Расчет бульдозера рыхлителя для работы с грунтом IV категории прочности

Наименьшая глубина рыхления за один проход должна на 20...30 % превышать  толщину стружки грунта, разрабатываемого землеройно-транспортными машинами, в комплексе с которыми работает рыхлитель. Рыхление высокопрочных  грунтов осуществляется, как правило, одним зубом.

1.5. История развития машин

Строительное производство относится к одной из древнейших отраслей деятельности человека. Оно  стояло на достаточно высоком уровне еще задолго до нашей эры. Широко известны такие образцы строительного  искусства, как египетские пирамиды, земляные плотины в Индии и  благоустроенные дороги Римской  империи. Так, общее протяжение последних  к началу нашей эры составило  около 78 000 км. Строительные и дорожные работы осуществляли вручную. Первые серьезные попытки механизировать труд при строительстве относятся к началу XIX в., этому в значительной степени способствовало изобретение паровой машины. Так, в 1809 г. в Петербурге Бетанкуром была предложена плавучая землечерпалка, которая затем успешно работала в Кронштадтском порту.

В 1835 г. появился первый паровой экскаватор. Однако развитие дорожного машиностроения в то время шло крайне медленно. Так, в 1839 г. мировой парк экскаваторов состоял всего из семи машин, из них четыре работали в России. Первые дробилки появились в 1858 г., однако ввиду плохого качества получаемого щебня они крайне медленно внедрялись в производство. В 1875 г. был построен первый грейдер-элеватор, а в 1887 г.— первый грейдер. Обе эти машины работали на конной тяге.

Развитию строительных и  дорожных машин способствовало изобретение  гусеничного ходового механизма  и двигателей внутреннего сгорания, в частности дизелей. Первые экскаваторы  на гусеничном ходу появились в 1912г., и с этого времени они широко стали применяться на строительстве. Первые годы прошлого века являются началом  развития автомобилестроения. Эта новая  отрасль промышленности стала расти  бурными темпами. С появлением автомобилей  потребовалось широкое строительство  дорог. При этом изменился тип  дорожных покрытий, т. е. появились усовершенствованные  покрытия с применением битумных материалов и цементного бетона. Для  расширяющегося дорожного строительства  были необходимы дорожные машины.

В дореволюционной России объем дорожно-строительных работ  был мал, кроме того, почти все  работы выполнялись вручную. В 1926 г. на Онежском машиностроительном заводе в г. Петрозаводске было организовано производство грейдеров, скреперов, утюгов и т. п. В 1930 г. дорожное машиностроение осуществлялось уже на четырех заводах. Сейчас строительное и дорожное машиностроение является большой отраслью машиностроительной промышленности, которая включает в себя научно-исследовательские институты и многочисленные проектные организации.

Дорожные машины работают в тяжелых условиях, которые характеризуются  большим диапазоном изменений температуры  воздуха, постоянной возможностью подвергнуться  воздействию осадков, передвижением  в условиях бездорожья, работой на влажных, а иногда на сильно пылеватых  грунтах и т. п. При этом нужно  учесть, что строительные объекты  часто имеют значительную протяженность, поэтому места работы машин отдалены от ремонтных баз. Все это должно учитываться при проектировании машин.

Дорожные машины должны быть просты по конструкции и обладать высокой надежностью в работе и необходимой долговечностью.

Простота выполнения ремонтных  операций, экономичность работы и  снижение стоимости изготовления самой  машины зависят от того, насколько  полно проведена унификация машин.  Под унификацией понимается приведение машин к единой системе. Унификация достигается проектированием машин с максимальным использованием одних и тех же или, в крайнем случае, подобных агрегатов, узлов и механизмов. Парк унифицированных машин легче снабжать запасными частями и на базе готовых агрегатов проще организовать их ремонт. Кроме того, изготовление однотипных агрегатов обходится значительно дешевле, чем разнотипных. Поэтому унификация является главнейшей задачей дорожного машиностроения.

1.6. Тенденции развития бульдозеров в целом

Наблюдается стремление эксплуатационников использовать машины которые без капитального ремонта (с заменой отдельных быстроизнашивающихся элементов и узлов при текущем ремонте) могли бы отрабатывать 10-12 тыс. ч в любых эксплуатационных условиях с наработкой на отказ до 400 ч, т. е. вырабатывать весь расчетный ресурс и срок амортизации за 3 - 4 года. Исходя из этого, зарубежные фирмы уже установили гарантийный срок службы основных трансмиссионных узлов 6000 ч или 3 года, а срок амортизации уменьшили с 5 до 4 лет. Стремятся сократить время, затрачиваемое на непроизводительные операции, когда бульдозер невозможно эффективно использовать, т. е. транспортные переезды, техническое обслуживание, осмотр и контроль состояния, проверку и диагностику функций отдельных узлов и элементов машины и др. Совершенствование параметров и конструкции узлов и элементов бульдозера направлено на обеспечение эффективного выполнения каждого элемента рабочего цикла, т. е. улучшение его функциональных свойств.

