машин, где он может быть непосредственно соединен с рабочим органом, не создающим тяжелых режимов пуска (вентиляторы, низконапорные насосы).

Важным фактором, определяющим экономичность пневматического двигателя, является удельный расход воздуха, отнесенный к единице мощности.

Ha рис. VII.2 приведены данные по расходу сжатого воздуха на 1 эффективную л. с. разнотипными пневматическими двигателями. Как видно из рисунка, поршневые двигатели, работающие с расширением воздуха, являются наиболее экономичными. Расход сжатого воздуха у них колеблется в пределах 0,6—1 м3/мин*л.с. Такие же расходы имеют шевронные и турбинные двигатели мощностью более 10 л. с.

Ротационные двигатели также характеризуются небольшим расходом воздуха, который составляет 0,7—1,0 м3/мин*л.с. Улучшенные шевронные двигатели имеют расход воздуха 0,5—0,6 м3/мин*л.с.

Неэкономичными являются прямозубые и косозубые двигатели с расходом воздуха 1,3—1,5 м3/мин*л.с. Эти двигатели должны применяться там, где фактор реверсирования является главнейшим, так как они меняют направление вращения при переключении направления подачи воздуха.

Следует обратить особое внимание на рабочую область двигателя, определяемую изменением частоты вращения в соответствии с максимальным значением к. п. д. Желательно, чтобы рабочая область была наибольшей для машин, работающих с переменной нагрузкой. Наиболее показательны в этом отношении шевронные двигатели, у которых эта область определяется соотношением (0,7—1,3) nнапв, а у лучших конструкций — (0,6—1,4) nнапв, где nнапв — наивысшая частота вращения двигателя.

Наименьшую рабочую область имеют турбинные двигатели и некоторые поршневые — (0,9—1,0)nнапв.

Поршневые и прямозубые двигатели могут быть отнесены к тихоходным при частоте вращения до 1000 об/мни; шевронные, турбинные и ротационные — к быстроходным при частоте вращения соответственно до 1500—2500 об/мни и до 3000 об/мин. Косозубые занимают промежуточное положение, имеют частоту вращения до 1000—1500 об/мин. Таким образом, по частоте вращения все пневматические двигатели могут соответствовать электрическим, что облегчает их замену в горних машинах.

Наиболее совершенными следует считать быстроходные шестеренные двигатели, имеющие сравнительно небольшие массу п расход энергии, приходящийся на 1л. с., более высокую долговечность и простоту обслуживания.

Ротационные двигатели по своим конструктивным данным уступают шестеренным; единственным их преимуществом можно считать меньшую массу на единицу мощности, поэтому применение их целесообразно только для переносных установок, где вопросы снижения массы и габаритов являются главными.

Широкое применение должны получить шестеренные двигатели с шевронными зубьями, работающие с расширением воздуха, к. п. д. которых можно довести до 0,5—0,6, а расход воздуха соответственно сократить примерно в 2 раза по сравнению с двигателями других типов.

Только в случаях, когда коэффициент использования пневмодвигателей по времени невелик, а по условиям работы требуется постоянное реверсирование, возможно применение двигателей со скошенными зубьями. Расход энергии в этом случае имеет второстепенное значение, а основным является простота изготовления двигателя и удобство обслуживания. Реверсирование в косозубых двигателях осуществляется простим переключением подвода воздуха, в то время как для реверсирования двигателей с шевронным зубом необходимо иметь в редукторе паразитную шестерню. Выбор двигателя со скошенным, а не прямым зубом определяется плавностью зацепления и простотой установки глушителей.

В случаях, когда двигатель работает с возвратно-поступательным движением или применение шестеренных двигателей встречает конструктивные затруднения, следует применять более тяжелые поршневые пневматические двигатели.

В табл. VI1.2 приведены основные параметры пневматические двигателей для горных машин (ГОСТ 10736—71).

При установлении мощности серийных машин следует иметь в виду, что работающие при неполной нагрузке пневмодвигатели увеличивают удельный расход воздуха на 1 л. с./ч. Это объясняется тем, что при уменьшении нагрузки регулятор скорости вращения редуцирует поступающий воздух, уменьшая давление от величины P до некоторого давления P0, соответствующего требуемой мощности. Поэтому для сокращения расхода энергии выгодно иметь ряд стандартных двигателей, мало отличающихся один от другого по мощности.

