Бульдозер. Виды, устройство и работа бульдозера

Бульдозер — самоходная землеройно-транспортная машина, предназначенная в основном для срезания, планировки и перемещения грунта на расстояние до 150 м.

Он состоит из базового трактора или тягача, впереди которого в поперечной плоскости навешен рабочий орган — отвал.

Бульдозер — машина циклического действия: сначала осуществляется рабочий ход (разработка и перемещение грунта, засыпка траншей, срезка кустарника и др.), затем — холостой (возвращение в исходное положение).

Рабочий процесс бульдозера состоит из операций копания, перемещения и разравнивания грунта. При копании отвал заглубляют в грунт при движении бульдозера вперед.

Грунт вырезается из массива и накапливается перед отвалом, формируя призму волочения. Затем отвал выглубляют (приподнимают) и бульдозер перемещает грунт к месту укладки, после чего разравнивает призму волочения приподнятым отвалом (как передним, так и задним ходом машины). При транспортировании теряется до 30 % объема призмы волочения в зависимости от расстояния.

Бульдозер классифицируют по назначению, типу ходовой части, конструкции рабочего оборудования, типу привода рабочего оборудования, тяговому классу базовой машины (мощности двигателя).

По типу ходового оборудования различают колесные и гусеничные бульдозеры. Предпочтение отдают гусеничным бульдозерам, имеющим большее сцепление с грунтом и повышенную проходимость.

По назначению различают бульдозеры общего назначения, приспособленные для выполнения разнообразных работ (землеройных, планировочных, строительных и др.), и специального назначения для выполнения определенных видов работ (прокладка дорог, чистка от снега, сгребание торфа, подземные работы, толкание скреперов и т.д.).

По номинальному тяговому усилию и мощности бульдозеры разделяют на:

• легкие,
• средние,
• тяжелые,
• сверхтяжелые (таблица 1).

Таблица 1 — Классификация бульдозеров по номинальному тяговому усилию и мощности

По конструкции рабочего оборудования различают бульдозеры:

• с неповоротным отвалом,
• с поворотным отвалом,
• универсальные,
• бульдозеры-погрузчики.

В бульдозере с неповоротным отвалом он установлен перпендикулярно продольной оси машины неподвижно или с небольшим угловым качанием в поперечной плоскости.

В бульдозере с поворотным отвалом его можно поворачивать на определенный угол в обе стороны от основного положения. Его устанавливают только на гусеничных тракторах, поскольку колесные тягачи плохо воспринимают боковые нагрузки.

Универсальные бульдозеры оборудованы шарнирно-сочлененным отвалом, состоящим из двух одинаковых частей, которые могут быть установлены перпендикулярно оси машины, под углом в одну или в разные стороны.

У бульдозеров-погрузчиков на подъемной стреле шарнирно установлен отвал (вместо него легко можно навешивать грузовой ковш или другие виды оборудования, например крюк).

Бульдозеры с неповоротными отвалами бывают с жесткими и шарнирными толкающими брусьями.

Бульдозер с жесткими брусьями (рисунок 1, а) оборудован отвалом, к которому приварены два толкающих бруса, охватывающие снаружи базовый трактор. Брусья шарнирно установлены на поперечной балке, которая болтами крепится к раме трактора. Подъем и опускание отвала осуществляются с помощью одного гидроцилиндра, установленного впереди на подрамнике.

Бульдозер с шарнирными брусьями (с перекосом отвала) оборудован отвалом (рисунок 1, 6), с которым шарнирно связаны два толкающих бруса (они же шарнирно крепятся к тележке трактора). Для сохранения необходимого положения и резания грунта с минимальными затратами энергии отвал с одной стороны удерживается гидрораскосом, а с другой — жесткой тягой (например винтовым раскосом). Гидрораскос присоединен к гидросистеме трактора и осуществляет перекос отвала в поперечной плоскости на угол до 12°.

