Определение геометрии зубьев для отвала бульдозера ДЗ-110 для разработки грунтов III-IV категории

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО CПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

«Определение геометрии зубьев для отвала бульдозера ДЗ-110 для разработки грунтов III-IV категории»

5А521107- «Методика преподавания специальных дисциплин»

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание академической степени магистра

Яминов Жахонгир Шухратович

Научный руководитель:

доц. Алимов Б.Ж.

Ташкент - 2010 г.

Введение

Расширение сети автомобильных дорог с твердым покрытием, реконструкция и совершенствование существующих магистралей, увеличение объёмов промышленного и гражданского строительства, повышение эффективности использования техники - это проблемы, имеющие огромное народнохозяйственное значение для нашей страны. В дорожных, строительных организациях, управлениях механизации сосредоточено большое количество машин, отличающихся по назначению, производительности, уровню надежности. Машинный парк эксплуатационных организаций пополняется современной высокопроизводительной, энергонасыщенной техникой, оснащенной системами автоматического управления, гидравлическими, пневматическими и электрическими системами привода рабочего оборудования. Эффективная эксплуатация машин возможна только при условии проведения качественного технического обслуживания, восстановления вышедших из строя элементов и модернизации конструкций. Характерными особенностями производственно-технической базы предприятий по эксплуатации техники являются: высокая капиталоемкость, большая номенклатура необходимого технологического оборудования, значительные сроки службы станочного парка и гаражного оборудования. Огромная номенклатура и разномарочность машин, разнообразие и сложность условий их эксплуатации, относительно высокая доля ручного труда при выполнении работ по техническому обслуживанию и ремонту - все это предъявляет особые требования к квалификации персонала и системе организации труда работающих. Значение вопросов совершенствования производственно-технической базы, проектирования и реконструкции эксплуатационных предприятий в настоящее время резко возрастает в связи с повышением требований к охране природы, поскольку дорожно-строительные и коммунальные машины, а также технологическое оборудование предприятий являются серьезными источниками загрязнения окружающей среды. Переход предприятий по эксплуатации дорожно-строительной, подъемно-транспортной и коммунальной техники на новые экономические методы хозяйствования и прогрессивные формы организации труда работающих также предъявляет новые требования к организации производственно-технической базы и вызывает необходимость реконструкции зон хранения, обслуживания, ремонта машин, складских помещений и административных корпусов.

Коренная организационная и техническая реконструкция народного хозяйства неминуемо ведёт к интенсификации использования строительной, дорожной, подъемно-транспортной и коммунальной техники. В сложившихся сложных условиях развития отечественного машиностроения формируется тенденция увеличения потребности техники в ремонтных воздействиях, что в сочетании с замедлением темпов развития системы технического и сервисного обслуживания, ремонта машин вызывает существенное повышение потерь всех видов ресурсов. В связи с этим особое внимание уделяется методам восстановления деталей, технологии ремонта машин. Современные рыночные отношения между производителем и потребителем техники вызвали необходимость формирования новой концепции обеспечения качества и эффективности использования машин в условиях ограничения минимума затрат на обеспечение ресурса, запланированного заводом-изготовителем. Интенсивное поступление в Узбекистан в последние годы импортной техники также вынуждает пересмотреть ранее сложившиеся подходы к организации и технологии эксплуатации и ремонта машин. Новые материалы (синтетические, полимерные, композиционные), постоянно совершенствующееся диагностическое и технологическое оборудование обеспечивают возможности постоянного развития существующих и разработки новых методов контроля состояния и восстановления работоспособности, долговечности, надежности машин.

Вопросы реализации широкомасштабной программы по строительству и реконструкции Узбекской национальной автомагистрали. Осуществление активной инвестиционной политики по реализации стратегически значимых проектов направленных на модернизацию, техническое и технологическое обновление ведущих базовых отраслей, развитие мощной современной сети транспортных и инфраструктурных коммуникаций.

Ключевым приоритетом реализации Антикризисной программы стало привлечение инвестиции прежде всего за счет мобилизации внутренних источников, на осуществление ускоренной модернизации технического и технологического перевооружения важнейших отраслей экономики, опережающее развитие транспортных коммуникаций и строительства.

Актуальность работы. При рыночных отношениях обостряется конкуренция за сбыт техники, как между отечественными, так и зарубежными производителями. В этих условиях большое значение имеют разработки и внедрения, новых высоко эффективных землеройных машин. Исследования и разработка машин для землеройных работ предлагают: синтез системы машин выражающийся в выборе структуры и значений основных параметров землеройных машин исходя из заданных свойств конструкций и условий их эксплуатации, анализ системы, заключающийся в изучении ее свойств в зависимости от основных параметров и структуры землеройной машины. Одним из основных средств производства земляных работ с последующей транспортировкой грунта в отвал, находящих большое применение в строительстве являются бульдозеры. Бульдозеры благодаря своей универсальности широко распространенны в строительстве. Они могут работать самостоятельной машины при выполнении различных земляных работ, так и в составе комплекса машин. Широкое и эффективное использование бульдозеров объясняется простотой конструкции высокой производительностью при небольших (100 м) дальностях транспортирования грунта низкое себестоимостью выполнения работ, высокой маневренностью. К сожалению, потенциальные возможности бульдозеров используются далеко не полностью из-за не приспособляемостью конструкции машин к работе в различных природно-климатических и производственных условиях.

Наличие значительного количество бульдозеров находящихся в настоящего время в эксплуатации обуславливает необходимость дальнейшего усовершенствования рабочего процесса на границах традиционной схемы, при которой изменения в конструкции рабочего оборудования могут быть осуществлены в условиях эксплуатации. Для сохранения универсальности бульдозеров и расширения области их эффективного применения, совершенствование рабочего органа осуществлялось путем установки на традиционный отвал зубьев к плоским ножом. Такая конструкция позволяет удерживающую способность рабочего оборудования, уменьшить удельное сопротивления копанию за счет совместного резания грунта ножом любого отвала и разрушения грунтовой породы зубьями, что позволяет снижение энергозатрат. Однако, в настоящее время вопросы взаимодействия бульдозерного отвала с зубьями со средой недостаточно изучены, практически отсутствуют рекомендации по выбору конструкции и определения области эффективного применения.

