Разработка бульдозерного оборудования повышенной накопительной способности. Бульдозер ДЗ-35 на базе трактора 15 тягового класса – Т-180

1 АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ  РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ БУЛЬДОЗЕРНОГО  ОБОРУДОВАНИЯ, ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ  И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ТЕМЫ.

С созданием землеройной  техники возникли вопросы об уменьшении удельных затрат труда и энергоемкости  которые необходимо затратить на копание ими грунта, т.е. создание такого рабочего органа, работа которого позволила бы повысить производительность машины, повысить эффективность взаимодействия с грунтом и снизить стоимость выполненных работ. Для создания такого рабочего органа необходимо исследовать процесс резания грунта. Решению этих вопросов посвящено много научных трудов как отечественных, так и зарубежных ученых.

1.1. Тенденции и перспективы развития рабочих органов бульдозера.

Бульдозер являются одной  из основных машин используемых в  промышленном, гражданском, дорожном строительстве, так как его конструкция проста, универсальна и имеет низкую себестоимость выполнения роботы.

Совершенствование конструкции  рабочего органа бульдозера является одним из основных направлений повышения  его производительности. Над совершенствованием рабочих органов, повышением их качества, эффективности использования и расширения номенклатуры постоянно работали такие известные организации: ВНИИстройдормаш, ВНИИ Минтрансстрой, ВНИИземмаш, ЦНИИОНТП, КИСИ, МИСИ, СибАДИ, ДИСИ, ХАДИ, МАДИ, КАДИ и др. А совершенствование и повышение эффективности рабочих процессов землеройных машин основывается в значительной степени на теоретической базе, созданной известными учеными К.А. Артемьевым, В.Л. Баладинским, В.И. Баловневым, Б.А. Бондаровичем, Ю.А. Ветровым, Д.П. Волковым, Н.Г. Домбровским, А.Н. Зелениным, И.А. Недорезовым, В.К. Рудневым, Л.А. Хмарой, А.М. Холодовым, Д.И. Федоровым и др. Машины с рабочими органами повышенной эффективности на базе использования новых физических эффектов рассматриваются в работах В. И. Баловнева, В. К. Руднева и др.

Ведущие страны по производству бульдозеров являются США, Япония и  СНГ.

Анализ научно-технической  информации Украины, России и зарубежных стран в области бульдозеростроения позволили сделать аналитические выводы о развитии конструкции бульдозера.

Общие тенденции развития конструкции бульдозеров ведется  в двух направлениях. Первый связан с совершенствованием конструкции  базовых тракторов или тягачей, а второй менее материалоемкий но такой же эффективный, связан с совершенствованием бульдозерного оборудования. Наиболее важными способами совершенствование являются:

- расширение типоразмерного ряда в направлении создания малогабаритных и тяжёлых машин;

- повышение удельной мощности при сравнительно небольшом увеличении массы;

-   разделение на функциональные элементы и узлы в соответствии с особенностями процессов взаимодействия с грунтом;

-   применение устройств, интенсифицирующих копание, транспортирование и разгрузку грунта;

- применение устройств, обеспечивающих оптимизацию параметров в процессе работы в зависимости от выполняемых операций; применение новых физических методов разрушения грунтов;

• создание тяжёлых бульдозеров на базе спаренных тракторов;
• расширение номенклатуры бульдозерного оборудования;

- применение более прочных материалов, введение смазки, защитных устройств;

- гидрофикация всех операций (применение гидрофицированного перекоса отвала, применение для управления отвалом гидропривода);

• использование автоматических систем для управления отвалом, систем дистанционного управления бульдозером;
• расширение области применения бульдозера путём использования сменного рабочего оборудования;
• снижение трудоёмкости технического обслуживания.
• улучшение условий труда за счёт снижения трудоёмкости управления машиной, уменьшение  шума, вибраций, загазованности, запылённости;
• повышения безопасности работы оператора, благодаря внедрению защиты.

Цели данных направлений: снижение энергоёмкости процесса разработки грунта; расширение эксплуатационных возможностей; расширение зоны действия; управляемость оборудования; повышение надёжности конструкции; повышение производительности; упрощение конструкции; расширение технологических возможностей.