Одновременно для удешевления машин необходимо их крупносерийное производство, которое требует возможно меньшего числа различных по мощности двигателей. Эти два противоречивых обстоятельства следует учитывать при стандартизации пневматических двигателей.

Габариты таких пневмодвигателей должны соответствовать аналогичным по мощности электрическим двигателям. При больших мощностях пневматические двигатели будут иметь меньшие массу и габариты по сравнению с электрическими.

В основу стандартного ряда должен быть положен принцип образования такого ряда по мощностям, который обязан удовлетворять потребность горной промышленности в пневматических двигателях, обусловленную существующими и создаваемыми средствами комплексной механизации, и дать возможность рационально выбирать привод для горных машин. Этот ряд должен быть увязан с существующим рядом электрических двигателей. В то же время ряд пневматических двигателей должен создать возможность стандартизации их изготовления на заводах, для чего в основу стандартного ряда необходимо положить диаметр ротора как основной фактор, определяющий мощность двигателя.

Если исходить из этих особенностей, то следует иметь в виду, что мощность двигателя может быть найдена из выражения

где с — коэффициент, зависящий от параметров сжатого воздуха и конструкции двигателя; Dр — диаметр ротора; lp — ширина ротора.

Приняв lp = aDp, где обычно для шевронных двигателей а = 1,4-1,5, можно получить

т. е. мощность пневматического двигателя пропорциональна кубу диаметра.

Пневматический двигатель должен иметь встроенный редуктор со сменными шестернями, обеспечивающими на рабочем валу двигателя 1500, 1000 или 750 об/мин.

При проектировании пневмодвигателей общего назначения следует предусматривать возможность спаренной работы, в этом случае суммарная мощность может быть доведена до 150 л. с.

Для двигателей, работающих с расширением воздуха, расход его на единицу мощности определяется в основном принятой степенью наполнения. Наибольший эффект теоретически получается при степени наполнения, соответствующей полному расширению воздуха. Однако при этом увеличиваются размеры и уменьшается индикаторный к. п. д. двигателя и, главное, резко падает температура расширяющегося воздуха, что приводит к обмерзанию выхлопных отверстий.

Расчеты показывают, что степень наполнения пневмодвигателей может приниматься при проектировании равной 40—50%. Степень наполнения у поршневых двигателей определяется конструкцией золотников, а у шестеренных шевронных — углом наклона зубьев и диаметром впускного канала. Следует иметь в виду, что при высших пределах степени наполнения незначительно снижается удельный расход воздуха на единицу мощности.

При проектировании пневмодвигателей необходимо:

- предусматривать устройство регуляторов для работы в наивыгоднейшей зоне;

- создать конструкцию крепления, обеспечивающую взаимозаменяемость пневматических и электрических двигателей соответствующих мощностей;

- предусматривать возможность спаренной работы пневмодвигателей;

- достичь расхода воздуха на 1 л. с./ч при работе на наивыгоднейших режимах для двигателей с шестеренчатыми зубьями в пределах 30—40 м3 и для двигателей с косыми зубьями 40—50 м3 в зависимости от мощности. При этом естественно, что с увеличением мощности двигателей снижается удельный расход сжатого воздуха на единицу мощности;

- обеспечить возможность перегрузки шестеренных двигателей не ниже 1,5 при шевронных зубьях и не ниже 1,25 при скошенных зубьях.

Для вентиляторов местного проветривания должны применяться безредукторные малогабаритные турбодвигатели на 3000 об/мин мощностью 0,33; 0,5; 3 и 5,5 л. с.

Несмотря на повышенный расход воздуха, турбодвигатели малой мощности имеют меньшие массу и габариты, что делает их весьма эффективными для особых условий работы горних машин. Ротационные двигатели следует применять для пневматических сверл, у которых расход воздуха должен составлять не более 60—70 м3 на 1 л. с/ч. В этом случае они обладают высокой быстроходностью и незначительной массой, хотя и отличаются меньшей долговечностью.

Промышленностью для горных машин серийно выпускаются пневматические радиально-поршневые двигатели типа П мощностью от 8 до 28 л. с., аксиально-поршневые двигатели типа ДАР мощностью от 5 до 30 л. с., ротационные ППЗ, ПК-9 мощностью до 7 л. с., шестеренные двигатели типов К и УПШ мощностью от 3 до 48 л. с., роторные двигатели типа ПРД мощностью от 25 до 47 л. с.