Выбор основных параметров.

К основным параметрам бульдозера относятся номинальное тяговое усилие, эксплуатационная масса, скорости рабочего и обратного хода, среднее статическое давление, положение центра давления, удельное напорное усилие и вертикальное давление на режущей кромке ножа отвала, параметры отвала.

Номинальное тяговое усилие бульдозера:

; (14.1)

где φ_сц – коэффициент сцепления базовой машины с оборудованием (для гусеничных сельскохозяйственных тракторов φ_сц=0,62, для промышленных – 0,90, для колесных сельскохозяйственных тракторов φ_сц=0,5, для промышленных 0,6); G_сц – сцепной вес бульдозера в рабочем состоянии ( ), где g – ускорение силы тяжести. При навешивании на базовый трактор только бульдозерного оборудования сцепная масса

m_сц=(1,17-1,22)·m_бм,

m_бм – эксплуатационная масса базовой машины без навесного оборудования.

Если, кроме бульдозерного, навешивается и рыхлительное оборудование, то m_сц=(1,35-1,45)·m_бм.

При наличии одного ведущего моста у двухосного колесного тягача значение m_сц находится из условия статического распределения массы тягача между мостами на горизонтальной поверхности.

Если двигатель базовой машины не обеспечивает получение номинального тягового усилия по сцеплению, то за номинальное тяговое усилие принимается усилие Т_нб (кН) по паспортной характеристике трактора или определяется по формуле:

; (14.2)

где N- мощность двигателя базовой машины, кВт; V – низшая рабочая скорость движения базовой машины, км/ч; η_т- КПД трансмиссии: механической – 0,83…0,86, гидромеханической – 0,73…0,76.

Эксплуатационная масса бульдозера ,

где m_бо- эксплуатационная масса бульдозерного оборудования.

Скорость рабочего хода бульдозера зависит от условий работы, мощности и типа тягача и принимается 2,5…6,0 км/ч для гусеничных машин и 3,5…8,0 – для колесных.

Скорость обратного хода бульдозера выбирают с учетом типа ходового оборудования тягача и принимают 5…8 км/ч для гусеничных машин и 8…15 км/ч – для колесных.

Среднее статистическое давление бульдозера:

; (14.3)

где F – опорная площадь движителей, для гусеничного бульдозера.

; (14.4)

а для колесного:

; (14.5)

где L_оп – длина опорной поверхности гусениц; b – ширина гусеницы;

n – число колес; F_к – площадь отпечатка колеса на грунте.

Положение центра давления, т.е. точка приложения равнодействующей всех нормальных реакций грунта на гусеничный движитель, устанавливается для трех основных случаев: а) бульдозер стоит на горизонтальной плоскости (отвал поднят на максимальную высоту); б) режет грунт на горизонтальном участке с оптимальной глубиной резания при максимальном объеме призмы волочения; в) осуществляет транспортировку максимальной призмы волочения в траншее без резания.

Положение центра давления (рис. 14.4) может быть рассчитано по формуле:

; (14.6)

где Х_с – расстояние от оси задней звездочки до линии приложения равнодействующей всех нормальных реакций на гусеницу; R_v – вертикальная составляющая сопротивления грунта на отвале; R_н – горизонтальная составляющая этого сопротивления; a – расстояние по горизонтали от центра тяжести бульдозера до оси задней звездочки;

h_b – высота точки приложения результирующей, горизонтальной и вертикальной составляющих сопротивлений грунта на отвале.

Экспериментально установлено, что в случае резания связных грунтов h_b=0,17 Н, при резании несвязных грунтов и транспортировании грунтов h_b=0,27 Н (для отвалов постоянного радиуса кривизны), где Н – высота отвала.

Соотношение между вертикальной и горизонтальной составляющими результирующей оси копания грунта определяется зависимостью:

; (14.7)

где ν – угол наклона результирующей сил сопротивления на отвале.

При копании связного грунта он обычно принимается равным 17⁰, при резании рыхлого грунта и транспортировании призмы волочения в траншее – 0⁰. Смещение центра давления от середины опорной поверхности гусениц не должно превышать 1/6 длины этой опорной поверхности.

Для бульдозера на колесном тягаче для тех же случаев определяют реакции на передние и задние колеса. Во всех случаях не допускается равенство одной из реакций нулю, т.е. отрыв колес бульдозера от грунта.

Рис 14.4 Схема определения центра давления

Удельное напорное усилие на режущей кромке ножа отвала:

; (14.8)

где B – длина ножа отвала.

Вертикальное давление на режущей кромке ножа отвала:

; (14.9)

где R₃ – 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_в определяют для неизношенных (рис. 14.5, сечение а-а) и изношенных (рис. 14.5, сечение б-б) ножей при основном угле резания δ.

Рис. 14.5 Сечение неизношенного ножа бульдозера

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

Вертикальное давление q_в в случае принудительного заглубления отвала составляет 400-8000 кПа при незатупленных ножах и 200–1500 кПа при полностью затупленных. В среднем вертикальное давление при затупленных ножах в три раза ниже, чем при незатупленных. По удельному напорному усилию и вертикальному давлению на режущей кромке ножей бульдозера судят о возможности разработки грунтов различной прочности. Для Ι категории грунта q_r=15 кН/м, q_в=1000 кПа (не более); для ΙΙ категории – 20…40 и 1200…2400; для ΙΙΙ категории – 41…60 и 2500…3500; для ΙV категории – более 60 кН/м и более 3500 кПа.

Основными параметрами отвала являются его ширина В и высота Н. Ширина В должна быть такой, чтобы при любом рабочем положении отвала она превышала габаритную ширину ходовой части машины не менее, чем на 100 мм с каждой ее стороны.