На основании анализа авторских  свидетельств, а так же трудов опубликованных в журналах «Строительные и дорожные машины», «Механизация строительства», были определены тенденции развития рабочего органа бульдозера. Основной целью которых является: снижении энергоёмкости при разработке грунта рабочим органом. Можно выделить следующие направлений развития бульдозерного оборудования:

- гидропривод рабочего органа, воздействующий на изменения  геометрических параметров и  величин лобовой поверхности  и ножевой системы; 

- рабочий орган (конструкция);

- дополнительное оборудование;

- способы соединения отвалов  и бульдозера.

Общие тенденции развития бульдозерного  оборудования представлены на рис. 1.1 отражающий развитие не только рабочих органов отвального типа, но и устройств позволяющих изменять положение отвала тем самым, меняя способ копания грунта. Центральная ось этой схемы (позиции 1-3) иллюстрирует общее развитие рабочего органа бульдозера, а боковые ее ответвления показывают частные направления развития позиций основной оси.

 Рис. 1.1. Схема развития рабочих органов землеройных машин

 

На 1 позиции представлен элементарный рабочий орган землеройной машин - отвал, имевший плоский вид, позиция 2 - отвал современной формы т.е. с криволинейным профилем рабочей  поверхности, созданный с учетом влияния подъема стружки грунта по отвалу на общее сопротивление копанию. Позиция 3 - отвал со щеками, которые способствуют уменьшению потерь грунта из призмы волочения. Данная конструкция послужила прототипом при создании скреперных ковшей.

Развитие лобовых отвалов с боковыми щеками (исходная позиция 3) в одном из ответвлений характеризуется созданием более эффективных совковых отвалов с косо установленными крайними секциями (позиция 6) и их дальнейшим совершенствованием.

1.2 Общая классификация рабочих органов

Рабочие органы, применяемые на   землеройных   машинах различных

типов для разных видов земляных работ и грунтовых и климатических  условий, могут быть систематизированы  по следующим основным классификационным  признакам:

1) назначению (для основных, отделочных или подготовительных работ)

2) сложности  (элементарные или сложные);

3) типу (ножевой, отвальный, ковшовый, шнековый);

4) форме режущей части поперечного  сечения (прямоугольная, криволинейная);

5) числу открытых поверхностей (одна, две и т.д.);

6) схеме взаимодействия с грунтом  (по числу открытых поверхностей  у грунтового массива);

7) траектория движения (прямолинейная,  криволинейная);

8) непрерывности взаимодействия  с грунтом (цикличное, непрерывное);

9) принципу воздействия на грунт  (статическое, ударное, вибрационное, смешанное);

10) виду случайного процесса  нагружения (случайный стационарный, нестационарный процесс.

Детализация по соответствующим классификационным  признакам может производиться  для рабочих органов конкретных типов землеройных машин.

Д.А. Лозовой рабочие органы для  разработки мерзлых грунтов классифицирует по виду воздействия на грунт: статическому, динамическому и комбинированному. К рабочим органам машин статического действия относит: бары, дисковые и  кольцевые фрезы, ножи на одноковшовом экскаваторе, обеспечивающие нарезку щелей, а также рыхлители, пальцевые торцовые и цилиндрические фрезы, многорезцовые экскаваторы и экскаваторы непрерывного действия, буры, винтовые рабочие органы, обеспечивающие разработку мерзлых грунтов в различных условиях.

Рабочие органы динамического действия включают в  себя свободнопадающие молоты - подвесные  и в направляющих и виброклинья. Они предназначены для предварительного рыхления мерзлых грунтов. К рабочим  органам комбинированного действия отнесены вибробуры, фрезы с вибратором крутильных колебаний, клинья с дизельным молотом, навесные рыхлители  с  активными зубьями, ковши с активными зубьями, предназначенные для различных видов работ с мерзлыми грунтами.

При определении  энергоемкости процесса копания грунта и величин и характера изменения составляющих усилия резания, действующих на рабочий орган, необходим учет схемы его взаимодействия с грунтом,

Данные исследований, проведенных В.Д. Абезгаузом, А.И. Бероном,  Ю.А. Ветровым, А.Н. Зелениным, подчеркивают значительное уменьшение усилия резания  при увеличении числа открытых поверхностей у разрабатываемой среды.

