Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

241

Рис. 4.34. Бульдозер: а – вид сбоку; б – вид в плане на бульдозер с неповоротным отвалом; в – то же, с поворотным; г –перекос отвала; д – сменные рабочие органы; 1– шарнир; 2– толкающий брус; 3– рама; 4– ножи; 5– отвал; 6– раскосы; 7, 11– гидроцилиндры; 8– трактор; 9– задние шарниры; 10– толкатели; 12–шаровой шарнир; 13– отвал с одним зубом; 14– отвал с киркой; 15– отвал с гребенчатым ножом; 16– отвал с наклонной наставкой; 17– отвал с наставкой в средней части; 18– отвал с приставкой; 19–

отвал с кусторезным ножом; 20– отвал с вилами; 21– отвал с подъемными крюками

Вместе с толкающими брусьями и раскосами 6 (рис. 4.34, а) отвал образует жесткую систему, которая с помощью одного или двух гидравлических цилиндров 7 может подниматься и опускаться, поворачиваясь в вертикальной плоскости относительно шарниров 1. При этом режущая кромка ножей отвала всегда остается перпендикулярной продольной оси машины. По второй схеме отвал соединяют с универсальной рамой шаровым шарниром 12 (рис. 4.34, в) и двумя толкателями 10, задние шарниры 9 которых закреплены в ползунах, перемещающихся по направляющим боковых балок подковообразной универсальной рамы и фиксируемых в требуемых положениях закладными штырями. Горизонтальный поворот отвала с отклонениями в каждую сторону на угол до 30...36° выполняют двумя гидроцилиндрами 11. Отвалы, навешенные на базовый трактор по этой схеме, называются поворотными (в плане) в отличие от неповоротных отвалов, навешенных по схеме рис. 4.34, б. Их применяют для обратной засыпки траншей и котлованов, на планировочных работах, для очистки площадей от строительного мусора и т. п. Замена раскосов 6 постоянной длины винтовыми стяжками (талрепами) или гидроцилиндрами, способными изменять свою длину, обеспечивает регулирование угла резания и поперечный перекос отвала на угол до 12° в каждую сторону (рис. 4.34, г).

Бульдозерное оборудование характеризуется следующими параметрами: шириной и высотой отвала; углами резания и заострения , задним углом , углом опрокидывания отвальной поверхности , рис. 4.35. На

,

242

энергоемкость процесса формирования призмы волочения и перемещения грунта влияет геометрия режущей части отвала. Угол резания регулируют одинаковым изменением длин обоих раскосов, а для установки отвала с поперечным перекосом каждому раскосу задают разную длину.

Рис.4.35. Основные параметры бульдозера

Неправильный выбор параметров и углов установки отвала без учета грунтовых условий и рельефа местности приводит к увеличению энергоемкости процесса копания и снижению качества выполняемых работ. Так, из-за неправильно выбранных углов опрокидывания и кривизны рабочей поверхности отвала, слишком большого угла наклона его к горизонту происходит залипание отвальной поверхности, призма волочения концентрируется по длине отвала в каком-то одном месте, что увеличивает сопротивление перемещению призмы. С другой стороны, уменьшения угла наклона отвала, снижая энергоемкость процесса и возможность залипания отвальной поверхности, увеличивает вероятность пересыпания грунта через верхнюю кромку отвала. Пересыпание наблюдается также при несоответствии высоты отвала или глубины резания тяговому усилию машины. Для бульдозерных отвалов угол наклона отвала принимают равным 70…80о , угол опрокидования 60…75о , задний угол 30…35о .

Отвал бульдозера должен иметь минимально возможную ширину и максимальную высоту

L 0,88 1,12 132,09 0,333mò ð 3mò ð

Профиль отвальной поверхности должен обеспечить концентрацию сил в нижней части отвала. В противном случае значительно увеличивается энергоемкость процессов формирования стружки и движения ее по отвальной поверхности. Учитывая это, рекомендуется выбирать длину нижней прямой части отвальной поверхности по возможности меньшей, только из расчета размещения прямых ножей. С точки зрения уменьшения энергоемкости процесса формирования и движения стружки наиболее рациональной является отвальная поверхность, выполненная по эвольвенте с

,

243

уменьшением кривизны в верхней части или очерченная двумя-тремя радиусами кривизны, которые увеличиваются от ее нижней к верхней части (внизу R 0,8H , вверху R 1,1H ). Однако следует отметить, что выполнить профиль отвальной поверхности по эвольвенте весьма сложно. Поэтому на практике часто профиль отвальной поверхности очерчивают дугой одного радиуса, равного (0,8…1,1)Н, что обеспечивает удовлетворительное качество работ. Каждой глубине резания соответствует определенный максимальный объем грунта, который увеличивается по мере увеличения глубины резания.

