На правах рукописи




На правах рукописиНа правах рукописи.

1.1. 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.

Основные параметры поперечного профиля отвала бульдозера.

длину прямолинейного участка а в нижней части поверхности отвала; радиус криволинейного участка R поверхности отвала; угол опрокидывания отвала Ψ ; высоту козырька Я, и угол его наклона ε угол наклона отвала.

От угла наклона отвала ε — 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 Т н и грунтовыми условиями, для которых предназначается проектируемый бульдозер.

для бульдозера с поворотным отвалом.

где Т н — номинальная сила тяги бульдозера в Т. Сила Т н определяется путем построения тяговой характеристики тягача с.

Высота отвала может быть определена: для бульдозера с неповоротным отвалом.

навесным оборудованием. Высота отвала с козырьком Н п — 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 α отвала обычно равна высоте ножа. Этот участок оказывает значительное влияние на формирование.

Угол резания отвала δ (угол между плоскостью ножа н горизонталью), угол заострения ножа ß (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 δ = 55° и для поворотного отвала — Г)0 δ- 55°. При угле δ — 1,15 с углом резания а р = 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 состав- лена 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. Рассматри- ваемые 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 ма- тематическая модель в упрощенной интерпретации.

Сопоставление зависимостей, полученных на базе плоской задачи, при h 1 ) 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, достаточное 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 P 1 — 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, что то 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.

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 Р z 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 L T и Вт — длина и ширина трактора; Сб — вес бульдозера; g — ускорение свободного падения. Жесткость.

где Ci — жесткость препятствия; —жесткость навесного.

оборудования в поперечном направлении; G T — вес трактора.

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

Для навесного оборудования с поперечной штангой а ж * = 500-600 кН/(м-кг), а для обычной схемы а ж * = 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.

1.4. Гипотетический 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); G cu — сцепной вес бульдозера в рабочем состоянии.

При навешивании на базовый трактор только бульдозерного оборудования сцепная масса = (1,17-1,22) т бм . где т бм — экс.

плуатационная масса базовой машины без навесного оборудования. Если навешивается спереди бульдозерное, а сзади — рыхлительное оборудование, то m сц =(1,35-1,45)m бм.

Эксплуатационная масса бульдозера m б =m бм +m бо . где m бо — эксплуатационная масса бульдозерного оборудования (со смазочным материалом, маслом в гидросистеме и др.). Для гусеничных бульдозеров m б = m сц.

Скорость рабочего хода бульдозера при отсутствии автомати- зированного 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; L on — длина опорной поверхности гусениц с учетом полного погружения почвозацепов; b — ширина гусениц.

Положение центра давления, т. е. точки приложения равнодей- ствующей 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 со- противлением 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; R z — вертикальная составляющая результирующей сил сопротивления на отвале; R x — горизонтальная составляющая результирующей сил сопротивления на отвале; d 1 — расстояние от точки приложения результирующей сил сопротивления на отвале до оси ведущей звездочки; h R —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 К т — коэффициент использования тягового усилия; Т нб — 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 К т = 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 раз- рыхленного 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 h R = 0,17 Н, при копании грунта в разрыхленном состоянии и перемещении разрыхленного грунта в траншее h R = 0,27 Н, где Н — высота отвала без козырька. Расстояние d 1 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.

Координата центра давления характеризует распределение нор- мальных реакций грунта на опорные поверхности гусениц и тяго-восцепные качества базовой машины при работе с бульдозером.

При смещении центра давления от середины опорной поверхности гусениц давление по ее длине принимают действующим по закону трапеции, центр тяжести которой условно лежит на одной вертикали с центром давления. Условные удельные нагрузки на передней и задней кромках опорной поверхности гусениц определяют с учетом типа подвески опорных катков.

Определение центра давления бульдозеров с повернутым в плане отвалом дополнительно производят только для случая, когда ‘бульдозер с максимально поднятым отвалом стоит на предельном уклоне или подъеме.

Удельное напорное усилие на режущей кромке ножа отвала.

где Т н б — номинальное тяговое усилие бульдозера; В — длина ножа отвала.

Вертикальное давление на режущей кромки ножа отвала.