Поэтому диссертационная работа на наш взгляд является особо актуальной в обосновании рациональных параметров и оценки эффективности применения бульдозерного оборудования с зубьями.

Цель работы: Определить геометрии зубьев для отвала, бульдозера ДЗ-110 для разработки грунтов III-IV категории.

Объектом исследования является бульдозеры, работающие с грунтами III-IV категории.

Предмет исследования: зубы отвала, используемые для работы бульдозеров.

ГЛАВА I Состояние вопроса. Цели задачи исследования

1.2 Обзор и анализ конструкции бульдозерных рабочих органов

Назначение и классификация бульдозеров

Бульдозер -- землеройно-транспортная машина, состоящая из базового тягача и бульдозерного (навесного) оборудования, предназначенная для резания и перемещения грунта и планировки разрабатываемой поверхности.

Бульдозеры как навесное оборудование на тракторы, тягачи и другие

базовые машины широко распространены, что объясняется простотой их конструкции, высокой производительностью, возможностью их использования в самых разнообразных грунтовых и климатических условиях и относительно низкой себестоимостью выполненных работ. Они применяются в дорожном, железнодорожном, горнорудном, мелиоративном и ирригационном строительстве.

Для большинства современных гусеничных бульдозеров экономически выгодная дальность перемещений в настоящее время не превышает 60--80 м, колесных 100--150 м [1].

Бульдозеры классифицируются по следующим признакам:

назначению;

масса базового трактора;

мощности двигателя;

силе тяги базовой машины;

типу движителя;

отдельным конструктивным признакам;

системе управления рабочим органом и др.

По назначению бульдозеры делятся на бульдозеры общего назначения,

приспособленные для выполнения разнообразных землеройно-планировочных и строительных работ в различных грунтовых условиях, и на

бульдозеры специального назначения, которые предназначаются для

выполнения определенных видов работ (например, для прокладки дорог, чистки снега, сгребания торфа и т. д.).

По мощности двигателей базовых машин современные бульдозеры

можно условно разделить на пять групп (таблица. 1).

Классификация бульдозеров но номинальному тяговому усилию

представлено в таблице. 1.

По типу движителя базовой машины бульдозеры разделяются на

гусеничные и колесные. Колесные бульдозеры создаются на базе колесных

тракторов, колесных тягачей, автомобилей и специализированных

самоходных машин (автогрейдеров и др.).[2] Таблица 1

Типы	N в кВт (л.с)	Тн в Т
Малогабаритные	До 15 (20)	До 2,5
Легкие	15,5-60(21-80)	2,6-7,5
Средние	60-108(81 -147)	8,0-14,5
Тяжелые	110-220(150-300)	15,0-30,0
Сверхтяжелые	Больше 220 (больше 300)	Больше 30

По размещению рабочего органа бульдозерного оборудования на

базовой машине, различают бульдозеры с передним и задним расположением

отвала.

По типу механизма управления бульдозеры разделяются на бульдозеры

с гидравлическим и канатно - блочным управлением.

В бульдозерах с гидравлическим управлением отвал внедряется в грунт

принудительно в результате усилий развиваемых гидросистемой. Эти усилия

могут достичь до 40% и более от общего веса трактора. При гидравлическом

управлении отвалу могут быть заданы четыре положения: подъем, принудительное опускание, плавающее положение, фиксированное

положение.

Различают: бульдозеры с неповоротным отвалом, т.е, бульдозерный

отвал который имеет неизменное положение в плане перпендикулярной к продольной оси машины; бульдозер с поворотным отвалом, т.е. бульдозер, у которого можно изменять положение отвала в плане.

На универсальной раме бульдозера вместо отвала могут устанавливаться оборудование кустореза, корчевателя-собирателя или снегоочистителя.

Основные параметры бульдозеров.

За главный параметр бульдозеров принимается номинальное тяговое усилие трактора или тягача. [3]

Рис. 1.1. Конструктивная схема бульдозера с неповоротным отвалом:

1 - базовая машина; 2 - гидроцилиндры; 3 - отвал; 4 - козырек; 5 - нож; 6 - толкающие брусья; 7 - подкосы; 8 - упряжные шарниры; 9 - ползуны и толкатели.

Как основные параметры бульдозеров приняты:

эксплуатационный вес бульдозера;

скорости рабочего и обратного хода;

среднее удельное давление ходовой части на грунт и смещение центра

давления;

удельное горизонтальное усилие и вертикальное давление на режущей кромке ножа, определяющее возможность разработки бульдозером грунтов с различным сопротивлением резанию.

Для выполнения подготовительных работ на раму бульдозера

Рис .1.2. Бульдозер с неповоротным отвалом (вид сбоку и сверху):

1 -- ножи; 2 -- козырек; 3 -- отвал; 4 -- гидроцилиндры подъема и опускания отвала; 5--направляющие ползуны опорных пальцев; 6 -- опорный шарнир; 7 --гидроцилиндры перекоса отвала; 8 направляющие ползунов толкателей; 9 -- ползун; 10 -- универсальная рама; 11--толкатель; 12 -- гидроцилиндр поворота отвала в плане; 13 -- наголовник; 14 -- штырь; 15, 16-проушины.

навешивают дополнительные виды рабочего оборудования: кусторезы,

корчеватели, собиратели и др. Бульдозеры нередко выпускают в комплекте

с рыхлителями и канавокопателями, навешиваемыми сзади машины.

Бульдозер послойно срезает грунт и одновременно перемещает его

волоком по поверхности земли к месту укладки.

Бульдозеры применяют для возведения насыпей из грунтов боковых

резервов, разработки выемок, грубого планирования поверхностей земляных сооружений, для засыпки рвов, траншей, а также, для подготовительных работ-- валки отдельных деревьев, срезки кустарника, корчевания отдельных пней и камней. Бульдозеры используют также для

распределения грунтовых отвалов при работе экскаваторов и землевозов,

образования штабелей сыпучих материалов (песка, щебня) и их подачи к

перерабатывающим агрегатам, для снегоочистки, формирования террас на

косогорах, производства вскрышных работ в карьерах.

На базе гусеничных тракторов также серийно выпускают бульдозеры с

поворотным универсальным отвалом. У бульдозера этого типа вместо толкающих брусьев установлена арочная рама, к вершине которой шарнирно присоединен отвал (рис. 1.2).