Ширина неповоротного отвала В(м) может быть установлена по зависимости:

; (14.10)

Высота отвала Н (мм) может быть определена в зависимости от номинального тягового усилия Т_нб (кН) бульдозера. При неповоротном отвале ее определяют из выражения:

; (14.11)

Для поворотных отвалов:

; (14.12)

где А=0,5 при Т_нδ<400 кН и А=1 при Т_нδ>400 кН.

Отвалы бульдозера оснащаются козырьком, высота которого составляет (0,1…0,3) Н.

Параметры профиля отвала задаются углами резания δ (угол между горизонталью и передней плоскостью ножей), наклона ε (угол между горизонталью и линией, соединяющей верхнюю кромку отвальной поверхности с режущей кромкой среднего ножа отвала), и опрокидывания β (угол между горизонталью и касательной к остальной поверхности в верхней кромке отвала) (рис. 14.6). Экспериментально установлена целесообразность создания отвалов с постоянным радиусом кривизны, который выбирается в диапазоне R=(0,8…0,9) Н.

Построение профиля выполняется в соответствии с рис. 14.6 следующим образом. Из точки 0 (начало координат) проводят прямую О-А под углом ε и прямую О-Б под углом δ к оси абсцисс.

Точка А получается в результате пересечения прямой О-А с горизонталью, проведенной на расстоянии Н от точки 0. Из точки А проводится прямая под углом опрокидывания β являющаяся касательной к профилю отвала в этой точке. Перпендикуляр к этой касательной АО пересекается с перпендикуляром к касательной ОБ в центре профиля отвала О₁, откуда радиусом О₁А=О₁Б=R может быть очерчен профиль криволинейной части отвала. Рекомендуется назначать δ=50…55⁰; ε=75⁰; β=70…75⁰. значение «а» принимается равным ширине ножа, т.е. 120, 150, 200, 250, 300, 350, 450 мм.

Задний угол «θ» следует выбирать так, чтобы линия О-Б проведенная от режущей кромки ножа под углом θ к горизонту, не пересекала выступающих частей на тыльной стороне отвала. При этом необходимо обеспечить условие δ - θ ≥ 20⁰.

Бульдозеры общего назначения с поворотным отвалом имеют угол поворота в плане (угол захвата) не более 62⁰. Рекомендуется принимать угол поворота 40…45⁰.

Высоту подъема отвала выбирают из условия обеспечения угла въезда, который должен быть не менее 20⁰.

Рис. 14.6 Профиль отвала бульдозера

Опускание отвала ниже опорной поверхности ходовой части базовой машины выбирают таким, чтобы угол между опорной поверхностью гусеницы и линией, соединяющей режущую кромку опущенного отвала с центром давления, был ниже 20⁰.

Тяговый расчет.

Тяговый расчет бульдозера позволяет вычислить максимальную глубину резания в заданных грунтовых условиях, оценить возможности тягача при транспортировании грунта с подрезанием стружки минимальной толщины, определить угол подъема, который может преодолеть машина с максимальной призмой волочения.

Условие тягового расчета:

(14.13)

здесь Р – сопротивление перемещению бульдозера в процесс копания грунта (кН), которое складывается из сопротивления перемещения машины с учетом уклона Р_пер, сопротивления грунта резанию Р_рез, сопротивления перемещению призмы волочения Р_пр, сопротивления перемещению грунта вверх по отвалу Р_от:

; (14.14)

где f – коэффициент сопротивления движению; α_п – угол продольного уклона пути; h– глубина резания, м; k – удельное сопротивление грунта резанию (кПа); δ_р – плотность разрыхленного грунта (т/м³); μ₁ – коэффициент трения грунта по металлу; μ₂ – коэффициент трения грунта по грунту; g – ускорение свободного падения, м/с².

Объем призмы волочения рассчитывается по формуле:

; (14.15)

где К_пр – коэффициент, зависящий от характера грунта и отношения . При =0,3-0,4; К_пр=0,8–0,9для связных грунтов и 1,2-1,3 для несвязных грунтов.

Расчет по зависимости ( 14.14) проводят для следующих расчетных положений:

1) начальный этап заполнения отвала, призма грунта отсутствует, т.е. V=0;

2) конечный этап заполнения отвала при резании грунта с максимальным объемом призмы волочения.

Первое расчетное положение служит для определения максимальной глубины резания:

; (14.16)

Во втором положении находят минимальную глубину резания:

; (14.17)

Минимальные значения глубины резания должны быть не менее значений h_п, определяемых по условию возмещения потерь грунта из призмы в боковые валики в процессе ее перемещения:

; (14.18)

где Δ – опытный коэффициент, равный 0,29 для связных грунтов и 0,45 – для малосвязных.

Если бульдозер поворотный, то сопротивление перемещению бульдозера в процессе копания:

; (14.19)

где Р_вд – сопротивление перемещению грунта вдоль по отвалу:

; (14.20)

Для бульдозера с поворотным отвалом расчеты ведут при угле захвата , а также при наименьшем угле захвата (40…45⁰) для первого расчетного положения и для положения, когда h=0. На основании расчетов устанавливают возможность использования той или иной передачи при копании и перемещении грунта.

Наиболее вероятными условиями работы машин общего назначения, которые необходимо класть в основу расчетов, можно считать разработку характерного грунта категории ІІ (плотность 1850 кг/м³, коэффициент разрыхления 1,3, угол внутреннего трения 40⁰, угол внешнего трения о сталь 35⁰, удельное сопротивление резанию грунта 130 КПа).