Бульдозеры: виды, конструкция рабочего оборудования, тяговый расчет

Бульдозер — это высокопроизводительная самоходная землеройно-транспортная машина, ключевое предназначение которой заключается в послойном срезании, планировке и перемещении грунтов, пород и других материалов на короткие дистанции, как правило, не превышающие 150-200 метров. Эта техника стала незаменимым инструментом в строительстве, горнодобывающей промышленности, сельском хозяйстве и многих других отраслях.

История бульдозера неразрывно связана с развитием гусеничного трактора. Первые прототипы появились в начале XX века, когда фермеры в США начали устанавливать на переднюю часть своих тракторов Holt (предшественника Caterpillar) простые деревянные щиты для выравнивания земли. Настоящий прорыв произошел в 1920-х годах с появлением гидравлических систем, которые позволили эффективно управлять рабочим органом — отвалом. С тех пор конструкция непрерывно совершенствовалась, превратив бульдозер в мощную и технологически сложную машину, способную выполнять широчайший спектр задач.

Конструктивно машина базируется на шасси гусеничного или колесного трактора (тягача), в передней части которого монтируется основной рабочий орган — отвал, расположенный в поперечной плоскости. Принцип действия бульдозера является циклическим, что определяет его технологический процесс.

Рабочий цикл включает в себя следующие фазы:

1. Рабочий ход: На этом этапе происходит непосредственное выполнение задачи — разработка и перемещение грунта, засыпка котлованов и траншей, срезка растительности, корчевание пней и т.д.
2. Холостой ход: После завершения рабочего хода машина возвращается в исходное положение для начала нового цикла, как правило, задним ходом на повышенной скорости.

Процесс работы детально состоит из операций копания (резания), перемещения и последующего разравнивания грунта. В начале движения отвал заглубляется в массив грунта. Срезаемый материал накапливается перед отвалом, образуя так называемую призму волочения. После набора достаточного объема отвал поднимается (выглубляется), и машина транспортирует грунт к месту выгрузки. Разгрузка и разравнивание осуществляются приподнятым отвалом, при этом бульдозер может двигаться как вперед, так и назад. Важно отметить, что при транспортировке неизбежны потери материала из призмы волочения, которые могут достигать 30% в зависимости от дальности перемещения, типа грунта и скорости движения.

Комплексная классификация бульдозеров

Для систематизации всего многообразия бульдозерной техники используется многофакторная классификация, основанная на ключевых конструктивных и эксплуатационных характеристиках. В соответствии с ГОСТ ISO 6747-2018 «Машины землеройные. Бульдозеры. Термины, определения и технические характеристики для коммерческой документации», машины классифицируют по назначению, типу ходовой части, конструкции и типу привода рабочего оборудования, а также по тяговому классу базовой машины.

1. Классификация по типу ходового оборудования

По этому признаку различают гусеничные и колесные бульдозеры. Каждый тип имеет свою область применения.

• Гусеничные бульдозеры: Являются наиболее распространенным типом. Их главное преимущество — высокое сцепление с грунтом, что обеспечивает максимальное тяговое усилие. Низкое удельное давление на грунт позволяет им работать на слабых и переувлажненных поверхностях, а также на пересеченной местности. Они незаменимы при тяжелых земляных работах.
• Колесные бульдозеры: Базируются на шасси колесных тракторов или специальных тягачей. Их основное достоинство — высокая мобильность и скорость передвижения (до 50 км/ч), что позволяет им быстро перемещаться между объектами без использования тралов. Они эффективны на твердых покрытиях, при работах по планировке площадок, очистке дорог от снега. Однако их тяговое усилие ниже, чем у гусеничных аналогов, и они чувствительны к боковым нагрузкам.

