Землеройно-транспортные машины (бульдозеры)

Введение

 

Землеройно-транспортными  называют машины с ножевым рабочем  органом, выполняющие одновременно послойное отделение от массива  и перемещение грунта к месту  укладки при своем поступательном движении. К этой группе машин относится: бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, грейдеры. Первые два типа машин, особенно бульдозеры, широко используются в промышленном и гражданском строительстве. В  зависимости от вида рабочего оборудования отдельный грунт накапливается  перед отвалом или поступает  в ковш, в котором транспортируется к месту отсыпки. Основными преимуществами землеройно-транспортных машин является возможность совмещения в одном  рабочем цикле всего комплекса  операций по копанию, перемещению, отсыпания  грунта с предварительным разравниванием и частичным уплотнением, простота конструкции и высокая производительность.

 

 

1. История создания

 

История возникновения современных  бульдозеров берет свое начало с  модели трактора, содержащего навесное бульдозерное оборудование, который  был создан в 1921 году двумя американскими  инженерами D. Best и В. Holt – они и считаются изобретателями гусеничного хода. Также они впоследствии основали компанию под названием «Caterpillar» (гусеница). Уже в то время были созданы основные конструктивные понятия: силовая установка, имеющая вид двигателя внутреннего сгорания, ходовые детали гусеничного типа, бульдозерное оборудование, которое крепится с помощью навешивания спереди основной машины. В течение последующего времени в мире происходило бурное усовершенствование конструкции бульдозера, особенно это касается послевоенного периода. За этот отрезок времени были изобретены новые приводы хода, гидродинамическая и гидростатическая трансмиссии, также был создан гидравлический привод навесного оборудования и сенсорные системы для управления бульдозером.

Под влиянием этих событий, в наше время сформировались конструктивные решения вида составных частей и  систем бульдозеров.

Силовые установки, которые  используются на бульдозерах, – это дизели на быстром ходу, оснащенные водяным охлаждением и турбонаддувом. Некоторые мировые фирмы применяют в оборудовании бульдозеров дополнительную электронную систему с контролируемым впрыском топлива, наличием насос-форсунок и гидропривода. Это значительно повышает топливную экономичность, а токсичность выхлопа наоборот снижается, также уменьшается уровень шума от двигателя и становится намного проще и легче его запуск в морозное время года.

На современных бульдозерах  начато применение двигателей, с наличием электронной системы управления впрыска топлива, это привело  к идеальной совместимости основных характеристик двигателя и больших  рабочих нагрузок, которые создаются при высокой топливной экономичности.

 

2. Обзор и анализ существующих конструкций бульдозеров

 

Бульдозеры представляют собой навесное оборудование на базовый  гусеничный или пневмоколесный трактор (двухосный колесный тягач), включающий отвал с ножами, толкающее устройство в виде брусьев или рамы и систему  управления отвалом. Современные бульдозеры являются конструктивно подобные машины, базовые трактора и навесное оборудование которые широко унифицированы. Главный  параметр бульдозеров – тяговый  класс базового трактора (тягача). Бульдозеры применяют для послойной разработки и перемещения грунтов 1…4 категории, а также предварительно разрыхленных скальных и мерзлых грунтов. С  их помощью выполняют планировку строительных площадок, возведение насыпей, разработку выемок и котлованов, нарезку  террас на косогорах, разравнивание  грунта, отсыпаемого другими машинами, копание траншей под фундаменты и коммуникации, засыпку рвов, ям, траншей, котлованов и пазух фундаментов  зданий, расчистку территорий от снега, камней, кустарника, пней, мелких деревьев, строительного мусора и т.п. Широкое  использование бульдозеров в  строительном производстве определяется простотой их конструкции, надежностью  и экономичностью в эксплуатации, высокой производительностью, мобильностью и универсальностью.