Рисунок 1 — Бульдозерное оборудование с неповоротным отвалом: а — с жесткими брусьями; 6 — с шарнирными брусьями (с перекосом отвала)

Гидрораскос отвала состоит из гидроцилиндра двойного действия, двустороннего замка и штуцеров для присоединения к гидросистеме трактора. Замок запирает полости гидроцилиндра при отключенном гидрораспределителе и открывается для подачи рабочей жидкости при включении привода.

На тяжелых бульдозерах гидрораскосы имеют предохранительные клапаны для устранения последствий чрезмерного давления при наезде бульдозера на непреодолимое препятствие. Винтовой раскос служит для механического изменения угла резания ножей в диапазоне ±10° от среднего угла установки 55°. Он представляет собой трубу, с одной стороны которой установлен винт с шарнирным подшипником, с другой — проушина на шестиграннике с пружинным стопором.

В целом отвал вместе с брусьями и раскосами образует жесткую систему, которая с помощью двух гидроцилиндров поднимается и опускается.

В ряде конструкций бульдозеров с неповоротным отвалом (рисунок 2) для повышения устойчивости отвала в горизонтальной плоскости и обеспече­ния равномерности распределения нагрузки предусмотрен механизм компенсации, представляющий собой цилиндрическую тягу с проушинами, которая одним концом шарнирно связана с правым брусом, а другим — с поперечным шарниром, размещенным в зоне продольной оси на кронштейне левого бруса.

В кронштейне установлен палец с резьбой, который с помощью серьги шарнирно связан с отвалом.

В современных неповоротных бульдозерах гидрофицируют оба раскоса, а также механизм компенсации, поэтому управление положением отвала в различных плоскостях можно осуществлять из кабины.

Рисунок 2 — Конструктивная схема бульдозера с неповоротным отвалом: 1 — нож; 2 — отвал; 3 — гидроцилиндр подъема-опускания отвала; 4 — силовая установка с :рансмиссией; 5 — гусеничная тележка; 6 — гусеницы; 7 — шарнир; 8 — толкающий брус; 9 — гидрораскос; 10 — универсальный шарнир; 11 — механизм компенсации

Бульдозер с поворотным отвалом отличается тем, что на базовом тракторе с помощью упряжных шарниров крепят охватывающую универсальную (толкающую) раму (рисунок 3).

Рисунок 3 — Бульдозер с поворотным отвалом: а — рабочее оборудование; б — конструктивная схема: 1 — отвал; 2 — гидрораскос; 3 — гидроцилиндр подъемаопускания отвала; 4 — базовый трактор; 5 — толкатель; 6, 8 — полурамы; 7 — шарнир

Впереди рамы приварена шаровая опора, на которой установлен отвал, поворачивающийся налево и направо по ходу движения машины. Отвал соединяют с рамой (в целях удобства монтажа и демонтажа она состоит из двух полурам, связанных между собой шарнирно с помощью вертикального пальца) шаровым шарниром и двумя толкателями с винтовыми или гидравлическими раскосами.

Подъем и опускание рамы с отвалом производят двумя гидроцилиндрами. Задние шарниры толкателей закрепляют в ползунах (кронштейнах) на раме. Их фиксируют вручную в трех положениях относительно продольной оси отвала (О; ±27°) закладными штырями (штифтами).

При одинаковой длине винтовых раскосов основной угол резания отвала составляет 55° (и может меняться в пределах ±5° при одинаковом увеличении или уменьшении их длины).

При увеличении длины раскосов с одной стороны и уменьшении с другой изменяется угол поперечного перекоса отвала в пределах ±5°.

В ряде современных моделей управление положением отвала полностью гидрофицировано и осуществляется из кабины машиниста. С помощью гидроцилиндров производятся подъем и принудительные опускание отвала, поворот в плане, поперечный двухсторонний перекос, изменение угла резания ножей, а также устанавливаются его плавающее и фиксированное положения.

Способность поворотных бульдозеров осуществлять «косое» резание и перемещать грунт в сторону находит широкое применение при засыпке траншей и рвов, а также для очистки строительных площадок и дорог, в том числе от снега.