Преимущества и недостатки типов ходового оборудования

2. Классификация по назначению

• Бульдозеры общего назначения: Наиболее универсальный класс машин, предназначенный для выполнения широкого круга землеройных, планировочных и строительных работ.
• Бульдозеры специального назначения: Это узкоспециализированная техника, спроектированная для выполнения конкретных видов работ. К ним относятся:
  • Кусторезы и корчеватели: для расчистки территорий от растительности.
  • Торфяные и болотные бульдозеры: с уширенными гусеницами для работы на грунтах с низкой несущей способностью.
  • Подземные бульдозеры: компактные машины для работы в шахтах и тоннелях.
  • Бульдозеры-толкачи: с усиленным отвалом для толкания скреперов при их загрузке.
  • Водолазные (подводные) бульдозеры: с герметичными системами для работы под водой.

3. Классификация по номинальному тяговому усилию и мощности

Эта классификация является одной из ключевых и напрямую связана с производительностью машины.

Таблица 1 — Классы бульдозеров по тяговому усилию и мощности двигателя

4. Классификация по конструкции рабочего оборудования

• С неповоротным отвалом (S-Blade): Отвал жестко установлен перпендикулярно продольной оси машины. Допускается небольшой угловой перекос в поперечной плоскости.
• С поворотным отвалом (A-Blade): Отвал может поворачиваться в горизонтальной плоскости на определенный угол в обе стороны, что позволяет перемещать грунт вбок.
• Универсальные (U-Blade, SU-Blade): Отвал имеет сложную, часто шарнирно-сочлененную конструкцию (например, из двух половин), что позволяет ему принимать различные конфигурации для разных задач.
• Бульдозеры-погрузчики: Оборудованы подъемной стрелой, на которую может навешиваться как отвал, так и ковш, вилы или другое сменное оборудование.

Конструктивные особенности рабочего оборудования

Бульдозеры с неповоротным отвалом

Данный тип оборудования является классическим и наиболее распространенным для тяжелых работ. Отвал устанавливается на толкающих брусьях, которые передают усилие от базового трактора.

• С жесткими толкающими брусьями (Рисунок 1, а): В этой схеме отвал жестко связан с двумя толкающими брусьями, которые охватывают трактор и шарнирно крепятся к его раме. Управление (подъем и опускание) осуществляется одним или двумя гидроцилиндрами. Такая конструкция проста и надежна.
• С шарнирными брусьями (с перекосом отвала) (Рисунок 1, б): Эта более совершенная схема позволяет изменять поперечный наклон отвала. С одной стороны отвал удерживается гидравлическим раскосом, а с другой — жесткой тягой (винтовым раскосом). Гидрораскос позволяет оператору из кабины наклонять отвал на угол до 12°, что необходимо для профилирования откосов, вскрышных работ и разработки прочных грунтов одним углом ножа.

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

Гидрораскос представляет собой гидроцилиндр двустороннего действия, оснащенный гидрозамком. Замок надежно фиксирует положение штока при нейтральном положении рычага управления в кабине. На тяжелых бульдозерах для предотвращения поломок при столкновении с непреодолимым препятствием (например, скальной породой) гидрораскосы оснащаются предохранительными клапанами, сбрасывающими пиковое давление. Винтовой раскос позволяет механически изменять угол резания ножей в диапазоне ±10° от номинального значения (55°).

На некоторых конструкциях (Рисунок 2) для повышения поперечной устойчивости отвала и более равномерного распределения нагрузок применяется механизм компенсации. Он выполнен в виде тяги 11, шарнирно соединяющей толкающие брусья 8 и обеспечивающей жесткость всей системы.

В современных бульдозерах (особенно с системой PAT — Power-Angle-Tilt) все регулировки отвала — подъем/опускание, поперечный перекос и изменение угла резания — полностью гидрофицированы и управляются джойстиком из кабины оператора.

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

Бульдозеры с поворотным отвалом

Ключевое отличие этого типа — наличие универсальной толкающей рамы, которая крепится к базовому трактору (Рисунок 3). В центре этой рамы находится шаровая опора, на которой монтируется отвал 1. Это позволяет ему поворачиваться в горизонтальной плоскости (в плане) налево и направо. Положение отвала фиксируется двумя толкателями 5 (раскосами), которые могут быть винтовыми или гидравлическими. Переставляя задние концы толкателей по отверстиям в раме, можно изменять угол установки отвала (обычно в пределах ±27°).