Края отвала удерживают толкатели, соединенные ползунами с боковыми направляющими рамы. Последняя соединена с кронштейнами рамы трактора. В плане отвал поворачивают гидроцилиндрами. Ползуны толкателей при этом изменяют своё положение на направляющих рамы и фиксируются закладными штырями. Задние проушины толкателей можно переставлять по высоте относительно ползунов, изменяя, таким образом, угол резания. Опуская проушину одного толкателя и поднимая проушину другого, можно произвести поперечный перекос отвала.

Управляют отвалом с помощью рукоятки гидрораспределителя.

Движением «от себя» отвал опускают и ставят в плавающее положение, движением «на себя» поднимают его, движением вправо -- правый перекос, влево -- левый.

Основными параметрами отвала бульдозера (рис. 1.3.) являются:

ширина отвала В;

высота отвала Н;

угол резания а, который находиться в пределах 40 - 75°;

угол опрокидывания \|/=30 - 80°;

задний угол у;

угол наклона е0=70 - 90°;

угол установки козырька Я ;

радиус кривизны отвальной поверхности R;

высота отвала с козырьком Вк;

- длина прямой части отвальной поверхности а;

Рис. 1.3. основные параметры отвала бульдозера.

Основные виды рабочих органов бульдозеров

В зависимости от условий работы применяют различные отвалы бульдозеров. Повышение эффективности бульдозерного оборудования в основном достигается улучшением накопительной и удерживающей не рассыпая по бокам способности рабочего органа при обеспечении снижения сил сопротивления грунта копания и перемещению. Приоритетным направлениями развития конструкции является совершенствование формы отвалов и ножей позволяющих уменьшить составляющих сопротивления копанию и расширение области их применения.

Прямой отвал - имеются прямая образующая, небольшие изогнутые боковые щитки и ножи для уменьшения износа щитков. Ножи отвала смешены вперед чем сменные угловые ножи. Такими отвалами разрабатывают крепкие грунты.

Прямой отвал может легко перемещать тяжелые материалы, удобен

благодаря маневренности и может легко с взаимодействовать различными

материалами.

Универсальные отвалы - используется для планировочных работ в грунтах с нарушенной структурой. Эффективно используется при перемещении больших масс материалов на значительные расстояния. Данный отвал имеет меньший показатель по удельной мощности кВт/м по сравнению, с другими типами отвалов, но широко применяется в коммунальном хозяйстве.

В настоящее время все больше распространяются отвалы сферического и полусферического типов, с которыми оснащаются бульдозеры многих ведущих зарубежных компаний в качестве основного оборудования.

Сферический и полу сферический отвалы - применяют для разработки грунтов малой и средней крепости. Изогнутая в плане форма отвала предусмотрена для косого резания грунтов, при котором уменьшается сопротивление резанию и длину отвала можно увеличить на 10 - 12 % [4] длину отвала. За счет выступающих вперед концов отвала объем перемещаемого

Рис. 1.5. Основные направления интенсификации рабочего процесса бульдозеров традиционными методами фунта увеличивается на 20 - 25 % [5], по сравнению с прямым отвалом.

Отвал с рыхлящими боковыми зубьями - используется для разработки

Рис. 1.6 Различные виды отвалов наиболее распространенные в зарубежных и отечественных фирмах крепких каменистых грунтов бульдозерами большой мощности.

Зубья выдвигаются под ножи гидроцилиндрами на 20 - 30 см [6]. Производительность при перемещении связанных материалов (грунтов), невысокое.

Совковый отвал - имеет боковые щитки, снижающие потери грунта при

перемещении и выступающую вперед часть ножа для лучшего врезания в грунт.

Отвал применяется для разработки малосвязанных грунтов, в случае их

перемещении на большие расстояния, а также обладает высокой вместимостью за счет боковых щитков.

Короткие прямые отвалы - снабжают амортизаторами, предназначают

для бульдозеров - толкателей, толкающих при работе землеройно -транспортные машины для получения большего тягового усилия; толкающие

брусья таких отвалов устанавливают с внутренней стороны гусеничных тележек.

Кроме указанных типов отвалов внедряют в производство

дополнительные виды сменного рабочего оборудования для отделки откосов

насыпей, рыхления грунта, удаления кустарника и др. Использование таких

оборудований значительно повышают универсальность бульдозеров.

В рис. 1.6. приведены различные виды отвалов наиболее распространенные в зарубежных и отечественных фирмах.

1 - Для копания сыпучих и лессовых грунтов с ущирителями;

С боковыми стенками;

С боковыми стенками и вынесенным вперед ножом;

С боковыми стенками и вынесенными вперед активным шнеком;

С крайними косыми ножами:

Совковый отвал с боковыми косыми ножами;

Совковый отвал с вертикально перемешавшейся средней секцией;

С газовой или жидкостной смазкой лобовой поверхности отвала;

Использующие микровзрывы;

С вибрирующей лобовой поверхностью

11 - С боковыми дисковыми ножами;

С выступающей средней секцией с ножом;

С зубьями на ножах;

С двухскосными полуклинами по ножах;

С двухскосными полуклинами на средней выступающей секции;

С активными молотами на средней секции:

Прямые бульдозерные отвалы - регулируемый угол продольного

наклона обеспечивает регулируемое заглубление отвала в грунт

* Отвал с регулируемыми углами поворота и перекоса (VPAT) [7]-имеются в наличии для моделей D3C серия III 04Ссерин 111 ГЭ5СсеринШ

D5M и D6M Отвал обеспечивает ручную регулировку угла наклона вперед для улучшен и я его заглубления и назад для увеличения производительности и облегчения профилирования

* Отвал с изменяемым углом поворота и перекоса (PAT) [8] -поставляется по заказу для модели D6R Расширяет возможности окончательных планировочные работ рытья канав V-образного профиля обваловывания бульдозерные работ средней тяжести и тяжелые бульдозерных работ с влажным материалом тиной песком и другими необразивными материалами Не предназначен для расчистки территорий

Рис. 1.7. Дополнительное оборудование бульдозеров:

1-ущирители, 2-открылки, 3-удлинители, 4-рыхлительный зуб, 5-кирковщик, 6-гребенчатые ножи, 7-канавная наставка, 8-откосник, 9-опорная лыжа, 10-грузовые вилы,11-грузоподъемный крюк.