В связи с возможностью реализации «косого» резания длина поворотного отвала В_пов значительно больше, чем неповоротного В_неп:

Поэтому бульдозеры с поворотным отвалом развивают меньшее удельное усилие резания (при одинаковом тяговом усилии базового трактора).

Отвал бульдозера представляет собой объемную металлическую конструкцию, сваренную из лобового листа полукруглого профиля, с верхним и нижним задними поясами жесткости (они образуют листовые коробки). Сверху к отвалу приварен козырек, препятствующий пересыпанию грунта через верхнюю кромку отвала и улучшающий формирование призмы волочения. Козырек также имеет ребра жесткости. В нижней части лобовой лист образует подножевую плиту, на которой спереди крепят съемные ножи. Торцы отвала закрыты боковыми щеками.

Ножи обычно выполняют из нескольких секций. Их передние рабочие кромки расположены, как правило, в одной горизонтальной плоскости. При копании мерзлых грунтов среднюю секцию ножей делают выступающей вперед, связывая ее длину b с шириной отвала (b = О,3B₀)-

Неповоротные бульдозеры снабжают различными отвалами. Прямой простой отвал используют для разработки крепких грунтов (имеет боковые и угловые ножи), универсальный — для планировки и других работ в грунтах с нарушенной структурой.

Сферический применяют для разработки мягких и средней крепости грунтов; за счет выступающих вперед концов отвала объем грунта вырастает на 20-25 % (рисунок 4, а).

Рисунок 4 — Формы специальных отвалов бульдозера: а — отвал сферической формы; 6 — отвал с выдвигающимися боковыми зубьями; в — совкообразный отвал; г — отвал толкача

Отвал с рыхлящими боковыми зубьями используют для крепких каменистых грунтов для бульдозеров большой мощности (зубья выдвигаются ниже ножей на 0,2-0,3 м) (рисунок 4, б).

Совковый отвал применяют для малосвязных грунтов при их перемещении на большие расстояния, он имеет боковые щитки (для набора грунта) и выступающую вперед часть ножа (рисунок 4, в).

Короткий прямой отвал, как правило, используют для толкания скрепера с целью создания большего тягового усилия (их снабжают амортизаторами) (рисунок 4, г). Он имеет усиленную в средней части конструкцию.

Бульдозер снабжают дополнительным оборудованием. Его отвал может быть оснащен боковыми щитками, боковыми ножами и вьщвижными боковыми зубьями.

Для работы в плотных грунтах его снабжают одним передним и двумя задними зубьями.

Для взламывания асфальта применяют отвалы с киркой в средней части. Для разработки мерзлых грунтов используют отвалы с гребенчатыми ножами или зубьями.

Для одновременной планировки откосов и их подошвы отвал оснащают наклонной наставкой (с жестким или шарнирным соединением с основным отвалом). Если наставка имеет соответствующий профиль и установлена в средней части отвала, то она позволяет очищать и планировать канавы. Для перемещения грунта от стен зданий используют отвальную приставку (при движении задним ходом).

Кроме того, устанавливают в средней части отвала кусторезные ножи, грузовые вилы, подъемные крюки.

Управление рабочим органом производится с помощью объемной гидростатической передачи (рисунок 5), которая состоит из бака, насоса, распределительных и вспомогательных устройств, исполнительных гидроцилиндров. Насос применяют обычно шестеренный. Используют следующие разновидности привода:

1. универсальный гидропривод — насос приводят от вала отбора мощности трактора; при этом насос, бак и распределитель комплектуют в единую конструкцию и устанавливают сзади трактора;
2. привод раздельно-агрегатный — насос приводят от коленчатого вала трактора; все агрегаты устанавливают раздельно.

Рисунок 5 — Схема гидравлическая принципиальная управления рабочим органом бульдозера с неповоротным отвалом

Современные бульдозеры, как правило, оснащают системами автоматического управления положением отвала, учитывающими особенности технологии работ и рельефа обрабатываемого участка.