Наряду с описанными в строительстве иногда применяют также бульдозеры с канатным подъемом отвала, рис.4.36.

Рис.4.36. Рабочее оборудование бульдозера ДЗ-1721 с канатным приводом: 1 − стойка; 2,5 − обоймы; 3,10 − блоки; 4 − полиспаст; 6 − отвал; 7 − рама;

8 − шарнир; 9 −канат; 11 − лебедка

По сравнению с гидрофицированными бульдозерами эти машины малоэффективны, особенно при послойной разработке плотных грунтов, где сила тяжести рабочего оборудования оказывается недостаточной для внедрения отвала в грунт. Их применяют главным образом на разработке легких грунтов, очистке поверхностей от мусора, снега и на других работах, где сила нормального давления рабочего органа на грунт не является определяющей.

Эффективность работы бульдозеров может быть повышена за счет установки сменного рабочего оборудования, которое также расширяет область применения этих машин. В частности, для работы в плотных грунтах применяют отвалы 13 (рис. 4.34, д), оборудованные одним передним и двумя задними зубьями или отвалом активного действия, используя газы, получаемые в камере сгорания.

При движении машины задним ходом задние зубья прорезают в грунте прорези, а при последующем движении передним ходом грунт дополнительно разрыхляют передним зубом и захватывают отвалом. Для взламывания асфальтовых покрытий при ремонте дорог применяют отвалы 14, оборудованные киркой в средней части. Мерзлые грунты разрабатывают отвалами 15 с гребенчатыми ножами или с установленными на ножах зубьями. Для одновременной планировки откосов и их подошвы отвал дополнительно оборудуют наклонной наставкой 16 с жестким или шарнирным соединением с основным отвалом. В последнем случае наклон на-

,

244

ставки регулируют специально установленным гидроцилиндром. Установка соответствующего профиля наставки в средней части отвала 17 позволяет выполнять очистку и планировку канав. Для перемещения грунта от стен зданий применяют отвальную приставку 18, двигаясь при этом задним ходом. Эффективность работы бульдозера на расчистке поверхностей от кустарника и мелких деревьев существенно повышается за счет установки в средней части отвала кусторезного ножа 19. Установка на отвалы грузовых вил 20 или траверс с подъемными крюками 21 позволяет использовать бульдозеры для грузоподъемных работ. Для послойной разработки грунта отвал бульдозера опускают на грунт (рис. 4.37, а) и, перемещаясь вперед на рабочей скорости υр (рис. 4.37, б), заглубляют его за счет сил тяжести рабочего оборудования, а также принудительно гидроцилиндрами.

После заполнения отвала, когда призма волочения достигнет уровня его верхнего обреза, а при разработке весьма прочных грунтов, когда тягового усилия трактора окажется недостаточно для дальнейшего накапливания грунта перед отвалом, последний поднимают, выводя его режущую кромку на уровень дневной поверхности земли или несколько выше, и переключают ходовой механизм на транспортную скорость υт (рис. 4.37, г).

Рис.4.37. Операции рабочего цикла бульдозера на послойной разработке грунта:а)−начало копания; б)−копание; в)−формапризмыволочения; г)−транспортирование грунта; д, е, ж)−варинты разгрузки; з,− возвращение бульдозера на исходную позицию передним и задним ходом

В таком режиме грунт перемещают перед отвалом до места его отсыпки. Последнюю выполняют движением бульдозера вперед с дополнительным подъемом отвала (рис. 4.37, д) или движением назад (рис. 4.37, е).

В процессе перемещения машины грунт отделяется от массива ножами отвала, перемещается по отвалу вверх (рис. 4.38, а) и, переваливаясь вперед в его верхней части, накапливается перед отвалом в виде тела 3 (рис. 4. 37 , в), называемого призмой волочения и ограниченного передним и боковыми откосами, отвалом 2 и его боковыми щеками 1.

,

245

Рис. 4.38. Схемы формирования призмы волочения на неповоротном (а) и поворотном (б) отвалах бульдозера

В первом случае грунт отсыпается а) слоем постоянной толщины, определяемой зазором между режущей кромкой и поверхностью ненарушенного или ранее отсыпанного грунта, и частично уплотняется ходовой частью машины. Во втором случае после разгрузки отвала остаются бугры, подлежащие дополнительному разравниванию. Частным случаем второго варианта является засыпка ям, траншей, котлованов и т. п. (см. рис. 4.37, ж). Для возвращения бульдозера на исходную позицию его поворачивают для движения в обратном направлении на максимально возможной скорости переднего хода vnх (рис. 4.37, з). Перед началом нового рабочего цикла следует повторный поворот машины для движения в направлении разработки грунта. На коротких участках транспортирования целесообразно в обратном направлении двигаться задним ходом также на максимально возможной скорости υзх (рис. 4.37, и).

