Производительности

Общие сведения [1–4]

Бульдозеры (рис. 7.1) представляют собой навесное бульдозерное оборудование, устанавливаемое спереди на базовый гусеничный или пневмоколесный трактор (двухосный колесный тягач). К оборудованию относят отвал с ножами, толкающее устройство в виде брусьев или рамы и систему управления отвалом.

Рис. 7.1. Общий вид бульдозера Б10М

Главный параметр бульдозеров – тяговый класс базового трактора (тягача). Бульдозеры применяются для послойной разработки и перемещения грунтов I–IV категорий, а также предварительно разрыхленных скальных и мерзлых грунтов. Бульдозеры выполняют: планировку строительных площадок, возведение насыпей, разработку выемок и котлованов, нарезку террас на косогорах, разравнивание грунта, отсыпаемого другими машинами, копание траншей под фундаменты и коммуникации, засыпку рвов, ям, траншей, котлованов и пазух фундаментов зданий, расчистку территорий от снега, камней, кустарника, пней, мелких деревьев и строительного мусора и т. п.

К основным параметрам бульдозерного оборудования относятся (рис. 7.2): высота без козырька Н и длина В отвала (м), радиус кривизны отвала ρ, основной угол резания δ, задний угол отвала α, угол заострения ножей β, угол перекоса отвала ε и угол поворота (у поворотных машин) отвала в плане γ (град), высота подъема отвала над опорной поверхностью h_l и глубина опускания отвала ниже опорной поверхности h₂ (м), напорное Т и вертикальное Р усилия на режущей кромке (кН), скорости подъема V_п и опускания V_o отвала.

Вдоль нижней кромки отвала крепятся сменные двухлезвийные режущие ножи (два боковых и средний), наплавленные износоустойчивым сплавом. В середине верхней части отвала имеется козырек, препятствующий пересыпанию грунта через верхнюю кромку.

Рис. 7.2. Основные параметры бульдозера: а – бульдозер с поворотным отвалом, б – бульдозер с неповоротным отвалом: 1 – отвал, 2 – гидроцилиндры поворота отвала в вертикальной плоскости, 3 – гидроцилиндры подъема (опускания отвала), 4 – толкающие брусья, 5 – универсальная рама, 6 – боковые толкатели,

7 – центральный шаровой шарнир

Для увеличения производительности бульдозера при работе на легких грунтах на его отвал устанавливают с обоих концов сменные уширители, открылки и удлинители.

Бульдозеры классифицируют по назначению, тяговому классу и типу ходового устройства базовых машин, конструкции рабочего органа и типу системы управления отвалом [1]. В зависимости от тягового класса базовых машин бульдозеры разделяют на малогабаритные (класс до 0, 9), легкие (классов 1, 4–4), средние (классов 6–15), тяжелые (классов 25–35) и сверхтяжелые (класса свыше 35). Отвал бульдозера представляет собой жесткую сварную металлоконструкцию с лобовым листом криволинейного профиля.

Для уменьшения потерь грунта при его транспортировании современные неповоротные гусеничные бульдозеры оборудуют сферическими и полусферическими отвалами. Неповоротный отвал 1 бульдозера (рис. 7.2, б)крепится шарнирно к толкающим брусьям 4 коробчатого сечения, задние концы которых соединены шарнирно с балками ходового устройства базовой машины. Поворотный отвал 1 бульдозера (рис. 7.2, а)монтируется на универсальной толкающей раме 5, на которой вместо отвала может быть установлено различное сменное оборудование с гидравлическим управлением – кусторез, древовал, корчеватель-собиратель, плужный снегоочиститель и др. Поворотный отвал соединен с толкающей рамой посредством центрального шарового шарнира 7 и двух боковых толкателей 6, обеспечивающих необходимое положение отвала в плане относительно базовой машины.

Рабочий цикл бульдозера (рис. 7.3): при движении машины вперед отвал с помощью системы управления заглубляется в грунт, срезает ножами слой грунта и перемещает впереди себя образовавшуюся грунтовую призму волоком по поверхности земли к месту разгрузки; после отсыпки грунта отвал поднимается в транспортное положение, машина возвращается к месту набора грунта, после чего цикл повторяется [4].

Максимально возможный объем призмы волочения современные бульдозеры набирают на участке длиной 6...10 м. Экономически целесообразная дальность перемещения грунта не превышает 60...80 м для гусеничных бульдозеров и 100...140 м для пневмоколесных машин. Система управления обеспечивает: подъем и принудительное опускание отвала, его плавающее и фиксированное положение с помощью гидроцилиндров 3, поворот отвала в плане (у поворотных бульдозеров) гидроцилиндрами 6, поперечный двусторонний перекос отвала (до 120°) в вертикальной плоскости (рис. 7.3, в), регулировку угла резания ножей отвала (среднее значение 55°) путем поворота (наклона) отвала гидроцилиндрами 2 (рис. 7.3, а, б) вперед и назад относительно толкающего устройства.