Параметры отвала. К основным параметрам отвала относятся его ширина и высота, а также углы, характеризующие положение отвала в пространстве по отношению к разрабатываемому грунту (рисунок 6):

Рисунок 6 — Расчетная схема отвала

1. Н0т — высота отвала, м (зависит от силы тяги Т для средних грунтовых условий) (таблица 2), кроме того, ее можно определить по формулам:

— для неповоротного отвала,

— для поворотного отвала;

2. В0т — ширина (длина) отвала, м,

 — для неповоротного отвала,

— для поворотного отвала.

При этом В0т = Вмаш + 200 мм;

3. Нк — высота козырька, м,

Нк = (О,1 … О,25)Нот

4. r — радиус кривизны, м;
5. α — угол резания;
6. ε — угол наклона отвала;
7. Ψк — угол установки козырька;
8. Ψ0 -угол опрокидывания (на рисунке 6 не показан);
9. β — угол заострения (на рисунке 6 не показан).

Угол резания а влияет на энергоемкость резания (с его уменьшением снижается сила сопротивления резанию).

Угол наклона отвала Е формирует призму волочения. При малом Е грунт пересыпается через отвал, при большом — ухудшаются условия подъема грунта вверх по отвалу.

Таблица 2 — Высота отвала для средних грунтовых условий

Угол заострения β определяет характер изменения давления ножа на грунт по мере его затупления. При малых значениях быстро затупляется режущая кромка ножа.

Радиус кривизны r криволинейной поверхности обеспечивает переваливание грунта перед отвалом, чтобы исключить потери грунта через отвал.

Эти параметры имеют оптимальные значения (таблица 3).

Таблица 3 — Параметры поворотного и неповоротного отвалов бульдозера

Расчет системы управления отвалом.

К основные параметрам системы управления относятся:

1. усилия на штоках гидроцилиндров механизма управления отвалом (гидроцилиндр поворота и изменения угла резания не учитываются);
2. скорости их передвижения;
3. рабочее давление жидкости;
4. расход жидкости;
5. КПД.

Усилия в гидроцилиндрах механизма управления отвалом определяют в двух положениях (рисунок 7):

1. при заглублении — из условия равновесия трактора относительно зад­ней кромки опорной поверхности гусениц (или оси задних колес для колесных бульдозеров):
2. при выглублении — из условия равновесия относительно передней кромки опорной поверхности гусениц (или оси передних колес для колесных бульдозеров).

Рисунок 7 — Схемы к определению нагрузок на бульдозер: а — при заглублении; 6 — при выглублении

Расчетная формула для определения сил, возникающих в гидроцилиндрах при заглублении Рцз и выглублении Рцв, применяемая к каждому из обеих случаев, выглядит следующим образом:

При статическом расчете проверяется общая устойчивость машины. Она определяется, как правило, при движении:

1. под уклон а со скоростью v и при внезапной остановке машины вследствие встречи отвала с непреодолимым препятствием или резкого торможения;
2. на подъем а;
3. по косогору с поперечным углом наклона, а также на закруглениях дороги.

Составляют уравнение равновесия и с учетом коэффициента запаса устойчивости (Кvст ≥ 1,2) определяют допускаемую скорость при движении под уклон, угол уклона при движении на подъем, а также угол поперечного уклона по условию сцепления движителя с опорной поверхностью.

Помимо статического расчета, для расчета прочности отдельных элементов рабочего оборудования (отвала, толкающих брусьев и др.) необходимо определить максимальные усилия, которые возникают в отдельные моменты работы машины. При этом различным элементам соответствуют различные опасные положения рабочего оборудования.

В связи с этим необходимо рассмотреть пять основных расчетных схем. Как правило, они реализуются при наезде отвала на препятствие:

а) при упоре отвала в средней части (проверка прочности отвала);

б) при упоре в край отвала (проверка прочности толкающих брусьев и подкосов).