где R 23 — наибольшее вертикальное усилие на режущей кромке ножа отвала по условиям опрокидывания базовой машины относительно задних кромок опорных поверхностей гусениц; F — опорная площадь режущей кромки ножей отвала.

Площадь F и вертикальное давление q B определяют для неизношенных (рис. 1.13, сечение а—а) и изношенных (рис. 1.13, сечение б—б) ножей при основном угле резания у 0.

У современных бульдозеров удельное напорное усилие составляет 40—100 кН/м режущей кромки ножей с зубьями отвала, увеличиваясь с повышением номинального тягового усилия.

Вертикальное давление q в в случае принудительного заглубления отвала составляет 400—8000 кПа при незатопленных ножах и 200—1500 кПа при полностью затупленных. В среднем вертикальное давление при затупленных ножах в 3 раза ниже, чем при незатупленных. По удельному напорному усилию и вертикальному давлению на режущей кромке ножей с зубьями бульдозера судят о возможности разработки грунтов различной прочности. Для I категории грунта q г =15 кН/м (не более), q B =1000 кПа (не более); для II категории—20—40 и 1200—2400; для III категории —41—60 и 2500—3500; для IV категории — более 60 кН/м и более 3500 кПа.[19.

Длину отвала бульдозера с неповоротным отвалом выбирают минимально возможной с учетом перекрытия габарита базовой машины по ширине или наиболее выступающих в стороны элементов толкающей рамы не менее чем на 100—200 мм с каждой стороны.

Рис. 1.13. Сечения.

Рис. 1.14. Схема по определению параметров профиля отвальной поверхности.

Высоту отвала определяют по тяговому усилию бульдозера при скорости, подходящей для бульдозерных работ, параметрам отвальной поверхности и грунтовым условиям, для которых предназначен бульдозер.

Высота козырька (по вертикали) составляет 0,1—0,30 от высоты отвала. При определении высоты отвала с козырьком обеспечивают в транспортном положении отвала с одной стороны определенный угол въезда, с другой—достаточно хорошую видимость пространства перед бульдозером.

Основные параметры профиля отвала показаны на рис. 1.14, где Н— высота отвала без козырька (расстояние по вертикали между режущей кромкой среднего ножа и верхней кромкой отвальной поверхности); у 0 — угол резания при основной установке отвала (угол между горизонталью и передней плоскостью ножей); β 0 — угол опрокидывания при основной установке отвала (угол между горизонталью и касательной к отвальной поверхности в верхней кромке отвала); е 0 — угол наклона при основной установке отвала (угол между горизонталью и линией, соединяющей верхнюю кромку отвальной поверхности с режущей кромкой среднего ножа отвала); R — радиус кривой части отвальной поверхности.

Дополнительные параметры профиля отвала следующие (см. рис. 1.14): Н к — высота отвала с козырьком (расстояние по вертикали между верхней кромкой козырька в середине и режущей кромкой среднего ножа); (3 к — угол установки козырька при основном положении отвала (угол между горизонталью и плоскостью козырька); θ О — задний угол при основной установке отвала (угол между горизонталью и линией, соединяющей режущую кромку среднего ножа зубьями с наиболее выступающим элементом конструкции внизу на тыльной стороне отвала.

Выводы по главе I.

Конструкции с интенсификаторами процесса как копания грунта бульдозерными отвалами при различных схемах установки ножей не требует значительных материальных затрат и позволяют трансформировать их в адаптирующийся.

Для каждой расчетной схемы установки ножей с зубьями отвалов определяют активные силы действующие на рабочей оборудования и машину.

Анализ всего комплекса операции рабочего цикла бульдозера с целью оценки конструктивных параметров оснащенного с различными установки ножей с зубьями может, оценена показателям, учитывающим производительность машины.

Объем призмы волочения, и показатель потерь грунта в боковые валики при транспортирования существенно влияют на энергоемкость рабочего процесса бульдозера, причем их влияния интенсивно возрастает с увеличением дальности транспортирования и перемещения грунта.

При расчета на прочность отвалов надо учитывать взаимодействия рабочего оборудования по секциям позволяет дать конкретные рекомендации по использованию экспериментальных отвалов с зубьями на ножах.