* Поворотные бульдозерные отвалы - поворот [9]вправоиливлево на 25 толкающая рама позволяет устанавливать другие орудия*

Универсальные бульдозерные отвалы - боковые косынки установленных под углом 250 обеспечивают повышенную вместимость и уменьшение потерь грунта при перемещении

Полууниверсальные бульдозерные отвалы -сочетают присущую прямым отвалам способность к заглублению с повышенной вместимостью, обеспечиваемой за счет короткие боковых косынок под углом 35J

* Отвалы колесных бульдозеров имеют прямую конструкцию с гидравлическим управлением перекоса и наклона.

* Коробчатое сечение отвалов обеспечивает жесткость и прочность

* Режущие кромки термообработаны и могут переставляться для

обеспечения высокой долговечности.

Кроме перечисленных видов отвала также существует другие вид

рабочих органов.

В связи с вышеперечисленным, а также необходимостью хранения съёмных зубьев, неудобством в эксплуатации, связанным с ручной установкой и регулировкой их, в настоящее время они не получили, широкого распространения.

Исследованиями А.Н.Зеленина выявлено, что базовые машины 'бульдозеров при существующих размерах бульдозерного оборудования не используют своих тяговых возможностей на 40-50 % [10]. Резервную мощность целесообразней использовать на увеличение призма волочения, так как производительность бульдозера в значительной мере определяется объёмом призмы волочения. С целью повышения накопительной способности отвала в настоящее время рекомендуется применение различных уширителей, удлинителей, открылков, отвалов сферического и ящичного типов и отвалов с двухножевой системой копания.

Из всех видов дополнительных элементов наибольшее распространение получили уширители. Известны конструкции уширителей с жёстким и шарнирным креплением. Установка уширителей при разработке лёгких грунтов и сыпучих материалов позволяет повысить производительность в среднем на 28-50 % [11]. Недостатком, сдерживающим, применение уширителей с жёстким креплением, является снижение универсальность. 1 бульдозера, а уширители управляемого типа, устанавливаемые на 0,15 -0,2 м выше уровня режущей кромки отвала, не участвуют в процессе резания грунта и не полностью устраняют потери

В СНГ и за рубежом разработаны конструкции открылков управляемого и неуправляемого типов, устанавливаемые на отвал бульдозера.

Применение открылков ограничивается тем, что при разработке влажных грунтов происходит залипание открылков грунтом, что увеличивает энергоёмкость копания, разработка же прочных и скально-разборных грунтов приводит к быстрому выходу их из строя.

При разработке лёгких грунтов и сыпучих материалов, также находят применение удлинители различных конструкций. Применение удлинителей способствует увеличению длины отвала, не оказывал существенного влияния на накопительную и удерживающую способности отвала. Этим обусловлена относительно низкая эффективность удлинителей и их ограниченное использование. Отвалы сферического типа производят такие зарубежные фирмы, как: Komatsu "(Япония), "Katerpillar Tractor" (США), "Fiat-Allis" (Италия).

Техническая производительность при работе с таким оборудованием повышается в среднем на 30-40 % при разработке талых и мерзлых, взрыхленных буровзрывным способом грунтов, по сравнению с традиционным отвалом за счёт снижения потерь грунта и увеличения объёма призмы волочения [12]. С увеличением объёмов работ и дальности перемещения грунта на строительных объектах эффективность отвалов сферического типа возрастает. Эксплуатация отвалов сферического типа при разработке 'талых грунтов и мерзлых пород, взрыхленных буровзрывным способом, показала, что эксплуатационная производительность снижается в среднем на 10-30 % из-за снижения эксплуатационной надёжности. Причиной снижения эксплуатационной надёжности является перегрузка и выход из строя элементов гусеничных тележек базовых тракторов.

Фирма "Balderson" (США) изготавливает отвалы ящичного типа, применение которых позволяет снизить энергоёмкость копания грунта и повышает производительность при разработке слабых грунтов и сыпучих, материалов в среднем на 30-60 % за счет выноса участка резания грунта из-под зоны призмообразования [13].

При использовании двух ножевого рабочего органа отвал бульдозера снабжают двумя режущими элементами, один из которых находится на отвальной поверхности, а другой, меньшей ширины, вынесен вперёд и установлен на том же уровне при помощи элементов крепления и открылков. Такая конструкция рабочего органа бульдозера позволяет разделить процесс копания грунта на операции резания и призмообразования.

Следует отметить, что бульдозеры с отвалом ящичного типа и двух ножевым рабочим органом не получили пока широкого распространения.

Основной причиной этого является трудность обеспечения необходимой прочности конструкции и возможность их работы только на однородных, легко разрабатываемых грунтах без каменистых включений.

На 30-40 % при разработке талых и мерзлых, взрыхленных буровзрывным способом грунтов, по сравнению с традиционным отвалом за счёт снижения потерь грунта и увеличения объёма призмы волочения. С увеличением объёмов работ и дальности перемещения грунта на строительных объектах эффективность отвалов сферического типа возрастает. Эксплуатация отвалов сферического типа при разработке талых грунтов и мерзлых пород, взрыхленных буровзрывным способом, показала, что эксплуатационная производительность снижается в среднем на 10-30 % из-за снижения эксплуатационной надёжности. Причиной снижения эксплуатационной надёжности является перегрузка и выход из строя элементов гусеничных тележек базовых тракторов.

Фирма "Balderson" (США) изготавливает отвалы ящичного типа, применение которых позволяет снизить энергоёмкость копания грунта и повышает производительность при разработке слабых грунтов и сыпучих: материалов в среднем на 30-60 % за счет выноса участка резания грунта из-под зоны призмообразования.

При использовании двухножевого рабочего органа отвал бульдозера снабжают двумя режущими элементами, один из которых находится на отвальной поверхности, а другой, меньшей ширины, вынесен вперёд и установлен на том же уровне при помощи элементов крепления и открылков. Такая конструкция рабочего органа бульдозера позволяет разделить процесс копания грунта на операции резания и призмообразования.

Следует отметить, что бульдозеры с отвалом ящичного типа и двухножевым рабочим органом не получили пока широкого распространения.