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

Способность осуществлять «косое» резание делает эти бульдозеры чрезвычайно эффективными для засыпки траншей, формирования насыпей, очистки дорог и строительных площадок, в том числе от снега. Грунт при этом не накапливается перед отвалом, а смещается в сторону, образуя боковой валик.

Из-за специфики работы длина поворотного отвала B_пов всегда больше, чем у неповоротного B_неп для машины аналогичного тягового класса, что следует из геометрического соотношения:

Вследствие этого, при одинаковом тяговом усилии базового трактора, поворотные бульдозеры развивают меньшее удельное усилие резания на единицу длины ножа, что ограничивает их применение на очень плотных и мерзлых грунтах.

Типы и формы отвалов

Отвал бульдозера — это сложная сварная металлоконструкция. Он состоит из лобового листа криволинейного профиля, усиленного рёбрами жесткости. Сверху приваривается козырек, предотвращающий пересыпание грунта и улучшающий формирование призмы волочения. В нижней части к подножевой плите болтами крепятся сменные режущие ножи, изготавливаемые из высокопрочных износостойких сталей (например, Hardox). Существует множество форм отвалов, оптимизированных под конкретные задачи.

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

• Прямой отвал (S-Blade): Самый короткий и простой тип, не имеет боковых щек. Идеален для работы с тяжелыми, плотными и скальными грунтами благодаря максимальному усилию на ножах.
• Сферический отвал (U-Blade, рисунок 4, а): Имеет большие боковые секции, которые изгибаются вперед. Это позволяет удерживать больше материала и минимизировать его потери при транспортировке. Эффективен для перемещения больших объемов легких и средних грунтов (уголь, песок, почва). Объем призмы волочения может быть на 20-25% больше, чем у прямого отвала.
• Полусферический (комбинированный) отвал (SU-Blade): Сочетает в себе достоинства прямого и сферического отвалов. Обеспечивает хорошее проникновение в грунт и одновременно способен перемещать большие объемы материала. Это наиболее универсальный и популярный тип отвала.
• Отвал с рыхлящими зубьями (рисунок 4, б): Применяется на мощных бульдозерах для разработки скалистых и мерзлых грунтов. Зубья выдвигаются ниже режущей кромки на 0,2-0,3 м, предварительно разрушая массив.
• Совковый отвал (рисунок 4, в): Отличается развитыми боковыми стенками и выступающей вперед центральной частью ножа. Используется для перемещения малосвязных грунтов на большие расстояния.
• Отвал толкача (рисунок 4, г): Короткий, прямой и чрезвычайно прочный отвал с амортизирующей плитой. Используется для толкания скреперов для увеличения их тягового усилия при загрузке.

Сравнительная таблица основных типов отвалов

Система управления и основные параметры отвала

Гидравлическая система управления

Управление рабочим органом современных бульдозеров осуществляется с помощью объемной гидростатической передачи (Рисунок 5). Она включает в себя бак для рабочей жидкости, насос (чаще всего шестеренного или аксиально-поршневого типа), гидрораспределитель, исполнительные гидроцилиндры, а также клапанную и фильтрующую аппаратуру.

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

Применяются два основных типа гидропривода:

1. Универсальный: Насос приводится от вала отбора мощности трактора. Все компоненты (насос, бак, распределитель) часто скомпонованы в единый навесной блок.
2. Раздельно-агрегатный: Насос приводится напрямую от коленчатого вала двигателя. Агрегаты системы размещаются в разных частях машины, что характерно для большинства современных бульдозеров.

Современные машины оснащаются системами автоматического управления положением отвала (Grade Control), использующими лазерные или GPS/GNSS технологии. Это позволяет выдерживать заданный уклон и высоту с миллиметровой точностью, что резко повышает производительность и качество планировочных работ.

