Варианты заданий

РАБОТА N 7

РАСЧЕТ ТЯГОВОГО БАЛАНСА ПРИ РАБОТЕ БУЛЬДОЗЕРА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Общие сведения

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.

Рисунок 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. С их помощью 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. Широкое использование бульдозеров в строительном производстве определяется простотой их конструкции, надежностью и экономичностью в эксплуатации, высокими производительностью, мобильностью и универсальностью.

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).

К основным параметрам бульдозерного оборудования относят (рис. 7.2) высота без козырька Н и длина В отвала (м), радиус кривизны отвала r, основной угол резания d, задний угол отвала a, угол заострения ножей b, угол перекоса отвала e и угол поворота (у поворотных машин) отвала в плане g (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. Отвал бульдозера представляет собой жесткую сварную металлоконструкцию с лобовым листом криволинейного профиля.

Рис.7.2 – Основные параметры бульдозера: а) – бульдозер с пово-

ротным 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

Вдоль нижней кромки отвала крепятся сменные двухлезвийные режущие ножи (два боковых и средние), наплавленные износоустойчивым сплавом. В середине верхней части отвала имеется козырек, препятствующий пересыпанию грунта через верхнюю кромку. Для увеличения производительности бульдозера при работе на легких грунтах на его отвал устанавливают с обоих концов сменные уширители, открылки и удлинители.

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 различное положение отвала в плане относительно базовой машины. При продольном движении бульдозера с повернутым в плане отвалом грунт перемещается вбок по отвалу. Способность поворотных бульдозеров перемещать грунт в сторону определяет их широкое использование при засыпке каналов, рвов, траншей коммуникаций и т. п.

Рабочий цикл бульдозера (рис. 7.3) следующий: при движении машины вперед отвал с помощью системы управления заглубляется в грунт, срезает

Рисунок 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

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.

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 (до 120°) отвала в вертикальной плоскости (рис. 4.7, в), регулировку угла резания ножей отвала (среднее значение 55°) путем поворота (наклона) отвала гидроцилиндрами 2 (см. рис. 7.2, а, б) вперед и назад относительно толкающего устройства.

Принудительное заглубление ножей отвала в грунт под действием гидроцилиндров, развивающих усилие до 40% и более от веса тягача, позволяет бульдозерам с гидравлическим управлением разрабатывать прочные грунты, а возможность установки отвала в определенное фиксированное положение обеспечивает срезание слоя грунта заданной толщины. Поперечный перекос отвала повышает универсальность машины и ее эксплуатационные возможности на планировочных работах, облегчает разработку тяжелых грунтов и т. п.

Определение сопротивления передвижению бульдозера

Очевидно, что наибольшее сопротивление испытывает бульдозер 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.

Сопротивление грунта резанию

F₁ = k₀hLsin g, [кН] (7.2)

где : k₀ – коэффициент удельного сопротивления грунта резанию, кПа, (принимаем по таб. 1); h – средняя толщина срезаемого слоя грунта ( стружки ), м; (приложение 1); L – длина отвала бульдозера, м ( приложение 2 ); g – угол поворота отвала в плане относительно оси трактора, град., (принимаем 90°).

Сопротивление движению :

F₂ = G(f ± i), [кН] (7.3)

где: G – вес бульдозера, кН (приложение 2); f – удельное сопротивление движению, величина которого для гусеничной машины и рыхлого грунта может быть принята равной 0,15; i – уклон участка копания ( принимаем равным 0 ).

Сопротивление волочению грунтовой призмы отвалом

F₃ = G_пр(m₂ ± i), [кН] (7.4)

где G_пр – вес грунтовой призмы, кН; m₂ – коэффициент трения грунта о грунт, принимает значения от 0,4 до 0,8 (меньшие значения соответствуют влажным и глинистым грунтам);

Вес грунтовой призмы определяют по формуле:

G_пр = V_прrg/К_р, (7.5)

где: V_пр – объем грунтовой призмы, м³; r – плотность грунта, кг/м3 (таб. 1),

g – ускорение свободного падения, К_р – коэффициент разрыхления грунта, принимают К_р = 1,1 ...1,3.