Основной причиной этого является трудность обеспечения необходимой прочности конструкции и возможность их работы только на однородных, легко разрабатываемых грунтах без каменистых включений.

Определенный эффект даёт применение на бульдозерах отвалов с гибкой отвальной поверхностью, форма поперечного сечения которых в процессе работы приспосабливается к форме движущегося пласта грунта.

Вырезанный пласт в каждом случае автоматически задает наиболее оптимальную форму для профиля отвала и продвигается вверх без образования застойных зон, что обеспечивает снижение сопротивлений подъёму пласта. Однако отвалы подобного исполнения наиболее сложны по конструкции. Бульдозерное оборудование с изменяемым в процессе копания в зависимости от режима работы и физико-механических свойств грунта углом резания позволяет улучшить тягово-сцепные качества базовой машины за счет рационального изменения угла наклона результирующей усилия копания и снизить энергоёмкость копания. Основным недостатком одобного

оборудования являются трудности, связанные с созданием надежно работающего механизма регулирования угла резания. Анализ деятельности подразделений Министерств строительства и эксплуатации, автомобильных

дорог Узбекистана и сельского строительства Узбекистана показал, что если принять за 100 % общий объём работ, выполняемый бульдозерами на колёсном ходу тягового класса 14-40 кН, то распределение его по видам работ располагается в следующем порядке:

- земляные работы 39%

-очистка территории от строительного мусора 22%

разравнивание дорожно-строительных материалов 15%

транспортные работы 9%

погрузо-разгрузочные работы 5%

Эффективное выполнение вышеперечисленных работ, а также условия строительства в отдалённых районах требуют создания маневренных землеройно-транспортных машин, обладающих свойствами адаптации к внешним условиям и видам выполняемых работ. Эта тенденция определяемся появлением бульдозерных отвалов, оборудованных челюстными захватами различных конструкций. По целевому предназначению челюстные захваты к отвалу бульдозера можно подразделить на грузовые и универсальные захваты. Грузовые захваты предназначены только для захвата и транспортировки за пределы площадки .

Площадки различных негабаритов. При выполнении земляных работ грузовые захваты подняты в верхнее нерабочее положение.

1.2 Требования к рабочим органам бульдозерных оборудований

Величина отпускания отвала ниже опорной поверхности базовой машины должна быть, такой, чтобы угол между опорной поверхностью и линией, соединяющей кромку опущенного отвала с центром давления, был не менее 20°.

Рекомендуется высоту подъема отвала выбирать из расчета угла въезда, но не менее 20-30° для бульдозеров с неповоротным отвалом и 20 - 25° для бульдозеров с поворотным отвалом.

В процессе заглубления отвала при зарезании скорость перемещения его имеет наибольшее значение. Ее следует выбирать такой, чтобы зарезании производилось только режущей кромкой.

При проектировании отвала необходимо определять также параметры профиля поверхности отвала (табл. 1.1)[14]:

Таблица 1.1

Основные параметры поперечного профиля отвала бульдозера

длину прямолинейного участка а в нижней части поверхности отвала;

радиус криволинейного участка R поверхности отвала; угол опрокидывания отвала Ш; высоту козырька Я, и угол его наклона е угол наклона отвала.

От угла наклона отвала е -- угла между линией, соединяющей режущую кромку ножи и верхнюю кромку отвальной поверхности (без учета козырька), и горизонталью (рис. 1.6, а) -- в значительной степени зависит форма призмы волочения. При малом угле наклона грунт может пересыпаться через отвал, так как во многих случаях призма волочения бывает выше отвала. При большом угле ухудшаются условия движения грунта вверх по отвалу, увеличивается прилипание группа и попытается энергоемкость. Минимальная ширина отвала В выбирается так, чтобы отвал, повернутый на угол а, перекрывал габарит базовой машины по ширине и выступающие части толкающей рамы не менее чем па 100 мм с каждой стороны. При соблюдении этого требования возможна работа бульдозера траншейным способом и по одному следу. Ширина неповоротного отвала выбирается в 2,8--3 раза больше его высоты.

Ширина поворотного отвала больше па 30-- 33% [15].

Для работы на легких грунтах и особенно на сыпучих длина отвала может увеличиваться за счет применения съемных уширителей, устанавливаемых под углом 15--30 к режущей кромки ножа.

Высота отвала Н -- расстояние по вертикали между режущей кромкой ножа и верхним краем отвальной поверхности при основном угле резания и горизонтальном положении опорных поверхностей базовой машины (рис. 96, а).

Высота отвала определяется силой тяги Тн и грунтовыми условиями, для которых предназначается проектируемый бульдозер.

для бульдозера с поворотным отвалом

где Тн -- номинальная сила тяги бульдозера в Т. Сила Тн определяется путем построения тяговой характеристики тягача с Высота отвала может быть определена: для бульдозера с неповоротным отвалом навесным оборудованием. Высота отвала с козырьком Нп -- расстояние по вертикали между режущей кромкой ножа и верхним краем козырька в середине при основном угле резания и горизонтальном положении опорных поверхностей базовой машины.

Высота козырька H, (по вертикали) должна составлять 0,1-0,25 от высоты отвала Н. При определении высоты отвала и козырька следует учесть необходимость хорошего обзора при подъеме отвала в транспортное положение.

Высота прямого участка б отвала обычно равна высоте ножа. Этот участок оказывает значительное влияние на формирование стружки.

Угол резания отвала д (угол между плоскостью ножа н горизонталью), угол заострения ножа Я (угол между плоскостью ножа и скошенной гранью) и задний угол отвала а (угол между ).. соединяющей режущую кромку ножа с наиболее выступающей частью конструкции отвала внизу, с тыльной стороны, и горизонталью) связаны между собой зависимостью (рис. 1.6, 6)

что необходимо учитывать при назначении величин этих углов и пределов их изменения. Угол резания оказывает большое влияние на энергоемкость процесса резания, поскольку при уменьшении его значительно снижается сила сопротивления резанию. С учетом этих обстоятельств угол резания, измеренный в исходном положении бульдозера (при стоянке бульдозера па горизонтальной площадке с отвалом, опущенным до касания лезвия ножа с грунтом), рекомендуется принимать для неповоротного отвала д = 55° и для поворотного отвала -- Г)0 д- 55°. При угле д < 50° угол заострения в получается таким, при котором прочность режущей кромки становится недостаточной.