Для уменьшения времени на осмотр, техническое обслуживание, проверку технического состояния узлов  и машины предусматривают автоматизированные системы контроля с использованием микропроцессоров и датчиков в узлах  с выведением показателей на табло  в кабине и предупредительными световыми  и звуковыми сигналами в процессе работы, а также с выключением  двигателя, если машинист не среагирует на них. Сокращают число видов и точек смазки, сводя их в одно удобное место. Стремятся обеспечить механизированные средства смазки и автоматизированный контроль. Исключают смазку, подбирая материалы для трущихся поверхностей (например, опор со сферическими шарнирами толкающих брусьев), увеличивая интервал между смазыванием (до 250 ч и более) и применяя долговременную смазку на весь срок службы узла.

Предусматривают модульное  исполнение большинства узлов (двигателя  с редуктором отбора мощности, коробки  передач, заднего моста, планетарных  механизмов поворота и др.) и легко  разбираемые элементы, снятие и установку

которых можно производить  без нарушения смежных узлов. Исключают или сводят к минимуму регулировочные операции с гидравлическим или механизированным сервоусилением их выполнения (например, натяжение гусеничной цепи с помощью шприц-насоса для смазки).  Обеспечивают легкую смену быстроизнашивающихся деталей (например, разъемное соединительное звено гусеничной цепи, ведущая звездочка с венцом из сегментов). Устанавливают элементы для подсоединения диагностических приборов и устройств с передачей показателей на табло в кабине или на приборах с целью определения состояния отдельных узлов и необходимости их замены. Приспосабливают все емкости для механизированной заливки топлива или смазочного материала, стремятся использовать единые сорта смазочного материала для различных агрегатов и узлов (например, для двигателя, гидросистемы и коробки передач).  Тщательно подбирают комплект запасных частей, учитывая сроки изнашивания элементов, и обеспечивают доставку запчастей в минимально возможное время. Заменяют приборы с цифровыми, указателями на табло или приборы с цветовыми шкалами.

Для обеспечения наиболее выгодных тяговых и скоростных режимов  работы бульдозера применяют автоматизированные системы: по оптимальной тяговой  мощности, при которой измеряются фактические скорость движения и  тяговое усилие, с помощью микропроцессора  определяется тяговая мощность, сравнивается с оптимальной и выдаются команды или световые указания на подъем-опускание отвала; по положению рабочего органа при планировочных операциях, при которых отклонение режущей кромки от необходимого положения, задаваемого от плоскости лазерного излучателя или маятниковыми датчиками в продольном и поперечном направлениях, вызывает необходимые управляющие воздействия; по угловой скорости вала двигателя, обеспечивающей подачу необходимых команд управления при ее отклонении: от заданной: по нагрузке двигателя, обеспечивающей перевод двигателя на холостой ход с целью экономии топлива при уменьшении нагрузки ниже установленной.

При совершенствовании бульдозеров, учитывая требования эргономики и безопасности, стремятся разместить кабину вблизи от середины опорной поверхности гусениц, обеспечив при этом необходимую обзорность переднего и заднего оборудования, фронта работ и окружающей среды с сохранением необходимого угла зрения машиниста и видимости рабочих органов в дневное и ночное время (без дополнительных источников освещения); соблюдать установленные стандартные нормы по запыленности, загазованности, вибрации, шуму, освещенности без каких-либо вспомогательных устройств (наушников, респираторов и др.), а также по усилиям на рычагах и педалях управления, их размещению и используемым приборам и указателям на пульте управления; применять системы защиты машиниста при опрокидывании и от падающих предметов, ремни безопасности и амортизированное, регулируемое по массе машиниста и расположению (вверх-вниз, вправо-влево и вперед-назад) сиденье, которое при агрегатировании с бульдозерным оборудованием устанавливают правее продольной оси симметрии машины под углом 10 - 15° к ней; разместить часто используемые рычаги управления (гидроприводом навесного оборудования - справа, коробкой передач и направлением движения - слева) на подлокотниках сиденья машиниста или вблизи от них, так чтобы его руки не уставали при частом их переключении, а другие - в соответствии с существующими эргономическими нормами; учитывать антропометрические данные при конструировании кабины, размещении пульта управления, систем доступа к узлам при техобслуживании и т.п.; применять системы ограждения и устройства для входа машиниста в кабину и схода с машины, а также системы безопасности при техобслуживании и работе (ограждение трубопроводов высокого давления и горячих элементов на двигателе, система пожаротушения и др.); приспосабливать машины для автоматизированного контроля за состоянием узлов и механизированного техобслуживания с помощью специализированных для этой цели машин и оборудования.

Сфера применения бульдозеров  постоянно расширяется благодаря  расширению типоразмерного ряда, с одной стороны, в направлении создания минибульдозеров массой до 2 т и мощностью от 5 до 45 кВт, с другой - сверхтяжелых машин массой до 100 т и мощностью 735 кВт и более.