Определение сопротивления передвижению бульдозера [1...4]

Очевидно, что наибольшее сопротивление движению бульдозера сле

дует ожидать на заключительной стадии резания и набора грунта в призму, когда сопротивление копанию максимально и уже значительна величина сопротивления от перемещения грунтовой призмы. Усилие, которое необходимо развить бульдозеру, должно быть больше суммы сопротивлений:

F = F₁ + F₂ + F₃ + F₄, кН, (7.1)

где F₁ – сопротивление копанию; F₂ – сопротивление движению; F₃ – сопротивление волочению грунтовой призмы отвалом; F₄ – сопротивление внутреннему трению грунта по отвалу.

Рис. 7.3. Этапы цикла работы бульдозера: а – начало копания, б – копание, в – транспортирование грунта, г, д, е – варианты раскладки, ж, з – возвращение бульдозера на исходную позицию передним и задним ходом; и – форма грунтовой призмы: 1 – открылки, 2 – отвал, 3 – грунтовая призма

Сопротивление грунта резанию

F₁ = k₀hBsin γ, кН, (7.2)

где k₀ – коэффициент удельного сопротивления грунта резанию, кПа, (принимают по табл. 7.1); h – средняя толщина срезаемого слоя грунта (стружки), м; B – длина отвала бульдозера, м (табл. 7.2); γ – угол поворота отвала в плане относительно оси трактора, град. (в работе принять 90°).

Сопротивление движению

F₂ = G(f ± i), кН, (7.3)

где G – вес бульдозера, кН (см. табл. 7.2); f – удельное сопротивление движению, величина которого для гусеничной машины и рыхлого грунта может быть принята равной 0, 15; i – уклон участка копания.

Сопротивление волочению грунтовой призмы отвалом

F₃ = G_пр(μ ₂ ± i), кН, (7.4)

где G_пр – вес грунтовой призмы, кН; μ ₂ – коэффициент трения грунта о грунт (см. табл. 7.1).

Таблица 7.1

Характеристика грунтов [1–4]

Вес грунтовой призмы определяют по формуле

G_пр = V_прρ g/k_р, (7.5)

где V_пр – объем грунтовой призмы, м³; ρ – плотность грунта, кг/м³ ((см. табл. 7.1); g – ускорение свободного падения, k_р – коэффициент разрыхления грунта (принимают k_р = 1, 12 – для песчаных; k_р = 1, 22 – для суглинистых; k_р =1, 3 – для глинистых грунтов).

Объем грунтовой призмы вычисляют по формуле

V_пр = ВН²К_н /(2tgλ), (7.6)

где В, Н – соответственно длина и высота отвала, м; К_н – коэффициент на-

полнения геометрического объема призмы волочения грунтом (0, 85-1, 05);

λ – угол естественного откоса грунта в движении (λ = 35...45°).

Сопротивление трения грунта по отвалу

F₄ = μ ₁G_прcos²δ, кН, (7.7)

где m₁ – коэффициент трения грунта по стали (для песка μ ₁ = 0, 35...0, 5, для супесей и суглинка μ ₁ = 0, 5...0, 6, для глины μ ₁ = 0, 6...0, 7); δ – угол резания, δ = 50...55°.

Таблица 7.2

Характеристики бульдозеров

Эксплуатационная производительность бульдозера при резании и перемещении грунта, м³/ч,

Пр_э = 3600 V_прК_пК_уК_в/Т_ц, (7.8)

где К_п – коэффициент, учитывающий, потери грунта, при транспортировке,

К_п = 1–0, 005 L, (7.9)

L – дальность перемещения грунта, м; К_y – коэффициент, учитывающий влияние уклона местности на производительность (при работе на подъемах от 5 до 15 % К_у уменьшается от 0, 67 до 0, 4, при работе на уклонах от 5 до 15 %; К_у увеличивается с 1, 35 до 2, 25); К_в – коэффициент использования бульдозера по времени (0, 8...0, 9); Т_ц – продолжительность цикла, с.