Угол заострения в в значительной степени определяет характер изменения удельного давления ножа на грунт по мере износа его режущей

кромки.

Задний угол а (рис. 1.6.) по условию работы бульдозера траншейным

способом должен быть не меньше углов подъема и спуска. т. е. углов, образуемых поверхностью земляного откоса с горизонтом.

Задний угол определяет в значительной мере конструкцию тыльной стороны отвала, элементы которой, в частности коробка жесткости, Не должны входить в пределы этого угла.

Рекомендуется принимать задний угол б = 30-35°.

Угол захвата б выбирается исходя из требования смещения грунта поворотным отвалом п сторону. Практически установлено, что при углах захвата, больших 55--70°, грунт плохо сдвигается в сторону. Применение

бульдозеров с поворотным отвалом при таких углах захвата целесообразно

только на некоторых специфических работах: сооружении террас, разработке выемок на косогорах и т. д. При производстве работ, выполняемых путем непрерывного движения бульдозера вдоль фронта работ (при засыпке траншей, разравнивании валов и т. д.), когда требуется интенсивное перемещение грунта в сторону, угол захвата должен быть не больше 45--50°.

Возможность изменения угла зарезания v (рис. 1.6, г) облегчает производство работ на косогорах, позволяет улучшить качество планировочных работ, а также обеспечивает разработку более тяжелых грунтов, поскольку при увеличении угла за резания облегчается заглубление отвала в грунт.

Рекомендуемый диапазон изменения угла за резания при наличии специального механизма для его регулировании составляет от 0 до ±(10--12°), при отсутствии такого механизма до ±5°.

К элементам профиля рабочей поверхности отвала относятся длина прямолинейного участка, а в нижней части отвала, радиус кривизны И криволинейной части поверхности и угол опрокидывания. Эти параметры вместе с высотой отвала И и углом резания 6 в значительной степени влияют на процесс набора грунта, размеры и объем набираемой призмы волочения и энергоемкость процесса копания и перемещения грунта.

При известных высоте отвала и угле резания форма профиля рабочей поверхности отвала полностью определяется параметрами о, R . Между этими параметрами имеется зависимость, вытекающая из схемы на рис. 1ю6, а:

Параметры а, R и ф назначают исходя из следующих соображений.

Угол опрокидывания ty должен выбираться таким образом, чтобы исключалась возможность пересыпания грунт отвал, которая может иметь место при завышенном угле. В то же время чрезмерное уменьшение угла опрокидывания ведет к увеличению залипания отвала и повышению энергоемкости процесса копания._ Исходя из этих соображений угол назначается в пределах 70--75для неповоротных отвалом и 50--75 -- для поворотных отвалом.

Радиус, кривизны поверхности отвала при заданных значениях остальных параметров находится из уравнения:

При выбранных параметрах значение R приближенно получается равным R = H для неповоротных отвалов и R = 0,8 R для поворотных отвалов.

Радиус R кривой части отвальной поверхности, высота отвала Н и

углы резания д, опрокидывания и наклона е связаны между собой

следующей зависимостью:

Параметры установки козырька: высота Hi, и угол наклона, При работе на плотных грунтах с нарушенной структурой рекомендуемые параметры отвала обеспечивают эффективный набор грунта и без установки козырька. Однако в некоторых случаях, в частности при работе на сухих и сыпучих грунтах, во избежание пересыпания грунта через отвал, отвалы бульдозеров должны снабжаться козырьками.

Таблица 1.2.

Козырек рекомендуется располагать вертикально или с некоторым наклоном назад, чтобы полностью исключить его влияние на залипание отвала. Высоту козырька принимают равной 100--200 мм для бульдозеров с силой тяги до 25 Т к 400--500 мм для бульдозеров с силой тяги 50 T и более.

Козырек выполняется трапецеидальной формы, длина верхнего основания трапеции принимается на 200--300 мм больше ширины капота базовой машины, но не менее 0,5 ширины отвала.

1.3 Обзор уравнений сопротивления копанию бульдозерными отвалами различных конструкций

грунт отвал бульдозерный

Процесс резания оказывает существенное влияние на характер взаимодействия отвала с грунтом и форму поверхности отвала. В этом случае в формуле для определения PKt величину Рт устанавливают в соответствии с анализируемой формой поверхности скольжения. Характер изменения для бульдозера в зависимости от формы отвала. Анализ графиков приводит к выводу, что минимальное сопротивление копанию в связных грунтах (с^0) имеют отвалы с кривизной внизу, а также цилиндрические отвалы при II Н>-1,15 с углом резания ар = 45°, где l -- длина дуги; Н -- ее хорда. Это объясняется снижением сопротивления резанию с уменьшением угла резания.

Рассмотренные положения указывают на общность явлений, протекающих при взаимодействии рабочих органов ножевых, отвальных и ковшовых рабочих органов с грунтом. Как при работе бульдозера, так и при работе скрепера в общем процессе взаимодействия грунта с рабочим органом могут быть условно выделены три фазы: 1) отделения стружки от массива и формирования пласта; 2) движения пласта; 3) образования призмы перед рабочим органом или внутри ковша. Это открывает возможность рассчитывать основные параметры процесса копания на основе общей расчетной схемы единой методики.

Совместный анализ экспериментальных исследований механизма взаимодействия рабочих органов землеройных машин и классификационной матрицы, приведенной на рис. П. 1, и рассмотрение процесса как подсистемы «рабочий орган -- грунт» позволяют систематизировать ее общие элементы

(Таблица 3). Подсистемы «ножевидный или зубообразный рабочие органы-грунт» могут быть составлены из трех основных элементов: 1) лобовая поверхность; 2) лезвие; 3) правая и левая боковые грани.

По Баловнему. В.И. [16]

По Баловнему. В.И.

Подсистема «рабочий орган отвального типа -- грунт» имеет в общем

случае набор следующих основных элементов: 1) лобовую поверхность

ножа; 2) лезвие ножа; 3) правую и левую боковые грани ножа; 4) поверхность

сдвига по грунту; 5) поверхность сдвига по металлу отвала; 6) призму грунта перед отвалом.