Тяговый расчет бульдозера.

Необходимое тяговое усилие расходуется на преодоление нескольких видов сопротивления копанию. Отметим, что анализируется обычно самый тяжелый вариант:

1. бульдозер при перемещении и копании движется на подъем;
2. призма волочения достигает наибольшей величины.

При копании грунта его часть (в случае ковша) или практически весь грунт (в случае отвала) перемещается перед рабочим органом в виде фигуры, напоминающей призму (если смотреть на рабочий орган спереди). Форма этой фигуры, получившей название призмы волочения, определяется конфигурацией поверхности рабочего органа, траекторией движения, а также свойствами грунта.

В расчетах обычно принимают, что грунт после разрушения при резании рабочим органом превращается в среду со свойствами, которые характерны для сыпучего материала. Поэтому грунт в призме волочения рассматривают как сыпучую среду, а свободные боковые поверхности призмы образуют с горизонтом угол, разный углу естественного откоса (в условиях движения призмы).

При копании отвалом роль призмы волочения преобладающая. При копании ковшом она также достаточно значительна. Объем призмы волочения может составлять 5-75 % объема ковша. При этом, чем более сыпучий грунт, тем больше объем грунта в призме волочения.

Итак, суммарное сопротивление перемещению W состоит из нескольких компонентов:

где WP — сопротивление резанию, Н,

КР — удельное сопротивление резанию, Н; В — ширина отвала, м; с — толщина стружки, м.

В более общем виде для поворотных отвалов:

где φ — угол поворота отвала в плане относительно продольной оси трактора, т. е. угол между нормалью к оси машины и отвалом.

Но часто используют угол между осью и отвалом, т. е. ∠ = 90° — φ ; Wпр — сопротивление перемещению призмы волочения грунта перед отвалом, Н,

f1 — коэффициент трения грунта по грунту (f1 = 0,4…0,8; меньшие значения для влажных и глинистых грунтов); Gпр — сила тяжести грунта в призме волочения, Н. Но с учетом уклона и с учетом поворота отвала

ρг — плотность грунта, кг/м3;  qпр — объем призмы волочения, м3; i-уклон; Кпр — коэффициент пропорциональности, зависящий от Н0т / В0т ; Wтр — сопротивление трению грунта по отвалу (или сопротивление перемещению грунта вверх по отвалу), Н,

f₂ — коэффициент трения грунта по отвалу (по стали) (таблица 4); α — угол резания.

Таблица 4 — Значения коэффициента трения грунта по стали

Wб — сопротивление передвижению бульдозера, Н,

G — сила тяжести бульдозера, Н; ω — коэффициент удельного сопротивления движению бульдозера, ω = 0,02… 0,30.

Если тяговая характеристика не известна, то на предварительном этапе мощность силовой установки N подбирают по суммарной силе сопротивления W:

где vр -скорость рабочего хода, м/с; η — КПД механизма передвижения на первой передаче.

По суммарному сопротивлению выбирается соответствующий механизм передвижения базовой машины, так чтобы сила тяги была больше суммарного сопротивления, Т ≥ W.

Производительность П бульдозера при разработке и перемещении грунта определяют из выражения

где Кв — коэффициент использования бульдозера по времени, Кв= 0,8… 0,9; Кр — коэффициент разрыхления грунта; tц — продолжительность рабочего цикла, с.

Продолжительность рабочего цикла tц бульдозера определяют по формуле

где lp, lт — длины участков резания грунта и его транспортирования, м; Vp, Vт — скорости рабочего и транспортного хода, м/с; Vзх — скорость заднего хода, м/с; tдоп — дополнительное время, с, затрачиваемое:

• на переключение передач tпп = 6 … 8 с;
• подъем и опускание отвала за цикл t0п = 4… 5 с;
• разворот бульдозера tраз = 10… 15 с;
• повороты и управление машиной во время рабочего цикла, ty = 7 … 8 с.