Бульдозеры классифицируются:

- по назначению – 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.);

- в зависимости от тягового класса (номинальному тяговому усилию) базовых машин малогабаритные (класс до 0,9), легкие (класс 1,4…4), средние (класс 6…15), тяжелые (классов 25…35) и сверхтяжелые (класс свыше 35);

- по типу ходовому устройства – гусеничные и пневмоколесные;

- по конструкции рабочего органа – с неповоротным отвалом (постоянно расположенным перпендикулярно продольной оси базовой машины), с поворотным отвалом (который может устанавливаться перпендикулярно или под углом до 55 градусов в обе стороны к продольной оси машины. Поворотный отвал устанавливают только на гусеничных тракторах, так как колесные тягачи плохо воспринимают боковые нагрузки;

- по типу системы управления отвалом – с гидравлическим и механическим (канатно-блочным) управлением. По канатно-блочной системе управления подъем отвала осуществляется зубчато – фрикционной лебедкой через канатный полиспаст, опускание – под действием собственной силы тяжести отвала. При гидравлической системе управления подъем и опускания отвала осуществляется принудительно одним или двумя гидроцилиндрами двустороннего действия. Бульдозеры с механическим управлением в настоящее время промышленностью не выпускаются.

Отвалы бульдозера представляют собой жесткую сварочную металлическую  конструкцию с лобовым листом криволинейного профиля. Поворотный отвал  длиннее неповоротного, так как  в неповоротном положении он должен перекрывать ширину базовой машины. Применяют поворотный отвал для  планировочных работ с перемещением грунта в сторону (грунт при этом сходит с отстающим концом отвала в виде бокового валика), для засыпки  траншеи, разравнивания валов и  других работ при непрерывном  движении машины вдоль фронта работ.

Сферические отвалы, состоящие  из трех или пяти секций, которые  установлены под углом 10…15 градусов одна к другой, набирают грунта на 15…20 процентов больше, чем прямые отвалы. Сферические отвалы применяются  для работ с кусковыми и  сыпучими материалами при мощности базовых машин более 130 кВт. Совковый отвал имеет увеличенные боковые щитки и применяются при перемещении сыпучих и слабопрочных материалов на большие расстояния (до 150 м). Отвал рыхлящими боковыми зубьями применяются в крепких каменистых и мерзлых грунтах на гусеничных бульдозерах мощностью не менее 50 кВт и на колесных бульдозерах мощностью не менее 220 кВт. Короткий прямой отвал снабжен амортизатором и предназначен для установки на толкачах, помогающих загружать скреперы.

 

Рис. 1. − Основные типы бульдозерных отвалов:

1 – прямой поворотный; 2 – прямой неповоротный;

3 – полусферический; 4 – сферический; 5 – сферический для сыпучих

материалов; 6 – с толкающей плитой

 

Для расширения области применения бульдозеров отвала оборудуют специальными приспособлениями – окрылками, уширителями, выступающими средними ножами, грузовыми  вилами, траверсами, подъемными крюками  и др.

 

3. Организация и технология производства работ

 

Бульдозеры применяют  для строительства земляного  полотна автомобильных и железных дорог, сооружения плотин и дамб, рытья  каналов и котлованов, засыпки  траншей и ям, планировки строительных площадок, территорий и орошаемых  полей, очистки дорог и аэродромов, подготовки трасс, валки деревьев, корчевке пней, срезке и уборке кустарников и мелколесья, уборке валунов и других работ.

Бульдозеры-рыхлители используют на этих же работах, но для рыхления промерзших грунтов и при разработке прочных и скальных грунтов.

Рабочий цикл бульдозера включает следующие операции: опускание отвала в требуемое положение, резание  и набор грунта, перемещение грунта, укладка грунта, передвижение бульдозера в исходное положение.

Основной операцией цикла  является резание и набор грунта. Ее осуществляют при прямолинейном  движении бульдозера на первой передаче при угле резания 55-60° – на легких грунтах и планировочных работах и 45-55° – на плотных грунтах, применяя наиболее целесообразные способы срезания стружки в зависимости от категории грунтов и видов работ. Так, на планировочных работах при наборе грунта под уклон применяют способ постоянной толщины стружки (прямоугольный). На глинистых грунтах стружку срезают переменной толщины клиновым или гребенчатым способом. Последний способ срезания стружки применяют и при разработке супесчаных грунтов.

Для облегчения разработки плотных и мерзлых грунтов  их рыхлят бульдозерами-рыхлителями. Рабочий  их цикл состоит из следующих операций: опускание зубьев и их заглубление  в грунт, рыхление грунта, выглубление  зубьев рыхлителя и возвращение  рыхлителя в исходное положение (холостой ход). Если при рыхлении и  перемещении грунта используют бульдозеры-рыхлители, то сначала они разрыхляют грунт  на определенном участке и работают по циклу рыхлителя, а затем перемещают его отвалом бульдозера.