Подсистема «ковшовый рабочий орган -- грунт» может быть составлена из следующих основных элементов: 1) лобовой поверхности ножа; 2) лезвия ножа; 3) боковых граней ножа; 4) поверхностей сдвига по грунту; 5) сдвига по боковой поверхности ковша (металлу); 6) призмы грунта.

Каждый из рассмотренных рабочих органов можно составить из типового набора элементов: лобовой поверхности ножа, лезвия, боковых граней инструмента, поверхности трения по металлу и грунту и призмы грунта перед рабочим органом.

Процесс взаимодействия элемента со средой может быть описан системой логико-математических моделей различного вида. Рассматриваемые традиционные элементы можно описать одним из вариантов моделей, основу которых составляют уравнения предельного состояния сыпучей среды со сцеплением (табл. 1.2.1), где каждому элементу подсистемы «рабочий орган -- грунт» соответствует определенная математическая модель в упрощенной интерпретации.

Рис. 1.8. расчетная схема к формированию модели.

Сопоставление зависимостей, полученных на базе плоской задачи,

при h < 0,3 b, теории предельного состояния сыпучей среды со сцеплением с материалами, экспериментов, показывает хорошую, в условиях

опытов, сходимость расчетных и экспериментальных данных.

1.4Основные расчетные положения показателя эффективности отвала с зубьями

При расчете на прочность бульдозеров принимают пять расчетных

положений.[22]

Расчетное положение I (рис. 1.9 а). Внезапный упор в препятствие

средней точкой отвала при движении по горизонтальной поверхности;

механизм подъема в положение закрыто.

Рис. 1.9. Схемы сил, действующих на нож отвала при расчете на

прочность

Принимают, что в средней точке на кромку отвала действует усилие

где Рс -- максимальное тяговое усилие бульдозера по сцеплению

при коэффициенте сцепленияРл -- динамическое усилие;

где и --скорость бульдозера в момент встречи с препятствием;--

вес трактора с бульдозерным оборудованием; g--ускорение свободного

падения; с--приведенная жесткость препятствия и системы навесного

оборудования;

где Ci -- жесткость препятствия; с2 -- жесткость навесного оборудования.

Жесткость навесного оборудования можно ориентировочно определить по формуле

где аж -- коэффициент жесткости навесного оборудования на 1 кг

массы трактора, равный 90--100 кН/(м-кг); m0б -- масса навесного оборудования.

Расчетное положение II (см. рис. 1.9, б). В процессе заглубления отвала при одновременном движении вперед по горизонтальной

Рис. 1.10. Расчетная схема положения бульдозера при опирании на кромку ножа отвала

поверхности трактор вывешивается на средней точке отвала, при этом

гидроцилиндры развивают усилие, достаточное для опрокидывания

трактора относительно точки А (рис. 1.10).

Принимаем, что на кромку ножа (точка О) действуют вертикальное и

горизонтальное усилия (см. рис. 1.9, 6). Вертикальное усилие

где 1,1а, 1с--линейные размеры (см. рис. 1.10). Горизонтальное усилие

где

Расчетное положение III. В процессе заглубления отвала при

одновременном движении вперед по горизонтальной поверхности трактор

вывешивается на крайней точке (О1) отвала, при этом развивается усилие,

достаточное для опрокидывания трактора относительно точки А (см. рис.

1.10).

Кроме вертикального и горизонтального усилий, определяемых как и

для расчетного положения II, на нож отвала действует боковое усилие

где В -- ширина отвала.

Расчетное положение IV (см. рис. 1.9, в). В процессе выглубления отвала при одновременном движении вперед по горизонтальной поверхности трактор вывешивается на средней точке отвала, при этом развивается усилие, остаточное для опрокидывания кромку ножа действует вертикальное и горизонтальное усилия.

Вертикальное усилие

где 1в, 1с -- линейные размеры (см. рис.2.8). Горизонтальное усилие

Если окажется, что (где P1 -- максимальное тяговое усилие на первой рабочей передаче), то следует принимать

Расчетное положение V (см. рис. 1.11, в). В процессе выглубления отвала при одновременном движении вперед по горизонтальной поверхности трактор вывешивается на крайней точке отвала,, при этом развивается усилие, достаточное для опрокидывания трактора относительно точки В (см. рис. 1.10).

Усилия, действующие на нож отвала бульдозера, сосредоточены в точке О' (см. рис. 1.9, в).

Кроме вертикального и горизонтального усилий, определяемых как и

для расчетного положения IV, на нож отвала действует боковое усилие

Если окажется, чтото следует принимать(где

-- коэффициент бокового сдвига, равный 0,65--0,7).

Для бульдозера с поворотным отвалом следует принимать расчетные

положения I--V, если отвал перпендикулярен продольной оси трактора.

Кроме того, необходимо проверить прочность металлоконструкции при

повернутом отвале с нагрузкой, приложенной на его выступающем конце

(положения III и V).

Бульдозеры общего назначения все шире оснащают гидравлическим

механизмом перекоса отвала. Наиболее рациональна такая конструкция

механизма компенсации перекоса отвала, в которой толкающие брусья не

подвергаются изгибу под действием боковых сил, приложенных к отвалу,

поскольку передача этих сил с оборудования на трактор осуществляется поперечной тягой (штангой). В связи с особенностями данной конструкции

оборудования в дополнение к пяти расчетным положениям рассматривают специфические случаи нагружения, вызванные возникновением распорного усилия на боковой поверхности отвала при его подъеме (опускании) и горизонтальном расположении поперечной тяги при зафиксированных от сдвига по опорной поверхности гусеницах трактора (например, при защемлении ходовой части между неровностями поверхности грунта).



Рис. 1.11. Расчетная схема бульдозера с механизмом компенсации перекоса отвала в виде поперечной тяги

В первом случае определяют напряжение отвала, упертого в препятствия только боковой поверхности при жестко зафиксированных от сдвига по опорной поверхности гусеницах трактора (1.11). Рассматриваем момент опрокидывания трактора относительно но точки К, находящейся в плоскости внешних торцов катков гусеницы. В этом случае действующие силы

где-- коэффициент трения стали по материалу препятствия; h --

высота точки крепления штанги на тракторе.