Бульдозеры с поворотным отвалом, выполняющие планировочные работы, а также очистку поверхностей от строительного мусора, снега, работают в режиме машин непрерывного действия. В этом случае отделенный от массива грунт (или другие материалы) перемещается по отвалу вверх и в сторону его наклона в плане по винтовым траекториям 1 (рис. 4.38, б). При этом призма волочения, увлекаемая потоками грунта, непрерывно перемещается в сторону наклона отвала (направление 2) за его край и укладывается в виде валика параллельно с направлением движения машины. Такое взаимодействие рабочего органа с грунтом, которое приводит к сдвигу грунта вдоль режущей кромки, называют косым резанием. При косом резании возникают дополнительные сопротивления перемещению грунта вдоль отвала.

Эффективность разрушения мерзлых грунтов повышается при динамическом приложении нагрузки. Для динамического разрушения мерзлых грунтов часто применяют вибрационное и виброударное оборудование. При высокой частоте приложения нагрузки (не менее 1000 Гц) упругие деформации в грунте не успевают восстанавливаться в период между ударами и накапливающиеся деформации быстро приводят к разрушению грунта.

,

246

На эффективность использования бульдозера зависит от его технических характеристик. В табл. 4.2 приведены некоторые технические характеристики бульдозеров.

Таблица 4.2

Технические характеристики бульдозеров

Примечание: данные в числителе – при включенном редукторе, в знаменателе

– прямая передача, без редуктора

Технические характеристики тракторов тракторов приведены в табл.

4.3.

,

247

Таблица 4.3 Технические характеристики современных гусеничных тракторов

(м3/ч) бульдозера на послойной разработке грунтов определяют в зависимости от вида земляного сооружения. При разработке выемок она равна объему грунта, вынутого из выемки за 1 ч непрерывной работы, приведенному к его плотному состоянию:

где Vпр − объем грунта в призме волочения в конце копания в разрыхленном состоянии, м3; tц − продолжительность рабочего цикла, с; kр − коэффициент разрыхления грунта;

пропорциональности, зависящий от крутизны откоса в призме волочения и выбираемый в зависимости от отношения Н/В. При Н/В = 0,15...0,45 этот коэффициент изменяется в пределах от 0,65 до 0,6 для связных (типа глин и суглинков) и от 0,45 до 0,35 для несвязных (типа песков и супесей) грунтов.

Продолжительность цикла (с) при движении бульдозера с поворотами на концах участка;

а при возвратном движении бульдозера задним ходом продолжительность

,

248

где lk и lt – длины участков копания и транспортирования (несовмещенного с копанием, м; υp, υт, υвп и υзх – скорости рабочего, транспортного, возвратного вперед и возвратного назад ходов, км/ч; tп и tу – время, затрачиваемое на повороты и управление машиной в течение рабочего цикла, с.

Все скорости определяют расчетом из условий полного использования тяговосцепных свойств базового трактора и с учетом буксования, особенно в режиме копания, уменьшая рабочие скорости на 20...30 % против расчетных. Так же расчетом определяют продолжительность поворота бульдозера, а затраты времени на управление машиной принимают равными tу=7...8 с. Если копание и транспортирование грунта полностью совмещены, как, например, при засыпке грунтом траншей и котлованов, то зависимость (4.19) преобразуется к виду

tц=3,6lk(1/υp+l/υзх)+tу. (4.20)

При определении технической производительности на возведении насыпей ПТН ее вычисляют по объему отсыпанного грунта, приведенного к плотному состоянию, с учетом потерь при транспортировании через края отвала в боковые валики, которые составляют 3...6 % от текущего объема призмы волочения:

где kп – коэффициент потерь грунта.

Из-за значительных потерь грунта по пути его транспортирования последний ограничен дальностью до 70 м. При движении по трассе с подъемами в гору эти потери возрастают, а при движении под гору – уменьша-

ются (рис. 4.39).