Учет схем взаимодействия рабочих органов  с грунтом важен как при  анализе работы существующих землеройных  машин, так и при создании новых.

Одним из характерных  примеров эффективного учета схем взаимодействия рабочих органов с грунтом  служат исследования, проведенные в  научно-производственном объединении "ВНИИЗеммаш", и разработанные  на их основе предложения по возможным  типам рабочих органов   и      схемам их

взаимодействия с грунтом.

Рабочие органы землеройных машин  в процессе взаимодействия с грунтом  испытывают случайные нагрузки, изменяющиеся во времени. В зависимости от типа рабочего органа, грунтовых и других условий случайные процессы изменения нагрузок различны. Поэтому важным является классификация как этих процессов, так и рабочих органов землеройных машин в зависимости от вида случайного процесса.

Общую классификацию случайных  процессов изменения нагрузок, действующих  на рабочие органы землеройных машин можно провести по следующим основным классификационным признакам: стационарности -стационарные, нестационарные; эргодичности - эргодические, неэргодические; виду закона распределения мгновенных значений исследуемого параметра; дифференцируемости - дифференцируемые, недифференцируемые.

Классификация подобного рода позволяет  использовать основные статистические характеристики и статистические свойства однотипных случайных процессов  нагружения для анализа и оценки не только каждого рабочего органа землеройной машины, но и групп рабочих органов, подвергающихся режимам нагружения одного типа.

1.3 Теоретическое обоснование влияние угла резания на усилие копания грунта бульдозерным отвалом.

В работе А.Д. Далина установлены  зависимости сопротивления резанию среднего суглинка для углов резания _р =20 – 50

            P = P₂₀(1 + 0.017 _р  )                                      (1.1)

Для углов  _р 50

                                    P = P₂₀(1 + 0.06 _р  )                                          (1.2)

где P₂₀  - сопротивление резанию грунта при р =20

При изменении угла резания  в пределах 20 –38 сила резания возрастает в среднем на 1.7% на градус увеличения угла резания, а 40 –90 - 6% на градус увеличения угла резания.

Профессор Н. Г. Домбровский предложил  зависимость для определения  вертикальной составляющей сопротивления  копанию P_в, в функции от горизонтальной составляющей сопротивления копанию P_г:

                                               P_в = * P_г                                                     (1.3)

где  - коэффициент, зависящий от соотношения скоростей копания и подачи, угла копания и затупления режущей кромки ( =0,1–0,45).

Разработка грунта ковшами  с зубьями производятся при угле резания  _р =25 –55 . Минимальный угол рекомендован в пределах 28 –30 .

Профессор А.Н. Зеленин исследовал вопрос физической сущности процесса резания грунтов, а также зависимости  усилия резания от грунтовых условий  и площади поперечного сечения  стружки, ширины и глубины резания, угла резания. Установлено, что число  ударов динамического плотнометра ДорНИИ прямо пропорционально усилию резания для любого рабочего органа, и может являться критерием оценки прочности грунта. Учёт влияния угла резания осуществляется соотношением:

• для элементарных профилей (при _р =39 –90 )

                                              P = P₃₀(1 - )                                          (1.4)

-  для периметров (при _р =20 –60 )

                                          P = P₂₀(1 + 0,0075 _р)                                      (1.5)

где: P₃₀, P₂₀- сопротивление резанию грунта при соответствующих углах резания.

Оптимальный угол резания для периметров, с учётом минимального заднего угла резания, составляет 30 –35 .

При углах резания  _р 90 - происходит затягивание ковша вниз, а при  _р 90 - - его выталкивание.

Величина и направление вертикальной силы Pв меняется в зависимости от угла резания _р, угла внешнего трения грунта по металлу и величины затупления режущей кромки. При увеличении значения угла уменьшается оптимальная величина угла резания. Для значения =18 –45 оптимальный

угол  резания  находится  в  узком  диапазоне  23 –30 .

Величина  коэффициента мало  изменяется  при р 45 , но существенно возрастает при _р 45 .

Предложена зависимость для  определения коэффициента, учитывающего  влияние угла резания:

                                  = 1 + ( р – 45   )                                    (1.6)