Геометрические и кинематические параметры отвала

Эффективность работы бульдозера во многом определяется геометрией его отвала (Рисунок 6).

Рисунок 6 — Расчетная схема отвала

Ключевые параметры:

• H_от — высота отвала, м. Зависит от тягового класса машины.
• B_от — ширина (длина) отвала, м.
• α — угол резания. Влияет на энергоемкость копания. Оптимальное значение 50-60°.
• ε — угол наклона отвала. Влияет на формирование призмы волочения. Оптимальное значение около 75°.
• r — радиус кривизны. Обеспечивает правильное скатывание грунта вверх по отвалу, минимизируя сопротивление.

Оптимальные значения этих параметров определяются расчетом и эмпирическими данными и сведены в нормативные таблицы.

Таблица 2 — Рекомендуемая высота отвала для средних грунтовых условий

Таблица 3 — Оптимальные параметры отвалов бульдозера

Основы тягового расчета и расчета производительности

Расчет системы управления отвалом

При проектировании гидравлической системы необходимо определить усилия на штоках гидроцилиндров. Расчет ведут для двух критических положений (Рисунок 7):

1. При заглублении отвала: Условие равновесия трактора относительно задней кромки опорной поверхности.
2. При выглублении (подъеме) отвала: Условие равновесия относительно передней кромки опорной поверхности.

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

Усилия в гидроцилиндрах (P_цз при заглублении и P_цв при выглублении) определяются из уравнений моментов всех сил, действующих на систему «трактор-отвал». Также проводится статический расчет на общую устойчивость машины при движении под уклон, на подъем и по косогору с учетом коэффициента запаса устойчивости (K_уст ≥ 1,2).

Тяговый расчет бульдозера

Тяговый расчет является основополагающим для определения возможностей машины. Суммарное сопротивление перемещению W, которое должен преодолеть бульдозер, складывается из нескольких компонентов:

Где:

• W_P — сопротивление резанию грунта ножами отвала.
• W_пр — сопротивление перемещению призмы волочения перед отвалом.
• W_тр — сопротивление трению грунта, поднимающегося по поверхности отвала.
• W_б — сопротивление передвижению самого бульдозера (качению и подъему).

Расчет ведется для наиболее тяжелых условий: движение на максимальный расчетный подъем с полностью сформированной призмой волочения. По полученному значению суммарного сопротивления W подбирается базовая машина так, чтобы ее тяговое усилие на первой передаче Т было больше суммарного сопротивления: Т ≥ W.

Расчет производительности

Эксплуатационная производительность бульдозера (П, м³/ч) определяется по формуле:

Где:

• q_пр — объем призмы волочения, м³.
• К_в — коэффициент использования машины по времени (обычно 0,8…0,9).
• К_р — коэффициент разрыхления грунта.
• t_ц — продолжительность рабочего цикла, с.

Продолжительность цикла t_ц складывается из времени на резание, транспортирование, возврат задним ходом и времени на вспомогательные операции (переключение передач, подъем/опускание отвала, развороты).

Перспективы и направления совершенствования бульдозерного оборудования

Современное машиностроение постоянно работает над улучшением бульдозерной техники. Основные направления:

1. Повышение транспортирующих свойств: Разработка отвалов со сменной геометрией (телескопические секции), использование сферических и полусферических профилей для минимизации потерь грунта.
2. Снижение энергоемкости копания: Оптимизация профиля отвала и углов резания, применение ножевых систем со ступенчатым лезвием для лучшего формирования призмы волочения и концентрации усилия.
3. Расширение технологических возможностей: Создание трансформируемых рабочих органов (отвал-ковш, отвал-захват), оснащение отвалов встроенными рыхлительными зубьями, которые работают при движении задним ходом, подготавливая грунт для следующего прохода.
4. Интеграция цифровых технологий: Широкое внедрение систем автоматического управления (Grade Control), телематики для удаленного мониторинга состояния машины, а также разработка беспилотных и дистанционно управляемых бульдозеров для работы в опасных условиях.