Рис. 4.39. Схема к объяснению потерь грунта при транспортировании бульдозером: 1– с уклонами в гору; 2 – по горизонтальной трассе; 3 – с уклоном под

гору; 4 – естественный откос

Чтобы сформулировать основные направления повышения производительности бульдозеров на послойной разработке грунтов, проанализируем приведенные выше зависимости. Объем призмы волочения при заданных размерах отвала и категории разрабатываемого грунта не поддаются увеличению. Обычно размеры отвала назначают такими, чтобы в расчетных условиях тягово-сцепные свойства базового трактора использовались предельно. В режиме копания тяговым усилием преодолеваются сопротивления отделению грунта от массива (резанию) Wр, перемещению грунта вверх по отвалу Wг и перед отвалом (перемещению призмы волочения) Wп, а также сопротивление самопередвижению машины Wм. Общее сопротивление при копании (Н) определяется суммой

,

где с – толщина срезаемого слоя (стружки), м; В – длина отвала (ширина захвата), м; k1 – удельное сопротивление грунта резанию, Па; х – коэффициент пропорциональности, зависящий от угла внутреннего трения грунта (x = 0,25...0,5, меньшие значения соответствуют глинистым, а большие – песчаным грунтам) ; Н – высота грунта в призме волочения, м; ρ – плотность разрыхленного грунта в призме волочения, ρ = (1,3...1,8) 103 кг/м3; g – ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с2); f – коэффициент трения грунта в призме волочения по ненарушенному грунту (f = 0,8...1,0); т—масса бульдозера (машины), кг; i – уклон пути передвижения, равный тангенсу угла его наклона; – удельное сопротивление бульдозера само-

передвижению ( = 0.1...0,15).

Из приведенных сопротивлений постоянным является Wм, а при снятии слоя постоянной толщины − также сопротивление Wp. Сопротивления Wг и Wп, пропорциональные объему призмы волочения, возрастают по мере накопления грунта перед отвалом и достигают максимальных значений в конце копания. Может оказаться, что при работе в прочных грунтах тя- гово-сцепные свойства машины будут исчерпаны на преодоление сопротивлений Wг, Wп и Wм еще до полного заполнения отвала, после чего копание следует прекратить.

При работе в легких грунтах в конце копания при полном заполнении отвала может оказаться резерв тяги и сцепных свойств трактора. В этом случае для повышения производительности машины ее целесообразно оборудовать отвалами с развитыми уширителями 1 (рис. 4.40, а), боковыми открылками 2 и удлинителями 3. С той же целью грунт разрабатывают двумя спаренными бульдозерами (рис. 4.40, б) или бульдозером с широким отвалом на двух спаренных тракторах (рис. 4.40, в).

Кроме того, производительность бульдозеров, работающих на отсыпке насыпей, можно повысить за счет сокращения потерь грунта при транспортировании спаренными бульдозерами (см. рис. 4.40, б), за счет примыкания их отвалов и устранения таким образом утечки грунта через внутренние края каждого отвала. Если не предъявляется особых требований к сохранности поверхности пути транспортирования, то потери грунта через боковые края отвала можно восполнить дополнительной разработкой грунта по пути транспортирования при незначительном заглублении отвала.

Удовлетворительные результаты дает также перемещение грунта траншейным способом. Для этого груженые бульдозеры перемещаются по одной и той же трассе со слегка заглубленными отвалами. Образовавшаяся в результате последовательных проходок бульдозеров продольная выемка

,

250

(траншея) небольшой глубины, а также боковые валики из просыпавшегося на предшествующих проходках грунта снижают его потери по пути передвижения. С той же целью выбирают оптимальный вариант трассы передвижения бульдозеров, предпочитая движение по горизонтальной траектори или под уклон. При условии снижения потерь грунта в процессе его транспортирования приведенная ранее предельная дальность возки может быть увеличена. Повышения производительности бульдозера можно также добиться за счет сокращения продолжительности рабочего цикла.

б)

в)

Рис. 4.40. Рабочие органы бульдозера повышенной вместимости (а); рациональные способы послойной разработки грунтов спаренными бульдозерами (б); широким

отвалом на двух спаренных тракторах (в); 1– с развитым уширителем; 2 -боковыми открылками; 3– с удлинителями

Кроме известных рекомендаций работы на максимально возможных скоростях передвижения рассмотрим рациональные отношения продолжительности операций копания и транспортирования грунта.

Как показывает анализ составляющих силы сопротивления передвижению бульдозера, при постоянной толщине стружки во время копания грунта тягово-сцепные свойства машины реализуются в полной мере лишь в конце копания. Во все остальное время этой операции эти свойства оказываются недоиспользованными. Поэтому целесообразно в начальной стадии копания, когда сопротивления Wг и Wп еще весьма малы, за короткое время максимально заглубить отвал до полного использования тяговосцепных свойств машины. По мере накопления грунта перед отвалом и возрастанием в связи с этим сопротивлений Wг и Wп, постепенно выглубляют отвал, уменьшая тем самым сопротивление Wр при условии баланса общего сопротивления. Такая схема работы позволяет уменьшить длину участка копания и сократить продолжительность операции. Незначительное вследствие этого приращение пути транспортирования не окажет существенного влияния на увеличение продолжительности транспортной

,