Цикл работы бульдозера включает: время резания t_p, время перемещения грунтовой призмы t_п, время обратного хода бульдозера t_o, дополнительное время t_д: время на переключение скоростей до 5 с, на подъем и опускание отвала до 4 с, на разворот трактора до 10 с, на распределение грунта и др.):

Т_ц = L_р/v_р + l_п/v_п + l₀/v₀ + t_д, (7.10)

где l_p, l_п и l_o (l_o = l_р + l_п) – длины соответственно участков резания, перемещения грунта и обратного хода бульдозера, м; v_р , v_п , v_о – скорости трактора при резании, перемещении грунта и обратном ходе, м/с.

Длина участка резания

L_o = V_пр/A, (7.11)

где А – площадь срезаемого слоя грунта, м²,

A= Вh. (7.12)

Резание грунта производится на скорости 2, 5...4, 5 км/ч, перемещение грунта – на скорости 4, 5...6 км/ч. Принимать по характеристикам бульдозеров (табл. 2).

Бульдозер сможет двигаться без пробуксовывания при условии, что сцепная сила тяги F_сц больше окружного усилия F_t на ведущей звездочке движителя и больше общего сопротивления передвижению F, т.е. F_сц> F_t> F,

F_сц = G_сцf_сц > F_t > F, (7.13)

где G_сц – сцепной вес, Н; f_сц – коэффициент сцепления с поверхностью дороги (для грунтовой дороги: сухой f_сц = 1, мокрой – 0, 9; для дороги: сухой – 0, 7, обледеневшей – 0, 6, замерзшей – 0, 8, растаявшей – 0, 4).

Сцепной вес определяют как сумму давлений на ведущие колеса или гусеницы. Сцепной вес бульдозера G_сц – общий вес бульдозера. Сцепной вес машины со всеми ведущими колесами – полный вес машины [3].

Методика определения производительности бульдозера [1–4].

Исходные данные: длина разрабатываемого участка и вид грунта, его расположение относительно горизонта, тип бульдозера, размеры отвала, мощность двигателя N (кВт) (в табл. 2, 3); КПД механической трансмиссии – η _м = 0, 8; скорости движения (v) на разных режимах его работы (м/c); грунт, его характеристики, длина разрабатываемого участка, его расположение относительно горизонта.

1. Определяют тяговое усилие, развиваемое трактором при заданной мощности двигателя и скорости его движения:

F_T =Nη _м /v. (7.14)

2. Определяют силу тяги по сцеплению:

F_сц = G_сцf_сц, (7.15)

где f_сц – коэффициент сцепления (см. табл. 1).

3. Проверяют условие движения бульдозера без буксования:

F_сц > F_t. (7.16)

4. Для нахождения полного сопротивления движению бульдозера и его составляющих находят объем и вес грунтовой призмы, образующейся перед отвалом работающего бульдозера (см. зависимости (7.5) и (7.6)).

5. Вычисляют составляющие полного сопротивления по зависимостям (7.3), (7.4) и (7.7).

6. Вычисляют свободную силу тяги (запас тягового усилия):

– по сцепному весу

T₁ = F_сц – F₂ – F₃ – F₄; (7.17)

– по мощности

T₂ = F_t – F₂ – F₃ – F₄. (7.18)

Для дальнейших расчетов следует принимать меньшее значение (например Т₂).

Таблица 7.3

Исходные данные

7. Вычисляют расчетную глубину резания (толщину стружки грунта) из формулы (7.2) для расчета F1 в конце набора грунта

h_min = T₂/(Bk₀sing). (7.19)

8. Находят максимальную глубину резания. Поскольку в начале копания призма грунта еще не сформирована и все тяговое усилие может расходоваться только на резание грунта и перемещение бульдозера, отвал бульдозера может быть опущен на максимальную глубину

h_max = T_1//(Bk₀sin g). (7.20)

9. По найденным значениям толщин среза грунта находят ее среднюю величину:

h_ср =0, 5(h_min + h_max). (7.21)

10. Вычисляют длину участка набора грунта:

l₁ = V_пр/(B h_ср). (7.22)

11. Из характеристики трактора выбирают скорости движения: на участках набора грунта v₁, транспортирования v₂, движения задним ходом v₃.

12. Определяют составляющие времени цикла работы бульдозера по зависимости (7.9).

13. По зависимости (7.8) вычисляют эксплуатационную производительность бульдозера.

Вопросы и задания для самопроверки

1. Дайте определение: бульдозер – это... с технической и технологической точек зрения.

2. Нарисуйте схему бульдозера и назовите основные его узлы.

3. Напишите условие движения бульдозера и назовите составляющие.

4. Назовите способы повышения производительности бульдозера.

5. Назовите составляющие цикла работы бульдозера.

6. Назовите область применения бульдозера, скрепера, автогрейдера.