Интересные факты о бульдозерах

• Происхождение названия: Слово «bulldozer» появилось в США в конце XIX века и изначально означало любую подавляющую силу или человека. Позже так стали называть большие тракторы.
• Мировой рекордсмен: Самым большим бульдозером в мире считается Komatsu D575A-3SD. Его вес превышает 152 тонны, а мощность двигателя составляет 1150 л.с. Он способен за один проход переместить почти 70 кубометров грунта.
• Бронированные бульдозеры: Инженерные войска многих стран мира используют бронированные бульдозеры (например, Caterpillar D9) для строительства укреплений, разминирования и разбора завалов под огнем противника.
• Удельное давление: Удельное давление на грунт тяжелого гусеничного бульдозера (около 0.08 МПа) сопоставимо с давлением, которое оказывает на поверхность нога взрослого человека. Именно это позволяет им работать на слабых грунтах.

FAQ: Часто задаваемые вопросы

В чем принципиальное отличие бульдозера от фронтального погрузчика?

Основное отличие в рабочем процессе. Бульдозер предназначен для резания и толкания грунта (землеройно-транспортная машина). Погрузчик же предназначен для зачерпывания, подъема и погрузки материала в транспортные средства (погрузочно-разгрузочная машина).

Что такое PAT-отвал?

PAT (Power Angle Tilt) — это тип отвала с полностью гидравлическим управлением. Оператор может изменять его высоту, угол поворота в плане и угол поперечного перекоса, не выходя из кабины, что значительно повышает универсальность и производительность машины.

Насколько важен задний рыхлитель?

Задний рыхлитель (риппер) — это критически важное оборудование при работе на плотных, каменистых или мерзлых грунтах. Он предварительно разрушает массив, что позволяет основному отвалу работать гораздо эффективнее, снижая износ ножей и нагрузки на машину.

Что означают цифры в названии модели (например, Caterpillar D6)?

У большинства производителей (Caterpillar, Komatsu, Liebherr) цифра в названии модели указывает на ее тяговый класс и размер. Чем больше цифра, тем тяжелее и мощнее бульдозер. Буквенные индексы после цифры обозначают поколение модели и ее модификации.

Заключение

Бульдозер прошел долгий путь эволюции от простого щита на тракторе до высокотехнологичного комплекса, оснащенного спутниковой навигацией и автоматизированными системами управления. Несмотря на появление множества других видов строительной техники, он остается незаменимым инструментом для выполнения базовых земляных работ большого объема. Дальнейшее развитие бульдозеров будет направлено на повышение их эффективности, экологичности, безопасности и уровня автоматизации, что позволит решать еще более сложные инженерные задачи.

Нормативная база

1. ГОСТ ISO 6747-2018 «Машины землеройные. Бульдозеры. Термины, определения и технические характеристики для коммерческой документации».
2. ГОСТ Р ИСО 7132-2011 — «Машины землеройные. Землевозы. Термины, определения и техническая характеристика для коммерческой документации».

Список литературы

1. Гальперин, М. И., Домбровский, Н. Г. Строительные машины и оборудование: Учебник для вузов. — М.: Архитектура-С, 2007. — 488 с.
2. Гаркави, Н. Г. Машины для земляных работ. — М.: Машиностроение, 1982. — 336 с.
3. Александров, В.А. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Учебное пособие. — М.: ИНФРА-М, 2016. — 480 с.

• Об авторе
• Недавние публикации

Алексей Громов

Ведущий специалист-консультант в Современные технологии производства

Старший инженер по обслуживанию транспорта с 25 летним стажем

Алексей Громов недавно публиковал (посмотреть все)

• Классификация транспортных средств в РФ по типам и категориям - 11.10.2025
• Диагностика электронных систем автомобиля: этапы, оборудование и расшифровка кодов ошибок - 06.09.2023
• Грузовые автомобили: виды, типы, назначение и особенности - 07.02.2023