Объем грунтовой призмы вычисляют по формуле :

V_пр = ВН²К_н /(2К_рtgf), (7.6)

где В, Н – соответственно длина и высота отвала, м; f – угол естественного откоса грунта в движении (35...45°); К_н – коэффициент наполнения геометрического объема призмы волочения грунтом (0,85 ... 1,05);

Сопротивление трения грунта по отвалу

F₄ = 0,5rgm₁B(Hcosd)², [кН] (7.7)

где m₂ – коэффициент трения грунта по стали (для песка m₁ = 0,35 ... 0,5, для супесей и суглинка m₁ = 0,5 ... 0,6, для глины m₁ = 0,6 ... 0,7); d – угол резания, d = 50° ... 55°.

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

Пр_э = 3600 V_грК_пК_уК_в/Т_ц, (7.8)

где К_п – коэффициент, учитывающий, потери грунта, при транспортировке; К_п = 1 - 0,005 l_п; 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,

Продолжительность цикла включает продолжительность всех его составляющих: время резания, время перемещения грунтовой призмы, время обратного хода бульдозера, время переключения передач при работе в одном цикле

Т_ц = L_р/v_р + l_п/v_п + l₀/v₀ + t_п, (7.9)

где L_p, l_п и l_o = l_р + l_п - длины соответственно участков резания, перемещения грунта и обратного хода бульдозера, м;

Длина участка резания

L_o = V_гр/A, (7.10)

где А = Вh - площадь срезаемого слоя грунта, м²; v_р , v_п ,v₀ - скорости трактора при резании, перемещении грунта и обратном ходе, м/с; t_п - время на переключение передач в течение цикла, t_п = 15...20 с.

Резание грунта производится на скорости 2,5...4,5 км/ч, перемещение грунта – на скорости 4,5...6 км/ч.

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, (7.11)

где G_сц – сцепной вес, Н; f_сц – коэффициент сцепления с поверхностью пути (табл.)

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

Таблица 1

Характеристика грунтов

Группа грунта по трудности разработки	Вид Грунта	Удельное сопротивление копанию Рк при работе бульдозера, мПа	Плотность грунта, кг/м3	f	fсц	Коэффициент трения грунта по стали, m1	Коэффициент трения грунта о грунт, m2	Коэффициент разрыхления, kp
I	Песок, супесь, суглинок мягкий	0,03	1300	0,1	0.9	0,4	0.56	1.1
II	Суглинок без включений, гравий мелкий и средний, глина мягкая влажная или разрыхленная	0,08	1500	0,15	0,85	0,5	0.65	1,1
III	Суглинок крепкий, глина средней крепости	0,14	1700	0,2	0,8	0,6	0,8	1,3
IV	Суглинок крепкий со щебнем или галькой, глина крепкая	0,20	2000	0,25		0.65	0.85	1,3

ЛИТЕРАТУРА

1. Строительные машины: Учеб для вузов по спец. ПГС / Д.П. Волков, Н.И. Алешин, В.Я. Крикун, О.Е. Рынсков/ под ред. Д.П. Волкова. – М.: Высш.шк., 1988. – 319 с.

2. Галузин В.М., Телешев В.И. “Выбор строительных машин для

производства земляных работ”. Л., 1987, 81 с.

3. Репин С. В., Зазыкин А. В.Машины для земляных работ/ Р С. В.Репин, А. В. Зазыкин/Учебное пособие по изучению дисциплины «Машины для земляных работ» для студентов заочной формы обучения специальности 190205 – подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование / СПб. гос. архит.- строит. ун-т. – СПб., 2007. – 81 с.

4. Добронравов С.С., Дронов В.Г.Строительные машины и основы автоматизации: Учеб. строит. вузов. – М.: высш. шк. 2001, – 575 с. ; ил.