Следует отметить, что эта формула оценивает время цикла в общем ви­де, и если возврат идет задним ходом, то это исключает повороты на концах участка.

Совершенствование бульдозерного оборудования.

Следует выделить три основных направления совершенствования бульдозерных отвалов:

1. улучшение их транспортирующих свойств;
2. снижение усилий и энергоемкости процесса копания;
3. расширение технологических возможностей бульдозеров.

Транспортирующие свойства отвалов являются главным фактором, определяющим производительность бульдозеров и качество выполняемых ими работ. Для неповоротных отвалов совершенствование конструкции направлено, главным образом, на увеличение их накапливающей и удерживающей способности. Для этого на бульдозерных отвалах малой и средней мощности устанавливают различные по форме и размеру открылки. Отвалы более мощных машин делают, как правило, сферическими. Для работы бульдозеров на слабых и сыпучих грунтах разрабатывают отвалы сменной длины, что достигается использованием боковых телескопических секций или дополнительных секций, которые подсоединяются к обеим сторонам отвала.

Поворотный отвал бульдозера предназначен для фронтального и бокового перемещения грунта. Для улучшения условий бокового перемещения грунта предлагают конструкции, обеспечивающие уменьшенное продольное сопротивление перемещения грунта по лобовой поверхности отвала, принудительное транспортирование грунта вдоль лобовой поверхности и двухстороннее распределение грунта в боковые валики.

Снижение усилий и энергоемкости процесса копания грунта. Процесс копания грунта отвалом бульдозера сопровождается интенсивным вертикальным перемещением грунта по его лобовой поверхности. Поэтому снижение сопротивления трения грунта по отвалу обеспечивается совершенствованием его профиля.

Наибольшее распространение получили цилиндрические отвалы с постоянным радиусом кривизны, эффективно работающие в различных грунтовых условиях. Отвалы с увеличенной кривизной верхней части предназначены для копания крепких и связных грунтов, а отвалы с увеличенной кривизной нижней части — для копания сыпучих и слабо связных грунтов.

На машинах, где бульдозерное оборудование является вспомогательным (например, на экскаваторах), используют отвалы, лобовая часть которых представляет собой ломаную поверхность. Такие отвалы предназначены для увеличения опорного контура землеройных машин и ведения планировочных операций небольшого объема.

Помимо этого, снижение сопротивления грунта копанию достигается совершенствованием режущей кромки отвала. В частности, ножевая система, оснащенная средним выступающим ножом, способствует большей концентрации веса и тягового усилия бульдозера на короткой средней части ножа и более эффективна для разработки грунтов III и IV категорий. Кроме того, ступенчатая форма лезвия ножевой системы отвала позволяет получать оптимальную форму призмы волочения и уменьшать потери грунта в боковые валики.

Существуют и более изощренные технические решения, например, подача сжатого воздуха через отверстия в лобовом листе отвала, что обеспечивает насыщение прилегающего слоя грунта воздухом и снижение силы трения скольжения грунта по отвалу. Однако подобные конструкции достаточно сложны и не находят широкого практического применения.

Расширение технологических возможностей рабочих органов бульдозе­ров осуществляется в нескольких направлениях:

1. отвалы с управляемыми или откидными рыхлительными зубьями, которые шарнирно крепятся на тыльной стороне рабочего органа. При заднем ходе машины они занимают вертикальное положение, разрыхляя грунт, что значительно улучшает условия копания отвалом при движении бульдозера вперед. Использование такого отвала позволяет увеличить эффективность бульдозера при разработке грунтов повышенной прочности;
2. отвалы, в верхней части которых смонтировано крановое оборудование для подъема грузов на небольшую высоту;
3. отвалы, которые трансформируются в захватные рабочие органы или оснащаются дополнительными захватными элементами. При этом создаются условия для захвата различных по форме штучных грузов и перемещения их в пределах строительной площадки;
4. отвалы с изменяемой геометрией, которые в зависимости от разрабатываемой среды могут трансформироваться в совок или клин.