Создание тяжелых машин  связано с трудностями в производстве (применение уникального станочного оборудования, создание новых комплектующих  изделий, в том    числе    гидравлического    привода    и    трансмиссий)    и    в    эксплуатации (невозможность  прохода под существующими мостами  и путепроводами и по ним, транспортирование  обычными средствами, чрезмерная масса  отдельных деталей и узлов  для проведения техобслуживания  и ремонта в полевых условиях и др.).

В дальнейшем развитие тяжелых  машин вероятно будет направлено на создание в виде модулей одной и двухгусеничных тележек с электрическим приводом, которые с помощью общей рамы будут соединять в шасси с тремя-четырьмя гусеницами или гусеничными тележками и дизель-генераторной установкой. Такое решение позволит иметь свободную легкоизменяемую компоновку, приспособленную в полной мере для работы с навесным оборудованием. Кабину при этом машинист может передвигать вдоль машины или располагать на поворачивающейся в горизонтальной плоскости отдельной раме или рычаге и устанавливать в требуемое место. Применение электропривода в этом случае вызвано тем, что передавать большую мощность на значительные расстояния другим путем затруднительно.

В развитии и совершенствовании  бульдозеров будет также наблюдаться  создание бульдозеров в составе  систем и комплексов машин, взаимосвязанных  по производительности для различных  грунтовых и климатических условий; применение принципа подобия по всему  типоразмерному ряду и создание семейств из смежных (по тяговому усилию) типоразмеров, что не только облегчает проектирование и освоение новых машин, но и расширяет унификацию как по базовым тракторам, так и навесному оборудованию; преимущественное развитие бульдозеров общего назначения с полусферическим отвалом и ограниченное число типоразмеров бульдозеров с поворотным отвалом; ускоренное развитие бульдозеров большой мощности, на болотных и карьерных модификациях гусеничных промышленных тракторов, а также их исполнениях для северных и тропических условий; сокращение видов специальных бульдозеров и сменного оборудования в зависимости от существующих объемов работ, ограниченное развитие бульдозеров с радиоуправлением для подводных и подземных работ с тщательным учетом возможных сфер их применения и имеющихся объемов работ для длительной эксплуатации, а также бульдозеров с активным рабочим органом шнекового типа (для засыпки траншей продольными ходами); создание конструкций, рассчитанных на длительное сохранение принципиальной схемы; сохранение типоразмерных рядов с принятыми коэффициентами.

1.7.Тенденции развития отдельных узлов

Главным объектом совершенствования  является рабочий орган -бульдозерный отвал, который выполняет основную функцию: разрушение грунта и его транспортирование к месту назначения.

Следует выделить три основных направления совершенствования  бульдозерных отвалов: улучшение транспортирующих свойств; снижение усилий и энергоемкости  процесса копания; расширение технологических  возможностей.

Транспортирующие свойства бульдозерных отвалов - главный фактор, определяющий производительность агрегатов  и качество выполняемых работ. Известны две классические схемы транспортирования  грунтов бульдозерами: перемещение грунтов лобовой частью отвала в направлении поступательного движения машины (фронтальное транспортирование) и транспортирование грунтов в боковые валики перпендикулярно направлению ее движения (боковое транспортирование). Для реализации указанных схем используют два типа отвалов: неповоротный (табл. 1.7.1, поз. 1) и поворотный (табл. 1.7.1, поз. 2).

Для улучшения транспортирующих свойств неповоротных бульдозерных отвалов совершенствование конструкции  направлено главным образом на увеличение накопительных свойств или адаптации  их к грунтовым условиям и уменьшению потерь при транспортировании грунта в боковые валики. Для этого  на бульдозерных отвалах малой и  средней мощности устанавливают  различные по форме и размеру открылки (табл. 1.7.1, поз. 3,4). Отвалы более мощных машин, как правило, делают сферическими (табл. 1.7.1, поз. 5). Для работы бульдозеров на слабых и сыпучих грунтах предлагаются отвалы сменной длины, что достигается за счет боковых телескопических секций (табл. 1.7.1, поз. 6) или дополнительных секций, которые подсоединяются к обеим сторонам отвала .

Поворотный бульдозерный отвал - универсальный рабочий орган  бульдозера, предназначенный для  фронтального и бокового перемещения  грунта и материалов. Для улучшения  условий бокового перемещения грунта предложен ряд технических решений, из которых наиболее интересны следующие  конструкции: с уменьшенным продольным сопротивлением перемещения грунта по лобовой поверхности отвала; с  принудительным транспортированием грунта вдоль лобовой поверхности и  с двухсторонним распределением грунта в боковые валики.

К первой группе относятся  отвалы с подвижной лобовой частью в виде ленточного конвейера (табл. 1.7.1, поз. 7) и средствами снижения сил трения и налипания грунта на лобовую поверхность; ко второй - отвалы, оснащенные средствами принудительного транспортирования грунта вдоль лобовой поверхности в виде транспортирующих шнеков (табл. 1.7.1, поз. 8); к третьей - двух- и трехсекционные шарнирно сочлененные отвалы (табл. 1.7.1, поз. 9, 10). Эти конструкции отличаются сложностью и большой массой рабочего органа, что сдерживает их практическую реализацию.