Во втором случае определяют силу Рz из условия равновесия машины

относительно задних опорных катков (см. рис. 2.9):

где 1 -- длина опорной поверхности гусениц; 1о, 1с -- горизонтальные

расстояния соответственно от заднего опорного катка до центра тяжести

машины, от переднего опорного катка до режущей кромки отвала.

Одним из возможных случаев максимального нагружения является внезапный удар в препятствие боковой поверхностью отвала при развороте машины на месте вокруг заторможенной гусеницы. При таком повороте на месте сила тяги практически полностью расходуется на преодоление сопротивления повороту. При ударе сила

где-- угловая скорость машины при повороте до удара; J -- момент

инерции машины относительно оси ее поворота; с -- приведенная жесткость

препятствия и машины. При этом

где LT и Вт -- длина и ширина трактора; Сб -- вес бульдозера; g --

ускорение свободного падения.

Жесткость

где Ci -- жесткость препятствия;--жесткость навесного оборудования в поперечном направлении; GT -- вес трактора; --

коэффициент жесткости навесного оборудования в поперечном направлении на 1 кг массы трактора.

Для навесного оборудования с поперечной штангой аж* = 500-600

кН/(м-кг), а для обычной схемы аж* = 50 кН(мкг).

Выбрав расчетные положения и наметив расчетные условия,

приступают к определению сил, действующих на машину и ее части. Для

этого составляют расчетные схемы машины применительно к каждому из

намеченных положений. Для каждой расчетной схемы определяют активные силы, действующие на машину. Далее из условия равновесия машины и отдельных ее частей определяют неизвестные внешние силы и силы взаимодействия между частями машины, необходимые для расчета на прочность отдельных элементов и узлов машины.

1.5Гипотетический расчетный анализ копания грунта бульдозерными отвалами с различными длинами зубьев

Рис. 1.12. Схемы для определения центра давления

Номинальное тяговое усилие бульдозера

где-- коэффициент сцепления базовой машины с оборудованием,

соответствующий допустимым буксованию движителей и тяговому КПД (для гусеничных сельскохозяйственных тракторов =0,62 [16], для

промышленных -- 0,90); Gcu -- сцепной вес бульдозера в рабочем состоянии

При навешивании на базовый трактор только бульдозерного оборудования сцепная масса = (1,17-1,22) тбм, где тбм -- эксплуатационная масса базовой машины без навесного оборудования. Если навешивается спереди бульдозерное, а сзади -- рыхлительное оборудование, то mсц=(1,35-1,45)mбм.

Эксплуатационная масса бульдозера mб=mбм+mбо, где mбо--эксплуатационная масса бульдозерного оборудования (со смазочным

материалом, маслом в гидросистеме и др.). Для гусеничных бульдозеров mб =mсц.

Скорость рабочего хода бульдозера при отсутствии автоматизированного управления бульдозерным оборудованием и трактором

составляет 2,5--3,0 км/ч [17].

Скорость обратного хода бульдозера выбирают с учетом типа подвески

гусениц базового трактора и расположения центра масс машины. Вследствие

значительных продольных и поперечных колебаний бульдозера скорость

обратного хода при полужесткой и балансирной подвеске гусениц не "может

быть более 5--6 км/ч, а при эластичной и балансирно - звеньевой 7--8 км/ч.

Расположение центра масс бульдозера при отвале в транспортном положении ограничивает возможные транспортные скорости такими же значениями.

Среднее статическое давление бульдозера

где Go -- эксплуатационный вес бульдозера; Lon -- длина опорной

поверхности гусениц с учетом полного погружения почвозацепов; b --

ширина гусениц.

Положение центра давления, т. е. точки приложения равнодействующей всех нормальных реакций грунта на гусеничный движитель бульдозера, определяют для следующих основных случаев (рис. 1.12, а--в).

Бульдозер стоит на горизонтальной поверхности, отвал поднят в

транспортное положение на высоту 0,6 м (рис. 1.12, а); движется по горизонтальной поверхности с максимально возможным объемом призмы волочения при одновременном резании грунта (рис. 1.12,6); движется в траншее по горизонталь ной поверхности без срезания грунта, но с максимально возможным объемом призмы волочения (рис. 1.12, в).

Если пренебречь лобовым сопротивлением движению гусениц, возникающим вследствие вертикального прессования грунта, а также действием суммы моментов касательных сил инерции деталей гусениц и транс миссии, установленных на поперечных валах, то координата

где d -- расстояние от центра масс бульдозера до оси ведущей звездочки; Rz -- вертикальная составляющая результирующей сил сопротивления на отвале; Rx -- горизонтальная составляющая результирующей сил сопротивления на отвале; d1 -- расстояние от точки

приложения результирующей сил сопротивления на отвале до оси ведущей

звездочки; hR--высота точки приложения результирующей сил сопротивления на отвале.

При определении центра давления тяговое усилие Т и горизонтальную

составляющую результирующей сил сопротивления на отвале принимают

где Кт -- коэффициент использования тягового усилия; Тнб-- номинальное тяговое усилие бульдозера.

В средних грунтовых условиях при оптимальных параметрах профиля отвальной поверхности, обеспечивающих протекание процесса копания с непрерывным формированием и движением стружки, коэффициент использования тягового усилия принимают Кт = 0,8.

Вертикальная составляющая результирующей сил сопротивления на отвале

где v -- угол наклона результирующей сил сопротивления на отвале.

При копании грунта плотной структуры v=17° [18] (см. рис. 1.12,6), при копании грунта в разрыхленном состоянии и перемещении разрыхленного грунта в траншее v = 0 (см. рис. 1.12, в).

Расстояние от режущей кромки ножа отвала до точки приложения результирующей сил сопротивления на отвале при копании грунта плотной

структуры hR = 0,17 Н, при копании грунта в разрыхленном состоянии и

перемещении разрыхленного грунта в траншее hR = 0,27 Н, где Н -- высота

отвала без козырька. Расстояние d1 определяют конструктивно, учитывая

координаты точки приложения результирующей сил сопротивления на

отвале. По координате х находят смещение центра давления от середины опорной поверхности гусениц, которое для всех расчетных случаев (см. рис. 1.12) не должно превышать 1/2 от длины этой опорной поверхности.

...