Набор грунта ускоряется при  движении бульдозера под уклон и  при работе с острыми ножами. Наиболее целесообразный уклон 10-15°. Ножи следует переставлять или затачивать (если они уже переставлялись) через 400–600 ч работы на песчаных и через 1000-1200 ч – на глинистых грунтах.

Перемещение грунта к месту  его укладки осуществляют на первой передаче бульдозера. На уклонах его  скорость может быть повышена. При  этом увеличивается и производительность бульдозеров. Так, при уклоне 10° производительность возрастает более чем на 30% по сравнению  с производительностью бульдозера, перемещаемого грунт при нулевом  уклоне.

Для уменьшения потерь грунта при его перемещении бульдозер  рекомендуется снабжать уширителем, удлинителем, а также применять  траншейный способ перемещения грунта, спаренную работу бульдозеров и  другие способы.

Укладка грунта осуществляется послойной отсыпкой, местной отсыпкой без разравнивания и местной  отсыпкой с разравниванием. Послойная  отсыпка применяется при возведении насыпей, дамб. Грунт при этом разравнивают при приподнятом отвале бульдозера. Толщина слоя отсыпки 20-25 см. Местную отсыпку без разравнивания используют при засыпке рвов, котлованов, устройстве оградительных валов, а с разравниванием – при подсыпке грунта к искусственным сооружениям, засыпке траншей и других работах.

Передвижение бульдозеров  в исходное положение должно осуществляться на максимально возможной скорости. При дальности передвижения до 70 м бульдозер целесообразно возвращать в забой задним ходом, а при большем расстоянии – передним ходом.

Существенное влияние  на результаты работы бульдозеров оказывает  схема их движения в рабочем цикле. Наиболее распространенной является челночная  схема, при которой перемещение  грунта производится при движении бульдозера передним ходом, при заднем ходе бульдозер  совершает холостой ход.

Применительно к видам  земляных сооружений и условиям их строительства используют различные  способы их возведения. Так, при разработке выемки, когда излишки грунта необходимо укладывать в кавальеры, применяют  поперечный способ разработки. Бульдозер  при этом перемещается в поперечном направлении относительно выемки по челночной схеме, сдвигая грунт в кавальеры в одну или обе стороны выемки. В том случае, если длина выемки небольшая и разработанный грунт необходимо укладывать в прилегающую насыпь, применяют продольный способ разработки.

Возведение насыпей также  осуществляют двумя способами: поперечным и продольным. При первом способе  грунт в насыпь перемещают из одностороннего или двустороннего резерва. В  первом случае укладку грунта в насыпь начинают с противоположного ее края, а во втором – с центра. Применение бульдозеров на возведении насыпей  эффективно при подъеме ее откосов  до 0,3.

Разработку косогоров  при пологих склонах целесообразно  вести поперечными проходами  бульдозера, перемещая грунт вдоль  склона в полунасыпь. При больших  углах их наклона используют продольный способ разработки с применением  бульдозеров с поворотным отвалом. В этом случае первые проходы совершают  вдали от края косогора; при последующих  проходах грунт сдвигают в полунасыпь, при этом соблюдают особую осторожность во избежание сползания и опрокидывания  бульдозера по склону.

Засыпку траншей бульдозерами с неповоротным отвалом осуществляют прямыми проходами в поперечном направлении относительно оси траншеи. Часть грунта из насыпи захватывается  краем отвала и перемещается в  траншею. При заднем ходе бульдозер  смещается в сторону насыпи, и  операция повторяется. При глубине  траншеи 1,5 м и более грунт перемещают в нее не при каждом проходе, а через один – два, чтобы не допустить обвала стенок траншеи и сползания бульдозера.

При засыпке траншей бульдозерами с поворотным отвалом их отвал  устанавливают под углом к  продольной оси машины и с поворотом  в правую сторону. Бульдозер, совершающий  проходы под углом 30-40° к оси траншеи, сдвигает грунт. При перемещении небольшого вала грунта применяют продольный способ движения бульдозера с поворотным отвалом вдоль траншеи, установив его отвал под углом к продольной оси машины.